Vývoj polymerbetonu s obsahem odpadního skla využitelného při sanaci betonových konstrukcí

1. Úvod

Hlavní využití polymerbetonu (PC) je především v oblastech, kde svými vlastnostmi nepostačuje konvenční beton na bázi portlandského cementu. Mezi hlavní výhody polymerbetonu (PC) patří např.: vysoké mechanické pevnosti, vysoká statická i dynamická tuhost, vysoká schopnost tlumení rázů, odolnost proti abrasivním a agresivním mediím, chemická odolnost, konstrukční variabilita, rozměrová přesnost [1]. PC se dále vyznačuje výbornou přilnavostí k tradičním konstrukčních materiálům (ocel, beton, sklo, keramika) a taky dobrou schopností tlumit vibrace díky polymerní matrici. PC se v současnosti díky svým vynikajícím vlastnostem využívá především pro výrobu prefabrikovaných výrobků pro mostní a liniové odvodňovací systémy a v místech kde působí silné agresivní prostředí. Mezi další běžné využití PC na epoxidové bázi patří provádění estetických podlah s vysokou chemickou i mechanickou odolností a reprofilace poškozeného betonu, především díky minimálnímu smrštění a vynikající přilnavostí k betonu [2]. Křemičitý písek DORSILIT s optimálním tvarem zrna a téměř 100% obsahem SiO₂ je nejčastěji používané plnivo do PC a taky do polymerních zálivkových a reprofilačních hmot. Nicméně, DORSILIT je primární surovinou, a bylo by vhodné ho nahradit vhodnými odpadními nebo druhotnými surovinami při zachování požadovaných výsledných vlastností PC. Jako nejvhodnější se zdá být pro tento účel upravené a vytříděné odpadní sklo s vysokým obsahem SiO₂. Bylo prokázáno, že použití jemně pomletého skelného recyklátu jako plniva ve vhodně zvolené polymerní matrici, zlepšuje mechanické vlastnosti polymerbetonu (PC) a zároveň snižuje náklady na výrobu [3].

2. Identifikace vstupních surovin

2.1 Polymerní pojivo

Jako polymerní pojivo byla použita epoxidová pryskyřice s označením EP1. Epoxidové pryskyřice patří mezi jedny z nejlepších polymerních pojiv využívaných pro přípravu polymerbetonu (PC). Vyznačují se vysokým stupněm plnění, dobrými fyzikálně-mechanickými vlastnosti, trvanlivostí a chemickou odolností [4]. Při použití epoxidové pryskyřice jako pojiva do polymerbetonu (PC) lze využít jako plniva i různé odpadní materiály, jako např. odpady z výroby textilií [5]. Dále lze pomocí epoxidové pryskyřice zakomponovat do PC i různá přírodní vlákna vznikající jako organický odpad v zemědělství, a to např. kokosová vlákna a vlákna z cukrové třtiny [6]. Polymerní hmota, s označením EP1, použitá pro přípravu polymerbetonu (PC) v rámci našeho výzkumu je nízkoviskózní dvoukomponentní bezrozpouštědlová hmota na epoxidové bázi vytvrzovaná tvrdidly (složka B) na bázi alifatických a aromatických aminů. Chemické složení obou složek je uvedeno v následující tabulce.

2.2 Plnivo

• Referenční plnivo

Jako referenční plnivo byl použit běžně využívaný sušený křemičitý písek DOSRILIT označován jako ISG A1, o zrnitosti 0,1–1,5 mm, s optimálním (kulatým) tvarem zrna, přičemž zastoupení jednotlivých frakcí je uvedeno v Tabulce 2. Křemičitý písek o dané zrnitosti umožňuje v systémech s polymerními pryskyřicemi dosažení vyšší hustoty než jednotlivé frakce, čímž se snižuje spotřeba pryskyřice a zvyšuje se pevnost výsledného produktu. Tento písek byl dodán v požadované frakci a nebylo potřeba ho nijak dále upravovat na rozdíl od použitého odpadního skla. Daná zrnitost je v praxi využívaná především pro podlahové vrstvy tloušťky 5 mm.

