Vláknobetonové prvky s obsahem odpadních granálií z výroby minerální vlny Ing. Martin Vyvážil, Ing. Vladan Prachař Výzkumný ústav stavebních hmot, a.s.
[email protected],
[email protected] Souhrn Příspěvek se zabývá vývojem tenkostěnného sklovláknobetonového prvku s definovaným obsahem odpadního materiálu z výroby minerální vlny (tzv. granáliemi) jako náhrada jemnozrnného slévárenského písku při současné úspoře surovinových zdrojů i ekonomických nákladů. Pro tento účel je nezbytné sledování jeho technologické vhodnosti po ukončení procesu zrání a tvrdnutí hmoty (objemová hmotnost, nasákavost, pevnost v tahu za ohybu, rázová houževnatost). Klíčová slova: vláknobeton, sklovláknobeton, granálie
Úvod Obecně můžeme říci, že vláknobeton je kompozit, který je složen z cementové hmoty, jemného kameniva, vody, rozptýlených resistentních skelných vláken a ostatních chemických příměsí. Kompozit se vyznačuje výbornými fyzikálně-mechanickými vlastnostmi především vysokou pevností a odolnosti v rázu. Tenkostěnné vláknobetonové kompozity jsou využívány zejména v architektuře a stavitelství, jsou velice oblíbeným materiálem při realizaci fasád také díky možnosti docílení celého spektra různých pohledových povrchů a struktur. Předností těchto výrobků je jejich nízká hmotnost, která výrazně snižuje náklady na přepravu, usnadňuje manipulaci a montáž. Jemnozrnné částice ve struktuře kompozitu zajišťují nízkou nasákavost a mrazuvzdornost. Použitím vláknové výztuže je dosaženo požadované pevnosti za ohybu i odolnosti proti rázu.
Technologie výroby Sklovláknobetonové prvky lze vyrábět dvěma různými postupy (stříkání a Premix), které se liší formou použitého vlákna. U technologie stříkáním je cementopísková matrice doplněna pouze o plastifikátor, který snižuje vysoký vodní součinitel. Alkalivzdorná skleněná vlákna jsou kontinuálně sekaná z rovingu, na požadované délky a vnášena přímo do proudu stříkané směsi, ale s ohledem na lidský faktor není zaručeno ani dosažení předepsaného podílu vláken v matrici ani rovnoměrnosti rozložení vláken po ploše a v tloušťce ani dokonalé zhutnění jednotlivých vrstev, které je prováděno pomocí kroužkových válečků. Z důvodu přílišné délky používaných vláken je u této technologie také vyloučena aplikace výztužných textilií. Na rozdíl od předchozího popsaného postupu je u technologie Premix přesně definované množství vláken přidáváno do připravené matrice na závěr míchání a tím dochází i k dokonalejšímu rozptýlení v celém objemu směsi. Připravená směs se zpracovává vibračním litím, čímž se dosáhne i dokonalého zhutnění. U technologie Premix je účinně omezen obsah skleněného vlákna při zachování stejné úrovně pevnosti (viz Tabulka č. 1), ale s podstatně nižšími surovinovými náklady. Vlákna vmíchávaná do směsi musí být kratší, než je tomu u technologie stříkání a pro jejich dostatečné obalení cementovou pastou je třeba, aby byl posílen obsah cementu v matrici. Dále je skladba doplněna o přídavek další křemičité složky, a to mikrosiliky, která díky zrnům až 100x menším než cement účinně vyplní volná místa mezi zrny cementu a zajistí tak kompozitu vyšší pevnost a nižší nasákavost.
