Utilizarea deseurilor solide in compozitia betoanelor ecologice. Betonul cu agregate din deseuri de sticla

Conform cerintelor directivei europene DC2008/98/CE [1], care reglementeaza regimul deseurilor, producatorii acestora au obligatia reciclarii si valorificarii lor, prin utilizarea celor mai bune tehnici disponibile in materie, cu efecte minime asupra factorilor de mediu si a sanatatii umane. In directiva cadru DC2008/98/CE [1] privind deseurile, reciclarea ocupa un loc principal in ierarhia proceselor, fiind situata inaintea depozitarii si a incinerarii.

Pentru schimbarea practicilor in constructii si integrarea proiectarii ecologice, unul dintre materiale de constructii cel mai frecvent utilizat este si una dintre cele mai “verzi” optiuni disponibile si anume, betonul. Betonul este o alegere importanta la dispozitia consumatorilor care doresc sa utilizeze materiale ecologice in noile lor case, el raspunzand multor cerinte de responsabilitate fata de mediu, motiv pentru care poate fi utilizat in proiectarea verde.

Dezvoltarea materialelor noi, prietenoase cu mediul (environmentally friendly), ar trebui, deci, sa fie o preocupare permanenta a cercetatorilor din domeniu; de asemenea, conceperea de solutii sustenabile care sa permita reciclarea si valorificarea deseurilor ca materie prima pentru obtinerea de noi materiale / produse pentru constructii. In acest mod, pot fi salvate resursele natural neregenerabile.

Tinand seama de aceasta necesitate la nivel national, cat si global, am considerat ca exista o oportunitate in zona cercetarii, pentru a veni in sprijinul celor care cauta solutii pentru indeplinirea indicatorilor trasati de directiva mai sus amintita, de reciclare si valorificare a deseurilor.

Prima cercetare realizata in ca­drul tezei mele de doctorat (2011) [2] este betonul performant cu agregate din deseuri de sticla (RO127399-B1) [3].

Studiile au fost extinse si in cadrul postdoctoratului prin realizarea betoa­nelor conventionale (clasa de rezistenta C16/20, C20/25 si C30/37) si a betonului rutier (BcR4) cu agregate din deseuri de beton si sticla (PCT/IB2015/053043) [4], (PCT/IB2015/052977) [5].

Au mai fost create betoane cu deseu tip cenusa, provenit in urma procesului tehnologic, prin metoda depolime­rizarii termice a reziduurilor de mase plastice si cauciuc; de asemenea, mortare cu continut de sticla si plastic rezultate de la dezasamblarea monitoarelor de calculatoare din generatia veche; com­pozite cu deseu poliuretanic macinat, provenit din dezafectarea frigiderelor sau compozite cu deseu de piele si pudreta de caucic.

Asadar, avand in vedere consi­derentele de ordin legislativ [1] mentionate anterior, se poate aprecia ca preocuparea pentru obtinerea betoanelor ecologice vine sa completeze necesitatile la nivel national, cu privire la existenta celor mai bune tehnici de valorificare a unor asemenea tipuri de deseuri.

Betonul cu agregate din deseuri de sticla

Sticla a devenit un produs indispensabil in viata cotidiana. Pe masura ce necesarul de sticla a crescut, ca urmare a modalitatilor de folosire, in aceeasi masura a crescut si cantitatea de deseuri [6]. Sticla este un material inert in gropile de gunoi, fiind indestructibila pe cale naturala; prin urmare, este extrem de nociva pentru mediul inconjurator.

In anul 1997, inginerul chimist Gheorghe Petcu a cercetat si rea­lizat un beton cu agregate din sticla [7], cu o rezistenta la compresiune de pana la 31 Mpa (314 daN/cm2) dar cu dovezi experimentale reduse in ceea ce priveste incercarile fizico-mecanice de scurta si lunga durata. Un alt studiu este cel al prof. dr. ing. Maria GHEORGHE privind actiunea chimica a sticlei in mediu alcalin produs la reactia de hidratare a cimentului [9].

Lucrarea de fata prezinta ames­tecuri si caracteristici ale betonului ecologic cu deseuri de sticla, concasate in dimensiuni granulare standardizate intre 0 si 16 mm. Deseurile de sticla (4/8 si 8/16 mm) inlocuiesc agregatele naturale, iar pulberea de sticla, avand proprietati pozzolanice, inlocuieste partial cimentul [8].

