OBSAH
VYUŽITÍ ORGANICKÝCH ODPADŮ PRO VÝROBU TEPELNĚ IZOLAČNÍCH MALT A OMÍTEK UTILIZATION OF ORGANIC WASTES FOR PRODUCTION OF INSULATING MORTARS AND PLASTERS Jméno autora: Doc. RNDr. Ing. Stanislav Šťastník, CSc., Ing. Jiří Zach, Ph.D, Ing. Radek Steuer Organizace: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, Ústav technologie stavebních hmot a dílců, Veveří 95, 602 00, Brno Abstract: Paper described new results on the field of developement of new thermal insulating materials with high performance and utilization of organic wastes. This paper is based on the paper published last year and it has been complemented with results form year 2004. 1. Úvod V počáteční fázi výzkumu započal vývoj tepelně izolačních malt a omítek s využitím odpadního materiálu z výrobny DCD Ideal Prosenice (jemný podíl). Tento materiál byl použit jako hlavní surovina při výrobě tepelně izolačních malt, nebo byl použit jako náhrada části kameniva. V obou případech bylo dosaženo velmi dobrých výsledků. Při náhradě části kameniva došlo vždy vlivem použití lehkého odpadního materiálu, který je tvořen částicemi polystyrenu a mineralizovaných hoblin z měkkého dřeva, k výraznému snížení objemové hmotnosti a hodnoty součinitele tepelné vodivosti. Při použití odpadního materiálu jako hlavní suroviny se podařilo v mnoha případech připravit materiál s parametry tepelně izolačních materiálů λ ≤ 0,1 W.m-1.K1 . Problémem se však stala velmi nízká pevnost takto připravených materiálů (v některých případech byly materiály po doformování nesoudržné). 2. Návrh receptur Směsi byly navrženy tak, aby bylo možné stanovit následující vliv: • typu pojiva, • množství pojiva, • množství použitého lehčiva (nahrazení části odpadu exp. perlitem), • množství použitého aditiva (Sokrat), • doby míchání a velikosti otáček. na výsledné objemové hmotnosti, tepelně izolačních a mechanické vlastnosti. Složení všech zkoušených směsí malt je přehledně vypsáno v následující tabulce. Z každé směsi byly vyrobeny tři zkušební krychle o rozměrech 100 x 100 x 100 mm, tři trámečky o rozměrech 40 x 40 x 160 mm a jedno zkušební těleso o rozměrech 300 x 300 x 50 mm pro stanovení mechanických a tepelně izolačních vlastností.
17
Tab 1: Poměrové hmotnostní složení zkoušených směsí Označení směsi
Odpad
Cement
Vápenný Vápno hydrát vzdušné
S.1
0,500
1,000
0,500
S.2
1,000
0,500
0,500
S.3 S.4 S.5 S.6 S.7
1,000 1,000 1,000 1,000 1,000
0,500 0,500 0,500 0,500 0,800
S.8
1,000
Perlit
Sokrat
Voda
-
-
0,100
1,238
3min
-
-
0,100
1,591
6min
0,500 0,500 0,500 0,500 -
-
-
0,100 0,100 0,050 0,020 0,050
1,591 1,061 0,985 0,853 0,925
10min
0,800
-
-
-
0,050
0,925
1500 500
S.9
1,000
0,800
-
-
-
0,050
0,925
S.10 S.11 S.12
1,000 1,000 1,000
1,000 0,500
1,000
0,500
-
0,100 0,100 0,010
0,900 0,905 1,327
S.13
1,000
1,000
-
-
-
0,010
1,042
S.14
1,000
-
1,000
-
0,010
1,452
S.15
1,000
1,000
-
-
-
0,050
0,833
S.16 S.17 S.18 S.19 S.20
1,000 1,000 1,000 1,000 1,000
1,273 1,600 1,900 0,500 0,700
0,200 0,300
-
0,333
0,050 0,050 0,058 0,050 0,100
0,955 1,000 1,167 0,920 1,767
S.21
1,000
1,000
0,400
-
0,300
0,100
1,667
S.22
1,000
0,700
0,600
-
0,300
0,100
1,591
S.23 S.24 S.25
1,000 1,000 1,000
1,800 1,500 1,200
-
-
0,300 0,300 0,300
0,050 0,050 0,050
2,000 1,833 1,667
S.26
1,000
0,900
-
-
0,300
0,050
1,558
různá doba míchání
různé množství Sokratu 2500
různé otáčky míchání [ ot/min ]
3. Přehled výsledků měření Vzhledem ke skutečnosti, že je povrch polystyrénových částic odpudivý vůči vodě – nesmáčivý, byla použita jako povrchově aktivní látka akrylátová vodní disperze Sokrat 2084. Přídavek Sokratu zvyšuje smáčivost polystyrenu a zároveň obaluje částice polystyrenu a působí tak jako adhezivo. Současně také snižuje povrchové napětí vody, čímž usnadňuje vznik pěny při míchání směsi a vzniklou pěnu stabilizuje.
