Vysoká škola technická a ekonomická v Českých Budějovicích. Institute of Technology And Business In České Budějovice

Transkript

1 KAPITOLA 3: POJIVA Vysoká škola technická a ekonomická v Českých Budějovicích Institute of Technology And Business In České Budějovice

2 Tento učební materiál vznikl v rámci projektu "Integrace a podpora studentů se specifickými vzdělávacími potřebami na Vysoké škole technické a ekonomické v Českých Budějovicích" s registračním číslem CZ.1.07./2.2.00/ Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

3 KLÍČOVÉ POJMY: vápno, cement, sádra, přísady k pojivům CÍLE KAPITOLY: seznámit se se surovinami pro výrobu, výrobními postupy, druhy a vlastnostmi pojiv, jak mění vlastnosti pojiv přísady.

4 3.1 POJMY POJIVEM rozumíme látku, pomocí které spojujeme materiály do podoby nebo formy výrobku PŘÍSADY jsou látky, kterými určujeme, měníme nebo doplňujeme vlastnosti hmoty a následně výrobku

5 3.2 HYSTORICKÁ POJIVA Za historická pojiva považujeme: 1) cihlářské jíly, hlinité jíly a hlíny 2) vápno 3) sádru CIHLÁŘSKÉ JÍLY, HLINITÉ JÍLY, HLÍNY Hlína jako pojivo určovala omítkám: malou pevnost, relativně vysokou nasákavost a velké objemové změny s tvorbou mikrotrhlin, malou přídržnost k podkladu a tedy velmi malou odolnost vůči povětrnosti malou životnost

6 3.2.1 CIHLÁŘSKÉ JÍLY, HLINITÉ JÍLY, HLÍNY Jíl je zeminou, která je tvořená jílovitými minerály s velikostí zrn do 0,002mm. - jeho podstatnou vlastností při použití jako pojiva je vaznost a nízký obsah humusovitých částí a výkvětotvorných solí - na druhou stranu je vaznost a plasticita příčinou bobtnání a smršťování

7 3.2.2 VÁPNO Vápno bylo jako pojivo používáno téměř v celé historii staveb lidstva. V prvopočátcích výroby se vápenec pálil při nízké teplotě v periodicky přerušovaném procesu přeměny uhličitanu vápenatého na oxid vápenatý v tzv. milířích. - dalším výrobním vývojem byla změna tvaru milíře na zděný a došlo ke zkrácení doby pálení na cca 3 dny - poslední technologické zdokonalení vypalování vápna přinesly šachtové pece

8 Obr. 2. Schéma šachtové pece zdroj:

9 3.2.2 VÁPNO Vápno vypálené rychlým způsobem v šachtové peci se nazývá vzdušným vápnem páleným na ostro. HAŠENÍ VÁPNA Hašením vápna se převádí pevná fáze vápna na fázi tekutou a to chemickou reakcí pevného CaO s vodou za vzniku vodné disperze hydroxidu vápenatého: CaO + H 2 O = Ca (OH) 2 Dle technologie můžeme hašení dělit na: 1) Měkce pálené vápno 2) Ostře pápené vápno 3) Suché hašení

10 3.2.2 VÁPNO Vápenný hydrát dělíme na: vápenný hydrát čistý ten může být jemný nebo velmi jemný vápenný hydrát velmi čistý jemný, velmi jemný nebo speciální Vápno dělíme na: a) vápno vzdušné b) vápno hydraulické Vzdušné vápno hlína i sádra patří mezi vzdušná pojiva, tj. takové hmoty a výrobky z nich zatvrdnou a jsou stálá pouze na vzduchu Hydraulická pojiva, kam patří hydr. vápno a cementy, hmoty a výrobky z něj vyrobené tvrdnou a mají tvarovou stálost a pevnost jak na vzduchu, tak i ve vodě nebo v extrémně vlhkém prostředí.

