Stavební a demoliční odpad v konstrukci pozemních komunikací

Stavební a demoliční odpad (tzv. betonový nebo směsný recyklát) patří po případné úpravě mezi často recyklované stavební materiály. Použití betonového nebo směsného recyklátu v pozemních komunikacích se velmi intenzivně sleduje například v severských zemích, kde byla postavena řada zkušebních úseků s použitím betonového recyklátu jako hlavní složky stavebního materiálu do ?road-base? a ?sub-base? (horní a spodní podkladní vrstvy pozemních komunikací), případně do obou vrstev. Zkušenosti ze staveb spolu s laboratorními zkouškami napovídají, že tento materiál má řadu vlastností stejně dobrých, jako materiály běžně používané do konstrukce.

Zahraniční zkušenosti a Česká republika

Všeobecně je nutné upravit některé zkušební postupy pro tyto druhotné materiály, například v Norsku byly navrženy změny ve zkoušce odolnosti proti zmrazování a rozmrazování, případně nalezeny nové zkušební postupy a nahrazeny zastaralé omezující technické předpisy. Velký důraz je kladen na použití funkčních zkoušek, které lépe než empirické zkoušky simulují chování zhutněných směsí v konstrukci vozovky. Typickým příkladem takové zkoušky simulující funkční chování je cyklická triaxiální zatěžovací zkouška. Modeluje dynamické dopravní zatížení vznikající od náprav těžkých nákladních vozidel, které přenáší právě podkladní vrstva vozovky. Výsledkem cyklického triaxiálního zkoušení je stanovení návrhového modulu pružnosti zkoušeného materiálu a trvalé deformace při velkém počtu impulzního zatížení. Právě návrhový modul pružnosti je velmi důležitý při srovnávání pevnostních charakteristik zhutněných směsí z přírodního kameniva a stavebně demoličního odpadu (SDO).
V USA probíhají zkoušky opakovaným zatěžováním zhutněných nestmelených směsí používaných do pozemních komunikací řadu let. Američané vytvořili rozsáhlou databázi výsledků měření, modulů pružnosti materiálů spolu s jejich charakteristikami (optimální vlhkost, maximální objemová hmotnost, index plasticity, atd.). Na základě studie použití SDO navrhli univerzální základní rovnici pro výpočet modulu pružnosti, která po provedení regresní analýzy vyhovovala pro 92 % hodnot celé databáze. Podle tohoto výsledku zařazují použití recyklovaného kameniva do konstrukcí vozovek pozemních komunikací.
V České republice se zkoušením cyklického zatěžování nestmelených směsí do konstrukčních vrstev vozovek zabývá silniční laboratoř Ústavu pozemních komunikací Fakulty stavební VUT Brno. Hlavním cílem porovnání směsí z přírodního a SDO materiálu je určit možnosti jeho použití do konstrukcí vozovek nejen ve ?zvláštních? případech. Pokud tyto materiály vyhoví uvedenému funkčnímu zkoušení, je třeba specifikovat tento materiál do návrhových metod konstrukcí vozovek jako vhodný nebo podmínečně vhodný pro použití do spodních podkladních vrstev vozovek a mechanicky zlepšeného (upraveného) podloží pozemní komunikace.

