Obsah: Bc. Veronika Vondříčková Diplomová práce 2012

Bc. Veronika Vondříčková

Diplomová práce 2012

Obsah: 1. Úvod

4

2. Teoretická část

5

2.1. Pálené střešní tašky

5

2.2. Teorie cihlářské výroby

7

2.2.1. Suroviny pro výrobu střešních tašek

7

2.2.2. Vytváření

9

2.2.3. Sušení

10

2.2.4. Výpal střešních tašek

12

2.3. Technické požadavky na pálenou střešní tašku

15

2.3.1. Konstrukční charakteristiky

15

2.3.2. Geometrické charakteristiky

15

2.3.3. Mechanické vlastnosti

16

2.3.4. Prosákavost

16

2.3.5. Mrazuvzdornost

17

2.3.6. Požární bezpečnost

18

2.3.7. Uvolňování nebezpečných látek

18

2.3.8. Pórovitá struktura vypáleného střepu

19

2.3.9. Výkvětotvornost

20

2.3.10. Stanovení výskytu cicvárů

21

2.3.11. Značení výrobků

21

2.4. Doposud publikované zkušenosti s využitím kamenné prosívky v cihlářské výrobě

22

2.4.1. Vliv ostřiv na vlastnosti a mikrostrukturu pálených cihel

22

2.4.2. Využití odpadu při zpracování žuly na výrobu cihel a dlaždic

24

2.4.3. Technologické vlastnosti slévárenských písků v pálených cihlách

28

2.4.4. Recyklace vedlejších slévárenských produktů v cihlářství

30

3. Cíl

33

4. Metodika zkoušek

34

4.1. Zkoušky vstupních surovin

34

4.1.1. Sítový rozbor vstupních surovin

34

4.1.2. Diferenční termická analýza

34

4.1.3. Rentgenová difrakční analýza

35 1



4.1.4. Kontrakčně dilatační termická analýza (DKTA analýza)

35

4.2. Zkoušky pro stanovení vlastností plastického těsta

36

4.2.1. Plastičnost keramického těsta dle Pfefferkorna

36

4.2.2. Skutečná vlhkost těsta wr

37

4.3. Zkoušky na vysušených vzorcích

38

4.3.1. Citlivost k sušení

38

4.3.2. Délková změna sušením

39

4.4. Zkoušky na vypáleném střepu

40

4.4.1. Délková změna výpalem

40

4.4.2. Ztráta hmotnosti pálením

40

4.4.3. Vzlínavost

40

4.4.4. Nasákavost za studena

41

4.4.5. Nasákavost vakuovým způsobem

41

4.4.6. Objemová hmotnost

41

4.4.7. Zdánlivá pórovitost

42

4.4.8. Zdánlivá hustota

42

4.4.9. Přímá zkouška prosákavosti

42

4.4.10. Pevnost v tahu za ohybu

43

4.4.11. Přímá zkouška mrazuvzdornosti

44

4.4.12. Deformace v ohybu během výpalu

44

4.4.13. Optická mikroskopie

44

4.4.14. Výpočet váhy kritérií – metoda párového srovnání

44

5. Experimentální část - I.ETAPA 5.1. Vstupní suroviny

45 45

5.1.1. Cihlářská zemina

45

5.1.2. Přísady

51

5.2. Vyrobené směsi

52

5.3. Výroba zkušebních vzorků

53

5.3.1. Příprava plastického těsta

53

5.3.2. Vytváření a sušení

53

5.3.3. Výpal vzorků

53

5.4. Vyhodnocení výsledků

54


54

5.4.2. Délková změna a ztráta hmotnosti pálením

59 2



5.4.3. Barva střepu po výpalu

59

5.4.4. Vzlínavost

60

5.4.5. Vakuová nasákavost

61


62


63


64


65

5.5. Diskuze výsledků 6. Experimentální část - II.ETAPA

67 68

6.1. Vyrobené směsi

68

6.2. Vyhodnocení výsledků

69


69


71

6.2.3. Mrazuvzdornost

72


72

6.2.5. Vzlínavost

73

6.2.6. Nasákavost

74

6.2.7. Prosákavost

75


76

6.2.9. Zdánlivá pórovitost a zdánlivá hustota

76


78

6.2.11. Kontrakčně dilatační termická analýza

80


83

6.2.13. Výpočet váhy kritérií – metoda párového srovnání

84

6.3. Diskuze výsledků

86

7. Závěr

87

8. Přílohy

88

9. Seznam použité literatury

89

10. Seznam tabulek

91

11. Seznam obrázků

92

3



1. Úvod Keramické výrobky z cihlářské hlíny se objevují v archeologických nálezech nejstarších kulturních vrstev (některé kultury byly pojmenovány právě podle keramických nálezů). Mezi

přednosti

keramických

výrobků

patří

snadná

dostupnost,

recyklovatelnost surovin a tvarová různorodost. Charakteristickými vlastnostmi jsou například křehkost, vynikající odolnost proti vysokým teplotám a korozi, nízká elektrická a tepelná vodivost. Pálené střešní tašky se vyrábí výpalem cihlářských hlín na teplotu 930-1050 °C. Sou časným nejčastěji používaným ostřivem ve výrobě střešních tašek je křemenný písek, který však vykazuje výrazné objemové změny během výpalu. Mou prací je posoudit využití kamenné prosívky, která může být pro cihlářskou výrobu

výhodnějším

ostřivem,

neboť

tyto

výraznější

změny

nezpůsobuje.

V experimentální části se pokusím najít vhodné složení směsi pro výrobu pálených střešních tašek. U keramického střepu budu provádět hlavně zkoušky na pórovitost, nasákavost, prosákavost, pevnost, objemové změny při výpalu a zkoušku mrazuvzdornosti. Surovinová směs použitá pro výrobu zkušebních vzorků je konkrétní směs používaná pro výrobu pálených střešních tašek TONDACH Česká republika s.r.o. – cihelna Šlapanice. Příměsí kamenné prosívky budu ve zkušebních vzorcích postupně nahrazovat spraš, jež způsobuje ve střepu objemové změny pálením a sušením. Cílem práce je získat optimální poměr surovin za účelem dosažení co nejlepších vlastností pálených střešních tašek.

