TALPA HOUSE Prvá aplikácia betónu s recyklovaným kamenivom na Slovensku

Betón je najpoužívateľnejším stavebným materiálom na svete, ktorý však čelí najťažšej výzve od svojho objavenia. Tá spočíva v jeho udržateľnosti pre ďalšie generácie. S postupom času začína byť čoraz väčší deficit po neobnoviteľných zdrojoch, s čím súvisí prechod z lineárneho na obehové (cirkulárne) hospodárstvo. Jednou z možných a v súčasnej chvíli skúmaných ciest, ktorá sa týka jednotiek percent objemu výroby betónu, je náhrada časti prírodného kameniva (NA – natural aggregate) recyklovaným betónovým kamenivom. Recyklovaný betón (RAC – recycled aggregate concrete alebo RC – recycled concrete) je spoločné pomenovanie pre betóny, ktoré využívajú recyklované kamenivo (RA – recycled aggregate) vyrobené čiastočným alebo úplným drvením odpadového betónu a jeho následným triedením. Vy­užitie recyklovaných kamenív je možné v niektorých inžinierskych konštruk­ciách, pozemných stavbách, ako aj v prefabrikácii. Niektoré krajiny Európy túto metódu výroby „zeleného betónu“ vy­užívajú už niekoľko rokov.

Možnosti využitia RAC pri výstavbe nových budov v zahraničí demonštrujú napr. bytový dom Upcycle Studios v Kodani, Kunsthaus Zürich, Hanil Visitors Center & Guest House v Južnej Kórei či projekt znovuvybodovania vojnou zničeného mesta Aleppo v Sýrii. V Českej republike bol betón s recyklovaným kamenivom použitý napr. pri výstavbe Obytného súboru Čertův vršek (rezidencia bola prezentovaná v Betóne 2/2023). Na Slovensku žiaľ ešte ani v dnešnej dobe nepoužívame tento materiál pre návrh nosných konštrukcií budov, ojedinele sa použije napr. na podkladové betóny. Pred slovenskými výrobcami betónu a zhotoviteľmi stavieb preto stojí výzva a možnosť ďaleko vyššieho využitia recyklovaného betónového kameniva v praxi. Jeho aplikácia je samozrejme výzvou aj pre oblasť vývoja a výskumu, pričom skúmanie vlastností recyklovaného betónu vo svete prebieha už niekoľko rokov. Dostupné výskumy sa však väčšinou zaoberajú mechanickými vlastnosťami a teda krátkodobými parametrami nosných konštrukcií z recyklovaného betónu.

Stavebný odpad

Dôsledkom demolácie starých objektov vzniká stavebný odpad (C&D waste – construction and demolition waste), ktorý častokrát nemá opätovné využitie. Na Slovensku bola v roku 2018 celková produkcia všetkých stavebných odpadov (vrátane výkopovej zeminy, kovov, plastov atď.) zhruba 4 mil. t, z toho minerálny C&D odpad tvorí takmer 22 % [1]. Po odpočítaní výkopovej zeminy a kameniva predstavuje produkcia betónu vzhľadom na množstvo C&D odpadov zhruba 18,5 %. Betónové konštrukcie sa vyznačujú dlhou životnosťou a trvanlivosťou. Aj napriek tomu je potrebné ich niekedy odstrániť z dôvodu straty funkčnosti, za účelom uvoľnenia miesta stavbám s novým využitím alebo z dôvodu nadmerných porúch, ktoré nie je možné sanovať, príp. je sanácia príliš nákladná. Hodnotenie životného cyklu stavby (LCA – life cycle assessment) počíta s uhlíkovou stopou celej stavby. Výroba cementu sa na celkovej produkcii CO₂ na zemi podieľa približne 8 % a využitím recyklovaných materiálov je možné CO₂ stopu stavebnej výroby výrazne znížiť.

Kamenivo používané na výrobu betónu tvorí asi 60 až 70 % z celkového objemu vyťaženého kameniva. Zvyšok je použitý v iných odvetviach priemyslu. Je treba si uvedomiť, že prírodné zdroje na výrobu plnív do betónov sú obmedzené a otváranie nových dobývacích lokalít je náročné. Pritom súčasná dynamika výstavby si vyžaduje neustále zvyšujúci dopyt po prírodnom materiály na výrobu betónu. Z tohto dôvodu môže byť použitie recyklovaného kameniva v betóne, aj keď iba v časti konštrukcie alebo určitom množstve, vhodnou náhradou prírodného kameniva. Recyklované kamenivo musí byť v procese výroby podľa potreby drvené, triedené a čistené od prípadných znečisťujúcich látok, ktoré by výrazne znehodnocovali jeho opätovné použitie.

