Energeticky efektivní budovy 2015 sympozium Společnosti pro techniku prostředí 15. října 2015, Buštěhrad EXPERIMENTÁLNÍ A ENVIRONMENTÁLNÍ VYHODNOCENÍ POUŽITÍ RECYKLOVANÉHO KAMENIVA DO BETONU Tereza Pavlů 1), Magdaléna Šefflová 2) 1) Univerzitní centrum energeticky efektivních budov ČVUT, Buštěhrad 2) 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
NASÁKAVOST[%] OBJEMOVÁ HMOTNOST [KG/M 3 ] 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. 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. 10 9 7 6 5 4 3 2 1 10 10 79% 82% 85% 84% 85% 88% 99% 88% 78% 81% 94% 88% 87% 77% PK 1 RK C1 RK C2 RK C3 RK C4 RK C5 RK C6 RK C7 RK C8 RK C9 DRUH KAMENIVA 4/8 8/16 Obr. 1 Objemová hmotnost recyklovaného kameniva (RA) v porovnání s přírodním kamenivem (NA) 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/m 3 což je jedním z požadavků pro použití do betonu. 140 120 1081% 1012% 100 923% 866% 906% 816% 80 66 554% 1312% 60 533% 1113% 952% 886% 948% 40 756% 761% 531% 20 10 34 10 PK 1 RK C1 RK C2 RK C3 RK C4 RK C5 RK C6 RK C7 RK C8 RK C9 DRUH KAMENIVA 4/8 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/m 3 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 m 3 REF RK C1 RKC2 RK C3 RK C4 RK C5 RK C8 Náhradový poměr 7 5 63% 31% 5 62% 62% 62% 7 62% 7 PK 0/4 mm [kg] 767 503 750 748 765 764 769 767 756 604 784 603 PK 4/8 mm [kg] 458 0 0 0 192 0 0 0 0 0 0 0 PK 8/16 mm [kg] 726 0 243 0 400 229 0 0 0 0 0 0 RK 0/4 mm [kg] 0 267 0 0 0 0 0 0 0 241 0 216 RK 4/8 mm [kg]] 0 276 383 483 177 305 263 422 405 324 364 310 RK 8/16 mm [kg] 0 536 407 509 310 481 705 604 631 699 710 714 CEM I 42.5 [kg] 320 320 320 320 320 320 320 320 320 320 320 320 Voda [kg] 160 206 227 235 176 187 191 190 181 185 0 0 Vodní souč. [-] 0.50 0.64 0.71 0.73 0.55 0.58 0.60 0.59 0.57 0.58 199 207 Eff. vodní souč. [-] 0.50 0.50 0.50 0.50 0.50 0.50 0.50 0.50 0.50 0.50 0.62 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 10 hodnota. V grafu jsou porovnány betony se 10 náhradou hrubého kameniva (4/8 a 8/16 mm) recyklovaným kamenivem tj. 62% celkově a s částečnou náhradou jemné frakce (0/4 mm) tj. 7 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 10 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 [%] PEVNOST V TLAKU [MPA] INDIKÁTOR SNÍŽENÍ VLASTNOSTI VE SROVNÁNÍ S REF [%] U kapilární nasákavosti dochází k největšímu zhoršení fyzikálních vlastností a to o téměř 150 %. 11 10 9 7 6 5 4 3 2 1 105% 10 10 98% 10 91% 86% 87% 88% 77% 79% 83% 82% 78% 7 73% 66% 66% 66% 68% 58% 6 59% 54% Pevnost v tlaku Pevnost v tahu za ohybu statický modul pružnosti REF RK C1 7 RK C3 62% RK C4 62% RK C5 62% RK C5 7 RK C8 62% RK C8 7 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 1 2 3 4 5 6 7 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) Obr. 4 Závislost pevnosti v tlaku na náhradovém poměru RK 24 22 20 1 16 14 12 10 6 4 2 239% 23 198% 182% 156% 16 154% 124% 10 10 10 9 94% 96% 97% 194% 182% 158% 138% 13 12 86% 93% 97% Objemová hmotnost Nasákavost Kapilarita NAC RAC C1 7 RAC C3 62% RAC C4 62% RAC C5 62% RAC C5 7 RAC C8 62% RAC C8 7 Obr. 5 Fyzikální vlastnosti betonu s RK v porovnání s REF (100 % hodnota) 228
INDIKÁTOR SNÍŽENÍ DOPADŮ V POROVNÁNÍ S PŘÍRODNÍM KAMENIVEM 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. 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]. 10 9 7 6 5 4 3 2 1 10 10 10 10 10 51% Úbytek neobnovitelných zdrojů 38% 48% Potenciál globálníhopotenciál acidifikace oteplování 58% Potenciál eutrofizace 62% Potenciál tvorby přízemního ozónu Drcený štěrk 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 5 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 6 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