Zhutnění betonového recyklátu a jeho uplatnění v betonu: cesta k cirkulárnímu stavebnictví

V současnosti je celosvětovou snahou minimalizovat produkci jakéhokoliv odpadu. Nově nastolené trendy se velmi silně dotýkají stavebnictví, které je závislé na omezených zdrojích přírodních a nerostných surovin. Stavebnictví spotřebuje zhruba tolik nerostných zdrojů, kolik veškeré další průmyslové obory dohromady. Není tedy překvapením, že se pod drobnohledem materiálových inženýrů a expertů na cirkulární ekonomiku již před mnoha lety dostala problematika demolice staveb. Velmi intenzivně se hledají možnosti, jak bezezbytku využít stavební a demoliční odpad, který je z velké části zastoupen betonem.

Až donedávna si vědci lámali hlavu nad problémem, jak využít jeho velmi jemné frakce kameniva (menší než 1 mm). Kvůli značně heterogenním vlastnostem totiž nebylo možné tento materiál efektivně recyklovat, a tak končil na skládkách nebo se stal součástí různých zásypů a násypů. Snímek z elektronového mikroskopu, na kterém lze vidět strukturu mikromletého betonového recyklátu. V rámci projektu „Možnosti využití mikromletého recyklovaného betonu jako mikroplniva s pojivovými vlastnostmi“ byly tyto jemné frakce upraveny pomocí progresivní technologie mikromletí. Vznikla tak zrna sto- až tisíckrát menší než 1 milimetr. Popisovanou úpravou došlo nejen ke sjednocení frakce kameniva a zbytků ztvrdlého cementového pojiva, ale i k obnažení nezhydratovaných zrn cementu. Vzniklá moučka vykazovala nejen parametry mikroplniva, ale v určité míře i pojiva. Hledání efektivního využití mikromletého betonu si kvůli své komplexní problematice vyžádalo tříleté zapojení zhruba dvaceti osob včetně doktorandů a studentů z Fakulty stavební ČVUT v Praze. Dva doktorandi na dané téma obhájili své disertační práce, další tři studenti diplomové práce. Výzkum byl veden na Katedře mechaniky, ale zapojeny byly i další součásti katedry.

Řešení projektu si vyžádalo aplikaci nejen standardizovaných experimentálních metod, ale i vývoj zcela nových a specifických postupů. Funkci a parametry materiálu bylo nutné zkoumat v souvislostech přes širokou škálu měřítek od úrovně nano/mikro až po makrostrukturu. Zkoumáno bylo několik typů betonového recyklátu. Za všechny jmenujme železobetonové železniční pražce, části konstrukce betonových krytů dálnic či více než sto let staré konstrukční prvky železobetonové průmyslové stavby. Během zpracování odpadu je podstatný proces hrubé recyklace a třídění na jednotlivé materiály a frakce podle velikosti zrn a obsahu zatvrdlé cementové pasty a kameniva. V rámci projektu byly zkoušeny i různé způsoby drcení. Kromě jemných frakcí odpadního betonu byly používány i odprašky z těžby hornin (např. mramoru, vápence nebo žuly) a vybrané druhotné suroviny (např. struska nebo popílek). Projekt se zaměřil také na optimální poměry zastoupení jednotlivých složek s ohledem na výsledné sledované užitné vlastnosti, jako jsou mechanické, vlhkostní a tepelně-technické vlastnosti. Součástí výstupů je i software, který předpovídá výsledné materiálové vlastnosti směsí na základě složení a naměřených dat. V současné době probíhají snahy převést výsledky ze základního výzkumu z projektu do praxe. Za tímto účelem jsou testovány např. lehčené bloky na bázi cementu, ve kterých je část pojiva nahrazena mikromletým betonovým recyklátem a dalšími vhodnými druhotnými surovinami. Kamenivo je ze 100 % nahrazeno recyklátem. Nové bloky mají srovnatelné materiálové vlastnosti.

