Komplexní hodnocení vlastností přírodních izolačních materiálů z technického konopí určených do podlah
Příspěvek se věnuje komplexnímu hodnocení vlastností izolací na bázi technického konopí, které je možné použít do konstrukce plovoucích podlah, a to především z pohledu akustickoizolačních vlastností a dále pak i z pohledu celkových užitných vlastností takto vytvořených plovoucích podlah.
1. Úvodem
V současné době dochází v EU k průběžnému zvyšování poptávky po nových ekologických materiálech na bázi rychle obnovitelných přírodních materiálů. Uplatnění těchto materiálů je nejen v oblasti nových, nízkoenergetických a pasivních staveb, ale také v oblasti staveb stávajících, zejména při jejich rekonstrukcích. Oproti dnes běžně používaným izolacím tyto přírodní izolační materiály vynikají svými akustickými vlastnostmi, které lze optimálně využít také pro izolace do plovoucích podlah.
U vodorovných stavebních konstrukcí (konstrukce podlah) je rozhodujícím akustickoizolačním parametrem kročejová neprůzvučnost. Ve stavbě vzniká kročejový hluk na stropní konstrukci chůzí, respektive nárazy na podlahovou konstrukci vyššího patra stavby. Kročejová neprůzvučnost je charakterizována hladinou akustického tlaku v přijímací místnosti pod stropní konstrukcí. Pro utlumení dynamických kmitů je proto nutné užít materiál s vysokou pružností, který kmity utlumuje. Charakteristickou veličinou, která tuto vlastnost popisuje, je dynamická tuhost.
V současné době došlo k revizi ČSN 73 0532 Akustika - Ochrana proti hluku v budovách a posuzování akustických vlastností stavebních výrobků - Požadavky, přičemž došlo ke zpřísnění požadavků jak v oblasti vzduchové neprůzvučnosti, tak v oblasti neprůzvučnosti kročejové.
Akustickoizolační materiál používaný do konstrukce plovoucí podlahy by měl dále vykazovat dobré mechanické vlastnosti, kde je určující vlastností napětí při 10% deformaci. Dále pak nízkou hodnotu součinitele tepelné vodivosti, obzvláště pokud tento materiál plní v konstrukci i funkci tepelněizolační. V neposlední řadě by měl také materiál vykazovat příznivou hodnotu činitele zvukové pohltivosti, aby dělicí konstrukce vykazovala příznivé hodnoty i v oblasti vzduchové neprůzvučnosti.
2. Alternativní akustickoizolační materiály na bázi technického konopí
Stavební materiály na přírodní bázi se v současné době těší stále větší oblibě mezi investory. Nové úrovně na poli technologie stavebních hmot umožnily vývoj nových druhů stavebních materiálů na bázi obnovitelných přírodních surovinových zdrojů, které disponují vlastnostmi srovnatelnými s klasickými materiály, na anorganické, případně polymerní bázi. V případě tepelně a akustickoizolačních materiálů lze tvrdit, že přírodní materiály byly pro dané aplikace používány od počátku výstavby lidských obydlí. Tyto materiály byly postupně vytlačovány novými syntetickými materiály, které vykazovaly lepší užitné vlastnosti a často i vyšší trvanlivost (v daných aplikacích). V současnosti je však díky novým technologiím možné vyrábět nové druhy pokročilých izolačních materiálů na bázi přírodních surovinových zdrojů, které disponují velmi dobrými užitnými vlastnostmi a představují plnohodnotnou náhradu za syntetické izolační materiály na bázi minerální vlny, pěnového polystyrenu atd.
Na VUT v Brně probíhá řadu let výzkum tepelně a akustickoizolačních materiálů na bázi surovin pocházejících ze zemědělství, jako je technické konopí, len nebo juta. V příspěvku jsou prezentovány výsledky studia vlastností pazdeřo-konopných desek tepelné izolace, které jsou vyrobeny z konopných vláken, konopného pazdeří a polyesterových bikomponentních vláken.
Konkrétní složení zkušebních vzorků je následující:
- konopná vlákna: 45 %,
- konopné pazdeří: 40 %,
- bikomponentní vlákna: 15 %.
