Keramika a cihly Přednáška pro AI01
Ústav stavebního zkušebnictví FAST, VUT v Brně
Ing. Ondřej Anton, Ph.D.
Keramika Soudržná polykrystalická látka, získaná převážně z přírodních anorganických nekovových surovin s určitým podílem skelné fáze, získaná zpracováním do tvaru a vypálením v žáru, při kterém dojde slinováním ke zpevnění a dosažení požadovaných fyzikálně mechanických vlastností.
Keramické výrobky Tradiční keramická výroba je založena na použití přírodních surovin, které mají schopnost po smíchání s vodou vytvářet plastické těsto. Vytvarované výrobky z tohoto těsta mají schopnost podržet si svůj tvar i po vysušení.
Historie
Historie cihly Nejstarší nálezy nepálených tvarovaných cihel 7500 př. n.l ( Çayönü v oblasti horního Tygridu) První sumerské cihly měly tvar kulatých bochníků uhnětených z hlíny na protilehlých stranách seříznutých (tzv. plochovypuklé). Teprve v další fázi se objevují cihly s hranami. Nebyly však obdélníkové, jako ty dnešní, ale čtvercové – pro stavby byly výhodnější a stabilnější.Tyto cihly byly dlouhodobě sušeny na slunci (až 2 roky), teprve pak se mohly použít. Spojovali je hlínou nebo asfaltem.
Asi od 4. tisíciletí př. n. l. se objevují cihly na řeckém území. Jsou ve tvaru čtverce (o straně 37 nebo 22 cm.) Pálené se začaly objevovat v řeckých městech až v polovině 4. století př. n. l. Byly však vzácné. I v Římě se zpočátku používaly cihly nepálené. Pálené se začaly vyrábět teprve za císařství (začátek 1. století n. l.). Na rozdíl od Řeků techničtěji založení Římané je postupně začali vyrábět ve velkém a dokonale využili jejich výhod. Římané používali cihly nejen k běžnému zdění budov, ale zdili z nich i sloupy a pilíře, používali je na klenby i na podlahy.
Římské legie, které používaly mobilní pece, rozšířily užívání cihel do mnoha částí Římské říše. Tyto cihly jsou často označovány, značkou té legie která pod jejichž správou se vyráběla.
X. Legie Gemina Pia Fidelis
Ve 12. století došlo k masovému rozšíření cihel ze severní Itálie do severního Německa – vrcholem tzv. Cihlová gotika.
• 1619 vynalezl J. Etherington strojní formování cihel • Normalizované cihly – Německo, konec 18. stol.
1813 – vynález dutinové cihly 19. stol. – rozmach cihlářství, masivní výstavba ve městech.
Před polovinou 19. století dosáhly brněnské cihelny průmyslového charakteru. Pod Žlutým kopcem, při Úvozu a na Hlinkách, pracovaly čtyři cihelny s devadesáti dělníky, pod Kraví horou tři cihelny s osmdesáti dělníky, při Velké Nové Ulici (dnešní Lidická) čtyři cihelny s devadesáti dělníky…
Výroba keramiky
Keramický způsob: vytvářejí se za sucha a potom se zpevňují pálením – keramika pálená
Hutnický způsob: roztavením surovin v žáru a odléváním taveniny – keramika odlévaná
Typický technologický postup výroby: 1. Těžba, úprava a zpracování surovin 2. Vytváření za normální teploty 3. Sušení výrobků 4. Výpal za vysokých teplot
Typický technologický postup výroby: 1.Těžba, 1. Těžba, úprava a zpracování surovin
Úprava surovin: Za mokra – rozplavování suroviny, vznik suspenze, odstranění hrubších zrn (sítem, usazováním) Za sucha – drcení, mletí, třídění – dosažení stejnorodosti směsi
Typický technologický postup výroby: 2. Vytváření za normální teploty
Vytváření: Výrobní směs získala po úpravě takové vlastnosti, že je možné ji převést do předepsaného tvaru.
