Matrice může být mimo matrici minerální (cement), tvořena i matricí polymerní a smíšenou. Existují asfaltové betony, kde úlohu matrice plní asfalt

SPSKS

1/85

1.0 ÚVOD Učebnice nauka o materiálech má sloužit nově zavedenému předmětu „Nauka o materiálech“, který je obsažen v rámcovém vzdělávacím programu „Geotechnika“ a navazujících školních vzdělávacích programech „Těžba a zpracování ropy a zemního plynu“ a „Těžba a zpracování kamene“. Důvodem zavedení předmětu je skutečnost, že obor materiálového inženýrství se postupně vyděluje z obecných poznatků. Vývoj nových materiálů je neobyčejně dynamický a ukazuje se, že zevrubná znalost technických materiálů představuje velmi důležitou kompetenci u stupně vzdělání střední s maturitou. Technické materiály dnes nejsou vyvíjeny pouze s ohledem na užitné vlastnosti, ale nově se zde objevuje aspekt udržitelného rozvoje, kdy se předpokládá, že každý výrobek či stavba v budoucnu doslouží a bude nutné materiál posuzovat nikoli jako odpad, ale surovinový zdroj. Tzv. R materiály jsou zajímavou skupinou materiálů a vývoj technologií jejich dalšího využití je předmětem výzkumu na všech úrovních. Technický a technologický vývoj je naprosto nemyslitelný bez vývoje nových materiálů. Věk informačních technologií je podmíněn vývojem materiálů, které jsou schopny plnit požadavky na integrované obvody, počítačové paměti apod. s exponenciálním růstem jejich parametrů. U klasických materiálů se hledají další možnosti zlepšení jejich užitných vlastností a vývoj se ubírá k materiálům, které se obnovují v přírodě a po skončení jejich životnosti nekontaminují životní prostředí. V době globalizace dochází i k horečné normotvorné činnosti, která umožňuje zlepšit komunikaci v technické praxi. Proto se kniha, až na výjimky u slitin železa, vyhýbá označování některých materiálů, protože v krátké budoucnosti dojde ke změnám. Změny jsou výrazné i v oblasti zkoušení materiálů, zejména kamene. Škola pro tento účel vydává speciální učebnici „Úvod do zkoušení kameniva“. Je to proto, že řada zkoušek je do nových podmínek netransformovatelná, protože mají úplně jiný princip. Zkoušení materiálů a hledání jejich vlastností nebo prohlašování shody je rovněž novým aspektem technického rozvoje. Učebnice zařazuje do materiálů i zeminy a kámen, což není úplně obvyklé. S ohledem na orientaci rámcového vzdělávacího programu jsou i tyto materiály používány ke stavbám hrází, svahování, uložišť odpadu apod. Velkou perspektivu zaměstnanosti má i environmentální geotechnika, kdy sledujeme cíl sanovat vytěžené přírodní prostředí a dát mu jinou funkci v designu krajiny. Přeji všem, kteří budou tuto učebnici užívat, aby získali ucelené široké vědomosti o materiálech užívaných v oboru i mimo něj. Získané vědomosti by následně měly motivovat absolventy k vyhledávání bližších a speciálních informací v následné praxi, kterou život přinese. Josef Moravec

SPSKS

2/85

2. 0 BETON Beton je i přes výrazný nástup jiných stavebních materiálů, nejpoužívanějším stavebním materiálem. Z hlediska jeho zařazení se jedná o kompozitní materiál. Pro účely této učebnice byl však z této skupiny vyňat a bude mít, s ohledem na své použití, vlastní kapitolu. Poznámka:Kompozit je každý materiálový systém, který je složen z více (nejméně dvou) fází, z nichž alespoň jedna z fází je pevná s makroskopicky rozeznatelným rozhraním mezi fázemi. Má vlastnosti, jež nemohou být dosaženy kteroukoli složkou (fází) samostatně, ani prostou sumací. (Bareš) Pro vysvětlení obecné definice kompozitů aplikované na beton je dobré si vysvětlit pojem fáze, který znamená: - pevné fáze. V betonu se vyskytují většinou dvě. Jedna z nich nese rozptýlené částice fáze druhé. Nesoucí fáze se odborně nazývá fází disperzní a tvoří matrici (matrix). Nejrozšířenější matricí je tzv. cementový kámen. Druhou pevnou fází je nejčastěji kamenivo, které je fází rozptýlenou, tedy dispergovanou, - kapalná fáze je voda v pórech betonu. Její podíl je vyšší v čerstvém betonu, který má vždy určitou tekutost pro jeho zpracování. Po vytvrdnutí čerstvého betonu vzniká konstrukční a stavební materiál – beton, - plynná fáze je vzduch v pórech betonu. Matrice může být mimo matrici minerální (cement), tvořena i matricí polymerní a smíšenou. Existují asfaltové betony, kde úlohu matrice plní asfalt.

SPSKS

2.1 HISTORIE BETONU

Praktická aplikace betonu sahá až do roku asi 3600 před našim letopočtem. Tuto informaci má lidstvo od Plinia staršího, který zaznamenal existenci sloupů z umělého kamene. Další zmínku o betonu lze nalézt v díle Deset knih o architektuře, kde autor Marcus Vitruvius Pollio popisuje jakéhosi předchůdce cementu, vzniklého smícháním sopečného tufu s vápnem. Takto vzniklý matriál tuhnul i pod vodou. V antice byl beton použit na stavbě římského Pantheonu. Jeho kopule má průměr 49 m. Dokonce beton je zde objemově vylehčen podle polohy jeho použití na vlastní kopuli. S určitou nadsázkou lze konstatovat, že beton byl po dlouhou dobu „zapomenut“ od zániku Říma až do roku 1756. Velký rozmach použití betonu se však datuje až od počátku dvacátého století.

2.2 ROZDĚLENÍ BETONU Beton jako kompozitní stavební materiál lze rozdělit do více skupin podle různých kritérií. Podle vyztužení betonu jej dělíme na: - beton prostý - beton železový (železobeton) - beton předpjatý - vlákonobeton - síťobeton

3/85

Podle objemové hmotnosti rozdělujeme beton na: lehký beton (LC) měrná hmotnost 800 – 2000 kg.m-3 těžký beton (HC) měrná hmotnost 2600 – 3000 kg.m-3 - obyčejný beton Podle použití betonů dělíme tyto na: - silniční beton - vodostavební beton - lehký beton - těžký beton - hutný lehký beton - beton pro masivní konstrukce - čerpaný beton - pohledový beton - architektonický beton - recyklovaný beton - pěnobeton Mimo toto dělení ještě rozeznáváme betony: - vysokohodnotný (vysokopevnostní) beton - samozhutňující beton Z dalších možných dělení stojí za zmínku ještě beton asfaltový, kde matrici tvoří asfalt. Výsledkem je pro silničáře tzv. obalovaná směs .

SPSKS

2.3 BETON PODLE VÝZTUŽE 2.3. 1 PROSTÝ BETON

Prostý beton je beton, který nepoužívá žádnou výztuž. Konstrukce z prostého betonu musí respektovat základní vlastnosti betonu. Tou je vysoká pevnost v tlaku a nízká pevnost v tahu. Pevnost v tahu je běžně 10x menší než pevnost v tlaku. Proto použití prostého betonu je možné pouze tam, kde se tahová napětí nevyskytují nebo jenom v nepatrné míře. Jeho základní použití je na nenáročné konstrukce namáhané v tlaku a to malým zatížením. Technologie zpracování je jednoduchá. Pevnostní charakteristika betonu je patrna z obrázku č. 1. Z betonových výrobků z prostého betonu jsou nejčastěji dlaždice a kostky. V případě zpracování prostého betonu litím jsou to malé opěrné zdi, nenáročné patky apod.

4/85

σ [MPa]

TAH

ε [-]

TLAK σ [MPa]

Obr. 1 Diagram namáhání prostého betonu v tahu a tlaku

SPSKS

2.3.2 ŽELEZOVÝ BETON

Je prostý beton, který je vyztužený ocelovými pruty nebo sítěmi. Ocel v tomto kompozitu představuje další pevnou fázi, která má stejnou pevnost v tahu i tlaku, jak je patrné z obrázku č. 2. σ [MPa]

TAH

ε [-]

TLAK σ [MPa]

Obr. 2 Diagram namáhání oceli v tahu a tlaku

5/85

Umístění výztuží v objemu výrobku nebo lité konstrukce je věcí projektantů. Její poloha je v místech, kde se mohou vyskytnout malá tahová napětí. Nikdy se nevyskytuje v blízkosti neutrální osy. Ocel je materiál, který má téměř stejnou hodnotu teplotní roztažitelnosti jako beton, což je základní předpoklad pro použití v železovém betonu. Dále ocel v prostředí betonu nekoroduje, protože hodnota pH je asi 12, tedy zásadité prostředí. Výrobky z železobetonu jsou panely, trubky větších průměrů, obrubníky. V železobetonových konstrukcích, které jsou lity na stavbě se používají k betonáži patek, pilířů, pilot, podlah apod. Výztuž v podobě drátů nebo sítí může mít profil kruhový, kdy se jedná o hladké dráty. Druhou možností je ocel s hřebínky, které jsou vyválcované na povrchu drátů. Průměry výztuže jsou od 4 do 32 mm. Na ocel do železobetonu jsou kladeny požadavky na zaručenou mez kluzu. v hodnotách 216 – 400 MPa. Dalším požadavkem je vysoká tažnost a pevnost. Tažnost proto, že ohyby výztuže do bednění se provádějí za studena. Více informací o oceli do železobetonu poskytuje tabulka.

2.3.3 PŘEDPJATÝ BETON U betonových konstrukcí, které jsou navrhovány jako velmi lehké nebo se u nich předpokládá tahové napětí, by použití ocelové výztuže nepostačovalo. Ocelová výztuž v betonové konstrukci má za cíl vyvolat u nezatížené konstrukce při tuhnutí a ztuhnutí betonu tlakové předpětí v místech, kde se po sejmutí bednění a uvedení do provozu bude vyskytovat tahové napětí. Poznámka: Pro vysvětlení pojmu předpjatý beton použijme příkladu. Máme vyrobit polotovar nosníku průřezu I pro mostní konstrukci. Takový nosník je namáhán ohybem a v dolní části ohyb vyvolává tahová napětí.

SPSKS

V bokorysu jsou na jeho průřezu viditelné otvory, kterými se povedou předepínací kabely po celé délce nosníku. schéma zatížení

druh namáhání

tlak (předpětí)

ohyb + tlak (předpětí)

Obr. 3 Předpjatý beton

6/85

Celý nosník se odlije do bednění i s otvory.Po zatvrdnutí betonové směsi protáhnou po délce nosníku kabely. Na čela nosníku se umístí podložky pro „roznesení“ namáhání.Dráty kabelu se napínají a vyvolají tlakové namáhání nosníku, které je po průřezu konstantní a je označeno červenou barvou. Do otvorů s předepjatými kabely se tlakem vstřikne cementová kaše, která se nechá zatvrdnout a dokonale spojí předepnuté ocelové dráty kabelu s materiálem betonu. Nosník se vyjme z bednění. Po jeho instalaci na mostní podpěry je namáhán ohybem od vlastní zátěže a od zátěže např. dopravní. Ohybové napětí je nakresleno žlutou barvou.Obě napětí, tedy předpětí tlakem z výroby a napětí ohybem se sečtou (superponují).Pokud je předpětí alespoň stejně veliké jako tah na dolní části nosníku při ohybu. Vůbec nedojde k namáhání tahem.

SPSKS

7/85

SPSKS Obr. 4 Betonářské oceli

Mezi výrobky z předpjatého betonu lze zařadit např. betonové pražce pro kolejovou dopravu, polotovary pro konstrukci nosníků mostů, celé nosníky apod. V případě výroby konstrukce z předpjatého betonu na stavbě jsou to především mostní konstrukce lité do bednění, nosné konstrukce staveb apod.

8/85

2.3.4 VLÁKNOBETON A SÍŤOBETON V objemu betonu mohou být rozptýlena vlákna. Někdy se tyto betony nazývají betony s mikrovýztuží. Vlákna tu však nemají úlohu jakési náhrady ocelové výztuže u železového betonu. Jejich posláním je změna křehkosti betonu a vlákna rovněž omezují jeho smršťování. Dávkování vláken se odvozuje od objemu matrice a tvoří 0,1 – 2% jejího objemu. Použití vláknobetonu je u podlah a desek. Vedle zvýšení houževnatosti betonu, se zvyšuje odolnost proti otěru, pevnost v rázu apod. Materiál vláken je ocel, skelná vlákna polypropylenová vlákna. Ocelová vlákna se s výhodou používají také do stříkaných betonů technologií, která se nazývá torkret. Ocelová vlákna nebo spíše drátky jsou používány v délkách 12 – 60 mm. Průměr drátků je 0,25 – 1 mm. Pro dostatečné ukotvení drátků jsou tvarovány tak, aby v betonu držely. Tvarovány jsou buď zalomením, kdy se osa z přímky změní na zalomenou čáru. Další možností je zploštění konců drátků nebo jejich ohnutí. Skelná vlákna musí mít upravené složení skloviny pro chemickou odolnost v zásaditém (alkalickém) prostředí matrice betonu. Polypropylenová vlákna se používají s cílem zamezení vzniku trhlin, které vznikají v ranném stadiu tuhnutí betonu vlivem smršťování.

2.4 BETON PODLE POUŽITÍ 2.4.1 SILNIČNÍ BETON

SPSKS

Z názvu je zřejmé, že se jedná o materiál, který je používán u dopravních staveb, které vynikají specifickým namáháním. Specifikum spočívá v tom, že požadavek není pouze na pevnost, ale také na obrusnost jeho povrchu, odolnost proti solím jmenovitě chloridům, útlum hluku při styku s dezénem pneumatiky apod. Vedle betonů s matricí cementovou se zde vyskytuje asfaltový beton. Konstrukce betonové vozovky nebo letištní plochy se pak technologicky provádí ve dvou vrstvách, kdy na spodní vrstvu nanášíme obrusnou vrstvu pokládanou na čerstvý beton. Výsledkem je spojení dvou kompozitů. Kamenivo betonu má spojitou i přetržitou křivku zrnitosti. Maximální velikost zrna je do 32 mm. Složení betonu je logicky odvislé od zatížení komunikace. To je odvozeno od typu silnice I, II, III a IV třídy. Zvláštní požadavky jsou pak na letištní přistávací dráhy „L“. 2.4.2 VODOSTAVEBNÍ BETON Beton pro vodní stavby je poněkud obecnější pojem. Jeho složení a požadavky vyplývají z jeho polohy na vodním díle. Zda se jedná o část trvale pod vodou, omývanou, ze statiky konstrukce apod. Požadují se zde vlastnosti podobné jako u betonu silničního mrazuvzdornost, odolnost proti korozi, proti abrazi splavných částic a navíc také vodotěsnost. Vodostavební beton má náročnou křivku zrnitosti a maximální velikost zrna se připouští do 32 mm. Speciální požadavky jsou na konstrukci a technologii při velkých tloušťkách stěn při betonování. Tyto bez bližšího popisu souvisí s procesy hydratace betonu, vznikem tepla a délkou tuhnutí čerstvého betonu.

9/85

2.4.3 LEHKÝ BETON Lehký beton se vyznačuje nízkou měrnou hmotností. Vylehčení je způsobeno záměrným vytvořením dutin a pórů v textuře betonu. Jejich praktické použití je především u konstrukcí, kde se požadují dobré izolační vlastnosti. Některé konstrukce, kde hlavním zatížením je vlastní hmotnost lze také odlévat z lehkého betonu. Dutiny obecně mohou být uzavřené (polystyren) nebo otevřené (houba). V případě otevřených pórů mohou tyto betony mít funkci drenáže, kdy jsou schopné odvádět určité množství vody. Pórovitosti lze také dosáhnou použitím úzké frakce pórovitého kameniva a nízkou objemovou hmotností. Póry se tak vyskytují i v dispergované fázi – kamenivu. Jinou možností je vytvoření pórů napěňovaní přísadou. 2.4.4 TĚŽKÝ BETON Těžké betony se používají na stínění rentgenového a radioaktivního záření. Velká měrná hmotnost je zajištěna použitím kameniva ze speciálních materiálů. Těmi jsou magnetit, ocel, ferrofosfor, limonit, baryt apod. 2.4.5 HUTNÝ LEHKÝ BETON Měrná hmotnost hutných lehkých betonů je snížena pouze použitím pórovitého kameniva, čímž se odlišuje od lehkého betonu, kde jsou použity jiné cesty pro snížení měrné hmotnosti. Tyto betony obvykle nedosahují vysoké pevnosti, ale při použití vhodného kameniva lze dosáhnout i relativně vysoké pevnosti kolem 100 MPa.

SPSKS

2.4.6 BETON PRO MASÍVNÍ KONSTRUKCE

Beton pro masivní konstrukce je nutné chápat jako beton, který se odlévá do bednění, kde jsou tloušťky stěn v řádech metrů. Takové betony mají složení, které při hydrataci (tuhnutí) vyvíjí menší množství tepla. Zde se logicky volí maximální velikost zrna co dovolí konstrukce a mezery v armatuře. Takové konstrukce vyžadují někdy i chlazení při tuhnutí. Typickou masivní konstrukcí jsou hráze přehrad. Řešením je také rozdělení na lamely. 2.4.7 ČERPANÝ BETON Technologie čerpání betonu patří mezi moderní metody technologie transportu čerstvého betonu. Pokud technologie vyžaduje čerpání betonu musí mít tento zvláštní reologické vlastnosti. Těch se dosahuje složením kameniva, především vyšším podílem jemných frakcí a druhem cementu. Dále se do směsi přidávají další komponenty, které zvyšují tekutost neboli snižují viskozitu (plastifikátory). 2.4.8 POHLEDOVÝ BETON (ARCHITEKTONICKÝ BETON) Užitnou vlastností pohledového betonu je jeho povrch, který musí vyhovovat nejenom určitým technickým parametrům, ale i hledisku estetiky. Mezi technické požadavky patří obvykle vodotěsnost a obrusnost. Mezi estetické požadavky pak barva a textura. Pro technologii výroby betonu to vyžaduje přesnost dávkování všech složek a časté zkoušky. Barvy se dosahuje přidáním přesných množství anorganických barviv. Organická barviva nepadají prakticky v úvahu. Jako barviva lze použít tyto látky: - červená Fe2O3

10/85

-

hnědá a černá Fe2O3.FeO žlutá (Ti, Ni, Sb)O2 nebo (Ti, Cr, Sb)O2 modrá Cr2O3.2H2O a Cr2O3

2.4.9 RECYKLOVANÝ BETON Tendence recyklovat člověkem vytvořený materiál, podobně jako tak činí příroda, je přirozená. Recyklace tak přispívá k udržitelnému rozvoji. V případě betonu je snahou postupovat obdobně. Likvidovaná betonová konstrukce nebo výrobek musí být ze zákona podrobena jakémusi posloupnému procesu: - odpady využívat sám ve výrobním procesu, - odpady nabídnou k využití jiné právnické nebo fyzické osobě, - odpady zneškodnit. Recyklovaný beton je drcený beton z asanovaných konstrukcí, který se přidává do čerstvého betonu. Recyklovaný beton má poněkud jiné vlastnosti: - zrna recyklovaného betonu mají poměrně dobrý tvarový index, nižší měrnou hmotnost a vyšší nasákavost, - hrubá frakce drceného betonu neovlivňuje zpracovatelnost čerstvého betonu ve srovnání s přírodním kamenivem, ale drobná a jemná frakce zpracovatelnost zhorší, - je doporučeno nepoužívat drcený beton s větší frakcí než 16 – 22 mm, jinak se vyskytuje více trhlinek, - pevnost v tlaku je u recyklovaných betonů nižší v rozmezí 4 – 20%, - modul pružnosti recyklovaného betonu je o 10 – 30% nižší než betonu z přírodního kameniva.

SPSKS

2.4.10 PĚNOBETON

Pěnobeton je beton, kde cíleně snižujeme hmotnost. Toho lze docílit kombinací několika faktorů ve výběru komponent a technologií zpracování: - použitím pórovitého kameniva podobně jako u hutného lehkého betonu, - provzdušněním provzdušňovací přísadou, - vytvořením pěny pěnotvornou přísadou.

2.5 VÝROBKY Z BETONU Výrobek z betonu je prefabrikovaný stavební prvek. Vyrábí se ve speciálních provozech a na místo užití se transportuje. Opakem jsou betonové konstrukce, které se odlévají přímo namístě stavby. Tyto výrobky jsou vyráběny prakticky ze všech druhů betonu. Patří sem panely, silniční panely, betonové obrubníky, příkopové tvárnice, dlažba, trouby, schodiště, rámy, desky, kolektory, sloupy, mostní konstrukce, betonové pražce, stropní desky, překlady, roštové stropy, styčníky, rámy, střešní krytina, panely poprsních zdí, panely ke zpevnění svahů, protihlukové clony apod.

11/85

železobetonové mostní prefabrikáty

mostní nosníky z předpjatého betonu

SPSKS rámový propust

kolektorový rám uzavřený

prefabrikát pro opěrné zdi

dělící stěna GREFA

železobetonová pilota IZP

12/85

příčný řez nosníkem prefabrikovaného mostu Obr. 5 Příklady výrobků z betonů

2.6 SLOŽENÍ BETONU Složení betonu je patrné ze schématu níže. Je zřejmé, že existuje téměř nekonečné množství různých kompozic pojivých složek, množství vody, druhu a zrnitosti plniva (kameniva). Směs čerstvého betonu však ovlivňují ještě poměrná zastoupení jednotlivých složek a jejich druhy. Vlastnosti materiálu jsou tedy stochastického charakteru, což volně interpretováno znamená, že k požadovaným vlastnostem se dostaneme s určitou statistickou pravděpodobností. Makroskopické vlastnosti betonu jsou vedle jeho složení a vlastností složek dány ještě technologií jeho zpracování.

SPSKS BETON

DOPLŇUJÍCÍ SLOŽKY

PŘÍSADY

PŘÍMĚSI

KAMENIVO

CEMENT DROBNÉ

HRUBÉ

VODA

2.6.1 CEMENT Cement je polydisperzní látka, která ve vodní suspenzi mění v čase svoje vlastnosti. Změna se projevuje od tekutosti suspenze až po zatuhnutí, které probíhá chemickou cestou zvanou hydratace. Zatuhnutá látka vzniklá z cementu a vody se nazývá cementový kámen, který tvoří matrici betonu.

13/85

Cementový kámen je pórovitá látka, která má měrný povrch 210 m2.g-1 . To znamená, že jeden gram cementového kamene má při součtu povrchu všech pórů plochu 210 m2. Pro představu je to plocha čtverce o straně 15,5 m. Těžko si lze představit např. supertenkou fólii, která by takovou plochu pokryla a měla hmotnost jednoho gramu. Samotný cement má však měrný povrch přibližně 0,3 m2.g-1. Z objemu 1 cm3 cementu se vytvoří 2,2 cm3 cementového gelu. Velikost pórů je kolem 2 nm (nanometů 10-9 m, milióntina mm). Právě tyto póry jsou příčinou obrovských měrných povrchů. Matrice cementového kamene je velmi závislá svými vlastnostmi na množství vody přidané k cementu. Pro tyto účely se zavádí pojem vodní součinitel, který je poměrem hmotnosti vody ku hmotnosti cementu. mv (hmotnost vody) w = —————————— mc (hmotnost cementu) Obecně lze konstatovat, že čím větší je hodnota vodního součinitele (více vody), tím horší jsou především mechanické vlastnosti betonu po zatvrdnutí betonu.

