Betonový recyklát a jeho zrnitost: Inovativní řešení pro udržitelné stavebnictví

Jedním z aktuálních problémů, který sužuje stavebnictví, je nedostatek zdrojů přírodního kameniva z kamenolomů a štěrkoven. Stávající lomy jsou dočerpávány a otevření nových se nedaří povolovat. Zároveň z celkové produkce odpadů v ČR (a obdobně je tomu i v Evropě) tvoří v současné době v průměru cca 45 % inertní stavební suť. V České republice tak vznikají ročně cca 4 miliony tun inertní stavební suti, z čehož je výrazná část, tedy zhruba 85 %, ukládána na deponiích nebo skládkách a pouze 15 % je recyklováno a znovu využito, a to převážně s nízkou přidanou hodnotou jako zásypové, podkladní nebo stabilizační vrstvy. Toto využití mimo jiné výrazně ztěžuje další případnou recyklaci této suti kvůli jejímu znečištění. Jednou z možností, jak v některých konstrukcích z betonu nahradit přírodní kamenivo, může být použití kameniva recyklovaného.

Výhody recyklovaného kameniva

Náhrada přírodního kameniva v betonu kamenivem recyklovaným s sebou přináší výhody v environmentální i ekonomické rovině. V rovině environmentální se jedná o zpracování málo využívaných, a přitom recyklovatelných surovin, které jsou z větší části ukládány na skládkách nebo deponiích. Kapacita skládek tak může být navýšena pro skládkování odpadů, které nelze dále využít. Zároveň jde o úsporu přírodních zdrojů kameniva pro aplikace, kde je přírodní kamenivo nenahraditelné (mosty, předpjaté konstrukce, výškové budovy ad.). Dalším přínosem je snížení zátěže z dopravy, protože zdroje stavební suti pocházející z demolic starých objektů se většinou nacházejí betonárnám blíže než pískovny a lomy přírodního kameniva.

Vývoj a inovace v oblasti recyklovaného betonu

Dlouholetá snaha pracovníků ze společnosti ERC-TECH vedla k vývoji unikátní a patentované technologie výroby betonu s využitím recyklovaného kameniva jako 100% náhrady kameniva přírodního, tedy včetně drobné frakce do 4 mm. Následným společným vývojem se společností Skanska byla tato technologie ověřena i v provozních podmínkách výroby betonu na betonárně, byl optimalizován technologický proces pro průmyslovou výrobu a certifikován systém řízení výroby. Dnes je tento výrobek pod značkou Rebetong ve výrobním programu na šesti betonárnách Skanska Transbeton v Čechách a na Moravě. Pro jeho širší využití je však třeba odstranit bariéry v technické legislativě.

Beton vyrobený z recyklovaného kameniva, které v ideálním případě nahradí přírodní kamenivo ze 100 %, tedy včetně drobné frakce do 4 mm, je právě takovým produktem. Náš vývoj a výzkum se však zaměřil na výrobu betonu pouze z recyklovaného kameniva (dále také recyklát či RA z angl. recycled aggregate) včetně drobných frakcí do 4 mm. Na základě tohoto řešení uvedla společnost Skanska na podzim roku 2019 na trh v České republice unikátní výrobek - beton, jež obsahuje ze 100 % pouze recyklované kamenivo, s názvem Rebetong®. Řešení spočívá jednak ve správné přípravě recyklovaného kameniva, a hlavně v technologickém postupu míchání tohoto betonu s využitím speciální suroviny - nanofilleru, jehož částice posilují pevnostní strukturu kameniva a směsi tak, že výsledný beton dosahuje podobných mechanicko-fyzikálních vlastností jako beton z přírodního kameniva v pevnostních třídách až C25/30 včetně vodonepropustnosti a mrazuvzdornosti. S ohledem na charakter recyklovaného kameniva je však potřeba počítat s tím, že objemová hmotnost a modul pružnosti jsou nižší než u konstrukčního betonu pouze s přírodním kamenivem, což je potřeba zohlednit při návrhu konstrukcí. Používané příměsi navíc zajišťují trvanlivost takto vyrobených betonových výrobků, umožňují jejich plnou opakovanou recyklaci, a tím eliminují budoucí ekologické zatížení. Dá se tedy směle tvrdit, že tak naplňují nejnáročnější očekávání ohledně cirkulární ekonomiky ve stavebnictví.