• Odpadní sklo

Odpadní skla, která byla v rámci výzkumu testována: autosklo (Obr. č. 1), obalové sklo, sklo z již nefunkčních deskových solárních panelů QS Solar (Obr. č. 2) a vnější sklo z trubicových solárních panelů. Trubicové solární panely jsou složené z vnějšího světlého skla a vnitřního tmavého skla. V rámci výzkumu se používalo vnější světlé sklo především z estetického důvodu, protože použitá epoxidová pryskyřice EP1 byla bílé barvy. Vnitřní trubicové sklo bylo značně zamaštěné pravděpodobně v důsledku proudění teplonosné kapaliny uvnitř trubic, a proto po podrcení trubic bylo potřeba sklo nejprve odmastit. Odmaštění trubicového skla probíhalo v rozpouštědle (Perchlorethylen), přičemž doba máčení byla přibližně 48 hod. Po této době se sklo promylo vodou a dále bylo sušeno při teplotě 135 ºC po dobu 5 hodin. Do sušárny na stejnou teplotu bylo vložené i v mlýně podrcené autosklo, zbavené bezpečnostní transparentní folie, která by působila v polymerbetonu (PC) jako nežádoucí složka. Po vysušení byly všechny typy odpadního skla pomlety v kulovém mlýně a následně roztříděny pomocí sítového rozboru na zrnitost jakou vykazoval referenční písek DORSILIT. Již v minulosti bylo prokázáno, že odpadní sklo lze efektivně využít ve stavebnictví, např. jako náhrada kameniva do betonu [7].

Obr. č. 1: Autosklo 0,1–1,5 mm

Obr. č. 2: QS Solar 0,1–1,5 mm

3. Experimntální část

3.1 Pevnost v tlaku a pevnost v tahu za ohybu

Stanovení objemové hmotnosti vzorků polymerbetonu (PC) lišících se různým typem plniva bylo provedeno dle normy ČSN EN 13892-2. Vzorky pro stanovení objemové hmotnosti, pevnosti v tlaku a tahu za ohybu polymerizovaly v silikonových formách. Poměr pojivo:plnivo byl u všech vzorků 1:3,4 a odformování bylo možné provádět po 24 hod. Zkoušení pevností probíhalo po 28 dnech, přičemž pevnost v tlaku byla prováděna na zlomcích trámečků po zkoušce pevnosti v tahu za ohybu.

3.2 Chemická odolnost

Stanovení chemické odolnosti polymerbetonu (PC) bylo stanovováno pouze u PC s referenčním plnivem, autosklem a obalovým sklem pomocí zrychlené zkoušky chemické odolnosti. Tato zkouška není normována, vychází podnikové zkoušky firmy zabývající se přípravou epoxidových pryskyřic. Při působení chemikálií na polymery může docházet ke změně fyzikálních vlastností jako je bobtnání nebo barevná změna, dále muže dojít k chemickému odbourávání polymerů aj. Veškeré změny vlastností jsou ovlivňovány druhem a koncentrací chemikálie a v neposlední řadě dobou působení chemikálií na povrch polymerů. Aplikace se provádí malířským štětečkem v silnější vrstvě na acetonem očištěná a osušená podložní sklíčka. Vzorky se nechaly polymerovat po dobu 7 dní na čisté podložce při teplotě 20 ± 2 °C a poté se ponořily do uzavíratelné kyvety s příslušnou chemikálií. Celkově bylo zkoušeno deset různých chemikálií, přičemž některé se lišily pouze koncentrací, jako např. H₂SO₄, NaOH. Vzorky se kontrolovaly a fotografovaly po 14 a 30 dnech. Hodnocení výsledku probíhalo vizuálně a následně byly materiály dle reakce na chemikálii zatříděny dle námi zvoleného hodnotícího systému (uvedeného v následující kapitole v Tabulce č. 3).

