Kukoricaszár blokk ismertetése, hővezetési tényezőjének meghatározása Molnár Viktor, Bozsaky Dávid Széchenyi István Egyetem, Műszaki Tudományi Kar, Építészeti és Épületszerkezettani Tanszék Absztrakt A modern épületekben a klasszikus építési formákkal összehasonlítva jelentősen nagyobb ráfordításokra van szükség a kényelemérzet biztosításához (pl. légkondicionálás) és mégis ezekkel kapcsolatosan hangzik el feltűnően gyakran komfortérzeti, sőt egészségi panasz. Mindezt végiggondolva, s valami újat keresve jutottunk el a kukoricaszár blokkhoz. A kukoricaszár blokk előállítása négy technológiai lépésben történik: aprítás, keverés, formázás és szárítás. A késztermék olyan falazóblokk, amelyből egyszerűbb, földszintes épületek, ill. épületek hőszigetelése készíthető. Kimértük a kukoricaszár blokkok átlagos hővezetési tényezőjét: 0,0500 W/mK. Bár ez az érték valamivel elmarad az építőiparban használt hőszigetelő anyagokétól, a vizsgált kukoricaszár blokkok gazdaságosabb, és környezetbarát volta a többi anyaghoz képest előnyére válik, így elképzelhető, hogy az építőanyagok piacán versenyképes lehet. 1. A kukoricaszár építőipari felhasználásának ötlete A modern épületekben a klasszikus építési formákkal összehasonlítva jelentősen nagyobb ráfordításokra van szükség a kényelemérzet biztosításához (pl. légkondicionálás) és mégis ezekkel kapcsolatosan hangzik el feltűnően gyakran komfortérzeti, sőt egészségi panasz (nem megfelelő hőmérséklet, huzat, elégtelen páratartalom, zaj, stb.). Hosszútávon a legfontosabb műszaki és gazdasági kérdés az épületek jó energetikai megtervezése. Kimutatták, hogy míg az új építményekbe beépített energia aránya az összes nemzeti energiafelhasználás 5-8%-a, addig az építmények fenntartása, üzemeltetése 50%-ot tesz ki. Tehát az épületek jó szigetelése az egyik legfontosabb feladatunk. A környezetszennyezés szempontjából igen fontos a beépített CO 2 mennyiség. Ezalatt az egy építménybe beépített anyagok előállításához szükséges CO 2 mennyiségének összességét értjük. A magyar statisztikai adatok a nemzeti CO 2 kibocsátás kb. 9%-át tulajdonítják az építőiparnak. Mindezt végiggondolva jutottunk el a kukoricablokkhoz, mint olyan építőanyaghoz, amely a mai kor követelményeinek megfelel. Ezt tudomásul véve összefoglalhatók a kukoricaszárblokk, mint építőanyag előnyei és hátrányai. A kukoricaszárblokk előnyei: egészséges életmódot nyújtó, környezetbarát, környezetünkbe harmonikusan illeszkedő, mind a gyártási, építési és üzemeltetési energia szükséglete kicsiny, előállítása során a lehető legkevesebb hulladék és égéstermék keletkezik, legnagyobb saját munka befektetést, tehát pénzmegtakarítást tesz lehetővé, megmunkálhatósága jó, alakíthatósága szinte korlátlan, hőtechnikai tulajdonságai kiválóak, bontható, újrafelhasználása egyszerű, gazdaságos, az épületgépészeti vezetékek, szerelvények beépítése egyszerű, Magyarország területén igen nagy mennyiségben található építésre alkalmas kukoricaszár. A kukoricaszárblokk hátrányai: vízérzékenysége, alacsony szilárdsága, zsugorodás- és duzzadásérzékenysége, kivitelezés időjárás (csapadék) érzékenysége, kukoricablokkokra vonatkozó tervezési és kivitelezési szabályozás hiánya, az irodalom szegénysége.
