Využití průmyslových odpadních materiálů při výrobě stavebních hmot

Důležitou oblastí je snaha o co nejefektivnější a nejšetrnější využívání surovinových zdrojů vzhledem k míře jejich neobnovitelnosti, nepřemístitelnosti a vzácnosti, z čehož vyplývá například redukce přebytků stavebních hmot na staveništích, stavebních odpadů a podpora jejich recyklace a také tlak na využití značného množství různých velkoobjemových průmyslových odpadních materiálů, které lze s jistým ekonomickým efektem využít ve stavebnictví jako pojiva, přísady a plniva zejména pro výrobu lehkých a lehčených umělých kameniv, různých druhů betonu, betonových výrobků, suchých směsí a cementu apod. Takto lze použít různé typy produktů spalování, strusek z hutního průmyslu, recyklovaný stavební odpad, zbytky z těžby a dobývání nerostných surovin, odpad z výroby skla, kaly, slévárenské písky, odpadní sádrovce, odpadní jíly, dřevní odpad aj. Produkce odpadních materiálů se dostává do popředí zájmů ze tří hlavních důvodů:

• environmentální - možnost úniku toxických látek, znečištění životního prostředí, nedostatek ploch pro zakládání skládek atp;
• zdravotní - vliv na kvalitu života obyvatel žijících v blízkosti skládek či spaloven, v souvislosti s předchozím hlediskem možnost poškození lidského zdraví;
• ekonomický - ztráta zdrojů, které mohou být znovu využity, dodatečné náklady na skládkování, spalování, řešení starých zátěží atd.

Odpadní materiály jsou ve formě druhotných surovin přínosné z technologického, environmentálního i ekonomického hlediska. Používají se buď jako náhrada klasické (primární) suroviny, nebo se vnášejí do technologie cíleně, a to díky svým mimořádným vlastnostem, které mohou zlepšit parametry výsledné stavební hmoty oproti použití suroviny primární. Beton může např. obsahovat až 75 % vybraných odpadních materiálů ve formě kameniva. Využití některých druhů produktů spalování nebo strusek umožňuje snižovat obsah cementu v betonech, aniž by to negativně ovlivnilo jejich pevnost. Nižší potřeba slínku pak přispívá ke snižování objemu emisí oxidu uhličitého. Existují i odpadní materiály (například energosádrovec), které jsou schopné zcela nahradit přírodní materiály, přičemž u nich odpadají náklady spojené s těžbou.
Využití odpadních materiálů ve stavební výrobě však vyžaduje vyřešení celé řady problémů. Odlišný charakter jednotlivých odpadů znamená především široké spektrum různých vlastností, které ovlivňují charakter budoucí stavební hmoty. Obecně lze pro stanovení využitelnosti rozdělit odpadní materiály do následujících kategorií:

• ekologicky inertní odpadní materiály jsou produkované v největších objemech a nejsou zdravotně závadné. Jejich fyzikální a chemické vlastnosti nesplňují všechny požadavky pro využití v běžné výrobě. Cílem je jejich zapracování do stavebních produktů vhodných užitných vlastností;
• odpadní materiály s obsahem toxických složek snáze zpracovatelných jsou produkované ve velkých objemech. Přestože obsahují toxické složky, jsou po stránce fyzikálních a chemických vlastností vhodné pro běžnou výrobu. Cílem je zajistit stabilizaci toxických složek v pevné matrici výsledné hmoty;
• odpadní materiály s toxickými složkami obtížně zpracovatelnými jsou produkovány v menších, ale stále významných objemech. Kromě obsahu toxických složek nesplňují jejich fyzikální a chemické vlastnosti většinu požadavků pro využití v běžné výrobě. Proto je lze využívat pouze v malých množstvích a jejich zpracování je náročné po ekologické i ekonomické stránce. Cílem je stabilizace toxických složek v pevné matrici a dobrá technologická zpracovatelnost výsledné hmoty.