TVIP 2014, 23. - 25.4.2014, Hustopeče
Druh a dávkování plastifikační přísady jsou voleny s obsahem na přídavek jemných složek, jako je výše zmíněná mikrosilika, které všeobecně vykazují vyšší požadavek na záměsovou vodu, ale i s ohledem na použitý cement, neboť každý plastifikátor není kompatibilní s každým cementem. Dále je přidáván odpěňovací přípravek pro zamezení nežádoucích vzduchových bublin při míchání směsí, které s sebou nesou zejména shluky skleněných vláken, a následně pórů na povrchu i uvnitř výrobku. Další předností technologie Premix je i to, že je možno vytvářet složitější členité a prostorové prvky s oboustranným hladkým povrchem. Technologií stříkáním se zhotovují převážně plošné výrobky, které mají hladkou pouze pohledovou stranou. Finální vlastnosti kompozitu určují především pevnost v tahu za ohybu, pevnost v rázu, objemová hmotnost, nasákavost a mrazuvzdornost. Porovnání některých charakteristických vlastností tenkostěnných sklovláknobetonů vytvořených technologií stříkáním a technologií Premix jsou uvedeny v Tabulce č. 1. Tabulka č. 1. Porovnání charakteristických vlastností stříkaného sklovláknobetonu a Premix Charakterické vlastnosti Objemová hmotnost Nasákavost Pevnost v tahu za ohybu Mez úměrnosti v tahu za ohybu Modul pružnosti za ohybu Pevnost v rázu IZOD Mrazuvzdornost po 50 cyklech
3
[kg/m ] [%] [MPa] [MPa] [GPa] 2 [kJ/m ] [%]
Technologie stříkání s 5 % vlákna 1950 15 11 7 15 8 80
Technologie Premix s 3 % vlákna 2050 10 11 8 18 8 100
Při použití Premixu lze dosáhnout srovnatelné pevnosti v tahu za ohybu při zhruba 80% surovinových nákladech v porovnání s technologií stříkáním [1]. Zkoušení odpadního materiálu Cílem tohoto řešení je vývoj tenkostěnných sklovláknobetových prvků s definovaným obsahem odpadního materiálu z výroby minerální vlny (granáliemi) jako náhrada jemnozrnného slévárenského písku Bzenec. Charakteristika odpadu Největší objem odpadů z výroby minerální vlny je tvořen přímo na počátku výrobní technologické linky, kdy se chladnější kapičky již nemohou protáhnout na vlákno a odletují od kotoučů jako drobná zrnka (tzv. granálie). Granálie z větší části padají do spodní části rozvlákňovacího stroje, kde jsou spolu s dalšími nerozvlákněnými podíly ukládány jako využitelný odpad, ke kterému se přidávají i odřezy a nestandardní podíly minerální vlny. Tento odpad se v posledním období, na úkor další energetické potřeby, vrací zpět do tavicí lázně. Návrh skladeb směsí Návrh skladeb technologických směsí vychází ze skladby pro standardní sklovláknobeton. Tato směs obsahuje, kromě portlandského cementu, slévárenský písek B30 Bzenec (0-1 mm), mikrosiliku Elkem, alkalivzdorné skleněné vlákno a superplastifikátor Glenium ACE. V návrhu skladeb je nahrazován slévárenský písek (jako plnivo) odpadními granáliemi v rozmezí 10, 30, 60, 70, 80, 90, 100 % hmotnostních (viz Tabulka č. 2a a 2b).
