Energeticky efektivní budovy 2015 sympozium Společnosti pro techniku prostředí 15. října 2015, Buštěhrad
SAMOZHUTNITELNÉ BETONY SE ZVÝŠENOU TEPELNĚ IZOLAČNÍ SCHOPNOSTÍ Stefania Grzeszczyk1), Eva Vejmelková2), Jaroslava Koťátková3), Monika Čáchová4), Dana Koňáková4), Pavel Reiterman2), Martin Keppert2), Pavel Roubíček5), Petr Konvalinka2), Robert Černý2) 1) 2)
TU Opole, Fakulta stavební, Katowicka 48, 45061 Opole, Polsko
ČVUT v Praze, Univerzitní centrum energeticky efektivních budov, Třinecká 1024, 273 43 Buštěhrad, ČR
3)
ČVUT v Praze, Fakulta stavební, Experimentální centrum, Thákurova 7, 166 29 Praha 6, ČR 4) ČVUT v Praze, Fakulta stavební, Katedra materiálového inženýrství a chemie, Thákurova 7, 166 29 Praha 6, ČR 5) České lupkové závody a.s., Pecínov 1171, 271 01, Nové Strašecí
ANOTACE Pro dosažení samozhutnitelného betonu se zvýšenou tepelně izolační schopností, který se zároveň vyznačuje malou vlastní tíhou, je nezbytné použití lehkého kameniva. Nevýhodou je však současné výrazné snížení jeho pevnosti. Tento článek představuje alternativu k dosud používaným kulovitým granulím expandovaného polystyrenu (EPS), kterou je recyklát z pěnového EPS a porovnává jejich vliv na základní fyzikální, mechanické a tepelné vlastnosti. Výsledky ukázaly vyšší otevřenou pórovitost pro směs obsahující polystyrenové granule (PSC_2) v porovnání s pěnovým recyklovaným polystyrenem (PSC_1). Beton označený PSC_1 vykazoval horší tepelné vlastnosti, což bylo ovšem vykoupeno dosažením výrazně lepších mechanických parametrů oproti betonu PSC_2.
SUMMARY Utilization of light aggregates is necessary for reaching self-compacting concrete which is characterized by better thermal insulating abilities and which is distinguished by lower dead weight. However disadvantage of that concretes is considerable decreasing of its strength. In this article an alternative of the hitherto used spherical granules of expandable polystyrene (EPS) is presented. It is recycled material from foam EPS. Its influence on basic physical properties, mechanical parameters and thermal characteristic is analyzed. Achieved results show that the mixture containing polystyrene granules (PSC_2) has higher open porosity in comparison with the concrete with foam recycled polystyrene (PSC_1). Concrete labeled as PSC_1 shows worse thermal properties. This disadvantage was compensated by considerably better mechanical parameters of concrete PSC_1 in comparison with PSC_2.
ÚVOD Lehčený samozhutnitelný beton (LWSCC) těží z výhod jak běžného hutného samozhutnitelného betonu, tak z betonu lehkého, jako jsou například dobrá zpracovatelnost, schopnost samonivelace, nízká objemová hmotnost a dobré tepelně izolační vlastnosti [1]. LWSCC nachází své uplatnění při rekonstrukcích budov, kde by přídavné zatížení mohlo způsobit nenávratnou degradaci, pro výrobu prefabrikovaných panelů, fasádních panelů, 73
obkladů, jako podkladový materiál pro chodníky atd. [2 - 4]. Nízké hmotnosti samozhutnitelného betonu se dosahuje částečnou nebo úplnou náhradou tradičního kameniva lehkými materiály. Mezi ně se řadí přírodní kamenivo, jako je pemza, vulkanické horniny, diatomit apod., a dále kamenivo umělého původu, například vermikulit, perlit nebo expandovaný polystyrén [1]. Expandovaný polystyrén je stabilní materiál o nízké objemové hmotnosti, skládající se z diskrétních vzduchových dutin v polymerové matrici. Jeho velmi nízká hmotnost a hydrofobní povaha však může mít za následek segregaci hlavních složek čerstvé směsi [2]. Recyklát z pěnového polystyrenu vykazuje lepší spojení s cementovou matricí. Pěna je rozdrcena na malé kusy s drsným povrchem, což oproti hladkým granulím umožňuje vznik pevnější tranzitní zóny mezi kamenivem a cementovou pastou a zlepšuje tak celkovou pevnost betonu [5]. Kromě vylepšených mechanických vlastností lze také při použití recyklované pěny dosáhnout určitého prodloužení trvanlivosti betonu. Ferrándiz-Mas a García-Alcocel [6] ve své práci zjistili, že použití recyklovaného pěnového polystyrenu snížilo kapilární absorpci a díky schopnosti polystyrenové pěny lépe absorbovat krystalizační tlaky zlepšilo mrazuvzdornost betonu. V tomto článku jsou porovnány dva druhy samozhutnitelných betonů lišících se v použitém typu kameniva. Jsou studovány vlivy polystyrenových granulí a recyklované polystyrenové pěny na základní fyzikální, mechanické a tepelné vlastnosti betonu.
