Posuzování konstrukčního betonu s recyklovaným kamenivem s ohledem na trvalou udržitelnost

Celosvětová snaha o směřování k uhlíkové neutralitě vede k tzv. trvaléudržitelnosti. Beton, který je nejčastěji používaný stavební materiál, je zatížen množstvím CO₂, vneseným do konečného produktu vstupními materiály, především cementem a kamenivem. Započítat je třeba množství CO₂ při jejich výrobě a dopravě na betonárnu. Zajímavou příležitostí se proto jeví i možnost použití recyklovaného kameniva (dále též RA – recycled aggregate), tj. kameniva vzniklého úpravou anorganického materiálu již jednou použitého v konstrukci, pro výrobu recyklovaného betonu (RAC – recycled aggregate concrete). Protože s použitím a vlastnostmi RAC není prozatím dostatek zkušeností, je nezbytné zkoumat jeho fyzikálně-mechanické vlastnosti, životnost a ekologické i ekonomické souvislosti. Jedná se o aktuální, nikoliv však nové téma – viz např. příspěvky [1], [2], později např. [3], [4], stovky dalších prací v odborné zahraniční literatuře a také zcela nedávný příspěvek [5] v časopise Beton, který se zaměřil na stávající legislativní možnosti použití recyklovaného kameniva pro výrobu betonu dle ČSN EN 206. Recyklované kamenivo do betonu je dostatečně popsáno v ČSN EN 12620+A1 Kamenivo do betonu včetně všech požadavků na něj kladených a postupů prokazování shody. V širší odborné i laické veřejnosti je však skoro výhradně používán zcela nesprávný pojem stavební suť. Ta je jen výsledkem demolice konstrukce a výchozím materiálem pro získání recyklovaného kameniva procesem extrakce znečištění organickými materiály, drcením a tříděním. 

Pro aplikaci principů trvalé udržitelnosti je nezbytně nutné používat efektivní nástroje umožňující kvantifikaci materiálových, technologických i konstrukčních variant. Jednou z možností je využití tzv. indikátoru udržitelnosti. Tato metodika byla již v časopise Beton představena na příkladu betonů obsahujících pucolánovou příměs [6] a v prezentovaném textu ji použijeme obdobně pro posuzování betonů s kamenivem z recyklovaného betonu (podobně viz také příspěvek [7], kde se jednalo o použití netypického RA).

K tématice RAC je třeba připomenout řadu souvislostí [3], [4], [5], [8], [9]. Např. je nezbytné znát původ RA, obsah jednotlivých složek (beton, stmelené vrstvy, pálený materiál apod.), zrnitost, tvarový index, nasákavost z toho vyplývající zatřídění (klasifikaci). Dále je pak potřeba stanovit míchání RAC a následně kromě základní charakteristiky (pevnost v tlaku) i příp. další charakteristiky (modul pružnosti, smršťování, dotvarování, karbonatace, průnik chloridů apod.). V případě betonů s recyklovaným kamenivem není do- posud vyvinut spolehlivý model predikce karbonatace (postup karbonatace je ovlivněn řadou dalších veličin a jevů) a je tak výhodné použít spolu s modelem pro karbonataci klasického betonu korekční faktor dle [8], který byl doporučen na základě analýzy testů 787 různých betonů s RA s ohledem na procento náhrady přírodního kameniva. Použití recyklovaného kameniva do konstrukčních betonů je také omezeno kvůli nedostatečným znalostem o jeho dlouhodobých vlastnostech, většina studií se věnuje krátkodobým a střednědobým mechanickým vlastnostem. Nahrazení přírodního kameniva recyklovaným je však ve stavebnictví kvůli stále silnějšímu důrazu na cirkulární ekonomiku důležitým tématem.

Indikátor k_SB dle vztahu (1) umožňuje při hodnocení variant směsí betonu přihlížet současně k mechanickým vlastnostem, k trvanlivosti a k ekologickým i ekonomickým hlediskům na materiálové úrovni (obdobně lze postupovat i na úrovni nosné konstrukce [10]).

kde:

Použití indikátoru k_SB včetně výše uvedené metodiky výpočtu je navrženo do informativní přílohy v rámci revize ČSN P 73 2404 jako možnost pro porovnávání jednotlivých konkrétních složení betonu.

