MOŽNOSTI ZVÝŠENÍ UŽITNÝCH VLASTNOSTÍ LEHČENÉHO CIHLÁŘSKÉHO STŘEPU POSSIBILITIES OF LIGHT WEIGHT BRICK BODY INNOVATION

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

FAKULTA STAVEBNÍ ÚSTAV TECHNOLOGIE STAVEBNÍCH HMOT A DÍLCŮ FACULTY OF CIVIL ENGINEERING INSTITUTE OF TECHNOLOGY OF BUILDING MATERIALS AND COMPONENTS

MOŽNOSTI ZVÝŠENÍ UŽITNÝCH VLASTNOSTÍ LEHČENÉHO CIHLÁŘSKÉHO STŘEPU POSSIBILITIES OF LIGHT WEIGHT BRICK BODY INNOVATION

DIPLOMOVÁ PRÁCE MASTER'S THESIS

AUTOR PRÁCE

Bc. JAN FRIC

AUTHOR

VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR

BRNO 2013

doc. Ing. RADOMÍR SOKOLÁŘ, Ph.D.

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ FAKULTA STAVEBNÍ Studijní program Typ studijního programu Studijní obor Pracoviště

N3607 Stavební inženýrství Navazující magisterský studijní program s prezenční formou studia 3607T020 Stavebně materiálové inženýrství Ústav technologie stavebních hmot a dílců

ZADÁNÍ DIPLOMOVÉ PRÁCE Diplomant

Bc. JAN FRIC

Název

Možnosti zvýšení užitných vlastností lehčeného cihlářského střepu

Vedoucí diplomové práce

doc. Ing. Radomír Sokolář, Ph.D.

Datum zadání diplomové práce Datum odevzdání diplomové práce V Brně dne 31. 3. 2012

31. 3. 2012 11. 1. 2013

............................................. prof. Ing. Rostislav Drochytka, CSc. Vedoucí ústavu

............................................. prof. Ing. Rostislav Drochytka, CSc. Děkan Fakulty stavební VUT

Podklady a literatura [1] García-Ten, J., Férnandez,A. Recycling Marble Working Wastes in Manufacturing Ceramic Products. Part 2. DKG 2003, Vol. 80, yno. 10, p. E30-E34 [2] Vavro, M., Porodová, T., Martinec, P., Sedlák, P. Jemnozrnné odpadní podíly z úpravy drobového kameniva jako možné druhotné suroviny pro cihlářskou výrobu. Keramický zpravodaj 2008, Vol. 24, no. 4, p. 4-9 [3] Hanykýř. V, Kutzendorfner, J. Technologie keramiky. Vega 2001 [4] Lach, V. Mikrostruktura stavebních látek. druhé vydání: Nakladatelství Vysokého učení technického v Brně. červen 1991, ISBN 80-214-0309-8 Zásady pro vypracování Vývoj tepelně izolačních cihlářských tvarovek pro vnější obvodové zdivo prodělal v posledních letech značný pokrok, zejména v oblasti tepelně izolačních vlastností. Výrazné snížení objemové hmotnosti tvarovky, resp. jejího střepu vede ovšem také k výraznému poklesu pevnosti v tlaku. Cílem diplomové práce je experimentálně posoudit možnosti využití perspektivních úprav technologie výroby cihelných tvarovek typu THERM (ČSN EN 771-1) pro zvýšení pevnosti střepu při zachování tepelně izolačních vlastností. Konkrétní úkoly: - využití vláken (nanovláken) v surovinové směsi a posouzení rizika jejich vyhoření. Vliv vláken na pevnost výsušku a vypáleného střepu, - využití vhodných ostřiv bez objemových změn během výpalu (náhrada standardního ostřiva - křemenného písku - kamennou výsivkou apod.), - využití kombinace stávajících standardních vyhořívajících lehčiv (dřevěné piliny, papírenské kaly) s nevyhořívajícími (např. flokulanty, Vuppor, vodní sklo), - možnosti probarvení střepu do cihlové červeně. Tato úprava má pro výrobce jen marketingové důvody a je aktuální pro vápenaté cihlářské zeminy, které se pro výrobu tepelně izolačních tvarovek v ČR používají nejčastěji.

Abstrakt Tato práce se zabývá možnostmi použití nanovláken ke zvýšení pevnosti cihelného střepu, nahrazení běžného ostřiva - křemenného písku kamennou prosívkou, využití flokulantů jako lehčiva a probarvení střepu pomocí hutního oxidu.

Klíčová slova cihelný střep, lehčiva, nanovlákna, flokulanty, kamenná prosívka, hutní oxid, objemová hmotnost

Abstract This diploma thesis will discuss possibilities of using nanofibres to increase the strenght of the brick body, replacement of the current schrinkage reducing agent – quartz sand by stone dust, the use of flocculants as pore-forming agent and coloration of the body using iron trioxide.

Keywords brick body, pore-forming agent, nanofibres, flocculants, stone dust, iron trioxide, body density

Bibliografická citace FRIC, Jan. Možnosti zvýšení užitných vlastností lehčeného cihlářského střepu. Brno, 2013. 70 s. Diplomová práce. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, Ústav technologie stavebních hmot a dílců. Vedoucí práce doc. Ing. Radomír Sokolář, Ph. D.

Prohlášení: Prohlašuji, že jsem diplomovou práci zpracoval(a) samostatně a že jsem uvedl(a) všechny použité informační zdroje.

V Brně dne ………………..

.………………………………………. podpis autora

Děkuji vedoucímu doc. Ing. Radomíru Sokolářovi za cenné rady, konzultace a pomoc při zpracování této diplomové práce.

Jan Fric

Diplomová práce 2013

Obsah

1. Úvod......................................................................................................... 10 2. Teoretická část......................................................................................... 11 2.1. Cihlářské zeminy ............................................................................... 11 2.2. Technologie výroby cihlářských výrobků ........................................... 12 2.2.1. Těžba suroviny............................................................................ 12 2.2.3. Příprava suroviny ........................................................................ 12 2.2.4. Vytváření výrobků ....................................................................... 12 2.2.5. Sušení......................................................................................... 13 2.2.6. Výpal ........................................................................................... 13 2.2.7. Expedice ..................................................................................... 13 2.3. Ostřiva ............................................................................................... 14 2.4. Lehčení cihlářského střepu................................................................ 15 2.4.1. Dřevěné piliny ............................................................................. 16 2.4.2. Papírenské kaly .......................................................................... 17 2.4.3. Polystyren ................................................................................... 19 2.5. Flokulanty .......................................................................................... 20 2.5.1. Přísady VUPPOR 1, VUPPOR 2................................................. 21 2.6. Tripolyfosfát sodný ............................................................................ 23 2.7. Probarvování cihlářského střepu ....................................................... 24 2.7.1. Železité odprašky ........................................................................ 24 2.6. Nanovlákna ....................................................................................... 25 2.8. Vývoj cihly s ohledem na tepelně technické parametry ..................... 26 3. Cíl práce ............................................................................................... 28 4. Metodika zkoušek ................................................................................. 29

Jan Fric


4.1. Zkoušky vstupních surovin ............................................................. 29 4.2. Zkoušky plastického těsta .............................................................. 30 4.3. Zkoušky na vysušených vzorcích................................................... 31 4.4. Zkoušky na vypáleném střepu ....................................................... 33 5. Experimentální část ................................................................................. 37 5.1. Vstupní suroviny ................................................................................ 37 5.1.1. Cihlářská zemina ........................................................................ 37 5.1.2. Kamenná prosívka Luleč ............................................................ 39 5.1.3. Písek Žabčice 0-4 mm ................................................................ 39 5.1.4. Hutní oxid (PREFES) .................................................................. 40 5.2. Vytváření zkušebních vzorků ............................................................. 41 5.2. Náhrada křemenného písku kamennou prosívkou ............................ 41 5.3. Flokulanty Sokoflok ........................................................................... 47 5.4. Použití nanovláken ke zvýšení pevnosti střepu ................................. 50 5.5. Probarvení střepu pomocí hutního oxidu ........................................... 55 5.6. Aquasorb ........................................................................................... 58 5.7. Kombinace vyhořívajícího lehčiva s kamennou prosívkou a hutním oxidem ...................................................................................................... 59 6. Závěr ........................................................................................................ 63 Seznam použitých zdrojů ............................................................................. 65 Seznam použitých zkratek a symbolů .......................................................... 67 Seznam tabulek ........................................................................................... 68 Seznam obrázků .......................................................................................... 69

Jan Fric


1. Úvod Tepelně technické požadavky na stavební hmoty se neustále zvyšují. Za tímto trendem stojí především zvyšující se ceny energií a snaha zamezit jejich zbytečnému plýtvání. V cihlářské výrobě se dosahuje zlepšení tepelně technických parametrů především zvýšením pórovitosti střepu a co nejvyšším děrováním tvarovky. Pórovitost střepu se zvyšuje nejčastěji pomocí vyhořívajících lehčiv, což jsou různé odpadní materiály přidávané do plastického těsta, které při výpalu vyhoří. Dalším možným způsobem, jak zvýšit tepelný odpor zdiva je zvýšení tloušťky zdiva, což vede k paradoxní situaci, kdy výrobci uvádějí na trh čím dál větší tvarovky. Nejnovějším trendem je kombinace tvarovek s různými druhy izolačních materiálů, kde izolační materiál slouží jako výplň volných dutin. Zvýšením pórovitostí střepu dosáhneme zároveň snížení objemové hmotnosti, ale především dojde ke snížení pevnosti střepu. Proto se hledají možnosti, jak zvýšit pevnost střepu při zachování nízké objemové hmotnosti. Některé zeminy, obzvláště ty s větším obsahem vápence, po výpalu nedosahují tradiční cihlově červené barvy. I když tento fakt nemá žádný vliv na mechanické vlastnosti, snahou výrobců je barevnost střepu upravit tak, aby uspokojili požadavky zákazníka.

10


Jan Fric

2. Teoretická část 2.1. Cihlářské zeminy Vypalují se na teploty do 1100 °C. Pro výrobu jsou vhodné jíly, slíny, hlíny a spraše.Zásoby cihlářských zemin se nachází po celé republice. Jejich zásoby činí asi 1,7 miliard m3 v 320 lokalitách, ale těží se jen na v 73 místech v objemu 1,9 mil. m3 ročně. Důležitou vlastností je podíl částic do 2 µm a nad 20 µm, podle které se určuje vhodnost zeminy pro různě náročné cihlářské výrobky. [1] Tabulka 1: Cihlářské zeminy (ČSN 72 1564)

Vlastnost A B C D Obsah těžce drtitelných zrn nad 2 mm <10 % <5 % <2 % <2 % Smrštění sušením [%] 3,5-5,0 4,0-7,0 5,0-8,0 5,0-8,5 Pevnost v tahu ohybem po výpalu [MPa] >3 >5 >7 >7 Nasákavost [%] >12 >12 >12 Škodlivost cicváru nesmí snižovat pevnost o více než 20 %, žádné povrchové odštěpky cicváru hlubší než 1 mm, mrazuvzdornost nejméně 25 zmrazovacích cyklů M25, žádná náchylnost k tvorbě výkvětů, jednotná barva vypáleného střepu Vhodnost suroviny: A – cihly plné a děrované, B – duté cihly a děrované tvarovky, C- tenkostěnné cihlářské výrobky, D – krytina a obkladové výrobky

Obrázek 1:Winklerův diagram; A - základní jednoduché výrobky (plná cihla), B- zdící děrované a velkorozměrové výrobky, duté cihly, C-tenkostěnné výrobky, krytina; X1 - zrna pod 2 mm; X2 zrna 2-20 mm; X3 - zrna nad 20 mm

11


Jan Fric

2.2. Technologie výroby cihlářských výrobků 2.2.1. Těžba suroviny Cihlářská zemina se těží povrchově na hliništích, která jsou zpravidla umístěna v blízkosti cihelny. Těží se obvykle lopatovými nebo korečkovými rypadly. Natěžená zemina je poté dopravena nákladními automobily či pásovými dopravníky na haldy, kde dochází k odležení a částečné homogenizaci. Halda slouží také jako zásobárna suroviny.

2.2.3. Příprava suroviny Přípravou suroviny rozumíme technologický proces, jehož cílem je dosažení optimálních vlastností plastického těsta stabilizované po celý objem výroby. Během přípravy suroviny se provádí regulace vlastností změnou množství rozdělávací vody, ostřením, lehčením, přidáním přísad, odležením. Provádí

se také

důsledná homogenizace,

drcení,

mletí,

mísení

a

odvzdušňování.