Rozdělení a využití průmyslových odpadních materiálů (POM)

Odpady z elektrárenských a teplárenských provozů
Jedná se o odpady vzniklé při spalování uhlí v elektrárnách a teplárnách. Zahrnují popílky a škváru z vysokoteplotního spalování a popely a popílky z fluidního spalování. Vysokoteplotní popílky a škvára vznikají spalováním uhlí při teplotách okolo 1200-1700 °C. Fluidní spalování je technologie, jejímž principem je spalování paliva spolu se sorbentem, který se přidává do spalovacího prostoru podle obsahu síry v uhlí. K tomuto účelu se používá např. mletý vápenec, který je důvodem vyššího obsahu CaO v tomto popílku. Spalování probíhá při teplotě cca 850 °C. Použití popílku může znamenat úsporu cementu nebo vápna ve stavebních hmotách.
Oba typy popílků se uplatňují ve výrobě betonů, betonových výrobků, pórobetonu, v cihlářské výrobě, při výrobě cementu, suchých omítkových, zdicích, zálivkových a jiných speciálních směsí a tmelů, umělého kameniva, jako zásypy, obsypy, stabilizace zemin a jako výplňový a rekultivační materiál. Problémem pro jejich použití ve výrobě stavebních hmot je značná variabilita vlastností, která je způsobena kvalitou uhlí, typem kotlů, poměry při spalování a dalšími podmínkami vzniku. Ve světě jsou produkty spalování běžně komerčně využívány (téměř 90 let), pokud mají vhodné technologické i ekologické vlastnosti. V České republice se v současné době využívá cca 10-15 % popílků.

Struska

Strusky jsou pevné nekovové doprovodní výrobky hutní výroby, které vznikají roztavením hlušin rudy, přídavků struskotvorných látek a minerálních podílů z pevných paliv. Pro potřeby ve stavebnictví se uplatňuje zejména vysokopecní struska, což je ztuhlý roztok neželezných kovů a dalších složek, vznikající při výrobě surového železa. Je využívána např. jako kamenivo do betonu, ke stavbě vozovek a kolejového lože, přidává se do cementářských slínků při výrobě železoportlandského cementu. V jemně mleté formě ji lze využít na přípravu silikátových nátěrových hmot, kde umožňuje zvýšení mikrotvrdosti a obrusnosti, aniž by byla zhoršena vodotěsnost, mrazuvzdornost, propustnost pro vodní páry a difuzi CO₂. Náhrada přírodního křemičitého písku jemně mletou struskou je velmi výhodná i z ekonomického hlediska.
Podobně lze využít i ocelárenskou strusku, což je značně tvrdý materiál s vlastnostmi kameniva, vznikající při výrobě oceli. Tato struska se vyznačuje proměnlivým chemickým složením v závislosti na principu metalurgického pochodu a může obsahovat více škodlivých složek než struska vysokopecní. Lze ji využít v dopravním stavitelství a ostatních příbuzných oblastech.
Přídavek strusky umožňuje dosažení lepších vlastností betonu oproti betonům z přírodního kameniva (například pevnost v tlaku, objemová stabilita, odolnost proti síranům a chloridům, požární odolnost).

¤ Navrhovaná výroba musí být efektivní nejen po ekonomické stránce, ale současně i po stránce environmentální