3.3 Tepelná odolnost

Tato zkouška byla provedena metodou DMA (Dynamicko-mechanická analýza) – analýza, kdy díky nucené periodické sinusové deformaci vzorku upnutého v systému čelistí je měřena síla potřebná k této deformaci. Z průběhu deformace a síly (následně přepočtené na deformační napětí) a jejich fázového posuvu je pak určen dynamický modul pružnosti a jeho složky elastický (Storage) a ztrátový (Loss) modul. Tyto dvě veličiny včetně tangentu zmíněného fázového posuvu (ztrátového činitele Tan δ) jsou pak měřeny v závislosti na teplotě. Oba moduly včetně fázového posuvu popisují viskoelastické chování polymeru. V teplotě skelného přechodu (T_g) se tyto vlastnosti razantně mění. DMA T_g se stanovuje třemi metodami:

1. Z elastického modulu – jeho strmý pokles se odečítá v bodě zvratu (onset)
2. Ze ztrátového modulu – v oblasti Tg dojde k jeho maximu
3. Ze ztrátového činitele – v oblasti Tg dojde k jeho maximu

Pro měření bylo využito zařízení DMA 2980 firmy TA Instruments. Měření bylo provedeno v rozsahu teplot 40–120 °C resp. 95 °C při rychlosti ohřevu 5 °C/min. Geometrie upnutí byla použita tzv. DUAL CANTILEVER (dvoubodově upnutý nosník). Rozměry vzorku (d × t × š): 35 (dáno zařízením) × 3,5 × 12,2 mm. Amplituda 5 μm, frekvence 1 Hz. Byly měřeny od každého materiálu 3 vzorky.

4. Výsledky a diskuse

4.1 Pevnost v tlaku a pevnost v tahu za ohybu

Grafické vyhodnocení výsledků pevnosti v tahu za ohybu uvádí Obr. č. 3, přičemž je zde vidět, že nejvyšší hodnota byla dosažena u vzorku PC, kde byl jako plnivo použit křemičitý písek ISG A1 DORSILIT. Z Obr. č. 4, na kterém jsou uvedeny výsledky pevnosti v tlaku je zřejmé, že nejvyšší pevnosti v tlaku vykazoval taky referenční PC. DORSILIT se vyznačuje optimálním kulatým tvarem zrna, je zbaven všech nečistot a je speciálně navržen a odzkoušen jako plnivo do epoxidové pryskyřice. Pravděpodobně proto vykazoval referenční vzorek nejlepší mechanické vlastnosti. Avšak z grafů je vidět, že výborných pevností bylo dosaženo také u polymerbetonů (PC) s autosklem a obalovým sklem, u kterých se pevnost v tahu za ohybu pohybovala kolem 20–26 N‧mm⁻² a pevnost v tlaku kolem 80 N‧mm⁻².

Obr. č. 3: Výsledky pevnosti v tahu za ohybu

Obr. č. 4: Výsledky pevnosti v tlaku

4.2 Chemická odolnost

Výsledky zrychlené zkoušky chemické odolnosti uvádí Tabulka č. 3. Nejhorší chemickou odolnost vykazoval vzorek PC s obsahem obalového skla, který se v 10% roztoku NaOH rozpadl (Obr. č. 5). Silná barevná změna nastala u vzorků, které byly ponořeny do piva (Obr. č. 6) a vína, kdy vzorky značně ztmavly. Ani jedna z receptur nevykazovala dostatečnou odolnost vůči 30% H₂SO₄ a acetonu, kdy nejhorší odolnost vykazoval opět vzorek PC s obalovým sklem. Epoxidové pryskyřice obecně neodolávají silným organickým kyselinám a acetonu.

Obr. č. 5: Vzorky PC po 30denním uložení v 10% NaOH

Obr. č. 6: Vzorky PC po 30denním uložení v pivu

4.3 Tepelná odolnost

Hodnoty tepelné odolnosti vzorků PC s odpadním sklem jsou velice obdobné jako u referenčních vzorků. Rozdíl mezi jednotlivými recepturami je v rozmezí pouze cca 0,9–2,2 °C a proto není nijak závažný a lze uvažovat, že hmota PC plněná autosklem či obalovým sklem testu vyhověla.

