BADANIA PŁYT WŁÓKNISTO-CEMENTOWYCH ZAWIERAJĄCYH MATERIAŁY Z RECYKLINGU TESTS OF FIBRE-CEMENT BOARDS CONTAINING RECYCLED MATERIALS

Transkrypt

1 1) *) dr inż. Tomasz Gorzelańczyk dr hab. inż. Krzysztof Schabowicz 1) BADANIA PŁYT WŁÓKNISTO-CEMENTOWYCH ZAWIERAJĄCYH MATERIAŁY Z RECYKLINGU TESTS OF FIBRE-CEMENT BOARDS CONTAINING RECYCLED MATERIALS Streszczenie: W artykule przedstawiono wyniki badań nasiąkliwości, wilgotności masowej i wytrzymałości na zginanie wybranych płyt włóknisto-cementowych dostępnych na rynku budowlanym, stosowanych jako okładziny zewnętrzne obiektów budowlanych, zwane także płytami elewacyjnymi lub elewacjami wentylowanymi. Do badań wykorzystano przede wszystkim płyty zawierające materiały z recyklingu, w tym z użyciem włókien celulozowych z makulatury. Na podstawie analizy uzyskanych wyników stwierdzono, że płyty włóknisto-cementowe nie zawierające materiałów z recyklingu charakteryzują się najniższą nasiąkliwością n w w stanie pełnego nasycenia wodą. Podobnie sytuacja wygląda z wilgotnością masową w m, która to jest najniższa dla tych płyt. Płyty nie zawierające materiału z recyklingu mają ponadto najwyższą średnią wytrzymałością na zginanie MOR. Parametry te jednoznacznie wskazują na to, że tylko takie płyty są predysponowane do wykonywania z nich okładzin zewnętrznych. Słowa kluczowe: płyty włóknisto-cementowe, materiały z recyklingu, nasiąkliwość, wilgotność, wytrzymałość na zginanie Abstract: This paper presents the results of tests of absorptiveness, moisture content and bending strength of selected fibre-cement boards (also called cladding panels or ventilated façades) available on the construction market and used as the exterior wall cladding for civil structures. Also boards containing recycled materials, including cellulose fibres from recycled paper, were tested. An analysis of the test results showed that the fibrecement boards which did not contain any recycled materials had the lowest moisture absorptiveness n w in the state of full saturation with water. Also mass moisture content w m was found to be the lowest for such boards. The boards were also characterized by the highest bending strength (the modulus of rupture (MOR)). The test results clearly show that only such boards are suitable for exterior cladding. Key words: fibre-cement boards, recycling materials, absorptiveness, moisture content, bending strength 1. WPROWADZENIE W praktyce budowlanej obserwuje się często, że okładziny zewnętrzne pod wpływem działania warunków atmosferycznych m. innymi zmian temperatury, zawilgocenia tracą swoje właściwości fizyczne i mechaniczne i z czasem ulegają uszkodzeniu. Obecnie bardzo często jako okładziny zewnętrzne elewacji obiektów budowlanych stosuje się płyty włóknistocementowe, zwane płytami elewacyjnymi. Elewacje takie są w większości elewacjami wentylowanymi i stosuje się je na okładziny zewnętrzne, zarówno w nowych jak i remontowanych budynkach. Na rysunku 1 pokazano przykłady elewacji z płyt włóknistocementowych nie zawierających materiałów z recyklingu budynków znajdujących się w kampusie Politechniki Wrocławskiej. Płyty włóknisto-cementowe nazywane także celulozowo-cementowymi, stosowane są w budownictwie już od początku ubiegłego wieku, kiedy to czeski inżynier Ludwik Hatschek opracował i opatentował technologię ich produkcji. Płyty te, nazwane eternit, były lekkie, 1 Politechnika Wrocławska, Wydział Budownictwa Lądowego i Wodnego * Autor do korespondencji: tomasz.gorzelanczyk@pwr.edu.pl 1