Energosádrovec

Česká republika patří mezi země s malými a nízkohodnotnými zásobami přírodního sádrovce, který je těžen v jediném ložisku v Kobeřicích u Opavy. Vzhledem k nižší kvalitě a problematické dostupnosti (například v době povodně v roce 1997) i z hlediska ekonomického je postupně od používání tohoto sádrovce upouštěno a v současné době je z větší části nahrazen odpadními sádrovci (energosádrovec, odpadní sírany ze skláren, odpadní sírany z chemického průmyslu, tj. chemosádrovec, fosfosádrovec, citrosádrovec, syntetický anhydrit aj.). Jedná se většinou o chemicky velmi čisté suroviny s obsahem sádrovce a anhydritu nad 90 %, které jsou z hygienického i ekologického hlediska (vč. zjištěné přirozené radioaktivity) považovány za nezávadné.
Nejvíce využívaným typem odpadních sádrovců je v současné době jednoznačně energosádrovec, který vzniká při odsiřování spalin mokrou vápencovou vypírkou. Hlavní rozdíl mezi ním a přírodním sádrovcem spočívá ve fyzikálních vlastnostech - velikost zrna, tvorba typu krystalů a technicky důležitá sypná hmotnost. Energosádrovce obsahují nečistoty, které se v přírodních sádrovcích běžně nevyskytují. Jedná se hlavně o chloridy, fluoridy, rozpustné Mg a Na soli, siřičitan vápenatý a nezreagovaný CaSO₃ (vliv použitého paliva, vápence a dalších přísad). Stupeň bělosti sádrovce z hnědého uhlí se pohybuje v rozmezí 20-40 %, oproti energosádrovci ze spalování černého uhlí se jedná o výrazně tmavší barvu. Energosádrovce jsou v současnosti využívány zejména pro výrobu cementu (jako regulátor tuhnutí nebo jako přídavek do surovinové směsi na vázání většího množství alkálií), k výrobě sádrokartonových desek, omítkových směsí a menší množství k výrobě pórobetonu. Značné množství produkce je mícháno s popílkem a využíváno ve formě stabilizátu k rekultivačním účelům, což považujeme za neefektivní využití jinak kvalitního materiálu. Připravovány jsou technologie dalšího využití energosádrovce, např. výroba sádrových tvárnic nebo sádrotřískových desek.
Využití chemosádrovce (nehořlavý, neagresivní, netoxický a zdravotně nezávadný) je ovlivněno požadavky na barevnost. Bílý průmyslový sádrovec je využíván jako přísada do cementu, k výrobě sádry, sádrových pojiv a pro základní hnojení zemědělských plodin ve všech půdních a klimatických podmínkách. Hydratovaný síran vápenatý polotuhé plastické konzistence okrově rezavé barvy je využíván pro technickou rekultivaci povrchových uhelných dolů, zbytkových jam po těžbě užitkových nerostů, odkališť nebo skládek odpadů, do podsypového materiálu při stavbě silnic a dálnic. Stejným způsobem jsou využívány i další typy odpadních sádrovců.
Syntetický anhydrit (jemný prášek šedé barvy, nehořlavý, nevýbušný, netoxický, vykazující alkalickou reakci vzhledem k malému přebytku CaO) se běžně používá pro výrobu pórobetonu, sádrokartonu, jako složka do samonivelizačních podlah a do cementových a maltových směsí.

Stavební a demoliční odpady

Obecně lze říci, že stavební a demoliční odpady vznikají pří zřizování, údržbě, rekonstrukci a odstraňování staveb a jsou uvedeny v Katalogu odpadů pod skupinou 17. Obsah využitelných látek odpovídá stavebnímu uspořádání a účelu bouraného objektu. Převažující podíl obvykle tvoří cihly, zlomky cihel, omítka, beton, sutě, použité dřevo, úlomky skla, kovový šrot. Minerální látky z demoličního materiálu, např. cihly nebo beton, jsou zpracovávány na drť a moučku a používány ve stavebnictví jako přídavná látka. Skleněné střepy se používají při výrobě skelné vlny a pěnového skla. Vhodné zbytky dřeva se uplatňují při betonování a výrobě prefabrikátů. Z celkového odhadovaného množství stavebních odpadů (cca 8 až 10 mil. tun) je v ČR recyklováno necelých 10 %. To nedosahuje ani poloviny objemů běžných v zemích EU.

Odpady z těžby

Mezi tyto zbytkové materiály se řadí štěrk, kamenivo, písky, jíly a další materiály vzniklé při těžbě, které jsou však zpravidla používány pro zásypy a obsypy. Jílovce, které jsou odpadní surovinou při těžbě hnědého uhlí, je možné využít např. do náplně zemních filtrů ČOV, sorpčních vrstev skládek komunálního a nebezpečného odpadu, na konstrukci bariér s kombinovaným sorpčním a těsnicím účinkem v okolí skládek, komunikací apod. Při výrobě stavebních hmot lze také využít brusné kaly a jiné odpady z řezání a broušení kamene a také odprašky při drcení a mletí, např. jako plnivo ve správkových maltách jako náhradu za vápenec. Pro dosažení optimálních vlastností může maltová směs obsahovat až 80 hm. % brusných kalů. To představuje výrazné snížení nákladů na vstupní surovinu.

Mimo uvedené odpadní materiály existuje ještě řada dalších typů produkovaných v menším objemu, například odpady z papíren, různé typy kalů apod., u nichž lze předpokládat spíše regionální využití.

