Mechanicky zpevněné kamenivo je určeno jako spodní nebo horní podkladní vrstva vozovek, odstavných letištních či parkovacích ploch, ramp, nájezdů. Vzniká zhutněním nestmelené směsi kameniva nejčastěji frakce 0/32 bez použití tmelící složky.
Podmínkou pro kvalitní nestmelené vrstvy (MZK) je stanovení ideální křivky zrnitosti drceného kameniva a optimální dávka vody. Základním stavebním materiálem pro tyto vrstvy je směs drceného kameniva o zrnitosti od 0 mm do 32 mm (někdy až 45 mm). Větší zrna musí v nestmelené vrstvě vytvořit pevnou kostru.
Použití drobného recyklovaného kameniva a jeho dopady
Článek se věnuje potenciálu použití drobného recyklovaného kameniva jako náhrady přírodního drobného kameniva při výrobě betonu. Během provedeného experimentu byla v konvenčním betonu dvou pevnostních tříd kompletně nahrazena drobná frakce těženého kameniva (0 - 4 mm) drobným recyklovaným kamenivem.
Fyzikální a mechanické vlastnosti a trvanlivost těchto směsí byly srovnávány s referenčními směsmi, které obsahovaly pouze přírodní kamenivo. Výsledky ukázaly mírný pokles mechanických vlastností a trvanlivosti betonu s náhradou přírodního písku, nejvyšší pokles lze pozorovat u modulu pružnosti a hloubky karbonatace.
Environmentální aspekty a výzvy
Spotřeba přírodního kameniva ve stavebním průmyslu je největší při výrobě betonu. Beton je zároveň běžně zcela závislý na primárních zdrojích, jako je písek, štěrk, cement a voda. Jedním z řešení, jak snížit negativní dopad výroby betonu na životní prostředí, je nahrazení přírodního kameniva (NA) recyklovaným kamenivem (RA).
Čtěte také: technologie výstavby mechanicky zpevněných vrstev
Recyklované betonové kamenivo (RCA) obsahuje přírodní kamenivo v kombinaci s cementovou maltou. Vlastnosti a kvalita RCA jsou závislé na procesu demolice a recyklace, včetně způsobu, rychlosti a počtu kroků drcení a prosévání [1 - 5], a zároveň jsou ovlivněny typem a velikostí přírodního kameniva v původním betonu a také jeho pevností. RCA se od přírodního kameniva odlišuje především tvarem zrna, který je více nepravidelný a hranatý, drsnou strukturou a porézností [6], [7], [8].
Použití drobného recyklovaného kameniva (fRA) (< 4 mm) v betonu s sebou nese ještě více komplikací v porovnání s hrubým recyklovaným kamenivem, a to především proto, že zatím nebyla jednoznačně vyvinuta metodika pro měření nasákavosti drobného recyklovaného kameniva a zároveň není známa jeho absorpční kapacita během míchání. To způsobuje nejistotu při stanovení skutečného efektivního vodního součinitele. V rámci výzkumných studií bylo porovnáno celkem 15 variant ověření nasákavosti fRA a rozptyl výsledků je 4,5 až 270 % [9], [10].
Ekonomické a ekologické dopady náhrady přírodního kameniva
Z hlediska dopadů na životní prostředí, především dopadu na změnu klimatu, bylo zjištěno, že výroba kameniva do betonu představuje pouze asi 15 % emisí z výroby a přepravy betonu [11 - 16]. Z hlediska úplné náhrady přírodního drobného těženého kameniva bylo zjištěno snížení emisí CO2 pouze o 2 % [9], což se v porovnání s výrobou cementu nebo dopravou může zdát jako nevýznamná část. Využití fRA v betonové směsi navíc představuje příliš mnoho neznámých týkajících se vlastností čerstvého i ztvrdlého betonu.