2 wytrzymałe, trwałe, odporne na wilgoć i niepalne, ale w swoim składzie miały azbest [6, 7]. Z czasem na skutek regulacji prawnych azbest, uznany za szkodliwy, zastąpiono bezpiecznymi włóknami celulozowymi [6, 7]. Współczesne płyty włóknisto-cementowe składają się w około 50% 70% z cementu, pozostała część składników to: włókna mineralne (najczęściej celuloza) oraz wypełniacze (np. mączka wapienna, kaolin). Charakteryzują się oprócz trwałości, wysoką wytrzymałością na zginanie, odpornością na wilgoć i korozję biologiczną [1-4, 6, 7]. Rys. 1. Przykład elewacji z płyt włóknisto-cementowych nowych budynków w kampusie Politechniki Wrocławskiej. Fig. 2. Example of new façade with fibre-cement boards at Wroclaw University of Technology Campus. Biorąc pod uwagę zasady zrównoważonego rozwoju i poszukiwania innowacyjnych produktów zaczęto wykorzystywać do produkcji płyt włóknisto-cementowych różnego rodzaju dodatki i materiały z recyklingu, wprowadzając między innymi celulozę pozyskaną z makulatury [8]. Celem takich działań jest z jednej strony wytworzenie wyrobu ekologicznego, a z drugiej potanienie produkcji. Pojawia się jednak pytanie o parametry fizyczne i mechaniczne, a szczególnie o trwałość takiej płyty. Stąd też w niniejszym artykule podjęto próbę wyjaśnienia tego problemu. W pracy przedstawiono rezultaty badań właściwości fizycznych (nasiąkliwości i wilgotności masowej) i mechanicznej (wytrzymałości na zginanie) dostępnych na rynku wybranych płyt włóknisto-cementowych okładzinowych zewnętrznych, wykonanych bez makulatury i z makulaturą. Badano nasiąkliwość, wilgotność masową i wytrzymałość na zginanie, ponieważ są to podstawowe właściwości wymagane normą [1], które świadczą o jakości, odporności na warunki atmosferyczne i trwałości płyty włóknisto-cementowej. Porównano uzyskane rezultaty badań takich płyt, przedstawiono analizę i wnioski z tego wynikające. 2

3 2. OPIS PRZEPROWADZONYCH BADAŃ Przedmiotem przeprowadzonych w pracy badań były płyty włóknisto-cementowe okładzinowe zewnętrzne, które zestawiono w tabeli 1. Tabela 1. Zestawienie badanych płyt włóknisto-cementowych okładzinowych zewnętrznych. Table 2. Comparison of tested exterior cladding fibre-cement boards. Lp. Oznaczenie płyty Rodzaj płyty Grubość płyty [mm] Widok płyty 1 A Płyta bez makulatury 8,0 2 B Płyta z 10% zawartością makulatury 8,0 3 C Płyta z 25% zawartością makulatury 8,0 4 D Płyta z 50% zawartością makulatury 8,0 5 E Płyta bez makulatury (z podwyższona o 10% zawartością cementu w stosunku do pozostałych płyt) 8,0 Poniżej syntetycznie przedstawiono zakres wykonanych badań oraz wykorzystane metody badawcze. Jeżeli chodzi o właściwości fizyczne, to wyznaczano nasiąkliwość nw oraz wilgotność masową wm. Nasiąkliwość nw wyznaczono dla płyt przechowywanych przez 1, 2, 3 i 24 godziny oraz przez 4 dni zgodnie z [5] wg wzoru (1), mn ms nw %, (1) m gdzie: s mn masa próbki nasyconej wodą [g], ms masa próbki wysuszonej w 105 C [g]. Określenia wilgotności masowej wm dokonano za pomocą metody suszarkowo-wagowej zgodnie z [5], dla próbek płyt w stanie powietrzno-suchym przechowywanych do momentu badania w warunkach laboratoryjnych z zależności (2), mw ms wm %, (2) m gdzie: mw masa próbki o aktualnej wilgotności [g], ms masa próbki wysuszonej w 105 C [g]. s 3

4 Nasiąkliwość n w [%] Określenia parametru mechanicznego - wytrzymałości na zginanie (trójpunktowe zginanie, średnia arytmetyczna z dwóch kierunków zginania) dokonano dla płyt w stanie powietrznosuchym oraz dla płyt przechowywanych przez 1, 2, 3 i 24 godziny oraz przez 4 dni, na próbkach kwadratowych o wymiarach mm, zgodnie z [1]. Wytrzymałość na zginanie MOR, w MPa dla każdego kierunku określano wg wzoru (3): gdzie: MOR = 3Fl s 2be 2 (3) F- siła niszcząca [N], l s - rozstaw podpór [mm], b - szerokość badanej próbki [mm], e - średnia grubość badanej próbki mierzona w czterech miejscach (w środku każdego boku) [mm]. 3. WYNIKI BADAŃ NASIĄKLIWOŚCI I WILGOTNOŚCI I ICH ANALIZA Uśrednione wyniki badania (z dziesięciu próbek z każdego rodzaju płyty) nasiąkliwości nw i wilgotności masowej wm zestawiono w tabeli 2. Na rysunku 2 przedstawiono przyrost nasiąkliwości nw dla badanych płyt w funkcji czasu. Tabela 2. Zestawienie wyników badań nasiąkliwości i wilgotności masowej badanych płyt. Table 2. Absorbability and moisture content of tested panels. Lp. Nasiąkliwość nw [%] Wilgotność Oznaczenie płyty po 1h po 2h po 3h po 24h po 4 dniach wm [%] 1 A 6,40 7,15 7,73 8,02 11,91 1,19 2 B 9,14 11,08 11,72 14,22 16,51 7,60 3 C 11,24 11,89 12,34 16,78 22,21 11,45 4 D 12,89 13,74 14,54 18,38 23,65 11,52 5 E 22,53 23,32 24,33 29,87 31,22 14, Płyta A Płyta B 15 Płyta C 10 5 Płyta D 0 1h 2h 3h 24h 4 dni Czas płyty Płyta E Rys. 2. Przyrost nasiąkliwości nw dla badanych płyt w funkcji czasu. Fig. 2. Increase in absorbability nw for tested panels over time in water. 4