4



2. Teoretická část 2.1. Pálené střešní tašky Střešní konstrukce chrání objekt před vnějšími vlivy (klimatickými činiteli, spadem, exhalacemi, hlukem). Pálené tašky plní kromě ochranné funkce také funkci dekorativní. Pálená střešní krytina se skládá z menších střešních prvků – střešních tašek vyskládaných do souvislé vrstvy. Střešní taška je tedy prvek skládané střešní krytiny. Pálené tašky se používají k pokrývání střech s dřevěnou konstrukcí krovu. Jsou vhodné pro sklony střešních plášťů nad 35° a pro nadmo řskou výšku staveb do 400 m. Podle způsobu výroby se dělí na tažené, ražené a prejzy. Podle počtu drážek na čele a boku jsou jedno nebo více drážkové. Jejich lícní plocha je neupravená nebo opatřena glazurou či engobou. Doplňkem jsou speciální kusy, např. hřebenáče. I přesto, že střešní tašky, byť v primitivní podobě, známe již z pravěku, doložení data „narození“ toho či onoho druhu není prakticky možné. První rovná střešní taška je známa z konce 1. stol. n. l. Byla opatřena otvorem pro upevnění na lať. Tašky s výstupkem pro zavěšení byly zaznamenány poprvé až na konci 11. století. Koncem 12. století se na střechách začaly objevovat tašky připomínající dnešní podobu bobrovky. V této době se také na gotických střechách začala objevovat krytina z glazovaných tašek kladených do kobercovitých ornamentů. Od roku 1840 bylo možno vyrábět tašky z jílu a hlíny pomocí ručního šnekového lisu a asi kolem roku 1870 lisovat strojově, přesto ruční výroba střešních tašek bobrovka skončila až na přelomu 19. a 20. století. Pálené střešní tašky si získaly oblibu z mnoha důvodů. Vynikají zejména trvanlivostí, kvalitou, dostupností a jednoduchostí pokládky. Mezi hlavní požadavky kladené na střešní krytiny patří únosnost, mrazuvzdornost a pravidelnost tvaru. Další nejčastěji zkoušené vlastnosti jsou nasákavost (a s ní související mrazuvzdornost), prosákavost a tvorba výkvětů.

5



a - Románská

b - Francouzská

c - Francouzská

d - Univerzál

e - Brněnka

f - Varia

g - Holland

h - Bobrovka

i - Prejz

j - Portugal

k - Jirčanka

l - Falcovka

m - Stodo

n - Srdcovka

o - Hřebenáč hladký p – Hřebenáč drážkový

Obr. č. 1: Základní typy pálených střešních tašek

[1], [2], [3]

6



2.2. Teorie cihlářské výroby 2.2.1. Suroviny pro výrobu střešních tašek Nejčastější dělení surovin je dle jejich chování po rozdělání s vodou. Jedná se o suroviny plastické a neplastické. Suroviny neplastické nemají plastické schopnosti a upravují chování směsi při vytváření, sušení a pálení. Dělíme je na ostřiva, taviva a lehčiva. Plastické suroviny jsou schopny po určitém přídavku vody (průměrně asi 20 %hm) vytvořit těsto, které je možno snadno tvarovat bez porušení jeho celistvosti. Základní plastickou surovinou pro výrobu cihlářských výrobků jsou cihlářské zeminy (jíly a hlíny) s přísadami nejčastěji ostřiva (např. křemenný písek) a někdy také lehčiva (dřevěné piliny).

2.2.1.1. Cihlářské zeminy Cihlářské zeminy musí být schopny vytvořit po úpravě a přidání určitého množství vody, případně dalších přísad, dostatečně tvárnou výrobní směs pro příslušný technologický postup. Pro cihlářské zeminy se předpokládá výroba z plastického těsta s vlhkostí zpravidla vyšší než 18 %. Cihlářské zeminy lze rozdělit na kvartérní (spraše a sprašové hlíny) a na terciérní nezpevněné (jíly, slíny) nebo zpevněné (jílovce, slínovce). Z jílových minerálů je typický především illit. Dále se v zemině vyskytuje křemen, živec, slída a také vápenec, který zabarvuje střep žlutě. Důležitý je obsah Fe2O3, který zabarvuje střep po výpalu do červena. Významnou vlastností je granulometrie cihlářských zemin, která charakterizuje jejich technologické vlastnosti a předurčuje suroviny k jejich použití. Za škodlivé příměsi v cihlářských zeminách se považují především vápencová zrna (cicváry), která snižují pevnost výrobků a způsobují povrchové vady. Mezi další nežádoucí příměsi patří rozpustné sloučeniny (způsobující výkvěty) nebo hrubá zrna křemene, sádrovce či pyritu. Škodlivou látkou ve spalinách je fluor.

7



2.2.1.2. Přísady do cihlářských zemin Přísady jsou látky používané v určitém poměru s cílem úpravy vlastností cihlářských surovin. Přísady rozdělujeme podle účinku na plastické těsto nebo na konečné vlastnosti výrobku.

Plastifikační přísady Plastifikační přísady zlepšují vaznost těsta. Nejčastěji používané přísady jsou létavý popílek a filtrační kaly (většinou znehodnocené bentonity).

Ostřiva Ostřiva jsou přírodní nebo umělé látky, které jednak upravují vlastnosti plastického těsta (snižují citlivost k sušení, snižují smrštění sušením) a také omezují tvorbu textury při tažení na šnekovém lisu. V průběhu výpalu ovlivňují teploty slinutí a deformace, snižují smrštění pálením. Získáme hutný a pevný střep. Používá se přírodní písek a odpady, které současně působí i jako lehčiva (škvára, uhelný prach, briketová drť, odpady z výroby minerálních vláken, struska). [2], [3], [4], [6]

8



2.2.2. Vytváření Pálenou krytinou se rozumí různé druhy tašek, které se vyrábí buď tažením na šnekových lisech (tažené střešní tašky) nebo ražením na revolverových lisech (ražené střešní tašky). V cihlářství se téměř výhradně využívá vytváření z plastického těstanejstaršího způsobu vytváření v keramice. Základním strojním zařízením je vakuový šnekový lis, na kterém se z plastického těsta tažením a následným nařezáním vytvoří tzv. plástve. Revolverovým lisem dojde k přelisování pláství, tím dostanou ražené tašky svůj finální tvar. Výrobní formy jsou sádrové, s gumovanou folií, nebo kovové. Na vysušené výlisky tašek lze nanášet stříkáním nebo clonou barevné engoby nebo glazury. Nanesené povlaky je nutno před vstupem do tunelové pece dosušit.

Obr. č. 2: Odřezávání pásma strunovým odřezávačem

Obr. č. 3: Výroba pálené tašky ražením na revolverovém lisu

[2], [4], [6]

9



2.2.3. Sušení Významným technologickým úsekem v cihelnách, vzhledem k velkému objemu zpracovávané suroviny a vysoké vlhkosti výlisku, je sušení. Smrštění sušením cihlářských surovinových směsí (výlisků) dosahuje průměrně 4-6 %. Pro technologii sušení je velmi důležité stanovit citlivost k sušení příslušné výrobní směsi. Sušárny rozdělujeme na periodické (stabilní poloha výlisku po celou dobu sušení) a kontinuální (výlisky jsou v pohybu na dopravním prostředku). V současné době se pro sušení v cihlářství používají komorové nebo kanálové sušárny s dobou sušení 35 – 75 hodin a spotřebou tepla 3200 – 5800 kJ/kg odpařené vody.