2.6.2 DRUHY CEMENTŮ Cementy lze dělit podle jejich složení (směsnosti) a podle jakosti. Hodnocení podle jakosti má určitá kriteria, která jsou dána normou. Dalším dělením je dělení podle použití. Podle použití dělíme cementy na: - cementy pro obecné použití - bílý cement - síranovzdorný vysokopecní cement - silniční cement - hlinitanové cementy

SPSKS

Dělení cementů podle směsnosti dobře ilustruje následující tabulka. Cement je složen ze slinku, složky a plniva. jejich druh a množství rozhoduje o jeho zařazení a vlastnostech.

název cementu Portlanský Portlanský Vysokopecní

Pucolánový Směsný

druhy cementu podle směsnosti označení obsah složek v hmotnostních % slinek složka plnivo I 95 – 100 0-5 II/A – X 80 – 94 6 – 20 0–5 II/B - X 65 – 79 21 – 35 0-5 III/A 33 – 64 36 – 65 0–5 III/B 20 – 34 66 – 80 0–5 III/C 5 -19 81 – 95 0-5 IV/A 65 – 89 11 – 35 0–5 IV/B 45 – 64 36 – 55 0-5 V/A 40 – 64 18 – 30 0–5 V/B 20 – 39 30 – 50 0-5

14/85

Složky uvedené jako hmotnostní podíl v [%] se uvádí do označení cementu. Namísto písmene X je jako složka použito: S struska D křemičitý úlet P přírodní pucolán Q průmyslový pucolán T kalcitová břidlice L vápenec

Cementy lze podle pevnosti dělit na tři normalizované pevnosti, kterými je pevnost v tlaku v MPa. Jsou to pevnosti 32,5 MPa, 42,5 MPa a 52,5 MPa. Způsob měření pevnosti v tlaku je mimo rámec této učebnice. Bílý cement se používá pro dekorativní účely pro architektonický a pohledový beton. Vyznačuje se mimořádně nízkým obsahem oxidů železa a manganu, které cement barví. Síranovzdorný vysokopecní cement (Prachovice) vyniká vyšší mírou odolnosti proti vlivům prostředí, kde se mohou vyskytnout sírany. Silniční cement vykazuje vyšší pevnost v tahu ohybem, malé objemové změny a vyšší odolnosti proti agresivnímu prostředí. Je to nutné s ohledem na výskyt tahových napětí u silničních betonů a chemickou agresivitou prostředí silnic např. solení.

SPSKS

Hlinitanový cement se vyznačuje rychlým tuhnutím. Do betonových konstrukcí se nesmí používat, protože beton ztrácí pevnostní vlastnosti. Na rozdíl od ostatních betonů, které časem měřeným lety zvyšují svoji pevnost, zde je tomu naopak. Navíc průběh ztrát pevnosti není rovnoměrný. Jejich užití je v žárobetonů a děl, kde se nevyžaduje pevnost. 2.6.3 MINERALOGIE CEMENTŮ Chemické složení cementu je různé. Z oxidů – minerálů lze jmenovat CaO, SiO2, Al2O3, Fe2O3, P2O5, MgO, SO3, Na2O+K2O, TiO2. Slinkové materiály mají chemizmus velmi složitý. 2.6.4 VÝROBA CEMENTU Obecně výroba cementu technologicky závisí na jakosti vstupních surovin. Základem je vápenec, kde je nutné mít k dispozici i určité jeho znečistění (nikoli každé znečistění). Nepřípustným složením vápence je vyšší obsah dolomitu. S ohledem na čistotu vstupních surovin může být schéma obr č. 6 doplněno i jinými vstupními surovinami než je břidlice.

15/85

vápenec

břidlice

palivo

sádrovec

primární drcení sekundární drcení

drcení

sušení

mletí suroviny

homogenizace

SPSKS

rotační pec

úprava paliva

mletí cementu

drcení sádrovce

expedice

Obr. 6 Obecné schéma výroby cementů

2.6.5 KAMENIVO Kamenivo zaujímá v kompozitu betonu 75 – 80% jeho objemu. Hlavní funkcí kameniva je vytvoření pevné kostry obvykle požadavkem na minimální mezerovitost. Minimální mezerovitosti se dosahuje použitím zrn různé velikosti v různém hmotnostním poměru. Vazbu hmotnostního množství a velkost zrn vyjadřuje tzv. křivka zrnitosti. Právě křivka zrnitosti činí betony rozdílnými od malt, které mají úzkou křivku zrnitosti. Kamenivo je nejčastěji přírodní zrnitá látka určená pro stavební účely. Vyloučeno však není ani umělé kamenivo, recyklovaný beton nebo dokonce ocelová zrna. Kamenivo rozdělujeme podle petrografie. Petrografické složení vypovídá o vlastnostech kameniva, které je nositelem pevnosti v kompozitu betonu. Kamenivo může být těžené, kdy jde o těžený štěrk,

16/85

štěrkopísek a písek. Dále může výt kamenivo drcené, které bylo vyrobeno technologií drcení. Vlastnosti takovýchto zrn jsou odlišné. Těžené kamenivo má hladší povrch, protože při rozpadu hornin bylo obvykle transportováno a došlo k ohlazení povrchu. Evropská norma dělí kamenivo na tyto skupiny: - hrubé - směs kameniva - drobné (písek) - filer zrna do 0,125 mm Pro navrhování betonů je velmi důležitá znalost granulometrie kameniva. S ohledem na obor vzdělání pro který je učebnice určena nebude této kapitole věnována větší pozornost. Pro metriku granulometrie byla zvolena jakási normová základní řada sít, kde každé následující síto má čtvercové otvory dvojnásobného rozměru. Základní řada má tedy otvory 0,063 – 0,125 – 0,25 – 0,5 – 1 – 2 – 4 – 8 – 16 – 32 – 63 – 125 - 125. Granulometrie má vést k tvorbě křivky zrnitosti. Existují ideální křivky zrnitosti, které však vycházejí z ideálního tvaru zrn, kterým by byla koule. Realita bývá upravována různými koeficienty. Zrno k propadnutí otvorem čtvercového síta musí vyhovovat tvarem a dvěma rozměry podmínce, že musí být menší než otvor v sítu. Síto však neřeší rozměr třetí. Proto se u zrn sleduje další parametr a tím je tvarový index. Kde je poměřován třetí rozměr k stávajícím dvěma. Tvarový index tedy vyjadřuje poměr největšího rozměru zrna k nejmenšímu. Ideálním tvarovým indexem pro použití v betonu je hodnota 1. Taková zrna lze „opsat“ krychlí. Kamenivo do betonu podléhá řadě zkoušek, které spadají do zkoušení kamene a kameniva. Jejich podrobnější popis je v učebnici „Úvod do zkoušení kameniva“. Pro základní přehled slouží tabulka: vlastnost tvar zrn

SPSKS kategorie parametr F1 index plochosti SI tvar zrn

vlastnost schránky

kategorie SC

jemné částice

fsíto

do 0,063 mm

drcení

LA

ráz

SZ

otěr

MDE

ohladitelnost

PSV

odolnost proti rázu odolnost proti ohlazení hrubé kamenivo

mrazuvzdornost F

obrus AN pneumatikami zdravost MS

parametr obsah živočišných schránek hrubé drobné zkouška mikro nordická zkouška Podle MgSO4

Pórovité kamenivo, které se označuje v ČR jako LIAPOR, je umělé kamenivo, které se vyrábí z jílů, které v žáru expandují nebo se spíše nadýmají. Plyny uvnitř zrna nemohou uniknout přes povrch a snižují měrnou hmotnost. Liapor se vyrábí v různých frakcích.

17/85

2.6.6 VODA Z technologické pohledu na výrobu, zpracování a užití betonů rozdělujeme vodu na: - záměsovou - ošetřovací Záměsová voda se dodává do čerstvého betonu při procesu míchání. Její množství ovlivňuje vodní součinitel. Požadavky na tuto vodu jsou dány normou. Obvyklé použití studniční nebo povrchové vody vyžaduje v určitých cyklech zkoušky. Vody splašková a znečistěná se používat nesmí. Ošetřovací voda slouží k ošetřování betonu po zatuhnutí, kdy je nutné udržovat beton ve vlhkém stavu. Jistou zajímavostí je možnost u prostého betonu použití i mořské vody. U ostatních betonů ji použít nelze kvůli obsahu iontů chlóru.

2.6.7 PŘÍSADY Přísady do betonu zlepšují nebo vytvářejí určité vlastnosti, kterých potřebujeme docílit pro výrobu čerstvého betonu, jeho zpracování, tuhnutí a užitné vlastnosti. Mechanizmy jejich působení jsou složité chemicko-fyzikální děje. Přísady působí především na cementovou suspenzi vzniklou smícháním cementu s vodou. Na ostatní složky betonu je působení přísad velmi omezené. Působení přísad je ovlivněno také druhem použitého cementu. Jejich dávkování se podobně jako u vody řídí poměrem hmotnosti ke hmotnosti cementu. Přísady lze rozdělit na: - plastifikační (redukují množství vody při zachování zpracovatelnosti betonů), - superplastifikační (redukují silně množství vody při zachování zpracovatelnosti betonů), - stabilizační (zadržují vodu), - provzdušňující (zvětšující v čerstvém betonu póry), - urychlující tuhnutí cementu, - urychlující tvrdnutí cementu, - zpomalující tuhnutí, - hydrofobizační (odpuzují vodu), - plynotvorné (vytvářejí póry naplněné plynem z chemické reakce), - pěnotvorné (vytvářejí v čerstvém betonu pěnu), - protikorozní (mění prostředí betonu s ohledem na parametry koroze), - biocidní (snižují riziko zasažení betonu biologickými účinky).

SPSKS

2.6.8 PŘÍMĚSI Příměsi jsou, na rozdíl od přísad, práškovité látky, které se přidávají do čerstvého betonu za účelem zlepšení některých vlastností nebo k docílení vlastností zvláštních. Do příměsí řadíme také barevné pigmenty a organické polymery, které se přidávají do polymercementových betonů. Příměsi se dělí na dva typy: - inertní příměsi - pucolány

18/85

Poznámka: Pucolány jsou latentně hydraulické aktivní látky. Chemicky je sjedná o křemičitany. Název je odvozen od názvu lokality Puzzoli v Itálii, kde se těžil a zde byl cement také objeven a užíván. Původ pucolánu je sopečného původu. Do skupiny pucolánů patří také tras, trachyt, sopečný tuf a pemza. Pucolány mohou mít i původ organický např. křemelina – rozsivková zemina, rozsivková břidlice apod. Poznámka: Latentní hydraulicita je schopnost látky tvrdnout ve vodním prostředí za normální teploty. Terminus technicus latentní hydraulicita je tzv. pucolánová vlastnost.Chemicky se jedná o reakci Ca(OH)2 ve vodném prostředí. Podobné vlastnosti jako pucolány mají látky, které se vyznačují vysokým obsahem aktivního amorfního SiO2. Podmínkou reakce je alkalické prostředí, které v roztoku vytvoříme jinými sloučeninami. Tyto látky získáváme i z odpadů průmyslových výrob. Patří sem odpady z výroby jako jsou popílky, struska, pálené hlíny, pálené jílovité zeminy, křemičité úlety, sopečné sklo apod. Je nutné zdůraznit, že pucolány nejsou např. v každém popílku např. tepelných elektráren, kterého se produkují desetitisíce tun. Při použití těchto látek je nutné hlídat chemické složení, které se mění podle těžby v různých lokalitách a hloubkách. U pucolánů musíme také sledovat zrnitost, která souvisí s reaktivitou, protože menší frakce má větší povrch.

2.6.9 TECHNOLOGIE ZPRACOVÁNÍ ČERSTVÉHO BETONU Zpracování čerstvého betonu se z pohledu jeho technologie rozděluje na tyto složky: - míšení čerstvého betonu - transport - ukládání - zhutňování

SPSKS

Cílem je dosažení homogenity betonu a splnění technických požadavků za přijatelných nákladů. Míšení betonů v sobě zahrnuje dávkování jeho složek, které se provádí hmotnostně (složky se váží). Technologický proces je ovlivněn typem míchačky, dobou míchání a požadovanou konzistencí čerstvého betonu. Transport betonu je dnes většinou zajištěn kontinuální dopravou nebo dopravou cyklickou. Kontinuální doprava je řešena pásovými dopravníky, šnekovými dopravníky, pneumatickou dopravou apod. Cyklická doprava je řešena domíchávači, vozíky a kontejnery. Použití dopravy závisí na možnostech dodavatele a druhu výrobku. Ukládání betonu je část technologického zpracování čerstvého betonu, kdy beton ukládáme do bednění nebo jiným způsobem k zatuhnutí a zatvrdnutí. Zhutňování se technologicky provádí mnoha způsoby, kdy nejčastěji je využíváno vibrací. jinou možností je vakuování, propichování, lisování, injektování, odstřeďování, lití, válcování, pěchování, torkretování apod. Zpracování čerstvého betonu souvisí také s hydratačním teplem. Hydratace je exotermická reakce. Hodnoty hydratačního tepla souvisí s použitým cementem: -

portlandský 335 – 380 kJ . kg-1 struskoportlandský 315 – 360 kJ . kg-1 vysokopecní 250 – 290 kJ . kg-1

19/85

3.0 MALTY Malty jsou materiály vzniklé ztvrdnutím čerstvé směsi. Malty slouží jako pojivo stavebních prvků, dílců a částí. Dalším využitím je úprava povrchu stavebních konstrukcí a spojování stavebních prvků s podkladem. Podle technologického účelu se malty používají na: - zdění z keramických dílců, - omítky, - zálivky - potěry, - spárování, - kladení dlažeb, - obklady. Malty mají také „své výrobky“, ale převážně to jsou materiály komplementární (doplňující). Vyvstává otázka „jaký je rozdíl mezi maltou a betonem“. Odpověď je v křivce zrnitosti, kdy beton ji má širokou a malta úzkou. 3.1 SLOŽENÍ MALT Složení malt je zdánlivě podobné složení betonu. Jde po zatvrdnutí o kompozitní materiál.

MALTY

SPSKS POJIVO

KAMENIVO (PÍSEK)

VODA

PŘÍSADY A PŘÍMĚSI

3.1.1 POJIVA MALT Malty, na rozdíl od betonu, nemusí mít jedno pojivo. U betonu je pojivem cement u asfaltového betonu je to asfalt. Malty používají tato pojiva a jejich kombinace: - vápno, - cement, - sádra. Mineralogické složení pojiv je patrné z obrázku č. 7 20/85

Vápno je po cementu nejdůležitější maltovina. Z pohledu chemického složení se jedná o oxid vápenatý CaO. podle obsahu Cao a podle obsahu příměsí v něm (oxid hořečnatý MgO a hydraulických látek (oxid křemíku SiO2, oxid hliníku Al2O4 a oxid železa Fe2O4)) lze vápna dělit na dva druhy: - vápna vzdušná (vápna dolomitická), - vápna hydraulická. Vápna vzdušná prudce reagují s vodou za vzniku vápenného hydrátu, který na vzduchu vlivem oxidu uhlíku CO2 přechází na uhličitan vápenatý. tato reakce je zásadní reakcí pro tuhnutí malt na vzduchu. Pro technologické účely se používá vápno tzv. vyhašené v podobě vápenné kaše, což je suspenze ve vodě. Vápna hydraulická se získávají výpalem vápenců s obsahem hydraulických látek , kterými jsou oxid křemíku SiO2, oxid hliníku Al2O4 a oxid železa Fe2O4. Výsledkem jsou poněkud odlišné chemické reakce než u vápna vzdušného. Toto vápno se hasí vodou poněkud pomaleji nebo se nehasí vůbec. Jako pojiva se používají u malt vystavených suchu i vlhku. Toto vápno na rozdíl od vápna vzdušného tuhne i pod vodou. Tím se podobá cementu jako pojivu u betonů. Cement je práškové hydraulické pojivo popsané v kapitole 2. Obvykle se používá v kombinaci s vápnem. Používá se portlandský, struskoportlandský, vysokopecní a bílý. Sádra je pojivem, které se vyznačuje rychlejším tuhnutím malt podle rychlosti tuhnutí se také rozděluje na: - rychle tuhnoucí, - normálně tuhnoucí, - pomalu tuhnoucí.

SPSKS SiO2

vysokopecní struska

portlandský cement

20

80

60

hydraulické vápno

vápno

hlinitanový cement

40

40

60

20

CaO +MgO

80

80

60

40

20

Al2O3 + Fe2O3

Obr. 7 Oblast existence jednotlivých pojiv v systému složení CaO + MgO - SiO2 – Al2O3 + Fe2O3

21/85

3.1.2 KAMENIVO Kamenivo, jeho druh a frakce, se volí podle účelu použití malt. Obvykle se používá přírodního těženého kameniva: - pro výrobu keramických dílců a pro stykové malty jde o frakce 0-4 a 0-8 v předepsaném poměru, - pro malty ke zdění, pro kladení dlažeb, pro obklady a pro jádrovou omítku frakce 0-4, - pro malty na jemné omítky a pro spárování při tloušťce spáry do 4 mm frakce 0-1 Pro maltu je rozhodující vždy receptura a dávkování je zde objemové, což je rozdíl od dávkování betonů, kde jsou komponenty váženy (hmotnostní dávkování). 3.1.3 VODA Pro vodu platí stejné požadavky jako v případě betonu vyjma použití mořské vody.

3.1.4 PŘÍSADY A PŘÍMĚSI Přísad a příměsí do malt je celá řada a upravují některé vlastnosti malt jako z hlediska technologických vlastností, tak z hlediska fyzikálních vlastností. Obvyklé přísady regulují dobu tuhnutí, objemovou stálost pojiv, pevnost pojiv, tepelně izolační vlastnosti, pórovitost. V případě styku malty s ocelovými prvky (např. výztuže) jsou zakázány přísady na bázi chloridů.

SPSKS

3.2 TŘÍDĚNÍ MALT

Podle účelu použití se malty třídí na: - malty pro zdění, - malty pro omítky, - malty pro výrobu keramických dílců, - tepelně izolační malty, - stykové malty, - malty pro spárování, - malty pro kladení dlažeb, - malty pro obklady, - malty pro speciální účely.

Podle typu pojiva se malty třídí a označují takto: 1. 2. 3. 4. 5.

Vápenné malty obyčejné hrubé jemné Vápenocementové obyčejné jemné pro šlechtěné omítky Vápenosádrové Sádrové Cementové

MV MVJ MVC MVCJ MVCO MVS MS

22/85

-

obyčejné (hrubé) MC pro cementový postřik MCP

Podle měrné hmotnosti se malty ve vysušeném stavu třídí na: - malty tepelně izolační ρ do 1100 kg .m-3 - malty vylehčené ρ =1100 - 1600 kg .m-3 - malty obyčejné ρ = 1600 - 2300 kg .m-3 - malty těžké ρ více než 2300 kg .m-3 Podle tepelné vodivosti se malty třídí na: - tepelně izolační, - vysoce tepelně izolační, - mimořádně tepelně izolační. Podle účelu použití se vyrábějí malty se speciálními vlastnostmi: - mrazuvzdorné, - vodotěsné, - se sníženým nebo zvýšeným odporem proti postupu plynných médií.

SPSKS

23/85

4.0 ROPA A VÝROBKY Z ROPY 4.1 ZÁKLADNÍ POJMY A TERMINOLOGIE Ropa je hořlavá kapalina, která se získává z podzemních nalezišť. Starší pojmenování této, podle horního zákona horniny, bylo nafta. Dnes je terminus technicus nafta používán pro výrobek z ropy, který je pohonem pro dieselové (vznětové) motory. Na naftu lze také hledět jako na frakci ropy. Ropa jako pojem pochází z polštiny a budeme ji chápat jako výchozí surovinu. Nicméně je nutné dodat, že geologové i nadále používají pro ropu název nafta, což je patrné i v názvu firmy, která mj. financuje tuto učebnici – Moravské naftové doly a.s. Dalším pojmem je bitumen, který bývá často i v odborné literatuře uváděn jako jakýsi výrobek nebo frakce ropy nebo ještě nesprávněji, jako určitý druh asfaltu. Bitumen je ropa, která se vyznačuje mimořádně vysokou viskozitou, takže za běžných teplot prostě neteče. Bitumen se někdy uvádí jako extra těžká ropa. Samozřejmě, že tu nejde o tíži bitumenu ve srovnání s ropou bez přívlastku, ale o jeho vysokou viskozitu. Členění pojmů podle měrné hmotnosti pak vypadá takto: - lehké ropy ρ < 930 kg.m-3 - středně těžké ropy ρ = 930 – 1000 kg.m-3 - extra těžké ropy ρ > 1000 kg.m-3 viskozita η < 10 Pa.s - bitumeny ρ > 1000 kg.m-3 viskozita η > 10 Pa.s Dalším poněkud sporným pojmem je živice, ta bývá často ztotožňována s pojmem bitumen, což je s ohledem na její složení nesprávné. Encyklopedie uvádí, že živice je společný název pro asfalty a dehty. Asfalt je výrobek z ropy, kdy po vakuové destilaci je poslední frakcí ropy. Ta se vyznačuje vysokou hodnotou měrné hmotnosti a nejvyšším stupněm varu. Dehet je sice organického původu, ale získává se jako vedlejší produkt při zpracování uhlí na koks. Uhlí je organický materiál. Dehet na rozdíl od asfaltu obsahuje lehčí frakce a lze jej zpracovat i na jiné produkty, čímž se někdy může podobat vlastnostem ropy. Podle jedné z teorií jsou živice z geologického hlediska předchůdci vzniku ropy, kdy se předpokládá, že ropa vznikla přeměnou organické hmoty ze zbytků rostlin a živočichů na kerogen, ten se následně změnil na živici a ta na ropu a zemní plyn. Ropa je směs velkého množství uhlovodíků, tedy organických látek, ale vyskytují se v ní i látky anorganické. Každé naleziště poskytuje ropu jiných vlastností a chemického složení. Zejména pro ropné burzy bylo nutné rozdělit ropy do rozumného počtu skupin kvůli ceně, za kterou se touto komoditou obchoduje. Následující členění je terminologicky spjato výhradně z obchodem. Ropu podle tohoto dělíme na následující čtyři druhy: - BRENT – je to ropa ze Severního moře dříve označována Forties, - WTI – West Texas Intermediate - americká ropa, - DUBAI – ropa z Perského zálivu, dříve označována Arabian Light, - NIGERIEN LIGHT – africká ropa

SPSKS

4.2 VZNIK ROPY Vznik ropy je spojen se dvěma základními teoriemi. Každá z nich má své slabé a silné stránky a své zastánce i odpůrce. Na rozdíl od uhlí, které je svým původem organickým materiálem a o jeho vzniku víme mnohé, ropa v podzemí obvykle migrovala. Nalézáme ji tam, kde nevznikla. Základní rozdělení teorií původu ropy lze rozdělit na: - organickou teorii vzniku ropy

24/85

- anorganickou teorii vzniku ropy Pro organické teorie hovoří přítomnost sloučenin, které se vyskytují v mikroorganizmech a existence fosilních zbytků mikroorganizmů v některých ložiscích ropy. Dále tuto teorii podporuje fakt, že ropa se vyskytuje převážně v sedimentárních horninách a jen výjimečně ve vyvřelinách. Anorganické teorie předpokládají vznik z anorganických sloučenin např. reakcí karbidů některých kovů a vodou, kdy by důležitou roli mohl sehrát acetylen C2H2 . Další možností je vznik ropy reakcí oxidů uhlíku s vodní párou. Dále je možné, že ropa má kosmický původ, protože některé planety kosmická tělesa obsahují metan. Vyloučena není ani sopečná činnost, protože některé uhlovodíky lze nalézt i v některých lávách. Tyto teorie nemají jen vědecký nebo teoretický význam. Jejich pochopení by umožnilo zdokonalovat metody pro vyhledávání ložisek. Dokonce jednou z teorií je možnost vzniku oběma cestami. Jednotlivé druhy ropy pak mohou být důsledkem nejen původu, ale následných reakcí, které jsou možné jen v určitých geologickým podmínkách.

4.3 SLOŽENÍ ROPY Vytěžená ropa je olejnatá kapalina s měrnou hmotností v rozmezí 800 – 990 kg.m-3. Je složena z plynných, kapalných a pevných látek. Převažují zde uhlovodíky, ale vyskytují se zde i sloučeniny síry, kyslíku a dusíku. V malých množstvích také organické a anorganické látky, především soli, které obsahují kovy (vanad, nikl apod.). Plyny v jsou v ropě zastoupeny metanem, etanem, propanem, butany, oxidem uhličitým a sulfanem. Kapalná fáze je převažující fází ve složení ropy. Mezi kapalnými látkami převažují uhlovodíky. Patří mezi ně n-alkany (parafíny), izooktany (izoparafíny), cykloalkany (cyklany a naftaleny) a aromáty. Kombinace a řetězení kruhů cykloakkanů vytváří širokou škálu sloučenin. Vyskytují se zde v hojné míře také hybridní molekuly, které mohou obsahovat vedle atomů uhlíku a vodíku ještě síru, dusík a kyslík. Tuhá fáze ropy je reprezentována skupinou parafínů, cerezínů a asfalténů. Tyto látky jsou v čistém stavu tuhé jsou v ropě rozpuštěny nebo peptizovány.

