Využití upraveného stavebního demoličního odpadu po tornádu na jižní Moravě

Úvod

V současné době je kladena snaha na maximální a efektivní využití stavebního a demoličního odpadu (dále SDO), tento materiál vzniká převážně řízeným způsobem při novostavbách, rekonstrukcích a především při demolicích. V současné době jsou vyvíjené a hledané způsoby, jak už dopředu připravit projekt – předdemoliční audit, a to tak, aby byl celý proces maximálně efektivní (z mnoha hledisek) a získaný recyklát byl upravený vhodnými metodami nebo mechanismy tak, aby byl efektivně využitý, v ideálním případě už pro konkrétní aplikaci. Uvedená cesta je „ideálním“ stavem z pohledu dalšího využití SDO.

Na druhou stranu může vzniknout stavební a demoliční odpad při živelné katastrofě, typickým příkladem může být tornádo na jižní Moravě v roce 2021, nebo při lidské činnosti spojené s válkou nebo terorismem, typickým příkladem je dnes Ukrajina. V obou případech pak „máme“ k dispozici SDO, kde nebylo možné dopředu rozhodnout, jak ho použít a v obou případech se dá předpokládat, že při obnově infrastruktury (objektů, rozvodů jako vody, kanalizace, komunikací atd. ) bude nutné část, nebo celé množství, SDO někam přesunout a teprve následně přejít k vlastní recyklaci.

Přečtěte si také TORNÁDO - Rok poté I. díl Podívejte se na video na estav.tv

Výzkum na směsný SDO recyklát, kombinující jak recyklovaná jemná, tak hrubá kameniva, je v literatuře velmi omezený a vzácný. Nedostatečný výzkum je patrný z dostupné literaturu, kde jsou výzkumy převážně zaměřené na hrubou frakci, zatímco jen malá pozornost je věnována recyklaci jemné frakce [2, 3, 4, 5]. Nově publikované studie ukázaly, že začlenění recyklované jemné frakce má za následek produkci betonu s nižší spotřebou cementu [4]. Neznalost problematiky v kombinaci s nedostatkem znalostí mechanických vlastností směsného recyklátu přispěly k omezení jejich aplikací ve stavebnictví [6]. Nicméně nedávno publikované studie potvrdily vhodnost použití kameniva ze směsného recyklátu pro silniční povrchy [7] a jejich použitelnost v prefabrikované výstavbě a betonu s vysokou pevností [8]. Několik studií také ukázalo, že směsný recyklát je vhodný pro širokou škálu stavebních aplikací, včetně stěn, podlah, dlaždic, obrubníků a betonu, a doporučuje se jejich maximální podíl v rozsahu do 75 hm. % [9].

V rámci řešení projektu TA ČR Prostředí pro život 3 č. SS03010302 „Vývoj efektivních nástrojů pro minimalizaci vzniku stavebního a demoličního odpadu, jeho monitoring a opětovné využití“ (2021–2023) a částečně navazujícího projektu HORIZON 2020+ č. 101058580 „Automated solutions for sustainable and circular construction and demolition waste management“ (2022–2026) se řešitelský tým zúčastnil monitoringu hald SDO a dalšího materiálu po tornádu na jižní Moravě v roce 2021.

Podle hodnocení Českého hydrometeorologického ústavu se jednalo o silné tornádo doprovázené savými víry, které dosáhlo síly F4. Prošlo úsekem dlouhým 26 kilometrů a širokým cca půl kilometru. Kriticky zasaženo bylo sedm obcí, nejvíce postiženy byly Moravská Nová Ves, Mikulčice, Hrušky, Lužice a městské části Hodonína Bažantnice a Pánov. V rámci projektu byly tedy podniknuty dvě služební cesty. První služební cesta za účelem monitoringu objemu hald po tornádu pomocí dronů byla podniknuta ve dnech 12. až 13. června 2021. Předpokládalo se, že po tomto termínu budou všechny tři, nebo jen některé, skládky uzavřené, ale nestalo se tak. Zároveň byly ještě prováděny některé demoliční práce na objektech, a proto byla na žádost Odboru životního prostředí JmK naplánována druhá služební cesta na přelomu července a srpna 2021. V rámci pomoci bylo vyzkoušeno využití dronu pro charakterizaci a určení kubatur odpadního materiálu. Zájmové oblasti deponií se nacházely v Hodoníně, Mikulčicích a mezi obcemi Hrušky a Moravská Nová Ves. Výška letu byla volena průměrně okolo 45 m s podélným a příčným překrytem 70 procent. Pro konstrukci modelu bylo využito křížové snímkování z vrchu, které bylo doplněno u vysokých deponií i ze stran. Osazení modelu do závazného polohového systému JTSK a výškového systému Bpv bylo provedeno využitím vlícovacích bodů v okolí deponií, které byly stabilizovány sololitovou deskou s černo-bílým křížem nebo vyznačením sprejem přímo na trosky v deponii. Konstrukce modelu pro vzorovou deponií Hrušky - Moravská Nová Ves lze vidět na Obrázku 1 a 2 [1].

