Článek se věnuje potenciálu použití drobného recyklovaného kameniva jako náhrady přírodního drobného kameniva při výrobě betonu. Během provedeného experimentu byla v konvenčním betonu dvou pevnostních tříd kompletně nahrazena drobná frakce těženého kameniva (0 – 4 mm) drobným recyklovaným kamenivem. Fyzikální a mechanické vlastnosti a trvanlivost těchto směsí byly srovnávány s referenčními směsmi, které obsahovaly pouze přírodní kamenivo. Výsledky ukázaly mírný pokles mechanických vlastností a trvanlivosti betonu s náhradou přírodního písku, nejvyšší pokles lze pozorovat u modulu pružnosti a hloubky karbonatace. Pomocí metody LCA bylo provedeno environmentální vyhodnocení, při němž se projevil pozitivní dopad této náhrady.
Spotřeba přírodního kameniva ve stavebním průmyslu je největší při výrobě betonu. Beton je zároveň běžně zcela závislý na primárních zdrojích, jako je písek, štěrk, cement a voda. Jedním z řešení, jak snížit negativní dopad výroby betonu na životní prostředí, je nahrazení přírodního kameniva (NA) recyklovaným kamenivem (RA). Použití recyklovaného kameniva (RA) v betonu je však často spojeno se zhoršením mechanických vlastností a trvanlivosti ve srovnání s běžným betonem (NAC).
Recyklované betonové kamenivo (RCA) obsahuje přírodní kamenivo v kombinaci s cementovou maltou. Vlastnosti a kvalita RCA jsou závislé na procesu demolice a recyklace, včetně způsobu, rychlosti a počtu kroků drcení a prosévání [1 – 5], a zároveň jsou ovlivněny typem a velikostí přírodního kameniva v původním betonu a také jeho pevností. RCA se od přírodního kameniva odlišuje především tvarem zrna, který je více nepravidelný a hranatý, drsnou strukturou a porézností [6], [7], [8]. Použití drobného recyklovaného kameniva (fRA) (< 4 mm) v betonu s sebou nese ještě více komplikací v porovnání s hrubým recyklovaným kamenivem, a to především proto, že zatím nebyla jednoznačně vyvinuta metodika pro měření nasákavosti drobného recyklovaného kameniva a zároveň není známa jeho absorpční kapacita během míchání. To způsobuje nejistotu při stanovení skutečného efektivního vodního součinitele. V rámci výzkumných studií bylo porovnáno celkem 15 variant ověření nasákavosti fRA a rozptyl výsledků je 4,5 až 270 % [9], [10]. Z tohoto důvodu ve většině zemí, ve kterých se povoluje využívat recyklované kamenivo do betonu, není povoleno využívat fRA.
Z hlediska dopadů na životní prostředí, především dopadu na změnu klimatu, bylo zjištěno, že výroba kameniva do betonu představuje pouze asi 15 % emisí z výroby a přepravy betonu [11 – 16]. Z hlediska úplné náhrady přírodního drobného těženého kameniva bylo zjištěno snížení emisí CO2 pouze o 2 % [9], což se v porovnání s výrobou cementu nebo dopravou může zdát jako nevýznamná část. Využití fRA v betonové směsi navíc představuje příliš mnoho neznámých týkajících se vlastností čerstvého i ztvrdlého betonu. Na druhou stranu je nutné upozornit, že zásoby drobného těženého kameniva nejsou nekonečné [17] a těžba písku má celosvětově celkem významné dopady na životní prostředí, včetně eroze a poškozování krajiny.
Cílem této studie bylo ověřit mechanické vlastnosti a trvanlivost betonů, kde bylo přírodní drobné těžené kamenivo (fNA) plně nahrazeno drobným recyklovaným betonovým (fRCA) a cihelným (fRMA) kamenivem. Zároveň byly porovnány vlivy jednotlivých betonů na klimatické změny srovnávací metodou hodnocení životního cyklu (LCA), jako funkční jednotka byla zvolena stropní deska z vyztuženého betonu.
