Wpływ modyfikacji wyrobów wapienno-piaskowych na ich wytrzymałość na ściskanie i nasiąkliwość

Ryszard Dachowski⁽¹⁾, Paulina Kostrzewa⁽²⁾

⁽¹⁾ Politechnika Świętokrzyska, al. Tysiąclecia Państwa Polskiego 7; 25-314 Kielce
⁽²⁾ Politechnika Świętokrzyska, al. Tysiąclecia Państwa Polskiego 7; 25-314 Kielce

STRESZCZENIE

Autoklawizowane wyroby wapienno-piaskowe to przyjazne dla środowiska materiały budowlane w postaci cegieł i bloków. Cegła silikatowa zyskuje coraz większe znaczenie jako materiał konstrukcyjny. Jest chętnie używana do wznoszenia ścian nośnych, działowych, osłonowych, a także ścian fundamentowych oraz piwnicznych. Bloczki wapienno-piaskowe w przeciwieństwie do betonowych są bardzo równe i precyzyjnie wykonane. Pozwalają zachować dokładność wymiarowania i zmniejszają ryzyko niewłaściwego wypoziomowania poszczególnych warstw. W związku z dużym zainteresowaniem produktami silikatowymi, pojawiły się liczne badania i modyfikacje, mające na celu udoskonalenie tego materiału. Celem pracy jest modyfikacja tradycyjnych wyrobów wapienno-piaskowych dodatkiem polietylenogliklu (PEG), poprawiająca parametry fizyczne i mechaniczne materiału. Doboru dodatku dokonano na podstawie interesujących właściwości, między innymi: substrat wnika w strukturę drewna wypierając wodę, jest odporny na działanie roztworów kwasów, zasad i soli, nietoksyczny i bezbarwny. Polietylenoglikol jest stosowany w przemyśle farmaceutycznym, kosmetycznym, jak również tekstylnym, skórzanym i drzewnym. Przeprowadzono serię badań modyfikowanych wyrobów silikatowych i na ich podstawie sporządzono analizę różnic w gęstości objętościowej, nasiąkliwości i wytrzymałości na ściskanie próbek z wspomnianym dodatkiem, w porównaniu z próbkami bez dodatków. Powstały produkt charakteryzuje poprawa podstawowych cech użytkowych w stosunku do tradycyjnych wyrobów silikatowych. Wyniki wstępnych badań jednoznacznie wskazują pozytywny wpływ substratu na takie cechy jak wytrzymałość na ściskanie oraz wilgotność.

1. WSTĘP

Silikaty są zdrowym i ekologicznym materiałem budowlanym - produkuje się je wyłącznie z naturalnych składników (piasku 90%, wapna 7% i wody 3%). W procesie wytwarzania cegły silikatowej odwzorowuje się naturalne procesy powstawania skał osadowych rodzaju piaskowców - cementacja ziaren krzemianów (piasku z udziałem spoiwa zawierającego wapń). Powstały w ten sposób budulec towarzyszy ludzkości od zawsze, jednak sposób jego sztucznego wytwarzania poznano i opanowano dopiero w II połowie XIX w. Technologię wytwarzania silikatów opracował: G.E. Van Derburgh oraz Wilhelm Michaëlis. Pierwsze cegły silikatowe wyprodukowano na skalę przemysłową w 1894 r. w Neumünster. Od tamtego czasu nastąpił intensywny rozwój silikatów.

Produkcja wyrobów wapienno – piaskowych składa się z pięciu faz. Początkowo w mieszalnikach miksuje się wapno i piasek (w zależności od oczekiwanych parametrów materiału można dobierać różne proporcje składników). Hydratacja mieszaniny piasku i wapna trwa od 2 do 4 godzin w stalowych silosach. Podczas tego procesu temperatura mieszanki wzrasta do około 60°C - krzemionka traci strukturę krystaliczną, co ułatwia formowanie wyrobu w dalszym etapie. Gotową masę wapienno – piaskową poddaje sie prasowaniu a następnie umieszcza w autoklawach na 6 do 12 godzin, gdzie poddawane są hartowaniu w temperaturze około 200°C w warunkach hydrotermalnych (ciśnienie pary nasyconej wynosi do 1,2 do 1,6 MPa). Reakcje chemiczne, które zachodzą między składnikami, nadają silikatom wysoką wytrzymałość na ściskanie, trwałość oraz zapewniają odporność na czynniki atmosferyczne [1].

