Stĺpy z betónu s recyklovaným zmiešaným kamenivom

1. Úvod

Betón s recyklovaným kamenivom (recycled aggregates concrete - RAC) je typ betónu, v ktorom je všetko kamenivo alebo jeho časť nahradená recyklovaným kamenivom (recycled aggregates - RA). Toto kamenivo sa najčastejšie získava zo stavebného a demolačného odpadu (construction and demolition waste - CDW). Pre výrobu RAC sa môžu používať rôzne druhy recyklovaných produktov – drvený betón, tehlové recyklované kamenivo, ale aj odpad zo starých pneumatík [1], plastov [2, 3], skla [4] atď. Najpoužívanejšie je recyklované kamenivo z betónu, tehál alebo mix týchto materiálov. Hlavným prínosom recyklovaného kameniva je zníženie množstva odpadu, a teda nižšia potreba skládkovania. Druhým prínosom je redukcia ťažby primárnych surovín (štrk, piesok) potrebných na výrobu betónu. Stĺpy môžu byť značne ovplyvnené použitím recyklovaného kameniva nakoľko ich odolnosť do veľkej miery závisí od pevnosti betónu. Vo väčšine publikovaných experimentov zaoberajúcich sa odolnosťou stĺpov z RAC sa konštatuje, že ich únosnosť je vyššia ako únosnosť vypočítaná normovými vzťahmi. To však nezaručuje, že stĺpy vyrobené z RAC spĺňajú tiež požadovanú pravdepodobnosť zlyhania. Experimentálny program prezentovaný v tomto príspevku sa zaoberal excentricky zaťaženými stĺpmi vyrobenými z RAC s rôznym podielom zmiešaného recyklovaného kameniva – 0 %, 25 %, 50 %, 75 % a 100 %.

2. Popis experimentálnych vzoriek

Obr. 1: Schéma vystuženia stĺpov

Experimentálny výskum bol navrhnutý ako krátkodobé zaťažovacie skúšky jedenástich železobetónových stĺpov. Betón použitý na výrobu stĺpov obsahoval rôzny podiel recyklovaného kameniva. Ako recyklované kamenivo bolo použité kamenivo z tehlového CDW frakcie 0 až 22 mm. Priečny rez stĺpov bol 250 mm × 250 mm. Výška 3,3 m. Stĺpy boli vystužené štyrmi prútmi pozdĺžnej výstuže priemeru 16 mm. Strmene mali priemer 6 mm a boli vo vzájomnej vzdialenosti 150 mm so zahustením na koncoch (obr. 1). Krytie strmeňov bolo 20 mm.

Podiel recyklovaného kameniva vo vzorkách bol 0 %, 25 %, 50 %, 75 % a 100 %. Celkový počet vzoriek bol 11 – po dve vzorky z referenčného betónu (0 %), 25 %, 50 % a 75 %, tri vzorky z betónu s úplnou náhradou prírodného kameniva recyklovaným kamenivom (100 %). Na oboch koncoch stĺpa sa nachádzali oceľové roznášacie platne hrúbky 15 mm, na ktoré bola privarená betonárska výstuž. Konštrukčné oceľové platne boli triedy S235, pozdĺžna výstuž a strmene boli triedy B 500B. Betonáž prebiehala v závodoch spoločnosti Skanska Transbeton, s.r.o. v Olomouci. Stĺpy boli betónované v horizontálnej polohe (Obr. 2).

Obr. 2: Betonáž stĺpov

Betónová zmes použitá v stĺpoch bola navrhnutá dodávateľom betonáže na základe požiadaviek na pevnostné charakteristiky betónu a množstva použitého recyklovaného kameniva. Zloženie jednotlivých betónových zmesí je uvedené v tab. 1. Ako prímesi boli použité popolček a jemne mletý vápenec. Vodný súčiniteľ bol 0,62. Použité boli tiež plastifikačné a superplastifikačné prísady od firmy Mapei.

Recyklované kamenivo použité v experimentálnom výskume bolo testované na Ústave technologie stavebních hmot a dílcu na Stavebnej fakulte v Brne. V rámci testovania RA bolo prevedených viacero skúšok. Medzi inými: klasifikácia zložiek hrubého RA (obr. 3), stanovenie chemického rozboru (chloridy, sírany rozpustné vo vode, sírany rozpustné v kyseline, celková síra), určenie pevnosti kameniva stačením vo valci. (Tab. 2)

Nakoľko boli stĺpy betónované vo vodorovnej polohe a teda s ohľadom na možné rozdiely v kvalite betónu, bola základná excentricita vnášaná kolmo na smer betonáže.

