BE1021062B1

BE1021062B1 - Lichtgewicht, isolerend beton met geexpandeerd polystyreen

Info

Publication number: BE1021062B1
Application number: BE2012/0659A
Authority: BE
Inventors: Carl Ghistelinck
Original assignee: VERPOLA, besloten vennootschap met beperkte aansprakelijkheid
Priority date: 2012-10-04
Filing date: 2012-10-04
Publication date: 2015-03-24

Abstract

LICHTGEWICHT, ISOLEREND BETON MET GEËXPANDEERD POLYSTYREEN De uitvinding heeft betrekking op een lichtgewicht, isolerend beton met geëxpandeerd polystyreen dat minstens 90% van natuurlijke toeslagstoffen zoals zand en grind van beton vervangt en waarvan minstens 95% een diameter heeft gelegen tussen 2,0 en 4,0 mm, bijvoorkeur tussen 2,5 en 3,5 mm.

Description

LICHTGEWICHT, ISOLEREND BETON MET GEËXPANDEERD POLYSTYREEN

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een nieuw lichtgewicht, isolerend beton met geëxpandeerd polystyreen als gehele of gedeeltelijke vervanging van natuurlijke toeslagstoffen zoals zand en grind. Het lichtgewicht, isolerende beton volgens de uitvinding wordt gekenmerkt doordat minstens 95% van het geëxpandeerde polystyreen een diameter heeft gelegen tussen 2,0 en 4,0 mm, bijvoorkeur tussen 2,5 en 3,5 mm.

Onderhavige uitvinding heeft eveneens betrekking op een werkwijze voor het vervaardigen van een lichtgewicht isolerend beton met geëxpandeerd polystyreen. Deze werkwijze wordt gekenmerkt doordat geëxpandeerd polystyreen, waarvan minstens 95% een diameter heeft gelegen tussen 2,0 en 4,0 mm, bijvoorkeur tussen 2,5 en 3,5 mm, met schuimvormer, bindmiddel, water en eventuele andere toeslagstoffen gemengd wordt en het mengsel gedurende enige tijd rust of ontspant alvorens het lichtgewicht, isolerende beton wordt gestort of gegoten.

Het nieuwe lichtgewicht, isolerende beton volgens de uitvinding heeft betere thermische isolatie-eigenschappen en een hogere druksterkte dan soortgelijk lichtgewicht, isolerend beton volgens de stand van de techniek.

Geëxpandeerd polystyreen wordt al geruime tijd gebruikt als bouwmateriaal, in bijzonderheid voor de isolatie van gebouwen, doch meestal in de vorm van voorgevormde en gesneden panelen tussen binnenmuren en façade, op daken enz... Polystyreen en copolymeren van styreen en andere onverzadigde koolwaterstoffen werden vroeger ook al gebruikt in combinatie met een bindmiddel zoals cement of gips om dankzij hun lagere dichtheid dan gebruikelijke natuurlijke toeslagstoffen lichtere bouwmaterialen te vervaardigen. De octrooiaanvragen W0199202468, FR2574068, DE19802230 en W02006059047 beschrijven dergelijke samenstellingen.

In de stand van de techniek is het gunstige effect van roet, grafiet en/of koolstof op de thermische isolatie-eigenschappen van polystyreen eveneens reeds omstandig omschreven.

