Název projektu
Mechanické a trvanlivostní vlastnosti kompozitů z druhotných surovin
Kód
SP2024/097
Předmět výzkumu
Beton patří mezi nejčastěji používané stavební materiály na světě [1]. Jeho produkce, zejména pak výroba cementu, se však podílí až na více než 8 % celosvětových emisí oxidu uhličitého [2]. Proto se stále více výzkumných skupin zabývá vývojem udržitelného betonu a vyhodnocením, zda taková řešení budou schopna snižovat množství skleníkových plynů při zachování vlastností standartních betonů. V praxi se betony s využitím druhotných surovin stále potýkají s nedůvěrou k zajištění dostatečné a jednotné kvality tohoto materiálu [3]. Bylo provedeno již mnoho studií zabývajícími se nahrazením přírodního kameniva v betonu odpadním materiálem (např. stavební a demoliční odpad [4], pryž z pneumatik [5], sklo, plasty [6], cihlová suť [7], sanitární keramika [8], palmové skořápky [9], odpadní dřevo [10] atd.). Při výrobě desek CETRIS (CIDEM Hranice, divize CETRIS) a jejich úpravě na požadovaný formát a také při přípravách finálního povrchu vznikají dva druhy odpadu – soudržné kusy nebo odřezky a jemný odpad ze zařízení na zpracování desek. Větší kusy se obvykle prodávají a používají na ztracené bednění nebo pro kutilské projekty. Jemný odpad získaný při zpracování desek však nemá jiné využití. V diplomové práci [11] bylo na základě údajů poskytnutých firmou vyrábějící tyto CETRIS desky v Hranicích na Moravě vypočteno, že teoreticky při stálé výrobě a následném zpracování desek vzniká ročně cca 7 600 tun odpadu, který zatím není dále běžně využíván. V předkládaném projektu tedy bude analyzována použitelnost tohoto odpadu jako náhrada jemného kameniva v betonu.
Výzkum navržený v tomto projektu navazuje na předchozí projekt SGS, který hlavní řešitelka převzala v polovině roku 2023 a který byl zaměřený na návrh a testování betonu s kamenivem nahrazeným hutním kalem (MSW) a recyklátem z použitých dlažebních kostek (PB). Ke konci roku 2023 proběhlo prvotní testování vlastností CETRIS recyklátu, který byl následně použit jako substituce části jemné frakce kameniva u self-healing betonů. Bylo zjištěno, že přidání CETRIS recyklátu do betonu mírně snižuje vybrané mechanické vlastnosti (pevnost v tlaku, pevnost v tahu za ohybu), ale navržený beton stále vykazuje poměrně vysokou pevnost. Při návrhu betonů z recyklovaných materiálů je důležité zkoumat také dlouhodobé vlastnosti betonu a jeho trvanlivost [12], dále také chování recyklovaných částic v jeho mikrostruktuře [13,14]. Výzkumy [15,16,17] zabývající se nahrazením jemného kameniva dřevěnými částicemi ukazují, že vlastnosti betonů se zhoršují se zvyšujícím podílem dřevěných částic, ale přesto je nahrazení tímto materiálem částečně možné. Chování dřevěných částic pokrytých cementovým tmelem použitých jako náhrada jemného kameniva v betonu zatím zkoumáno nebylo. V rámci spolupráce navázané s Univerzitou ve Štětíně (prof. Pawel Sikora) bude v tomto projektu také započata studie zaměřená na možnosti začlenění CETRIS recyklátu do směsí pro 3D tisk.
