Chemie stavebních materiálů

Transkript

1 Chemie stavebních materiálů Katedra materiálového inženýrství a chemie doc.ing. Milena Pavlíková, Ph.D. K123, D , milena.pavlikova@fsv.cvut.cz

2 Přednášky 7. suroviny pro stavebnictví, vzdušná pojiva 8. hydraulická pojiva cement, beton 9. sklo a keramika 10. kovové materiály 11. přírodní a syntetické polymery 12. degradace stavebních materiálů, základy analytické chemie

3 Co nás dnes čeká? Suroviny pro stavebnictví: primární a druhotné Anorganická pojiva I: vápno a sádra

4 Konec 19. st. k dispozici: pojiva vzdušné a hydraulické vápno portlandský cement sádra Sorellova hořečnatá maltovina kovy a slitiny sklo keramika První normy na výrobu cementu Německo, 1878 Poč. 20. století cement se vyztužuje ocelí

5 Počátek 3. tisíciletí Nastupující éra nanomateriálů, nanotechnologií a nanostrojů Nanomateriály: sypké materiály, nanokrystalické vrstvy či nanokrystaly s velikostí zrn nm ( m) tvary kuliček, jehliček, vláken, trubiček liší se od tradičních materiálů, u kterých dominuje klasická fyzika

6 Suroviny pro stavebnictví Suroviny primární druhotné Technicky významné minerály horniny Kamenivo přírodní umělé

7 Minerál X hornina (nerost) = jedna chemická sloučenina určitá jedinečná krystalovou strukturou charakteristické chemické složení, od čistých prvků přes jednoduché soli po složité silikáty typická struktura a fyzikální vlastnosti mineralogie Kalcit (CaCO 3 ) směs minerálů (větší nebo menší krystaly minerálů) nelze definovat přesné chemické složení hlavní složka zemské litosféry petrologie Opuka (CaCO 3 +SiO 2 +jílové nerosty)

8 Výskyt nerostů v zemské kůře (0 až 50 km) 0,1% 1,5% 1,5% 3,0% 11,9% živce orthosillikáty a metasilikáty křemen 12,0% 15,0% 55,0% slída jílové minerály kalcit dolomit příměsi

9 Vyvřelé horniny Vznik: utuhnutím vyvřelého magmatu Intrusivní hlubinné a žilné plutonity (žula, živce) Extrusivní výlevné vulkanity a pyroklastika (pemza, perlit) Tavení hornin způsobeno: Vzrůstem teploty Poklesem tlaku Chemickými změnami ve složení Popsáno přes 700 typů vyvřelých hornin Většinou tvoří zemský povrch. Pozůstatky zdi v Římě postavené z tufových cihel. Podle obsahu SiO 2 : kyselé (nad 65%), zásadité (pod 52%) Ahu Tongariki s 15 Moai vyrobené z tufu, Rano Raraku

10 Vybrané vyvřelé horniny Znělec (šedozelený) Použití: výroba barevných obalových skel, keramiky (dlaždice), elektroporcelánu, hnojiv (vysoký obsah P, malá chemická odolnost snadný rozklad) Čedič (bazalt) (směs vápenatého a sodného živce) vysoká pevnost, odolný kyselému prostředí, taví se a odlévá do forem, tažení vláken Použití: výroba dlaždic, vláken na izolační materiály (ROCKWOOL) Slídy (aluminosilikáty s vrstevnatou strukturou) biotit (tmavá), muskovit (světlá) Použití: plnivo do malt a nátěrových hmot, elektroizolační materiál Azbest (složitý křemičitan hořečnato-draselný) stálý v žáru, biologicky závadný

11 Vermikulit (hydratovaný křemičitan hlinito-hořečnatý) lupínky Použití: tepelné a zvukové izolace, plnivo do protipožárních povrchových úprav Perlit (amorfní křemičitan hlinitý s vodou) Sopečného původu, kuličková odlučnost Použití: tepelné a zvukové izolace, do lehčených malt a betonů Tuf (pucolán, tras) Žula (granit) Mineralogické složky - živce (ortoklas a plagioklas), křemen, slídy (muskovit a/nebo biotit) a amfibol, obsahuje také malé příměsi magnetitu, granátu, zirkonu a apatitu. Použití: stavební kámen, na dlažby, rozpukané a zvětralé žuly na štěrk.

