Možnosti užití skelného recyklátu z fotovoltaických panelů pro betonové zdicí prvky
Příspěvek pojednává o možnostech využití recyklovaného skla z fotovoltaických panelů pro výrobu betonových zdicích prvků. Porovnává konkrétní jednotlivé receptury a zkoumá jejich mechanicko-fyzikální vlastnosti se zaměřením primárně na pevnost v tlaku. Porovnává též dosažené hodnoty vlastností zkoumaných receptur s hodnotami běžně používaných kompozitních materiálů pro zděné prvky, které recykláty neobsahují.
1. Úvod
Češi patří k jedněm z nejlepších v Evropě v třídění odpadu. A je skvělé, že tento trend neustává [1]. Co se ale týče recyklace průmyslového odpadu a jeho možného následného využití, zde máme rezervy. Tento článek se věnuje recyklaci skla, konkrétně skla z fotovoltaických panelů, a zkoumá jeho možnosti využití pro betonové zdicí prvky.
Fotovoltaické panely instalované v Evropě a v ČR začnou v blízké budoucnosti dosahovat hranic své životnosti, proto se čím dál více hovoří o možnostech a limitech jejich recyklace. Odpadní materiál z fotovoltaických panelů sestává z velké části ze skla, které může najít širší druhotné využití. Mimo jiné ve stavebnictví, a to například jako náhrada kameniva v betonu. V článku se zabýváme mechanickými vlastnostmi betonových vzorků vyrobených ze skelného recyklátu, který doplnil či zcela nahradil složku kameniva v receptuře betonu.
2. Recyklace a receptury
Recyklace
Recyklace solárních panelů je v posledních letech velkým tématem a přináší řadu zatím nevyřešených otázek.
Od roku 2018 vyžaduje směrnice EU zajistit při likvidaci solárních panelů jejich recyklaci v rozsahu min. 80 % a využití odpadu 85 %. Přičemž recyklací se rozumí druhotné pouze materiálové využití. Využitím odpadu se rozumí, kromě materiálového, i energetické využití [2]. Vývoj kvót v čase ukazuje Tab. 1.
| 2012–2015 | 2015–2018 | od 2018 | |
|---|---|---|---|
| Využití odpadu ze solárních panelů | 75 % | 80 % | 85 % |
| Recyklace solárních panelů | 65 % | 70 % | 80 % |
Existuje mnoho typů fotovoltaických panelů – monokrystalické (Mono-SI), polykrystalické (Poly-SI), tenkovrstvé (TFSC, CdTe, CIS, CIGS, a-Si), či koncentrátorové (CVP, HCVP). V ČR jsou instalovány různé typy od různých výrobců. Na klasických solárních panelech I. a II. generace tvoří největší podíl právě sklo (běžně 70 %, u tenkovrstvých až 95 %) [3], [4]. Pro splnění kvót je tedy nutné zajistit primárně recyklaci skla.
Obr. 1: Schéma konstrukce solárního panelu
Pro předkládaný výzkum bylo k výrobě vzorků betonu se skelným recyklátem použito rozdrcené sklo z fotovoltaických panelů. Nejedná se o 100% čisté sklo, chemické složení dvou typů skel používaných v ČR uvádí tabulka Tab. 2.
| Ztráta sušením (105 °C) | Ztráta žíháním (1100 °C) | SiO2 | Al2O3 | Fe2O3 | TiO2 | MnO | CaO | MgO | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| sklo LDK SOLAR – chemické složení | 0,23 | 1,08 | 69,5 | 1,230 | 0,172 | 0,023 | 0,005 | 10,20 | 1,44 |
| K2O | Na2O | Li2O | Cr2O3 | BaO | ZrO2 | SrO | |||
| 0,032 | 12,9 | < 0,002 | 0,005 | 0,005 | 0,008 | 0,008 | |||
| Ztráta sušením (105 °C) | Ztráta žíháním (1100 °C) | SiO2 | Al2O3 | Fe2O3 | TiO2 | MnO | CaO | MgO | |
| sklo QS SOLAR – chemické složení | 0,22 | 0,5 | 71,0 | 0,499 | 0,110 | 0,023 | 0,006 | 8,45 | 4,04 |
| K2O | Na2O | Li2O | Cr2O3 | BaO | ZrO2 | SrO | |||
| 0,171 | 12,4 | < 0,002 | 0,005 | 0,009 | 0,009 | 0,005 |
QS
LDK
Obr. 2: QS a LDK solární panely zkoumané v rámci rozboru chemického složení
Receptury
Skelný recyklát z fotovoltaických panelů byl k dispozici od firmy BAMBAS Elektroodpady s.r.o. Dodán byl ve dvou frakcích, a to ve frakci 1–2 mm a 4–8 mm.