Vytvářecí způsoby: • z plastického těsta na šnekových lisech (obsah vody 25%) • ze zavlhlé směsi lisováním (obsah vody 8 – 12%) • z břečky – litím do sádrových forem (obsah vody 40%)
Typický technologický postup výroby: 3. Sušení výrobků
Sušení: Výtvorek obsahuje značné množství vody, které se odstraňuje sušením.
Typický technologický postup výroby: 4. Výpal za vysokých teplot
Výpal: Výpal při teplotách 900 – 1400° 1400°C C Výrobek získá stálost tvaru, vzhled, barvu, tepelně technické vlastnosti Slinování – spojení zrn účinkem teploty – tzv. keramická vazba (spojovací skelná fáze)
Keramický střep - charakteristiky: Dle nasákavosti NV: • pórovitý (NV > 10%) • polohutný (NV = 6 - 10%) • hutný (NV = 3 - 6%) • poloslinutý (NV = 1,5 - 3%) • slinutý (NV < 1,5%)
Keramický střep - charakteristiky: Dle barvy střepu: •bílý •barevný
Keramický střep - charakteristiky: Dle použití: • stavební keramika (cihlářské výrobky, kamenina) • zdravotnická keramika • žárovzdorné materiály • technická keramika (konstrukční a elektrotechnická) • speciální keramika
Základní střepové suroviny: • suroviny tvárlivé (plastické) • suroviny netvárlivé (neplastické) - ostřiva - taviva - lehčiva
Suroviny tvárlivé (plastické) Po smíchání s vodou vytváří plastické těsto, a po výpalu dodávají výrobku charakteristické vlastnosti Podle stupně disperze rozdělujeme na: • jíly • hlíny • prachy • písky
Suroviny tvárlivé (plastické) Každý z těchto druhů musí obsahovat podíly (frakce) jisté velikosti, které mají zvláštní pojmenování: jílovina – zrna < 0,002 mm prachovina – zrna 0,002 – 0,05 mm pískovina – zrna 0,05 – 2,0 mm
• jíly - nad 50% jíloviny • hlíny - 20 - 50% jíloviny a 50 – 80% prachoviny s pískovinou • prachy – nad 30% prachoviny, pod 50% pískoviny a pod 20% jíloviny • písky – nad 50% pískoviny a pod 20% jíloviny
Suroviny netvárlivé (neplastické) Suroviny netvárlivé Nejsou schopny samy o sobě vytvořit plastické těsto • ostřiva • taviva • lehčiva
Ostřiva Za syrova snižují plastičnost, nebezpečí smrštění a tvorbu smršťovacích trhlin při sušení. Za tepla pomáhají reakci s oxidy základní surovině, aby vznikl hutný střep. Ostřiva: písek (křemen), kalcinovaný jíl (šamot), popílek, škvára, struska. Zvláštní ostřiva: korund, magneziový slínek a další.
Taviva Ovlivňují tavitelnost směsí, aby při relativně malém žáru došlo ke slinutí a zhutnění střepu. Taviva: živce – sodný, draselný a vápenatý, pegmatity a taviva eutektiální (obsahují CaO, MgO, FeO (tavící oxidy). Tavící oxidy reagují v žáru s SiO2 a vytvářejí nízkotavné sloučeniny
Lehčiva Zmenšují objemovou hmotnost střepu (např. tvorbou pórů) a zlepšují tepelně izolační vlastnosti. Lehčiva: uhelný prach, dřevěné piliny, rašelina – při výpalu vyhoří a vytvoří póry lehká kameniva – křemelina, keramzit, perlit.