In het bijzonder beschrijft DE19802230 een lichtgewicht, thermisch isolerende mortel samengesteld uit een hydraulisch bindmiddel zoals cement en toeslagstoffen gevormd door geëxpandeerd polystyreen dat 0,1 tot 10 gewichtsprocent aan roet en/of grafiet partikels bevatten. In deze beschrijving wordt vermeld dat de roet- of grafietpartikels de kleur van het geëxpandeerd polystyreen en het gebruikte bindmiddel egaler maken en de binding van het geëxpandeerde polystyreen door middel van het bindmiddel verbeteren. Een eenvoudig mengsel van dergelijk geëxpandeerd polystyreen en grafietpartikels zouden echter niet toelaten om met bindmiddel en water een homogeen product te vervaardigen. W02006059047 beschrijft eveneens een samenstelling voor het vervaardigen van beton, pleister en mortel op basis van met koolstof beladen geëxpandeerd polystyreen en een bindmiddel zoals cement of gips. De doelstelling van deze beschrijving is om dankzij de lagere densiteit van het geëxpandeerde polystyreen lichtere bouwmaterialen met verbeterde mechanische en thermisch isolerende eigenschappen te vervaardigen. De mechanische en thermisch isolerende eigenschappen van beton, pleister en mortel vervaardigd met behulp van de samenstelling volgens voornoemde beschrijving zouden beter zijn dan deze van beton, pleister of mortel vervaardigd met geëxpandeerd polystyreen zonder koolstofbelading, maar de mechanische eigenschappen van beton, pleister en mortel op basis van met koolstof beladen geëxpandeerd polystyreen volgens deze beschrijving zijn geenszins te vergelijken met deze van soortgelijke producten vervaardigd op basis van natuurlijke toeslagstoffen zoals zand en grind.

Een werkwijze voor het vervaardigen van met koolstof beladen expandeerbare polystyreenkorrels is beschreven in W02006061571. Volgens deze werkwijze wordt koolstof en een blaasmiddel met gesmolten polystyreen gemengd alvorens het mengsel door middel van een extruder onder specifieke omstandigheden van temperatuur en druk tot expandeerbare polystyreenkorrels te extruderen. US6340713 heeft eveneens betrekking op een werkwijze voor de vervaardiging van expandeerbare polystyreen met grafietdeeltjes en daaruit vervaardigde schuimen die in bijzonderheid nuttig worden aangewend voor thermische isolatie in de bouw, en EP2184315 beschrijft een werkwijze voor het produceren van polystyreenschuim met verhoogde thermische isolatie door tijdens het expansieproces grafietpoeder met korrelgrootte van ongeveer 14 nanometer en gemiddelde oppervlak van ongeveer 300 m2/g toe te voegen. Afhankelijk van de beoogde mate van vermindering van de λ-waarde zou 0,5 tot 5 kg grafietpoeder per ton polystyreen kunnen worden toegevoegd. De λ-waarde, of de thermische geleidbaarheid is een materiaalconstante die aangeeft hoe goed het materiaal warmte geleidt: hoe lager de λ-waarde, hoe hoger dus het isolerend vermogen van het materiaal.

Een eerste objectief van de uitvinding is om de thermische isolatie-eigenschappen van lichtgewicht, isolerende beton met geëxpandeerd polystyreen te verbeteren waardoor dezelfde thermische weerstand kan worden bereikt met minder materiaal of omgekeerd een hogere thermische weerstand met dezelfde hoeveelheid aan materiaal. De thermische weerstand is immers evenredig met de dikte van de laag lichtgewicht, isolerend beton en is omgekeerd evenredig met de thermische geleidbaarheid (de λ-waarde) van het materiaal.

Een tweede doel van de uitvinding is om het probleem van de geringe druksterkte en andere mechanische eigenschappen van lichtgewicht, isolerend beton met geëxpandeerd polystyreen op te lossen. Voornamelijk bij lagere concentraties aan bindmiddel heeft lichtgewicht, isolerend beton volgens de stand van de techniek de neiging om te ontmengen (het geëxpandeerde polystyreen neigt in het mengsel op te stijgen) en blazen te vormen alvorens vast te worden waardoor druksterkte en stabiliteit van het lichtgewicht, isolerende beton te laag zijn.

Verrassenderwijs hebben wij thans vastgesteld dat de mechanische eigenschappen van lichtgewicht, isolerend beton met geëxpandeerd polystyreen in belangrijke mate toenemen naarmate de diameter van het geëxpandeerde polystyreen homogener is, in het bijzonder wanneer minstens 95% van het geëxpandeerde polystyreen een diameter heeft gelegen tussen 2,0 en 4,0 mm, bijvoorkeur tussen 2,5 en 3,5 mm.