2.2.4. Vytváření výrobků Vytváření probíhá tažením na vakuovém šnekovém lisu, kdy je plastické těsto (o vlhkosti 18 – 25 %) protlačováno lisem skrze jeho ústí. Následně je pásmo rozřezáno pomocí strunového odřezávače na jednotlivé bloky. Speciálně tvarované ústí šnekového lisu vytvoří ve tvarovce vylehčující dutiny. Střešní tašky se vyrábí ražením na tzv. revolverových lisech.

Obrázek 2: Ústí šnekového lisu [2]

12


Jan Fric

2.2.5. Sušení Proces sušení je v cihlářství velmi důležitý. Z výlisků je potřeba odstranit přebytečnou vlhkost před výpalem. Bez sušení by při výpalu unikající voda výrobky

poškodila.

Sušení

probíhá

v kanálových

nebo

komorových

sušárnách. Doba sušení se pohybuje v rozmezí 12-76 hodin v závislosti na typu výrobku. K sušení se běžně používá odpadní teplo z výpalu (z chladnoucího pásma pece). K sušení se spotřebuje 3200-5800 KJ na kg odpařené vody. Během sušení dochází k smrštění (4-6 %) výrobku.

2.2.6. Výpal Výpal probíhá v tunelových pecích při teplotě 850-1100°C po dobu 10-30 hodin v závislosti na typu výrobku. Vysušené bloky jsou naskládány na pecní vozy a zavezeny do pece. V první fázi dochází k předehřevu (předehřívací pásmo). Následuje izotermická výdrž s nejvyšší teplotou (žárové pásmo). Poté vozy pojíždějí do chladícího pásma, kde dochází k postupnému ochlazování. Během výpalu se spotřebuje 1,3-1,8 MJ tepla. Dochází k fyzikálním, chemickým a mineralogickým dějům vedoucím k dosažení vlastností konečného produktu. Dochází k vyhořívání organických látek, uvolnění vody a ztráty žíháním. Během výpalu dochází k mírnému smrštění do 1 %.

2.2.7. Expedice Vypálené a ochlazené výrobky procházejí kontrolou kvality (vizuálně, poklepem). Poté jsou zapáskovány, paletovány a baleny do smršťovací folie. Pomocí vysokozdvižných vozíků jsou přepraveny do skladovacích prostor. [1] [3]

13


Jan Fric

2.3. Ostřiva Ostřiva jsou suroviny, které přidáváme do výrobní směsi za účelem zlepšení technologických vlastností plastického těsta, výlisku či finálního výrobku. Nejčastěji se přidávají ostřiva za účelem snížení citlivosti k sušení. Použitím ostřiv dochází ke zmenšení délkového smrštění výrobku sušením. Jsou vhodná také, pokud potřebujeme zvýšit manipulační pevnost výlisků. Nejběžnějším ostřivem je křemenný písek. Negativní vlastností použití křemenného písku jsou objemové změny, ke kterým dochází při výpalu. Tyto změny

jsou

spojeny

s modifikačními

přeměnami

křemene.

S touto

skutečností se musí při výpalu počítat a chladící křivku upravit (zpomalení chlazení v blízkosti teploty 573°C) tak, aby nedošlo ke vzniku trhlin ve výrobku vlivem rychlé přeměny křemene.

Obrázek 3: Modifikační přeměny křemene

Jako ostřivo lze využít i některá lehčiva, např. elektrárenský popílek. Úspěšně lze využívat také odpadní drť z cihel, čímž zajistíme efektivní nakládání s tímto odpadem. Velmi zajímavým ostřivem může být také kamenná prosívka, která je i cenově výhodnější než křemenný písek.

14


Jan Fric

2.4. Lehčení cihlářského střepu Cihlářské tvarovky lehčíme za účelem snížení jejich objemové hmotnosti, čímž docílíme snížení objemové hmotnosti a zlepšení jejich tepelně technických parametrů, tzn. snížení součinitele tepelné vodivosti λ . Lze vylehčovat těmito způsoby:

-

vytvořením dutin

a otvorů

–

snížení samotného

objemového

zastoupení střepu ve výrobku -

zvýšením pórovitosti střepu – dosáhneme přídavkem lehčiva do výrobní směsi

-

kombinací obou výše zmíněných metod – dnes nejčastější způsob

Lehčiva jsou takové suroviny, jejichž přidáním do výrobní směsi dosáhneme ve výsledku snížení objemové hmotnosti cihlářských výrobků. Podle způsobu vylehčení rozlišujeme lehčiva na: -

přímá Jedná se o suroviny, které se přimíchají do plastického těsta a během procesu výpalu vyhoří, čímž vytvoří ve střepu pórovou strukturu. Jejich účinnost závisí na obsahu nespalitelných látek (popela). Nejběžněji se používají dřevěné piliny, papírenské kaly, ale lze využít také nejrůznější odpadní materiály (polystyren, textilní odpad, uhelný prach, odpady ze zemědělství).

-

nepřímá Tato lehčiva způsobují vylehčení střepu díky své vlastní objemové hmotnosti, která je nižší než objemová hmotnost vypáleného střepu. Podle původu mohou být přírodní (křemelina), odpady (popílek) nebo upravená (např. expandovaný perlit)

Dalším způsobem jak vylehčit cihlářský střep jsou přísady, jejichž užitím lze ovlivnit množství rozdělávací vody. Jestliže její množství zvýšíme, zvýšíme tím objem vody ve výlisku, který v procesu sušení a výpalu výlisek opouští, čímž docílíme rozsáhlejší pórové struktury. 15


Jan Fric

Lehčiva mohou mít vliv i na další vlastnosti. Mohou ovlivňovat např. citlivost k sušení, smrštění sušení, pevnost výsušku, množství rozdělávací vody. Při volbě vhodného lehčiva je zapotřebí také zvážit vhodnost použití s ohledem na uvolňování emisních plynů – zejména SO2 a CO2.

2.4.1. Dřevěné piliny Jedná se o nejběžněji používané lehčivo. Dávkují se v množství maximálně 30% objemových výrobní směsi. Před použitím je potřeba piliny přesít přes jemné síto 1-2 mm k zajištění rovnoměrného rozložení pórů. Jako lehčivo

jsou

piliny

velmi

účinné.

Jejich

výhřevnost

je

srovnatelná

s výhřevností hnědého uhlí (cca 17MJ/kg). Nejvhodnější jsou pro použití v cihlářství měkké piliny od kotoučových pil, zejména smrkové. Sypná hmotnost se pohybuje okolo hodnoty 200 kg.m-3. V posledních letech cena

Objemová hmotnost [kg.m-3]

pilin vzrůstá, proto se cihláři poohlížejí po alternativních lehčivech.

1800

1750 1700

y = -51,786x + 1730,1 R² = 0,9879

1650 1600 1550 1500

1450 0

1

2

3

4

5

6 [% hm.]

Obrázek 4: Vliv přídavku pilin na objemovou hmotnost vypáleného střepu. Zdroj údajů: [4]

Piliny zalisované ve střepu vyhořívají při teplotách 250-750°C (později než volně sypané). Při spalování dochází k uvolňování plynů - CO, CO2, CH4, H2O. Dřevo se skládá ze 70% z celulózy, 25% ligninu a 5% dalších organických a anorganických látek. Existuje domněnka, že nejdříve vyhořívá celulóza, poté lignin.

16


Jan Fric

Obrázek 5: Analýza TG, DTG, DTA vzorku pilin

2.4.2. Papírenské kaly Papírenské kaly pocházejí ze zpracování odpadového papíru. Jedná se o směs vláken, atramentů, jílů, plniv a TiO2. Papírenský kal není obecně považován za nebezpečný odpad. Část odpadu je skládkována, část spalována a vzniklý popel je poté uskladněn. Tabulka 2: Příklad chemického složení papírenského kalu

Obsah [% hm.]

SiO2

Al2O3

CaO

P2O5

Na2O

K2O TiO2 Fe2O3

37,04

20,74

36,79

0,57

0,18

0,46 0,73

0,73

Použitím papírenských kalů lze dosáhnout zvýšení pevnosti střepu i výsušku. Lze s jejich pomocí zvýšit na rozdíl od pilin mrazuvzdornost, která ale není u tvarovek typu THERM požadována. Pórová struktura vykazuje rozdílný charakter oproti směsi s pilinami – póry jsou menší. Dochází i k menšímu snížení objemové hmotnosti oproti pilinám. Výhodou je nižší obsah CO i SO2 ve spalinách. Negativní vlastností papírenských kalů je zvýšení množství rozdělávací vody, zvýšení energetické náročnosti výpalu, zvýšení citlivosti k sušení dle Bigota a smrštění sušením. [5]

17


Jan Fric

Obrázek 6: Analýza DTA, TG vzorku papírenského kalu, navážka 1g; 1-degydratace, 2vyhořívání celulózy, 3- dehydratace Ca(OH)2, 4- dehydroxylace kaolinitu, 5- dekarbonatace CaCO3,6- vznik Al-Si spinelu; [4]

Obecně lze popsat průběh výpalu papírenských kalů následovně. Od 30390 °C dochází k vyhořívání organických látek. 390-660 °C je oblast významných endotermických reakcí, kdy dochází k dehydrataci Ca(OH)2 a dehydroxilaci kaolinitu. Při teplotách 660-930 °C dochází k rozkladu vápence. K tomu je zapotřebí velké množství tepla – 1777 KJ.kg-1. To vede ke zvýšení spotřeby energie během výpalu při použití papírenských kalů jako lehčiv. Výhřevnost papírenských kalů je poměrně nízká asi 3 MJ/kg. Obsahují až 80 % nespalitelných anorganických podílů – nejčastěji vápenec a kaolinit. Obsah emisí oxidu uhelnatého i oxidu siřičitého ve spalinách je nižší než například u dřevěných pilin.

18


Jan Fric

2.4.3. Polystyren Polystyren je lehká pevná látka, která vzniká polymerizací styrenu (vinylbenzenu). Patří mezi nejrozšířenější tepelně zpracovatelné plasty. V cihlářství lze využít expandovaný polystyren jako účinné lehčivo. Lze využít recyklovaný drcený polystyren nebo může cihelna disponovat vlastní napěňovací linkou.

Obrázek 7: Polymerizace styrenu

Expandovaný polystyren podléhá teplotnímu rozkladu při teplotách 300500 °C, aniž by po něm zůstal popel. Jedná se o přímo působící lehčivo. Při vyhoření uniká ve spalinách styrén a benzen ve formě plynu, které jsou následně rozloženy na CO, CO2 a H2O. Průběh vyhoření je poměrně rychlý. Bod vznícení styrenu je větší než 450 °C, proto může být potřeba použít zařízení k dodatečnému spalování spalin, aby se zamezilo nežádoucímu úniku styrenu do ovzduší. Výhřevnost polystyrénu se pohybuje až okolo 40 MJ/kg v závislosti na objemové hmotnosti.

Obrázek 8: Analýza DTA, TG, DT vzorku polystyrenu

19

Jan Fric


2.5. Flokulanty Flokulanty jsou látky sloužící k odvodňování komunálních a průmyslových kalů na sítopásových lisech, kalolisech a odstředivkách. S jejich pomocí se čistí pitné či odpadní vody. Malé částečky nečistot (koloidní částice) není možné zachytit běžnými filtračními zařízeními. Právě k odstranění těchto malých částic se používají flokulační přípravky. Flokulanty lze rozdělit na: -

kationaktivní neionogenní anionaktivní

Nabídka výrobců flokulantů je poměrně široká. Jednotlivé produkty se vzájemně liší svým nábojem (anionaktivní, kationaktivní) a jeho velikostí (nízký, střední, vysoký, velmi vysoký), délkou řetězce polymeru (molekulární hmotností) a stupněm zesíťování. Produkty se dodávají v sypké formě jako prášek, mikrokuličky či granulát, v kapalné formě jako disperze, roztoky či emulze. Kationaktivní flokulanty se používají ve všeobecnosti na odvodnění komunálních kalů na sítopásových lisech a odstředivkách, sedimentaci s výrazným podílem látek organického původu. Jejich použití je omezené v rozsahu pH 4-9. Anionaktivní flokulanty se používají na odvodnění průmyslových kalů a sedimentaci s výrazným podílem látek anorganických (průmysl, úprava technologických a pitných vod). Použití je v rozsahu pH 112. Neionogenní flokulanty zahrnují úzký okruh flokulantů s nízkým nábojem na úrovní 0%. Používají se hlavně pro chemické kaly. [6] Flokulanty lze aplikovat v cihlářství jako nevyhořívající lehčivo. Principem jejich fungování je zvýšení množství rozdělávací vody při zachování konstantní plasticity těsta. Tím dosáhneme většího objemu vody ve výlisku, která se během sušení a výpalu odpařuje, což vede k vytvoření rozsáhlejší pórové struktury. Tato voda může být ve výlisku vázaná v různých formách (fyzikálně-mechanicky, fyzikálně-chemicky a chemicky).