Wyroby wapienno-piaskowe posiadają wiele zalet, przez co są chętnie stosowanym materiałem budowlanym. Swoją popularność zawdzięczają przede wszystkim dostępności surowców potrzebnych do wytworzenia, prostocie produkcji, łatwości i precyzji budowania oraz korzyściom zdrowotnym wynikającym z eksploatacji. Wytrzymałość bloczków silikatowych jest porównywalna z wytrzymałością kamienia naturalnego (15-30 MPa). Cecha ta umożliwia wznoszenie nawet kilkunastopiętrowych kondygnacji bez konstrukcji szkieletowej.  Ponadto gotowe wyroby zachowują dokładność wymiarową oraz pozwalają na uzyskanie większej powierzchni użytkowej pomieszczeń (minimalizacja grubości ścian). Wysoka masa cegły silikatowej gwarantuje jej dobrą izolacyjnością termiczną i  akustyczną. Ściany wykonane z bloczków wapienno – piaskowych mogą pozostawać nieotynkowane, jednakże naturalna mineralna struktura materiału posiada korzystne właściwości adhezyjne i dobrze łączy się z klejami i tynkami. Silikaty charakteryzuje wysoka ognioodporność, klasa reakcji na ogień – A1, są praktycznie niepalne [2].

Silikaty są popularnym materiałem budowlanym wśród projektantów i inwestorów. Wysokie zainteresowanie produktami wapienno – piaskowymi powoduje ich nieustanne unowocześnianie i modyfikowanie, mające na celu uzyskanie jeszcze lepszych parametrów fizykomechanicznych tego budulca.

2. OPIS MODYFIKATORA

Glikol polietylenowy (PEG), nazywany także tlenkiem polietylenu (PEO) i polioksyetylenem (POE), to polieter o wzorze ogólnym H- (OCH 2 CH 2 ) n-OH, gdzie "n" jest liczbą powtarzających się grup oksyetylenowych. Polietylenoglikol może mieć konsystencję od płynu do ciała stałego, w zależności od masy cząsteczkowej [3]. Wykazuje dużą odporność na działanie roztworów kwasów, soli i zasad. Rozpuszcza się w wodzie oraz cieczach organicznych – im mniejsza masa cząsteczkowa tym lepsza rozpuszczalność [4].

Rys.1. PEG o różnych masach cząsteczkowych [5]

Polietylenoglikole mają wiele zastosowań. Ze względu na nietoksyczność są wykorzystywane w przemyśle kosmetycznym, farmaceutycznym, tekstylnym, skórzanym oraz w biomedycynie. PEG stosuje się w drukarkach jako rozpuszczalnik atramentu i smar do głowic. Przyciąga on oraz zatrzymuje wilgoć z atmosfery. Jest stosowany do drukowania, cięcia, walcowania i polerowania metali. Poliglikol etylenu jest również stosowany w wulkanizacji, zapobiega przyklejaniu się opony i ułatwia jej wyjmowanie z formy. PEG jest ponadto podstawą wielu kremów i leków [5].

Ze względu na interesujące właściwości polieteru, skład masy surowcowej tradycyjnych wyrobów wapienno-piaskowych zdecydowano się zmodyfikować dodatkiem PEG400. Po analizie właściwości dodatku oczekuje się, że uszczelni on strukturę materiału, a przez to przyczyni się do poprawy wytrzymałości na ściskanie i nasiąkliwości modyfikowanych silikatów w porównaniu z tradycyjnymi.

PEG400 jest przezroczystym, bezbarwnym, lepkim płynem. Jest rozpuszczalny w wodzie, acetonie, alkoholu, benzenie, glicerynie, glikolu. Nie miesza się z tłuszczami i olejami mineralnymi. Stosuje się go jako smar do gumy. Powszechnie jest wykorzystywany do konserwacji i ochrony zabytków drewnianych  wydobytych z mokrych stanowisk archeologicznych, jak to miało miejsce z okrętem Vasa w Sztokholmie, Mary Rose w Anglii oraz łodzią Ma'agan Michael w Izraelu. Polietylenoglikol powoli wnika w strukturę drewna wypierając z niego wodę, dzięki czemu elementy pozostają wymiarowo stabilne i nie ulegają wypaczeniu, pękaniu oraz skurczowi. Drewno w pierwszym etapie konserwacji nasyca się metodą kąpieli w 10 - 45% roztworach PEG 400. Poliglikol etylenu o masie cząsteczkowej 400 Da jest używany do produkcji liquid-ów do e-papierosów [5]. Znany jest ponadto patent na masę szpachlową, którego składnikiem jest opisywany polieter.