Komorové sušárny Současným představitelem periodických sušáren jsou komorové sušárny, které využívají teplý vzduch přiváděný z chladnoucího pásma pece a ohřívaný parními radiátory v komorách. Sušící medium proudí v komorách pomocí ventilátorů horizontálně, vertikálně nebo reverzibilně. Doba sušení podle druhu výrobku je 2 – 4 dny při spotřebě tepla 3400 – 7000 kJ/kg H2O. Délka komor je do 5 m. Výhodou je snadná změna režimu sušení podle změny formátu a vlastností vysoušeného materiálu a nezávislost navážky a vyvážky komor. Nevýhodou je vyšší spotřeba tepla, vyšší náklady na obsluhu a větší obestavěný prostor.

Obr. č. 4: Komorová sušárna se zavezenou částí výlisků

10



Kanálové sušárny Kontinuální kanálové sušárny využívají protisměrné proudění sušícího vzduchu a často jsou upraveny s příčným prouděním sušícího media vůči směru pohybu sušených výlisků. Používá se rytmické sušení pomocí aeromixerů. Využívá se teplý vzduch z chladnoucího pásma pece, který bývá někdy doplněn vnitřním přitápěním parními registry. Výhodou je krátká doba sušení 1-3 dny při nižší spotřebě tepla a jednoduchá obsluha.

Jednovrstvé rychlosušárny Uplatňují se zejména v jemné keramice. Moderní sušící zařízení umožňující velmi rychlé vysušení výlisků. Vysušované výlisky se posouvají sušárnou v jedné vrstvě na dopravním zařízení, kde v jednotlivých úsecích proudí vzduch s vlastnostmi podle režimu sušení. Jsou vhodné pro výrobky s tloušťkou střepu do 6 mm. [2], [4], [6]

11



2.2.4. Výpal střešních tašek Syrový střep získává pálením nové strukturní uspořádání, které mu zaručuje technické a technologické vlastnosti potřebné pro jeho použití. Vypálený střep má proti nevypálenému vyšší pevnost, stabilní tvar, jinou barvu a je odolný proti působení povětrnosti i proti řadě agresivních látek.

2.2.4.1. Charakteristická údobí výpalu Jednotlivé etapy výpalu se velmi liší charakterem probíhajících změn, a proto rozdělujeme proces výpalu na:

Údobí dosoušení Toto údobí je pokračováním sušení střepu, kdy se střep zbavuje zbytkové fyzikálně vázané vody. Konečná teplota údobí je 300 °C.

Údobí počátku reakcí v tuhém stavu V tomto údobí dochází k odstraňování chemicky vázané vody z jílových minerálů (450 – 650 °C), k reakcím v tuhém stavu (800 – 900 °C) a k rozkladu nejílových minerálů. Údobí zahrnuje také vyhořívání organických látek.

Údobí zhutňování Údobí probíhá přibližně od teploty 800 °C do 1200 °C. Dochází ke smrš ťování střepu a je ukončeno teplotou zhutnění.

Údobí slinování Fáze se vyznačuje značným zhutněním až slinutím střepu, smršťování se již zpomaluje. Slinutí je charakterizováno nasákavostí do 2 %. V tomto údobí roste podíl taveniny a střep získává termoplastické vlastnosti.

Údobí chlazení Začíná snížením teploty výpalu. V prvních fázích, asi do 800 °C (údobí pyroklastického střepu), nebývá střep citlivý na rychlý pokles teploty. Pod uvedenou teplotou nastává vlastní chlazení již podstatně pomaleji (významné jsou modifikační změny SiO2).

12



2.2.4.2. Keramické pece Keramické pece slouží pro výpal keramických výrobků. Jsou uzpůsobeny tak, aby v nich bylo možné vyvinout potřebný žár po požadovanou dobu výpalu. Pecní prostor, kam se ukládá zboží určené k vypálení, se nazývá pecištěm (pecním kanálem). Peciště je ohraničeno pecním zdivem, které zadržuje potřebné teplo v pecišti a zároveň chrání výrobky před vnějšími vlivy. Vývoj keramických pecí směřuje od periodicky pracujících pecí ke kontinuálním pecím. Keramické pece se liší velikostí, koncepcí, způsobem vytápění, maximálními dosahovanými teplotami a dalšími kritérii, které spolu souvisejí.

Tunelová pec Většina cihlářských výrobků se v dnešní době pálí v tunelových pecích. Principem tunelové pece je průjezd výrobků naložených na pecních vozících tunelem, kde jsou podle teplot a tahových poměrů nastavena pásma (předehřívací, pálící a chladící). Délka pece bývá až 200 metrů a doba výpalu je mezi 20 a 35 hodinami. Pecí projíždí několik desítek pecních vozíků. Tašky jsou uloženy v tzv. monokazetách pro jednu tašku v horizontální poloze, které jsou uzpůsobeny pro výpal engobovaných nebo glazovaných tašek. Pásmo předehřívací začíná vjezdem tunelových vozů v určených intervalech. Jeho úkolem je rovnoměrný ohřev skládky výsušků na tunelových vozech účelnou a nezávadnou rychlostí ohřevu. K zamezení vnikání falešného vzduchu, ke kterému dochází během vjezdu pecních vozíků, je vchod opatřen dvojími vraty. Žárové pásmo je úsekem, kde je dosaženo vypalovací teploty, která se udržuje potřebnou dobu ke snížení teplotního gradientu ve výrobku. Podmínkou dosažení potřebné vypalovací teploty je teplota plamene, která je vždy vyšší než vypalovací teplota. Chladnoucí pásmo pece má za úkol ochlazování vypálených výrobků na teplotu okolního prostředí bez jakéhokoliv poškození výrobku. Z tohoto pásma se získává teplo pro sušení a teplý spalovací vzduch do žárového pásma.

13



Obr. č. 5: Vozy tunelových pecí

[2], [4], [6], [15]

14



2.3. Technické požadavky na pálenou střešní tašku Evropská norma „EN 1304 Pálené střešní tašky a tvarovky – Definice a specifikace výrobku“ stanovuje požadavky na pálené střešní tašky, které vyhovují této normě a jsou vhodné pro střešní pláště šikmých střech a tvarovky pro vnější i vnitřní obklady stěn. Touto normou jsou stanoveny nejmenší požadavky na výrobek. Pokud jsou splněny v době dodání, je zaručeno, že je výrobek schopný plnit svou funkci i v případě změn, kterým je každý stavební materiál vystaven při běžném používání.