SPSKS

První izomery alkanů jsou možné u C4 uhlovodíků. Jsou to sloučeniny se čtyřmi atomy uhlíku v molekule. Počet izomerů jsou dva – n-butan a izobutan. U C15 alkanů je počet izomerů již 4347. Je tedy zřejmé, že chemický rozbor ropy znamená identifikovat řádově desetitisíce sloučenin.

4.4 ZÁKLADNÍ ZPRACOVÁNÍ ROPY Zpracování ropy je možné několika způsoby, resp. technologiemi. Závisí to od kvality a množství produktů, které požadujeme. Obecným postupem je před zpracováním její odsolení a následně je v atmosférické (za normálního tlaku) a vakuové (za velmi nízkého tlaku) destilována na několik frakcí. Jazykem třídění kameniva by se dalo říci destilace na užší frakce. Destilace je postup, kdy při kombinaci teploty a tlaku se jednotlivé složky ropy uvedou do varu, kdy dochází k odpařování určité frakce (uhlovodík). Ta se následně ochlazuje a tím dochází ke zkapalnění.

25/85

Poznámka: Pro pochopení pojmu destilace budeme ohřívat vodu. Ta za normálního atmosférického tlaku 101 325 Pa vře při teplotě 100°C, kdy se mění na páru. Pokud bychom tlak snižovali, dojde k varu při nižších teplotách. Ve vakuu by voda vřela při 0°C. Pokud smícháme dvě kapaliny, např. vodu a líh C2H5OH, dokážeme fyzikální cestou tyto dvě kapaliny oddělit zahříváním za normálního tlaku. Líh má teplotu varu asi 70°C a bude se odpařovat dokud bude v roztoku přítomen, pak se odpařování zastaví a k dalšímu odpařování dojde až při zvýšení teploty. Destilace se provádí v tzv. rektifikačních kolonách. Ty jsou atmosférické a vakuové. V atmosférické koloně se využívá k oddělení frakcí toliko teploty u vakuové kolony využíváme nižšího tlaku k odpařování frakcí, které by vysoká teplota poškozovala na chemických vazbách, kdy k varu dochází za nižších teplot.

atmosférická rektifikační kolona

vakuová rektifikační kolona frakce plynné

složení C1 – C4

Var [°C] do 30

benzín

C5 – C11

30 - 200

lehký olej

SPSKS petrolej

C12 – C15

180 - 280

střední olej

olej

C16 – C19

250 - 360

bubu

mazut

C20 – C40

nad 360

300°C

těžký olej

400°C

ropa asfalt Obr. 7 Schéma destilační kolony

Schéma destilace ropy podle obrázku 7 je sice výstižné, ale pro odbornou učebnici nepostihuje složitost technologických operací. Odpovídá empirické zkušenosti, že když se vaří voda uniká pára. Výsledkem kondenzace v reálném procesu např. ve druhé koloně není benzín, jaký lze natankovat. Schéma destilační kolony je tedy více fyzikální než technologické. Ve skutečné výrobě musí následovat další postupy. Obrázek 8 postihuje ve vývojovém diagramu technologii procesu zpracování ropy.

26/85

ropa odsolení

propan-butan

plynový olej

mazut

mísení

petrolej

odsíření

odsíření

těžký benzín

odsíření reformování

lehký benzín

izomerace

odsíření

plyny

odsíření dělení plynů topný plyn

mísení automobilové benzíny

SPSKS

atmosférická destilace

mísení letecký petrolej, motorová nafta

Obr. 8 Blokové schéma obecného zpracování ropy

27/85

další zpracování

výroba síry

topný olej

4.5 VÝROBKY Z ROPY Výrobky z ropy jsou produkty rafinérií. Tyto mohou sloužit k okamžité spotřebě, protože jsou finálním výrobkem. Druhou skupinu tvoří výrobky, které rafinerie dodávají k dalšímu zpracování.

4.5.1 PLYNNÉ PRODUKTY Plynné uhlovodíky je skupina uhlovodíku C1 – C4 nezískávají se pouze destilací, jak je patrné ze schémat obr. 7 a obr. 8. Další zisky plynných uhlovodíků jsou z tzv. krakování (krakování je rozbití velkých řetězců uhlovodíků na menší), dále je to hydrorafinace, reformování a izomerace benzínů. V praxi se požívají samostatně nebo ve směsích. Nejznámější směsí je propan-butan, která se označuje LPG. LPG je užívána jako palivo motorových vozidel a pro získávání tepla hořením. Jako polotovar se užívá pro výrobu etylénu a propylénu. Oktanové číslo paliva LPG se nestanovuje zkouškou stejnou jako u benzínu minimální hodnota je však 89. Propan je užíván jako rozpouštědlo při odasfaltování těžkých olejových frakcí v technologickém procesu rafinace a jako rozpouštědlo při odparafinování těžkých minerálních olejů. Butany se vmíchávají do automobilních benzínů, kde se rozpouští a v technických aplikacích kde nahrazuje freony. Ostatní izomery butanu slouží jako polotovar pro výrobu antidetonačních přísad do benzínů, a pro výrobu polymerů.

SPSKS

4.5.2 KAPALNÉ PRODUKTY – BEZÍNY

Terminus technicus benzín je označení frakcí, které mají teplotu varu v intervalu 30 - 200°C při atmosférickém tlaku. Podle použití je dělíme na: - automobilové benzíny, - letecké benzíny, - technické benzíny. Automobilové benziny jsou palivem zážehových motorů, kde palivo je zapalováno elektrickou jiskrou. Termická účinnost spalovacího motoru je závislá na hodnotě kompresního poměru. Čím je kompresní poměr číselně vyšší, tím je vyšší termická účinnost. Vývoj paliva - benzínu jde tedy cestou zvyšování tzv. oktanového čísla. Benzín musí vydržet relativně vysoké tlaky a teploty spojené s kompresí aniž by došlo zážehu. Zážeh, který nastane dříve než dojde k zapálení snižuje výkon motoru a způsobuje rázová zatížení mechanizmu. Dříve se do automobilních benzínů přidávaly pro zvýšení oktanového čísla tzv. antidetonátory. Byly to organické sloučeniny olova (tetraetyl olova) a železa. Dnes jsou tyto sloučeniny pro svoje účinky na životní prostředí zakázány. Složení benzínů je vyvíjeno následně s ohledem na dodatečné spalování na katalyzátorech. Nejpoužívanějšími druhy benzínů jsou NATUPRA Ba – 95 a NATURAL BA – 98. V menší míře ještě BA – 91. Číslo udává hodnotu oktanového čísla. Jde o bezolovnaté benzíny. S ohledem na katalyzátor nesmí obsahovat sloučeniny kovů jako je železo, sodík a mangan, které katalyzátory poškozují. Automobilové benzíny jsou hořlaviny I. třídy. Bod vzplanutí je pod hodnotou 0°C a bod vznícení v rozsahu 200 - 240°C.

28/85

Výsledné palivo se získává mísením z řady komponent, kdy měřítkem je dosažení příslušného oktanového čísla. Protože spotřeba benzínů je vysoká, je součástí chemického procesu po destilaci krakování. Při tomto procesu rozbijeme těžší molekulové řetězce uhlovodíků na menší. Do benzínů se přidávají aditiva, která upravují k použití některé vlastnosti benzínů jako paliva: - antioxidanty – zabraňují tvorbě pryskyřičných látek, - detergenty – udržují v čistotě palivové cesty a spalovací prostory motorů, - deaktivátory kovů – blokují chemické působení iontů kovů, - antikorozní přísady – snižují rizika vzniku chemické koroze. Poznámka: K pochopení kompresního poměru použijme schéma spalovacího motoru dle obrázku.

objem kompresního prostoru Vk

SPSKS Vc ε = —— Vk

dolní úvrať

horní úvrať

celkový objem válce Vc

Obr. 9 Schéma výpočtu kompresního poměru

Hodnota kompresního poměru ε je různá pro zážehové a vznětové motory. U zážehových motorů je hodnota ε = 7 – 10 někdy i vyšší. Při kompresi se zvyšuje teplota a ta nesmí být vyšší než teplota vznícení paliva. Palivo u zážehových motorů musí být zapáleno jiskrou v okamžiku, který motor požaduje. U vznětových motorů dochází ke vznícení právě díky teplotě vyvolané stlačením vzduchu při kompresi. Palivo (motorová nafta)má teplotu vznícení vyšší než benzín a proto mají vznětové motory kompresní poměr vyšší ε = 12 – 20 i více.Hoření paliva u vznětových motorů je řízeno vtřikem do spalovacího prostoru. Letecké benziny se používají pro pohon letadel vybavených zážehovými motory. Pro tryskové motory je jiné palivo. Složením jsou letecké benziny míchány tak, aby měly co největší výhřevnost na jednotku hmotnosti, protože velká hmotnostní zatížení jsou závažným problémem u letadel. Požadovaného oktanového čísla se zde dosahuje použitím antidetonátorů i na bázi olova, protože škodlivé spaliny jsou vypouštěny ve velkých výškách. Obvyklá hodnota oktanového čísla je 100. Teplota vzduchu ve výškách několika kilometrů je velmi nízká, a proto musí být u složení leteckého benzínu zajištěna odolnost proti krystalizaci parafínů v palivu.

29/85

Technické benziny jsou technologické kapaliny, které se využívají jako rozpouštědla a ředidla. Vyrábějí se z frakce při destilaci – lehkého benzínu. Jako palivo se používají málo, snad pouze při technologiích propalování kamene.

4.5.3 KAPALNÉ PRODUKTY – PETROLEJ Frakce z destilace ropy petrolej a plynový olej se používá k výrobě leteckého petroleje a motorové nafty a to jejich vzájemným mísením. Pokud pomineme petrolej, který se používá ke spalování za účelem získání světla v lampách, kterého je zanedbatelné množství, je zástupcem petrolejů petrolej letecký. Letecký petrolej se používá k pohonu tryskových motorů letadel, které dnes u dopravních letounů převažují. Tryskový motor spaluje palivo v poněkud jiném režimu. Vzduch nasátý nebo jinak zkomprimovaný (buď kompresorem nebo u náporových motorů zavřením klapek) se zde vhání do spalovací komory, kde se nastřikuje palivo. To na rozdíl od spalovacího motoru hoří kontinuálně. Spalováním paliva – petroleje se zvýší tlak ve spalovacím prostoru. Vzduch není spalován všechen (rozuměj kyslík z objemu vzduchu). Většina slouží k udržení teploty spalin na únosné míře, kterou vydrží např. trysky motoru a spalovací komora. Tato teplota bývá ve spalovací komoře 1800°C u vojenských strojů je vyšší. Kinetická energie spalin vytváří tah motoru. S ohledem na požadavek velké výhřevnosti paliva je požadavek na složení paliva prezentován jako velký poměr H/C paliva. Tomuto požadavku vyhovují alkany a cykloalkany. Poznámka. Poměr H/C paliva je možno chápat takto. Uhlovodíky jsou složeny v převažující většině z uhlíku a vodíku. Při spalování, které je reakcí s kyslíkem vzniká s vodíkovými atomy voda ve formě páry a v případě uhlíku oxid uhličitý. 2H2 + O2 → 2H2O C + O2→ CO2

SPSKS

Z rovnice je patrné, že teplo vzniklé spalováním vodíku je větší, než je tomu u uhlíku. Uvedený poměr H/C tedy, poněkud zjednodušeně, dává informaci o výhřevnosti. Letecké petroleje se aditivují podobně jako benzíny. Důvodem je zlepšení skladovatelnosti díky antioxidantům, protikorozní vlastnosti se zlepšují inhibitory koroze a nutné jsou zejména přísady proti zamrzání, protože tyto motory pracují za velmi nízkých teplot ve stratosférických výškách.

4.5.4 KAPALNÉ PRODUKTY – MOTOROVÉ NAFTY Motorová nafta se používá pro pohon vznětových motorů. Jde o směs kapalných uhlovodíků, které vřou v rozmezí teplot 150 - 370°C. Motorová nafta je palivo, které je s ohledem na způsob zážehu vznícením velmi citlivá na teplotu ve které motor pracuje. Ta závisí na ročním období a klimatických podmínkách např. podle zeměpisné šířky. Známe tedy „letní naftu“, „zimní naftu“ a „arktickou naftu“. Jejich odlišnost je ve filtrovatelnosti za chladu. U nafty se hodnotí tzv. cetanové číslo. Dále je nafta hodnocena podle mazivosti, protože při vstřikování je nutné udržet ve vstřikovacích čerpadlech tření v určitých mezích. Další důležitou měřenou veličinou je viskozita, která ovlivňuje schopnost mazání (stabilita filmu) a velikost kapiček při vstřiknutí do spalovacího prostoru motoru.

30/85

Motorová nafta se vyrábí, jak je patrné z obrázku 8 mísením frakcí odsířených plynových olejů a petrolejů z procesu destilace. Motorová nafta se aditivuje těmito přísadami: - zvyšovače cetanového čísla – zlepšuje vlastnosti s ohledem na kompresní poměr, - detergenty a disperzanty – udržují v čistotě ústí vstřikovacích trysek, - mazací přísady – zlepšují mazací vlastnosti pro snížení tření, - deemulgátory – zlepšují oddělování uhlovodíků od vody, - vodivostní přísady – zlepšují elektrickou vodivost k zabránění vzniku elektrostatického náboje např. při tankování, - přísady k potlačení pěnivosti, - antioxidanty a deaktivátory kovů.

4.5.5 OKTANOVÉ A CETANOVÉ ČÍSLO Z podstaty funkce zážehových a vznětových motorů vyplývá nutnost velmi přesného načasování hoření paliva v závislosti na poloze pístu před horní úvratí. U zážehových motorů dochází k zapálení směsi elektrickou jiskrou v určité poloze před dosažením horní úvratě. Rozdíl mezi horní úvratí a okamžikem zapálení směsi se nazývá předstih. Ten závisí ještě na otáčkách motoru a proto se jeho poloha do určité míry mění. Při kompresi motoru se zvyšuje teplota stlačované směsi vzduchu a benzínu a může dojít ke vznícení směsi před zapálením elektrickou jiskrou. Akusticky se takový jev projevuje klepáním, což je kovový zvuk, který silně namáhá klikový mechanizmus a snižuje výkon motoru. Bezpečnost proti vznícení směsi před jejím zapálením zajišťuje tzv. oktanové číslo. U vznětových motorů (diesel) se palivo vzněcuje teplem vyvolaným silnou kompresí stlačovaného vzduchu. Tato teplota je kolem 600 ⁰C. Podobně jako u benzínového zážehového motoru v určitém předstihu dojde ke vtřiknutí paliva do spalovacího prostoru. Palivo musí při daném kompresním poměru bezpečně vzplanout, jinak motor nepracuje. Spolehlivost vzplanutí paliva od tepla vzniklého kompresí je dána tzv. cetanovým číslem. Jak motorová nafta, tak benzíny jsou směsi kapalných uhlovodíků, kterých jsou řádově tisíce. Jejich hmotnostní zastoupení ve směsích paliv je různé. Určovat jejich vlastností jako celku je téměř nemožné. Proto se pro podmínky zážehu nebo vznícení paliva stanovují jakási umělá čísla. Jejich filozofie spočívá na tom, že se reálné palivo srovnává ve svých vlastnostech při vznícení nebo zážehu se směsí dvou uhlovodíků. Jednomu se přiřadí číslo 0 a druhému 100. Jakmile na zkušebním motoru zjistíme samozápal (OČ) nebo vynechání motoru (CČ) při stejném nastavení objemu spalovacího prostoru u zkoušeného paliva a příslušně smíchané směsi, palivo označíme číslem obsahu složky s přiřazením 100. Zkouška probíhá takto: Oktanové číslo zkoušíme tak, že k pracujícímu zkušebnímu spalovacímu motoru „za chodu“ změníme palivo a dodáváme zkušební vzorek benzínu. Speciální hlava umožňuje její snižování, kdy zmenšujeme spalovací prostor, čímž zvyšujeme kompresní poměr, kdy začne motor „klepat“, což je velmi dobře poznat sluchem. Měřicí přístroje zaznamenají ztrátu výkonu a další ostré změny. Zaznamenáme polohu hlavy válce oproti horní úvrati. Následně do motoru pustíme směs dvou uhlovodíků izooktanu (2,2,4trimetylpentan), který považujeme za oktanové číslo 100 a druhou složkou je, heptan, kterému jsme přiřadili oktanové číslo 0. Tyto dva uhlovodíky mísíme v různých poměrech, až zaznamenáme klepání motoru. V tuto chvíli je zřejmé, že zkušební směs se samovznítila při stejném kompresním poměru jako zkoušený benzín. Poměr izooktanu a n-heptanu např. 95 říká, že porovnávaný benzín má oktanové číslo 95. Pokud benzín dosáhne OČ např. 94 nevyhovuje normě a musí se přimíchávat složky, které zlepší jeho vlastnosti.

SPSKS

31/85

zvyšujeme objem spalovacího prostoru CČ

snižujeme objem spalovacího prostoru OČ

proměnlivý objem kompresního prostoru Vk

dolní úvrať

horní úvrať

celkový objem válce Vc

SPSKS

Obr. 10 Schéma měření oktanového a cetanového čísla

Dále platí, že motory vyžadující OČ 98 mají vyšší kompresní poměr a také vyšší termickou účinnost. Cetanové číslo zkoušíme u motorových naft tak, že postupujeme opačně. Zkoumanou (měřenou) motorovou naftou poháníme zkušební vznětový motor. Zvyšujeme velikost spalovacího prostoru „zvedáním hlavy“ od horní úvratě, čímž klesá kompresní poměr. Při dosažení určité polohy hlavy motor začne vynechávat, protože kompresí vzniklé teplo nemá dostatečnou teplotu pro zapálení vtřiknuté nafty. Poloha hlavy se zaznamená. Vyměníme zkoumanou motorovou naftu za směs dvou uhlovodíků. Je to cetan (n-hexadekan, C16 H34), kterému přiřazujeme cetanové číslo 100, který má malou náchylnost ke tvrdému chodu. Druhou složkou je 1- metylnaftalen (C11H34), kterému přiřazujeme CC = 0. Motor běží na tuto směs, kdy hledáme v jakém poměru těchto dvou složek motor vynechá. Výsledkem je hodnota cetanu např. 51 říká, že nafta s tímto cetanovým číslem má stejné vlastnosti při vznícení jako směs 49 hmotnostních = 1-metylnaftalenu s 51 hmotnostními = cetanu. Opět měřená motorová nafta musí vyhovět nějaké hodnotě pro expedici do distribuční sítě. V opačném případě se musí zlepšit přimísením dalších složek. Poznámka. Jak oktanové číslo, tak cetanové čísla jsou jakási umělá měřítka, která lze nazvat komparační. Neměříme tu nějakou absolutní hodnotu, ale porovnáváme s něčím co lze dobře namíchat a nalézt. Je to obdoba moohsovy stupnice tvrdosti, kdy měříme tvrdost porovnáním s nějakým čistým minerálem a říkáme, že je tvrdší něž a méně tvrdý než. Existují paliva, která mohou mít OČ vyšší než 100, protože dnes existují sloučeniny, které vývojem předstihly paliva vyráběná standardně z ropy. Postupné zvyšování OČ u benzínů je zjevné. Před několika desítkami let existoval benzín normál, který měl OČ 80, dnes motory vyžadují paliva s OČ 95 až 98, která tehdy byla pravděpodobně nevyrobitelná za přijatelnou cenu. 32/85

4.5.6 KAPALNÉ PRODUKTY – MINERÁLNÍ OLEJE Pojem minerální oleje označuje oleje, které jsou vyrobeny výlučně z ropy a neobsahují silikony. Silikony jsou organické látky, kde je uhlík nahrazen křemíkem. Obecně o olejích jako o kapalných mazivech bude pojednáno v kapitole maziva. Minerální oleje slouží k mazání strojních součástí, dále existují jako oleje transformátorové, kabelové a formové. Jejich nejvyužívanější užitná vlastnost je schopnost snižovat tření a to především tření smykové - coulombovské. Při mazání oleje plní tyto základní funkce: - snížení součinitele tření vytvořením filmu, kde probíhá kapalinné tření namísto tření suchého, - chlazení povrchu třecích součástí odvodem tepla, - vynášení nečistot z třecího povrchu. Základní měřenou vlastností olejů (nejenom minerálních) je viskozita. Je to míra vnitřního tření a je popsána v prvním dílu učebnice. Je to právě viskozita, která má zásadní vliv na kluzné vlastnosti olejů. Z praxe je známé, že speciálně minerální oleje mají vyšší závislost viskozity na teplotě. Každý ví, že zmrzlé technické zařízení např. převodovka klade zpočátku velký odpor dokud se mazací náplň nedostane na provozní teplotu. Právě tato vlastnost a ekologická zátěž při haváriích způsobuje postupný ústup od minerálních olejů k olejům polysyntetickým a syntetickým (dále maziva). Dalšími vlastnostmi, které je nutné sledovat u minerálních olejů jsou: - karbonizační zbytek, který souvisí s degradací oleje teplem, kdy vzniká karbon (je to černá popelnatá hmota) na pístech spalovacích motorů, - číslo kyselosti, které se vyjadřuje v pH a má vliv na některé součásti mazaných strojů, - číslo zmýdelnění, kdy se olej proměňuje z kapaliny ve hmotu podobnou mýdlu, kdy např. nelze dopravovat čerpadly na určená místa a zmýdelněné vločky ucpávají mazací kanálky, - oxidační stabilita, která souvisí s reakcí složek oleje se vzduchem za teplot, kdy se mění některé vlastnosti olejů, - pěnivost, kdy pěna způsobuje nespojitost dodávek oleje čerpadly a může dojít k únikům olejů z mazacího prostoru, - obsah mechanických nečistot, které způsobují snížení kluzných vlastností nebo některé mechanické nečistoty z oleje udělají brusnou pastu, - bod vzplanutí je teplota kdy lze nad hladinou oleje přiložením plamene páry zapálit, - bod tuhutí je bod, kdy se při určité teplotě vzorek oleje ve zkumavce po změně polohy její osy na vodorovnou 5 sekund nepohne,

SPSKS

Pro zlepšení některých vlastností olejů se oleje aditivují zušlechťujícími přísadami jako jsou: - protikorozní přísady, - protipěnivostní přísady, - snižovače bodu tuhnutí, - detergenty (neutralizují kyselé složky a zvyšují čistotu rozptylováním nečistot), - modifikátory viskozity, - biocidy (zamezují existenci mikroorganizmů v ropných frakcích).

4.5.7 KAPALNÉ PRODUKTY –TOPNÉ OLEJE Topné oleje se vyrábějí v několika druzích, které se odlišují navzájem především viskozitou, bodem tuhnutí a obsahem síry. Bez podrobnějšího popisu je zřejmé, jak se rozhoduje o jejich

33/85

použití při konstrukci spalovacích hořáků. Podle měrné hmotnosti se topné oleje dělí na oleje extra lehké, lehké a těžké. Z pohledu jejich výroby destilací jsou lehké topné oleje směsí produktů atmosférické a vakuové destilace plynových olejů. Extra lehké topné oleje jsou směsí petrolejů a plynových olejů z atmosferické i vakuové destilace. Těžké oleje jsou pak převážně směsí vysokovroucích zbytků z vakuové destilace ropy. Praktické užití topných olejů je zřejmé z názvu. Slouží jako palivo pro výrobu tepla. S ohledem na toto použití je hlavním hodnotícím faktorem jejich výhřevnost. Dále je nutné zde počítat s jistým obsahem síry, která se spaluje na SO2. 4.5.8 PEVNÉ PRODUKTY - ASFALTY Asfalt je velmi viskózní nebo téměř tuhá frakce ropy. Vyskytuje se i přírodní asfalt (Albánie). Asfalty se vyznačují mj. úplnou rozpustností v toluenu. Podle způsobu výroby se asfalty rozlišují na: - destilační asfalty – jsou to zbytky z vakuové destilace mazutu, - polofoukané asfalty, které se vyrábí oxidací (profukováním vzduchem) smésí zbytků z vakuové destilace, - oxidované asfalty, kdy jde o technologii podobnou polofoukaným asfaltům, ale profukování probíhá za vyšších teplot, asfalty jsou pak tvrdé, - asfalty z odasfaltování jsou zbytkové frakce z těžkých ropných frakcí, které se čistí od asfaltu rozpuštěním v propanu, - krakové asfalty jsou zbytky z termického krakování těžkých ropných frakcí a zbytků, kdy nejde rozbít řetězce asfalténů, - přírodní asfalt se těží zejména v Albánii, obvykle obsahuje jemné frakce minerálních látek a nazývá se proto mastix, - smíšené asfalty, které se připravují mísením různých druhů asfaltů k dosažení požadovaných vlastností.