Literatura:
[1] Assi, L., Carter, K., Deaver, E. (Eddie), Anay, R., & Ziehl, P. (2018). Sustainable concrete: Building a greener future. Journal of Cleaner Production, 198, 1641–1651. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2018.07.123
[2] De Brito, J., & Kurda, R. (2021). The past and future of sustainable concrete: A critical review and new strategies on cement-based materials. Journal of Cleaner Production, 281, 123558. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2020.123558
[3] Senaratne, S., Lambrousis, G., Mirza, O., Tam, V. W. Y., & Kang, W.-H. (2017). Recycled Concrete in Structural Applications for Sustainable Construction Practices in Australia. Procedia Engineering, 180, 751–758. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2017.04.235
[4] Topçu, İl. B., & Günçan, N. F. (1995). Using waste concrete as aggregate. Cement and Concrete Research, 25(7), 1385–1390. https://doi.org/10.1016/0008-8846(95)00131-U
[5] Ganjian, E., Khorami, M., & Maghsoudi, A. A. (2009). Scrap-tyre-rubber replacement for aggregate and filler in concrete. Construction and Building Materials, 23(5), 1828–1836. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2008.09.020
[6] Steyn, Z. C., Babafemi, A. J., Fataar, H., & Combrinck, R. (2021). Concrete containing waste recycled glass, plastic and rubber as sand replacement. Construction and Building Materials, 269, 121242. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2020.121242
[7] Gonzalez-Corominas, A., & Etxeberria, M. (2014). Properties of high performance concrete made with recycled fine ceramic and coarse mixed aggregates. Construction and Building Materials, 68, 618–626. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2014.07.016
[8] Alves, A. V., Vieira, T. F., De Brito, J., & Correia, J. R. (2014). Mechanical properties of structural concrete with fine recycled ceramic aggregates. Construction and Building Materials, 64, 103–113. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2014.04.037
[9] Basri, H. B., Mannan, M. A., & Zain, M. F. M. (1999). Concrete using waste oil palm shells as aggregate. Cement and Concrete Research, 29(4), 619–622. https://doi.org/10.1016/S0008-8846(98)00233-6
[10] Ince, C., Tayançlı, S., & Derogar, S. (2021). Recycling waste wood in cement mortars towards the regeneration of sustainable environment. Construction and Building Materials, 299, 123891. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2021.123891
[11] MELO, Michal. Analýza možnosti využití odpadů vznikajících při výrobě cementotřískových desek. Brno, 2013. 112 p., 3 p. app. Diploma thesis. Technical University Brno, Faculty of Civil Engineering. Supervisor doc. Ing. Jiří Bydžovský, CSc.
[12] GUO, Hui; SHI, Caijun; GUAN, Xuemao; ZHU, Jianping; DING, Yahong et al. Durability of recycled aggregate concrete – A review. Online. Cement and Concrete Composites. 2018, roč. 89, s. 251-259. ISSN 09589465. Dostupné z: https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2018.03.008. [cit. 2024-02-26].
[13] GUEDES, Mafalda; EVANGELISTA, Luís; DE BRITO, Jorge a FERRO, Alberto C. Microstructural Characterization of Concrete Prepared with Recycled Aggregates. Online. Microscopy and Microanalysis. 2013, roč. 19, č. 5, s. 1222-1230. ISSN 1431-9276. Dostupné z: https://doi.org/10.1017/S1431927613001463. [cit. 2024-02-26].
[14] TIEGOUM WEMBE, Japhet; MAMBOU NGUEYEP, Luc Leroy; ELAT ASSOUA MOUKETE, Emmanuel; ESLAMI, Javad; PLIYA, Prosper et al. Physical, mechanical properties and microstructure of concretes made with natural and crushed aggregates: Application in building construction. Online. Cleaner Materials. 2023, roč. 7. ISSN 27723976. Dostupné z: https://doi.org/10.1016/j.clema.2023.100173. [cit. 2024-02-26].
[15] AL-KASEASBEH, Qusay a AL-QARALLEH, Mohammad. Valorization of hydrophobic wood waste in concrete mixtures: Investigating the micro and macro relations. Online. Results in Engineering. 2023, roč. 17. ISSN 25901230. Dostupné z: https://doi.org/10.1016/j.rineng.2023.100877. [cit. 2024-02-26].
[16] DIAS, Sara; TADEU, António; ALMEIDA, João; HUMBERT, Pedro; ANTÓNIO, Julieta et al. Physical, Mechanical, and Durability Properties of Concrete Containing Wood Chips and Sawdust: An Experimental Approach. Online. Buildings. 2022, roč. 12, č. 8. ISSN 2075-5309. Dostupné z: https://doi.org/10.3390/buildings12081277. [cit. 2024-02-26].
