Recyklované stavební materiály do stmelených směsí podkladních vrstev pozemních komunikací

POSTUP PRÁCE
Před samotným zjišťováním modulů pružnosti E_r jsme stanovili charakteristiky betonového recyklátu, jako jsou například zrnitost a zhutnitelnost. Na zvolené stmelené směsi s betonovým recyklátem 0/16 a pojivem Doroport TB 25 v množství 4, 5 a 6 % hm., jsme ověřovali pevnosti v prostém tlaku, pevnosti v příčném tahu a odolnosti proti mrazu a vodě tak, jak je u návrhu stmelených směsí požadováno v souladu s ČSN EN 14227-5 (NA).

Výsledky z těchto zkoušek jsou znázorněny zde:

Zrnitost betonového recyklátu RB 0/16
Laboratorní vzorek betonového recyklátu pro další zkoušení byl připraven ze souhrnného zkušebního vzorku odebraného na recyklační lince firmy DUFONEV R.C., a. s. v Brně-Černovicích. Geometrické složení recyklátu popisuje obrázek 1. Obsah jemných částic byl stanoven 0,1 % hm., písčitá složka 26,6 % hm. a štěrkovitá část 73,3 % hm. V případě klasifikace zkoušeného recyklátu podle ČSN 73 6133 odpovídá štěrku dobře zrněnému (G1 GW).

Zhutnitelnost stmelené směsi RB 0/16
Při stanovení zhutnitelnosti stmelené směsi z recyklátu vznikl problém s určením maximální hodnoty objemové hmotnosti suché směsi a tudíž optimální vlhkosti. Jednotlivá stanovení netvořila standardní parabolickou křivku, proto se nedala spolehlivě určit optimální vlhkost pro zhutnění navržené stmelené směsi. Pro stanovení optima byla použita křivka saturace (se stupněm saturace S_r = 85 %), která v určitém bodě protíná křivku zhutnitelnosti (viz obrázek 2). Tento průsečík obou křivek po průmětu na osu vlhkosti a objemové hmotnosti nalezl oba důležité parametry zhutnitelnosti – w_opt = 8,5 %; ρ_d,max = 1 850 kg/m³. Pozn.: Za účelem stanovení optimální vlhkosti pro celou sadu zkušebních těles byla provedena zhutnitelnost pro 5 % hm. množství pojiva.

Stanovení pevností stmelené směsi
Pro stanovení pevností v prostém tlaku byly připraveny tři válcové zkušební vzorky v poměru 1:1 (průměr 100 mm a výška 100 mm). Zkušební navrhované stmelené směsi byly míchány při optimální vlhkosti stanovené podle obrázku 2, zhutněny byly staticky při zatížení 400 kg/cm². První pevnost v prostém tlaku byla stanovena po sedmi dnech zrání vzorků při relativní vzdušné vlhkosti 90 %. Druhá referenční hodnota pevnosti v prostém tlaku po 28 denních zrání zkušebních vzorků.

Dále bylo provedeno stanovení pevnosti v příčném tlaku a odolnost proti mrazu a vodě. Výsledky odolnosti proti mrazu a vodě ukazují na určité problémy těchto stmelených směsí s citlivostí na výraznou změnu do záporných teplot. Podle ČSN EN 14227-5 NA má odolnost proti mrazu a vodě dosahovat hodnot 85 % pevnosti v prostém tlaku po 28 dnech. V případě zkoušených stmelených směsí se tato hodnota pohybovala v rozmezí 55–68 %! Stanovení odolnosti proti mrazu a vodě bylo prováděno stanovením pevnosti v prostém tlaku po 28 dnech zrání a 10 zmrazovacích cyklech při teplotě zmrazování –15 °C zkušebních vzorků.

Pro případné návrhy této stmelené směsi do konstrukce vozovky byl experimentálně stanoven pro jednotlivé stmelené směsi modul pružnosti podle ČSN EN 13286-7 Nestmelené směsi a směsi stmelené hydraulickými pojivy – Část 7: Zkouška nestmelených směsí cyklickým zatěžováním v triaxiálním přístroji.

ZKUŠEBNÍ PŘÍSTROJ PRO STANOVENÍ MODULU PRUŽNOSTI E_r
Cyklický triaxiální přístroj se skládá ze zatěžovacího zařízení, které aplikuje svislé zatížení σ₁ na válcový vzorek (průměru 100 mm a výšky 200 mm), a nahrazuje pojezd těžkých nákladních vozidel po pozemní komunikaci. Dále pak z triaxiální komory, kde je aplikován příslušný boční (komorový) tlak σ₃, který simuluje odpor okolního materiálu proti roztlačování vzorku do stran pod svislým zatížením.

Zkušební postup
Pro stanovení modulu pružnosti E_r stmelené směsi je prvořadé nalezení optimálního množství záměsové vody pro procentuální zastoupení pojiva (Proctorova modifikovaná zkouška). Dalším důležitým krokem, je samotné hutnění vzorků. Toto hutnění se v silniční laboratoři provádí pomocí lisu, který hutní materiál v ocelové formě ze spodní a vrchní strany. Stanovíme potřebnou hmotnost vzorku k danému objemu materiálu a max. objemové hmotnosti. Lisování se děje do doby dosáhnutí hranice max. objemové hmotnosti. Po zhutnění a odformování se vzorek ponechává 28 dnů zrát v klimatizované komoře při 90% relativní vzdušné vlhkosti.

