Chemické složení surovin Chemie anorganických stavebních pojiv Ing. Milena Pavlíková, Ph.D. K123, D1045 224 354 688,
[email protected]
tpm.fsv.cvut.cz
Základní pojmy Materiál Stavební pojiva – schopné přecházet ze stavu viskózního či plastického do stavu pevného beze ztráty celistvosti, nejlépe bez objemové změny – Vazné • maltoviny • 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 • hořečnatá pojiva • pojiva na bázi vodního skla atd.
Dělení maltovin podle hydrauličnosti: 1.vzdušné (nehydraulické) 2. směsné s hydraulickými přísadami 3. skrytě (latentně) hydraulické 4. hydraulické (vodní) Hydraulické nerosty Dělění maltovin podle 28 denních pevností Dělení maltovin podle složení Plnivo Cement
Suroviny pro stavebnictví •
•
Suroviny primární: • jílové zeminy • křemenné suroviny • uhličitany • sírany Suroviny druhotné: • popílky • strusky • křemičité úlety • odpadní sádrovce a další odpady
Horniny Hornina → petrologie Nerost → mineralogie Typy hornin – Vyvřelé: • Intrusivní (hlubinné) X extrusivní (výlevné) • Čedič, tuf, žula
– Usazené (sedimentární): • Křída, vápenec, dolomit, pískovec, lupek • Dělení podle zdroje – zvětráváním (vniřní a vnější geologické děje) – jílové a úlomkovité usazeniny, – biogenní aktivitou – křída, stromatolity, křemelina, vápenec, zemní plyn, ropa, asfalt – srážením z roztoku (precipitované) – sůl kamenná, sádrovec
– Přeměněné (metamorfované): • Rula, mramor
Úlomkovité a jílovité 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 sypké horniny vzniká zpevněná hornina utvářejí podloží mladších vrstev využití: na štěrk Písek středně zrnitá usazenina využití: stavebnictví, sklářství, Pískovec písek s jílovitými částicemi+ křemík+ vápník+ železitý tmel( Fe- vyloučeno) Česká tabule, Západní Karpaty využití: stavebnictví, kamenictví, sochařství
Spraš jílovité usazeniny žlutohnědá barva křemen, živec, jílovité nerosty, uhličitan vápenatý na spraších- úrodná půda využití: keramika Hlíny vznikají za zvětralin obsahují jíl, jemné prachové částice, zrnka písku, úlomky hornin, organické látky využití: cihlářská surovina Jílovce nejjemnější částice J Morava, Slovensko využití: cihlářství, žáruvzdorné výrobky jílovce+ jílovité břidlice zpevněné jílovité horniny vrstvy Plzeň, Drahanská vrchovina, Karpaty využití: pokrývačky
Jílové zeminy : velmi jemné zeminy, tvořené převážně jílovými minerály (hlinito-křemičitany) = krystalické látky definované složením a strukturou (vrstevnatá, extrémně jemné částice) kaolin, jíly, hlíny jílové minerály – asi 40 druhů, dělí se podle struktury kaolinit – dvojvrstevný, tvoří se z K - živce, destičky hexagonálního tvaru, nejrozšířenější v Evropě Al2(Si2O5)(OH)4
Funkce –
dodávají směsím tvárlivost (čím jemnější zemina, tím lepší)
–
nositeli pevnosti po vysušení (usnadňuje manipulaci při konečné úpravě)
–
schopnost slinování (zhutnění a zpevnění povrchu, aniž by došlo k deformaci)
Křemenné suroviny • • • • •
horský křišťál, žilný křemen křemenné písky křemence křemenné pískovce křemelina (diatomit)
Živce neplastické suroviny, tvořené síťovou strukturu tetraedrů SiO4 se zabudovaným Al, používají se jako tavivo, pojivo pro brusné materiály 60% zemského povrchu Skupiny: •
K-živec (ortoklas) KAlSi3O8
•
Albit NaAlSi3O8
•
Anortit CaAl2Si2O8
Tavením vzniká skelná fáze, což se využívá při výrobě glazur, keramiky, smaltů, pojiv pro brusné materiály. Doprovodný minerál oxid křemičitý, vyskytují se 60% v zemské kůře. důležitým znakem živců je jejich lamelování chemická odolnost klesá v řadě: křemen – K živec – slída – Na živec
Znělec (šedozelený) Použití: výroba barevných obalových skel, keramiky (dlaždice), elektroporcelánu, hnojiv (vysoký obsah P, malá chem. odolnost – snadný rozklad) Čedič (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 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
Uhličitany CaCO3 Využití pro maltoviny 76%, hutě 17%, 7% chem.prům., potrav., zem., energ., ekolog. Vznik organogenní – skořápky a kostry dírkovců (od prvohor) chemogenní – travertiny sedimentární – dentritický vápenec (připlavené)
Dělení – celistvé (skořápky a kostry) X rekrystalované (mramory) Kalcit 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
CaMg(CO3)2 dolomit Pro žáromateriály, dolomitické vlákno, zem., 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
Mramor Opuky – báze kalcitu a oxidu křemičitého s příměsí hlinitokřemičitanů
Mastek 3MgO.4SiO2.H2O Keramika, plnivo, farmacie, substrát. Vznik – hydrotermálně na kontaktu magnezitu a dolomitu s křemičitou horninou, rozkladem silikátových hornin absarbujících olivín Celistvý (zrnitý)X vrstevnatý (talek) Steatit (zpevněný mastek) pro výrobu elektrokeramiky, kondenzátory, výpal 1320-1380°C. Sírany Sádrovec CaSO4.2H2O u nás se netěží čistá forma = alabastr
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 stavebních anorganických pojiv Vzdušná pojiva Vápno Vápenosíranová pojiva Ostatní vzdušná pojiva Umělý mramor
Hydraulická pojiva hydraulické vápno cementy geopolymery
Malty Omítky Plniva, přídavky, přísady
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). Surovina se vypaluje v rotačních nebo šachtových pecích při 1050-1250°C. KALCINACE.
