Modyfikowane zaprawy izolacyjne na bazie perlitu

Transkrypt

1 Łukasz Gołek Waldemar Pichór Modyfikowane zaprawy izolacyjne na bazie perlitu MODIFIED PERLITE BASED INSULATION MORTARS Streszczenie Lekkie zaprawy na bazie perlitu znajdują szerokie zastosowanie, przede wszystkim w hutnictwie, do izolacji cieplnych w podwyższonych temperaturach, ale również coraz częściej w budownictwie. Dzięki niskiemu współczynnikowi przewodnictwa cieplnego i niewielkiej gęstości perlit stanowi lekki wypełniacz do wytwarzania zapraw budowlanych, o bardzo dobrych właściwościach izolacyjnych. Ze względu na znaczną porowatość otwartą, takie zastosowanie nastręcza jednak pewnych trudności, szczególnie z uzyskaniem powtarzalnych właściwości dla zapraw o niskiej gęstości pozornej. W pracy przedstawione zostały wyniki badań zapraw z dodatkiem perlitu ekspandowanego, przy różnym jego udziale i różnych rodzajach domieszek chemicznych. Uzyskane wyniki wskazują na możliwość wytwarzania zapraw termoizolacyjnych o niskim współczynniku przewodzenia ciepła i o zadowalających pozostałych właściwościach użytkowych. Abstract The expanded perlite based mortars are used in wide range of application, e.g. in metallurgic industry for thermal insulation in high temperatures but also in building engineering.. Because of low thermal conductivity and low bulk density the expanded perlite is a perfect filler for lightweight mortars but relatively high level of water absorption due to open porosity may cause the dependable troubleshooting. In this work many results of investigation of mortars based on expanded perlite with different proportions and with chemical admixture are being shown. The obtained results indicate that the production of mortars based on expanded perlite with excellent thermal properties and satisfactory other is possible. mgr inż. Łukasz Gołek Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie, Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki dr inż. Waldemar Pichór Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie, Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki

2

3 Modyfikowane zaprawy izolacyjne na bazie perlitu 1. Wprowadzenie Kruszywo perlitowe jest granulatem skały wulkanicznej zawierającej 2 5% wody. Wydobyty ze złoża perlit zostaje wstępnie przemielony, a następnie poddany krótkotrwałej obróbce cieplnej w temperaturze około o C. Uwięziona wewnątrz naturalnej struktury perlitu woda przechodzi w parę o ciśnieniu przewyższającym wytrzymałość krystalicznego perlitu, co powoduje jego pękanie. Podczas tego procesu tworzą się frakcje od kilku µm do kilku mm. Równolegle z procesem pękania następuje spiekanie szkliwa wulkanicznego, czemu towarzyszy zmniejszenie objętości szkliwa, na skutek czego powstają nieregularne przestrzenie wypełnione powietrzem i parą wodną, które następnie powodują ekspansję plastycznego szkliwa. Efektem tego procesu (ekspandacji) jest znaczny wzrost objętości (spadek gęstości pozornej) uzyskanego produktu. Gęstość pozorna perlitu naturalnego wynosi około 1300 kg/m 3, natomiast perlitu ekspandowanego najczęściej zawiera się w granicach kg/m 3. Kruszywo to jest odporne na korozję chemiczną i biologiczną, jest niepalne, mrozoodporne, a ponadto, ze względu na dużą porowatość otwartą stanowi materiał o bardzo dobrych właściwościach termoizolacyjnych, w szerokim zakresie temperatur, od izolacji kriogenicznej do temperatur około 800 o C; jest materiałem o dobrej izolacji akustycznej, może służyć jako materiał filtracyjny, a także znajduje szerokie zastosowanie w agrotechnice [1]. Ze względu na doskonałe właściwości izolacyjne perlitu ekspandowanego materiał ten szybko znalazł zastosowanie w produkcji materiałów budowlanych. Najczęściej stosowany jest jako lekki wypełniacz, wykorzystywany do produkcji lekkich betonów (tzw. perlitobeton), tynków termoizolacyjnych i zapraw [2, 3]. Perlit ekspandowany stosowany jest również w formie zasypki termoizolacyjnej, do izolacji miejsc trudnodostępnych (szczeliny powietrzne w ścianach, niskie poddasza) [1]. Dzięki właściwościom pucolanowym dodatek perlitu może również ograniczać ekspansywną reakcję alkaliczną w betonie [4 6]. Pomimo stosunkowo niskiej ceny i dobrych właściwości izolacyjnych perlit ekspandowany nie jest tak powszechnie stosowanym materiałem jak np. styropian granulowany. Powodem takiego stanu rzeczy jest fakt, iż duża porowatość otwarta, dzięki której perlit ma tak dobre właściwości izolacyjne, jednocześnie znacznie utrudnia stosowanie tego materiału, nastręczając duże problemy z zapewnieniem powtarzalności właściwości produkowanych na jego bazie wyrobów. Głównym celem niniejszej pracy było otrzymanie lekkich zapraw o bardzo dobrych właściwościach termoizolacyjnych, przy zachowaniu zadowalającej wytrzymałości i możliwie zredukowanej nasiąkliwości i podciąganiu kapilarnemu. Pośrednio zadanie to wiązało się z określeniem, który z czynników (czas mieszania, ilość wody zarobowej, ilość spoiwa, rodzaj domieszki chemicznej) i w jakim stopniu, wpływa na właściwości wyrobów opartych na perlicie ekspandowanym. 2. Materiały i metody badań Do badań przygotowano trzy podstawowe zestawy zapraw o zmiennym stosunku cementu do perlitu, których skład znajduje się w tabeli 1. Wraz ze zwiększeniem zawartości perlitu zwiększano również ilość dodanej wody, w celu zachowania stałych właściwości reologicznych świeżej mieszanki. We wszystkich przypadkach zastosowano dodatek włókien polipropylenowych, w celu ograniczenia powstawania mikrospękań oraz poprawy jednorodności mieszanki. 3

