Vliv styrenu na mechanické vlastnosti polymerní hmoty pro bezvýkopovou sanaci kanalizačních řadů

V rámci vývoje receptur, kterými se následně polymerní rukávce sytí, je zkoumán především vliv na mechanické vlastnosti celého kompozitu. Mezi zkoumané mechanické parametry patří především modul pružnosti v ohybu, napětí při prvním porušení, deformace ohybem, ale i soudržnost výstelky k potrubí. V rámci práce bylo zjištěno, že pokles mechanických vlastností u bezstyrenové varianty není tak výrazný, aby znemožňoval její efektivní použití v kompozitu. Článek zvítězil v soutěži Mezinárodní doktorské konference stavebního inženýrství JUNIORSTAV na VUT v Brně.

1. Úvod

CIPP – v překladu potrubí vytvrzované na místě – je v podstatě výstelka stávajícího potrubí, kterou tvoří dutý válec obsahující netkaný nebo tkaný textilní materiál. Může to být plstěná vrstva impregnovaná vytvrzenou termosetovou pryskyřicí. Tato nová vložka CIPP je vytvořena uvnitř existujícího potrubí s geometrií těsně přiléhající ke stávajícímu potrubí [1].

Pryskyřice je impregnována skrz textilní vrstvy vložek CIPP ve specializovaném zařízení; pak se vložky instalují pomocí inverze, nebo tahem technikou umístěnou přímo na staveništi do sanované části stávajícího potrubí. Nejběžnější termosetové pryskyřice používané pro kanalizaci je nenasycené polyesterová a vinylesterová pryskyřice [2]. Celý kompozit se skládá z textilní výstelky – rukávce a polymerní hmoty, samotná polymerní hmota je složena z polymerního pojiva, primárního plniva (nejčastěji mikromletý vápenec) a případně druhotného plniva. Vlivem vzrůstající poptávky po ekologičtějším řešení je na trh uvedena polyesterová pryskyřice bez styrenu. Tato pryskyřice se dodává i jako pojivo vhodné pro metodu CIPP. V rámci článku bude posuzován vliv použití polyesterové pryskyřice ve srovnání s pryskyřici se styrenem především na mechanické vlastnosti celého kompozitu, do kterého budou již začleněny i druhotné suroviny.

2.Literární přehled/popis současného stavu

Materiály pro metodu CIPP zahrnují termosetovou pryskyřicí (obecně pojivo), nosnou výztužnou vložku (výztuhu) a speciální plniva, která ovlivňují vlastnosti výrobku (plniva, přísady a příměsi). Nasycená vložka se vytvrzuje po její instalaci na místě za horka, vodou nebo párou nebo ultrafialovým světlem, což vede k výslednému produktu CIPP [3]. Metoda CIPP je využívaná především pro sanaci kanalizačního potrubí, které má specifické podmínky. Vložka CIPP je vystavena specifickému chemickému, mechanickému a biologickém namáhání. Požadavky na polymerní hmotu pro sanaci kanalizací můžeme rozdělit na dvě základní skupiny, a to na normované a nenormované/technologické. V rámci požadavků na celkovou hmotu je nutné brát v úvahu i samotné požadavky na vstupní suroviny – plniva a pojiva pro polymerní hmotu, kterou se následně rukávec nasycuje. Mezi nejdůležitější sledované parametry používaných pojiv patří chemická odolnost, odolnost proti mechanickému obrusu, adhezní vlastnosti a schopnost penetrace do struktury použitého rukávce. Pro použité pojivo je rozhodující především chemická odolnost. Ale i chemicky odolná plniva přispívají ke zlepšení chemické odolnosti celého kompozitu. Plnivo by mělo být v zásadě inertní vůči pojivu, aby nedocházelo k nežádoucím reakcím a výsledná hmota byla dobře vytvrzená. Mezi další důležité parametry plniva patří granulometrie a rozdispergovatelnost částic. Avšak některá plniva se mohou s výhodou využít i k ovlivnění chemických reakcí.

Při manipulaci s hmotou jsou podstatné nenormované technologické požadavky, které zajištují důležité vlastnosti pro zhotovitele. Tyto požadavky lze rozdělit do několika základních skupin – nasycení vložky a s tím související zpracovatelnost, vliv použitého pojiva a doba i způsob vytvrzování polymerní hmoty [4], [1], [3].

