Chemické složení surovin pro stavebnictví (primární a druhotné)

Chemie stavebních
materiálů
Katedra materiálového inženýrství a chemie
doc.Ing. Milena Pavlíková, Ph.D.
K123, D1045
224 354 688, [email protected]
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
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
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 (CaCO3)
• směs minerálů (větší nebo menší
krystaly minerálů)
• nelze definovat přesné chemické
složení
• hlavní složka zemské litosféry
• petrologie
Opuka (CaCO3+SiO2+jílové nerosty)
Výskyt nerostů v zemské kůře (0 až 50 km)
živce
11,9%
0,1%
1,5%
1,5%
orthosillikáty a
metasilikáty
křemen
3,0%
slída
12,0%
55,0%
15,0%
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 SiO2:
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.
K+
K+
Živce
Al3+
K+
Horninotvorné minerály, tvořené síťovou strukturu tetraedrů SiO4 se
zabudovaným Al, podvojné křemičitany
•
živce jsou ve většině vyvřelin
•
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) KAlSi3O8
•
Albit NaAlSi3O8
•
Anortit CaAl2Si2O8
•
Plagioklas – směs Na-Ca živců
důležitým znakem živců je jejich lamelování
Chemická odolnost klesá v řadě: křemen – K živec – slída – Na živec
K+
K+
K+
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, z lomu Krásno u Sokolova, živcová surovina pro
keramiku:
albit (Na-živec) 48 %
ortoklas (K-živec) 23 %
křemen SiO2 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
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
Písek
středně zrnitá usazenina
využití: stavebnictví, sklářství,
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
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 (Al2(Si2O5)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
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
Al2O3 .2SiO2 .2H2O
10 μm
Rozdělení jemnozemí podle ČSN 72 1330, d je střední velikost částic
Usazené horniny: úlomkovité sedimenty zpevněné
• Opuka: kalcitová (CaCO3 ) 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
Uhličitany CaCO3
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.
• CaMg(CO3)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.
• MgCO3 magnezit
žárovzdorné materiály
krystalický, amorfní, sedimentární
• Mastek 3MgO.4SiO2.H2O
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.
Sádrovec CaSO4.2H2O
• 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
Zdroj u nás
•
•
Kobeřice u Opavy
GYPSTREND s. r. o.
– nástupcem bývalého s. p. Sádrovcové doly Kobeřice
Přírodní
• bezbarvý
• čirý
• kompaktní
• minerál s malou pórovitostí
• 2 300 kg/m3
• 40-45 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
• 500-1 500 kg/m3
• 1-35 MPa v tlaku
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 (CaSO4·2H2O)
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.
• 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.
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.SiO2), wollastonit (b-CaO.SiO2),
– 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
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
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)
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 618-91 - celkový obsah
hydraulických oxidů (SiO2+Al2O3+Fe2O3) v pucolánech 70 hm. % a
obsah aktivního SiO2 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].
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
Pucolánová reakce:
Ca(OH)2→Ca2++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 SiO2, křemičitanech a hlinitanech
Vzniklé ionty tvoří s ionty Ca2+ nejprve hydratované křemičitany (CSH gely) a
hlinitany vápenaté na jejich povrchu ve formě hexagonálních lístků.
 Si  O  Si  8OH   2SiO OH 3   H 2O

 Si  O  Al  7OH   SiO OH 3   Al OH 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 m2/kg
•
Obsahuje amorfní oxid křemičitý a hlinitý, mullit
(3Al2O3.2SiO2) 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 m2/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.
– 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).
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
hliněné omítky
• používání vápna
(směs vápna a nepáleného drceného vápence,
dekor z prstů namočených v hlince)
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
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 (CaCO3)
znečištěná jílovými minerály a dolomitem (CaCO3.MgCO3).
Vápno nejvyšší kvality se získá pálením čistých praných
vápenců.
Vlastnosti vápna určuje jeho mikrostruktura, která závisí na
teplotě výpalu
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 CO2 (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.
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 C3S.
Hydraulický modul
HM
• HM = 1,7 – 3
CaO

SiO2  Al2O3  Fe2O3
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
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
CaCO 3 .MgCO 3  CaO  MgO  2 CO 2
• Při teplotách výpalu 800 – 1 200°C mohou vznikat slínkové minerály
b – C2S, CA a C2F, 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 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,
dolomotické je šedé
2.
hydraulické – chová se jako cement, příčinou je znečištění
hydraulickými složkami (SiO2, Al2O3, Fe2O3)
3.
románské – má stejné složení jako portlandský cement, obsahuje
slínkové minerály kromě C3S, 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
sádra CaSO4.2H2O
anhydritové pojivo CaSO4
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
• Síran vápenatý dihydrát (CaSO4.2H2O) – sádrovec, minerály sádrovec,
alabastr, mariánské sklo
• Síran vápenatý hemihydrát (CaSO4.1/2H2O) – tzv. a, b – sádra (stavební,
modelářská sádra)
• Síran vápenatý (CaSO4) – 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
a –sádra: 115-125°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, 2 720- 2 760 kg/m3
b –sádra: 110-125 °C za normálního tlaku v roštové peci, 25 MPa, spotřebuje
více záměsové vody, má velký měrný povrch, značně porézní s poruchami
krystalové mřížky, 2 630- 2 680 kg/m3
Tuhý roztok CaO+CaSO4 : 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
Výroba - kalcinace
Sádrovec CaSO4.2H2O
a – CaSO2.1/2H2O
a – hemihydrát
přetlak,nasycená vodní pára
115 – 125°C
b – CaSO2.1/2H2O
b– hemihydrát
normální tlak
107 – 160°C
a – CaSO4 III
a – anhydrit
200 – 210°C
b– CaSO4 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
CaSO4 I
anhydrit I
nad 800°C
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
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
Stavební sádra
• CaSO4.1/2 H2O
• 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
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
• 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.
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 MgCl2 - zbývá po odstranění chloridu draselného ze
suroviny karnalitu ( KCl.MgCl2.6H2O).
• výsledné vlastnosti - závislé na poměru MgO:MgCl2 (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 (Cl2 )
•
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  H 3 PO4  AlPO4  3H 2 O
2 Al (OH ) 3  Al ( H 2 PO4 ) 3  3 AlPO4  6 H 2 O
3Mg (OH ) 2  2 H 3 PO4  Mg 3 ( PO4 ) 2  6 H 2 O
ZnO  H 3 PO4  2 H 2 O  ZnHPO4 .3H 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
(Na2O:SiO2=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