Mineralogické složení Hraje důležitou roli při posuzování technologických vlastností jílovitých zemin. Jílové nerosty jsou v podstatě vodnaté hlinitokřemičitany. Zjednodušeně je rozdělujeme do 4 skupin (název dán nejdůležitějším zástupcem): • skupina kaolinitu • skupina montmorillonitu • skupina illitu • skupina chloritu
Cihlářské výrobky
Cihlářské výrobky Vznikají formováním méně hodnotných surovin, hlín a jílů do požadovaných tvarů, a výpalem při teplotách 900 – 1100°C. Vzniklé výrobky charakterizuje pórovitý a barevný, nejčastěji červený střep. Výrobky jsou většinou neglazované, plné, nebo vylehčené otvory (příčnými či podélnými), dutinami, nebo zvýšením pórovitosti
Cihlářské výrobky • Výrobky pro svislé konstrukce • Výrobky pro vodorovné konstrukce • Výrobky pro pálenou krytinu • Výrobky pro zvláštní účely (trativodky, plotovky, půdovky, stájovky, antuka)
Prvky pro svislé konstrukce Patří mezi kusová staviva Charakterizovány: • Jmenovitým rozměrem – udává výrobce • Skladebným rozměrem – skladebný prostor zdícího prvku (spáry) • Skutečným rozměrem – měřením
Prvky pro svislé konstrukce Patří mezi kusová staviva Charakterizovány: • Jmenovitým rozměrem – udává výrobce • Skladebným rozměrem – skladebný prostor zdícího prvku (spáry) • Skutečným rozměrem – měřením
Od roku 2003 platí nová norma se zcela novým pohledem na pálené zdící prvky ČSN EN 771-1. Některá původní ustanovení starých norem byla zrušena, některá včleněna do národní přílohy této normy. Norma rozeznává dvě skupiny pálených zdících prvků: HD (high density) Pálené prvky pro nechráněné zdivo Pálené prvky pro chráněné zdivo s objemovou hmotností přes 1000 kg/m3 LD (Low density) Pálené prvky pro nechráněné zdivo Pálené prvky s objemovou hmotností maximálně 1000 kg/m3 určené pro chráněné zdivo
Prvky pro svislé konstrukce Cihly plné
Formát • velký (290x140x65 mm) průměrná hmotnost 4,2 – 5,0 kg • malý (250x120x65 mm) průměrná hmotnost 3,1 – 3,7 kg
Cihly plné – dle pevnosti v tlaku
Cihly plné – dle mrazuvzdornosti
Cihly plné – dle objemové hmotnosti
Cihla plná – modifikace – Cihla lícová • vhodná pro neomítané zdivo • jedna nebo dvě strany upravené • přesné rozměry • pěkný vzhled • stejnoměrné zabarvení • mrazuvzdorná • vyhovět zkoušce na cicvár
Prvky pro svislé konstrukce Cihly děrované Rozměry – násobky normálního formátu cihel Objemová hmotnost – 900 – 1450 kg/m3 Pro obvodové, vnitřní nosné i výplňové zdivo Dobré tepelně-izolační vlastnosti Většinou se upravují omítkou
Cihly děrované - typy Cihly děrované pro vnější i vnitřní chráněné zdivo
CD--INA CD
CV--14 CV
CO
CD--IVA CD
Cihly děrované - typy Cihly děrované pro tepelně izolační zdivo
POROTHERM
Cihly děrované - typy Cihly děrované - příčkovky
PK--CD2 PK
PK--CD8 PK
PK--CD drážkové PK
Cihly děrované -typy Cihly děrované pro lícové zdivo
CDR
CIPd
KLINKER
Cihly děrované - typy Cihly děrované zvukově izolační
POROTHERM - AKU
AKUSTICKÁ ŠALOVACÍ TVAROVKA
Prvky pro svislé konstrukce Keramické dílce Z některých keramických tvarovek se vyrábí na přání zákazníka keramické dílce (jak výplňové, tak pro vnější a vnitřní nosné stěny).
Prvky pro svislé konstrukce Keramické dílce Z některých keramických tvarovek se vyrábí na přání zákazníka keramické dílce (jak výplňové, tak pro vnější a vnitřní nosné stěny).
Cihelné dlaždice a obkladačky • dlaždice stájové • půdovky • tažené cihelné obkladačky • cihelné obklady lité
Stájové dlaždice Pro zhotovení dlažeb ve stájích a chlévech tradičním způsobem. Kladou se do cementové malty.
Půdovky Pro kladení do půdních prostor, ale i pro dlažby užitkových místností a sklepů.