3. METODYKA BADAŃ

W Zakładzie Produkcji Silikatów w Ludyni przygotowane zostały próbki prostopadłościenne (o wymiarach 40x40x160 mm), zawierające dodatek jak również tradycyjne. Serie wykonanych próbek zawierały dodatek polietylenu glikolu w ilości kolejno: 1%, 2%, 3%, 4% i 5%. Piasek mieszano z wapnem palonym oraz wodą w odpowiednich proporcjach i umieszczano w reaktorach, gdzie następował proces gaszenia wapna w masie. Następnie dodawano substrat w stosunku procentowym do masy surowcowej. Na mieszankę surowcową składają się: wapno palone (około 7% masy wyrobu), piasek kwarcowy (około 90%) oraz woda (około 3%).  Zastosowany został poliglikol etylenu (PEG 400) o masie cząsteczkowej 400 Da.

Po wymieszaniu wszystkich składników i dowilżeniu masy silikatowej, umieszczono ją w formach trójdzielnych i prasowano pod ciśnieniem 20 MPa. Następnie próbki umieszczono w autoklawach na 8 godzin w temperaturze 203°C i pod ciśnieniem 1,6 MPa. W ten sposób przygotowane próbki po rozformowaniu składowano 21 dni w odpowiednich warunkach temperatury i wilgotności powietrza

4. PRZEPROWADZONE BADANIA I ICH WYNIKI

Badania cech fizycznych otrzymanych wyrobów zostały przeprowadzone zgodnie z zakresem i metodyką podanymi w normie PN-EN 771-2+A1:2015-10E [6] oraz normach przywołanych. Badania w szczególności dotyczyły: wytrzymałości na ściskanie: PN-EN 772-1+A1:2015-10E [7], wilgotności: PN-EN 722-10:2010P [8] oraz podciągania kapilarnego: PN-EN 772-11:2011 [9].

4.1. Wytrzymałość na ściskanie

Wytrzymałość na ściskanie określana jest miarą największego naprężenia, jakie wytrzymuje próbka materiału, aż do momentu jej zniszczenia [10]. Silikaty są uważane za jedne z najwytrzymalszych materiałów budowlanych wykorzystywanych do wznoszenia ścian murowanych. Zapewniają maksymalne bezpieczeństwo użytkownikom budynków. Najczęściej produkuje się w klasach wytrzymałości 15MPa, 20MPa, 25MPa. Są powszechnie stosowane w budownictwie jednorodzinnym, można ponadto wznosić z ich życiem budynki o kilkunastu kondygnacjach, bez potrzeby użycia żelbetowych elementów wzmacniających [11]. Badanie wytrzymałości na ściskanie zostało wykonane na prasie wytrzymałościowej w Politechnice Świętokrzyskiej.

Wytrzymałości na ściskanie modyfikowanych wyrobów wapienno-piaskowych są zależne od ilości użytego dodatku. PEG zastosowany w ilości nie przekraczającej 3% poprawia wytrzymałość na ściskanie. Powyżej 3% obserwuje się spadek omawianej cechy. Im więcej użytego substratu tym wytrzymałość niższa (rys. 2).

Rys.2. Wyniki badań wytrzymałości na ściskanie

4.2. Porowatość

Porowatość określa jaką część objętości materiału stanowi objętość porów. Jest istotną cechą, od której zależą między innymi takie cechy jak: wytrzymałość, mrozoodporność, izolacyjność termiczna i akustyczna [10]. Badanie polegało na wyznaczeniu gęstości i gęstości objętościowej oraz obliczeniu ich wzajemnego stosunku. Gęstość właściwą określono przy użyciu piknometru helowego natomiast w związku z nierównościami beleczek badanie gęstości objętościowej było przeprowadzone metodą hydrostatyczną. Porowatość określona została dla próbki P1 o zawartości PEG400 wysokości 1%, ze względu na najkorzystniejsze parametry fizyko-mechaniczne.

Z przeprowadzonych badań wynika, że modyfikowane wyroby nie wykazują zasadniczych różnic w gęstości właściwej i gęstości pozornej. Udział porów zarówno w próbce modyfikowanej jak i standardowej wynosi około 33,5 %, a szczelność 0,665 %. Powyższe badania pozwalają wyznaczyć całkowity objętościowy udział porów. Nie dostarczają jednak żadnych informacji na temat ich kształtu i wielkości.