SPSKS

Podle způsobu užití se asfalty dělí na: - silniční asfalty, které se používají jako pojivo asfaltových betonů, - modifikované ropné asfalty jsou zušlechtěny příměsemi polymerů, které zlepšují některé asfalty pro silniční stavitelství, - ředěné roztoky asfaltů lehkými (někdy těkavými) frakcemi k užití jako nátěry, - luxované asfalty, jejichž viskozita je snížena fluxovadlem (prakticky olej), - asfaltové emulze, kdy se jedná o emulzi ve vodě v silničním stavitelství, kdy práce s asfaltem nemusí probíhat za vysokých teplot. Vlastnosti asfaltů se s ohledem na plnění norem měří. Zjišťují se tak: - penetrace, kdy se měří hloubka zapíchnutí jehly do vzorku asfaltu určité teploty zatížena přesnou silou a časem, - bod měknutí je teplota, kdy se kroužek vzorku asfaltu pod zatížením ocelovou kuličkou prohne vzorek o určitou hodnotu, - bod lámavosti zjišťuje teplotu, kdy vrstva zkoumaného asfaltu na ocelové planžetě při prohýbání praskne, - odolnost ke stárnutí se zkouší ohřevem vzorku asfaltu na teplotu 163°C po dobu 75 minut za přívodu vzduchu, kdy se po vychladnutí měří úbytek hmotnosti, - bod vzplanutí je obdobná zkouška jako u minerálních olejů, - duktilita je natahování vzorku asfaltu ve vodní lázni určité teploty do jeho přetržení,

34/85

-

rozpustnost zkoumá přítomnost cizích látek v asfaltu, které zhoršují jeho vlastnosti, protože v toluenu se asfaltéry rozpouštějí úplně.

vlastnosti penetrace [0,1 mm] bod měknutí [°C] bod lámavosti [°C] duktilita při 15°C [cm . min-1] duktilita při 25°C [cm . min-1] rozpustnost v benzenu [%] obsah popele [%] max. Bod vzplanutí [°C] min.

ASFALTY SILNIČNÍ ROPNÉ A 300 A 200 A 80 250-320 150-210 70-100 33-39 38-44 44-49 -20 -15 -10 100 100 100 99 99 99 0,5 0,5 0,5 210 220 240

ASFALTY SILNIČNÍ ROPNÉ POLOFOUKANÉ vlastnosti AP 80 AP 65 AP 45 penetrace [0,1 mm] 70-100 50-70 30-50 bod měknutí [°C] 44-49 48-53 53-58 bod lámavosti [°C] -10 -8 -6 -1 duktilita při 25°C [cm . min ] 100 100 40 rozpustnost v benzenu [%] 99 99 99 obsah popele [%] max. 0,5 0,5 0,5 Bod vzplanutí [°C] min. 250 250 260

49-54A 65 50-70 49-54 -8 100 99 0,5 250

A 45 35-50 54-59 -6 40 99 0,5 260

AP 25 20-30 58-64 -4 10 99 0,5 280

AP 15 10-20 64-70 -2 4 99 0,5 280

SPSKS

4.5.9 ASFALTOVÉ EMULZE

Asfaltové emulze jsou heterogenní směsi rozptýleného asfaltu, latexu, přírodního kaučuku a vody. Jejich technologickou výhodou je použití v technologickém procesu např. při nátěrech obrusné vrstvy povrchu komunikací, že nevyžadují předehřívání. Takový postup má řadu výhod. Není třeba distributorů horkého asfaltu, nanesený povrch nechladne a komunikace je ve velmi krátkém čase schopna provozu. Základní rozdělení je na : Anioaktivní emulze jsou vhodné pro neutrální a alkalická kameniva: Rychleštěpná anionaktivní emulze obsahuje 58 – 62% silničního ropného asfaltu emulgovaného ve vodě pomocí vhodných emulgátorů. Kationaktivní emulze jsou vhodné pro kyselá kameniva. obsah asfaltu je přibližně stejný jako u anionaktivní emulze.

35/85

asfalt nespojitá fáze

obal emulgátoru

vnější spojitá fáze (voda)

Obr. 12 Schéma složení asfaltové emulze

SPSKS emulgátory

+Na –COO R

R COO-Na+

-Cl+NH3 R

R NH3+Cl-

asfalt voda anionaktivní

kationaktivní

Obr. 13 Schéma emulgovaných částic asfaltové emulze

36/85

4.5.10 VÝROBKY Z ASFALTU Asfalty jsou výchozí surovinou pro výrobu celé řady produktů, které nacházejí hojné využití v technické praxi. V přehledu jsou uvedeny výrobky, které vyrábí podnik Paramo Pardubice s tím, že obchodní názvy jiných výrobců mohou být jiné. Gumoasfalt je výrobek, který je používán při technologiích, kde se opravuje a obnovuje povrch živičných krytin a na lepenkách a izolačních pásech v silničním, vodním a všeobecném stavebnictví. Ve směsi s cementem a říčním pískem se používá na pochůzné vrstvy např. chodníků. Je ředitelný vodou do zaschnutí, jde tedy o emulzi. Antivibral je používán jako tmel k tlumení vibrací tenkých plechů např. automobilových karoserií, lze jej použít i jako těsnící hmotu. Je ředitelný vodou do zaschnutí. Penetral je asfaltový penetrační lak ALP, který se používá k penetraci (napouštění) podkladních vrstev pod asfaltové izolace proti zemní vlhkosti betonové konstrukce před lepením dalších materiálů apod. Lutex je asfaltový izolační nátěr ATN, který se používá na ochranné vrstvy střešních krytin, ale lze jej použít i v četných aplikacích při tmelení spár, nátěrů ocelových konstrukcí, dilatačních spár apod. Renolak je asfaltový izolační lak, který se používá zejména k renovacím a oživovacím nátěrům betonových a ocelových konstrukcí. Reflexol je asfaltohliníkový reflexní nátěr, který se používá jako ochranný a reflexní nátěr ploch, které jsou vystaveny slunečnímu svitu (střechy). Obsahuje hliníkový prášek, který dodává nátěru stříbřitou barvu, která odráží světlo včerně infračervené složky a brání tak přehřívání natřené plochy. Konkor 500 je asfaltový protikorozní lak, který se používá jako ochrana konstrukcí proti účinkům vnějšího prostředí. Jsou to spodky karoserií automobilů apod.

SPSKS

4.6 UHLOVODÍKY MIMO ROPU Ropa není jediným zdrojem fosilních uhlovodíků, které se nacházejí v přírodě. Dosažení maxima možné roční těžby vyvolává tlak na hledání dalších možností získávání obecně energetických surovin. Jejich zásoby jsou doposud neprozkoumané, ale i tak jsou velmi zajímavé. Jejich těžbě a zpracování brání zatím technologické a environmentální obtíže, které se projevují v jejich ceně. Některé je možné odlišit od ropy jen stěží, protože se mohou odlišovat pouze v technologii jejich těžby. U jiných jde o zcela jiný mechanizmus jejich vzniku, těžby i způsobu zpracování.

4.6.1 BITUMENOVÉ PÍSKY A EXTRA TĚŽKÉ ROPY Již v úvodu kapitoly 3. jsou zmíněny terminologické niance, které vysvětlují názvosloví. Bitumeny jsou obtížně rozlišitelné od extra těžkých rop. Zde nepomůže ani odlišení viskozitou nebo měrnou hmotností. Rozpoznat bitumen od asfaltu je také bez chemického rozboru nemožné. Proto do této kapitoly patří pojmy jako: - bitumenové písky, - asfaltové písky, - ropné písky, - dehtové písky.

37/85

Jejich charakteristickou vlastností je obsah 75 – 80% anorganických látek, kterými jsou především písek a v malém množství hlína a jiné minerály. Zrna písku jsou obalena kapalnou fází, která vyplňuje mezery. Někdy má tato kapalná fáze vysokou viskozitu nejenom pro své složení, ale také pro teplotu v místě výskytu, která souvisí se zeměpisnou šířkou (Kanada, Sibiř apod.). Těžba této skupiny uhlovodíků spočívá v jejich proprání v horké vodě a následné separaci od vody. Takový postup se nazývá extrakce. Jinou možností je použití horké páry. Výhodou nalezišť této skupiny uhlovodíků je jejich mělkost uložení pod zemským povrchem a obvykle ohromná rozloha. Některé technologie ani nevyžadují vytěžení písku, ale extrakce probíhá pod zemí. Energetická náročnost takovéto těžby je vysoká a souvisí s nutností ohřívat velké objemy vody. Takže se energetická náročnost pohybuje od 2 – 14% energie ukryté ve vytěžené ropě. To není tak zničující poměr ve srovnání s jinými energetickými zdroji jako např. uhlím. Závažný je multiplikační účinek zvyšování emisí CO2, který komplikuje dodržení Kyotského protokolu. O technologiích zpracování se obecně ví málo, ale používají se termické procesy (destilace), které se ve větší míře kombinují s postupy dalšími. Tyto vytěžené suroviny se obvykle pro zpracování primárně ředí. Jinou cestou je smíchání s ropou (nejvhodnější je ropa ruská REB), kdy lze výslednou směs, nazývanou syntetická ropa, zpracovat pomocí standardních technologií. Finálními výroky mohou být benzíny, petroleje a řada dalších, které doposud vyrábíme z ropy. 4.6.2 KEROGENNÍ HORNINY Kerogenní horniny se velmi často v tisku označují jako živičné břidlice, olejové břidlice, ropné břidlice a hořlavé břidlice. Geologicky jsou to sedimentární horniny, které obsahují vysokomolekulární organické sloučeniny. Jejich převážnou část tvoří kerogen a bitumen. Uvedené pojmy jsou zcela zavádějící, protože se v kerogenních horninách nevyskytuje žádný olej, živice ani ropa a břidlice málokdy. Jediný výstižný název spočívá v jejich hořlavosti. Opticky a neodborně je to „kámen, který hoří“. Existuje více sedimentárních hornin, které obsahují organické látky. Za kerogenní horninu jsou pak považovány ty, které rozkladem uvolní více než 42 litrů z tuny horniny. Zásoby kerogenních hornin nejsou zcela známy, ale lze očekávat zvýšení zájmu v budoucnu, kdy bude cena ropy vyšší. Kerogenní horniny byly těženy v malém množství snad už v 17. století. Jsou známé celkem jednoduché technologie získávání kapaliny, která se dále zpracovávala k výrobě petroleje, parafínu, topných a mazacích olejů a později i benzínů a motorové nafty. Těžba kerogenních hornin je často možná povrchovým způsobem, protože se nacházejí ve velmi malých hloubkách. Byly vypracovány i technologie těžby kapalin bez nutnosti odtěžit nosnou horninu, dokonce ve sloji lze horninu i zpracovávat. Informace jsou však těžko dostupné s mimo záměr učebnice. Dnes lze kerogenní horniny zpracovávat na elektrickou energii nebo teplo spalováním, výrobu syntetické ropy podobnými technologiemi jako u bitumenu, cementu při chovném? složení organického podílu a topného nebo syntetického plynu technologií zplyňování. Z dostupné literatury vyplývá hlavní překážka pro těžbu kerogenních hornin, která spočívá v extrémním zatížení životního prostředí toxickými zbytky. Publikované hodnoty přesahují škodlivostí veškerá paliva, ale i chemické výroby.

SPSKS

4.6.3 PLYNOVÉ UHLOHYDRÁTY Plynové uhlohydráty se jeví jako perspektivní uhlovodíky pro potřeby těžby plynu. Vedle zásob zemního plynu, který není předmětem této učebnice představují perspektivní energetický zdroj. Na

38/85

stranu druhou představují mimořádné environmentální nebezpečí v případě pravdivosti teorie o oteplování planety. Plynové uhlohydrát si lze představit jako plynný uhlovodík, který je rozpuštěn a vázán ve zmrzlé vodě, tedy v ledu. Složením je plyn metan CH4 asi 87,2%, zbytek jsou C2H6, C3H8, C4H10, izo C4H10, C5H15, N2 a CO2. Výskyt plynových uhlohydrátů je zjevně vázaný na geologické podmínky v oblasti, kde vládne věčný mráz. Takové podmínky jsou na Sibiři v Kanadě a částech Číny, kde jsou tyto zásoby zkoumány. Existuje teorie, že budoucí mezinárodní rozepře o dno oceánu pod severním pólem bude právě o tento zamrzlý plyn. Technologie těžby je principiálně jednoduchá, postačí rozpustit led a plyn se uvolňuje. Z toho je zřejmé, že není nutné nosnou horninu s ledem těžit a odtěžení je možné ve vrstvách. Pro představu o velikosti zásob plynných uhlovodíku slouží obrázek č. 11. Rozpuštěním jednoho krychlového metru zmrzlého uhlohydrátu získáme 160 m3 plynu a zůstane nám 0,87 m3 vody.

160 m3 plynu

SPSKS 0,87 m3 vody

Obr. 14 Schéma výtěžnosti uhlohydrátu

5.0 MAZIVA Maziva jsou látky, které mají schopnost zabránit následkům suchého tření. Toho lze dosáhnout vytvořením souvislé mazací vrstvy a nízkou hodnotou vnitřního tření. Dalším požadavkem na užitné vlastnosti je chemická stálost, schopnost zabraňovat korozi mazaných ploch. Vedle snižování tření maziva také odvádí teplo vzniklé třením a odvádí nečistoty, které se vyskytují v důsledku suchého a polosuchého tření např. při spouštění strojů, zvláště za studena. Podle jejich konzistence za normálních teplot je dělíme na tři skupiny: -

maziva pevná, maziva polotuhá (plastická), maziva kapalná, maziva plynná.

39/85

5.1 MAZIVA PEVNÁ Pevná maziva se aplikují na třecí povrchy ve formě volného prášku, prášku vázaného na povrch nebo v hmotě kluzných vedení a pouzder. Chemicky se jedná o látky a nepatrnou tvrdostí, s malou smykovou pevností a s vysokou afinitou ke kovům, které mají mazat. Při pohybu dvou kluzných ploch se nechovají jako kapaliny. Velmi dobře snášejí vysoké teploty, aniž by měnily svoje chemické a fyzikální vlastnosti. Jejich použití je tam, kde žádné jiné mazivo už není schopno plnit svoji funkci. Takové požadavky jsou u součástí pracujících za vysokých teplot až do výše 800°C, dále v podmínkách, kde odstřikování maziva je nepřípustné apod. Z principu tato maziva neodvádí teplo ani nečistoty, protože jejich pohyb je omezen nebo je dokonce nemožný. Pokud srovnáme pevná maziva s ostatnímu mazivy mají největší součinitel tření. Mazací účinek není způsobován viskozitou, ale velmi nízkou smykovou pevností. Smyková pevnost tuhých maziva je způsobena výraznou anizotropií jejich krystalické stavby, která je šesterečná (hexagonální). Mazací účinek je způsoben porušením krystalické stavby v jednom směru a schopností snášet účinky tlaku ve směru na smyk kolmém. Nejčastějšími pevnými mazivy jsou: - grafit, - sirník molybdeničitý (molybdendisulfid). Grafit se používá nejčastěji v práškové formě, kdy je zrnitost v řádu mikronů (0,001mm). Na povrch se nanáší jako suspenze práškového grafitu v plastickém nebo kapalném prostředí (olej, mýdla apod.). Poněkud náročnější technologie pro použití za vyšších teplot vtlačují prášek do povrchu pod tlakem. Další aplikace je použití prášku grafitu v fernetu, kdy vyrábíme kluzná vedení nebo pouzdra obsahující grafit v matrici. Grafit snáší teplotu do 800°C, ale při dosažení teploty asi 500°C zvyšuje součinitel tření. Mazaný kontakt je elektricky vodivý. Sirník molybdeničitý je sloučenina se stejnou stavbou krystalu jako grafit. Do teploty asi 300°C má nižší součinitel tření než grafit. Při teplotě asi 400°C se chemicky mění a zrácí mazací schopnosti. Elektricky je nevodivý. Vedle uvedených nejčastěji používaných pevných maziv existují, pro speciální užití, ještě bisulfid wolframu, bisulfid titanu a sulfid zinku.

SPSKS

5.2 MAZIVA POLOTUHÁ (PLASTICKÁ) Plastická maziva jsou netekutá, pokud jsou v klidu a při teplotách, které nezpůsobují rozpad jejich vnitřní struktury. Jejich soudržnost je tak malá, že při deformaci určitou rychlostí se vrstva plastického maziva chová přibližně jako kapalina. Terminologicky je třeba plastická maziva oddělit od pojmu mazací tuk a vazelína. Mazací tuk je nevhodný termín, protože dnes se již tuky nepoužívají jako mazací prostředky. Vazelína je naprosto nevhodný termín, protože je to disperze tuku ve vodě a její využití je v kosmetickém a farmaceutickém průmyslu. Plastická maziva se používají k mazání třecích ploch, kde je problém s těsněním olejů. Unikající oleje jsou ekologickou zátěží a jejich únik mění nevypočitatelně schopnosti tření. Dále se plastická maziva používají tam, kde není účelné zřizovat složité mazací soustavy. Tvoří tedy trvalé náplně valivých ložisek (v označení jsou ZZ) např. u válečkových tratí a dopravníků, jednoduchých převodovek, čepů mechanizmů apod.

40/85

-

Plastická maziva se vyrábějí vařením a mísením mazacího oleje se zahušťovací látkou. Nejčastěji používanými zahušťovacími látkami jsou alkalická nebo kovová mýdla. Vedle organických zahušťovadel se používají u zahušťovadla anorganická, jako jsou saze, grafit, oxid křemičitý a bentonit. Plastická maziva rozlišujeme podle druhu zmýdelňovacího činidla, které je hlavním nositelem užitných vlastností plastického maziva. Plastická maziva dělíme podle mýdla na: hlinitá a vápenatá plastická maziva, litná plastická maziva, speciální plastická maziva, parafíny a Terezíny. Poznámka: Pojem alkalické nebo kovové mýdlo vyžaduje určité vysvětlení. Mýdlo, tak jak jej používáme na mytí nebo k praní, vzniká vařením tuku s hydroxidem sodným NaOH. Tuk může být živočišného původu, ale i syntetický. Výsledkem je amorfní látka. Pokud použijeme namísto hydroxidu sodného hydroxid dalšího alkalického kovu – draslíku KOH, získáme mýdlo, které je mazlavé a používá se k různým účelům. Mýdla kovů jako je litium (Li), vápník (Ca) a hliníku (Al) se vyrábějí stejným způsobem, tedy z jejich hydroxidů vařením s tukem. Jejich mechanické vlastnosti jsou velmi zajímavé a zejména litná mýdla mohou tvořit anizotropní vláknitou hmotu.

5.2.1 HLINITÁ A VÁPENATÁ PLASTICKÁ MAZIVA Vápenatá plastická maziva jsou oproti hlinitým mechanicky stabilnější. Hlinitá maziva jsou polotekutá a tažná (mají duktilitu), jsou odolnější vůči vodě než vápenatá. Vynikají značnou přilnavostí a únosností mazacího filmu. Patří sem: MOGUL A 00 je polotekuté plastické mazivo na bázi hlinitých mýdel. Vyniká mimořádnou přilnavostí, tažností i odolností vůči vodě. Je vhodné pro centrální tlaková mazání ložisek a pro některé pomaloběžné převodovky. Je nejpoužívanějším plastickým mazivem na podvozkové části motorových vozidel, jako jsou listová pera, čepy apod. MOGUL K3 je nejrozšířenější plastické mazivo pro kluzná ložiska pracující za normálních tlaků a teplot od -30°C do 70°C. Vyrábí se na bázi vápenatého mýdla a je relativné odolný vůči vodě. MOGUL G4 je vápenaté plastické mazivo shodné s mazivem K3, do kterého je přimíchán grafit tvořící tak suspenzi pevného maziva. Používá se k mazání velmi silně zatížených ložisek. Vhodný je také jako mazací prostředek při záběhu pomaloběžných soukolí v prašném prostředí. MOGU A4 je vápenaté plastické mazivo odolné i vůči teplé vodě. Jeho použití je u ložisek vodních čerpadel chladících okruhů apod. MOGUL N1 je jednoúčelové vápenaté plastické mazivo určené pro nízké teploty k mazání kluzných a valivých ložisek s otáčkami až do 25 000 min.-1. Mazivo je zvlášť vhodné pro centrální mazací soustavy vybavené dlouhým rozvodným potrubím v oblasti teplot -30°C až +50°C.

SPSKS

5.2.2 LITNÁ PLASTICKÁ MAZIVA Ttato plastická maziva jsou vyráběna na bázi litných mýdel. Patří mezi nejkvalitnější a představují ve výrobě až 50% všech používaných plastických maziv. Paří mezi ně: MOGUL LA 2 který je využíván v automobilové a jiné technice. Je vhodný pro mazání ložisek, podvozků, vodních čerpadel a elektropříslušenství. Pracuje spolehlivě v rozsahu teplot -30 +120°C. Obsahuje dále přísady zlepšující jeho antioxidační a vysokotlaké vlastnosti.

41/85

MOGU LV 2-3 je krátkovláknité mazivo určené k mazání především valivých ložisek s delšími mazacími lhůtami nebo s trvalou náplní. Pracuje spolehlivě v rozsahu teplot -30 - +110°C. Obsahuje dále přísady zlepšující jeho antioxidační a protikorozní vlastnosti. Je odolné vůči vodě. MOGUL MOLYKA G je litné plastické mazivo poloměkké konzistence s obsahem sirníku molybdenu a grafitu. Je určené pro silně zatížená kluzná a valivá ložiska. Pracuje spolehlivě v rozsahu teplot -30 - +120°C. Je odolné vůči vodě. MOGUL LV 2M je plastické mazivo s přísadou sirníku molybdenu. Je vhodné pro mazání značně zatížených kluzných i valivých ložisek.

5.2.3 SPECIÁLNÍ PLASTICKÁ MAZIVA Jde o plastická maziva, která jsou obohacena speciálními přísadami a pro speciální použití. Patří k nim: MOGUL MOLYKA PASTA G které je suspenzí sirníku molybdenu a grafitu v ropném oleji. Konzistence je až tekutá. Použití je pro dokončovací operace k apretaci kluzných ploch namáhaných velkými tlaky, k mazání rozebíratelných kloubových spojení bez možnosti domazávání. Zvlášť vhodný je pro použití v agresivním prostředí a pro vysoké teploty. MOLYKA R je suspenze grafitu v ropném oleji. Je vhodný pro mazání lan, ploch v prašném prostředí a pomaloběžných soukolí.

SPSKS

Poznámka: Apretace je odborný název pro napouštění porézních hmot plastickým mazivem. V tomto případě se jedná o napouštění porézních hmot kluzných ložisek. Do horkého plastického maziva se ponořují pouzdra, která nasají mazivo.

5.2.4 PARAFINY A CEREZINY Parafiny a cereziny jsou vysoce rafinované směsi pevných uhlovodíků, které vznikají při výrobě minerálních mazacích olejů (odparafinování olejů). Liší se bodem tuhnutí obsažené směsi parafinů. PARAFINY 50 -54, 54 – 56, 58 – 62, 60 – 62 se používají pro speciální účely konzervace části strojů, které nelze chránit barvou. CEREZIN 65/70 má vyšší bod tuhnutí než parafín, použití je stejné jako u parafinu.

