Żywiczne posadzki w przemyśle spożywczym

Posadzki żywiczne stosowane w przemyśle spożywczym jako okładziny ochronne płyt betonowych muszą spełniać jednocześnie wiele wygórowanych kryteriów, które często są bardziej rygorystyczne aniżeli wymagania stawiane posadzkom w innych gałęziach przemysłu. Technologie wykorzystywane w procesach przetwórstwa spożywczego niejednokrotnie stanowią kombinację czynników degradujących posadzki, tworząc wysoce agresywne środowisko, któremu nie są w stanie sprostać tradycyjne rozwiązania okładzin podłogowych z płytek ceramicznych, żywic epoksydowych, poliuretanowych czy poliuretanowo-cementowych. Choć wiele z obecnie stosowanych technologii posadzek żywicznych jest odpornych na poszczególne obciążenia z osobna, takich jak ścieranie, uderzenia, agresja chemiczna, wysokie temperatury, tolerancja na wilgotne podłoża i inne, to jednak niewiele z dostępnych rozwiązań może sprostać tym wymaganiom odporności, gdy występują one jednocześnie. Może to być wynikiem np. chwilowej zmiany niektórych parametrów wytrzymałościowych wskutek wysokiej temperatury, która powoduje mięknięcie materiałów z żywic, co przy równoczesnym występowaniu obciążeń mechanicznych powoduje uszkodzenie struktury materiału. Podobnie jest z agresją chemiczną większości stosowanych środków w przemyśle spożywczym, które w podwyższonej temperaturze mogą być dużo bardziej reaktywne i szkodliwe niż w temperaturze otoczenia; przykładem może być wodorotlenek sodu, powszechnie stosowany w zakładach przetwórstwa spożywczego w pomieszczeniach CIP (ang. Cleaning in Place – stacje mycia) do odkażania i czyszczenia instalacji, który w stężeniu 50% oraz w temperaturze pokojowej jest umiarkowanie agresywny. Zgodnie z technologią jest on jednak używany w temperaturze 60°C. Poziom reaktywności jest wówczas tak wysoki, że takiego obciążenia chemicznego nie wytrzymuje większość systemów posadzek żywicznych. Do wyjątków należy pierwowzór posadzek poliuretanowo-cementowych wynaleziony w 1969 r. w Anglii.

Fot. 1. Poluzowane i poprzesuwane płytki w posadzce w jednej z mleczarni

Odporność posadzek na różnorodne oddziaływania

Odporność na oddziaływania chemiczne

Często się okazuje, że kombinacja substancji chemicznych oddziałuje na posadzki dużo bardziej agresywnie niż te same substancje występujące oddzielnie. W przemyśle spożywczym używa się też wiele różnych substancji chemicznych, które nie występują w składzie produktów końcowych, ale biorą udział w procesach technologicznych. Przykłady:

• Kwas octowy, 50-proc., jako ocet spirytusowy szeroko stosowany w przemyśle spożywczym zwłaszcza do produkcji zup, sosów i przetworów z warzyw i owoców.
• Kwas mlekowy w różnych stężeniach w temperaturze 60°C przy wytwarzaniu różnych produktów mleczarskich.
• Kwas oleinowy, zawsze w temperaturze 60°C, jako reprezentant kwasów organicznych powstających w efekcie oksydacji tłuszczów roślinnych i zwierzęcych szeroko spotykanych w przemyśle spożywczym.
• Stężony kwas cytrynowy występujący m.in. w owocach cytrusowych – reprezentant szerszego kręgu kwasów owocowych, mogących bardzo szybko degradować posadzki żywiczne.
• Wina i alkoholowe środki do dezynfekcji rąk.
• 50-proc. wodorotlenek sodu stosowany w temperaturze 60°C jako środek czyszczący.
• 30-proc. kwas azotowy również stosowany jako środek czyszczący.
• 15-proc. podchloryn sodu – środek do dezynfekcji.