Obr. 1: Model deponie mezi obcemi Hrušky a Moravská Nová Ves

Obr. 2: Model deponie se stavební sutí

Dále bylo rozhodnuto, že suť z živelné katastrofy bude recyklována a bude proveden výzkum na její aplikaci do betonu. Firma Moravostav Brno v rámci projektu provedla recyklaci sutě ze živelné katastrofy ve svém recyklačním středisku. Jednalo se o vzorek cca 10 tun materiálu z haldy Hrušky - Moravská Nová Ves, který obsahoval množství příměsí – velké kusy dřeva, plastové rámy oken, vodovodní a jiné potrubí, plastové folie atd. (viz Obrázek 3). Před recyklací bylo nutné větší kusy příměsí odstranit (strojově – nakladačem rozhrnutí a ručně vybrání kusů nežádoucích příměsí), viz Obrázek 3. Poté byl vzorek předrcen na čelisťovém drtiči a roztříděn na tři frakce 0/8 mm, 8/32 mm, 32/63 mm. Frakce 32/63 mm byla v podstatě nepoužitelná, vzhledem k velkému množství nežádoucích příměsí (úlomky dřeva, plastů, skla atp.), viz Obrázek 3 a 4. V konečném součtu byla suť ze živelné katastrofy tvořena z:

• 0,2 tun vyseparovaný odpad příměsi (kovové trubky, plastové rámy, dřevo atd.),
• 5,5 tun frakce 0/8 mm,
• 2,5 tun frakce 8/32 mm,
• 1,8 tun frakce 32/63 mm.

Obr. 3: Suť ze živelné katastrofy – vlevo, příměsi v suti – vpravo

Obr. 4: Recyklát: frakce 0/8 mm (vlevo), frakce 8/32 mm (uprostřed), frakce 32/63 mm (vpravo)

Experimentální část

Pro každou sadu testů jsme připravili od každého materiálu 6 zkušebních vzorků. Jako testovací materiál jsme zvolili betonové krychle o rozměru hrany 150 mm. Použili jsme směs betonu obsahující portlandský cement CEM I 42,5 R (Mokrá). Dále jsme použili přírodní jemné kamenivo o frakci 0/4 mm, které pocházelo ze štěrkovny Dobříň, spadající pod společnost Cemex. Hrubé kamenivo bylo získáno z lomu Zbraslav a byly použité frakce 4/8 mm a 8/16 mm. Hrubé i jemné kamenivo bylo částečně nahrazeno recyklovaným materiálem, vytvořeným z odpadu po přírodní katastrofě na jižní Moravě. Referenční beton měl následující složení: 300 kg/m³ cementu CEM I 42,5 R, 700 kg/m³ jemného kameniva frakce 0/4 mm, 538 kg/m³ hrubého kameniva frakce 4/8 mm, 601 kg/m³ hrubého kameniva frakce 8/16 mm a 165 kg/m³ vody. V dalších testovaných směsích byla část přírodního kameniva frakce 0/4 mm, 4/8 mm nebo 8/16 mm nahrazena recyklovaným materiálem v poměru 30, 50 a 100 obj. procent. Z důvodu vyšší nasákavosti recyklátu byl upraven vodní součinitel tak, aby byla zachovaná zpracovatelnost čerstvé směsi S1. Zpracovatelnost čerstvé směsi byla určena pomocí metody sednutí kužele. Po výrobě byly vzorky uloženy po dobu 28 dní ve vodní lázni a následně testovány pro zjištění mechanických vlastností (pevnost v tlaku a statický modul pružnosti).