4.3. Porozymetria rtęciowa

W tej metodzie wykorzystywana jest rtęć, którą wtłacza się pod ciśnieniem do wnętrza porów. Znając ilość użytej do pomiaru rtęci można ocenić objętość porów [12]. Ponadto wraz ze wzrostem ciśnienia, penetracji ulegają coraz mniejsze pory, dzięki czemu możliwe jest określenie ich rozmiaru [13]. Klasyfikacja porów według IUPAC ze względu na ich rozmiar: mikropory dp<2nm; mezopory 2nm ≤ dp ≥ 50 nm; makropory dp > 50 nm. Minimalna średnica mierzona podczas pomiaru zależna jest od uzyskanego maksymalnego ciśnienia podczas wtłaczania rtęci. Badania przeprowadzono przy użyciu porozymetru rtęciowego model Poremaster 60, firmy Quantachrome.

Modyfikowane wyroby wapienno piaskowe charakteryzuje mniejsza zawartość mezoporów niż w wyrobie tradycyjnym, stanowiąca około 15%. Ilość makroporów wynosi około 85%. Niewielki udział porów o małych średnicach jest korzystny, ponieważ wysokość podciągania kapilarnego jest odwrotnie proporcjonalna do średnicy kapilary. Materiał wchłonie mniej wody w porównaniu z próbką normową. Na tej podstawie można zakładać, iż próbki modyfikowane osiągną lepsze wyniki podciągania kapilarnego i nasiąkliwości niż próbka tradycyjna.

Rys.3. Udziału poszczególnych wielkości porów

4.4. Mikrostruktura

Mikrostruktura określa budowę materiału widoczną pod mikroskopem. W zależności od zastosowanego rodzaju mikroskopii można prowadzić obserwacje materiału na różnym poziomie. Na postać mikrostruktury wpływa wiele czynników, a najważniejsze z nich to: odrębność składników tworzących materiał, zatrzymanie przemian fazowych oraz powstanie słabych wiązań (faz) chemicznych pomiędzy składnikami.

Badania mikrostruktury tradycyjnych oraz modyfikowanych poliglikolem etylenu tworzyw wapienno-piaskowych, dokonano przy użyciu mikroskopu Quanta 250 FEG, dostępnego na terenie Politechniki Świętokrzyskiej.

Obserwacje mikroskopem skaningowym pozwoliły wskazać różnice dotyczące rozkładu, kształtu i wielkości porów badanych materiałów. W silikacie z dodatkiem poliglikolu etylenu występują pory równomiernie rozłożone o okrągłym kształcie. Widoczne są pory o wielkości od 100 μm do 400 μm. Próbka tradycyjna ma mniejsze pory, o kształcie podłużnym i nieregularnym, których wielkość wynosi od 50 μm do 350 μm Zastosowanie mikroskopii o większej rozdzielczości pozwoliłoby zapewne na zarejestrowanie porów o zdecydowanie mniejszej średnicy. Ponadto wadą tej metody jest mała reprezentatywność próbki poddawanej analizie.

Rys.4. Obraz mikrostruktury modyfikowanego wyrobu wapienno-piaskowego

4.5. Podciąganie kapilarne

Podciąganie kapilarne to zjawisko transportowania wody w górę elementu. Wysokość kapilarnego podciągania wody jest tym wyższa, im średnica porów węższa [12]. Skutki adsorpcji wody widoczne są w postaci zawilgoceń w dolnych partiach muru. Podciąganie kapilarne zależy od porowatości, charakteru porów oraz ich wielkości. Aby określić tę cechę materiału, odpowiednio przygotowane próbki umieszczono w wodzie na głębokość 5mm powierzchnią licową. Próbki były ważone i mierzone po 10 min, 30 min i 90 min zgodnie z zaleceniami normy PN-EN 772-11 :2011 [9]. Aby spełnić wymagania normy i osiągnąć warunki jak najbardziej zbliżone do naturalnych, opracowano specjalne stanowisko pomiarowe. Dzięki odpowiedniemu ustawieniu, próbki chłonęły wodę całą powierzchnia podstawy. Badano poziom zawilgocenia, przyrost masy beleczki oraz czas w jakim on następował.

Wyniki podciągania kapilarnego wykazują znacznie niższe podciąganie wody w próbkach z polietylenoglikolem, niż w przypadku próbek normowych. Próbki modyfikowane podciągnęły około 60% mniej wody niż tradycyjny wyrób. Jest to bardzo dobry wynik. Wilgoć i woda gruntowa wnikając w mur przyczyniają się do rozwoju plam pleśni i grzybów, powodują jego niszczenie a nawet mogą prowadzić do całkowitej destrukcji. Powstały materiał osiąga satysfakcjonujące efekty i z powodzeniem może być stosowany do budowy ścian działowych i piwnicznych.