Jednym z najtrudniejszych środowisk dla żywotności posadzek w przemyśle spożywczym pod względem obciążeń chemicznych jest przetwórstwo mleka i to właśnie z tego powodu najczęściej stosowanym typem okładzin podłogowych w mleczarniach są płytki chemoodporne. Jednak w wykonanej z takich płyt posadzce – nawet w przypadku fugowania żywicą

epoksydową – pod wpływem działania żrących substancji fugi i klej ulegają rozpuszczeniu, a płytki poluzowaniu, co po pewnym czasie naraża je na pękanie pod wpływem punktowych obciążeń mechanicznych (fot. 1).

Fot. 2. Transport beczek z piwem po rozgrzanej posadzce

Odporność na oddziaływania mechaniczne

Obok wymaganej wysokiej odporności chemicznej posadzki przeznaczone do przemysłu spożywczego powinny się wykazywać dużą wytrzymałością na uderzenia. Silne uderzenia mechaniczne przybierają różne formy i rozmiary. Występują np. przy upuszczeniu haków rzeźniczych w ubojniach, upadnięciu stalowej obejmy gumowego węża do przepompowywania mleka, wypadnięciu stalowych beczek z linii produkcyjnej w browarach lub opuszczeniu narzędzi i pokryw podczas konserwacji. Wytrzymała i trwała posadzka o wysokiej zdolności do pochłaniania energii minimalizuje uszkodzenia i zapobiega powstawaniu pęknięć, którymi chemikalia mogą wnikać w strukturę betonu pod posadzką żywiczną i degradować ją od spodu. Odpowiednio wykonana posadzka przyczynia się do zapewnienia bezpieczeństwa i długiego okresu eksploatacji bez konieczności renowacji. Wbrew pozorom to nie duża twardość może zapewnić posadzkom wytrzymałość na silne uderzenia ostrymi przedmiotami, ale niski moduł sprężystości. Moduł ten na poziomie 3000-3500 MPa powoduje, że struktura materiału jest sprężysta i ściśliwa, dzięki czemu się nie wykrusza, nadając posadzce zdolność pochłaniania energii wielokrotnie większej niż beton o wytrzymałości 50 MPa. Takie właściwości zapewniają tylko niektóre z systemów posadzek poliuretanowo-cementowych, które dzięki dużej ściśliwości podczas uderzenia rozpraszają energię, a nie ulegają spękaniu lub odspojeniu od podłoża, jak to się zdarza w przypadku posadzek epoksydowych lub wykonanych z płytek chemoodpornych.

Odporność na oddziaływania termiczne

W zakładach spożywczych (przetwórstwa mięsa, warzyw i owoców, ryb, mleka lub napojów) często na posadzkę oddziałują wysokie temperatury niezbędne zarówno z procesach technologicznych (produkcyjnych), jak i porządkowych, np. podczas czyszczenia posadzek parą. Takie działanie wysokich temperatur może chwilowo osłabić wytrzymałość posadzki na obciążenia mechaniczne, często równocześnie występujące. Przykładem mogą być pomieszczenia w hali rozlewania piwa, gdzie się przeprowadza czyszczenie oraz sterylizację wewnętrznych i zewnętrznych powierzchni beczek, a następnie beczki te napełnia się, opatruje etykietą i przetacza po posadzce (fot. 2).

W ciągu godziny poddaje się czyszczeniu i napełnianiu nawet do tysiąca beczek i nierzadko się zdarza, że beczka, która po napełnieniu waży 72 kg, spada z linii produkcyjnej i uderza o posadzkę. Posadzka jest stale narażona na działanie detergentów i środków dezynfekujących o temperaturze do 80°C i skali kwasowości i zasadowości od 1 pH (środowisko silnie kwaśne) do 13,8 pH (środowisko silnie zasadowe). W celu zapewnienia odporności zarówno na silne uderzenia bez pęknięć lub odspojeń, jak i trwałości wynikającej z oddziaływań szerokiej gamy środków chemicznych wymagany jest w takich sytuacjach specjalny rodzaj odpornej na wiele różnych czynników posadzki.