Eveneens hebben wij verrassenderwijs vastgesteld dat ook de thermische isolatie-eigenschappen van lichtgewicht, isolerend beton met geëxpandeerd polystyreen in belangrijke mate toeneemt door gebruik te maken van geëxpandeerd polystyreen met homogene diameter, met name geëxpandeerd polystyreen waarvan minstens 95% een diameter heeft gelegen tussen de 2,0 en 4,0 mm, bijvoorkeur tussen 2,5 en 3,5 mm.

Aldus voorziet onderhavige uitvinding in een lichtgewicht, isolerend beton met betere thermische isolatie-eigenschappen en betere mechanische eigenschappen, omvattende bindmiddel, schuimvormer en geëxpandeerd polystyreen. Het lichtgewicht, isolerende beton volgens de uitvinding wordt gekenmerkt doordat minstens 95% van het geëxpandeerd polystyreen een diameter heeft gelegen tussen 2,0 en 4,0 mm, bijvoorkeur tussen 2,5 en 3,5 mm.

Deze en andere doelstellingen van de uitvinding en voordelen van het nieuwe, lichtgewicht, isolerende beton volgens de uitvinding zullen blijken uit onderhavige beschrijving en voorbeelden.

Zonder het lot van deze uitvinding aan een theorie of verklaring te verbinden, menen wij dat de betere mechanische eigenschappen van het nieuwe lichtgewicht, isolerende beton met geëxpandeerd polystyreen volgens de uitvinding het resultaat zijn van een gunstige wisselwerking tussen geëxpandeerd polystyreen met homogenere diameter, schuimvormer en bindmiddel. Door het gebruik van geëxpandeerd polystyreen met homogenere diameter, en met name van geëxpandeerd polystyreen waarvan minstens 95% een diameter heeft gelegen tussen 2,0 en 4,0 mm, bijvoorkeur tussen 2,5 en 3,5 mm, wordt een betere bolstapeling van het geëxpandeerd polystyreen bekomen. De schuimvormer bewerkstelligt een homogene verdeling van lucht tussen de regelmatigere bolstapeling van het geëxpandeerde polystyreen en concentreert het bindmiddel op het schuimoppervlak, d.w.z. ter hoogte van de raakpunten van het geëxpandeerd polystyreen. Hoe homogener de bolstapeling, hoe beter de verdeling van de lucht tussen het polystyreen en hoe beter ook de concentratie aan bindmiddel op de plaatsen waar het werkzaam hoort te zijn, namelijk op de raakpunten van de bolstapeling van het geëxpandeerde polystyreen.

Verrassenderwijs hebben we niet alleen vastgesteld dat de mechanische eigenschappen van het lichtgewicht, isolerende beton volgens onderhavige uitvinding in belangrijke mate verbeteren; ook de thermische isolatie-eigenschappen van het lichtgewicht, isolerende beton volgens de uitvinding verbeteren aanzienlijk. Wij vermoeden dat deze betere thermische isolatie-eigenschappen het gevolg zijn 1) van een homogenere verdeling van lucht in de regelmatigere bolstapeling van het geëxpandeerd polystyreen en 2) van de concentratie van bindmiddel op de raakpunten van het geëxpandeerd polystyreen waardoor koudebruggen van bindmiddel worden vermeden.

Een bijkomend voordeel van de samenstelling volgens de uitvinding is dat de hoeveelheid aan bindmiddel in de samenstelling volgens de uitvinding gereduceerd kan worden zonder aanzienlijk verlies aan druksterkte en andere mechanische eigenschappen van het lichtgewicht, isolerende beton. Een werkbare hoeveelheid aan bindmiddel concentreert zich immers dankzij de regelmatigere bolstapeling van het geëxpandeerde polystyreen en de schuimvormer op de raakpunten van het geëxpandeerd polystyreen in de bolstapeling. Kleinere doseringen aan bindmiddel hebben dan weer een gunstig effect op de kostprijs van het lichtgewicht, isolerende beton volgens de uitvinding en op haar thermisch isolerende eigenschappen want minder bindmiddel betekent doorgaans ook minder koudebruggen en warmtegeleiding.

