Beton samozagęszczalny z małą zawartością spoiwa i kruszywem z recyklingu – rozwiązanie ekologiczne czy ekonomiczne?

Self-compacting concrete with low content of binder and recycled aggregates – economical or ecological solution ?

ABSTRACT

Despite the fact that the self-consolidating concrete is present on the market since the 1990s, it still faces a number of problems that limit its use in many countries. In addition to economic barriers typically occurs in Poland ( the standard self-compacting concrete is much more expensive than standard concrete, which is most visible at low classes such as C16/20 and C20/25), there are also problems with a higher shrinkage resulting from the large amounts of grout There are also frequent problems with a high viscosity of the standard self-consolidating concrete, limiting its areas of use.
Development of the concrete technology and, in particular, a new generation of stabilisers (VMA) produced an alternative to the traditional self-consolidating concretes, i.e. the self-consolidating concretes with a low binder content - a content of binder less than 380 kg/m3, or even up to 315 kg/m3.
The low binder content in the new generation of the self-consolidating concretes, comparable to the binder content of standard concretes, makes them more economically competitive. The low viscosity of these mixtures result in much easier application, and the contraction rate lower in comparison to the standard self-consolidating concrete, makes it an ideal substitute of standard concretes.
In the age of sustainable development, the requirements of the certification related to multi-criteria evaluation system such as LEED, BREEAM and DGNB, considerable importance to the issue of CO2 emission reduction. The production of self-compacting concrete with low binder content and also with recycled aggregates result in lower CO2 emissions than production of other self-consolidating concretes with high binder contents. The use of recycled aggregates together with reducing the binder content make the self-compacting concrete more attractive in terms of their environmental impact.
This solution allows to reduce both the heat of hydration due to the low cement content, and also a higher scoring in multi-criteria evaluation building systems, due to the use of materials which are waste.
This paper attempts to present the advantages and disadvantages of economical and ecological analyze of waste material usage such as recycled aggregates in SCC solutions.

1.    WSTĘP

W związku z coraz powszechniejszym stosowaniem systemów oceny wielokryterialnej inwestorzy i wykonawcy starają się zastosować materiały, które przy jak najmniejszych nakładach finansowych pozwolą  uzyskać jak najwyższą punktację. Brak specjalnych nakładów kosztowych czy też minimalne zwiększenie kosztów przy jednoczesnym zwiększeniu punktacji może uatrakcyjnić stosowane rozwiązanie materiałowe. Dlatego zastosowanie betonu z kruszywem z recyklingu wydaje się być bardzo prostym zabiegiem który pozwoli polepszyć uzyskaną ocenę.
Przy projektowaniu nowych obiektów oprócz aspektów ekologicznych brane są również pod uwagę  rozwiązania które poprawią wizualny odbiór konstrukcji. Architekci i projektanci starając się uatrakcyjnić obiekt projektują coraz bardziej skomplikowane kształty często nie zważając na problemy wykonawcze jakie niosą za sobą bardzo wymyślne rozwiązania.
Biorąc pod uwagę wszystkie aspekty tj. konieczność zwiększenia punktacji w systemach oceny wielokryterialnej, minimalne koszty wykonania i konieczność wbudowania w bardzo skomplikowane konstrukcje wydaje się być oczywistym, że rozwiązaniem jest zastosowanie betonu samozageszczalnego o niskiej zawartości spoiwa wyprodukowanego z zastosowaniem kruszywa z recyklingu

2.    Rozwiązania nomowe

Wprowadzenie nowej normy PN-EN 206:2014 sprawia, że produkcja betonu SCC o niskiej zawartości spoiwa z kruszywem z recyklingu z jednej strony staje się łatwiejsza ale z drugiej w znacznym stopniu zostaje ograniczona możliwość zastosowania kruszywa recyklingowego.
Włączenie normy PN-EN 206-9 do normy PN-EN 206 spowoduje, że beton samozagęszczalny będzie traktowany jako rozwiązanie standardowe i może ułatwić użycie tego materiału.
Jednakże wprowadzone ograniczenia odnośnie stosowania kruszywa z recyklingu  zapisane w załączniku E w dość znaczny sposób ograniczają możliwość użycia tego kruszywa. Już same wprowadzenie zaleceń jedynie dla kruszyw o frakcji powyżej 4mm sprawi, że koszty kruszywa znacznie wzrosną ze względu na odrzucenie całej frakcji poniżej 4mm i konieczności znalezienia miejsca utylizacji dla tej partii materiału. Również ograniczenie ilości stosowanego kruszywa w zależności od klasy ekspozycji spowoduje, że kruszywo z recyklingu będzie stosowane w mniejszej ilości.