12 Živce Horninotvorné minerály, tvořené síťovou strukturu tetraedrů SiO 4 se zabudovaným Al, podvojné křemičitany živce jsou ve většině vyvřelin K+ K+ K+ Al3+ K+ K+ K+ netvoří svoje čistá ložiska vždy ve směsi s křemenem a dalšími minerály 60% zemského povrchu, doprovodným minerálem je oxid křemičitý Skupiny: K-živec (ortoklas, mikroklin) KAlSi 3 O 8 Albit NaAlSi 3 O 8 Anortit CaAl 2 Si 2 O 8 Plagioklas směs Na-Ca živců důležitým znakem živců je jejich lamelování Chemická odolnost klesá v řadě: křemen K živec slída Na živec

13 Vyvřeliny s vysokým obsahem živců se používají: jako surovina pro keramický průmysl - tavením vzniká skelná fáze výroba glazur, keramiky, smaltů, pojiv pro brusné materiály teplota tání živců je C sklářský průmysl zdroj Al, K, Na, Ca do skloviny Př. : Ložisko albiticko-aplitické žuly, z lomu Krásno u Sokolova, živcová surovina pro keramiku: albit (Na-živec) 48 % ortoklas (K-živec) 23 % křemen SiO 2 25 %

14 Usazené (sedimentární) horniny 75-80% zemského povrchu Přetváření zemského povrchu: 1. vnitřní geologické děje ( vulkanismus, zemětřesení), tvoří nerovnosti 2. vnější geologické děje ( rozrušování, přenos, usazování, zarovnávání, činnost vody, větru, organismů, zemská přitažlivost) Dělení podle zdroje: zvětráváním (fyzikální, chemické působení) biogenní aktivitou srážením z roztoku

15 Usazené horniny vzniklé zvětráváním Zvětrávání horniny Transport zvětraného materiálu Usazení transportovaného materiálu na vhodném místě Reziduální horniny polotovar sedimentů, nedošlo k transportu a usazování Vrstevnatost Diageneze - zhutnění (zpevnění) tlakem Fosílie

16 Úlomkovité usazené horniny Štěrk velké úlomky hornin s velkou hustotou přemísťován na krátké vzdálenosti usazuje se u horních toků řek a mořského dna při břehu využití: stavebnictví, železnice Slepenec Zpevněné sypké horniny utvářejí podloží mladších vrstev využití: na štěrk Písek středně zrnitá usazenina využití: stavebnictví, sklářství, Pískovec písek s jílovitými částicemi+ křemík+ vápník+ železitý tmel Česká tabule, Západní Karpaty využití: stavebnictví, kamenictví, sochařství

17 Jílovité usazené horniny Jílové zeminy velmi jemné (extrémně malé částice) tvořené převážně jílovými minerály kaolin, jíly, hlíny jílové minerály (hlinito-křemičitany) Bentonity asi 40 druhů krystalické látky definované složením a strukturou dělí se podle struktury (vrstevnatá) jílovitá hornina, hlavní složkou montmorillonit (Al 2 (Si 2 O 5 ) 2 (OH) 2 využití: pojivo, sorbent a filtrační materiál Spraš jílovité usazeniny, žlutohnědá barva Obsahuje křemen, živec, jílovité nerosty, uhličitan vápenatý na spraších- úrodná půda využití: keramika Hlíny vznikají ze zvětralin obsahují jíl, jemné prachové částice, zrnka písku, úlomky hornin, organické látky využití: cihlářská surovina Jílovce a jílovité břidlice nejjemnější částice, vznikají zpevněním jílů obsahují kaolinit, doprovodné minerály, hydráty Al využití: cihlářství, žáruvzdorné výrobky, dlaždicové jíly, pórovinové jíly, jílovce, šamot, kamenina

18 Jílové minerály vrstevnaté křemičitany hlinité (fylosilikáty), hydratované velmi malé částice - lupínky s vodou plastické po vypálení tvrdé vznikají zvětráváním živců velmi variabilní skupina kaolinit, illit, montmorilonit..

19 Jílové minerály Vrstevnatá struktura: vrstvy po sobě snadno kloužou plasticita zaniká při výpalu sorpční schopnosti pro kapaliny a roztoky solí Kaolinit je tvořen destičkovitými částicemi (v délce obvykle do 1 µm a tloušťce do 0,1 µm) srovnanými ve shlucích, resp. blocích (paketech), které pevněji nebo volněji drží pohromadě. kaolinit Al 2 O 3.2SiO 2.2H 2 O 10 μm

20 Rozdělení jemnozemí podle ČSN , d je střední velikost částic

21 Usazené horniny: úlomkovité sedimenty zpevněné Opuka: kalcitová (CaCO 3 ) zrna spojená jílovým tmelem století hlavní pražský stavební kámen Zlatá opuka lom Přední Kopanina (u Ruzyně) snadná opracovatelnost, špatná přilnavost omítky

22 Usazené horniny: úlomkovité sedimenty zpevněné Pískovce: křemenná zrna spojená jílovým nebo uhličitanovým tmelem Arkózy: jako pískovce, ale obsahují i živcové úlomky dobrá zpracovatelnost: stavebnictví, sochy

