VLÁKNOBETON VYROBENÝ Z RECYKLÁTU ZE STAVEBNÍHO A DEMOLIČNÍHO ODPADU FIBRE CONCRETE WITH RECYCLED AGGREGATE FROM CONSTRUCTION AND DEMOLITION WASTE Jaroslav Výborný, Hana Hanzlová, Vladimíra Vytlačilová, Jan Vodička Příspěvek svým obsahem informuje odbornou veřejnost o stavu produkce stavebního a demoličního odpadu v České republice a možnostech jeho smysluplného využití ve stavební praxi. Je popsáno složení vláknobetonu a jeho charakteristiky. The article would like to inform professional community about the state of the art in production of building and wrecking waste in the Czech Republic and about possibilities of meaningful using of the waste in practical applications. Composition and characteristics of fibre concrete are described. Celková produkce [kt] 89 8 99 6 49 4 9 49 7 664 66 4 6 Rok 994 996 6 Cihelná suť Betonová suť 7 Obr. Celková produkce zpracování cihelného a betonového odpadu v recyklačních linkách v ČR [] [zdroj: ARSM] Fig. Total production of masonry and concrete waste in recycling centres in the Czech Republic [] STAVEBNÍ A DEMOLIČNÍ ODPAD JAKO KAMENIVO DO VLÁKNOBETONU Velmi rychlý rozvoj stavebnictví znamená stále rostoucí požadavky na nové zdroje surovin pro stavební výrobu. Bourání a demolice starých objektů nebo objektů již technologicky nevyhovujících vede k narůstajícímu objemu stavebního odpadu. Odpady jsou celosvětovým problémem a stejně tak je tomu i v České republice (obr. až ). Stav produkce stavebního a demoličního odpadu přispěl ke vzniku nových projektů v oblasti stavebnictví, které jsou dnes prezentovány pod názvem Udržitelná výstavba a v jejichž rámci se hledají i způsoby jeho dalšího využití, např. pro novou výstavbu. Náhrada přírodního kameniva betonovým recyklátem při výrobě obyčejného betonu představuje v celkové produkci pouze malé procento. Větší množství betonového recyklátu pro použití do betonu je limitováno vlastnostmi těchto betonů a nutností třídit recyklát do frakcí stejně jako kamenivo. Charakteristiky betonů s kamenivem z recyklátů nedosáhnou charakteristik betonů s přírodním kamenivem. Množství recyklátu jako složky do betonu je omezeno co do objemu, zůstává požadavek na třídění recyklátu do frakcí současně se stálým posuzováním vhodnosti recyklátu k výrobě betonu. Nezanedbatelný je i požadavek na přísnější kontroly technologie výroby betonu s využitím betonového recyklátu []. Recyklát vzniká drcením stavebního odpadu a jeho dalším zpracováním. Recyklát může být netříděný, nebo ho lze rozdělit pouze podle velikosti maximálních zrn, např. na /8 mm; / mm; /6 mm. Dosud známé využití v takovéto podobě je např. pro obsypy a zásypy inženýrských sítí, podkladní vrstvy komunikací a zpevněných ploch, na stavební komunikace, lesní cesty, protihlukové valy a ostatní terénní úpravy apod. Pro rozšíření spotřeby recyklátů betonových, ale i cihelných, se nabízí jejich využití k výrobě vláknobetonu, při níž dochází ke spojení inertní složky z recyklovaného zdiva nebo betonu s další inertní složkou rozptýlenými syntetickými vlákny. V kompozici těchto složek s cementovým pojivem vzniká nový konstrukční materiál vláknobeton, který není křehký jako obyčejný beton bez vláken, ale naopak podle dávky vláken jsou regulovatelné některé jeho vlastnosti, především pevnost v tahu a houževnatost. K