5 Wilgotność w m [%] Z kolei na rysunku 3 pokazano wyznaczone wartości wilgotności masowej wm dla wszystkich badanych płyt , ,60 11,45 11, ,19 Płyta A Płyta B Płyta C Płyta D Płyta E Rys. 3. Wilgotność masowa wm badanych płyt. Fig. 3. Mass moisture content wm in tested panels. Analizując wartości zestawione w tabeli 2 widać, że nasiąkliwość płyty włóknistocementowej A jest niemal trzy razy niższa od płyty E i dwa razy niższa od płyt C i D. Zauważa się, że wraz ze wzrostem procentowego udziału celulozy pozyskiwanej z makulatury obserwuje się niekorzystny jej wpływ powodujący zwiększenie nasiąkliwości badanych płyt. Z kolei analizując rysunek 2 należy stwierdzić, że najniższą nasiąkliwością w stanie pełnego nasycenia wodą charakteryzuje się płyta włóknisto-cementowa A, natomiast najwyższą nasiąkliwość zaobserwowano w płycie E, i kolejno w płycie D i C. Na podstawie analizy tabeli 2 oraz rysunku 3 widać, że najniższą wilgotnością masową wm charakteryzuje się płyta włóknisto-cementowa A, natomiast najwyższą płyta E. Wysokie wartości wilgotności mają też płyty C i D. 4. WYNIKI BADAŃ WYTRZYMAŁOŚCI NA ZGINANIE I ICH ANALIZA Uśrednione wyniki badań (z dziesięciu próbek z każdego rodzaju płyty) wytrzymałości na zginanie płyt MOR przeprowadzonych zgodnie z [1] zamieszczono w tabeli 3. Tabela 3. Zestawienie wyników badań wytrzymałości na zginanie badanych płyt. Table 3. Bending test results for panels. Średnia wytrzymałość na zginanie MOR [MPa] (w dwóch kierunkach) wg [3] Oznaczenie Lp. płyty suche po 1h po 2h po 3h po 24h po 4 dniach 1 A 29,79 26,91 25,16 24,44 19,28 16,65 2 B 20,71 19,18 17,23 15,87 13,41 12,12 3 C 16,00 15,11 14,67 13,15 11,07 10,27 4 D 13,18 12,22 11,56 10,76 9,45 6,76 5 E 25,21 20,57 18,76 17,39 14,47 14,12 5

6 Średnia wytrzymałość na ściskanie MOR [MPa] Średnia wytrzymałość na zginanie MOR [MPa] Z kolei na rysunku 4 zamieszczono rezultaty badań wytrzymałości na zginanie dla płyt będących w stanie powietrzno-suchym w chwili badania , , ,71 16,00 13, Płyta A Płyta B Płyta C Płyta D Płyta E Rys. 4. Średnia wytrzymałość ma zginanie MOR badanych płyt w stanie powietrzno-suchym. Fig. 4.Average bending strength MOR of panels tested in air-dry condition. Na podstawie analizy rezultatów przedstawionych w tabeli 3 oraz na rysunku 4 widać, że najwyższą wytrzymałością na zginanie w stanie powietrzno-suchym charakteryzuje się płyta włóknisto-cementowa A. Najniższą zaś wytrzymałością charakteryzuje się płyta D z 50% zawartością celulozy z makulatury. Ponadto analizując tabelę 3, warto zauważyć, że płyta D charakteryzuje się praktycznie największym spadkiem wytrzymałości wskutek zawilgocenia z 13,18 do 6,76 MPa. Z kolei najlepsze parametry wytrzymałości na zginanie, podczas przebywania płyty, otrzymano dla płyty wykonanej bez użycia materiałów pozyskanych z recyklingu, tj. płyty A, w przypadku której spadek wytrzymałości jest najmniejszy. Powyższe stwierdzenia najlepiej ilustruje rysunek 5, na którym pokazano spadek wytrzymałości na zginanie wraz z czasem badanych płyt Płyta A Płyta B 16 Płyta C 12 8 Płyta D 4 Płyta E 0 suche 1h 2h 3h 24h 4 dni Czas płyty Rys. 5. Zmiana wytrzymałości ma zginanie MOR badanych płyt w funkcji czasu wodzie. Fig. 5. Bending strength MOR of tested panels versus time of keeping them in water. 6