Výsledky a diskuse

Obr. 5: Křivky použitých kameniv: referenčního kameniva (PK) a recyklované kamenivo (REC)

Na Obrázku 5 jsou porovnané křivky zrnitosti použitého kameniva ve třech frakcích 0/4 mm, 4/8 mm a 8/16 mm pro referenční kamenivo (PK) a recyklované kamenivo (REC). V rámci jednotlivých frakcích je průběh křivky zrnitosti velice podobný, největší rozdíly jsou patrné u frakce 0/4 mm. Největší rozdíl mezi referenčním kamenivem a recyklovaným kamenivem je převážně způsoben množstvím jemných částic obsažených v recyklovaném materiálu. Velmi jemné částice mají negativní dopad na výslednou směs kvůli zvýšení množství záměsové vody, což následně ovlivňuje mechanické vlastnosti materiálu negativně.

Obr. 6: Porovnání objemových hmotností vyrobených směsí v závislosti na obsahu recyklátu (s uvedením směrodatné odchylky)

Na Obrázku 6 jsou porovnány hodnoty objemových hmotností vyrobených betonových vzorků. Z výsledků je zřejmé, že při 100% nahrazení přírodního kameniva recyklovaným materiálem došlo k poklesu objemové hmotnosti o přibližně 10 %. Referenční směs měla objemovou hmotnost 2392 ± 5 kg/m³, zatímco nejnižší objemová hmotnost byla zaznamenána při 100% náhradě frakce 8/16 mm, a to 2180 ± 8 kg/m³. Popsaný pokles je způsoben vysokým obsahem cihelné složky ve směsném recyklátu, která má nižší objemovou hmotnost než přírodní kamenivo. Nižší hodnota objemové hmotnosti, a tedy i vyšší porozita má následně negativní vliv na pevnost v tlaku.

Obr. 7: Porovnání pevností v tlaku vyrobených směsí v závislosti na obsahu recyklátu (s uvedením směrodatných odchylek)

Na Obrázku 7 jsou porovnány hodnoty pevností v tlaku po 28 dnech. Referenční směs dosahovala pevnosti 45 ± 5 MPa, což odpovídá betonu s pevnostní třídou C30/37. Na základě výsledků lze konstatovat, že při 100% nahrazení došlo k výraznému poklesu hodnot. Pro frakci 8/16 mm byl pokles až 40 % (27,2 ± 4 MPa), pro frakci 0/4 mm cca o 30 % (32,2 ± 4,5 MPa) a u frakce 4/8 mm okolo 20 % (35,2 ± 2,5 MPa). Při nahrazení 50 % recyklovaným kamenivem bylo dosaženo pro frakci 4/8 mm stejných hodnot jako pro referenční beton, zatímco pro frakce 0/4 a 8/16 mm byl zaznamenán pokles o 20 %, resp. 25 %. Při nahrazení 30 % recyklovaným kamenivem u frakce 4/8 mm bylo dosaženo asi o 8 % vyšších hodnot než u referenčního betonu. Pro frakce 0/4 a 8/16 mm byl zaznamenán pokles, přičemž pro frakci 8/16 mm byl pokles až o 20 %.

Obr. 8: Porovnání hodnot statického modulu pružnosti vyrobených směsí v závislosti na obsahu recyklátu

Jestliže se zaměříme na trendy pro jednotlivé frakce a závislost na procentuální náhradě, jsou zde jasně patrné trendy. Z trendů závislosti na množství náhrady se vymyká frakce 4/8 mm, důvodem je pravděpodobně i to, že frakce 0/4 mm byla více kontaminována různými nečistotami, jako zeminou a dalšími zbytky z SDO tornáda.

Na Obrázku 8 jsou porovnané hodnoty statických modulů pružnosti v závislosti na použité frakci a množství náhrady recyklátem. Referenční směs dosahovala hodnoty statického modulu pružnosti 32 ± 2,2 GPa. Z výsledků je patrné, že v tomto případě množství použitého recyklátu snižuje hodnoty statických modulů. Na druhou stranu můžeme konstatovat, že při 50% náhradě recyklovaným kamenivem se hodnota statického modul snížila pouze o cca 25 %. Při 100% náhradě je pokles okolo 40 % v porovnání s referenčním betonem.

