Energeticky efektivní budovy 2015 sympozium Společnosti pro techniku prostředí 15. října 2015, Buštěhrad
EXPERIMENTÁLNÍ A ENVIRONMENTÁLNÍ VYHODNOCENÍ POUŽITÍ RECYKLOVANÉHO KAMENIVA DO BETONU Tereza Pavlů1), Magdaléna Šefflová2) 1) 2)
Univerzitní centrum energeticky efektivních budov ČVUT, Buštěhrad Katedra konstrukcí pozemních staveb, Fakulta stavební, ČVUT, Praha 6
ANOTACE Článek se zabývá využitím recyklovaného kameniva do betonu. Recyklované kamenivo má horší vlastnosti ve srovnání s přírodním kamenivem a je proto třeba se zaměřit na jeho zkoušení před použitím do betonu. Nejdůležitějšími vlastnostmi jsou čára zrnitosti, objemová hmotnost a nasákavost. Tyto vlastnosti také ovlivňují návrh receptury. V článku jsou prezentovány vlastnosti recyklovaného kameniva ve srovnání s přírodním kamenivem a vlastnosti betonu vyrobeného s použitím recyklovaného kameniva.
ÚVOD Beton je jedním z nejpoužívanějších stavebních materiálů na světě a jeho produkce stále stoupá. Od druhé poloviny minulého stolení stoupla jeho produkce na dvanáctinásobek. S výrobou betonu je spojeno čerpání přírodních zdrojů a zároveň produkce stavebního a demoličního odpadu. Recyklace stavebního a demoličního odpadu a jeho využití do nového batonu řeší oba tyto environmentální problémy. Při využití recyklovaného kameniva, převážně betonového, jako náhrady přírodního kameniva, písku a cementu do betonu dochází také k úsporám energií a emisí svázaných s produkcí přírodního kameniva. Největším úskalím souvisejícím s použitím recyklovaného kameniva do betonu jsou jeho horší vlastnosti ve srovnání s přírodním kamenivem. Vlastnost, u které dochází k největšímu rozdílu, je nasákavost kameniva, která souvisí s jeho vyšší pórovitostí [1]. Ta je zapříčiněna cementovou maltou přítomnou na povrchu kameniva, která způsobuje také nižší objemovou hmotnost recyklovaného kameniva [2]. Drcené recyklované kamenivo má rozdílný tvar zrna oproti přírodnímu kamenivu a je mírně rozdílnou čáru zrnitosti, kde největší rozdíl je u jemného kameniva. Z těchto důvodů je k návrhu receptury použita referenční čára zrnitosti dle Bolomeye [3]. Porovnání environmentálních dopadů z produkce přírodního a recyklovaného kameniva a tím i betonu vyrobeného z těchto druhů kameniva záleží především na způsobu a postupu recyklace a dále na typu přírodního kameniva, se kterým je recyklované kamenivo srovnáváno [4]. Ve srovnání s přírodním říčním kamenivem má recyklované kamenivo o 20 % vyšší potenciál globálního oteplování [5] oproti tomu ve srovnání s lomovým drceným kamenivem dosahuje produkce recyklovaného kameniva o přibližně 20 % nižších emisí.
MATERIÁL A EXPERIMENTY Zkoušení recyklovaného kameniva Bylo odzkoušeno recyklované kamenivo z devíti lokálních zdrojů (RK C1– RK C9) a porovnáno s přírodním kamenivem (PK). Recyklované kamenivo pocházelo převážně buď z demolic pozemních staveb, pak obsahovalo vyšší množství dalších stavebních materiálů, jako jsou
225
cihly, malta, keramické obklady, dřevo a další, nebo z demolic silničních staveb, kde byl hlavní složkou beton a dále ve velmi malém procentu asfalt. Byly zkoušeny vlastnosti frakcí 4/8 mm a 8/16 mm pro všechny typy kameniva. Byla zkoušena objemová hmotnost a nasákavost pyknometrickou metodou [6] a čára zrnitosti [7]. Všechny tyto vlastnosti jsou potřebné k návrhu receptury.