20


Jan Fric

Jedná se o polyelektrolyty, které jsou schopny ovlivnit tloušťku (vodní) difuzní dvojvrstvy koloidní micely. Jejich použitím lze zvýšit, ale i snížit pracovní vlhkost těsta (technologické vody) při zachování konstantní plasticity těsta. Lze také použít elektrolyty. Známým elektrolytem, který se používal v cihelnách, které neměli krytou odležárnu je např. Ca(OH)2. V případě, že došlo k několikadennímu vystavení haldy dešťovým srážkám, potom přidání 1 až 1,5% Ca(OH)2 umožnilo snížit vysokou plasticitu cihlářské suroviny, tak aby bylo možné použít ji bez problému v pásmovém lisu.

[7]

2.5.1. Přísady VUPPOR 1, VUPPOR 2 Chemická

přísada

VUPPOR

1

byla

vyvinuta

v

první

polovině

devadesátých let minulého století v rámci spolupráce mezi Výzkumným ústavem pro petrochemii v Prievidzi a Katedrou materiálového inženýrství Stavební fakulty STU v Bratislavě. Její aplikací v cihlářské surovině bylo možno ovlivnit některé technologické pochody a vlastnosti: -

zkrácení procesu sušení vlivem poklesu hodnoty citlivosti k sušení dle Pfefferkorna

-

zkrácení procesu pálení a snížení teploty výpalu zlepšením difuze plynů v pórovitém systému střepu

-

zvýšení dávky vyhořívajících lehčiv už při malé dávce přísady bez vzniku tzv. černého jádra

-

výrazné snížení hodnoty součinitele tepelné vodivosti λ střepu už při poměrně nízké dávce

[8]

Jedná se o emulzi bílé barvy vyrobenou na bázi kondenzátu aldehydů (vyrobená z produktů ropy). Její hustota je 1140 kg/m3 a obsah sušiny má 38%. Přísada je ředitelná vodou a je hygienicky vyhovující. Negativem této přísady je její vyšší cena, ale především fakt, že v procesu sušení při teplotě nad 70°C dochází k uvolňování čpavku. Z toho důvodu je možná aplikace pouze v kanálových nebo tunelových sušárnách. Chemická přísada VUPPOR 2 byla vyvinuta s cílem dosáhnout obdobných vlastností jako přísada VUPPOR 1 a současně by měla být cenově

21


Jan Fric

přijatelnější, ekologicky příznivější a měla by být použitelná ve všech typech sušáren. Jedná se o emulzi pískové barvy vyrobenou na bázi nevyužité druhotné suroviny z výroby organických kyselin. Její hustota je 1160 kg/m3 a obsah sušiny má 54,9%. Přísada je ředitelná vodou, hodnota pH = 6,5, teplota tuhnutí pod -20°C. Byl proveden experiment, ve kterém byly vzájemně srovnány účinky přísad VUPPOR 1 a VUPPOR 2. Byl srovnáván vliv těchto přísad na neupravené surovině – zemina Hevlín (značeno P) a na surovině upravené příměsí vyhořívajících lehčiv (značeno U).

[7]

Obrázek 9: Závislost pracovní vlhkosti na dávce přísady VUPPOR 1 a 2 při aplikaci upravené a neupravené suroviny

[7]

Obrázek 10: Závislost tepelné vodivost na dávce přísady VUPPOR 1 a 2 při aplikaci upravené a neupravené suroviny

[7]

22


Jan Fric

Z grafů lze vidět, že přísada VUPPOR 1 je účinnější než přísada VUPPOR 2. Při aplikaci obou přísad dochází k poklesu hodnoty citlivosti při sušení, což umožní zkrátit proces sušení bez vzniku trhlin. Rovněž dochází k poklesu součinitele tepelné vodivosti a objemové hmotnosti střepu. I přes svou slabší účinnost může být přísada VUPPOR 2 pro cihláře zajímavá a to především pro ty, kteří nemohli kvůli uvolňujícímu čpavku přísadu VUPPOR 1 aplikovat. Výhodou této přísady oproti svému předchůdci je příznivější cena a nižší ekologická zátěž.

2.6. Tripolyfosfát sodný Vyrábí se neutralizací čisté kyseliny fosforečné louhem sodným. Jedná se o bílou práškovitou látku, která je neagresivní, nehořlavá a nejedovatá. Tripolyfosfát sodný je jednou

z hlavních složek pracích a čistících

prostředků, kde zvyšuje prací účinnost, snižuje tvrdost vody a rozpouští špínu. Dále se používá jako odmašťovač při povrchové úpravě kovů. V keramice jej lze použít jako ztekucovalo. [9] Ztekucováním rozumíme proces, kdy usilujeme o dosažení co nejnižší viskozity při co nejnižším množství rozdělávací vody. Ztekucování funguje na dvou principech. V obou případech jde o to, aby jednotlivá zrna jílových minerálů nekoagulovala. -

ztekucování pomocí elektrolytů na bázi výměny kationtů (např. vodní sklo, pyrofosforečnan sodný, hexametafosforečnan sodný, tripolyfosfát sodný, šťavelan sodný)

-

ztekucování ochrannými koloidy (např. huminové kyseliny, lignosulfan sodný, karboxymetylcelulóza)

Byla provedena studie, kde byl zkoumán vliv tripolyfosfátu na vlastnosti vypáleného střepu střešních tašek. Jako optimální dávka byla pomocí viskozimetru zjištěna dávka 0,3% tripolyfosfátu. Použitím v této dávce bylo dosaženo snížení množství rozdělávací vody o 2% při zvýšení pevnosti výsušku o 25%. Jeho použitím dochází ve vypáleném střepu ke zvýšení objemové hmotnosti, snížení nasákavosti a zvýšení pevnosti. To je důsledkem hutnější mikrostruktury vypáleného střepu. Tripolyfosfát funguje 23


Jan Fric

také jako účinné tavivo již při relativně malých dávkách a nízkých teplotách výpalu, které se používají v cihlářské výrobě. Použití tripolyfosfátu vede také k výrazným ekonomickým úsporám, zvážíme-li snížení množství rozdělávací vody a tím snížení potřebné energie v procesu sušení. [10]

Obrázek 11: Graf - ztekucující křivka tripolyfosfátu [10]

2.7. Probarvování cihlářského střepu Barevnost vypáleného cihlářského střepu závisí především na použité zemině a použitých příměsích. Největší vliv na barvu má obsah sloučenin železa, vápníku a hořčíku. Dále má vliv termodynamika a kinetika chemických reakci, přičemž rozhodující roli zde má přítomnost a hodnota parciálního tlaku redukujícího plynu (např. CO, H2, CH4), resp. jejich molární poměr. [11] Charakteristická červeno oranžová barva vypáleného střepu je důsledkem přítomnosti oxidů železa v surovině.

2.7.1. Železité odprašky Jedná se o odpad vznikající při výrobě surového železa. Surové železo je vyráběno ve vysokých pecích. Tyto pece produkují mimo surového železa také strusku, prachový výhoz a plyn. Plyn odcházející z pece je zbavován pevných částic v prachových filtrech a v mokrých odlučovačích ve formě odprašků. Pokud je obsah železa nad 45% lze jej použít jako rudný koncentrát. Často se tyto odprašky používají jako Fe–korekce při výrobě slínku. Chemické složení odprašků je obvykle velmi pestré. Mohou 24


Jan Fric

obsahovat i některé těžké kovy a látky působící karcinogenně, proto je třeba dbát pokynů uvedených v bezpečnostním listě. Při použití k výrobě stavebních materiálů nesmí docházet k ovlivnění ekologické a hygienické nezávadnosti. Jejich vhodnost pro použití v cihlářské výrobě je nutné posoudit individuálně. [12]

2.6. Nanovlákna Jako nanovlákna lze označit takový materiál, který má alespoň jeden rozměr menší než 100 nm. K prvním pokusům s výrobou nanovláken docházelo již v první polovině 20. století. Jednalo se o organická polymerní vlákna. Tato vlákna se uplatňují především v textilním průmyslu. Nejčastěji se tato vlákna vyrábí tzv. electrospinningem, což je metoda založená na elektrostatickém procesu pomocí které je možné vyrobit vlákna o průměru v rozmezí od 10 nm do několika stovek nanometrů. Teprve v nedávné době (v ČR od roku 2009) se objevuje nová třída materiálu – anorganická nanovlákna. Jsou vyráběny následnou kalcinací polymerních nanovláken vyrobených electrospinningem. Jsou složená z anorganických látek s minimálním množstvím organických nečistot. Jsou vyráběny v různém složení (např. TiO2, Li4Ti5O12, Al2O3,SiO2, ZrO2). Nejčastěji nacházejí tato vlákna uplatnění v kosmetice, solárních článcích, lithium-iontových bateriích a řadě dalších odvětvích. [13] V rámci experimentální části této práce byli testovány SiO 2 a Al2O3 vlákna pro použití v cihlářském střepu.

Obrázek 12: Porovnání tloušťky lidského vlasu s nanovlákny

25


Jan Fric

2.8. Vývoj parametry

cihly

s ohledem

na

tepelně

technické

Ohlédneme-li se za historií cihly jako stavebního materiálu, lze její vývoj popsat ve zkratce následovně. Uvažujme tedy jako výchozí bod cihlu plnou pálenou. Dalším krokem ve vývoji byla příčně děrovaná cihla typu CDm. V letech 1961-1980 se objevuje cihla typu CD Týn. Jedná se o první velkoformátové cihelné bloky. V 90. letech přichází na trh cihla typu THERM se suchou styčnou spárou mezi bloky (systém pero/drážka). Po roce 2000 se v ČR objevují první broušené cihly THERM, které umožňují zdění na tenkovrstvou maltu. Lze tedy vidět, že se nevyvíjel pouze tvar cihly, ale také samotný střep, spojovací materiál i omítky. Cílem vývoje bylo především dosáhnutí lepších tepelně technických parametrů. To ale není jediný důvod, proč lehčit cihlu. S vyšším děrováním dochází k úspoře vstupní suroviny a hlavně snížení energetické náročnosti výpalu. Větší formát, suchá styčná spára a systém zdění na tenkovrstvou maltu či použití zdící PU pěny zvyšují efektivitu práce.