5.3 MAZIVA TEKUTÁ Kapalná maziva jsou nejrozšířenějšími mazivy. jejich předností je široká viskózní stupnice, jednoduché skladování a snadná manipulace. Použití kapalných maziv nevyžaduje, s výjimkou těsnosti, náročné konstrukce. Důležitou předností kapalných maziv je možnost cirkulace ve strojích v hydraulickém obvodu. Cirkulace umožňuje odvod tepla z míst zatížených teplem vlivem tření nebo i jinými mechanizmy. Dále proudění tekutých maziv umožňuje odvod nečistot, které za provozu nutně vznikají a jejich následné odfiltrování. Kapalná maziva lze dělit na:

42/85

-

chemicky jednoznačné látky, homogenní směsi, kapalné disperze.

Nejpoužívanější skupinou jsou homogenní směsi. Jejich představitelem jsou mazací oleje. Ty mohou být členěny na: - minerální oleje (je to výrobek vzniklý destilací ropy), - syntetické oleje (jsou vyrobeny uměle a chemicky se jedná o silikony), - polosyntetické oleje (směs minerálních a syntetických olejů). Minerální oleje jsou tekuté, výjimečně i tuhnoucí produkty vyráběné vakuovou destilací ropy. Oleje se rovněž vyrábějí destilací extrémně těžkých rop, bitumenu a dokonce i dehtu. Pro mazací účely jsou však nejvhodnější oleje vyráběné z ropy. Podobně jako ostatní druhy olejů mohou být tzv. aditivované, kdy se do nich přidávají látky, které zvyšují užitné vlastnosti. Jejich výhodou je relativně snadná výroba. Chemicky je jedná o směsi uhlovodíků s relativně velkou molekulární hmotností. Nevýhodou pak jejich silná závislost viskozity na teplotě, čímž dochází k nestabilitám v konzistenci filmu, který odděluje třecí plochy. Syntetické oleje jsou svými vlastnostmi podobné olejům získaným destilací ropy. Jejich zásadní výhodou oproti minerálním olejům je větší odolnost vůči vysokým teplotám, která se projevuje menším poklesem viskozity a větší chemickou stabilitou (nerozkládají se). Chemicky jsou silikony organické látky, kde je uhlík nahrazen křemíkem. Někdy vedle záměny uhlíku za křemík ještě dochází k částečné záměně vodíkových atomů v řetězci za halogeny (chlór a především fluor). Jejich nevýhodou je vysoká cena.

SPSKS

Polosyntetické oleje jsou logicky směsí olejů minerálních a syntetických. Výsledné užitné vlastnosti jsou jakýmsi kompromisem ve vztahu k ceně. Mazací oleje se obvykle dělí, vedle složení (minerální, syntetické a polosyntetické), podle jejich použití. Toto rozdělení lépe vystihuje sortiment mazacích olejů nežli výpis jejich složení a aditiv, která jsou často výrobním tajemstvím. Podle použití dělíme oleje na: - motorové oleje, - převodové oleje, - ložiskové oleje, - turbínové a kompresorové oleje, - hydraulické oleje, konzervační oleje apod.

5.3.1 MOTOROVÉ OLEJE Motorové oleje (nazývané také automobilní) jsou vázány použitím podle doporučení výrobce, který při vývoji ověřoval jejich způsobilost. Jejich vývoj je nepřetržitý, protože požadavky na termickou účinnost motorů vedou ke zvyšování kompresních poměrů, ty vedou v vyšším teplotám a tlakům. Základem motorových olejů je kapalina tvořená směsí uhlovodíků nebo silikonů. Do této směsi se přidávají aditiva, která zlepšují některé vlastnosti, které je nutné udržet v určitých mezích za reálného provozu spalovacích motorů. Především se jedná o antioxidační látka, protikorozní a protioděrové přísady. Nejvýznamnější jsou aditiva udržující viskozitu v širokém intervalu teplot. Obchodní názvy motorových olejů v sobě skrývají číslici doplněnou písmenem „W“ např. 15W. Toto číslo sděluji tzv. viskózní třídu. Čím je toto číslo nižší, tím menší viskozitu daný olej má. Pro zeměpisné šířky naší země se pro zimní podmínky používá třídy viskozity 10W – 15W.

43/85

Dnešní kvalita olejů je tak vysoká, že nevyžadují výměnu zima – léto a naopak. U některých strojů vystavených vyšším klimatickým změnám se oleje musí i nadále měnit. Motorové oleje se vyrábějí v sortimentu pro vznětové motory, zážehové, dvoutaktní, přeplňované, s katalyzátorem apod.

5.3.2 PŘEVODOVÉ OLEJE Převodové oleje slouží pro mazání převodovek a rozvodovek strojů a zařízení. Požadavky na tyto oleje jsou: - menší závislost viskozity na teplotě, - nízké opotřebení součástí, - chemické složení s vyšším stupněm odbourání při únicích do životního prostředí, - zlepšení antikorozních vlastností. 5.3.3 LOŽISKOVÉ OLEJE Ložiskové oleje se používají pro průtokové mazání strojních zařízení a v některých případech i pro účely technologické. Jistou odlišností je zde malá snaha o jejich maximální životnost. Odlišují se viskozitou a aditivy, v ČR se označují OL.

5.3.4 TURBÍNOVÉ A KOMPRESOROVÉ OLEJE

SPSKS

Slouží k mazání rychloběžných převodovek, kompresorů a turbodmychadel apod. Jejich dominantní vlastností je vysoká odolnost proti vytvoření stabilní emulze. Tyto požadavky vyplývají z vysokých rychlostí, kterými se pohybují troucí plochy při vysokých otáčkách např. u turbodmychadlech (10 000 – 300 000 min.-1).

5.3.5 HYDRAULICKÉ OLEJE Hydraulické oleje tvoří náplň hydrostatických a hydrodynamických mechanizmů. Zde je viskozita natolik významnou užitnou vlastností, že obvykle je uváděna její hodnota při 40°C. (příklad MOGUL N 22). Základními aditivy zde jsou přísady proti oxidaci, korozi, opotřebení a hlavně proti pěnění. 5.3.6 KONZERVAČNÍ OLEJE Konzervační oleje jsou určeny pro konzervaci povrchu kovových součástí tam, kde nelze použít jiný protikorozní prostředek, jako je nátěr nebo pokovení. Jejich hlavní užité vlastnosti jsou odolnost proti oxidaci, korozi, teplotním změnám, vodě a také dobrá přilnavost.

5.4 MAZIVA PLYNNÁ Maziva plynná mají použití u speciálních zařízení, kde se vyskytuje tření při velmi vysokých rychlostech troucích povrchů. Plyn má asi milionkrát menší viskozitu nežli jakékoliv kapalné mazivo. Součinitel tření tak může být extrémně nízký. Plyny vodné pro takovýto způsob mazání jsou obvykle ze skupiny vzácných plynů. Nejčastěji je to hélium. Kapalné helium má dokonce

44/85

viskozitu nulovou. Z hlediska nauky o materiálech není ta této skupině maziv nic zajímavého. Z hlediska technologie jejich použití jde o high tec.

6.0 VÝBUŠNINY Výbušnina je chemická látka nebo směs, která reaguje za mimořádných rychlostí exotermickou reakcí, která je spojena se vznikem velkého objemu plynů. Chemická reakce je reakcí okysličovacího činidla (okysličovadla) a paliva. Od např. běžného hoření se reakce liší tím, že přijímání kyslíku z atmosféry difúzními procesy není dostatečně rychlé. Palivo a okysličovadlo nemusí být chemicky oddělené a mohou být součásti jedné molekuly. Poznámka: Exotermické reakce jsou chemické reakce, které vyvíjejí teplo jako důsledek chemické reakce. K takovým reakcím patří např. spalování paliv. Opakem exotermických reakcí jsou reakce endotermické, které spotřebovávají teplo. Příkladem takové reakce je fotosyntéza, krakování rop, výroba kyseliny sírové na katalyzátoru apod. Poznámka: Rychlost chemické reakce závisí na velikosti povrchu, kde reakce probíhají. Výbušnina nemusí být nějaká „exotická látka“. K výbuchu lze přivést spoustu látek, které hoří. K pochopení postačí určitý myšlenkový pokus. Mějme krychli o délce hrany 1m .Její povrch je 6 m2. Pokud takovýto objem zapálíme např. přímým plamenem, bude mít tendenci bez vnějšího plamene (jako zdroje energie) reakci ukončovat (samozhasínat). Budeme proto tuto krychli zdrobňovat na menší krychle. podle tabulky. Zdrobňování bude vždy rozdělením hrany předcházejícího zdrobnění na deset dílů, tedy 1m – 1 dm – 1 cm – 1 mm – 0,1 mm 0,001 mm.Povrch veškeré hmoty původního kompaktního masívu bude narůstat podle tabulky délka krychle 1m 1dm 1 cm 1 mm 0,1 mm 0,01

SPSKS

hrany celkový povrch hmoty v [ m2] 6 60 600 6 000 60 000 600 000

45/85

Ze zkušenosti víme, že pokud chceme zapálit dřevo musíme jej zdrobnit např. naštípáním na třísky.1 m3 dřeva, např. smrkového má hmotnost asi 700 kg a při výhřevnosti 16 666 kJ.kg-1 vydá asi 11,2 MJ tepla. Rozdíl je pouze v době hoření. Jestliže krychli o hraně 1m vůbec dokážeme zapálit tak, aby dále sama hořela, bude proces hoření trvat dlouho. Postupným zdrobňováním bude dřevo hořet stále rychleji. U dřevěného prachu, pokud bude dobře smíchán s okysličovadlem (vzduchem) bude hoření tak rychlé, že bude výbušné. Uvolnilo se stejné množství tepla, ale čas jeho uvolňování je o několik řádů kratší. Výhřevnost (spalné teplo) podělené dobou reakce znamená výkon. Výbuch je tedy hoření, které se uskuteční ve velmi krátkém čase. Obecněji je výbuch uvolněná energie za velmi krátkou dobu. Např. jaderné výbuchy znamenají uvolnění energie sice vysoké. Stejné množství tepla dopadne ze slunce na povrch země o velikosti asi tak dvou kilometrů čtverečných za několik hodin. Mimořádné účinky jaderného výbuchu jsou však způsobeny skutečností, že tato energie se uvolní na asi 20 ns, tj. 0.000 000 020 s.

6.1 ROZDĚLENÍ VÝBUŠNIN Prvotním rozdělení výbušnin je podle způsobu vyvolání výbuchové přeměny: -

přímé jsou výbušniny, které se přivedou k výbuchové přeměně jednoduchým podnětem, takovým podnětem může být tření, náraz, plamen, nápich apod. (třaskaviny a střeliviny) nepřímé jsou výbušniny, které lze k výbuchu přivést dodáním většího množství energie než je tomu u přímých výbušnin, což se děje výbuchem přímé výbušniny.

SPSKS

Druhým způsobem dělení výbušnin je povaha výbuchové přeměny, která je pro danou výbušninu typická: - střeliviny, které vykazují výbuchovou přeměnu v podobě hoření – deflagrace, - třaskaviny mají výbuchovou přeměnu v podobě detonace, kdy se chemická reakce šíří výbušninou rychlostí vyšší než je rychlost zvuku, - trhaviny mají výbuchovou přeměnu v podobě detonace. - výbušné pyrotechnické slože mají výbuchovou přeměnu ve formě deflagrace, ojediněle i detonace. Střeliviny jsou látky, které mají schopnost uvolňovat hořením spaliny v podobě plynů o vysokém tlaku a teplotě. Tyto lze dále dělit na prachy a pohonné hmoty. Prachy se používají do výmetných náplní nábojů pro většinu hlavňových zbraní. Pohonné hmoty jsou používány k pohonu raketových motorů na tuhé palivo. Pohonné hmoty mohou být i kapalné a hybridní). Složením jsou střeliviny obvykle mechanické směsi látek, které umožňují hoření, tedy palivo a okysličovadlo (střelný prach). Tyto dvě složky mohou také být součástí jedné molekuly (nitrocelulóza). Poznámka: způsob hoření střelivin v tuhém skupenství je do určité míry řiditelný tvarem zrn nebo náplně.

46/85

rychlost hoření

směr hoření čas [s]

Obr. 15 Schéma hoření tyčinkového prachu

Částice prachu mají tvar válce (tyčinky) a hoření probíhá z vnějšku. Hořením se zmenšuje průměr tyčinky a tím se zmenšuje její průměr (čárkovaná kružnice). Takový prach se nazývá degresivní.

rychlost hoření

SPSKS směr hoření čas [s]

Obr. 16 Schéma hoření trubičkového prachu

Částice prachu má tvar trubičky. Je zřejmé, že chemická reakce z vnějšího povrchu zmenšuje povrch a tedy zpomaluje chemickou reakci hoření z vnitřního povrchu (díry) povrch zvětšuje. Hoření tedy probíhá za konstantní plochy až do ukončení reakce.

47/85

rychlost hoření

čas [s]

Obr. 17 Schéma hoření děrovaného prachu

SPSKS

Částice prachu je děrovaná a v průběhu hoření vnitřní otvory zvětšují svoji plochu rychleji než se zmenšuje vnější povrch. Ten se proto zvětšuje a tím roste rychlost reakce. Takový prach hoří s progresí. Uvedené tvary mohou obecně řídit průběh tlaku a spalování což bývá využíváno v technické praxi např. přídavných raket. Třaskaviny jsou přímé výbušniny, které lze k výbuchu přivést relativně malým podnětem. Chemická reakce probíhá zpočátku jako výbuchové hoření, následuje ve zlomku sekundy přechod k detonaci. Rychlost detonace je v řádu tisíců m.s-1. Detonace se nešíří od povrchu třaskaviny, ale chemická reakce je způsobena změnou fyzikálních veličin v rázové vlně, která prochází hmotou třaskaviny. Přímé použití třaskavin je mimořádně nebezpečné, protože k detonaci postačí i nepatrný podnět. Vynález A. Nobela dynamit byl právě o zvýšení bezpečnosti třaskavých látek. Jejich použití je v nepatrném množství k vyvolání silného podnětu u bezpečnějších trhavin. Schéma detonace je podnět (teplo, propíchnutí, náraz) → detonace. Trhaviny jsou výbušniny, jejichž hlavním typem výbušné přeměny je detonace. Na rozdíl od třaskavin jsou však méně citlivé k vyvolání detonace a tím jsou mnohem bezpečnější. U většiny trhavin je nutné k vyvolání detonace použít tak silného podnětu, jaký není možný např. během manipulace s nimi. Mnohé lze např. prostřelit běžným projektilem pušky, zapálit apod. Schéma detonace u trhavin je podnět (teplo, propíchnutí, náraz) → detonace(roznětné nálože) → detonace trhaviny. Pyrotechnické slože jsou výbušniny, které se v praxi používají zpravidla pro vyvolání určitých efektů např. ve vojenských aplikacích (dýmovnice, světlice imitace výbuchů) nebo v zábavné pyrotechnice.

48/85

Podle konzistence dělíme trhaviny (průmyslové trhaviny) na: - sypké, - poloplastické, - plastické, - kapalné, - pevné, - emulzní. 6.2 PARAMETRY PRO HODNOCENÍ VÝBUŠNIN Praktické užití výbušnin a především průmyslových trhavin vyžaduje vytvoření určité metriky, tedy měřitelných a porovnatelných veličin, které postihnou jejich vlastnosti. Znalost určitých parametrů umožňuje účelové jednání a rozhodnutí pyrotechniků, kteří s průmyslovými trhavinami pracují. Objem plynů po výbuchu je definován jako množství plynu (spalin) v litrech, které vzniknout jako produkt výbuchu 1 kg výbušniny při přepočtu na teplotu 20°C. Přepočet na nějakou smluvní teplotu je nutný proto, že teplota plynů vzniklých výbuchem má teplotu v řádu několika tisících stupňů celsia a každá trhavina vykazuje teplotu jinou. Hodnota objemu plynů se pohybuje v rozmezí 500 – 1000 l.kg-1. To znamená, že výbuch např. pevné trhaviny znamená ve zlomku sekundy zvětšení objemu asi 10 000 násobně. Výbuchová teplota udává nejvyšší teplotu, které dosáhnou zplodiny výbuchu. její hodnota se pohybuje v rozmezí 2 500 – 5 000°C.

SPSKS

Výbuchová energie udává množství energie, která se uvolní výbuchem z jednoho kilogramu trhaviny. Uvádí se v kJ.kg-1. Běžná je hodnota v rozmezí 4 000 – 6 000 kJ.kg-1. Poznámka: Kdybychom porovnali výbuchovou energii se spalným teplem naznáme, že spalné teplo je podstatně vyšší než výbuchová energie. Běžně je to o jeden řád (10x). Účinky výbuchu jsou dány mimořádně krátkému času chemické přeměny. Protože výkon je práce podělená časem, tak např. při detonaci trvající 0,000 01 s vyvolá výbuch výkon 1 kg výbuchu trhaviny výkon 600 MW. To je, pro představu, výkon poloviny všech elektráren v ČR na plný výkon. Hustota výbušnin je identická s měrnou hmotností, tedy podílu hmotnosti k kg a objemu v m3. Hodnota hustoty je závislá na zpracování výbušniny a může se lišit i při použití stejné výbušniny jako chemické látky. Je tomu tak proto, že může být litá, voně sypaná nebo lisovaná. Detonační rychlost je rychlost s jakou se šíří exploze v okamžiku výbuchu. Udává se v jednotkách [m . s-1] nebo v [km..s-1]. Průmyslové trhaviny dosahují rychlosti 2 000 – 5 000 m . s-1 , vojenské 6 000 – 8 000 s-1, kumulativní až 12 000 m . s-1. název trhaviny Nobelit 100 Nobelit 310 Danubit 1 DAP 1 DAP 2

měrná hmotnost [kg .m-3] 1230 1160 1350 800 800

detonační rychlost [m.s-1] 5700 4500 5000 2500 2700

název trhaviny

Semtex I A Emsit V Emsit M Emsit 200 Permon DAP M

49/85

měrná hmotnost [kg .m-3] 1440 1150 1050 1150 650

detonační rychlost [m.s-1] 7400 5300 4400 5300 3000

Brilance (tříštivost) je definována jako součin detonační rychlosti, měrné hmotnosti (hustoty) a energie výbuchu. Jde o komplexní pojem, který vyjadřuje ničivé působení na nejbližší okolí rázem detonačních zplodin. Negativní definice - nepostihuje informaci o sekundárních účincích výbuchu.

6.3 VÝBUCHOVÉ (EXPLOZIVNÍ) HOŘENÍ – DETONAC E Výbuchové hoření je reakce, která je ve srovnání s detonací relativně pomalá. O tom, zda bude výbušnina explozivně hořet nebo detonovat nerozhoduje výhradně její chemické složení. Existuje jev „vyhoření nálože“, kdy namísto detonace nálož explozivně vyhoří. Typ reakce závisí na použití výbušniny, její konstrukci a složení. Při výbuchovém hoření je rychlost reakce tak nízká, že plyny vzniklé reakcí jsou spolehlivě odváděny z prostoru hoření. V důsledku toho nenastává v místě hoření vzestup tlaku. Postačí však znemožnit odvod plynů např. uzavřením v prostoru a důsledkem je nárůst tlaku při chemické reakci a tím k navýšení rychlosti reakce. Detonace se vyznačuje vznikem detonační vlny, která se vyznačuje vysokým tlakovým skokem. Toto navýšení tlaku se pohybuje výbušninou velmi vysokou rychlostí řádově v tisících m.s-1. Dále zplodiny výbuchu se zpočátku pohybují směrem do výbušniny. U explozivního hoření je tomu obráceně. Detonační vlna má ve výbušnině tvar zvětšující se koule. Chemická reakce není záležitost povrchu výbušniny, který odděluje hmotu výbušniny od spalin. U detonace probíhá chemická reakce v celém objemu výbušniny rychlostí šíření detonační vlny nikoli rychlostí hoření. Pro názornost je rozdíl explozivního hoření a detonace znázorněn v jednorozměrném prostoru, v jakési trubici.

SPSKS výbušnina

zplodiny

výbušnina

reakční pásmo

reakční pásmo

zplodiny

detonační vlna směr šíření detonace [km . s-1]

tlak [MPa]

směr postupu hoření

explozivní hoření

detonace

Obr. 18 Průběh tlaku při explozivním hoření a detonaci

50/85

7.0 ZEMINY Zeminy jsou směsi zrn pevných hornin, vody, vzduchu, organických a jiných příměsí. Jinou definicí zemin může být, že zeminy jsou nezpevněné sedimenty. Zemina je z pohledu nauky o materiálech důležitým materiálem. Zeminy jsou stavebním materiálem dopravních staveb, sypaných hrází přehrad, ochranných hrází apod. Většina staveb musí být postavena na zeminách, které musí splňovat určité požadavky. Z pohledu skrývek a u některých zemin jako suroviny je nutné znát základní jejich vlastnosti a mít povědomí o jejich zlepšování. 7.1 SLOŽENÍ ZEMIN ZEMINY

VZDUCH ORGANICKÉ A JINÉ PŘÍMĚSI

SMĚS ZRN PEVNÉ HORNINY

SPSKS VODA

Široká škála zemin s různými vlastnostmi je dána především složkou „směs zrn pevné horniny“, ta má různé tvary křivek zrnitosti a petrografické složení vlastních zrn poskytuje neobyčejně široké možnosti. Jedna z definic zemin, která je charakterizuje jako nezpevněné sedimenty nevylučuje jistou soudržnost zrn za určitých podmínek. Základní rozdělení zemin tedy je: -

zeminy soudržné zeminy nesoudržné

7.2 ZEMINY SOUDRŽNÉ Zeminy soudržné mají křivku zrnitosti vykazující velký podíl jemnozrnných částic v prostředí vody tak působí značné přitažlivé síly. Takové zeminy jsou schopny, za určitých podmínek, plastických deformací. Velikost zrn jílovitých částic je menší než 0,002 mm. Mechanické a také technologické vlastnosti v makroskopické podobě silně závisí na množství vody v pórech. tyto zeminy pojmou velké množství vody a tím nabobtnávají (zvyšují objem) a naopak při ztrátě vody vykazují značná smrštění. Přítomnost vody v pórech není způsobena toliko fyzikálními silami, ale uplatňují se zde i síly chemické. Takovéto zeminy jsou v suchém stavu pevné, tvrdé a únosné. V mokrém stavu jsou tvárné a s přibývajícím množstvím vody až rozbředlé. Tomu odpovídá jejich únosnost. Soudržné zeminy lze dále dělit podle stupně stejnozrnnosti nebo nestejnozrnnosti na:

51/85

Bahnité náplavy, které jsou tvořeny nejjemnějšími zrny s velikosti částic v rozsahu 0.0002 – 0,002 mm. Podíl této zrnitosti je na křivce zrnitosti převažující. Obsahují obvykle velké množství vody a organických příměsí, které rozkladnými procesy dále zvyšují rozbřídavost. Jíly jsou zeminy, které obsahují částice menší než 0,002 mm. Ty jsou zvlášť citlivé na obsah vody. Ten rozhoduje o makroskopických vlastnostech hmoty zeminy. Jíl může tak být konzistencí od tuhý až tvrdý po tekutý. Mezi těmito extrémy je jíl plastický (dá se tvářet). Hlíny je soudržné zeminy obsahující, vedle podílu jemných částic, také určité množství pevných částic, které svou velikostí představují písek. Velikost těchto zrn je menší než 2 mm. Podle velikosti hmotnostního podílu jednotlivých velikostí částic pak hlíny dělíme na: - jílovité (těžké), které obsahují 40 – 50% hmotnosti jílovitých částic, - písčité (střední), které obsahují 30 – 40% hmotnosti pískových zrn , - prachovité (lehké). Hlíny mají také charakteristickou barvu, kterou způsobují příměsi a barva pevných částic – světle až tmavohnědá, červenavá, šedá až černá. Spraš je hlinitá zemina navátá větrem. Obsahuje jemné a také stejnozrnné (extrémně úzká frakce) prachovité částice. Barva spraší je žlutohnědá. Prače vynikají pórovitostí, tzn. mají větší podíl vzduchem vyplněných pórů. To způsobuje jejich lehkost (nízkou měrnou hmotnost) a stlačitelnost. Jsou bohaté na živiny díky příměsím organického původu a jsou proto dobrými zemědělskými půdami. Ornice je specifický druh zeminy, který sehrává v oborech důležitou roli při skrývkových pracech. Ornice se vyznačuje obsahem organických látek, které jsou oživeny půdními mikroorganizmy. Taková zemina je úrodnou půdou, která má význam pro zemědělství. V technické praxi legislativa přikazuje pro ně zvláštní zacházení. Pro technické aplikace je naprosto nevhodným materiálem vyjma zahumusování povrchu zemních těles.