Limity použitia betónu s recyklovaným kamenivom sú napr. pri mostných konštrukciách (vyššia pórovitosť betónu s RA a tým menšia trvanlivosť) alebo pri predpätých konštrukciách (nižšie pevnostné triedy a nižší modul pružnosti oproti NAC). Určité problémy, ktoré sú s využitím alternatívnych stavebných materiálov spojené, je ale treba chápať ako výzvu pre ďalší experimentálny výskum.

Použitie rac v nosných konštrukciách

Pevnosť v tlaku

Možnosť aplikácie RAC v nosných konštrukciách je podmienená zárukou jeho fyzikálnych a mechanických vlastností. Podobne ako pri betóne vyrábanom z prírodného kameniva, aj v betóne vyrábanom z recyklovaného betónového kameniva je jedným z najdôležitejších parametrov jeho pevnosť v tlaku. Mnoho dostupných štúdií preukazuje pri použití podobných receptúr pokles v pevnosti recyklovaného betónu oproti normál­nemu betónu [2], [3], [4]. Zaručiť pevnosť v tlaku betónu vyrábaného zo 100 % náhradou hrubým RA (frakcia 4 – 16 mm) nepredstavuje v praxi taký vážny problém. Výsledná pevnosť v tlaku RAC bude závisieť predovšetkým od pevnostnej triedy RA, množstva nahrádzaného prírodného kameniva recyklovaným kamenivom, veľkosti zŕn RA, množstva, druhu použitého cementu a taktiež použitého vodného súčiniteľa w/​​c.

Z hľadiska zabezpečenia trvanlivosti konštrukcie je pri betónoch s RA významným parametrom jeho pórovitosť. S narastajúcim podielom náhrady RA v betóne sa zvyšuje aj jeho pórovitosť, čo vedie k poklesu jeho odolnosti voči karbonatácii [5].

Na následujícím obr. sú zobrazené intervaly pevnosti betónov pre rôzne typy použitého kameniva – betón s prírodným kamenivom, betón s recyklovaným betónovým kamenivom, resp. betón s recyklovaným tehlovým kamenivom – v závislosti od použitého vodného súčiniteľa. Grafy sú navyše doplnené o výsledky kontrolných skúšok pevnosti betónov z pilotného projektu Talpa House, pri ktorom bol použitý betón s 55 % náhradou hrubého riečneho kameniva betónovým recyklátom (frakcia 4 – 16 mm). Kontrolné skúš­ky boli robené v čase odstojkovania konštrukcie (28 dní) a v čase nástupu zaťaženia od zemného násypu (206 dní).

Modul pružnosti

Modul pružnosti je definovaný ako pretvorenie betónu vplyvom jednorazového krátkodobého zaťaženia. Určovaný je na hranoloch so základňou 100 mm a výškou 400 mm. Norma prEN 1992 – 1‑1 [15] definuje výpočet modulu pružnosti pre RAC ako:

E_cm = η_ERA . f_cm^1⁄3,   (1)

kde η_ERA je konverzný súčiniteľ pre modul pružnosti η_ERA = k_E.(1 — 0,25.α_RA), k_E opravný koeficient pre modul pružnosti betónu vzhľadom na typ použitého kameniva a α_RA množstvo zamieňaného RA ku NA (α_RA= množstvo RA / množstvo NA).

Vo všeobecnosti platí, že modul pružnosti podlieha väčšiemu rozptylu ako pevnosť v tlaku, bez ohľadu na to, či bol betón vyrobený z prírodného alebo recyklovaného kameniva. Rozptyl ± 10 000 MPa je pri betóne s prírodným kamenivom bežný. V prípade betónu s recyklovaným kamenivom sa modul pružnosti môže líšiť ešte viac v závislosti od použitého recyklovaného kameniva [16].

Talpa House

Talpa House je označenie nového projektu rodinných domov, pri výstavbe ktorých je použitý betón s recyklovaným kamenivom a ktoré zároveň využívajú hmotu zeme na sezónnu akumuláciu tepla. Tento typ konštrukcie je vystavený vysokým zaťaženiam a vyžaduje si dlhodobo bezpečnú, z vnútra opraviteľnú hydroizoláciu. Tieto stavby v zemi majú úroveň základovej škáry, meranej od hornej hrany zásypu, v hĺbke 3,85 m pre jednopodlažný objekt, resp. 6,65 m pre dvojpodlažnú stavbu. Stropné dos­ky sú zasypané výkopovou zeminou hrúbky 500 mm, pričom sa uvažuje aj s pojazdom traktora. Využitie pôvodnej zeminy z výkopu je základom šetrenia nákladov na dopravu aj vykurovanie, resp. chladenie a ekologického prístupu k návrhu stavieb. Vo vnútri objektov sú často použité hlinené omietky, drevené podlahy aj veľké okná s výškou až 6 m. Kontrola priehybu stropnej dosky je tu veľmi dôležitá, súvisia s tým aj požiadavky na dosiah­nuté moduly pružnosti betónu. Vizua­lizácia domu je uvedená na následujúcim obr., v súčasnosti sú vo výstavbe domy pri Trnave a v Rohožníku.