Polyesterové nebo vinylesterové pryskyřice na bázi styrenu patří mezi nejvyužívanější pojiva pro vložky CIPP. Testování ukázalo, že použití pryskyřic na bázi styrenu v procesu CIPP nepředstavuje zdravotní riziko pro pracovníky. Úrovně expozice styrenu pro pracovníky CIPP a veřejnost jsou hluboko pod prahovými hodnotami stanovenými Správou bezpečnosti a ochrany zdraví při práci. Ale existují některé aplikace CIPP, pro které se pryskyřice na bázi styrenu nedoporučují, nebo jejich použití není povoleno (podnikání spojené s rekonstrukcí linky a limity vypouštění styrenu nebo jiných těkavých organických sloučenin nebo nebezpečných látek znečišťujících ovzduší). Polyesterové pryskyřice na bázi bisfenol fumarátu nabízejí vysokou odolnost vůči žíravým a oxidačním prostředím, což z nich činí primární volbu pro kanalizační potrubí vyžadující vysoký stupeň chemické a teplotní odolnosti. Tento typ pryskyřice je však vysoce reaktivní a může trpět na puchýřky v membráně vystýlky nebo změnou barvy ve vložce, které vytváří nežádoucí vzhled [5], [6].

Obecné požadavky na plniva lze obecně shrnout do několika bodů. Je třeba vybírat plniva tak, aby jejich následná úprava nebyla ekonomicky náročná. Pro snížení ekonomické náročnosti je rozhodující nutnost a náročnost předúpravy plniva. Dalším rozhodujícím kritériem je adheze polymerního pojiva k vybranému plnivu, nebo stupeň naplnění. Výběr plniva nám následně ovlivní i mechanické a fyzikální parametry kompozitu, s čímž je nutné při výběru plniva počítat. Při volbě druhotných surovin je kladen důraz na dostupnost a využitelnost plniva. Také je nutno z ekonomického hlediska zohlednit výhledovou dostupnost zvolené suroviny. Kvalita plniva je jedním ze základních kritérií výběru. Kvalitou je myšlen zejména poměr příměsí vůči hlavní složce plniva, jeho vlhkost, obsažené toxické látky, těžké kovy atd. Velmi důležitá je také chemická stabilita, plnivo musí být inertní vůči matrici polymeru. S měnící se kvalitou surovin přímo souvisí i kvalita výsledné polymerní hmoty [7].

V současné době není využití druhotných surovin pro metodu CIPP moc využívané. Cílovým parametrem je ale přiblížení se svými charakteristickými vlastnostmi k plnivu primárním, pro metodu CIPP je nejvíce využívaný mikromletý vápenec jakožto primární plnivo. Obecný požadavek na plniva z druhotných surovin je jejich snadné využití při přípravě kompozitu CIPP, který bude svými vlastnostmi srovnatelný s materiálem pro CIPP obsahující primární plniva [8].

Požadavky na polymerní hmotu pro metodu CIPP nalezneme v české harmonizované normě ČSN EN ISO 11296-4 v kombinaci s normou ASTM F1216-09, tato kombinace je volená z důvodu přísnějšího definování, například pevnosti v tahu za ohybu. Mezi základní zkoušené parametry spadá například: počáteční kruhová tuhost, krátkodobý modul pružnosti v ohybu, deformace při prvním porušení a napětí v ohybu při prvním porušení [9], [10].

3. Metodika

V návaznosti na předchozí zkoumání bylo navrženo několik receptur, které obsahují vhodný poměr primárního a druhotného plniva. Byly vytvořeny celkem 4 receptury, ve kterých bylo použito celkové plnění 25 %, plnivo vždy obsahovalo 20 % primární suroviny – mikromletého vápence a 80 % druhotné suroviny. Byly použity dva typy polyesterové pryskyřice – pryskyřice A s obsahem styrenu a B pryskyřice – eco bez styrenu. Kompletní receptury jsou vyjádřeny v Tab. 1.

Obr. 1 Korektně nasycená výstelka

Z připravených receptur byla namíchána polymerní hmota, kterou byly následně nasyceny textilní výstelky (Obr. 1). Výstelky byly syceny ručně pod tlakem, tak aby došlo k plnému prosycení. Následně byly takto připravené vzorky upevněny do forem, kde byly vystaveny teplotě 80 °C, a to po dobu 90 minut. Zpolymerizované vzorky poté zrály po dobu 7 dní v laboratorním prostředí. Takto nachystané vzorky (Obr. 2) byly vždy nařezány a připraveny pro jednotlivé zkoušení mechanických parametrů.

Obr. 2 Vytvrzené vzorky – polyesterová pryskyřice

Všechny vstupní suroviny byly vybrány na základě požadovaných vlastností a vhodnosti použití pro metodu CIPP.