Obrázek 13: Vývoj tvaru cihly určené pro jednovrstvé zdivo [14]

Současným trendem ve stavebnictví je výstavba nízkoenergetických a pasivních domů. To se promítá do požadavků normy ČSN 73 0540-2 Tepelná ochrana budov-Část 2: Požadavky. Tabulka 3: Požadavky na vnější stěnu ČSN 73 0540-2

Popis konstrukce Požadované hodnoty (UN,20) Stěna vnější

0,3

Součinitel prostupu tepla [W/(m2.K)] Doporučené Doporučené hodnoty pro hodnoty (Urec,20) pasivní budovy (Upas,20) těžká: 0,25 0,18 až 0,12 lehká: 0,20

26


Jan Fric

Za posledních 10 let se požadavky na zdivo zpřísnili asi dvakrát. U zdiva došlo k nárůstu tepelného odporu asi třikrát. Současný požadavek U = 0,25 W.m-2.K-1 pro těžkou stěnu splňuje většina bloků THERM tloušťky 440 mm na trhu. V poslední době se objevují také bloky tloušťky 500 mm, které dosahují hodnot U okolo 0,16 W.m-2.K-1 a tím splňují doporučené hodnoty pro pasivní budovy. Nejnovějším trendem k dosažení co nejlepších tepelně technických parametrů zdiva jsou bloky s vloženou tepelnou izolací (tzv. integrovaná izolace). Dutiny bloků jsou vyplněny izolačním materiálem – například expandovaný polystyren, polyuretan, minerální vata nebo perlit. Touto kombinací je možné dosáhnout hodnot až U = 0,11 W.m-2.K-1 při tloušťce bloku 440 mm. Směry dalšího vývoje v oblasti pálených cihelných bloků: 1) vývoj samotného střepu – snižování tepelné vodivosti při zachování maximální pevnosti 2) optimální rozložení otvorů – lepších tepelně technických parametrů dosahují cihly s větším množstvím malých dutin oproti cihlám s malým počtem velkých otvorů 3) kombinace s izolačním materiálem – vývoj samotného izolačního materiálu 4) vývoj zdících malt a lepidel – snižování tepelné vodivosti při zachování dobré pevnosti

Obrázek 14: Cihelné bloky s integrovaným izolačním materiálem [14]

[14] 27

Jan Fric


3. Cíl práce Cílem této práce je výzkum možností zvýšení užitných vlastností cihelného střepu. Práce se sestává z několika úkolů: 1) Možnost využití nanovláken v surovinové směsi - cílem v této části je otestovat fungování nanovláken v cihelném střepu, především jejich vliv na pevnost vysušeného a vypáleného střepu 2) Náhrada standardního ostřiva – křemenného písku jiným ostřivem - použití jiného ostřiva, u kterého by nedocházelo k natolik výrazným objemovým změnám jako u křemenného písku 3) Otestování použitelnosti flokulačních přípravků a přípravku Aquasorb jako nevyhořívajícího lehčiva fungujícím na principu zvýšení množství rozdělávací vody surovinové směsi. 4) Probarvení cihlářského střepu do cihlové červeně s využitím hutního oxidu. Zjištěné poznatky z jednotlivých částí budou aplikovány na finální směs, která bude kombinací směsi s vyhořívajícím lehčivem a zkoumaných surovin.

28


Jan Fric

4. Metodika zkoušek 4.1. Zkoušky vstupních surovin 4.1.1. Rentgenová difrakční analýza Metoda rentgenové difrakční analýzy slouží k stanovení mineralogického složení zkoumaných materiálů. Je založena na odrazu (difrakci) dopadajícího rentgenového

záření.

Na

základě

známých

hodnot

mezimřížkových

vzdáleností minerálů jsme schopni určit, jaké minerály jsou ve zkoumaném vzoru obsaženy. Materiál pro zkoušku je nutné podrtit na jemný prášek o velikosti částic pod 63 µm. Takto upravený vzorek se umístí do nosiče, který má tvar plošné formičky obdélníkového nebo kruhového tvaru a přikryje se krycím sklíčkem. Takto upravený materiál se umístí do difraktografu. Tento přístroj se skládá ze stabilizovaného zdroje záření, goniometru pro posuv vzorku, detektoru a detekčního zařízení. Jako výstup zkoušky označujeme rentgenogram nebo též difraktogram. Na ose X jsou hodnoty úhlů difraktovaného záření 2θ a na ose Y jeho intenzita. Ostrá maxima intenzity nazýváme píky. Při vyhodnocení se vyznačí hodnoty úhlů a poté pomocí tabulek stanovíme hodnoty mezirovinných vzdáleností jednotlivých píků a použitím kartotéky ASTM (American Society for Testing and Materials) se určí minerály. [15] 4.1.2. Diferenční termická analýza a gravimetrická analýza Diferenční termická analýza je dynamická, tepelně analytická metoda založená na měření rozdílů teplot mezi zkoušeným vzorkem a inertním standardem (u zahřívanými

moderních

v peci

přístrojů

měřícího

je

přístroje.

standard virtuální) V průběhu

zahřívání

současně dochází

k reakcím, při kterých je teplo uvolňováno (exotermní reakce) a nebo naopak spotřebováváno (endotermní reakce). V dnešních přístrojích je současně zaznamenávána průběžně také hmotnost vzorku, resp. změny jeho hmotnosti v závislosti na teplotě. Výstupem této zkoušky získáme DTA křivku, kde jsou zaznamenány endotermní a exotermní reakce, TG křivku zaznamenávající úbytek hmotnosti a DTG křivku, která je první derivací TG křivky. Při vyhodnocení záznamu umožňuje přesněji určit počátek a konec 29


Jan Fric

jednotlivých reakcí. Vzorky pro analýzu je nutné rozemlít na prášek o velikosti pod 63 µm. Používají se navážky v řádech cca 50 mg. Práškový vzorek se umístí do platinového případně korundového kelímku, který je osazen na rameno vah v peci. [15]

4.2. Zkoušky plastického těsta 4.2.1. Plastičnost keramického těsta dle Pfefferkorna (ČSN 72 1074) Z plastického těsta vytvoříme pomocí kovové formy zkušební těleso ve tvaru válce o průměru 33 ± 0,5 mm a výšce 40 ± 0,1 mm. Zkušební přístroj vyrovnáme pomocí stavěcích šroubů do vodorovné polohy. Zkušební těleso umístíme na podložku a spustíme na něj závaží o hmotnosti 1200g z výšky H0 = 185 mm. Poté změříme výšku deformovaného tělesa. Deformační poměr vypočteme dle vztahu:

h1

výška válečku po deformaci

[mm]

h0

výška válečku před deformací

[mm]

d

deformační poměr

[-]

Obrázek 15: Pfefferkornův přístroj; 1-podložka, 2-nosný rám, 3-uložení vodící tyče, 4-nonius, 5milimetrová stupnice, 6- vodící tyč s padací deskou, 7-spoušť

30


Jan Fric 4.2.2. Skutečná vlhkost těsta wr (ČSN 72 1565-1)

Zkušební vzorky po vytvoření zvážíme. Poté je umístíme do sušárny, kde je sušíme do konstantní hmotnosti při teplotě 110°C. Skutečnou vlhkost těsta vypočteme ze vztahu:

wr

skutečná vlhkost těsta

[%]

mz

hmotnost vzorku po vytvoření

[g]

ms

hmotnost vzorku po vysušení

[g]

4.3. Zkoušky na vysušených vzorcích 4.3.1. Citlivost k sušení Citlivostí k sušení rozumíme schopnost keramických výlisků se vysušovat bez rizika vzniku trhlin nebo deformací. Čím je citlivost k sušení vyšší, tím vyšší riziko poškození hrozí. Nejčastěji se používá nepřímá metoda podle Bigota (ČSN 72 1565-11). Citlivost k sušení se stanovuje graficky z tzv. Bigotovy křivky, která popisuje závislost vlhkosti výlisku na jeho smrštění. Odpařování vody je doprovázeno smršťováním jen do určitého kritického množství vlhkosti (wk) a dalším vysušováním se již nemění nebo jen nepatrně.

CSB citlivost k sušení dle Bigota

[-]

wr


[%]

wk

kritická vlhkost

[%]

31


Jan Fric

Obrázek 16: Bigotova křivka k určení kritické vlhkosti

Zkušební vzorky vytvořené z plastického těsta se zváží s přesností na 0,01 g. Ke zkoušce jsou potřeba dva zkušební vzorky. Zkušební sestava se skládá z digitální váhy, která je schopna zaznamenávat kontinuálně hmotnost vzorku a digitálního úchylkoměru, který je pevně upnut do držáku. Jeden vzorek umístíme na váhy a druhý vzorek se umístí na podložku, tak že na něj z vrchu tlačí hrot úchylkoměru (je nutné mezi vzorek a hrot umístit podložku, která zabrání protlačení hrotu do měkkého vzorku). Z naměřených údajů sestrojíme Bigotovu křivku.

Obrázek 17: Zkušební sestava

32


Jan Fric 4.3.4. Délková změna sušením

Délku vzorku změříme před sušením posuvným měřítkem s přesností na 0,1 mm. Po vysušení do konstantní hmotnosti vzorek opět změříme. Vyhodnotíme dle vzorce:

lz

délka vzorku po vylisování [mm]

ls

délka vzorku po vysušení [mm]

4.4. Zkoušky na vypáleném střepu 4.4.1. Kontrakčně dilatační termická analýza (DKTA) V průběhu ohřevu a ochlazování vzorku dochází k nevratným změnám, které vznikají jako důsledek fyzikálních a chemických procesů. Tyto změny stanovujeme

DKTA

analýzou.

Z hlediska

konstrukčního

uspořádání

dilatometru tvoří stěžejní část snímací nástavec se vzorkem, který je umístěn v pecním tělese. Do vnitřního prostoru pece je mimo snímacího nástavce nainstalován ještě regulační termočlánek. Vlastní měřící prvek dilatometru tvoří snímací nástavec spolu s elektronickým snímačem. Zkušební vzorky jsou připravovány nejčastěji v podobě tyčinek. V mém případě tvoří zkušební tělesa trámečky 20x20x100 mm. Tato metoda má význam při sledování lineárních změn výrobních směsí v keramice jako podklad pro optimalizaci pálících křivek. Pálící křivka se upravuje tak, aby nedošlo vlivem napětí k porušení výrobku.

33


Jan Fric

Obrázek 18: Příklad uspořádání dilatometru: 1-ocelový plášť, 2-izolace, 3-šamotové izolační těleso, 4-regulační termočlánek, 5-cussilitové topné těleso, 6-snímací nástavec se vzorkem, 7elektronický snímač

[16]

4.4.2. Délková změna výpalem Vysušené vzorky změříme posuvným měřítkem s přesností na 0,01 mm. Vzorky vypálíme a měření opakujeme. Délkovou změnu vypočteme dle vztahu:

ls

délka vzorku po vysušení [mm]

lp

délka vzorku po výpalu

[mm]

4.4.3. Celková délková změna Celková délková změna je součtem délkové změny sušením a délkové změny výpalem.

lp

délka vzorku po výpalu

lz

délka vzorku po vytvoření [mm]

[mm]

34


Jan Fric 4.4.3. Ztráta hmotnosti pálením

Zkušební vzorky zvážíme před a po výpalu. Ztrátu hmotnosti pálením vypočteme dle vztahu:

ms

hmotnost vzorku po vysušení

[g]

mp

hmotnost vzorku po výpalu

[g]

4.4.4. Nasákavost vakuovým způsobem Vysušené vzorky umístíme do exsikátoru, tak že se vzájemně nedotýkají. Poté z exsikátoru odsajeme vzduch, čímž dosáhneme vakua. Do vakuové komory napustíme vodu, tak aby byly vzorky 5 cm pod hladinou. Po 20 minutách otevřeme kohout, kterým vpustíme do nádoby vzduch, tlak uvnitř se vyrovná s atmosférickým tlakem. Vyjmeme vzorky a otřené hadrem zvážíme. Nasákavost vypočteme dle vztahu:

mn

hmotnost nasáklého vzorku

[g]

ms

hmotnost vysušeného vzorku

[g]

4.4.5. Objemová hmotnost Objemová hmotnost udává hmotnost střepu včetně dutin a pórů vztaženou na jednotku objemu. Stanovíme ji hydrostatickým vážením na vytárovaném závěsu.

ms


[g]

mn


[g]

mnv

hmotnost nasáklého vzorku hydrostaticky zváženého

[g]

35


Jan Fric 4.4.6. Zdánlivá pórovitost

Zdánlivá pórovitost udává poměr objemu otevřených pórů k celkovému objemu vzorku včetně pórů. Zkoušku provádíme společně se stanovením objemové hmotnosti a nasákavosti.

ms


[g]

mn


[g]

mnv


[g]

4.4.7. Zdánlivá hustota Zdánlivá hustota udává hmotnost vysušeného vzorku na jednotku objemu včetně uzavřených pórů. Vzorky vážíme hydrostaticky.

ms


[g]

mnv


[g]

3.4.8. Pevnost v tahu za ohybu Zkušební vzorek je podepřen dvěma podporami ve vzdálenosti l, ve vzdálenosti l/2 od podpory je vzorek zatěžován silou F, dokud nedojde k porušení vzorku. Pevnost v tahu za ohybu vypočteme dle vztahu:

F

síla v okamžiku porušení vzorku

[N]

l

rozpětí podpor

[mm]

b

šířka zkušebního vzorku

[mm]

h

tloušťka zkušebního vzorku

[mm] 36


Jan Fric

5. Experimentální část 5.1. Vstupní suroviny 5.1.1. Cihlářská zemina Pro výrobu zkušebních vzorků byla použita zemina z cihelny Novosedly (Wienerberger cihlářský průmysl a.s.).

