Paweł Walczak Paweł Szymański Agnieszka Różycka Beton komórkowy gęstości 350 kg/m 3 wyprodukowany w technologii popiołowej materiałem dla budownictwa energooszczędnego FLY ASH BASED AUTOCLAVED AERATED CONCRETE IN DENSITY 350 KG/M 3 AS A MATERIAL FOR ENERGY EFFICIENT CONSTRUCTION Streszczenie W ostatnich latach zauważa się zaostrzanie wymagań cieplnych stawianych ścianom zewnętrznym. Od 1 stycznia 2014 roku współczynnik przenikania ciepła ścian U c nie może wynosić więcej niż 0,25 [W/m 2 K], od roku 2017 jego wartość nie będzie mogła przekroczyć 0,23 [W/m 2 K], a od roku 2012 0,20 [W/m 2 K]. Dlatego też słusznym wydaje się poszukiwanie materiałów ściennych, które zapewnią coraz lepsze właściwości izolacyjne. Od lat, najpopularniejszym w Polsce materiałem ściennym do budowy ścian jest autoklawizowany beton komórkowy, który można podzielić przede wszystkim ze względu na rodzaj stosowanego kruszywa: betony komórkowe piaskowe i betony komórkowe, do których produkcji wykorzystuje się popioły lotne. Przeprowadzone na przestrzeni lat badania jasno wskazują, że betony komórkowe, w których podstawowym surowcem są krzemionkowe popioły lotne cechują się niższymi współczynnikami przewodzenia ciepła w porównaniu bo betonów komórkowych piaskowych, przy tej samej gęstości. Autorzy w artykule opisują próby wyprodukowania betonu komórkowego, z wykorzystaniem popiołów lotnych, o gęstości 350 kg/m 3 w technologii PGS (piano-gazo-silikatu). Technologia PGS jest bardzo specyficzną technologią, ponieważ do jej produkcji nie stosuje się cementu a jako spoiwo używa się wyłącznie mieszaniny wapna palonego, gipsu dwuwodnego i części popiołów lotnych. W wyniku przeprowadzonych prób technologicznych dr. inż. Paweł Walczak H+H Polska Sp. z o.o. dr. inż. Paweł Szymański H+H Polska Sp. z o.o., Politechnika Poznańska dr. inż. Agnieszka Różycka Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie, Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki, Katedra Technologii Materiałów Budowlanych
Paweł Walczak, Paweł Szymański, Agnieszka Różycka uzyskano m.in. beton komórkowy o gęstości 340 kg/m 3 i o współczynniku przewodzenia ciepła równym 0,074 [W/mK]. Abstract In recent years can see a trend to tightening of U-value for buildings. Since 1 January 2014 U-value can t be higher than 0,25 [W/m 2 K], but since 2017 this value can t be higher than 0,23 [W/m 2 K] and since 2020 0,20 [W/m 2 K]. Therefore is a good solution production buildings materials which have a better thermo insulation. From years in Poland Autoclaved Aerated Concrete (AAC) is the most popular building material, which can be devide by used aggregate: sand based AAC and fly ash AAC. Test results of thermo conductivity clearly shown fly ash AAC have better value than sand AAC with the same dry density. Tests of production fly ash AAC on 350 kg/m 3 density in PGS process technology are shown in this article. The PGS process technology is a very specific technology, because to production this AAC cement is not used. As a binder are used only burnt lime, gypsum and some part of siliceous fly ash. As a results of this research are made blocks of fly ash AAC, for example blocks on density 340 kg/m 3 and value 0,074 [W/mK]. 2 DNI BETONU 2014