Laboratorní a provozní testy

Užitné parametry betonu, jež obsahuje pouze recyklované kamenivo z betonového, cihelného, ale i směsného recyklátu, jsou výsledkem dlouhodobého vývoje. První laboratorní testy ukázaly překvapivě dobré výsledky. Vysoký potenciál betonu z RA pro komerční využití byl současně potvrzen i na vlastních developerských projektech. Proto byly neprodleně zahájeny provozní testy přímo na pilotní betonárně v Olomouci a výsledky byly opět velmi dobré. Na základě těchto dobrých zkušeností společnost Skanska Transbeton přistoupila k certifikaci výroby betonu, jež obsahuje pouze RA, a od září 2019 vyrábí certifikovaný transportní beton s obchodní značkou Rebetong v pevnostních třídách do C25/30, stupně vlivu prostředí do XC2 a prefabrikované stěnové dílce pod obchodní značkou Reblok. V současné době se zaměřuje na výrobu betonu s RA z cihelné stavební suti (vč. drobné frakce do 4 mm), které je na trhu přebytek a jejíž využití má větší ekonomický i ekologický efekt.

Čtěte také: Vlastnosti a vzhled betonových pražců

V rámci výzkumu a vývoje byly v roce 2019 provedeny laboratorní zkoušky na čerstvém i ztvrdlém betonu. Byly navrženy tři receptury s využitím různých druhů recyklovaného kameniva. V prvním kroku návrhu bylo stanoveno maximální zrno kameniva a křivky zrnitosti jednotlivých receptur, dále bylo navrženo množství cementu, příměsi, vodní součinitel a množství přísady. Cílem experimentu bylo zhodnotit vliv druhu recyklovaného kameniva (z betonového, cihelného a směsného recyklátu) na vlastnosti čerstvého i ztvrdlého betonu stejné receptury při použití technologie výroby společnosti ERC-TECH. Výsledky testování ukázaly vliv druhu recyklovaného kameniva pouze na některé vlastnosti výsledného betonu. Ze zjištěných poznatků lze konstatovat, že druh recyklátu má vliv na obsah vzduchu v čerstvém betonu, a to tak, že při použití cihelného recyklátu je obsah vzduchu vyšší než u betonového recyklátu, u směsného recyklátu se obsah vzduchu pohybuje mezi hodnotou cihelného a betonového recyklátu. Další vlastností, na kterou má druh recyklovaného kameniva vliv, je objemová hmotnost čerstvého i ztvrdlého betonu. Cihelný recyklát má nižší objemovou hmotnost než recyklát betonový, proto jsou hodnoty objemové hmotnosti betonu vyrobeného z cihelného recyklátu nižší než betonu vyrobeného z recyklátu betonového. Byl také pozorován mírný vliv RA na hloubku průsaku tlakovou vodou a objemové změny, avšak tyto hodnoty nejsou výrazně odlišné od betonů s přírodním kamenivem. Dalším rozdílným parametrem je modul pružnosti, který je dán převážně použitým hrubým kamenivem. U betonu z cihelného recyklátu je modul pružnosti nejnižší, beton ze směsného recyklátu dosahuje opět středních hodnot a modul pružnosti u betonu z betonového recyklátu dosahuje hodnot nejvyšších.

Po úspěšných laboratorních zkouškách bylo přistoupeno k provozním testům na míchacím zařízení BHS DKXS o objemu 1,67 m3 pro ověření realizovatelnosti celého technologického postupu přímo v provozu betonárny. V rámci prvních provozních testů byly ověřeny receptury pro pevnostní třídy C20/25 a C25/30 na bázi 100% cihelného recyklátu. Během provozních zkoušek byla ověřena zpracovatelnost betonu z recyklovaného kameniva, jeho chování, transportovatelnost a chování při ukládání.

