Název projektu
Vývoj kompozitního stavebního výrobku s recyklátem z výroby cementotřískových desek
Kód
SP2026/074
Předmět výzkumu
V posledních letech je ve stavebnictví patrný výrazný tlak na snižování environmentální zátěže stavebních materiálů, a to jak prostřednictvím optimalizace výrobních procesů, tak zejména využíváním recyklovaných a odpadních materiálů [1, 2]. Cementové kompozity patří mezi materiály s významnou uhlíkovou stopou, přičemž jednou z perspektivních cest ke snížení jejich dopadu na životní prostředí je částečná náhrada primárních surovin vhodnými druhotnými materiály [3, 4]. Odpadní materiály vznikající při výrobě cementotřískových desek (CD) představují specifický typ stavebního odpadu kombinující cementovou matrici a lignocelulózovou složku ve dvou typech – odřezky a jemný sypký odpad z broušení povrchu [5, 6]. Tento materiál je možno recyklovat např. jako ztracené bednění, pro podsypy podlah, lehčiva v cihlářském střepu, jako náhrada pojiva v cementových kompozitech [5, 6] či pro výrobu lehkých biokompozitů [7]. Recyklace tohoto odpadu zpět do výroby CD je možná, ale ve formě jemnozrnné příměsi pouze v omezeném množství (do 5% pro neupravený materiál, do 10% pro popílek) z důvodu zhoršení fyzikálních a mechanických vlastností produktů [6]. Studie [5–10] potvrzují, že tento recyklát může pozitivně ovlivnit některé vlastnosti kompozitů, zejména jejich objemovou hmotnost, tepelně-technické nebo akustické parametry, avšak současně upozorňují na možná rizika spojená se snížením pevností, vyšší nasákavostí či variabilitou vstupní suroviny. V oblasti alkalicky aktivovaných materiálů (AAM) není využití tohoto recyklátu zatím velmi prozkoumáno, projekt SGS SP2025/068 byl na toto téma zaměřen a bylo zjištěno, že náhrada přírodního kameniva tímto odpadem nemá vliv na prodloužení doby tuhnutí AAM, ale při nahrazení 10 a 20 % bylo dosaženo téměř stejných hodnot pevnosti v tahu za ohybu jako u referenční směsi.
Technologie 3D tisku betonu představuje dynamicky se rozvíjející oblast, která umožňuje efektivní výrobu tvarově optimalizovaných stavebních prvků s minimálním odpadem materiálu [11]. Výzkum v této oblasti se momentálně zaměřuje především na vývoj speciálních směsí s požadovanými reologickými vlastnostmi, rychlým nárůstem pevnosti a dlouhodobou trvanlivostí [12]. Využití recyklovaných a odpadních materiálů v těchto směsích je však zatím spíše okrajové a naráží na nedostatek experimentálních dat o jejich vlivu na tisknutelnost, soudržnost vrstev a výsledné mechanické vlastnosti [13]. Nejčastěji studovanými materiály jsou průmyslové vedlejší produkty, jako jsou popílky, granulovaná vysokopecní struska, mikrosilika nebo mletý recyklovaný betonový prášek, případně recyklované jemné a hrubé kamenivo. V menší míře se výzkum zaměřuje také na využití skleněného odpadu, různých typů průmyslových strusek, cihlového recyklátu, recyklovaných plastů či gumového granulátu z pneumatik [13–16]. Systematické propojení výzkumu cementotřískového recyklátu, experimentální charakterizace kompozitů vhodných pro 3D tisk, mikrostrukturní analýzy a numerického modelování stavebních prvků však dosud chybí.
Navrhovaný projekt reaguje na identifikované mezery ve stávajícím poznání tím, že propojuje materiálový výzkum recyklátu z cementotřískových desek s technologií 3D tisku betonu (ve spolupráci s prof. Sikorou – ZUT, Štětín) a numerickým modelováním. Tím vytváří komplexní základ pro vývoj kompozitního stavebního výrobku, který odpovídá současným požadavkům na udržitelnost, technologickou inovaci a efektivní využití druhotných surovin. Prvním plánovaným stavebním výrobkem v rámci tohoto projektu je protihluková stěna, pro možný pozitivní vliv dřevních částic odpadu na zvukovou pohltivost.