masovějšímu využívání recyklátů může vést i skutečnost, že Česká republika má velmi hustou síť recyklačních středisek (obr. 6). Z mapky je vidět, které oblasti produkují nejvíce stavebního odpadu. Myšlenka vyrobit vláknobeton s plnou náhradou přírodního kameniva recykláty (betonovými nebo cihelnými) je myšlenkou novou. Zcela novou myšlenkou je užít recykláty s tzv. širokou čárou zrnitosti, tj. v omezení pouze maximálního zrna podle požadavku na parametry reálné konstrukce, určené k aplikaci vláknobetonu. Spojení obou myšlenek a jejich včlenění do procesu technologie betonu nabízí vláknobetony, jejichž charakteristiky jsou popsány dále. Jednoznačně se ukazuje, že takto vyrobené vláknobetony zpravidla nedosahují takových parametrů jako vláknobetony s klasickým kamenivem. Pro některé aplikace však i tyto nižší charakteristiky mohou být dostatečné a bylo by škoda jich nevyužít. Stavebnictví je velmi široké pole, v němž lze nalézt objekty, na kterých uplatnění tohoto vláknobetonu může přinést společenské i ekonomické efekty. Cesta k využití recyklátů byla zvolena přesně opačným způsobem, než je běžný způsob pro uplatnění obyčejných betonů (obr. 7). Zatímco cesta pro aplikaci běžného betonu začíná u investora a přes statika i způsob provedení díla se dostává k technologovi, v případě vláknobetonů s recykláty je vhodný postup obrácený. Proces začíná u technologa. Podle zjištěných dosažitelných charakteristik vláknobetonu se následně vytipuje vhodná konstrukce a na základě prokázaných efektů lze přistoupit k realizaci. V rámci řešeného projektu byly nalezeny dvě oblasti pro uplatnění vláknobetonů s recykláty. Obě spadají do zemních / technologie konstrukce sanace BETON 7
4 Obr. Recyklační linka Fig. Recycling centre Obr. Cihelná drť /6 mm Fig. Masonry rubble /6 mm Obr. 4 Cihelná drť 8/ mm Fig. 4 Masonry rubble 8/ mm Obr. Cihelná drť /8 mm Fig. Masonry rubble /8 mm Obr. 6 Mapa České republiky s vyznačenými recyklačními linkami [] [zdroj: betonserver] Fig. 6 Map of the Czech Republic with recycled centres Obr. 7 Technologické postupy v případech obyčejného betonu a vláknobetonu z recyklátů (modré šipky znázorňují postup návrhu pro obyčejné betony, červené šipky znázorňují postup návrhu pro vláknobeton s kamenivem z recyklátu) Fig. 7 Technology procedures for traditional concrete and fibre concrete with recycled waste (blue arrows represent procedure of design for normal concretes, red arrows represent procedure of design for fibre concrete with recycled aggregate) Obr. 8 Vliv vláken na základní charakteristiky vláknobetonu s cihelným recyklátem Fig. 8 Effect of fibres on basic characteristics of fibre concrete with masonry recycled aggregate Obr. 9 Vliv vláken na základní charakteristiky vláknobetonu s betonovým recyklátem Fig. 9 Effect of fibres on basic characteristics of fibre concrete with concrete recycled aggregate 6 7 8 BETON technologie konstrukce sanace /
