Využití odpadních tepelněizolačních materiálů pro výplňové hmoty do keramických dutinových tvarovek

Článek byl vydán v rámci odborné konference doktorského studia Juniorstav 2021. Byl oceněn odbornou porotou konference a okomentován spolupracovníky redakce TZB Info.

1. Úvod

Výrobci dutinových dílců pro stavebnictví, zejména pak keramických dutinových tvarovek, mají povinnost deklarovat nejen mechanické vlastnosti výsledného výrobku, ale i další užitné vlastnosti, zejména hodnoty tepelnětechnických veličin, např. hodnotu tepelného odporu, součinitele prostupu tepla a také součinitele tepelné vodivosti. Z hlediska zlepšení tepelnětechnických vlastností keramických tvarovek bylo prokázáno, že je účelné dutiny těchto dílců vyplnit vhodným plnivem. Dosáhne se tak nejen zlepšení zmíněného tepelného odporu, ale zároveň omezíme vliv tepelných mostů, které by jinak mohly vzniknout zásahem do skladby konstrukce.

V současné době se využívají na výplně dutin různé tepelněizolační materiály, nicméně je snahou nahrazovat je různými odpadními materiály. To má nesporný vliv nejen na výslednou cenu dílce, ale i na jeho „ekologickou stopu“. Tím se rozumí právě využití odpadního polystyrénu a odpadní minerální vlny, která by se jinak musela skladovat. Právě minerální vlna vytváří z ekologického hlediska problém, jelikož spadá do kategorie nebezpečných odpadů a jako odpadní materiál se tudíž musí skladovat na skládkách pro nebezpečný odpad, jehož cena za skladování je poměrně vysoká. Nevyužívá se zde zpracovat minerální vlnu ani pěnový polystyrén na palivo z důvodu přítomnosti inhibitorů hoření, nýbrž způsobem znovuzhodnocení a další průmyslové recyklace.

Pěnový polystyrén je obecně heterogenní materiál sestávající z jednotlivých vzduchových dutin v polymerové matrici, jehož hlavní vlastností je velmi nízká hodnota objemové hmotnosti; je také stabilní, hydrofobní, trvanlivý a vykazuje kvalitní adhezi s cementovou matricí. Recyklovaný pěnový polystyrén je rozdrcen na malé kusy s drsným povrchem, což oproti hladkému povrchu běžných granulí umožnuje vznik pevnější tranzitní zóny mezi plnivem a pojivem [1]. Mimo to je možné také prodloužit trvanlivost výsledného kompozitu. Ferrándiz-Mas a García-Alcocel [2] během svého výzkumu zjistili, že použití recyklovaného pěnového polystyrénu snížilo kapilární absorpci a díky schopnosti polystyrénu lépe absorbovat krystalizační tlaky zlepšilo celkovou mrazuvzdronost kompozitu.

Minerální vlna naproti tomu je složena z čedičových vláken opatřených silikonovým olejem. To má za následek její nehořlavost a hydrofobní vlastnosti. Prozatím nebyl v České republice proveden dostatečný výzkum využití odpadní minerální vlny a fakticky neexistuje technologie, která by tento materiál vhodně využívala.

V tomto příspěvku je navrženo a porovnáno několik receptur záměsí, které se liší množstvím tepelněizolačních recyklovaných materiálů, dávkou pojiva a přísad. Dále jsou studovány tepelné, mechanické a fyzikální vlastnosti výsledných směsí [4], [5].