OBJEMOVÁ HMOTNOST [KG/M3]
V grafech na obrázcích Obr. 1 a Obr. 2 jsou patrné výsledky zkoušek objemové hmotnosti a nasákavosti kameniva. Výsledky jsou vyjádřeny jako pokles/nárůst ve srovnání s referenčním kamenivem, které se rovná 100 % hodnotě. Jako referenční bylo zvoleno přírodní kamenivo. 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0%
100% 100%
PK 1
79%80%
82%85%
80%84%
RK C1
RK C2
RK C3
85%88%
99% 88%
RK C4
RK C5
94% 88% 80%80%
78%81%
RK C6
RK C7
RK C8
87% 77%
RK C9
DRUH KAMENIVA 4/8 8/16
Obr. 1 Objemová hmotnost kamenivem (NA)
recyklovaného
kameniva
(RA)
v porovnání
s přírodním
Z výsledků je patrné snížení objemové hmotnosti RK oproti PK. Nejvyšší pokles objemové hmotnosti byl 23 % pro RK C9 frakce 4/8 mm. Dále byl ukázán rozdíl mezi frakcí 4/8 mm a 8/16 kde u menší frakce dochází k většímu snížení objemové hmotnosti ve srovnání s přírodním kamenivem. Všechny zkoušené vzorky dosáhly vyšší objemové hmotnosti než je 2000 kg/m3 což je jedním z požadavků pro použití do betonu. 1400%
NASÁKAVOST[%]
1200%
1081%
1000%
866%
923% 816%
800%
660% 554%
600%
1113%
400% 200%
1012% 906%
952%
886%
1312% 948%
756%
100% 100%
533% 761% 531%
340%
0% PK 1
RK C1
RK C2
RK C3 RK C4 RK C5 DRUH KAMENIVA 4/8
RK C6
RK C7
RK C8
RK C9
8/16
Obr. 2 Nasákavost recyklovaného kameniva (RA) v porovnání s přírodním kamenivem (NA)
226
Z výsledků zkoušek nasákavosti RK jsou patrné velké rozdíly ve srovnání s PK a potvrzuje to tak tvrzení, že nasákavost je vlastností, kde dochází k velkým rozdílům. Výsledky ukazují až na třináctinásobně vyšší nasákavost u RK oproti PK. Zkoušení vlastnosti betonu s recyklovaným kamenivem Ze zkoušeného recyklovaného kameniva RK C1-C5, C8 byl vyroben beton s různými náhradovými poměry. Byl navržen referenční beton třídy C 30/37 dle ČSN EN 206 [8], dle kterého byly navrženy receptury betonu s recyklovaným kamenivem. Všechny receptury měly shodné množství cementu 320 kg/m3 a stejný efektivní vodní součinitel, kterého bylo dosaženo přednasáknutím recyklovaného kameniva na základě zjištěné nasákavosti. Zkoušené receptury jsou uvedené v Tab. 1. Tab. 1 Receptury navržené dle Bolomeyovy referenční čáry zrnitosti, hodnoty na m3 Náhradový poměr PK 0/4 mm [kg] PK 4/8 mm [kg] PK 8/16 mm [kg] RK 0/4 mm [kg] RK 4/8 mm [kg]] RK 8/16 mm [kg] CEM I 42.5 [kg] Voda [kg] Vodní souč. [-] Eff. vodní souč. [-]
REF 0% 767 458 726 0 0 0 320 160 0.50 0.50
RK C1 70% 503 0 0 267 276 536 320 206 0.64 0.50
RKC2 50% 750 0 243 0 383 407 320 227 0.71 0.50
63% 748 0 0 0 483 509 320 235 0.73 0.50
RK C3 31% 765 192 400 0 177 310 320 176 0.55 0.50
50% 764 0 229 0 305 481 320 187 0.58 0.50
62% 769 0 0 0 263 705 320 191 0.60 0.50
RK C4 62% 767 0 0 0 422 604 320 190 0.59 0.50
RK C5 62% 756 0 0 0 405 631 320 181 0.57 0.50
70% 604 0 0 241 324 699 320 185 0.58 0.50
RK C8 62% 784 0 0 0 364 710 320 0 199 0.62
70% 603 0 0 216 310 714 320 0 207 0.65