7 Analizując powyższy rysunek, warto zauważyć, że po 4 dniach, spadek wytrzymałości na zginanie płyt z udziałem materiału pozyskanego z recyklingu, na skutek zawilgocenia jest najwyższy w stosunku do pozostałych płyt, bo niemalże dwukrotny w przypadku płyty D. Warto też zwrócić uwagę na fakt, że wraz ze wzrostem udziału celulozy pozyskiwanej z makulatury w składzie płyt, obserwuje się tendencję większego spadku wytrzymałości na zginanie tych płyt na skutek zawilgocenia wodą, w stosunku do płyt o takim samym składzie, ale wykonanych bez użycia celulozy pochodzącej z makulatury. Przedstawione powyżej informacje są bardzo istotne z punktu widzenia praktyki budowlanej, ponieważ płyty włóknisto-cementowe zawierające materiały z recyklingu charakteryzują się gorszymi parametrami nasiąkliwości, wilgotności masowej i wytrzymałości na zginanie, co wiąże się bezpośrednio z obniżoną odpornością na warunki atmosferyczne i tym samym krótszą trwałością elewacji wykonanych z takich płyt. Na rysunku 6 przykładowo zamieszczono widoki uszkodzonych elewacji budynków wykonanych z płyt zawierających w swoim składzie materiały pozyskane z recyklingu, tak jak płyty D. Płyty te uległy w stosunkowo krótkim czasie znacznemu zawilgoceniu, co spowodowało obniżenie ich paramentów wytrzymałościowych i pojawienie się widocznych deformacji na powierzchni powodujących pęcznienie oraz odpadanie powłoki malarskiej. Rys. 6. Widoki uszkodzonych elewacji budynków wykonanych z płyt włókno-cementowych wykonanych z udziałem materiałów pozyskanych z recyklingu. Fig. 6. Views of damaged building façades made of fibre-cement boards containing recycled materials. 5. PODSUMOWANIE W pracy przedstawiono wyniki badań nasiąkliwości, wilgotności masowej i wytrzymałości na zginanie płyt włóknisto-cementowych stosowanych do wykonywania okładzin zewnętrznych obiektów budowlanych. Na podstawie analizy uzyskanych wyników, należy stwierdzić, że najniższą nasiąkliwość ma płyta włóknisto-cementowa A bez makulatury, a wraz ze wzrostem procentowego udziału celulozy pozyskiwanej z makulatury obserwuje się niekorzystny jej wpływ powodujący zwiększenie nasiąkliwości takich płyt. Podobnie sytuacja wygląda z wilgotnością masową. Jeżeli chodzi zaś o wytrzymałość na zginanie to najwyższą charakteryzuje się płyta włóknisto-cementowa A bez makulatury, a najniższą płyta D z 50% zawartością makulatury, w której też obserwuje się największy spadek wytrzymałości wskutek zawilgocenia. Podsumowując, autorzy chcą podkreślić, że na podstawie przeprowadzonych badań płyt włóknisto-cementowych okładzinowych zewnętrznych dobre parametry wytrzymałościowe 7

8 oraz trwałość można uzyskać stosując przede wszystkim płyty nie zawierające materiałów z recyklingu, czego najlepszym przykładem mogą być między innymi elewacje wykonane na nowych budynkach Politechniki Wrocławskiej. LITERATURA 1. PN-EN Płyty płaskie włóknisto-cementowe - Charakterystyka wyrobu i metody badań. 2. Drelich R., Gorzelańczyk T., Pakuła M., Schabowicz K., Automated Control of Cellulose Fibre Cement Boards with a Non-Contact Ultrasound Scanner, Automation in Construction, DOI: /j.autcon Drelich R., Domanowski P., Gorzelańczyk T., Pakuła M., Schabowicz K., Studies of Influence of Moisture Content in Cellulose Fiber Cement Boards on Wave Parameters Using Non-Contact Ultrasound, 11 th European Conference on Non-Destructive Testing (ECNDT), Prague, Gorzelańczyk T., Schabowicz K., Non-Destructive Testing of Moisture in Cellulose Fiber Cement Boards, 11 th European Conference on Non-Destructive Testing (ECNDT), Prague, Hoła J., Matkowski Z., Wybrane problemy dotyczące zabezpieczeń przeciwwilgociowych ścian w istniejących obiektach murowanych, Awarie budowlane: zapobieganie, diagnostyka, naprawy, rekonstrukcje, XXIV Konferencja naukowo-techniczna, Szczecin- Międzyzdroje, maja 2009 Szczecin, Wydawnictwo Uczelniane Zachodniopomorskiego Uniwersytetu Technologicznego, 73-92, Materiały ze strony internetowej: 7. Materiały ze strony internetowej: 8. Materiały ze strony internetowej: 8