4 Łukasz Gołek, Waldemar Pichór Tabela 1. Receptury wyjściowe zapraw na bazie perlitu ekspandowanego Seria Stosunek cement/perlit, obj. 1:7 1:5 1:3 Włókna Fibermix 6mm, % wag. cem. 0,4 0,4 0,4 w/c 2,4 1,6 1,0 W pracy wykorzystano perlit ekspandowany klasy III z ZGM Zębiec S.A. Przeciętny skład chemiczny perlitu przedstawia się następująco: SiO %, Al 2 O %, K 2 O + Na 2 O 6-9%, MgO + CaO 2-6% oraz Fe 2 O 3 1-5%. Wybrane właściwości perlitu ekspandowanego przedstawiono w tabeli 2. Zastosowano cement CEM II 32,5. Tabela 2. Właściwości fizyczne perlitu ekspandowanego Klasa ziarnowa perlitu III Gęstość pozorna, kg/m ± 15 Gęstość, g/cm 3 2,23 2,40 Temperatura topnienia, o C Średni wymiar ziarna, mm około 1,0 Przewodnictwo cieplne *, W/mK 0,045 0,059 Nasiąkliwość, % V/V Wytrzymałość na ściskanie **, MPa 0,10 0,40 * zasypka, w stanie suchym w 20 o C, ** sprasowany Kolejne serie zapraw przygotowano na bazie zapraw podstawowych, z dodatkiem metylocelulozy (Tylozy MH, Clairant) oraz z dodatkiem środka porotwórczego Thermopal P (Schomburg). Receptury zapraw modyfikowanych zestawiono w tabeli 3. Tabela 3. Receptury zapraw na bazie perlitu ekspandowanego z domieszkami Seria 7M 5M 3M 7T 5T 3T Stosunek cement/perlit, obj. 1:7 1:5 1:3 1:7 1:5 1:3 Włókna Fibermix 6mm, % wag. cem. 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,5 Tyloza MH, % wag. cem. 0,3 0,3 0, Thermopal P, % wag. cem ,5 0,5 0,5 w/c 2,3 1,7 1,1 2,3 1,7 1,1 Uzyskana konsystencja zapraw wynosiła 8 9 cm, mierzona metodą opadu stożka. Bardzo istotnym czynnikiem okazał się czas mieszania zaprawy; po wcześniejszych próbach, przyjęto maksymalny czas mieszania 3 minuty. Zbyt krótkie mieszanie nie zapewniało dostatecznej homogenizacji całej masy, natomiast wydłużenie czasu wiązania powodowało zmianę właściwości reologicznych, poprzez prawdopodobne uwalnianie wody z niszczonych ziaren perlitu. Podczas mieszania większe ziarna perlitu ulegają zmieleniu, a zawarta w nich woda zostaje uwolniona do zaprawy, co powoduje jej znaczny rozpływ, a stwardniałe zaprawy wykazują znaczne spękania. W celu określenia wpływu środka porotwórczego na współczynnik przewodnictwa cieplnego wykonano również dodatkową serię próbek T3 oraz serię próbek przy różnych ilościach Thermopalu P. Receptury zapraw przedstawiono w tabeli 4. 4