Na vyrobených vzorcích byly zkoušeny mechanické a fyzikální vlastnosti. Byla zkoušena pevnost v tlaku a nasákavost na krychlích o hraně 150 mm, dále pevnost v tahu za ohybu, statický modul pružnosti a kapilární nasákavost na trámcích 100×100×400 mm. Na grafu na Obr. 3 a Obr. 5 jsou znázorněny výsledky zkoušek mechanických a fyzikálních vlastností recyklovaného betonu v porovnání s referenčním betonem, který je zobrazen jako 100% hodnota. V grafu jsou porovnány betony se 100% náhradou hrubého kameniva (4/8 a 8/16 mm) recyklovaným kamenivem tj. 62% celkově a s částečnou náhradou jemné frakce (0/4 mm) tj. 70% celkově. Na grafu na Obr. 4 je znázorněna závislost pevnosti v tlaku na náhradovém poměru recyklovaného kameniva. V grafu je vyjádřena lineární závislost pevnosti v tlaku na náhradovém poměru u směsí kde bylo nahrazeno RK ze stejného zdroje. Z výsledků vyplívá, že u mechanických vlastností dochází náhradou kameniva ke zhoršení vlastností. Zhoršení vlastností je závislé na náhradovém poměru a vlastnostech kameniva. Největšímu zhoršení vlastností dochází u statického modulu pružnosti, kde je největší pokles až 46 %. U pevnosti v tlaku byl největší pokles zaznamenán 42 %. Oba tyto největší poklesy jsou pro stejnou betonovou směs se 100% náhradou hrubé frakce. Použité recyklované kamenivo pocházelo z demolice pozemní stavby a obsahovalo menší množství malty a drcených cihel. Z výsledků fyzikálních vlastností vyplívá, že k nejmenšímu zhoršení vlastností dochází u objemové hmotnosti, kde je největší pokles 14 % pro stejnou směs, u které byl naměřen i nejvyšší pokles mechanických vlastností. Nasákavost betonu s recyklovaným kamenivem je téměř dvounásobná a bylo prokázáno, že je závislá na nasákavosti recyklovaného kameniva. 227
INDIKÁTOR SNÍŽENÍ VLASTNOSTI VE SROVNÁNÍ S REF [%]
U kapilární nasákavosti dochází k největšímu zhoršení fyzikálních vlastností a to o téměř 150 %. 110% 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0%
100% 86%87%88%
83% 79% 70%
77% 66%66%
100%
82%
78% 73% 68% 66% 60% 59% 54%
58%
Pevnost v tlaku REF 0%
105% 98%
100% 91%
RK C1 70%
Pevnost v tahu za ohybu
RK C3 62%
RK C4 62%
RK C5 62%
statický modul pružnosti
RK C5 70%
RK C8 62%
RK C8 70%
PEVNOST V TLAKU [MPA]
Obr. 3 Mechanické vlastnosti betonu s RK v porovnání s REF (100 % hodnota) 60.0 50.0 40.0 30.0 20.0 10.0 0.0 0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
NÁHRADOVÝ POMĚR [%] RK C2
RK C3
RK C4
RK C5
RK C1
RK C8
Lineární (RK C2)
Lineární (RK C3)
Lineární (RK C5)
Lineární (RK C8)
INDIKÁTOR SNÍŽENÍ VLASTNOSTI VE SROVNÁNÍ S REF [%]
Obr. 4 Závislost pevnosti v tlaku na náhradovém poměru RK 240% 220% 200% 180% 160% 140% 120% 100% 80% 60% 40% 20% 0%
NAC 0%
239%
230% 198%
182% 160%
156%
154%
124% 100% 90%
94%
96%
97% 100%
100% 194% 138%
86%
93%
97%
Objemová hmotnost
RAC C1 70%
158%
RAC C3 62%
182% 130%
Nasákavost
RAC C4 62%
RAC C5 62%
Kapilarita
RAC C5 70%
RAC C8 62%
Obr. 5 Fyzikální vlastnosti betonu s RK v porovnání s REF (100 % hodnota)
228
120%
RAC C8 70%
ENVIRONMENTÁLNÍ VYHODNOCENÍ Každý produkt má svůj životní cyklus, se kterým jsou spojeny dopady na životní prostředí. Při vyjádření dopadů spojených s životním cyklem materiálu, je třeba vymezit hranice, ve kterých bude životní cyklus posuzován. Pro recyklované kamenivo byly určeny hranice na vstupu a výstupu z recyklačního střediska. V rámci recyklačního střediska je stavební a demoliční odpad dopravován, drcen a tříděn do frakcí. Všechny tyto provozy jsou spojeny se spalováním nafty. Vyjádření dopadů je propojení s množstvím nafty, která byla při procesu recyklace spálena, a se spálením nafty v průběhu recyklace.