Beton komórkowy gęstości 350 kg/m 3... 1. Wprowadzenie Z dniem 1 stycznia 2014 r. weszły w życie zmiany do Rozporządzenia w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie. Są one wynikiem nowelizacji Dyrektywy energetycznej EPBD 2010/31/UE z 19 maja 2010 r., której celem jest przede wszystkim ograniczenie zużycia energii potrzebnej do ogrzewania budynków. Dyrektywa troszczy się o istniejące w ziemi, ale ograniczone i zużywające się w błyskawicznym tempie zasoby kopalnianych paliw naturalnych (węgiel, ropa naftowa, gaz ziemny). Spośród wielu nowych przepisów i wytycznych kluczową zmianą dla branży materiałów ściennych jest zaostrzenie obowiązujących wartości współczynnika przenikania ciepła U. Od 1 stycznia tego roku wartość współczynnika przenikania ciepła dla ścian zewnętrznych (przy temperaturze wewnętrznej t i 16 o C) nie może być większa niż U C(max) 0,25 W/(m 2 K). Jest to w pewnym stopniu rewolucja zmniejszająca o 0,05 W/(m 2 K) od lat obowiązujący warunek U C(max) 0,30 W/(m 2 K). Zmniejszenie współczynnika przenikania ciepła U C(max) o 0,05 W/(m 2 K) powoduje wprost oszczędności od 120 do ponad 500 zł rocznie w odniesieniu do domu jednorodzinnego o powierzchni ścian zewnętrznych 150 m 2 i do aktualnych cen energii. Oszczędność kwotowa zależy oczywiście od rodzaju zastosowanej do ogrzania budynku energii (węgiel, gaz, energia elektryczna) i lokalizacji budowy (od najcieplejszego Wrocławia do najzimniejszego Zakopanego). Użytkownik domu wydaje mniej na ogrzewanie, gdyż potrzebuje mniej energii do jego wytworzenia. Kolejne etapy zaostrzania wymogów dotyczących współczynnika U C(max) zaplanowane są na 2017 rok i 2021, w którym to roku ostatecznie wartość współczynnika U C(max) nie będzie mogła być wyższa niż U C(max) 0,20 W/(m 2 K). Przedstawia je tabela 1. Tabela 1. Maksymalne wartości współczynnika U C(max) w kolejnych latach wprowadzania zmian Rodzaj przegrody Współczynnik przenikania ciepła U C(max) [W/(m 2 K)] i temperatura w pomieszczeniu od 1 stycznia 2014 r. od 1 stycznia 2017 r. od 1 stycznia 2021 r. Ściany zewnętrzne a) przy t i 16 o C 0,25 0,23 0,20 b) przy 8 C t i < 16 o C 0,45 0,45 0,45 c) przy t i < 8 o C 0,90 0,90 0,90 Wśród różnych materiałowych rozwiązań ściennych beton komórkowy idealnie wpisuje się w trendy związane z budownictwem energooszczędnym. Już teraz spełnia aktualne i przyszłościowe wymagania dotyczące izolacyjności termicznej ścian. Beton komórkowy ma strukturę złożoną z ogromnej ilości komórek, w których uwięzione jest powietrze, najlepszy izolator cieplny. Spośród szerokiego asortymentu dostępnego na rynku Polskim autorzy artykuły postanowi sprawdzić właściwości i strukturę betonu komórkowego gęstości 350, wyprodukowanego na bazie popiołów lotnych w technologii PGS (pianogazosilikat). 1.1. Technologia produkcji betonu komórkowego w technologii PGS Początki betonu komórkowego sięgają przełomu XIX i XX wieku. Prawdziwym przełomem było zastosowanie do jego spulchniania w 1914 roku proszku aluminium, a w 1923 DNI BETONU 2014 3
