Příklady možného využití betonů s obsahem RBK z dvoufázové recyklace v praxi
Článek prezentuje dva příklady využití betonu s recyklovaným betonovým kamenivem (RBK) na konkrétních aplikacích. Konkrétně se jedná o základový žebrový prefabrikovaný panel umístěný pod povrchem pro stabilizaci horní betonové konstrukce lavičky jako první příklad aplikace a jako druhý příklad aplikace je zde uveden běžný slabě vyztužený panel pro různorodé aplikace například v dopravních stavbách a infrastruktuře pro realizaci zpevněných ploch. Výsledné receptury betonových směsí s recyklovaným kamenivem použité pro zmíněné aplikace jsou výsledkem předchozího materiálového výzkumu dvoufázové recyklace, kdy je kamenivo vyrobeno drcením čistých fragmentů betonu o velikosti 16 až 128 mm po předchozím odstranění jemné frakce včetně nečistot v první fázi recyklačního procesu.
Základová část konzolové subtilní lavičky
V rámci vědecko-výzkumné činnosti na UCEEB ČVUT v Praze byla navržena a vyvinuta subtilní konzolová lavička (Obrázek 1). Ta se skládá ze dvou základních částí. Nadzemní viditelná tenká část je jednou zalomená deska z textilního betonu s kompozitní uhlíkovou výztuží o tloušťce cca 40 mm. Druhá, podzemní, část stabilizuje lavičku a je tvořena žebrovou železobetonovou deskou s tloušťkou přibližně 150 mm. Základová prefabrikovaná deska této lavičky byla provedena výhodně právě z betonové směsi s recyklovaným kamenivem (Obrázek 2).
Obrázek 1 – Schéma lavičky se základovou částí z betonu s recyklovaným kamenivem
Obrázek 2 – Lavička a detailní pohled na základovou část konstrukce lavičky
1.1 Vlastnosti použitého kameniva
Pro výrobu základové části lavičky bylo použito recyklované betonové kamenivo RBK 1, přírodní kamenivo PK a přírodní písek (Obrázek 3). Křivky zrnitosti použitého kameniva jsou v následujícím grafu, uvedena je i optimalizovaná křivka zrnitosti OPT. Vlastnosti použitého kameniva jsou uvedeny v tabulce (Tabulka 1).
| PK | RBK 1 | |||
|---|---|---|---|---|
| 0–4 mm | 8–16 mm | 4–8 mm | 8–16 mm | |
| Obsah jemných částic [%] | 2,0 | 0,2 | 0,2 | 0,1 |
| Objemová hmotnost [kg/m3] | 2 600 | 2 540 | 2 150 | 2 210 |
| Nasákavost [%] | 2,0 | 1,9 | 8,1 | 7,0 |
| Mrazuvzdornost [%] | f1 | f1 | f4 | f4 |
| Obsah betonu a kameniva v RBK [%] | – | – | 93,7 % | 96,5 % |
Tabulka 1 – Vlastnosti použitého kameniva RBK 1 a PK
Obrázek – 3 Křivky zrnitosti RBK 1, PK a optimalizovaná zrnitost směsi OPT
1.2 Vlastnosti betonové směsi
Recyklované betonové kamenivo nahrazuje 80 % obj. přírodního kameniva, které je běžně používáno. Přičemž je plně nahrazena frakce 4–16 mm a částečně, a to ze 60 %, pak přírodní písek frakcí 0–4 mm. Vlastnosti tohoto kameniva byly ověřeny předem a bylo s nimi počítáno při návrhu směsi. Směs obsahovala 320 kg cementu CEM I 42,5 R na 1 m3. Receptura je uvedena v tabulce (Tabulka 2).