Zkušební vzorky byly vyrobeny na výrobní lince firmy CANABEST lisováním za zvýšené teploty cca 150 °C v tloušťkách:
- vzorek 1: 20 mm,
- vzorek 2: 40 mm,
- vzorek 3: 60 mm,
- vzorek 4: 100 mm.
3. Vyhodnocení experimentů
Z vyrobených materiálů byly připraveny zkušební vzorky:
- o rozměru 200 x 200 mm pro stanovení fyzikálních a mechanických vlastností,
- o rozměru 300 x 300 mm pro stanovení tepelně izolačních vlastností,
- kruhového tvaru o průměru 100 a 30 mm pro stanovení akustických a difúzních vlastností.
Na zkušebních vzorcích byla provedena série laboratorních měření, jejichž cílem bylo stanovení základních vlastností, které jsou významné z pohledu užití izolačních materiálů do konstrukcí plovoucích podlah. Bylo provedeno stanovení následujících vlastností:
- Tloušťka (dle ČSN EN 12431),
- Objemová hmotnost (dle ČSN EN 1602),
- Součinitel tepelné vodivosti (dle ČSN 707012, ČSN EN 12667),
- Napětí při 10% deformaci (dle ČSN EN 826),
- Pevnost v tahu kolmo k rovině desky (dle ČSN EN 1607),
- Činitel zvukové pohltivosti (dle ČSN ISO 10534),
- Dynamická tuhost (dle ČSN ISO 9052-1).
3.1 Stanovení fyzikálních vlastností
Objemová hmotnost je jedním z význačných aspektů ovlivňujících tepelněizolační, akustické i fyzikálně-mechanické vlastnosti izolačních materiálů. Vlastnosti izolačních materiálů jsou však také velice silně ovlivněny tloušťkou, především v případě akustických vlastností. Z tohoto důvodu byla provedena studie vlastností akustické izolace na bázi technického konopí u zkušebních vzorků různých tloušťek.
Stanovení tloušťky a objemové hmotnosti bylo provedeno na vzorcích o rozměrech 200 x 200 mm dle citovaných ČSN EN 12431 a ČSN EN 1602. Výsledky měření jsou zachyceny v následující tabulce:
| Označení vzorku | Výrobní tloušťka [mm] | Tloušťka dle ČSN EN 12431 [mm] | Objemová hmotnost [kg.m-3] |
|---|---|---|---|
| Vzorek 1 | 20 | 20,0 | 134,40 |
| Vzorek 2 | 40 | 41,2 | 114,75 |
| Vzorek 3 | 60 | 59,4 | 108,06 |
| Vzorek 4 | 100 | 99,2 | 111,75 |
Tab. 1: Přehled naměřených hodnot tlouštěk a objemových hmotností u zkušebních vzorků akustických
izolací z technického konopí
Nejvyšší objemová hmotnost byla naměřena u vzorku č. 1 s tloušťkou 20 mm (134,4 kg. m-3), v daném případě se jedná pravděpodobně o vliv způsobu výroby materiálu, kdy při vrstvení částic konopného pazdeří dochází, při menší tloušťce výrobku, k lepší orientaci částic, což vede ke zvýšení objemové hmotnosti při konstantním výrobním přítlaku.