Hodnocení trvalé udržitelnosti pomocí indikátoru k_SB (1) vyžaduje znalost příslušných hodnot R, L, E a C popsaných výše. Pro účely ilustrace metodiky posuzování směsí s recyklovaným kamenivem autoři využívají některých výsledků rozsáhlé studie a podrobného testování dvanácti směsí, které byly uveřejněny v práci [9]. Jednalo se o podrobnou studii mechanických vlastností i parametrů trvanlivosti betonů s RAC. Použité recyklované kamenivo obsahovalo téměř výhradně betonovou drť z demoličních prací. Pro zlepšení některých vlastností RAC byl do určitých směsí přidán také popílek (F) jako doplňkový pojivový materiál, a to jako 0%, 25%, 35% a 55% hmotnostní náhrada slínku v cementu (CEM I 42,5R). Recyklát byl použit jako 0%, 50% a 100% hmotnostní náhrady hrubého drceného kameniva (DDK). RA z demolic betonových konstrukcí bylo ve dvou velikostech zrn, v poměru 1:2. Jako drobné těžené kamenivo (DTK) byl použit říční písek.  Podrobnější informace o zrnitosti kameniva jsou uvedeny v článku [9]. Složení směsí je shrnuto v tab. 1.

Jednotlivé vzorky byly uloženy ve venkovních podmínkách a testovány až do stáří 10 let [9]. Pro náš případ jsme zvolili analýzu důsledků působení karbonatace (expoziční třídy XC). Pro výpočet indikátoru kSB posloužily hodnoty pevnosti betonu (resp. alternativně hodnoty modulu pružnosti) jako R a pro L pak hloubka karbonatace (tj. pseudoživotnost). Ekologické náklady byly stanoveny pouze na základě složení směsi, cena byla stanovena na základě průměrných cen bez DPH. Ekologická i cenová výhodnost použití recyklovaného kameniva závisí také na transportních vzdálenostech a energetické náročnosti přeměny původního betonu na recyklované kamenivo; toto zde nebylo uvažováno proto, aby výsledky nebyly vztaženy k určité lokalitě/​​ výrobně/​​betonárně/​​staveništi/​​firmě.

Poznamenejme ještě, že karbonatace se obvykle uplatňuje při vyšetřování mezního stavu použitelnosti a je vhodné si uvědomit, že důležitým parametrem může být i modul pružnosti, který vstupuje nejenom do výpočtu deformací, ale u staticky neurčitých konstrukcí též do výpočtu vnitřních sil – tedy podílí se také na hodnocení mezních stavů únosnosti. Otázkám spojeným s modulem pružnosti se v časopise Beton věnují např. články [15], [16], [17]. Kamenivo z recyklovaného betonu zcela jistě hodnoty modulu pružnosti ovlivňuje.

Z dat v tab. 2 vyplývá, že se pevnost v tlaku s nárůstem obsahu recyklovaného kameniva snižuje, což je způsobeno větší porozitou RAC a nižší vlastní pevností v tlaku RA oproti přírodnímu kamenivu. Rozdíly pevnosti v tlaku se však v průběhu let zmenšují. Lze také pozorovat, že použití většího množství RA ovlivňuje i hodnotu modulu pružnosti betonu. Použití RA snížilo mj. odolnost betonuproti karbonataci, která je ovlivněna také obsahem popílku.

Výsledky analýzy udržitelnosti dle vztahu (1) jsou ukázány v tab. 3 a znázorněny na obr. 1. Je vidět, že stáří vzorků hraje výraznou roli a že nejčastěji používané testování ve stáří 28 dní by nemuselo vést k použitelným výsledkům v případech, kdy aplikujeme jako mechanickou vlastnost pevnost betonu. Jak ukazuje obr. 1b, tj. kSB při aplikaci modulu pružnosti, je v analyzovaném případě proměnnost v čase méně významná. Výsledné hodnocení trvalé udržitelnosti je ale v obou těchto variantách velmi podobné, takže lze říci, že jako nejvhodnější směsi lze považovat RA0F25, resp. RA50F25. Je ovšem nutno poznamenat, že RA v kvalitě potřebné pro výrobu konstrukčního betonu není zatím na trhu běžně k dispozici, což se v blízké budoucnosti pravděpodobně zlepší, jistě s dopadem na ceny. Také u přírodního kameniva bude docházet ke změnám v cenové hladině v důsledku postupného omezování jeho těžby [17].

Pomocí indikátoru trvalé udržitelnosti kSB je možno hodnotit a vzájemně porovnat varianty směsí pro přípravu betonu a současně přitom přihlížet k mechanickým vlastnostem, k trvanlivosti a k ekologickým i ekonomickým hlediskům. Takovýto komplexní pohled není zatím v praxi využíván, ale výhled a současné trendy ve vývoji cirkulární ekonomiky k tomu směřují i u betonových konstrukcí. 

Autoři doufají, že hodnocení betonu s ohledem na trvalou udržitelnost se uplatní také při snahách o nahrazení přírodního kameniva recyklovaným i s ohledem na to, že přírodní kamenivo se stává nedostatkovým.