Opětovné využití stavebního a demoličního odpadu jako recyklovaného kameniva do betonu

Již delší dobu je na poli stavebnictví upozorňováno na problémy udržitelnosti související s používáním betonu jako stavebního materiálu. Cementáři řeší problém environmentální a ekonomické náročnosti výroby portlandského cementu a nutnost používání směsných cementů, zároveň docházejí disponibilní zásoby ložisek stavebního kamene a štěrkopísku [1]. Jednou z možností, jak snížit spotřebu přírodního kameniva, je použití kameniva recyklovaného, tj. podrceného stavebního odpadu, které splňuje patřičná kritéria pro po­užití k výrobě betonu. Problematikou betonu s recyklovaným kamenivem se již aktivně zabývá např. společnost Skanska s produktem Rebetong nebo společnost TBG Metrostav se svým produktem Ecocrete. Oba zmíněné produkty již byly v časopise Beton TKS představeny [2], [3].

Dle normy ČSN EN 12620+A1 [4] zabývající se požadavky na kamenivo do betonu rozlišujeme několik složek recyklovaného kameniva. Pokud se skládá z betonu či malty, jde o složku s označením Rc. Jedná-li se o směs kameniva stmeleného či nestmeleného hydraulickými pojivy, jedná se o složku s označením Ru. Norma odráží skutečnost, že tyto dvě složky spolu budou často koexistovat, proto uvádí společnou složku Rc + Ru (obecně betonová složka – pozn. autorů). Pokud se složka skládá z pálených či vápenopískových zdicích prvků, jde o složku s označením Rb (obecně cihelná složka – pozn. autorů). Dále jsou v normě [4] zmíněny asfaltové materiály (Ra), sklo (Rg), plovoucí materiály (FL) a jiné (X), jako např. zemina, kovy, dřevo, plasty a sádrová omítka. [2]

Norma ČSN EN 206+A2 [5] rozlišuje pouze dva typy recyk­lovaného kameniva – typ A a B. Typ A musí obsahovat minimálně 90 % betonové složky Rc, či 95 % složky Rcu a maximálně 10 % cihelné složky Rb. Typ B musí obsahovat minimálně 50 % betonové složky Rc, či 70 % složky Rcu a maximálně 30 % cihelné složky Rb. U obou typů je také uvedeno omezení na ostatní složky (Ra, Rg, FL a X). Ze zmiňovaných parametrů vyplývá významné omezení použití recyklovaného kameniva a zákaz použití recyklovaného kameniva s podílem cihelné složky větším než 30 %, což je v praxi velmi omezující. Maximální procento nahrazení hrubého kameniva shrnuje tab. 1, která je převzata z [5].

Z tabulky vyplývá, že maximální možná náhrada hrubého přírodního kameniva je 50 %, a to jen pro stupeň vlivu prostředí X0. Pro další stupně prostředí je maximální použitelné množství jen snižováno či zcela zakázáno. V normě je ale uvedeno doplňující kritérium, které uvádí, že se recyklované kamenivo typu A ze známého zdroje může použít pro stupně vlivu prostředí, pro které byl navržen původní beton, a to maximálně s 30% nahrazením přírodního kameniva. Pro recyklované kamenivo typu B je též uveden zákaz použití do betonu pevnostní třídy vyšší než C30/37. [5]

V rámci experimentálního programu byly použity čtyři zdroje (Z1 až Z4) betonového recyklovaného kameniva (Rcu), jeden zdroj (Z5) recyklátu cihelného (Rb) a jeden zdroj (Z6) recyklátu směsného (Rcu ≥ 50, Rb ≤ 50). Recyklované kamenivo bylo ve spolupráci s Fakultou stavební ČVUT v Praze roztříděno na jemné kamenivo (frakce 0 – 4 mm) a na hrubé kamenivo (frakce 4 – 8, 8 – 16 a > 16 mm). Jemné kamenivo bylo využito pro experimentální program v rámci Fakulty stavební ČVUT. Kamenivo se zrnem frakce > 16 mm, které není pro běžné konstrukce používáno, nebylo do experimentu zahrnuto. V laboratoři bylo připraveno několik receptur s výše uvedenými recyklovanými kamenivy a různou hmotnostní náhradou dané frakce hrubého kameniva. Výsledky základních mechanicko-fyzikálních vlastností byly porovnány s referenční recepturou betonu, která dle [5] odpovídá specifikaci C25/30 — XC2, XF2 — D_max 16 mm – S1.

