Návrh experimentálního objektu z betonu s recyklovaným kamenivem

Deklarované vlastnosti vybraného stavebního materiálu byly ověřeny návrhem drobného experimentálního objektu a bylo provedeno srovnání s běžnými stavebními materiály. Zahajujeme tak seriál, kde představujeme experimentální objekty a dáváme je k diskusi stavařům. Velmi často se totiž stává, že vize architektů se rozcházejí se stavební realitou.

1. Popis záměru

Největšími skupinami produkovaných stavebních odpadů v ČR jsou beton, cihly, tašky a keramické výrobky, které dohromady tvoří téměř polovinu veškerých stavebních a demoličních odpadů. Tyto odpady jsou dosud využívány především downcyclingovými metodami, a to převážně do zásypů inženýrských sítí nebo podsypů dopravních staveb. Tento stav snižuje odbyt recyklátu a ve výsledku omezuje rozvoj celého odvětví recyklace stavebních hmot. Záměrem studie bylo prozkoumat možnosti využití recyklátů z těchto materiálů v náročnějších stavebních konstrukcích a provést srovnání s běžnými stavebními materiály. Součástí záměru byl návrh modelového objektu v měřítku, které odpovídá rodinným domům a jiným drobnějším stavbám. Důraz byl kladen na vlastnosti, které jsou důležité z pohledu architekta, především použitelnost v jednotlivých typech konstrukcí, jeho vliv na dimenzování konstrukcí, tepelně technické vlastnosti, vzhled a také cenu.

2. Popis navrženého objektu

Byl navržen drobný výstavní objekt o vnitřních rozměrech 4,5 × 4,5 × 4,5 m. Objekt je dispozičně členěn do dvou podlaží s hlavním výstavním prostorem a toaletou v přízemí a galerií v 2. NP. Prosvětlení je řešeno prosklenou stěnou s posuvným dveřním křídlem v přízemí a střešním světlíkem nad schodištěm. Základ je řešen jako plošný – plovoucí základová deska tl. 250 mm uložená na podsyp z pěnového skla. Obvodové stěny jsou monolitické tl. 200 mm, vnitřní dělicí stěna je ze ztraceného bednění tl. 150 mm. Stropy nad 1. NP i 2. NP jsou monolitické tl. 180 mm, schodiště montované, střecha je plochá, krytá PVC povlakovou krytinou. Výplně otvorů jsou dřevěné s trithermální výplní.

Pohledové plochy byly v maximální míře navrženy z pohledového monolitického betonu. Výraz objektu by měl odpovídat snaze o materiálovou redukci a zároveň by měl v maximální míře dát vyniknout pohledovým vlastnostem zkoušeného materiálu.

V rámci projektu bylo provedeno srovnání statických parametrů konstrukcí ve variantách s vybraným betonem a běžně používaným betonem, s cílem prověřit použitelnost a hospodárnost vybraného materiálu v řešeném měřítku.

Byly řešeny následující konstrukce:

• Monolitická plovoucí základová deska
• Obvodová nosná stěna
• Překlad nad okenním otvorem
• Vnitřní nosná stěna
• Strop nad 1. NP / galerie
• Strop nad 2. NP / střecha
• Montované schodiště
• Podlaha v 1. NP (m.č. 1.01 – showroom)
• Podlaha v 1. NP (m.č. 1.02. – WC)

Obr. 1. Půdorysy a řez navrženým objektem

Obr. 2. Pohledy

3. Výběr konstrukčního materiálu

Pro účely případové studie byl jako konstrukční materiál vybrán beton ERC Tech concrete, který je uveden v Katalogu materiálů a výrobků s obsahem druhotných surovin dostupném v on-line verzi na webu recyklujemestavby.cz.

Firma ERC Tech a.s. vyvinula technologii výroby betonů z recyklátů z cihel, betonu, střešních tašek nebo sanitární keramiky. V době zpracování této studie se jednalo o jediný výrobek tohoto druhu z betonových a cihelných recyklátů uvedený v Katalogu materiálů a výrobků s obsahem druhotných surovin pro použití ve stavebnictví. Podle Stavebně technického osvědčení vydaného TZÚS Praha (viz obrázek č. 3), dosahují vyvinuté směsi pevnostních tříd betonu C12/15 až C30/37. Výsledků srovnatelných s běžnými betony dosahují i v dalších sledovaných parametrech, jako je mrazuvzdornost nebo nasákavost, výrazně lepšího výsledku v parametru tepelné vodivosti (0,9 W/mK). Ve srovnání s běžným betonem však dosahují nižšího modulu pružnosti – 10–15 GPa oproti běžným 29–32 GPa, který bude limitovat použití materiálu především ve vodorovných nosných konstrukcích.