Ukázka obrazové analýzy pro popis tvaru částic mikromletého betonového recyklátu, která byla použita pro popis vlivu různého způsobu mikromletí. Na snímku lze vidět původní snímek z elektronové mikroskopie (A), následně byla jednotlivá zrna zvýrazněna (B) a pomocí software nahrazena elipsami (C), která nejlépe popisuje tvar zrna. Díky podpoře projektu GA ČR a v něm dosažených výsledků bylo možné pokračovat v další výzkumné činnosti v oblasti recyklace a řešit navazující projekty. Betonový recyklát je možné použít například pro úpravu terénu či zasypávání, pak se řídí požadavky Vyhlášky č. 273/2021 Sb. Vyhláška o podrobnostech nakládání s odpady. V tomto případě je třeba v místě stavby vybudovat mobilní recyklační linku, pro úpravu suťového recyklátu. Popřípadě je možné v místě stavby vybudovat mobilní betonárnu a využít recyklované betonové kamenivo pro betonáž například základových konstrukcí. V případě zpracování betonového recyklátu na recyklované betonové kamenivo některým z recyklačních center. V tomto případě je třeba, aby bylo kamenivo certifikováno podle ČSN EN 12620 + A1 Kamenivo do betonu či ČSN EN 13242+A1 Kamenivo pro nestmelené směsi a směsi stmelené hydraulickými pojivy pro inženýrské stavby a pozemní komunikace. Pak je možné dle požadavků ČSN EN 206 + A2 použít například jako kamenivo do betonu.

Využití jemné frakce betonového, cihelného a směsného recyklátu v betonech. Většina recyklačních středisek v ČR je schopna separovat a upravit recyklát v podobě tří produktů - betonový recyklát, cihelný recyklát a směsný recyklát. Z pohledu dalšího využití je možné takto upravené kamenivo z SDO rozdělit na dvě části, a to v závislosti na velikosti částic, konkrétně na hrubou frakci (zpravidla 4/16 mm nebo 4/32 mm) a jemnou frakci s velikostí částic 0/4 mm. V případě hrubého kameniva norma ČSN EN 206+A1 upravuje možnosti jeho použití v závislosti na stupně vlivu prostředí a druhu recyklovaného kameniva. Maximální množství, které je možné použít pro betony do expoziční třídy X0, je 50 % hrubého recyklovaného kameniva.

Další kapitoly shrnují výzkum a testování recyklátů. Výzkum zkoumá tři základní druhy recyklátů jako náhrady za drobné (přírodní) kamenivo frakce 0/4 mm: betonový, cihelný a směsný recyklát. Jako vstupní materiál byl použit SDO z různých staveb a demolic. Vzorky pro potřeby příspěvku byly zpracovány na recyklačním dvoře společnosti Moravostav Brno a.s. a drceny pomocí čelisťového drtiče RESTA. V první fázi experimentu byly zkoumány vlastnosti drobného kameniva dle platných norem pro drobné kamenivo 0/4 mm. V druhé části experimentu bylo recyklované drobné kamenivo aplikováno přímo do betonové směsi. Betonové směsi obsahovaly portlandský cement CEM I 42,5 R. Dále použito přírodní drobné kamenivo 0/4 mm a hrubé kamenivo 4/8 a 8/16 mm. Přírodní drobné kamenivo bylo nahrazeno recyklovaným v poměru 33, 66 a 100 hmotnostních %. Současně byl vyroben referenční beton jen z přírodních materiálů. Pro každou zkušební sadu bylo devět zkušebních těles. Konzistence v čerstvém stavu byla nastavena na S1 podle Abramsova kužele.

První část experimentů popsala obsahy jemných částic, síťový rozbor a granulometrické složení. Nejnižší procento jemných částic měl betonový recyklát, u kterého byl obsah jemných částic až pětinásobný ve srovnání s přírodním kamenivem. U směsného a cihelného recyklátu bylo množství jemných částic významné a jejich použití složitější. U objemových hmotností ztvrdlého betonu došlo k výraznému poklesu s rostoucí nahrazenou frakcí. U nasákavosti byl zaznamenán nejnižší ukazatel u betonu s 33% náhradou (B_33). Nasákavost vzrůstá s vyšší náhradou a u 100% nahrazení dosahuje zhruba 50% navíc oproti referenčnímu betonu. Nejhorší výsledky mělo směsné recykláto. Při pevnosti v tlaku se projevuje klesající trend s rostoucí náhradou přírodního kameniva.