Pro sledování vlivu náhrady přírodního kameniva kamenivem recyklovaným byla vyrobena série zkušebních těles (pět krychlí a tři válce) pro stanovení materiálových parametrů dle tab. 2.

Nahrazení přírodního kameniva bylo rozděleno do dvou variant. Varianta A zahrnovala nahrazení recyklátem frakce 4 – 8 mm, a to v množství 30, 50 a 100 % hm. Varianta B zahrnovala nahrazení recyklátem frakce 8 – 16 mm, a to též v množství 30, 50 a 100 % hm. Primárním cílem tohoto rozdělení bylo sledovat vliv náhrady jednotlivých frakcí. Pokud bude pohlíženo na náhradu kameniva z hlediska celkové sumy hrubého kameniva, tak v případě varianty A jde o 13, 22 a 44 % a v případě varianty B jde o náhradu 17, 28 a 56 %. Z hlediska normy [5] je použití betonového recyklátu (Rcu) při nahrazení 56 % již nepřípustné. Náhrada směsným či čistě cihelným recyklátem se pohybuje již mimo platné předpisy. Složení receptury referenčního betonu a betonů s nahrazením přírodního kameniva recyklátem je uvedeno v tab. 3.

Vodní součinitel byl uvažován 0,55 a nebyly použity žádné přísady ovlivňující konzistenci čerstvého betonu.Vzhledem k vyšší nasákavosti především cihelné složky recyklovaného kameniva byla hodnota vodního součinitele upravena tak, aby bylo možno vyrobit recepturu s odpovídající zpracovatelností třídy S1.

Parametry čerstvého betonu

Při výrobě čerstvého betonu byla měřena jeho teplota – pohybovala se v rozmezí 17 až 20,7 °C, což odpovídá běžným hodnotám při použití surovin (cement, kamenivo) uložených v laboratorním prostředí. Byla též stanovena konzistence čers­tvého betonu sednutím kužele. Výsledky tříd konzistence jsou zaznamenány v tab. 4. U všech receptur obsahujících betonový recyklát byl stanoven vodní součinitel 0,55. Z naměřených hodnot sednutí vyplynulo snížení hodnoty sednutí kužele se zvětšující se dávkou recyklovaného kameniva. To bylo dáno zejména následkem vyšší nasákavosti recyklovaného kameniva oproti kamenivu přírodnímu.

Parametry ztvrdlého betonu

Nahrazením přírodního kameniva betonovým recyklátem došlo k následujícím změnám.

Objemová hmotnost ztvrdlého betonu je průměrem objemové hmotnosti stanovené na krychlích a válcích, které byly podrobeny zkoušce pevnosti v tlaku a statického modulu pružnosti ve stáří 28 dní. Graf na obr. 5 uvádí změny hodnot objemové hmotnosti, které odpovídají množství náhrady přírodního kameniva a objemové hmotnosti daného recyklátu.

Pevnost v tlaku byla stanovena ve stáří betonu 28 dní. Graf na obr. 6 uvádí změny pevnosti v tlaku na krychlích (1. sloupec) a válcích (2. sloupec).

Statický modul pružnosti betonu v tlaku byl stanoven ve stáří betonu 28 dní, a to na válcích průměru 150 mm a výšce 300 mm. Graf na obr. 7 uvádí změny modulu pružnosti. Je zřejmé, že kvalita kameniva obsaženého v recyklátu ovlivňuje výsledný modul pružnosti betonu. Ve většině případů dochází ke snížení hodnoty modulu pružnosti vůči referenčnímu betonu, jsou ale případy, kdy došlo k jeho mírnému nárůstu. To přičítáme primárně kvalitě kameniva.

Hloubka průsaku tlakovou vodou byla stanovena ve stáří betonu 28 dní na krychlích o hraně 150 mm. Graf na obr. 8 uvádí změny hloubky průsaku tlakovou vodou.

Nasákavost betonu byla stanovena na polovinách krychlí o hraně 150 mm po zkoušce stanovení hloubky průsaku tlakovou vodou. Graf na obr. 9 uvádí změny nasákavosti betonu. Červeně vyznačená je hodnota nasákavosti 6,5 %, která byla uvedena ve starších normách jakožto hodnota, nad kterou beton již není považován za mrazuvzdorný.

Odolnost povrchu betonu proti průsaku vody a CHRL byla stanovena dle metody A na krychlích o hraně 150 mm. Graf na obr. 10 uvádí hmotnostní odpady po daných zmrazovacích cyklech. Z grafu je patrné, že problematické jsou pouze betony receptury Z4 s náhradou frakce 8 – 16 mm. Červeně vyznačené jsou limity hodnoty odpadu pro daný stupeň prostředí.

