A kukoricaszár blokk laboratóriumi vizsgálatai Dr. Molnár Viktor, Bozsaky Dávid Széchenyi István Egyetem, Műszaki Tudományi Kar, Építészeti és Épületszerkezettani Tanszék Absztrakt 2009-ben végzett hőtechnikai méréseink arra ösztönöztek, hogy kukoricaszár blokkokat további laboratóriumi vizsgálatok alá vessük. Mivel jelenleg nem léteznek olyan előírások, melyek az említett építőanyag vizsgálatait előírnák, így kiválasztottuk két létező szabványt, mely olyan építőanyagok vizsgálataival foglalkozik (fagyapot, parafa) melyek a kukoricaszár blokkokhoz hasonlóan természetes, szerves anyagok. Ezek alapján határoztuk meg a különféle vizsgálatok menetét, körülményeit, és a vizsgált mintadarabok mennyiségét, méreteit. Előző vizsgálataink során a hőtechnikai méréseken túlmenően megvizsgáltuk és elemeztük a sűrűség, a nedvességtartalom és a hővezetési tényező összefüggéseit. A termék vízzel, nedvességhatásokkal szembeni viselkedését már korábban kiemelten fontosnak ítéltük, most lehetőségünk nyílt a kukoricaszár blokk vízfelvételének meghatározására is. Különféle szilárdsági méréseket is végeztünk, melyekkel meghatároztuk húzó-, nyomó- és hajlítószilárdságát, a rugalmassági modulusát. Megvizsgáltuk a kukoricaszár blokkok méretállandóságát és dinamikai merevségét is. A kapott eredményeket összehasonlítottuk egyéb építőanyagok és hőszigetelő anyagok tulajdonságaival. 1. Bevezetés A korábbi cikkünkben.[1] már ismertetett kukoricablokk természetes építőanyag, melynek nyersanyaga a jobbára mezőgazdasági mellékterméknek minősülő kukoricaszár. Készítése során az alapanyagként szolgáló növényi rostot felaprítják, alaposan megkeverik először üresen, majd pedig a kötőanyagával (MEKOL 1130 faragasztó) Az elkészült keveréket formába helyezve kívánt méretűre préselik, s végül kiszárítják. Az így elkészült kukoricaszár blokk legfőbb előnye, hogy alapanyaga olcsó és igen nagy mennyiségben áll rendelkezésre, könnyen alakítható, újrahasznosítható, kiváló hő- és hangszigetelő, vagyis összefoglalva gazdaságos és környezetbarát. Legfőbb hátránya természetes anyagából kifolyólag az alacsony szilárdsága, vízérzékenysége, zsugorodásra, duzzadásra való hajlama, valamint a tervezési és kivitelezési szabályozás hiánya, az irodalom szegénysége. A kukoricaszár blokk vizsgálataira vonatkozó szabvány sem létezik, ezért kiválasztottunk két létező szabványt, mely olyan építőanyagok vizsgálataival foglalkozik (fagyapot, parafa) melynek a kukoricaszár blokkokhoz hasonlóan természetes, szerves anyagok. Ezek alapján határoztuk meg a különféle vizsgálatok menetét, körülményeit, és a vizsgált mintadarabok mennyiségét, méreteit. A kísérletekhez a gyártó összesen 20 mintadarabot szolgáltatott. 2. Méretállandóság vizsgálata Az MSZ EN 1603 és az MSZ EN 1604 szabványok foglalkoznak az építési hőszigetelő anyagok méretállandóságával. Előbbi szerint a vizsgált mintákat normál laboratóriumi körülmények között (23ºC) 1