Po uplynutí doby zrání se zkoušený vzorek usadí do cyklického triaxiálního přístroje a dle ČSN EN 13286-7 se aplikuje zvolená metoda zatěžování, která je závislá na předpokládaném umístění materiálu v určité konstrukční vrstvě vozovky. Pokud se jedná podle projektu o horní podkladní vrstvu, použije se metoda A s proměnlivým komorovým tlakem, pokud o spodní podkladní vrstvy, případně upravené podloží vozovky, pak se použije metoda B s konstantním komorovým tlakem (viz ČSN EN 13286-7).

V našem případě zkoušíme materiály do podloží nebo spodní podkladní vrstvy vozovky pozemních komunikací, tedy volíme metodu B, metodu konstantního komorového tlaku. U této metody se komorový tlak předpokládá v rozmezí 20 kPa až 150 kPa a svislé napětí v rozmezí 20 kPa až 300 kPa. Zkušební postup se skládá z kondiciování, kdy se aplikuje 20 000 zatěžovacích cyklů pro ustálení trvalých deformací vzorku při určitém komorovém tlaku a určitém deviátoru napětí (obrázek 7). V našem případě je komorový tlak 150 kPa a deviátor napětí 200 kPa. Po kondiciování se plynule přechází k aplikaci jednotlivých drah napětí, kde se po 100 cyklech aplikují jednotlivé komorové tlaky a svislé napětí při neustálém měření svislé deformace při stlačení a odlehčení vzorku. Těchto drah napětí je 29 podle výše uvedené evropské normy.

VYHODNOCENÍ
Po ukončení aplikace napětí jsou stanoveny jednotlivé moduly pružnosti v závislosti na svislém a komorovém tlaku. K tomuto slouží speciálně upravený soubor typu Microsoft Excel, který dokáže rychle a přehledně zobrazit naměřené hodnoty modulů pružnosti E_r (viz obrázek 8).

Zjištění modulu pružnosti E_r
Pro jednotlivá procentuální zastoupení pojiva byly připraveny vždy 3 vzorky, celkem tedy 9 zkušebních vzorků v poměru 1:2 (průměr 100 mm k výšce vzorku 200 mm).

Vypočítané hodnoty modulů pružnosti velmi výrazně kolísaly (viz tabulka 1). Tento fakt je připisován nedostatečnému kontaktu zatěžovacího zařízení cyklického zkušebního přístroje a s tím související „odskakování“ měřicích segmentů od horní podstavy zkoušeného vzorku válcového tvaru, což při výpočtech modulů pružnosti způsobuje větší intervaly naměřených a vypočtených hodnot, viz tabulka 1. Tento efekt byl eliminován snížením zatěžovací frekvence z 1 Hz na 0,5 Hz. Předpokládáme do budoucna simulaci zatížení pomalejší dopravou, než jak je tomu v případě postupu podle ČSN EN 13286-7.

ZÁVĚR
Při návrhu a posouzení stmelené směsi z recyklátu betonového byly zjištěny zajímavé okolnosti:

• Pro návrh stmelené směsi hydraulickým pojivem, kde hlavním materiálem je recyklát betonový nebo směsný, je minimálním množstvím pojiva hodnota 5 % hm. Při tomto množství hydraulického pojiva je možné splnit podmínku min. výsledné pevnosti v prostém tlaku 2 MPa, abychom mohli použít stmelenou směs do konstrukce vozovky.
• U těchto materiálů při „malém“ množství pojiva není možné dosáhnout požadované hodnoty odolnosti proti mrazu a vodě v podobě min. 85% pevnosti v prostém tlaku Rc. V našem případě se tyto hodnoty pohybují od 55 do 68 %. Je tedy nutné při využití recyklátů do stmelených směsí počítat s vyšším množstvím hydraulického pojiva (v našem případě Doroportu TB25) v návrhu směsi. Zvýšení obsahu pojiva je ovšem podmíněno výsledky zkoušky pevnosti v prostém tlaku bez zmrazovacích cyklů.
• Experimentálně měřené moduly pružnosti Er na cyklickém triaxiálním přístroji jsou ve velkých intervalech. Pro toto úvodní měření je střední interval 700 až 1 200 MPa. V případě stanovení návrhových modulů pružnosti pro stmelené směsi s recyklátem je třeba stanovit statisticky významnější soubor výsledků.

Příspěvek byl zpracován s podporou projektu TA ČR č. 01020333 „Recyklované stavební materiály v konstrukcích dopravních staveb“.

LITERATURA:
[1] Pecha, K.: Funkční charakteristiky zemin a materiálů v podloží vozovek pozemních komunikací, Diplomová práce, Brno, 2011
[2] ČSN 73 6133 Návrh a provádění zemního tělesa pozemních komunikací, 2010
[3] ČSN EN 13286-7 Nestmelené směsi a směsi stmelené hydraulickým pojivem – Část 7: Zkouška nestmelených směsí cyklickým zatěžováním v triaxiálním přístroji
[4] ČSN EN 14227-5 Směsi stmelené hydraulickými pojivy – Specifikace – Část 5: Směsi stmelené hydraulickými silničními pojivy

Recycled Construction Materials for Compacted Mixtures of Land Road Base Layers
For verification of the possibility to use recycled construction materials there is a cyclic three-axial device used at Institute of land roads Brno University of Technology to determine the proposed modules of elasticity for compacted test bodies from road construction materials. This test belongs to so-called function tests which try to simulate the most realistic traffic load operating in the subsoil and land road constructions. Experimentally, in this case the development of elasticity modules of compacted mixtures was monitored after specific period of maturing. The test procedure was taken from ČSN EN 13286-7. As an output of the test the elasticity modules Er are determined which characterize recycled construction material during cyclic load (stands for heavy freight transport) in specific road layer.

Autoři

• Ing. Pecha Karel
• Ing. Stehlík Dušan Ph.D.