Het lichtgewicht, isolerende beton volgens de uitvinding omvat een geëxpandeerd polystyreen, bijvoorkeur een homopolymeer of een copolymeer van styreen die ten minste 50%, bijvoorkeur tenminste 90% gewichtsprocent styreen bevat. Het comonomeer of comonomeren in de styreen copolymeer kan worden gekozen uit vinylaromatische verbindingen zoals methylstyreen, gehalogeneerd en gealkyleerd styreen, (meth)acrylzuur, C1 tot C4 alkyl esters van (meth)acrylzuur zoals methylacrylaat, methylmethacrylaat, ethylacrylaat, ethylmethacrylaat, isopropyl of butylacrylaat, amiden en nitrilen van (meth)acrylzuur zoals acrylamide, methacrylamide, acrylonitrile of methacrylonitrile, butadieen, etheen, divinylbenzeen en maleïnezuuranhydride. De voorkeur wordt echter gegeven aan een homopolystyreen.

In een voorkeursuitvoeringsvorm bevat het geëxpandeerd polystyreen grafiet of koolstof waarvan het in de stand van de techniek bekend is dat deze stoffen de thermisch isolerende en mechanische eigenschappen van het geëxpandeerde polystyreen gunstig beïnvloeden. We hebben immers verrassenderwijs vastgesteld dat de thermisch isolerende en mechanische eigenschappen (met name de druksterkte) van het lichtgewicht, isolerende beton volgens de uitvinding veel meer dan verwacht toenemen door het gebruik van met grafiet of koolstof beladen geëxpandeerd polystyreen in plaats van niet met grafiet of koolstof beladen geëxpandeerd polystyreen. Hiervoor is geen redelijke verklaring gevonden maar verondersteld wordt, zonder het lot van deze uitvinding aan een theorie of verklaring te willen verbinden, dat het bindmiddel dat aan de raakpunten van de homogenere bolstapeling van geëxpandeerde polystyreen geconcentreerd is, beter interageert met het grafiet of de koolstof van het met grafiet of koolstof beladen geëxpandeerde polystyreen.

Dergelijk met grafiet of koolstof beladen geëxpandeerd polystyreen kan worden vervaardigd volgens de werkwijze beschreven in WO 2006061571, met name door extrusie van het polystyreen in gesmolten toestand samen met een blaasmiddel en grafiet of koolstof, eerst bij temperatuur en een druk die expansie van de samenstelling verhinderen en vervolgens bij atmosferische druk waardoor de samenstelling expandeert tot een homogeen mengsel van grafiet of koolstof en polystyreen met de gewenste bulkdichtheid. Met grafiet of koolstof beladen expandeerbare polystyreenkorrels zijn ook in de handel te verkrijgen onder de handelsbenamingen EPS Silver en Neopor (EPS Silver en Neopor zijn merknamen van INEOS respectievelijk BASF).

De gewenste buikdichtheid van het al dan niet met grafiet of koolstof beladen geëxpandeerd polystyreen bedraagt 5 tot 100 kg/m3 en bijvoorkeur 10 tot 50 en in het bijzonder 15 tot 30 kg/m3. Van belang is evenwel dat minstens 95% van het geëxpandeerd polystyreen een diameter heeft gelegen tussen de 2,0 en 4,0 mm, bijvoorkeur tussen 2,5 en 3,5 mm teneinde de gunstige mechanische en thermische isolatie-eigenschappen van het lichtgewicht, isolerende beton volgens de uitvinding te bekomen.

Het bindmiddel is bij voorkeur een hydraulisch bindmiddel, een substantie die in aanwezigheid van water reageert en verhardt en dit even goed onder water als aan de lucht - als gevolg van de luchtvochtigheid - en die bovendien na de verharding niet meer oplost in water. Het bekendste hydraulische bindmiddel is cement, in bijzonderheid het in de vaktaal bekende Portlandcement. Portlandcement bestaat voor minimaal 90% uit Portlandklinker, voor maximaal 5% uit gips (waardoor de uithardingstijd bepaald wordt), en voor 5% uit andere toeslagstoffen.

Gips lost wel terug op in water en is geen hydraulisch bindmiddel maar niethydraulische bindmiddelen en met name gips kunnen evenwel in specifieke, lichtgewicht, isolerend betontypes volgens deze uitvinding voor specifieke, doorgaans vochtvrije toepassingen worden aangewend.