A kukoricaszárblokk szerkezetek hátrányos tulajdonságainak csökkentését szolgáló ősi technológia a különböző favázas erősítésű szerkezetek kialakítása. A vázas szerkezetek alkalmazása kissé átrendezi az előnyöket és a hátrányokat. Vázas szerkezetek előnyei: a vázszerkezet segítségével előre megépíthető tetőszerkezet védi a kukoricablokk falazatot az időjárás viszontagságaitól, teherhordó vázszerkezet esetén a térelhatároló kukoricablokk falak szilárdsága nem fontos kérdés, gazdaságos, esztétikailag hibás, ill. alacsonyabb megmunkáltságú, de egészséges faanyagok felhasználhatósága, a vázszerkezet segítségével külső-belső esztétikai változatosság hozható létre, vázszerkezet csökkenti a kukoricablokk zsugorodását kisebb részekre való tagolással. Vázas kukoricablokk szerkezetek hátrányai: relatív magas fajlagos fafelhasználás, vázszerkezethez való alkalmazkodás nehezíti a kukoricablokk munkák elvégzését, a vázszerkezet rasztere az alaprajz esetleges utólagos megváltoztatását megnehezíti. Fenti felsorolásokból látszik, hogy az előnyök túlsúlyban vannak. Ha a mai technika és technológia segítségével kicsit javítani tudjuk a kukoricablokk előnyös, és egyidejűleg csökkenteni annak hátrányos tulajdonságait, valamint pótoljuk a szabályozás hiányát mind a tervezésben, mind a kivitelezésben, akkor igen magas komfortérzetet biztosító, könnyen újrafelhasználható, környezetbarát, gazdaságos építőanyaghoz juthatunk. A dolgozat célja az itt felvetett számos kérdés közül a kukoricablokk, mint építőipari termék ismertetése és hővezetési tényezőjének (λ) összehasonlítása más, már elfogadott építőipari termékek (pl. parafa, üveggyapot, polisztirol, ill. poliuretán hab, stb.) hővezetési tényezőjével. 2. A kukoricaszárblokk definíciója A felaprított növényi rostot szalma, kukoricaszár, nád, stb. nevezzük biomasszának. Ha ezt építőanyagként kívánjuk felhasználni hívjuk baumasszának. Ha a baumassza alapanyaga a kukoricaszár, akkor az a kukoricaszár-baumassza. Ebből formázott blokkot kukoricaszár blokkoknak nevezzük. (A kukoricaszár blokk vizsgálatára, ill. minősítésére ma Magyarországon nincs se szabvány, se műszaki irányelv, amely mint építőanyagról, ill. kukorica-blokkos építésről rendelkezne.) 3. Termékismertetés 3.1. Nyersanyagforrás A cél a mezőgazdaságban keletkezett hulladék kukoricaszár építőipari felhasználása. Magyarországon kb. 1,2 millió hektáron termesztett kukorica 12 millió tonna/év mennyiségben ontja, melynek csak kb. 10%-a a csutka, a többi szár és levél. Ennek eddigi felhasználása silótakarmány. Ez azonban olyan alacsony tápértékű, hogy max. az 5%-át hasznosítják, a többit beszántják vagy elégetik. Megállapítható, hogy kb. 10 millió tonna kukoricaszár áll rendelkezésünkre évente, tehát a nyersanyaga biztosított. 3.2. Kukoricaszár blokk előállítása A kukoricaszár blokk előállítása négy lépésben történik: aprítás, keverés üresen és kötőanyaggal, formázás (préselés), és szárítás. Az aprításhoz ágaprítót, ill. ágdarálót célszerű alkalmazni. Az aprítás során az alábbi szempontokat kell figyelembe venni:
- túl nagy apríték esetén a keverés, préselés nem kellően eredményes. A túl nagy részeknek nem vonja be a teljes felületét az alkalmazott kötő-, vagy ragasztóanyag, így a szilárdsága, belső összetartóképessége elégtelen lesz, egyenetlen lesz a rostszerkezet, sok lesz a rostok közötti légrés. - az apríték méretének csökkentése a préselés és a végszilárdság szempontjából kedvező, de a túl kicsiny apríték esetén a kötő, vagy ragasztóanyag felhasználás nő meg túlzottan, mivel ennek fajlagos felülete jelentős mértékben megnő s így vele együtt a kötőanyag szükséglete is. Ezért a fentiek figyelembevételével optimalizálni kell az apríték méreteit. A kísérletek azt mutatták, hogy a 3-5 cm-es mérettartomány az optimális (1. ábra). Ebben a mérettartományban a kötő-ragasztóanyag egyenletesen képes bevonni az aprítékot, és az megfelelő préserő esetén szinte tökéletesen felveszi a présforma alakját. A 3-5 cm-es száraz aprítékot kézzel vagy géppel egyenletesen (szétosztályozódás mentesen) elkeverjük. Próbálgatással meghatározott keverési idő 2-3 perc (2. ábra). 1. ábra: az optimális apríték 2. ábra: keverés üresen és kötőanyaggal 10 kg megkevert aprítékhoz 0,4 kg kötőanyagot - MEKOL 1130 faragasztót - adunk. Ezt az arányt (10:0,4) elméletileg a keverék sűrűségből és a testsűrűségből számított hézagosságból határozták meg, ill. a számított értékből, mint kiindulási mennyiségből próbálgatással határozták meg. Próbálgatással meghatározott keverési idő 4-5 perc. A rendelkezésre álló préserő max. 4t = 40kN-ból adódóan 0,2 N/mm 2. Ezzel állítottuk elő a 60x30x30 cm-es kukoricaszár blokkokat, melyek egymáshoz jól illeszthetők (3. és 4. ábra). 3. ábra: a kukoricaszár-blokk 4. ábra: a blokkok összeépítése A szárítás meleg időben max. 2 nap, 5 C alatt 3-4 nap. Legcélszerűbb nyitott oldalú fészerben máglyázva tárolni. A késztermék olyan kukoricaszár falazóblokk, amelyből egyszerűbb, földszintes épületek készíthetők, de térelhatároló, ill. hőszigetelő szerkezetként, takart vagy látszó felületként bármely épületben alkalmazható. A késztermék fűrészelhető, hornyolható, szegezhető, csavarozható (5-8. ábra).
5. ábra: egyszerűen fűrészelhető 6. ábra: könnyű a horonykialakítás 7. ábra: szegezhető 8. ábra: csavarozható 4. Kukoricaszár blokkok hővezetési tényezőjének mérése 4.1. A hővezetési tényező fogalma A hővezetési tényező (λ) egy anyagjellemző, ami kifejezi, hogy egységnyi vastagságú, az áramlás irányára merőleges egységnyi felületen időegység alatt mekkora hőmennyiség halad át egységnyi hőmérsékletkülönbség hatására. Az építőiparban használt anyagok esetén ez az érték tág határok közt változhat (polisztirol: 0,040 W/mK, alumínium: 220 W/mK). A hővezetési tényező azonban nem egy állandó szám, erősen függ az anyag hőmérsékletétől, lazább szerkezetű anyagok (pl. hőszigetelő anyagok) esetén a nedvességtartalomtól, és a rá ható terhek okozta tömörödéstől, roskadástól is. A SZE Szerkezetvizsgáló Laboratóriumában végzett mérések során mindezen tényezőket figyelembe vettük, s megvizsgáltuk, hogy a gyártó által szolgáltatott kukoricaszárból préselt blokkok hővezetési tényezője miként alakul ezen fenti körülmények függvényében. 4.2. A mérési folyamat ismertetése A mérést Taurus TCA 300 elnevezésű hővezetőképesség-mérő készülékkel végeztük 2009 májusában, melyhez a gyártó 8 db 30x30x8 cm nagyságú próbatestet biztosított. Minden mintát megmértük a gyártó által leszállított nedves (kb. 10-15% nedvességtartalom), valamint légszáraz állapotban is, így összesen 16 mérési jegyzőkönyv született. Azonban valószínűleg a gyártási technológiából kifolyólag ezekből csak 4 mintát lehetett eredeti formájában a mérőműszerbe helyezni, ugyanis az csak 2-8 cm vastagsági tartományon belül képes megbízható mérési eredményt produkálni. Ezért 4 mintát megfelelő vastagságúra össze kellett préselni. A mérőműszer a próbatestek hővezetési tényezőjét 10 C, 20 C és 30 C-on, három ciklusban mérte ki. Minden egyes ciklusban 30 másodpercenként ellenőrizte a minta hőmérsékletét és 15 percenként