2.3.1 Konstrukční charakteristiky Výrobky nesmí vykazovat žádné výrobní vady zhoršující správné vzájemné spojení výrobků a ani další vady struktury (lom, prasklina, odpadnutí závěsného ozubu). U hodnocení konstrukčních charakteristik se výrobky prohlédnou pouhým okem ze vzdálenosti 30 až 40 cm při běžném osvětlení. Tašky a tvarovky mohou být opatřeny závěsnými ozuby nebo připevňovacími otvory, lze ale použít i jiný způsob připevnění.

2.3.2. Geometrické charakteristiky Vzhledem ke skladebnosti prvků ve stavební konstrukci jsou stanoveny podle kategorie přesnosti výrobku a jeho typu tolerance rozměrů (rozdíl mezi maximálním a minimálním rozměrem). Zjišťuje se vizuálně vnější vzhled, tvar, začouzení, trhlinky, množství zlomků, poškození ploch, hran a rohů. Měří se jmenovité rozměry (vždy tři stanovené na jednom vzorku a vypočítá se průměr), kolmost hran, rovinnost čel, hran a ploch, nepřesnosti dosedu, prohnutí, zploštění. Průměrná délka a šířka stanovená podle EN 1024 se může lišit od hodnot deklarovaných výrobcem nejvýše o ±2 %. U tašky se měří prohnutí. Taška nebo tvarovka s celkovou délkou do 300 mm má mezní hodnotu prohnutí v příčném i podélném směru do 1,5 %. Střešní taška nebo tvarovka délky nad 300 mm má mezní hodnotu do 2,0 %.

15



2.3.3. Mechanické vlastnosti Mechanické vlastnosti cihlářských výrobků zahrnují zkoušky pevnosti v tlaku, v tahu za ohybu a únosnosti. Norma ČSN 1304 udává únosnost jednotlivých druhů střešních krytin. Tato únosnost je závislá na druhu materiálu, na předpokládaném zatížení při využití (vítr, sníh) a na zatížení při montáži střechy (manipulační nahodilé zatížení). Pálené tašky se pokládají za vyhovující, pokud se při zatížení podle ČSN EN neporuší vlivem zkušební síly 600 N pro ploché tašky, 900 N pro ploché drážkové tašky, 1000 N pro prejzovou krytinu a 1200 N pro ostatní druhy tašek.

2.3.4. Prosákavost Prosákavost udává odolnost keramického střepu proti pronikání vody, které je způsobeno pórovitou strukturou a tloušťkou materiálu. Prosákavost lze zkoušet dle EN 539-1 dvěmi metodami. Pálené tašky a tvarovky se zařadí do jedné ze dvou kategorií prosákavosti, které jsou uvedené v sestupném pořadí. Tašky a tvarovky pro střechy zařazené do kategorie 2 se musí používat pouze s pojistnou hydroizolací. Výrobce musí uvést, kterou metodu používá ke zkoušení a výsledky musí být vyhodnoceny s ohledem na použitou metodu. U první metody se měří množství vody, které prosákne 1 cm2 plochy za 48 hodin při konstantním zatížení 10 cm vysokým sloupcem vody. Poté se stanoví faktor prosákavosti IF. Druhá metoda je založena na odkápnutí první kapky z rubu tašky, přičemž na líc tašky působí vodní sloupec o výšce hladiny nejméně 60±5 mm a na nejvyšší bod vlny tašky minimálně 10±5 mm. Pod vzorky se umístí zrcadlo nebo měřící časové zařízení. Doba odkápnutí první kapky se zapisuje s přesností ±15 minut. Poté se vypočítá koeficient prosákavosti IC. Výrobce uvádí použitou metodu a poté zhodnotí kvalitu výrobku.

16



2.3.5. Mrazuvzdornost Přímé metody stanovení mrazuvzdornosti cihlářských střepů jsou založeny na principu opakovaného cyklu

zmrazení

a rozmrazení vzorku a následném

hodnocením změn zkoumaného vzorku. Zkušební vzorky musí vyhovět zkušební metodě dle EN 539-2, která platí v zemi, kde se střešní tašky používají. Pro Českou republiku platí, že musí vyhovět 150 zmrazovacím a rozmrazovacím cyklům. Po provedené zkoušce se následně vyhodnocuje vzhled tašky, na které se nesmí objevit prasklina, lom nebo lístkování. Nevýhodou přímé metody je její časová náročnost. Přímé metody jsou jedinou jednoznačnou zkouškou potvrzující mrazuvzdornost střepu. Nepřímé metody se užívají k předběžnému zjištění mrazuvzdornosti a opírají se o vyhodnocení souboru ukazatelů, které ovlivňují chování výrobku za působení mrazu. Dělí se do dvou skupin. První je hodnocení podle nasákavosti střepu – s klesající nasákavostí roste předpoklad vyšší mrazuvzdornosti střepu. Druhé je hodnocení podle velikosti pórů. Znalost rozdělení pórů ve střepu je základem nepřímých metod. Nepřímé metody nejsou však vždy přesné a vypovídající.

Obr. č. 6: Ukázka defektu vytvořeného během normované zkoušky mrazuvzdornosti

17



2.3.6. Požární bezpečnost Výrobky podle normy EN 1304 vyhovují požadavkům na chování při vnějším požáru bez nutnosti zkoušení (pro všechny zkušební metody), pokud vyhovují ustanovení rozhodnutí Komise 96/603/ES a pokud veškeré vnější povrchové úpravy jsou anorganické. Výrobky, které nevyhovují těmto požadavkům, se zkoušejí a klasifikují podle EN 13501-5 metodou platnou v zemi použití výrobků. Podle rozhodnutí Komise 96/603/ES jsou tašky a tvarovky zařazené do třídy reakce na oheň A1 bez nutnosti zkoušení za předpokladu, že pro tašky a tvarovky vyráběné slepením z jedné nebo více vypálených částí je podíl organické hmoty v zatvrdlém lepidle menší nebo roven 0,1 % objemově nebo hmotnostně (podle toho, která hodnota je menší) a pokud obsah rovnoměrně rozložené organické hmoty (mimo lepidlo) je menší nebo roven 0,1 % objemově nebo hmotnostně (podle toho, která hodnota je menší). Výrobky, které nevyhovují těmto požadavkům, se zkoušejí a klasifikují podle EN 13501-1.