Kromě základních zkoušek jsou prováděny a připravovány další nadstandardní zkoušky betonu z recyklátu, které mají za cíl rozptýlit obavy investorů a projektantů a odstranit tak bariéry pro jeho širší využití. Příkladem je např. zkouška soudržnosti s betonářskou výztuží dle [7]. Pro beton C25/30 z cihelného recyklátu vychází tato zkouška s průměrným výsledkem 5,2 MPa (pro srovnání: Soudržnost betonu s přírodním kamenivem C25/30 s výztuží dosahuje hodnoty 5,4 MPa.). Další zkoumanou vlastností byly objemové změny.

Způsoby využití recyklátů a jejich vlastnosti

V současnosti je ve většině případů užíván směsný (příp. cihlový) recyklát jako zásypový materiál (např. pro rozvody energií) či pro stabilizaci podkladů a nestmelených vrstev vozovek. Přitom však lze kvalitní tříděné recykláty využít na daleko vyšší úrovni, což ukazují níže uváděné příklady.

Cihelný recyklát

Cihelný recyklát se u většiny drtících linek získává zrnitosti do cca 80 mm a to nejméně ve třech frakcích 0-16 mm, 16-32 mm a 32-80 mm, přičemž producenti tohoto materiálu jsou schopni vytřídit i jiné požadované frakce. Tento recyklát nabízí podstatně širší možnosti využití než je doposud všeobecně známo.

Čtěte také: Vlastnosti překladů RZP

  • Výroba cihlobetonu: Cihlobeton je možno používat jako výplňové zdivo ve skupině monolitických konstrukcí, dále pro výrobu prefabrikovaných prvků k přípravě vibrolisovaných tvárnic nebo stěnových prvků, jejichž slisování by předem eliminovalo možné dotvarování konstrukce pod zatížením vzhledem k nižší hodnotě statického modulu.
  • Výroba stavebních směsí jako plniva malt pro zdění s využitím frakcí drobných, tedy do 4 mm, a vzdušným či hydraulickým vápnem. Tyto malty jsou výhodnější svým vyšším tepelným odporem než malty s přírodním kamenivem. Dále je možno používat jako pojiva i cement nebo kombinace pro vápenocementové malty. Podle přídavku pojiva se může dosáhnout různých pevností malt od 1 do 10 MPa.
  • Využití ve stabilizovaných podkladech a nestmelených vrstvách vozovek.
  • V poslední době byla také zkoušena výroba nepálených lisovaných cihel rozměrů 300x150x100 mm ze směsi cihelného recyklátu frakce 0-16 mm a hlíny s 10 % příměsí cementu i bez příměsi cementu. Dosahované pevnosti v tlaku po 14 dnech sušení jsou závislé na kvalitě hlíny a dosahovaly až 8 MPa.

Betonový recyklát

Použití betonového recyklátu je dnes zakotveno i v některých normách a je poměrně rozšířené jako např. v podkladních vrstvách vozovek stmelených cementem, ochranných vrstev silničních komunikací a pražcového podloží (jako mechanicky zpevněná zemina) a hlavně jako náhrady přírodního kameniva do konstrukčních betonů nižších tříd za předcházejících předpokladů.

Na základě dosud provedených výzkumných prací a dosažených laboratorních a poloprovozních výsledků je možno konstatovat:

  • Obsah drceného betonu nepříznivě ovlivňuje konzistenci betonové směsi a pro zachování její potřebné konzistence je nutné zvýšit dávku záměsové vody (projeví se na pevnostech betonu).
  • Pevnosti betonu v tlaku jsou poněkud ovlivňovány oproti použití přírodního kameniva.
  • Snižuje se objemová hmotnost zatvrdlého betonu.
  • Pevnost v tlaku se snižuje o 10-15 %.
  • Modul pružnosti je nižší o 15-20 %.
  • Zvyšuje se součinitel dotvarování až o 50 %.
  • Zvyšuje se smršťování, a to o 20-40 %.

Objemová hmotnost ztvrdlého betonu je taktéž recyklovaným kamenivem ovlivněna. V grafu níže je vidět pokles objemové hmotnosti o přibližně 2 % při 15% podílu recyklátu v betonu, o 7 % v případě 50% podílu a o 13 % při plné náhradě přírodního kameniva recyklovaným. Nižší objemová hmotnost betonu může mít vliv např. na vzduchovou neprůzvučnost konstrukcí.

