Využitie odpadov pre zvýšenie trvanlivosti cementových kompozitov

Jedným z prístupov k zníženiu environmentálnych vplyvov je využitie recyklovaných materiálov. Recyklácia stavebného demoličného odpadu môže byť efektívnym spôsobom zníženia množstva odpadu a zároveň zníženia potreby ťažby nových surovín. Recyklovaný betón môže byť použitý ako náhrada za časť prírodných surovín, najčastejšie frakcie prírodného kameniva. Týmto spôsobom sa nielen minimalizuje množstvo stavebného odpadu, ale aj znižuje potreba nového ťaženia surovín. Navyše, recyklovaný betón môže dosahovať podobné alebo dokonca lepšie vlastnosti ako tradičný betón, pokiaľ ide o pevnosť a odolnosť.

Okrem využívania recyklovaného betónu existujú aj iné inovatívne prístupy k udržateľnej výrobe betónu. Jedným z nich je vývoj nových typov cementu s nižším obsahom slinku, ktorý je hlavnou príčinou emisií skleníkových plynov pri výrobe cementu. Cementový priemysel je známy svojimi vysokými emisiami skleníkových plynov a vysokou spotrebou energie, preto hľadanie udržateľnejších alternatív stáva prioritou. Ďalšie inovácie zahŕňajú výskum alternatívnych spojív a aditív, ktoré by mohli nahradzovať časť cementu bez straty pevnosti a trvanlivosti betónu. Náhradou cementu sa nielenže znižuje množstvo priemyselného odpadu končiaceho na skládkach, ale znižuje sa aj uhlíková stopa cementových kompozitov. Okrem toho existujú poznatky o zlepšení vybraných vlastností, napr. trvanlivosti cementových kompozitov na báze rôznych odpadov v agresívnom prostredí. Cement možno nahradiť druhotnými surovinami z výroby v prípade, ak tieto vykazujú puzolánové alebo latentné hydraulické vlastnosti. Medzi tradičné priemyselné odpady, ktoré sa využívajú ako náhrady pre výrobe cementových kompozitov patria: popolčeky, vysokopecná troska, mikrosilika.

Výskumy potvrdili, že optimálne množstvá takýchto náhrad majú za výsledok porovnateľné alebo aj lepšie technické vlastnosti výsledných kompozitov, čo sa týka napr. ich trvanlivosti. Je dobre zdokumentované, že materiály na báze cementu s prídavkom puzolánov majú zvýšenú odolnosť voči pôsobeniu kyselín a síranov v porovnaní s materiálmi vyrobenými len z bežného portlandského cementu.

Okrem tradičných odpadových materiálov, ktorými sa nahrádza cement sa venuje čoraz väčšia pozornosť aj rôznym typom menej tradičných náhrad alebo takým, ktoré sú často viazané na určitý región, napr. sklenenému recyklátu, popolčekom z bioodpadov, ryžových šupiek a pod. Je však dôležité zdôrazniť, že využívanie netradičných odpadov v betóne si vyžaduje dôkladné skúmanie ich vlastností a dopadov na celkovú kvalitu betónu. Rovnako je dôležité zabezpečiť, aby tieto materiály neobsahovali škodlivé látky, ktoré by mohli negatívne ovplyvniť životné prostredie alebo zdravie ľudí.

Cieľom tejto práce bolo skúmať, či by náhrada cementu vybranými, menej tradičnými odpadmi, mohla viesť k porovnateľným alebo dokonca lepším vlastnostiam cementových kompozitných materiálov vo väzbe na ich fyzikálno-mechanické a trvanlivostné parametre.

Cementové maltové vzorky s rozmermi 40 × 40 × 160 mm boli pripravené podľa STN EN 206-1. Pre cementové kompozitné zmesi boli použité ako náhrada 20 % hmotnosti cementu tieto odpady: vaječné škrupinky (ŠKR), recyklované sklo (SKL), bypasový odprašok (BO) z výroby cementu a vysokopecná troska (VPT), ktorá reprezentovala tradičnú, bežne používanú náhradu cementu. Bypasový odprašok, ktorý pochádzal z procesu výroby cementu a zachytával sa na filtroch v cementárskej peci, sa použil bez akejkoľvek úpravy. Vaječné škrupinky, ktoré vo všeobecnosti môžu predstavovať súčasť komunálneho alebo špecifický priemyselný odpad z výroby potravín, boli pre potreby experimentu zozbierané z domácností, očistené, prepláchnuté etanolom, aby sa odstránili stopy po organických zvyškoch, a rozomleté na prášok. Sklenený materiál pochádzal z bežne používaných sklenených fliaš, ktoré boli očistené, rozdrvené a následne rozomleté na prášok. Pre porovnanie sa skúmala aj vysokopecná troska ako priemyselný odpad z výroby železa, ktorá sa dlhodobo používa v cementových kompozitoch a predstavuje typickú náhradu cementu.

