Chemie stavebních materiálů Katedra materiálového inženýrství a chemie doc.ing. Milena Pavlíková, Ph.D. K123, D1045 224 354 688, milena.pavlikova@fsv.cvut.cz www.tpm.fsv.cvut.cz
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.
Co nás dnes čeká? Suroviny pro stavebnictví: primární a druhotné Anorganická pojiva I: vápno a sádra
Historická poznámka Po celou existenci lidstva použití materiálů na výrobu nástrojů, zbraní, staveb a předmětů denní potřeby Nejprve přírodní materiály dřevo, kámen, hlína, kůže. Později materiály zpracované štípané nástroje, pálená hlína, tkané textilie. Vývojový pokrok používání a zpracování kovů. Rozvoj přírodních věd vývoj technologií a nových materiálů. Technologie zpracování materiálů postaveny na vědeckých základech. Systematické pozorování procesů, výsledky popisovány a tříděny. Vznik výzkumu v materiálových oborech rozvoj vědních oborů, vývoj dokonalejších přístrojů, technik a technologií.
Vývoj materiálů Současné konstrukční materiály: kovy, keramika a sklo, plasty. Kompozitní materiály - lze kombinovat materiály, vznikají nové vlastnosti, zlepšení užitných vlastností (kovové matrice, vyztužování betonu vlákny, keramické povlaky na kovech, polymery zpevněné uhlíkovými vlákny atd.). Kovové materiály: houževnaté, tvárné, elektricky a tepelně vodivné, korodují. Keramiky a sklo: vysoká odolnost vůči degradaci, teplotně odolné, široká škála vlastností. Polymery: lehké, tvárné, mechanické vlastnosti se mění s teplotou, široká škála vlastností. Kompozity: propojují vlastnosti všech použitých složek tak, aby měl finální výrobek vynikající požadované vlastnosti (finančně nákladná výroba, není vyřešen problém spojování).
Technické materiály Materiály se získávají zpracováním surovin (= látky minerálního, rostlinného či živočišného původu). Dělení: Materiály konstrukční (součásti strojů, stavební díly, elektrotechnické prvky atd.) Materiály pomocné (slouží k výrobě, zpracování, dopravě). Hodnocení chování technologické vlastnosti (normalizované metody měření a měřených vlastností)
Počátek 3. tisíciletí Nastupující éra nanomateriálů, nanotechnologií a nanostrojů Nanomateriály: sypké materiály, nanokrystalické vrstvy či nanokrystaly s velikostí zrn 1 100 nm (10-9 10-7 m) tvary kuliček, jehliček, vláken, trubiček liší se od tradičních materiálů, u kterých dominuje klasická fyzika
Suroviny pro stavebnictví Suroviny primární druhotné Technicky významné minerály horniny Kamenivo přírodní umělé
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)
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
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
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
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.
Živce Horninotvorné minerály, tvořené síťovou strukturu tetraedrů SiO 4 se K+ K+ Al3+ K+ K+ zabudovaným Al, tzv. podvojné křemičitany. živce jsou ve většině vyvřelin K+ K+ netvoří svoje čistá ložiska vždy ve směsi s křemenem a dalšími minerály Tvoří 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
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 1100 1500 C sklářský průmysl zdroj Al, K, Na, Ca do skloviny Př. : Ložisko albiticko-aplitické žuly, lom Krásno u Sokolova, živcová surovina pro keramiku: albit (Na-živec) 48 % ortoklas (K-živec) 23 % křemen SiO 2 25 %
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 Chemická odolnost klesá v řadě: křemen K živec slída Na živec
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.
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
Jílovité usazené horniny Jílové zeminy velmi jemné (extrémně malé částice) tvořené převážně jílovými minerály kaolin, jíly, hlíny jílové minerály (hlinito-křemičitany) asi 40 druhů krystalické látky definované složením a strukturou dělí se podle struktury (vrstevnatá) Bentonity 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
Rozdělení jemnozemí podle ČSN 72 1330, d je střední velikost částic
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.
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
Usazené horniny: úlomkovité sedimenty zpevněné Opuka: kalcitová (CaCO 3 ) zrna spojená jílovým tmelem 10.-15. století hlavní pražský stavební kámen Zlatá opuka lom Přední Kopanina (u Ruzyně) snadná opracovatelnost, špatná přilnavost omítky
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
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
Vznik: Uhličitany CaCO 3 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.
CaMg(CO 3 ) 2 dolomit Využití: pro žáromateriály, dolomitické vlákno, zemědělství, odsíření, sklo, plniva Více než 90% dolomitu. Vzniká primárně vysrážením z vod, sekundárně dolomitizací vápenců, pórovité. Do 1000 C působí jako taviva, nad zvyšují pórovitost systému. Např. 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
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 1320-1380 C.