Działanie temperatur na posadzkę objawia się na dwa sposoby. Jeden z nich to mięknięcie materiału posadzkowego, a drugi to naprężenia termiczne występujące wskutek rozszerzalności termicznej materiałów. W znacznym stopniu dotyczy to powierzchni kontaktu posadzki z betonem, gdy oba materiały mają różne wartości współczynnika rozszerzalności termicznej. W miejscu połączenia posadzki żywicznej z podkładem betonowym występują naprężenia styczne powodujące ich delaminację. Tego typu naprężenia ścinające powodują odspajanie się posadzek żywicznych od podłoża. Fragmenty posadzek, pozostając lokalnie luźne, łatwo ulegają uszkodzeniu przy obciążeniach mechanicznych. Jest to częsty problem występujący w różnych zakładach przetwórstwa spożywczego (fot. 3).

Fot. 3. Obciążenia termiczne i chemiczne posadzki w cyklu technologicznym w zakładach przetwórstwa spożywczego

Z obecnie dostępnych technologii poliuretanowo-cementowych jest jedna, której temperatura mięknienia wynosi aż ok. 130°C i jednocześnie ma bardzo podobny współczynnik rozszerzalności cieplnej do betonu, tj. 4 • 10^{-5 o}C^-1, co umożliwia sprostanie ekstremalnym szokom termicznym.

Większość posadzek żywicznych traci swoją twardość w temperaturze 60°C lub niewiele wyższej, natomiast systemy posadzek na bazie żywic poliuretanowo-cementowych utrzymują wysokie parametry wytrzymałości i twardości do momentu przekroczenia temperatury 130°C.

Jednak wysoka temperatura nie ma aż tak dużego wpływu na trwałość posadzek jak duży gradient temperatury występujący w krótkim czasie (szok termiczny). Szok termiczny może powodować uszkodzenia wielu rodzajów pokryć podłogowych w wyniku znacznych, lokalnych gradientów naprężeń Szok termiczny występuje w przypadku raptownej zmiany temperatury, np. w miejscu wycieku lub rozlania na posadzce cieczy o wysokiej temperaturze, pod liniami smażalniczymi lub w trakcie gotowania i hartowania warzyw lub owoców.

Użytkowanie i trwałość posadzek poliuretanowo-cementowych

Posadzki przemysłowe poliuretanowo- -cementowe są dostępne w czterech oddzielnych specyfikacjach grubości: począwszy od posadzek o grubości 4 mm, które są w pełni sprawne eksploatacyjnie do 70°C, aż do posadzek o specyfikacji grubości 12 mm, nadających się do najbardziej skrajnych środowisk z chwilowym obciążeniem termicznym do 150°C. Zwiększająca się grubość posadzki stanowi równocześnie izolację, która łagodzi efekty termiczne na powierzchni kontaktu posadzki poliuretanowo-cementowej z betonowym podłożem powodowane obciążeniami wywołanymi szokiem termicznym. Płaszczyzna wiązania pod posadzką o grubości 9 mm może osiągnąć temperaturę 70°C w ciągu zaledwie 2 minut od zetknięcia wrzątku z powierzchnią. Jeżeli ilość wylanego płynu jest niewielka, szkody są mało prawdopodobne. Toteż np. wylana filiżanka kawy o temperaturze 90°C nie uszkodzi posadzki o grubości 4 mm, ale 1000-litrowy zrzut wody o temperaturze 90°C prawdopodobnie by tego dokonał. Właściwa posadzka poliuretanowo-cementowa o grubości 9 mm wytrzymuje rutynowe i stałe zrzuty wrzątku na posadzkę.