Sítovým rozborem (ČSN EN 933-1) bylo potvrzeno [5], že v obou vzorcích spadá více než 90 % do udávané frakce 1–2 mm, resp. 4–8 mm.
Pro výzkum byly použity dvě receptury k výrobě vzorků betonu se skelným recyklátem. První receptura (A) obsahovala skelný recyklát obou výše zmíněných frakcí a též kamenivo frakce 4–8 mm. Druhá receptura (B) obsahovala pouze skelný recyklát, tedy bez přídavku kameniva. Detailní popis obou receptur uvádí Tab. 3.
| označení receptury | množství cementu CEM II 32,5 R | sklo | kamenivo | voda | |
|---|---|---|---|---|---|
| 1–2 mm | 4–8 mm | 4–8 mm | |||
| [kg/m3] | [kg/m3] | [kg/m3] | [kg/m3] | [kg/m3] | |
| A | 350 | 700 | 300 | 1000 | 150 |
| B | 350 | 950 | 1150 | – | 150 |
3. Prováděné zkoušky
Samotný skelný recyklát i vzorky vyrobené z betonu ze skelným recyklátem (receptura A a B) jsme podrobili následujícím zkouškám:
- Stanovení sypné hmonosti a mezerovistosti skelného recyklátu (dle ČSN EN 1097-3,6) [6]
- Stanovení objemové hmotnosti čerstvého betonu – 48 hodin (dle ČSN EN 206+A1, ČSN EN 12350) [7], [8]
- Stanovení objemové hmotnosti betonu po 28 dnech zrání (dle ČSN EN 206+A1, ČSN EN 12390) [7], [9]
- Stanovení pevnosti betonu v tlaku (dle ČSN EN 206+A1, ČSN EN 12390) [7], [9]
4. Naměřené výsledky a diskuse
V souladu s normou ČSN EN 1097-3 jsme určili sypnou hmotnost a mezerovitost skelného recyklátu z fotovoltaických panelů. Mezerovitost udává podíl objemu mezer mezi zrny v celkovém objemu. Naměřené výsledky sypné hmotnosti a mezerovitosti udává Tab. 4.
| Sypná hmotnost | frakce 1–2 mm [kg/m3] | frakce 4–8 mm [kg/m3] |
|---|---|---|
| volně sypaného recyklátu | 1086 | 1265 |
| zhutněného recyklátu | 1261 | 1413 |
| Mezerovitost | frakce 1–2 mm [%] | frakce 4–8 mm [%] |
| volně sypaného recyklátu | 60 | 53 |
| zhutněného recyklátu | 53 | 48 |
Obr. 3: Stanovení sypné hmotnosti skelného recyklátu frakce 4–8 mm a 1–2 mm
Hodnoty objemové hmotnosti čerstvého betonu, tedy vzorků ve stáří 48 hodin, dosáhly pro recepturu A v průměru 2160 kg.m−3. Pro recepturu B, jenž obsahuje pouze skelný recyklát, byla naměřená průměrná hodnota 1880 kg.m−3.
Daší výsledky prováděných zkoušek, včetně průměrných hodnot pro recepturu A a recepturu B přehledně uvádí následující tabulka Tab. 5. Pevnost v tlaku byla stanovena po 28 dnech stáří betonu.
| vzorek | hmotnost [g] | objemová hmotnost [kg.m−3] | rozměry vzorku [mm] | pevnost [MPa] |
|---|---|---|---|---|
| A1 | 7213,2 | 2137,2 | 150×150×150 | 20,9 |
| A2 | 7227,0 | – | 150×150×150 | 22,6 |
| A3 | 7243,6 | – | 150×150×150 | 22,0 |
| A – průměr | 7227,9 | 2140 | 150×150×150 | 21,8 |
| B1 | 6220,4 | 1843,1 | 150×150×150 | 11,5 |
| B2 | 6286,4 | 1862,6 | 150×150×150 | 11,9 |
| B3 | 6198,6 | 1836,6 | 150×150×150 | 11,9 |
| B4 | 6229,8 | 1845,9 | 150×150×150 | 11,3 |
| B – průměr | 6233,8 | 1850 | 150×150×150 | 11,7 |
Měřením získané pevnosti dosahují přívětivých hodnot. Pro recepturu A, která obsahuje i jednu frakci kameniva je průměrná naměřená pevnost 21,8 MPa, což opovídá středním hodnotám pevnosti obyčejného betonu. Receptura B osahující pouze skelný recyklát má průměrnou pevnost nižší, a to 11,7 MPa. Nicméně má celkově i nižší objemovou hmotnost, a je tedy lehčí. Beton se skelným recyklátem (receptura B) je i s touto nižší pevností vhodný pro nosné zdicí prvky.