Pre posúdenie vhodnosti použitia jednotlivých prímesí v cementových maltách boli vybraté nasledovné fyzikálno-mechanické parametre: konzistencia čerstvej malty, pevnosť v tlaku a v ťahu pri ohybe, objemová hmotnosť a nasiakavosť, ktoré boli testované v súlade s platnými postupmi podľa príslušných noriem. Pre hodnotenie odolnosti voči agresívnym prostrediam bola zvolená skúška priepustnosti iónov (RCPT – Rapid chloride penetration test). Prechod iónov priamo súvisí s priepustnosťou cementových kompozitov, čím je menej priepustný, tým menej iónov sa dostane do štruktúry materiálu, čo predpokladá jeho pomalšiu degradáciu a tým vyššiu trvanlivosť.

Na zdôraznenie významu zníženia uhlíkovej stopy takto pripravených cementových kompozitov sa vyhodnotil potenciál globálneho otepľovania (GWP) pre rôzne zmesi cementových mált na báze odpadu v porovnaní s referenčnou vzorkou.

Výsledky a diskusia

Zloženie cementových mált bolo z chemického hľadiska porovnávané na základe výsledkov prvkovej analýzy na základe pomerov dominantných prvkov. Pomer Ca/Si každej vzorky bol väčší ako 0,6 a zároveň menší ako 1,0, čo vyhovuje pomeru pre cementové malty (tabuľka 1). Pomery prvkov Ca/Si boli pre jednotlivé receptúry veľmi blízke, a to indikovalo podobné vstupné podmienky pre vznik CSH fázy pri hydratačných procesoch.

Skúšky čerstvej malty

U skúšok rozliatia čerstvej malty pre jednotlivé zmesi nebol pozorovaný významný rozdiel v konzistenciách jednotlivých zmesí, čo znamená, že nahradenie cementu študovanými prímesami v danom hmotnostnom pomere nemalo výrazný vplyv na výsledné konzistencie čerstvých zmesí a tým danú spracovateľnosť.

Fyzikálno-mechanické parametre zatvrdnutej malty

Z porovnanie objemových hmotností zatvrdnutých vzoriek po 28 dňoch vyplýva, že najväčšiu objemovú hmotnosť dosiahla referenčná vzorka bez náhrady REF (2090 kg/m³). Vzorky s prímesou vysokopecnej trosky (VPT) a skla (SKL) dosiahli zhodné výsledky (2060 kg/m³), vzorky s prímesou bypassu (BO) a škrupiniek (ŠKR) dosahovali najnižšie hodnoty objemových hmotností (2000 kg/m³ a 2020 kg/m³). Celkový rozdiel v objemových hmotnostiach nebol tak výrazný (90 kg/m³).

Najvyššie hodnoty pevnosti v tlaku (57,7 MPa) dosiahla referenčná vzorka bez náhrady cementu (REF) a vzorka s prímesou vysokopecnej trosky VPT (54,3 MPa). Vzorky s prímesou vaječných škrupiniek (ŠKR) a skla (SKL) dosiahli porovnateľné hodnoty pevnosti (37,7 a 38,1 MPa), ktoré boli nižšie než u referenčnej vzorky, avšak je možné očakávať, že v dlhšom časovom horizonte sa v dôsledku puzolánovej aktivity tieto hodnoty priblížia referenčnej vzorke. Vzorka s prímesou bypassu (BO) dosiahla veľmi nízku pevnosť v tlaku, čo je pravdepodobne spojené s relatívne vysokým podielom tejto prímesi vo vzorke, kdeže sa odporúča optimálna náhrada cementu bypasom na úrovni 10 %.

Analogicky, ako tomu bolo u hodnôt pevností v tlaku, aj pri pevnosti v ťahu pri ohybe boli zistené najvyššie hodnoty pre referenčnú vzorku bez náhrad (REF) na úrovni 7,2 MPa, nasledovala vzorka VPT s pevnosťou 6,3 MPa, čo zodpovedá 88,1% pevnosti referenčnej vzorky. Takmer rovnaká hodnota pevnosti v ťahu pri ohybe bola nameraná aj pre malty s náhradou cementu sklom (SKL). Najnižšie hodnoty pevnostných parametrov boli zaznamenané pre malty s náhradou bypasovým odpraškom (BO).