Paweł Walczak, Paweł Szymański, Agnieszka Różycka roku procesu autoklawizacji do jego hartowania [1, 2]. Historia betonu komórkowego w Polsce rozpoczęła się po II wojnie światowej, kiedy to uruchomiono pierwsze zakłady na licencjach zagranicznych [3, 4, 5]. Z czasem jednak umowy licencyjne rozwiązano i opracowano kilka polskich technologii produkcji, które przedstawiono w tabeli 2. Tabela 2. Polskie technologie produkcji autoklawizowanego betonu komórkowego [1, 3, 5, 6] Technologia Spoiwo Kruszywo wariant piaskowy wariant popiołowy UNIPOL wariant mieszany SW (silikat wolnotężejący) PGS (pianogazosilikat) BLB* (beton lekki belitowy) cement + wapno + część kruszywa wspólnie mielone cement + wapno wapno + część kruszywa wspólnie mielona cement belitowy piasek kwarcowy mielony na mokro krzemionkowy popiół lotny mieszanina piasku i popiołów piasek kwarcowy mielony na mokro krzemionkowe popioły lotne piasek kwarcowy mielony na mokro *BLB - technologia przedstawiona ze względów historycznych, ponieważ nie jest już stosowana w żadnym zakładzie produkcyjnym Oprócz składników wymienionych w tabeli 2, w każdej technologii dodaje się wodę, środek powierzchniowo czynny, proszek aluminium, a w niektórych również gips. Technologie dzielą się przede wszystkich ze względu na rodzaj stosowanego kruszywa: technologie piaskowe (biały beton komórkowy) i technologie popiołowe (szary beton komórkowy). Najbardziej specyficzną technologią jest technologia PGS, w której nie stosuje się cementu, a spoiwo uzyskuje się poprzez wspólny przemiał wapna palonego, części popiołów lotnych, oraz gipsu. Schemat blokowy procesu produkcji betonu komórkowego w technologii PGS pokazano na rysunku 1. Rys. 1. Schemat procesu produkcji betonu komórkowego w technologii PGS 4 DNI BETONU 2014
Beton komórkowy gęstości 350 kg/m 3... Jak pokazano na rysunku 1, dla każdej technologii produkcji można wyodrębnić kilka etapów procesu produkcyjnego. Pierwszym etapem jest przygotowanie spoiwa: w przypadku technologii PGS i UNIPOL uzyskuje się je poprzez wspólny przemiał składników wiążących. Z kolei w technologii SW wszystkie składniki spoiwa są ważone i dozowane bezpośrednio do mieszarki. Beton komórkowy uzyskuje swoją porowatą strukturę, dzięki której zawdzięcza swoje świetne właściwości termoizolacyjne, w reakcji proszku aluminium z wodorotlenkiem wapnia według reakcji [1, 3]: Warunkiem koniecznym do prawidłowego przebiegu reakcji wydzielania wodoru jest zapewnienie zasadowego ph mieszaniny wyjściowej, które uzyskuje się poprzez tworzenie powstający wodorotlenek wapnia Ca(OH) 2 w procesie gaszenia wapna. Powstające duże ilości wodorotlenku wapnia zwiększają gęstość masy, przez co wydzielający się wewnątrz masy wodór wywiera ciśnienia, które przekroczywszy granicę jej plastyczności powoduje odkształcenie masy, co powoduje jej wyrastanie. Mieszanka betonu komórkowego po uzyskaniu odpowiedniej wysokości i wytrzymałości poddawana jest krojeniu. Krojenie może odbywać się z obrotem masy o 90 o lub z przenoszeniem odlewów na ruszty, w których trafiają do autoklawów [8]. Pokrojona masa betonu komórkowa następnie jest poddawana procesowi autoklawizacji, w którym zachodzą najważniejsze reakcje mające wpływ na końcowy skład fazowy, mikrostrukturę, a tym samym na właściwości użytkowe autoklawizowanego betonu komórkowego. 