Tažené cihelné obkladačky Pro obklady vnějšího zdiva i interiérů staveb. Povrchově upravené glazurou – pro interiéry, schodiště, podchody a podobně. Délka: 290, 250, 145 mm Šířka: 140, 120, 65 a 40 mm Tloušťka: 16 mm
Lité cihelné obkladačky Odlévají se do sádrových forem, dokonale tvarovány, přesné rozměry, lehké
Stavební keramika • keramické obkladačky • keramické dlaždice • kachle • keramická topná tělesa
Keramické obkladačky Pro obkládání vnějších i vnitřních povrchů stěn, omezující vnikání kapalin a plynů do podkladu, omezující usazování prachu a nečistot, odolné proti opotřebení, chemickým vlivům apod. Dle nasákavosti: • pórovinové (nad 6%) • hutné pod 6%) • porcelaninové (pod 1,5%)
Keramické dlaždice Vyráběné z vápnitých zemin slinujících při nízké teplotě, s jemným hutným střepem, lisované z hmot v práškovém stavu.
Prvky pro vodorovné konstrukce konstrukce Keramické tvarovky, ze kterých se montují stropní nebo střešní konstrukce bez použití zvedací techniky. Vlatnosti: malá hmotnost (vylehčení dutinami) Pro monolitické stropní konstrukce i montované stropní konstrukce s použitím vložek, nebo stropní keramické dílce vyztužené nebo předpínané.
Prvky pro vodorovné konstrukce SIMPLEX – REKORD Výplň železobetonových žebírkových stropů. Snižují celkovou hmotnost stropní konstrukce.
Prvky pro vodorovné konstrukce Stropní desky HURDIS Určeny pro stropní konstrukce rodinných domů. Kladeny na patky navlečené na ocelových nosnících, nebo přímo mezi ocelové či betonové nosníky, nebo keramické nosníky HONOS.
Prvky pro vodorovné konstrukce Stropní vložky MIAKO Vkládají se mezi cihelné nosníky a následně je konstrukce zmonolitněna betonovou zálivkou.
Prvky pro vodorovné konstrukce Stropní vložky ARMO Užívány jako výplňové vložky pro monolitické konstrukce, nebo jako výplň prefabrikovaných stropních dílců.
Pálená krytina K pokrývání střech s dřevěnou konstrukcí krovu. Dříve uváděno- pro sklony střešních plášťů nad 35°a pro nadmo řskou výšku do 400 m. Tažená krytina – tažením na šnekových lisech Ražená krytina – přelisováním pláství na revolverových lisech Výhody – rychlá montáž, snadné opravy. Výroba se ustálila na základních typech.
Třídění pálených tašek
Bezpečný sklon krytiny z pálených tašek
Pálená krytina Tašky obyčejné - bobrovky Obdélníkový tvar s dolní zaoblenou hranou, hladké nebo rýhované, na spodní straně opatřené nosem pro uchycení na latích. Rozměr 380x175x15 mm
Pálená krytina Tašky drážkové - tažené Kvalitnější než bobrovky, únosnost 80 kg, rozměr 400x225x15 mm. Dodávány typy Steinbrück, Standard atd.
Pálená krytina Tašky drážkové - ražené Taška ražení francouzská – pro horské oblasti, únosnost 100 kg, rozměr 415x225 mm Taška ražená Holland – pro horské oblasti, vyšší estetický vzhled, rozměr 410x265mm
Pálená krytina Tašky ražené prejzové Od sklonu střechy 45° 45°, ,do donadm. nadm.výšky výšky400 400m. m. Dva krycí prvky, háky a prejzy (korýtka a kůrky).
Pražský prejz Tondach
Pálená krytina Hřebenáče Pro krytí hřebenů střech. Hladké – pro střechy z bobrovek a tašek drážkovaných tažených a prejzů. Drážkové – pro střechy z tašek drážkovaných ražených.
Prvky pro speciální účely Cihly kanalizační, plotovky, cihly komínové, studnovky, trativodky, antuka.
Zdravotní keramika Souhrnný název pro instalační předměty – umývadla, klozety, pisoáry, bidety, dřezy apod. Vyrábí se buď z kameniny nebo z póroviny při vypalování téměř do slinutí. Vytváří se z břečky litím do rozebíratelných forem. Opatřují se bílou nebo barevnou glazurou.