[17] DIAS, Sara; ALMEIDA, João; SANTOS, Bruna; HUMBERT, Pedro; TADEU, António et al. Lightweight cement composites containing end-of-life treated wood – Leaching, hydration and mechanical tests. Online. Construction and Building Materials. 2022, roč. 317. ISSN 09500618. Dostupné z: https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2021.125931. [cit. 2024-02-26].
ZVOLENÉ METODY ŘEŠENÍ:
V experimentální části projektu se předpokládá využití standardních zkušebních a testovacích postupů:
- Zkoušky vlastností čerstvého betonu: konzistence (zkouška sednutím, rozlitím), zhutnitelnost.
- Zkoušky mechanických vlastností betonů: pevnost v tahu za ohybu, pevnost v tlaku v různých časových horizontech (7, 28 a 90 dnů), nedestruktivní ultrazvuková zkouška. Očekávaný rozsah je cca 48 vzorků (trámečky: 36 ks 40x40x160 mm; kostky: 12 ks 100x100 mm).
- Zkoušky trvanlivostních charakteristik: mrazuvzdornost, odolnost proti CHRL, zkoušky karbonatace betonu, průběžné měření rezistivity, zkoušky zrychlené chloridové penetrace (NT Build 443). Očekávaný rozsah cca 80 vzorků (trámečky: 24 ks 40x40x160 mm, kostky: 32 ks 100x100 mm; válce: 12ks φ100x200 mm, 12ks φ100x100 mm).
- Mikroskopické studium struktury s využitím optických mikroskopů a elektronové mikroskopie. Očekávaný rozsah cca 16 vzorků (válečky φ30x1.5 mm).
- Predikce životnosti betonů bude provedena pomocí analytických a numerických modelů (vlastní numerický model difuze založený na metodě konečných prvků, software ATENA/ANSYS).
Veškeré testování a vyhodnocování zkušebních metod bude prováděno v souladu se standardy a doporučeními pro beton a cementové kompozity:
[1] ČSN EN 12350-2: Zkoušení čerstvého betonu – Část 2: Zkouška sednutím. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2020
[2] ČSN EN 206+A2: Beton – Specifikace, vlastnosti, výroba a shoda. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2021
[3] ČSN EN 12350-5: Zkoušení čerstvého betonu – Část 5: Zkouška rozlitím. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2020
[4] ČSN EN 12350-4: Zkoušení čerstvého betonu – Část 4: Stupeň zhutnitelnosti. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2020
[5] ČSN EN 12390-7: Zkoušení ztvrdlého betonu – Část 7: Objemová hmotnost ztvrdlého betonu, Praha: Česká agentura pro standardizaci, 2020
[6] ČSN EN 12390-3: Zkoušení ztvrdlého betonu – Část 3: Pevnost v tlaku zkušebních těles. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2020
[7] ČSN EN 12390-5: Zkoušení ztvrdlého betonu – Část 5: Pevnost tahu ohybem zkušebních těles. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2020
[8] ČSN EN 12390-2: Zkoušení ztvrdlého betonu – Část 2: Výroba a ošetřování zkušebních těles pro zkoušky pevnosti. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2021
[9] ČSN EN 12390-12: Zkoušení ztvrdlého betonu – Část 12: Stanovení odolnosti betonu proti karbonataci – Metoda zrychlené karbonatace. Praha: Česká agentura pro standardizaci, 2023
[10] ČSN 73 1326: Stanovení odolnosti povrchu cementového betonu proti působení vody
a chemických rozmrazovacích látek. Praha: Český normalizační institut, 1984
[11] ČSN 73 1371: Nedestruktivní zkoušení betonu – Ultrazvuková impulzová metoda
zkoušení betonu. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2011.
[12] AASHTO T358: Standardní zkušební metoda pro stanovení povrchové odolnosti betonu vůči pronikání chloridových iontů.
[13] ASTM C1760-12: Standardní zkušební metoda pro stanovení objemové elektrické vodivosti ztvrdlého betonu.
[14] Nordtest NT BUILD 443: Zrychlená penetrace chloridů.
HARMONOGRAM PRACÍ:
Leden–duben 2024
Dokončení testování PB betonů a analýza získaných dat.