Charakteristika SDO do pozemních komunikací

Pevnostní charakteristiky a únosnost SDO závisí na kvalitě materiálu (zdivo, beton), ze kterého je recyklát vyroben. Velký vliv na chování recyklátu má jeho ?čistota?, materiály jako dřevo, plasty, nízkopevnostní beton, cihly a ocelová výztuž degradují vlastnosti výsledného produktu - recyklovaného kameniva. V současnosti jsou v ČR již dostupné mechanizmy, které dokáží do velké míry cizorodý materiál z SDO separovat. Zkušenosti s použitím recyklovaného betonu do pozemních komunikací jsou velmi dobré. Jeho charakteristiky jsou srovnatelné s přírodními materiály používanými do vozovky. Je však nutné vyhodnotit důležité vlastnosti v konkrétním prostředí.
V současné době se mění zavedením nových EN norem základní požadavky na nestmelené směsi. Požadavky na zrnitost nestmelených směsí, do kterých se podle nové ČSN EN 13 285 řadí i SDO, jsou specifikovány dolním a horním intervalem přípustné zrnitosti. Tyto intervaly jsou podle nové EN rozšířeny a posunuty do oblasti hrubozrnných částic. Důležitou ?problematickou? vlastností recyklovaného materiálu, hlavně pokud jde o směsný recyklát s velkým obsahem cihelných a jemnozrnných částic, je zvýšená otlukovost. Odolnost proti drcení (otlukovost) zkouškou Los Angeles (LA) se pohybuje u uvedených směsných materiálů mezi 60 až 70 %, přičemž maximální hodnota LA pro přírodní kamenivo je 40 %, příp. 50 %. Z tohoto důvodu se dnes nedoporučuje používat směsný recyklát s významným obsahem cihelných částic do podkladních vrstev, ale spíše do horní vrstvy násypu nebo do podloží vozovky. Je to optimální materiál pro úpravu nevhodných vlastností zejména jemnozrnných zemin v podloží pozemní komunikace. Přítomnost cihelného drceného materiálu způsobí snížení vlhkosti zeminy v podloží a po promíchání upraví nevhodnou zrnitost zeminy do přijatelných hodnot. V případě směsných recyklátů s významnou přítomností cihelné drtě je důležitá odolnost proti mrazu a vodě, která přímo souvisí s nasákavostí recyklovaného kameniva. Ve stavu přirozené vlhkosti SDO je odolnost proti mrazu dobrá, avšak při nasycení vodou, nejhůře s obsahem soli, odolnost proti mrazu rapidně klesá. Na rozdíl od této vlastnosti směsného recyklátu je odolnost proti zmrazování a rozmrazování betonového recyklátu stabilnější.
Dobré vlastnosti recyklovaného betonu se potvrdily například na zkušebním úseku v Norsku, kde byl do podkladní vrstvy použit kvalitní drcený beton frakcí 0/100 mm a 20/100 mm do spodní podkladní vrstvy na velmi zatížené komunikaci. Byla provedena řada měření v průběhu stavby i po jejím dokončení. Při dlouhodobém pozorování byl zjištěn nárůst tuhosti. Z původních hodnot modulů pružnosti Er = 350-650 MPa (vyšší hodnoty pro frakci 20/100 mm), určených v laboratoři v cyklickém triaxiálním přístroji na válcových vzorcích o průměru 300 mm a výšce 600 mm, byl po roce a půl provozu naměřen značný nárůst tuhosti pomocí deflektometru (FWD), zpětným výpočtem byl určen modul pružnosti pro frakci 0/100 mm 800-900 MPa. Vzorky zkoušené po 100 dnech vykazovaly nárůst modulů pružnosti a odolnosti proti vzniku trvalé deformace, zejména frakce 0/100 mm (s obsahem jemných částic). Stanovení poměru únosnosti CBR ukázalo dostatečnou únosnost (CBR = 120-130 %). Byla zjištěna značná pórovitost, absorbce vody je tedy mnohem větší než u přírodního materiálu a je nutné hodnotit odolnost proti zmrazování a rozmrazování a odolnost proti solím (zkouška síranem hořečnatým). Na druhou stranu přidáním vody se zlepšila zpracovatelnost, zhutnitelnost a při výstavbě nedocházelo k přílišnému drcení recyklátu.
České technické podmínky TP 170 navrhují hodnoty modulů pružnosti Er pro štěrkodrtě 400 MPa a pro nejkvalitnější, nestmelenou podkladní vrstvu MZK - mechanicky zpevněné kamenivo 600 MPa. Zkušenosti s použitím recyklovaného betonu do pozemních komunikací jsou tedy velmi dobré, jeho charakteristiky jsou maximálně srovnatelné s přírodními materiály používanými do vozovky. Pro použití do nestmelených podkladních vrstev je nutné vyhodnotit kromě zrnitosti také otlukovost a odolnost proti mrazu a vodě v konkrétním prostředí uložení SDO do podkladní vrstvy pozemní komunikace.

¤ Betonový recyklát frakce 32/63 mm

Ekonomické zhodnocení

Vždy, když se jedná o nahrazení klasického stavebního materiálu v konstrukci něčím novým nebo recyklovaným, je mezi důležitým hodnocením i porovnání cen používaných úprav i s dopadem na úpravu technologií výroby nebo pokládky. V tomto případě je největší rozdíl mezi porovnávanými stavebními materiály v ceně samotných surovin (viz tab. 1) a dále v použití výrobního zařízení.
V současné době je rozdíl mezi cenou přírodního kameniva a kameniva recyklovaného v poměru 2x až 4x vyšší při cenách za tunu materiálu. Nespornou výhodou výroby recyklovaného kameniva je současný velký vývoj mobilních drticích a třídicích linek. Tato multifunkční zařízení mohou drtit recyklovaný materiál a zároveň třídit na požadované frakce. Další důležitou možností těchto zařízení je separace cizorodých, zejména dřevěných, železných, příp. ocelových součástí recyklátu.

¤ Tab. 1. Srovnání cen přírodních materiálů a SDO. Pozn.: Ceny (v Kč) jsou aktuální k 30. 4. 2007; pro zahliněný materiál.

