Vysoká škola báňská – Technická univerzita Ostrava Fakulta stavební Studentská vědecká a odborná činnost Akademický rok 2005/2006
Návrh a ověření malty pro vyzdívání a opravu topenišť
Jméno a příjmení studenta: Miroslav Švajda Ročník, obor:
5. ročník, Stavební hmoty a diagnostika staveb
Vedoucí práce:
Ing. Libor Žídek
Katedra:
Katedra stavebních hmot a hornického stavitelství
Studentská vědecká odborná činnost 2006 VŠB – Technická univerzita Ostrava, Fakulta stavební Ludvíka Podéště 1875, 708 33 Ostrava-Poruba http://fast.vsb.cz
NÁVRH A OVĚŘENÍ MALTY PRO VYZDÍVÁNÍ A OPRAVU TOPENIŠŤ Řešitel: Vedoucí práce:
Miroslav Švajda VŠB – TU Ostrava, Fakulta stavební Ing. Libor Žídek VŠB – TU Ostrava, Fakulta stavební
Anotace V současnosti dochází k postupnému a nezvratnému odklonu od tradičního pojetí výstavby a technologií. Z hlediska urychlení a zjednodušení procesu výstavby dochází v poledních letech k výraznému nárůstu užití tzv. suchých maltových směsí. Jedná se o směs anorganických pojiv, plniv, příměsí a přísad, které jsou smíchány ve vhodném poměru v suchém stavu, pro konkrétní užití. Předem připravené směsi se ve většině případů smíchají pouze s vodou a jsou připraveny k aplikaci. Podstatná část těchto výrobků je stavebníkům běžně dostupná v obchodních sítích prodejen stavebních materiálů. Je tedy zřejmé, že se průmyslově vyráběné malty stávají nedílnou součástí moderního stavebnictví. Běžné suché maltové směsi tvoří základní sortiment výrobků. Jednotliví výrobci se snaží svůj okruh zákazníků rozšířit i do méně používaných produktů a nabídnout zákazníkovi ucelený výrobní program. Mezi tyto produkty patří i maltové směsi pro výstavbu a rekonstrukce prvků vystaveným vysokým teplotám. Mým úkolem bylo navrhnout a ověřit vlastnosti malty pro vyzdívání a opravu topenišť. Jedná se o směs tepelně odolného plniva vysokopecní granulované strusky a vhodného pojiva pro spojování žárovzdorných keramických materiálů při pracovních teplotách 900 – 1000 °C.
Annotation At present It is coming up to the gradual and conclusive digression from traditional conception of building and technologies. From viewpoint to acceleration and simplification of building process, it is coming up to using growth of so-called dry mortar mixtures, in last years. It is going about the mixture of inorganic bindings, aggregates, admixtures and ingredients, which are mixed in the suitable dilution rate in the dry state, for concrete using. Advance prepared mixtures are in the most cases only mixed with the water and they are ready for use. Almost all of these products are commonly easy reach in the stores with construction materials.
Studentská vědecká odborná činnost 2006 VŠB – Technická univerzita Ostrava, Fakulta stavební Ludvíka Podéště 1875, 708 33 Ostrava-Poruba http://fast.vsb.cz
Standard dry mortar mixtures create the basic range of products. Individual producers try to expand to the circle of costumers to the less using products and offer to these costumers the whole manufacturing programme – for example mortar mixtures for building and reconstruction of elements, which are putting to the high temperatures. My task was to propose and verify the quality of mortar for furnace revel and reparation. It is going about the mixture of heat-proof aggregates furnace granular dross and suitable binding for fireproof ceramic materials (on working temperature 900- 1000°C).
Obsah Obsah .......................................................................................................................................................................... 2 Seznam použitých symbolik....................................................................................................................................... 3 1 Úvod.......................................................................................................................................................................... 4 2 Experimentální část ................................................................................................................................................. 5 2.1 Vlastnosti referenční malty................................................................................................................................... 5 2.1.1 Parametry dodavatele ....................................................................................................................................... 5 2.1.2 Výroba referenční malty................................................................................................................................... 5 2.2 Návrh a výroba receptur maltových směsí ......................................................................................................... 6 2.3 Stanovení vlastností a zkoušení maltové směsi................................................................................................. 6 2.3.1 Zkoušení čerstvé malty ..................................................................................................................................... 6 2.3.1.1 Stanovení počátku tuhnutí malty................................................................................................................... 6 2.3.1.2 Stanovení konzistence čerstvé malty............................................................................................................ 7 2.3.1.3 Stanovení obsahu vzduchu na čerstvé maltě .............................................................................................. 7 2.3.2 Zkoušení zatvrdlé malty .................................................................................................................................... 8 2.3.2.1 Stanovení objemové hmotnosti zatvrdlé malty............................................................................................. 8 2.3.2.2 Stanovení pevností malty .............................................................................................................................. 