48 órán keresztül kell tárolni, utóbbi szerint pedig ugyanilyen hosszú ideig magas hőmérsékleten (70ºC). A szabványok előírásait figyelembe véve vizsgáltuk a mintadarabok méretváltozásait, és szobahőmérsékleten tárolva átlagosan 1%-nál is kevesebb méreteltéréseket tapasztaltunk. Nagyobb sűrűségű minták esetén a súly- és sűrűségváltozás jelentősebb volt (6-7%). A 70ºC-on történő tárolás után várakozásainknak megfelelően kissé nagyobb méretváltozást és jóval nagyobb mértékű tömeg- és sűrűségváltozást regisztráltunk, melyek szabványban előírt 2-3%-os értékéknél valamivel magasabbak. Tulajdonság Könnyű minták (ρ=140,18 kg/m 3 ) Nehéz minták (ρ=196,45 kg/m 3 ) Átlag (ρ=168,16 kg/m 3 ) 48h 23ºC 48h 70ºC 48h 23ºC 48h 70ºC 48h 23ºC 48h 70ºC Szélesség 0,1% 0,8% 0,1% 1,6% 0,1% 1,4% Hosszúság 0,0% 0,9% 0,1% 1,7% 0,1% 1,4% Vastagság 0,1% 5,7% 0,5% 3,8% 0,4% 4,4% Tömeg 0,8% 9,0% 7,0% 16,2% 4,6% 13,2% Térfogat 0,3% 7,3% 0,7% 6,9% 0,5% 7,1% Sűrűség 0,5% 1,8% 6,4% 10,0% 4,1% 6,5% 1. táblázat: A kukorica blokk méretállandósága MSZ EN 1603 és MSZ EN 1604 szerint 3. Vízfelvétel vizsgálata Természetes, szerves anyagok esetén rendkívül kényes kérdés a vízzel szembeni ellenálló képesség, ezért tűnt indokoltnak a vízfelvétel vizsgálata. Mivel előreláthatóan vízre érzékeny agyagról van szó, így a csupán a rövid ideig tartó vízbemerítéses vizsgálatot végeztük el az MSZ EN 1609 2A módszere szerint, 4 db 20x20cm-es minta részleges vízbemerítéssel. A vízfelvételt 3 különböző időpontban 1, 3 és 24 óra elteltével is meghatároztuk, melyből kiderült, hogy az átlagos vízfelvétel 1 óra után 11, 3 óra után 16, 24 óra után pedig 19kg/m 2. Parafa esetén ez az érték 0,5kg/m 2, míg fagyapotnál 13kg/m 2. Megfigyeltük továbbá, hogy a minták az idővel arányosan egyre nagyobb mértékű térfogatváltozást is szenvedtek, 24 óra után már 27%-os átlagos térfogat-növekedést (duzzadás) tapasztaltunk (2. táblázat). A minták méretváltozására pillantva szembeötlő, hogy a vastagságukban jóval nagyobb változás (24 óra után már 19%-os) jelentkezett, mint a másik két méretükben, ahol még 24 óra után sem mértünk eredeti méretükhöz képest 3-4%-nál nagyobb eltérést. A 2. táblázat adataiból az is kiderül, hogy az 1 órás és a 3 órás vízbemerítés között jóval nagyobb változás látható mind méretekben (vastagság, térfogat), mind a tömeget, ill. sűrűséget tekintve, mint a 3 órás és a 24 órás vizsgálat között, ezért vélhetően 24 óránál hosszabb vízbemerítés után már nem keletkezne számottevő vízfelvétel. Időtartam Szélesség Hosszúság Vastagság Térfogat Tömeg Sűrűség Vízfelvétel (ΔA) (ΔB) (Δv) (ΔV) (Δm) (Δρ) kg/m 2 1 óra 3% 3% 10% 17% 116% 82% 11 3 óra 3% 4% 18% 26% 161% 107% 16 24 óra 3% 4% 19% 27% 184% 123% 19 2. táblázat: A kukoricaszár blokk vízfelvételének meghatározása MSZ EN 1609 szerint 2
4. Szilárdsági vizsgálatok Szilárdsági vizsgálatok során meghatároztuk a kukoricaszár blokk nyomószilárdságát az MSZ EN 826, hajlítószilárdságát az MSZ EN 12089, valamint húzószilárdságát az MSZ EN 1607 szabvány szerint. A nyomószilárdság vizsgálata során minden vizsgált mintadarabból 4db 10x10cm-es próbatestet készítettünk, s a minta nyomószilárdságának a 4 próbatest átlagát tekintettük. A vizsgálatok során megállapítottuk, hogy a kukoricaszár blokk szabvány által előírt 10%-os összenyomódási értékhez tartozó nyomószilárdsága 17-194kPa között változik a sűrűség függvényében. (1. ábra), mely parafa és fagyapot esetében hasonló érték (100-200kPa). 