11 3.2.2 VÁPNO VÁPNA VZDUŠNÁ Vzdušná vápna můžeme z hlediska velikosti zrn rozdělit na: a) kusové zrno nad 7mm s max. 20% podsítného zbytku do 6,3mm b) práškové zrna do 3mm s max.5% nadsítného zbytku do 3,15mm c) mleté ty dělíme dále na: - hrubě mleté - 2,5mm, zbytek nepřípustný - jemně mleté do 0,2mm, zbytek větší než 1,2mm max.8% - velmi jemně mleté do 0,09mm, zbytek do 0,2mm max. 2% a do 0,09mm max. 8%) VÁPNA SPECIÁLNÍ vápno pro výrobu pórobetonu obsahuje min 90% CaO a max. 3% MgO

12 vápno karbidové vzniká jako vedlejší produkt při výrobě acetylenu z karbidu vápníku - CaC H 2 O = C 2 H 2 + Ca (OH) 2 hydrofobní vzdušné vápno je vápno s hydrofobní přísadou uhličitanové vápno nehašené s přimíláním vápence do vypáleného vápna pro úpravu regulace aktivity vápna živé vápno velmi jemně mleté s vysokou teplotní aktivitou při hašení vídeňské vápno s velmi jemně rozemletým dolomitickým vápencem

13 TUHNUTÍ A TVRDNUTÍ VZDUŠNÝCH VÁPEN Principem tuhnutí je odpar vody z vápenné kaše. Hlavní a převažující podíl na tvrdnutí vápen a maltovin má karbonatace, tj. tzv. uhličitanové tvrdnutí Karbonatace vzniká působením vzdušného oxidu uhličitého, který vstupuje do chemické reakce Ca (OH) 2 + CO 2 + n H 2 O = Ca CO 3 + (n + 1) H 2 O v době, kdy maltovina obsahuje ještě vodu. Vzniklý uhličitan vápenatý CaCO 3 vytváří z vápenné maltoviny vápencový slepenec. Pórovitost vápna a vlastnost, která s ní souvisí objemové smrštění je technologicky podřízeno teplotě výparu vápna: - při teplotě do 900 C je pórovitost 53 % a objem smrštění 10% - při teplotě výpalu 1300 C je pórovitost 34 % a objem smrštění 22%

14 ZKOUŠENÍ VZDUŠNÉHO VÁPNA Zkouší se dle ČSN EN 459 2: - objemová hmotnost - vydatnost vápna - aktivita vápna ( hodnota, která udává, kolik litrů vápenné kaše (předepsané hustoty pro jednotlivá vápna) vznikne rozhašením 1 kg vápna. Aktivita vápna je nejvyšší dosažená teplota při hašení vápna za zjištěný počet minut (tj. čas, za který je dosaženo 80 % z celkové hydratace). POUŽITÍ VZDUŠNÝCH VÁPEN - vápenné malty a suché maltové směsi pro zdění i omítky - vápenocementové maltové suché směsi pro zdění i omítky - pro výrobu pórobetonových tvárnic a výrobků - pro výrobu vápenopískových cihel -vápenné mléko jako součást nátěrů pro bílení

15 VÁPNA HYDRAULICKÁ Hydraulické vápno vyjma oxidu uhličitého obsahuje ještě tzv. hydraulické složky tj. SiO2 kysličník křemičitý, Al2O3 kysličník hlinitý a Fe2O3 kysličník železitý. Blíží se svými vlastnostmi i složením cementům. Na rozdíl od vzdušného vápna se před použitím nehasí. Vyrábí se dvěma způsoby: a) pálením jílovitých vápenců a dolomitických vápenců s přikládáním hydraulických přísad pod mez slinutí výsledným produktem je přirozeně hydraulické vápno, b) rozemletím vápna vzdušného s přísadami (vysokopecní struskou nebo pucolány). Hydraulické vápno musí být při tvrdnutí pod vodou i na vzduchu objemově stálé. Specielním hydraulickým vápnem je tzv. románský cement, vyznačující se vysokou vazností a rychlou dobou tuhnutí.

