Homlokzati szigetelőanyagok alternatív alapanyagaianak kutatása

A mai modern építőipari és környezetvédelmi elképzelések és felelősségvállalás mentén a könnyűbeton alkalmazásának egyre nagyobb a jelentősége. A könnyűbetonokat többféle paraméter mentén lehet osztályozni. Azonban a kutatás kapcsán külön figyelmet szenteltünk a pórusbetonnak.

Pórusbeton (sejtbeton):

A mész, cement, illetve cement és mész kötőanyaggal készített habarcsban a pórusképzésre gázfejlesztő anyagot vagy habot alkalmaznak, és nyomás alatti gőzérleléssel (pórusbeton, sejtbeton) vagy természetes úton (habbeton) szilárdítják.

Jelentősége: az épített környezetünkben egyre magasabb épületeket, nagyobb fesztávú hidakat építünk, ahol a súly csökkentése alapvető jelentőségű. Előnyös a felújítások esetén is, mivel az ilyenfajta megerősítés kisebb többletterhet jelent a szerkezetre nézve. Ezen túlmenően előregyártott szerkezetek esetén a szerelési technológiát is képes egyszerűsíteni.

A szerkezeti könnyűbetonoknál egyre gyakrabban alkalmaznak természetes könnyű adalékanyagokat, mint pl. a vulkáni tufa, a habkő és a lávasalak. A vulkáni tufák vulkáni kitörések visszahulló láva- és hamutömegeiből keletkeztek. A tufák anyaga azonos a felszínre kiömlő kőzetek anyagával, szerkezetük azonban porózusabb, mint az alapkőzeté. A pórusok a gyors lehűlés következtében megszilárduló anyagban zárt gázbuborékok formájában jelentkeznek. Ebből eredően kiemelkedő szilárdságot, súlyt, vízzáró képességet és hőszigetelő képességet lehet nyerni az adalékanyagok használatával. Ezért a kutatás során abból indultunk ki, hogy az általunk fejlesztendő építőipari hőszigetelő anyagnak mindenképpen az adalékos könnyűbeton kell, hogy legyen az alapja.

Adalékanyagos könnyűbeton:

Itt elsősorban az adalékanyag szemcsék pórustartalma határozza meg a jellemzőket, mert itt a könnyű adalékanyag teszi a betont könnyűvé. Készíthető kvarchomokot vagy könnyű pórusos homokot és cementet tartalmazó habarcsvázzal, adalékszerrel (pl. légpórusképző), vagy kovaliszttel, azaz mikroszilikával (szilárdságnövelő célzattal), stb.

Ezen gondolatmeneten továbbmenve sorra vettük a lehetséges hőszigetelő könnyűbetonok adalékanyagait:

• pernyekavics, erőművi pernyéből agyag, illetve bányameddő hozzákeverésével kiégetés révén keletkező szilárd szemek halmaza,
• kohóhabsalak: a kohósalak habosítása útján állítják elő oly módon, hogy a legalább 1150 °C hőmérsékletű kohósalak- olvadékot kis mennyiségű vízbe öntve a fejlődő gőzök és gázok az anyagot felduzzasztják, azaz habosítják. Az anyag habosítás közben hűl le, megmerevedik, majd megszilárdul. Ebből a megszilárdult anyagból aprítással állítják elő a kohóhabsalaknak nevezett könnyűbeton adalékanyagot. A habsalak 98 °C hőmérsékleten kiszárított állapotban vízben oldható kénvegyületet, melynek sűrüsége 2700 – 3000 kg/m3 között változhat,
• kazánsalak a kazánokban elégetett szén visszamaradt hamuja, illetőleg salakja. melynek alapvető tulajdonságai az elégett szén minőségétől függően különböző lehet.

Anyagösszetételi kutatásunkat a habosított beton vizsgálatával folytattuk, melyről megállapítást nyert, hogy az autoklávban habosított beton igen sokoldalú könnyűszerkezeti anyag, amelyet beton blokként lehet hasznosítani.

Összehasonlítva a normál betonnal az autoklávban habosított beton kis sűrűséggel és jó hőszigetelő tulajdonságokkal rendelkezik. Az alacsony sűrűség pórusok képzése által érhető el, így hozva létre a sejtszerű szerkezetet. A hagyományos betonok jellemzően cement és víz keverékei kiegészítve salakkal vagy pernyével, ill. finom és durva adalékanyagokkal. Ez a fajta adalékanyagos hagyományos beton fajta két nap után éri el végső szilárdságának 50 %-át, a teljes értékét pedig egy hónap alatt. Ezzel szemben az autoklávban habosított beton, amelynél a hidratációs termékeket létrehozó reakció teljesen végbemegy az autoklávban, azt lehűtve azonnal felhasználható beton blokkot nyerünk. Az autoklávban habosított beton nem tartalmaz adalékanyagokat, a teljes keverék reaktívnak tekinthető, még az őrölt homok is puccolánként viselkedik a nagy nyomásnak és hőmérsékletnek köszönhetően.