[MPa] [MPa] [kg/m ],,,, pevnost v příčném tahu (Ø z krychlí),,,4,4,94 objemová hmotnost (Ø ze 6 krychlí) 84 96 84 7,6 C7H C8H C9H CH CH orientační pevnostv tlaku ( krychle),8,7 6 99 C7H C8H C9H CH CH 8,67 9, C7H C8H C9H CH CH 8 Vysvětlivky: C7H: Vlákna FORTA FERRO, více recyklátu C8H: Vlákna FORTA FERRO C9H: Vlákna BENESTEEL CH: Bez vláken, ale více vody CH: Uhlíková vlákna, ale více vody 9 [MPa] [kg/m ] [MPa],,,,969 pevnost v příčném tahu (Ø ze 6 krychlí),68,6 objemová hmotnost (Ø ze 6 krychlí) 8 8 8 pevnost v tlaku (Ø ze krychlí) 8,67,84 6,96 konstrukcí, kde se vláknobeton s poněkud nižšími parametry může dobře uplatnit. SLOŽENÍ A VLASTNOSTI VLÁKNOBETONU S RECYKLOVANÝM KAMENIVEM V dnešní době se klade důraz na udržitelnost výstavby, na zpracování stavebního odpadu, ale též na finanční náklady vstupních surovin do procesu výroby. Recyklací stavebního a demoličního odpadu lze získat recykláty vhodných frakcí, které mohou plně nahradit přírodní kamenivo v případě výroby vláknobetonu nižších pevnostních tříd, ale s vyšší houževnatostí a tahovou pevností. Praktické využití těchto vláknobetonů je s ohledem na absolutní hodnoty měřených a sledovaných vlastností pro stavební výrobu omezené, avšak ne natolik, aby nemohly být využity ve stavební výrobě. Oblastmi využití mohou být zemní konstrukce jako jsou náspy, zemní hráze, podkladové vrstvy, případně i nenáročné stavby občanské vybavenosti. Dosud známý vláknobeton s recykláty určený zejména pro zemní konstrukce je tvořen plnivem, křemičitanovým cementem, záměsovou vodou a syntetickými vlákny. Plnivo je plně tvořeno recyklátem o hmotnosti až 8 kg/m hotového vláknobetonu, upraveným na frakce zrnitosti /6 mm a/nebo / mm, / mm, /6 mm. Křemičitanový cement je obsažen v množství 4 až 4 kg/m hotového vláknobetonu a záměsová voda je v dávce 4 až kg/m hotového vláknobetonu. Syntetická vlákna jsou vlákna o délce až 6 mm s pevností v tahu v rozsahu 6 až 8 MPa a v hmotnostních dávkách v rozmezí 4, až 8 kg/m hotového vláknobetonu. Nevýhodou řešení je poměrně vysoká cena syntetických vláken, která omezuje širší využití vláknobetonu. V poslední době je sledována možnost náhrady syntetických vláken vlákny získanými z odpadových PET lahví, což by mohlo vést ke snížení ceny výsledného produktu. I v tomto vláknobetonu je plnivo plně tvořeno recyklátem, stejné hmotnosti i frakcí jako v předchozím případě, stejné je i množství cementu na m hotového vláknobetonu a množství záměsové vody. Podstatnou odlišností řešení jsou vlákna ztužující strukturu kompozitu vlákna polyetylentereftalátu o délce až mm s pevností v tahu v rozsahu až 8 MPa a v hmotnostních dávkách v rozmezí 4 až 4 kg/m hotového vláknobetonu. Vlákna z PET lahví jsou druhou složkou vláknobetonového kompozita vyrobenou z odpadu. Užití vláken z PET lahví tak výrazně sníží cenu kompozita. Např. dávka vláken, odpovídající jednomu objemovému procentu vyztužení v receptuře vláknobetonu, sníží náklady na tuto složku z 4 Kč za syntetická konstrukční vlákna na cca Kč za vlákna z PET lahví. Pro kompozit to představuje snížení z částky cca Kč/m na částku cca Kč/m. Experimentálními zkouškami bylo prokázáno, že zjištěné / technologie konstrukce sanace BETON 9