Průřez výsledky ukazuje, že betonový recyklát se nejlépe blíží referenčnímu betonu, zejména při 33% náhradě cihelným recyklátem. Významně nižší účinek mají nižší náhrady. Z výsledků vyplývá, že jemná frakce z recyklátu lze využít s vhodnými metodami i v betonech, avšak s ohledem na zvolenou frakci a způsob zpracování. Pokračují výzkumy v převodu výsledků do praxe, například testování lehčených bloků na bázi cementu, kde je část pojiva nahrazena mikromletým recyklátem a dalšími druhotnými surovinami. Kamenivo je 100% nahrazené recyklátem a nové bloky vykazují srovnatelné materiálové vlastnosti.

V závěru studie se potvrzuje, že drobné recykláty mohou významně ovlivnit mechanické a vlhkostní vlastnosti betonu. Betonový recyklát vykazuje podstatně lepší výsledky než směsný či cihelný recyklát, zejména v podmínkách, kdy je nutné dosáhnout vhodné konzistence a nízké nasákavosti. Nové postupy mikromletí a následná analýza tvaru částic umožnily lepší predikci vlastností směsí a rozšíření možností uplatnění jemné frakce v konstrukčních betonech.

Praktické použití jemné frakce v betonu a legislativní_požadavky

Betonový recyklát lze podle standardů použít jako náhradu jemného kameniva ve studiích parametrů 0/4 mm s ohledem na expoziční třídy. Vzhledem k rostoucí potřebě recyklovaných surovin se řeší i zajištění shody s normami. Pro použití recyklátu v Betonu podle ČSN EN 206 + A2 je nutné splnit certifikaci a mít kamenivo certifikované podle ČSN EN 12620 + A1 a ČSN EN 13242 + A1. Dále se řeší podmínky pro nasazení jemného recyklátu v konstrukčních betonech a jeho vliv na pevnost a nasákavost.

V praxi se dávají do popředí mobilní recyklační linky na místě stavby pro úpravu suťového recyklátu, případně mobilní betonárny pro betonáž základových konstrukcí. Většina českých recyklátů se rozdělí na hrubou frakci 4/16 mm (či 4/32 mm) a jemnou 0/4 mm. ČSN EN 206 + A2 umožňuje použít až 50 % hrubého recyklovaného kameniva do betonu, přičemž jemné frakce se zkoušejí dle platných norem pro drobné kamenivo. Pro stabilizované podklady a nestmelené vrstvy vozovek existují specifické normy, které definují druhy recyklátů a jejich možné použití.

V souvislosti s demolicemi a sběrem odpadu se často separuje betonový, cihelný a směsný recyklát. Cihelný recyklát bývá drcen na frakce 0-8 a 8-16 mm; hrubší frakce se používají do betonu, jemnější do zásypů. Betonový recyklát se dnes široce používá jako plnivo do betonů, v živičných směsích a jako podklad v infrastruktuře, zatímco asfaltové recykláty se uplatňují zvláště při studeném zpracování s emulzemi a hydraulickým pojivem.

Nové technologie, včetně synergie chemicko-mechanického zpracování a obnovy cementové matrice, mohou vést ke vzniku čistého kameniva bez cementového zbytku. Recyklační proces vyvinutý některými firmami umožňuje, že beton z demolic má podobné vlastnosti jako zcela nový výrobek a minimalizuje skládkování. Dosavadní pokusy o recyklaci starého betonu ukazují, že lze nahradit až 30 % primárního materiálu v konstrukčním betonu.

Tabulka: Shrnutí klíčových vlivů jemné frakce na vlastnosti betonu

Využití jemné frakce má své opodstatnění zejména v prostředích s nižšími požadavky na pevnost, ale s cílem maximalizovat cirkulární ekonomiku. Nejvhodněji se ukazuje 33% náhrada jemného kameniva cihelným recyklátem, která vykazuje nejbližší vlastnosti k referenčnímu betonu. S rostoucí náhradou roste nasákavost a klesá pevnost, proto je důležité volit vhodnou kombinaci frakcí a optimalizovat jejich poměry pro požadovanou aplikaci.

tags: #zhutneni #betonoveho #recyklatu