Využití jemné frakce betonového, cihelného a směsného recyklátu na bázi stavebního a demoličního odpadu v betonech

1. Úvod

Recyklace je celosvětovým fenoménem poslední doby a logicky se týká i stavebnictví. Principy udržitelného rozvoje, které jsou spojené především s ochranou přírodních neobnovitelných zdrojů, jsou navázány i na efektivní využití stavebních demoličních odpadů (dále jen SDO). Problematice efektivního využití SDO se věnuje i tento příspěvek, který byl vytvořený v rámci projektu TA ČR Prostředí pro život č. SS03010302 DECOMPOSE s názvem „Vývoj efektivních nástrojů pro minimalizaci vzniku stavebního a demoličního odpadu, jeho monitoring a opětovné využití“.

Při demolici „běžných“ staveb vzniká velké množství SDO, který je z velké míry tvořený betonem a zbytky cihelného zdiva. Z obou typů odpadů je možné získat recyklované kamenivo, kdy je materiál z demolic upravený v recyklačních center a následně je možné recyklované a do jisté míry i vytříděné kamenivo dále opětovně využívat ve stavebnictví, a to opětovně v podobě kameniva do betonů.

Otázkou zůstává, jak velké množství přírodního kameniva lze nahradit efektivně recyklovaným kamenivem, a to při zachování přijatelných užitných vlastností betonu a dalších aspektů, dnes především ekonomických, ale i ekologických.

Většina recyklačních středisek v ČR je schopna separovat a upravit recyklát v podobě tří produktů – betonový recyklát, cihelný recyklát a směsný recyklát. V rámci článku byl použitý upravený SDO recyklát z recyklačního střediska v Modřicích společnosti Moravostav Brno a.s. [1].

Z pohledu dalšího využití je možné takto upravené kamenivo z SDO rozdělit na dvě části, a to v závislosti na velikosti částic, konkrétně na hrubou frakci (zpravidla 4/16 mm nebo 4/32 mm) a jemnou frakci s velikostí částic 0/4 mm. Příspěvek se věnuje aplikaci jemné frakce. V případě hrubého kameniva norma ČSN EN 206+A1 [2] v současné době upravuje možnosti jeho použití v závislosti na stupně vlivu prostředí a druhu recyklovaného kameniva. Maximální množství, které je možné použít pro betony do expoziční třídy X0, je 50 % hrubého recyklovaného kameniva. Do tříd XC1-C4, XF1, XA1 a XD1 je možné použít maximálně 30 % hrubého recyklovaného betonového kameniva a do tříd XC1 a XC2 je možné použít 20 % hrubého recyklovaného směsného kameniva, které je aspoň z 50 % tvořeno betonovým recyklátem.

V současné době se aplikačními zkouškami prováděnými na drobném kamenivu zabývá jen omezený okruh výzkumníků. Aby bylo možné náš výzkum porovnat, byla provedena v odborných článcích rešerše, na základě které byly vybrané články, které řeší podobnou problematiku. Např. Cheng-Chih Fan [3] využíval drcený betonový odpad získaný dvěma metodami. How-Ji Chen [4] aplikoval cihelný SDO a Debieb směsný SDO [5]. Vědecké studie autorů Evangelista a De Brito [6; 7] řešily vliv betonového recyklátu na vlastnosti betonu, konkrétně byla zkoušena pórovitost, nasákavost a pevnosti v tlaku. Dále např. Jagan Sivamani [8] zkoumala vliv betonového recyklátu na vlastnosti betonu. Výsledky této studie poukázaly na zhoršující se vlastnosti s rostoucí procentuální náhradou.

2. Materiály a vzorky

Obrázek 1: Použité drobné kamenivo – snímek z optického mikroskopu, zvětšeno 20× (vzorové snímky)

V rámci výzkumu byly zkoumány tři základní druhy recyklátů jako náhrady za drobné (přírodní) kamenivo frakce 0/4 mm, a to: betonový, cihelný a směsný recyklát. Jako vstupní materiál byl použit SDO z různých staveb a demolic. Vzorky pro potřeby příspěvku byly zpracovány na recyklačním dvoře společnosti Moravostav Brno a.s. a drceny pomocí čelisťového drtiče RESTA. Betonový recyklát pocházel z velmi kvalitně separované betonové suti (dále značeno jako „B“), směsný recyklát byl tvořen směsí betonového a cihelného odpadu v kombinaci se zeminou (značený „S“) a cihelný recyklát (značený „C“) se skládal z čisté cihelné suti se zbytky malty a omítky do 5 hmotnostních procent (Obrázek 1).