1.2. Struktura i mikrostruktura betonu komórkowego wyprodukowanego w technologii PGS Mikrostruktura betonu komórkowego kształtuje się w procesie autoklawizacji w atmosferze nasyconej pary wodnej o ciśnieniu 1,1 1,3 MPa i temperaturze 180 190 o C. Całkowity czas autoklawizacji wynosi zazwyczaj 10-15 godzin. Należy zwrócić uwagę, że mikrokruszywo stosowane w produkcji betonu komórkowego (zmielony piasek, popioły lotne), w odróżnieniu do kruszywa w betonie tradycyjnym, bierze aktywny udział w tworzeniu końcowych produktów hydratacji. Powodem tego jest znaczący wzrost rozpuszczalności krzemionki (amorficznej, jak i krystalicznej) wraz ze wzrostem temperatury. Dodatkowo wraz ze wzrostem temperatury maleje rozpuszczalność wodorotlenku wapnia. W zakresie temperatur 150 190 o C ustala się równowaga chemiczna, dzięki czemu łatwiej tworzą się uwodnione krzemiany wapnia. Rodzaj, ilość i stopień wykrystalizowania powstałych faz uzależniony jest od temperatury autoklawizacji, długości jej trwania i stosunku molowego CaO/SiO 2 mieszaniny wyjściowej, co zostało zobrazowane na diagramie fazowym w warunkach hydrotermalnych przedstawionym przez Taylora (rys. 2). DNI BETONU 2014 5
Paweł Walczak, Paweł Szymański, Agnieszka Różycka Rys. 2. Układ CaO-SiO 2 -H 2 O w warunkach hydrotermalnych [9, 10] Ze względu na rodzaj stosowanego mikrokruszywa, czy też składników spoiwa można spodziewać się różnych produktów hydratacji. Niemniej jednak najczęściej występującymi fazami w mikrostrukturze autoklawizowanego betonu komórkowego są: C-S-H, tobermoryt, a w przypadku stosowania popiołów lotnych również hydrogranaty z szeregu katoit-hibschyt [11]. 2. Cel i metodyka badań Przeprowadzone badania są odpowiedzią na nowe regulacje prawne mające na celu obniżenia współczynnika przenikania ciepła dla ścian. Jak wiadomo autoklawizowany beton komórkowy cechuje się najlepszymi parametrami izolacji cieplnej wśród powszechnie dostępnych na rynku materiałów ściennych. Dodatkowo, jak pokazują badania przeprowadzane na przestrzeni lat, betony komórkowe na bazie popiołów lotnych wykazują lepsze parametry izolacji cieplnej niż betony komórkowe na bazie piasku o takiej samej gęstości, co pokazano na rysunku 3. 6 DNI BETONU 2014
Beton komórkowy gęstości 350 kg/m 3... Rys. 3. Porównanie współczynników przewodzenia ciepła dla betonów komórkowych wykonanych na bazie piasku i popiołów lotnych [12] Dlatego autorzy uznali za stosowne podjąć próbę uzyskania betonu komórkowego na bazie krzemionkowych popiołów lotnych w technologii PGS o gęstości 350 kg/m 3 ± 25. Próby przeprowadzono w skali technologicznej w zakładzie Skawina, należącym do firmy H+H Polska Sp. z o.o. Jak wiadomo, w technologiach popiołowych problemem jest uzyskanie niskich gęstości przy zachowaniu odpowiedniej wytrzymałości na ściskanie. Dlatego autorzy skupili się w swoich badaniach na określeniu wytrzymałości na ściskanie i gęstości wyprodukowanych betonów, zgodnie z normą PN-EN 771-4:2012 oraz na zbadaniu współczynnika przewodzenia ciepła dla otrzymanych prób. Ponadto wybrane próby poddano obserwacjom pod mikroskopem skaningowym SEM, w celu obserwacji ich mikrostruktury. 