| Voda | Cement | PK | RBK 1 | v/c | Efektivní v/c | |||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 0–4 mm | 8–16 mm | 4–8 mm | 8–16 mm | |||||
| REC 300/22 Z | 187* | 300 | 719 | 550 | 237 | 237 | 0,55 | 0,62 |
Tabulka 2 – Receptura směsi s RBK pro základovou konstrukci lavičky
* + voda pro přednasákutí, jejíž množství se stanoví z nasákavosti daného kameniva a aktuálního obsahu vody v kamenivu
Na doprovodných tělesech, které byly betonovány spolu s konstrukcí základu byly ověřeny základní materiálové vlastnosti. Z fyzikálních vlastnosti byla ověřena objemová hmotnost a nasákavost (krychle o hraně 100 mm). Z mechanických vlastností to byla pevnost v tlaku (krychle o hraně 150 mm), pevnost v tahu za ohybu a modul pružnosti (trámce 100 × 100 × 400 mm). Mrazuvzdornost betonu nebyla ověřena, protože navržená směs vyšla ze směsi REC 300/27, na které byla ověřena dostatečná mrazuvzdornost. Index mrazuvzdornosti po 100 zmrazovacích cyklech byl 0,98. Zkoušené vlastnosti betonové směsi jsou uvedeny v tabulce (Tabulka 3).
| Směs | Objemová hmotnost [kg/m3] | Pevnost v tlaku [MPa] | Pevnost v tahu za ohybu [MPa] | Modul pružnosti v tlaku [GPa] | Nasákavost [%] | Třída betonu | ||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| statický | dynamický | Zmenšovací koeficient Ec/Ed [-] | ||||||
| REC 300/22 Z | 2 215 | 36,8 | 6,7 | 28,4 | 34,3 | 0,83 | 7,2 | C25/30 |
Tabulka 3 – Vlastnosti betonu s RBK pro základovou konstrukci lavičky
1.3 Konstrukce základové části lavičky
Tato konstrukce je uložena ve štěrkovém loži (frakce 8–32 mm) o tloušťce 140 mm. Základová část konstrukce je pak obsypána štěrkem frakce 4–8 mm (Obrázek 5). Samotný základ má vnější rozměry 2 140 × 1 000 × 150 mm a váží 220 kg (Obrázek 4). Jako výztuže bylo použito tradiční betonářské výztuže profilu 6 mm, a to 4 ocelových prutů do žeber šířky 160 mm, do žeber šířky 100 mm pouze 2 pruty. Pro vázání výztuže bylo využito závitových pouzder předem instalovaných do formy a klasických distančních tělísek. Tato závitová pouzdra byla instalována po délce základu v kontaktu s nadzemní částí lavičky ve dvou řadách a slouží pro bezpečné spojení obou částí. Od bodu otáčení (vnitřní hrany betonového žebra) je řada zatěžovaná tahem při užívání lavičky vzdálena 130 mm a je volen 1,5 násobek potřebného počtu kotevních bodů na provozní zatížení lavičky z důvodu bezpečnosti. Druhá řada o stejném počtu pouzder je od stejného bodu otáčení vzdálena 30 mm a slouží jednak pro přenesení tahových sil v případě manipulace s lavičkou jako celkem, a dále je navržena z bezpečnostních důvodů, kdy v případě kolapsu všech pouzder a kotev hlavní nosné řady je schopna dočasně přenést vlastní tíhu vrchní části korpusu tak, aby nedošlo k jeho pádu a nezranil uživatele lavičky. V protější straně základu byla použita pouze dvě závitová pouzdra v rozích pro případnou další manipulaci s lavičkou či pouze základem. Závitová pouzdra, spojovací prvky a navazující zámečnické konstrukce v horní části lavičky jsou pozinkované tak, aby odolávaly korozi.
Obrázek 4 – Základová částí z betonu s recyklovaným kamenivem
Obrázek 5 – Osazení základové části konstrukce lavičky do štěrkového lože
Byly navrženy i doplňkové lavičky, na kterých byla testována únosnost, nebo doplňovaly řadu. Z důvodu menších rozměrů doplňkových laviček délky 0,80 m byla vyrobena další forma na základovou konstrukci obdobným způsobem, tedy výška výsledného základu 100 mm, šířka obvodového prstence 160 mm. Obdobně také lavičky délky 0,6 m pro experimentální ověření únosnosti lavičky.