V první fázi experimentu byly zkoumány vlastnosti drobného kameniva dle platných norem pro drobné kamenivo frakce 0/4 mm. Pro účely zkoušek byly recykláty vysušeny v sušárně při teplotě 110 ˚C. V druhé části experimentu bylo recyklované drobné kamenivo aplikováno přímo do betonové směsi. Betonové směsi obsahovaly portlandský cement s označením CEM I 42,5 R, který pocházel ze závodu Mokrá. Dále bylo použito přírodní drobné kamenivo frakce 0/4 mm ze štěrkovny Dobříň a hrubé kamenivo frakce 4/8 mm a 8/16 mm z kamenolomu Zbraslav. Přírodní drobné kamenivo bylo v rámci experimentu nahrazeno recyklovaným, a to v náhradách 33, 66 a 100 hmotnostních procent. Současně byl vyroben referenční beton složený jen z přírodních neobnovitelných materiálů. Pro každou zkušební sadu bylo vyrobeno devět zkušebních těles. Množství záměsové vody, potažmo velikost vodního součinitele, bylo vždy nastaveno tak, aby všechny testované směsi měly stejnou konzistenci v čerstvém stavu. V našem případě se jednalo o konzistenci S1 zjištěnou pomocí sednutí Abramsova kužele dle ČSN EN 12350-2 [9]. Podrobné složení čerstvých směsí betonů je popsáno v Tabulce 1. Jako zkušební tělesa byly použity betonové krychle o hraně 150 mm.

3. Experimentální metody

První část experimentů byla provedena pro popsání jednotlivých vlastností použitých recyklátů v porovnání s běžně využívaným drobným kamenivem. Jednalo se o experimenty pro zjištění obsahu jemných částic a sítový rozbor pro stanovení granulometrického složení, výsledkem je křivka zrnitosti. Samotná zkouška je popsána normou ČSN EN 933-1 [10]. Dále bylo nutné provést zkoušku pro zjištění objemové hmotnosti a nasákavosti drobných kameniv, ke které sloužila norma ČSN EN 1097-6 [11]. Norma popisuje postup provádění pyknometrické metody pro dosažení několika druhů objemových hmotností (zdánlivé, povrchově osušení a plně nasycené) a procentuální nasákavosti recyklátů.

Druhá část experimentů byla provedena na betonových zkušebních tělesech vyrobených podle Tabulky 1. Po zatuhnutí byla tělesa odbedněna a uskladněna v nádobách s vodou (vzorky byly uložené pod vodní hladinou) a zkoušena po 7, 28 a 90 dnech. První provedenou zkouškou na zkušebních vzorcích byla zkouška pro určení objemová hmotnost, která byla měřena na plně vodou nasycených tělesech podle normy ČSN EN 12390-7 [12], přičemž bylo nutné změřit rozměry samotných těles pro získání jejich objemu. Následovala zkouška pro zjištění pevnosti betonu v tlaku, při které se vycházelo z normy ČSN EN 12390-3 [13]. Jednotlivá tělesa byla povrchově osušena a vkládána do zkušebního lisu. Zatěžování probíhalo konstantním zvyšováním síly až do výsledného porušení. Poslední zkouškou bylo stanovení nasákavosti, které bylo provedeno na 90 dnů starých vzorcích dle normy ČSN EN 13369 [14].

4. Výsledky a diskuse

Výsledky prvních zkoušek recyklátů jsou patrné na Obrázku 2. Podle očekávání bylo nejnižší procento jemných částic u betonového recyklátu, který v porovnání s přírodním kamenivem dosahoval až pětinásobných hodnot. V případě směsného a cihelného recyklátu již procento znečištění dosahuje významných hodnot, které poukazují na to, že tyto recykláty mají velké množství jemných částic a jejich použití je o to komplikovanější. Na Obrázku 3 lze vidět křivky zrnitosti zkoušených recyklátů v porovnání s přírodním kamenivem. Betonový recyklát vykazuje rovnoměrné propady jednotlivých frakcí, avšak obsahuje nejmenší zastoupení drobnějšího kameniva oproti zbylým dvěma recyklátům. V případě směsného a cihelného recyklátu je vidět výraznější zastoupení zrn o velikostech od 0,063 do 0,25 mm, což je obdobný trend jako v případě obsahu jemných částic.