Literatura:
[1] SANDANAYAKE, Malindu, Yanni BOURAS, Robert HAIGH a Zora VRCELJ. Current Sustainable Trends of Using Waste Materials in Concrete—A Decade Review. Sustainability [online]. 2020, 12(22), 9622. ISSN 2071-1050. Dostupné z: doi:10.3390/su12229622
[2] ANTUNES, Ana, Hugo COSTA, Ricardo DO CARMO a Eduardo JÚLIO. A comprehensive review of sustainable use of construction and demolition waste as recycled aggregates in the production of concrete – Properties, mix design and on-site applications. Construction and Building Materials [online]. 2025, 482, 141733. ISSN 09500618. Dostupné z: doi:10.1016/j.conbuildmat.2025.141733
[3] CHEN, Siwei, Yue TENG, Yang ZHANG, Christopher K.Y. LEUNG a Wei PAN. Reducing embodied carbon in concrete materials: A state-of-the-art review. Resources, Conservation and Recycling [online]. 2023, 188, 106653. ISSN 09213449. Dostupné z: doi:10.1016/j.resconrec.2022.106653
[4] ZHANG, Zheyuan, Ying LEI, J. Y. Richard LIEW, Mi LIU, Gloria WONG a Hongjian DU. Embodied carbon saving potential of using recycled materials as cement substitute in Singapore’s buildings. npj Materials Sustainability [online]. 2024, 2(1), 27. ISSN 2948-1775. Dostupné z: doi:10.1038/s44296-024-00032-w
[5] BARTOŇ, Andrej. Possibilities of usage of waste from the production of cement-bonded particleboard in building materials [online]. Brno: Brno University of Technology, Faculty of Civil Engineering, Department of Technology of Building Materials and Components., 2018. Bachelor thesis. Dostupné z: https://www.vut.cz/www_base/zav_prace_soubor_verejne.php?file_id=178506
[6] MELO, Michal. Analysis of the possibility of using waste from the production of cement-bonded particleboards [online]. Brno: Brno University of Technology, Faculty of Civil Engineering, Department of Technology of Building Materials and Components., 2013. Diploma thesis. Dostupné z: https://dspace.vut.cz/server/api/core/bitstreams/06d87ba7-1ba1-4a11-a78b-35bd1344f45d/content
[7] BUMANIS, Girts, Pauls P. ARGALIS, Maris SINKA, Aleksandrs KORJAKINS a Diana BAJARE. The Use of Recycled Cement-Bonded Particle Board Waste in the Development of Lightweight Biocomposites. Materials [online]. 2024, 17(23), 5890. ISSN 1996-1944. Dostupné z: doi:10.3390/ma17235890
[8] EZERSKIY, Valeriy, Natalia Vladimirovna KUZNETSOVA a Artem Denisovich SELEZNEV. Evaluation of the use of the CBPB production waste products for cement composites. Construction and Building Materials [online]. 2018, 190, 1117–1123. ISSN 09500618. Dostupné z: doi:10.1016/j.conbuildmat.2018.09.148
[9] ADELUSI, Emmanuel, Olayiwola AJALA, Reuben AFOLABI a Kayode OLAOYE. Strength and dimensional stability of cement-bonded wood waste-sand bricks. Journal of Forest Science [online]. 2021, 67(12), 545–552. ISSN 12124834, 1805935X. Dostupné z: doi:10.17221/98/2021-JFS
[10] MATYSKOVA, Kateřina, Vlastimil BILEK, Lukáš PROCHAZKA, Radka HEDLOVA a Marie HORNAKOVA. Replacement of Fine Aggregates in Fine-Grained Concrete by Waste Material from Cetris Boards Production. Defect and Diffusion Forum [online]. 2024, 432, 31–38. ISSN 1662-9507. Dostupné z: doi:10.4028/p-sMCI67
[11] WANG, Xiaonan, Wengui LI, Yipu GUO, Alireza KASHANI, Kejin WANG, Liberato FERRARA a Isabel AGUDELO. Concrete 3D printing technology for sustainable construction: A review on raw material, concrete type and performance. Developments in the Built Environment [online]. 2024, 17, 100378. ISSN 26661659. Dostupné z: doi:10.1016/j.dibe.2024.100378
[12] REHMAN, Atta Ur a Jung-Hoon KIM. 3D Concrete Printing: A Systematic Review of Rheology, Mix Designs, Mechanical, Microstructural, and Durability Characteristics. Materials [online]. 2021, 14(14), 3800. ISSN 1996-1944. Dostupné z: doi:10.3390/ma14143800
