Recyklace starého betonu a železobetonu je dnes poměrně rozšířenou záležitostí. Ze starého betonu se pomocí drcení a dalších úprav oddělí původní kamenivo, které se následně přidává do nových betonových směsí [1]. Uvedeným způsobem se používá frakce 4/16 mm, resp. 4/32 mm [2]. Při drcení a úpravách vzniká i odpad v podobě frakce 0/4 mm, primárně tvořený cementovou matricí, původním pískem a podrceným kamenivem vyšších frakcí. Frakci 0/4 mm je možné použít jako plnivo do nového betonu a nahradit tak část písku. Výsledný beton však má podstatně horší vlastnosti.
Cementová matrice obsahuje kromě zhydratovaných slínkových minerálů i část nezhydratovaných slínků a další produkty, které mohou při použití s cementem opětovně hydratovat a vytvářet novou strukturu [3]. Upravený materiál pak může být použitý i jako náhrada části nově použitého cementu v cementových kompozitních materiálech nebo v necementových pojivech, v tomto případě se pak kombinuje s druhotnými surovinami, jako je např. popílek nebo struska [4].
Do celého procesu lze ještě zakomponovat proces mletí, resp. mikromletí, zvětšit měrný povrch původního recyklátu a upravit tak frakci 0/4 mm nebo její část a zvýšit aktivitu recyklátu. Za tímto účelem jsou dnes používané metody vysokorychlostního/vysokoenergetického mletí [5].
Když budeme mít tedy upravený betonový recyklát frakce 0/4 mm, můžeme ho použít v novém betonu (případně v cementové maltě), kde bude jednou složkou. Nabízí se otázka, kde by bylo vhodné použít tento materiál efektivně jako takový. Jednou s efektivních možností je tento materiál použít jen s cementem, kde by i část původního cementu byla nahrazena, a to díky pojivovým vlastnostem upraveného recyklátu, a smíchat s vodou [3]. Popsaným způsobem by vznikla jemná kompozitní hmota na bázi cementu a bez přídavku nového písku, resp. kameniva. Takovýto materiál může být využitý například v suchých maltových nebo omítkových směsích, ale může být použitý např. i na výrobu lehčených bloků, a této problematice se věnuje i tento příspěvek.
Na nové stavební výrobky jsou v současné době kladené vyšší nároky na širší spektrum užitných vlastností, jako je např. pevnost v tlaku, objemová hmotnost, součinitel tepelné vodivosti atd. V podstatě je hledán optimální kompromis mezi sledovanými parametry.
Podobným způsobem jsou koncipované/navržené lehčené stavební prvky pro obvodové pláště, kde je hledán kompromis mezi pevností v tlaku a součinitelem tepelné vodivosti, aby byla tloušťka obvodového pláště co nejmenší, a to vzhledem k zastavěnému prostoru. Ve většině případů je pak obvodové zdivo z vnější strany zateplené pomocí tepelné izolace.
V rámci projektu Ministerstva průmyslu a obchodu FV20503 byly na Fakultě stavební ČVUT v Praze provedené pokusy, kdy byla cementová hmota vylehčena pomocí pěny. Na rozdíl od dalších typů vylehčení, např. autoklávovaní při výrobě pórobetonu, se jedná o nízkoenergetické řešení. Pěnu je možné vyrobit dopředu pomocí pěnogenerátoru a přimíchat do směsi nebo dávkovat napěňovací přísadu do směsi a pak celou směs našlehat.
Důležité je použít správnou pěnu a další chemické přísady, aby pěna „nespadla“ a ideálně byla vytvořena hustá pěna tvořená malými pravidelnými bublinkami. Vytvořená čerstvá směs musí být na počátku výroby nastavená tak, aby držela tvar, nepropadala se a nevytvářely se v ní inkluze, tedy místa s odlišnou strukturou, objemovou hmotností. Za tímto účelem se do směsi přidávají plastifikační nebo urychlovací přísady, které chování směsi mohou pozitivně ovlivnit s ohledem na použité materiály i výsledné užitné vlastnosti [6].