Využití betonového recyklátu do živičných směsí pro výstavbu a opravy živičných vozovek za předpokladu dodržení receptur a pracovních postupů předepsaných příslušnými normami, jako např. ČSN 73 6121 - "Hutněné asfaltové vrstvy".

Asfaltový recyklát

Bylo prokázáno, že asfaltové recykláty jsou velmi vhodné zejména pro technologie za studena za použití emulzí, případně v kombinaci s cementem, kdy dochází k obalení ekologicky závadných částic a tím ke snížení možnosti znehodnocení odpadních vod a blízkého okolí. Nejvhodnější využití asfaltového recyklátu za studena je těmito způsoby:

Čtěte také: Obrubník 100x20x5 cm

  • Bez přidání nového pojiva k recyklátu s použitím pro málo zatížené vozovky, pro spodní podkladní vrstvy a pro zpevnění štěrkopískových podsypných vrstev.
  • S přidáním hydraulického pojiva (cementu, popř. vápna či strusky) pro provedení nové stmelené podkladní vrstvy.
  • S přidáním emulze k recyklovanému materiálu, vhodné zejména tam, kde staré úpravy obsahují dehtové pojivo.
  • Kombinovaný způsob, kdy k recyklovanému materiálu se přidává emulze i cement, což je vlastně zlepšení předchozího způsobu a firma prokázala, že tento způsob dosáhl nejlepších výsledků a že vlastnosti těchto směsí je prokazatelně možné srovnat se směsmi typu OK (obalované kamenivo) zpracovávanými za horka.

Faktory ovlivňující kvalitu a vlastnosti recyklovaného betonového kameniva

Kvalita recyklovaného kameniva je dána převážně obsahem jednotlivých materiálů v recyklátu. Čím více betonové složky recyklát obsahuje, tím nižší dopad na konečné vlastnosti betonu má. Z technologického hlediska je tedy nejlepší využívat čistě betonový recyklát. Problém tkví v jeho nedostatku.

Dopad recyklovaného kameniva na vlastnosti betonu byl zkoumán v mnoha tuzemských i zahraničních studiích. Obecně lze tvrdit, že recyklované kamenivo má negativní vliv na většinu vlastností betonu. Vedle kvality (druhu) recyklovaného kameniva hraje ještě významnější roli jeho obsah v betonu. Se zvyšujícím se podílem recyklovaného kameniva se úměrně zhoršují parametry betonu. Hlavním důvodem je vyšší pórovitost materiálů obsažených v recyklátu jako jsou cihly, malta a cementový tmel, který obaluje zrna přírodního kameniva původního betonu.

Stavební a demoliční odpad (C&DW) použitelný pro výrobu RCA měl při svém vzniku určité vlastnosti závislé na složení betonu (matečního betonu), dále byl po dobu své životnosti vystaven různým vlivům okolního prostředí a po dosažení konce životnosti prošel procesem demolice. Ze všech tří zmíněných etap byly vybrány různé faktory, které ovlivňují kvalitu a vlastnosti RCA nejvíce. Ovlivňující faktory byly rozděleny do dvou skupin.

Vliv vlastností matečného betonu (MC)

První skupina zkoumá vliv vlastností matečného betonu, čímž je myšlen beton, který má majoritní zastoupení v C&DW a je známo nebo lze dohledat jeho složení. Budeme se zabývat jeho pevnostní třídou, maximálním zrnem kameniva a obsahem přísad či příměsí.