Parametry čerstvého betonu

U čerstvého betonu s cihelným (Z5) a směsným (Z6) recyklátem byla též měřena jeho teplota – pohybovala se v rozmezí 17,1 až 19 °C, což opět odpovídá běžným hodnotám při použití surovin (cement, kamenivo) uložených v laboratorním prostředí. Byla též stanovena konzistence čerstvého betonu sednutím kužele. Dávka vody se u těchto receptur lišila v závislosti na nasákavosti recyklovaného kameniva. Cihelný a směsný recyklát se oproti betonovému recyklátu vyznačuje vyšší nasákavostí. Při míchání betonu pak recyklát nasaje záměsovou vodu a beton ztratí zpracovatelnost. Výsledky tříd konzistence a vodní součinitel dané receptury jsou zaznamenány v tab. 5.

Parametry ztvrdlého betonu

Nahrazením přírodního kameniva cihelným (Z5) a směsným (Z6) recyklátem došlo k následujícím změnám.

Graf na obr. 11 uvádí změny hodnot objemové hmotnosti. Změny objemové hmotnosti jsou patrnější se zvyšující se náhradou přírodního kameniva, jelikož objemová hmotnost cihelného recyklátu je mnohem nižší než přírodního kameniva či betonového recyklátu.

Graf na obr. 12 uvádí změny pevnosti v tlaku na krychlích (1. sloupec) a válcích (2. sloupec). Z výsledků je též zřejmý vztah mezi čistě cihelným a směsným recyklovaným kamenivem, kdy náhrada pouze cihelným recyklátem vede k výraznějšímu snížení pevnosti betonu v tlaku.

Graf na obr. 13 uvádí změny statického modulu pružnosti v tlaku. Výsledky dokládají jedno z hlavních negativ použití cihelného recyklátu jako náhrady přírodního kameniva a omezení jeho použití v betonech u konstrukcí, kde dochází k ohybovému namáhání. Modul pružnosti betonu výrazně klesá se zvyšující se dávkou náhrady a opět je změna výraznější u čistě cihelného recyklátu.

Graf na obr. 14 uvádí změny hloubky průsaku tlakovou vodou, kdy nedošlo k výraznému nárůstu oproti referen­čnímu betonu.

Graf na obr. 15 uvádí změny nasákavosti betonu. Červeně vyznačená je hodnota nasákavosti 6,5 %, která byla uvedena ve starších normách jakožto hodnota, nad kterou beton již není považován za mrazuvzdorný. S narůstajícím podílem recyklovaného kameniva roste též nasákavost betonu, za což je opět odpovědný převážně cihelný recyklát s vysokou nasákavostí.

Graf na obr. 16 uvádí hmotnostní odpady po daných zmrazovacích cyklech, kde byly překvapením výsledky odolnosti povrchu betonu vůči zmrazovacím cyklům. S vyšší nasákavostí betonu se očekávaly i nepříznivé výsledky této zkoušky. Z toho vyplývá, že na výsledek odolnosti povrchu mají větší vliv vlastnosti jemné frakce při povrchu betonu a kvalita provedení povrchu než přímo hrubé kamenivo se zrnem > 4 mm.

Betonový recyklát

Nahrazení přírodního kameniva betonovým recyklátem vedlo jak k výsledkům očekávaným, tak překvapivým z hlediska jejich trendu. Překvapivým se zdá pozitivní vliv podílu recyklovaného kameniva na pevnost v tlaku. Byl pozorován trend nárůstu pevnosti v tlaku se zvyšující se dávkou náhrady přírodního kameniva, přičemž ve většině těchto případů nedosahovala hodnota maximální pevnosti nad úroveň pevnosti referenčního betonu. Rozdíly jsou pak patrné mezi jednotlivými zdroji betonového recyklátu (Z1 až Z4).

 Nahrazením frakce 4 – 8 mm došlo ke změně pevnosti v tlaku v rozmezí 76 až 103 % hodnoty referenčního betonu a v případě frakce 8 – 16 mm ke změně pevnosti v tlaku v rozmezí 79 až 118 % hodnoty referenčního betonu. Tento pohled nám udává rozptyl hodnot, které lze při nahrazení jednotlivých frakcí očekávat.

Obdobně je to s výsledky statického modulu pružnosti. Nahrazením frakce 4 – 8 mm došlo ke změně jeho hodnoty v rozsahu 83 až 98 % hodnoty referenčního betonu a v případě frakce 8 – 16 mm pak ke změně v rozsahu 88 až 105 % hodnoty referenčního betonu.