Najväčšiu nasiakavosť dosiahla vzorka s náhradou cementu bypasom, čo priamo koreluje s hodnotami objemových hmotností a pravdepodobne najvyšším podielom pórov v materiáli. Ostatné vzorky preukázali porovnateľné hodnoty nasiakavostí v intervale 7,4–8,2 %, pričom najnižšia hodnota bola zistená u referenčnej vzorky bez náhrad.

Z hľadiska týchto vybraných fyzikálno-mechanických parametrov je možné konštatovať, že malty s 20% náhradou cementu vybranými odpadmi nedosiahli parametre referenčnej vzorky bez náhrady. Najviac sa referenčnej vzorke približujú malty s náhradou vysokopecnou troskou, ktorá sa dlhodobo pri výrobe cementových kompozitov už využíva a skleneným recyklátom. Využitiu skleného recyklátu je potrebné venovať väčšiu pozornosť z hľadiska možnej alkalickej reakcie v betóne, v našej štúdii sme predpokladali, že použitie veľmi jemných častíc skla nebude prispievať k uvedenému procesu. Najmenej vhodnou náhradou sa pri hodnotení vybraných vlastností mált javí bypasový odprašok, ktorý dosahuje jednoznačne najvyššie hodnoty nasiakavosti a najnižšie hodnoty pevnostných parametrov.

Trvanlivostné parametre mált

Ako už bolo spomenuté, pre posúdenie odolnosti voči agresívnemu pôsobeniu bolo zvolené testovanie prechodu agresívnych iónov cez maltové vzorky.

Najnižšie množstvo preneseného náboja, ktoré vyjadruje množstvo agresívnych iónov, ktoré prenikli do štruktúry cementovej matrice bolo zistené pre malty s vysokopecnou troskou (VPT), naopak, najviac priepustné pre agresívne ióny boli vzorky s náhradou cementu bypasovým odpraškom (BO) a skleneným recyklátom (SKL). Referenčná vzorka, na rozdiel od výsledkov fyzikálno-mechanických parametrov dosahovala horšie hodnoty nielen ako VPT (takmer o 43 %) ale aj ako vzorka s náhradou cementu vaječnými škrupinkami ŠKR (o 5,3 %).

Z hľadiska študovaných trvanlivostných parametrov je možné konštatovať, že malty s 20% náhradou cementu vysokopecnou troskou a vaječnými škrupinkami dosiahli lepšie výsledky ako referenčné kompozity a možno predpokladať ich vyššiu odolnosť v agresívnom prostredí. Čo sa týka vysokopecnej trosky, tieto poznatky sú známe, avšak perspektívnym odpadovým materiálom vo väzbe na zvýšenú odolnosť sa javí aj netradičný menej používaný typ odpadu a to vaječné škrupinky.

Environmentálne parametre mált

Pre hodnotenie environmentálnej záťaže študovaných cementových kompozitov bol vybraný jeden indikátor environmentálneho vplyvu, konkrétne ich príspevok ku klimatickej zmene, ktorý sa vyjadruje pomocou hodnôt potenciálu globálneho otepľovania (GWP). Pri výpočte GWP jednotlivých receptúr sa uvažovalo o náhradách cementu ako o odpade, a boli zohľadnené iba procesy, ktoré sa s odpadom vykonávajú v priemyselnom zariadení po bod, kedy sa odpad dostáva na trh.

Pri porovnaní hodnôt GWP sa zistilo, že najnižší príspevok ku klimatickej zmene má vzorka s náhradou cementu vaječnými škrupinkami (ŠKR), ktorý je o 20,1 % nižší ako je GWP referenčnej vzorky (REF). Najmenší rozdiel medzi GWP hodnotami na úrovni 9 % bol zaznamenaný medzi REF a SKL. Príspevky ku klimatickej zmene kompozitov BO a VPT boli porovnateľné a vykazovali hodnoty o 17 % nižšie.

Záver

Na základe výsledkov štúdie je možné konštatovať, že sa potvrdil potenciál využívania tradičných odpadov, ako je vysokopecná troska, ale aj netradičných odpadov, napr. vaječných škrupiniek pre zlepšenie trvanlivosti cementových kompozitov. Hľadanie alternatív náhrad cementu je vysoko aktuálne, keďže napr. existuje veľký tlak na transformáciu výroby železa z vysokoopecného spôsobu na výrobu v elektrických oblúkových peciach a široko používaná vysokopecná troska do budúcnosti nemusí byť dostupná.