Cyklická triaxiální zkouška

Funkčním zkoušením v cyklickém triaxiálním přístroji se aplikují na válcový vzorek známé hodnoty napětí. Takto modelovaný stav napjatosti odpovídá reakci na pojezd jednotlivého kola těžkého nákladního vozidla, v místě přímo pod kolem. Svislé napětí σ₁ představuje reakci na svislé zatížení od dopravy a boční napětí σ₃, tzv. komorový tlak, vyjadřuje odpor okolního materiálu vůči svislému dopravnímu zatížení. V reálné vozovce působí boční tlaky různé velikosti a platí vzájemný vztah σ₁ > σ₂ > σ₃. Zkoušení za těchto podmínek umožňuje pravý triaxiální přístroj. Pro potřeby běžného silničního laboratorního zkoušení uvažujeme rovnost bočních tlaků σ₂ = σ₃, vztah mezi napětími tedy zjednodušujeme na σ₁ > σ₂ = σ₃.

Měření a výpočet modulu pružnosti E_r a trvalých deformací ε_r

Bylo provedeno měření pružného chování v cyklickém triaxiálním přístroji. Vzorky přírodních a SDO materiálů byly vystaveny cyklickému zatěžování podle ČSN EN 13286-7, metoda B (metoda konstantního komorového tlaku) při vysoké i nízké úrovni napětí. Výsledkem zkoušení jsou moduly pružnosti zkoušeného materiálu pro příslušné svislé napětí. Výsledné hodnoty jsou průměry ze 100 vypočítaných hodnot (σ₁, ε₁^r, E_r) pro každou dráhu napětí.

Zhodnocení použití SDO do vozovek

Výsledky porovnání směsí přírodního kameniva a směsí SDO ukazují na možnost využití betonového a směsného recyklátu do konstrukčních vrstev pozemních komunikací. Zvláště výsledky měřených modulů pružnosti (tab. 2) dokazují, že lze recyklované kamenivo použít do spodních podkladních vrstev navrhovaných v běžných návrzích jako mechanicky zpevněná zemina, případně jako štěrkodrť (ŠD_B) podle ČSN EN 13285 (NA), kde je možné uvažovat s návrhovým modulem pružnosti od 250 MPa. Při běžném používání SDO do konstrukčních podkladních vrstev vozovek pozemních komunikací je vhodné doplnit funkční zkoušení ještě ověřením vhodné zrnitosti nestmelené směsi, odolnosti proti drcení a odolnosti proti zmrazování a rozmrazování. Při použití SDO do liniových staveb je jen škoda, že jsou jeho zdroje omezeny. Cestou k výraznějšímu využití tohoto materiálu a zároveň šetření přírodních zdrojů kameniva je složení nestmelených směsí z přírodního kameniva a z SDO.

Tento příspěvek vznikl v souvislosti s řešením a za podpory výzkumného projektu Ministerstva dopravy ČR č. 1F45B/066/120 ?Zavedení evropských norem týkajících se specifikací materiálů pro zlepšení provozní způsobilosti, životnosti a bezpečnosti dopravy?.

¤ Tab. 2. Shrnutí výsledků stanovení modulů pružnosti zkutněných nestmelených směsí

Použitá literatura
[1] ČSN EN 13285 Nestmelené směsi - Specifikace, 2006
[2] EN 13286-7 Unbound and hydraulically bound mixtures - Part 7: Cyclic load triaxial test for unbound mixtures, leden 2004
[3] Stejskalová, P.: Funkční zkoušení materiálů do vozovek pozemních komunikací, diplomová práce, VUT Brno, FAST, Ústav pozemních komunikací, 2006
[4] Barksdale R. D., Alba J.: Laboratory determination of resilient modulus for flexible pavement design: Final report, 1997. Dokument dostupný na URL http://darwin.nap.edu/books/nch014/html (říjen 2006)
[5] Paute J., Marignier J., Vidal B.: Le triaxial à chargements répétés LPC pour l’étude des graves non traitées, 1994
[6] Leitnerová H.: Funkční zkoušení zemin a materiálů pro pozemní komunikace, diplomová práce, VUT Brno FAST, říjen 2005
[7] Aurstad J. aj.: Evaluation of unbound crushed concrete as road building material - A field and laboratory study. Dokument dostupný na URL http://www.minalab.org/upload/126.pdf (říjen 2006)
[8] Stehlík D.: Využití recyklovaného materiálu do konstrukce vozovek pozemních komunikací, sborník mezinárodní konference RECYCLING 2007, Brno 3/2007, ISBN 978-80-214-3381-6
[9] Stehlík D.: Ověření využití druhotných surovin do pozemních komunikací, DÚ 5, výzkumný projekt MD č. 1F45B/066/120 ?Zavedení evropských norem týkajících se specifikací materiálů pro zlepšení provozní způsobilosti, životnosti a bezpečnosti dopravy?, 2002-2007