16 Použití hydraulických vápen: - malty pro zdění i omítání - k stabilizaci základových zemin - betony s malou pevností v tlaku SÁDRA Principem výroby sádry je odvodnění původního minerálu sádrovce Ca SO 4. 2 H 2 O, nebo rozkladu anhydritu CaSO 4 výpalem. - patří mezí vzdušná pojiva - po chemické stránce je sádra vápnosíranovým pojivem - zákl. surovinou pro výrobu je přírodní sádrovec - po geologické stránce je usazeným nerostem - nevyskytuje se v čisté formě ale znečištěn hlinitými částicemi - za relativně čistou formu můžeme považovat alabastr

17 3.2.3 SÁDRA TECHNOLOGIE VÝROBY Rozdrcený sádrovec se zahřívá na teplotu při níž se zbavuje vody a následně rozemílá Podle teploty odvodňovacího procesu se sádra dělí: a) měkká, rychle tuhnoucí polohydrát Ca SO 4. 0,5 H 2 O. Vyrábí se tzv. kalcinací Ca SO 4. 2 H 2 O + teplo = Ca SO 4. 0,5 H 2 O + 1,5 H 2 O b) tvrdá, pomalu tuhnoucí - anhydritová sádra. Podle stupně a teploty výpalu se vyrábí v těchto druzích: - anhydrit II T těžce rozpustný, vypalovací teplota C, jeho reakce s vodou s rostoucí teplotou klesá - anhydrit II N, nerozpustný, vypalovací teplota C, s vodu reaguje velmi pomalu - anhydrit II E, vypalovací teplota více jak 600 C, část se rozpadá na Ca O a SO 3

18 Dělení sádry podle třídy pevnost (číslo udává pevnost v MPa) : G 2 G 3 G 4 G 5 G 6 G 7 G 10 G 13 G 16 G 19 G 22 G 25. HISTORICKÉ TYPY SÁDRY: Purianská sádra pálený sádrovec s boraxem, rozmíchává se s roztokem z vinného kamene ve vodě, konec tuhnutí 2 3 hod. Schottova sádra pálený sádrovec s vápnem v poměru 7 : 3 Keenova sádra pálený sádrovec s kamencem zvýšená odolnost proti povětrnostním vlivům De Wyldeho sádra vyrábí se zahřátím anhydritu a vodního skla na C

19 TUHNUTÍ SÁDROVÝCH POJIV: Mechanismus tuhnutí je charakterizován takto: Ca SO 4. 0,5 H 2 O + 1,5 H 2 O = Ca SO 4. 2 H 2 O + teplo. -pevnost ztvrdlé sádry lze zvýšit jejím vysoušením ZÁKLADNÍ VLASTNOSTI SÁDRY Při rozmíchávání vždy je nutné sypat sádru do vody nikoliv obráceně. Množství vody se volí podle jemnosti mletí od 30 do 80 % z hmotnosti sádry. Hustota sádry kg/ m 3 Sypná hmotnost kg/ m 3 Pevnost v tahu za ohybu 1/6 až 1/ 8 pevnosti v tlaku.

20 ZÁVISLOST PEVNOSTI SÁDRY NA VLHKOSTI vlhkost 0,5 1 % snižuje pevnosti na % vlhkost % snižuje pevnosti na 50 % vlhkost větší než 15 % snižuje pevnost na % Změna vlhkosti má značný vliv na hodnotu modulu pružnosti a tedy i na trvalou deformaci dlouhodobě zatížených prvků. POUŽITÍ SÁDRY - sádrové omítky a stěrky - sádra pro volné nebo umělecké zpracování - sádrokartonové desky - sádrové tvárnice - anhydrity pojivo pro anhydritové podlahy a mazaniny - sádrovláknité desky

21 3.3 SOUČASNÁ POJIVA DĚLENÍ: hlíny a jíly vápno sádra hořečnatá pojiva cementy polymerní pojiva HOŘEČNATÁ POJIVA - patří mezi vzdušná pojiva - základní složkou jejich výroby je kausticky vypálený přírodní magnezit ve formě oxidu hořečnatého a roztoku chloridu hořečnatého - pojivo je vyráběno pod označením Sorellův cement - k zatvrdnutí dochází po přidání vody