INDIKÁTOR SNÍŽENÍ DOPADŮ V POROVNÁNÍ S PŘÍRODNÍM KAMENIVEM
Procesy jdou vyjádřit v mnoha kategoriích dopadu. Nejčastěji používanými kategoriemi dopadu jsou úbytek neobnovitelných (abiotických) fosilních zdrojů vyjádřený v [MJ], potenciál globálního oteplování (GWP) vyjádřené v [kg CO2-Equiv.], potenciál acidifikace (AP) vyjádřené v [kg SO2-Equiv.], potenciál eutrofizace (EP) vyjádřené v [kg Phosphate-Equiv.] a potenciál tvorby přízemního ozónu (POCP) vyjádřené v [kg C2H4,ekv] [9]. Pro výpočet kategorií dopadu byla použita metodika CML2001. Výstupy z výpočtu dopadů pro proces recyklace byly porovnány s databázovými hodnotami pro proces výroby nedefinovaného přírodního štěrku z databáze Ecoinvent [10]. 100% 90%
100%
100%
100%
100%
100%
80% 70% 60% 50% 40% 30%
58% 51%
62%
48% 38%
20% 10% 0% Úbytek Potenciál globálního Potenciál acidifikace neobnovitelných oteplování zdrojů Drcený štěrk
Potenciál eutrofizace
Potenciál tvorby přízemního ozónu
Hrubé recyklované kamenivo
Obr. 6 Environmentální vyhodnocení recyklovaného kameniva Z environmentálního vyhodnocení recyklovaného kameniva vyplývá snížení dopadů na životní prostředí ve srovnání s přírodním kamenivem. K největšímu snížení dopadů dochází u potenciálu globálního oteplování, který je úzce spojen z produkcí CO2. Toto dokazuje, že kromě úspory přírodních zdrojů a snížení tlaku na prostor potřebný pro skládkování stavebního a demoličního odpadu může docházet také ke snížení emisí.
ZÁVĚR Při využití recyklovaného kameniva ze stavebního a demoličního odpadu do betonu dochází ke zhoršení jeho vlastností. K největšímu zhoršení dochází u statického modulu pružnosti a také u nasákavosti a kapilarity betonu. Zhoršení vlastností je přímo závislé na náhradovém poměru a vlastnostech recyklovaného kameniva. Je proto třeba se při návrhu receptury a postupu výroby zaměřit na vlastnosti recyklovaného kameniva. Dále je třeba najít pro beton
229
s recyklovaným kamenivem vhodnou aplikaci v konstrukcích pozemních staveb. Současná česká legislativa umožňuje využívat maximálně 50% náhradu vysoce kvalitním betonovým recyklovaným kamenivem pro expoziční třídu X0, což jsou základy s prostého betonu pod vytápěnou plochou. Je však třeba hledat možnosti, jak efektivně využívat recyklované kamenivo do betonových konstrukcí, protože toto vede nejen k úsporám přírodních zdrojů a snížení tlaku na prostor, který zabírají skládky stavebního a demoličního dopadu, ale také to může vést ke snižování emisí svázaných s těžbou přírodního kameniva, které mohou dosáhnout až 60% úspory emisí CO2.
LITERATURA [1] J. de Brito a N. Saikia, Recycled Aggregate in Concrete, London: Springer-Verlag, 2013. [2] M. Etxeberria , E. Vázquez, A. Marí a M. Barra , „Influence of amount of recycled coarse aggregates and production process on properties of recycled aggregate concrete,“ Cement and Concrete Research, pp. 735-742, May 2007. [3] L. Boehme, A. Van Gysel, J. Vrijders, M. Joseph a J. Claes, ValReCon20- Valorization of Recycled Concrete Aggregates in Concrete C20/25 & C25/30, Leuven: ACCO, 2012. [4] S. B. Marinkovic, I. Ignjatovic a V. Radonjanin, „Life cycle assessment (LCA) of concrete with recycled aggregate (RAs),“ v Handbook of recycled concrete and demolition waste, F. Pacheco-Torgal, V. Tam, J. A. Labrincha, Y. Ding a J. de Brito, Editoři, Cambridge, Woodhead Publishing, 2013, pp. 569-604. [5] S. B. Marinkovic, I. S. Ignjatovic, V. S. Radonjanin a M. M. Malešev, „Recycled aggregate concrete for structural use- an overview of technologies, properties and applications,“ ACES Workshop- Innovative Materials and Techniques in Concrete Construction, Corfu, 2010. [6] EN 1097-6, EN 1097-6 Tests for mechanical and physical properties of aggregates- Part 6: Determination of particle density and water absorption,, Brussels: CEN, 2000. [7] EN 933-1, EN 933-1 Tests for geometrical properties of aggregates- Part 1: Determination of particle size distribution- Sieving method, Brussels: CEN, 1997. [8] ČSN EN 206 Beton, ČSN EN 206 Beton: Specifikace, vlastnosti, výroba a shoda Změna 3, Česká republika: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2014. [9] Ecoinvent, „Ecoinvent database,“ [Online]. Available: http://ecoinvent.ch. [Přístup získán 1 11 2012]. [10] V. Kočí, Posuzování životního cyklu, Praha, 2010. Poděkování projektu OP VaVpI č. CZ.1.05/2.1.00/03.0091 – Univerzitní centrum energeticky efektivních budov.
230