Rys.5. Badanie podciągania kapilarnego

4.6. Nasiąkliwość

Nasiąkliwość to masa wody jaką może wchłonąć próbka zanurzona całkowicie w wodzie pod ciśnieniem atmosferycznym. Zazwyczaj nasiąkliwość materiałów budowlanych jest mniejsza od porowatości. Jest to spowodowane tym, że woda nie jest w stanie dostać się do wnętrza porów zamkniętych, natomiast w przypadku dużych - nawilża tylko ścianki [3]. Próbki zanurzano w wodzie stopniowo, dolewając jej coraz więcej w kolejnych odstępach czasu, tak aby umożliwić wodzie swobodne wniknięcie w głąb materiału.

Nasycenie materiałów budowlanych wodą zależy w głównej mierze od rodzaju materiału oraz typu porów. Badanie nasiąkliwości wykazało, że poliglikol etylenu ma pozytywny wpływ na tę cechę w modyfikowanych wyrobach. Odnotowano spadek nasycenia wodą o połowę, przy zawartości polietylenoglikolu w wysokości 4% w stosunku do masy surowcowej. Przewidywany jest dalszy spadek wilgotności dla wzrostu ilości  dodatku.

5. WNIOSKI

1.    Modyfikacja składu tradycyjnych wyrobów wapienno-piaskowych dodatkiem polietylenoglikou, korzystnie wpłynęła na właściwości otrzymanego produktu, co uzależnione jest od ilości zastosowanego substratu.

2.    Obserwuje się podwyższoną wytrzymałość na ściskanie nowych wyrobów w porównaniu z tradycyjnymi (zjawisko zachodzi w przypadku zawartości do około 3% dodatku, po przekroczeniu tej ilości następuje pogorszenie parametrów).

3.    Zmiana składu wyrobów silikatowych korzystnie wpłynęła na poprawę takich cech fizycznych jak podciąganie kapilarne i nasiąkliwość.

4.    Badania przeprowadzone za pomocą porozymetru rtęciowego wykazały, że modyfikowane wyroby silikatowe charakteryzuje zmniejszenie ilości mezoporów i wzrost ilości makroporów w stosunku do wyrobów tradycyjnych.

5.    Pomimo braku znaczących różnic w gęstościach i porowatości wyrobu normowego oraz z dodatkiem, zaobserwowano znaczne ograniczenie podciągania kapilarnego i nasiąkliwości wody. Jest to związane ze zmianą struktury porów.

6.    Poliglikol etylenu jest produktem ekologicznym, przez co przyjazny środowisku charakter wyrobu silikatowego nie uległ zmianie.

LITERATURA

[1]    Lewowicki S., Zarys technologii materiałów budowlanych”, Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej, 2000 Częstochowa
[2]    Sawicki J., Silikaty w budownictwie, 2009, IZOLACJE
[3]    Dziewońska M., Związki wielkocząsteczkowe – polimery, Wydawnictwo Akademii Ekonomicznej w Krakowie, 1995 Kraków
[4]    Ciabach J., Właściwości i zastosowanie poliglikoli etylenowych, Ochrona Zabytków 36/3-4 (142-143), 1983, s. 223-226
[5]    Blog Tecnologia de los Plasticos <dostęp 5.06.2016r. on-line: http://tecnologiadelosplasticos.blogspot.com/2013/06/peg.html
[6]    PN-EN 771-2+A1:2015-10E, Wymagania dotyczące elementów murowych - Część 2: Elementy murowe silikatowe;
[7]    PN-EN 772-1+A1:2015-10E, Metody badań elementów murowych - Część 1: Określenie wytrzymałości na ściskanie;
[8]    PN-EN 722-10:2010P, Metody badań elementów murowych - Część 10: Określenie wilgotności elementów silikatowych i elementów a autoklawizowanego betonu komórkowego;
[9]    PN-EN 772-11:2011, Metody badań elementów murowych - Część 11: Określenie absorpcji wody elementów murowych z betonu kruszywowego, autoklawizowanego betonu komórkowego, kamienia sztucznego i kamienia naturalnego spowodowanej podciąganiem kapilarnym oraz początkowej absorpcji wody elementów murowych
[10]    Stefańczyk B. i inni, Budownictwo Ogólne, Tom 1 - Materiały i wyroby budowlane, Arkady, 2005 Warszawa
[11]    Sieniawska- Kuras A., Tradycyjne i nowoczesne materiały budowlane, Wydawnictwo „KaBe”, 2011 Krosno
[12]     Małolepszy J., Materiały budowlane. Podstawy technologii i metody badań, 2008
[13]    Lichołai L., Szalacha A., Materiały budowlane i ich badania laboratoryjne, Wydawnictwo Politechniki Rzeszowskiej, 2005 Rzeszów