  • Pevnostní třída MC: Může mít vliv na tvarový index a odolnost hrubého kameniva proti drcení. Předpoklad pro betony s vyšší pevností je vyšší hutnost struktury, a tím pádem nižší pórovitost cementového tmele. Hutnost a vyšší pevnost cementového tmele a vyšší pevnost kontaktní zóny mezi zrny kameniva a cementovou matricí přispívá k vyšší křehkosti betonu, a tudíž i k vzniku ostrohranných zrn RCA. Tato zrna pak mohou vykazovat nevhodný tvarový index v porovnání s přírodním kamenivem. Naopak v případě betonů s nízkou pevností dochází ke drolení cementové matrice, čímž se zvyšuje podíl drobné frakce RCA. Dále může dojít k osamostatnění zrn kameniva z matečného betonu, tím dostaneme dva druhy zrn, a to zrna tvořena převážně cementovým tmelem a zrna tvořena pouze NA z matečného betonu.
  • Maximální zrno kameniva v MC: Obecně lze říct, že cementová matrice má ve většině případů vyšší nasákavost než kamenivo používané do betonu. Pokud se jedná o beton průměrné pevnostní třídy s maximálním zrnem 4 mm respektive 8 mm, lze očekávat vyšší nasákavost cementového tmele. MC obsahující vyšší frakce kameniva mohou zlepšit nejen pevnost betonu s RCA, ale také snížit nasákavost a tendenci k drolení samotného RCA. Vliv faktoru maximálního zrna kameniva v matečném betonu je lépe viditelný až po aplikaci RCA do betonu a testování betonu s částečnou nebo úplnou náhradou NA.
  • Obsah přísad a příměsí v MC: Příměsi a přísady jsou přidávány za účelem zlepšení vlastností jak čerstvého, tak ztvrdlého betonu. Obsah příměsí může ovlivnit například vzhled budoucího betonu, kde probarvená zrna RCA mohou působit neesteticky. V současné době lze tento fakt považovat za benefit, a naopak poukázat na využití RCA jako náhrady NA v betonu, a vytvořit tím image novému stavebnímu objektu.

Vliv dalších faktorů

Druhá skupina zkoumaných faktorů zahrnuje obsah nečistot, četnost zdrojů původu jednotlivých C&DW a typ bourané konstrukce, ze které pochází C&DW.

  • Obsah nečistot: Za nečistoty jsou považovány všechny materiály vyjma betonu a materiálů na bázi cementu. Pokud má být RCA použito do betonu, musí obsahovat více než 90 % betonu, a tedy maximálně 10 % nečistot. Nejčastěji se setkáváme s nečistotami typu keramického střepu z cihel, stropních vložek nebo keramických střešních tašek, které nejsou pro budoucí aplikaci RCA do betonu příliš škodlivé. Další materiály jako dřevo, plast, sklo, asfalt nebo sádra již mohou znatelně zhoršit kvalitu nového betonu s RCA. Ke znečištění betonového C&DW může dojít také při jeho nedbalém uložení v recyklačním centru, jež nemá dostatečně zpevněné plochy k uložení, například betonovými panely, které by zabránily styku betonového C&DW respektive RCA se zeminou.
  • Četnost zdrojů původu: Četností zdrojů původu je myšlen počet zdrojů, ze kterých se RCA skládá. V nejlepším případě je RCA tvořeno čistým betonem z jednoho zdroje. U tohoto RCA je mnohem snadnější predikovat jeho budoucí vlastnosti a redukovat negativní vliv na vlastnosti nového betonu. Větší počet zdrojů betonového C&DW s sebou často přináší větší obsah nečistot a rozličné mateční betony mohou přispět k produkci nehomogenního RCA s variabilními vlastnostmi.
  • Typ bourané konstrukce: Pokud je známý typ bourané konstrukce, můžeme přibližně nastínit vlastnosti betonu, a tím napomoci k určení vlastností RCA. U C&DW z bourání budov je třeba dbát zvýšené pečlivosti při jeho třídění přímo na staveništi, jelikož v recyklačních centrech je dotřiďování poměrně složité až nemožné.

Legislativní bariéry a normy

V současné době jsou nejen v rámci ČR, ale i celé EU značné bariéry v technických předpisech, které významně omezují použití recyklovaných kameniv v betonu. Evropská norma pro beton EN 206+A1 doporučuje použití hrubého recyklovaného kameniva do betonu pouze do výše maximálně 50 % pro recyklované kamenivo typu A a B, a to pouze pro stupeň vlivu prostředí X0. Česká národní norma ČSN P 73 2404 [6] toto doporučení převzala jako limit. V ČR tento proces díky výrazné podpoře MŽP, MPO a ČAS započal v září 2019. Jeho cílem je vytvoření předpisu, který by tento přístup umožňoval. U většiny veřejných zakázek je zhotovitel smluvně vázán platnými národními a evropskými normami a je tedy třeba tento proces co nejdříve dotáhnout.