3. Wyniki badań Wszystkie badania przeprowadzono zgodnie z obowiązującymi normami dotyczącymi badań elementów murowych z autoklawizowanego betonu komórkowego. W pierwszej kolejności otrzymane próby poddano badaniom mającym na celu określenie ich gęstości i wytrzymałości na ściskanie. Według normy PN-EN 771-4:2012 badania te wykonuje się na kostkach sześciennych wycinanych z gotowego bloczka, a wynik podaje się jako średnią wszystkich kostek poddanych badaniu. Sposób wycięcia kostek z bloczka betonu komórkowego pokazano na rysunku 4. Rys. 4. Miejsce wycinania kostek z bloczku betonu komórkowego do badania gęstości i wytrzymałości DNI BETONU 2014 7
Paweł Walczak, Paweł Szymański, Agnieszka Różycka Gęstość betonu komórkowego określa się w stanie suchym, który uzyskuje się poprzez suszenie kostek w temperaturze 105 o C ± 5 o C. Wytrzymałość na ściskanie przeprowadza się w stanie wilgotności 6% ± 2%, który uzyskuje się poprzez suszenie kostek w temperaturze nieprzekraczającej 50 o C. Wyniki badań gęstości i wytrzymałości pokazano w tabeli 3. Tabela 3. Wyniki badań gęstości i wytrzymałości na ściskanie Oznaczana właściwość Oznaczenie prób betonu komórkowego ABK 1 ABK 2 ABK 3 Gęstość, kg/m 3 365 ± 5 360 ± 5 340 ± 5 Wytrzymałość na ściskanie, N/mm 2 1,6 ± 0,1 2,3 ± 0,1 1,6 ±0,1 Uzyskane wyniki w tabeli 3 są wynikami średnimi uzyskanymi na podstawie kilku badań. Ponadto dla betonów komórkowych ABK 1 i ABK 3 zbadano współczynnik przewodzenia ciepła (W/mK), co pokazano w tabeli 4. Tabela 4. Uzyskane wartości współczynnika przewodzenia ciepła Oznaczana właściwość Oznaczenie prób betonu komórkowego ABK 1 ABK 3 Gęstość, kg/m 3 365 ± 5 340 ± 5 Współczynnik przewodzenia ciepła (W/mK) 0,079 0,074 Bloczki o skrajnych gęstościach ABK 1 i ABK 3 poddano obserwacjom przy użyciu mikroskopu skaningowego SEM, co pokazano na fotografii 1. Fot. 1. Zdjęcia SEM betonów komórkowych; po lewej stronie próbka ABK 1; po prawej stronie próbka ABK 3 8 DNI BETONU 2014
Beton komórkowy gęstości 350 kg/m 3... 4. Omówienie wyników badań Przedstawione wyniki badań pokazują, że możliwym jest produkcja betonu komórkowego na bazie krzemionkowych popiołów lotnych, bez użycia cementu o niskich gęstościach. Uzyskane gęstości w przedziale 340 365 kg/m 3 uzyskały wytrzymałość na ściskanie powyżej 1,5 N/mm 2, co oznacza, że mogą być stosowane jako elementy konstrukcyjne. Na podstawie uzyskanych wyników badań współczynnika przewodzenia ciepła można zauważyć, że podobne wartości współczynnika przewodzenia ciepła dla betonów komórkowych na bazie piasku kwarcowego są możliwe do osiągnięcia przy gęstości poniżej 300 kg/m 3. Odnosząc uzyskane wyniki badań do aktualnie panujących przepisów budowlanych, gdzie współczynnik przenikania ciepła dla ścian U nie powinien być większy niż 0,25 [W/m 2 K] widać, że beton komórkowy jest najlepszym rozwiązaniem dla ścian jednowarstwowych. Na rysunku 5 porównano różne materiały murowe do wznoszenia ścian przy założeniu, że wykonujemy ścianę jednowarstwową o współczynniku U = 0,25 [W/m 2 K]. Rys. 5. Porównanie grubości ścian jednowarstwowych (w cm) dla różnych materiałów murowych w celu uzyskania współczynnika U dla ścian równego 0,25 [W/m 2 K] Jak pokazano na rysunku 5 ściana o współczynniku U = 0,25 [W/m 2 K], wykonana z betonu komórkowego na bazie popiołów lotnych o gęstości 350 kg/m 3 będzie miała grubość 28 cm, ale ściana wykonana z ceramiki czerwonej będzie miała grubość 53 cm, czyli prawie dwukrotnie większą. Przeprowadzone obserwacje mikrostruktury otrzymanych betonów przy użyciu mikroskopu skaningowego SEM, pokazują, że głównym składnikiem fazowy jest tobermoryt. Zauważyć można również niewielkie ilości C-S-H i hydrogranatów. Tak dobrze wykrystalizowane składniki mikrostruktury świadczą o odpowiednio skomponowanej recepturze technologicznej betonu komórkowego. DNI BETONU 2014 9
Paweł Walczak, Paweł Szymański, Agnieszka Różycka 5. Wnioski Na podstawie uzyskanych wyników badań można wyciągnąć następujące wnioski: możliwym jest wyprodukowanie betonu komórkowego na bazie popiołów lotnych o gęstości 350 kg/m 3 i wytrzymałości powyżej 1,5 N/mm 2 bez użycia cementu, beton komórkowy na bazie popiołów lotnych cechuje się niższym współczynnikiem przewodzenia ciepła niż betony komórkowe na bazie piasku o tej samej gęstości, głównym składnikiem fazowym betonu komórkowego gęstości 350 kg/m 3 na bazie krzemionkowych popiołów lotnych jest tobermoryt, C-S-H i niewielkie ilości hydrogranatów, zastosowanie betonu komórkowego o niskiej gęstości pozwoli na obniżenie grubości ścian jednowarstwowych, zastosowanie betonu komórkowego gęstości 350 kg/m 3, wyprodukowanego w technologii popiołowej pozwoli na wzniesienie ściany o współczynniku U=0,25[W/m 2 K] przy grubości 28 cm, co sprawia, że jest on idealnym materiałem do zastosowania w budownictwie energooszczędnym, stosowanie betonu komórkowego o niskich gęstościach pozwoli obniżyć koszty transportowe, a tym samym zmniejszyć negatywny wpływ transportu samochodowego na środowisko naturalne. Literatura [1] A. Paprocki, Betony komórkowe, Wydawnictwo Arkady, Warszawa 1966 [2] Bo. G. Hellers, Bo. R. Schmidt, Autoclaved aerated concrete (AAC) the story of low- weight material, V International Conference of Autoclaved Aerated Concrete, s.63, Bydgoszcz 2011 [3] H. Jatymowicz, J. Siejko, G. Zapotoczna-Sytek, Technologia autoklawizowanego betonu komórkowego, Wydawnictwo Arkady, Warszawa 1975 [4] Piętnastolecie Stowarzyszenia Producentów Betonu http://stow-bet.com.pl/new/sources/15leciespb.pdf [5] G. Zapotoczna-Sytek, M. Soboń, 60 years of aerated concrete in Poland. The past and the future, V International Conference of Autoclaved Aerated Concrete, str. 27, Bydgoszcz 2011 [6] G. Zapotoczna-Sytek, Autoklawizowany beton komórkowy w krajach europejskich, Konferencja Dni Betonu, Wisła, 2006 (wersja elektroniczna ze strony www.dnibetonu.pl) [7] A. Łagosz, P. Szymański, P. Walczak, CWB special issue/2011, s. 22 [8] T. Dietz, P. Daschmer, New developments in AAC production process, 4th ICAAC, s. 23, London 2005 [9] H. F. W. Taylor, The Chemistry of Cements, Academic Press, London 1997 [10] A. Manecki, Encyklopedia Minerałów z polskim i angielskim słownikiem nazw. Minerały Ziemi i Materii Kosmicznej. AGH- Uczelniane Wydawnictwa Naukowo - Dydaktyczne, Kraków 2004 [11] H. F. W. Taylor, D. M. Roy, 7 th ICCC Paris, t. I, s. II-2/1, Paris 1980 [12] Wyniki badań firmy H+H Polska Sp. z o.o. 10 DNI BETONU 2014