Celkem byly vybetonovány 4 základové části lavičky délky 2,14 m, a to pro 3 lavičky s fotovoltaickým panelem, bateriovým boxem a vybranými elektro instalacemi. Poslední, čtvrtá, dlouhá lavička byla doplňková a byla navržena jako stojan na kola. Dále byly betonovány 2 malé základy pro lavičky délky 0,8 m pro individuální odpočinek a dva základy délky 0,6 m pro experimentální ověření skutečné únosnosti lavičky. Tedy dvě lavičky jako smontovaný celek s délkou 0,6 m byly podrobeny mechanické destruktivní zatěžovací zkoušce s konstantním posunem příčníku, kdy bylo prokázáno, že metr běžný lavičky unese více než jednu tunu zatížení. Tím je předpokládána i dostatečná rezerva pro dynamické zatížení, které experimentálně nebylo ověřeno.
Všechny vyrobené lavičky jsou již v tuto chvíli osazeny v Praze jako demonstrační vzorky. Lavička s fotovoltaickým panelem a vybranými funkcemi je instalována v Malešicích mezi budovami kousek od ulice Marciho, dále v Libuši před bytovým domem při ulici Novodvorská u křižovatky s ulicí Zbudovská. Třetí, společně se stojanem na kola a dvěma doplňkovými lavičkami délky 0,8 m, se nachází uvnitř sportovního a rekreačního areálu Pražačka na Žižkově (Obrázek 6).
Obrázek 6 – Demonstrační skupina laviček v sestavě 2× krátká 0,8 m, dlouhá 2,14 m jako stojan na kola, dlouhá 2,14 m s fotovoltaickým panelem, bateriovým boxem a vybranými funkcionalitami
Výstupy prezentují, že lavička jednoduchého funkčního tvaru s využitím recyklátu i moderní kompozitní výztuže může sloužit k posezení a odpočinku, případně na přání uživatele i bez externího zdroje energie může poskytnout základní klasické funkce, jako je například dobíjení elektronických zařízení přes USB port, připojení k síti přes wi-fi, poskytování dat z místa pomocí instalovaných senzorů (množství oxidu uhličitého, prachových částic, teplotu, relativní vlhkost apod.).
Panel pro využití v dopravních stavbách a infrastruktuře
Betonové panely pro dopravní stavby jsou v praxi používané pro různé účely. Běžně je do betonové směsi, která spolu s ocelovou výztuží tvoří tyto panely, používáno přírodní kamenivo. Pro některé aplikace je toto řešení nezbytné, jako například použití pro silniční stavby, kde je dle platných předpisů možné použít pouze přírodní kamenivo o stanovených vlastnostech. Jsou však další aplikace dopravních staveb, jako například konstrukce chodníků, cyklotras nebo účelových komunikací, kde by bylo možné přírodní kamenivo ušetřit a využít recyklované betonové kamenivo, které se již pro vybrané účely v dopravním stavitelství používá. Takového řešení představuje tento panel, kdy je 80 % přírodního kameniva nahrazeno recyklovaným betonovým kamenivem při zachování požadovaných mechanických a trvanlivostních vlastností.
Hlavním přínosem tohoto řešení prvků prefabrikovaných panelů je využití recyklovaných odpadních materiálů a tím úspora přírodních zdrojů při zachování jejich funkčnosti a použitelnosti pro dané aplikace. Z ekonomického hlediska dochází při využití recyklovaného betonového kameniva k úspoře 24 % výrobních nákladů.
1.4 Vlastnosti použitého kameniva
Recyklované betonové kamenivo frakcí 0–4, 4–8 a 8–16 mm vzniklo při dvoufázové recyklaci, kde v druhé fázi dochází k recyklaci betonu bez nežádoucích příměsí. Tímto postupem je dosaženo recyklovaného betonového kameniva o stálých vlastnostech. Použité kamenivo je na následujícím obrázku (Obrázek 7).