8 2.4 Vysušení a výpal zkušebních těles ..................................................................................................................... 9 2.5 Měření deformací vzorků malty po jejich vystavení tepelné expozici ............................................................. 12 2.5.1 Měření smrštění a deformací.......................................................................................................................... 12 2.5.2 Optické měření mikrotrhlin............................................................................................................................. 13 2.6 Stanovení přídržnosti zatvrdlé malty ................................................................................................................. 13 2.7 Nedestruktivní zkouška pevnosti malty............................................................................................................. 13 3 Vyhodnocení experimentálního měření ............................................................................................................... 14 3.1 Počátek doby tuhnutí malt.................................................................................................................................. 14 3.2 Vyhodnocení pevností a objemových hmotností.............................................................................................. 15 3.3 Vyhodnocení smrštění zkušebních těles .......................................................................................................... 18 3.4 Vyhodnocení přídržnosti malt ............................................................................................................................ 19 3.5 Vyhodnocení pevností nedestruktivní metodou ............................................................................................... 19 4 Závěr....................................................................................................................................................................... 20
2
5 Doporučení pro užití maltových směsí ................................................................................................................. 21
Seznam použitých symbolik Ac
kruhová zkušební plocha
b
délka boční strany průřezu trámečku
d
velikost otvoru
dm
hloubka vrtu
l
vzdálenost lomových podpěr
d1,2
podélné rozměry tělesa
v1,2
výškové rozměry tělesa
š1,2
šířkové rozměry tělesa
Fu
vyvozené zatížení při porušení
m1
hmotnost nádoby
m2
hmotnost nádoby naplněná maltou
m
hmotnost zkušebního tělesa
Vv
objem nádoby
V
objem zkušebního tělesa
Dm
objemová hmotnost čerstvé malty
D
objemová hmotnost zatvrdlé malty
Rf
pevnost v ohybu
Rc
pevnost v tlaku
fu
přídržnost
Ff
lomové zatížení vynaložené na střed tělesa
Fc
síla v tlaku při porušení
f
procento jemných částic na dně po sítovém rozboru
3
1 Úvod V současnosti dochází k postupnému a nezvratnému odklonu od tradičního pojetí výstavby a technologií. Z hlediska urychlení a zjednodušení procesu výstavby dochází v posledních letech k výraznému nárůstu užití tzv. suchých maltových směsí. Jedná se o směs anorganických pojiv, plniv, příměsí a přísad, které jsou smíchány ve vhodném poměru v suchém stavu, přímo pro konkrétní užití stavby. Předem připravené směsi se ve většině případů smíchají pouze s vodou a jsou připraveny k aplikaci. Podstatná část těchto výrobků je stavebníkům běžně dostupná v obchodních sítích prodejen stavebních materiálů. Je tedy zřejmé, že průmyslově vyráběné malty se stávají nedílnou součástí moderního stavebnictví.
Běžné suché maltové směsi tvoří základní sortiment výrobků. Jednotliví výrobci se snaží svůj okruh zákazníků rozšířit i do méně používaných produktů a nabídnout zákazníkovi ucelený výrobní program. Mezi tyto produkty patří i maltové směsi pro výstavbu a rekonstrukce prvků vystaveným vysokým teplotám.
Mým úkolem bylo navrhnout a ověřit vlastnosti malty pro vyzdívání a opravu topenišť. Jedná se o směs tepelně odolného plniva vysokopecní granulované strusky a vhodného pojiva pro spojování žárovzdorných keramických materiálů při pracovních teplotách 900 – 1000 °C.
4
2 Experimentální část Cílem práce bylo navrhnout a ověřit vlastnosti malty pro vyzdívání a opravu topenišť. Základním požadavkem je odolnost malty vůči vysokým teplotám až do 1000 °C. Pro orientaci mezi jednotlivými recepturami bylo zvoleno následující značení. Jako příklad je uvedena jedna receptura s popisem jednotlivých symbolů značení vzorku A 7 500 A, B, C kde, A
označení receptury,
7
stáří vzorku ve dnech,
500
maximální teplota výpalu,
A, B, C
označení jednotlivých zkušebních trámečků.
2.1 Vlastnosti referenční malty Výchozí srovnávací maltou byla použita žáruvzdorná referenční malta, která je volně dostupná na trhu stavebního odvětví. Slouží k vyzdívání žárovzdorných cihel, k osazování vyzdívek topenišť nebo k vyspravování malých poškození na žáruvzdorném obložením.
2.1.1 Parametry dodavatele Malta se rozmíchá s vodou do vláčné hmoty. Při rozmíchávání se voda přidává do směsi v množství 0,3 – 0,5 litrů vody na 2 kg suché maltové směsi. Technické údaje referenční malty: •
použití při teplotě…………………………..max. 1000°C,
•
zpracovatelnost………………………….....cca 30 – 60 minut,
•
záměsová voda……………………………..cca 0,3 – 0,5 l / 2 kg,
•
teplota při zpracování……………………...+ 5 °C do + 35 °C,
•
balení……………………………………....sáček 2 kg. Doporučená zpracovatelnost balení je do 12 měsíců. Dále výrobce doporučuje, že zděné
či opravené místo je možno zatížit již po 12 hodinách, při nepříliš rychlém roztopení. V jiném případě je doporučeno zatěžovat teplotou při roztopení po 24 hodinách.
2.1.2 Výroba referenční malty Referenční malta byla připravena smícháním 2000±5 g suché směsi a 0,4 litry vody podle návodu dodavatele při zpracovatelnosti 128 mm. Malta byla namíchána v laboratorní
5
míchačce, která je popsána v ČSN EN 196 – 1. Čerstvá malta byla následně podrobena zkouškám, které se shodovaly se zkouškami na nově navržených směsích.