Experimentální studie a výsledky
Cílem této studie bylo ověřit mechanické vlastnosti a trvanlivost betonů, kde bylo přírodní drobné těžené kamenivo (fNA) plně nahrazeno drobným recyklovaným betonovým (fRCA) a cihelným (fRMA) kamenivem. Pro ověření možného nahrazení přírodního drobného těženého kameniva drobným recyklovaným kamenivem bylo vyrobeno a testováno celkem šest betonových směsí ve dvou pevnostních třídách.
Tři směsi obsahovaly 260 kg/m3 cementu CEM I 42,5 R, efektivní vodní součinitel byl 0,65 (směsi označené I) a tři směsi obsahovaly 300 kg/m3 cementu CEM I 42,5 R, efektivní vodní součinitel byl 0,55 (směsi označené II). Vždy byla vyrobena jedna referenční směs (NAC I, NAC II), která obsahovala pouze přírodní kamenivo o zrnitosti frakcí 0 - 4, 4 - 8 a 8 - 16 mm.
Čtěte také: odolné podlahy do průmyslu
Ve všech ostatních směsích se jako hrubé kamenivo (4 - 16 mm) použilo přírodní těžené kamenivo a jako drobné recyklované kamenivo (0 - 4 mm) betonový recyklát (směsi fRCAC I, fRCAC II) a cihelný recyklát (směsi fRMAC I, fRMAC II). Do směsí nebyly použity žádné přísady. Ke zkoušce pevnosti v tlaku byla použita zkušební tělesa - krychle o hraně 150 mm dle EN 12390 - 3 (2003).
Recyklované kamenivo pocházelo z recyklačního střediska v ČR. Bylo vyrobeno z předtříděného stavebního a demoličního odpadu (betonu a zdiva) a drceno, nežádoucí materiály byly odseparovány pomocí vody. Laboratorně byly ověřeny vlastnosti recyklovaného kameniva, které jsou zásadní pro návrh směsi, a to zrnitost, objemová hmotnost a nasákavost. Nasákavost byla testována metodou popsanou v ČSN EN 1097 - 6, přestože dosud nebyla jednoznačně prokázána vhodnost této metody pro drobné recyklované kamenivo.
Dále byl pro návrh směsi měřen aktuální obsah vody v kamenivu (vysušením v sušárně do ustálené hmotnosti) pro určení množství vody pro přednasáknutí kameniva a odhad efektivního vodního součinitele.
Vliv recyklovaného kameniva na vlastnosti betonu
Objemová hmotnost betonů s drobným recyklovaným kamenivem vykazovala mírný pokles v porovnání s referenční variantou, maximální pokles byl 7 % pro směs s fRMA. Nasákavost betonu s fRA byla vyšší než u referenčních směsí, maximální nárůst byl o 85 % u směsi s fRMA, které obsahovalo vysoce porézní materiály, jako jsou cihly, pórobeton a malta.
Efekt použití fRMA v betonové směsi byl pro obě třídy betonu podobný - pevnost v tlaku se snížila o 10, resp. 15 %. Naproti tomu úplná náhrada NA za fRCA ovlivnila pevnost v tlaku pouze minimálně. U směsi s vyšším množstvím cementu došlo k poklesu pouze o 4 % a u směsi s nižším množstvím cementu byl oproti referenční směsi zjištěn dokonce nárůst pevnosti o 3 %.
Čtěte také: Cementem zpevněné kamenivo
Pevnost v tahu za ohybu u všech betonových směsí s fRA ve srovnání se směsí s NA klesla. K nejvýraznějšímu snížení došlo u směsi s fRCA a vyšším obsahem cementu, a to o 13 %. Statický a dynamický modul pružnosti vykazoval podobný trend. Všechny směsi s fRA vykázaly pokles vlastností ve srovnání s referenční směsí, přičemž pokles u směsí s fRMA byl výraznější (39 a 31 %) než u směsí s fRCA (19 a 14 %). Hodnoty dynamického modulu pružnosti byly mírně vyšší než hodnoty statického modulu pružnosti s maximálním rozdílem 18 % pro směs fRMAC 1.