RBK 2 0–4 mm
RBK 2 4–8 mm
RBK 2 8–16 mm
Obrázek 7 – Recyklované betonové kamenivo RBK 2 použité při betonáži panelu
Pro výrobu panelu bylo použito recyklované betonové kamenivo RBK 2 a přírodní písek. Křivky zrnitosti použitého kameniva jsou v následujícím grafu (Obrázek 8), uvedena je i optimalizovaná křivka zrnitosti OPT. Vlastnosti použitého kameniva jsou uvedeny v tabulce (Tabulka 4).
Obrázek 8 – Křivky zrnitosti RBK 2, písek a optimalizovaná zrnitost směsi OPT
| PK | RBK 2 | |||
|---|---|---|---|---|
| 0–4 mm | 0–4 mm | 4–8 mm | 8–16 mm | |
| Obsah jemných částic [%] | 2,00 | 1,65 | 0,50 | 0,35 |
| Objemová hmotnost [kg/m3] | 2 600 | – | 2 270 | 2 340 |
| Nasákavost [%] | 2,0 | – | 8,8 | 5,7 |
| Mrazuvzdornost [%] | f1 | – | f4 | f4 |
| Obsah betonu a kameniva v RBK [%] | – | > 90 % | 92,5 % | 98,3 % |
Tabulka 4 – Vlastnosti použitého kameniva RBK 2
1.5 Vlastnosti betonové směsi
Recyklované betonové kamenivo nahrazuje 80 % přírodního kameniva, které je běžně používáno. Přičemž frakci 4–16 mm nahrazuje 100 % a částečně, a to ze 60 %, pak nahrazuje přírodní písek frakce 0–4 mm. Vlastnosti tohoto kameniva byly ověřeny předem a bylo s nimi počítáno při návrhu směsi. Směs obsahovala 320 kg cementu CEM I 42,5 R na 1 m3. Receptura je uvedena v tabulce (Tabulka 5). Na doprovodných tělesech (Obrázek 9), které byly betonovány spolu s panelem byly ověřeny základní materiálové vlastnosti.
| Voda | Cement | PK | RBK | v/c | Efektivní v/c | |||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 0–4 mm | 0–4 mm | 4–8 mm | 8–16 mm | |||||
| REC 320/80 P | 235* | 320 | 354 | 483 | 261 | 661 | 0,50 | 0,73 |
Tabulka 5 – Receptura směsi s RBK pro betonový panel
* + voda pro přednasákutí, jejíž množství se stanoví z nasákavosti daného kameniva a aktuálního obsahu vody v kamenivu
Výroba doprovodných těles
Doprovodné těleso na lomu
Obrázek 9 – Doprovodná tělesa betonovaná při výrobě panelu
Z fyzikálních vlastností byla ověřena objemová hmotnost. Z mechanických vlastností to byla pevnost v tlaku (krychle o hraně 150 mm), pevnost v tahu za ohybu a modul pružnosti (trámce 100 × 100 × 400 mm). Navržená směs byla vybrána na základě vlastností směsi REC 320/80, která splňovala podmínky mrazuvzdornosti, kdy index mrazuvzdornosti byl 1,0. Předpokládá se tedy, že i směs ze které byl vyroben panel bude splňovat požadavek na mrazuvzdornost. Zkoušené vlastnosti betonové směsi jsou uvedeny v tabulce (Tabulka 6).