Jest oczywiste, że w środowiskach skrajnego szoku termicznego wymagane jest prawidłowo zaprojektowane podłoże betonowe o dobrej jakości. W szczególności muszą być uwzględnione potencjalnie duże odkształcenia termiczne podłoża. Nie ma prostego testu potwierdzającego, że system posadzkowy wytrzyma powtarzające się szoki termiczne przez wiele lat w środowisku fabrycznym. Wynika to ze zmiennej jakości i sposobów zaprojektowania podłoża. Dotyczy to w szczególności starych obiektów, gdzie wielokrotnie wykonywano już naprawy i renowacje posadzek. Trudno jest zatem przywidywać, jak zachowają się w trudnych warunkach systemy posadzkowe, których zachowania nie są poparte wieloletnimi obserwacjami dotyczącymi trwałości w określonym obiekcie, i może to być ważny argument przy wyborze systemu posadzek poliuretanowo-cementowych. Najtrudniejsze warunki wynikające z koincydencji przypadków wysokich temperatur, obciążeń mechanicznych i chemicznych występują w obszarach ruchu regałów lub koszy na gorących stalowych kółkach, np. tam gdzie wyjmowane są one z pieców lub autoklawów. Z dotychczasowych obserwacji wynika, że w tak ekstremalnych warunkach dobrze się sprawują w długim czasie jedynie systemy posadzkowe na bazie żywicy poliuretanowo-cementowej typu IF (Iron Fiber) wzmocnione wypełniaczem żelaznym. Tego typu posadzka jest jednocześnie wytrzymała na ekstremalne obciążenia mechaniczne, takie jak ruch pojazdów gąsienicowych lub na kółkach stalowych, przesuwanie stalowych kontenerów lub ładowarek stalowych (fot. 4).

Fot. 4. Posadzka obciążona ciężkim sprzętem transportowym

Wymogi higieniczno-sanitarne stawiane posadzkom

Wyjątkowo ważnym aspektem przy wyborze technologii posadzek żywicznych do zakładów przetwórstwa spożywczego są względy higieniczne. Bardzo dużo elementów i urządzeń dla przemysłu spożywczego jest wykonanych ze stali nierdzewnej, co znacznie ułatwia utrzymanie sterylności urządzeń na wymaganym poziomie. Podobne wymogi dotyczą również posadzek, które powinny być nienasiąkliwe, łatwe w czyszczeniu i pozwalały na wykonywanie skutecznych zabezpieczeń antybakteryjnych, chemicznych lub radiacyjnych. Dobrej jakości posadzki poliuretanowo-cementowe są badane w tym zakresie i niezależne testy potwierdzają, że można je utrzymywać pod względem czystości bakteryjnej w tym samym standardzie co stal nierdzewną. Wiele materiałów żywicznych wymaga po aplikacji pewnego okresu karencji w celu wyeliminowania ryzyka skażenia produktów spożywczych. Warto zatem przed zastosowaniem konkretnego rozwiązania sprawdzić materiał również w tym aspekcie. Dostępne na rynku systemy posadzek poliuretanowo-cementowych nie tylko są pozbawione substancji zagrażających

skażeniu powietrza podczas ich układania, ale również są wolne od uciążliwych zapachów, co jest bardzo istotne z punktu widzenia remontów, przebudowy czy rozbudowy. Dzięki temu dopuszczalne jest układanie posadzek także w hali, w której trwa aktualnie produkcja spożywcza. Oczywiście te aspekty powinny być potwierdzone odpowiednimi certyfikatami. Należy jednak zwrócić uwagę na to, że aby taką rozbudowę czy przebudowę hali wykonać bez zbędnych uciążliwości, należy stosować materiały poliuretanowo-cementowe o wysokiej tolerancji na wilgotność podłoża bez konieczności procentowego określania tej wilgotności. W przeciwnym razie posadzki – bez sezonowania przez okres przynajmniej 28 dni aż do osiągnięcia wilgotności poniżej 4% – będą się odspajać od betonowego podłoża. Na fot. 5 można dostrzec taką właśnie różnicę między dwoma różnymi systemami poliuretanowo-cementowymi ułożonymi w tym samym czasie i na tym samym podłożu; zdjęcie wykonano po sześciu miesiącach od aplikacji tych posadzek i na jednej z nich wyraźnie widać bąble/pęcherze spowodowane ciśnieniem dyfuzyjnym, które odspajają warstwę posadzki żywicznej od powierzchni betonowej.