Z hlediska mrazuvzdornosti výsledky pevnosti v tahu za ohybu měřené před a po zmrazování neukazovaly významný pokles, u dvou směsí dokonce došlo k mírnému nárůstu. Z měření dynamického modulu pružnosti před a po zmrazování (100 zmrazovacích cyklů) vyplynul mírný pokles, maximálně však 13 %, což stále splňuje požadavky na mrazuvzdornost, tj. pokles do 25 %. Odolnost vůči karbonataci betonu byla vyhodnocena jako poměr k referenční směsi a z výsledků bylo patrné zvýšení hloubky karbonatace až na více než 2,5násobek.
Tabulka níže shrnuje klíčové rozdíly ve vlastnostech mezi přírodním a recyklovaným kamenivem použitým v této studii.
| Vlastnost | Přírodní kamenivo (NA) | Recyklované betonové kamenivo (fRCA) | Recyklované cihelné kamenivo (fRMA) |
|---|---|---|---|
| Tvar zrna | Oblé tvary, hladší | Více nepravidelný a hranatý | Více nepravidelný a hranatý |
| Struktura | Hladká | Drsná, porézní | Drsná, vysoce porézní |
| Objemová hmotnost (relativně k NA) | Referenční | Mírný pokles | Až 7 % pokles |
| Nasákavost (relativně k NA) | Referenční | Vyšší | Až 85 % nárůst |
| Pokles pevnosti v tlaku (ve srovnání s NA) | N/A | Minimální pokles (až +3% u nízkého cementu, -4% u vysokého cementu) | 10-15 % pokles |
| Pokles modulu pružnosti (statický, dynamický) | N/A | 19 % (statický), 14 % (dynamický) | 39 % (statický), 31 % (dynamický) |
| Odolnost vůči karbonataci | Referenční | Zvýšení hloubky karbonatace | Zvýšení hloubky karbonatace (více než 2,5násobek) |
Dopady na životní prostředí a udržitelnost
Jako funkční jednotka byla stanovena stropní deska navržená na mezní stav únosnosti a mezní stav použitelnosti. Do posouzení na mezní stav únosnosti (MSÚ) vstupovaly výsledky pevnosti v tlaku a do posouzení na mezní stav použitelnosti (MSP) výsledky modulu pružnosti. Případný pokles vlastností byl kompenzován zesílením stropní desky (MSÚ) a navýšením stupně vyztužení (MSP).
Výsledky ukazují pozitivní vliv nahrazení přírodního drobného kameniva fRCA, důvodem je především minimální pokles mechanických vlastností a pozitivní dopad recyklace oceli z původních železobetonových konstrukcí. Naopak použití fRMA, kde dochází k většímu zhoršení mechanických vlastností a chybí benefit z recyklace oceli, nedosahuje tak příznivých výsledků.
Snížení emisí skleníkových plynů souvisejících se směsmi s plnou náhradou přírodního drobného kameniva fRCA je mezi 84 kg CO2 ekv. a 141 kg CO2 ekv. pro návrh založený na MSÚ a 140 kg CO2 ekv. a 308 kg CO2 ekv. pro návrh na základě MSP, který vykazuje pokles o 23 až 31 % a 22 až 35 %. V případě fRMA lze pozorovat podobný nebo mírně vyšší potenciální dopad na indikátor změny klimatu ve srovnání s referencí. Maximální nárůst byl 23 kg CO2 ekv., což odpovídá 5 %.
Tato studie se zabývala možností náhrady přírodního drobného těženého kameniva drobným recyklovaným kamenivem, které pocházelo ze stavebního a demoličního odpadu. Kamenivo bylo upraveno speciální recyklační technologií v recyklačním středisku a dosahovalo tak nadstandardní kvality. Výsledky mechanických vlastností a trvanlivosti betonu se 100% náhradou přírodního drobného těženého kameniva tak neukazují významný pokles. Ten byl pozorován především u modulu pružnosti a hloubky karbonatace. Studie tedy ukazuje, že v případě využití kvalitního drobného recyklovaného kameniva náhrada přírodního drobného těženého kameniva v betonu možná je, a to především pro běžné třídy betonu.
tags: #mechanicky #zpevnene #kamenivo #nevyhody