2.3.7 Uvolňování nebezpečných látek Na pálené střešní tašky se mohou kromě jakýchkoliv jejich specifických ustanovení týkajících se nebezpečných látek vztahovat další požadavky. Aby byla splněna ustanovení směrnice EU o stavebních výrobcích, je rovněž třeba dodržet dané požadavky, kdykoliv a kdekoliv se uplatní. V České republice se jedná například o splnění vyhlášky o radiační ochraně č. 307/2002 Sb., kde v příloze č. 10 jsou dané požadavky na maximální obsah přírodních radionuklidů pro stavby s obytnými nebo s pobytovými místnostmi. Mezní hodnota hmotnostní aktivity

226

Ra nesmí být větší než 150 Bq/kg a zároveň směrná

hodnota indexu hmotnostní aktivity I (40 K, 226Ra, 228Th) nesmí překročit hodnotu 0,5.

18



2.3.8. Pórovitá struktura vypáleného střepu Typickým znakem mikrostruktury keramického střepu je přítomnost pórů. Póry, jejich množství a velikost, představují důležitý znak mikrostruktury, protože zásadně ovlivňují fyzikálně mechanické vlastnosti (pevnost, tepelnou vodivost, nasákavost a s ní související mrazuvzdornost). Pokud chceme, aby byla pálená střešní taška mrazuvzdorná, je důležité snížení objemu pórů a naopak zvýšení střední hodnoty poloměru pórů. Kromě velikosti pórů hraje důležitou úlohu i jejich tvar. Mohou se také spojovat v kapiláry, které jsou průchodné pro plyny a kapaliny. I vysoce nasákavé střepy mohou být při vhodném rozložení a velikosti pórů mrazuvzdorné. Každý mrazuvzdorný pórovitý keramický střep má široké spektrum různě velkých pórů. Nejdříve se tvoří led v kapilárách o průměru řádově nad 1 µm. V pórech menších, o průměru asi 0,01 µm, voda zamrzá při teplotách asi -20 °C. Zda má keramický výrobek vhodné rozložení velikosti pórů lze velmi jednoduše a přibližně posoudit např. na základě tzv. koeficientu nasycení střepu (KNS). Tento koeficient udává poměr hodnot nasákavosti za atmosférického tlaku (někdy se označuje jako nasákavost za studena – vzorek se umístí do studené vody a takto se ponechá 48 hodin) a nasákavosti varem (vzorek se vaří 2 hodiny ve vodě). Je-li hodnota koeficientu nasycení střepu do 0,85, lze považovat střep za mrazuvzdorný. Nižší hodnota KNS znamená větší procento nezaplněných otevřených pórů, ve kterých se může rozpínat zmrzlá voda. Existují i složitější metody, jak nepřímo posoudit mrazuvzdornost keramiky na základě stanovení rozdělení velikosti pórů. K těmto metodám patří např. metoda vysokotlaké rtuťové porozimetrie.

Obr. č. 7: Teploty zamrzání vody v pórech o různém průměru 19



2.3.9. Výkvětotvornost Skvrny neboli výkvěty na plochách z pálených cihlářských výrobků patří k častým problémům. Výkvěty jsou způsobeny usazováním rozpustných solí po odpaření vlhkosti. Mohou se po čase objevit na povrchu výrobků zejména s vyšší pórovitostí. Předpokladem vzniku výkvětů je přítomnost rozpustných solí (nejčastěji sírany a uhličitany vápenaté, sodné a draselné), přítomnost vlhkosti a pórovité prostředí dovolující rozpouštění solí a jejich transport k povrchu prvku. Po odpaření vody zůstávají viditelné krystaly – výkvěty. Rozlišujeme dva druhy výkvětů – primární a sekundární. Primární výkvěty jsou vlastnosti výrobku, pokud obsahuje rozpustné soli, které při výpalu nevytvořili taveninu. Jejich vyloučení je nutné již v technologii výroby. Sekundární výkvěty vznikají ve zdivu, pokud malta obsahuje rozpustný Ca(OH)2, který je v roztoku nasáván do pórů cihel a na povrchu po odpaření vody reaguje s vzdušným CO2 za vzniku krystalů CaCO3. Bílé výkvěty jsou nejčastěji tvořeny sírany a uhličitany alkalických kovů. Tvoří silné povlaky bílé až šedobílé barvy, v krajním případě mohou porušit povrch cihel (vykrystalizují v soli s několika molekulami vody). Barevné výkvěty způsobují soli obsahující Fe, Mn, Va, které zabarvují povrch zdiva žlutě, hnědě, zeleně. Na rozdíl od bílých výkvětů se nedají mechanicky odstranit. Výkvěty vzniklé na čerstvě vypálených cihlách se nazývají sušárenské a nejsou škodlivé. Deštěm vyplavený vápenný hydrát z malty tvoří bílé pásy kolmo k maltové spáře. Původ rozpustných solí je rozdílný a vždy posuzujeme nejen vlastní cihlářský výrobek, ale také maltu a působení okolí na zdivo. Vzniku primárních výkvětů lze předejít několika způsoby - prodloužit dobu izotermické výdrže na maximální teplotě výpalu, provádět výpal při co nejvyšší teplotě, příměs taviv, užití BaCO3 nebo BaCl2, popřípadě se vyhnout surovinám a přísadám, které obsahují pyrit nebo markazit. Důležité je odstranění síry. Jako ochranný prostředek proti vytvoření výkvětů se dále doporučuje opatřovat střep povrchovou úpravou nebo hlazením povrchu polovysušeného výlisku (uhlazením se ucpou póry a případně se i zabrání mikroskopickým trhlinkám a tím se zvýší nepropustnost a mrazuvzdornost).

20



Obr. č. 8: Výkvěty na cihelných vzorcích

Odstranění výkvětů je možné okartáčováním nebo opršením. Déšť je slabá kyselina a dokáže jemné výkvěty za pár měsíců očistit. Omytí 10 % roztokem kyseliny oxalové odstraňuje zvláště Va a Fe výkvěty. Jako impregnační nátěr slouží silikonové nebo silanové nátěry. Doporučuje se také nátěr fluorokřemičitanem olovnatým. Každý cihlový střep je porézní přírodní materiál a výkvět se z jakéhokoliv důvodu může objevit i na něm. I v cihlové surovině se můžou objevit drobná ložiska přírodního vápna a výkvět je na světě.

2.3.10. Stanovení výskytu cicvárů Cicvár (zrna vápenatých sloučenin) se považuje za škodlivý, když výrazně změní vzhled výrobku, sníží jeho pevnost nebo únosnost o více než 20 % a nebo pokud je prosákavost tašky nevyhovující. Vzorky se ihned po výpalu vloží na rošt do nádoby, voda pod roštem se za hodinu uvede do varu, který se udržuje 1 hodinu. Vzorky se ponechají v nádobě další 4 hodiny, potom se vyjmou a prohlédnou. Pokud je patrné poškození stanoví se pevnost.