2.2 Návrh a výroba receptur maltových směsí Suchá maltová směs navržených receptur
byla vyrobena ručním mícháním jednotlivých
navržených komponentů (v PVC pytli) v množství 2 kg. Takto předem připravená suchá směs byla balena do uzavíratelných igelitových sáčků a uskladněna v laboratorním prostředí do doby, než bylo se směsí pracováno. V experimentálním zkoušení maltových směsí byly vyrobeny následující receptury: •
A, B, C, D, H – směs obsahující plnivo vysokopecní granulovanou strusku, pojivo hlinitanový cement, přísady a příměsi za účelem zlepšující některé vlastnosti malt.
•
E - směs obsahující plnivo vysokopecní granulovanou strusku, pojivo portlandský cement, přísady a příměsi za účelem zlepšující některé vlastnosti malty.
•
F - směs obsahující plnivo šamotovou moučku, pojivo hlinitanový cement, přísady a příměsi za účelem zlepšující některé vlastnosti malt.
•
G - směs obsahující plnivo šamotovou moučku, pojivo portlandský cement, přísady a příměsi za účelem zlepšující některé vlastnosti malt.
•
O – referenční malta.
2.3 Stanovení vlastností a zkoušení maltové směsi V této kapitole jsou uvedeny postupy jednotlivých zkoušek, které byly provedeny na maltách v čerstvém i zatvrdlém stavu. Pro jednotlivé zkoušky bylo dodrženo doporučení norem, kde je uvedeno, že velikost vzorku má odpovídat 1,5 násobku množství k provedení zkoušky.
2.3.1 Zkoušení čerstvé malty 2.3.1.1 Stanovení počátku tuhnutí malty Zkouška stanovení počátku tuhnutí
malty
byla
provedena
obdobným
způsobem
jako u cementů podle normy ČSN EN 196 – 3. Vicatův přístroj byl nastaven do nulové polohy (hrot jehly byl spuštěn na podkladní skleněnou destičku, stupnice byla vynulována). Následně byla jehla zvednuta do horní výchozí polohy. Vicatův prstenec byl naplněn maltou předepsané konzistence a povrch byl srovnán s okrajem pryžového prstence. Naplněný Vicatův prstenec umístěn na skleněné destičce byl vložen do vlhkostní skříně. Po určité době byl naplněný prstenec umístěn do zkušebního zařízení, jehla byla nastavena
6
do výchozí polohy, tak aby se hrotem dotýkala povrchu maltové směsi. Po odjištění jehly a jejím vniknutím do vzorku malty byla odečtena vzdálenost hrotu jehly od skleněné destičky. Počátkem tuhnutí byla doba, která uplynula od vlití vody do předem připravené suché směsi v míchačce (nulový čas) až do okamžiku, kdy vzdálenost mezi jehlou a destičkou činila (4±1) mm. Vzdálenost jednotlivých vpichů od okraje nebo od posledního měření byla nejméně 10 mm. Jelikož malta obsahovala zrna frakce 0 – 1 mm, počet vniku jehly do malty při jednom měření byl určen na tři měření a výsledkem byl jejich aritmetický průměr. 2.3.1.2 Stanovení konzistence čerstvé malty (ČSN EN 1015 – 3) Na provedení zkoušky konzistence čerstvé malty byl použit setřásací stolek (Beton systém, BS PNE – 02) s kovovým kuželem. Před každou zkouškou byl vnitřní povrch kužele očištěn vlhkou tkaninou, vytřen do sucha a následně opatřen tenkou vrstvou minerálního oleje o malé viskozitě. Kovový kužel byl umístěn do středu desky setřásacího stolku a naplněn maltou ve dvou vrstvách. Každá vrstva byla zhutněna 10 lehkými údery dusadla. Během plnění byl zkušební kužel přitlačován k desce. Přebytečná malta byla setřena pomocí srovnávací lišty. Asi po 15 sekundách byl kovový kužel zvednut, spustil se příslušný program setřásacího stolku a došlo k rozlití malty. Průměr koláče byl změřen ve dvou na sebe kolmých osách. Výsledek zprůměrovaných hodnot byl zaokrouhlen s přesností na 1 mm. 2.3.1.3 Stanovení obsahu vzduchu na čerstvé maltě Metoda zkoušení obsahu vzduchu byla provedena
způsobem
popsaným
v normě
ČSN EN 12350-7. Na provedení zkoušky obsahu vzduchu čerstvé malty byl použit zkušební tlakoměrný přístroj Form – Test, který se skládá z válcové nádoby z tvrdého kovu nereagující z cementovou kaši s objemem 1 l. Nádoba je vodotěsná a odolná i s víkem na zkušební tlak 0,2 MPa. Pomocí lžíce nebo špachtle byla nádoba naplněna tak, aby bylo odstraněno co největší množství vzduchových dutin. Malta byla plněna ve dvou přibližně stejných vrstvách. Ihned po uložení vrstvy byla malta zhutněna na vibračním stolku, aby nedocházelo k segregaci. Příruba nádoby a víka byla důkladně očištěna. Víko bylo připevněno k nádobě svorkami. Vnitřní prostor nádoby byl plněn vodou jedním z ventilů tak dlouho, dokud druhým ventilem voda nevytékala ven voda bez vzduchových bublin. Následně byly ventily uzavřeny. Pomocí vzduchové pumpy byl do měřícího zařízení dopraven vzduch a hodnota manometru byla aretována v nulové poloze. Následně se zjistila procentuální hodnota obsahu vzduchu v čerstvé maltě.ventil. Hodnota objemu vzduchu v procentech byla zaznamenána s přesností na 0,5 %.