Hodnocení průmyslových odpadních materiálů

Chceme-li při výrobě stavebních hmot využít některý z uvedených odpadních materiálů, musíme nejprve provést jeho komplexní analýzu. Teprve na jejím základě lze rozhodnout, zda tento materiál použít jako plnivo, pojivo či přísadu, nebo zda od jeho použití raději upustit. Následuje návrh variant cílového produktu a použité technologie. Na základě výsledků zkoušek technologické a ekologické vhodnosti a zhodnocení ekonomických parametrů je vybrána optimální varianta. Požadavky na technologickou vhodnost jsou vztaženy k účelu použití daného produktu a v podstatě odpovídají požadavkům na ?klasické? stavební hmoty. Zkoušky ekologické vhodnosti jsou navrženy tak, aby byl u hmot i výrobků ověřen vliv na životní prostředí a především na lidské zdraví. Hodnocení technologické i ekologické hmotnosti je nastaveno tak, aby finální produkt mohl být uvolněn na trh ČR v souladu se současnými legislativními předpisy. Navrhovaná výroba musí být efektivní nejen po ekonomické stránce, ale současně i po stránce environmentální, což znamená, že neovlivní životní prostředí hůře než dosavadní způsob zneškodňování daného odpadu.

Zkoušky technologické vhodnosti

Zkoušky technologické vhodnosti jsou navrženy jednak ve vztahu k posuzování chování daného odpadního materiálu při simulaci příslušné technologie výroby a dále ve vztahu k účelu použití dané stavební hmoty nebo výrobku a k prostředí, ve kterém bude finální produkt dlouhodobě umístěn (např. vlhkostní a teplotní parametry, tlak a kombinace těchto faktorů). Součástí těchto zkoušek jsou i urychlené zkoušky trvanlivosti, které prokazují délku životnosti stavební hmoty nebo výrobku. Při navrhování zkoušek technologické vhodnosti daného produktu musí být zohledněny základní technické i legislativní požadavky zohledněné zákonem č. 22/1997 Sb., o technických požadavcích na výrobky a o změně a doplnění některých zákonů (v platném znění), a navazujícími předpisy. Důležitou součástí zkoušek technologické vhodnosti daného produktu jsou zkoušky užitné trvanlivosti, a to jak krátkodobé urychlené metody trvanlivosti, tak dlouhodobé (probíhají v reálném prostředí a v reálných časových intervalech).
Ke zkoušení urychlené trvanlivosti se využívají různé metody, které zahrnují kombinované působení jednotlivých faktorů venkovního prostředí tak, aby se jejich účinky mohly projevit stejně jako v reálném prostředí. Pro tyto zkoušky jsou podle metodiky simulace životních cyklů připravována zkušební tělesa s vybranými POM v určeném optimálním obsahu, na kterých jsou v určených časových intervalech sledovány zejména vlivy:

• mrazu a tepla;
• vlhkosti;
• chemicky agresivního prostředí;
• biologicky agresivního prostředí;
• a jiné podle dalších požadavků.

Podle stanoveného časového harmonogramu jsou pak před zahájením, v průběhu i po ukončení simulace životních cyklů monitorovány základní fyzikálně-mechanické a fyzikálně-chemické vlastnosti a další požadované technické a ekologické parametry.
Jedním z dlouhodobě sledovaných parametrů je objemová stálost hmoty, stanovovaná na zkušebních tělesech v závislosti na čase a zkušebním prostředí, v němž jsou tělesa uložena. Sledování objemových změn vyráběných hmot a výrobků má z hlediska jejich užitné trvanlivosti zásadní význam. Mohou vést k výraznému poklesu původně dosažených nejen technických, ale i ekologických parametrů a často až k úplné destrukci těchto hmot. Objemové změny se projevují smršťováním nebo roztažností hmoty. Jsou ovlivňovány prostředím, v němž se hmota vytváří a dále aplikuje, tj. vlhkostí, teplotou, tlakem, kombinací těchto faktorů a dalších. Dále závisí na řadě veličin, které charakterizují příslušnou hmotu. Důležitým faktorem je i technologie výroby dané výsledné hmoty, tj. zejména způsob a podmínky její homogenizace za sucha či za mokra, formování, tuhnutí a tvrzení aj. Jestliže jsou vstupními druhotnými surovinami vneseny do hmot škodlivé složky v rizikových koncentracích a mineralogických podobách, lze předpokládat zvýšený výskyt objemových změn.
Příkladem trvanlivostních zkoušek mohou být výsledky nejpoužívanější metody - stanovení mrazuvzdornosti betonu podle ČSN 73 1322. Naměřené hodnoty pevnosti v tlaku jsou porovnány s hodnotami pevnosti v tlaku zkušebních těles nepodrobených zkoušce mrazuvzdornosti (standardní zkušební sada). Stanovuje se tzv. index mrazuvzdornosti, jenž odpovídá poměru hodnot pevnosti v tlaku před zkouškou ve vztahu k hodnotě pevnosti v tlaku po zkoušce. Jestliže hodnota indexu mrazuvzdornosti je větší nebo rovna 0,75, lze zkušební tělesa označit jako mrazuvzdorná. Z vizuálního hodnocení vyplývá, že u některých zkušebních těles dochází k rozpadu ještě před ukončením zkoušky.
Dosažené výsledky z dlouhodobých zkoušek jsou srovnávány s výsledky urychlených trvanlivostních zkoušek. Výsledky z dlouhodobých zkoušek po cca 270 dnech reálného uložení (viz spodní část obrázku) korespondují s výsledky urychlených trvanlivostních zkoušek po zkoušených cyklech mrazuvzdornosti.