Megállapítottuk, hogy az autoklávban habosított beton blokkok kiváló hőszigetelők és egyaránt alkalmasak belső és külső szigetelésekhez, alapokhoz. Ezen túlmenően az akusztikus vizsgálatra vonatkozó eredmények azt mutatják, hogy az autoklávban habosított beton jó akusztikus szigetelő tulajdonsággal rendelkezik. Tűz- és fagyállónak minősíthető, ami számos további fejlesztési és építőipari alkalmazási lehetőséget hordoz magában.

Kutatásaink alapján az autoklávban habosított beton számos környezetvédelmi előnnyel is rendelkezik (rendelkezhet), amelyeket a Borsod Bos 2004. kft pályázatára tekintettel „Innovatív, környezetbarát szigetelőanyag piacorientált kutatás-fejlesztése polisztirol másodnyersanyag hasznosításával” külön kiemelünk:

• Szigetelő tulajdonság: fűtési költségek csökkenése, fosszilis energiahordozókkal történő takarékosabb gazdálkodás,
• Anyagok: az autoklávban habosított beton egyik legfontosabb komponense a mész, ami kisebb energia árán állítható elő, mint a portlandcement, amelyet jóval magasabb hőmérsékleten kell kiégetni. A homok csak őrlést igényel használat előtt, hőkezelést nem, a különböző pernyék pedig az elektromos áram előállításának melléktermékei.
• Környezetvédelmi aspektusát tekintve azonban hozzá kell tenni, hogy habár alacsonyabb hőmérséklet kell a mész előállításához, mint a portlandcementéhez, azonban több CO2 keletkezik (cement esetén 800-900 kg CO2/t, míg mész égetése esetén 1000 kg CO2/t).
• Karbonizáció: kevésbé nyilvánvaló, hogy az autoklávban habosított beton sejtszerű szerkezetének köszönhetően igen nagy fajlagos felülettel rendelkezik, ezért idővel a gyártás során kibocsátott CO2 elnyelődik a mészkő karbonizációs reakciója által.

Vizsgálatunk tárgyát képezte a lehetséges habarcsok elemzése is. A habarcsok kötőanyag és finomszemcséjű adalékanyag felhasználásával készült, hézagkitöltő, ragasztás, felületképzés, hőszigetelés, hangszabályozás, stb. céljait szolgáló keverékek, melyek friss állapotban önthetők, vagy kenhetők, majd később megszilárdulnak.

A habarocsokat az alábbiak szerint osztályoztuk:

• A rendeltetésszerű felhasználást tekintve megkülönböztetünk: falazó-, vakoló-, burkoló-, felületképző-, vízzáró-, injektáló-, tűzálló-, hőszigetelő-, hangszabályozó-, saválló és műgyanta habarcsokat.
• Kötőanyaguk szerint lehetnek: mész-, cement-, gipsz-, műgyanta-, stb. habarcsok.
• Adalékanyaguk szerint lehetnek: kőliszt-, perlit-, barit-, stb. habarcsok.

A habarcsok adalékanyaga általában 0 - 4 mm szemnagyságú homok, granulált salak vagy természetes kőzetekből, ill. kohósalakból, kazánsalakból, téglából tört zúzott homok. Az adalékanyag megengedett legnagyobb névleges szemnagysága a felhasználási terület alapján változhat.  Fontos, hogy az adalékanyag szemmegoszlása olyan legyen, hogy a legkisebb kötőanyag tartalommal lehessen a legtömörebb (telített) habarcsot előállítani.

• A falazóhabarcsok feladata a teherelosztás, a hézagkitöltés és az építőelemek összeragasztása. A falazóhabarcsok főfunkciója a teherviselés, és ezeket nyomószilárdságuk alapján különböztetjük meg. A falazóhabarcs feladata a falazó elemek közötti együttműködés biztosítása is.
• Felületképző habarcsok használatának célja a falazatok végleges felületének, főként a homlokzatoknak a kialakítása. A felületképző habarcsoktól elsősorban a jó tapadást és a jó esztétikai megjelenést kívánják meg.
• A fenti általános tulajdonságokkal szemben valamely tulajdonságában kiemelkedő minőségű habarcsok a különleges rendeltetésű habarcsok, melyek tulajdonságaikban kiszolgálják (kiszolgálhatják) azt az igényt, amely mentén a kutatás további irányvonalát meg lehet határozni.

Ennek megfelelően kutatásunk további részében a hőszigetelő habarcsokra koncentrálunk azért, hogy egy valóban Innovatív, környezetbarát szigetelőanyagot tudjunk fejleszteni.

A hőszigetelőhabarcs készíthető bármely fajta adalékanyaggal (kohóhabsalak, kazánsalak, tufa, téglazúzalék) 2,0 mm maximális szemnagysággal, a könnyűbeton-készítés szabályai szerint. Elvárásaink: tapadószilárdság és testsűrűség. Kötőanyaga lehet cement, gipsz, vízüveg, bitumen, műgyanta.

