Recyklované plastové kompozity využiteľné v stavebníctve

Úvod

Stavebníctvo predstavuje tvorcu veľkého množstva odpadu a toto množstvo každoročne narastá. Preto sa v poslednej dobe hľadajú možnosti, ako tvorbu odpadov v stavebníctve znížiť. Medzi možné riešenia tohto environmentálneho problému patrí recyklácia materiálov. V stavebníctve je možné použiť odpad zo stavebného procesu napríklad ako plnivo do ľahkých betónov, mált, omietok a iných využiteľných materiálov.

V súčasnosti je často používaný ľahký betón, teda betón vyľahčený dutinami a pórmi. Takto vytvorený betón sa používa na výrobu stavebných prvkov a konštrukcií, ktoré nepredstavujú nosnú konštrukciu. Vyznačujú sa tepelnoizolačnou schopnosťou a nízkou objemovou hmotnosťou – podľa normy STN EN 206+A2 do 2000 kg/m3 [1]. Nízka objemová hmotnosť sa môže dosiahnuť pridaním penotvornej či plynotvornej prísady, prípadne náhradou kameniva ako plniva iným, vyľahčeným plnivom. Medzi takto používané plnivá patria napríklad rôzne druhy penových plastov – polystyrén, polypropylén, polyuretán, EVA a iné.

Materiály využiteľné v stavebníctve

V experimentálnej časti boli sledované vybrané vlastnosti ľahkých betónov s použitím penových plastov ako plniva. Boli to plasty dodané z recyklačného závodu (PRIMA – FO, s r.o.). Ich vlastnosti sú bližšie špecifikované (Obr. 1).

Boli to nasledujúce recyklované plasty:

etylén-vinyl, acetát (EVA),
polystyrén (PS),
polyvinylchlorid (PVC),
polyuretán (PU),
polypropylén (PP),
káble (K).

Sledovali sa fyzikálne aj mechanické parametre a následne na niektorých vzorkách aj akustické parametre. Experimentálne sa použili dve spojivá:

portlandský troskový cement STN EN 197-1 CEM II/B-S 32,5 R od výrobcu Cemmac a.s. Horné Srnie s výrobcom deklarovanými vlastnosťami: pevnosť v tlaku po 2 dňoch 14,5–19,0 MPa, po 28 dňoch 41,7–47,3 MPa, začiatok tuhnutia 180–250 min, objemová stálosť podľa LeChateliera 0–1,5 mm.
organické lepidlo metyléndifenyl diizokyanát (MDI), z ktorého existujú tri izoméry:

2,2´-MDI
2,4´-MDI
4,4´-MDI [3].

Napr. v roku 2016 bolo celosvetovo vyrobených viac ako 6 miliónov ton týchto izomérov. Najčastejšie používaným izomérom je izomér 4,4´-MDI (viac ako 60 % z produkcie MDI), známy aj pod názvom čistý MDI alebo Conipur 360. 4,4´-MDI slúži na výrobu PU – na výrobu tony PU sa spotrebuje 616 kg 4,4´-MDI [3]. Spomínaný izomér dodaný firmou CONICA bol použitý aj pri výrobe týchto vzoriek.

Z uvedených recyklovaných plastov sa vyrábali nasledujúce 100% zmesi alebo zmesi recyklátov 50/50%:
E – etylén-vinyl, acetát, K – káble, EK – etylén-vinyl, acetát + káble, PS – polystyrén, EPS – etylén-vinyl, acetát + polystyrén, PP – polypropylén, KPP – káble + polypropylén.

Keďže ľahké betóny sa používajú prevažne na výstavbu nenosných konštrukcií (stien), či do podlahových konštrukcií, dôležité sú predovšetkým tepelno-technické a akustické parametre. Z tohto dôvodu bol výskum zameraný na meranie a vyhodnocovanie práve týchto parametrov.

Jednalo sa o objemovú hmotnosť, súčiniteľ tepelnej vodivosti λ a súčiniteľ zvukovej pohltivosti α. V rámci experimentu bolo potrebné navrhnúť optimálne zloženie kompozitov, resp. určiť optimálne množstvo spojiva na výrobu kompozitov a spomínané vlastnosti.

Kompozity

1. Cement (C)

100% EVA + C

100% Káble + C

100% PP + C

Obr. 2 Vzorky

Zložky zmesi sa dávkovali hmotnostne (cement) a objemovo (zámesová voda, prísada a recykláty), ich miešanie prebiehalo ručne. Dávka cementu a vody bola konštantná. Vybrané zámesi sa modifikovali prísadou znižujúcou povrchové napätie vody – SILWET L 77 v dávke 2 % z objemu vody. Po dôkladnom premiešaní vody s cementom sa postupne pridával recyklát v požadovanom percentuálnom pomere. Z homogénnej zmesi sa vyrobili skúšobné vzorky tvaru kocky s hranou 100 mm (obr. 2), ktoré sa ošetrovali 48 hodín vo vlhkom prostredí. Následne sa odformovali a uložili na 28 dní do prostredia so zvýšenou relatívnou vlhkosťou (φ ≥ 95 %) [2].