TVIP 2014, 23. - 25.4.2014, Hustopeče
Tabulka č. 2a. Skladby směsí M3 poměr
GR0 poměr
GR10 poměr
GR30 poměr
GR60 poměr
1,33:1
1,33:1
1,33:1
1,33:1
1,33:1
[% p]
-
-
10
30
60
Mikrosilika Elkem 940-US
[% c+p]
3
-
-
-
-
Skleněné vlákno
[% c+p]
3
3
3
3
3
[% c]
1,5
1,5
1,5
1,5
1,5
[-]
0,30
0,26
0,27
0,27
0,28
[mm]
265
215
235
235
240
Suroviny / označení receptur Cement CEM I 52,5 Mokrá Slévárenský písek B30 Bzenec Vláknový odpad – granálie
Superplastifikátor Glenium Voda záměsová v/c Konzistence (zkouška rozlití)
Tabulka č. 2b. Skladby směsí Suroviny / označení receptur
GR70 poměr
GR80 poměr
GR90 poměr
GR100 poměr
1,33:1
1,33:1
1,33:1
1,33:1
70
80
90
100
Cement CEM I 52,5 Mokrá Slévárenský písek B30 Bzenec Vláknový odpad – granálie
[% p]
Mikrosilika Elkem 940-US
[% c+p]
-
-
-
-
Skleněné vlákno
[% c+p]
3
3
3
3
[% c]
1,5
1,5
1,5
1,5
[-]
0,28
0,28
0,29
0,29
[mm]
240
235
230
225
Superplastifikátor Glenium Voda záměsová v/c Konzistence (zkouška rozlití)
Z každé směsi byly vyrobeny zkušební desky o rozměrech 500x500x10 mm, ze kterých byly sestaveny zkušební série po 16-ti vzorcích pro stanovení základních fyzikálně-mechanických vlastností po 28 dnech: stanovení pevnosti v tahu za ohybu stanovení objemové hmotnosti hydraulickým vážením stanovení nasákavosti vodou Výsledek zkoušek Výsledky základních fyzikálně-mechanických vlastností zkušebních vzorků navržených receptur jsou uvedeny v tabulce č. 3. Grafické znázornění pevnosti v tahu za ohybu a nasákavosti zkušebních vzorků navržených receptur jsou znázorněny v obrázku č. 1 a 2.
TVIP 2014, 23. - 25.4.2014, Hustopeče
Tabulka č. 3. Základní fyzikálně-mechanické vlastnosti zkušebních vzorků Označení receptur/ Zkoušek M3 GR0 GR10 GR30 GR60 GR70 GR80 GR90 GR100
Pevnost v tahu za ohybu [MPa] 14,64 13,88 12,84 13,83 13,59 13,10 12,60 12,19 11,75
Objemová 3 hmotnost [kg/m ] 2195 2154 2123 2148 2133 2126 2113 2112 2149
Nasákavost [% hmot.] 7,5 8,3 9,0 9,0 8,6 8,6 9,3 9,7 8,9
Obrázek č. 1. Pevnost v tahu za ohybu zkušebních vzorků
Obrázek č. 2. Nasákavost zkušebních vzorků
TVIP 2014, 23. - 25.4.2014, Hustopeče
Závěr Z uvedených výsledků v Tabulce č. 3 vyplývá, že všechny navržené skladby tenkostěnných sklovláknobetonových prvků s obsahem granálií v rozmezí 10, 30, 60, 70, 80, 90, 100 hmotnostních splňují základní požadavky a kritéria na tenkostěnný vláknobetonový prvek. Bylo prokázáno, že zužitkování odpadních granálií z výroby minerální vlny, jako náhrada kameniva ve vláknocementových směsích je možná. Tyto granálie po patřičných úpravách (tj. separace a splavení od nečistot a nežádoucích prvků), vykazují velmi vhodné vlastnosti právě pro výrobu tenkostěnných sklovláknobetonových prvků. Poděkování Tento příspěvek vznikl za podpory TAČR v rámci programu ALFA TA02021147 “Výzkum a vývoj optimálních environmentálně šetrných technologií pro nové a progresivní využití tuhých odpadních materiálů z výroby minerální vlny”. Literatura [1] ČECHMÁNEK René. Sklovláknobeton a jeho využití pro různé aplikace. 1. vydání. Brno: Výzkumný ústav stavebních hmot, a.s., 2003. 7. Mezinárodní konference: Ekologie a nové stavební hmoty a výrobky. str. 138-146. ISBN 80-239-1009-4.
TVIP 2014, 23. - 25.4.2014, Hustopeče