CaCO3 .MgCO3 → CaO + MgO + 2CO2
Při výpalu do 1050°C vzniká vápno tzv. měkce pálené, má vysokou porózitu, nízkou objemovou hmotnost a velký měrný povrch, hydratace tak probíhá rychle a dokonale. Vápno vzniklé při výpalu nad 1050°C má vyšší objemovou hmotnost, menší porózitu, a menší měrný povrch. Tato tzv. tvrdě pálená vápna se vyrábějí v šachtových pecích.
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.
Vápenosíranová pojiva sádry CaSO4.2H2O anhydritové pojivo CaSO4 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. Sádru sypeme do vody !!! Pro přípravu se používá vždy čistá voda. Malta = sádra + písek Nemíchat sádra+cement!!!
Zdroj sádrovce •
přírodní sádrovce – primární - sedimentárně usazené • velká ložiska v USA, Rusku, Polsku, SRN, Francii
vápence
- sekundární – při rozkladu pyritu za přítomnosti
•
u nás Kobeřice u Opavy
•
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
Výroba - kalcinace α –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 β –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
Druhy sádry • Podle pevnosti: 12 tříd G2-G25 • Podle jemnosti mletí: hrubě, středně a jemně mletá • Podle doby tuhnutí: » A = rychle tuhnoucí sádry – α, β -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%) a oxidu vápenatého(2-4%) a 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 exteriérů – 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 –
Výsledné vlastnosti jsou závislé na poměru MgO:MgCl2 (2:1-8:1) až 18 dílů vody.
–
Nevýhodou tohoto pojiva je jeho nízká odolnost vůči působení vlhkosti.
–
Má 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.
–
Jako výplň se používají dřevěné piliny, xylolit, dřevitá vlna (heraklit).
Křemičitanové pojivo –
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).
–
Koncentrované roztoky vodního skla tuhnou po přidání kyselých roztoků za tvorby gelu. Tento gel je složen z vyloučených kyselin křemičitých.
–
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
Kamenivo Dělení:hutné – křemen, křemičitany, živce, vápence pórovité – pískovec, čedič, křemelina z druhotných surovin – cihelné střepy, strusky, drcený beton Kamenivo se skládá alespoň ze dvou frakcí: drobné kamenivo (písku) hrubé kamenivo (štěrku, drtě, štěrkodrtě).
Při výrobě jakostních betonů je lepší skládat kamenivo z více frakcí. Kamenivo vytváří v betonu nosnou kostru, která svým složením ovlivňuje vlastnosti betonu a množství cementu nutného k obalení zrn a vyplnění mezer.
Důležité pojmy Základní terminologie Pojivo Hydraulicita Horniny vyvřelé, usazené, přeměněné Typy a zdroje surovin Vápno Sádra
Literatura BRANDŠTETR, Jiří et al.: Chemie stavebních látek, Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, 2000 ROVNANÍKOVÁ, Pavla a MALÝ, Josef: Stavební chemie, Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, 1995 MALÝ, Josef a ROVNANÍKOVÁ, Pavla: Základy chemie, Vysoké učení technické v Brně , Fakulta stavební, 1995 HENNING, Otto a LACH, Vladimír: Chemie ve stavebnictví, SNTL Praha, 1983 WAGNER, A., Král, J.: Základy chemie, SNTL, 1963. RAIS, J. a kol.: Chemie pro nechemické vysoké školy technické, SNTL, 1969 Webovské stránky