7
2.3.2 Zkoušení zatvrdlé malty 2.3.2.1 Stanovení objemové hmotnosti zatvrdlé malty Objemová hmotnost zatvrdlé malty byla stanovena výpočtem jako poměr hmotnosti m zkušebního tělesa k objemu zkušebního tělesa V. Zkušební tělesa byla měřena v metrech a zaokrouhlena na čtyři desetinná místa. Objemová hmotnost byla vypočtena dle vztahu: D =
m , V
a zaokrouhlena na nejbližších 10 kg/m3.
2.3.2.2 Stanovení pevností malty Postup zahrnuje stanovení pevnosti maltové směsi v tříbodovém ohybu a v tlaku. Zkušební tělesa mají rozměr 40 mm x 40 mm x 160 mm. Zkušební malta byla připravena smícháním 2000±5 g suché směsi připravené v laboratoří o množství vody určené zkouškou zpracovatelnosti malty. Do míchacího zařízení BS MI – CM5A byla vsypána předem připravená suchá směs v množství 2 kg a poté byla přidána dávka vody dle navržené receptury. Spuštěním příslušného programu bylo zahájeno míchání maltové směsi. Po zamíchání malty byly naplněny zkušební formy maltou ve dvou vrstvách, přičemž každá vrstva byla zhutňována na magnetickém vibračním stolku. Po zhutnění byl odstraněn nástavec i přebytečná malta a povrch zkušebních těles byl zarovnán pilovým pohybem pomocí ocelového pravítka s horním okrajem formy. Na formu byla položena skleněná destička síly 6 mm o rozměrech 210x185 mm a forma byla vložena do vlhkostní skříně. Po 24 hodinách byly formy doformovány a zkušební trámečky byly označeny a vloženy zpět do vlhkostní skříně do doby jejich zkoušení. Stáří zkušebních těles byla počítána od okamžiku zamíchání maltové směsi s vodou na počátku zkoušení. Zkoušky pevností těles byly provedeny ve stáří po 1, 2, 3, 7 a 28 dnech. Zkouška pevnosti v tahu ohybu byla provedena na zkušebním lisu BS 300. Zkušební trámeček byl do zkušebního stroje umístěn kolmo na směr plnění.
Nárůst síly se postupně zvyšoval
rovnoměrnou rychlostí 50±10 N.s-1 až do zlomení zkušebního vzorku. Poloviny trámečků byly uchovány pro zkoušku pevnosti v tlaku. Pevnost v ohybu Rf byla vypočítána podle vzorce: Rf =
1,5Ff .l b3
[MPa],
Pevnost v tlaku byla zkoušena na zlomcích vzorků. Tlačené plochy byly vystředěny kovovými deskami o velikosti 40 / 40 mm.. Zatížení bylo zvyšováno pravidelně během celé doby zatěžovací
8
rychlostí 2400±200 N.s-1 do porušení. Pevnost v tlaku Rc byly vypočítány podle vzorce: Rc =
Fc [MPa], 1600 Výsledkem byl aritmetický průměr šesti hodnot pevnosti v tlaku, které jsou stanoveny
na základě zlomků ze tří zkušebních těles. Jestliže se jedna ze šesti hodnot lišila o více než ±10 % od průměru ze šesti stanovení, hodnota byla vyřazena z hodnocení. Ze zbylých pěti byl vypočítán nový aritmetický průměr. Pokud se znovu jedna hodnota lišila od nového aritmetického průměru o ±10 %, zkouška byla neplatná.
2.4 Vysušení a výpal zkušebních těles Na provedení zkoušky vysušení a následného výpalu zkušebních těles byla použita sušárna MGB TS 100 s nucenou cirkulací vzduchu, automatickým udržováním a kontrolou teploty 105 ± 5 °C. Pro výpal vzorků byla použita elektrická odporová pec K 120/12. Pec je určena k tepelnému zpracování vsázky do maximální požadované teploty. Zkušební tělesa byly vkládána do temperovací komory, ve které regulátor teploty udržuje teplotu podle právě spuštěného programu. Topný systém pece tvoří elektrické odporové spirály, které jsou uloženy v drážkách vyzdívky pece. Po vytáhnuti zkušebních těles z vlhkostní skříně byly trámečky osušeny tkaninou a následně změřeny příčné a podélné rozměry. Trámečky byly zváženy na vahách s přesností 1g. Takto zvážené a změřené zkušební trámečky na laboratorních miskách byly vloženy do sušárny a zapnuty na 24 hodinový program sušení při teplotě 105 ± 5 °C. Po 24 hodinách sušení byly trámečky nechány přirozeně ochladit v laboratorním prostředí na laboratorní teplotu 20 ± 2 °C a následně byly změřeny příčné a podélné rozměry. Trámečky byly zváženy s přesností na 1g. Takto předem vysušené tělesa byly uloženy do elektrické pece na válcové podkladky z dinasu. Zkušební tělesa (trámečky) byly vypalovány na dvě stanovené teploty a to na 500 °C a 900 °C. Stanovené teploty byly naprogramovány podle zvolených teplotních křivek.
Po výpalu
na požadovanou teplotu a následném regulovaném ochlazení těles na laboratorní teplotu byly zkušební tělesa vyjmuty z pece a přeměřeny jejich příčné a podélné rozměry. Tělesa byla zvážena a byla provedena vizuální kontrola povrchu trámečku zda nedošlo ke vzniku mikrotrhlin po výpalu, popřípadě dalšímu rozrušení zkušebních těles. Po vizuálním ohledání byly provedeny na trámečcích pevnostní zkoušky podle normy ČSN EN 196 – 1.