2.3.11. Značení výrobků Nejméně 50 % všech dodaných druhů tašek a nejméně 10 % dodaných tvarovek musí být trvale a čitelně označeno (kódem nebo plným textem) pro identifikaci výrobce a výrobny, druhu výrobku (nepovinné), země původu, roku a měsíce výroby. K zásilce tašek nebo tvarovek musí být přiloženy dokumenty, které budou odkazovat na normu EN 1304 a musí specifikovat kategorii nepropustnosti 1 nebo 2 spolu s použitou zkušební metodou podle EN 539-1 a metodu zkoušky mrazuvzdornosti, které výrobek vyhovuje.

[4], [5], [6], [7], [8], [9], [15] 21



2.4. Doposud publikované zkušenosti s využitím ostřiv v cihlářské výrobě 2.4.1. Vliv ostřiv na vlastnosti a mikrostrukturu pálených cihel Tento článek pojednává o drceném odpadu pálených cihel použitých jako ostřiv v keramickém těstě spolu s plastickými surovinami na výrobu pálených cihel. Byl zde posuzován vliv ostřiv (až 20 %hm) na vytváření, vlastnosti a mikrostrukturu cihel vypálených na 700 °C. Průmyslová výroba zahrnuje využití cihlářských zemin, které se skládají ze surovin plastických a neplastických. Křemen, slída, živec, hydroxidy a další jsou přítomny v každé přírodní plastické surovině. Do plastických surovin je nutné přidat i jiné než plastické přísady ke zlepšení výrobních vlastností. V případě vysoce plastických jílů zlepšují ostřiva některé vlastnosti výsledných produktů. Jako ostřivo byly použity odpady z cihel vypálených na teplotu 600 °C a následně rozdrceny v čelisťovém drtiči na velikost 20 ok (840 lm). Ostřivo v množství 5, 10, 15 a 20 %hm bylo mícháno s plastickými surovinami v suchém stavu. Plastické suroviny byly složeny ze dvou místních jílů. V jílech se nacházely minerální fáze křemen, slída muskovit, sádrovec a goethitu. Válcové zkušební vzorky s průměrem 31 a 11 mm se připravily jednoosým lisováním tlakem 20 MPa s vlhkostí 8 %hm. Vzorky se vysušily při 110 °C do konstantní hmotnosti a poté byly vypáleny v laboratorních elektrických pecích při 700 °C tak, aby byl pr ůběh výpalu co nejvíce podobný výpalu v cihelně. Lze tedy lépe porovnat vlastnosti vzorků s průmyslovými výrobky. Provedeny

byly

zkoušky

lineárního

smrštění,

nasákavosti

varem

a

mechanické pevnosti. Mikrostruktura lomové plochy vybraného vypáleného vzorku byla zkoumána pomocí skenovací elektronové mikroskopie SEM a pórovitost vniknutím rtuti do pórů vzorku. Dle rentgenové difrakční analýzy převládají vrcholy křemene, zatímco sekundární vrcholy identifikují krystalické minerální fáze muskovitu a kaolinitu. Přítomnost kaolinitu je důsledkem relativně nízké vypalovací teploty použité pro výrobu cihel. Na základě diferenciální termické analýzy (DTA) a termogravimetrické analýzy (TG) byly na DTA / TG křivce ostřiva identifikovány tři endotermické a jeden 22



exotermický vrchol. První endotermický vrchol je způsoben hygroskopickou vodou a je spojen se smrštěním 0,91 %. Druhý vrchol vznikl vzhledem k dehydroxylaci zbývajícího kaolinitu s váhovým úbytkem 0,70 %. Třetí a poslední endotermický vrchol je spojen s transformací alotropického α-křemene na β-křemen bez úbytku hmotnosti. Exotermický vrchol je způsoben rozkladem metakaolinitu tvořícího další fáze. Chemické složení ostřiva ukazuje typické hodnoty kaolinových surovin s vysokým množstvím oxidu hlinitého a nízkým obsahem alkalických oxidů. Velké množství hematitu způsobuje načervenalou barvu vypálených cihel. Převládající velikost částic ostřiva je v rozsahu 200-600 lm. V případě tohoto ostřiva je možné, že každá částice v tomto rozsahu se ve skutečnosti skládá z kamenných částic roztavených při procesu slinování. Přírodní směs jílovitých surovin a ostřiv získaných z výroby je vhodná pro tvarování cihel. Přidání 20 %hm ostřiva snižuje plasticitu při zachování funkčnosti v rámci řádného vytlačování ze šnekového lisu. Větší množství ostřiva ovlivňuje zpracovatelnost směsi s ohledem na způsob vytváření. Přidáním 5 %hm ostřiva se nezmění objemová hmotnost keramického střepu. Pevnost v tahu za ohybu výsušku se nemění až do 10 %hm ostřiv. Naproti tomu přidání 20 %hm ostřiva snižuje pevnost střepu na více než čtvrtinu. Tento výsledek lze přičíst vyšší pórovitosti. Ostřiva mírně zvyšují nasákavost střepu. Pevnost v tahu za ohybu se nejprve zvyšuje do příměsi 5 % ostřiva, ale pak se rapidně snižuje. Také se ukazuje, že přidáním 20 %hm ostřiva se zvýší otevřená pórovitost střepu. Podle výsledků zkoušek bylo zjištěno, že přídavek ostřiva do 5 %hm nemá vliv na zpracování nebo kvalitu výsledné keramiky. Přidání ostřiva ve větším množství zvyšuje pórovitost, což je nežádoucí pro technologické vlastnosti cihel. Výsledky ukázaly, že tento druh ostřiva může být vhodný pro zpracování a kvalitu cihel vypálených na teplotu vyšší než byla teplota výpalu původních cihel. Ostřivo z cihel vyrobených při relativně nízkých teplotách, jako je 600 °C, je vhodné a mělo by být přidáváno do plastických surovin pro výrobu cihel při vyšších teplotách. V praxi toto ostřivo představuje nejen ekonomickou úsporu vzhledem k množství snadno dostupného odpadu, kterým lze nahradit jíl, ale také definitivní řešení odpadu z výroby cihel. [10]

