Název projektu
Mechanické vlastnosti kompozitů z odpadu z výroby cementotřískových desek
Kód
SP2025/068
Předmět výzkumu
Beton je jedním z nejrozšířenějších stavebních materiálů na světě [1]; výroba betonu však, zejména kvůli použití cementu, přispívá k více než 8 % celosvětových emisí CO2 [2]. Mnoho iniciativ se tedy zaměřuje na vývoj nízkoemisních materiálů; např. geopolymerních betonů nebo betonů využívající recyklované nebo odpadní materiály; jejichž cílem je minimalizovat environmentální dopady při zachování funkčních vlastností [3,4]. Jedním z takových odpadních materiálů může být také jemný prášek vznikající při výrobě a opracování cementotřískových desek (CD). V diplomové práci [5] bylo, na základě údajů poskytnutých firmou CIDEM Hranice, vypočteno, že teoreticky při stálé výrobě a následném zpracování CETRIS CD vzniká ročně cca 7 600 tun odpadu, který zatím není dále běžně využíván. V ČR byl v rámci výzkumu tento typ materiálu prozatím použit pouze okrajově – jako alternativa lehčiva v cihlářském střepu [6], k opětovné výrobě modifikovaných CD [5] a jako náhrada pojiva v cementových kompozitech [7]. Vzhledem k tomu, že výroba CETRIS CD probíhá v ČR, není přesně tento typ odpadu předmětem výzkumu jinde ve světě. Některé výzkumné skupiny se však věnují možnostem zpracování podobného typu odpadu, např. odpadní materiál z výroby cemento-vláknitých desek na bázi lignocelulózy byl ve výzkumu [8] použit pro výrobu lehkých biokompozitů s pevností v tlaku od 0.7 do 2.8 MPa. V článku [9] byla zkoumána možnost využití tohoto odpadu při spalování v rotačních pecích na cement s cílem uspořit energií díky přítomnosti dřevních částic jako sekundárního paliva. Výzkum provedený v rámci předchozích dvou projektů SGS (SP2024/097, SP2023/056) naznačuje, že by tento odpadní materiál (WCM) mohl být použit jako náhrada jemné frakce kameniva v HPC betonech [10]. Přidání WCM do betonu mírně snižuje vybrané mechanické vlastnosti, ale navržený beton stále vykazuje poměrně vysokou pevnost. Využití CD odpadu přináší značné environmentální benefity; mezi nevýhody tohoto materiálu však patří proměnlivost kvality, dodatečné požadavky na zpracování, potenciální zhoršení vlastností betonu a omezená dostupnost odpadu. Navzdory těmto výzvám je integrace CD odpadů do betonu v souladu s cíli udržitelnosti stavebního průmyslu.
Na základě zjištěných charakteristik je v tomto projektu cílem využít WCM pro návrh alkalicky aktivovaných kompozitů (AAK). Začlenění odpadů, např. stavebního a demoličního [11], betonového prášku [12], pilin [13] a vedlejších průmyslových produktů (popílek a struska) [14] do AAK, ukázalo potenciál pro vytvoření udržitelných stavebních materiálů. Vliv na mechanické vlastnosti, který byl pozorován u HPC, by mohl být využit v AAK, jejichž největšími nevýhodami jsou rychlé tuhnutí a vysoké smrštění. Rychlé tuhnutí by mohlo být eliminováno vyluhovanou celulózou a vysoké smrštění případným vnitřním ošetřováním nasáklým WCM. V minulosti bylo také zjištěno, že prach z recyklovaného betonu může zvýšit počáteční pevnosti AAK [15]. Odpad WCM by mohl mít podobný efekt. Pro navržené alkalicky aktivované kompozity se v tuto chvíli nepředpokládá možné využití pro nosné konstrukce. Kompozity, s ohledem na snižování mechanických vlastností s rostoucí náhradou přírodních surovin odpadním materiálem, bude zřejmě možné využít pro různé pomocné konstrukce, jako např. obrubníky, svodidla apod. Výhodným využitím kompozitů s odpadním materiálem z výroby CETRIS desek se jeví výroba protihlukových stěn, kde by bylo pravděpodobně možné využít dřevních třísek jako materiálu pohlcujícího zvuk.