Vlastnosti můžeme porovnat s hojně užívaným lehkým pórobetonem značky YTONG. Data předkládá následující Tab. 6. Vidíme, že pevnosti pórobetonu dosahují poloviční až více než čtvrtinových hodnot pevnosti betonu se skelným recyklátem (v závislosti na zvolené třídě).
| typ | objemová hmotnost [kg.m−3] | pevnost [MPa] |
|---|---|---|
| Standard P2-400 | 400 | 2,7 |
| Univerzal P3-450 | 450 | 3,5 |
| Statik P4-550 | 550 | 5,0 |
| Statik Plus P6-650 | 650 | 6,5 |
5. Závěr
Získané výsledky pevností betonových tvárnic ze skelného recyklátu prokázaly možnost použití pro základy budov i nosné konstrukce nízkopodlažních objektů.
Příměs polymerních vláken by jistě přinesla další zlepšení mechanických vlastností, nabízí se i kombinace hrubého betonového recyklátu s jemnějším skelným recyklátem při přípravě nové receptury betonu.
Jedno omezení bude vždy hladkost povrchu skla v kontaktu s cementovým tmelem a možná chemická reakce sklo – hydroxid vápenatý. Touto problematikou se již úspěšně zabývá řada vědeckých studií [11], [12], [13], [14].
6. Literatura
- DENÍK.CZ. Češi jsou hned po Belgičanech nejlepší ve třídění odpadu, 11. 5. 2017. [online]. Dostupné z: https://www.denik.cz/ekonomika/cesi-jsou-hned-po-belgicanech-nejlepsi-ve-trideni-odpadu-20170511.html
- THE EUROPEAN PARLIAMENT AND THE COUNCIL: Directive 2012/19/EU of the European Parliament and of the Council of 4 July 2012 on waste electrical and electronic equipment (WEEE) Text with EEA relevance. Dostupné z: https://data.europa.eu/eli/dir/2012/19/oj
- BECHNÍK, B.: Recyklace fotovoltaických panelů na konci životnosti, TZB-info, 2011. Dostupné z:
https://oze.tzb-info.cz/fotovoltaika/7868-recyklace-fotovoltaickych-panelu-na-konci-zivotnosti - IQ ENERGY: Technologický vývoj fotovoltaických panelů, [online]. Dostupné z:
http://www.iqenergy.cz/produkty-a-reseni/fotovoltaika/technologicky-vyvoj/#.XHLXV-hKhPY - ČSN EN 933-1. Zkoušení geometrických vlastností kameniva – Část 1: Stanovení zrnitosti – Sítový rozbor
- ČSN EN 1097-3. Zkoušení mechanických a fyzikálních vlastností kameniva – Část 3: Stanovení sypné hmotnosti a mezerovitosti volně sypaného kameniva.
ČSN EN 1097-6. Zkoušení mechanických a fyzikálních vlastností kameniva – Část 6: Stanovení objemové hmotnosti zrn a nasákavosti - ČSN EN 206+A1. Beton – Specifikace, vlastnosti, výroba a shoda
- ČSN EN 12350. Zkoušení čerstvého betonu
- ČSN EN 12390. Zkoušení ztvrdlého betonu
- XELLA, YTONG. Přehled materiálových vlastností a produktů 2021. [online] Dostupné z: https://www.ytong.cz/
- AFSHINNIA, K.; RANGARAJU, P. R. Impact of combined use of ground glass powder and crushed glass aggregate on selected properties of Portland cement concrete, Construction and Building Materials, 2016, 117, 263-272.
https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2016.04.072 - CORINALDESI, V.; NARDINOCCHI, A.; DONNINI, J. Reuse of recycled glass in mortar manufacturing, European Journal of Environmental and Civil Engineering, 2016, 20, 140 151. https://doi.org/10.1080/19648189.2016.1246695
- ISMAIL, Z. Z.; AL-HASHMI, E. A. Recycling of waste glass as a partial replacement for fine aggregate in concrete, Waste Management, 2009, 29(2), 655-659. https://doi.org/10.1016/j.wasman.2008.08.012
- DE CASTRO, S.; DE BRITO, J. Evaluation of the durability of concrete made with crushed glass aggregates, Journal of Cleaner Production, 2013, 41, 7-14. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2012.09.021
Poděkování
Tento výzkum byl realizován v rámci řešení projektu č. LO1408 „AdMaS UP -Pokročilé stavební materiály, konstrukce a technologie“ podporovaného Ministerstvem školství, mládeže a tělovýchovy v rámci účelové podpory programu „Národní program udržitelnosti I“.
The paper deals with the possibilities for use of glass recyclate from photovoltaic panels for concrete masonry units. It compares partivular recipes and its physical and mechanical properties with the main focus on the compressive strength. It then compares the values of these recipes with the values of commonly used composite materials for masonry units without recyclates.