140

křemen

Novosedly

120

I [-]

80

montmorillonit

kaolinit

křemen illit, slídy kaolinit illit, slídy

kalcit dolomit

dolomit křemen křemen illit, slídy

křemen

illit, slídy

100

60

40

20

0 50 48 46 44 42 40 38 36 34 32 30 28 26 24 22 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 Úhel [°] Obrázek 19: RTG difrakční analýza - zemina Novosedly

Mineralogické složení: illit, křemen, kalcit, kaolinit, dolomit, montmorillonit

37


Jan Fric

Obrázek 20: TG,DTG,DTA zemina Novosedly

Z výše uvedeného grafu lze vysledovat chování zeminy během výpalu. V první fázi dochází k dehydrataci až do teploty 180°C. Při teplotě 480-600°C dochází k dehydroxylaci jílových minerálů. Celková ztráta žíháním je 12,1%. Při teplotě 750-850°C dochází k dekarbonataci vápence. Úbytek hmotnosti odpovídá množství uvolněného CO2 z vápence, z čehož lze vypočítat množství vápence v zemině.

V zemině Novosedly je tedy přibližně 15,1% vápence.

38


Jan Fric

5.1.2. Kamenná prosívka Luleč - Velikost frakce: 0-2 mm - Mineralogické složení: albit, anortit, galenit, křemen, kaolinit, mikroklin, muskovit, montmorillonit. - Sypná hmotnost (v setřeseném stavu): 1790 kg.m-3 - Cena: 65 Kč/t (cena bez DPH)

5.1.3. Písek Žabčice 0-4 mm Jako křemenný písek byl použit písek z pískovny Žabčice o velikosti frakce 0-4 mm praný. Cena: 180 Kč/t (bez DPH)

Obrázek 21: písek Žabčice 0/4 - křivka zrnitosti

39


Jan Fric

5.1.4. Hutní oxid (PREFES) Hutní oxid vzniká v procesu výroby termických železitých pigmentů v Precheze a.s. Přerov. Jedná se o nepigmentový, netoxický oxid železitý s příměsí dalších prvků, vznikající při kalcinaci monohydrátu síranu železnatého (zelené skalice) na pigmentový Fe 2O3. V kalcinační peci vzniká kalcinát vyznačující se širokým velikostním spektrem částic, který obsahuje vedle primárních částic pigmentové velikosti i částice nepigmentové. Množství nepigmentových částic závisí na kalcinačních podmínkách a kvalitě vstupního monohydrátu síranu železnatého. Tyto částice jsou pro výrobu pigmentů nežádoucí – jsou bez pigmentových vlastností. Vznikají jako „přepálený“ kalcinát, který tvoří ve své podstatě hrubé, vysoce abrazivní částice oxidu železitého s malými příměsemi dalších prvků (Mn, Mg, Ti). Hutní oxid je ve výrobní technologii vydělován od pigmentových částic jako samostatný výrobek. Dříve byl hutní oxid produkován v několikanásobném množství oproti dnešní produkci. Tento meziprodukt byl expedován po železnici do hutí – odtud plyne jeho název. Po roce 1989 o něj ocelárny přestaly projevovat zájem a hutní oxid byl skládkován. Od roku 2008 projevují zájem o tuto surovinu výrobci cementu, kde je Prefes používán jako Fe-korekce při výrobě slínku, a producenti chemikálií na úpravu vody. Tabulka 4: Chemické složení, XRF analýza - PREFES

% hm.

Fe2O3 TiO2 MnO MgO SO3 ZnO SiO2 Al2O3 97,78 1,04 0,23 0,16 0,08 0,05 0,03 0,01

Obrázek 22: Analýza velikosti částic - Prefes

Střední velikost částic: 275 µm Cena: 30-100 Kč/t 40


Jan Fric

5.2. Vytváření zkušebních vzorků Ve všech částech experimentální části byli zkušební vzorky vytvořeny následovně. Nejprve byla v homogenizátoru homogenizována suchá směs. Poté bylo vytvořeno plastické těsto a uloženo na 24 hodin k odležení uzavřeno v nepropustném igelitovém pytli. Zkušební vzorky byly zhotoveny metodou ručního stloukání do kovové formy (100x50x20 mm). Následně byly ponechány k sušení v laboratorních podmínkách a před výpalem byly dosušeny v laboratorní sušárně do konstantní hmotnosti při teplotě 110°C. Takto vysušené zkušební vzorky byly vypáleny v laboratorní peci na maximální teplotu 850°C.

Obrázek 23: Kovová forma pro výrobu zkušebních těles

5.2. Náhrada křemenného písku kamennou prosívkou Jako křemenný písek byl použit písek z lomu Žabčice frakce 0-4 mm. Aby bylo možné srovnávat vzájemně kamennou prosívku a křemenný písek jako ostřivo, bylo nejprve nutné sjednotit jejich zrnitostní křivky. Pomocí sítového rozboru jsem určil zastoupení jednotlivých frakcí kamenné prosívky Luleč a podle ní pak upravil křivku zrnitosti písku. Tabulka 5: Podíl zastoupení jednotlivých frakcí kamenné prosívky Luleč

Síto [mm] Zůstatek [g] [%]

Celkový zůstatek [%] Celkový propad [%]

2

0,00

0,00

0,00

100,00

1

0,00

0,00

0,00

100,00

0,5

51,89

10,38

10,38

89,62

0,25

150,25

30,05

40,43

59,57

0,125

197,01

39,40

79,83

20,17

0,063

87,93

17,59

97,42

2,58

<0,063

12,92

2,58

100,00

0,00

∑

500,00

100,00

41


Jan Fric 100

Propad hmotnostní [%]

90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0

0,063

0,125

0,25

0,5

1

2

Průměr oka d [mm] Obrázek 24: Kamenná prosívka Luleč - křivka zrnitosti

Vytvořil jsem zkušební vzorky, kde bylo nahrazeno 10, 20 a 40 % hmotnosti zeminy pískem (A) a kamennou prosívkou Luleč (B). Tabulka 6: Naměřené a vypočtené hodnoty – část 1

REF A

B

Dávka

wr

DS

CSB

DP

DC

ZP

(%)

(%)

(%)

(-)

(%)

(%)

(%)

0 10 20 40 10 20 40

25,2 22,6 19,7 16,2 22,9 22,1 17,8

-5,64 ± 0,25 -5,66 ± 0,15 -4,37 ± 0,24 -3,26 ± 0,42 -4,48 ± 0,32 -5,00 ± 0,22 -3,67 ± 0,17

0,76 0,50 0,63 0,67 0,58 -

-0,18 ± 0,17 0,22 ± 0,11 0,29 ± 0,15 0,55 ± 0,06 -0,23 ± 0,16 0,03 ± 0,12 0,72 ± 0,03

-5,79 ± 0,24 -5,45 ± 0,24 -4,09 ± 0,35 -2,73 ± 0,49 -4,70 ± 0,46 -4,98 ± 0,22 -2,98 ± 0,14

11,22 ± 0,05 10,22 ± 0,06 9,15 ± 0,01 7,03 ± 0,03 10,26 ± 0,02 9,33 ± 0,01 7,48 ± 0,04

Tabulka 7: Naměřené a vypočtené hodnoty - část 2

Dávka (%) REF A

B

0 10 20 40 10 20 40

NS PZ OH ZH σpo -3 -3 (%) (%) (kg.m ) (kg.m ) (MPa) 22,5 ± 0,6 38,5 ± 0,6 1715 ± 17 2789 ± 11 9,5 ± 1,5 20,1 ± 0,3 35,5 ± 0,6 1767 ± 5 2739 ± 21 7,1 ± 0,5 18,6 ± 0,4 33,9 ± 0,7 1819 ± 3 2752 ± 26 7,3 ± 0,6 16,5 ± 0,2 31,3 ± 0,2 1898 ± 7 2764 ± 2 5,8 ± 0,3 20,7 ± 0,2 36,3 ± 0,2 1755 ± 7 2756 ± 5 8,7 ± 0,9 19,8 ± 0,1 35,2 ± 0,1 1784 ± 1 2756 ± 5 7,9 ± 1,1 17,8 ± 0,2 33,0 ± 0,3 1857 ± 8 2773 ± 0 7,0 ± 0,6

42


Jan Fric

Pevnost v tahu za ohybu 10,00

[MPa]

9,00 8,00 písek

7,00

prosívka

6,00 5,00 0

10

20

40

Hmotnostní náhrada [%] Obrázek 25: Graf - Pevnost v tahu za ohybu

Objemová hmotnost 1900

[kg.m-3]

1850 1800

písek prosívka

1750 1700 0

10

20

40

Hmotnostní nahrada [%] Obrázek 26: Graf - Objemová hmotnost

Nasákavost 23,0 22,0

[%]

21,0 20,0 19,0

písek

18,0

prosívka

17,0 16,0 0

10

20

40

Hmotnostní náhrada [%] Obrázek 27: Graf - Nasákavost

43


Jan Fric

Délkové smrštění sušením (DS) -6,00 -5,50

[%]

-5,00 -4,50

písek

-4,00

prosívka

-3,50 -3,00

0

10 20 Hmotnostní náhrada [%]

40

Obrázek 28: Graf - Délkové smrštění sušením

Celkové délkové smrštění (DC) -6,00 -5,50

[%]

-5,00 -4,50 písek

-4,00

prosívka

-3,50 -3,00 -2,50 0

10 20 Hmotnostní náhrada [%]

40

Obrázek 29: Graf - celkové délkové smrštění

Se vzrůstající dávkou ostřiva dochází ke snižování pevnosti v tahu za ohybu. Vyšších pevností dosahují vzorky s kamennou prosívkou, ale žádná ze směsí nedosáhla hodnot referenční směsi. Nejvyšších pevností bylo dosaženo u vzorků s 10 % kamenné prosívky, kde došlo ke snížení pevnosti o 26 % oproti referenčním. Nejnižších hodnot dosáhli vzorky se 40 % křemenného písku, kde došlo ke snížení pevnosti o 39 %. Objemová hmotnost naopak se vzrůstající dávkou ostřiva roste. Vzorky s křemenným pískem mají objemovou hmotnost vyšší než vzorky se stejnou dávkou kamenné prosívky. Se vzrůstající dávkou se rozdíl mezi objemovými hmotnostmi těchto ostřiv zvyšuje. 44


Jan Fric

Nasákavost s dávkou ostřiva klesá. Použitím křemenného písku je dosaženo nižších nasákavostí oproti kamenné prosívce. Zvyšující dávka ostřiva má příznivý vliv na snížení délkového smrštění sušením i celkového smrštění. Velký rozdíl se projevil v dávce 10 %, kde s kamennou

vzorky

prosívkou

dosáhli

nižšího

smrštění.

U

vzorků

s křemenným pískem téměř nedošlo ke snížení. V dávce 20 % ale dosáhli nižšího smrštění vzorky s pískem. V této dávce byly dokonce naměřeny u vzorků s kamennou prosívkou vyšší hodnoty smrštění oproti vzorkům s dávkou 10 %. Vzorky s nejvyšší dávkou ostřiva byly podrobeny DKTA analýze, jelikož je zde největší předpoklad, že se vzájemné odlišnosti projeví. Při teplotě okolo 570°C je u vzorku s pískem patrný strmější růst délkové změny. To je způsobeno vyšším obsahem křemene v písku, kdy dochází k modifikační přeměně z β-křemene na α-křemen. U vzorků s kamennou prosívkou dochází k postupnému růstu délkové změny oproti vzorku s pískem, kde dojde prudkému nárůstu během zvyšování teploty a poté dochází při ochlazování k postupnému smrštění vzorku. 1,4 písek 40% 1,2

Délková změna [%]

prosívka 40% 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 0

100

200

300

400

500 600 Teplota [°C]

700

800

900

1000

1100

Obrázek 30: Graf - DKTA analýza

Nejnižší hodnoty citlivosti k sušení dle Bigota dosáhl vzorek s 10% dávkou písku. Ve všech případech došlo ke snížení citlivosti k sušení oproti referenčnímu vzorku, kde je CSB = 0,76. Jelikož je tato hodnota menší než 1 můžeme zeminu Novosedly označit jako surovinu málo citlivou k sušení. 45

30

wk=14,9 % CSB=(22,4-14,9)/14,9= 0,50

wk=12,1 % CSB=(19,8-12,1)/12,1= 0,63

wk=13,7 % CSB=(22,9-13,7)/13,7= 0,67

wk=13,9 % CSB=(22,0-13,9)/13,9= 0,58

25

wk=14,2 CSB=(25,0-14,2)/14,2= 0,76

Vlhkost [%]

20

15

10

5

referenční

písek 20%

písek 10%

prosívka 20%

prosívka 10%

0 0

-0,5

-1

-1,5

-2

-2,5

-3

-3,5

-4

-4,5

-5

-5,5

-6

-6,5

Délkové smrštění [%] Obrázek 31: Bigotova křivka - křemenný písek, kamenná prosívka

46


Jan Fric

5.3. Flokulanty Sokoflok V rámci této práce byly testovány flokulanty od společnosti SOKOFLOK s.r.o. K dispozici byli vzorky S16, 20, 26, 26 CK, 30 (kationaktivní) a vzorky 53, 56, 59, 62 a 64 CN (anionaktivní). Z této řady byl vybrán pro testování vzorek S26 a S59.

