CZ36350U1

CZ36350U1 - Opakovatelně recyklovatelný mezerovitý vláknobetonový kompozit z odpadních materiálů ze stavební výroby

Info

Publication number: CZ36350U1
Application number: CZ2021-39526U
Authority: CZ
Inventors: Jan VodiÄŤka; CSc. Vodička Jan doc. Ing.; Luboš Musil; Luboš Ing. Musil; Hana Hanzlová; CSc. Hanzlová Hana Ing.
Original assignee: České vysoké učení technické v Praze
Priority date: 2021-12-23
Filing date: 2021-12-23
Publication date: 2022-09-13

Description

Opakovatelně recyklovatelný mezerovitý vláknobetonový kompozit z odpadních materiálů ze stavební výroby

Oblast techniky

Technické řešení se týká výroby recyklovatelného mezerovitého vláknobetonového kompozitu s využitím recyklovaných materiálů ve stavební praxi při minimálním použití pojivé složky cementového tmelu. Základními charakteristikami recyklovatelného mezerovitého vláknobetonového kompozitu je pevnost v tahu i po vzniku trhlin a opětovná recyklovatelnost.

Dosavadní stav techniky

Velké nároky na bytovou výstavbu a objekty občanské vybavenosti u nás na přelomu století současně vyžadují i nároky na materiály pro novou bytovou výstavbu, objekty stavební a průmyslové výroby. Současně to vyžaduje nároky na likvidaci dosloužilých staveb objektů a volné stavební pozemky.

Na řešení této skutečnosti lze uplatnit technologii recyklace demolic staveb nebo i cestu demontáží panelové výstavby podobně jak se děje například v dřívější NDR a likvidaci provádět cestou prodejem celých panelů pro novou výstavbu bytů. V České republice je recyklace demolic staveb velmi rozšířena, existuje velký počet recyklačních středisek vybavených potřebným strojním zařízením a zkušeností získaných recyklací nej různějších stavebních materiálů, které se v demolicích vyskytují i nevyužitých materiálů z průmyslové výroby. V případě demolic staveb je u nás preferována cesta recyklace stavebních materiálů a jejich možné opětovné využití v nové výstavbě. Přesto se velmi často stává, že dochází k nadprodukci stavebních materiálů v recyklačních střediscích a také k jejich skladování, velmi často i na černých skládkách.

Dosavadní využití produktů recyklace, především u betonového recyklátu, kde beton je nej rozšířenějším stavebním materiálem, se betonový recyklát využívá k zásypům výkopů vedení inženýrských sítí, kaveren a důlních prostor a úpravám povrchových ploch, cest, stavenišť.

Značný rozvoj stavební výroby a stavebních objektů na přelomu století vedl a vede k nadprodukci stavebních materiálů získaných z demolic a také nevyužitých materiálů ze stavební výroby k nadprodukci v recyklačních střediscích. Je na celé společnosti zabývat se jeho opětovným a smysluplným využitím ve stavební praxi. V případě využití demolic staveb a technologií recyklace je třeba v první řadě řešit řádné třídění. Prvořadým úkolem společnost je zabývat se řádným tříděním betonového recyklátu podle původu, jakosti, stavu jeho případné kontaminace a zrnitosti ve vytvořených deponií v recyklačních střediscích.

Úkolem celé této společnosti je také zabývat se tímto stavem vzhledem k životnímu prostření a recyklovaný materiál upravit pro využití v praxi. A ne hledání míst ke skládkování, případně řešením černých skládek jejich likvidací.

Způsob náhrady přírodního kameniva betonovým recyklátem při výrobě konstrukčních betonů se ukazuje jako velmi náročný v úpravě betonových recyklátů, vzhledem ke zdrojům a výrobě betonového recyklátu, původu a vlastnostem vstupního materiálu z demolic staveb, jeho kontaminaci, zrnitosti přesto, že finální úprava drcení je shodná s přípravou přírodního kameniva. Velmi náročný se ukazuje klasifikovat betonový recyklát ve všech zkouškách, které by ve výsledcích odpovídaly zkouškám přírodního kameniva, kterými se prokazuje vhodnost přírodního kameniva do betonu.