18
Graf 1: Vliv velikosti přídavku Sokratu na výsledné vlastnosti vyrobených malt pevnost v tlaku [MPa] souč. tep. vod. [0,1 x W/(m.K)]
1,2 1,0 S.6
S.5
0,8
S.4
0,6 0,4 0,2 0,0 0,000
0,020
0,040
0,060
0,080
0,100
0,120
množství Sokratu ve směsy v hmotnostních poměrových dílech vztažených k nmožství odpadu [-] pevnost v tlaku
souč. tep. vod.
Míra vlivu přídavku Sokratu na výsledné fyzikálně mechanické vlastnosti byl ověřován u směsí s označením S.4, S.5 a S.6. A to za účelem stanovení optimálního množství přídavku Sokratu (viz. výše). Druh pojiva je zcela zásadní faktor ovlivňující nejen výsledné vlastnosti malty, ale také například dobu tuhnutí a tvrdnutí malty. Zkoušeno bylo několik druhů různých pojiv. Za účelem vyhodnocení nejlepšího pojiva z hlediska jeho potřebného množství pro dosažení požadovaných minimálních pevností při minimální hodnotě součinitele tepelné vodivosti a ceny pojiva. Graf 2: Výsledné vlastnosti malty podle druhu použitého pojiva
pevnost v tlaku [MPa] souč tep. vod. [0,1 x W/(m.K)]
1,6 1,4
S.12 S.13
1,2
S.14
S.5
Vápno vzdušné
cement + vápenný hydrát
1,0 0,8
S.11
0,6 0,4 0,2 0,0 Cement
Vápenný hydrát
cement + vápno vzdušné
druh pojiva
pevnost v tlaku [MPa]
souč. tep. vod. [0,1 x W/(m.K)]
Pro toto vyhodnocení byly namíchány směsi jenž se lišily pouze druhem použitého pojiva, hmotnostní množství pojiva bylo vždy stejné, tam kde byla zkoušena kombinace dvou pojiv tvořila každá složka polovinu tohoto množství. Největší pevnosti dosahovali směsi s cementovým pojivem, dále pak kombinace cement vzdušné vápno. Tyto pojiva měly také nejlepší poměr pevnosti v tlaku ku součiniteli tepelné vodivosti. Z pohledu ceny lze za nejlevnější označit vzdušné vápno avšak v poměru cena / dosahované pevnosti vychází nejlépe cement. Jako nejvhodnější pojivo se tedy ukázal být cement, z hlediska dalšího směřování vývoje tohoto materiálu pro suché omítkové směsi byla však dále ověřována také varianta cement + vápenný hydrát.
19
Graf 3: Závislost výsledných vlastností malt na množství cementu ve směsi - malty s cementovým pojivem, bez přídavku perlitu pevnost vtlaku [MPa] souč. tep. vod. [0,1 x W/(m.K)]
1,8 1,6 1,4
1,0
S.18
S.17
S.16
1,2 S.15
0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 0,800
1,000
1,200
1,400
1,600
1,800
2,000
množství cementu ve směsy v hmotnostních poměrových dílech vztažených k množství odpadu [-] pevnost vtlaku
souč. tep. vod.