23 Organogenní usazeniny Rostliny, živočichové (fyzikální degradace, usazování odumřelých částí) Rašelina vzniká ze zbytků odumřelých rostlin, přeměnou s nedostatkem vzduchu (zpravidla pod vodou) mech rašeliník- hnědé zbarvení využití: palivo, úprava půd Uhlí vzniklo prouhelněním nahromaděných rostlinných zbytků za nepřístupu vzduchu hnědé- z mohutných jehličnanů, listnáčů- mírně prouhelněné černé- z přesliček, plavuní, kapradin- stamiliónů let Zbytky drobných živočichů a rostlin, které se usazovaly - uhlovodíky využití: plynné: zemní plyn kapalné: ropa pevné: asfalt

24 Uhličitany CaCO 3 Vznik: organogenní skořápky a kostry dírkovců (od prvohor) chemogenní travertiny (Pamukkale) sedimentární dentritický vápenec (připlavené) Dělení: celistvé (skořápky a kostry) X rekrystalované (mramory) podle složení Kalcit (minerál) obsahuje 95-97% vápence, zbytek uhličitany hořčíku, železa, barya, na glazury, sklo, vápno Ostatní vápence obsahují více kalcitu než dolomitu více než 80% jílovité, písčité, sericitické Slínovce: mají 30-70% kalcitu, jílové minerály, a pigmenty železa, pro výrobu cementu, hydr. vápna, pro odsiřování Dolomitické vápence: obsahují 10-50% dolomitu, 70-30% kalcitu, pro výrobu dolomitického vápna, keramiky, izolačních vláken, zem., hutě Využití: pro maltoviny 76%, hutě 17%, 7% chem.prům., potrav., zem., energ., ekolog.

25 CaMg(CO 3 ) 2 dolomit Využití: pro žáromateriály, dolomitické vlákno, zemědělství, odsíření, sklo, plniva Více než 90% dolomitu. Vznikají primárně vysrážením z vod, sekundárně dolomitizací vápenců, jsou pórovité. Do 1000 C působí jako taviva, nad zvyšují pórovitost systému. Pokud se nahradí dolomitem vápenec v kameninové keramice sníží se teplota výpalu z 1200 C na 1020 C. MgCO 3 magnezit žárovzdorné materiály krystalický, amorfní, sedimentární

26 Mastek 3MgO.4SiO 2.H 2 O Využití: keramika, plnivo, farmacie, substrát Vznik: hydrotermálně na kontaktu magnezitu a dolomitu s křemičitou horninou, rozkladem silikátových hornin absorbujících olivín Celistvý (zrnitý) X vrstevnatý (talek) Steatit (zpevněný mastek) pro výrobu elektrokeramiky, kondenzátory, výpal C.

27 Sádrovec CaSO 4.2H 2 O Přírodní primární - sedimentárně usazené velká ložiska v USA, Rusku, Polsku, SRN, Francii sekundární při rozkladu pyritu za přítomnosti vápence selektivní těžbou se vybírá nejčistší sádrovec pro výrobu sádry, ostatní vrstvy znečištěné jíly se používají pro regulaci tuhnutí portlandského cementu. Odpadní energosádrovec vzniká jako odpad při mokré vypírce kouřových plynů v elektrárnách a teplárnách odsíření spalin - spálením síry obsažené v uhlí vzniká oxid siřičitý, ten reaguje s vápencem za vzniku energosádrovce (obs. 97%). chemosádrovce - průmyslové procesy extrakce kyseliny citrónové, produkce TiO2, produkce MgCl2, čištění vod, extrakce kyseliny fluorovodíkové čistá forma = alabastr

28 Zdroj u nás Kobeřice u Opavy GYPSTREND s. r. o. nástupcem bývalého s. p. Sádrovcové doly Kobeřice

29 Přírodní bezbarvý čirý kompaktní minerál s malou pórovitostí kg/m MPa v tlaku vysoká rozpustnost ve vodě (0,256g ve 100 g vody při 20 C) do teploty 40 C stálý, za vyšších teplot dochází ke ztrátě vody tvrdost podle Mohsovy stupnice 1,5-2 Rekrystalizovaný může být zabarvený značně pórovitý agregáty z prodloužených a částečně destičkových malých krystalků, nepravidelně orientované, částečně srostlé kg/m MPa v tlaku

30 Biochemické a vysrážené usazené horniny Materiály původem organické zkarbonátované a usazené skořápky mořských živočichů (korály, měkkýši) křída (pórovité kostry organismů velkých 0,001mm) Stromatolity (hlízovité až nepravidelně zprohýbané tvary, vytvořené hlavně inkrustacemi modrých řas, neboli sinic, a také činností baktérií) Vysrážené (precipitované) horniny došlo k odpaření mineralizovaného roztoku Např.: Kamenná sůl (halit, NaCl) Sádrovec (CaSO 4 2H 2 O)

31 Přeměněné (metamorfované) horniny výsledkem přeměny původní horniny (protolitu) Změna formy horniny Čím? Tlakem a teplem fyzikální a chemické změny Tvorba: Hluboko pod povrchem - vysoké tlaky a teploty Tektonickou činností Vytékající lávou (magmatem) Např.: Rula (různorodá skupina, obsahují křemen a křemičitany) břidlice (jíl+vulkanický prach) mramor krystalická břidlice