De voorkeur wordt echter gegeven aan het hydraulische bindmiddel cement. Cement, dat voornamelijk uit calciumwaterstofsilicaat bestaat, is een snelhardend bindmiddel dat doorgaans gebruikt voor bouwwerken en voornamelijk als grondstof voor beton en metselspecie. Het is een fijngemalen materiaal dat na mengen met water en toeslagstoffen een plastische massa vormt die zowel onder water als in de buitenlucht verhardt. Met cement kunnen daartoe geschikte materialen met inbegrip van natuurlijke toeslagstoffen zoals zand en grind maar ook artificiële toeslagstoffen zoals geëxpandeerd polystyreen tot een, ook in water, stabiele massa gebonden worden.

De schuimvormer is de samenstelling volgens onderhavige uitvinding is een oppervlakteactieve stof of een mengsel van oppervlakte actieve stoffen, bijvoorkeur een mengsel van Kationische en niet-ionische oppervlakteactieve stoffen. Kationische oppervlakteactieve stoffen kunnen geselecteerd worden uit gesubstitueerde of geëthoxyleerde kwaternaire ammoniumverbindingen of primaire of secundaire amines met een hydrofobe staart zoals een alkylsubstituent van 8 tot 18 koolstofatomen. De niet-ionische oppervlakteactieve stof is bijvoorkeur een geëthoxyleerde primaire of secundaire alcohol of een nonylfenol-ethyleendioxydecondensaat.

Zoals natuurlijke toeslagstoffen kan het geëxpandeerd polystyreen met bindmiddel, schuimvormer en eventuele andere hulpstoffen vrijwel door middel van standaardtechnieken in het lichtgewicht, isolerend beton volgens deze uitvinding worden verwerkt. Een bijzonder gunstige uitvoeringsvorm betreft evenwel een werkwijze die gekenmerkt wordt doordat geëxpandeerd polystyreen, waarvan minstens 95% een diameter heeft gelegen tussen 2,0 en 4,0 mm, bijvoorkeur tussen 2,5 en 3,5 mm, schuimvormer, bindmiddel, water en eventuele andere toeslagstoffen in hun correcte dosering door middel van een klassieke batch menginstallatie gemengd worden en het mengsel gedurende enige tijd rust of ontspant alvorens het lichtgewicht, isolerende beton wordt gestort of gegoten. Door het laten rusten of ontspannen van het batch mengsel van geëxpandeerd polystyreen, schuimvormer, bindmiddel, water en eventuele andere toeslagstoffen lijkt het alsof het geëxpandeerde polystyreen langzaam naar een homogene bolstapeling evolueert, minuscule luchtbellen onder invloed van schuimvormer tot grotere luchtbellen samensmelten in de vorm van een homogeen verdeeld rooster in de bolstapeling van het geëxpandeerde polystyreen, het bindmiddel onder invloed van schuimvormer naar de raakpunten van de bolstapeling van het geëxpandeerde polystyreen migreert en het mengsel als geheel stabiliseert. De rust of ontspanning van het batch mengsel varieert tussen de 10 seconden en 5 minuten maar het grootste effect is reeds zichtbaar vanaf 30 seconden tot ongeveer 60 seconden.

Het lichtgewicht, isolerende beton met geëxpandeerd polystyreen volgens deze uitvinding wordt thans nader toegelicht aan de hand van enkele concrete voorbeelden die geenszins de beschermingsomvang beperken maar de uitvinding illustreren.

Voorbeeld :

Verscheidene samenstellingen van lichtgewicht, isolerend beton met geëxpandeerd polystyreen werden vervaardigd door middel van een klassieke met elektriciteit aangedreven betonmenger voorzien van een elektronische weeg- en doseerinrichting. Portlandcement, water, schuimvormer (een mengsel van geëthoxyleerde kwaternaire ammoniumverbindingen en een geëthoxyleerd primair alcohol in een verhouding 3:1) en geëxpandeerd polystyreen werden gedurende 5 minuten in de hierna aangegeven dosering gemengd, gedurende 60 seconden ontspannen en vervolgens met behulp van een houten kader in een laag lichtgewicht, isolerend beton van 10 cm dikte gegoten. De hoeveelheden schuimvormer en water werden gelijk gehouden, de hoeveelheid cement en het type geëxpandeerd polystyreen varieerde naargelang de batch.

