Posuzování konstrukčního betonu s recyklovaným kamenivem s ohledem na trvalou udržitelnost

Stavební průmysl má mezi lidskými činnostmi svým rozsahem nepřehlédnutelný vliv na životní prostředí. V posledních letech je proto kladen velký důraz na trvalou udržitelnost stavebních konstrukcí a materiálů a jsou hledány cesty a způsoby, jak toho dosáhnout. Konkrétně jde o snižování emisí a o využití vyprodukovaného odpadu formou recyklace např. u kameniva. Motivací pro využití recyklovaného kameniva je rovněž snížení závislosti na přírodních zdrojích, kterých ubývá. Příspěvek se zabývá posouzením betonu s recyklovaným kamenivem pomocí indikátoru trvalé udržitelnosti.

Recyklované kamenivo

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.

Hodnocení trvalé udržitelnosti

Indikátor kSB 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:

  • veličina R představuje vhodnou fyzikálně-mechanickou charakteristiku betonu, obvykle pevnost v tlaku,
  • životnost L musí být stanovena pro použití posuzovaného betonu v návrhovém prostředí se zřetelem na příslušný mezní stav a návrhovou hodnotu pravděpodobnosti poruchy – u železobetonových konstrukcí jde obvykle o korozi výztuže. Lze to provést pomocí vhodného pravděpodobnostního sofwarového nástroje a analytického modelu (např. [11], využitím FReET‑D), tj. nejčastěji analýzou postupu karbonatace betonu. Není-li vhodný model či nástroj k dispozici, lze pro L použít také tzv. pseudoživotnost, tj. hodnotu veličiny, která by vystupovala při analýze skutečné životnosti – např. difúzní součinitel při prostupu chloridových iontů betonem [12] apod., kde by se mohlo využít také výsledků testů.
  • ekologické náklady jsou fiktivními náklady, které by mohly být vynaloženy na redukci dopadů na životní prostředí na udržitelnou úroveň, zahrnují vliv těžby, zpracování materiálů a s tím také související svázané emise různého druhu, spotřebu energií atd. (např. databáze [13]),
  • cena betonu C, tj. cena materiálu, je převážně závislá na regionu či zemi, což je nutno při hodnocení a srovnávání různých typů betonů mít na zřeteli,
  • referenční hodnoty Rref, Lref, Eref a Cref jsou libovolně zvolené hodnoty příslušné jednomu ze studovaných betonů. To zajišťuje bezrozměrnost indikátoru udržitelnosti kSB,
  • volba druhu hodnot RL by měla odpovídat příslušné expoziční třídě (ČSN 73 2404),
  • varianta s nejvyšší hodnotou kSB určuje nejvýhodnější beton z pohledu trvalé udržitelnosti, tj. nejedná se přímo o měřítko (kvantifikaci) trvalé udržitelnosti.

Použití indikátoru kSB 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.

Posuzování betonů s recyklovaným kamenivem

Hodnocení trvalé udržitelnosti pomocí indikátoru kSB (1) vyžaduje znalost příslušných hodnot R, L, EC 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].

Obr. 1a Indikátor trvalé udržitelnosti dle (1), kdy je jako mechanická vlastnost betonu uvažována — pevnost v tlaku
Obr. 1b Indikátor trvalé udržitelnosti dle (1), kdy je jako mechanická vlastnost betonu uvažována — modul pružnosti

Závěr

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.

Příspěvek vznikl za podpory fakultního specifického výzkumu VUT Vliv vlastností recyklovaných kameniv na životnost a udržitelnost betonových konstrukcí, evidovaného pod číslem FAST-J-20 – 6459.

Literatura

[1] ZÍDEK, R., TEPLÝ, B. Konstrukční využití betonu z recyklovaného kameniva. In: Betonářské dny 2000. Pardubice: Česká společnost pro beton a zdivo ČSSI, 2000. S. 205 – 210.

[2] TEPLÝ, B., NOVÁK, D. Možnosti navrhování nosných prvků z betonu s recyklovaným kamenivem. In: Recycling 2000. Brno: Fakulta strojního inženýrství VUT v Brně, 2000. S. 28. ISBN 80−214−1557−6.