32

33 Odpady vznikající v průmyslových výrobách. Suroviny druhotné Odpad je každá movitá věc, které se osoba zbavuje nebo má úmysl se jí zbavit. Odpad se stává druhotnou surovinou v okamžiku jeho využití. Důvody využití odpadních surovin: Snížení zásob primárních surovin Snížení energetické náročnosti výroby stavebních materiálů Odpady využité ve stavebnictví: ze stavební výroby a demolic z výroby stavebních hmot Produkované v energetice, hutnictví a chemickém průmyslu: Popílky Strusky Křemičité úlety Odpadní sádrovce Ostatní odpady škvára, karbidové vápno

34 Rozdělení minerálních příměsí Co je to příměs? Dělení: I. typu (inertní): úprava struktury, reologických vlastností, zpracovatelnosti a barvy záměsi kamenná moučka, kamenné odprašky a různé práškové barevné pigmenty, II. typu (aktivní): zvyšují chemicko-fyzikální aktivitu při hydrataci pojiva hydraulické příměsi vysokopecní struska, vysokoteplotní popílky typu C (17 až 35 % CaO), pucolánové příměsi (práškovité křemičité materiály).

35 Minerální příměs II. typu - hydraulická struska Původ: vedlejší produkt hutnického průmyslu při vysokopecním zpracování kovů. Vlastnosti: relativně konstantní chemické složení, vysoký podíl amorfní fáze (rychle zchlazená), tzv. latentně hydraulická alkalická či kyselá aktivace, kvalita se vyjadřuje modulem zásaditosti a indexem F dle Keila. Použití: do směsných struskoportlandských cementů, jako náhrada portlandského cementu v kompozitních materiálech, jako samostatné pojivo v alkalicky aktivovaných záměsích.

36 Minerální příměs II. typu hydraulická struska Původ: vedlejší produkt hutnického průmyslu při vysokopecním zpracování kovů, vznikají reakcí doprovodných složek obsažených v rudě se struskotvornou přísadou (CaO) Vlastnosti: relativně konstantní chemické složení (obsahují řadu vápenatých a hořečnatých křemičitanů a hlinitokřemičitanů, např. belit (b-2cao.sio 2 ), wollastonit (b-cao.sio 2 ), vysoký podíl amorfní fáze (rychle zchlazená), tzv. latentně hydraulická alkalická či kyselá aktivace, kvalita se vyjadřuje modulem zásaditosti a indexem F dle Keila. Použití: do směsných struskoportlandských cementů, jako náhrada portlandského cementu v kompozitních materiálech, jako samostatné pojivo v alkalicky aktivovaných záměsích, velká tvrdost a pevnost, proto se nejčastěji používají jako kamenivo, zpevněné - izolační materiál a lehké kamenivo

37 Strusky odpady hutní výroby latentně hydraulické pojivo s vodou nepojivé, ale v přítomnosti Ca(OH) 2 pucolánově aktivní k výrobě směsných cementů, struskovápenatého cementu a struskoalkalického pojiva

38 Minerální příměsi II. typu - pucolánově aktivní Řekové mísení vápna se zeminou z ostrova Santorini hydraulická malta Římané vyhašené vápno se sopečným popelem z Vesuvu hydraulická malta klenby budov, mosty, mořské přístavy popel od Puteoli (= Pozzuoli v Kampánii) Pucolány: obsahují reaktivní formy oxidu křemičitého a hlinitého přírodní pucolány: tufy, tufity, pemza, spongility, perlit, křemelina, opálové jíly, zeolity, tras atd. technogenní pucolány: pálené jíly, cihelný prach a drť, popely ze slámy, z pilin atd., elektrárenské popílky, křemičité úlety.

39 Charakterizace minerálních příměsí Chemické a mineralogické složení ovlivňuje účinky ve směsi s pojivem. Fyzikální vlastnosti vliv na vlastnosti čerstvého i zatvrdlého pojiva. Hygienické a ekologické aspekty. Popílek Křemičitý úlet Křemelina Borovany (Foto P. Bayer)

40 Charakterizace minerálních příměsí Chemická a strukturní analýza Složení minerálních příměsí - pomocí rentgenové fluorescenční analýzy (XRF), termogravimetrické analýzy (TGA), či klasickým chemickým rozborem. V souladu s požadavky ASTM C celkový obsah hydraulických oxidů (SiO 2 +Al 2 O 3 +Fe 2 O 3 ) v pucolánech 70 hm. % a obsah aktivního SiO 2 nejméně 25 hm.%. 1 portlandské cementy, 2 vysokopecní cementy, 3 křemičité úlety (silika), 4 popílky bohaté na CaO, 5 popílky bohaté na SiO2, 6 pucolánové popílky [Pytlík, 2000].