Obrázek 2: Obsah jemných částic v recyklátu

Obrázek 3: Křivka zrnitosti recyklátu

Obrázek 4: Objemová hmotnost testovaných recyklátů

Obrázek 5: Nasákavost testovaných recyklátů

Na Obrázku 4 lze vidět porovnání průměrných hodnot objemových hmotností testovaných recyklátů. V případě betonového recyklátu jsou výsledné hodnoty průkazné a velice se podobají například studii od Cheng-Chih Fan [3]. U směsného a cihelného recyklátu jsou výsledné hodnoty větší, což poukazuje na nevhodnost této zkoušky pro tyto druhy materiálů, potažmo kameniva. Nevhodnost samotné zkoušky je ve způsobu dosažení stavu povrchově osušeného drobného kameniva frakce 0/4 mm, který je hlavní veličinou pro výpočet objemových hmotností. S touto hodnotou také souvisí výsledky nasákavosti recyklátů, které jsou na Obrázku 5. V souvislosti se dříve zmíněným problémem jsou výsledky směsného a cihelného recyklátu zcela neprůkazné, neboť jejich nasákavost je velice nízká v porovnání se skutečností, která byla zjištěna na hrubší frakci kameniva. Tuto problematiku řeší i zahraniční literatura, kde je využívána centrifuga pro dosažení povrchově usušeného kameniva [15] nebo další jiné metody, např. na bázi elektrické vodivosti [16]. V případě betonového recyklátu se jedná o nasákavost předpokládanou a vychází podobně jako ve studii od Gómez-Soberón [17], a tudíž se tento drobný recyklát teoreticky dá testovat podle dosavadních ČSN norem pro kamenivo do betonu.

Obrázek 6: Objemová hmotnost testovaných betonů s obsahem jemného recyklátu

Výsledky druhé části experimentu provedené na betonových vzorcích jsou uvedená na Obrázcích 6, 7 a 8. Výsledky objemových hmotnosti ztvrdlého betonu v nasyceném stavu jsou zobrazeny na Obrázku 6. Je možné pozorovat výrazné snižování objemových hmotností betonů sad „B“, „S“ i „C“ se zvyšující se velikostí náhrady v porovnání s REF, přičemž se zde nachází lineární závislost mezi velikosti náhrady a samotným snížením objemové hmotnosti. Ke stejnému závěru se dopracoval také Cheng-Chih Fan [3]. Jedná se o vliv nižší objemové hmotnosti samotného recyklátu oproti původnímu přírodnímu kamenivu.

Obrázek 7: Nasákavost testovaných betonů s obsahem jemného recyklátu

U navržených betonů bylo nutné stanovit jejich nasákavost, neboť množství vody, které je do svých otevřených pórů beton schopný nasáknout, přímo ovlivňuje jeho odolnost vůči prostředí, tedy stupeň vlivu prostředí a životnost. Na Obrázku 7 jsou patrné výsledky, zjištěna byla nejnižší nasákavost u betonu s užitím recyklované náhrady 33 %, konkrétně B_33, která má spojitost s vysokou objemovou hmotností (Obrázek 6). Pro betonový recyklát platí, že nasákavost betonu stoupá s rostoucím množství náhrady, přičemž při 100% nahrazení je nasákavost přibližně o 50 % vyšší než u referenčních betonů, což potvrzuje článek od L. Evangelista [6]. Nejhorší výsledky vykazovaly vzorky se směsným recyklátem, které v porovnání s ostatními vykazují maximální procentuální hodnoty nasákavosti, což může být způsobeno vlastnostmi použitého recyklátu (vysoký obsah jemných částic), přičemž extrémní nárůst nasákavosti je pozorován u 100% náhrady. Obecně se dá z trendu usuzovat, že s rostoucími náhradami roste také nasákavost výsledného betonu, přičemž rozhodujícím faktorem je použité recyklované kamenivo, případně zhutnění betonu, které je spojeno s výslednou objemovou hmotností betonu a jeho pórovitostí.

Obrázek 8: Pevnost v tlaku testovaných betonů s obsahem jemného recyklátu

Na Obrázku 8 jsou porovnané výsledky tlakové zkoušky po 7, 28 a 90 dnech. V rámci výsledků pevnosti v tlaku lze vidět trend, který poukazuje na snižování pevnosti betonu v tlaku v závislosti na velikosti náhrady přírodního kameniva, což potvrzuje také Jagan Sivamani [8]. Zajímavé je, že po 90 dnech dosahovaly 33% hmotnostní náhrady všech tří zkoumaných recyklátů obdobnou pevnost v tlaku jako referenční vzorek, potažmo rozdíl hodnot byl do velikosti směrodatné odchylky.

5. Závěr

Předložený příspěvek se zabýval stanovením základních vlastností recyklovaných drobných kameniv na bázi upraveného SDO podle dostupných norem, které platí pro přírodní drobné kamenivo. Současně byla vyrobena zkušební tělesa s náhradami 33, 66 a 100 % za přírodní drobné kamenivo a zkoumán vliv těchto náhrad na výsledné vlastnosti betonu.

V případě drobného kameniva lze říci, že betonový recyklát lze zkoušet podle současných norem pro kamenivo do betonu. Použití postupů uvedených norem není vhodný pro směsný a cihelný recyklát, neboť je těžké dosáhnout stavu povrchově osušeného kameniva, který má vliv na zjištění jejich objemové hmotnosti a nasákavosti.

