Wpływ granulowanego szkła piankowego na właściwości fizyczne lekkich zapraw cementowych

Celem przeprowadzonych badań było określenie wpływu kruszywa lekkiego, jakim jest granulowane szkło piankowe, na podstawowe właściwości fizyczne zapraw, takie jak gęstość, nasiąkliwość, mrozoodporność, właściwości cieplne oraz parametry wytrzymałościowe.

Podstawową właściwością kruszyw lekkich jest ich wysoka porowatość, dzięki czemu ich gęstość objętościowa plasuje się w przedziale 300-900 kg/m³ [2].

Szkło piankowe jest to nieorganiczne porowate kruszywo sztuczne, otrzymywane w wyniku spiekania stłuczki szklanej z czynnikiem pianotwórczym (węgiel lub węglan wapnia) w wysokiej temperaturze.

Spienienie materiału następuje w wyniku wydzielania się dwutlenku węgla. W materiale tym pory stanowią około 90% całej objętości. Pory w szkle piankowym są w większości zamknięte, dzięki czemu materiał odznacza się niewielką nasiąkliwością, niskim współczynnikiem przewodności cieplnej oraz gęstością objętościową wynoszącą 120-340 kg/m³.

Oprócz tego szkło piankowe charakteryzuje się odpornością na agresywne środowiska chemiczne, jest całkowicie niepalne i odporne na działanie mikroorganizmów. Szkło piankowe produkowane w postaci płyt z powodzeniem wykorzystywane jest przy izolacji stropów i ścian [2-6].

Materiał badany

Badaniom poddano cztery rodzaje zapraw (ZI–ZIV) o różnej zawartości kruszywa w postaci granulowanego szkła piankowego.

Wraz ze wzrostem numerów zapraw zwiększa się ilość granulowanego szkła piankowego użytego w zaprawie. Ze względu na dostępność użyto frakcji 0,25/0,5; 1/2 i 4/8 szkła piankowego (FOT. 1-3). W zaprawach tych (ZI–ZIV) nie zastosowano piasku.

Dla porównania wykonano również zaprawę (ZV), w której jako kruszywa wykorzystano mieszaninę granulowanego popiołu lotnego (lekkie kruszywo popiołoporytowe, frakcje 1/2 i 4/8) oraz piasku (frakcja 0,25/0,5).

Stosunek wodno-cementowy wynosił 0,5 dla wszystkich wariantów. Do wykonania zapraw użyto cementu CEM I 42,5R.

Dla badanych zapraw określono gęstość objętościową zarówno świeżej mieszanki, jak i stwardniałej zaprawy, a także konsystencję, podciąganie kapilarne, nasiąkliwość, wytrzymałość na ściskanie, mrozoodporność oraz współczynnik przewodzenia ciepła.

Zastosowanie kruszywa różnych frakcji powoduje zmiany struktury wewnętrznej materiału. Mimo zastosowania szczelnego kruszywa, jakim jest granulowane szkło piankowe, na przełomach pojawiają się również dość duże pory powietrzne. W tekście zamieszczono zdjęcia przedstawiające przełomy beleczek (FOT. 4-8).

Dyskusja i wyniki

Uzyskane wyniki z przeprowadzonych badań pokazują, że kruszywo w postaci granulowanego szkła piankowego przede wszystkim pozwala na znaczne obniżenie gęstości objętościowej badanego materiału (RYS. 1):

• dla świeżej mieszanki, wraz ze wzrostem zawartości granulowanego szkła piankowego, otrzymano spadek gęstości o około 200 kg/m³ (porównano zaprawy ZI do ZIV),
• dla stwardniałej zaprawy wysuszonej do stałej masy - o około 170 kg/m³.

Największym ciężarem objętościowym odznaczała się zaprawa ZV z kruszywem popiołoporytowym:

• w przypadku świeżej mieszanki gęstość wyniosła 1880 kg/m³,
• w przypadku stwardniałej zaprawy 1570 kg/m³.

Zwiększenie gęstości tej zaprawy w stosunku do pozostałych przełożyło się na wszystkie zbadane parametry.

Ze względu na charakterystyczną strukturę szkła piankowego zaprawy z jego zawartością, ZI–ZIV, odznaczają się niewielkim przyrostem masy, badanym podczas oznaczania podciągania kapilarnego. Przyrost masy próbek po 24 godzinach wahał się od 3 do 4% (RYS. 2).

Dla zaprawy ZV przyrost masy przekroczył 7%, co wskazuje na inną budowę (o dużym udziale porów otwartych) kruszywa popiołoporotwego umożliwiającą transport wody w zaprawie.

Określono również współczynnik absorpcji wody pojawiającej się w wyniku podciągania kapilarnego "C" (RYS. 3).

Najniższy współczynnik osiągnęła zaprawa ZI [0,36 kg/(m²·min^0,5)], a największy ZV [1,85 kg/(m²·min^0,5)]. Dla zaprawy ZII współczynnik „C” wyniósł 0,46 kg/(m²·min^0,5), dla ZIII 0,51 kg/(m²·min^0,5), a dla ZIV 0,85 kg/(m²·min^0,5).

Nasiąkliwość zapraw ze szkłem piankowym jest na podobnym poziomie (około 20%). Odnotowano natomiast, że wzrost zawartości granulatu ze szkła piankowego powoduje niewielkie zmniejszenie nasiąkliwości materiału (ZI – 20,0%, ZIV – 19,9%). Zaprawa ZV odznaczała się większą nasiąkliwością niż pozostałe zaprawy (21,4%), za co ponownie odpowiedzialne jest użyte kruszywo.