SPSKS

7.3 ZEMINY NESOUDRŽNÉ Od zemin soudržných se liší tím, že jednotlivá zrna nejsou k sobě poutána žádnými silami. Podle geologického názvosloví se dělí na: - balvany, které mají zrnitost větší než 256 mm (úlomky skal rozpukáním), - kameny a valouny zrnitost je v rozsahu 125 – 256 mm (úlomky skal a suť), - hrubé přírodní kamenivo zrnitost v rozsahu 4 – 125 mm, - drobné kamenivo – písek zrnitost je v rozsahu 0,02 – 4 mm, - prach zrnitost v rozsahu 0,02 – 0,05 mm. Jednotlivé skupiny se dále dělí např. u písků (jemný, střední a hrubý). Jejich křivky zrnitosti mohou být úzké i široké. Dalším možným dělením nesoudržných zemin je: - ulehlé, - středně ulehlé, - neulehlé.

52/85

7.4 VNITŘNÍ STAVBA ZEMIN Pro správné technologické zpracování zemin, a jejich vhodné používání jsou nutné určité znalosti jejich vnitřní stavby. Jemně dispergované a koloidní částice zemin se při koagulaci spolu spojují působením molekulárních přitažlivých sil, které mají malý dosah a účinkují pouze při značném přiblížení částic k sobě. Pokud se tyto síly uplatňují v celém objemu (mase) zeminy, jsou všechny částice spojeny ve stejnorodou hmotu. Jinou možností je, že soudržné síly se uplatňují lokálně např. uvnitř hrudek. Taková zemina má tendenci se rozdělovat což je určitá varianta nesoudržnosti. Z tohoto pohledu lze zeminy rozdělit na : - zeminy se strukturou, - zeminy bez struktury. Písčité zeminy jsou bez struktury, protože mezi jednotlivými zrny písku nepůsobí soudržné síly. Jílovité zeminy mohou mít, ale také nemusí mít strukturu což záleží na více faktorech. Struktura zemin má určitý vliv na kapilární vlastnosti, propustnost, rozpojitelnost apod. Zeminy se strukturou dělíme na : - zrnitou, - voštinovou, - houbovitou.

SPSKS zrnitá

voštinová

houbovitá

Obr. 19 Struktura zeminy

7.5 METRIKA ZEMIN Pro technické aplikace zeminy je nutné vytvořit nějaký způsob jejich hodnocení (metriku), která umožní technickou komunikaci a zajistí spolehlivost zemních děl. Základními kritérii pro charakterizování zemin jsou: - křivka zrnitosti, - měrná hmotnost, - mez plasticity, - poměr únosnosti CBR, - zhutnitelnost. Křivka zrnitosti udává pro zeminu hmotnostní podíl zrn určité velikosti. Rozdíl ve způsobu provádění této zkoušky oproti např. kamenivu je v tom, že separaci zrn malých velikostí nelze provádět pomocí sít jako je tomu např. v laboratořích na kamenivo. Síta jsou použitelná do

53/85

velikosti ok asi 0,1 mm. Dále soudržné zeminy z principu nelze prosévat ani jejich rozředěním vodou. Proto se používá po vyčerpání možnosti sít metoda geometrická. Její fyzikální princip spočívá v tom, že se zeminy promíchá s velkým množstvím vody a pomocí měření hustoty se sleduje proces sedimentace. Na dno dosedají nejdříve částice s největší hmotností. Sledováním usazování v čase lze vyhodnotit křivku zrnitosti.

míchání měření teploty Obr. 20 Schéma geometrické metody měření zrnitosti zemin

měření měrné hmotnosti

Po zamíchání se měří geometrem (hustoměrem) po 90 s, 15 min., 1 hod. 4 hod., a 24 hod. Výsledky se dají vyhodnotit jako křivka zrnitosti.

SPSKS

jíl

prach

písek

štěrk

balvany

80

60

40

20

0,001

0,003

0,063

4,00

velikost zrn [mm]

Obr. 21 Příklad naměřené křivky zrnitosti jílovité hlíny písčité

54/85

125

400

Pro větší názornost a srozumitelnější možnost vzájemného srovnání různých zemin podle terminologie a obsahu jednotlivých komponent se s výhodou používají trojúhelníkové diagramy.

PÍSKOVÁ ZRNA 80

20

40

jílový písek

60

jíl písčitý jíl

60

jílovitá hlína písčitá

JÍLOVÉ ČÁSTICE

40 jílovitá hlína

80

20

hlína prachovitá hlína

písek hlinitý písek

20

40

60

80 prachový písek

PRACH

písčitá hlína

SPSKS

Obr. 22 Příklad názvosloví zemin složených ze tří komponent

Měrná hmotnost zemin ρs je poměr hmotnosti částic zeminy ms, která je vysušena při teplotě 105°C, k jejímu objemu Vs. ms ρs = —— [kg . m-3] Vs Poznámka: vysoušení vzorku zeminy při teplotě blízké teplotě varu vody je odůvodněno faktem, že ze vzorku je nutné odstranit odparem pouze volně vázanou vodu. Při použití vyšších teplot bychom odstraňovali i vodu chemicky vázanou, která je např. součástí krystalů minerálů. Objem vzorku se měří ponořením vysušené zeminy do vody, kde se vařením a pomocí vývěvy zbavíme vzduchových bublin.

Mez plasticity wp je vlhkost, při které zemina přechází z konzistence plastické do konzistence pevné. Definice meze plasticity - je to vlhkost zeminy, při které se váleček o Ø 3 mm vyválený ze zkoušené zeminy začíná drobit na kousky (válečky) 8 – 10 mm dlouhé. Poznámka: Válení a hnětení zkušebního vzorku zeminy se provádí na savé podložce, která odebírá vzorku vodu. po dosažení parametrů drolení válečku se tyto vysuší a měří se obsah vody.

55/85

Obr. 23 Stanovení meze plasticity

Mez tekutosti wL je vlhkost zeminy, při které zemina přechází ze stavu plastického do stavu tekutého. Poznámka: Zkoumaná zemina se vloží do misky dle obrázku 23 a uhladí se její povrch. Rydlem se do povrchu vyryje drážka. Otáčením kličky miska předepsaným způsobem dopadá na podložku a zkoumaný vzorek střásá. Točí se tak dlouho až se rýhou rozdělené poloviny misky slijí na délce 12,5 mm. Následně se v okolí rýhy odebere vzorek a změří se jeho vlhkost. Výsledkem jednotlivých měření je závislost mezi vlhkostí a počtem úderů. Tyto výsledky se zpracují graficky.

SPSKS Obr. 24 Stanovení meze tekutosti

Je zřejmé, že vlhkost zeminy určuje její vlastnosti. podle schématu: tvrdá zemina

plastická zemina mez plasticity

tekutá zemina mez tekutosti

VZRŮST VLHKOSTI ZEMINY

Poměr únosnosti CBR (kalifornský poměr únosnosti)je velmi častá zkouška, kterou se zkouší zeminy do podloží komunikací, letišť apod.

56/85

Poznámka: Upravíme 5 kg suché zeminy tak, že z ní vybereme zrna větší než 20 mm. Zemina se v pěti vrstvách „nadusá“ do válce. Ve válci pak do zeminy hydraulicky zatlačujeme trn rychlostí 1,2 mm . min-1. Při zatlačování odečítáme potřebnou sílu v závislosti na velikosti stlačení.

zatížení [MPa]

8

6

4

2

2

4

6

8

10

penetrace [mm]

Obr. 25 Schéma zkoušky CBR

Zhutnitelnost (Proctorova zkouška) slouží ke stanovení zhutnitelnosti zemin. Jde o velmi důležitou a používanou zkoušku zejména v silničním a vodním stavitelství. Princip zkoušky spočívá v hledání optimální vlhkosti Wopt, při které je dosaženo maximální objemové hmotnosti suché zeminy. Obecně platí i pro betony, že zhutňování je dosažení maximální objemové hmotnosti suchého betonu.

SPSKS

Obr. 26 Schéma Proctorovy zkoušky

57/85

12

morény

suchá objemová hmotnost [kg.m-3]

2000

štěrky

písky

1800 hlíny

1600

jíly

1400 10

20

30

vlhkost [%] Obr. 27 Závislost suché objemové hmotnosti při zhutňování na vlhkosti zemin

7.6 KRITÉRIA VHODNOSTI ZEMIN

SPSKS

Zeminy jsou stavebními hmotami. Je zřejmé, že zeminy mohou mít velké množství kombinací v granulometrickém složení a zrnitosti. Nejčastější použití je do: -

podloží (deset skupin ČSN 70 1002), do násypu (čtyři skupiny – nevhodné, málo vhodné, vhodné a velmi vhodné).

Faktory, které ovlivňují začlenění zemin do skupin jsou: -

granulometrické složení a vlastnosti jeho složek, základní fyzikální vlastnosti (vlhkost, mez tekutosti, mez plasticity, objemová hmotnost, pórovitost apod.) technické a technologické vlastnosti (pevnost, zhutnitelnost, únosnost), stupeň namrzavosti.

Pro označení zemin existují klasifikační symboly dle tabulky.

základní symboly F jemnozrnné zeminy třídy F1 – F8 S písčité zeminy třídy S1 – S5 G štěrkovité zeminy třídy G1 – G5 B balvanitá a kamenitá sypanina C jíl M hlína

kombinace symbolů MG hlína štěrkovitá CG jíl štěrkovitý MS hlína písčitá CS jíl písčitý ML hlína s nízkou plasticitou MI hlína se střední plasticitou

58/85

symboly plasticity L plasticita nízká I plasticita střední H plasticita vysoká V plasticita velmi vysoká E plasticita extrémně vysoká symboly zvláštní O organické zeminy, ornice, humus T prosedavé zeminy U speciální zeminy obsahující soli

CL jíl s nízkou plasticitou CI jíl se střední plasticitou MH hlína s vysokou plasticitou ME hlína s extrémně vysokou plasticitou CH jíl s vysokou plasticitou CV jíl s velmi vysokou plasticitou CE jíl s extrémně vysokou plasticitou SW písek dobře zrněný SP písek špatně zrněný S-F písek s příměsí jemnozrnné zeminy SM písek hlinitý SC písek jílovitý GW štěrk dobře zrněný GP štěrk špatně zrněný G-F štěrk s příměsí jemnozrnné zeminy GM 3těrj hlinitý GC štěrk jílovitý

7.6.1 ZAŘAZENÍ ZEMIN PODLE VHODNOSTI PRO PODLOŽÍ Existuje deset skupin zařazení zemin podle vhodnosti do podloží. skupina charakteristika zeminy I. Zeminy mají plynulou křivku zrnitosti, stabilní jílovou a prachovou složku a jsou i za nepříznivých podmínek stabilní. Velmi dobře a s vynaložením velmi malé energie se zhutňují na vysoké objemové hmotnosti, které jsou stálé. Jsou nejen dobrým podložím, ale i vhodným materiálem pro stabilizace a to zejména cementové. II. Tyto zeminy mají obdobné vlastnosti jako skupina I., postrádají však jílovou a prachovou složku nebo jsou méně stabilní. Zeminy bez jílové a prachové zkoušky jsou nenamrzavé. Jejich zhutnitelnost je energeticky obtížnější. Jsou dobrým podložím, které zůstává stálé při dobrém odvodnění i za nejnepříznivějších povětrnostních změn. Jsou velmi dobře propustné. III. Do této skupiny patří jemnozrnné písčité a štěrkovité zeminy, jejichž jílová a prachová složka je méně stabilní vůči povětrnostním vlivům. Tato složka má vyšší číslo plasticity. Jsou vhodné pro stabilizaci cementem. Zeminy písčité a štěrkovité bez jílové a prachové složky, které nemají kostru hrubších zrn, se velmi nesnadno zhutňují a je třeba vynaložit značné množství energie např. vibrací. IV. Zeminy mají jílovou a prachovou složku s ještě dobrými tmelícími vlastnostmi. Únosnost kostry štěrkových zrn je podstatně snížena jílovou a prachovou složkou, která je málo odolná proti povětrnostním vlivům. Tato skupina tvoří přechod mezi dobrými a průměrně vyhovujícími zeminami pro podloží. V. Zeminy této skupiny lze dobře zhutňovat až na maximální objemovou hmotnost. Vyšší únosnosti brání celkem jemnozrnný charakter. Jsou zpravidla mírně namrzavé. Při vyšším obsahu jemných částic a při vysoké hladině podzemní vody je třeba zajistit vhodná opatření proti mrazu. Stabilizují se cementem, případně vápnem a pomalutuhnoucími pojivy. VI. Zeminy této skupiny patří mezi namrzavé, a proto je zpravidla třeba provést vhodná opatření proti mrazu. Lze je dobře zhutňovat, avšak vždy v úzkém intervalu optimální vlhkosti, což je technologicky náročné. Tvoří přechod mezi vhodným a málo vhodným

SPSKS

59/85

VII.

VIII.

IX.

X.

podložím. Zlepšení lze dosáhnout příměsí hydraulických nebo pomalutuhnoucích pojiv. Zeminy jsou méně stabilní a při jejich napojení vodou klesá jejich pevnost až na 40% pevnosti za optimálního stavu. Jsou namrzavé až nebezpečně namrzavé a poskytují málo vhodná podloží. Odolnost proti vodě lze zvýšit příměsí vápna. Převážná část zeminy se skládá z prachové složky jemných částic. Zeminy jsou namrzavé a ž nebezpečně namrzavé. Při napojení vodou jsou nestabilní a rozbřídavé. Poskytují málo vhodné až nevhodné podloží. Do této skupiny je možno zařadit i některé jíly s pevnou a tvrdou konzistencí. Je nutné bezpodmínečně zabránit přístupu vody k podloží. U hlín lze dosáhnout zlepšení příměsí vápna. Vlastnosti těchto zemin jsou velmi ovlivněny druhem jílové složky jemných částic. Zlepšení je možné jen v některých případech. Při velmi malé únosnosti je lepší tyto zeminy z podloží odstranit. Zeminy se nedají zlepšit, a proto je možno použít jen výjimečně, a to pouze pro podloží vozovek přechodného charakteru. Obvykle se však odstraňují.

název zeminy

symbol

štěrkovitá hlína štěrkovitý jíl písčitá hlína I písčitá hlína II písčitý jíl I písčitý jíl II hlína s norm. pl. hlína se stř.pl. jíl s norm. pl. jíl se stř. pl. hlína s v. pl. hlína s v.v.pl. hlína s ex.v.pl. jíl s v. pl. jíl s v.v.pl. jíl s ex.v.pl. písek dob.zrněný písek s příměsí jemnozrnné zem. písek hlinitý písek jílovitý štěrk d. zrněný štěrk š. zrněný štěrk s příměsí jemnozr. zem. štěrk hlinitý štěrk jílovitý

F1MG F2CG F3MS1 F3MS2 F4CS1 F4CS2 F5ML F5MI F6CL F6CI F7MH F7MV F7ME F8CH F8CV F8CE S1SW

zařazení pro podloží I

II

III

X

IV

V

VI

VII

X X

X X

X

X X X

X

VIII

IX

X

X

SPSKS

S3S-F S4SM S5SC G2GP G2GP G3GF-F G4GM G5GC

X

X

X X X

X

X X X X X X X X X

X

X X X X

X X

X X

X

X X

X X X

X X X

X X X

X

60/85

X X X

X

X X X X X X X X X X X

X X X X X X X

7.6.2 ZAŘAZENÍ ZEMIN PODLE VHODNOSTI DO NÁSYPŮ název zeminy

symbol

zařazení do násypů nevhodná

štěrkovitá hlína štěrkovitý jíl písčitá hlína I písčitá hlína II písčitý jíl I písčitý jíl II hlína s norm. pl. hlína se stř.pl. jíl s norm. pl. jíl se stř. pl. hlína s v. pl. hlína s v.v.pl. hlína s ex.v.pl. jíl s v. pl. jíl s v.v.pl. jíl s ex.v.pl. písek dob.zrněný písek s příměsí jemnozrnné zem. písek hlinitý písek jílovitý štěrk d. zrněný štěrk š. zrněný štěrk s příměsí jemnozr. zem. štěrk hlinitý štěrk jílovitý

F1MG F2CG F3MS1 F3MS2 F4CS1 F4CS2 F5ML F5MI F6CL F6CI F7MH F7MV F7ME F8CH F8CV F8CE S1SW

málo vhodná

vhodná

X X

X X X

velmi vhodná

X

X X X X X X X X X X X X X

X X X X X

X

Proctorova zkouška [kg .m-3] 1550-1990 1550-2000 1750-2000 1600-1950 1650-2000 1550-1850 1600-1800 1500-1750 1600-1950 1550-1900 1400-1700 1380-1650 1350-1550 1380-1700 1360-1650 1330-1500

X

S3S-F S4SM S5SC G2GP G2GP

X

1700-2100 1730-2050 1760-2000

SPSKS X X X

G3GF-F G4GM G5GC

X X

X X X

1800-2150 1750-2100 1700-2000

7.7 STABILIZACE ZEMIN Pokud zemina svými vlastnostmi nevyhovuje požadavkům na zhutnění a použití do podkladních vrstev, lze ve vhodných případech provést její zlepšení, tedy stabilizaci. podle druhu použitého pojiva rozeznáváme stabilizace podle tabulky. V symbolice se označují „S“. stabilizace C cement V vápno P popílek O odprašek S struska SHP směsné hydraulické pojivo PTS pomalu tuhnoucí pojivo

značka SC SV SP SO SS S SHP S PTS

61/85

Účelem stabilizace je využít do podkladů zejména vozovek, letišť a parkovišť zeminy z podloží, zeminy získané ze zemních prací stavby nebo zeminy dovezené. Dále také materiálů získaných recyklací starých staveb nebo jiných druhů druhotných materiálů jako jsou výsivky, haldoviny, hlušiny, škváry apod. Stabilizovat lze v zásadě všechny druhy vhodných zemin, které lze mechanizací rozmělnit, zamíchat a zpracovat. Pro stabilizace jsou vhodné cementy portlandské třídy 32,5 a 22,5, portlandské cementy struskové a vysokopecní cementy třídy 32,5. Jsou vhodné pro stabilizaci zemin, které obsahují nízký podíl hlinitých součástí a pro stabilizaci zemin s nízkou plasticitou. Při stabilizaci vápnem vstupuje do reakce jemná frakce zeminy a stává se tak součástí pojiva. Obecně platí, že druh pojiva i způsob jeho použití musí být volen tak, aby nedocházelo k poškození životního prostředí.

7.8 NAMRZAVOST ZEMIN Přítomnost volné vody v zeminách znamená při nízkých teplotách změnu skupenství vody v led. Ta je spojena s velkou objemovou změnou +9%. Objem zmrzlé vody (ledu) je tedy větší než je tomu u kapaliny. Zvětšení objemu při ztuhnutí látky je fyzikální anomálií, protože ostatní kapaliny tuhnou se zmenšením objemu a také obvykle v relativně menším rozsahu (ocel 5%, litina 0,5% apod.). Zemní tělesa při zamrznutí reagují výraznými změnami, které způsobují deformace, které při opětovném rozmrazení nemusí být změnami vratnými. Vodní režim a výběr zemin s minimální namrzavostí je tedy u všech zemních těles klíčovou znalostí. Sklony k namrzavosti zemin jsou do značné míry limitovány křivkou zrnitosti. Je zřejmé, že zeminy s velkým podílem jemných částic schopných ve velkém vázat vodu mají k namrzavosti tendenci vyšší. U zemin s převažující složkou z hrubého kameniva není namrzavost problém. U takových zemin však dochází ke znečisťování namrzavou zeminou. Proti vzájemnému mísení namrzavých a nenamrzavých zemin se dají v konstrukci zemního tělesa aplikovat zábrany v podobě geotextilíí apod.

SPSKS

62/85

PRACH

JEMNÝ

VYSOCE NAMRZAVÉ 60

NEBEZPEČNĚ NAMRZAVÉ 40

SPSKS

80

ŠTĚRK

STŘEDNÍ

JEMNÝ

STŘEDNÍ

NAMRZAVÉ PODLE ČÁRY ZRNITOSTI

PŘÍLIŠ HRUBOZRNNÉ

NAMRZAVÉ 20

HRUBÝ

HMOTNOSTNÍ PODÍL [%]

JÍL

PÍSEK

MÍRNĚ N.

NEBEZPEČÍ ZNEŠISTĚNÍ NAMRZAVÝMI ZEMINAMI

NENAMRZAVÉ

0,001

0,06

0,01 FRAKCE [mm]

Obr. 28 Kritérium namrzavosti podle zrnitosti zemin

63/85

0,25

0,5

1

2

4

8

16

32

63

125

8.0 PALIVA Paliva jsou látka, jejichž spalováním se získává energie ve formě tepla. Tato chemická reakce probíhá za přijatelných ekonomických, hygienických a environmentálních podmínek. Jejich základní dělení vychází ze skupenství, v jakém se palivo používá: - pevná paliva, - kapalná paliva, - plynná paliva.

8.1 PEVNÁ PALIVA Pevná paliva jsou zdrojem tepelné energie především v energetice, kde tepelná energie je transformována na čistější a lépe transportovatelnou energii elektrickou. Dále slouží jako zdroj tepla. Chemická reakce spalování pevných paliv je stejná jako je tomu u uhlovodíků, kde základem exotermické reakce je slučování organického vodíku a uhlíku se vzdušným kyslíkem. Základním kritériem hodnocení pevných paliv je jejich výhřevnost na 1 kg paliva. Možné je použití výhřevnosti na jeden mol paliva. palivo antracit černé uhlí hnědé uhlí koks rašelina dřevo

výhřevnost [kJ.kg-1] 31 000 23 000 – 28 000 17 000 – 23 000 28 000 750 – 13 000 8 500 – 16 000

SPSKS

U pevných paliv je třeba pamatovat na environmentální technologie spalování, protože obsahují vedle pevných uhlovodíků také vedlejší prvky, kde dominuje zejména síra. Ta hořením rovněž vyvolává exotermickou reakci ale oxidy síry vytváření spolu s vodou slabé kyseliny síry (sírovou a siřičitou). Jejich účinek na životní prostředí je devastující.