Obr. 3. Stavební technické osvědčení č. 060-045845 na beton s použitím stavebních recyklátů jako kameniva pevnostních tříd C12/15 a vyšší dle PN GB 206 – Vymezení sledovaných vlastností

4. Ověření použitelnosti vybraného materiálu ve vodorovných nosných konstrukcích

Pro ověření použitelnosti materiálu ve vodorovných nosných konstrukcích byly pro potřeby této studie vypracovány detailní návrhy modelových vodorovných prvků, překladů různých délek z materiálů různých pevnostních tříd. Byly posouzeny dimenze prvků a množství výztuže a provedeno ekonomické srovnání s běžnými betony. Následně byl zhotoven prototyp překladu a provedeny pevnostní zkoušky v TZÚS Brno. Na jejich základě bylo použití vybraného materiálu ve vodorovných prvcích do rozponu pět metrů vyhodnoceno jako možné.

Obr. 4. Návrh překladu délky 4,5 m. Výkres tvaru a výztuže

Obr. 5. Fotografie prototypu překladu

5. Barva a textura povrchů, možnost povrchových úprav

Zajímavým specifikem vybraného materiálu je jeho barevná variabilita, ovlivněná použitým recyklátem. Při použití betonového recyklátu je barevnost jednolitá šedá, po přebroušení povrchu vynikne struktura tvořená recyklovaným kamenivem. Cihelný recyklát dodává povrchu okrový odstín s výraznou barevnou strukturou připomínající terrazzo. S porcelánovým recyklátem je možné dosáhnout vzhledu bílého betonu. Vzhledem k homogenní struktuře materiálu se nabízí jeho použití pro vysoce dekorativní hrubé betony.

Obr. 6. Vliv použitého recyklátu na vizuální kvality materiálu – podíl cihelného a betonového recyklátu – vzorek z betonového recyklátu (foto – autor)

Obr. 7. Vliv použitého recyklátu na vizuální kvality materiálu – podíl cihelného a betonového recyklátu – vzorek ze směsného recyklátu (foto – autor)

Obr. 8. Vliv použitého recyklátu na vizuální kvality materiálu – vzorek z recyklátu ze sanitární keramiky, kombinace materiálů (foto – autor)

Obr. 9. Vliv použitého recyklátu na vizuální kvality materiálu – zrnitost recyklátu – frakce 8/32 (foto – autor)

Obr. 10. Vliv použitého recyklátu na vizuální kvality materiálu – zrnitost recyklátu – frakce 0/8 (foto – autor)

Obr. 11. Vliv povrchové úpravy na texturu materiálu – směsný recyklát z cihel a betonu, jemná frakce, odlitek bez povrchové úpravy (foto – autor)

Obr. 12. Vliv povrchové úpravy na texturu materiálu – směsný recyklát z cihel a sanitární keramiky, jemná frakce, broušený povrch (foto – autor)

Obr. 13. Vliv povrchové úpravy na texturu materiálu – směsný recyklát z cihel a betonu, hrubá frakce, bez povrchové úpravy (foto – autor)

Obr. 14. Příklad použití materiálu ve výrobcích – zkušební blok, směsný recyklát z cihel a betonu, broušený povrch (foto – autor)

Obr. 15. Příklad použití materiálu ve výrobcích – zkušební blok, betonový recyklát, broušený povrch (foto – autor)

Obr. 16. Příklad použití materiálu ve výrobcích – zkušební blok, 50% betonový recyklát, 50% směsný recyklát, broušený povrch (foto – autor)

Obr. 17. Další příklady použití materiálu ve výrobcích (foto – autor)

Obr. 18. Navržený objekt – vizualizace exteriéru a hlavního výstavního prostoru v 1. NP

Obr. 19. Navržený objekt – vizualizace interiéru – galerie ve 2. NP, schodiště

6. Výstavní objekt – statické posouzení a srovnání s běžným betonem

Bylo provedeno statické posouzení navrženého objektu ve variantách z běžného betonu a betonu s recyklátem pevnostní třídy C25/30. Pevnost v tlaku materiálu shodně 25,0 MPa, modul pružnosti Ecm běžného betonu 31 000 MPa, betonu s recyklátem 10 000 MPa, objemová tíha běžného betonu 25,0 kN/m³, betonu s recyklátem 23,0 kN/m³. Ostatní parametry byly uvažovány stejné.