Materiály a metody
Pro ověření možného nahrazení přírodního drobného těženého kameniva drobným recyklovaným kamenivem bylo vyrobeno a testováno celkem šest betonových směsí ve dvou pevnostních třídách. Tři směsi obsahovaly 260 kg/m3 cementu CEM I 42,5 R, efektivní vodní součinitel byl 0,65 (směsi označené I) a tři směsi obsahovaly 300 kg/m3 cementu CEM I 42,5 R, efektivní vodní součinitel byl 0,55 (směsi označené II). Vždy byla vyrobena jedna referenční směs (NAC I, NAC II), která obsahovala pouze přírodní kamenivo o zrnitosti frakcí 0 – 4, 4 – 8 a 8 – 16 mm. Ve všech ostatních směsích se jako hrubé kamenivo (4 – 16 mm) použilo přírodní těžené kamenivo a jako drobné recyklované kamenivo (0 – 4 mm) betonový recyklát (směsi fRCAC I, fRCAC II) a cihelný recyklát (směsi fRMAC I, fRMAC II). Do směsí nebyly použity žádné přísady. Zpracovatelnost všech směsí byla shodná a odpovídala sednutí kužele S1.
Ke zkoušce pevnosti v tlaku byla použita zkušební tělesa – krychle o hraně 150 mm dle EN 12390 – 3 (2003). Pro testování pevnosti v tahu za ohybu dle EN 12390 – 5 (2009), statického modulu pružnosti dle EN 12390 – 13 (2014), dynamického modulu pružnosti dle EN 12504 – 4 (2005), mrazuvzdornosti dle ČSN 73 1322 (1969) a odolnosti vůči karbonataci dle ČSN EN 12390 – 12 byly použity trámce o rozměrech 100 × 100 × 400 mm.
Vlastnosti kameniva použitého pro betonáž a navržené směsi
Recyklované kamenivo pocházelo z recyklačního střediska v ČR. Bylo vyrobeno z předtříděného stavebního a demoličního odpadu (betonu a zdiva) a drceno, nežádoucí materiály byly odseparovány pomocí vody. Laboratorně byly ověřeny vlastnosti recyklovaného kameniva, které jsou zásadní pro návrh směsi, a to zrnitost, objemová hmotnost a nasákavost. Nasákavost byla testována metodou popsanou v ČSN EN 1097 – 6, přestože dosud nebyla jednoznačně prokázána vhodnost této metody pro drobné recyklované kamenivo. Dále byl pro návrh směsi měřen aktuální obsah vody v kamenivu (vysušením v sušárně do ustálené hmotnosti) pro určení množství vody pro přednasáknutí kameniva a odhad efektivního vodního součinitele. Vlastnosti NA a RA použitého v této studii jsou uvedeny v tab. 1.
Dle ověřených vlastností byly navrženy betonové směsi, pro návrh receptury byla použita Bolomeyova křivka ideální zrnitosti (tab. 2).
Výsledky a diskuze
Objemová hmotnost betonů s drobným recyklovaným kamenivem vykazovala mírný pokles v porovnání s referenční variantou, maximální pokles byl 7 % pro směs s fRMA. Nasákavost betonu s fRA byla vyšší než u referenčních směsí, maximální nárůst byl o 85 % u směsi s fRMA, které obsahovalo vysoce porézní materiály, jako jsou cihly, pórobeton a malta. Nárůst nasákavosti byl pro obě třídy betonu stejný.
Efekt použití fRMA v betonové směsi byl pro obě třídy betonu podobný – pevnost v tlaku se snížila o 10, resp. 15 %. Naproti tomu úplná náhrada NA za fRCA ovlivnila pevnost v tlaku pouze minimálně. U směsi s vyšším množstvím cementu došlo k poklesu pouze o 4 % a u směsi s nižším množstvím cementu byl oproti referenční směsi zjištěn dokonce nárůst pevnosti o 3 %. Pevnost v tahu za ohybu u všech betonových směsí s fRA ve srovnání se směsí s NA klesla. K nejvýraznějšímu snížení došlo u směsi s fRCA a vyšším obsahem cementu, a to o 13 %. Statický a dynamický modul pružnosti vykazoval podobný trend. Všechny směsi s fRA vykázaly pokles vlastností ve srovnání s referenční směsí, přičemž pokles u směsí s fRMA byl výraznější (39 a 31 %) než u směsí s fRCA (19 a 14 %). Hodnoty dynamického modulu pružnosti byly mírně vyšší než hodnoty statického modulu pružnosti s maximálním rozdílem 18 % pro směs fRMAC 1. Z hlediska mrazuvzdornosti výsledky pevnosti v tahu za ohybu měřené před a po zmrazování neukazovaly významný pokles, u dvou směsí dokonce došlo k mírnému nárůstu. Z měření dynamického modulu pružnosti před a po zmrazování (100 zmrazovacích cyklů) vyplynul mírný pokles, maximálně však 13 %, což stále splňuje požadavky na mrazuvzdornost, tj. pokles do 25 %. Odolnost vůči karbonataci betonu byla vyhodnocena jako poměr k referenční směsi a z výsledků bylo patrné zvýšení hloubky karbonatace až na více než 2,5násobek. Fyzikální a mechanické vlastnosti a trvanlivost jsou uvedeny v tab. 3.