Obrázek 32: Flokulanty SOKOFLOK

Jedná se o bílý jemně zrnitý prášek. Pro úpravu kalů se používá koncentrace 0,1-0,3 %. Pro výrobu zkušebních vzorků byly použity v koncentraci 0,1 %.

Flokulant byl po navážení ručně rozmíchán

v rozdělávací vodě. V obou případech došlo po vsypání do vody k vytvoření pozorovatelných shluků. Flokulant S26 měl vliv na chování kapaliny, kdy došlo k mírnému zvýšení viskozity (po vytažení tyčinky z kádinky se kapalina táhla). U flokulantu S59 nebyli pozorovány změny na chování kapaliny. Při vytváření byla srovnána plasticita těsta k referenčnímu vzorku s deformačním poměrem 0,7. V případě S26 došlo ke zvýšení rozdělávací vody o 3,5 % a u S59 o 1,8 %. Tabulka 8: Naměřené a vypočtené hodnoty - část 1

dávka (%) REF S26 S59

Wr (%) 0 25,2 0,1 25,7 0,1 25,3

DS (%) -5,64 ± 0,25 -5,57 ± 0,14 -5,77 ± 0,25

CSB (-) 0,76 0,80 0,76

DP (%) -0,18 ± 0,17 -0,08 ± 0,23 -0,01 ± 0,26

DC (%) -5,79 ± 0,24 -5,65 ± 0,24 -5,78 ± 0,40

ZP (%) 11,22 ± 0,05 11,36 ± 0,03 11,34 ± 0,02 47


Jan Fric Tabulka 9: Naměřené a vypočtené hodnoty - část 2

dávka (%) REF S26 S59

NS (%) 0 22,5 ± 0,6 0,1 20,7 ± 0,3 0,1 21,4 ± 0,7

PZ OH ZH σpo -3 -3 (%) (kg.m ) (kg.m ) (MPa) 38,5 ± 0,6 1715 ± 17 2789 ± 11 9,5 ± 1,5 35,7 ± 0,6 1722 ± 1 2677 ± 25 9,1 ± 0,7 37,1 ± 1,3 1731 ± 2 2753 ± 57 11,2 ± 0,6

kg.m-3

Objemová hmotnost 1735 1730 1725 1720 1715 1710 1705 REF

S26

S59

Obrázek 33: Graf - objemová hmotnost - Sokoflok

%

Nasákavost 22,5 22,0 21,5 21,0 20,5 20,0 19,5 REF

S26

S59

Obrázek 34: Graf - nasákavost – Sokoflok

Pevnost v tahu za ohybu 11,5 11,0 MPa

10,5 10,0 9,5 9,0 8,5 8,0 REF

S26

S59

Obrázek 35: Graf - pevnost v tahu za ohybu – Sokoflok

48


Jan Fric

Délkové smrštění sušením, celkové smrštění -5,80 -5,75 -5,70 DS

-5,60

DC

%

-5,65

-5,55 -5,50

REF

S26

S59

-5,45 Obrázek 36: Graf - délkové smrštění sušením, celkové délkové smrštění – Sokoflok

Na první pohled je patrné, že nedošlo ke snížení objemové hmotnosti použitím flokulantů, i když jejich použitím došlo k mírnému zvýšení rozdělávací vody. Nejvyšší pevnost byla naměřena u vzorku s přídavkem S59. U vzorků s flokulantem S26 došlo k mírnému snížení nasákavosti a rovněž bylo dosaženo nejnižších hodnot délkového a celkového smrštění. Co se týče citlivosti k sušení, nedošlo ke snížení oproti referenční směsi. Jistý vliv tedy tyto flokulanty na výrobní směsi měli, ale pro lehčení cihlářského střepu se zdají být nevhodné. 30

wk=14,4% CSB=(25,4-14,4)/14,4= 0,76

25

Vlhkost [%]

20

15

10

referenční

wk=14,3 % CSB=(25,7-14,3)/14,3= 0,80

S26

5

S59 0 0

Délkové smrštění [%]

-1

-2

-3

-4

-5

-6

-7

Obrázek 37: Graf - Bigotova křivka – flokulanty

49


Jan Fric

5.4. Použití nanovláken ke zvýšení pevnosti střepu V této části práce byl zkoumán vliv nanovláken na vlastnosti vysušeného a vypáleného střepu. Pro experiment byly použity 2% vodní disperze (20 g/l) nanovláken SiO2 a Al2O3 od výrobce Pardam s.r.o. Tato nanovlákna byla vybrána k experimentu kvůli nízkému riziku vyhoření, které je např. u uhlíkových vláken vysoké. Nanovlákna ve vodní disperzi měli velkou tendenci sedimentovat, zejména u disperze s SiO2 docházelo k úplnému usazení na dně během několika desítek vteřin. Z tohoto důvodu byla použita k rozmíchání disperze ultrazvuková čistička šperků a jiných drobných předmětů. Ihned poté bylo odebráno do injekční stříkačky potřebné množství suspenze.

Obrázek 38: Vodní disperze SiO2 a Al2O3 nanovláken

Toto množství bylo stanoveno na základě výpočtu, kdy bylo uvažováno zvýšení ceny na cihelný blok tloušťky 440 mm o 5 a 10 Kč. Uvažujeme-li hmotnost výlisku 28kg s vlhkostí 20%, získáme po vysušení blok o hmotnosti cca 23kg. Při současné ceně nanovláken 8 EUR/g (směnný kurz 1 EUR = 25 Kč) nám vychází tyto hodnoty: Tabulka 10: Výpočet množství dávky nanovláken dle aktualní ceny

Zvýšení ceny Obsah

Obsah

Obsah disperze na

bloku

nanovláken [g]

disperze/blok [ml]

1 kg směsi [ml]

o 5 Kč

0,025

1,25

0,054

o 10 Kč

0,05

2,5

0,109 50


Jan Fric

Jelikož výsledná dávka na 1 kg směsi je velmi nízká, bylo uvažováno s optimističtější variantou, kdy předpokládáme, že v budoucnu by cena nanovláken mohla klesnout na 0,5 EUR/g (tedy 16x nižší). Tabulka 11: Výpočet množství dávky nanovláken s cenou 0,5 EUR/g

Zvýšení ceny Obsah

Obsah

Obsah disperze na 1

bloku

nanovláken [g]

disperze/blok [ml]

kg směsi [ml]

o 5 Kč

0,4

20

0,87

o 10 Kč

0,8

40

1,74

Byly vytvořeny 4 směsi, kde bylo použito od obou typů vláken nízké a vysoké množství odpovídající zvýšení ceny bloku o 5 a 10 Kč. Tabulka 12: Naměřené a vypočtené hodnoty - část 1

Dávka wr DS (ml/kg) (%) (%) REF 25,2 -5,64 ± 0,25 0,87 24,5 -5,82 ± 0,40 SiO2 1,74 25,1 -5,63 ± 0,17 0,87 24,6 -5,68 ± 0,18 Al2O3 1,74 24,5 -5,66 ± 0,36

CSB DP DC ZP (-) (%) (%) (%) 0,76 -0,18 ± 0,17 -5,79 ± 0,24 11,22 ± 0,05 0,76 0,07 ± 0,05 -5,75 ± 0,42 11,29 ± 0,01 0,84 -0,18 ± 0,20 -5,81 ± 0,23 11,27 ± 0,02 0,76 -0,03 ± 0,19 -5,71 ± 0,33 11,26 ± 0,02 0,84 -0,12 ± 0,23 -5,78 ± 0,34 11,24 ± 0,02


Dávka NS PZ OH ZH -3 (ml/kg) (%) (%) (kg.m ) (kg.m-3) 22,5 ± 0,6 38,5 ± 0,6 1715 ± 17 2789 ± 11 REF 21,5 ± 0,3 37,4 ± 0,4 0,87 1741 ± 8 2781 ± 5 SiO2 21,6 ±0,2 37,5 ± 0,2 1,74 1732 ± 9 2770 ± 6 21,5 ± 0,3 37,4 ± 0,3 0,87 1738 ± 8 2775 ± 7 Al2O3 21,4 ± 0,3 37,3 ± 0,4 1,74 1741 ± 9 2778 ± 5

σpo – vyp. σpo – vys. (MPa) (MPa) 9,5 ± 1,5 3,8 ± 0,4 10,8 ± 1,9 3,8 ± 0,5 12,6 ± 2,2 3,9 ± 0,5 12,8 ± 2,0 4,0 ± 0,6 12,8 ± 0,5 3,7 ± 0,3

Přídavek nanovláken se projevil mírným zvýšením pevnosti v tahu za ohybu oproti referenční směsi. V případě vyšší dávky Al 2O3 vláken byly naměřeny nižší pevnosti oproti směsi s nižší dávkou vláken. Naměřené pevnosti výsušků se téměř neliší od referenční směsi. V případě Al2O3 vláken byla naměřena nižší pevnost u vyšší dávky než u dávky nižší. Objemová

hmotnost

po

přídavku

vláken

mírně

vzrůstá.

Naopak

nasákavost u všech směsí klesla přibližně o 1%. Nanovlákna nemají žádný vliv na délkové smrštění ani celkové délkové smrštění – byly naměřeny hodnoty v podstatě identické s referenční směsí. Citlivost k sušení zůstává u 51


Jan Fric

nízké dávky stejná jako u referenční směsi. U směsí s vyšší dávkou vláken citlivost k sušení mírně vzrostla.

MPa

Pevnost v tahu za ohybu 13 12,5 12 11,5 11 10,5 10 9,5 9

SiO2 Al2O3

0

0,87 dávka [ml/kg]

1,74

Obrázek 39: Graf - pevnost v tahu za ohybu - nanovlákna

Pevnost výsušku v tahu za ohybu 4,1

MPa

4

3,9 SiO2

3,8

Al2O3

3,7 3,6 0

0,87

1,74

dávka [ml/kg] Obrázek 40: Graf – pevnost výsušku v tahu za ohybu – nanovlákna

kg.m-3

Objemová hmotnost 1745 1740 1735 1730 1725 1720 1715 1710

SiO2 Al2O3

0

0,87 dávka [ml/kg]

1,74

Obrázek 41: Graf - objemová hmotnost – nanovlákna

52


Jan Fric

Nasákavost 22,5 22,3 %

22,1 21,9

SiO2

21,7

Al2O3

21,5 21,3 0

0,87

1,74

dávka [ml/kg] Obrázek 42: Graf - nasákavost – nanovlákna

Délkové smrštění sušením (DS) -5,85 -5,80 %

-5,75 SiO2

-5,70

Al2O3

-5,65 -5,60 0

0,87

1,74

dávka [ml/kg]

Obrázek 43: Graf - délkové smrštění sušením - nanovlákna

Celkové délkové smrštění (DC) -5,82

-5,80 %

-5,78 -5,76

SiO2

-5,74

Al2O3

-5,72 -5,70 0

0,87

1,74

dávka [ml/kg]

Obrázek 44: Graf - celkové délkové smrštění – nanovlákna

53

30,00

wk=13,8 % CSB=(24,4-13,8)/13,8 = 0,76

wk=14,0 % CSB=(24,7-14,0)/14,0= 0,76

wk= 13,8 % CSB= (25,4-13,8)/13,8= 0,84

25,00

wk=13,5 % CSB= (24,9-13,5)/13,5= 0,84

w (%)

20,00

15,00

10,00

SiO2 nižší dávka SiO2 vyšší dávka Al2O3 nižší dávka

5,00

Al2O3 vyšší dávka referenční

wk=14,2 % CSB=(25,0-14,2)/14,2= 0,76

0,00 0

-1

-2

-3

DS (%)

-4

-5

-6

-7

Obrázek 45: Graf - Bigotova křivka – nanovlákna

54

5.5. Probarvení střepu pomocí hutního oxidu K experimentu

byl

použit

hutní

oxid

(obchodní

název

PREFES)

pocházející z provozu PRECHEZA a.s. Jedná se o nepigmentovaný, netoxický oxid železitý s příměsí dalších prvků provázející výrobu termických železitých pigmentů. Díky svým vlastnostem je v další technologii výroby železité červeně dále nepoužitelný, a proto je z výrobního procesu pomocí hydroseparace oddělován. Byly namíchány směsi s obsahem 3 a 6 % hmotnostních. Před vmícháním do suché směsi byl hutní oxid rozemlet a následně přeset přes síto 0,5 mm.