Ukazuje se, že je potřeba samostatně z betonových recyklátů vyrábět cementové kompozity a přispět tak k novému smysluplnému využití tohoto produktu recyklace, což je dále předmětem

-1 CZ 36350 UI technického řešení.

Podstata technického řešení

Podstatou technického řešení je opakovatelně recyklovatelný mezerovitý vláknobetonový kompozit z odpadních materiálů ze stavební výroby, který vykazuje mezerovitost od 27 do 45 %, v závislosti na křivce zrnitosti a velikosti maximálního zrna Di,_max· Obsahuje vždy jednu vybranou frakci recyklovaného betonového kameniva z konstrukčního betonu široké čáry zrnitosti omezené pouze Di,max, z deponií tříděných podle velikosti maximálního zrna Di,_ma_X: 8 16, 22, 24, 32 mm, jehož zrna jsou obalena minimálním množstvím cementového tmelu vypočítaným podle povrchu zrn, stanoveném na základě křivky zrnitosti podle vzorce

kde:

k je konstanta závislá na tvaru kameniva, uvažováno: 6 pro tvar blízký kulovému tvaru zrn, pro přírodní drcené kamenivo 10 až 12;

p _t,k je sypná hmotnost zhutněné směsi kameniva;

p _v,k je objemová hmotnost směsi kameniva;

Σ y je poměr určený ze síťového rozboru kameniva pro zrna větší než 0,25 mm a minimálním vodním součiniteli w/c = 0,27.

Dále obsahuje rovnoměrně rozptýlená syntetická mechanicky kotvená vlákna mezi zrny recyklovaného kameniva délky alespoň 3Di,max v objemu 0,2 až 3 % obj. vztaženo na celkový objem vyráběného kompozitu; a vodu potřebnou pro úpravu konzistence směsi kompozitu pro zpracování pěchováním, válcováním, lisováním.

Betonový recyklát je získaný pouze recyklací konstrukčních betonů.

Výhodně jsou mechanicky kotvená syntetická vlákna s cementem nesoudržná a mají délku alespoň 3,5 D_imax.

Opakovaně recyklovatelný mezerovitý vláknobetonový kompozit má ve výhodném provedení nezaplněné mezery, je propustný a vhodný pro zemní konstrukce, zejména pro ztužení jejich průřezů.

Čerstvá směs opakovaně recyklovatelného mezerovitého vláknobetonového kompozita podle technického řešení je zpracovatelná následujícími technologiemi: pěchováním, válcováním, lisováním bez použití vibrace tak, aby se zajistil lepší kontakt mezi obalenými zrny a snížilo se stékání cementového tmelu ze zrn recyklátu.

Pro technologii výroby navrhovaného kompozitu podle technického řešení postačuje pouze fúnkční betonáma z běžného provozu, postup dávkování je třeba přizpůsobit k dosažení rovnoměrného rozložení vláken ve směsi.

Z výsledků uvedených zkoušek se ukázala výrazná mezerovitost kompozitu, která je výsledkem jeho základního složení. Mezerovitost lze považovat za významný výsledek kompozitu, neboť umožňuje propustnost a na povrchu konstrukce vyšší interakci se zeminou.

-2 CZ 36350 UI

V současné době je výroba betonového recyklátu v recyklačních střediscích tříděna do depozit podle velikosti maximálních zrn. Čára zrnitosti deponie obsahuje od nejmenších zrn až k velikosti maximálního zma Di,_max· Třídění přírodního kameniva pro výrobu konstrukčních betonů probíhá na normou předepsané frakce, to je například 0/4, 0/8, 4/8, a tak dále, což představuje v deponii velikosti vyskytujících se zrn v uvedených rozmezích velikostí. Nelze tudíž využít zrnitost podobně jako při návrhu směsí betonových konstrukcí v úpravě například ideální čáry zrnitosti podle Bolomeye nebo upravit zrnitost na dosažení minimální mezerovitosti přírodního kameniva, což bývá základní podmínkou při návrhu betonových směsí pro výrobu konstrukčních betonů.