Vývoj pevnosti v tlaku pak v grafu na následujícím obr.
Dopady na klimatické změny
Dopady na klimatické změny byly vyhodnoceny metodou LCA pomocí indikátoru změny klimatu popisujícího vliv na globální oteplování (graf na obr.).
Jako funkční jednotka byla stanovena stropní deska navržená na mezní stav únosnosti a mezní stav použitelnosti. Do posouzení na mezní stav únosnosti (MSÚ) vstupovaly výsledky pevnosti v tlaku a do posouzení na mezní stav použitelnosti (MSP) výsledky modulu pružnosti. Případný pokles vlastností byl kompenzován zesílením stropní desky (MSÚ) a navýšením stupně vyztužení (MSP). Výsledky ukazují pozitivní vliv nahrazení přírodního drobného kameniva fRCA, důvodem je především minimální pokles mechanických vlastností a pozitivní dopad recyklace oceli z původních železobetonových konstrukcí. Naopak použití fRMA, kde dochází k většímu zhoršení mechanických vlastností a chybí benefit z recyklace oceli, nedosahuje tak příznivých výsledků. Snížení emisí skleníkových plynů souvisejících se směsmi s plnou náhradou přírodního drobného kameniva fRCA je mezi 84 kg CO2 ekv. a 141 kg CO2 ekv. pro návrh založený na MSÚ a 140 kg CO2 ekv. a 308 kg CO2 ekv. pro návrh na základě MSP, který vykazuje pokles o 23 až 31 % a 22 až 35 %. V případě fRMA lze pozorovat podobný nebo mírně vyšší potenciální dopad na indikátor změny klimatu ve srovnání s referencí. Maximální nárůst byl 23 kg CO2 ekv., což odpovídá 5 %. Z hlediska kompenzace zhoršení mechanických vlastností se jako výhodnější z pohledu dopadů na klimatické změny jeví navýšení stupně vyztužení oproti zvětšení tloušťky desky.
Závěr
Tato studie se zabývala možností náhrady přírodního drobného těženého kameniva drobným recyklovaným kamenivem, které pocházelo ze stavebního a demoličního odpadu. Kamenivo bylo upraveno speciální recyklační technologií v recyklačním středisku a dosahovalo tak nadstandardní kvality. Výsledky mechanických vlastností a trvanlivosti betonu se 100% náhradou přírodního drobného těženého kameniva tak neukazují významný pokles. Ten byl pozorován především u modulu pružnosti a hloubky karbonatace. Studie tedy ukazuje, že v případě využití kvalitního drobného recyklovaného kameniva náhrada přírodního drobného těženého kameniva v betonu možná je, a to především pro běžné třídy betonu. Výsledky dále ukázaly pozitivní dopady na životní prostředí, a to nejen z pohledu snížení spotřeby přírodního drobného těženého kameniva, ale i dopadu na změnu klimatu.
Literatura
[1] DE JUAN, M. S., GUTIÉRREZ, P. A. Study on the Influence of Attached Mortar Content on the Properties of Recycled Concrete Aggregate. Constr. and Build. Mater. 2009,
Vol. 23, Issue 2, pp. 872 – 877. DOI:10.1016/j.conbuildmat.2008.04.012.
[2] AKBARNEZHAD, A., ONG, K. C. G. 10 – Separation Processes to Improve the Quality of Recycled Concrete Aggregates (RCA). In: PACHECO-TORGAL, F., TAM, V. W. Y., LABRINCHA, J. A., DING, Y., BRITO, J. DE, eds. Handbook of Recycled Concrete and Demolition Waste. Woodhead Publishing Series in Civil and Structural Engineering. Woodhead Publishing, 2013, pp. 246 – 269. ISBN 978 – 0‑85709 – 682‑1.