2. Materiál a metodika

Složení jednotlivých záměsí je uvedeno v Tab. 1. Pro jejich přípravu bylo využito silikátové pojivo – cement – CEM I 42,5 R, β-sádra a α-sádra. Jako plnivo byl využit pěnový polystyrén s obchodním názvem Styrobal drcený. Jedná se o polystyrénové granule kulovitého tvaru, přičemž byly vytříděné frakce 0–12 mm a 0–4 mm. Dále byla využita rozvlákněná minerální vlna z fasádních tepelněizolačních desek. Návrh směsi se řídil požadavkem dosažení maximální pevnosti v tlaku při zachování nízké objemové hmotnosti. Z každé záměsi byly vyformovány vzorky, na kterých byly zkoumány zmíněné vlastnosti. Snahou bylo optimalizovat vstupní suroviny, zejména zvolit minimální dávku pojiva při zachování dostatečné manipulační pevnosti, dosažení potřebné konzistence čerstvé směsi a nízké objemové hmotnosti. Pro zhutnění směsí bylo využito laboratorního vibračního stolku [4] [5].

3.Výsledky

Tab. 2 udává výsledky naměřených veličin. U vzorků 1 a 2 docházelo k segregaci cementového pojiva a vzorky 3 a 5 byly mechanicky poškozeny. U vzorku 5 tímto bylo zjištěno nedostačující množství cementového pojiva. Vzorky 1 a 2 měly stejné složení, avšak lišily se pouze ve vybrané frakci EPS. Výsledný rozdíl hodnot je nepatrný, a tedy velikost frakce nemá vliv na výslednou hodnotu součinitele tepelné vodivosti. Vzorek 4 vykazuje nejnižší možné množství cementového pojiva, kdy je ještě zachována dostatečná mechanická stabilita vzorků. Tento vzorek byl porovnán se směsí, kde byla dále využita recyklovaná minerální vlna v dávce 5 kg na m³. Jelikož prozatím není v České republice dostupná technologie zpracování odpadní minerální vlny, byla zpracována manuálně. Z výsledků vyplývá, že zvolené množství nemá vliv na výsledný součinitel tepelné vodivosti a je zde možnost vytvořit vzorky, kde se použije více odpadní minerální vlny. To bude předmětem dalšího zkoumání.

Dále byl stanoven součinitel tepelné vodivosti vzorků, kde byly jako pojivo využity β-sádra a α-sádra. Vzorky vykazují vyšší manipulační pevnost než vzorky směsí, kde bylo využito cementové pojivo při zachování takřka stejné hodnoty součinitele tepelné vodivosti. Při výběru vhodného pojiva do výplňových směsí tedy bude rozhodovat zejména jejich cena a množství spotřebovaného materiálu, přičemž je zřejmé, že je mnohem výhodnější využít právě cementové pojivo.

Také byla ověřena dostatečná přídržnost vybraných vzorků v keramické dutinové tvarovce [4], [5].

Obr. 1 Grafický přehled hodnot součinitelů tepelné vodivosti jednotlivých záměsí [4], [5]

Obr. 2 Fotografie vybraných vzorků záměsí na keramickém substrátu [4], [5]

Zjištění tepelného odporu keramických dutinových tvarovek

Pro měření fyzikálních vlastností keramických tvarovek se používá postup, který je založený na metodě normy EN 1745: 2012. Kvůli ekonomickým důvodům není vhodným způsobem výzkumu sestavení testovací stěny z navržených tvarovek, ale na druhé straně se nemusí použit pouze tabulkových hodnot a zjednodušených výpočtových postupů, které mohou vést k přesnosti výpočtů. Lze využít principu optimalizace keramických tvarovek, které využívají laboratorního měření a numerického modelování podle Fourierovy rovnice vedení tepla. Je to čtyřfázový algoritmus, který zahrnuje:

• identifikaci vlastností materiálu pomocí laboratorních měření,
• návrh CAD geometrie zdiva,
• termodynamickou analýzu šíření tepla simulací navrženého zdiva z keramických tvarovek,
• optimalizaci geometrie a plniva pomocí výsledků získaných z analýzy simulace.

Použitím tohoto algoritmu, jehož cílem je vytvořit optimalizovaný zděný tepelně izolační blok, lze snížit náklady na materiál ve výrobě. Po ověření návrhu si výrobce může vybrat z navržených keramických tvarovek podle výrobních nákladů, výsledného tepelného odporu nebo i komerčního hodnocení.