9
Teplotní křivky (stanovený nárůst teploty): •
teplotní křivka (č.1), 20
–
300 °C…………………… 3
hod
300
–
450 °C…………………… 6
hod
Výdrž:
450 °C………………...… 1,5 hod
450
–
600 °C…………………… 6
hod
600
–
900 °C…………………… 6
hod
Výdrž:
900 °C…………………… 0,5 hod
Chlazení: 900 – 20±5 °C…...…..cca 10 hod •
teplotní křivka (č.2), 20
–
300 °C……………………. 3
hod
300
–
500 °C……………………. 6
hod
Výdrž:
500 °C……………………. 1
hod
Chlazení: 500 – 20±5 °C…….....cca 10 hod •
teplotní křivka (č.3), 20
–
300 °C……………………. 3
hod
300
–
500 °C……………………. 6
hod
Výdrž:
500 °C……………………. 1
hod
500
900 °C……………………. 6
hod
–
Výdrž:
900 °C……………………. 0,5 hod
Chlazení: 900 – 20±5 °C………..cca 10 hod
10
Teplotní křivka č.1 Teplota [°C]
1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 0,0
5,0
10,0
15,0
20,0
25,0
30,0
35,0 Čas [h]
Obr.1 Teplotní křivka č.1
Teplota[°C]
Teplotní křivka č.2 600 500 400 300 200 100 0 0,0
5,0
10,0
15,0
20,0
25,0 Čas[h]
Teplota [°C]
Obr.2 Teplotní křivka č.2 Teplotní křivka č.3
1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 0,0
5,0
10,0
15,0
Obr.3 Teplotní křivka č.3
11
20,0
25,0
30,0 Čas [h]
2.5 Měření deformací vzorků malty po jejich vystavení tepelné expozici Na zkušebních trámečcích 40 x 40 x 160 mm bylo zjišťováno vznik a velikost mikrotrhlin vlivem smrštění podélných a příčných rozměrů po výpalu při teplotě 500 °C a 900 °C.
2.5.1 Měření smrštění a deformací Měření smrštění zkušebních těles probíhalo v pěti etapách. První měření bylo prováděno po cca 24 hodinách, čili po vyndání forem z vlhkostní skříně a následném odformování. Druhé měření trámečků bylo stanoveno před pevnostními zkouškami za normálních podmínek (bez výpalu). Ve třetí etapě byly měřeny rozměry před sušením těles, ve čtvrté po vysušení a v páté byly změřeny rozměry po výpalu. Hlavním zkušebním zařízením byla použito digitální posuvné měřidlo s přesností 0,01 mm a mechanické měřidlo s přesností 0,02 mm. Postup při měření příčných a podélných rozměrech po výpalu: Na zkušebním tělese (trámečku) byly měřeny jednak příčné rozměry, tak i podélné rozměry. U příčných rozměrů byla měřena šířka a výšky, a to na dvou protilehlých stranách cca 3 mm od okraje – hrany trámečku. Důvodem byla eliminace nepřesnosti v rozích vzorků. Měření příčných rozměrů bylo prováděno pomocí kontrolního posuvného měřidla s digitálním odpočtem a s přesností 0,01 mm. Ze dvou naměřených rozměrů šířky nebo výšky byl vyhodnocen aritmetický průměr. Podélné rozměry byly měřeny shodným způsobem jako rozměry příčné a to opět na dvou protilehlých stranách 3 mm od okraje (hrany) trámečku. Tyto rozměry byly měřeny pomocí mechanického posuvného měřidla s přesností 0,02 mm. Nepřesnosti měření po vysušení a výpalu byly eliminovány dvojím měřením. Při měření rozměrů zkušebních těles bylo vzhledem k množství vzorků nutno dodržet systém značení a následného měření rozměrů zkoušených vzorků. Schéma popisu i měření je znázorněn na obrázku 4.
Obr.4 Postup při měření podélných a příčných rozměrů. 12
2.5.2 Optické měření mikrotrhlin Po výpalu při teplotách 500 °C a 900 °C byly zkušební tělesa (trámečky) vizuálně zkontrolovány zda nedošlo ke vzniku mikrotrhlin nebo jinému porušení povrchu trámečku. Pokud byly na vzorcích zjištěny mikrotrhliny, byly přeměřeny pomocí optické lupy s přesností měření 0,1 mm.