[13] MAROSZEK, Marcin, Magdalena RUDZIEWICZ a Marek HEBDA. Recycled Components in 3D Concrete Printing Mixes: A Review. Materials [online]. 2025, 18(19), 4517. ISSN 1996-1944. Dostupné z: doi:10.3390/ma18194517
[14] BUTKUTĖ, Karolina, Vitoldas VAITKEVIČIUS a Fausta ADOMAITYTĖ. Eco-Friendly 3D-Printed Concrete Made with Waste and Organic Artificial Aggregates. Materials [online]. 2024, 17(13), 3290. ISSN 1996-1944. Dostupné z: doi:10.3390/ma17133290
[15] SAMRANI, Phebe, Yifang CAO, Gustavo FIMBRES-WEIHS, Eric SANJAYA a Ali ABBAS. Effect of fly ash and ground waste glass as cement replacement in concrete 3D-Printing for sustainable construction. Frontiers in Built Environment [online]. 2024, 10, 1430174. ISSN 2297-3362. Dostupné z: doi:10.3389/fbuil.2024.1430174
[16] MAHMOOD, Ali, Nikos NANOS, David BEGG a Hom Nath DHAKAL. Recycled Waste Materials Utilised in 3D Concrete Printing for Construction Applications: A Scientometric Review. Buildings [online]. 2025, 15(19), 3572. ISSN 2075-5309. Dostupné z: doi:10.3390/buildings15193572
ZVOLENÉ METODY ŘEŠENÍ
V experimentální části projektu se předpokládá využití standardních zkušebních a testovacích postupů:
• Zkoušky vlastností čerstvého betonu: viskozimetr, stanovení konzistence čerstvé malty s použitím střásacího stolku, smrštění během 24 hodin.
• Zkoušky vlastností ztvrdlých betonů: pevnost v tahu za ohybu, pevnost v tlaku v různých časových horizontech (7, 28 a 90 dnů), nedestruktivní ultrazvuková zkouška. Testy pro stanovení zvukové pohltivosti pomocí Kundtovy trubice. Očekávaný rozsah je cca 30 vzorků (trámečky: 18 ks 40x40x160 mm; válečky 12 ks Ø50x10 mm).
• Zkoušky trvanlivostních charakteristik: mrazuvzdornost a odolnost proti CHRL. Očekávaný rozsah cca 48 vzorků (trámečky: 24 ks 40x40x160 mm, kostky: 24 ks 100x100 mm).
• Mikroskopické studium struktury s využitím optických mikroskopů a elektronové mikroskopie. Očekávaný rozsah cca 12 vzorků (válečky φ30x5 mm).
• Příprava prvotních modelů pro numerickou analýzu za účelem zjištění nejvhodnějšího tvaru stavebního výrobku (např. protihlukové stěny) pomocí MKP softwarů (SCIA Engineer/ATENA/ANSYS).
Veškeré testování a vyhodnocování zkušebních metod bude prováděno v souladu se standardy a doporučeními pro beton a cementové kompozity:
[1] ČSN EN 1015-3: Zkušební metody malt pro zdivo – Část 3: Stanovení konzistence čerstvé malty (s použitím střásacího stolku). Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2000
[2] 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
[3] ČSN EN 206+A2: Beton – Specifikace, vlastnosti, výroba a shoda. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2021
[4] ČSN EN 1015-10: Zkušební metody malt pro zdivo – Část 10: Stanovení objemové hmotnosti suché zatvrdlé malty. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2000
[5] ČSN EN 196-1: Metody zkoušení cementu – Část 1: Stanovení pevnosti. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2016
[6] ČSN ISO 10534-1: Akustika – Určování činitele zvukové pohltivosti a akustické impedance v impedančních trubicích – Část 1: Metoda poměru stojaté vlny. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 1999
[7] ČSN 73 1322: Stanovení mrazuvzdornosti betonu. Praha: Český normalizační institut, 1969
[8] ČSN 73 1326: Stanovení odolnosti povrchu cementového betonu proti působení vody a chemických rozmrazovacích látek. Praha: Český normalizační institut, 1984
[9] ČSN 73 1371: Nedestruktivní zkoušení betonu – Ultrazvuková impulzová metoda zkoušení betonu. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2011.
HARMONOGRAM PRACÍ
Leden–únor
Dokončení publikace o vlastnostech alkalicky aktivovaných materiálů z CETRIS odpadu z předchozího projektu a zaslání do recenzního řízení (Construction and Building materials).