Obr. č. 7: Výsledky tepelné odolnosti polymerbetonu (PC)

5. Závěr

V rámci této práce byla experimentálně prověřena možnost využití čtyř druhů odpadních skel jako náhrada za běžně využívané plnivo (křemičitý písek ISG A1 DORSILIT) do polymerbetonu (PC) využitelného především v oblasti sanace betonových konstrukcí. Vliv odpadního skla na mechanické vlastnosti polymerbetonu (PC) a posouzení možnosti náhrady referenčního plniva za odpadní sklo byl posuzován s ohledem na výsledky zkoušek pevnosti v tahu za ohybu a pevnosti v tlaku. Hodnoty pevností PC-REF nebyly dosaženy u žádného ze vzorků PC s obsahem odpadního skla. Avšak nejblíže k těmto hodnotám se přiblížil PC, kde bylo jako plnivo použito autosklo a obalové sklo, kde pevnost v tahu byla vyšší než 20 N‧mm⁻² a pevnost v tlaku se pohybovala kolem 80 N‧mm⁻². Nejhorší chemickou odolnost vykazoval vzorek PC s obsahem obalového skla, který se v 10% roztoku NaOH rozpadl, avšak odolnost vůči ostatním agresivním mediím byla přibližně stejná u všech zkoušených receptur. Hodnoty tepelné odolnosti vzorků PC s odpadním sklem jsou velice obdobné jako u referenčních vzorků. Mezi vhodné aplikace polymerbetonu na bázi epoxidové pryskyřice EP1 s vhodně upraveným odpadním autosklem a obalovým sklem lze na základě výsledků provedených experimentů uplatnit především při provádění podlah pro vysoké mechanické zatížení a jako zálivkovou a reprofilační hmotu při sanaci betonových konstrukcí.

6. Poděkování

Tato práce byla vytvořena v rámci řešení projektu FAST-J-16-3506 „Výzkum a vývoj zálivkových a reprofilačních materiálů na polymerní bázi s využitím druhotných surovin“ a v rámci řešení projektu TA04010425 „Komplexní systém speciálních správkových hmot s využitím druhotných surovin pro průmyslové provozy“.

Reference

1. Künzel, H., Simultaneous Heat and Moisture Transport in Building Components: One- and Two-dimensional Calculation Using Simple Parameters. Stuttgart: IRB Verlag, 1995.
2. Mukhopadhyaya, P., Kumaran, K., Tariku, F., Van Reenen, D., Application of hygrothermal modeling tool to assess moisture response of exterior walls. Journal of Architectural Engineering, 12 (2006) 178–186.
3. Salonvaara, M., Sedlbauer, K., Holm, A., and Pazera, M. Effect of selected weather year for hygrothermal analyses. In: Buildings XI, thermal performance of the exterior envelopes of whole buildings XI, CD-ROM proceedings, Clearwater Beach, Florida, Atlanta: ASHRAE, 2010.
4. Sangkeun Ahn, Eun-Beom Jeon, Hyo-In Koh, Hak-Sung Kim, Junhong Park. Identification of stiffness distribution of fatigue loaded polymer concrete through vibration measurements. Composite Structures 136 (2016), pp. 11–15
5. Joao Marciano Laredo dos Reis. Effect of textile waste on the mechanical properties of polymer concrete. Mechanical Engineering Post-Graduate Program – PGMEC, Laboratory of Theoretical and Applied Mechanics – LMTA, Universidade Federal Fluminense – UFF, Brazil
6. J.M.L. Reis. Fracture and flexural characterization of natural fiber-reinforced polymer concrete. Construction and Building Materials 20 (2006), pp. 673–678
7. Yahya Jani, William Hogland. Waste glass in the production of cement and concrete – A review. Journal of Environmental Chemical Engineering 2 (2014), pp. 1767–1775