Obr. 20. Stěnový model konstrukce, vlevo celý objekt, vpravo bez horních stěn a střechy

Z porovnání obou variant vyplývá, že ve stavbě tohoto měřítka je průběh vnitřních sil, zejména ohybový moment, v konstrukcích z materiálu s recyklátem téměř totožný jako v konstrukcích ze standardního betonu. Rozdíl není natolik významný, aby měl dopad na návrh výztuže. Konstrukce z betonu s recyklátem mají větší průhyb, který ovšem odpovídá normovým požadavkům. Ze srovnání vyplývá vhodnost použití recyklovaného materiálu především do vodorovných konstrukcí s menšími rozpony a do prvků namáhaných svislými silami, jako jsou sloupy a stěny. Před plnohodnotným použitím je nutné experimentálně ověřit spolupůsobení betonu s výztuží (soudržnost, tepelná roztažnost), smršťování a dotvarování.

Obr. 21. Průhyb střešní desky – vlevo standardní beton C25/30, vpravo beton C25/30 s recyklovaným kamenivem

Obr. 22. Ohybový moment na střešní desce, mx,min – vlevo standardní beton C25/30, vpravo beton C25/30 s recyklovaným kamenivem

Obr. 23. Ohybový moment na střešní desce, mx,max – vlevo standardní beton C25/30, vpravo beton C25/30 s recyklovaným kamenivem

Obr. 24. Ohybový moment na střešní desce, my,min – vlevo standardní beton C25/30, vpravo beton C25/30 s recyklovaným kamenivem

Obr. 25. Ohybový moment na střešní desce, my,max – vlevo standardní beton C25/30, vpravo beton C25/30 s recyklovaným kamenivem

Obr. 26. Průhyb desky patra – vlevo standardní beton C25/30, vpravo beton C25/30 s recyklovaným kamenivem

Obr. 27. Ohybový moment na desce patra, my,min – vlevo standardní beton C25/30, vpravo beton C25/30 s recyklovaným kamenivem

Obr. 28. Ohybový moment na desce patra, my,max – vlevo standardní beton C25/30, vpravo beton C25/30 s recyklovaným kamenivem

Obr. 29. Ohybový moment ve stěně, my,min – vlevo standardní beton C25/30, vpravo beton C25/30 s recyklovaným kamenivem

Obr. 30. Ohybový moment ve stěně, my,max – vlevo standardní beton C25/30, vpravo beton C25/30 s recyklovaným kamenivem

7. Návrh konstrukčních skladeb

Vícevrstvé konstrukce byly navrženy převážně z recyklovaných materiálů. Účelem bylo prověřit, jaké možnosti volby recyklovaných materiálů má architekt k dispozici. Na webu www.recyklujemestavby.cz jsou uvedeny sádrokartonové desky Rigips s obsahem až 100 % recyklovaného papíru a až 10 % recyklované sádry. Desky je vhodné použít do instalační předstěny na WC.

Navržené obvodové konstrukce splňují požadavky normy ČSN 73 0540-2 na doporučené hodnoty součinitele prostupu tepla. Tepelná izolace základové desky byla řešena štěrkem frakce 0–63 mm z recyklovaného pěnového skla (např. firmy Refaglas) v tloušťce 235 mm, izolace střechy deskami z pěnového skla v celkové tloušťce 400 mm a soklu stejnými deskami v tl. 120 mm. Fasáda je provětrávaná s tepelnou izolací z dřevovláknitých desek Steico Flex tl. 140 mm. Tento přírodní materiál není vyráběn z recyklátu, ale je vhodný k odstranění v rámci přírodního cyklu, případně k tepelnému využití. Obvodové stěny jsou obloženy zavěšeným obkladem z tvárnic z recyklovaného betonu ERC Tech Concrete v tl. 100 m. Kotevní materiál (zakládací lišta, kotevní konzoly) je z oceli. Střecha je opatřena krytinou z bitumenových pásů a ochrannou vrstvou z recyklované betonové drti. Bitumenové pásy ve střešní skladbě a na základové desce jsou problematickou součástí skladeb vzhledem k nemožnosti recyklace a způsobu kotvení, který nedovoluje čisté oddělení vrstev. Adekvátní recyklovaný hydroizolační materiál bohužel dosud není k dispozici.