In compozitiile studiate, consti­tu­entii utilizati sunt procurati de la pro­ducatori locali sau distribuitori auto­­rizati de materiale pentru constructii.

Agregatul folosit este sortul 0/4 mm nisip natural de rau si sticla, sortul 4/8 mm si 8/16 mm agregat natural (agregat de rau concasat si de cariera) inlocuit cu cel din sticla concasata la dimensiunea standard (SR EN 206-1:2002(2014) [10], SR EN 933-1/2002/A1:2006 [11]).

Deseul de sticla, concasat sub forma de agregat sortat (fig. 2), provine din calupuri brute de sticla de culoare albastra, cu diferite intensitati (fig. 1), fiind furnizat de o fa­brica de sticla din judetul Cluj.

Continutul chimic de SiO2, Na2O si CaO confera pulberii de sticla statut de pozzolana. Compozitia chimica a sticlei a fost furnizata de producatorul de sticla, respectiv deseu.

Cimentul. In realizarea ames­tecului s-a folosit ciment cu numele comercial de RAPIDCEM® / Ciment PORTLAND unitar CEM I 52,5R, in conformitate cu (SR EN 197-1, 2011) [11], cu clasa de rezistenta 52.5. Acesta are un continut redus de alcalii, reducand, astfel, efectul reac­tiilor de tip alcalii + agregate / alcalii + silice, reactii nefavorabile betonului (Maria GHEORGHE, 2008) [9].

RAPIDCEM® are o finete de maci­nare de 4650+120 cm2/gr si un continut de sulfati (SO3) de 3,4 + 0,4%. Acest ciment este procurat de la fosta firma LAFARGE CIMENT Romania SA, fabrica din Hoghiz, jud. Brasov.

Silicea ultrafina (SUF). In compozitiile studiate s-a folosit adaosul de tip II (puzzolanic sau hidraulic latent) de tip MICROSILICA furni­zata de grupul olandez Elkem si livrata sub denumirea comerciala Elkem Microsilica. In programul experimental s-a folosit varianta Grade 940-U procurata de la BASF Romania. Este utilizata ca inhibitor al reactiilor sus mentionate si pentru a obtine o microstructura a betonului care ii confera acestuia caracte­ristici de durabilitate (rezistente sporite – porozitate redusa, continut de aer oclus redus, densitate marita; impermeabilitate sporita; contractii reduse). SUF folosita in studiu cores­punde standardului armonizat (SR EN 13263-1,2005) [13].

Pulberea fina de sticla (PS). Adaos de tip II – pulberea fina de sticla este un alt adaos puzzolanic latent cu granulatia < 0,250 mm in proportie de 80%. Acesta influenteaza favorabil reactiile chimice din mediul bazic al betonului si nu pe cele nefavorabile, ca de exemplu, expansiune (Bazant et al., 1998) [14], (Ahmed SHAYAN, 2002) [15] in beton. Favorizeaza, de asemenea, rezistenta la abraziune a betonului.

Aditivul. Pentru amestecurile de betoane performante din studiu s-a utilizat un aditiv superplastifiant, reducator de apa, de tip policarboxilat, stiindu-se ca prezenta, sub orice forma, a sticlei intr-un amestec de beton ii reduce acestuia lucrabilitatea. Aditivul are denumirea comerciala GLENIUM ACE 30, un produs BASF Chemical Company, din ultima generatie de aditivi pe baza de polimer eter-policarboxilic, procurat de la BASF Romania, in conformitate cu  (SR EN 934-2,2003) [16].

Apa de amestec. Pentru ames­tecurile de beton s-a folosit apa pota­bila din sistemul de alimentare al orasului (SR EN 1008, 2003) [17].

Etape si rezultate ale studiului

Studiul a parcurs mai multe etape pentru ca la fiecare etapa apar noi elemente care sustin continuarea lui.