41 Pucolány křemičité nebo hlinitokřemičité materiály Z chemického hlediska jde o přírodní či technogenní látky vnášející do směsi hydraulické složky. např.drcené či mleté keramické střepy, jemně drcené sklo, různé druhy strusek Rozhodující pro použití aktivita pucolánu: Zkouška vaznosti Sledování průběhu reakce pucolánu s hydroxidem vápenatým Stanovení obsahu aktivního oxidu křemičitého

42 Pucolánová reakce: Ca(OH) 2 Ca OH - ph=12,45 při 25 C Vysoká koncentrace OH- iontů převádí do roztoku vápenaté, sodné a draselné ionty, dochází ke štěpení vazeb v SiO 2, křemičitanech a hlinitanech Vzniklé ionty tvoří s ionty Ca 2+ nejprve hydratované křemičitany (CSH gely) a hlinitany vápenaté na jejich povrchu ve formě hexagonálních lístků. Si O Si Si O 8OH Al 7OH 2 SiO OH 3 H 2O SiO OH Al OH 3 4

43 Popílek (fly ash) Zbytek z vysokoteplotního spalování tuhých paliv (uhlí), zachycován v odlučovačích z plynů topenišť Velmi jemný zrnitý prášek (zrna 0,001 až 0,1 mm) Měrný povrch 300 m 2 /kg Obsahuje amorfní oxid křemičitý a hlinitý, mullit (3Al 2 O 3.2SiO 2 ) a oxid vápenatý Je pucolánově aktivní Často jsou radioaktivní a obsahují organický zbytek.

44 Křemičitý úlet (silica fume) Amorfní oxid křemičitý 87-99% Měrný povrch m 2 /kg Pucolánově aktivní Zvyšuje pevnost a redukuje dávku cementu Zvyšuje trvanlivost a odolnost Omezuje alkalický rozpad kameniva Snižuje rychlost karbonatace povrchových vrstev Zlepšuje soudržnost

45

46 Rozdělení stavebních anorganických pojiv Vzdušná pojiva Vápno Vápenosíranová pojiva Ostatní vzdušná pojiva Hydraulická pojiva hydraulické vápno cementy

47 Stavební pojiva: skupina látek, která s vodou tvoří zpracovatelnou směs. Po zatvrdnutí získávají potřebné mechanické, fyzikálně chemické a chemické vlastnosti a spolu s plnivy tvoří složené neboli kompozitní materiály. schopné přecházet ze stavu viskózního či plastického do stavu pevného beze ztráty celistvosti, nejlépe bez objemové změny vazné (spojují částice cizích hmot v pevný celek = schopné smáčet povrchy v kapalném i tuhém stavu) dělí se na maltoviny (cement, vápno,sádra) lepy (spojují kusy tuhé látky) tmely (vyplňují dutiny a upravují nerovnosti povrchů).

48 Anorganická pojiva: v důsledku chemických procesů tvoří hmoty s měřitelnými mechanickými vlastnostmi maltoviny fosfátová pojiva hořečnatá pojiva pojiva na bázi vodního skla atd.

49 Maltovina: společný název pro anorganická stavební pojiva účinná složka malt pojivo, které umožňuje tvárlivost malt Dělení maltovin podle hydrauličnosti: 1. vzdušné (nehydraulické) jíly, hlína, sádra, vápno 2. směsné s hydraulickými přísadami vápeno-pucolánové maltoviny 3. skrytě (latentně) hydraulické zásadité vysokopecní strusky 4. hydraulické (vodní) hydraulické vápno, románský cement, cement Hydraulické nerosty Dělění maltovin podle - 28 denních pevností (nízkopevnostní, obvyklé, vysokopevnostní) - složení

50 Plnivo: materiál, který homogenizací s pojivem a vodou tvoří maltu, použitelnou pro zdění a omítání. Cement: pojivo vyráběné pálením vhodných surovin až na mez slinutí rozemletím získaných slínků na prášek. rozmíchané s vodou tuhnou a tvrdnou, mají schopnost pojit jiné sypké látky v pevnou hmotu.

51 Trocha historie, nikoho nezabije! první pojivo hlíny hliněné omítky používání vápna (směs vápna a nepáleného drceného vápence, dekor z prstů namočených v hlince) let př. n. l. Jordánsko, Wadirum omítky na bázi sádry (7000 let př.n.l. Sýrie, 5000 let zdící malta pro velké stavby).