| Směs | Objemová hmotnost [kg/m3] | Pevnost v tlaku [MPa] | Pevnost v tahu za ohybu [MPa] | Modul pružnosti v tlaku [GPa] | Třída betonu | ||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| statický | dynamický | Zmenšovací koeficient Ec/Ed [-] |
|||||
| REC 320/80 P | 2 120 | 18,8 | 4,5 | 22,6 | 25,7 | 0,96 | C12/15 |
Tabulka 6 – Vlastnosti betonu s RBK pro betonový panel
1.6 Panel s recyklovaným betonovým kamenivem pro účely dopravních staveb
Betonová směs s recyklovaným betonovým kamenivem
Pohled na betonárku – plnění mixu betonovou směsí
Pohled do bednění panelu s výztuží
Forma prvku panelu pro dopravní stavby s čerstvou směsí
Prvek panelu pro dopravní stavby z recyklovaného betonu – po betonáži
Prvek panelu pro dopravní stavby z recyklovaného betonu – po odbednění
Obrázek 10 – Výroba panelu s recyklovaným betonovým kamenivem
Betonový panel z betonu s recyklovaným betonovým kamenivem je určen pro vybrané aplikace dopravního stavitelství. Panel má rozměr 3 × 1,2 × 0,22 m a je vyztužen konvenční ocelovou výztuží, kterou tvoří dvě kari sítě o průměru 8 mm a okem 150 × 150 mm, které jsou umístěny v horní a spodní části panelu ve vzdálenosti 30 mm od povrchu. Postup výroby je ukázán na fotografiích (Obrázek 10).
Závěr
Tento článek se věnuje možnostem využití recyklovaného betonového kameniva (RBK) jako náhrady přírodního kameniva v betonové směsi a přenesení poznatků z laboratoře do praxe. Jsou zde uvedeny 2 příklady využití betonových konstrukčních prvků s obsahem RBK, a to základová část lavičky a panel pro využití v dopravních stavbách.
Pro základovou část lavičky byla použita betonová směs s částečnou náhradou hrubé frakce recyklovaným betonovým kamenivem (REC 300/22 Z). U této směsi došlo pouze k nepatrnému zhoršení vlastností oproti běžným betonům, pokles mechanických vlastností betonu byl do 10 % oproti řešení z betonu s přírodním kamenivem.
Pro betonáž panelů byla použita směs, která obsahovala optimalizovaný poměr přírodního písku a drobného RBK (REC 320/80 P). Využití drobného RBK má pozitivní dopad na vlastnosti betonové směsi. Toto kamenivo obsahuje vysoký podíl jemných částic (částice menší než 0,063 mm), ale na rozdíl od jemného betonového prachu vznikají při druhé fázi drcení a neobsahují tak znehodnocující organické látky. Tyto jemné částice pomáhají vylepšovat vlastnosti betonů s hrubým RBK.
Vyrobené konstrukční prvky potvrzují potenciál využití betonů s recyklovaným betonovým kamenivem. Výsledky betonáží ukazují, že při využití kvalitního RBK, správném návrhu receptury a dodržení technologického postupu mají tyto betony vysoký potenciál pro oba zvolené typy konstrukcí. Ověřené vlastnosti doprovodných těles pak tento předpoklad potvrzují. Oba tyto konstrukční prvky jsou momentálně osazeny a je tak na nich ověřováno dlouhodobé zatížení a působení okolních vlivů.
Poděkování
Tato práce vznikla za finanční podpory MŠMT v rámci programu NPU I č. LO1605 a TAČR TH02030649 Environmentálně efektivní stavební a demoliční odpad do konstrukcí (EESDOK). Dílčí výsledky byly dosaženy za finanční podpory projektu CZ.07.1.02/0.0/0.0/16_040/0000364.
The article presents two examples of the use of concrete with recycled concrete aggregate (RCA) in specific applications. Specifically, it is a foundation ribbed prefabricated panel placed below the surface to stabilize the upper concrete structure of the bench as a first example of application, and as a second example of application there is a conventional weakly reinforced panel for various applications such as traffic constructions and infrastructure for paved areas. The recipe of concrete mixtures with recycled aggregates used for the mentioned applications is the result of previous material research of two-phase recycling, where the aggregate is produced by crushing pure concrete fragments of 16 to 128 mm after previous removal of fine fraction including impurities in the first phase of the recycling process.