Je prokázáno, že vyšší zastoupení recyklovaných drobných kameniv má vliv na snížení objemové hmotnosti betonu, která souvisí také s výslednou větší nasákavostí a nižší pevností betonu v tlaku. Nejblíže se vlastnostem referenčního betonu přibližuje beton s použitím 33% náhrady cihelným recyklovaným drobným kamenivem. Všeobecně lze říct, že nižší náhrady nemají zásadní vliv na mechanické vlastnosti. Náhrady 66 a 100 % už se svými materiálovými vlastnostmi značně vzdalují betonu referenčnímu.

Poděkování

Příspěvek byl vytvořen díky podpoře projektu TA ČR Prostředí pro život č. SS03010302 s názvem Vývoj efektivních nástrojů pro minimalizaci vzniku stavebního a demoličního odpadu, jeho monitoring a opětovné využití (podrobněji viz web https://decompose.fsv.cvut.cz) a HORIZON 2020+ č. 101058580.

7. Literatura

1. PROŠEK, Zdeněk, TESÁREK, Pavel a JOURA, Leoš. Možnosti využití jemné frakce stavebního a demoličního odpadu v cementových kompozitech. In: RECYCLING 2022: Cirkulární ekonomika ve stavebnictví, recyklace a využívání druhotných stavebních materiálů, [online]. Brno: Vysoké učení technické v Brně, 2022. [vid. 13.02.2023]. Dostupné z: http://www.arsm.cz/dok/Recycling_2022_Sbornik.pdf
2. ČSN EN 206+A1: Beton – Specifikace, vlastnosti, výroba a shoda. Praha: Česká agentura pro standardizaci, 2018.
3. FAN, Cheng-Chih, Ran HUANG, Howard HWANG a Sao-Jeng CHAO. Properties of concrete incorporating fine recycled aggregates from crushed concrete wastes. Construction and Building Materials. 2016, 112, 708-715 ISSN 09500618.
4. CHEN, How-Ji, Tsong YEN a Kuan-Hung CHEN. Use of building rubbles as recycled aggregates. Cement and Concrete Research. 2003, 33(1), 125-132. ISSN 00088846.
5. DEBIEB, Farid a Said KENAI. The use of coarse and fine crushed bricks as aggregate in concrete. Construction and Building Materials. 2008, 22(5), 886-893 [cit. 2022-03-29]. ISSN 09500618.
6. EVANGELISTA, L. a J. DE BRITO. Durability performance of concrete made with fine recycled concrete aggregates. Cement and Concrete Composites. 2010, 32(1), 9-14. ISSN 09589465.
7. EVANGELISTA, L. a J. DE BRITO. Mechanical behaviour of concrete made with fine recycled concrete aggregates. Cement and Concrete Composites. 2007, 29(5), 397-401. ISSN 09589465.
8. SIVAMANI, Jagan a Neelakantan Thurvas RENGANATHAN. Effect of fine recycled aggregate on the strength and durability properties of concrete modified through two-stage mixing approach. Environmental Science and Pollution Research. ISSN 0944-1344.
9. ČSN EN 12350-2 Zkoušení čerstvého betonu: Část 2: Zkouška sednutím. Praha: Česká agentura pro standardizaci, 2020.
10. ČSN EN 933-1 Zkoušení geometrických vlastností kameniva: Část 1: Stanovení zrnitosti – Sítový rozbor. Praha: Česká agentura pro standardizaci, 2012.
11. ČSN EN 1097-6 Zkoušení mechanických a fyzikálních vlastnost kameniva: Část 6: Stanovení objemové hmotnosti zrn a nasákavosti. Praha: Česká agentura pro standardizaci, 2014.
12. ČSN EN 12390-7 Zkoušení ztvrdlého betonu: Část 7: Objemová hmotnost ztvrdlého betonu. Praha: Česká agentura pro standardizaci, 2020.
13. ČSN EN 12390-3 Zkoušení ztvrdlého betonu: Část 3: Pevnost v tlaku zkušebních těles. Praha: Česká agentura pro standardizaci, 2020.
14. ČSN EN 13369 Společná ustanovení pro betonové prefabrikáty. Praha: Česká agentura pro standardizaci, 2019.
15. DUAN, Zhenhua, et al. Measurement of Water Absorption of Recycled Aggregate. Materials, 2022, 15.15: 5141.
16. SOSA, Eva, et al. Absorption Variation with Particle Size of Recycled Fine Aggregates Determined by the Electrical Method. Applied Sciences, 2023, 13.3: 1578.
17. GÓMEZ-SOBERÓN, José M.V. Porosity of recycled concrete with substitution of recycled concrete aggregate. Cement and Concrete Research. 2002, 32(8), 1301-1311. ISSN 00088846.