Za podmínek využít betonového recyklátu se spotřebou jeho větších objemů a návrhu jednoduché technologie výroby, bylo rozhodnuto, že prvním krokem využití bude pouze jako betonový recyklát výchozí přímo k výrobě mezerovitých kompozit. Kombinace betonového recyklátu a frakce přírodního kameniva v mezero vitém betonu se jeví jako obtížná.

Předností takového kompozita je zisk různých velikostí objemu mezer podle užitého recyklátu z deponii dle Di,max. Pevnostní charakteristiky vyrobeného kompozitu jsou závislé především na zvoleném Di,_max, křivce zrnitosti recyklátu a objemu mezer.

Protože objem mezer přímo ovlivňuje pevnostní charakteristiky a cementový tmel je použit pouze pro obalení zrn recyklátu, kontakt mezi zrny se výhodněji zpevní za podmínky, že při zpracování kompozitu nebude užito vibrace a že cementový tmel bude v konzistenci, která přispěje ke stabilitě obalení zrn z recyklovaného betonu. Ve styku mezi zrny dojde ke zpevnění struktury kompozitu, skeletu kompozitu.

Podle technického řešení byl získán kompozit, který při prvních destruktivních experimentálních zkouškách vykazoval charakteristiky, které jsou vhodné při využití zemních a vodních hrází, ztužení průřezu konstrukcí liniových staveb, jak je uvedeno dále v odstavci průmyslová využitelnost mezerovitého vláknobetonu v praxi. Výhodou mezerovitého vláknobetonového kompozitu s minimálním množstvím cementu je dostatečná únosnost pro vybrané aplikace, ale současně minimální množství cementu umožňuje jednoduchou opětovnou recyklaci, čímž podporuje oběhové hospodářství.

Betonový recyklát plně nahrazuje přírodní kamenivo a tvoří nosnou strukturu, skelet kompozitu, má vliv na pevnosti kompozitu v tlaku. Syntetická vlákna ztužují strukturu kompozitu a mají vliv na tahové pevnosti, a to i po vzniku trhlin včetně získání jeho duktility a cementový tmel je v objemu pouze k obalení zrn recyklátu a ztužení kontaktů mezi zrny.

Příklady uskutečnění technického řešení

Příkladné směsi opakovaně recyklovatelného mezerovitého vláknobetonového kompozitu podle technického řešení byly připraveny následujícím postupem. Nejprve se odebralo recyklované betonové kamenivo z konstrukčního betonu z jedné vybrané deponie z deponii tříděných podle velikosti maximálního zma Di,^: 8, 16_; 22, 24, 32 mm. Betonový recyklát se odebírá přímo z depozit recyklačních středisek podle velikosti D,._nma podle potřebného využití v praxi. Nezbytné zkoušky, které je třeba vykonat, jsou zkoušky objemových hmotností recyklátů volně sypaného pb a setřeseného pv, čára zrnitosti a stanovení mezerovitosti μ.

Poté se recyklované betonové kamenivo z konstrukčního betonu homogenizovalo a v dalším kroku se maximálně nasáklo vodou, zbavilo se vody na povrchu zm a tím bylo upraveno do stavu saturovaného recyklovaného betonového kameniva. Pak se dávkovalo do míchačky a mísilo se s cementovým tmelem, který je v objemu potřebném pouze k obalení zm saturovaného recyklovaného betonového kameniva a který byl vypočítán podle povrchu zm a minimálního vodního součinitel 0,27. Cementový tmel v objemu potřebném pouze k obalení zm saturovaného

-3 CZ 36350 UI recyklovaného betonového kameniva, byl vypočítán podle povrchu zrn, stanoveném na základě křivky zrnitosti podle vzorce

kde:

k je konstanta závislá na tvaru kameniva, uvažováno: 6 pro tvar blízký kulovému tvaru zrn, 10 až 12 pro přírodní drcené kamenivo;

p_t,k sypná hmotnost zhutněné směsi kameniva;

p_v,k je objemová hmotnost směsi kameniva;

Σ^ je poměr určený ze síťového rozboru kameniva pro zrna větší než 0,25 mm a minimálním vodním součiniteli w/c = 0,27.