3.2 Stanovení tepelněizolačních vlastností
Pro materiály používané do plovoucích podlah je jednou z důležitých vlastností hodnota součinitele tepelné vodivosti, a to především v případech, kdy se podlaha nachází mezi dvěmi prostory s různou návrhovou teplotou prostředí. Hodnoty součinitele tepelné vodivosti byly stanoveny pro teplotu 10 °C při teplotním spádu 10 °C stacionární metodou desky. Bylo použito přístroje Lambda 2300. Z technických důvodů bylo měření provedeno na zkušebních vzorcích do tloušťky 60 mm. Měření bylo provedeno na zkušebních vzorcích tvaru desky o rozměru 300 x 300 mm ve stavu normální laboratorní vlhkosti a následně po vysušení při teplotě 105 °C do konstantní hmotnosti. Výsledky měření jsou uvedeny v následující tabulce a grafu:
| Označení vzorku | Výrobní tloušťka [mm] |
Vlhkost [%hm] |
Součinitel tepelné vodivosti [W.m-1.K-1] |
Vlhkost [%hm] | Součinitel tepelné vodivosti [W.m-1.K-1] |
|---|---|---|---|---|---|
| za stavu laboratorní vlhkosti | ve vysušeném stavu | ||||
| Vzorek 1 | 20 | 2,5% | 0,0369 | 0 | 0,0359 |
| Vzorek 2 | 40 | 3,7% | 0,0417 | 0 | 0,0407 |
| Vzorek 3 | 60 | 4,0% | 0,0416 | 0 | 0,0405 |
Tab. 2: Přehled naměřených hodnot součinitele tepelné vodivosti ve stavu laboratorní vlhkosti
a po vysušení u zkušebních vzorků akustických izolací z technického konopí
Graf 1: Přehled naměřených hodnot součinitelů tepelné vodivosti u zkušebních vzorků akustických
izolací z technického konopí
Zjištěné hodnoty tepelných vodivostí se pohybovaly v rozmezí od 0,0369 do 0,0417 W.m-1.K-1 za laboratorní vlhkosti a od 0,0359 do 0,0407 W.m-1.K-1 po vysušení. Nejpříznivější hodnota tepelné vodivosti byla zjištěna u vzorku č. 1 s výrobní tloušťkou 20 mm. V daném případě se jedná o příznivý vliv lepší orientace částic (kolmo na směr tepelného toku) a vyšší objemové hmotnosti.
3.3 Stanovení mechanických vlastností
Mezi klíčové parametry izolačních materiálů do plovoucích podlah patří mechanické vlastnosti, které jsou většinou vyjádřeny napětím při 10% deformaci a pevností v tahu kolmo k rovině desky. Stanovení mechanických vlastností bylo provedeno na vzorcích tvaru desky o rozměrech 200 x 200 mm dle citovaných ČSN EN 826 a ČSN EN 1607. Výsledky měření jsou uvedeny v následující tabulce a grafu:
| Označení vzorku | Výrobní tloušťka [mm] | Napětí při 10% deformaci [kPa] | Pevnost v tahu [kPa] |
|---|---|---|---|
| Vzorek 1 | 20 | 30,4 | 55,0 |
| Vzorek 2 | 40 | 41,8 | 11,3 |
| Vzorek 3 | 60 | 26,7 | 11,3 |
| Vzorek 4 | 100 | 25,1 | 7,5 |
Tab. 3: Přehled naměřených hodnot mechanických vlastností u zkušebních vzorků akustických izolací
z technického konopí
Graf 2: Přehled naměřených hodnot mechanických vlastností u zkušebních vzorků akustických izolací z technického konopí
Nejlepší mechanické vlastnosti z pohledu napětí při 10% deformaci vykazovaly vzorky 1 a 2, přičemž v obou případech byla zjištěna hodnota napětí při 10% deformaci vyšší než 30 kPa.
3.4 Stanovení akustických vlastností
Nejdůležitější vlastností u izolačních materiálů s použitím pro plovoucí podlahy je dynamická tuhost. Dynamická tuhost byla zkoušena rezonanční metodou na vzorcích tvaru desky o rozměrech 200 x 200 mm dle citované ČSN ISO 9052-1.
Další důležitou vlastností u izolační materiálů používaných do dělicích konstrukcí je činitel zvukové pohltivosti. Hodnota činitele zvukové pohltivosti byla stanovena na kruhových vzorcích o průměru 100 a 30 mm dle ČSN ISO 10534 v třetinooktávových pásmech. Pro vzájemné porovnání naměřených hodnot byla výpočtově stanovena hodnota váženého činitele zvukové pohltivosti dle ČSN EN ISO 11654. Z technických důvodů bylo měření provedeno u zkušebních vzorků do tloušťky 60 mm.