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)
Sádrovec CaSO 4.2H 2 O Přírodní primární - sedimentárně usazené, evaporací slaných jezer a moří velká ložiska v USA, Rusku, Polsku, SRN, Francii u nás Kobeřice u Opavy sekundární při rozkladu pyritu za přítomnosti vápence, vody a vzduchu 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%) (Opatovice, Chvaletice). chemosádrovce - průmyslové procesy extrakce kyseliny citrónové, produkce TiO 2, produkce MgCl 2, čištění vod, extrakce kyseliny fluorovodíkové čistá forma = alabastr
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
Suroviny druhotné Odpady vznikající v průmyslových výrobách. 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
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).
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.
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.
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)
Pucolánová reakce: Ca(OH) 2 Ca 2+ +2 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 8OH 2 SiO OH H O Si O Al 7OH 3 2 SiO OH AlOH 3 4
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.
Křemičitý úlet (silica fume) Amorfní oxid křemičitý 87-99%. Měrný povrch 20 000 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.
Rozdělení stavebních anorganických pojiv Vzdušná pojiva Vápno Vápenosíranová pojiva Ostatní vzdušná pojiva Hydraulická pojiva hydraulické vápno cementy
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. Schopná přecházet ze stavu viskózního či plastického do stavu pevného beze ztráty celistvosti, nejlépe bez objemové změny. vazná (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).
Anorganická pojiva: v důsledku chemických procesů tvoří hmoty s měřitelnými mechanickými vlastnostmi maltoviny fosfátová pojiva hořečnatá pojiva pojiva na bázi vodního skla atd.
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
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.
Trocha historie, nikoho nezabije! první pojivo hlíny používání vápna (směs vápna a nepáleného drceného vápence, dekor z prstů namočených v hlince) hliněné omítky 7 500 let př. n. l. Jordánsko, Wadirum omítky na bázi sádry (7000 let př.n.l. Sýrie, 5000 let zdící malta pro velké stavby).
území Čech - zbytky pecí na pálení vápna z doby kamenné nejstarší vápenku vlastnil Břevnovský klášter (kolem roku 1000)
Vápno - vzdušné 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.
Hydraulický modul H M SiO CaO 2 Al2O3 Fe2O3 HM = 1,7 3 HM = 3 6 HM = 6 9 HM 9 silně hydraulické vápno, nízký obsah CaO, před použitím se pouze mele středně hydraulické vápno, před použitím se domílají slabě hydraulické vápno, při suchém hašení se snadno rozpadají na prášek vzdušné vápno
KALCINACE Surovina se vypaluje v rotačních nebo šachtových pecích při 1050-1250 C optimální a rychlý výpal vápence 1 000 1 100 (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
C a C O 3 M g C O 3 C a O M g O 2. CO 2 Při teplotách výpalu 800 1 200 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.
HAŠENÍ VÁPNA Hašení vápna: hydratační (chemická) 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.
Karbonatace: zpevňovací proces vzdušného vápna, vzniká nerozpustný uhličitan vápenatý. Maltová směs je znehodnocená, pokud nastane karbonatace před jejím použitím.
Podle chemického složení se vápno dělí: Druh vápna Třída Hm. obs. CaO+MgO (%) Hm. obs. MgO (%) Vápno vzdušné bílé CL90 CL80 CL70 92 80 70 5(7) 5 5 Vápno vzdušné dolomitické DL85 DL80 85 80 30 5
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, dolomitické je šedé 2. hydraulické chová se jako cement, obsahuje hydraulické oxidy (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
Vápenosíranová pojiva Druhy: rychle tuhnoucí sádra rozpad sádrovce při 105-180 C na CaSO 4.1/2H 2 O anhydritové maltoviny při 300-600 C vzniká CaSO 4 II pomalu tuhnoucí sádra 800-1000 C CaSO 4 I Egyptská maltovina: směs sádry, vápna a vápencového kameniva Omezená stálost ve vlhkém prostředí. Malty 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
Síran vápenatý dihydrát (CaSO 4.2H 2 O) sádrovec, minerály sádrovec (různé tvary krystalů), alabastr (jemně zrnitý, čistě bílý), selenit (vláknité krystaly, hedvábný nádech), mariánské sklo velké čiré krystaly), saharská růže (shluky krystalů). 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.
KALCINACE Rychle tuhnoucí sádry: a sádra: nejjakostnější složka rychle tuhnoucí sádry 115-135 C a mírný přetlak 1,3 kpa v autoklávu, vysoké pevnosti 40-60 Mpa, potřebuje méně vody k hydrataci a kratší dobu k tuhnutí, dobře vyvinuté jehličkovité krystaly, 2 720-2 760 kg/m 3. Použití: samonivelační podlahové směsi, výplň v zubním lékařství. b sádra: zhoršuje kvalitu sádry, tzv. stavební sádra 150 C za normálního tlaku v rotační peci, suchá výroba, rozrušení krystalů 25 MPa, spotřebuje více záměsové vody, má velký měrný povrch, značně porézní s poruchami krystalové mřížky, 2 630-2 680 kg/m 3 Použití: bílá nebo šedá (obsahuje jíly v surovině) stavební sádra, modelářství, elektrikářství, štukové omítky, výroba sádrokartonových desek a příčkových tvarovek. Obsahují také AIII, který rychle tuhne a snižuje pevnosti, nežádoucí složka, nestálý odležení sádry v uzrávacích silech.