Nosný systém objektov je navrhnutý ako dosko-stenová konštrukcia. Objekty sú založené na základovej doske hrúbky 250 mm. Zvislé obvodové nosné konštrukcie v styku so zeminou sú navrhnuté zo železobetónu C25/30 — RC — C₅₅ — XC1(SK) — Cl 0,2 — D_max 16 mm — S3 hrúbky 200 mm, resp. 300 mm. Stropné konštrukcie na bočných stranách objektov na kóte +3,100 sú navrhnuté ako železobetónová monolitická doska hrúbky 280 mm z betónu C25/30 – RC — C₅₅ — XC1(SK) — Cl 0,2 — D_max 16 mm — S3. Betóny s recyklovaným kamenivom, ktoré boli použité pri výstavbe, dodávala spoločnosť Alas Slovakia a pochádzali z betonárne Vysoká pri Morave. Priemerná hodnota objemovej hmotnosti betónu, meraná na kockách v čase 28 a 206 dní, bola 2 222 kg/​​m³ ± 10,2 kg/​​m³, resp. 2 248 kg/​​m³ ± 8,9 kg/​​m³.

Stropné dosky sú okrem vlastnej tiaže zaťažené zásypom hrúbky 500 až 3 000 mm (šikmý násyp) s vodou nasiaknutej ílovitej zeminy. Uvažovaná hodnota vlastnej tiaže zásypovej zeminy vyťaženej pri výkopoch bola 21 kN/​​m³ a úžitkové zaťaženie 5 kN/​​m². Pri betonáži stropu boli odobraté skúšobné telesá (kocky, hranoly a valce), ktoré boli použité na overenie skutočných fyzikálno-mechanických parametrov betónu v čase odformovania stropu a v čase nástupu zaťaženia od zásypu zeminou. Výsledky pevnosti betónu skúšané na kockách v čase 28 a 206 dní (čas zasypávania stropnej dosky zeminou) sú uvedené v grafu v kapitole Pevnosť v tlaku.

Na základe týchto skúšok bola priemerná hodnota pevnosti betónu v čase 28 dní 35,6 MPa ± 0,3 MPa, resp. v čase 206 dní 42,1 MPa ± 0,9 MPa. Okrem pevnosti betónu v tlaku boli overované aj moduly pružnosti betónu, ktorých hodnota v čase 28 dní bola 28,2 GPa ± 0,2 GPa.

V súčasnosti (november 2023) sú železobetónové stropné dosky vybetónované a v strede rozponu dosky D1.03 domu v Rohožníku sú osadené výchylkomery, ktoré slúžia na overenie skutočných deformácii stropnej dosky.

Priebeh pretvorení stropnej dosky je na následujúcim obr. Odčítavanie hodnôt priehybov (5. 5. 2023 o 13:00) bolo v čase odstojkovania konštrukcie. Vývoj pretvorení v počiatočných fázach bol ovplyvnený aj kolísaním teplôt v letnom období, kedy dochádzalo k ohrievaniu horného povrchu stropnej dosky a k zaznamenaniu záporných priehybov. Po zaťažení stropnej dosky vrstvou zásypovej zeminy (30. 10.) boli namerané maximálne prevarenia stropnej dosky o hodnote 0,235 mm.

Závery

Príspevok v krátkosti prezentuje príklad prvej praktickej aplikácie betónu s recyklovaným kamenivom na Slovensku. Dôvera investorov, ktorým nie je myšlienka trvalej udržateľnosti výstavby ľahostajná, je pomerne vysoká. Na základe prieskumu, ktorý sme vykonali medzi záujemci o ekologické stavby vyplýva, že až 90 % z nich žiada betón s recyklovaným kamenivom. Väčšinová populácia má však o recyklovanom betóne obmedzené informácie. Normové predpisy už dnes umožňujú navrhovať nosné konštrukcie s určitým podielom recyk­lovaného kameniva pri dodržaní stanovených parametrov betónu, resp. pri overení vlastností materiálu skúškami. Dostupnosť RA je spojená nádoba s povedomím o RAC. Komplikácie, s ktorými sa pri navrhovaní stavieb z recyklovaným betónom stretávame, treba chápať ako výzvy, nie ako prekážky. Pri zohľadnení špecifík tohto materiálu už v procese návrhu konštrukcie je možné predísť mnohým komplikáciám. Kontrolné merania stropných dosiek in situ potvrdzujú, že betón s čiastočnou náhradou prírodného kameniva kamenivom recyklovaným môže byť použiteľnou alternatívou k betónu s iba prírodným kamenivom. Kontrolné merania priehybov v strede rozpätia stropnej dosky, pri ktorej bol použitý betón s 55 % náhradou hrubého prírodného kameniva recyklovaným betónovým kamenivom, potvrdzujú jeho úspešné použitie na prvej konštrukcii z RAC na Slovensku.