Zpracování dat z dlouhodobého testování do konferenčního příspěvku (Modelling in mechanics 2024).
Rešerše literatury týkající se využití obdobných odpadních materiálů (dřevo, dřevo+cement) ve světě, požadavků na betonové směsi používané pro 3D tisk, odhadu životnosti betonových konstrukcí.
Rozdrcení hrubšího odpadu z CETRIS desek, návrh betonových směsí, testování vlastností čerstvého betonu, příprava vzorků pro zkoušky mechanických a trvanlivostních charakteristik.
Duben–červenec 2024
Testování mechanických a trvanlivostních charakteristik CETRIS betonových směsí.
Příprava druhého konferenčního příspěvku (Modelling in mechanics 2024).
Příprava vzorků pro zkoumání mikrostruktury a následné provedení testování pomocí optických a elektronových mikroskopů.
Vyhodnocení získaných dat z krátkodobého testování.
Květen 2024
Účast na konferenci Modelling in mechanics 2024.
Červenec–září 2024
Vyhodnocení získaných dat z dlouhodobého testování.
Vytvoření modelů pro odhad životnosti.
Vyhodnocení všech dosud získaných dat, statistické a korelační analýzy.
Příprava publikace (Periodica Polytechnica: Civil Engineering).
Návrh betonových směsí vhodných pro 3D tisk, návrh směsí pro praktické využití na základě konzultací se společností Betonárna Hlučín, s.r.o.
Říjen–listopad 2024
Dokončení numerického modelování.
Vyhodnocení veškerých získaných dat, statistické a korelační analýzy.
Příprava publikace (Construction and Building materials).
Příprava dvou konferenčních příspěvků (Betonářské dny 2024).
Prosinec 2024
Účast na konferenci Betonářské dny 2024.
ZDŮVODNĚNÍ ZAPOJENÍ JEDNOTLIVÝCH ČLENŮ TÝMU:
Ing. Kateřina Matýsková (cca 10 h/týden):
- rešerše literatury;
- koordinace týmu;
- návrh receptur betonu;
- příprava vzorků, testování a vyhodnocení naměřených dat;
- statistické a korelační analýzy dat;
- příprava konferenčních příspěvků a publikací (Modelling in Mechanics, Betonářské dny; Periodica Polytechnica: Civil Engineering, Construction and Building materials);
- účast na konferenci (Modelling in Mechanics, Betonářské dny).
Ing. Radoslav Gandel (cca 3 h/týden):
- rešerše literatury;
- pomoc s přípravou vzorků, testováním a vyhodnocením naměřených dat z testování čerstvých směsí a mechanických vlastností;
- příprava konferenčního příspěvku a účast na konferenci (Betonářské dny).
Ing. Arch. David Juračka (cca 3 h/týden):
- rešerše literatury zaměřená na 3D tisk betonu;
- pomoc s návrhem receptur pro 3D tisk betonu;
- pomoc s testováním vzorků a vyhodnocení naměřených dat;
- příprava publikace (Construction and Building materials).
Ing. Marie Horňáková (cca 2 h/týden):
- kontrola, konzultace a testování trvanlivostních vlastností betonů;
- predikce životnosti betonových směsí pomocí analytických a numerických modelů;
- příprava konferenčního příspěvku a publikace, účast na konferenci (Modelling in Mechanics, Periodica Polytechnica: Civil Engineering).
doc. Ing. Vlastimil Bílek, Ph.D.
- kontrola studentů a konzultace individuálních problémů;
- pomoc s návrhem receptur betonu.
PŘEDCHOZÍ DOSAŽENÉ VÝSLEDKY ČLENŮ TÝMU:
MATÝSKOVÁ, Kateřina; HORŇÁKOVÁ, Marie. Effect of using waste metallurgical sludge in concrete on the environment. Modelování v mechanice 2023: 21. ročník mezinárodní konference: sborník rozšířených abstraktů: 25.-26.5.2023, Ostrava: Vysoká škola báňská – Technická univerzita Ostrava, 2023, s. 13.