Obr. 3 Schéma keramické tvarovky využité pro modelování [6]

Tepelná vodivost je v laboratorních podmínkách měřitelná, pro účely tohoto výzkumu byla použita pálená keramika KM Beta z České republiky. Naměřená hodnota tepelné vodivosti vypálené keramického střepu byla
λ_{keramika,10,suché} = 0,325 Wꞏm⁻¹ꞏK⁻¹.
Měřené vlastnosti dutinových výplňových materiálů byly pro výplň stanoveny na základě odpadní tepelné izolace
λ_{odpad,10,suché} = 0,047 Wꞏm⁻¹ꞏK⁻¹
s objemovou hmotností 90 kgꞏm⁻³,
λ_MW,10,suché = 0,035 Wꞏm⁻¹ꞏK⁻¹
s objemovou hmotností  60 kgꞏm⁻³,
λ_{PUR,10,suché} = 0,026 Wꞏm⁻¹ꞏK⁻¹
s objemovou hmotností 40 kgꞏm⁻³ a
λ_{aerogel,10,suché} = 0,012 Wꞏm⁻¹ꞏK⁻¹
s objemovou hmotností  120 kgꞏm⁻³.

Z hlediska simulace přenosu tepla je ustálený teplotní stav podle Fourierovy rovnice dostatečným prostředkem pro modelování přenosu tepla pomocí vyplněných keramických tvarovek. Pokud některé dutiny obsahují vzduch, musí simulace zahrnovat také přenos tepla dutinami konvekcí a radiací mezi povrchy. Pro všechna hodnocení byl použit výpočetní nástroj ANSYS; Obr. 3 zobrazuje typické výpočetní výsledky [6].

Obr. 4 (a) Rozložení teplot jako výsledek numerického modelování v prostředí programu ANSYS, (b) rozložení tepelných toků a (c) teplotní gradient na řezu keramické dutinové tvarovky [6]

Výsledky modelování

Podle výsledného tepelného odporu keramických tvarovek lze zjistit, že nižšího tepelného odporu se dosahuje použitím keramických tvarovek vyplněných vzduchem. Jakákoli tepelně izolační hmota významně zvyšuje tepelný odpor, jak je patrné z hodnot v Tab. 3. Tvarovky obsahující výplň aerogelu mají podle očekávání nejnižší hodnotu součinitele prostupu tepla.

Použití výplňové hmoty na bázi odpadních tepelných izolantů vykazuje příznivé hodnoty tepelného odporu. PUR pěna významně zvyšuje tepelnou izolační schopnost tvarovky a nabízí lepší výsledky než výplně z minerální vlny a také než výplň z odpadních produktů [6].

4. Diskuse

Z výsledků zjištěných hodnot tepelných odporů můžeme potvrdit data, která poskytuje dodavatel dutinových tvarovek plněných minerální vlnou. Odchylky naměřených hodnot mohou být způsobené numerickým modelováním a hodnotami součinitele tepelné vodivosti materiálů, které byly změřeny. Rozdíl mezi hodnotami tepelných odporů dutinových tvarovek vyplněných minerální vlnou a odpadním materiálem je přibližně 15 %. Při takto značném rozdílu hodnot tepelných odporů vyvstává otázka možnosti dalšího výzkumu pro zajištění snížení hodnoty součinitele tepelné vodivosti a tím zvýšení hodnoty tepelného odporu tvarovky za využití výplně z odpadních produktů. Pro zajištění stejné hodnoty tepelného odporu tvarovky s využitím odpadních produktů a tvarovky s využitím minerální vlny je potřeba zajistit součinitel tepelné vodivosti výplně z odpadních produktů pod hodnotu 0,04 Wꞏm⁻¹ꞏK⁻¹. To se může zajistit změnou objemu pojivové složky ve směsi anebo využitím jiného pojiva.