Obr. 31. Skladba střechy – varianta z recyklovaných materiálů, varianta z běžných materiálů

Následně byly vytvořeny alternativní skladby z běžných materiálů a provedeno srovnání. Při dimenzování tepelných izolací se uplatnil nižší součinitel tepelné vodivosti recyklovaného betonu, který do určité míry vyrovnal horší tepelnětechnické vlastnosti izolantů z recyklovaných nebo přírodních materiálů. To se týká zejména obvodových stěn. Ve skladbě podlahy na terénu a zejména střechy se nicméně horší tepelně technické vlastnosti zvoleného recyklovaného izolantu projevily výrazným nárůstem dimenzí skladby.

Obr. 32. Skladba podlahy na terénu – varianta z recyklovaných materiálů, varianta z běžných materiálů

Obr. 33. Skladba obvodové stěny – varianta z recyklovaných materiálů, varianta z běžných materiálů

8. Ekonomické srovnání s běžnými materiály

Recyklovaný beton firmy ERC Tech nebyl v době zpracování studie uveden na trh a bylo proto obtížné provést ekonomické srovnání s běžným betonem. Firma ERC Tech uvádí, že je možné dosáhnout až 40% úspory nákladů. Vzhledem k tomu, že dosud není zveřejněno přesné složení vyvinutých směsí a přesný technologický postup, nelze provést ověření uvedené informace. Podle dostupných podkladů ale dochází při výrobě k úspoře 50 až 120 kg cementu na m³ hmoty. Další úsporu přinese nahrazení přírodního kameniva recyklátem. Cena přírodního kameniva je v současné době zhruba trojnásobná ve srovnání s betonovým recyklátem stejné frakce. Na druhé straně dochází k navýšení nákladů nutností provedení hygienizace odpadu. Firma Skanska zahájila na podzim roku 2019 zkušební komerční produkci v jedné ze svých betonáren. Jeho cena je o 10–15 % nižší ve srovnání s běžným betonem stejné pevnostní třídy. Nižší míra úspor oproti předpokladu je způsobena nutností úprav zařízení betonárny při poměrně nízkém objemu výroby. Dá se předpokládat, že při větších objemech bude cena materiálu dále klesat.

Byla provedena orientační cenová kalkulace navržených skladeb pro variantu z recyklovaných stavebních materiálů a pro variantu z běžných materiálů.

Z provedeného srovnání vyplývá, že cena obvodové stěny v navržené skladbě je v obou variantách srovnatelná. Nižší cena recyklovaného betonu byla vyrovnána vyšší cenou přírodního izolantu. Rozdíl činí 2,1 % ve prospěch běžných materiálů. V případě podlahy na terénu došlo volbou recyklovaného materiálu k poklesu ceny o 28,8 %, a to i díky nižší ceně zvoleného izolantu z drceného recyklovaného pěnového skla. Naopak střešní konstrukce vykazuje pro variantu z recyklovaných materiálů nárůst ceny o 56,4 %. Ten je způsoben vysokou cenou zvoleného izolantu z desek z pěnového skla.

Obr. 34. Plocha střecha z recyklovaných stavebních materiálů – cena/m², cenová úroveň I./2019

Obr. 35. Plocha střecha z běžných stavebních materiálů – cena/m², cenová úroveň I./2019

Obr. 36. Podlaha na terénu z recyklovaných stavebních materiálů – cena/m², cenová úroveň I./2019

Obr. 37. Podlaha na terénu z běžných stavebních materiálů – cena/m², cenová úroveň I./2019

Obr. 38. Obvodová stěna z recyklovaných stavebních materiálů – cena/m², cenová úroveň I./2019

Obr. 39. Obvodová stěna z běžných stavebních materiálů – cena/m², cenová úroveň I./2019

9. Závěr

Případová studie ukazuje reálnou možnost využití recyklátu z největší skupiny stavebních odpadů, která zahrnuje beton a cihly, formou upcyclingu. Betonové směsi vyvinuté firmou ERC Tech se technickými vlastnostmi mohou srovnávat s běžně používanými betony, přesto ale vykazují některé odlišnosti oproti běžným betonům shodných pevnostních tříd. Ty se v případě vodorovných konstrukcí větších rozponů projeví v množství použité výztuže, v případě některých konstrukcí i v tvaru konstrukce. Při zkoumaném menším měřítku stavby nedochází k zásadním odlišnostem a volba zkoušeného materiálu se jeví jako možná a úsporná.