SEITL, Stanislav; MIARKA, Petr a BÍLEK, Vlastimil. The mixed-mode fracture resistance of C 50/60 and its suitability for use in precast elements as determined by the Brazilian disc test and three-point bending specimens. Online. Theoretical and Applied Fracture Mechanics. 2018, roč. 97, s. 108-119. ISSN 01678442. Dostupné z: https://doi.org/10.1016/j.tafmec.2018.08.003. [cit. 2023-12-19].
GANDEL, Radoslav; JERABEK, Jan a MARCALIKOVA, Zuzana. Reinforced Concrete Beams Without Shear Reinforcement Using Fiber Reinforced Concrete and Alkali-Activated Material. Online. Civil and Environmental Engineering. 2023, roč. 19, č. 1, s. 348-356. ISSN 2199-6512. Dostupné z: https://doi.org/10.2478/cee-2023-0031. [cit. 2023-12-19].
JURACKA, David; KAWULOK, Marek; BUJDOS, David a KREJSA, Martin. Influence of Size and Orientation of 3D Printed Fiber on Mechanical Properties under Bending Stress. Online. Periodica Polytechnica Civil Engineering. 2020. ISSN 1587-3773. Dostupné z: https://doi.org/10.3311/PPci.19806. [cit. 2023-12-19].
MIARKA, Petr; SEITL, Stanislav; HORŇÁKOVÁ, Marie; LEHNER, Petr; KONEČNÝ, Petr et al. Influence of chlorides on the fracture toughness and fracture resistance under the mixed mode I/II of high-performance concrete. Online. Theoretical and Applied Fracture Mechanics. 2020, roč. 110. ISSN 01678442. Dostupné z: https://doi.org/10.1016/j.tafmec.2020.102812. [cit. 2023-12-19].
PŘEDCHOZÍ PROJEKTY:
SP2023/056: Stanovení materiálových a trvanlivostních charakteristik nekonvenčních betonů – spoluřešitel a hlavní řešitel od 1.8.2023 (Ing. Matýsková)
SP2023/058: Výzkum konstrukčního betonu jako udržitelného stavebního materiálu a testování jeho vlastností – spoluřešitel (Ing. Matýsková)
SP2023/075: Hybridní beton a alkalicky aktivovaný kompozit – mechanické vlastnosti, technologie a trvanlivost – spoluřešitel (Ing. Matýsková)
ZDŮVODNĚNÍ PLÁNOVANÝCH FINANČNÍCH NÁKLADŮ:
Stipendia: 100 000 Kč
60 000 Kč – Ing. Kateřina Matýsková
20 000 Kč – Ing. Radoslav Gandel
20 000 Kč – Ing. arch. David Juračka
Materiálové náklady: 25 530 Kč
15 000 Kč – materiál pro výrobu zkušebních vzorku – kamenivo, pojivo, stavební chemie. Předpokládaný počet cca 144 vzorků.
10 000 Kč – laboratorní materiál – doplňky a chemikálie potřebné pro provádění jednotlivých zkoušek (laboratorní nádobí a formy, roztok fenolftaleinu pro zkoušku karbonatace, vysokoprocentní sůl pro testy zaměřené na chloridy atd.).
530 Kč – drobné spotřební nářadí (lžíce, stěrky, štětce).
Drobný hmotný a nehmotný majetek: 1 000 Kč
1 000 Kč – datové nosiče.
Služby: 60 000 Kč
12 000 Kč – vložné na konferenci Modelování v mechanice 2024, pro 2 účastníky.
10 000 Kč – vložné na konferenci Betonářské dny 2024, pro 2 účastníky.
23 000 Kč – náklady spojené s publikováním článků.
10 000 Kč – kalibrace laboratorních přístrojů.
5 000 Kč – poplatky za materiál potřebný k testování a provedení analýzy snímků z mikroskopu Centrum Nanotechnologii, VŠB-TUO.
Cestovní náklady: 13 000 Kč
5 000 Kč – cestovné na konferenci Modelování v mechanice 2024, pro 2 účastníky.
8 000 Kč – cestovné na konferenci Betonářské dny 2024, pro 2 účastníky.
Režie: 22 170 Kč
Rok zahájení
2024
Rok ukončení
2024
Poskytovatel
Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy
Kategorie
SGS
Typ
Specifický výzkum VŠB-TUO
Řešitel