Další možností na udržení stability pěny a cementové hmoty v počátečních fázích tuhnutí a tvrdnutí je přidání mikrovláken. Přidaná mikrovlákna ovlivní zpracovatelnost směsi, a proto je nutné upravit složení, např. zvýšením vody nebo přidáním plastifikační přísady.
Materiály a vzorky
Navržený lehčený cementový kompozit je složen z pojiva, jemného recyklovaného plniva, mikrovláken, superplastifikátoru a pěnicí přísady. Důležitý aspekt směsi je nastavení poměru pojiva a recyklátu v kombinaci s množstvím použité pěnicí přísady. Z uvedeného důvodu byly vytvořeny dvě sady vzorků. První sada byly cementové pasty o rozměrech 40 × 40 × 160 mm s různým poměrem pojivo/recyklát. Složení jednotlivých směsí první sady lze vidět v tab. 1. V druhé sadě byl následně použit nejvýhodnější poměr pojiva a recyklátu a struktura kompozitu vylehčena pomocí pěnicí přísady. Druhá sada byla tedy tvořena pojivem, plnivem, superplastifikátorem, různým procentuálním množstvím pěnicí přísady a mikrovlákny a vzorky měly rozměry 150 × 150 × 150 mm. Klíčové bylo stanovit optimální vylehčení s ohledem na výsledné užitné vlastnosti, v tomto případě mechanické a tepelnětechnické, a dále efekt využití mikrovláken na „zpevnění“ struktury, a to primárně s ohledem na tuhnutí a tvrdnutí pěnou vylehčené směsí. Složení testovaných směsí sady 2 je patrné z tab. 2.
Materiály, které byly v rámci výzkumu použity, byly: portlandský cement CEM I 42,5R (dle ČSN EN 197-1: 2011), jemný mikromletý recyklovaný odpadní beton (REC). REC vznikl v průběhu procesu drcením 100 let starého konstrukčního betonu z demolice stavby Walter Motors. V rámci drcení vznikla frakce 0/32 mm, ze které byla odstraněna ocelová výztuž a odseparovaná jemná frakce 0/1 mm. V dalším kroku byla tato frakce upravena vysokorychlostním mlýnem (SBD 800 od Lavaris, s.r.o.) na výsledný použitý jemný recyklát.
V prvotní fázi tuhnutí cementového kompozitu docházelo k borcení napěněné struktury, proto se do směsi přidávala mikrovlákna, aby napěněnou strukturu ztužila. Použitá mikrovlákna byla ze 100% recyklovaného polypropylenu o průměru 32 mikronů a délce 4 mm. Další aspekt, který negativně ovlivňoval napěněnou strukturu, bylo množství záměsové vody. Z uvedeného důvodu byl použit superplastifikátor na bázi modifikovaného polykarboxylátu. Použité dávky superplastifikátoru v hmotnostních procentech pojiva jsou doporučeny výrobcem. K vylehčení struktury pěnobetonu byla použita pěnicí přísada na bázi amidů a kyseliny sulfonové. Pěnicí přísada použitá při koncentraci 50% roztoku měla pěnivost 35 ml/g a stabilitu pěny 465 minut.
Experimentální metody a výsledky
V prvotní fázi vývoje lehčeného cementového kompozitu bylo nutné určit výhodný poměr pojiva a plniva. Vytvořili jsme proto první sadu, kde bylo využito až 90 hm. % jemného recyklovaného odpadního betonu. Mezi základní zkoumané vlastnosti, v závislosti na nichž bude vybrán výhodný poměr pojiva a plniva, byla zvolena výsledná pevnost v tlaku a pevnost v tahu za ohybu. Pevnosti v tahu za ohybu a v tlaku byly stanoveny za použití zařízení (hydraulického lisu) Heckert, model FP100. Pevnost v tahu za ohybu byla stanovena tříbodovou ohybovou zkouškou a pevnost v tlaku jednoosou tlakovou zkouškou. Jednoosá zkouška v tlaku byla provedena na přelomených polovinách z ohybových zkoušek.