Tab. 1. Maksymalny procent zastąpienia kruszyw grubych (% masowo)

3.    SYSTEMY OCENY WIELOKRYTERIALNEJ A KRUSZYWO Z RECYKLINGU

Biorąc pod uwagę korzyści jakie niesie za sobą użycie kruszywa z recyklingu w samozagęszczalnym należy stwierdzić, że w przypadku systemu LEED istnieje możliwość uzyskania dodatkowego 1 punktu w przypadku zastosowania minimum 10% i 2 punktów w przypadku zastosowania minimum 20% kruszywa z recyklingu. Według Green Buildings Design & Construction Reference Guide jeśli materiał ma otrzymać dodatkowe punkty w certyfikacji LEED niedopuszczalne jest zastosowanie do jego wytworzenia odpadów powstałych w ramach jednego procesu produkcyjnego. Odpady poprodukcyjne nie mogą być brane pod uwagę. Oznacza to, że przy obliczaniu zawartości materiałów z recyklingu należy uwzględnić jedynie kruszywo z recyklingu czyli kruszywo powstałe w wyniku przetworzenia materiału nieorganicznego zastosowanego wcześniej na budowie. Niedopuszczalne jest wliczanie kruszywa odzyskanego przez wypłukanie (kruszywa uzyskane przez wypłukanie z mieszanki betonowej) i kruszywa odzyskanego przez przekruszenie (kruszywa uzyskane przez rozkruszenie stwardniałego betonu, który nie był wcześniej zastosowany na budowie).
Natomiast system oceny BREEAM określa zastosowanie kruszywa z recyklingu zgodnie z następującymi zasadami:
- The total amount of recycled and/or secondary aggregate specified is greater than 25% (by weight or volume) of the total high-grade aggregate specified for the development.
-  To contribute to the total amount, the percentage of high-grade aggregate specified per application (where present) that is recycled and/or secondary aggregate, must meet the following minimum levels (by weight or volume):

Tab. 2: Wytyczne systemu oceny BREEAM

- The aggregates are EITHER: obtained on site OR, obtained from waste processing site(s) within a 30km radius of the site; the source will be principally from construction, demolition and excavation waste (CD&E) – this includes road plannings OR, secondary aggregates obtained from a non-construction post-consumer or post-industrial by-product source.

Jak można zauważyć systemy oceny wielokryterialnej wprowadzają konieczność stosowania jak największej ilości kruszywa z recycklingu natomiast norma PN-EN 206 ogranicza maksymalną ilość i wręcz uniemożliwia spełnienie wymagań systemów oceny wielokryterialnej w niektórych przypadkach.

4.    KRUSZYWO Z RECYKLINGU DOSTEPNE W POLSCE

Konieczność badania kruszywa z recyclingu a tym samym konieczność ponoszenia dodatkowych kosztów sprawiła, że producenci najczęściej dostarczają wyprodukowany materiał do podbudowy dróg. Najczęściej spotykanymi frakcjami produkowanymi w Polsce są 0/16, 0/31.5, 0/64. Na specjalne zamówienie wykonywane są inne frakcje a m.in. 4/16. Konieczność używania frakcji 4/16 zamiast powszechnie dostępnej frakcji 0/16 powoduje, że koszt zakupu kruszywa produkowanego na specjalne zamówienie jest znacznie wyższy. W wielu przypadkach koszt kruszywa z recyklingu 4/16 jest wyższy niż standardowego żwiru o tej samej frakcji. Prowadzi to do sytuacji gdzie mieszanka z kruszywem z recyklingu jest droższa od mieszanki bez tego kruszywa, co przy aktualnej sytuacji ekonomicznej w Polsce w wielu przypadkach powoduje, że kruszywo z recyklingu nie jest w ogóle stosowane.