Podrobná rešerše literatury týkající se technologie protihlukových stěn a využití recyklovaných a odpadních materiálů do 3D tisku betonu.
Příprava abstraktu na konferenci Non-Traditional Cement & Concrete 2026.
Březen–duben
Návrh směsí pro 3D tisk betonu (ČSN EN 206+A2), testování vlastností čerstvého betonu (ČSN EN 1015-3, ČSN EN 196-3), příprava vzorků monolitickou technologií do forem a 3D tiskem pro zkoušky mechanických a trvanlivostních charakteristik (trámečky: 18 + 24 ks 40x40x160 mm; válečky 12 ks Ø50x10 mm; kostky: 24 ks 100x100 mm).
Příprava abstraktu na konferenci Modelování v Mechanice 2026.
Duben–červenec
Testování mechanických a trvanlivostních charakteristik směsí.
- Objemové hmotnosti (ČSN EN 1015-10), pevnosti v tahu za ohybu a pevnosti v tlaku (ČSN EN 196-1) ve stáří 7, 28 a 90 dní – trámečky: 18 ks 40x40x160 mm;
- Testování zvukové pohltivosti (ČSN ISO 10534-1) - válečky 12 ks Ø50x10 mm;
- Nedestruktivní ultrazvuková zkouška pro stanovení dynamického modulu pružnosti ve stáří 28 a 90 dní (ČSN 73 1371) - trámečky: 12 ks 40x40x160 mm;
- Testování mrazuvzdornosti (ČSN 73 1322) – trámečky: 12 ks 40x40x160 mm;
- Odolnosti proti chemickým rozmrazovacím látkám – CHRL (ČSN 73 1326) - kostky: 24 ks 100x100 mm.
Příprava vzorků pro zkoumání mikrostruktury a následné provedení testování pomocí optických a elektronových mikroskopů (válečky φ30x5 mm).
Vyhodnocení získaných dat z krátkodobého testování.
Příprava článku navazujícího na konferenci Modelování v Mechanice 2026.
Květen
Účast na konferenci Modelování v Mechanice 2026.
Červen
Účast na konferenci Non-Traditional Cement & Concrete 2026.
Červenec–září
Vyhodnocení získaných dat z dlouhodobého testování.
Vyhodnocení všech dosud získaných dat, statistické a korelační analýzy.
Příprava prvotních modelů pro numerickou analýzu za účelem zjištění nejvhodnějšího tvaru.
Příprava publikace (Construction and Building materials).
Říjen–listopad
Provedení prvotních zkušebních 3D tisků betonových optimalizovaných tvarů.
Vyhodnocení veškerých získaných dat, statistické a korelační analýzy.
Dokončení a zaslání publikace (Construction and Building materials).
Uzavření projektu.
ZDŮVODNĚNÍ ZAPOJENÍ JEDNOTLIVÝCH ČLENŮ TÝMU
Ing. Kateřina Matýsková (cca 6 h/týden):
- rešerše literatury;
- koordinace projektu;
- návrh receptur betonu;
- příprava vzorků, testování a vyhodnocení naměřených dat;
- statistické a korelační analýzy dat;
- příprava konferenčních příspěvků a publikace v časopise (Modelování v Mechanice, Non-Traditional Cement & Concrete, Construction and Building materials);
- tvorba numerických modelů v MKP softwarech;
- účast na konferencích (Modelování v Mechanice, Non-Traditional Cement & Concrete).
Ing. Jan Jeřábek (cca 2 h/týden):
- pomoc s přípravou vzorků, testováním a vyhodnocením naměřených dat z testování čerstvých směsí a mechanických vlastností;
- pomoc s přípravou publikace v časopise (Construction and Building materials);
doc. Ing. Vlastimil Bílek, Ph.D.
- konzultace ohledně návrhu receptur betonu a metodiky testování;
- kontrola studentů, konzultace individuálních problémů a mentoring.
Projekt souvisí s tématem disertační práce hlavní řešitelky (Použití odpadu z výroby CETRIS desek do anorganických kompozitů). Navržený projekt rovněž souvisí s tématem disertačních práce spoluřešitele Ing. Jana Jeřábka (Vysokohodnotný beton s obsahem alternativních surovin).
PŘEDCHOZÍ DOSAŽENÉ VÝSLEDKY ČLENŮ TÝMU
PIZOŃ, Jan; MATÝSKOVÁ, Kateřina; HORŇÁKOVÁ, Marie; GOŁASZEWSKA, Małgorzata a KRATOŠOVÁ, Gabriela. Recycled concrete paving block waste as a selected sustainable substitute for natural aggregate in cement composites. Online. Construction and Building Materials. 2025, roč. 478, s. 141356. ISSN 0950-0618. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2025.141356.
