Chemie stavebních materiálů

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