Na 3 dagen uitdrogen werden λ-waarde en druksterkte volgens klassieke meetmethodes gemeten.

Samenstellingen en resultaten :

Uit huidig voorbeeld blijkt zonder meer dat de laagste λ-waarde wordt bereikt in batch 6 door gebruik van met koolstof beladen geëxpandeerd polystyreen van het type EPS Silver (Ineos) waarvan minstens 95% een diameter heeft gelegen tussen 2,5 en 3,5 mm en een in verhouding tot de referentie (batch 1) minimale hoeveelheid cement. Met een identieke hoeveelheid cement (batch 7) is de λ-waarde nog steeds significant minder dan de referentie (batch 1) maar is de druksterkte veel hoger.

Claims

CONCLUSIES :

1. Lichtgewicht, isolerend beton omvattende bindmiddel, schuimvormer en geëxpandeerd polystyreen, met het kenmerk dat minstens 95% van het geëxpandeerd polystyreen een diameter heeft gelegen tussen 2,0 en 4,0 mm en dat het geëxpandeerd polystyreen minstens 90% van natuurlijke toeslagstoffen van beton vervangt.
2. Lichtgewicht, isolerend beton volgens conclusie 1, met het kenmerk dat minstens 95% van het geëxpandeerd polystyreen een diameter heeft gelegen tussen 2,5 en 3,5 mm.
3. Lichtgewicht, isolerend beton volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk dat het geëxpandeerd polystyreen een met koolstof beladen geëxpandeerd polystyreen is.
4. Lichtgewicht, isolerend beton volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk dat het geëxpandeerde polystyreen het expansieproduct is van expandeerbare polystyreenkorrels vervaardigd door extrusie van gesmolten polystyreen met koolstof en een blaasmiddel.
5. Lichtgewicht, isolerend beton volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk dat het geëxpandeerd polystyreen 0,05 tot 5 gewichtsprocent, bijvoorkeur 0,1 tot 5 gewichtsprocent koolstof bevat.
6. Lichtgewicht, isolerend beton volgens één der conclusies 1 tot 5, met het kenmerk dat het geëxpandeerd polystyreen alle natuurlijke toeslagstoffen van beton vervangt.
7. Lichtgewicht, isolerend beton volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk dat het bindmiddel een hydraulisch bindmiddel is, bijvoorkeur cement.
8. Lichtgewicht, isolerend beton volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk dat de schuimvormer een mengsel is van een kationische en nietionische oppervlakteactieve stoffen.
9. Lichtgewicht, isolerend beton volgens conclusie 8, met het kenmerk dat de kationische oppervlakteactieve stof geselecteerd wordt uit gesubstitueerde kwaternaire ammoniumverbindingen, geëthoxyleerde kwaternaire ammoniumverbindingen en primaire of secundaire amines.
10. Lichtgewicht, isolerend beton volgens conclusie 8, met het kenmerk dat de nonionische oppervlakteactieve stof geselecteerd wordt uit geëthoxyleerde primaire alcoholen, geëthoxyleerde secundaire alcoholen en nonylfenol-ethyleend ioxydecondensaten.
11. Werkwijze voor het vervaardigen van een lichtgewicht, isolerend beton met geëxpandeerd polystyreen, gekenmerkt doordat geëxpandeerd polystyreen, waarvan minstens 95% een diameter heeft gelegen tussen 2,0 en 4,0 mm, bijvoorkeur tussen 2,5 en 3,5 mm, met schuimvormer, bindmiddel, water en eventuele andere toeslagstoffen gemengd wordt en het mengsel gedurende 10 tot 300 seconden, bijvoorkeur gedurende 30 seconden tot 60 seconden rust alvorens het lichtgewicht, isolerende beton te storten.