MATÝSKOVÁ, Kateřina a HORŇÁKOVÁ, Marie. Identification of fracture characteristics of concrete mixtures with waste material using SARA software. Online. Procedia Structural Integrity. 2025, vol. 73, s. 100-105. ISSN 2452-3216. https://doi.org/10.1016/j.prostr.2025.10.016.
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.
BÍLEK, Vlastimil; PROCHAZKA, Lukáš; MATÝSKOVÁ, Kateřina a SUCHARDA, Oldřích. Frost Resistance of Alkali-Activated Concrete with Different Compositions – Parametric Study. Online. Civil and Environmental Engineering. 2024, vol. 20, no. 2, s. 993-1001. ISSN 1336-5835. https://doi.org/10.2478/cee-2024-0072.
GANDEL, Radoslav; JERABEK, Jan; PEKNIKOVA, Andrea; TOPOLÁŘ, Libor a SUCHARDA, Oldřích. Towards Sustainable Building Materials: An Experimental Investigation into the Effect of Recycled Construction Waste Aggregate on the Properties of High-Performance Concrete. Online. Buildings. 2025, vol. 15, no. 15, s. 2772-2772. ISSN 2075-5309. https://doi.org/10.3390/buildings15152772.
PŘEDCHOZÍ PROJEKTY
SP2025/068: Mechanické vlastnosti kompozitů z odpadu z výroby cementotřískových desek – hlavní řešitel (Ing. Matýsková)
SP2025/075: Použitelnost 3D tisku pro výrobu optimalizovaných tvarů spojů stavebních konstrukcí – spoluřešitel (Ing. Matýsková)
SP2025/083: Studium adheze a rozhraní polymer-silikátového kompozitu s využitím aditivní technologie – spoluřešitel (Ing. Matýsková)
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)
ZDŮVODNĚNÍ PLÁNOVANÝCH FINANČNÍCH NÁKLADŮ
Stipendia: 50 000 Kč
35 000 Kč – Ing. Kateřina Matýsková
- Celková požadovaná výše stipendií: 35 000 Kč (SP2026/074) + 15 000 (SP2026/042) = 50 000 Kč
15 000 Kč – Ing. Jan Jeřábek
- Celková požadovaná výše stipendií: 15 000 Kč (SP2026/074) + 35 000 (SP2026/042) = 50 000 Kč
Materiálové náklady: 12 500 Kč
6500 Kč – materiál pro výrobu zkušebních vzorku – kamenivo, pojivo, stavební chemie. Předpokládaný počet cca 90 vzorků (viz metody řešení).
5000 Kč – laboratorní materiál – doplňky a chemikálie potřebné pro provádění jednotlivých zkoušek (laboratorní nádobí a formy, vysokoprocentní sůl pro testy zaměřené na chloridy atd.).
1000 Kč – drobné spotřební nářadí (lžíce, stěrky, štětce).
Služby: 46 000 Kč
6 000 Kč – vložné na konferenci Modelování v mechanice 2026, pro 1 účastníka.
10 000 Kč – vložné na konferenci Non-Traditional Cement & Concrete 2026, pro 1 účastníka.
20 000 Kč – poplatky za testování zvukové pohltivosti pomocí Kundtovy trubice – Ústav železničních konstrukcí a staveb, Fakulta stavební, Vysoké učení technické v Brně (prof. Ing. Jaroslav Smutný, Dr.).
10 000 Kč – kalibrace laboratorních přístrojů.
Cestovní náklady: 26 500 Kč
3 500 Kč – cestovné na konferenci Modelování v mechanice 2026, pro 1 účastníka.
8 000 Kč – cestovné na konferenci Non-Traditional Cement & Concrete 2026, pro 1 účastníka.
15 000 Kč – cestovné do Štětína, Polsko – pomoc s betonováním, testování a převoz vzorků z/do Ostravy (přibližně 1 cesta do Štětína, Polsko pro 1-2 účastníky).
Režie: 15 000 Kč
Požadovaná dotace: 150 000 Kč
Rok zahájení
2026
Rok ukončení
2026
Poskytovatel
Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy
Kategorie
SGS
Typ
Specifický výzkum VŠB-TUO
Řešitel