22 VLASTNOSTI HOŘEČNATÝCH POJIV Počátek tuhnutí po 40 min. Doba tuhnutí do 8 hod. Je jedním z mála pojiv, které jsou schopny vykazovat pojivovou schopnost jak vůči anorganickým tak i organickým pojivům nemineralizovaných Pevnost v tlaku 22,5 MPa Pevnost v tahu za ohybu 7 MPa Objemová hmotnost kg / m 3 Mezi negativní vlastnosti patří tyto: neodolává trvalému působení vlhkosti neodolává vlivu teplot větších než 100 C nesnáší se s vápnem toto spojení je příčinou výkvětů výrazně působí korozivně na ocel a ostatní kovy vodivá pro el. proud

23 Použití hořečnatých pojiv: - podlahoviny s vysokou tvrdostí a zrychlenou pochůzností - xylolitové dlaždice - umělý kámen CEMENTY Cementy jsou pojivem hydraulickým, tvrdnoucím jak na vzduchu tak i pod vodou. Jsou charakterizované vysokou pojivostí vazností a objemovou stálostí. DĚLENÍ CEMENTŮ: a)cementy silikátové, portlandské (bez vedlejších přísad) b)cementy silikátové směsné (s přísadami) c) cementy hlinitanové, aluminátové d)cementy speciální, zvláštní

24 PŘÍSADY DO CEMENTŮ Vlastnosti a specializovaná použitelnost cementů se upravují přísadami buď přidávanými do vsázky při vypalování nebo přidávané při mletí k slínku. Dělení přísad: 1) hlavní, které upravují proces tuhnutí cementu sádrovec, sádrové zbytky a střepy 2) vedlejší, které upravují vlastnosti cementu vysokopecní granulovaná struska, pucolány 3) speciální, kterými se upravují technologické postupy plastifikace, hydrofobizace, provzdušňování.

25 PODLE JEMNOSTI MLETÍ dělíme cementy takto: běžně mleté s měrným povrchem 2250 až 3700 cm 2 / g velmi jemně mleté s měrným povrchem až 6000 cm 2 / g (nazývané rychlovazné) OZNAČOVÁNÍ A TŘÍDĚNÍ CEMENTŮ Za římskou číslicí následuje hodnota normalizované pevnostní třídy. Normalizované třídy: 32,5 42,5 52,5 (hodnota je pevností v tlaku po 28 dnech). Pokud je cement rychlovazný s vysokou počáteční pevností označuje se za pevnostní třídu ještě písmenem R.

26 VÝROBA CEMENTU - základní surovina pro výpal je vápenec s nižší čistotou - vsázka pro výpal je pak sestavena z více surovin podle výroby konkrétního druhu cementu - základními přísadami jsou: bauxity, železné rudy, křemen, struska, sádrovec a další - vytěžené suroviny se drtí a následně melou v rotačních mlýnech metodou za sucha nebo za mokra - při mokrém procesu se před mletím surovina zkrápí nebo plaví vodou pro rozplavení jemných částic - ve vypalovací rotační kontinuální peci se surovina (vsázka) vypalu je při teplotě vyšší než je teplota slinovací - výpalek slínek je vypalován při teplotách C - při slinování se cca 25% materiálu roztaví, tavenina podporuje vznik a tvorbu křemičitanů a hlinitanů - z pece odchází slínek do chladíčů a skaldových zásobníků

27 VÝROBA CEMENTU - starším způsobem výroby bylo vypalování v šachtových pecích. Surovina do pece vstupuje smíchaná s koksovou krupicí a je skrápěna a směs postupuje shora dolů, horký vypalovací vzduch se dmychá zespoda nahoru. Vypálený a částečně ochlazený slínek se odebírá ve spodní části šachtové pece. SLOŽENÍ SLÍNKU Slínek je směsí uměle vytvořených minerálů. Podstatnými minerály majícími vliv na tuhnutí a tvrdnutí jsou: a) ALIT C 3 S tuhne s vodou pozvolna, velkou měrou se podílí na počáteční vaznosti cementu. Při reakci s vodou se uvolňuje teplo. V běžných cementech je ve slínku obsažen z cca 50 %. b) BELIT C 2 S přispívá k vaznosti za uvolňování malého tepla. V běžných cementech je ho cca 25%.