Stěžejní normy, které se věnují problematice recyklovaného kameniva a recyklovaného betonu, jsou v České republice ČSN EN 206+A2 Beton - Specifikace, vlastnosti, výroba a shoda [2], ČSN P 73 2404: Beton - Specifikace, vlastnosti, výroba a shoda - Doplňující informace [3] a ČSN EN 12620+A1 Kamenivo do betonu [4]. Dle ČSN P 73 2404 [4] se recyklované kamenivo z hlediska jeho složení rozděluje na Typ 1, které je vyrobeno pouze drcením z betonu, a Typ 2 původem ze stavební sutě. Tato norma uvádí minimální objemovou hmotnost 2000 ± 150 kg/m3 pro oba typy recyklátu a také maximální nasákavost po 10 minutách, která činí 10 % pro Typ 1 a 15 % pro Typ 2. Dále uvádí, že jako kamenivo do betonu lze použít pouze kamenivo Typu 1, výjimku tvoří betony pevnostních tříd C 8/10 a nižší, kde lze použít i kamenivo Typu 2. Dále recyklované kamenivo nelze použít pro beton odolnému vůči vlivu prostředí XF2, XF4, XD1, XD2 a XD3, pro předpjatý beton, pohledový beton a beton s vysokými nároky na odolnost vůči průsaku tlakovou vodou.

V normě ČSN EN 206+A2 [2] jsou uvedeny maximální procentuální náhrady hrubého kameniva recyklovaným kamenivem dle stupně vlivu prostředí. Norma rozlišuje druh recyklovaného kameniva dle jeho složení a vlastností na druh A a druh B. Druh A je recyklát získaný jen z betonu, musí mít objemovou hmotnost vyšší než 2100 kg/m3. Maximální 50% procentuální náhrada přírodních kameniv uvažuje pouze tzv. hrubé kamenivo nad 4 mm, a to pro prostředí X0 pro oba druhy A a B. Pro prostředí XC1 a XC2 je náhrada omezena na 30 % pro druh A a na 20 % pro druh B. Pro prostředí XC3, XC4, XF1, XA1, XD1 lze použít pouze druh A v maximální náhradě 30 %.

Tabulka: Maximální procentuální náhrady přírodního hrubého kameniva recyklovaným kamenivem dle normy ČSN EN 206+A2

Stupeň vlivu prostředí Recyklované kamenivo Druh A (z betonu) Recyklované kamenivo Druh B (ze stavební suti)
X0 Max. 50 % hrubého kameniva Max. 50 % hrubého kameniva
XC1, XC2 Max. 30 % hrubého kameniva Max. 20 % hrubého kameniva
XC3, XC4, XF1, XA1, XD1 Max. 30 % hrubého kameniva Nepoužívá se

Beton vyrobený pouze z recyklovaného kameniva má užitné vlastnosti obdobné jako beton vyrobený z přírodních kameniv, proto je možné jej použít pro běžné stavební betonové a železobetonové konstrukce. Velmi rychle se projevil zájem o prefabrikované stěnové dílce, kterých již bylo vyrobeno téměř dva tisíce kusů. První pilotní projekt ve formě transportního betonu pouze z cihelného recyklátu byl realizován v Olomouci na stavbě Nová Envelopa, kde byla provedena betonáž podkladních betonů pro výškovou kancelářskou budovu v objemu 350 m3. Dalšími pilotními projekty jsou rezidenční projekt Skanska Čertův vršek v Praze-Libni, kde se Rebetong používá nejen pro podkladní betony, ale také pro železobetonové nosné stěny, a rezidenční čtvrť Emila Kolbena v Praze-Vysočanech.

tags: #betonovy #recyklat #zrnitost

Oblíbené příspěvky: