Vplyv recyklovaných oceľových vlákien na vlastnosti čerstvého a zatvrdnutého betónu
Súčasné trendy v stavebníctve sú zamerané na znižovanie celkovej uhlíkovej stopy. Jednou z možností, ako znížiť uhlíkovú stopu stavebnej konštrukcie, je náhrada konvenčných stavebných materiálov vhodnými alternatívami z recyklátov. Medzi tieto produkty patria aj recyklované oceľové vlákna z odpadových pneumatík, ktoré majú obrovský potenciál využitia vo forme rozptýlenej výstuže v betóne. Odpad z priemyselnej výroby tak vytvára možnosť jeho premeny na zhodnotenú surovinu v rámci tzv. cirkulárnej ekonomiky. Tento článok sa venuje hodnoteniu samotných vlákien z hľadiska geometrických a mechanických vlastnosti, ako aj experimentálnym výskumom vlastností čerstvého a zatvrdnutého betónu s rôznymi dávkami recyklovaných oceľových vlákien.
1. Úvod
Množstvo vyrobených pneumatík pre osobné a nákladné automobily má medziročne stúpajúci trend. Tento trend má však nepriaznivý vplyv na životné prostredie, keďže pneumatiky je potrebné po skončení ich životnosti skládkovať, prípadne ich prepracovať na iné produkty. Graf na Obr. 1 [1] zobrazuje množstvo vyrobených pneumatík v štátoch EÚ v období medzi rokmi 2010 až 2020. Z Obr. 1 vyplýva, že množstvo pneumatík vyrobených v štátoch EÚ má rastúci trend. V rokoch 2019 a 2020 je možné pozorovať pokles výroby pneumatík, ktorý pravdepodobne súvisí s pandémiou Covid-19 v štátoch EÚ.
![Obr. 1 Vývoj množstva vyrobených pneumatík medzi rokmi 2010–2020 [1]](/docu/clanky/0255/025585o1.png)
Obr. 1 Vývoj množstva vyrobených pneumatík medzi rokmi 2010–2020 [1]
Najčastejšie metódy materiálového zhodnocovania použitých pneumatík sú separácia pomocou drvenia a použitia magnetov [2], [3], separácia pomocou pyrolýzy [4], [5] a kryogénny proces [6]. Vo svete v súčasnosti prebieha viacej výskumov zameraných na materiálovom zhodnocovaní recyklovaných pneumatík pre cementové kompozity. Jednou z možností je využitie gumeného granulátu ako čiastočnej alebo úplnej náhrady prírodného kameniva. Ďalšou zložkou, ktorú je možné využiť, sú recyklované oceľové vlákna (RSF) ako náhrada komerčne vyrábaných oceľových vlákien do betónu.
Na spracovateľnosť čerstvého betónu (ČB) významne vplývajú geometrické charakteristiky vlákien (dĺžka, priemer a štíhlostný pomer). V prípade RSF s vysokou hodnotou štíhlostného pomeru môže v procese miešania ČB dochádzať k zhlukovaniu a zauzlovaniu vlákien [7]
2. Charakteristika recyklovaných oceľových
2.1 Geometrické charakteristiky recyklovaných oceľových vlákien
Obr. 2: Vzorka so 1050 kusmi RSF pre štatistickú analýzu vlákien
Vlákna použité v tejto štúdii boli získané metódou magnetickej separácie použitých pneumatík z osobných automobilov. Pred procesom balenia boli vlákna de-magnetizované s elektromagnetom so striedavou polaritou. Vzhľadom k rozdielnym geometrickým a mechanickým charakteristikám každého vlákna bolo nutné vyhotoviť štatistickú analýzu. Výrobca RSF uvádza, že hmotnostný podiel zostatkovej gumy vo finálnom produkte je menej ako 1 %. Na Obr. 2 je vzorka 1050 kusov RSF, ktorá bola použitá v štatistickom súbore pre overenie geometrických parametrov vlákien.
Štatistickou analýzou sa zistilo, že priemerná dĺžka RSF bola 12,38 mm. Minimálna resp. maximálna dĺžka RSF bola 1,55 mm resp. 59,13 mm. Početnosť dĺžok vlákien v štatistickom súbore je zobrazená na Obr. 3. Priemer vlákien df bol určovaný s pomocou digitálneho mikrometra s rozsahom 0–25 mm a presnosťou čítania 0,001 mm. Priemery z každého RSF boli merané na troch miestach, pričom sa z nameraných hodnôt z každého vlákna vyhodnotil aritmetický priemer. Vyhodnotenie meraní priemerov je uvedené na Obr. 4. Z grafu vyplýva, že stredná hodnota priemeru vlákien bola 0,241 mm, minimálna hodnota priemeru vlákien v sledovanom súbore bola 0,066 mm a maximálna 1,882 mm.
Obr. 3: Vyhodnotenie dĺžky RSF v štatistickom súbore
Obr. 4: Vyhodnotenie priemerov RSF v štatistickom súbore
2.2 Pevnosť recyklovaných oceľových vlákien v ťahu
a
b
Obr. 5: Skúšobná zostava pre určovanie ťahovej pevnosti RSF. a) čelný pohľad na zostavu, b) detail uchytenia RSF
Skúška pevnosti RSF v ťahu bola realizovaná na skúšobnej zostave, ktorá je zobrazená na Obr. 5a. Detail uchytenia vlákna do čeľustí skúšobnej zostavy je zobrazený na Obr. 5b. Štatistický súbor pre určenie ťahovej pevnosti obsahoval 55 RSF. Na meranie sily, ktorá bola iniciovaná priťahovaním matice sa použitá digitálna váha s rozsahom merania 0–500 N s presnosťou merania 0,1 N. Po pretrhnutí vlákna za zaznamenala maximálna sila, z ktorej sa následne určila pevnosť RSF v ťahu. Výsledky ťahovej skúšky 55 kusov náhodne vybraných vlákien sú na Obr. 6.
Obr. 6: Intervaly ťahovej pevnosti RSF v štatistickom súbore
3 Experimentálne skúmanie RSFRC
3.1 Vlastnosti čerstvého betónu
Betón bol vyrobený zo suchej betónovej vrecovanej zmesi Cemix Beton Basic 430. Množstvo zámesovej vody pridanej bol 0,134 l na 1 kg suchej betónovej zmesi. V Tab. 1 sú uvedené hmotnostné dávky RSF pre jednotlivé skúšobné vzorky.
| Názov betónovej zmesi | Hmotnostná dávka RSF [kg/m3] |
|---|---|
| RSFRC-0 | 0 |
| RSFRC-30 | 30 |
| RSFRC-60 | 60 |
| RSFRC-90 | 90 |
| RSFRC-120 | 120 |
| RSFRC-150 | 150 |
Betónová zmes bola miešaná v gravitačnej miešačke počas doby 12 minút. Po zastavení miešania sa zmes uložila do foriem, kde bola ponechaná 24 hodín. Následne sa vzorky oddebnili a vložili sa do ošetrovacích nádrží s vodou na dobu 7 dní. Po tejto dobe sa vzorky z vody vytiahli a ďalej dozrievali na vzduchu až do chvíle, kým nedosiahli vek 28 dní.
3.2 Pevnosť RSFRC v tlaku
Obr. 7: Skúška pevnosti v priečnom ťahu s osadeným RSFRC valcom
Pevnosť RSFRC v tlaku bola zisťovaná na kockách s dĺžkou hrany 150 mm podľa normy [8]. Pred skúšaním vzoriek boli na každej vzorke zmerané rozmery a hmotnosť. Následne sa vzorka umiestnila do skúšobného zariadenia tak, aby strana ktorá vo fáze debnenia nebola v kontakte so stenou formy bola v skúšobnom zariadení umiestnená na boku.
