Vláknobetonové prvky s obsahem odpadních granálií z výroby minerální vlny Ing. Martin Vyvážil, Ing. Vladan Prachař Výzkumný ústav stavebních hmot, a.s. vyvazil@vustah.cz, prachar@vustah.cz 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.
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 Technologie stříkání s 5 % vlákna Technologie Premix s 3 % vlákna Objemová hmotnost [kg/m 3 ] 1950 2050 Nasákavost [%] 15 10 Pevnost v tahu za ohybu [MPa] 11 11 Mez úměrnosti v tahu za ohybu [MPa] 7 8 Modul pružnosti za ohybu [GPa] 15 18 Pevnost v rázu IZOD [kj/m 2 ] 8 8 Mrazuvzdornost po 50 cyklech [%] 80 100 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).
Tabulka č. 2a. Skladby směsí Suroviny / označení receptur Cement CEM I 52,5 Mokrá Slévárenský písek B30 Bzenec M3 GR0 GR10 GR30 GR60 poměr poměr poměr poměr poměr 1,33:1 1,33:1 1,33:1 1,33:1 1,33:1 Vláknový odpad granálie [% p] - - 10 30 60 Mikrosilika Elkem 940-US [% c+p] 3 - - - - Skleněné vlákno [% c+p] 3 3 3 3 3 Superplastifikátor Glenium [% c] 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 Voda záměsová v/c [-] 0,30 0,26 0,27 0,27 0,28 Konzistence (zkouška rozlití) [mm] 265 215 235 235 240 Tabulka č. 2b. Skladby směsí Suroviny / označení receptur Cement CEM I 52,5 Mokrá Slévárenský písek B30 Bzenec GR70 GR80 GR90 GR100 poměr poměr poměr poměr 1,33:1 1,33:1 1,33:1 1,33:1 Vláknový odpad granálie [% p] 70 80 90 100 Mikrosilika Elkem 940-US [% c+p] - - - - Skleněné vlákno [% c+p] 3 3 3 3 Superplastifikátor Glenium [% c] 1,5 1,5 1,5 1,5 Voda záměsová v/c [-] 0,28 0,28 0,29 0,29 Konzistence (zkouška rozlití) [mm] 240 235 230 225 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.
Tabulka č. 3. Základní fyzikálně-mechanické vlastnosti zkušebních vzorků Označení receptur/ Zkoušek Pevnost v tahu za ohybu [MPa] Objemová hmotnost [kg/m 3 ] Nasákavost [% hmot.] M3 14,64 2195 7,5 GR0 13,88 2154 8,3 GR10 12,84 2123 9,0 GR30 13,83 2148 9,0 GR60 13,59 2133 8,6 GR70 13,10 2126 8,6 GR80 12,60 2113 9,3 GR90 12,19 2112 9,7 GR100 11,75 2149 8,9 Obrázek č. 1. Pevnost v tahu za ohybu zkušebních vzorků Obrázek č. 2. Nasákavost zkušebních vzorků
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.