Zastosowanie kruszyw lekkich w warstwach izolacyjnych

Rozwój technologii wspomagających budownictwo, duża podaż surowców naturalnych i odpadowych, które coraz częściej są stosowane w procesach recyklingu, stanowią bodziec do szerszego stosowania kruszyw lekkich.

Pomimo występowania na rynku materiałów alternatywnych do kruszyw lekkich, często o korzystniejszych właściwościach, duża uniwersalność w zastosowaniu kruszyw lekkich powoduje, iż w wielu zastosowaniach wymagających szczególnie różnych właściwości są z powodzeniem stosowane.

Właściwości kruszyw lekkich

Podstawowe właściwości kruszyw lekkich wynikają z ich porowatej struktury powstającej w wyniku procesów technologicznych, ponieważ kruszywa lekkie dostępne aktualnie na rynku to głównie kruszywa sztuczne powstające w procesach termicznych, w czasie których następuje tworzenie się pustek powietrznych zamkniętych w strukturze pojedynczych ziaren. Surowcami do produkcji tego typu kruszyw są najczęściej gliny pęczniejące – produkt to keramzyt, popioły lotne – certyd, surowce odpadowe – gransil.

Powstające kruszywa charakteryzują się niską gęstością z uwagi na posiadany system porów komórkowych, które mają z zasady wymiary od około 5 do 300 mm. Kruszywa o wysokiej porowatości charakteryzują się niskim współczynnikiem przewodzenia i są stosowane z powodzeniem w warstwach izolacyjnych.

Kruszywa lekkie pozwalają na odciążenie podłoża przy budowie dróg na gruntach o niskiej nośności oraz na wykonanie betonów lekkich, w tym również konstrukcyjnych o niższym ciężarze niż beton zwykły przy jednoczesnym uzyskaniu lepszych parametrów termoizolacyjnych. Wysoka nasiąkliwość jest pożądaną cechą w ogrodnictwie, gdzie kruszywa stanowią magazyn wody.

Najpowszechniej występującym na rynku kruszywem lekkim jest keramzyt, który jest jednocześnie najbardziej uniwersalnym materiałem stosowanym powszechnie w ww. zastosowaniach.

W niniejszym artykule zostaną przedstawione najpowszechniejsze rozwiązania warstw izolacyjnych z zastosowaniem keramzytu.

Zestawienie podstawowych cech keramzytu decydujących o jego powszechnym stosowaniu przedstawiono w TABELI.

Zastosowanie w warstwach izolacyjnych

Materiały termoizolacyjne to wyroby, których zadaniem jest ograniczenie przepływu ciepła z ośrodka cieplejszego do zimniejszego. Podstawowe właściwości, które umożliwiają spełnienie tej funkcji, to struktura porowata (zwykle powyżej 50%), gęstość objętościowa poniżej 500 g/dm³ i współczynnika przewodzenia ciepła λ  <  0,200 W/(m·K).

W przypadku materiałów stosowanych do wykonywania izolacji zimnochronnych wymagane są dodatkowe właściwości, w tym głównie niska zdolność pochłaniania, odporność na działanie czynników biologicznych, niska palność oraz trwałość kształtu.

Zastosowanie keramzytu jako materiału izolacyjnego to głównie konstrukcje warstw związanych (z zastosowaniem spoiw – głównie cementu) i niezwiązanych (luźnych). W pierwszym przypadku poza funkcją izolacyjną warstwy pełni funkcję konstrukcyjną, w drugim – kruszywo nie przenosi lub w niewielkim stopniu jest poddane obciążeniom, co w przypadku keramzytu nie wpływa negatywnie na stateczność wykonanej warstwy.

Keramzyt to lekkie kruszywo ceramiczne, które powstaje w procesie wypalania gliny, w wyniku czego powstaje granulat o kształcie zbliżonym do kuli o twardej i trwałej powłoce ceramicznej oraz porowatej strukturze wewnętrznej. Zamknięte pory (pęcherzyki powietrza) sprawiają, że materiał ten jest skutecznym izolatorem.