3.3 Pevnosť RSFRC v priečnom ťahu
Skúška sa realizovala na skúšobných betónových valcoch s priemerom 150 mm a dĺžkou 300 mm. Pevnosť RSFRC v priečnom ťahu bola stanovená podľa normy [9]. Po premeraní a zvážení vzorky sa vzorka osadila do špecializovanej zostavy, ktorá bola umiestnená v rovnakom skúšobnom zariadení ako v prípade určovania pevnosti RSFRC v tlaku na kockách. Špecializovaná zostava pre skúšanie pevnosti RSFRC v priečnom ťahu na valcoch je zobrazená na Obr. 7.
4 Výsledky a diskusia
4.1 Spracovateľnosť čerstvého RSFRC
Obr. 8: Sadnutie kužeľa podľa dávky RSF
Výsledky zo skúšky sadnutia kužeľa, pomocou ktorej sa v experimente vyhodnocovala spracovateľnosť ČB s obsahom RSF je zobrazená na Obr. 8. Výsledky ukázali očakávaný jav, kedy najlepšiu spracovateľnosť vykazovala zmes RSFRS s dávkou RSF 0 kg/m3. Podstatne menšie sadnutie vykázali zmesi RSFRC s 30 kg/m3 až 120 kg/m3 Pri naberaní zmesí RSFRF s dávkou RSF 120 kg/m3 a 150 kg/m3 bolo potrebné vynakladať väčšie úsilie ako v prípade iných zmesí RSFRC.
4.2 Objemová hmotnosť zatvrdnutého RSFRC
Obr. 9: Objemová hmotnosť podľa dávky RSF
Výsledky z nameranej objemovej hmotnosti RSFRC sú uvedené na Obr. 9. Je všeobecne známym faktom, že so zhoršenou spracovateľnosťou rastie pórovitosť betónovej zmesi a tým pádom klesá objemová hmotnosť betónovej zmesi. Tento jav je v prípade zmesí RSFRC čiastočne eliminovaný, pretože objemová hmotnosť kovu, z ktorého boli vyrobené RSF je väčšia ako objemová hmotnosť betónu. Z tohto dôvodu je možné sledovať, že objemová hmotnosť má so zvyšujúcou sa dávkou RSF v RSFRC rastúci trend.
4.3 Pevnosť RSFRC v tlaku a v priečnom ťahu
Obr. 10: Pevnosti RSFRC na kockách podľa dávky RSF
Výsledné hodnoty pevnosti RSFRC v tlaku, ktoré boli zistené v experimente sú zobrazené na Obr. 10. Trend závislosti kockovej pevnosti betónu na množstve vlákien je možné vysvetliť tým, že RSF v nízkych dávkach znižujú spracovateľnosť a neprinášanú želaný efekt pre rast pevnosti v tlaku. Naopak, pri vyšších dávkach je napriek zhoršenej spracovateľnosti viditeľný priaznivý vplyv RSF, pretože množstvo RSF v betónovej matrici je dostatočné na to, aby oddialili vznik trhlín vyvolaných tlakovým namáhaním vzorky.
Obr. 11: Porovnanie pevností RSFRC v tlaku na kockách a hranoloch
Trend pevnosti RSFRC v tlaku na kockách bolo možné predikovať aj na základe vzhľadu vzoriek. Betónové kocky s dávkou RSF 0 kg/m3 mali celistvé hrany, ktoré boli pri manipulácii pevné, na rozdiel od betónových kociek s dávkou RSF 30 kg/m3 až 90 kg/m3. V prípade kociek s dávkou RSF 120 kg/m3 a 150 kg/m3 boli hrany kociek po oddebnení celistvé a pri manipulácii pevné.
Obr. 12: Pevnosť RSFRC v priečnom ťahu
Pri porovnaní pevnosti RSFRC v tlaku na kockových a hranolových vzorkách je možné konštatovať, že pridanie RSF do zmesi RSFRC eliminuje vplyv štíhlostných pomerov vzoriek, pričom je všeobecne známe, že obvykle vzorka v tvare kocky so štíhlostným pomerom l/h = 1 vykazuje vyššiu pevnosť v tlaku ako vzorka v tvare hranola so štíhlostným pomerom l/h = 4. Uvedené zistenie je uvedené na Obr. 11.