23



2.4.2. Využití odpadu při zpracování žuly na výrobu cihel a dlaždic Průmysl vytváří velké množství odpadů, které znečišťují a poškozují životní prostředí, proto bylo cílem této práce posoudit vhodnost využití odpadu vznikajícího při řezání žuly jako alternativní keramické suroviny na výrobu cihel a keramických dlaždic. Brazílie je jedním z největších zpracovatelů žuly na světě, ať už ve formě bloku nebo v jiných zpracovaných produktech. Recyklace odpadů žuly v keramickém průmyslu přitahovala pozornost v posledních letech hlavně díky možnosti snížení výrobních nákladů. Na vývoj tohoto výzkumu byly použity klasické keramické suroviny (cihlářské hlíny, křemen, živec, vápenec a jíl) a odpady vznikající při řezání žuly. Všechny tyto tradiční suroviny již byly analyzovány a jsou běžně využívané v keramickém průmyslu v regionu na severovýchodě Brazílie. Jako příměs byly vybrány tři vzorky odpadů vzniklé při řezání žuly, které byly získány v podobě bláta, vysušeny a následně přidány do cihlářské směsi. Použité byly odpad z Poligran, odpad z Caxambu a odpad z Fuji. Vyrobené zkušební vzorky obsahovaly směs cihlářské hlíny a odpadů (ve výši 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55 a 60 %hm). Vzorky této směsi (rozměrů 20x2x2 cm) byly vypáleny na 800, 900 a 1000 °C v oxida ční atmosféře. Po výpalu byla stanovena nasákavost vzorků a pevnost v tahu za ohybu. Pro porovnání byly vytvořeny ještě vzorky 19x9x9 cm a vypáleny na teplotu mezi 750 a 850 °C v pr ůmyslové peci. Výsledky hodnot hustoty jsou v souladu s hodnotami běžně používaných surovin (2,60 – 2,75 g/cm3). Směs obsahovala vyšší podíl jemných částic. Hodnoty měrného povrchu odpadů byly v rozmezí 6 až 11 m2/g, což je velmi podobné běžným keramickým surovinám a jsou tedy srovnatelné s typickými hodnotami plastických a neplastických surovin. Žulové odpady obsahují více než 59 % SiO2 a Al2O3 v rozmezí 6,40 - 13,80 %. Obsah Fe2O3 se pohybuje kolem 6 %. Přítomnost CaO a Fe2O3 v odpadech je hlavně důsledkem použití kovového prachu a vápna jako brusiva a maziva při řezání žuly. DTA / TGA analýza poukazuje na to, že odpady z Poligran a z Fuji obsahují křemen, slídu a vápenec, zatímco odpad z Caxambu obsahuje kaolinit a mullit. TG analýza grafů ukazuje, že odpady z Poligran a z Fuji vykazují nejvyšší úbytek hmotnosti v rozsahu teplot rozkladu vápence, zatímco odpad z Caxambu má největší ztrátu hmotnosti v rozsahu teplot dehydroxilace jílových minerálů. Na

24



rentgenogramu jsou patrné vrcholy křemene (SiO2), živce draselného (KAlSi3O8), živce sodného (NaAlSi3O8), slídy a kalcitu (CaCO3) obsažených v odpadu z Poligranu a Fuji, zatímco v odpadu Caxambu je pozorována pouze přítomnost křemene a kaolinitu. Na základě fyzikální a mineralogické charakteristiky odpadů lze pozorovat, že jejich vlastnosti jsou podobné běžně užívaným cihlářským surovinám. Poligran a Fuji odpady mají chemické a mineralogické složení podobné. Obsahují vysoké množství taviv, zatímco odpad z Caxambu má složení blížší písku vzhledem k množství SiO2 a k nízkému obsahu taviv. Směs složená z až 45 % odpadů byla vyhodnocena jako vysoce plastická, zatímco složení směsi z 50, 55 a 60 % odpadu bylo klasifikováno jako středně plastické. Podle literatury jsou tyto výsledky v souladu s hodnotami uvedenými jako vhodné pro výrobu cihel vytlačováním ze šnekového lisu. Obrázek č. 9 ukazuje výsledky nasákavosti a pevnosti v tahu za ohybu keramického střepu získaného výpalem v laboratorní peci. Je zde možné pozorovat, že zvýšení obsahu odpadu vede ke zvýšení nasákavosti nezávisle na vypalovací teplotě. Pevnost v tahu za ohybu se zvyšuje a následně klesá s růstem obsahu odpadu nad 20 %. Dle obrázku č. 9 bylo ověřeno, že všechny vzorky (i s množstvím odpadu až 50 %) mají hodnoty nasákavosti stále nižší, než jsou maximální povolené hodnoty nasákavosti pro cihly (25 %) a pro střešní krytiny (20 %). Stejně tak jsou i pevnosti v tahu za ohybu vyšší, než minimální hodnoty, které jsou 5,5 MPa pro cihly a 6,5 MPa pro pálené střešní tašky. Na základě této předběžné analýzy byly provedeny zkoušky směsí (až 50 % odpadů) vypálených v průmyslové peci. Obrázek č. 10 ukazuje výsledky nasákavosti a pevnosti v tahu za ohybu cihelného střepu po výpalu v průmyslové peci. Myšlenkou celého výzkumu bylo ověřit využití odpadu žuly, produkovaného při jejím zpracování v průmyslu v oblasti brazilského severovýchodního regionu, jako alternativní keramické suroviny pro výrobu cihel a dlaždic. Příměs odpadní žuly se ukázala být vhodnou složkou do cihlářské surovinové směsi. Použití tohoto odpadu by také mohlo mít praktické důsledky, jak pomocí recyklace dosáhneme úsporných nákladů na výrobu cihlářských produktů.

25



Obr. č. 9: Nasákavost a pevnost v tahu za ohybu laboratorních vzorků vypálených na 800, 900 a 1000 °C

26



Obr. č. 10: Nasákavost a pevnost v tahu za ohybu vzorků vypálených v průmyslové peci na teplotu mezi 750 a 850 °C [11]

27



2.4.3. Technologické vlastnosti slévárenských písků v pálených cihlách Kovové odlitky se vyrábějí litím do forem. Formy mohou být použity opakovaně, ale dochází k jejich opotřebení. Poté se odstraňují z výrobního procesu a likvidují na skládkách. Ve slévárenském průmyslu jsou miliony tun tohoto materiálu, více než 70 % je tvořeno pískem. Formy se většinou skládají z křemene, bentonitu, uhlíkových přísad a vody, někdy však také obsahují významné množství těžkých kovů jako je chrom, olovo, měď, nikl a zinek, nebo organické příměsi. Ke snížení nebo odstranění rizika spojeného s těmito nebezpečnými látkami se stabilizují hydroxidem vápenatým a poté ukládají na skládky. Rostou ekologické problémy a zároveň náklady na likvidaci těchto látek, proto se zvyšuje zájem o začlenění těchto odpadů do alternativních výrobních procesů moderního průmyslu. Vyhořelé písky mohou být recyklovány v rámci slévárenského průmyslu nebo v několika dalších průmyslových odvětvích. Četné druhy takovýchto odpadů byly vyhodnoceny jako vhodné suroviny pro výrobu cihel. Slévárenské písky byly dodávány z automobilky v Baskicku (Španělsko) a cihlářská hlína byla dodána cihelnou nacházející se v La Rioja (Španělsko). V laboratořích se simuloval keramický proces. Slévárenský písek byl přidáván v poměru 10 – 35 %hm do cihlářské hlíny. Referenční vzorky byly připraveny k porovnání chování odpadního písku. Po homogenizaci byly tvarovány vzorky velikosti 10x7x2 cm, které se poté sušily při laboratorní teplotě po dobu 7 dnů. Následně se dosoušely v elektrické sušárně při 100 °C po dobu 24 hodin. Vzorky vysušené do konstantní hmotnosti byly vypalovány v elektrické peci na 3 maximální teploty (800, 850 a 900 °C p ři 4 hodinové výdrži na maximální teplotě). Cihlářská hlína se skládala hlavně z křemene, vápence, hematitu a směsi jílových minerálů včetně kaolinitu, smektitu, illitu a vermikulitu. Chemické složení bylo 50 % SiO2, 15 % Al2O3 a 9 % CaO, v menším množství bylo obsaženo i železo, draslík a dusík. K dispozici bylo relativně vysoké množství taviv jako je K2O v slévárenských píscích. Referenční písky byly složeny z křemene a živce. Poměrně vysoké bylo množství chrómu. Z hlediska velikosti částic byl čistý písek hrubší než písek slévárenský.