5 Modyfikowane zaprawy izolacyjne na bazie perlitu Tabela 4. Receptury zapraw z dodatkiem środka porotwórczego Seria 3T10 3T25 3T40 3T50 Stosunek cement/perlit, obj. 1:3 1:3 1:3 1:3 Włókna Fibermix 6mm, % wag. cem. 0,4 0,4 0,4 0,4 Thermopal P, % wag. cem. 0,10 0,25 0,40 0,50 w/c 2,3 1,7 2,3 1,7 Zaprawy do badań przygotowane zostały w warunkach laboratoryjnych, w temperaturze około 20 o C. Z przygotowanych zapraw uformowane zostały belki o wymiarach mm do badań wytrzymałościowych, nasiąkliwości i podciągania kapilarnego oraz próbki o wymiarach mm do badań przewodnictwa cieplnego. Tak przygotowane próbki rozformowano po 12 godzinach (za wyjątkiem próbek z dodatkowej serii 3T) i przechowywano w warunkach laboratoryjnych przez 28 dni, przy wilgotności względnej 95%. Po tym czasie próbki poddano badaniom. Badania wytrzymałościowe wykonywane były przy następujących parametrach: prędkość przyrostu naprężeń w próbie zginania 20 N/s, i w próbie ściskania 300 N/s. Oznaczenie mrozoodporności wykonane zostało według metodyki dla betonu komórkowego (20 cykli +20 o C/-17 o C). Badanie przewodnictwa cieplnego przeprowadzono metodą stacjonarną w aparacie płytowym LaserFox 200, przy średniej temperaturze pomiaru 23 o C dla próbek wysuszonych do stałej masy. Każdy przedstawiony wynik jest średnią z co najmniej trzech pomiarów. 3. Wyniki badań W tabeli 5 zostały kompleksowo zestawione wszystkie wykonane wyniki badań, za wyjątkiem dodatkowej serii 3T. Tabela 5. Zbiorcze wyniki badań zapraw perlitowych Seria M 5M 3M 7T 5T 3T Gęstość pozorna, kg/m Wytrzymałość na ściskanie po 28 dniach, MPa 2,1 4,6 9,0 2,2 3,9 7,7 1,6 2,2 3,1 Wytrzymałość na zginanie po 28 dniach, MPa 0,7 1,0 1,1 0,9 1,1 1,2 0,8 1,1 1,1 Mrozoodporność: Ubytek masy, % Wytrzymałość na ściskanie, MPa Wytrzymałość na zginanie, MPa Podciąganie kapilarne wody, mm po: 1h 3h 6h 24h ,5 1,27-0 4,2 1,08 0 9,4 1, , Nasiąkliwość po 72 h, % wag Współczynnik przewodzenia ciepła, W/mK 1,24 0,112 0,158 0,258 0,108 0,128 0,218 0,086 0,088 0,092 5

6 Łukasz Gołek, Waldemar Pichór Wyniki zestawiono również na rysunkach 1 4. Rys. 1. Gęstość pozorna zapraw perlitowych w funkcji stosunku cement/perlit Głównym czynnikiem wpływającym na gęstość pozorną i wytrzymałość jest zawartość perlitu. Oba parametry maleją wraz ze wzrostem ilości wprowadzonego perlitu. Analizując wyniki badań jednoznacznie można stwierdzić, iż próbki z serii 30 oraz 3M (z dodatkiem metylocelulozy) wykazują największe wytrzymałości, skorelowane z gęstością pozorną próbek. Ze względu na niższą porowatość próbki z tych serii wykazywały również mniejszą nasiąkliwość i wielkość podciągania kapilarnego. Próbki te cechowały się również najwyższym przewodnictwem cieplnym, chociaż przy gęstości pozornej rzędu kg/m 3 przewodnictwo cieplne jest na stosunkowo niskim poziomie, w przedziale 0,20 0,25 W/mK, przy wytrzymałości na ściskanie 7,5 9,0 MPa. Najniższą wytrzymałością charakteryzują się próbki o najniższej gęstości pozornej, czyli poniżej 455 kg/m 3, wyjątek stanowiły próbki z serii 70, które pomimo gęstości 516 kg/m 3 wykazywały niższe wytrzymałości niż pozostałe próbki. 6 Rys. 2. Wytrzymałość na ściskanie zapraw perlitowych w funkcji stosunku cement/perlit