2.6 Stanovení přídržnosti zatvrdlé malty Přídržnost se stanovuje jako maximální napětí v tahu vyvozené zatížením působícím kolmo k povrchu malty nanesené na podkladu. Tahové zatížení se vyvozuje prostřednictvím odtrhového terče, přilepeného na zkoušenou plochu povrchu malty. Zjištěná přídržnost se vyjádří jako podíl vyvozeného zatížení Fu a zkoušené plochy Ac. Vyrobené malty byly zkoušeny na šamotových cihlách o rozměrech 65 x 140 x 290. Povrch těchto cihel byl před nanesením malty očištěna povrchově zvlhčen. Při nanášení malty byl podklad ve vodorovné poloze a celková tloušťka vrstvy byla 10 ± 2 mm. Jakmile byla malta dostatečně zatvrdnutá, vzorky byly uloženy do uzavřené nádoby s vodou v laboratorním prostředí s teplotou 20 ± 2 °C při dosáhnutí relativní vlhkostí min 65 %. Připravené zkušební vzorky byly zkoušeny po sedmi dnech. Kruhové terče z korozivzdorné oceli s průměrem (50 ± 0,1) mm se středovým trnem k uchycení zkušebním strojem byly přilepeny pryskyřičným lepidlem na zkušební plochy, které byly prořezány pomocí diamantového kotouče do hloubky asi 5 – 10 mm do podkladu. Z důvodu, kdy přídržnost malty při prořezu nebyla velká a docházelo k odpadávání krajních částí maltového lože, byl proveden co nejmenší počet řezů. Zatížení bylo vyvozováno rovnoměrně bez nárazů. Rychlost zatěžování byl zvolen od 0,003 N / (mm2.s-1) až do 0,100 N / (mm2.s-1) podle předpokládané přídržnosti. Přídržnost byly vypočítána s přesností 0,001 N / mm2 podle následujícího vztahu: fu =
Fu . A
Průměrná hodnota přídržnosti byla vyhodnocena s přesností 0,1 N/mm2 ze tří stanovených výsledků.
2.7 Nedestruktivní zkouška pevnosti malty Při zkoušce pomocí Kučerovy vrtačky PZZ 01 se pevnost malty usuzuje z hloubky vrtu provedeného zkušebním zařízením při definovaných parametrech energie při vrtání. Zkušební vrty byly prováděny na zkušebních vzorcích, což je maltová ložná spára vytvořená pomocí dvou šamotových cihel velikosti 65 x 140 x 290. Před provedením vrtů byla malta v ložné spáře vyškrábána cca 20 mm za líc zdiva (Obr.6). Byly provedly minimálně tři vrty ve vzájemných vzdálenostech cca 40 mm a minimálně 50 mm od hrany zdiva. Vrty byly do malty vyvrtány přístrojem PZZ 01 o definované síle přítlaku a nastaveného počtu otáček s použitím kalibrovaného 13
vrtáku. Při použití obecných kalibračních vztahů byly vrty provedeny při nastavení na stupeň 1. Podle hloubky vrtu
byla na základě obecného kalibračního vztahu určena pevnost posuzované
malty. Jako platné měření byla uvažována hloubka vrtu „ dm“ všech vývrtu o více než 30 %. Z pěti měření na jednom zkušebním vzorku byl vypočten aritmetický průměr hloubky vrtů dm se zaokrouhlením na 1 mm. Z obecného kalibračního vztahu byla podle této hloubky stanovena pevnost malty v Mpa.
Obr.6 Ukázka hloubky vrtu dm
3 Vyhodnocení experimentálního měření 3.1 Počátek doby tuhnutí malt Zkoušky počátku doby tuhnutí byly provedeny z důvodu zjištění, zda u referenční malty byl použil urychlovač tuhnutí. Výsledek referenční malty byl srovnán s navrženou recepturou s označením C. Parametry referenční malty O:
Parametry receptury C:
- zpracovatelnost: 128 mm
- zpracovatelnost: 161,5 mm
- množství vody: 100g vody / 500g směsi
- množství vody: 100g vody / 500g směsi
14
ř./sl. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Referenční malta O Malta receptury C hloubka hloubka doba doba vniku od poznámka vniku od poznámka zkoušení zkoušení dna dna [min] [mm] [hod] [min] [mm] [hod] 1 2 3 4 5 6 0 0 10:40 0 0 10:30 20 0 11:00 15 0 10:45 35 0 11:15 30 2,0 11:00 45 0 11:25 45 4,0 11:15 55 0 11:35 75 0 11:55 95 0 12:15 115 0 12:35 140 0 13:00 185 1,5 13:45 200 4,5 14:00
Tab.1 Hodnoty počátku doby tuhnutí referenční malty O a receptury C.
Začátek doby tuhnutí referenční malty byl za 3 hodiny 20 minut a receptury C za 45 minut, která obsahuje hlinitanový cement. Z tohoto výsledku bylo usouzeno, že referenční malta neobsahuje urychlovač tuhnutí a pojivem je pravděpodobně portlandský cement.
3.2 Vyhodnocení pevností a objemových hmotností Z hlediska velkého počtu naměřených hodnot jsou v grafech (obrázcích) uvedeny průměrné hodnoty jednotlivých zkoušek. Postup při vyhodnocování výsledků zkoušek je popsán v kapitole 2. Přehledy pevností v tlaku po 7 dnech jsou znázorněny v Obr.7, který popisuje pevnosti receptur včetně referenční malty za normálních podmínek a po výpalu při teplotě 500°C a 900°C.