Na základe výsledkov zobrazených na Obr. 12 možno konštatovať, že so zvyšujúcou dávkou RSF má pevnosť RSFRC v priečnom ťahu rastúci trend.
5. Záver
Tento článok sa venoval potenciálu použitia RSF v RSFRC. Z výsledkov experimentálneho výskumu je možné vyvodiť nasledovné závery:
- Použitie vyšších (pozri obr. 10) dávok RSF v RSFRC má priaznivý vplyv na pevnosť betónu v tlaku,
- Dávka RSF v RSFRC eliminuje vplyv štíhlostného pomeru rozmerov vzorky pri skúške jednoosovým tlakom,
- S rastúcou dávkou RSF sa zvyšuje pevnosť RSFRC v priečnom ťahu.
Z výsledkov uvedených v tomto článku je možné očakávať sľubnú budúcnosť RSF ako náhradu za ISF prípadne za betonársku výstuž. Pre naplnenie tohto očakávania je však potrebné ďalšie rozsiahlejšie skúmanie RSFRC, či už na vzorkách alebo na zmenšených modeloch nosných prvkov konštrukcií.
6. Literatúra
- VOLUME OF TIRES PRODUCED IN THE EUROPEAN UNION (EU) FROM 2010 TO 2020. Dostupné z: Statista [online]. Dostupné z: https://www.statista.com/statistics/411255/eu-tire-production/
- METAL REMOVAL IN RUBBER TIRE RECYCLING – MAGNETIC SEPARATION. Dostupné z: Bunting [online]. Dostupné z: https://buntingmagnetics.com/industry-blog/metal-removal-in-rubber-tire-recycling-magnetic-separation/
- CMSHREDDERS. Dostupné z: Cmshredders [online]. Dostupné z:
https://cmshredders.com/wp-content/uploads/2022/04/CM-Zero-Waste-System-Brochure.pdf - HUAYINRE. Dostupné z: Huayinre [online]. huayinre: huayinre. Dostupné z: https://huayinre.com/pyrolysis-plant/
- PYROLYSIS REACTORS. Dostupné z: Techlology collaboration programme [online]. Dostupné z: https://task34.ieabioenergy.com/pyrolysis-reactors/
- YEREZHEP, D., TYCHENGULOVA, A., SOKOLOV, D., ALDIYAROV, A. A Multifaceted Approach for Cryogenic Waste Tire Recycling. Polymers. 2021, 13(15). ISSN 2073-4360. Dostupné z: https://doi.org/10.3390/polym13152494
- AIELLO, M.A., LEUZZI, F., CENTONZE, G., MAFFEZZOLI, A. Use of steel fibres recovered from waste tyres as reinforcement in concrete: Pull-out behaviour, compressive and flexural strength. Waste Management. 2009, 29(6), 1960-1970. ISSN 0956053X. Dostupné z: https://doi.org/10.1016/j.wasman.2008.12.002
- STN EN 12390-3. Skúšanie zatvrdnutého betónu. Časť 3: Pevnosť v tlaku skúšobných telies. Bratislava: Úrad pre normalizáciu, metrológiu a skúšobníctvo SR, 2020.
- STN EN 12390-6: 2011. Skúšanie zatvrdnutého betónu – Časť 6: Pevnosť v priečnom ťahu skúšobných telies. Bratislava: Slovenský ústav technickej normalizácie, 2011.
Poďakovanie
Táto práca vznikla s podporou výskumného projektu VEGA č. VEGA 1/0358/23 „Navrhovanie a zosilňovanie betónových konštrukcií s ohľadom na životné prostredie“.
Modern trends in civil engineering are focused at reducing the comprehensive carbon footprint. One way to reduce a building structure's carbon footprint is to replace conventional building materials with suitable alternatives from recycled materials. These products also include recycled steel fibers from waste tires, which have a great potential for use in the form of dispersed reinforcement in concrete. Waste material from industrial production thus creates the possibility of its transformation into a recovered raw material within the so-called circular economy. This paper is focused on evaluation of the fibers in terms of geometric and mechanical properties, as well as experimental research on the properties of fresh and hardened concrete with different doses of recycled steel fibers.