8.2 KAPALNÁ PALIVA Kapalná paliva se používají ve více technologických procesech. Nejvíce se jich spotřebovává jako pohonné látky ve spalovacích motorech a turbínách. Tepelná energie je zde transformována na energii mechanickou přímo. V energetice slouží jako přímé zdroje tepla. Jejich tekutá konzistence umožňuje snadněji zvládat technologické procesy. Na paliva pro spalování jsou kladena environmentální hlediska s ohledem na složení produktů spalování. Dále jsou zde kladeny požadavky na měřené oktanovým a cetanovým číslem, které předurčují palivo s ohledem na vznícení a zážeh. Tyto jsou popsány v kapitole ropa a uhlovodíky. Jejich výhřevnost souvisí s výkonem motoru nebo spalovací turbíny. Výhřevnost kapalných paliv udává tabulka:

palivo petrolej motorová nafta těžký topný olej

výhřevnost [MJ.kg-1] 43,97 42,6 40,3

palivo lehký topný olej benzín etanol

64/85

výhřevnost [MJ.kg-1] 41,45 42,7 26,8

8.3 PLYNNÁ PALIVA Plynná paliva jsou perspektivními palivy pro pohov spalovacích motorů a spalovacích turbín. Jejich výhodou je relativní dostatek této suroviny a čistota. Kontaminace plynů sírou apod. je komplikovaná a spaliny jsou proto relativně čisté a omezují se na CO2 a H2O. Jistou nevýhodou je vysoká spalovací teplota (2 000 – 3 000°C) při jejich hoření. Takto vznikají oxidy dusíku, které jsou velmi nebezpečné. Výhřevnost plynných paliv udává tabulka, kde je výhřevnost udávána na 1 m3 . palivo vodík metan propan

výhřevnost [kJ.m-3] 10 748 33 806 61 272

palivo butan hexan svítiplyn

výhřevnost [kJ.m-3] 114 840 141 851 14 500

8. 4 BIOPALIVA Pojem biopaliva nezapadá do třídění paliv. Tato kapitola je zde uvedena samostatně, protože se zde nejedná o fosilní paliva, ale jde o paliva, která se řadí do obnovitelných zdrojů. Spalovat lze řadu materiálů, které vznikají biologickými procesy jako je fotosyntéza a enzymatické procesy trávení potravy živočichů. Následující tabulka proto netřídí tato paliva podle skupenství, ale toliko podle jejich výhřevnosti. palivo dřevní štěpka dřevní kůra sláma obilovin

výhřevnost [MJ.kg-1] 16,4 15,47 14,5 – 15,5

výhřevnost [MJ.kg-1] 13 - 35 16,9

SPSKS palivo bioplyn lněné stonky

65/85

9.0 KÁMEN A KAMENIVO Kámen a kamenivo jsou přírodní nebo umělé látky, které jsou základním materiálem ve stavebnictví a slouží v řadě oborů lidské činnosti. Terminologicky je třeba odlišit kámen a kamenivo. Kámen je pojem, který je třeba spojovat s kompaktností a velkými zrny a slouží jako materiál pro tzv. čistou kamenickou výrobu. Velikost bloků je nad 400 mm. Jde o horninu, která je technologicky nezpracována vyjma vylomení jejího bloku. Slouží jako polotovar pro výroky z kamene. Kamenivo je sypký přírodní nebo umělý kámen, který je sypký. Velikost zrna je menší než 400 mm. Jde o horninu určitým způsobem technologicky zpracovanou. Jde o základní stavební hmotu.

9.1 PŘÍRODNÍ KÁMEN Přírodní kámen je hornina. Pojem hornina je pojmu kámen nadřazena, protože je obecnější. Hornina je geologický pojem, kterým rozumíme z petrografického hlediska pevnou nebo sypkou směs zrn jednoho nebo častěji více minerálů. Přírodní kámen, jako materiál pro technické a umělecké aplikace je výrazně ovlivněn svým vznikem. Proces vzniku a následné historie existence kamene mu dává řadu vlastností, které se projevují v jeho technických a technologických vlastnostech. Vznik kamene má tři základní mechanizmy, podle kterých se obecně horniny a tedy i kámen dělí na: - horniny vyvřelé (magmatické), - horniny usazené (sedimentární), - horniny přeměněné (metamorfované).

SPSKS

Horniny vyvřelé jsou horniny, které vznikly tuhnutím magmatu. Procesy tuhnutí jsou složité, protože tuhnutí je spojeno s krystalizací minerálů, kdy každý minerál tuhne při jiné teplotě v prostředí, kde se již vyskytují v tavenině magmatu jiné tuhé krystaly. První rostoucí krystaly minerálů v tavenině magmatu, tedy minerály s nejvyšší teplotou tavení, mohou krystalizovat v podmínkách, kdy „mají kam růst“, plavou volně v tavenině. Poslední tuhnoucí minerály nemají kam růst a vkliňují se do mezer ostatních minerálů. Některé minerály dokonce ztuhnou jako amorfní, kdy nemají vlastnosti krystalů, ale podobají se sklu. Velmi záleží také na rychlosti tuhnutí magmatu, kdy je rychlost ovlivněna tím, kde magma tuhne. Zda je to v hlubině země, kde se těžko odvádí teplo nebo na povrchu, kdy je teplo odváděno rychleji vzduchem nebo na dně moře, kde voda odvádí teplo velmi rychle. Rychlost tuhnutí má vliv na velikost krystalů jednotlivých minerálů, což se makroskopicky projevuje ve struktuře a textuře kamene. Ochlazování a směr gravitace mají také při tuhnutí vliv na orientaci hlavní osy krystalu. Magmatické horniny díky procesu tuhnutí jsou anizotropické. V terminologii lomařství se anizotropie nazývá odlukovost. Horniny usazené jsou horniny, které vznikly sedimentací zrn z původních hornin, které byly rozrušeny na drobný materiál. Procesy rozrušení jsou předmětem geologie, ale pro nauku o materiálech postačí vědět, že vedle rozdrcení bývají zrna ještě zakulacená omíláním při transportu. Sedimentace je proces ovlivněný gravitační silou a je zřejmé, že probíhal po vrstvách kolmých k vektoru gravitačního zrychlení v době vzniku. Toto vrstvení je viditelné na textuře kamene a je zdrojem anizotropie kamene a tato plocha má nejlepší odlukovost.

66/85

Horniny přeměněné jsou horniny, které v důsledku působení horninotvorných sil na horniny původní změnily své vlastnosti.

Toto základní dělení hornin lze dále členit na další skupiny. K tomuto členění jsou ještě připojeny typické horniny.

HORNINY VYVŘELÉ

HLUBINNÉ

-

POVRCHOVÉ

žula gabro syenit

-

ŽILNÍ

čedič znělec andezit melafyr

-

pegmatit

SPSKS HORNINY USAZENÉ

ÚLOMKOVITÉ

-

štěrk pískovce slepence

ORGANOGENNÍ

JÍLOVITÉ

-

opuka hlína spraš jíl

-

vápence ropa zemní plyn uhlí

HORNINY PŘEMĚNĚNÉ

-

rula svor fylit mramor

67/85

CHEMICKÉ

-

travertin

9.2 METRIKA KAMENE Praktické použití kamene vyžaduje měření a zkoušení jeho vlastností s ohledem na použití konkrétního kamene. Tyto požadavky mohou být specifikovány normou, smluvními vztahy zákazník – dodavatel, prohlášením o shodě, ale také v případě uměleckořemeslného zpracování i na dosti obtížně specifikovatelné a měřitelné vlastnosti. Měřené vlastnosti kamene mohou mít charakter fyzikálních, chemických, mechanických a technologických vlastností. Fyzikální (některé) vlastnosti: - měrná hmotnost, - objemová hmotnost, - hutnost - pórovitost a mezerovitost, - nasákavost - vlhkost, - navlhavost a vysychavost, - vzlínavost, - mrazuvzdornost. Měrná hmotnost je definována jako poměr hmotnosti zkoumané horniny a objemu bez dutin a pórů. m hmotnost materiálu [kg] ρ = —— [kg . m-3] objem vzorku rozemletého materiálu [m³] Vh

SPSKS

Většina hornin nejsou látky dokonalé hutné, ale obsahují určitý podíl pórů a dutin, které nelze zanedbat. Způsob měření proto vyžaduje zbavit se dutin a pórů pro vlastní měření. Prakticky se to provede jemným rozemletím zkoumané horniny. K měření se používají piknometry. Objemová hmotnost je definována jako poměr hmotnosti zkoumané horniny a objemu vzorku se všemi jeho póry a dutinami. m hmotnost materiálu [kg] -3 ρd = —— [kg . m ] V objem vzorku materiálu včetně dutin a pórů [m³] Je zřejmé, že tato zkouška nevyžaduje rozemletí materiálu, její komplikovanost spočívá ve způsobu změření objemu, kdy nelze jednoduše použít metodu ponoření do vody, protože póry a dutiny vodu nasají a tím mění výsledky (zmenšují objem). Hutnost vyjadřuje, jak je celkový objem horniny vyplněn vlastní pevnou fází. Definována je jako poměr objemu pevné fáze k objemu celkovému a vyjadřuje se v procentech. Vh ρd h = —— . 100 = —— . 100 [%] Vp ρ

Pórovitost je poměr pórů a dutin v zrnech horniny k celkovému objemu vzorku.

68/85

Vh P = ——.100 [%] V Póry mohou být otevřené a uzavřené jak je pojednáno v kapitole plastických hmot. Makroskopicky se póry v hornině mohou projevit vysokou nasákavostí u otevřených kapilár v případě uzavřených pórů jde o akustické a tepelné vlastnosti . Nasákavost je schopnost horniny přijímat kapalinu (obvykle vodu). Posuzujeme ji podle hmotnosti vody, které nasákne do vzorku horniny za určitých podmínek. mk nh = —— .100 [%] md

hmotnost nasáklé kapaliny v [kg] hmotnostní nasákavost [%] hmotnost vysušeného vzorku v [kg]

Význam nasákavosti souvisí s mrazuvzdorností jako je tomu u zemin. Voda v kameni se změnou skupenství na led roztahuje o 9%, což způsobuje značné síly, které lehce překonají jeho pevnost. Vlhkost popisuje obsah vody v hornině. Ta může být v hornině nebo jeho minerálech vázána volně nebo fyzikálně. Zkouška probíhá opačně jako u měření nasákavosti. mk wh = —— .100 [%] md

hmotnost kapaliny ve vzorku [kg] hmotnostní vlhkost [%] hmotnost vysušeného vzorku v [kg]

SPSKS

Navlhavost a vysychavost popisují vratné chování horniny při působení vzdušné vlhkosti. Vyjadřuje tedy schopnost horniny přijímat a zbavovat se vlhkosti. Smysl tato zkouška má u tepelně izolačních materiálů, kde dlouhodobým působením vzdušné vlhkosti může docházet ke změnám vlastností. Postup měření je stejný jako u měření vlhkosti. Vzlínavost je nasákavost materiálu, kde je mechanizmus nasáknutí podmíněn kapilárními silami. Materiál je tak částečně ponořen do vody. Praktické důsledky vzlínavosti se projevují u konstrukcí z kamene a např. soch, kdy je základ vystaven zemské vlhkosti. Mrazuvzdornost je schopnost horniny nasáklé vodou vzdorovat střídavému zmrazování a rozmrazování. Postup těchto zkoušek je normován (viz učebnice úvod do zkoušení kameniva).

9.3 ODLUKOVOST KAMENE Kámen je díky poměrům, při kterých vznikal vždy materiálem anizotropním. To znamená, že v různých směrech měření určitých vlastností má různé jejich hodnoty. Anizotropie byla popsána ostatních kapitolách. Kámen pro své technologické zpracování a také pro použití v kamenných konstrukcích vyžaduje znalost anizotropie. V oboru těžby a zpracování kamene je anizotropie poněkud redukována na odlukovost. Z tohoto pohledu jsou znalosti důležité pro technologii vylomení a zpracování kamene např. štípáním. S anizotropií se však počítá i v konstrukcích z kamene, kdy se např. požaduje řezání „po letech“ a „přes léta“, kdy se jako ekvivalent zpracování bere dřevo s jeho letokruhy.

69/85

Zásadní znalost odlukovosti je důležitá u žul, kde lze zjistit tři základní směry, které jsou na sebe téměř kolmé. Technologie a kamenné konstrukce znají odlukovost blokovou (žula), deskovitou (slída)a sloupcovou (vláknitou) (čedič a azbest). Plocha rovnoběžná s vodorovnou rovinou při vzniku kamene (tuhnutí a sedimentaci) je základní plochou, která se nazývá ležení kamene – L. Jinak, tato rovina je kolmá k vektoru gravitačního zrychlení v době vzniku horniny. V této rovině jde kámen nejlépe lámat a nazývá se také „hont“ a odborník ji pozná pohledem a na dotyk, protože je sametová v důsledku přetržení hlavních os minerálů. Kolmá plocha k ploše základní je plocha běžná. Její správná orientace se musí zjistit, ale obvykle je kolmá na směr západ – východ. Opět platí, že tento směr získal své vlastnosti v době vzniku horniny (kamene). Plocha běžná se značí S v kamenické terminologii se nazývá „po dobré“. Poslední rovinou kolmou na předcházející je rovina Q, která je orientována kolmo na směr sever – jih. Tato má nejhorší odlukovost a v kamenické terminologii se nazývá „po špatné“ nebo lidově „po hlavě“. Poznámka:Těžba bloků kamene a jejich následné zpracování musí zohlednit historii celého skalního masívu. Ten mohl měnit svoji polohu a následně se nejčastěji pootáčel kolem vodorovné osy. Dokonce mohlo dojít i k převrácení. základní plocha proto při těžbě obvykle není vodorovná, ale skloněná.

SEVER

SPSKS LEŽENÍ L

ZÁPAD

VÝCHOD

SMĚR GRAVITACE

BĚŽNÁ S

PLOCHA Q

JIH Obr. 29 Dělitelnost žulových bloků v ložisku a jeho orientace podle směru

70/85

9.4 POUŽITÍ KAMENE A VÝROBKY Z KAMENE Kámen má v praxi řadu použití a je třeba nalézt nějakou formu jeho zatřídění. Pro potřeby nauky o materiálech použijeme třídění na tři skupiny: - kámen pro zdivo a jiné účely, - dlažební kámen a silniční prvky.

9.4.1 KÁMEN PRO ZDIVO A JINÉ ÚČELY Kámen pro zdivo a jiné účely se používá pro konstrukce z kamene. Zde může mít funkci nosnou, kdy přenáší veškeré síly stavby nebo může být materiálem obkladovým. Na obkladový materiál mohou být kladeny speciální požadavky, kde nedominuje jeho pevnost ve vztahu ke konstrukci. Takové požadavky vyplývají z použití u silničních, železničních, vodních báňských a jiných staveb. Výběr druhu kamene je mimo rozsah učebnice, ale je členěn na kameny měkké (pískovce a opuky), kameny středně tvrdé (vápence, mramory, trachyty, travertiny, dolomity apod.) a kameny tvrdé (žuly, granodiority, syenity, pyroxeny, čediče, amfibolity, gabra, znělce, ruly, fylity apod.). Samotné členění podle tvrdosti není nejspíše exaktní, ale u kamene platí přibližný vztah mezi pevností a jejich tvrdostí, kdy se obě fyzikální vlastnosti chovají stejně. Samotný kámen pro zdivo a jiné účely se dále dělí na: - lomový kámen, - kopáky, - haklíky, - kvádry.

SPSKS

9.4.1.1 LOMOVÝ KÁMEN

Lomový kámen je kusovitý materiál, který je kamenicky neopracovaný. Má obvykle nepravidelný tvar a technologicky se získává primárně odstřelem v těženém ložisku. Jeho použití je možné jak pro konstrukci, tak obklad. Lomový kámen se dále dělí na: - netříděný lomový kámen, - tříděný lomový kámen , - záhozový kámen, - lomový kámen na dlažby, - lomový kámen pro soklové zdivo, - lomový kámen pro kyklopské zdivo. Netříděný lomový kámen má nepravidelný tvar a největší rozměr je 100 cm nejmenší pak 12,5 cm. Z názvu je patrné, že nevyžaduje jeho dodávka zvláštní specifikaci. používá jako základní materiál u železničních, silničních a vodních staveb. Jinak je výchozí surovinou pro ostatní druhy lomového kamene. Tříděný lomový kámen je rovněž nepravidelného tvaru a získává se vytříděním netříděného lomového kamene. Skládá se z kusů, které se vejdou do rozměrů 13 – 35 cm. Použití tříděného lomového kamene je u železničních staveb k tzv. podštětování kolejové dráhy, dále na dna vodních toků a k vyzdívání. Záhozový lomový kámen je kusovitý kámen nepravidelného a neupraveného tvaru. U něj se rozlišuje objemová hmotnost do dvou skupin. používá se na tělesa sloužící ke zpevňování břehů

71/85

vodotečí a ke stavbě opěrných patek, které chrání břehy před účinky proudící vody. Hmotnost kamenů je 200 a více kg. Lomový kámen na dlažby je kámen, kde má odběratel požadavek na lícní plochu kusu takovou, aby byla lomově rovná a protilehlá ložná plocha má mít alespoň 1/3 plochy velikosti lícní plochy. Lomovým kamenem na dlažby se zpevňují zemní svahy, příkopy a rigoly, koryta, návodní svahy sypaných hrází apod. Lomový kámen pro soklové zdivo je opět nepravidelného tvaru. Základním požadavkem jsou dvě plochy lomově rovné. Použití je na stavbu opěrných, zárubních zdiv a obkladových zdiv. Tyto se vyskytují u silničních staveb , ale také u staveb budov. Lomový kámen pro kyklopské zdivo má mít úpravou tvaru prýskáním a špicováním do čtyřúhelníku, pětiúhelníku a šestiúhelníku s lícní plochou lomově rovnou. Lomový kámen pro kyklopské zdivo se používá pro stavbu opěrných zdí a obkladové zdivo inženýrských staveb.

9.4.1.2 KOPÁKY Kopáky jsou kusovitá stavební kameny, které jsou vyrobeny technologií hrubého kamenického opracování. Požadovaný tvar vzniklý opracováním je pak rovnoběžnostěn. Ve zdivu mohou být kopáky uloženy jako běhouny i vazáky. Jsou rozměrově omezené maximální délkou 80 cm a výškou 20 – 40 cm. Kopáky se dále člení na: - neupravené kopáky, - hrubé kopáky, - čisté kopáky.

SPSKS

Neupravené kopáky mají tvar rovnoběžnostěnu, jehož jedna plocha je lomově hrubá. ale tzv. plná. Tolerance jejich rozměrů je navzdory názvu hrubé relativně malá ±3 cm. Používají se vedle zdiva také na kotvení tyčí vetknutých do země. Hrubé kopáky se od neupravených liší lícní plochou, která má být čistě lámaná nebo špicovaná, ložné plochy pak do 2/3 špicované. Povolené odchylky rozměrů jsou ±2 cm Z hrubých kopáků se staví hrubé řádkované zdivo, kdy jednotlivé řady se mohou lišit výškou o určitý rozměr. Čisté kopáky mají opět přísnější toleranci rozměrů ±1 cm. Lícní plocha může být špicovaná, obvodoví lícní hrany mohou být kolmé nebo lícní plocha může být s visáží. Ložné plochy jsou celé špicované. Používají se ke stavbě čistého řádkového zdiva. 9.4.1.3 HAKLÍKY Haklíky jsou čtvercové a obdélníkové hranoly, jejich výroba je zajištěna technologiemi lámání, štípání i řezání. Povolené úchylky rozměrů jsou ±1 cm. Jednotlivé druhy se opět liší čistotou a přesností opracování ploch. Technologie řezání se používá u materiálů s nedobrou štěpností. Používají se na haklíkové zdivo. Rozdělují se dále podle tvaru a povrchové úpravy na: - neupravené haklíky, - hrubé haklíky, - čisté haklíky.

72/85

9.4.1.4 KVÁDRY Jsou opět kusové kamenické výrobky různých tvarů a rozměrů. Mohou mír různou povrchovou úpravu. Členění kvádrů je podle povrchové úpravy lícních ploch na hrubé, čisté, s visáží, jemné, broušené a leštěné. Další členění je podle tvaru, kdy mohou být pravoúhlé, pravoúhlé se skloněnými líci, klenákové a šablonové. Podle počtu lícních stran se člení na jednolícní, dvoulícní, třílodní, čtyřlícní a pětilodní. Je také možné dělení podle speciálního použití. Kvádry se vyrábějí hlavně ze žul, granodioritů, ale také v menší míře ze syenitů, pískovců, mramorů, travertinů, trachytů apod. V praxi se kvádry z přírodního kamene používají jako konstrukční nebo obkladový materiál pro vodní stavby, tunely, mosty, veřejné budovy. pilíře, pilastry apod.

9.4.2 DLAŽEBNÍ KÁMEN A SILNIČNÍ PRVKY Do této skupiny kamenických výrobků patří tyto druhové skupiny výrobků: - dlažební kostky, - chodníkové obrubníky a krajníky, - kamenné odrazníky (patníky) a šachtové obrubníky. Obecně u této skupiny kamenických výrobků je v praxi zřetelná tendence nahrazovat materiál těchto výrobků betonem. Z pohledu udržitelného rozvoje je zde namístě zmínka o dvou jevech, které tuto tendenci mohou zvrátit. Vývoj syntetických diamantů a nitridu bóru umožňuje konstrukci nástrojů, které dramaticky snižují cenu řezu 1 m2 řezané plochy. „Naproti“ této tendenci jdou emisní povolenky na produkci oxidu uhlíku. Mimořádně vysoký podíl emisí připadá na výrobu cementu, který je pojivem v betonu. K ekonomickému vyrovnání chybí velmi málo a pravděpodobně nastane okamžik, kdy výrobní náklady betonových výrobků a kamenických výrobků se vyrovnají.

SPSKS

9.4.2.1 DLAŽEBNÍ KOSTKY Dlažební kostky se vyrábějí nejčastěji štípáním, výjimečně řezáním a štípáním. Mají přibližně hranolovitý tvar , kde je připuštěno mírné podkosení. Materiál dlažebních kostek jsou žuly, granodiority, gabrodiority, andezity, ale také vápence a mramory v případě mozajvové dlažby. Základním požadavkem je odolnost proti mrazu a obrusnost. Dlažební kostky dělíme podle velikosti na: - mozaikové dlažební kostky, - drobné dlažební kostky, - velké dlažební kostky, - talutové dlažební kostky a dlažební kvádříky.

9.4.2.2 CHODNÍKOVÉ OBRUBNÍKY A SILNIČNÍ KRAJNÍKY Chodníkové obrubníky jsou stavebním prvkem, který se používá pro obruby zpevňující okraje chodníků, dopravních ostrůvků, ramp, nástupišť apod. Výškový rozdíl může být maximálně 15 cm. Technologicky se zpracovávají lámáním a kamenickým opracováním a nově také řezáním na kotoučových pilách. Materiálem jsou nejčastěji žuly, syenity, diority, granodiority, andezity, droby a travertiny. Základním požadavkem je nízká obrusnost a odolnost proti mrazu. Povrchová úprava

73/85

je řezané pilou, špicované s lemem, jemně špicované a pendlované. Tyto výrobky jsou rozděleny podle tvaru příčného průřezu na: - plné obrubníky, - zkosené obrubníky, - zvláštní obrubníky. Podle půdorysného tvaru jsou obrubníky rozděleny na: - přímé, - obloukové, - zvláštní. 9.4.2.3 KAMENNÉ ODRAZNÍKY A ŠACHTOVÉ OBRUBNÍKY Odrazníky (patníky) jsou kamenickým výrobkem, který je určen k ochraně rohů zdiva v průjezdech. Materiálem kamene jsou nejčastěji žuly, andezity, tvrdé pískovce a travertiny.

9.5 SUROVÉ KAMENNÉ BLOKY Surové kamenné bloky se získávají z těžených ložisek poněkud šetrnějšími technologiemi jako je lámání, odstřel, odvrtávání nebo řezáním (vyřezáváním). Takto se těží materiály magmatické sedimentární i metamorfované. Surové kamenné bloky jsou polotovarem pro řadu kamenických výrobků z oblasti ušlechtilé kamenické výroby. Z hlediska nauky o materiálech je důležité pouze vědět jaké výrobky se vyrábějí z bloků. Jejich členění je:

SPSKS

1. Masivní stavební prvky z kamene: - masivní schodišťové stupně, podlaží obruby a prahy, - masivní dlažební desky, - masivní krycí desky, - překladové nosné desky, - masivní obkladové desky, - masivní kamenné sloupy, - masivní kamenné pilíře, pilastry a lezény, - masivní římsy, - kamenné balkóny, - masivní orámování oken a dveří, - kamenná zábradlí, - masivní schodnice a ohybníky, - kanalizační kameny, - kamenné měřické značky, staničníky, hraničníky, směrové a zábradelní kameny. 2. Řezané dlažební, obkladové a štípané desky a řemínky: - řezané dlažební desky z přírodního kamene, - dlažební desky s konglomerovaných kamenů, - řezané obkladové desky z přírodního kamene, - řemínkové obklady z přírodního kamene, - obkladové desky z konglomerovaných kamenů. 3. Architektonické prvky z přírodního kamene: - prvky malé architektury, - ozdobné, užitkové a upomínkové předměty, - pomníky, rámy, desky a doplňky.

74/85

V moderní bytové architektuře se objevují další skupiny výrobků, které se vyrábějí z polotovarů bloků. Nejznámější jsou pracovní kuchyňské desky, měřící desky, prubířské kameny, válce pro speciální technologie apod.