Ennek érdekében szekunder kutatás keretében bejegyzett szabadalmakat vizsgáltunk meg, és elemeztük azoknak hazai kivitelezhetőségét.

A teljesség igénye nélkül a tárgyban vagy ahhoz közvetetten kapcsolható legjelentősebb bejegyzett oltalmak, melynek eredményei a kutatás további fejezetében inputot szolgáltatnak:

• Pórusbeton szabadalom P 09 00641, Pórusbeton anyagú eszközök folyadék szivárogtatására, párologtatására és tárolására, ezek sokrétű felhasználása.
• Energia és súlytakarékos építőelem, továbbá annak gyártási és alkalmazási eljárása (P 10 00094), A találmány tárgya továbbá a gyártási és alkalmazási eljárás az építőelem előállítására.
• Pórusbeton előállítási eljárás és ebből nyerhető szerkezeti anyagok (EP2563740 A1),
• Módszer erősített könnyűbeton gyártására US2948947 A, a találmány kifejezetten nagy szilárdságú könnyűbeton előállítását célozza, amelyet forró gőzzel való kezeléssel érnek el. A könnyűbetont gázfejlesztő adalékkal állítják elő, ami általában alumínium por, amelynek hatására a beton megkapja jellegzetes porozitását. A gázfejlesztő adalékot a beton keverésének csak késői szakaszában adják hozzá, így alig kezdődik el a gázfejlődés, amikor formába öntik. A gázfejlődés legnagyobb része a formában történik, így a massza kitágul és eléri a forma felső részét. 
• Anyagok összetétele sejtszerkezetű betonokban történő alkalmazáshoz és ennek módszere (US 6488762 B1), a szabadalomban egy világos színű sejt szerkezetű beton terméket készítettek Portland cement őrölt üvegporral történő helyettesítéssel. Az őrölt üvegpor növeli sejtes könnyűbeton keverék stabilitását a habosítási folyamat során. A termék alkalmazható szerkezeti elemként, szigetelő anyagként és könnyű aggregátumként. Előállítása történhet hőkezeléssel és a nélkül.
• Módszer könnyűbeton előállítására (US 2941253 A) a könnyűbeton építőipari testeket zabkása állagú hidraulikus kötőanyag keverékek tűzálló formákba töltésével készítik. Ezt követően kötni hagyják a masszát annyi ideig, ameddig megfelelő mértékben porózus nem lesz. Amikor a massza már annyira megszilárdult, hogy magát önállóan képes megtartani, de még kellően képlékeny vágáshoz, megfelelő méretű darabokra vágható.
• Könnyűbeton összetételek (EP 2001817), a szabadalomban meghatározott betonok összetétele alapján kapott 28 napos beton 9,7 MPa egytengelyű nyomószilárdsággal rendelkezett.
• Könnyűsúlyú épület tartószerkezet, amely cementtel kötött, habosított polisztirol aggregátumokat tartalmazó vakolat felhasználásával készül (magyar szabadalom)
• Polisztirol habbeton falszerkezet technológiája (magyar szabadalom)
• Eljárás expandált polisztirol (EPS) hulladékból készült-épületek hőszigetelésére alkalmas-lapok gyártására és ebből kifejlesztett rendszer, valamint csomagoló termékcsalád kifejlesztése (magyar szabadalom). Expandált polisztirolt tartalmazó könnyűbeton előállításakor a polisztirolt először egy felületaktív anyag vizes oldatával vonják be. A nedves gyöngyöket száraz cementtel vonják be, majd további cementet, vizet és homokot adnak a rendszerhez.

Irodalomkutatásunkat értékelve külön kiemeljük az alábbi, az USA-ban bejegyzett oltalmat, amely a Borsod Bos 2004 Kft. fejlesztésének jövőbeni irányát adhatja:

Concrete composition comprising cement, primary aggregate, particulate expanded polystyrene and a homogenizing agent (US 3257338 A), melynek lényege, hogy a nedves cementbe habosítható polisztirolt kevernek homogenizáló szer segítségével, amely biztosítja a sztirol részecskék kötését a cementhez. A homogenizáló anyag biztosítja a habosítható polisztirol gyöngyök egyenletes eloszlását a nedves cementben, valamint azt is lehetővé teszi, hogy különböző aggregátumokat és adalékanyagokat lehessen a keverékhez adni annak érdekében, hogy különböző minőségű termékeket állítsanak elő. A pórusbeton alapanyaga az őrölt égetett mészből, őrölt gipszkőből, cementből, pernyéből vagy őrölt kvarchomokból és vízből kevert megfelelő gázképzőt tartalmazó finomhabarcs. A gázbetont azzal a szándékkal fejlesztették ki, hogy az épületfát kedvező tulajdonságú, nem éghető és nem korhadó építőanyaggal váltsa ki.  A könnyűbeton adalékanyag (felületkezelt expandált polisztirol gyöngy) alkalmazásával, cement és víz felhasználásával könnyű, jó hőszigetelő képességű, megfelelő szilárdságú betonok készíthetők.