Obr. 3 Graf priemerných objemových hmotností – spojivo „Cement“

2. Lepidlo (L)

100% EVA + L

100% Káble + L

100% PS + L

Obr. 4 Vzorky

Zložky zmesi sa dávkovali objemovo (plnivo, lepidlo, prísada)a ich miešanie prebiehalo ručne. Dávka lepidla bola konštantná (na 8l plniva/0,6l lepidla). Vybrané zámesi sa modifikovali prísadou znižujúcou povrchové napätie vody – SILWET L 77 v dávke 2 % z objemu lepidla Po dôkladnom premiešaní prísady s recyklátom sa postupne pridávalo lepidlo. Z homogénnej zmesi sa vyrobili skúšobné vzorky tvaru kocky s hranou 100 mm (obr. 4), ktoré sa ošetrovali 48 hodín vo vlhkom prostredí. Následne sa odformovali a uložili do laboratórneho prostredia a pripravili na skúšanie.

Obr. 5 Graf priemerných objemových hmotností – spojivo „CONIPUR“

Merania

Objemová hmotnosť

Obr. 6 Objemová hmotnosť

Pevnosť v tlaku – napätie pri deformácii (2,5; 5; 7,5; 10 %)

Pevnosť v tlaku v prípade použitia penových materiálov je kvôli vysokej pružnosti ťažko merateľná. Z tohto dôvodu bolo na sledovaných vzorkách merané napätie pri stanovenej deformácii, konkrétne pri deformáciách 2,5, 5, 7,5 a 10 %. Meranie bolo vykonané na vzorkách 100×100×100 mm pomocou hydraulického lisu v laboratóriu (obr. 7).

Obr. 7 Pevnosť v tlaku – napätie pri deformácii (10 %)

Tepelno-technické parametre

Na vykonanie meraní tepelno-technických parametrov bol použitý prístroj ISOMET 2114 s plošnou sondou (Obr. 8). Tento prístroj je schopný súčasne merať tepelnú vodivosť, difúziu, objemovú tepelnú kapacitu a teplotu. Merania boli vykonané na vzorkách s rozmermi 100×100×100 mm, vyrobenými v Laboratóriu SvF STU Bratislava.

Obr. 8 Meranie prístrojom ISOMET 2114 s plošnou sondou

Obr. 9 Výsledky meraní prístrojom ISOMET 2114 s plošnou sondou – spojivo cement

Obr. 10 Výsledky meraní prístrojom ISOMET 2114 s plošnou sondou – spojivo lepidlo

Súčiniteľ zvukovej pohltivosti

V rámci výskumu vybraných recyklovaných plastov bol súčiniteľ zvukovej pohltivosti α meraný pomocou Kundtovej impedančnej trubice (Obr. 11) s dvomi mikrofónmi. Princíp merania je definovaný normou ISO 10534-1 [5]. Meranie bolo vykonané v Laboratóriu Akustiky na (SK) a Katedre Fyziky a Astronómie KU Leuven (Belgicko).

Obr. 11 Kundtova impedančná trubica (SK)

Obr. 12 Kundtova impedančná trubica

Obr. 13 Graf meraní (B)

Diskusia

Na základe dosiahnutých výsledkov dosahujú skúšobné vzorky ĽB s danými plnivami priaznivé tepelnotechnické vlastnosti. Najlepšie tepelnotechnické vlastnosti dosahovali podľa predpokladov vzorky so 100% podielom polystyrénu, ktoré mali aj najnižšiu objemovú hmotnosť. Zároveň však mali najmenšie hodnoty odolnosti voči deformáciám. Pridávaním podielu EVA narastala pevnosť, ale súčiniteľ tepelnej vodivosti sa zhoršoval. Vzorky obsahujúce odpad z káblov mali najvyššiu objemovú hmotnosť a tým pádom najnižší súčiniteľ tepelnej vodivosti. Napriek tomu vzorky so 100% podielom káblov nedosahovali predpokladané pevnosti. Tie boli pri kombinácii plnív v pomere 1:1, a to polystyrén a EVA ako aj EVA a káble. Možno konštatovať, že ĽB na báze recyklovaného odpadu má budúcnosť a to práve v kombinácií viacerých odpadov, kedy vhodnou kombináciou sa dosiahnu dobré teplenotechnické i mechanické vlastnosti. Vzorky sa správali veľmi obdobne pri spojive cement aj lepidlo.

Pri niektorých vzorkách s použitím vybraných druhov recyklovaných penových plastov ako plniva so spojivom lepidlo sa overovala zvuková pohltivosť ľahkých betónov. V prípade použitia recyklovaných plastov do akustických konštrukcií bolo zistené zaujímavé správanie materiálov pri sledovaní zvukovej pohltivosti s použitím vzduchovej medzery. Z hľadiska zvukovej pohltivosti je dôležité dodať, že sledované materiály vykazovali výrazné zlepšenie zvukovej pohltivosti po zrezaní spodnej časti vzoriek. Tento efekt spôsobila vysoká koncentrácia spojiva na danom mieste.

Literatúra

STN EN 206+A2 – Betón. Špecifikácia, vlastnosti, výroba a zhoda.
Gregorova V 2015 Proc. Int. Conf. on for PH.D Students and Yong Researchers (Vilnius) pp 2484–2489.
Biskupičová, A.: Ľahké betóny na báze recyklovaných plastov. Dizertačná práca, Bratislava, 2022.
BISKUPIČOVÁ, A. – UNČÍK, S. – LEDEREROVÁ, M. Monitoring the impact of the inder on the lightweight concrete properties. Czech Journal of Civil Engineering, 4. s. 14–19.
ISO 10534-1:1996 Determination of sound absorption coefficient and impedance in impedance tubes – Part 1: Method using standing wave ratio.
ISO 10534-2:1998 Acoustics – Determination of sound absorption coefficient and impedance in impedance tubes – Part 2: Transfer-function method.