9.6 KAMENIVO Definice - Kamenivo je přírodní nebo umělý zrnitý anorganický materiál, určení pro stavební účely, jehož zrna projdou kontrolním sítem se čtvercovými otvory plechového síta nebo čtvercovými otvory drátěného síta, jejichž strana je dlouhá 125 mm. Z definice lze vydedukovat rozdíly v terminologii. Větší zrno než 125 mm znamená, že se jedná o kámen i když literatura uvádí u kamene velikost zrna nad 400 mm. Kamenivo je základním stavebním materiálem, protože se objevuje ve velkém množství stavebních hmot a slouží k některým konstrukcím i samotné. Základní třídění kameniva spočívá v technologii jeho výroby a dělí se na : - těžené kamenivo, - drcené kamenivo. 9.6.1 ZÁKLADNÍ TERMINOLOGIE KAMENIVA Hrubé kamenivo, je kamenivo, jehož zrnitost leží v intervalu 4 – 125 mm. Drobné kamenivo je kamenivo, jehož zrnitost je omezena horním kontrolním sítem o velikosti 4 mm. Kontrolní síta jsou laboratorní síta se čtvercovými otvory, jejichž strana má jmenovitou velikost pro kontrolu hranic třídění [mm]. Nadsítné je hmotnostní podíl zrn zadržených horním kontrolním sítem. Nedovolené nadsítné je hmotnostní podíl kameniva zadrženého nejblíže vyšším kontrolním sítem. Podsítné je hmotnostní podíl zrn propadajících dolním kontrolním sítem. Štěrk je obchodní název pro kamenivo o zrnitosti v intervalu 22 – 125 mm. Štěrkopísek je přírodní směs těženého kameniva omezená pouze horním kontrolním sítem. Štěrkodrť je směs přírodního drceného kameniva omezená pouze horním kontrolním sítem.

SPSKS

9.7 METRIKA KAMENIVA Podobně jako u kamene vyžaduje i kamenivo s ohledem na technologické zpracování a použití nějakým způsobem měřit nebo vyhodnocovat určité vybrané nebo požadované vlastnosti. Jejich ověřování nemá ostrou hranici mezi kamenem a kamenivem (viz kapitola 10.2). tyto zkoušky vyžadují vesměs speciální vybavení a jejich postup je nomován. Pro účely této učebnice nebudou popisovány s tím, že popis je k dispozici v učebnici „Úvod do zkoušení kameniva“. S ohledem na použití kameniva se ověřují především tyto vlastnosti: - sypná hmotnost, - mezerovitost, - zrnitost, - tvarový index, - otlukovost, - zhutnitelnost, - odolnost proti drcení, - odolnost proti otěru, - odladitelnost.

75/85

Sypná hmotnost je důležitá hodnota u kameniva, protože dovoluje transformovat např. hmotnostní dávkování a dávkování objemové a slouží ke zvládnutí technologií přepravy sypkých materiálů obecně. Při měření je důležité pracovat se vorkem tak, aby nedošlo ke zhutnění. m ρb = —— V

hmotnost navážky vzorku v nádobě v [kg] sypná hmotnost v [kg .m-3] objem nádoby v [m3]

Znalost hodnoty sypné hmotnosti poskytuje sekundárně informace i o mezerovitosti. Mezerovitost vyjadřuje u sypkých látek podíl mezer mezi jednotlivými zrny. Pojem mezerovitost popisuje pouze mezery mezi zrny. Pojem celkový podíl mezerovitosti v sobě zahrnuje (je větší o) psy v zrnech. Mezerovitost závisí na zhutnění, kdy je největší u hmot volně sypaných a nejmenší u hmot zhutněných. Konstrukce z betonů vč. asfaltových), štěrků a zemin vyžadují maximální zhutnění. Pro technologii zpracování tj. mísení, dopravu ukládku apod. je požadována mezerovitost větší. Zrnitost popisuje velikost, množství a tvar jednotlivých zrn v sypkém materiálu. Je to jedna z nejdůležitějších měřených vlastností pro stanovení optimální receptury pro výrobu stavebních látek na bázi kameniva. Měří se pomocí soustavy sít a u jemných frakcí se používá pyknometr. Výsledkem je tzv. křivka zrnitosti. Sada sít má určitou řadu, která souvisí s tzv. vyvolenými čísly (ta se vyskytují např. u drsnosti povrchu) a jejich hodnoty jsou v tabulce. Číslo znamená velikost strany čtverce síta v [mm].

125

SPSKS

ZÁKLADNÍ ŘADA KONTROLNÍCH SÍT PRO MĚŘENÍ ZRNITOSTI 63 32 16 8 4 2 1 0,5 0,25 0,125 HRUBÉ KAMENIVO DROBNÉ KAMENIVO

0,063

Pojem zrnitosti souvisí s pojmem frakce, ta může být: - frakce úzká, kdy je strana horního (většího) síta nejvýše dvakrát větší než síta dolního např. 8 – 16, - frakce široká, je v případě, že poměr mezi rozměry ok obou sít je větší než 2 např. 0 – 8. Tvarový index udává tvarovou charakteristiku zrn a je vyjádřen poměrem největšího k nejmenšímu rozměru hranolu opsaného zrnu. Poměr hranolu pak odlišuje zrna: - stejnoměrná, kdy je tvarový index menší jak 1,5, - nestejnoměrná, kdy je tvarový index roven nebo větší než 1,5. Tvarový index je velmi důležitou měřenou veličinou u betonů vysoké pevnosti. Lze dokázat, že stavební materiály zvyšují svoji pevnost v závislosti na snížení hodnoty tvarového indexu. Poznámka: Tvarový index v hodnotě 1,0 není o zrnu ve tvaru krychle, ale o zrnu, které při vložení do jakési krabice ve tvaru krychle se dotýká každé stěny alespoň v jednom bodě. Takovým zrnem může být v extrémním případě koule. Kamenivo, stejně jako kámen a ostatní technické materiály se zkouší na mechanické vlastnosti, které jsou popsány v první části učebnice Nauka o materiálech I. Pro kámen a kamenivo je nejdůležitějším poznatek o několikanásobné pevnosti v tlaku oproti pevnosti v tahu.

76/85

9.8 SYPKÉ MATERIÁLY MIMO PŘÍRODNÍ HORNINY Udržitelný rozvoj a environmentální požadavky vyžadují využití recyklovaných materiálů pro nové konstrukce. Pro sypké materiály platí tento požadavek opticky nejvíce. Je tomu tak proto, že k „R“ materiálu se technologicky dopracujeme nejlépe drcením a separací. Metrika hodnocení sypkých „R“ materiálů je podobná jako u materiálů přírodních. Laboratorně se hledá optimální množství a technologie zpracování. Bez podrobnějšího popisu jsou v učebnici uvedeny nejzákladnější „R“ materiály, které se v technické praxi používají. Do budoucna jich bude nepochybně přibývat. Umělé pórovité kamenivo keramzit se vyrábí z vhodných zemin tepelnou expanzí. Výchozí surovinou jsou jílovce, které jsou v nadloží povrchových dolů, tedy součástí skrývky. Jeho výhody jsou dány pórovitostí a nízkou měrnou hmotností. Materiál tak z principu je lehký a má vynikající tepelně izolační schopnosti. Přes svoji vysokou nasákavost je mrazuvzdorný. Škvára vzniká jako odpadní materiál spalováním kusovitých pevných paliv na roštových topeništích. Obsahuje popeloviny. Jejich nevýhodou je mimořádně velká variabilita složení a mechanických vlastností. Dále pak vždy platí, že jde o materiály s obsahem velkého množství škodlivých a snadno vyplavitelných látek a jsou vesměs radioaktivní. Jsou použitelné na zásypy a tepelné izolace. Konstrukce, kde se tyto materiály použijí vyžaduje jejich uzavření nebo vázání např. v betonu. Cihelné střepy se používají jako kamenivo ve formě drceného materiálu, který lze pro náročnější aplikace třídit na užší frakce. Poněkud čistá forma cihelných střepů separovaná do frakcí se nazývá antuka. Ta se používá k posypům cest a hřišť, jako nosič hnojiv a základ speciálních substrátů. Použít lze za určitých podmínek do malt.

SPSKS

Popílky vznikají spalováním práškového paliva, které hoří „ve vznosu“ v moderních topeništích elektráren a tepláren. Jeho roční produkce je řádově v desítkách miliónů tun. Jeho mineralogické složení je v průběhu dobývání paliva – hnědého uhlí, různé nejenom v závislosti na lokalitě, ale i samotném dole. jejich použití je: - do stabilizačních vrstev spolu s cementem při stavbě silnic, - do hutněných i nehutněných násypů a podkladních vrstev, - k modifikaci zemin, - jako filer do litých asfaltů a asfaltobetonů, - jako vedlejší přísada do cementů, - jako plnivo do pórobetonů, - zásypový materiál pro tepelné izolace, - k výrobě cihel pro tepelnou izolaci. Expandovaný perlit se vyrábí z přírodních hornin – perlit, což jsou hydratovaná vulkanická skla, která vznikla rychlým ochlazováním rhyolitového magmatu. Tyto horniny mají zvláštní perličkovou texturu. Zrna dosahují maximální velikost 2 mm. Experlity se používají do tepelně izolačních malt, volně sypané na zásypové izolace do střešních plášťů, podlah a stěn. Zde se uplatňují jejich tepelně a zvukově izolační vlastnosti. Lze jej použít i v keramickém průmyslu k výrobě lehkých šamotů, kde snáší teplotu až 1400°C. Díky značnému měrnému povrchu zrn je i dobrým materiálem pro filtry.

77/85

10.0 NÁTĚROVÉ HMOTY Nátěrové hmoty tvoří skupinu látek, které vedle ochrany povrchu staveb a konstrukcí před nepříznivými vlivy prostředí, obvykle plní i další funkce. Dalšími užitnými hodnotami nátěru může být vodyodpudivost nasákavých materiálů (liofobie), utěsnění pórů na povrchu (tmelení), impregnace, estetický vzhled apod. Terminus technicus nátěrové hmoty je obecnější, protože pod pojem nátěry se zařazují technologie, které nanášení na povrch u jiné látky než barvy nebo laky, např. kamenivo tmelené asfaltovou emulzí. V tomto zúženém pojetí nátěrové hmoty členíme na: - barvy, - laky. 10.1 BARVY Základní složky barev jsou pigment a tekuté pojivo. Pigment je barevný, velmi jemný prach, který má obvykle přesné chemické složení. Pigmenty jsou v barvách anorganické látky. Existují i organická barviva, ta však mají význam spíše v jiných odvětvích. Pigment je dispergován v tekutém pojivu. Pojivo je viskózní látka, která dovoluje velmi jemné a rovnoměrné rozložení pigmentu a vysycháním následně zvýší viskozitu barvu v nátěru. Pigmenty jsou lidmi používány tisíce let a s vývojem se měnilo především pojivo a schopnost získávat jemnější zrna. Nejznámějšími pigmenty jsou: - přírodní hlinky - používají se k dekoraci malt na omítkách, - okry (limonit, hnědel) – chemicky jde oje o oxidy železa s načervenalou barvou, - přírodní křída – používá se do maltovin na omítky a tmelů, - ultramarín (křemičitan sodnohlinitý + síra) – modrá nebo červená barva, - suřík (oxid olova) – červená barva vysoká hmotnost a vysoká toxicita, - rumělka (sloučenina rtuti) – výrazně červená barva silně toxická, - zinková běloba.

SPSKS

Vývoj pigmentů spěje ke snížení toxicity řady anorganických sloučenin. Cesta k tomuto cíly je vytváření pigmentů technologiemi nanášení sloučenin na neškodná zrna např. sody (uhličitan sodný – zažívací soda) na jejich povrch. Pigment ta není zrnem v celém svém objemu, ale tvoří jen velmi tenký povrch. Pojiva se rovněž vyvíjí s lidským poznáním. Jejich funkcí je udržet homogenní disperzi pigmentu, umožnit dobré nanášení na povrch díky tekutosti, dobrou přilnavost k povrchu nebo dokonce prosáknutí do hloubky materiálu. Po nanesení pojiva vysychají, čímž mění svoji viskozitu. Mezi nejznámější pojiva patří od jejich vývoje: - rostlinné šťávy, - živočišné tuky, - oleje (lněný, ricinový, konopný, kokosový, sójový), - fermeže, - šelak (produkt látkové výměny červce rodu Lackshadia, který obaluje větve moruší), - kalafuna (rostlinná pryskyřice), - mastix (směs primárního přírodního asfaltu a jemné moučky vápence), - fenolformaldehydová pryskyřice (první syntetická pryskyřice), - alkynofenolické pryskyřice, - estary celulózy a nitrocelulózy, - chlorkaučuk, - polyestery,

78/85

-

vinylové polymery, voda.

Barva určená k některé z technologií nanášení (nátěr, máčení stříkání apod.), vyžaduje určitou viskozitu pojiva. Té se dosahuje pomocí rozpouštědla, které snižuje viskozitu. Je třeba mít na paměti, že rozpouštědlo je těkavá látka, která vysycháním mizí v ovzduší a obvykle zatěžuje životní prostředí (vyjma vody). Barvy někdy obsahují i balastní látky, které tvoří plnivo.

10.2 MECHANIZMY PŘILNUTÍ BARVY K POVRCHU Většina barev se nanáší na povrch v tekutém stavu a to s viskozitou, která vyhovuje dané technologii. Změna konzistence barev se děje následně několika způsoby: 1. Vyschnutím, které je způsobeno teplotou a vzduchem, přičemž nanesené vrstvy barvy odpaří rozpouštědlo. Následuje vyschnutí pojidla probíhající jako chemická reakce. Rozpouštědlo mizí v atmosféře. 2. Chemickou reakcí, která je u dvousložkových barev fakticky polyadicí nebo polymerací. Přidaná složka – tužidlo tuto reakci vyvolá. 3. Slinutím, kdy barvivo v podobě prášku je naneseno na povrch v elektrostatickém poli a následně je teplotou slinováno. Barva je takovém případě práškovitá.

10.3 LAKY

SPSKS

Laky se liší od barev tím, že jejich složení neobsahuje barvivo v podobě dispergovaného prášku. Jsou to v podstatě homogenní viskózní kapaliny. Jejich složení odpovídá pojivům u barev a mechanizmus vysychání je rovněž stejný. Laky tvoří na povrchu průhlednou nebo průsvitnou vrstvu, nekryjí povrch, ale naopak jej zvýrazňují.

10.4 ROZDĚLENÍ NEJČASTĚJI POUŽÍVANÝCH NÁTĚROVÝCH HMOT Nátěrových hmot je celá řada a u špičkových výrobků je velmi obtížné zjistit jejich složení. Pro účely této učebnice uvádíme nátěrové hmoty nejpoužívanější. Asfaltové nátěrové hmoty jsou složením koloidní roztoky asfaltu s přírodními oleji, které mají schopnost vysychat. pro úpravu viskozity se do nich přidávají rozpouštědla. Pokud se jedná o asfaltové barvy obsahují anorganické pigmenty. Polyesterové nátěrové hmoty jsou chemicky roztoky nenasycených polyesterových pryskyřic rozpuštěných ve styrénu. Laky jsou tvořeny pouze organickými pryskyřicemi. Barvy – emaily pak obsahují anorganické pigmenty. Pokud jsou na této bázi vyráběny tmely obsahují větší množství anorganických plnidel. Celulózové nátěrové hmoty mají formu laku. Složením jde o vysokoviskózní celulózu v organickém rozpouštědle. Barvy obsahují anorganické pigmenty podle odstínu barvy. Tmely obsahují větší množství anorganického plniva. Práškové nátěrové hmoty existují ve formě lepidla a emailů. To znamená, že jejich složení tvoří směs epoxidových pryskyřic s vyšší a střední molekulovou hmotností a anorganických pigmentů.

79/85

Chlórkaučukové nátěrové hmoty jsou velmi používané zejména ve stavebnictví. Vyrábí se jako barvy a vedle pigmentů a rozpouštědla obsahují ještě zvláčňovadla. Silikonové nátěrové hmoty se vyrábí ve formě barev. Jsou to velmi kvalitní barvy vynikající trvanlivostí jako ostatně všechny silikony. Lihové nátěrové hmoty se vyrábí jako politury, laky, barvy a tmely. jejich složení je založena na přírodních nebo syntetický pryskyřicích ředitelných lihem. Olejové nátěrové hmoty mají základní složení vysychavé oleje, které se pro nanášení upravují rozpouštědly do nichž se přidávají sušidla. Takto se vyrábí fermeže, barvy, laky i tmely. Syntetické nátěrové hmoty jsou složeny ze syntetických pryskyřic, které se podle druhu nátěrů doplňují pigmenty, plnivy a sušidly. Polyuretanové nátěrové hmoty existují opět jako laky, barvy i tmely. Základem je polyuretanová pryskyřice upravovaná rozpouštědly na požadovanou viskozitu. Vodové a emulzní nátěrové hmoty jsou fyzikální podstatou emulzemi (kapalina – kapalina). Vysychání má stejný mechanizmus jako v případě asfaltových emulzí. Emulgované částice jsou ve vodě chráněny proti „slití“ iontovou hrází, která povolí až po nanesení. Výhodou těchto nátěrů je ekologická bezpečnost.

SPSKS

80/85

1.0 2.0 2.1 2.2 2.3 2.3.1 2.3.2 2.3.3 2.3.4 2.4 2.4.1 2.4.2 2.4.3 2.4.4 2.4.5 2.4.6 2.4.7 2.4.8 2.4.9 2.4.10 2.5 2.6 2.6.1 2.6.2 2.6.3 2.6.4 2.6.5 2.6.6 2.6.7 2.6.8 2.6.9 3.0 3.1 3.1.1 3.1.2 3.1.3 3.1.4 3.2 4.0 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.5.1 4.5.2 4.5.3 4.5.4

ÚVOD BETON HISTORIE BETONU ROZDĚLENÍ BETONU BETON PODLE VÝZTUŽE PROSTÝ BETON ŽELEZOVÝ BETON PŘEDPJATÝ BETON VLÁKNOBETON A SÍŤOBETON BETON PODLE POUŽITÍ SILNIČNÍ BETON VODOSTAVEBNÍ BETON LEHKÝ BETON TĚŽKÝ BETON HUTNÝ LEHKÝ BETON BETON PRO MASÍVNÍ KONSTRUKCE ČERPANÝ BETON POHLEDOVÝ BETON (ARCHITEKTONICKÝ BETON) RECYKLOVANÝ BETON PĚNOBETON VÝROBKY Z BETONU SLOŽENÍ BETONU CEMENT DRUHY CEMENTŮ MINERALOGIE CEMENTŮ VÝROBA CEMENTU KAMENIVO VODA PŘÍSADY PŘÍMĚSI TECHNOLOGIE ZPRACOVÁNÍ ČERSTVÉHO BETONU MALTY SLOŽENÍ MALT POJIVA MALT KAMENIVO VODA PŘÍSADY A PŘÍMĚSI TŘÍDĚNÍ MALT ROPA A VÝROBKY Z ROPY ZÁKLADNÍ POJMY A TERMINOLOGIE VZNIK ROPY SLOŽENÍ ROPY ZÁKLADNÍ ZPRACOVÁNÍ ROPY VÝROBKY Z ROPY PLYNNÉ PRODUKTY KAPALNÉ PRODUKTY – BEZÍNY KAPALNÉ PRODUKTY – PETROLEJ KAPALNÉ PRODUKTY – MOTOROVÉ NAFTY

SPSKS

81/85

1 3 3 3 4 4 5 6 9 9 9 9 10 10 10 10 10 10 11 11 11 13 13 13 15 15 16 18 18 18 19 20 20 20 22 22 22 22 24 24 24 25 25 28 28 28 30 30

4.5.5 4.5.6 4.5.7 4.5.8 4.5.9 4.5.10 4.6 4.6.1 4.6.2 4.6.3 5.0 5.1 5.2 5.2.1 5.2.2 5.2.3 5.2.4 5.3 5.3.1 5.3.2 5.3.3 5.3.4 5.3.5 5.3.6 5.4 6.0 6.1 6.2 6.3 7.0 7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6 7.6.1 7.6.2 7.7 7.8 8.0 8.1 8.2 8.3 8.4 9.0 9.1 9.2

OKTANOVÉ A CETANOVÉ ČÍSLO KAPALNÉ PRODUKTY – MINERÁLNÍ OLEJE KAPALNÉ PRODUKTY –TOPNÉ OLEJE PEVNÉ PRODUKTY - ASFALTY ASFALTOVÉ EMULZE VÝROBKY Z ASFALTU UHLOVODÍKY MIMO ROPU BITUMENOVÉ PÍSKY A EXTRA TĚŽKÉ ROPY KEROGENNÍ HORNINY PLYNOVÉ UHLOHYDRÁTY MAZIVA MAZIVA PEVNÁ MAZIVA POLOTUHÁ (PLASTICKÁ) HLINITÁ A VÁPENATÁ PLASTICKÁ MAZIVA LITNÁ PLASTICKÁ MAZIVA SPECIÁLNÍ PLASTICKÁ MAZIVA PARAFINY A CEREZINY MAZIVA TEKUTÁ MOTOROVÉ OLEJE PŘEVODOVÉ OLEJE LOŽISKOVÉ OLEJE TURBÍNOVÉ A KOMPRESOROVÉ OLEJE HYDRAULICKÉ OLEJE KONZERVAČNÍ OLEJE MAZIVA PLYNNÁ VÝBUŠNINY ROZDĚLENÍ VÝBUŠNIN PARAMETRY PRO HODNOCENÍ VÝBUŠNIN VÝBUCHOVÉ (EXPLOZIVNÍ) HOŘENÍ – DETONAC E ZEMINY SLOŽENÍ ZEMIN ZEMINY SOUDRŽNÉ ZEMINY NESOUDRŽNÉ VNITŘNÍ STAVBA ZEMIN METRIKA ZEMIN KRITÉRIA VHODNOSTI ZEMIN ZAŘAZENÍ ZEMIN PODLE VHODNOSTI PRO PODLOŽÍ ZAŘAZENÍ ZEMIN PODLE VHODNOSTI DO NÁSYPŮ STABILIZACE ZEMIN NAMRZAVOST ZEMIN PALIVA PEVNÁ PALIVA KAPALNÁ PALIVA PLYNNÁ PALIVA BIOPALIVA KÁMEN A KAMENIVO PŘÍRODNÍ KÁMEN METRIKA KAMENE

SPSKS

82/85

31 33 33 34 35 37 37 37 38 38 39 40 40 41 41 42 42 42 43 43 43 43 43 43 43 45 46 49 50 51 51 51 52 53 53 58 59 61 61 62 64 64 64 65 65 66 66 68

9.3 9.4 9.4.1 9.4.1.1 9.4.1.2 9.4.1.3 9.4.1.4 9.4.2 9.4.2.1 9.4.2.2 9.4.2.3 9.5 9.6 9.6.1 9.7 9.8 10.0 10.1 10.2 10.3 10.4

ODLUKOVOST KAMENE POUŽITÍ KAMENE A VÝROBKY Z KAMENE KÁMEN PRO ZDIVO A JINÉ ÚČELY LOMOVÝ KÁMEN KOPÁKY HAKLÍKY KVÁDRY DLAŽEBNÍ KÁMEN A SILNIČNÍ PRVKY DLAŽEBNÍ KOSTKY CHODNÍKOVÉ OBRUBNÍKY A SILNIČNÍ KRAJNÍKY KAMENNÉ ODRAZNÍKY A ŠACHTOVÉ OBRUBNÍKY SUROVÉ KAMENNÉ BLOKY KAMENIVO ZÁKLADNÍ TERMINOLOGIE KAMENIVA METRIKA KAMENIVA SYPKÉ MATERIÁLY MIMO PŘÍRODNÍ HORNINY NÁTĚROVÉ HMOTY BARVY MECHANIZMY PŘILNUTÍ BARVY K POVRCHU LAKY ROZDĚLENÍ NEJČASTĚJI POUŽÍVANÝCH NÁTĚROVÝCH HMOT

SPSKS

83/85

69 71 71 71 72 72 73 73 73 73 74 74 75 75 75 77 78 78 79 79 79

SPSKS

84/85

SPSKS

85/85

SPSKS