¤ Grafické znázornění metodického postupu testování vhodnosti POM určených pro použití ve stavebnictví a příbuzných oblatech

Zkoušky ekologické vhodnosti

Základním předpokladem při volbě odpadního materiálu pro výrobu stavebních hmot a výrobků je, že tyto materiály nebudou ohrožovat ani zhoršovat jednotlivé složky životního prostředí, tzn. podzemí i povrchové vody, horninové prostředí, faunu, flóru, půdu i ovzduší, a veřejné zdraví. K ověření těchto faktorů slouží zkoušky ekologické vhodnosti, tj. testy a zkoušky, jejichž účelem je vyloučit možné negativní vlivy na životní prostředí. Také zkoušky ekologické vhodnosti se řídí platnou legislativou a provádějí se jak z pohledu samotného odpadu, tak z pohledu konečného produktu na bázi odpadních materiálů. Výsledky ekologické vhodnosti se posuzují i z časového hlediska pomocí testů vyluhovatelnosti a ekotoxicity na zkušebních tělesech (např. po zkouškách urychlené trvanlivosti).
Zkoušky ekologické vhodnosti zahrnují stanovení:

• ekotoxicity;
• hmotnostní aktivity přírodních radionuklidů;
• nebezpečných látek ve výluhu;
• nebezpečných látek v sušině.

Pokud je podezření, že by se v odpadu mohly nacházet organické látky, provádí se též jejich stanovení, např. PAU (polycyklické aromatické uhlovodíky).

Stanovení ekotoxicity

Ekotoxicita je definována vyhláškou č. 376/2001 Sb., o hodnocení nebezpečných vlastností odpadů, se změnou ve vyhlášce 502/2004 Sb. Zkouška se provádí na čtyřech druzích organizmů a řídí se:

• ČSN EN ISO 7346-2 - Stanovení akutní letální toxicity látek pro sladkovodní ryby;
• ČSN EN ISO 6341 - Zkouška inhibice pohyblivosti Daphnia magna Straus (Cladocera, Crustacea) - Zkouška akutní toxicity;
• ČSN EN ISO 8692 - Zkouška inhibice růstu sladkovodních zelených řas;
• Metodický pokyn odboru odpadů ke stanovení ekotoxicity odpadů uveřejněný ve Věstníku MŽP č. 4/2007, dále vyhláškou č. 294/2005 Sb. a vyhláškou č. 376/2001 Sb. - test inhibice růstu kořene hořčice.

Stanovení hmotnostní aktivity přírodních radionuklidů
Měření a hodnocení obsahu přírodních radionuklidů se provádí na základě zákona č. 18/1997 Sb. o mírovém využívání jaderné energie a ionizujícího záření (atomový zákon) a o změně a doplnění některých zákonů, a jeho prováděcí vyhlášky č. 307/2002 Sb. ve znění pozdějších předpisů se změnou ve vyhlášce č. 499/2005 Sb. Měří se hmotnostní aktivita ²²⁶Ra, ⁴⁰K a ²²⁸Th. Z naměřených hodnot se stanoví index hmotnostní aktivity, jehož maximální hodnoty pro jednotlivé kategorie stavebních materiálů jsou dány vyhláškou 499/2005 Sb.

