samozhutnitelné betony se zvýšenou tepelně izolační

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