megmérte a hővezetési tényező értékét. A mérés addig folyt, míg a mérési eredmény nem stabilizálódott, vagyis két egymást követő 15 perces részeredmény közt 0,5%-nál kisebb eltérést tapasztalt. A mérés minden esetben 16 darab ¼ órás részeredmény után stabilizálódott. Így minden egyes ciklus 4 órás időtartamot vett igénybe, tehát egy próbatest hővezetési tényezőjének megállapítása során a műszer 12 órán át dolgozott. Minden mérés végeztével a mért eredmények jegyzőkönyvbe kerültek, melyek alapján (a hőmérsékletváltozás és a lambda (λ) változása közt lineáris összefüggést feltételezve) a mérőműszer kiszámította az alapértéknek tekinthető 10 C-hoz tartozó hővezetési tényezőt. 4.3. A mérési eredmények kiértékelése A 9. ábrán bemutatott mérési eredményekből kiolvasható, hogy a legjobb hővezetési értékek a préselt és szárított minták esetében, a legrosszabbak pedig a nedves és préselés nélküli mintáknál tapasztalhatók. Megfigyelhetjük továbbá a sűrűség és a hővezetési tényező összefüggéseit is, melyek a 2/2-es és a 7/2- es minta kivételével azt mutatják, hogy a sűrűség növekedése a hővezetési tényező növekedését is eredményezte. préselés nélküli, nedves minta préselt, nedves minta préselés nélküli, szárított minta préselt és szárított minta 9. ábra: a sűrűség (kg/m 3 ) és a hővezetési tényező (W/mK) összefüggése A nedves, és a légszáraz állapotban mért értékeket összehasonlítva megállapíthatjuk, hogy a préselés nélküli minták esetén 18%-kal, a préselt minták esetén 11%-kal javult a hővezetési tényező, ami összesítve átlagosan 15%-os hővezetési tényező javulást jelent. Az előzetes várakozásoknak ez az érték megfelel, azonban a tömörítés hatására várt hővezetési tényező romlás nem következett be, sőt, a préselésnek kitett minták 11%-kal, illetve. 3%-kal jobb eredményt mutattak, mint a préselés nélküliek. Minta Hővezetési tényező (W/mK) Préselés nélküli nedves 0,0627 Préselés nélküli légszáraz 0,0512 Préselt, nedves 0,0561 Préselt, légszáraz 0,0495 Megvizsgáltuk a hőmérsékletváltozás okozta hővezetési tényező változást is. A 10. ábrán látható grafikonról leolvasható, hogy a préselés nélküli nedves minták esetében tapasztaltuk a legnagyobb, míg a préselt száraz minták esetén a legkisebb λ-változást. A nedves és szárított, valamint a préselés nélküli és a
préselt állapotot összevetve észrevehetjük, hogy mind a szárítás, mind a préselés hatására a hőmérséklet és a hővezetési tényező összefüggését mutató görbe laposabbá vált. 10. ábra: a hővezetési tényező (W/mK) változása a hőmérséklet ( C) függvényében A légszáraz mintákat alapul véve és a préselés hatását figyelmen kívül hagyva megállapíthatjuk, hogy a kukoricaszár blokkok átlagos hővezetési tényezője 0,0500 W/mK, ami a többi hőszigetelő anyaggal összehasonlítva meglehetősen kedvező érték. Anyag neve Hővezetési tényező (W/mK) Parafa 0,040-0,070 Kukoricaszár blokk ~ 0,050 Üveggyapot 0,040-0,045 Polisztirol hab 0,035-0,040 Poliuretán hab 0,035-0,040 Levegő 0,026 Bár ez az érték valamivel elmarad az építőiparban használt hőszigetelő anyagokétól, a vizsgált kukoricaszár blokkok előállításának gazdaságosabb és környezetkímélőbb mivolta a többi anyaghoz képest előnyére válik, így elképzelhető, hogy az építőanyagok piacán versenyképes lehet. Valószínűsíthető, hogy a préserő növelésével a hővezetési tényező tovább csökkenthető. (A vizsgálatokhoz felhasznált kukorica-blokkokat Szűcs Imre vállalkozó (KpluszF Bt.) készítette és bocsátotta rendelkezésünkre.)