Obrázek 46: hutní oxid - PREFES (PRECHEZA a.s.)


PREFES

dávka (%) 0 3 6

wr (%) 25,2 25,6 25,8

DS (%) -5,64 ± 0,25 -5,87 ± 0,05 -6,12 ± 0,20

CSB (-) 0,76 0,78 0,58

DP (%) -0,18 ± 0,17 -0,49 ± 0,17 -0,12 ± 0,12

DC (%) -5,79 ± 0,24 -6,33 ± 0,12 -6,23 ± 0,22

ZP (%) 11,22 ± 0,05 10,83 ± 0,04 10,39 ± 0,38


dávka (%) PREFES

NS (%) 0 22,5 ± 0,6 3 22,3 ± 0,1 6 22 ± 1,0

PZ OH (%) (kg.m-3) 38,5 ± 0,6 1715 ± 17 38,7 ± 0,1 1739 ± 2 39 ± 1,0 1744 ± 8

ZH σpo (kg.m-3) (MPa) 2789 ± 11 9,5 ± 1,5 2836 ± 4 11,5 ± 0,5 2841 ± 27 11,5 ± 1,5

55

Se vzrůstajícím množstvím hutního oxidu ve střepu dochází ke zvyšování objemové hmotnosti. U vzorků s přídavkem PREFESu došlo ke zvýšení pevnosti v tahu za ohybu, ale u obou dávek jsou pevnosti téměř shodné. Nasákavost se zvyšující dávkou PREFESu klesá. To je zřejmě způsobeno vyšším obsahem železa, které usnadňuje slinování střepu. Délkové smrštění sušením se zvýšením množství ve směsi zvyšuje. Celkové délkové smrštění je také vyšší u vzorků s hutním oxidem. K poklesu citlivosti k sušení došlo až u vzorku s 6 % PREFESu.

Objemová hmotnost 1745 1740

kg.m-3

1735 1730 1725 1720 1715 1710 0

3

6

dávka [% hm.] Obrázek 47: Graf - objemová hmotnost - PREFES

Pevnost v tahu za ohybu 12,000 11,500

MPa

11,000 10,500 10,000 9,500 9,000 0

3

6

dávka [% hm.] Obrázek 48: Graf - pevnost v tahu za ohybu - PREFES

56

%

Nasákavost 22,5 22,5 22,4 22,4 22,3 22,3 22,2 22,2 22,1 0

dávka [% hm.]

3

6

Obrázek 49: Graf - nasákavost - PREFES

Délkové smrštění sušením a celkové délkové smrštění -6,50

%

-6,30 -6,10

DS

-5,90

DC

-5,70 -5,50 0

3

dávka [% hm.]

6

Obrázek 50: Graf - délkové smrštění sušením a celkové délkové smrštění - PREFES

30

wk=15,4 % CSB=(25,8-16,3)/16,3= 0,67

wk=14,4 % CSB=(25,7-14,4)/14,4= 0,78

25

Vlhkost [%]

20

15

10

referenční

Fe 3%

5

wk=14,2 % CSB=(25,0-14,2)/14,2= 0,76

Fe 6% Délkové smrštění [%]

0 0

-1

-2

-3

-4

-5

-6

-7

Obrázek 51: Bigotova křivka - PREFES

57

Přídavek hutního oxidu se projevil na první pohled pozorovatelnou změnou zabarvení střepu do tmavě červené barvy (viz obr.).

Obrázek 52: Probarvení střepu přídavkem 3 a 6 % hutního oxidu PREFES (zleva 0 %,3 %,6 %)

5.6. Aquasorb Přípravek Aquasorb (Sokoflok s.r.o.) je určen pro použití v zemědělství, kde je používán přimícháním do půdy nebo substrátu jako retenční činidlo, které je schopno zadržet velké množství vody a nutrientů. Při nedostatku vody ji rostlinám postupně uvolňuje. Výrobce uvadí schopnost zadržet až 500 násobek

svojí

hmotnosti.

Aquasorb

je

založen

na

bázi

polymeru

polyakrylamidu.

Obrázek 53: Přípravek Aquasorb

Myšlenkou tohoto experimentu bylo vmíchání přípravku do výrobní směsi a zvýšení množství vody ve střepu, které by po vysušení vedlo k vytvoření pórové struktury. Přípravek byl kvůli velké hrubosti rozemlet na jemný prášek a poté vmíchán do směsi. Jeho množství ve směsi bylo z důvodu neúspěšného vytvoření plastického těsta neustále snižováno až k hranici 0,2% hmotnostních. Aquasorb po absorbování vody vytvoří gel, který je pružný. To se při vyšších dávkách projevilo tak, že jednotlivé kusy zeminy 58

pružili a nebylo možné je spojit v jeden celek. Podobně fungoval i v menším množství, kdy se těsto drobilo a nikdy nedošlo ke spojení zeminy s gelem. Další testování bylo proto ukončeno.

5.7. Kombinace vyhořívajícího prosívkou a hutním oxidem

lehčiva

s kamennou

Na konci experimentální části bylo užito poznatků z jednotlivých provedených pokusů. Použití nanovláken bylo zavrhnuto, jelikož jejich vliv na vypálený střep uvážíme-li jejich vysokou cenu není dostatečným přínosem. Z ostřiv jsem se rozhodl použít kamennou prosívku v množství 10%. V tomto množství došlo k nejnižšímu poklesu pevnosti střepu a její výhodou je nižší cena oproti křemennému písku. Dále byl použit hutní oxid v množství 6%, jelikož jeho použitím chceme docílit především změnu barevnosti vypáleného střepu. Jako vyhořívající lehčivo byly použity smrkové piliny v množství 25 % objemových. Celkem tedy byly vytvořeny 3 směsi: Tabulka 16: Receptury směsí

Piliny [% obj.] A B C

kamenná prosívka Fe-odprašky tripolyfosfát sodný [% hm.] [% hm.] [% hm. zeminy] 25 0 0 0 25 10 6 0 25 10 6 0,3

Tripolyfosfát sodný byl použit s cílem zvýšit pevnost střepu při zachování objemové hmotnosti. Byl rozmíchán v rozdělávací vodě. Jeho použitím došlo ke snížení množství rozdělávací vody o 3,6%. Piliny byly přesety přes síto 2 mm a následně homogenizovány se zbytkem směsi v homogenizátoru. Tabulka 17: Naměřené a vypočtené hodnoty - část 1

A B C

wr DS CSB DP DC ZP (%) (%) (-) (%) (%) (%) 26,3 -4,44 ± 0,43 0,69 0,25 ± 0,11 -4,35 ± 0,46 14,96 ± 0,04 24,0 -4,09 ± 0,28 0,62 0,29 ± 0,06 -3,81 ± 0,28 13,89 ± 0,80 23,7 -3,96 ± 0,13 0,58 0,23 ± 0,07 -3,73 ± 0,12 13,39 ± 0,03

59


NS (%) A B C

PZ (%)

OH ZH σpo -3 -3 (kg.m ) (kg.m ) (MPa) 48,0 ± 0,3 1443 ± 8 2776 ± 3 6,1 ± 0,6 47,2 ± 0,2 1511 ± 5 2862 ± 2 5,2 ± 0,4 46,4 ± 0,2 1526 ± 6 2848 ± 8 5,3 ± 0,3

33,3 ± 0,4 31,2 ± 0,2 30,4 ± 0,2

Objemová hmotnost

kg.m-3

1550 1500 1450 1400

A

B

C

Obrázek 54: Graf - objemová hmotnost

6,5

Pevnost v tahu za ohybu

MPa

6,0 5,5 5,0 4,5 A

B

C

Obrázek 55: Graf - pevnost v tahu za ohybu

Nasákavost

34,0 33,0

%

32,0 31,0 30,0 29,0 28,0 A

B

C

Obrázek 56: Graf – nasákavost

60

Délkové smrštění sušením (DS) a celkové délkové smrštění (DC) -4,60 -4,40

%

-4,20 -4,00

DS

-3,80

DC

-3,60 -3,40 -3,20 A

B

C

Obrázek 57: Graf - délkové smrštění sušením a celkové smrštění

U směsi A bylo dosaženo nejnižší objemové hmotnosti. Tento výsledek se dal kvůli absenci ostřiva a hutního oxidu očekávat. U směsi C bylo dosaženo mírně zvýšené objemové hmotnosti oproti směsi B. Toto přisuzuji vlivu tripolyfosfátu sodného na výrobní směs. Pevnost v tahu za ohybu je nejvyšší u směsi A. U směsi B je pevnost o 1 MPa nižší. Díky tripolyfosfátu bylo dosaženo u směsi C pouze velmi mírného zvýšení pevnosti oproti směsi B. Použitím kamenné prosívky a hutního oxidu bylo docíleno mírného snížení nasákavosti. Nasákavost směsi C je nižší než u směsi B, což potvrzuje účinek tripolyfosfátu sodného na pórovou strukturu střepu. Délkové smrštění sušením a celkové délkové smrštění se u směsi B a C oproti směsi A snížilo. Citlivost k sušení je nejvyšší u směsi A. U směsi C se podařilo docílit snížení citlivosti o 0,04.

Obrázek 58: Barevnost střepu (zleva A,B,C)

61

30

wk = 15,5 %, CSB = (26,2-15,5)/15,5 = 0,69

Vlhkost [%]

25 20 15 10 5

0 0

1

2

3 4 5 Délkové smrštění DS [%]

6

7

8

Obrázek 59: Bigotova křivka směs A

30

wk = 15,0 % CSB = (24,3-15,0)/15,0 = 0,62

25

Vlhkost [%]

20 15 10 5 0 0

1

2

3

4

5

6

7

8

Délkové smrštění DS [%] Obrázek 60: Bigotova křivka směs B

30

wk = 14,9 % CSB = (23,6-14,9)/14,9 = 0,58

25

Vlhkost [%]

20 15 10 5 0 0

1

2

3 4 5 Délkové smrštění DS [%]