Poté se postupně za stálého míchání přidávala syntetická vlákna v délce alespoň 3Di,max v objemu 0,2 až 3 % obj. vztaženo na celkový objem vyráběného kompozitu tak, aby se dosáhlo maximálního rovnoměrného rozptýlení vláken ve struktuře kompozitu. Syntetická vlákna byla o pevnosti R přibližně 600 MPa a více, v délkách I ~ 3 Di,max a hmotnostní dávky 0,3 až 2 % jsou podle požadavků na pevnostní a duktilní charakteristiky kompozitu a pevnosti užitých vláken.

Nakonec se přidávala voda potřebná pro úpravu konzistence směsi odolné proti stékání cementového tmelu při zpracování pěchováním, válcováním, lisováním.

Níže jsou uvedené konkrétní příklady složení jednotlivých směsí a jejich pevnostní charakteristiky dle experimentálních zkoušek v laboratoři. Výsledné hodnoty jsou aritmetickým průměrem vždy minimálně tří vzorků normového tělesa dle požadavků platných norem. Jak již bylo zmíněno v předchozích odstavcích, návrh receptury je závislý na křivce zrnitosti, objemové/sypné hmotnosti a mezerovitosti recyklátu. Tyto parametry mají rovněž vliv na pevnostní charakteristiky, kdy obvykle menší frakce s menší mezerovitosti mají vyšší pevnostní charakteristiky, viz příklady složení směsi. Velmi důležitý vliv na pevnostní charakteristiky mají samozřejmě původní pevnosti betonového recyklátu, jeho stáří, agresivita prostředí, atak dále.

Příklad 1

Shora uvedeným postupem byl připraven příkladný kompozit následujícího složení: 864,4 kg recyklovaného betonu frakce 0/32, 75,2 kg cementu, 1,37 kg syntetických vláken do betonu o délce 110 mm, 33,84 1 vody, bez vody na saturování recyklovaného betonu, to znamená, že je uvažovaná pouze na reakci cementu. Výsledné pevnostní charakteristiky po 28 dnech byly: pevnost v tahu za ohybu 1,9 MPa, pevnost v tlaku 12,8 MPa.

Příklad 2

Dále byl shodným postupem připraven příkladný kompozit následujícího složení: 945,7 kg recyklovaného betonu frakce 0/24, 83,7 kg cementu, 1,37 syntetických vláken do betonu o délce 110 mm, 37,67 1 vody, uvedeno bez vody na saturování recyklovaného betonuje uvažovaná pouze na reakci cementu. Výsledné pevnostní charakteristiky po 28 dnech byly: pevnost v tahu za ohybu 2,1 MPa, pevnost v tlaku 14,3 MPa.

Na základě podrobnějšího zkoušení byla určena přibližná rozmezí mechanicko-fýzikálních charakteristik pro tyto kompozity. Objemová hmotnost zatvrdlého kompozitu je v rozmezí 1930 až 2240 kg/m³, pevnost v tlaku je 10 až 35 MPa, pevnost v tahu za ohybu 1,6 až 2,7 MPa a modul pružnosti se pohybuje v rozmezí 12 až 17 GPa.

-4 CZ 36350 UI

Součástí je rovněž ověření aplikací, kde byl vymodelován v počítačovém programu GEO5 Stabilita svahu násyp s šířkou v patě 60 m, šířkou koruny 20 m a výškou 15 m. Násyp byl uvažován jednou bez vyztužení recyklátem a jednou s vyztužením. Uvažované parametry podloží, násypu arecyklátu, výztuh jsou uvedeny v tab. 1. Výztuhy z betonového recyklátu jsou uvažovány jako zemina s Mohr-Coulombovými parametry, které byly získány převodem z charakteristik recyklátu. Při výpočtu stability svahu byl stanoven požadovaný stupeň bezpečnosti FS = 1,5. Pro násyp bez výztuh je FS = 1,29 nevyhovuje dlouhodobě, s výztuhou FS = 1,85, což ukazuje na pozitivní vliv výztuh a možné úspory zeminy v liniové konstrukci a úspory záboru pozemku.