52 území Čech - zbytky pecí na pálení vápna z doby kamenné nejstarší vápenku vlastnil Břevnovský klášter (kolem roku 1000)

53 Vápno - vzdušné Vzdušné vápno se skládá převážně z oxidu nebo hydroxidu vápenatého ( hm. CaO+MgO>70%). Tuhne i tvrdne pouze na vzduchu vzdušná maltovina. Zdroj čistý vápenec hornina tvořená kalcitem (CaCO 3 ) znečištěná jílovými minerály a dolomitem (CaCO 3.MgCO 3 ). Vápno nejvyšší kvality se získá pálením čistých praných vápenců. Vlastnosti vápna určuje jeho mikrostruktura, která závisí na teplotě výpalu

54 Ve stavebním průmyslu se používají následující označení a definice: Vápno obecně zahrnuje fyzikální a chemické formy různých modifikací obsahujících CaO a MgO nebo Ca(OH) 2 a Mg(OH) 2. Surovina je pálena pod mez slinutí. Pálené vápno tzv. žíravé vápno obsahující převážně CaO Vzdušné vápno sestává převážně z CaO nebo Ca(OH) 2. Obsahuje více než 85% CaO, bílé dokonce více než 90% CaO. Tuhne pomalu na vzduchu reakcí se vzdušným CO 2 (karbonatace). Nehašené vápno vzdušné vápno složené z CaO a MgO. Vyrábí se kalcinací vápna nebo dolomitu. Při styku s vodou (hašení) reagují exotermně. Hašené vápno hlavními složkami jsou Ca(OH) 2 a Mg(OH) 2, které vznikají hašením páleného vápna. Při styku s vodou již nereagují exotermně. Vápenný hydrát hašené vápno obsahující převážně Ca(OH) 2.

55 Ve stavebním průmyslu se používají následující označení a definice: Hydraulické vápno vyrábí se pálením jílových vápenců a následným mletím a hašením, nebo smícháním Ca(OH) 2 s vhodnými surovinami. Výsledkem je směs složená z Ca(OH) 2 a vápenatých křemičitanů a hlinitanů, které vnášejí do pojiva hydraulické vlastnosti. Dolomitické vápno vzdušné vápno složené z CaO a MgO. Má šedou barvu, malty z něj připravené pomaleji tvrdnou, ale konečné pevnosti jsou vyšší než u bílých vápen. Dolomitický hydrát hašené vápno složené z Ca(OH) 2, Mg(OH) 2 a MgO. Románské vápno vykazuje hydraulické vlastnosti, neboť má stejné složení jako portlandský cement, obsahuje slínkové minerály kromě C 3 S.

56 Hydraulický modul H M SiO CaO 2 Al2O3 Fe2O3 HM = 1,7 3 silně hydraulické vápno, nízký obsah CaO, před použitím se pouze mele HM = 3 6 středně hydraulická, před použitím se domílají HM = 6 9 slabě hydraulická, při suchém hašení se snadno rozpadají na prášek HM 9 vzdušná

57 KALCINACE Surovina se vypaluje v rotačních nebo šachtových pecích při C optimální a rychlý výpal vápence (nejaktivnější okolo 900 C) s rostoucí teplotou výpalu se značně snižuje reaktivita získaného produktu. do 1050 C - vápno tzv. měkce pálené: vysoce porézní, s nízkou objemovou hmotností a velkým měrným povrchem, zpracování v rotačních pecích. použití: malty a omítky nad 1050 C tzv. tvrdě pálená: vyšší objemová hmotnost, menší porózita a menší měrný povrch, zpracování v šachtových pecích. použití: výroba pórobetonu

58 CaCO MgCO CaO MgO CO 2 Při teplotách výpalu C mohou vznikat slínkové minerály b C 2 S, CA a C 2 F, které vápnu udělují hydraulické vlastnosti. Pro každý druh vápence je potřeba najít určitý kompromis mezi co nejrychlejším výpalem, ekonomií zvoleného postupu a zajištěním kvalitního finálního produktu požadovaných vlastností. optima teploty a doby výpalu zjišťují pokusnými laboratorními výpaly.

59 HAŠENÍ VÁPNA Hašení vápna: hydratační reakce za uvolnění tepla Hašení vápna: mokré přebytek vody, vzniká tzv. vápenná kaše suché přidá se malý přebytek vody nad vypočítaný stechiometrický poměr, vzniká tzv. vápenný hydrát Při nedokonalém vyhašení dochází k dehydratování až v omítce, zvětšuje se objem a dochází k vystřelování omítek.

60 Karbonatace: zpevňovací proces vzdušného vápna, vzniká nerozpustný uhličitan vápenatý. Maltová směs je znehodnocená, pokud nastane karbonatace před jejím použitím.