MATERIÁLY Složení studovaných směsí samozhutnitelného betonu je uvedeno v Tabulce 1. Pro přípravu jednotlivých betonových směsí byl použit cement CEM 42.5 R. Jako plnivo byly použity 2 typy expandovaného polystyrenu. V prvním případě se jednalo o recyklovanou polystyrenovou pěnu rozdrcenou na kusy o velikostech 2 – 10 mm (PSC_1), ve druhém případě šlo o komerčně vyráběné polystyrenové granule kulovitého tvaru (PSC_2). Návrh směsi se řídil požadavkem dosažení parametrů samozhutnitelného betonu, tj. získat požadovanou konzistenci čerstvé směsi a zároveň zabránit segregaci jednotlivých složek. Vodní součinitel byl pro obě směsi stejný, aby bylo možné snadno zhodnotit vlivy použitého lehčiva. Tab. 1 Složení směsí Složka
Jednotka
PSC_1
PSC_2
Cement
[kg/m3]
633
555
EPS
[m3]
0,85
0,74
voda
[m3]
338
296
w/c
[-]
0,53
0,53
74
EXPERIMENTÁLNÍ PROGRAM Základní fyzikální vlastnosti Pro určení objemové hmotnosti [kg/m3], hustoty matrice [kg/m3] a otevřené pórovitosti [obj.%] byla zvolena metoda vakuové nasákavosti [7]. Zkouška byla provedena na vzorcích o rozměrech 50 x 50 x 50 mm. Mechanické vlastnosti Pro charakteristiku mechanických vlastností byly stanoveny pevnost v tlaku [MPa] a pevnost v tahu za ohybu [MPa]. Průběh zkoušek se řídil normou ČSN EN 12390-3 [8], byly provedeny po 28 dnech od výroby vzorků a za pomoci zatěžovacího lisu EU 40. Tepelné vlastnosti Tepelné vlastnosti byly měřeny prostřednictvím komerčního přístroje ISOMET 2104 (Applied Precision, Ltd.) [9]. Určovány byly součinitel tepelné vodivosti [W/m K] a měrná tepelná kapacita [J/kg K], a to v závislosti na obsahu vlhkosti.
EXPERIMENTÁLNÍ VÝSLEDKY Základní fyzikální vlastnosti Tabulka 2 udává výsledky základních fyzikálních vlastností určených pomocí vakuové nasákavosti. Je patrné, že objemová hmotnost a hustota matrice studovaných betonů se od sebe lišily pouze nepatrně – kolem 3 % v obou případech. Rozdíl hodnot otevřené pórovitosti dosáhl 8 %, přičemž vyšší hodnoty vykazovala směs PSC_2. Pórovitější struktura betonu obsahující polystyrenové granule v porovnání s kamenivem z recyklované polystyrenové pěny může mít za následek zvýšenou permeabilitu betonu. Tab. 2 Základní fyzikální vlastnosti studovaných betonů Objemová hmotnost
Hustota matrice
Otevřená pórovitost
[kg m-3]
[kg m-3]
[%]
PSC_1
801
1074
26.5
PSC_2
773
1113
28.7
Směs
Hodnoty pevnosti v tlaku a v tahu za ohybu jsou zobrazeny na Obrázku 1. Je zřejmé, že vyšší hodnota otevřené pórovitosti směsi PSC_2 (viz Tab. 2) se projevila zhoršením mechanických vlastností. Pevnost v tlaku betonu za použití polystyrenových granulí byla o 21 % nižší než v případě recyklované pěny. Pokles pevnosti v tahu za ohybu byl dokonce ještě vyšší – o 36 %. Tento fakt dokazuje účinnost pěnového recyklátu v lehkém samozhutnitelném betonu za účelem zachování dostačující pevnosti.
75
9.0 7.55
8.0
Pevnost [MPa]
7.0
6.00
6.0 5.0 4.0
3.04
3.0 1.95
2.0 1.0 0.0 PSC_1 pevnost v tlaku
PSC_2 pevnost v tahu za ohybu
Obr. 1: Pevnost v tlaku a v tahu za ohybu studovaných betonů
Součinitel tepelné vodivosti (Obr. 2) a měrná teplená kapacita (Obr. 3) byly stanoveny v závislosti na obsahu vlhkosti.