15
20,4 14,7 3,7
5,3
10,7 8,6
10,5
16,9 16,7 5,1 4,4 6,3
5
3,8
10
5,5 2,3 3,2
15
18,3 15,0
22,1 15,0 14,1
20
12,9 11,6
[MPa]
25
0 A7
C7
D7
E7
F7
G7
H7
O7
Označení receptur pevnosti normální pevnosti po výpalu 500 °C pevnosti po výpalu 900 °C
A7
C7
D7
E7
F7
+24% -26% +184%
-48% +132%
-64%
-63% -89% -14%
+3% -65% -78% +70%
-37% +214% +15% -18%
-26% +281%
+50%
Obr.7 Pevnosti v tlaku navržených receptur
G7
H7
O7
Označení receptur pevnosti normální [%] pevnosti po výpalu 500 °C [%] pevnosti po výpalu 900 °C [%]
Obr.8 Procentuální vyjádření pevností v tlaku navržených receptur s porovnáním referenčních pevností receptury O7 Z grafu (Obr.7, 8) je patrné, že referenční malta po výpalu při teplotě 500 °C má nejvyšší pevnost v tlaku. Při výpalu na teplotu 900 °C její pevnost klesla na téměř nejnižší hodnotu pevnosti v tlaku u posuzovaných receptur. Srovnatelné chování bylo zjištěno i u navrhované receptury E, kde byl pokles hodnot pevností v tlaku způsoben typem pojiva – portlandským cementem, který při
16
teplotě cca 600 °C mění svou strukturu a dochází k rozpadu cementového kamene. U navrhovaných receptur C, D a H, u kterých bylo jako pojivo použito hlinitanového cementu a jako plnivo vysokopecní struska, došlo po výpalu na 900 °C pouze k mírné ztrátě pevnosti. Ve srovnání s referenční maltou je navýšení pevnosti o více než 6,8 Mpa, což představuje navýšení o více než 183 %. Ztráta pevnosti při jednotlivých krocích výpalu je u receptur C, D a H rovnoměrná. Výsledné pevnosti u receptury A byly ovlivněny vzduchovými póry (33 % objemu), lomové plochy při zkouškách pevností procházely těmito vzduchovými dutinami. U receptur F a G byla jako plnivo použita šamotová moučka, jako pojivo hlinitanový cement u receptury F a portlandský cement u receptury G. Srovnání malt s referenčním vzorkem bez výpalu ukazuje na nižší pevnosti navržených receptur. U receptury F docházelo k urychlenému tuhnutí malty ihned po zamíchání suché směsi s vodou, maltu nebylo možné kvalitně uložit a zhutnit do zkušebních forem. To bylo příčinou vysoké nehomogenity zkušebního vzorku a tedy i výrazně nižší pevnosti . Pevnosti úzce souvisejí se změnami velikosti objemové hmotnosti za normálních podmínek a po výpalu (Obr.9). Nejvyšší objemová hmotnost byla zjištěna u referenční malty, která byla hlavně způsobená nízkým obsahem vzduchu v maltě (5 % objemu), u námi navrhovaných receptur byl zjištěn nejnižší obsah u receptur D, E a H (9 - 10 % objemu). Navržená vstupní receptura A s provzdušňující přísadou a výsledným objemem vzduchových póru (33 %) vykazuje nejnižší
1780 1510 1490
1560 1100 1310
1640
1870
1850 1540 1540
1550 1520
1110 1170
1500
1670 1670
2000 1370 1070 1150
[kg/m3]
2500
2020 1740 1710
objemovou hmotnost
1000 500 0 A7
C7
D7
E7
F7
G7
H7
O7
Označení receptury objem. hmotnosti normální objem. hmotnosti po výpalu 900 °C
objem. hmotnosti po výpalu 500°C
Obr.9 Objemové hmotnosti před zkouškou pevností
17
90,00
88,86
smrštění [mm/m]
3.3 Vyhodnocení smrštění zkušebních těles
80,00 70,00 60,00
35,85
50,00 40,00
1,05 4,52 9,71 -0,42
1,09 6,25 8,49 -0,23
-0,35
4,57
15,26
16,03 4,42 -0,25
-0,27
1,28 6,42 6,65
2,02 6,58 9,54 0,11
0,00
1,22 4,77 9,13
10,00
0,06
20,00
2,85 7,35 13,14
30,00
-10,00 A7
C7
normální podmínky
D7
E7 F7 Označení receptur
Teplota 100 °C
G7
Teplota 500 °C
H7
O7
Teplota 900 °C
Obr.10 Velikost podélného smrštění za normálních podmínek a při tepelné zátěži 100 °C, 500 °C a 900 °C.
Podélné smrštění bylo srovnáváno v grafu (Obr.10) po 7 dnech a po tepelné expozici 100, 500 a 900 °C. Výchozím parametrem bylo smrštění referenční malty O, které dosahovalo hodnoty 9,71 mm/m. Receptura A prokázala vzhledem ke své vysoké pórovitosti menší stabilitu, smrštění bylo cca o 3 mm/m větší než u referenční malty. Malty C, D, E a H po výpalu při 900 °C byly srovnatelné, spíše lepší než malta referenční. Malta C sloužila pouze jako mezireceptura pro ověření některých vlastností vstupních surovin, není tedy maltou výchozí. Při výpalu na 900 °C byly na povrchu těles zjištěny mikrotrhlinky o šířce cca 0,1 mm. Receptury D, E a H byly po výpalu bez mikroskopických trhlin. 18
V další části experimentu bylo provedeno srovnání malt (receptury G a H), kde bylo použito jako plnivo šamotová moučka, která vykazovala rapidní změny objemu. Hodnoty smrštění dosahovaly až 88 mm/m.