Fot. 1. Kruszywo z recyklingu – frakcja 0/16

5.    PORÓWNANIE WYNIKÓW BETONU SCC O NISKIEJ ZAWARTOŚCI SPOIWA Z I BEZ KRUSZYWA Z RECYKLINGU

5.1    Wyniki badania mieszanki betonowej

Tab. 3. Porównanie parametrów mieszanki Green-SCC bez i z kruszywem z recyklingu o frakcjach 0/16 i 4/16 oraz standardowego SCC dla klasy C30/37

5.2    Wyniki badania betonu

Tab. 4. Porównanie parametrów wytrzymałościowych betonu SCC z niską zawartością spoiwa (LB SCC) bez i z kruszywem z recyklingu o frakcjach 0/16 i 4/16 oraz standardowego SCC dla klasy C30/37

Najgorsze rezultaty uzyskano przy zastosowaniu kruszywa z recyklingu o frakcji 0/16. Wynika to z dużej zawartości frakcji pylastych w tym kruszywie.

6.    WSPÓŁCZYNNIK CAŁKOWITEJ EMISJI CO2.

Tab. 5. Kalkulacja całkowitego współczynnika emisji CO2.

Ze względu na małą ilość kruszywa z recyklingu zastosowaną w mieszance SCC o niskiej zawartości spoiwa wpływ samego tego kruszywa na współczynnik całkowitej emisji CO2  jest niewielki.

7.    WNIOSKI

- Biorąc pod uwagę nowe uwarunkowania prawne związane z wprowadzeniem normy PN-EN 206 używanie betonu SCC z kruszywem z recyklingu powinno okazać się dużo łatwiejsze i powszechniejsze.
- W przypadku wymogu stosowania oceny wielokryterialnej zastosowanie betonu SCC z kruszywem z recyklingu pozwoli na uzyskanie dodatkowej punktacji jednakże nie będzie to możliwe w każdym z przypadków ze względu na ograniczenia jakie wprowadza norma PN-EN 206
- Brak standardowej produkcji kruszywa z recyklingu o frakcji 4/16 w Polsce, a co za tym idzie konieczność ponoszenia dodatkowych kosztów na uzyskanie takiego kruszywa sprawia, że kruszywo to jest droższe od kruszywa standardowego a przez to zakres stosowania kruszywa z recyklingu jest w znacznym stopniu ograniczony.

BIBLIOGRAFIA

[1] PN-EN 206:2014-4 Beton – Wymagania, właściwości, produkcja i zgodność.
[2] The European Guidelines for Self-Compacting Concrete. Specification, Production and Use, May 2005.
[3] Wallevik, O.H., Mueller, F.V., Hjartarson, B., Kubens, S., “The Green Alternative of Self Compacting Concrete, Eco-SCC”, 35th Conference on Our Word In Cocnrete&Structures, (25-27 August 2010, Singapore).
[4] Jacobs, F., Hunkeler, F., “Ecological Performance of Self Compacting Concrete”.
[5] Hunger, M., Brouwers, H.J.H., “Development of Self-Compacting Eco-Concrete”.
[6] Husken, , G., Brouwers, H.J.H., “Eco-SCC: From Theory to Practical Application”.
[7] Mueller, F.V., Wallevik, O.H., “Benefits of Filler Material on Rheology in Eco-SCC”, The Third North American Conference on The Design and Use od Self-Consolidating Concrete - SCC 2008: Challenges and Barriers to Application, (Chicago, 2008).
[8] Corradi, M., Khurana, R., Magarotto, R., “Low Fines Content Self-Compacting Concrete”, Proceedings of the Fifth International RILEM Symposium Self-Consolidating Concrete - SCC 2007, (Ghent, 2007).
[9] Roncero, J., Corradi, M., Khurana, R., “New Admixture-System for Low-Fines Self-Compacting Concrete”, Proceedings of the Fifth International RILEM Symposium Self-Consolidating Concrete - SCC 2007, (Ghent, 2007).
[10] Tselebidis, A., Bury, M.A., “Eco-Efficiency Analysis of Self-Consolidaiting Concrete (SCC): How to Make SCC Greener”, The Third North American Conference on The Design and Use Self-Consolidating Concrete - SCC 2008: Challenges and Barriers to Application, (Chicago, 2008).
[11] http://www.breeam.org/BREEAM2011SchemeDocument/Content/10_waste/wst02.htm
[12] http://www.usgbc.org/Docs/LEEDdocs/LEED_RS_v2-1.pdf
[13] TR14. Best Practice Guide for the use of Recycled Aggregates in New Concrete, CCANZ Technical Report, Cement & Concrete Association of New Zealand (New Zealand, 2011)
[14] Malešev M., Radonjanin V., Marinković S., “Recycled Concrete as Aggregate for Structural Concrete Production, Sustainability, 2, (Switzerland, 2010).