28 c) CELIT C 4 AF reaguje a tuhne s vodou velmi rychle, přispívá k dlouhodobému růstu pevnosti, ale jen v suchém prostředí a dává cementu odolnost proti síranům. Slínek ho obsahuje cca 10% d) HLINITAN trojvápenný C 3 A ze všech čtyř složek nejrychleji reaguje s vodou a je původcem rychlého tvrdnutí a tuhnutí. Uvolňuje velké množství hydratačního tepla a jeho podíl ve slínku je cca 10%. Snižuje odolnost cementů proti síranům a je nositelem velkých objemových změn Mimo další minerály obsažené v malých množstvích je ve slínku obsaženo tzv. volné vápno CaO. Je obsaženo v množství cca 0,5 % - 4 %. Je příčinou vzniku vysokého hydratačního tepla a tzv. vápenného rozpínání. Nežádoucím minerálem ve slínku je oxid hořečnatý, který vyvolává pomalou hydratační reakci, ale je příčinou velkých objemových změn.

29 HYDRATACE - po zamíchání s vodou při tvorbě maltovin a betonů dochází k hydratační reakci, která probíhá postupně až do fáze tvrdnutí cementového kamene. - u běžně mletých cementů hydratuje cca 15% cementu z celkového množství - ostatní cementová zrna hydratují dlouhodobě - samotný proces tuhnutí a tvrdnutí je složitý cyklus spojitě probíhajících chemických reakcí a současně probíhajících reakcí a jevů majících vazbu na vznik krystalů a následně srostlic původních i nově vznikajících minerálů

30 VLASTNOSTI a) alkalita je určena a dána především přítomností hydroxidu vápenatého, ten karbonatuje se vzdušných CO 3 a pozvolna a dlouhodobě přechází na uhličitan vápenatý, alkalita se snižuje v závislosti na času a rychlosti karbonatace. b) objemová stálost je předepsána Objemová nestálost je závažnou vadou cementu vedoucí k rozpínání a tvorbě trhlin Rozpínání cementu dělíme na: 1) vápenné rozpínání vyloučení přítomnosti volného vápna 2) hořečnaté rozpínání při obsahu MgO ve slínku v mn. nad 6% 3) síranové rozpínání nastává při větším obsahu SO 3 než 3,5 % ve slínku

31 Smršťování - je závislé na druhu cementu, jemnosti mletí, obsahu přísad omezujících smrštění, množství záměsové vody a vlastních podmínkách tuhnutí a tvrdnutí Smršťování dělíme na: a) smršťování vnitřní vznikající v počátku hydratace a v první fázi tuhnutí mikrotrhliny, krátké uvnitř hmoty b) smršťování v době tuhnutí a tvrdnutí c) smršťování v době zrání betonu dlouhodobé Průběh, doba tuhnutí a tvrdnutí cementové kaše Hodnotí se: - začátek doby tuhnutí (tj. čas, kdy cementová kaše přechází z kašovité konzistence do polotuhého stavu - začátek doby tvrdnutí (tj. čas, kdy cementová kaše začne nabývat pevnosti v tlaku) - konec doby tvrdnutí (tj. čas, kdy dosáhne normové pevnosti)

32 Fyzikální vlastnosti měrná hmotnost kg/ m3 sypná hmotnost kg/ m3 setřesená hmotnost kg/ m3 jemnost mletí min. měrný povrch musí být větší než 2250 cm 2 / g vývin hydratačního tepla Vaznost - nejdůležitější vlastnost cementů - schopnost cementu v procesu tvrdnutí vytvářet pevné krystalické vazby. - vyjadřuje se pevností v tahu za ohybu a v tlaku po 28 dnech - závisí na mineralogickém složení cementů, jemnosti mletí, množství záměsové vody, stářím a způsobem uložení cementu, teplotě prostředí, době tvrdnutí a vlivu přísad