Síla [kn] 4 % vláken 8 6,% vláken 4 bez vláken 4 Průhyb [mm] Obr. Graf odolnosti ohybem namáhaných trámků z vláknobetonu s betonovým recyklátem při použití vláken Forta Ferro Fig. Load-deflection diagram of bended fibre concrete beams with concrete recycled aggregate and fibres Forta Ferro Obr. Prezentace modelu zemní hráze na mezinárodní výstavě Fig. Presentation of the experimental model of the earth dam during international fair Obr. Zemní těleso násypu s výztužnými deskami z vláknobetonu s recykláty Fig. Model of earth dams with inserted fibre concrete slabs with recycled aggregate Obr. Plocha smykového porušení svahu, a) bez vyztužení, b) se třemi vloženými deskami počítačová simulace [6] Fig. Effect of inserted fibre concrete slabs in earth work, a) no slabs, b) three slabs inserted, computer simulation tahové pevnosti vláknobetonu jsou pro zkoušené typy vláken téměř shodné. Pro zkoumání vlivu vláken byla použita následující receptura vláknobetonu s cihelným recyklátem na m (C8H, C9H, CH, CH) : nečistý cihelný recyklát /6 mm 6 kg cement CEM II/B S, R 6 kg záměsová voda až 8 l vlákna FORTA FERRO 9, kg (BENESTEEL) V receptuře pro vláknobeton C7H byl zvýšen obsah cihelného recyklátu /6mm na 6 kg/m a sníženo množství cementu na 7 kg/m. Vliv vláken na základní charakteristiky je na obr. 8 [4]. Z velké řady zkoušek vláknobetonů s recykláty byl vždy zaznamenán vzrůst pevnosti v tahu. Vláknobeton s betonovým recyklátem vyrobeným podle následující receptury na m : nečistý betonový recyklát / mm 6 kg cement CEM II/B S, R 6 kg záměsová voda 8 kg vlákna tvořící % vyztužení:. vlákna FORTA FERRO 9, kg. hladká vlákna nastříhaná z PET lahví,7 kg. vlákna BENESTEEL 9, kg vykazoval též srovnatelné charakteristiky (pevnosti v příčném tahu a pevnosti v tlaku) při použití vláken z PET lahví (obr. 9). Zkouška ohybem (síla/průhyb), realizovaná tzv. řízenou deformací na trámcích z běžného vláknobetonu o velikosti 7 mm, je nejprůkaznější zkouškou pro odkrytí vlastností zkoušeného kompozita. Křivka zaznamenaná do vzniku makrotrhliny, tj. do bodu, který charakterizuje po výpočtu pevnost v tahu za ohybu, ukazuje na přetvořitelnost plné struktury ovlivněnou vlákny, tj. na jejich působení ve tvořících se mikrotrhlinách. Po tomto bodu je průběh křivky plně závislý na funkci vláken ve struktuře. Plně se zde projevuje kotvení vláken, jejich vlastnosti a především jejich množství. V každém případě tato část křivky ukazuje na přetvořitelnost kompozita, tj. jeho duktilitu, která je u vláknobetonů cennou vlastností, dobře zúročitelnou ve vláknobetonových konstrukcích. V případě vláknobetonů s využitím recyklátů se ukazuje, že jejich pórovitá a mezerovitá struktura, je-li vystavena namáhání, umožňuje posun, především hrubých zrn recyklátu, aniž by byla narušena soudržnost vláken se zrny. Přijmemeli tuto hypotézu, lze vysvětlit, proč průřezy přenášejí stejně velká tahová namáhání při vzniku makrotrhliny, jako při velmi velkých deformacích zkoušeného trámku, jak ukazují záznamy zkoušek (obr. ) []. Stejnou hypotézou lze také vysvětlit, proč u vláknobetonů s recykláty množství dávkových vláken zvyšuje pevnost v tahu za ohybu. Ze zkoušek trámků je možné učinit tyto závěry: vláknobetony s plnou náhradou přírodního kameniva recykláty mají velkou duktilitu a jsou schopné přenášet tahové síly i po vzniku širokých trhlin, dávkou syntetických vláken lze ovlivnit i pevnost v tahu za ohybu při vzniku makrotrhliny. V SOUČASNOSTI VHODNÉ A MOŽNÉ APLIKACE VLÁKNOBETONU S RECYKLÁTY Využití stavebního odpadu k výrobě vláknobetonu pro praktickou aplikaci ve vytipovaných oblastech zemních konstrukcí je novou myšlenkou. Efekty, kterých lze dosáhnout s aplikací vláknobetonových desek v konstrukcích zemních hrází a náspů, mohou být pro společnost zajímavé a přínosné, především z ekonomického a ekologického hlediska. Zvýšení odolnosti hráze v případě jejího přelití vodou až do stavu, kdy se ani při opakovaném přelití hráz neprotrhne, je velmi přínosným efektem použití vláknobetonu s recyklovaným kamenivem. Zvýšení odolnosti je dosaženo proložením vrstev sypané hráze ztužujícími deskami z vláknobetonu s recyklovaným kamenivem (obr. ). BETON technologie konstrukce sanace /