61 Podle chemického složení se vápno dělí: Druh vápna Třída Hm. obs. CaO+MgO (%) Hm. obs. MgO (%) Vápno vzdušné bílé CL90 CL80 CL (7) 5 5 Vápno vzdušné dolomitické DL85 DL

62 Druhy vápna podle norem: 1. vzdušné tuhne na vzduch, není odolné vůči působení vody, obsahuje více než 85% CaO, bílé dokonce více než 90% CaO, dolomotické je šedé 2. hydraulické chová se jako cement, příčinou je znečištění hydraulickými složkami (SiO 2, Al 2 O 3, Fe 2 O 3 ) 3. románské má stejné složení jako portlandský cement, obsahuje slínkové minerály kromě C 3 S, má hydraulické vlastnosti Použití: malty, omítky, vápno-pískové výrobky, cihly, prefabrikáty Nestavební použití vápna: ocelárny, zemědělství a lesnictví (snížení kyselosti), úprava vody, cukrovarnictví

63 Vápenosíranová pojiva sádra CaSO 4.2H 2 O anhydritové pojivo CaSO 4 Egyptská maltovina: směs sádry, vápna a vápencového kameniva Omezená stálost ve vlhkém prostředí. Malty z nich nejsou alkalické, tzn. nechrání ocel proti korozi, ale jsou vhodnější k vyztužování skleněnými vlákny. Nejsou náchylné ke vzniku trhlin od smršťování, ale nabývají vyplnění dutin a spár. Malta = sádra + písek

64 Síran vápenatý dihydrát (CaSO 4.2H 2 O) sádrovec, minerály sádrovec, alabastr, mariánské sklo Síran vápenatý hemihydrát (CaSO 4.1/2H 2 O) tzv. a, b sádra (stavební, modelářská sádra) Síran vápenatý (CaSO 4 ) anhydrit (A), se třemi modifikacemi A I vysokoteplotní modifikace tvořící se při zahřívání anhydritu II, která má téměř minimální schopnost reagovat s vodou. A II jediná modifikace stabilní při normální teplotě, nerozpustná ve vodě, tzv. ostře pálený sádrovec. A III metastabilní modifikace, která vzniká jako meziprodukt a při dalším zahřívání přechází na A II. Vyskytuje se ve dvou formách a, b - anhydrit.

65 KALCINACE a sádra: C a mírný přetlak 1,3 kpa v autoklávu, vysoké pevnosti 50 MPa, potřebuje méně vody k hydrataci a kratší dobu k tuhnutí, dobře vyvinuté krystaly, kg/m 3 b sádra: C za normálního tlaku v roštové peci, 25 MPa, spotřebuje více záměsové vody, má velký měrný povrch, značně porézní s poruchami krystalové mřížky, kg/m 3 Tuhý roztok CaO+CaSO 4 : reaguje v jemně mleté formě s vodou, velmi odolné proti povětrnostním vlivům, tzv. silně přepálená sádra (1200 C), historicky pochází z Německa, tzv. estrichová sádra Tuhnutí a tvrdnutí: zpětná rekrystalizace

66 Výroba - kalcinace Sádrovec CaSO 4.2H 2 O a CaSO 2.1/2H 2 O a hemihydrát přetlak,nasycená vodní pára C b CaSO 2.1/2H 2 O b hemihydrát normální tlak C a CaSO 4 III a anhydrit C b CaSO 4 III b anhydrit C CaSO4 II nad 200 C A II T těžce rozpustný A II N nerozpustný A II E estrichová sádra CaSO 4 I anhydrit I nad 800 C

67 Hemihydrát,ANHIII, ANHII+ voda +(aditiva) míšení vlhčení, rozmělňování homogenizace, stabilizace hydratace, tuhnutí, tvrdnutí indukční perioda, nukleace růst krystalů, tvrdnutí struktura dihydrátu vývoj mechanických pevností prorůstání, přerůstání, blokování a zabudování nezhydratovaných složek + přebytek vody sušení sušení dihydrátu až do jeho rovnováhy s obsahem vlhkosti bez porušení struktury sádry

68 Druhy sádry Podle pevnosti: 12 tříd G2-G25 Podle jemnosti mletí: hrubě, středně a jemně mletá Podle doby tuhnutí:» A = rychle tuhnoucí sádry a, b -sádry Počátek 2 minuty, konec tuhnutí do 15 minut.» B= normálně tuhnoucí sádry Počátek 6 minut, konec tuhnutí do 30 minut.» C=pomalu tuhnoucí sádry Počátek 20 minut, konec tuhnutí se nepožaduje. Směs anhydritu (75-85%) + oxidu vápenatého(2-4%) + hlinitých součástí (do 10%) = zednická či potěrová sádra

69 Stavební sádra CaSO 4.1/2 H 2 O Tuhnutí lze urychlit přidáním síranů hlinitých a draselných, popř. NaCl, zpomalit klihovou vodou, nebo vápenným mlékem v/s ~ 0,6, modelová v/s ~ 0,3-0,35 Po vysušení 4,5 MPa DIN 1168» Štuková, omítková, osazovací, spárovací» Sádrová, omítková směs