• Etapa 1-a. S-au realizat diverse amestecuri preliminare variind componentele, agregatele, raportul doza­­jului de aditiv superplastifiant si apa / ciment obtinandu-se compozitia de referinta S7, care indeplineste cerinte de rezistenta si lucrabilitate ale betoanelor conventionale.
• Etapa a 2-a. Se realizeaza compozitii Martor (M, Mr) drept probe de control pentru amestecul S7 si apoi al compozitiilor care urmeaza sa fie comparate, in etapa 4-a. Amestecul (M) a fost obtinut cu agregat concasat de cariera iar (Mr) cu agregate concasate de rau.
• Etapa a 3-a. Se realizeaza compozitii (S8-1; S8-2; S8-3) unde variabilele sunt cantitatea de ciment, agregatul 0/4 mm si se introduce in unele compozitii si pulberea de sticla (PS), care inlocuieste o cantitate de ciment si/sau de silice ultrafina (SUF).
• Etapa a 4-a. Pe baza compo­zitiei S7, S8-1 se realizeaza compozitiile S8-1,A si S8-1,B. Compozitia S8-1,A, dupa cum rezulta din tabele, este recomandata de valorile glo­bale ale caracteristicilor ca cea mai buna, intrunind cerinte pentru un beton de inalta performanta.

Caracteristicile betonului in stare proaspata si intarita

Amestecurile considerate cores­punzatoare din punct de vedere al caracteristicilor in stare proaspata si intarita sunt prezentate in tabelul 2, unde cantitatea de material din compozitia lor este raportata la cantitatea de ciment a amestecului de baza S7. Pe baza acestui amestec s-a variat dozajul de ciment, SUF si PS, rezultand amestecurile S8-1, S8-2 si S8-3. Dintre aceste amestecuri, S8-1 este cel care corespunde din punct de vedere al betonului proaspat, folosindu-se, mai departe, ca baza. Variind cantitatea de SUF si PFS s-au obtinut amestecurile finale S8-1,A si S8-1,B, din care S8-1,A indepli­neste cerintele dorite.

In imagini (fig. 4, 5, 6 si 7) este prezentata determinarea consistentei betonului, prin metoda tasarii, pentru amestecuri de beton reprezentative.

Caracteristicile betoanelor in stare proaspata sunt prezentate in Tabelul 3, iar cele in stare intarita, in Tabelul 4.

Concluzii

Se evidentiaza performantele in stare proaspata si intarita ale amestecului S8-1,A. Evolutia rezistentei la compresiune, abraziunea, modulul de elasticitate, rezistenta la inghet – dezghet este comparabila cu cea a amestecurilor Martor, cu agregat concasat de rau si cariera (Mr, M). S8-1,A se comporta foarte bine la contractii (urmarite pana la 120 zile) care se stabilizeaza incepand cu varsta de 56 de zile (UR 65±5%; T 20±2 °C). Permeabilitatea este de 10% fata de valoarea minim permisa de standard.

Pentru toate amestecurile, pier­derea de volum, respectiv rezistenta la uzura (abraziune) se incadreaza in cea mai buna clasa de performanta – Clasa 4 – marca I (Conf. SR EN 1338:2004). Compozitia S8-1,A (M) se inca­dreaza in clasa de rezistenta C60/75.

Rezistenta agregatului de sticla este cert mai mica decat a celor na­turale de rau si de cariera, care sustin rezistenta la compresiune a betonului. Prin rezultatele obtinute pentru amestecul S8-1,A cu agregat concasat din sticla, se demonstreaza ca acestea pot fi utilizate in beton, cu folosirea nemijlocita a inhibitorilor reactiilor chimice de tip alcalin, care creeaza expansiune in beton, conducand la fisurarea acestuia. Inhibitorii utilizati au fost SUF, care confera lucrabilitate, cresterea densitatii amesteului si implicit, rezistente mari la diversele solicitari ale betonului, si PS, care sustine betonul si la rezistenta la abraziune.

Dupa caracteristicile obtinute, acest beton se recomanda pentru: pardoseli, placari fatade, bazine de inot, centre SPA, panouri decorative pentru lifturi, ca beton aparent, pentru trepte, contratrepte,  mobilier de gradina, mobilier stradal etc. La nivel de facultate exista interes pentru realizarea si testarea elementelor structurale (prof. dr. ing. Zoltan KISS).

Proprietatile betoanelor cu conti­nut de sticla difera in functie de culorile acesteia, realizarea lor obtinandu-se numai pe baza de incercari prelimi­nare.