a b a b Literatura: [] Vytlačilová V.: Vláknobetony s plnou náhradou přírodního kameniva recykláty, Disertační práce, ČVUT v Praze, Fakulta stavební, Praha 9 [] Hanzlová H., Bláhová V., Wachsmann M.: Destrukce staveb a příprava vhodného recyklátu pro výrobu vláknobetonu, Sborník příspěvků 6. konference Speciální betony Destrukce Demolice Recyklace, Beroun 9, s. 8 [] Šeps K.: Využití vláknobetonu s plnou náhradou přírodního kameniva recykláty v zemních konstrukcích, Diplomová práce, ČVUT v Praze, Fakulta stavební, Praha 9 [4] Výborný J.: Vybrané charakteristiky vláknobetonů s recykláty, Sborník příspěvků 6. konference Speciální betony Destrukce Demolice Recyklace, Beroun 9, s. 9 8 [] Vodička J.: Vlastnosti vláknobetonu s recykláty ve vztahu k jejich možnému uplatnění v praxi, Sborník příspěvků 6. konference Speciální betony Destrukce Demolice Recyklace, Beroun 9, s. 47 4 [6] Hrubý V.: Modelový příklad aplikace vláknobetonových desek s recykláty v zemních konstrukcích, Sborník příspěvků 6. konference Speciální betony Destrukce Demolice Recyklace, Beroun 9, s. 9 46 Stejný princip, při kterém je proložena konstrukce zemní hráze deskami z vláknobetonu, vede, na základě zatím početních simulací, k subtilnějším průřezům náspu s efektem menšího záboru pozemku v patě náspu. V rámci experimentálního programu výzkumného záměru byl proveden orientační výpočet vlivu vložených desek do zemního svahu (obr. a ). Odolnost hrází v případě přelití vodou a úspora záboru pozemku v případě náspů jsou zvýrazněny skutečností, že je toho dosaženo při smysluplném využití a uložení stavebního odpadu. Dospět do stádia praktických realizací v obou případech je však záležitostí dlouhodobou, neboť vytipované zemní konstrukce (hráze, náspy) jsou konstrukcemi finančně nákladnými. Cesta, která by mohla proces urychlit a přesvědčit investorské organizace, že uvedené efekty jsou realitou, vede přes osvětu. Modely zemních hrází realizované v laboratořích na Fakultě stavební ČVUT v Praze a mobilní model zemní hráze předvedený na několika mezinárodních výstavách by měly k podpoře této myšlenky přispět. ZÁVĚR V příspěvku získává čtenář představu o využití stavebního odpadu pro celospolečensky přínosnou aplikaci. Příspěvek může též sloužit jako podnětný materiál k vedení odborných diskusí. Příspěvek byl vypracován za podpory výzkumného záměru 4 Udržitelná výstavba MSM 684 77 a projektu M79 MŠMT ČR v rámci CIDEAS s využitím poznatků z grantových projektů GAČR /6/9 a /9/788. Doc. Ing. Jaroslav Výborný, CSc. e-mail: vyborny@fsv.cvut.cz Katedra materiálového inženýrství a chemie Ing. Vladimíra Vytlačilová, Ph.D. Ing. Hana Hanzlová, CSc. Doc. Ing. Jan Vodička, CSc. e-mail: jan.vodicka@fsv.cvut.cz všichni: Fakulta stavební ČVUT v Praze Thákurova 7, 66 9 Praha 6 www.fsv.cvut.cz / technologie konstrukce sanace BETON