Závěry

Během experimentálního výzkumu jsme ověřili, že i netradiční recyklované kamenivo má potenciál být účinnou alternativou k přírodnímu kamenivu. Nicméně je klíčové si uvědomit, že i přesto, že použitý materiál pocházel ze stavebního a demoličního odpadu (SDO) z živelné katastrofy, prošel standardními úpravami v recyklačním středisku společnosti Moravostav Brno a.s. v Modřicích u Brna.

Závěrečné shrnutí článku představuje důležité poznatky o využití SDO a jeho recyklaci, kde 100% nahrazení přírodního kameniva recyklovaným materiálem vedlo k poklesu objemové hmotnosti a pevnosti v tlaku betonových směsí. Pokles je důsledkem vyššího obsahu jemných částic v recyklovaném materiálu, což negativně ovlivňuje mechanické vlastnosti betonu.

Dále, že recyklovaný materiál obsahoval různé příměsi, které bylo třeba před recyklací odstranit, což ovlivnilo konečné složení materiálu. Pokles hodnot statických modulů pružnosti v závislosti na použité frakci a množství náhrady recyklovaným materiálem naznačuje, že recyklát snižuje pevnost betonu, avšak při nižších procentech náhrady je tento pokles méně markantní.

Celkově lze říci, že recyklace sutě po živelných katastrofách nabízí potenciál, ale je nezbytné řešit otázky týkající se příměsí a vhodného dávkování recyklovaného materiálu pro zachování požadovaných mechanických vlastností betonu.

Poděkování

Příspěvek byl podpořený projektem TA ČR Prostředí pro život 3 č. SS03010302 „Vývoj efektivních nástrojů pro minimalizaci vzniku stavebního a demoličního odpadu, jeho monitoring a opětovné využití“ a projektu HORIZON 2020+ č. 101058580 „Automated solutions for sustainable and circular construction and demolition waste management“ and the project at the Czech Technical University in Prague SGS SGS24/037/OHK1/1T/11.

Literatura

1. Tesárek, P., Podklady k přednášce na téma „Využití dronů v odpadovém hospodářství – zaměřování deponií a další možnosti“ prezentované na metodické poradě ORP JMK 23.–24. září 2021 Bzenec.
2. Sainz, F. A., Rodriguez, A. R., Munoz, A. B., Galvín, A., & Romero, J. (2012). Real Application of Cement Treated Mixed Recycled Aggregates on Road Bases in Malaga, Spain. In 2012 Transportation Research Board Annual Meeting.
3. Castaño-Cardoza, T., Linsel, S., Alujas-Diaz, A., Orozco-Morales, R., & Martirena-Hernández, J. F. (2016). Influence of very fine fraction of mixed recycled aggregates on the mechanical properties and durability of mortars and concretes. Revista Facultad de Ingeniería Universidad de Antioquia, (81), 81-92.
4. Evangelista, L., Guedes, M., De Brito, J., Ferro, A. C., & Pereira, M. F. (2015). Physical, chemical and mineralogical properties of fine recycled aggregates made from concrete waste. Construction and building materials, 86, 178-188.
5. Ulsen, C., Kahn, H., Hawlitschek, G., Masini, E. A., & Angulo, S. C. (2013). Separability studies of construction and demolition waste recycled sand. Waste Management, 33(3), 656-662.
6. Silva, R. V., & de Brito, J. (2019). Helping structural designers to use recycled aggregate concrete. In New Trends in Eco-efficient and Recycled Concrete (pp. 527-540). Woodhead Publishing.
7. Agrela, F., Barbudo, A., Ramírez, A., Ayuso, J., Carvajal, M. D., & Jiménez, J. R. (2012). Construction of road sections using mixed recycled aggregates treated with cement in Malaga, Spain. Resources, Conservation and Recycling, 58, 98-106.
8. Gonzalez-Corominas, A., & Etxeberria, M. (2014). Properties of high performance concrete made with recycled fine ceramic and coarse mixed aggregates. Construction and building materials, 68, 618-626.
9. Juan-Valdés, A., Rodríguez-Robles, D., García-González, J., Guerra-Romero, M. I., & Morán-del Pozo, J. M. (2018). Mechanical and microstructural characterization of non-structural precast concrete made with recycled mixed ceramic aggregates from construction and demolition wastes. Journal of Cleaner Production, 180, 482-493.