1. ábra: A kukoricaszár blokk sűrűségének és nyomószilárdságának összefüggése MSZ EN 826 szerint A hajlítószilárdság meghatározásához 5db szabványban meghatározott méretű (15x30cm) próbatestet használtunk, melyet kéttámaszú tartóként kialakítva koncentrált erővel terheltünk. A mérés eredményeként azt kaptuk, hogy a vizsgált építőanyag hajlítószilárdsága szintén nagyban függ a sűrűségtől és értéke 171-438kPa között változik. Minta 13 11 10 20 19 Sűrűség kg/m 3 146 154 168 189 198 Hajlítószilárdság (σ) kpa 233 243 171 391 438 Young-modulus (E) N/mm 2 2,57 2,39 4,63 5,57 6,74 3. táblázat: A kukoricaszár blokk hajlítószilárdsága MSZ EN 12089 szerint A kukoricaszár blokk húzószilárdságának vizsgálatakor ismerve egyéb növényi eredetű anyagok (pl. fa) rostiránytól erősen függő szilárdsági tulajdonságait figyelembe vettük a mintadarabban elhelyezkedő növényi rostok irányát. Minden vizsgált kukorica blokkból készítettünk összesen 6db 5x5cm-es mintát, melyekből 3-at rostiránnyal párhuzamosan, 3-at pedig rostirányra merőlegesen terheltünk. A várakozásoknak megfelelően kiderült, hogy a vizsgált anyag rostirányra merőleges húzószilárdsága 2,4-33kPa között mozog sűrűségtől függően, míg rosttal párhuzamos húzószilárdsága ennél nagyságrendekkel nagyobb, 51-295kPa, mely közel azonos más természetes, szerves hőszigetelő anyagokéval (parafa és fagyapot esetén σ húzó=2,5-200kpa). A rugalmassági modulus ezzel összefüggésben 0,04-0,35N/mm2, illetve 0,43-4,59N/mm2 rostra merőlegesen, ill. azzal párhuzamosan. 3
Minta 13 11 10 20 19 Sűrűség kg/m 3 146 154 168 189 198 Rostra merőleges Rosttal párhuzamos Húzószilárdság (σ) kpa 2,4 7,6 8,7 20,1 33,7 Young-modulus (E) N/mm 2 0,04 0,12 0,14 0,23 0,35 Húzószilárdság (σ) kpa 51 128 156 282 295 Young-modulus (E) N/mm 2 0,43 1,60 2,12 3,49 4,59 4. táblázat: A kukoricaszár blokk húzószilárdsága MSZ EN 1607 szerint 5. Hőtechnikai vizsgálatok A mérést Taurus TCA 300 elnevezésű hővezetőképesség-mérő készülékkel végeztük 2010 nyarán, melyhez összesen 5db 30x30x8cm, valamint 16db 20x20x6cm nagyságú próbatestet használtunk. Minden mintát megmértük a 48 órás szobahőmérsékleten történő tárolás, valamint, valamint légszáraz (48 óra, 70ºC) állapotban is, így összesen 42 mérési jegyzőkönyv született. A mérőműszer a próbatestek hővezetési tényezőjét 10 C, 20 C, 30 C és 40 C-on, négy ciklusban mérte ki. Minden egyes ciklusban 30 másodpercenként ellenőrizte a minta hőmérsékletét és 10 percenként megmérte a hővezetési tényező értékét. A mérés addig folyt, míg a mérési eredmény nem stabilizálódott, vagyis két egymást követő 10 perces részeredmény közt 0,5%-nál kisebb eltérést tapasztalt. 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, mely nedves állapotban 0,0531W/mk-nek, légszáraz állapotban pedig 0,0498W/mK-nek adódott. Elmondhatjuk tehát, hogy a kukoricaszár blokk hővezetési tényezője közel azonos más természetes, szerves hőszigetelő termékekével. Állapot Nedves állapot Légszáraz állapot Változás 2009-ben végzett vizsgálat [1] 4 2010-ben végzett vizsgálat Összesítve ρ [kg/m 3 ] 209 161 182 λ [W/mK] 0,0594 0,0531 0,0555 ρ [kg/m 3 ] 187 153 168 λ [W/mK] 0,503 0,0498 0,500 Δρ (%) -10,4-4,9-7,6 Δλ (%) -15,2-6,4-9,9 5. táblázat: A 2009-ben és 2010-ben végzett hővezetési tényező vizsgálatok összesítése, a sűrűség és a hővezetési tényező változásának összefüggése Hasonlóan a tavalyi évhez, az új minták vizsgálataiból is levonható a következtetés, hogy a kisebb sűrűségű minták hővezetési tényezője alacsonyabb, mint a nagyobb sűrűségű minták esetén. Ugyancsak látható, hogy a légszáraz állapotban mért hővezetési tényező értéke alacsonyabb, mint a nedves (8-27% nedvességtartalom) állapotban mért értékek. Az 5. táblázatban szereplő adatokból kitűnik, hogy a sűrűség vagyis a nedvességtartalom csökkenése a hővezetési tényező csökkenését vonta maga után.