[3] FAN, C.-C., HUANG, R., HWANG, H., CHAO, S.-J. Properties of Concrete Incorporating Fine Recycled Aggregates from Crushed Concrete Wastes. Constr. and Build. Mater. 2016, Vol. 112, pp. 708 – 715. DOI:10.1016/j.conbuildmat.2016.02.154.
[4] FLOREA, M. V. A., BROUWERS, H. J. H. Properties of Various Size Fractions of Crushed Concrete Related to Process Conditions and Re-Use. Cem. and Concr. Res. 2013, Vol. 52, pp. 11 – 21. DOI:10.1016/j.cemconres.2013.05.005.
[5] EVANGELISTA, L., GUEDES, M., DE BRITO, J., FERRO, A. C., PEREIRA, M. F. Physical, Chemical and Mineralogical Properties of Fine Recycled Aggregates Made from Concrete Waste. Constr. and Build. Mater. 2015, Vol. 86, pp. 178 – 188. DOI:10.1016/j.conbuildmat.2015.03.112.
[6] EVANGELISTA, L., DE BRITO, J. Mechanical Behaviour of Concrete Made with Fine Recycled Concrete Aggregates. Cem. and Concr. Compos. 2007, Vol. 29, Issue 5, pp. 397 – 401.
DOI:10.1016/j.cemconcomp.2006.12.004.
[7] EVANGELISTA, L., DE BRITO, J. Concrete with Fine Recycled Aggregates: A Review. Eur. J. of Environ. and Civ. Eng. 2014, Vol. 18, pp. 129 – 172. DOI:10.1080/19648189.2013.851038.
[8] LI, Z., LIU, J., TIAN, Q. Method for Controlling the Absorbed Water Content of Recycled Fine Aggregates by Centrifugation. Constr. and Build. Mater. 2018, Vol. 160, pp. 316 – 325. DOI:10.1016/j.conbuildmat.2017.11.068.
[9] NEDELJKOVIĆ, M., VISSER, J., ŠAVIJA, B., VALCKE, S., SCHLANGEN, E. Use of Fine Recycled Concrete Aggregates in Concrete: A Critical Review. J. of Build. Eng. 2021, Vol. 38,
102196. DOI:10.1016/j.jobe.2021.102196.
[10] SOSA, M. E., VILLAGRÁN ZACCARDI, Y. A., ZEGA, C. J. A Critical Review of the Resulting Effective Water-to-Cement Ratio of Fine Recycled Aggregate Concrete. Constr. and Build. Mater. 2021, Vol. 313, 125536. DOI:10.1016/j.conbuildmat.2021.125536.
[11] KURDA, R., SILVESTRE, J. D., DE BRITO, J. Toxicity and Environmental and Economic Performance of Fly Ash and Recycled Concrete Aggregates Use in Concrete: A Review. Heliyon. 2018, 4, e00611. DOI:10.1016/j.heliyon.2018.e00611.
[12] BRAUNSCHWEIG, A., KYTZIA, S., BISCHOF, S. Recycled Concrete: Environmentally Beneficial Over Virgin Concrete? In: LCM 2011 – Towards Life Cycle Sustainability Management. Berlin, Germany, 2011.
[13] MARINKOVIĆ, S., DRAGAŠ, J., IGNJATOVIĆ, I., TOŠIĆ, N. Environmental Assessment of Green Concretes for Structural Use. J. of Clean. Prod. 2017, Vol. 154, pp. 633 – 649. DOI:10.1016/j.jclepro.2017.04.015.
[14] MARINKOVIĆ, S., RADONJANIN, V., MALEŠEV, M., IGNJATOVIĆ, I. Comparative Environmental Assessment of Natural and Recycled Aggregate Concrete. Waste Manag. 2010, Vol. 30, pp. 2255 – 2264. DOI:10.1016/j.wasman.2010.04.012.
[15] TOŠIĆ, N., MARINKOVIĆ, S., DAŠIĆ, T., STANIĆ, M. Multicriteria Optimization of Natural and Recycled Aggregate Concrete for Structural Use. J. of Clean. Prod. 2015, Vol. 87, pp. 766 – 776.
DOI:10.1016/j.jclepro.2014.10.070.
[16] FLOWER, D. J. M., SANJAYAN, J. G. Green House Gas Emissions Due to Concrete Manufacture. Int. J. of Life Cycle Assess. 2007, Vol. 12, pp. 282 – 288. DOI:10.1065/lca2007.05.327.
[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.