Ceramiczna powłoka sprawia, iż jedynie pory znajdujące się blisko powierzchni są łatwo przepuszczalne i wypełnione wodą w ciągu od kilku godzin do kilku dni od ekspozycji na wilgoć. Wnętrze porów wypełniają się jednak niezwykle powoli, co sprawia, iż nawet w środowisku wilgotnym materiał utrzymuje wysoką izolacyjność cieplną.

Keramzyt ma wysoką paroprzepuszczalność oraz wytrzymałość mechaniczną. Jest odporny na mróz, wilgoć, ogień, działanie szkodliwych związków chemicznych oraz na grzyby, pleśnie, gryzonie i owady.

Keramzyt w warstwach związanych

Główna przesłanka stosowania kruszyw lekkich, w tym keramzytu, w warstwach związanych (najczęściej betonem) izolacyjnych jest obniżenie współczynnika lambda z ~1,300 W/(m·K) (dla betonu o gęstości 2,2 g/cm³) do wartości 0,200 do 0,700 W/(m·K) dla betonów lekkich o gęstości 0,7–1,5 g/cm³.

Aktualnie zwiększone możliwości w rozwoju technologii betonu, szczególnie w zakresie domieszek nowej generacji, oraz coraz szersza wiedza w zakresie projektowania i wykonywania elementów konstrukcyjnych oraz badań na istniejących konstrukcjach pozwala opracować wyroby izolacyjne charakteryzujące się wytrzymałością na ściskanie nie mniej niż 20 MPa. Należy zaznaczyć, iż podobnie jak większość materiałów izolacyjnych keramzyt poprawia właściwości tłumiące przenikania fali akustycznej, co jest korzystne w budowie przegród budowlanych.

Typowe wyroby, w których stosuje się beton izolacyjny (i konstrukcyjny), to:

1. Płyta prefabrykowana – nowe potrzeby w wykonawstwie obiektów budowlanych m.in. w zakresie czasu budowy są podstawą do wykonania budynków w technologii prefabrykacji.
Zastosowanie płyt z betonu lekkiego wpisuje się w ten trend budownictwa. W przypadku wyrobów betonowych z keramzytu możliwe jest uzyskanie współczynnika lambda w zakresie 0,300–0,400 W/(m·K) przy wytrzymałości na ściskanie w zakresie 15–25 MPa.
Zastosowanie betonów z kruszyw lekkich jest możliwe w produkcji prefabrykatów betonowych wykorzystywanych w technologii domów pasywnych. Przykładowe wykorzystanie tego rozwiązania przedstawiono na FOT. 1.

2. Pustaki i bloczki – lekkie betony kruszywowe, powszechnie były już wykorzystywane do produkcji elementów drobnowymiarowych.
Analogicznie jak w przypadku wyrobów prefabrykowanych wielkogabarytowych, rozwój technologii betonów umożliwia produkcję wyrobów o coraz korzystniejszej izolacyjności cieplnej przy spełnianiu wysokich parametrów mechanicznych.

Zróżnicowane właściwości tego typu wyrobów (FOT. 2–4) to wynik zarówno zróżnicowanych receptur, gdzie podstawowym kruszywem jest keramzyt, jak i zróżnicowanej geometrii wyrobów, co skutkuje również zastosowaniem poszczególnych wyrobów w różnych specyficznych sytuacjach (zwiększona izolacyjność, izolacyjność akustyczna lub wytrzymałość wyrobu).

3. Zaprawy – w ofercie wyrobów betonowych nie sposób nie wspomnieć o samym betonie (zaprawie), które wielokrotnie szczególnie w przypadku niskich wytrzymałości (poniżej 2,5 MPa) stanowi dodatkowe zwiększenie izolacyjności (l ~0,134 W/(m·K)) warstw budowlanych. Wyrób ten jest często konfekcjonowany, a więc możliwości wykonania we własnym zakresie również sprzyjają częstszemu wykonywaniu tego typu warstw izolacyjnych.

