V současnosti je celosvětovou snahou minimalizovat produkci jakéhokoliv odpadu. Nově nastolené trendy se velmi silně dotýkají stavebnictví, které je závislé na omezených zdrojích přírodních a nerostných surovin. Stavebnictví spotřebuje zhruba tolik nerostných zdrojů, kolik veškeré další průmyslové obory dohromady. Přitom v ČR za posledních 30 let nebyl otevřen žádný nový kamenolom, byť experti odhadují, že kapacita těch stávajících bude nejpozději za sedm let z poloviny vyčerpána.
Není tedy překvapením, že se pod drobnohled materiálových inženýrů a expertů na cirkulární ekonomiku již před mnoha lety dostala problematika demolice staveb. Velmi intenzivně se hledají možnosti, jak bezezbytku využít stavební a demoliční odpad, který je z velké části zastoupen betonem. Až donedávna si vědci lámali hlavu nad problémem, jak využít jeho velmi jemné frakce kameniva (menší než 1 mm). Kvůli značně heterogenním vlastnostem totiž nebylo možné tento materiál efektivně recyklovat, a tak končil na skládkách nebo se stal součástí různých zásypů a násypů. Díky podpoře GA ČR se ovšem skupině vědců pod vedením docenta Pavla Tesárka z Fakulty stavební Českého vysokého učení technického v Praze podařilo dokázat, že i tento materiál lze proměnit v hodnotnou surovinu a efektivně ji využít při výrobě nových stavebních materiálů a konstrukcí.
Snímek z elektronového mikroskopu, na kterém lze vidět strukturu mikromletého betonového recyklátu. Ze snímku je patrná velikost zrn, která jsou sto- až tisíckrát menší než zrna původní frakce s velikostí do 1 mm.
V rámci projektu „Možnosti využití mikromletého recyklovaného betonu jako mikroplniva s pojivovými vlastnostmi“ byly tyto jemné frakce upraveny pomocí progresivní technologie mikromletí. Vznikla tak zrna sto- až tisíckrát menší než 1 milimetr. Popisovanou úpravou došlo nejen ke sjednocení frakce kameniva a zbytků ztvrdlého cementového pojiva, ale i k obnažení nezhydratovaných zrn cementu. Vzniklá moučka vykazovala nejen parametry mikroplniva, ale v určité míře i pojiva. Pojivové schopnosti moučky mohou částečně suplovat funkci portlandského cementu, což s sebou přináší další značný benefit pro životní prostředí, zejména přihlédneme-li k faktu, že výroba cementu za sebou kvůli vysokým teplotám výpalu zanechává značnou ekologickou stopu.
Hledání efektivního využití mikromletého betonu si kvůli své komplexní problematice vyžádalo tříleté zapojení zhruba dvaceti osob včetně doktorandů a studentů z Fakulty stavební ČVUT v Praze. Dva doktorandi na dané téma obhájili své disertační práce, další tři studenti diplomové práce. Výzkum byl veden na Katedře mechaniky, ale zapojeny byly i další součásti katedry. Klíčové role při řešení projektu zastávali mladí vědci Ing. Zdeněk Prošek, Ph.D., Ing. Václav Nežerka, Ph.D., a Ing. Jan Trejbal, Ph.D.
Snímek z elektronového mikroskopu, kde lze vidět zapojení mikromletého betonového recyklátu do struktury vyrobené cementové pasty. Betonový recyklát v tomto případě plní funkci mikroplniva a vyplňuje porézní strukturu.
Řešení projektu si vyžádalo aplikaci nejen standardizovaných experimentálních metod, ale i vývoj zcela nových a specifických postupů. Funkci a parametry materiálu bylo nutné zkoumat v souvislostech přes širokou škálu měřítek od úrovně nano/mikro až po makrostrukturu. Zkoumáno bylo několik typů betonového recyklátu. Za všechny jmenujme železobetonové železniční pražce, části konstrukce betonových krytů dálnic či více než sto let staré konstrukční prvky železobetonové průmyslové stavby. Všechny tyto materiály bylo nejprve nutné velmi přesně charakterizovat, protože vlastnosti recyklátu ovlivňuje jeho materiálové složení, stáří a vystavení povětrnostním vlivům atd.
Během zpracování odpadu je podstatný proces hrubé recyklace a třídění na jednotlivé materiály a frakce podle velikosti zrn a obsahu zatvrdlé cementové pasty a kameniva. V rámci projektu byly zkoušeny i různé způsoby drcení. Kromě jemných frakcí odpadního betonu byly používány i odprašky z těžby hornin (např. mramoru, vápence nebo žuly) a vybrané druhotné suroviny (např. struska nebo popílek). Projekt se zaměřil také na optimální poměry zastoupení jednotlivých složek s ohledem na výsledné sledované užitné vlastnosti, jako jsou mechanické, vlhkostní a tepelně-technické vlastnosti. Zároveň byly nové materiály navržené tak, aby byly po ukončení své životnosti plně recyklovatelné.
Snímky z elektronové mikroskopie, kde lze vidět vliv progresivní technologie mikromletí. Na obrázku A) lze vidět původní beton před recyklací a na obrázku B) lze vidět mikromletý betonový recyklát.
Součástí výstupů je i software, který předpovídá výsledné materiálové vlastnosti směsí na základě složení a naměřených dat. Výsledky projektu byly průběžně publikované na českých i zahraničních odborných konferencích a v impaktovaných časopisech, v současné době mají publikace dohromady již přes 30 citací.
V současné době probíhají snahy převést výsledky ze základního výzkumu z projektu do praxe. Za tímto účelem jsou testovány např. lehčené bloky na bázi cementu, ve kterých je část pojiva nahrazena mikromletým betonovým recyklátem a dalšími vhodnými druhotnými surovinami. Kamenivo je ze 100 % nahrazeno recyklátem. Nové bloky mají srovnatelné materiálové vlastnosti např. s pórobetonovými tvárnicemi.
Ukázka obrazové analýzy pro popis tvaru částic mikromletého betonového recyklátu, která byla použita pro popis vlivu různého způsobu mikromletí. Na snímku lze vidět původní snímek z elektronové mikroskopie (A), následně byla jednotlivá zrna zvýrazněna (B) a pomocí software nahrazena elipsami (C), která nejlépe popisuje tvar zrna. Z parametrů elipsy byl následně stanovený tvarový součinitel pro upravený betonový recyklát.
Díky podpoře projektu GA ČR a v něm dosažených výsledků bylo možné pokračovat v další výzkumné činnosti v oblasti recyklace a řešit navazující projekty. Podívejte se na podrobnosti k projektu GA ČR, včetně odkazů na dosažené výsledky a další snímky.