Výsledky měření jsou uvedeny v následující tabulce a grafu:
| Označení vzorku | Výrobní tloušťka [mm] | Dynamická tuhost [MPa.m-1] | Vážený činitel zvukové pohltivosti [-] |
|---|---|---|---|
| Vzorek 1 | 20 | 12,47 | 0,95 |
| Vzorek 2 | 40 | 6,50 | 0,90 |
| Vzorek 3 | 60 | 4,61 | 0,95 |
| Vzorek 4 | 100 | 3,30 | - |
Tab. 4: Přehled naměřených hodnot akustických vlastností u zkušebních vzorků akustických izolací
z technického konopí
Graf 3: Přehled naměřených hodnot akustických vlastností u zkušebních vzorků akustických izolací z technického konopí
Jak je z výsledků patrné, zkušební vzorky vykazují velmi dobré akustické vlastnosti jak v oblasti zvukové pohltivosti, tak i v oblasti dynamické tuhosti. Dynamická tuhost se u zkušebních vzorků zvyšuje se snižující se tloušťkou, přičemž ve všech případech byla zjištěna velmi nízká hodnota dynamické tuhosti a všechny zkušební vzorky je možné dle ČSN 73 0532 klasifikovat jako dynamicky měkké.
4. Závěr
Na vzorcích izolací na bázi technického konopí byly stanoveny základní fyzikální, tepelněizolační, mechanické a akustické vlastnosti. Bylo zjištěno, že vlastnosti izolačních desek z technického konopí jsou plně srovnatelné s vlastnostmi běžných izolačních desek z jiných typů materiálů.
| Vzorek | Tloušťka | Objemová hmotnost | Tepelná vodivost1) | Tepelná vodivost2) | Napětí při 10% deformaci | Pevnost v tahu | Dynamická tuhost | Vážený činitel zvukové pohltivosti |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| [mm] | [kg.m-3] | [W.m-1.K-1] | [W.m-1.K-1] | [kPa] | [kPa] | [MPa.m-1] | [-] | |
| 1 | 20,0 | 134,4 | 0,0369 | 0,0359 | 30,43 | 55,00 | 12,47 | 0,95 |
| 2 | 41,2 | 114,8 | 0,0417 | 0,0407 | 41,78 | 11,25 | 6,50 | 0,90 |
| 3 | 59,4 | 108,1 | 0,0416 | 0,0405 | 26,69 | 11,25 | 4,61 | 0,95 |
| 4 | 99,2 | 111,8 | 0,0369 | 0,0359 | 25,14 | 7,50 | 3,30 | - |
| 1) Hodnota součinitele tepelné vodivosti za laboratorní vlhkosti 2) Hodnota součinitele tepelné vodivosti ve vysušeném stavu |
||||||||
Tab. 5: Přehled naměřených hodnot u jednotlivých zkušebních vzorků
Z pohledu izolačních materiálů používaných do konstrukcí plovoucích podlah lze tvrdit, že izolační materiály na bázi technického konopí disponují velmi dobrým poměrem mechanických a akustickoizolačních vlastností. Další nespornou výhodou je skutečnost, že jsou tyto materiály vyrobeny z přírodních snadno obnovitelných surovin pocházejících ze zemědělství. V neposlední řadě tyto materiály disponují velmi dobrými tepelněizolačními vlastnostmi (především v tloušťce 20 mm). Proto lze závěrem tvrdit, že akustickoizolační materiály na bázi technického konopí tvoří zajímavou a plnohodnotnou alternativu ke klasickým materiálům, jako je například minerální vlna nebo pěnový polystyren.
Příspěvek vznikl za podpory projektu GAČR 103/08/P265 a projektu Specifického vysokoškolského výzkumu na VUT v Brně č. FAST-S-10-2/13.
Currently, in the EU, the demand for new organic materials based on rapidly renewable natural sources is increasing. These materials are not only used for the new low energy and passive buildings, but also in existing buildings, specially during their renovations. Unlike those commonly used today, these natural materials have acoustic insulation properties, which make them ideal to be used on the insulation of floating floors. The paper deals with a comprehensive assessment of the insulation properties of hemp based materials, which can be used in floating floors, specially in terms of their acoustic insulation properties and also in terms of the total utility properties of these floating floors.