7 Modyfikowane zaprawy izolacyjne na bazie perlitu Wyniki badań wysokości podciągania kapilarnego zapraw z dodatkiem perlitu wskazują, że przy dużych udziałach perlitu (przy stosunku cement/perlit 1:7) efekt związany ze stosowaniem środka spieniającego przynosi znaczne, bo aż 5-krotne ograniczenie tego parametru, w stosunku do niewielkiej poprawy przy zastosowaniu metylocelulozy. Przy mniejszych zawartościach perlitu efekt zastosowania dodatkowej poryzacji jest pomijalny. Jedynie w przypadku serii 3M (z dodatkiem metylocelulozy) wysokość podciągania kapilarnego została ograniczona o 50% w stosunku do próbki bez domieszki. Największy wpływ na wartość nasiąkliwości ma zawartość perlitu, natomiast efekt związany z dodatkiem domieszek jest pomijalny. Rys. 3. Wysokość podciągania kapilarnego dla zapraw z największą zawartością perlitu w funkcji czasu badania Rys. 4. Współczynnik przewodzenia ciepła zapraw perlitowych w funkcji stosunku cement/perlit 7

8 Łukasz Gołek, Waldemar Pichór Rys. 5. Współczynnik przewodnictwa cieplnego zapraw perlitowych o stosunku cement/perlit 1:3, w funkcji zawartości środka spieniającego Na powyższym zestawieniu wyników największą uwagę zwraca seria 5M oraz spieniona seria 3T. Próbki z tej serii nie wykazują najwyższych wytrzymałości na zginanie, jednak wykazują one wytrzymałość na ściskanie około 3 MPa, przy gęstości pozornej poniżej 550 kg/m 3. Charakteryzują się one również niskim przewodnictwem cieplnym 0,126 W/mK w przypadku serii 5M i poniżej 0,10 W/mK, dla serii 3T. Tabela 6. Wpływ zawartości środka porotwórczego na przewodnictwo cieplne zapraw perlitowych Seria 3T10 3T25 3T40 3T50 Thermopal P, % wag. cem. 0,10 0,25 0,40 0,50 Współczynnik przewodzenia ciepła, W/mK 0,123 0,100 0,095 0,092 Przebadano również wpływ środka spieniającego na wartość współczynnika przewodzenia ciepła. Badania wykonano dla serii zapraw o stosunku cement/perlit 1:3. Wyniki zestawiono w tabeli 6 oraz na rysunku 5. Jak widać, wraz ze wzrostem ilości środka spieniającego wartość współczynnika przewodzenia ciepła obniża się, przy czym efekt ten osłabia się przy dużych ilościach domieszki. 4. Wnioski Zastosowanie perlitu ekspandowanego pozwala na uzyskanie zapraw termoizolacyjnych o gęstościach pozornych, w przedziale kg/m 3, przy bardzo dobrych właściwościach termoizolacyjnych, nawet poniżej 0,1 W/mK i zadowalających wytrzymałościach. Zastosowanie domieszek chemicznych z grupy metylocelulozy obniża w nieznacznym stopniu gęstość pozorną i wartość współczynnika przewodzenia ciepła, przy czym towarzyszy temu również spadek wytrzymałości na ściskanie. Uzyskuje się również redukcję wysokości podciągania kapilarnego, szczególnie w krótszych okresach ekspozycji. Dodatkowe spienienie zapraw perlitowych powoduje uzyskanie bardzo lekkich odmian, o współczynniku przewodzenia ciepła poniżej 0,1 W/mK, a w przypadku dużej 8

9 Modyfikowane zaprawy izolacyjne na bazie perlitu zawartości perlitu efektem wyjątkowo korzystnym jest aż 5-krotne obniżenie wysokości podciągania kapilarnego zaprawy. Ważnym aspektem technologicznym jest rygorystyczne przestrzeganie krótkiego czasu mieszania zapraw z dodatkiem perlitu ekspandowanego (poniżej 3 minut). Literatura [1] Perlite Technical Data Sheets, ed. Perlite Institute Inc. USA. [2] Demirboğa R., Örüng İ., Gül R.: Effects of expanded perlite and mineral admixtures on the compressive strength of low-density concretes. Cement and Concrete Research, 31 (2001), [3] Demirboğa R., Gül R.: The effects of expanded perlite, silica fume and fly ash on the thermal conductivity of lightweight concrete. Cement and Concrete Research, 33 (2003), [4] Bektas F., Turanli L., Monteiro P.J.M.: Use of perlite powder to suppress the alkali-silica reaction. Cement and Concrete Research, 35 (2005), [5] Urhan S.: Alkali silica reaction and pozzolanic reactions in concrete. Part 2. Observations on expanded perlite aggregate. Cement and Concrete Research 17 (1987), [6] Yu L.-H., Ou H., Lee L.-L: Investigation on pozzolanic effect of perlite powder in concrete. Cement and Concrete Research 33 (2003)