Mechanické vlastnosti

Vzorky byly nařezány na požadované rozměry dle české normy ČSN EN ISO 178 – Plasty – Stanovení ohybových vlastností, která určuje délku vzorku na základě změřené šířky kompozitu [11]. Vytvrzené vzorky byly o šířce 11±1 mm, dle normy musí být délka vzorku rovna šestnáctinásobku kompozitní tloušťky. Stanovená délka vzorku byla 80 mm pro průměrnou tloušťku vzorku 5 mm. Vzdálenost podpor L byla pro všechny vzorky 64 mm. Zkušební tělesa byla před zkoušením uložena do laboratorního prostředí při laboratorní teplotě 21±1 °C a relativní vlhkosti 55 % po dobu 24 hodin před zkoušením. Takto připravené vzorky se vložily do hydraulického lisu, symetricky podle jejich podélné osy kolmo k podpěrám tak, aby se vnitřní povrch CIPP působením zatížení protahoval. Zkušební těleso bylo vystaveno tříbodovému ohybovému namáhání při konstantním zatížení. Z napětí a deformace zkušebního tělesa uprostřed mezi opěrami byl vypočítán krátkodobý modul pružnosti v ohybu a pevnost v ohybu při prvním porušení.

Obr. 3 Vzorky připravené ke zkoušce soudržnosti s betonovým podkladem

Obr. 4 Již nařezaná a připravená sada vzorků – PSIV eco

Soudržnost výstelky k potrubí

Pro stanovení soudržnosti rukávce k podkladu ve vlhkém prostředí byla použita upravená laboratorní metoda. Nejprve byla připravena zkušební tělesa, toto těleso se skládalo z betonového podkladu, který měl vlhkost 4 %, k němu byl tlakem připevněn nasycený rukávec. Poté následovalo vytvrzovaní, a to pomocí horké vody, teplota vody byla okolo 80 stupňů a čas vytvrzení 120 minut. Teprve po vytvrzení a následném zrání byla provedena odtrhová zkouška soudržnosti dle ČSN EN 1542 pomocí odtrhoměru Dyna Proceq Z16 [12].

4. Výsledky

Obr. 5 Grafické znázornění výsledků modulu pružnosti v ohybu pro zkoušené receptury

Obr. 6 Grafické znázornění výsledků napětí v ohybu při prvním porušení pro zkoušené receptury

Obr. 7 Grafické znázornění výsledků deformace ohybem při prvním porušení pro zkoušené receptury

Obr. 8 Grafické znázornění průměrné soudržnosti pro zkoušené receptury

5. Diskuse

Dle grafu (Obr. 5) dosahovaly receptury PSII – druhotné plnění čedičem a receptura PSIII eco – druhotné plnivo odpadní pěnové sklo (pojivo bez styrenu) nejvyššího modulu pružnosti v ohybu. Odpadní čedičová frita i odpadní pěnové sklo vykazují vysokou tvrdost a díky předem zvolené zrnitosti dobře zapadají do celkové matrice vystýlky, díky tomu zvyšují celkovou tuhost a dochází k menším deformacím. Zaznamenané výsledky napětí v ohybu při prvním porušení a deformace ohybem při prvním porušení pro jednotlivé receptury jsou uvedeny na Obr. 6 a Obr. 7. Celkově dochází po přidání druhotných surovin ke zlepšení mechanických vlastností – a to v maximálním plnění 25 % na rozdíl od studie lze tvrdit, že je možné zvýšit hmotnostní plnění druhotnými plnivy [13]. Při porovnání polyesterové pryskyřice se styrenem a bez styrenu, vychází lepší mechanické vlastnosti pro pryskyřice bez styrenu, tento výsledek je očekávatelný vzhledem k samotným vlastnostem pryskyřic. Z  technických listů vyplývá, že modul pružnosti pro samotnou pryskyřici se styrenem činí 3700 MPa a pro modifikovanou polyesterovou pryskyřici bez styrenu 3400 MPa.

Po přidání druhotných plniv je na posledním grafu (Obr. 8) zobrazena průměrná soudržnost k betonovému podkladu. Vyšší přídržnost vykazují obecně receptury s pryskyřicemi eco – tedy bez obsahu styrenu. Lze konstatovat že všechny receptury měly stejné a lepší výsledky než referenční receptura, která neobsahovala druhotná plniva. Nejvyšší přídržnosti s betonovým podkladem dosahovala receptura PSIII eco s výsledkem 1,84 MPa, tato receptura dosahovala o 68 % vyšší výsledků než referenční hmota.

6. Závěr

Navržené receptury s obsahem druhotných surovin lze rozdělit na směsi, kde byla použitá polyesterová pryskyřice a na eco receptury, kde byla použita polyesterová pryskyřice bez styrenu. Cílem bylo posoudit, zda má použití polyesterové pryskyřice bez styrenu významný vliv na receptury s 25% obsahem plniva.

Bylo potvrzeno, že použití polyesterové pryskyřice vyniká v soudržnosti s betonovým podkladem, což je pro aplikaci rukávců metodou CIPP jedna z podstatných vlastností. Druhotné plnivo obecně zlepšuje mechanické vlastnosti u obou typů receptur, což potvrzuje hypotézu, že přítomnost druhotných surovin s vyšším obsahem SiO₂ zlepšuje vlastnosti celého kompozitu.