Keramzyt w warstwach niezwiązanych

Typowe miejsca wykonywania warstw izolacyjnych w budownictwie dotyczą:

1. Podłóg na gruncie – w technologiach wykonywania budynków na ławach fundamentowych, a więc bez podpiwniczenia, wykorzystanie keramzytu upraszcza wykonanie konstrukcji podłogi (posadzki) dzięki wykorzystaniu jego właściwości izolacyjnych oraz mechanicznych.
   Przy obecnych standardach dotyczących wymagań w zakresie izolacyjności przegród warstwa keramzytu o grubości nie mniej niż 33 cm jest wystarczająca, a po zagęszczeniu ma wystarczającą nośność dla prowadzenia dalszych prac budowlanych.
2. Warstw izolacyjnych w przegrodach poziomych (stropach) – w tym przypadku zastosowanie keramzytu to wykorzystanie jego właściwości izolacyjnych, a także odporności na ogień oraz na grzyby i pleśnie. Alternatywne materiały izolacyjne albo nie posiadają odporności na ogień i wymagają zastosowania w technologii produkcji uniepalniaczy, albo charakteryzują się znacznie wyższym od keramzytu współczynnikiem oporu dyfuzyjnego. Przykład typowego zastosowania przedstawiono na FOT. główne.
3. Warstw izolacyjnych w przegrodach pionowych – w przegrodach pionowych w postaci luźnej z zasady stosowane są tradycyjnie styropian lub wełna mineralna. W szczególnych przypadkach (np. przegrodach kondygnacji podziemnych) spotyka się rozwiązania wykorzystujące keramzyt jako materiał izolacyjny. Na FOT. 5–6 przedstawiono rozwiązanie z zastosowaniem keramzytu, gdzie może być wykorzystany zarówno w postaci związanej (wyrobem są bloczki z wypełnieniem betonem jamistym), jak i niezwiązanej.

Wg autorów rozwiązania zastosowanie tego typu wyrobu skraca czas wykonywania przegród, a dodatkowo sprzyja ograniczeniu zawilgocenia przegrody, co pozytywnie wpływa na efektywność ekonomiczną budynku

4. Izolacji instalacji – analogicznie jak w przypadku wykonywania posadzki na gruncie z użyciem keramzytu, stosowane są rozwiązania izolujące instalacje i inne obiekty budowlane w gruncie, np. przed przemarzaniem. W tym przypadku kruszywo lekkie jest jednocześnie izolatorem, może stanowić warstwę nośną, a dodatkowo znacznie upraszcza i skraca proces wykonawczy i nie wprowadza dodatkowych naprężeń na etapie wykonywania prac ziemnych.

Podsumowanie

Kruszywa lekkie wykorzystywane jako materiał izolacyjny są ważnym wyrobem we współczesnym budownictwie. Przedstawione w artykule przykłady wskazują na szerokie spektrum zastosowań. Należy zaznaczyć, iż kruszywa lekkie nie są w większości przypadków konkurencją dla innych materiałów izolacyjnych, natomiast dzięki swoim uniwersalnym właściwościom są stosowane wielokrotnie w specyficznych warunkach, gdzie inne materiały nie spełniają wszechstronnych wymagań. Dotyczy to zarówno warstw izolacyjnych luźnych (niezwiązanych), jak i z betonem lekkim.

Kierunki rozwoju budownictwa, szczególnie obecnie modnego tzw. budownictwa modułowego, to szansa na powszechniejsze stosowanie kruszyw lekkich, w tym keramzytu.

Literatura

1. General catalogue „Lightweight expanded clay aggregates bagged premixed concretes and mortars”.
2. S. Boudaghpour, S. Hashemi, „A study on light expanded clay aggregate (LECA) in a geotechnical view and its application on greenhouse and greenroof cultivation”, „International Journal of Geology” Issue 4, Volume 2, 2008.
3. J. Stankiewicz, „Przykłady praktycznego zastosowania kruszyw lekkich”, „IZOLACJE” 7/8/2020, s. 64–68.
4. „Poradnik Wykonawcy”, Leca.