Výsledky prvotní fáze experimentů lze vidět na obr. 1 a obr. 2. Z výsledků je vidět patrný trend. Přidáním jemného odpadního betonu dochází k lineárnímu poklesu pevnosti v tlaku až do 40 hm. % REC, následně je pevnost skoro konstantní až do 60 hm. % REC a následně dochází zase k lineárnímu poklesu až do 90 hm. % REC. V případě pevnosti v tahu za ohybu dochází k nárůstu hodnoty až do 60 hm. % REC a následně dochází k poklesu hodnoty až do 90 hm. % REC. Z experimentu je patrné, že dále bude využit 60 hm. % REC, tedy poměr cement : REC 2 : 3.
Vybraný poměr pojiva a plniva byl následně použit v rámci druhé fáze experimentálního vývoje lehčeného kompozitu. Mezi sledovanými vlastnostmi byly dvě základní, které jsou důležité pro lehčené cementové kompozity, které lze následně využít pro obvodové konstrukce. Jedná se o pevnost v tlaku, která určí zatížitelnost materiálu, a součinitel tepelné vodivosti, který určí tepelněizolační vlastnosti materiálu. Mechanické vlastnosti byly stanoveny na hydraulickém lisu Heckert FP100, jedná se o pevnost v tlaku se zatěžovací plochou 150 × 150 mm, zkouška byla řízena posunem o konstantní rychlosti 1 mm/min. Porovnání průměrných hodnot je patrné z obr. 3. Výsledky korespondují s hodnotami objemových hmotností (tab. 2). Rozdíl hodnot mezi sadou A a D je více než dvojnásobný. U sad B a C je patrný vliv vláken, která v případě sady B s obsahem vláken dosahuje vyšší pevnosti v tlaku o cca 2 MPa.
Tepelná vodivost byla stanovena pomocí analyzátoru přenosu tepla ISOMET 2104 s přesností 5 %. Zařízení používá dynamickou metodu, která je založena na monitorování odezvy zkoumaného materiálu na impulsy tepelného toku. Hodnota součinitele tepelné vodivost nám přímo určuje tepelněizolační vlastnosti materiálu, neboť představuje rychlost, s jakou se teplo šíři skrze materiál. Čím nižší hodnota součinitele tepelné vodivosti, tím se materiál chová více jako teplotní izolant. Z výsledků na obr. 4 je patrné, že součinitel tepelné vodivosti je stejný pro sady A a B, zhruba dvojnásobný je pro sadu D a nejvyšší pro sadu C, která neobsahuje mikrovlákna.
Pokud přistoupíme k oběma měřeným vlastnostem, lze označit směs B jako nejvhodnější pro použití jako stavebního materiálu s tepelněizolačními vlastnostmi.
Závěr
Představili jsme problematiku efektivního využití odpadní frakce 0/1 mm betonu, která byla použita do vylehčené kompozitní směsi, určené především pro obvodové pláště budov. Podle složení a poměru jednotlivých složek mohou vzniknout materiály s proměnnými užitnými vlastnostmi, jako je pevnost v tlaku a součinitel tepelné vodivosti. Oba uvedené parametry jsou závislé na výsledné objemové hmotnosti. Čím je objemová hmotnost vyšší, tím více roste hodnota pevnosti v tlaku a zhoršují se tepelnětechnické vlastnosti v podobě součinitele tepelné vodivosti a opačně.
Nový vylehčený materiál na bázi upraveného betonového recyklátu je unikátní v tom, že k upravenému recyklátu je přidaný jen cement, recyklovaná polypropylenová vlákna, provzdušňovací přísada (pěna) a plastifikační přísada. Do směsi není přidané žádné nové kamenivo, pouze to z recyklovaného betonu frakce 0/1 mm.