Kamenina Definice: kamenina znamená keramický střep, který je hutný, nepropustný a dostatečně pevný, aby odolával rýpání ocelovým hrotem, částečně slinutý. Hutná keramika s hutným střepem, malou nasákavostí, velkou pevností a odolností proti chemikáliím a abrazivním látkám. Výrobní směs: 40 – 50% kameninových jílů, 35 – 45% křemene a 7 – 20% živců. Jako ostřivo lze použít rozemleté kameninové střepy.
Kamenina • stavební kamenina • kanalizační kamenina • chemická kamenina
Stavební kamenina • Kameninové dlaždice – hutná a slinutá kamenina pro dláždění. Velmi tvrdé, odolné, pro vyšší mechanické namáhání (terasy, tovární haly). • Kameninové cihly – opatřeny solnou glazurou. Pro chemický a potravinářský průmysl. • Kameninové pásky – obklady fasád vystavených povětrnostním změnám.
Kanalizační kamenina Pro kanalizační zařízení bez oprav. Vedení odpadních a chemických vod. Trouby, tvarovky, vpusti, žlábky a žlaby, desky apod. Opatřeny oboustrannou glazurou. Světlosti trub 100 až 600 mm, délky 1000 až 1500 mm.
Chemická kamenina Slinuté neglazované výrobky pro chemické provozy. Jemnější struktura než stavební kamenina. V USA nazývána „chemický porcelán“. Nádoby pro kyseliny, trouby a tvarovky apod.
Žárovzdorné výrobky Schopné odolávat trvale teplotám min. 1500ºC. Hlavní kriterium žárovzdornost. Požadavky: • Odolávat vysoké teplotě co nejdéle • Dostatečně izolovat ostatní části zařízení před účinkem vysokých teplot Podle chemického charakteru: • Kyselé – dinas, šamot • Zásadité – magnezit, dolomit • Neutrální – uhlíkové a uhlíkaté
Žárovzdorné výrobky Podle žárovzdornosti: • Obyčejně používané – do 1770ºC • Velmi žárovzdorné – do 2000ºC • Vysokožárovzdorné – nad 2000ºC
Žárovzdorné výrobky Šamotové výrobky • Nejrozšířenější – patří mezi kyselé žáruvdorniny. • Vysoký obsah Al2O3 a SiO2 (nad 90%). Z Al2O3 vzniká minerál mullit (krystalická sloučenina).
Nedostatky Malá odolnost vůči zásaditým agresivním látkám. Měknutí a deformace výrobků.
Žárovzdorné výrobky Dinasové výrobky Patří mezi kyselé žáruvdorniny. Vysoký obsah SiO2 (nad 93%). Vyrobeno z křemenných hornin. Výpalem se křemen mění na tridymit a cristobalit. Nazváno dle města ve Walesu, kde se prvně těžila surovina pro výrobu. V zahraničí nazýváno silika. Použití – hutnické a sklářské pece, elektrické obloukové pece apod.
Nedostatky Malá odolnost proti změnám teploty pod 870ºC. Škodlivé působení na lidský organismus při výrobě Dinasu.
Žárovzdorné výrobky Magnezitové a dolomitové výrobky Patří mezi zásadité žáruvdorniny. Použití – hutnictví železa.
Nedostatky Citlivost k vodní páře a vodě.
Žárovzdorné výrobky Uhlíkaté (tuhové) a uhlíkové výrobky Mají dobrou objemovou stálost v žáru, dobrou tepelnou a elektrickou vodivost a odolnost proti korozi kyselými i zásaditými látkami.
Použití - tuhové kelímky a výlevky v ocelářských pánvích, zpomalovače neutronů v reaktorech, v raketách, turbínách apod.
Zkoušení cihlářských výrobků
Normalizace: V současnosti období přechodu od starých norem řady ČSN 72 26XX na Evropské normy ČSN EN 771 – X.
Ustanovení starých norem dílem zrušena, část se stala součástí „národních dodatků“ nových norem.