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] Sbahieh, Sami; Mckay, Gordon a Al-Ghamdi, Sami G. Comprehensive Analysis of Geopolymer Materials: Properties, Environmental Impacts, and Applications. Online. Materials. 2023, roč. 16, č. 23. ISSN 1996-1944. https://doi.org/10.3390/ma16237363
[4] 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
[5] Melo, Michal. Analýza možnosti využití odpadů vznikajících při výrobě cementotřískových desek. Brno, 2013. 112 p., 3 p. app. Diplomová práce. Technická Univerzita v Brně, Fakulta stavební. Vedoucí práce doc. Ing. Jiří Bydžovský, CSc.
[6] SOKOLÁŘ, R. Recyklace odpadu z výroby cementotřískových desek v cihlářském střepu. In Recycling 2004 - Možnosti a perspektivy recyklace stavebních odpadů jako zdroje plnohodnotných surovin. Brno: ARSM, 2004. 13 s. ISBN: 80-214-2583–0.
[7] Andrej Bartoň Možnosti uplatnění odpadu z výroby cementotřískových desek ve stavebních hmotách. Brno, 2018. 71 s., 71 s. příl. Bakalářská práce. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, Ústav technologie stavebních hmot a dílců. Vedoucí práce doc. Ing. Jiří Bydžovský, CSc.
[8] Bumanis, Girts; Argalis, Pauls P.; Sinka, Maris; Korjakins, Aleksandrs a Bajare, Diana. The Use of Recycled Cement-Bonded Particle Board Waste in the Development of Lightweight Biocomposites. Online. Materials. 2024, roč. 17, č. 23. ISSN 1996-1944. https://doi.org/10.3390/ma17235890.
[9] Yilmaz, Mustafa; Tokyay, Mustafa a Yaman, Ismail Ozgur. Cement production by cement-bonded wood particleboard wastes. Online. Advances in Cement Research. 2016, roč. 28, č. 4, s. 233-240. ISSN 0951-7197. https://doi.org/10.1680/jadcr.15.00023.
[10] Matyskova, Kateřina; Bilek, Vlastimil; Prochazka, Lukáš; Hedlova, Radka a Hornakova, Marie. Replacement of Fine Aggregates in Fine-Grained Concrete by Waste Material from CETRIS Boards Production. Online. Defect and Diffusion Forum. 2024, roč. 432, s. 31-38. ISSN 1662-9507. https://doi.org/10.4028/p-sMCI67.
[11] Abdollahnejad, Zahra; Mastali, Mohammad; Falah, Mahroo; Luukkonen, Tero; Mazari, Mehran et al. Construction and Demolition Waste as Recycled Aggregates in Alkali-Activated Concretes. Online. Materials. 2019, roč. 12, č. 23. ISSN 1996-1944. https://doi.org/10.3390/ma12234016.
[12] Wang, Xin; Yan, Yurong; Tong, Xiaofang A Gong, Yongfan. Investigation of Mineral Admixtures on Mechanical Properties of Alkali-Activated Recycled Concrete Powders Cement. Online. Buildings. 2022, roč. 12, č. 8. ISSN 2075-5309. https://doi.org/10.3390/buildings12081234.
[13] Alabduljabbar, Hisham; Huseien, Ghasan Fahim; Sam, Abdul Rahman Mohd; Alyouef, Rayed; Algaifi, Hassan Amer et al. Engineering Properties of Waste Sawdust-Based Lightweight Alkali-Activated Concrete: Experimental Assessment and Numerical Prediction. Online. Materials. 2020, roč. 13, č. 23. ISSN 1996-1944. https://doi.org/10.3390/ma13235490.
[14] SALIH, Moslih Amer; FARZADNIA, Nima; ABANG ALI, Abang Abdullah a DEMIRBOGA, Ramazan. Development of high strength alkali activated binder using palm oil fuel ash and GGBS at ambient temperature. Online. Construction and Building Materials. 2015, roč. 93, s. 289-300. ISSN 09500618. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2015.05.119..
[15] Bilek, V.: Slag alkaline concrete with mineral admixtures, International Congress on the Chemistry of Cement, (12th ICCC), Madrid, 2011, ISBN 978-84-7292-399-7
ZVOLENÉ METODY ŘEŠENÍ:
V experimentální části projektu se předpokládá využití standardních zkušebních a testovacích postupů:
- Zkoušky vlastností čerstvých směsí: konzistence (zkouška sednutím, rozlitím), zhutnitelnost, doba tuhnutí pomocí Vicatova přístroje – předpokládá se vliv vyluhované celulózy na rychlost tuhnutí AAK.