Tepelná vodivost [W m-1 K-1]
0.50 0.40 0.30 0.20
PSC_1
0.10
PSC_2 0.00 0
10
20 30 -1 Obsah vlhkosti [% kg kg ]
Obr. 2: Součinitel tepelné vodivosti studovaných betonů
76
40
Měrná tepelná kapacita [J kg-1 K-1]
2,500
2,000
1,500
1,000 PSC_1 PSC_2 500 0
10
20 30 Obsah vlhkosti [% kg kg-1]
40
Obr. 3: Měrná tepelná kapacita studovaných betonů
V obou případech měla přítomnost vlhkosti výrazně negativní vliv na naměřené hodnoty – v případě součinitel tepelné vodivosti narostly při saturaci více než dvakrát oproti původní hodnotě. Jelikož voda je dobrým tepelným vodičem, dobré izolační vlastnosti EPS v suchém stavu byly tímto značně zhoršeny. Co se týká porovnání daných směsí z hlediska součinitele tepelné vodivosti, směs s polystyrenovými granulemi (PSC_2) vykazovala lepší tepelně izolační schopnosti. Rozdíl dosahoval 19 a 17 % v suchém, respektive v saturovaném stavu. Tento jev koresponduje s vyšší otevřenou pórovitostí a nižší pevností směsi PSC_2.
ZÁVĚR V této práci bylo provedeno porovnání 2 typů lehčených samozhutnitelných betonů s obsahem granulovaného a recyklovaného polystyrenu jako plniva. U studovaných materiálů byly určovány základní fyzikální, mechanické a tepelné vlastnosti. Směs byla navržena s ohledem na dosažení parametrů samozhutnitelného betonu a zároveň se snahou o vylehčení směsi. Použité plnivo byly recyklovaný pěnový polystyren rozdrcený na kusy a komerčně vyráběné polystyrenové granule kulovitého tvaru. Výsledky ukázaly vyšší otevřenou pórovitost v případě betonu s polystyrenovými granulemi (PSC_2), ačkoli hodnoty objemové hmotnosti a hustoty matrice se od sebe lišily jen nepatrně. Tepelné parametry betonů se ukázaly být velmi závislé na přítomnosti vlhkosti v materiálu. Hodnoty součinitel tepelné vodivosti vzrostly až dvojnásobně oproti suchému stavu. PSC_2 vykazoval lepší chování z hlediska teplených vlastností – hodnota součinitele tepelné vodivosti byla o 19 a 17 % v suchém, resp. saturovaném stavu nižší než pro PSC_1. Z hlediska mechanických vlastností vykazovala lepší chování směs PSC_1. Pevnost v tlaku byla oproti PSC_2 o 21 % vyšší a v případě pevnosti tahu za ohybu dokonce o 36 %. Závěrem lze říci, že použití recyklované polystyrenové pěny v lehkém samozhutnitelném betonu se jeví jako velmi perspektivní materiál pro použití do těchto typů lehčených betonů.
77
LITERATURA [1] BABU, K.Ganesh a D.Saradhi BABU. Behaviour of lightweight expanded polystyrene concrete containing silica fume. Cement and Concrete Research. 2003, 33(5): 755-762. DOI: 0.1016/S0008-8846(02)01055-4. Dostupné také z: http://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0008884602010554 [2]
COOK, D.J. Expanded polystyrene concrete. Concrete Technology & Design: New Concrete Materials. R. N. Swamy. Surrey University Press. 1983, (1): 41-69.
[3]
HANNA, A.N. Properties of expanded polystyrene concrete and applications for pavement sub-bases. Research and Development Bulletin. Portland Cement Association. 1978, (Rd 055.01P)
[4]
FRONDISTOU-YANNAS, S. a C. BAGON. Marine floating concrete made with polystyrene expanded beads. Magazine of Concrete Research. 1976, 28(97): 225-229. DOI: 10.1680/macr.1976.28.97.225. ISSN 0024-9831. Dostupné také z: http://www.icevirtuallibrary.com/content/article/10.1680/macr.1976.28.97.225
[5]
GRZESZCZYK, S. a U. BRUDKIEWICZ. Styrol-asche-beton als baustoff. Environmental Engineering: Scientific Papers. Opole University of Technology. Opole, Poland. 2006, (5): 215-223.
[6]
FERRÁNDIZ-MAS, V. a E. GARCÍA-ALCOCEL Durability of expanded polystyrene mortars. Construction and Building Materials. 2013, (46): 175-182. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2013.04.029. Dostupné také z: http://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0950061813003528
[7]
VEJMELKOVÁ, Eva, Milena PAVLÍKOVÁ, Zbyněk KERŠNER, Pavla ROVNANÍKOVÁ, Michal ONDRÁČEK, Martin SEDLMAJER a Robert ČERNÝ. High performance concrete containing lower slag amount: A complex view of mechanical and durability properties. Construction and Building Materials. 2009, 23(6): 2237-2245. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2008.11.018.
[8]
Testing of hardened concrete – Part 3: Compressive strength. Prague: Czech Standardization Institute; 2002. ČSN EN 12390-3
[9]
APPLIED PRECISION - ISOMET. User manual [online]
PODĚKOVÁNÍ Tento příspěvek vznikl za podpory Evropské unie, projektu OP č. CZ.1.05/2.1.00/03.0091 – Univerzitní centrum energeticky efektivních budov.
78
VaVpI