5. Závěr

V této práci bylo provedeno porovnání několika typů výplňových směsí s obsahem recyklovaného pěnového polystyrénu a odpadní minerální vlny jako plniva. U studovaných materiálů byla nejprve určena objemová hmotnost a hodnota součinitele tepelné vodivosti. Směsi byly navrženy s ohledem na zachování manipulační pevnosti a nízkých hodnot objemové hmotnosti i hodnoty součinitele tepelné vodivosti. Podle výsledků bylo zjištěno minimální množství pojiva, porovnání vlastností směsí s různou frakcí recyklovaného polystyrénu a porovnání vlastností při využití dvou různých pojiv. Bylo zjištěno, že zde není znatelný rozdíl hodnoty součinitele tepelné vodivosti záměsi, kde byly použity rozdílné frakce pěnového polystyrénu. Tento poznatek dává dílčí informaci o potřebě zpracování odpadního polystyrénu. Cementové pojivo se jeví jako vhodnější materiál pro svou nižší cenu. Nicméně výhodou sádrového pojiva je rychlý náběh zpevňování struktury oproti cementovému pojivu, což může limitovat potřebnou dobu pro skladování k získání minimální manipulační pevnosti. Oproti konvenčně využívaným tepelně izolačním materiálům tvarovek je výhodou příznivá adheze výplňové hmoty k tvarovce, nevýhodou pak nutnost použití směsi o vyšší objemové hmotnosti. S tím je ovšem vázaná vyšší hodnota součinitele tepelné vodivosti i objemová tepelná kapacita.

V závěrečné části práci bylo numericky modelováno šíření tepla tvarovkou jako heterogenním prostředím, odvozen výsledný tepelný odpor keramické tvarovky s využitím různých typů výplní, přičemž jsme dosáhli příznivých výsledků a ověřili i další údaje, které poskytují výrobci o výrobcích. Přesto se v této oblasti stále nachází prostor pro další výzkum, zejména využití odpadní minerální vlny a vytvoření vhodné technologie pro její recyklaci. Další možné využití se jeví v oblasti uplatnění ve vývoji ultralehkého samozhutnitelného betonu na bázi odpadních recyklačních hmot a také například ve vývoji desky pro využití ve stavebnictví s vysokou hodnotou činitele zvukové pohltivosti pro zlepšení srozumitelnosti přednesu v místnosti. V současné době se zaměřujeme na optimalizaci skladby vstupních surovin a další snížení hodnoty součinitele tepelné vodivosti s cílem dosažení vysokého výsledného tepelného odporu keramických dutinových tvarovek pro zdění.

Poděkování

Tento výzkum byl částečně podpořen Technologickou agenturou České republiky č. TH04030425 a projektem specifického výzkumu Vysokého učení technického v Brně č. FAST-J-20-6356.

Použité zdroje

1. GRZESZCZYK, S. a U. BRUDKIEWICZ. Styrol-Asche-Beton als Baustoff. Environmental Engineering: Scientific Papers. Opole, Poland: Opole University of Technology, 2006, 319(5), 215-223. ISSN 1428-8540.
2. FERRÁNDIZ-MAS, V. a E. GARCÍA-ALCOCEL. Durability of expanded polystyrene mortars. Construction and Building Materials. 2013, 46, 175-182. ISSN 0950-0618.
3. ČSN EN 12390-7. Zkoušení ztvrdlého betonu – Část 7: Objemová hmotnost ztvrdlého betonu. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2020.
4. PRUSA, D., S. STASTNIK, K. SUHAJDA, J. POLASEK a T. ZAJDLIK. Recycling of Thermal Insulation Materials. AIP Conference Proceedings. [přijatý k publikování]. 2020. ISSN 1551-7616.
5. PRUSA, D., S. STASTNIK, K. SUHAJDA a J. POLASEK. Recyklace tepelně izolačních materiálů ve stavebním odvětví. In: Recycling 2020. [přijatý k publikování]. 2020. ISBN 978-80-214-5728-7.
6. STASTNIK, S., D. PRUSA a K. SUHAJDA. Optimization of geometric arrangement of filled ceramic blocks. AIP Conference Proceedings [přijatý k publikování]. 2020. ISSN 1551-7616.