Utilizarea unui asemenea tip de beton permite dezvoltarea unor solutii inovative si ecologice, care sa conduca la reducerea consumului de agregat natural neregenerabil cat si a impactului acestora asupra mediului inconjurator. Folosirea deseurilor in materiale si produse pentru constructii (ex. deseurile reciclate de sticla), conduce la redu­cerea impac­tului asupra mediului, inclusiv redu­ce­rea amprentei de CO2, prin inlo­cu­irea partiala a cimentului. Reciclarea deseurilor de sticla si reducerea cimentului in amestec, confera sta­tutul de beton ecologic / beton verde.

Aparitia unor produse comerciale care utilizeaza deseuri din nume­roase ramuri industriale este una dintre solutiile pe care comunitatea stiintifica este chemata sa le fur­nizeze, pentru a obtine un viitor sustenabil pentru umanitate.

Referinte

[1] DC2008/98/CE Directiva cadru – Directiva a Parlamentului European si a Consiliului privind dese­urile, din 19 noiembrie 2008 cu completari in 2014;

[2] O. Corbu, Betoane performante, Teza de doctorat (2011);

[3] RO127399-B1. Numar brevet OSIM, titlul “Betoane cu agregate din deseuri de sticla”;

[4] PCT/IB2015/053043, International Patent Application No. for “Sustainable concrete using recycled waste glass, recycled aggregates and treated wastewater”, dr. ing. Attila PUSKAS and dr. ing. Ofelia CORBU, to (WIPO) World Intellectual Property Organization (2015);

[5] PCT/IB2015/052977, Patent application No. for “Energy efficient, abrasion resistant concrete obtained from recycled waste glass and concrete and its production method”, dr. ing. Ofelia CORBU and dr. ing. Attila PUSKAS, to (WIPO) World Intellectual Property Organization, 2015;

[6] Rindl J., Report by Recycling Manager, Dane County, Dept. of Public Works, Madison, USA, August, 1998;

[7] O. Corbu, A. M. Ioani, Mohd Mustafa Al Bakri Abdu­llah, V. Meita, H. Szilagyi, A. V. Sandu, The Pozzolanic activity level of powder waste glass in comparisons with other powders, Key Engineering Materials, Vol. 660: Innovative Materials and Engineering Research, DOI: 10.4028 / www.scientific.net/ KEM.660.237, pp. 237-243, August, 2015;

[8] 00116617 – Gheorghe Petcu, Numar brevet;

[9] Gheorghe M., Saca N., Radu L. & PoteraS G., Valorificarea deseurilor de sticla, Revista Romana de Materiale, Vol. 38 / issue 1, pp. 57-68, 2008;

[10] SR EN 206-1:2002/2014, Beton. Partea 1: Specificatie, performanta, productie si conformitate;

[11] SR EN 933-1: 2002, Incercari pentru determinarea caracteristicilor geometrice ale agregatelor. Partea 1: Determinarea granulozitatii. Analiza granulometrica prin cern;

[12] SR EN 197-1:2011, Compo­zitia cimentului;

[13] SR EN 13263-1:2005, Silice ultrafina pentru beton – Partea 1: Definitii, conditii si criterii de conformitate;

[14] Bazant Z.P., Jin W. & Meyer C., Fracture Mechanics of Concrete Structures, Proc. FRA MCOS – Vol. 3, pp. 1687-1693, 1998;

[15] Shayan A., Value-added Utilisation of Waste Glass in Concrete, 2002;

[16] SR EN 934-2: 2003, Aditivi pentru beton, mortar si pasta. Partea 2: Aditivi pentru beton. Definitii conditii, confor­mitate, marcare si etichetare, SR EN 934-2: 2009+A1:2012 (2012);

[17] SR EN 1008: 2003, Apa de preparare pentru beton. Specificatii pentru prelevare, incercare si evaluare a aptitudinii de utilizare a apei, inclusiv a apelor recuperate din procese ale industriei de beton, ca apa de preparare pentru beton;

[18] SR EN 1338:2004, AC-2006, Pavele de beton. Conditii si metode de incercari. 

Autor:
dr. ing. Ofelia CORBU – director Laborator Central, Sef laborator autorizat gradul I, Universitatea Tehnica din Cluj-Napoca – Facultatea de Constructii 

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 120 – noiembrie 2015, pag. 50