[3] VESELÝ, V. Současnost a perspektivy recyklovaného kameniva do betonu – poznámky a komentáře z pohledu norem. Beton TKS. 2021, roč. 21, č. 1, s. 38 – 40.

[4] MÜLLER, A. Možnosti a omezení recyklace betonu. Beton TKS. 2013, roč. 13, č. 6, s. 46 – 52.

[5] MÜLLER, A. Možnosti a limity recyklování betonu. Beton TKS. 2014, roč. 14, č. 1, s. 64 – 69.

[6] LEHNER, P., HRABOVÁ, K., GHOSH, P., KONEČNÝ, P., TEPLÝ, B. Efektivní hodnocení trvalé udržitelnosti betonu s přírodním pucolánem. Beton TKS. 2020, roč. 20, č. 3, s. 52 – 55.

[7] VYMAZAL, T., HRABOVÁ, K., TEPLÝ, B., KOCÁB, D. Sustainability quantification of concrete with recycled aggregate. In: Special Concrete and Composites 2019: 16th International Conference. AIP Conference Proceedings. College Park, Maryland: American Institute of Physics, 2020. S. 1 – 4. ISBN 978−0−7354−1961−2. ISSN 0094 – 243X.

[8] SILVA, R. V., NEVES, R., BRITO, J., DHIR, R. K. Carbonation behaviour of recycled aggregate concrete. Cement and Concrete Composites. 2015, Vol. 62, pp. 22 – 32.

[9] KOU, S. C., POON, C. S. Long-term mechanical and durability properties of recycled aggregate concrete prepared with the incorporation of fly ash. Cement and Concrete Composites. 2013, Vol. 37, pp. 12 – 19.

[10] HORŇÁKOVÁ, M., KONEČNÝ, P., TEPLÝ, B., HÁJEK, P. Sustainability based design of RC structures: material and structural level. In: Symposium fib. Lisabon, 2021 (v revizi).

[11] TEPLÝ, B., NOVÁK, D. Predikce degradace betonových konstrukcí výpočetním modelováním. Beton TKS. 2014, roč. 14, č. 2, s. 56 – 57.

[12] ČSN EN 12390 – 11. Zkoušení ztvrdlého betonu – Část 11: Stanovení odolnosti betonu proti chloridům, jednosměrná difuze. Praha: ÚNMZ, 2015.

[13] Eco Cost Database. Design-4- Sustainability: Inspiration and knowledge by designers for designers [online]. Dostupné z: http://www.design-4-sustainability.com/ecocosts

[14] TEPLÝ, B. Ještě k modulu pružnosti. Beton TKS. 2008, roč. 8, č. 1, s. 74 – 75.

[15] MISÁK, P., VYMAZAL, T. Modul pružnosti vs. pevnost v tlaku. Beton TKS. 2009, roč. 9, č. 2, s. 58 – 59.

[16] HELA, R., KŘÍŽOVÁ, K. Modul pružnosti betonu. Beton TKS. 2021, roč. 21, č. 1, s. 76 – 79.

[17] GODÁNY, J. Současný stav disponibilních zásob u využívaných ložisek stavebního kamene a štěrkopísku v ČR. Beton TKS. 2021, roč. 21, č. 1, s. 15 – 21.

Autoři

Assessment of Construction Concrete Made With Recycled Aggregates Regarding Its Sustainability

Amongst the many activities of mankind, the impact of construction industry on the environment is not one to be overlooked. Long­term sustainability of building structures and materials has been therefore emphasised in the last few years and ways and means of how to achieve it are being sought. Specifically, it is about reducing emissions and using waste. For example by recycled materials, e.g. aggregate. The motivation for using recycled aggregates derives from an efort to reduce dependence on natural resources, which are declining. The article deals with the assessment of concrete with recycled aggregate using tan indicator of sustainability.

114 Technologie | 15.12.2019 | Věda a výzkum

Vliv složení betonu na jeho modul pružnosti: porovnání experimentu a hodnot z eurokódu 2

Příspěvek se zabývá experimentálním stanovením vlivu složení betonu na hodnotu jeho modulu pružnosti. Modul pružnosti je jednou z nejdůležitějších vlastností betonu. Ovlivňuje deformace betonu, ale může mít vliv i na jeho další důležité parametry, jako jsou např. dotvarování n...