33 3.3.2 POLYMERNÍ POJIVA Polymerní pojiva jsou vysokomolekulární látky, které mohou být aplikovány místo anorganického pojiva cementu, vápna, sádry s cílem změnit některé vlastnosti výrobků u těchto klasických materiálů. Slouží pro výrobu: a) plastbetonů b) polymerbetonů c) polymermalt d) geopolymerních cementů Vlastnosti: - rychlost polymerace a nabývání vysokých hodnot mechanických pevností - odolnost proti agresivitě prostředí

34 3.3.2 POLYMERNÍ POJIVA Srovnání vlastností

35 3.3.2 POLYMERNÍ POJIVA Druhy pojiv -obvykle dvousložková - lze je rozdělit do těchto skupin: a) epoxidové pryskyřice b) nenasycené polyestery c) polyuretany d) metylmetakryláty Použití těchto pojiv si vynucuje velmi přesné stanovení granulace plniva. Důvodem přesné granulace a dávkování plniva je vysoký koeficient lineární teplotní roztažnosti plastových pojiv. Nedostatek pojiva je naopak příčinou pórovitosti polymerbetonu.

36 3.4 PŘÍSADY A PŘÍMĚSI Přísady a příměsi jsou látky, kterými po jejich přidání do betonu nebo malty případně při výpalu cementů do vsázky, upravujeme vlastnosti cementů, betonů a malt a upravuje tedy vlastnosti z nich zhotovených výrobků PŘÍSADY Přísady jsou chemické látky v kapalném nebo tuhém práškovitém Dělení dle ČSN EN podle účinku působení: - plastifikační - superplastifikační - provzdušňující - stabilizační - zpomalující tuhnutí - urychlující tuhnutí a tvrdnutí - hydrofobizační

37 Dělení dle ČSN : plynotvorné pěnotvorné odpěňovací expanzní adhezní protikorozní biocidní Dělení dle dle použití: zpevňující ztužovací činidla mrazuvzdorné potlačení objemových změn pro snížení teploty zpracování historické přísady - při používání přísad nesmí být podle požadavku ČSN EN překročeny maximální dávky doporučené výrobci přísad a při dávce přísady nad 50 g / kg cementu, musí být prokázáno, že nepříznivě neovlivňuje vlastnosti a trvanlivost betonu. - při aplikaci více přísad musí být zkouškou prokázána jejich vzájemná snášenlivost. - přísady na bázi chloridů se nesmí použít do železobetonů a betonů předpjatých.

38 3.4.2 PŘÍMĚSI Příměsi jsou na rozdíl od obvykle tekutých nebo práškovitých chemických přísad pevné jemně mleté práškovité látky pro získání speciálních konečných vlastností zhotovených betonů a malt. Dělí se na skupiny: - příměsi druhu I., které se nezúčastní procesu hydratace a jsou vůči cementu netečné, jsou to kamenné moučky, práškovité pigmenty - příměsi druhu II, které mají pucolánové vlastnosti nebo latentní hydraulicitu, podílí se na procesu hydratace popílek, křemičitý úlet. Dávkují se ve větším množství, proto se na rozdíl od přísad započítávají do objemové skladby betonu nebo maltovin

39 Pozitivní vlastnosti používají se pro vyladění křivky zrnitosti kameniva zlepšení reologických vlastností betonu vyšší zhutnitelnost zvýšení hutnosti betonu zvýšení odolnosti vůči agresivitě vnějšího prostředí zvýšení přídržnosti betonu k podkladu pigmenty pro probarvení betonu

40 OTÁZKY A ÚKOLY 1) Popiš suroviny a postup výroby vápna. 2) Co je hašení vápna? 3) Co to je hydraulické vápno? 4) Jaká chemická reakce probíhá při tvrdnutí malty? 5) Popiš suroviny a postup výroby cementu. 6) Co to je slínek? 7) Jaké jsou druhy cementů? 8) Jaké vlastnosti cementu se dají ovlivňovat přísadami? 9) Jak probíhá tuhnutí a tvrdnutí cementu?