Podczas badań wytrzymałościowych zaobserwowano spadek wytrzymałości na ściskanie wraz ze wzrostem ilości szkła piankowego w zaprawie. Zaprawa ZV uzyskała wytrzymałość na ściskanie na poziomie 45 MPa przy gęstości niemal dwukrotnie wyższej niż pozostałe materiały (RYS. 4).

Badanie mrozoodporności polegało na poddaniu próbek zapraw 25 cyklom zamrażania i odmrażania. Użycie szkła piankowego nadało zaprawom mrozoodporny charakter. Podczas oceny wizualnej próbek nie zauważono uszkodzeń powierzchni. Jedynie próbki ZIV miały niewielkie wykruszenia na krawędziach (FOT. 9).

Wyniki wytrzymałości i ich spadki w stosunku do zapraw kontrolnych przedstawiono na RYS. 5; wartości ujemne wskazują na wzrost wytrzymałości po cyklach mrozoodporności.

Próbki zaprawy ZV uległy zniszczeniu przy 12 cyklu.

W przypadku zapraw ze szkłem piankowym, wytrzymałości na ściskanie po badaniu mrozoodporności nie uległy znaczącemu pogorszeniu.

Największym spadkiem wytrzymałości odznaczała się zaprawa ZIV – na poziomie 2,3%. Dlatego też wszystkie wykonane zaprawy można uznać za mrozoodporne.

Dla zaprawy ZIII zaobserwowano przyrost wytrzymałości w stosunku do zaprawy kontrolnej, po badaniu.

Badanie współczynnika przewodzenia ciepła oraz oporu cieplnego przeprowadzono na wysuszonych do stałej masy płytach (o wymiarach 30×30×3 cm) w aparacie FOX 314 z czujnikami gęstości strumienia.

Zaprawy wykonane na granulacie ze szkła piankowego charakteryzują się niskim współczynnikiem przewodzenia ciepła:

• zaprawa ze szkłem piankowym ZI: 0,11 W/(m·K),
• zaprawa ze szkłem piankowym ZII: 0,10 W/(m·K),
• zaprawa ze szkłem piankowym ZIII: 0,08 W/(m·K),
• zaprawa ze szkłem piankowym ZIV: 0,06 W/(m·K)).

Wraz ze wzrostem zawartości kruszywa zaobserwowano spadek współczynnika przewodzenia ciepła i wzrost oporu cieplnego płyt. Zaprawa ZV z kruszywem popiołoporytowym uzyskała najniższe parametry cieplne, tj. znacznie wyższy niż pozostałe zaprawy współczynnik przewodzenia ciepła [0,23 W/(m·K)].

Podsumowanie

• Badane zaprawy z kruszywem w postaci granulowanego szkła piankowego można określić jako lekkie i izolujące cieplnie.
• Zastosowanie szkła piankowego pozwoliło znacząco obniżyć gęstość materiału, co umożliwia zwiększenie wydajności oraz odciążenie konstrukcji, w których byłyby wykorzystane zaprawy tego typu.
• Zastosowanie kruszywa popiołoporytowego w zaprawie spowodowało znaczny wzrost jej gęstości, co wskazuje na zasadniczą różnicę w budowie tych dwóch kruszyw.
• Zaprawę ZV można zaklasyfikować jako zaprawę ogólnego przeznaczania.
• Dzięki zamkniętym porom szkła piankowego uzyskano zaprawy o niskiej nasiąkliwości i niewielkim podciąganiu kapilarnym, które mogłyby wspomagać hydroizolację w budynkach i przeciwdziałać podciąganiu kapilarnemu murów.
• Pomimo uzyskania niższej wytrzymałości na ściskanie zapraw ze szkłem piankowym ZI–ZIV niż zaprawy z kruszywem popiołoporytowym ZV nie są to wyniki niskie dla zapraw tynkarskich.
• Pomimo obniżenia parametrów wytrzymałościowych przez zastosowanie jedynie granulowanego szkła piankowego, bez piasku kwarcowego, zaprawy te zaliczyć można do kategorii CS IV [1].
• Badane zaprawy ze szkłem piankowym są mrozoodporne, co pozwala na wykorzystanie materiału w takim klimacie jak w Polsce, a dobre właściwości izolacyjne zapobiegają utracie ciepła. Zarówno mrozoodporność, jak i właściwości termoizolacyjne zaprawy zawdzięczają budowie i właściwościom użytego kruszywa.
• Podczas badań otrzymano lekkie, mrozoodporne zaprawy (ZI–ZIV) o dobrych właściwościach izolacyjnych, w których wykorzystano w pełni ekologiczne kruszywo, niestety dosyć kosztowne.
• Możliwość stosowania zapraw na bazie granulowanego szkła piankowego w budownictwie wymaga dalszych badań przy różnym składzie i zawartości granulatu, ale mimo wszystko jest to materiał bardzo dobrze rokujący i mogący znaleźć wiele zastosowań.

Literatura

1. PN-EN 998-1:2016-12, "Wymagania dotyczące zaprawy do murów - Część 1: Zaprawa do tynkowania zewnętrznego i wewnętrznego".
2. B. Stefańczyk, "Budownictwo ogólne", t. 1. "Materiały i wyroby budowlane", Arkady, Warszawa 2005.
3. J. Mizera, "Materiały budowlane", wyd. II, Wydawnictwo Wyższej Szkoły Inżynierskiej w Opolu, Opole 1990.
4. P. Brzyski, "Ekologiczne aspekty wykorzystywania wybranych materiałów stosowanych jako izolacje termiczne", "Izolacje" 11/12/2014.
5. J. Sawicki, "Surowce stosowane do wysokotemperaturowych izolacji termicznych", "Izolacje" 6/2012.
6. E. Osiecka, "Materiały Budowlane. Kamień, ceramika, szkło", Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2010.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!