6

7

8

Obrázek 61: Bigotova křivka směs C

62

6. Závěr Kamenná prosívka se jeví jako vhodná surovina pro ostření hrubé keramiky. Úspěšně snižuje délkové smrštění sušením, celkové délkové smrštění a citlivost k sušení dle Bigota. Výhodou oproti křemennému písku jsou dosažené vyšší pevnosti v tahu za ohybu a nižší objemové hmotnosti. Co se týče objemových změn během výpalu, u kamenné prosívky dochází k pozvolnějším objemovým změnám oproti vzorku s křemenným pískem zejména v teplotním intervalu 500-700°C. Vezmeme-li v úvahu nižší cenu kamenné prosívky, můžeme ji označit jako velmi vhodnou a plnohodnotnou náhradu křemenného písku. Flokulanty Sokoflok se nezdají být vhodné pro použití jako lehčiva v cihlářské výrobě. Příčinou neúspěšného experimentu může být problém s rozmícháním přípravku v rozdělávací vodě, kdy došlo v obou případech k vytvoření shluků v kapalině. Výrobce popisuje jako nutnost použití speciálních automatických zařízení na přípravu roztoku s výkonnými míchadly a dlouhou dobu přípravy 30-60 min. V případě, že chceme lehčit střep na principu zvýšení množství rozdělávací vody, bude vhodnější zvolit osvědčený přípravek Vuppor. Přídavek nanovláken do výrobní směsi nenaplnil očekávaný výsledek. Jejich použitím došlo pouze k mírnému zvýšení pevnosti v tahu za ohybu oproti referenčnímu vzorku. Na pevnost výsušku nanovlákna také významný vliv neměli. Otázkou je, jakou měrou se na neúspěchu podílela nestabilní disperze. V disperzi docházelo k rychlé sedimentaci nanovláken, což by mohlo vést k úvaze, že do směsi se nezdařilo nadávkovat požadované množství nanovláken. Důkaz jejich přítomnosti ve střepu vidím ve snížení nasákavosti vzorků, kde byly přidány nanovlákna. Domnívám se, že jejich přítomností došlo k částečnému ucpání pórové struktury. Cihlářská keramika je pro využití nanovláken nejspíše příliš hrubá. Nanovlákna by mohla najít uplatnění spíše v jemné keramice. Probarvit cihelný střep lze úspěšně přídavkem hutního oxidu PREFES. V množství 6% hmotnostních došlo k výraznější změně barevnosti do tmavě červené. Při jeho použití je nutné vzít v úvahu, že jeho přídavek mírně 63

zvyšuje délkové smrštění sušením, celkové délkové smrštění a mírně zvyšuje objemovou hmotnost vypáleného střepu. Výsledná směs se skládala ze zeminy Novosedly, kamenné prosívky Luleč v množství 10% hmotnostních a hutního oxidu v množství 6%. Jako lehčivo byly použity dřevěnné piliny v množství 25% objemových. Přítomností kamenné prosívky ve směsi došlo ke snížení pevnosti v tahu za ohybu cca o 1MPa a zvýšení objemové hmotnosti o 70 kg.m-3. Pevnost se u směsi C podařilo zvýšit oproti směsi B použítím tripolyfosfátu sodného, ovšem jen nepatrně. Zemina Novosedly je poměrně málo citlivá k sušení, proto asi nemá v reálném provozu smysl ji ostřit a určitě ne v tak velkém množství. Naopak probarvování střepu pomocí hutního oxidu by mohlo být v cihelně Novosedly aplikováno. Zde je třeba posoudit, zda-li by byla získaná barevnost střepu dostatečným marketingovým přínosem.

64

Seznam použitých zdrojů 1. Pytlík, P., Sokolář, R.: Stavební keramika, technologie, vlastnosti a využití. - CERM, s.r.o., Brno, 2002, 285s. ISBN: 80-7204-234-3 2. Wienerberger AG [online] 2012 [cit. 6.12.2012]. Dostupné z WWW: 3. MARTIN VAVRO, Jakub Jirásek. Http://geologie.vsb.cz/loziska/suroviny/index.html [online]. 2008-04-09 [cit. 6.12.2012]. Keramika. Dostupné z WWW: . 4. Sokolář, R. Uplatnění papírenských kalů a cementopískového odpadu při lehčení cihlářského střepu a jejich vliv na emise SO2, CO a CO2 při výpalu. Brno: Dílčí výzkumná zpráva, 2007. 5. Sokolář, R. Papírenský kal jako lehčivo cihlářského střepu. Stavební obzor. 2010, roč. 19, č.10, s. 299-203. ISSN: 1210-4027 6. SOKOFLOK [online] 2012 [cit. 9.12.2012].Dostupné z WWW: . 7. Šveda, Mikuláš: Chemická prísada VUPPOR 2. Chemická prísada VUPPOR 2. Keramický zpravodaj. 2011, roč. 27, č. 3, s. 11-15 8. Šveda, M., Rybárik J., Gomolová Z.: Verbesserung von Produktion und Produkteigenschaften durch Vuppor. Ziegelindustrie International, vol. 50, 1997, No. 3, p. 100-107, ISSN 0341-0552 9. FOSFA [Online] 2012 [cit. 16.12.2012]. Dostupné z WWW: 10. Sokolář, R. Vliv tripolyfosfátu sodného na vlastnosti střepu pálených tašek (část 1).Silika, 2008, roč. 18, č. 1-2, s. 35-37. ISSN: 1213-3930 11. Chmelař, P. Posouzení vhodnosti použití železitých odpadu pro výrobu pálené střešní krytiny: Diplomová práce Brno : Vysoké učení technické, 2006.

65

12. Moučka, R. Optimalizace složení výrobní směsi pálené střešní krytiny s využitím železitých odpadů a ztekucovadel: Diplomová práce. Brno : Vysoké učení technické, 2007. 13. KERTAK NANOTECHNOLOGY. [Online] 2010.[cit. 23.12.2012]. Dostupné z WWW: . 14. Heinrich, P. Vývoj tepelně technických vlastností zdiva z pálených cihel. Stavebnictví. 2011, 06-07. ISSN: 1802-2030 15. Dufka, A. Laboratorní experimentální metody, Brno: VUT Brno, 2008. 16. Lach, V., Daňková, M. Mikrostruktura stavebních látek. Brno : VUT Brno, 1991.

Normy: ČSN 73 0540-2 Tepelná ochrana budov – Část 2: Požadavky

66

Seznam použitých zkratek a symbolů wr


[%]

DS

délková změna sušením

[%]

CSB citlivost k sušení dle Bigota

[-]

DP

délková změna výpalem

[%]

DC

celková délková změna

[%]

ZP

ztráta hmotnosti pálením

[%]

NS

nasákavost

[%]

PZ

zdánlivá pórovitost

[%]

OH

objemová hmotnost

[kg.m-3]

ZH

zdánlivá hustota

[kg.m-3]

σpo

pevnost v tahu za ohybu

[MPa]

67

Seznam tabulek Tabulka 1: Cihlářské zeminy (ČSN 72 1564) ............................................... 11 Tabulka 2: Příklad chemického složení papírenského kalu.......................... 17 Tabulka 3: Požadavky na vnější stěnu ČSN 73 0540-2 ............................... 26 Tabulka 4: Chemické složení, XRF analýza - PREFES ............................... 40 Tabulka 5: Podíl zastoupení jednotlivých frakcí kamenné prosívky Luleč .... 41 Tabulka 6: Naměřené a vypočtené hodnoty – část 1 ................................... 42 Tabulka 7: Naměřené a vypočtené hodnoty - část 2 .................................... 42 Tabulka 8: Naměřené a vypočtené hodnoty - část 1 .................................... 47 Tabulka 9: Naměřené a vypočtené hodnoty - část 2 .................................... 48 Tabulka 10: Výpočet množství dávky nanovláken dle aktualní ceny ............ 50 Tabulka 11: Výpočet množství dávky nanovláken s cenou 0,5 EUR/g ........ 51 Tabulka 12: Naměřené a vypočtené hodnoty - část 1 .................................. 51 Tabulka 13: Naměřené a vypočtené hodnoty - část 2 .................................. 51 Tabulka 14: Naměřené a vypočtené hodnoty - část 1 .................................. 55 Tabulka 15: Naměřené a vypočtené hodnoty - část 2 .................................. 55 Tabulka 16: Receptury směsí ...................................................................... 59 Tabulka 17: Naměřené a vypočtené hodnoty - část 1 .................................. 59 Tabulka 18: Naměřené a vypočtené hodnoty - část 2 .................................. 60

68

Seznam obrázků Obrázek 1: Winklerův diagram ..................................................................... 11 Obrázek 2: Ústí šnekového lisu ................................................................... 12 Obrázek 3: Modifikační přeměny křemene................................................... 14 Obrázek 4: Vliv přídavku pilin na objemovou hmotnost vypáleného střepu. Zdroj údajů: [4] ............................................................................................. 16 Obrázek 5: Analýza TG, DTG, DTA vzorku pilin .......................................... 17 Obrázek 6: Analýza DTA, TG vzorku papírenského kalu ............................. 18 Obrázek 7: Polymerizace styrenu ................................................................ 19 Obrázek 8: Analýza DTA, TG, DT vzorku polystyrenu ................................. 19 Obrázek 9: Závislost pracovní vlhkosti na dávce přísady VUPPOR 1 a 2 ... 22 Obrázek 10: Závislost tepelné vodivost na dávce přísady VUPPOR 1 a 2 .. 22 Obrázek 11: Graf - ztekucující křivka tripolyfosfátu ...................................... 24 Obrázek 12: Porovnání tloušťky lidského vlasu s nanovlákny ..................... 25 Obrázek 13: Vývoj tvaru cihly určené pro jednovrstvé zdivo ........................ 26 Obrázek 14: Cihelné bloky s integrovaným izolačním materiálem ............... 27 Obrázek 15: Pfefferkornův přístroj ............................................................... 30 Obrázek 16: Bigotova křivka k určení kritické vlhkosti ................................. 32 Obrázek 17: Zkušební sestava .................................................................... 32 Obrázek 18: Příklad uspořádání dilatometru ................................................ 34 Obrázek 19: RTG difrakční analýza - zemina Novosedly ............................. 37 Obrázek 20: TG,DTG,DTA zemina Novosedly............................................. 38 Obrázek 21: písek Žabčice 0/4 - křivka zrnitosti........................................... 39 Obrázek 22: Kovová forma pro výrobu zkušebních těles ............................. 41 Obrázek 23: Kamenná prosívka Luleč - křivka zrnitosti ............................... 42 Obrázek 24: Graf - Pevnost v tahu za ohybu ............................................... 43 Obrázek 25: Graf - Objemová hmotnost ...................................................... 43 Obrázek 26: Graf - Nasákavost.................................................................... 43 Obrázek 27: Graf - Délkové smrštění sušením ............................................ 44 Obrázek 28: Graf - celkové délkové smrštění .............................................. 44 Obrázek 29: Graf - DKTA analýza ............................................................... 45 69

Obrázek 30: Bigotova křivka - křemenný písek, kamenná prosívka ............. 46 Obrázek 31: Flokulanty SOKOFLOK ........................................................... 47 Obrázek 32: Graf - objemová hmotnost - Sokoflok ...................................... 48 Obrázek 33: Graf - nasákavost – Sokoflok................................................... 48 Obrázek 34: Graf - pevnost v tahu za ohybu – Sokoflok .............................. 48 Obrázek 35: Graf – DS,CS – Sokoflok ......................................................... 49 Obrázek 36: Graf - Bigotova křivka – flokulanty ........................................... 49 Obrázek 37: Vodní disperze SiO2 a Al2O3 nanovláken ................................ 50 Obrázek 38: Graf - pevnost v tahu za ohybu - nanovlákna .......................... 52 Obrázek 39: Graf – pevnost výsušku v tahu za ohybu – nanovlákna........... 52 Obrázek 40: Graf - objemová hmotnost – nanovlákna ................................. 52 Obrázek 41: Graf - nasákavost – nanovlákna .............................................. 53 Obrázek 42: Graf - délkové smrštění sušením - nanovlákna ....................... 53 Obrázek 43: Graf - celkové délkové smrštění – nanovlákna ........................ 53 Obrázek 44: Graf - Bigotova křivka – nanovlákna ........................................ 54 Obrázek 45: hutní oxid - PREFES (PRECHEZA a.s.) .................................. 55 Obrázek 46: Graf - objemová hmotnost - PREFES ...................................... 56 Obrázek 47: Graf - pevnost v tahu za ohybu - PREFES .............................. 56 Obrázek 48: Graf - nasákavost - PREFES ................................................... 57 Obrázek 49: Graf - délkové smrštění sušením a celkové délkové smrštění PREFES....................................................................................................... 57 Obrázek 50: Bigotova křivka - PREFES ....................................................... 57 Obrázek 51: Probarvení střepu přídavkem 3 a 6 % hutního oxidu Prefes.... 58 Obrázek 52: Přípravek Aquasorb ................................................................. 58 Obrázek 53: Graf - objemová hmotnost ....................................................... 60 Obrázek 54: Graf - pevnost v tahu za ohybu................................................ 60 Obrázek 55: Graf – nasákavost ................................................................... 60 Obrázek 56: Graf - délkové smrštění sušením a celkové smrštění .............. 61 Obrázek 57: Barevnost střepu (zleva A,B,C) ............................................... 61 Obrázek 58: Bigotova křivka směs A ........................................................... 62 Obrázek 59: Bigotova křivka směs B ........................................................... 62 Obrázek 60: Bigotova křivka směs C ........................................................... 62

70

MOŽNOSTI ZVÝŠENÍ UŽITNÝCH VLASTNOSTÍ LEHČENÉHO CIHLÁŘSKÉHO STŘEPU POSSIBILITIES OF LIGHT WEIGHT BRICK BODY INNOVATION

Recommend Documents