Hodnoty nasákavosti betonu příhodně korespondují s hodnotou objemové hmotnosti a platí závislost že, čím je vyšší objemová hmotnost, tím je menší nasákavost. Problematické se z hlediska nasákavosti zdají být betony s obsahem recyklátu ze zdroje Z3, které přesahují hodnotu 6,5 % a mohou být nevhodné pro konstrukce namáhané mrazem.

Hloubka průsaku tlakovou vodou je v porovnání s referenčním betonem vyšší u zdroje Z2 (varianty B) a Z3, kde též korelují hodnoty objemové hmostnosti betonu s hodnotami hloubky průsaku.

U zkoušky odolnosti povrchu betonu proti průsaku vody a CHRL byly u zdrojů recyklátu Z1 až Z3 (s výjimkou receptury Z3‑A/30) naměřeny nižší hodnoty odpadu než u referenčního betonu. Nadlimitní hodnoty odpadu byly naměřeny u betonů s recyklátem zdroje Z4, kde ale zároveň beton oproti jiným zdrojům vykazoval vyšší stupeň konzistence. Toto bude předmětem další analýzy.

Cihelný a směsný recyklát

Výsledky zkoušek betonů s náhradou přírodního kameniva recyklátem cihelným a směsným již ve smyslu trendu hodnot měřených veličin překvapením nebyly.

Pevnost betonu v tlaku s vyšší dávkou náhrady recyklátem klesá. U náhrady cihelným recyklátem frakce 4 – 8 mm došlo ke snížení až na 70 % pevnosti referenčního betonu. V tomto případě čistě cihelného recyklátu ovlivňuje pevnost betonu výrazněji náhrada drobnou frakcí než náhrada frakcí hrubou. Opačně je to u směsného recyklátu, kde pevnost betonu výrazněji ovlivňuje náhrada hrubou než jemnou frakcí. U náhrady směsným recyklátem došlo k největšímu snížení pevnosti v tlaku při 50% nahrazení frakce 8 – 16 mm, a to na 78 % pevnosti referenčního betonu.

Modul pružnosti je závislý na kvalitě hrubého kameniva, tudíž při nahrazení cihelným a směsným recyklátem došlo k očekávanému poklesu jeho hodnoty. U cihelného recyklátu došlo k nejvýraznější změně při 100% nahrazení frakce 4 – 8 mm. Hodnota modulu pružnosti klesla na 66 % hodnoty referenčního betonu. U směsného recyklátu nedošlo v porovnání s cihelným recyklátem ke skokovému snížení modulu pružnosti při nahrazení 30 % přírodního kameniva. Poměrně uspokojivé jsou výsledky receptur Z6‑A/50 a Z6‑B/30, s 22%, resp. 17% nahrazením veškerého hrubého kameniva, u nichž byly hodnoty modulu pružnosti srovnatelné s betonem referenčním.

Jelikož je cihelný recyklát velice nasákavý, i beton s jeho obsahem má zvýšené hodnoty nasákavosti. U všech receptur s cihelným recyklátem došlo k překročení hodnoty 6,5 %, u směsného recyklátu došlo k překročení pouze při 100% nahrazení frakce 8 – 16 mm.

Hloubka průsaku tlakovou vodou byla překvapivě méně problematická ve srovnání s betonem obsahujícím betonový recyklát. Maximální hodnoty u cihelného i směsného recyklátu dosahovaly 25 mm.

Obdobně je tomu i u odolnosti povrchu betonu vůči průsaku vody a CHRL, kde se odpady u všech receptur s cihelným i směsným recyklátem pohybovaly do maximálně 130 g/​​m², což bylo dokonce velmi nízko v porovnání s hodnotou odpadu referenčního betonu.

Cílem práce bylo ověřit kvalitu betonového recyklátu, který je na trhu dostupný, a vyšetřit vliv nahrazení přírodního kameniva recyklátem cihelným a směsným. Ověření proběhlo pomocí porovnání s referenčním betonem během série základních zkoušek čerstvého a ztvrdlého betonu. Byly pozorovány i nepředpokládané trendy hodnot materiálových vlastností betonu s betonovým recyklátem. Platí, že na každý zdroj betonového recyklátu se musí pohlížet individuálně.

U cihelného recyklátu došlo k očekávanému výraznému snížení pevnosti v tlaku a modulu pružnosti. Zajímavým zjištěním byl výsledek u několika receptur se směsným recyklátem, jejichž mechanické parametry se dají srovnat s parametry betonu s recyklátem čistě betonovým.