- Zkouška smrštění od uložení do forem – měřící žlaby.
- Zkoušky mechanických vlastností vzorků: 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 po 125 cyklech, odolnost proti CHRL po 125 cyklech, průběžné zkoušky karbonatace v 7, 28 a 90 dnech, průběžné měření rezistivity v 7, 28 a 90 dnech. 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). Vzorky budou připravovány průběžně z odřezků / úlomků vzorků z testování mechanických i trvanlivostních charakteristik.
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 196-3: Metody zkoušení cementu – Část 3: Stanovení dob tuhnutí a objemové stálosti. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2017
[6] ČSN EN 12390-7: Zkoušení ztvrdlého betonu – Část 7: Objemová hmotnost ztvrdlého betonu, Praha: Česká agentura pro standardizaci, 2020
[7] ČSN EN 12390-3: Zkoušení ztvrdlého betonu – Část 3: Pevnost v tlaku zkušebních těles. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2020
[8] ČSN EN 12390-5: Zkoušení ztvrdlého betonu – Část 5: Pevnost tahu ohybem zkušebních těles. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2020
[9] 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
[10] ČSN EN 12390-12: Zkoušení ztvrdlého betonu – Část 12: Stanovení odolnosti betonu proti karbonataci – Metoda zrychlené karbonatace. Praha: Česká agentura pro standardizaci, 2023
[11] ČSN 73 1326: Stanovení odolnosti povrchu cementového betonu proti působení vody
a chemických rozmrazovacích látek. Praha: Český normalizační institut, 1984
[12] ČSN 73 1371: Nedestruktivní zkoušení betonu – Ultrazvuková impulzová metoda
zkoušení betonu. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2011.
[13] AASHTO T358: Standardní zkušební metoda pro stanovení povrchové elektrické vodivosti ztvrdlého betonu.
[14] ASTM C1760-12: Standardní zkušební metoda pro stanovení objemové elektrické vodivosti ztvrdlého betonu.
HARMONOGRAM PRACÍ:
Leden-únor
Dokončení publikace o vlastnostech HPC betonů z CETRIS odpadu z předchozího projektu a zaslání do recenzního řízení (Construction and Building materials) – Matýsková cca 30 hod.
Podrobná rešerše literatury týkající se využití recyklovaných a odpadních materiálů do alkalicky aktivovaných směsí – Matýsková cca 70 hod.
Březen
Testování doby tuhnutí strusky s použitím odpadních výluhů pomocí Vicatova přístroje – Matýsková cca 15 hod (3 série po cca 5 hod).
Návrh receptur alkalicky aktivovaných směsí – Matýsková cca 1 hod.
Příprava vzorků pro zkoušky mechanických charakteristik a testování vlastností čerstvých směsí – Matýsková + Gandel každý cca 12 hod (4 série po cca 3 hod).
Případné doladění použitých receptur pro alkalicky aktivované směsi – Matýsková cca 1 hod.
Duben–Květen
Testování krátkodobých mechanických charakteristik po 7 a 28 dnech – Matýsková cca 4 hod (pro každý interval cca 2 hod).
Vyhodnocení a analýza dosud získaných dat – Matýsková cca 5 hod.
Příprava konferenčních příspěvků na Modelování v Mechanice 2025 – Matýsková + Gandel každý cca 32 hod.
Příprava vzorků pro zkoušky trvanlivostních charakteristik a testování vlastností čerstvých směsí – Matýsková + Gandel každý cca 12 hod (4 série po cca 3 hod).
Účast na konferenci Modelování v Mechanice 2025 – Matýsková + Gandel.
Červen–Srpen
Testování dlouhodobějších mechanických charakteristik v 90 dnech – Matýsková cca 2 hod.
Průběžné testování rezistivity v 7, 28 a 90 dnech – Matýsková cca 4,5 hod (pro každý interval cca 1,5 hod).
Průběžné testování karbonatace po 7, 28 a 90 dnech – Matýsková cca 4,5 hod (pro každý interval cca 1,5 hod).