Tabulka 1

r	I	v	3	ř
MS	10	0.4	TS	15
lo..........	.........................················' 30	03	30...................	10...............1
	13000	OJ	35	ses

Průmyslová využitelnost

S ohledem na aktuální trend oběhového hospodářství se přímo nabízí využití opakovatelně recyklovatelného mezerovitého vláknobetonového kompozitu z odpadních materiálů ze stavební výroby podle technického řešení s minimálním množstvím pojivá cementového tmelu do rozsáhlých stavebních projektů. Velkou výhodou je masivní spotřeba recyklátů, které lze vhodně využít, uložit do konstrukcí a jednoduše opětovně recyklovat. Mezi tyto stavby patří například podloží komunikací, kde mezerovitý vláknobetonový kompozit tvoří nosnou drenážní vrstvu konstrukce. Dalším využitím je díky tahovým pevnostem, duktilnímu chov a vhodné interakci se zeminou v liniových stavbách. Při výstavbě lze výhodně využít po výšce konstrukce průběžné vodorovné monolitické desky z mezerovitého vláknobetonové kompozitu v násypech, zemních hrázích atd. V tomto případě je možnost zpracování kompozitu stejnými technologiemi hutnění jako zeminu: válcování, pěchování, bez vibrace. Rovněž je možné použít i prefabrikované dílce. Desky z mezerovitého vláknobetonové kompozitu mají zásadní vliv na smykovou plochu násypu a podloží násypu liniových zemních konstrukcí a pozitivně ovlivňují stabilitu svahu násypu. V praxi to znamená strmější sklon násypu čili úspora zeminy v násypu a úspora potřebné plochy pro stavbu. V případě vodní hrází brání průběžné desky vláknobetonového kompozitu protrhnutí hráze při přelití vodou následně zjednodušují jejich opravu na pouhé dosypání svahu. V případě použití mezerovité vláknobetonového kompozitu ve vodních hrázích je nutné respektovat průsakovou křivku hráze.

Claims

1. Opakovatelně recyklovatelný mezerovitý vláknobetonový kompozit z odpadních materiálů ze stavební výroby, vyznačující se tím, že vykazuje mezerovitost od 27 do 45 %, v závislosti na křivce zrnitosti a velikosti maximálního zma Di,_max; a obsahuje vždy jednu vybranou frakci recyklovaného betonového kameniva z konstrukčního betonu široké čáry zrnitosti, omezené pouze Di,_max, z deponií tříděných podle velikosti maximálního zma Di,_max: 8, 16, 22, 24, 32 mm, jehož zma jsou obalena minimálním množstvím cementového tmelu, vypočítaným podle povrchu zm, stanoveném na základě křivky zrnitosti podle vzorce

kde:

k je konstanta závislá na tvaru kameniva (uvažováno: 6 pro tvar blízký kulovému tvam zm, pro přírodní drcené kamenivo 10 až 12), p_t,k sypná hmotnost zhutněné směsi kameniva,

Pv,k je objemová hmotnost směsi kameniva,

Σρίά r? je poměr určený ze síťového rozbom kameniva pro zma větší než 0,25 mm a minimálním vodním součiniteli w/c = 0,27;

rovnoměrně rozptýlená syntetická vlákna, mechanicky kotvená mezi zrny recyklovaného kameniva, o délce alespoň 3Di, ma_X v objemu 0,2 až 3 % obj. vztaženo na celkový objem vyráběného kompozitu; a vodu potřebnou pro úpravu konzistence směsi kompozitu pro zpracování pěchováním, válcováním, lisováním.

2. Opakovatelně recyklovatelný mezerovitý vláknobetonový kompozit podle nároku 1, vyznačující se tím, že syntetická mechanicky kotvená vlákna jsou s cementem nesoudržná vlákna a mají délku alespoň 3,5 Dimax.

3. Opakovatelně recyklovatelný mezerovitý vláknobetonový kompozit podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že má nezaplněné mezery, je propustný a vhodný pro zemní konstrukce, zejména pro ztužení jejich průřezů.