Obr. 3: Stanovenie zloženia kameniva

2.1 Meracie zariadenia

V strede výšky stĺpa boli merané pomerné pretvorenia pomocou tenzometrických snímačov na povrchu betónového prierezu. Na ťahanej a tlačenej strane betónového prierezu boli naviac merané pomerné pretvorenia snímačmi dráhy. Priehyb bol meraný v strede výšky stĺpa v smere hlavného ohybového namáhania vynúteného základnou excentricitou v podperách stĺpa. Stlačenie zostavy bolo merané na pomocnom meracom ráme stĺpa v mieste klzného spoja, ktorý umožňoval zvislý posun. Zaťažovacia sila bola elektronicky zaznamenávaná zo silomeru HBM C6A Hottinger 2 MN do zbernice dát a následne do počítača. Počas skúšok bola zaznamenávaná sila vizuálne kontrolovaná s analógovým ukazovateľom aktuálnej sily na ovládacom paneli hydraulického lisu. Poloha meracích zariadení na schéme a fotografii je znázornená na obr. 4.

Obr. 4: Skúšobná a meracia zostava stĺpov

3. Výsledky experimentálnych meraní

Na základe nameraných hodnôt boli získané nasledovné výsledné hodnoty meraných veličín. V tab. 3 a 4 a v obr. 5 a 6 sú prehľadne uvedené namerané deformácie a sily jednotlivých skúšaných stĺpov.

Obr. 5: Deformácie stĺpov s excentricitou 20 mm

Obr. 6: Deformácie stĺpov s excentricitou 40 mm

Nameraná odolnosť prierezu bola stanovená v stave pri porušení stĺpa. To znamená, že pri dosiahnutí maximálnej osovej sily priehyb narastal pri konštantnej osovej sile až do samotného porušenia stĺpa, ktoré bolo v mieste najviac namáhaného prierezu v strede výšky stĺpa. Porušenia stĺpov boli sprevádzané vyčerpaním kapacity betónu pri pomernom pretvorení okolo 3,5 ‰ v tlačenej zóne betónového prierezu. Po porušení betónovej časti prierezov stĺpov nastalo pri väčších stlačeniach pozdĺžnej betonárskej výstuže jej vybočenie medzi strmeňovou výstužou.

Z obr. 4 a obr. 5 môžeme vidieť, že hodnoty maximálnej sily klesajú so zvyšujúcim sa percentom recyklovaného kameniva. Výnimku tvoria stĺpy S25-20 a S25-40, čo je v súlade s predpokladom, že 20-30% podiel recyklovaného kameniva v betóne má marginálny vplyv na jeho únosnosť. Ďalšiu výnimku tvorí stĺp S75-20, u ktorého očakávaný pokles oproti referenčnému stĺpu S0-20 bol medzi hodnotami 12,8 % a 26,7 %, čo sú hodnotu poklesu stĺpov S50-20 a S100-20. Namiesto toho pozorujeme mierny nárast oproti S50-20. Hodnoty celkovej excentricity pri porušení stĺpa stúpajú so zvyšujúcim percentom RA. Výnimku tvoria stĺpy S25-20, S50-20 a S25-40. Najväčší pokles maximálnej sily je zaznamenaný pri stĺpoch so 100% podielom RA, a to konkrétne 26,7% pri základnej excentricite 20 a 24,5% pri e = 40 mm.

4. Závery

Z vyššie uvedených výsledkov možno konštatovať, že náhrada prírodného kameniva recyklovaným do objemu 25 % nemá žiaden vplyv na odolnosť prvkov v excentrickom tlaku. Pri narastajúcej náhrade kameniva sa začína prejavovať vplyv rozdielnych vlastností recyklovaného kameniva na mechanické vlastnosti samotného betónu. V experimente bola použitá náhrada ako hrubého kameniva, tak aj jemnej frakcie, čo má taktiež vplyv na výsledné vlastnosti betónu. Predpisy pre použitie recyklovaného kameniva v súčasnosti dovoľujú nahrádzať len hrubú frakciu kameniva v betóne. V prípade tlačených prvkov je vhodné používať vyššie percento náhrady prírodného kameniva recyklovaným pri nižších štíhlostiach a excentricitách zaťažení, kedy sa významne neprejaví výrazný rozdiel v moduloch pružnosti týchto betónov.

Poďakovanie

Táto práca vznikla s podporou výskumného projektu VEGA č. VEGA 1/0144/23 „Overenie spoľahlivosti nelineárnych metód európskych noriem a návrhové modely nosných prvkov pre nemetalické G-FRP výstuže vyrábané na Slovensku“.

Literatúra

1. Corinaldesi V, Donnini J. Waste rubber aggregates. In: New Trends in Eco-efficient and Recycled Concrete. Elsevier; 2018. p. 87–119.
2. Gholampour A, Ozbakkaloglu T. Recycled plastic. In: New Trends in Eco-efficient and Recycled Concrete. Elsevier; 2018. p. 59–85.
3. Saikia N, de Brito J. Use of plastic waste as aggregate in cement mortar and concrete preparation: A review. Vol. 34, Construction and Building Materials. 2012. p. 385–401.
4. Du H, Tan KH. Properties of high volume glass powder concrete. Cem Concr Compos. 2017 Jan 1; 75:22–9.