Příprava vzorků pro zkoušku smrštění (měřící žlaby) – Matýsková + Gandel každý cca 3 hod.
Příprava trvanlivostních zkoušek pro stanovení mrazuvzdornosti a odolnosti proti CHRL – Matýsková + Gandel každý cca 10 hod.
Průběžné měření výsledků zkoušky odolnosti proti CHRL – Matýsková cca 10 hod (měření odpadů během zkoušky po každých 25 cyklech – 5x cca 2 hod).
Testování vzorků po zkoušce mrazuvzdornosti (po 125 cyklech) – Matýsková + Gandel cca 3 hod.
Září–listopad
Vyhodnocení a analýza všech získaných dat, statistické a korelační analýzy – Matýsková cca 30 hod, Gandel cca 10 hod.
Příprava a zaslání publikace (Construction and Building materials) – Matýsková cca 50 hod, Gandel cca 30 hod.
Uzavření projektu.
ZDŮVODNĚNÍ ZAPOJENÍ JEDNOTLIVÝCH ČLENŮ TÝMU:
Ing. Kateřina Matýsková (cca 7 h/týden):
- rešerše literatury;
- koordinace projektu;
- návrh receptur betonu;
- příprava vzorků, testování a vyhodnocení naměřených dat;
- statistické a korelační analýzy dat;
- příprava konferenčního příspěvků a publikace v časopise (Modelování v Mechanice, Construction and Building materials);
- účast na konferenci (Modelování v Mechanice).
Ing. Radoslav Gandel (cca 2 h/týden):
- pomoc s přípravou vzorků, testováním a vyhodnocením naměřených dat z testování čerstvých směsí a mechanických vlastností;
- pomoc s přípravou konferenčních příspěvků a publikace v časopise (Modelování v Mechanice, Construction and Building materials);
- účast na konferenci (Modelování v Mechanice).
doc. Ing. Vlastimil Bílek, Ph.D.
- konzultace ohledně návrhu receptur betonu a metodiky testování;
- kontrola studentů, konzultace individuálních problémů a mentoring.
Předchozí dosažené výsledky členů týmu:
Matyskova, Kateřina; Bilek, Vlastimil; Prochazka, Lukáš; Hedlova, Radka a Hornakova, Marie. Replacement of Fine Aggregates in Fine-Grained Concrete by Waste Material from Cetris Boards Production. Online. Defect and Diffusion Forum. 2024, roč. 432, s. 31-38. ISSN 1662-9507. https://doi.org/10.4028/p-sMCI67.
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.
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. https://doi.org/10.2478/cee-2023-0031.
Předchozí projekty:
SP2024/097: Mechanické a trvanlivostní vlastnosti kompozitů z druhotných surovin – hlavní řešitel (Ing. Matýsková)
SP2024/093: Pevnostní a materiálová optimalizace 3D tištěných prvků – spoluřešitel (Ing. Matýsková)
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: 60 000 Kč
45 000 Kč – Ing. Kateřina Matýsková
15 000 Kč – Ing. Radoslav Gandel
Materiálové náklady: 18 395 Kč
11 100 Kč – materiál pro výrobu zkušebních vzorku – kamenivo, pojivo, stavební chemie. Předpokládaný počet cca 144 vzorků (viz metody řešení).
6 295 Kč – laboratorní materiál – doplňky a chemikálie potřebné pro provádění jednotlivých zkoušek (laboratorní nádobí a formy, roztok fenolftaleinu pro zkoušku karbonatace atd.).
1000 Kč – drobné spotřební nářadí (lžíce, stěrky, štětce).
Drobný hmotný a nehmotný majetek: 1 000 Kč
1 000 Kč – datové nosiče.
Služby: 23 000 Kč
12 000 Kč – vložné na konferenci Modelování v mechanice 2025, pro 2 účastníky.
11 000 Kč – kalibrace laboratorních přístrojů.
Cestovní náklady: 7 000 Kč
7 000 Kč – cestovné na konferenci Modelování v mechanice 2025, pro 2 účastníky.
Režie: 12 155 Kč
Požadovaná dotace: 121 550 Kč
Rok zahájení
2025
Rok ukončení
2025
Poskytovatel
Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy
Kategorie
SGS
Typ
Specifický výzkum VŠB-TUO
Řešitel