Vyhodnocením mechanických vlastností u receptur s polyesterovou pryskyřici (bez styrenu i se styrenem) v polymerních hmotách s obsahem druhotných surovin, pro metodu CIPP, lze konstatovat, že obsah styrenu sice zlepšuje mechanické vlastností kompozitu, ale výsledky se významně neliší od výsledků při použití bezstyrenové pryskyřice. Použití bezstyrenové pryskyřice je pak jednoznačně ekologičtější řešení. A jak bylo prokázáno, pokles mechanických vlastností u bezstyrenové varianty není tak výrazný, aby znemožňoval efektivní použití této pryskyřice v kompozitu, který je určen pro bezvýkopovou sanaci kanalizačních řádů metodou CIPP.

Poděkování

Tento příspěvek vznikl za podpory projektu Interní Grantové Agentury Vysokého učení technického v Brně, projektu specifického výzkumu číslo FAST-J-22-8031 „Studium polymerních materiálů pro bezvýkopovou sanaci kanalizačních potrubí se zvýšenou chemickou odolností a s obsahem druhotných surovin“.

Použité zdroje

1. ASTM International. Standard Practice for Rehabilitation of Existing Pipelines and Conduits by the Inversion and Curing of a Resin-Impregnated Tube. 2009. [online]. , 12 [cit. 2022-5-17].
2. WOOK, Hyun, Sung SOO YOO a Dan DAEHYUN KOO. The Mechanical Properties of High Strength Reinforced Cured-in-Place Pipe (CIPP) Liner Composites for Urban Water Infrastructure Rehabilitation [online]. , 12 [cit. 2022-5-25].
3. DIOGO, A. F., BARROS, L. T., SANTOS, J., & TEMIDO, J. S. (2018). An effective and comprehensive model for optimal rehabilitation of separate sanitary sewer systems. Science of The Total Environment, 612, 1042–1057.
   https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2017.08.315.
4. KAUSHAl, V., & NAJAFI, M. (2020). Comparative Assessment of Environmental Impacts from Open-Cut Pipeline Replacement and Trenchless Cured-in-Place Pipe Renewal Method for Sanitary Sewers. Infrastructures, 5(6), 48. https://doi.org/10.3390/infrastructures5060048.
5. STANLEY R. Resin Formulations – What’s Added To Enhance The Resin & What’s Added to Cut Supplier Costs. [cit. 2020-02-07].
6. MOORE, William. Non-Styrene Options For CuredIn Place Pipe [online]. February 2-4, 2011[cit.2020-12 27]. Dostupné z: https://webcache.googleusercontent.com/search?q=cache:kbUji8gCXxkJ:https://www.aoc-resins.com/pdf/tech-non-styrene-optionscipp.pdf+&cd=1&hl=cs&ct=clnk&gl=cz.
7. JAKUBÍKOVÁ, Karolína. Návrh nových hmot pro sanaci inženýrských sítí metodou CIPP, Brno, 2019. xx s. Bakalářské práce. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, Ústav technologie hmot a dílců. Vedoucí práce prof. Ing. Rostislav Drochytka CSc., MBA, dr. h. c.
8. WILEY, David. Why Maximum CIPP Adhesion is Critical to Pipe Lining Success [online]. Nov 23, 2016 [cit. 2020-12-28]. Dostupné z: https://www.nuflowmidwest.com/why-maximum-cipp-adhesion-is-critical-to-pipe-lining-success/.
9. ASTM F1216-16. Standard Practice for Rehabilitation of Existing Pipelines and Conduits by the Inversion and Curing of a Resin-Impregnated Tube.
10. ČSN EN ISO 11296-4 plastové potrubní systémy pro renovace beztlakových kanalizačních přípojek a stokových sítí uložených v zemi – Část 4: Vyvložkování trubkami vytvrzovanými na místě.
11. ČSN EN ISO 178 Plasty – Stanovení ohybových vlastností, 11/2019n. l.. 64 0607.
12. ČSN EN 1542 – Výrobky a systémy pro ochranu a opravy betonových konstrukcí – Zkušební metody - Stanovení soudržnosti odtrhovou zkouškou, 2000, 7321.
13. MAJEROVÁ, Jana, Rostislav DROCHYTKA, Radek HERMANN a Petr FIGALA. Možnosti využití odpadních látek v systémech bezvýkopových renovací potrubí. In: Juniorstav 2022 – sborník příspěvků [online]. Vysoké učení technické v Brně,Fakulta stavební, 2021, s. 502-507 [cit. 2022-10-19]. ISBN 978-80-86433-76-9.
    https://doi.org/10.13164/juniorstav.2022.502.