Zkoušené malty s cementovým pojivem dosahují poměrně vysokých pevností (0,9 – 1,5 MPa), avšak součinitel tepelné vodivosti (0,08 – 0,15 W.m-1.K-1) je u nich v oblasti přijatelných hodnot z pohledu jejich využití jako čistě tepelně izolačního materiálu. Poměr pevnosti a součinitele tepelné vodivosti lze označit za velmi dobrý. Pro zlepšení tepelně izolačních vlastností těchto malt byla část odpadního plniva nahrazena lehkým plnivem z expandovaného perlitu. A to tak že ve zkoušených směsích byl objemový poměr odpadu a perlitu cca 1 : 1. Tepelně izolační vlastnosti těchto malt se značně zlepšily avšak současně poklesly také jejich pevnosti v tlaku, příznivý poměr pevností v tlaku a součinitel tepelné vodivosti zůstal zachován. Výsledné vlastnosti jsou znázorněny v následujícím grafu. Graf 4: Závislost výsledných vlastností malt na množství cementu ve směsi - malty s cementovým pojivem, část plniva (odpadu) nahrazena Perlitem pevnost v tlaku [MPa] souč. tep. vod. [0,1 x W/(m.K)]
1,2 1,0 S.23 S.24
0,8 S.25
0,6 S.26
0,4 0,2 0,0 0,800
1,000
1,200
1,400
1,600
1,800
2,000
množství cementu ve směsy v hmotnostních poměrových dílech vztažených k množství odpadu [-] pevnost vtlaku
souč. tep. vod.
Vlastnosti zkoušených vápennocementových malt (cement + vápenný hydrát) jsou obecně horší. Nicméně v omítkových směsích působí vápno jako plastifikátor a adhezivo, proto byly ověřovány vlastnosti i těchto typů malt. Shrnutí jejich výsledných vlastností je v následujícím grafu.
20
Graf 5: Přehled vlastností zkoušených vápenocementových malt
pevnost v tlaku [MPa] souč. tep. vod. [0,1 x W/(m.K)]
1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 S.19
S.20
S.21
S.22
označení malty pevnost v tlaku [MPa]
soč. tep. vodivosti [0,1 x W/(m.K)]
4. Závěr Všechny zkušební záměsi se vyznačovali příznivým poměrem pevnosti v tlaku a v tahu za ohybu. U některých malt byly dokonce pevnosti v tahu za ohybu větší než pevnosti v tlaku. Tento fakt je znám u malt a betonů s plnivem z dřevitých částic. U směsí kde je část odpadního plniva nahrazena expandovaným perlitem je poměr pevnosti v tahu za ohybu ku pevnosti v tlaku nižší. Graf 6: Přehled poměru pevností v tlaku a v tahu za ohybu zkoušených malt pevnost v tlaku [MPa] pevnost v tahu za ohybu [MPa]
1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2
.2 6 S
.2 4 S
.2 2 S
.2 0 S
S
.1 8
.1 6 S
S. 14
.1 2 S
.9 S
.7 S
.5 S
S. 3
S
.1
0,0
označení směsy pevnost v tlaku [MPa]
pevnost v tahu za ohybu [MPa]
V poslední fázi výzkumu byly vyvinuty tepelně izolační malty, jejichž objemová hmotnost se pohybovala (viz výše) v rozmezí 250 až 700 kg.m-3. Tyto tepelně izolační malty disponují hodnotou součinitele tepelné vodivosti v rozmezí 0,062 až 0,14 W.m-1.K-1. Malty nacházející se ve spodní části těchto intervalů mají vynikající vlastnosti pro využití jako nenosné tepelně izolační výplně (např. výplň dutinových zdících tvarovek). Naproti tomu malty nacházející se v horní části tohoto intervalu jsou vhodné zejména s ohledem na jejich pevnost pro výrobu izolačních desek typu Heraklith nebo moderních monolitických sendvičových konstrukčních systémů. Vápennocementové malty jsou vhodné s ohledem na své vlastnosti pro tepelně izolační a sanační omítky. Tento příspěvek byl vytvořen s podporou výzkumného záměru MSM 0021630511 Progresivní stavební materiály s využitím druhotných surovin a jejich vliv na životnost konstrukcí a grantu GAČR 103/03/0839. OBSAH
21