V době vzniku této studie probíhal výzkum a vývoj nových směsí s cílem rozšířit aplikační možnosti vyvinutých materiálů. Úspěšně bylo vyzkoušeno použití v transportbetonech, stříkaných betonech, výroba lisovaných a vibrolisovaných prefabrikátů (dlažeb, tvárnic ztraceného bednění, krycích stříšek apod.), podlahové potěry, cementové omítky a stěrky.

Sledovaný materiál nabízí zajímavé výtvarné možnosti díky rozmanité barevnosti použitých recyklátů. Barva a textura materiálu se liší v závislosti na použitém recyklátu. Jejich zdůraznění je možné pomocí povrchové úpravy (broušení, štípání).

Plnohodnotnému využití vybraného materiálu v praxi by měla předcházet realizace zkušebních staveb, která umožní ověření deklarovaných mechanických vlastností a prozkoumání dalších specifik materiálu, zejména dobu zrání betonu, spolupůsobení s výztuží, chování při odbedňování apod.

Literatura

1. Zákon č. 185/2001 Sb. O odpadech a změně některých dalších zákonů
2. VYTLAČILOVÁ Vladimíra, P., Recyklace ve stavební výrobě. 1. vyd. Praha: ČVUT v Praze, Fakulta stavební, 2012. 116 s. ISBN 978-80-01-05184-9
3. MÖTZL A. – SCHNEIDER U. Bauen mit recycros. Subprojekt 3 zum Leitprojekt Gugler! build and print triple zero. Wien: Bundesministerium für Verkehr, Innovation und Technologie, 2011, 224 s. Dostupné na:
   https://www.nachhaltigwirtschaften.at/resources/hdz_pdf/endbericht_1130_recycros.pdf.
4. SCHNEIDER U. – BÖCK M. – MÖTZL A. Recyclingfähig konstruieren. Subprojekt 3 zum Leitprojekt Gugler! build and print triple zero. Wien: Bundesministerium für Verkehr, Innovation und Technologie, 2011, 354 s. Dostupné na: https://www.nachhaltigwirtschaften.at/resources/hdz_pdf/endbericht_1121_recyclingfaehig_konstruieren.pdf.
5. ŠKOPÁN M. Recyklace SDO v ČR – úspěchy i bariéry. In ŠKOPÁN M. (edit.). Recycling 2019. Možnosti a perspektivy recyklace stavebních odpadů jako zdroje plnohodnotných surovin. Brno: VUT Brno, 2019. 159 s. ISBN 978-80-214-5728-7.)
6. Protokol EU o nakládání se stavebními a demoličními odpady. 2016, Evropská komise Generální ředitelství pro vnitřní trh, průmysl, podnikání a malé a střední podniky
7. POLÁK F. Využití inertních recyklovaných směsí v rámci komerční výroby prefabrikovaných prvků a transport betonu pocházející ze stavebně demoličních odpadů. Cirkulární ekonomika ERCTECH a.s. In ŠKOPÁN M. (edit.). Recycling 2018. Možnosti a perspektivy recyklace stavebních odpadů jako zdroje plnohodnotných surovin. Brno: VUT Brno, 2014. 146 s. ISBN 978-80-214-5602-0.)
8. Katalog recyklovaných výrobků. Dostupný na: http://www.recyklujmestavby.cz/vyrobky/ dne 8. 7. 2019
9. Zlepšení materiálového využití vybraných stavebních a demoličních odpadů. 2015, Ministerstvo životního prostředí ČR., dostupné na https://www.mzp.cz/C1257458002F0DC7/cz/projekty_po8_opzp_2007_2013/$FILE/OODP-Zlepseni_vyuziti_SDO-20160810.pdf, dne 19. 5. 2019