Zkoušky a počty zkušebních těles Vlastnost
Zkušební metody
Prvky LD
Prvky HD
Rozměry
EN 772 - 16
10
10
Tvar a uspořádání
EN 772 – 16 EN 772 - 3
10
10
Objemová hmotnost zdícího prvku v suchém stavu
EN 772 - 13
10
10
Objemová hmotnost materiálu zdícího prvku v suchém stavu
EN 772 - 13
10
10
Pevnost v tlaku
EN 772 - 1
10
10
Tepelný odpor
EN 1745
-
-
Mrazuvzdornost
Dle místních předpisů
Nasákavost
EN 772-1 Příloha C EN 772 - 7
-
10
Počáteční rychlost nasákavosti
EN 772 - 11
-
10
Vlhkostní přetvoření
Dle místních předpisů
Obsah aktivních rozpustných solí
EN 772 - 5
10
10
Reakce na oheň
EN 13501 - 1
-
-
Přídržnost
EN 1052 - 3
27
27
Tvar, vzhled Rovinnost ploch Dodržení pravých úhlů Trhliny, praskliny, otluky Barva střepu Výskyt cicvárů
Rozměry
Rozměry skutečné x Rozměry jmenovité Tolerance – kategorie dle mezních odchylek od jmenovitých rozměrů odvozené z ČSN EN 771 – 1 pro prvky LD. Kategorie
Vnější vlastnosti Mezní odchylky jmenovitýc h rozměrů [ mm ]
Jmenovité rozměry [ mm ]
T1
T1+
T2
T2+
Tm
290
±7
±7
±4
±4
>7
140
±5
±5
±3
±3
>5
65
±3
±1
±2
±1
>3
Objemová hmotnost výrobku Objemová hmotnost zdícího prvku (výrobku) je hmotnost jednotkového objemu vzorku, včetně pórů a dutin v něm obsažených. Zjišťuje se buď měřením rozměrů a vážením (u pravidelných těles) nebo hydrostatickým vážením (u nasáknutých těles nepravidelného tvaru).
m ρv = V Hmotnost vzorku se určuje v suchém stavu.
Objemová hmotnost střepu Metoda slouží ke zjištění objemové hmotnosti materiálu (střepu), lze použít vzorky nepravidelného tvaru. U cihel děrovaných nebo u keramických výrobků s dutinami je hodnota objemové hmotnosti střepu větší než hodnota objemové hmotnosti výrobku, pouze u cihel plných jsou prakticky téměř shodné. Metoda hydrostatického vážení
ms ρvs = ⋅1000 mn − mnw
Pevnost v tahu za ohybu Cílem zkoušky je zjistit tahové napětí vyvolané ohybovým momentem při porušení vzorku. Cihly se zatěžují jedním břemenem v polovině rozpětí. F 120
σ po
120 porušení tělesa pryžová podložka 240
F ⋅l M 3 F ⋅l 4 = = = 2 W b⋅h 2 b⋅h2 6
Pevnost v tlaku Zkouší se buď celý výrobek, anebo 2 zlomky po zkoušce pevnosti v tahu za ohybu. Zkoušené vzorky připravené podle potřeby se uloží dostředně na tlačnou desku zkušebního lisu. Rovnoměrně rozdělené zatížení působící na vzorek se zvyšuje plynule až do porušení vzorku.
σ pd
F F1 + F2 = = A A
Mrazuvzdornost Z odpovídajícího množství zkušebních vzorků je vytvořen zkušební panel. Ten je předepsaným způsobem podroben cyklickému střídání teplot – působení tzv. zmrazovacích cyklů (+30ººC, -15 (+30 15ººC). Před zahájením cyklování byl panel na 7 dnů ponořen do vody. Po ukončení 100 cyklů se zkoumá poškození jednotlivých prvků, typy a četnosti výskytu poruch. Mrazuvzdornost se pak posoudí předepsanými způsoby.
Nasákavost Nasákavost udává množství vody pohlcené vzorkem za stanovených podmínek v % hmotnosti vysušeného vzorku (poměr hmotnosti vody a hmotnosti vysušeného vzorku v %).
W
S
mn − ms = ⋅ 100 ms
Děkuji za pozornost