70 Použití sádry Do interiéru sádrové příčkové desky, stěnové dílce, stavební dílce, sádrokartonové desky a jejich lepení, sádrovláknité nebo sádroperlitové obkladové desky pro protipožární ochranu ocelových konstrukcí, štukatérské práce Do exteriéru nutno použít hydrofobizační činidlo, nebo ošetřit povrch organokřemičitým hydrofobizačním prostředkem. Výtvarné umění a umělecká řemesla použití se řídilo empirií technologie modifikované citem skutečné voskové podoby lité do sádrových forem, pomocné formy, modely, pláště na ochranu originálů při transportu, odlitky antických soch atd. Sádrové výrobky s přidáním plniv - kompozitní materiály, nové vlastnosti

71 Stavební sádra ANH I» u nás se nevyrábí, není normalizovaná» nahrazuje se anhydritovým pojivem, protože má podobné vlastnosti. Anhydritové maltoviny s vnitřním buzením» modifikace blízké původním historickým látkám» trend dnešních památkářů Anhydritové pojivo» společně se semele 95% přírodního nebo odpadního anhydritu a 5% kusového vápence, nebo se smíchá jemně mletý anhydrit s PC» tuhne pomaleji» je pevnější a nezvětšuje objem při zatvrdnutí» vyžaduje suché prostředí.

72 Ostatní vzdušná pojiva Hořečnatá maltovina Fosfátové pojivo Křemičitanové pojivo

73 Hořečnatá maltovina (Sorelův cement) smícháním oxidu hořečnatého s roztoky hořečnatých solí Složky: 1. kaustický magnezit (pálený MgO při C) Produkt je lehký, měkký, nahnědlé až hnědé barvy, velmi porézní, s nízkou objemovou hmotností. 2. roztok MgCl 2 - zbývá po odstranění chloridu draselného ze suroviny karnalitu ( KCl.MgCl 2.6H2O). výsledné vlastnosti - závislé na poměru MgO:MgCl 2 (2:1-8:1), až 18 dílů vody hmota má pevnost přírodního kamene nevýhodou pojiva - nízká odolnost vůči působení vlhkosti

74 Hořečnatá maltovina (Sorelův cement) Vlastnosti a použití: ze všech používaných pojiv nejvyšší pojivé vlastnosti (pojme až 20ti násobek plniva) tuhne v rozmezí minut, konec tuhnutí je za 6-12 hodin pro velmi pevné produkty o pevnosti v tlaku MPa se používá křemenný písek nebo karbokorund pro tepelně izolační hmoty organická výplň, dřevěné piliny, mletá kůra. dřevitá vlna (heraklit) pojivo organickou hmotu mineralizuje - stává se nehořlavou typická vzdušná maltovina koroduje kovy (Cl 2 ) při uložení na vzduchu (45-85%) dochází ke značným objemovým změnám, měkne a rozkládá se podlahová hmota, izolační lehčené stěny, panely s plnivy, ohnivzdorné panely, těsnící hmoty, obklady stěn

75 vila Tugendhat

76 Fosfátové pojivo kyselino-zásadité pojivový typ dvousložkové pojivo - reakcí hydroxidu hlinitého či hořečnatého s kyselinou fosforečnou, sírovou, mravenčí, a s vícemocnými alkoholy, např. glykolem, a oxidy kovů, vzniká tvrdnoucí směs. Al( OH ) 3 2Al( OH ) H 3 3 PO Al( H PO 2 AlPO 4 ) 3 4 3H 3AlPO 4 2 O 4 6H 3Mg( OH ) 2 2H 3PO4 Mg 3( PO4 ) 2 6H ZnO H PO 2H O ZnHPO.3H O 2 2 O 2 O

77 Fosfátové pojivo tuhne na bázi polymerace C dehydratace fosforečnanů a zesíťování nad C vznik skelné fáze nad C rozklad skelné fáze stabilní žárovzdorný materiál do C vysoká pevnost

78 Křemičitanové pojivo (vodní sklo) Složení: křemenný písek se sodou (potaší) se pálí při C, vzniká křemičitan sodný, či draselný, který se zavádí do vody za vzniku roztoku tzv. vodního skla (Na 2 O:SiO 2 =1:3,3). Tvrdnutí: po přidání kyselých roztoků tvoří se gel (kyseliny křemičité) zpevňování přídavkem hydroxidů hlinitého, hořečnatého, vápenatého, oxidu olovnatého či několika procenty PC - vznik těžce rozpustných silikáthydrátů Vlastnosti: pevnost výrobku v tlaku závisí na druhu vodního skla, přísadách a teplotě v zatvrdlém stavu dobře odolávají kyselinám, špatně alkáliím nesmí se nanášet na čerstvé vápenné a cementové malty a beton

79 Použití: Nátěry a nástřiky odolné vůči vodě, kyselinám a vyšším teplotám Pojiva tepelně izolačních malt a vláknitých hmot (expandovaný perlit, azbest, minerální vlákna) Protipožární ochranné vrstvy ocelových konstrukcí Do žárovzdorných malt Pro spojování žárovzdorných materiálů Injektáže pískových podloží