KALCINACE Anhydritové maltoviny: Zahříváním sádrovce při 300-600 C vzniká CaSO 4 II. Nerozpustný, reaguje s vodou pomalu, prakticky netuhne. Nelze použít samostatně jako pojivo bez budičů: Alkalické vápno, cement, pálený dolomit (uvolní Ca 2+ a neutralizací vzniká dihydrát), síranové sírany K, Na, Zn, Fe, vznikají rozpustné soli, směsné kombinace budičů, nejúčinnější. Vodní součinitel ovlivňuje pevnosti. Nelze míchat s vápnem a cementem dochází pak k síranovému rozpínání. Použití: malta na zdění a omítání, samonivelační podlahový potěr.
KALCINACE Pomalu tuhnoucí sádra: též potěrová či zednická Zahříváním sádrovce při 800-1000 C vzniká CaSO 4 I v šachtových či rotačních pecích. Vzniká volný CaO 2-4%, působí jako budič. Při tuhnutí a tvrdnutí se mírně smršťuje. Výroba neekonomická. Použití: výroba bezespárových podlah a podlahových vrstev 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
Výroba - kalcinace Sádrovec CaSO 4.2H 2 O a CaSO 2.1/2H 2 O a hemihydrát přetlak,nasycená vodní pára 115 125 C b CaSO 2.1/2H 2 O b hemihydrát normální tlak 107 160 C a CaSO 4 III a anhydrit 200 210 C b CaSO 4 III b anhydrit 170 180 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
Technologie výroby sádrových pojiv Výrobní postup se volí podle požadavků na maltovinu a vstupních surovin. Hornina podrcena, uložena v zásobnících Kalcinace v: sušících rotačních mlýnech - b hemihydrát, rotačních pecích, šachtových pecích pomalu tuhnoucí sádry, vařících 130-150 C, autoklávech - a hemihydrát.
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
Hydratace sádry Po rozdělání sádry s vodou a jejích rozpuštění dojde k hydrataci (tuhnutí a tvrdnutí) vykrystalizováním stabilního produktu. CaSO CaSO 4 4. 1 2 H 2H O CaSO O CaSO.2H Vlastní mechanismus složitý různé teorie. 2 O 1 2 1 2 Sádru vsypeme do vody a za stálého míchání vzniká kaše, ta postupně ztrácí tekutost a přechází do tuhého stavu. H Počátek tuhnutí závisí na teplotě rozkladu sádrovce, čím vyšší teplota, tím pomaleji tuhne. 2 4 2 O 4.2H 2 O 1. Indukční perioda sádrová suspenze přesycený roztok, vznik zárodků 2. Hlavní perioda hydratace a růst krystalů. 3. Rekrystalizační perioda transport vody dovnitř zrn, krystaly dosahují určité velikosti.
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.
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
Ostatní vzdušná pojiva Hořečnatá maltovina Fosfátové pojivo Křemičitanové pojivo
Hořečnatá maltovina (Sorelův cement) 1867 - smícháním oxidu hořečnatého s roztoky hořečnatých solí Složky: 1. kaustický magnezit (pálený MgO při 700-800 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
Hořečnatá maltovina (Sorelův cement) Vlastnosti a použití: ze všech používaných pojiv nejvyšší pojivé vlastnosti (pojme až 20ti násobek plniva) tuhne v rozmezí 40-240 minut, konec tuhnutí je za 6-12 hodin pro velmi pevné produkty o pevnosti v tlaku 60-100MPa 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
vila Tugendhat
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 ) ZnO H H 3 3 3Mg( OH ) Al( H 2 PO PO 2H 4 3 3 4 2 PO 2H PO 2 4 O AlPO 4 ) 3 4 Mg 3H 3 ( PO ZnHPO 4 2 4 O 3AlPO 4 ) 2.3H 6H 6H 2 O 2 O 2 O
Fosfátové pojivo tuhne na bázi polymerace 500-800 C dehydratace fosforečnanů a zesíťování nad 1 100 C vznik skelné fáze nad 1 750 C rozklad skelné fáze stabilní žárovzdorný materiál do 1 700 C vysoká pevnost
Křemičitanové pojivo (vodní sklo) Složení: křemenný písek se sodou (potaší) se pálí při 1200-1400 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
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
Podklady ke zkoušce Dělení hornin podle původu. Co je to pojivo a plnivo? Definujte horninu a minerál. Minerály na bázi uhličitanu, vzorce. Vlastnosti vybraných hornin a minerálů. Geologické děje. Usazené, přeměněné a vyvřelé horniny. Druhotné suroviny, pucolánová reakce. Nehydraulická a hydraulická pojiva. Vysvětlete pojmy kalcinace, dehydratace a hydratace, exotermní reakce. Hydraulický modul. Druhy a použití vápna. Kalcinace, hašení a karbonatace vápna. Typy sádrových pojiv, jejich vlastnosti a způsob výroby. Příklady dalších pojiv a jejich využití.