Při spojování lehčených bloků při zdění je možné využít také cementový kompozitní materiál na bázi cementu a upraveného betonového recyklátu bez přídavku nového kameniva. Obdobě by šlo použít omítku a lepidlo pro tepelnou izolaci při zateplení obvodového pláště a vyrobit tak celý stavební systém na bázi recyklátu bez přidaného nového kameniva. V rámci dalšího vývoje a testování je z tohoto stavebního systému vytvořena experimentální stěna na pozemku ČVUT v Praze o rozměrech 3 × 3 m, která je vystavena vnějšímu prostředí a je důkladně sledována a testována [7].
Poděkování
Příspěvek byl podpořen z projektu ČVUT v Praze pod číslem SGS22/089/OHK1/2T/11 a z projektu TA ČR Prostředí pro život č. SS03010302, webové stránky projektu jsou dostupné na adrese decompose.fsv.cvut.cz.Poděkování patří také společnostem Lavaris, s.r.o. (Ing. George Karra´a, Ph.D.), Trevos Košťálov s.r.o. (Ing. Jiří Strnad jr.) a Sika CZ, s.r.o. (Ing. Jan Picek).
Autoři:
ZDENĚK PROŠEK, PAVEL TESÁREK
Fakulta stavební ČVUT v Praze
Článek byl v upravené verzi publikován ve Sborníku příspěvků 18. konference Speciální betony 2021 pořádané společností SEKURKON.
Literatura
[1] Prošek, Z.; Pavlů, T.; Rydval, M.; Valentin, J.; Lidmila, M.; Karra‘a, G.; Podolský, J.; Foltýn, J. et al.: Současné možnosti zvyšování využití stavebního a demoličního odpadu ve stavebnictví, WASTE FORUM. 2021, (3), 176-186. ISSN 1804-0195.
[2] J. Xiao, W. Li, Y. Fan, X. Huang, An overview of study on recycled aggregate concrete in China (1996–2011), Construction and Building Materials 31 (2012) 364–383.
[3] Prošek, Z.; Trejbal, J.; Nežerka, V.; Goliáš, V.; Faltus, M.; Tesárek, P.: Recovery of residual anhydrous clinker in finely ground recycled concrete, Resources, Conservation and Recycling. 2020, 155 ISSN 0921-3449.
[4] Prošek, Z.; Nežerka, V.; Hlůžek, R.; Trejbal, J.; Tesárek, P.; Karra‘a, G.: Role of lime, fly ash, and slag in cement pastes containing recycled concrete fines, Construction and Building Materials. 2019, 201 702-714. ISSN 0950-0618.
[5] Prošek, Z.; Tesárek, P.; Trejbal, J.; Horová, T.: Recycling of Construction Waste Using High-Speed Milling Process: Determination of Waste Concrete, In: SPECIAL CONCRETE AND COMPOSITES 2018. Praha: Czech Technical University in Prague, 2019. p. 88-93. ACTA POLYTECHNICA CTU PROCEEDINGS. vol. 22. ISSN 2336-5382. ISBN 978-80-01-06594-5.
[6] Tesárek, P.; Prošek, Z.: Možnosti využití jemné frakce odpadního betonu v lehčených cementových kompozitech, In: 18. konference SPECIÁLNÍ BETONY – BETONY V EXTRÉMNÍCH PODMÍNKÁCH VYSOKOHODNOTNÉ BETONY OSTATNÍ SPECIÁLNÍ BETONY. Ostrava – Zábřeh: SEKURKON, 2021. p. 45–48. ISBN 978-80-86604-87-9.
[7] Prošek, Z.; Trejbal, J.; Tesárek, P.; Karra›a, G.: Stavební systém s vysokým obsahem recyklovaných surovin na bázi mikromletého betonu, WASTE FORUM. 2019, (4), 391-398. ISSN 1804-0195.