Stanovení nebezpečných složek ve výluhu

Stanovení škodlivých složek ve výluhu odpadů se opírá o vyhlášku č. 383/2001 Sb., o podrobnostech pro nakládání s odpady, vyhlášku 294/2005 Sb., o podmínkách ukládání odpadů na skládky a jejich využívání na povrchu terénu a změně vyhlášky č. 383/2001 Sb., a vyhlášku č. 376/2001 Sb., o hodnocení nebezpečných vlastností odpadů. V případě využívání ve stavebnictví se řídí nařízením vlády 163/2002 Sb., kterým se stanoví technické požadavky na vybrané stavební výrobky se změnou v nařízení vlády č. 312/2005 Sb., popř. Metodickým doporučením SZÚ pro hodnocení škodlivých a nežádoucích látek uvolňujících se z vybraných skupin výrobků pro stavby do vody a půdy.
Ve vodném výluhu se stanovují chloridy, sírany, fluoridy, As, Ba, Cd, Cr celkový, Cu, Hg, Ni, Pb, Sb, Se, Zn, Mo, rozpuštěné látky a pH. Pokud je podezření na přítomnost organických látek, stanovuje se též obsah rozpuštěného organického uhlíku a fenolový index. Postup a hodnocení vyluhovatelnosti je v přílohách 2 a 12 vyhlášky č. 294/2005 Sb.

Stanovení nebezpečných složek v sušině

Stanovení škodlivých složek v sušině odpadů vychází ze stejné legislativy jako v případě vodného výluhu. V sušině se stanovuje As, Cd, Cr celkový, Hg, Ni, Pb, V, EOX (extrahovatelné organicky vázané halogeny), BTEX (suma čtyř typů monocyklických aromatických uhlovodíků), PAU (suma dvanácti polycyklických aromatických uhlovodíků), suma uhlovodíků C₁₀ až C₄₀ a PCB (suma sedmi kongenerů polychlorovaných bifenylů). Ke stanovení organických látek se opět přistupuje při podezření na jejich výskyt. Nejvyšší přípustné koncentrace těchto škodlivin jsou uvedeny v příloze č. 10 vyhlášky 294/2005 Sb. Zkouškami ekologické vhodnosti výrobků z POM nebo zkušebních těles, která výrobek simulují, se zjišťuje ekologická vhodnost stavebního materiálu. Stanovují se stejné ukazatele jako v případě testování odpadů. Vodný výluh se dělá z celých zkušebních těles a vyhodnocení výsledků se provádí ve vztahu k jejich povrchu, který má být cca 550-650 cm², což je uvedeno v ČSN 72 2071:2000 ?Popílek pro stavební účely - Společná ustanovení, požadavky a metody zkoušení?. Grafické znázornění metodického postupu testování vhodnosti POM určených pro použití ve stavebnictví a příbuzných oblastech uvádí přiložené grafické znázornění.

Závěr

V oblasti výroby stavebních hmot na bázi odpadních materiálů dochází v poslední době ke značnému rozvoji. Tento trend souvisí jednak s omezenými zdroji materiálů nových a hlavně s tlakem na minimalizaci odpadů ukládaných na skládky. Je však třeba připomenout, že hmoty a výrobky na bázi druhotných surovin musí dlouhodobě splňovat určité parametry, které jsme vyjádřili termíny technologická a ekologická vhodnost. Aby byl výsledný produkt konkurenceschopný, musí splňovat i ekonomické parametry, tzn. vždy je nutné volit technologii s minimální možnou energetickou náročností a maximálním využitím všech surovin. Obecně platí, že veškeré ekonomické (ale i ekologické) ukazatele u nově koncipovaných technologií nesmí dosahovat horších hodnot než u technologií stávajících. Technologie využívající druhotné suroviny mohou vést ke zlepšení užitných vlastností konečného výrobku a v některých případech se podílet i na snižování objemu emisí.

Článek vznikl s podporou Výzkumného záměru č. MSM 2623251101 ?Výzkum ekologického zpracování průmyslových odpadních materiálů? (MŠMT ČR).