3.4 Vyhodnocení přídržnosti malt Přídržnost byla provedena na maltách receptur D, E a referenční malty O. Přehled jednotlivých výsledků je tabulce 2. Vzhledem k tomu, že při prořezu vzorků docházelo ke chvění diamantového kotouče, které způsobovalo smykové napětí na spoji malty a šamotové cihly, mohlo dojít k narušení malty v místě spoje. Tuto zkoušku by bylo vhodné zopakovat dle ČSN EN 1015 - 12, s použitím
výpočet síly [kN]
skutečná plocha vzorku [mm 2]
skutečná pevnost (přídržnost [MPa]
průměrná pevnost (přídržnost) [MPa]
2 A B C
3 1963 1963 1963
4 0,460 0,465 0,462
5 0,903 0,913 0,907
6 2530 3200 3090
7 0,357 0,285 0,293
8
D7
A B C
1963 1963 1963
0,085 0,130 0,111
0,167 0,255 0,218
3340 3260 3470
0,050 0,078 0,063
E7
A B C
1963 1963 1963
1,121 1,125 1,123
2,201 2,208 2,204
3250 3420 3490
0,677 0,646 0,632
místo porušení
naměřená tahová pevnost při průměru terče 50 mm [Mpa]
0,064
9 spoj spoj spoj spoj spoj spoj
0,651
ř./sl 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
0,312
plocha terče [mm2]
1 O7
ozn. receptury
ozn. terče
prstence bez prořezu maltového lože.
spoj spoj spoj
Značení:O 7 O - značení receptury 7 - stáří vzorku (dny) A,B,C - označení jednotlivých terčů
Tab. 2 Přehled výsledků odtrhové zkoušky.
3.5 Vyhodnocení pevností nedestruktivní metodou Výsledky pevností malty se odečetly podle obecného kalibračního vztahu. Dle těchto vztahů je minimální průměrná hloubka vrtu 18 mm odpovídající pevnosti 5,2 MPa a měřené hloubky na zkušebních tělesech jsou v rozmezí 4 – 9 mm a 10 – 17 mm. Pevnost malt obou vzorků je dle těchto obecných kalibračních vztahů větší jak 5,2 MPa. Doporučení pro další zkoušení malt s tak 19
vysokými pevnostmi je stanovit větší rozsah kalibračních vztahů. Přehled výsledků zkoušky
pevnost malty dle kalibračního vztahu > 5,2
12 17 10 15 13
> 5,2
A B C D E
skutečný průměr [mm]
E7
6
5
5
13
30 % arit. průměru
4
2
3 5 5 5 9 4
4
aritmetický průměr hloubky vrtů [Mpa]
2 A B C D E
6
ř./sl 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
13
hloubka vrtu [mm]
1 D7
ozn. receptury
ozn. vrtu
je uveden v tabulce 3.
Značení:D 7 D - značení receptury 7 - stáří vzorku (dny) A,B,C,D,E - označení jednotlivých vrtů
Tab. 3 Přehled výsledků nedestruktivní zkoušky pevností malt.
4 Závěr Cílem diplomové práce bylo navrhnout a ověřit vlastnosti malty pro vyzdívání a opravu topenišť při provozní teplotě 900 – 1000 °C.
Celkové zhodnocení navržených receptur:
Z hlediska velikosti naměřených pevností a smrštění po výpalu při teplotě 900 °C byly receptury D a H vyhodnoceny jako nejlepší maltové směsi. Malta s označením H v porovnání s maltou D vykazovala ve smrštění a výskytu mikrotrhlinek nepatrně lepší vlastnosti. Na druhou stranu měla tato směs H o něco málo horší pevnosti a po stránce ekonomického zhodnocení by vyšla mnohem dražší. Cena jednotlivých receptur by byla závislá na rozdílech použitých hlinitanových 20
cementů. Pro vzorky receptury H byl zvolen hlinitanový cement, který je daleko cenově nákladnější než hlinitanový cement, který byl použit v maltové směsi s označením D. Přídržnost malty u receptury D byla nejnižší, tuto vlastnost je ovšem nutné znovu ověřit, zda nebyla spojovací vrstva narušena při prořezu vzorku.
Cenově nejpřijatelnější recepturou by byla malta E se srovnatelnými výsledky pevnostních a deformačních vlastností s referenční maltou. Obě malty jsou vyrobeny za stejného druhu cementu – portlandského. Receptura E vůči maltě referenční je výrazně levnější z důvodu použitého plniva vysokopecní strusky.
Nepotvrdila se myšlenka s použitím šamotové moučky jako plniva u receptur F a G, jelikož smrštění na vzorcích bylo mnohonásobně větší než u navrhovaných malt, u kterých byla použita vysokopecní struska nebo referenční vzorek malty.
Vybrány jsou dvě receptury, jedna s portlandským cementem s označením E, která se svými vlastnostmi velice podobá maltě referenční a přídržnost k podkladu má výrazně vyšší. Druhou variantou je maltová směs s označením D s použitím hlinitanového cementu. Tato receptura má výrazně lepší vlastnosti oproti maltě referenční, je však nutné ověřit její přídržnost k podkladu.
5 Doporučení pro užití maltových směsí Pro užití malt v praxi je nutné provést zkoušky, které by ověřily dosažené výsledky. Pokud by u malty s hlinitanovým cementem byla ověřena nízká přídržnost, bylo by vhodné tuto vlastnost vylepšit přidáním vhodné přísady. Pro orientační kontrolu kvality malty po zabudování do konstrukce, případně po výpalu, by bylo možné použít nedestruktivní metodu zkoušení pevnosti malty v ložných spárách pomocí přístroje PZZ 01. Vzhledem k vysoké pevnosti malty by bylo vhodné provést doplnění obecných kalibračních vztahů v závislosti na hloubce vrtu. Kalibrační vztahy by byly vyhodnoceny na vzorcích vyrobených v laboratorních podmínkách a odzkoušeny Kučerovou vrtačkou PZZ 01 v kalibrovaném lisu o předepsaném zatížení.
21