Azt is észrevehetjük, hogy a λ-érték változásának mértéke nagyjából 1,4-1,5-szöröse a sűrűség változásának, vagyis 1% sűrűségváltozás kb. 1,4-1,5% hővezetési tényező változást idézett elő. Mindezeken túlmenően megvizsgáltuk a hőmérsékletváltozás okozta hővezetési tényező változást is. A 2. ábrán látható grafikonról leolvasható, hogy a nedves minták esetében nagyobb λ-változást tapasztaltuk, mint a szárított mintáknál, vagyis a szárítás hatására a hőmérséklet és a hővezetési tényező összefüggését mutató görbe laposabbá vált. 2. ábra: a hővezetési tényező (W/mK) változása a hőmérséklet ( C) függvényében 6. Dinamikai merevség A dinamikai merevség (s ) egy adott építőanyag testhang-gátlását kifejező szám, mely megmutatja a vizsgált próbatest hangszigetelő képességét. Minél alacsonyabb ez a MN/m 3 -ben kifejezett érték, annál jobb hangszigetelő képességgel rendelkezik az építőanyag. A mérésekhez 8db 5-7cm vastag 20x40cm-es minta állt rendelkezésünkre, melyekből egyenként 2db, összesen pedig 16db 20x20cm-es próbatestet képeztünk. Az egyes minták dinamikai merevségét a két 20x20cm-es lap átlagából számítottuk. A vizsgálatot az MSZ EN 29052-1 szerint végezve azt az eredményt kaptuk, hogy a kukoricaszár blokk átlagos dinamikai merevsége 9,84MN/m 3, amely vastagságtól és sűrűségtől függően ugyan 4,58-17,66MN/m 3 közt változik, de mindenképpen elmondható, hogy értéke megegyezik más hangszigetelésre használt termékekével. 3. ábra: A kukoricaszár blokk sűrűségének és dinamikai merevségének összefüggése. 5
Összefoglalás Összefoglalásképpen megállapíthatjuk, hogy méréseink alapján a kukoricaszár blokk hővezetési tényezője és dinamikai merevsége megfelelően alacsonynak tekinthető, hiszen megközelíti a többi, hasonló célra alkalmazott szigetelőanyag tulajdonságait. A 6. táblázat adataiból az is látható, hogy szinte minden tulajdonsága a természetes, szerves anyagokéhoz (fagyapot, parafa) hasonlít a legjobban. Anyag neve Sűrűség (ρ) Nyomósz. (σ ny) Húzósz. (σ h) Hővez. tényező (λ) Din. merevség (s ) Vízfelvétel kg/m 3 kpa kpa W/mK MN/m 3 kg/m 2 Kőzetgyapot 20-200 15-80 3,5-80 0,035-0,045 7-35 3 Üveggyapot 15-150 n.a. n.a. 0,035-0,045 n.a. 3 EPS 8-30 60-200 100-250 0,030-0,040 10-40 1-5 % XPS 25-45 150-700 200-500 0,030-0,040 n.a. 0,1-0,3% PUR 30-100 100-500 40 0,024-0,030 n.a. 1,5-3% Parafa 100-220 100-200 30-50 0,045-0,070 n.a. 0,5 Fagyapot 60-600 150-200 2,5-50 0,040-0,090 4-8 12-13 Kukorica blokk 120-250 20-200 2,5-300 ~0,0500 5-20 19 6. táblázat: A kukoricaszár blokk különféle tulajdonságai összehasonlítva egyéb szigetelőanyagokéval Szilárdsága ugyan nem elegendő ahhoz, hogy teherhordó szerkezet készülhessen belőle, de épületszerkezetek kiegészítő hang-, ill. hőszigeteléseként, vagy vázkitöltő falazatként elképzelhetőnek tartjuk. Gipszkarton burkolattal ellátva alkalmas lehet térelhatároló falak, válaszfalak készítésére, illetve szarufák közének hőszigetelésére. Vízfelvevő képessége tekinthető kritikus tulajdonságának, hiszen értéke szemmel láthatóan magasabb a többi anyagéhoz képest (6. táblázat). Kérdéses továbbá hő- és fagyhatásokkal, valamint rágcsálókkal, rovarokkal és egyéb kártevőkkel szembeni ellenálló képessége, vakolattartó képessége, valamint tűzállósága. Megfelelő védelem esetén gazdaságossága és környezetbarát mivolta versenyképessé teheti a szigetelőanyagok piacán. Irodalomjegyzék [1] Dr. Molnár Bozsaky Dávid: "Kukoricaszár blokk ismertetése, hővezetési tényezőjének meghatározása" ÉTE Építésszervezés és Építéstechnológia Konferencia 2009 Innovatív módszerek és technológiák, Terc Kiadó, Budapest, ISBN 978-963-8062-61-1, 2009 (A vizsgálatokhoz felhasznált kukorica-blokkokat az Innocsekk projekt támogatásával Szűcs Imre vállalkozó (KpluszF Bt.) készítette és bocsátotta rendelkezésünkre.) 6