Fot. 5. Różnice między dwoma różnymi systemami poliuretanowo-cementowymi ułożonymi w tym samym czasie i na tym samym podłożu

Czas wykonania posadzek poliuretanowo-cementowych

Przy procesach inwestycyjnych ważne jest również, jak szybko dany materiał rozpoczyna reakcję wiązania i uzyskuje pełną wytrzymałość. Pod tym względem materiały poliuretanowo- -cementowe charakteryzują korzystne parametry, jeżeli chodzi o krótki czas przebiegu reakcji, co przy pracach wiążących się z wyłączeniem danego pomieszczenia z użytkowania ma duże znaczenie.

Koszty wynikające z utraty możliwości produkcyjnej w czasie takich prac mogą niekiedy wielokrotnie przewyższyć koszty samej posadzki. Mając na uwadze choćby aspekty ekonomiczne, dobrze jest przyjrzeć się różnym materiałom, gdyż różnice pod tym względem mogą być bardzo duże. Czas trwania wiązania od momentu położenia powłok waha się od 5 godzin przy zastosowaniu systemów Fast aż do 72 godzin przy innych wyrobach na bazie żywic poliuretanowo-cementowych.

Podsumowanie

Posadzki to element konstrukcyjny dotyczący większości inwestycji przemysłowych. Dotyczy to zarówno nowych inwestycji, jak i remontowanych. Kryteria wyboru należą głównie do inwestora i projektanta. Przedstawiona w tekście propozycja wykorzystania żywicznych posadzek poliuretanowo-cementowych dotyczy szerokiego zakresu inwestycji w przemyśle spożywczym.

Niewielka grupa wśród wszystkich posadzek żywicznych jest w stanie wytrzymać szerokie spektrum chemikaliów, przy równoczesnym zachowaniu parametrów wytrzymałościowych i przeniesieniu szerokiego zakresu obciążeń termicznych. Przykładem takiego materiału może być wytworzony w brytyjskich zakładach chemicznych ICI system posadzki poliuretanowo-cementowej, którego odporność chemiczna jest równa wyłącznie specjalnym układom winylowo-estrowym, kwasoodpornej cegle klinkierowej lub płytkom chemoodpornym układanym i fugowanym klejem na bazie żywic furanowych. Niewiele jest też dostępnych technologii poliuretanowo-cementowych pozwalających na otrzymanie materiału, którego temperatura mięknienia wynosi aż +130°C i który to materiał posiada jednocześnie bardzo podobny do tradycyjnego betonu współczynnik rozszerzalności termicznej, tj. 4 • 10-5 oC-1, co pozwala na sprostanie ekstremalnym szokom termicznym.

Dzięki temu, że wskazane posadzki poliuretanowo-cementowe są wyjątkowo gęste i zupełnie nienasiąkliwe, można przyjąć, że praktycznie uniemożliwiają rozwój biologiczny bakterii na ich powierzchniach bez stosowania jakichkolwiek dodatków bakteriobójczych.

A zatem w wielu przypadkach, stosując takie systemy posadzkowe, nie trzeba się obawiać o ewentualne niepożądane działania takich dodatków.

Na zakończenie warto jeszcze powołać się na tradycję. Mając do wyboru różne systemy posadzek poliuretanowo-cementowych, na pewno dobrą rekomendacją jest wykaz fabryk, które użytkują te posadzki przez ponad trzydzieści lat i które mogą się szczycić udokumentowaną wieloletnią trwałością posadzek wykonanych w tej technologii, które nadal się nadają do użytku.

dr inż. Marek Maj

prof. nadzw. dr hab. inż. Andrzej Ubysz

Politechnika Wrocławska Zakład Konstrukcji Betonowych

Artykuł opracowano w ramach projektu badawczego „Industrialized construction process (Construction 4.0). Technological and methodological conditions of application of selected composite elements in civil engineering”. Projekt realizowany jest przez Politechnikę Wrocławską wraz z Uniwersytetem Przyjaźni Narodów Rosji w Moskwie, projekt badawczy PWr-RUDN 2017 nr 45WB/0001/17 Industrialized Construction Process.