28



Slévárenský písek prošel exotermní reakcí při spalování organických složek. Toto pozorování potvrzuje ztráta žíháním, která byla 2,7 %. Průmyslově vyrobené cihelné bloky skládající se z 30 % slévárenských písků byly vypáleny na 850 °C . Objemová hmotnost těchto bloků byla 2,67±0,04 g/cm3, hodnota nasákavosti 12,7±0,2 %, pevnost v tahu za ohybu 83,7±0,3 kg/cm2 a měrný povrch 5,44±0.05 m2/g. Na všech vzorcích je "střední" stupeň výkvětů, což naznačuje, že slévárenský písek nemá žádný škodlivý účinek ve srovnání s referenčním pískem. Tvorbu výkvětů lze předvídat na základě množství rozpustných solí. Škodlivost cihel k životnímu prostředí vypálených na 850 °C byla hodnocena zkouškou lo užením. Vyluhování barya, fluoridů a chloridů nemá podstatný vliv na výsledné vlastnosti. Zkoušky loužením provedené na monolitických materiálech ukazují, že slévárenský písek může být použit jako stavební materiál bez vlivu na životní prostředí. Vyhořelé slévárenské písky lze úspěšně používat v cihlářství ke snížení plasticity surovin stejně, jako se užívají běžné vyskytující se písky. Technologické chování slévárenského odpadu s obsahem jílu je plně srovnatelné s běžným pískem. Vyhořelý slévárenský písek může být přidáván do pálených cihel v proměnném množství, v závislosti na chování jílu. Dle této studie se nejnebezpečnější prvky vyskytují při spalování, ale jejich koncentrace ve výluzích je pod povolenými hodnotami. Chrom a olovo překračují tyto limity, ale jsou v relativně nízkých koncentracích. Slévárenské písky mohou být přidávány do cihel v množství až 30 %hm. Výsledky těchto studií ukázaly, že začlenění odpadů do keramického procesu je možné v rozmezí 2 až 50 %. Použití odpadu může ušetřit energii a zvýšit kvalitu cihel. Vysoká teplota potřebná k výrobě cihel předpokládá stabilizaci a snížení znečišťujících látek vzniklých ve výluhu.

Obr. č. 11: Průmyslově vyrobený cihlářský střep [12] 29



2.4.4. Recyklace vedlejších slévárenských produktů v cihlářství Keramický průmysl může využívat velkého množství odpadů, které lze použít jako suroviny pro výrobu cihel. Jsou to například sedimenty, čistírenské kaly, odpadní popílek a ocelářská struska. Z technologického hlediska je možné začlenění těchto materiálů do keramického procesu, a to za účelem zlepšení vlastností finálních výrobků. Ve slévárenství vznikají miliony tun vyhořelého materiálů, 70 % z nich se skládá z tzv. slévárenského písku. V závislosti na původu může být slévárenský písek klasifikován jako písek zelený (dále jen GS), vzniklí rozkladem, a písek jádrový (dále jen CS). GS je tvořen hlavně z oxidu křemičitého, bentonitu, černého uhlí a vody, zatímco CS je složený z oxidu křemičitého, organických pojiv a katalyzátorů. Oba písky jsou klasifikovány jako nebezpečné látky, protože mohou obsahovat těžké kovy a organicky znečišťující látky, které mohou být uvolňovány do ovzduší. Jednou použité písky nemohou být znovu použity ve slévárně. Tato práce srovnává výrobu keramických cihel se dvěma typy slévárenských písků (zeleného a jádrového) vypálených v laboratoři dle různých cyklů, které odpovídají výrobě různých keramických výrobků. Cílem bylo vyhodnotit vliv cyklu výpalu a obsahu odpadních slévárenských písků na mikrostrukturu a vlastnosti konečného produktu. Zelené a jádrové písky byly získány ze slévárny automobilky nacházející se v Cantabrii (Španělsko), která vyrábí díly ze šedé a tvárné litiny pro automobilový průmysl. Místní cihelnou byl dodáván illitický jíl (Cantabria, Španělsko). GS a CS byly přidány do běžné cihlářské hlíny v poměrech 0 – 50 %. Za cílem zlepšení plasticity a prevence proti výkvětům byl přidán uhličitan barnatý v poměru 0,004 ppm. Směsi byly homogenizovány a tvarovány na zkušební vzorky o rozměrech 15x3x1,5 cm a následně vypáleny v laboratorní muflové peci na maximální teploty 850 °C, 950 °C a 1050 °C s rychlostí 2 °C/min a výdrží 3,5 hodiny na maximální teplotě. Pro porovnání byly některé vzorky vypalovány na 1050 °C v pr ůmyslové peci. Směsi odpadních písků mají větší částice než hlína, proto je nutné oba druhy písku upravit procesem zdrobňování. GS má vyšší procento menších částic než CS. Velikost částic je důležitá jak při procesu sušení, tak při výpalu keramiky. Cihlářská hlína se skládá hlavně z oxidů křemene (63,6 %), hliníku (17,2 %) a železa (6,06 %), které jsou přítomny jak v GS (85,4 %, 3,64 % a 1,45 %), tak v CS (79,9 %, 3,79 % a

30



5,86 %). Cihlářská hlína také obsahuje draslík (3,08 %). Jíl a GS mají podobné hodnoty ztráty žíháním (6,03 % oproti 6,87 u GS), zatímco CS má hodnotu ztráty žíháním pouze 2,23 %. Analýza nepálených surovin ukazuje, že jíl byl složen převážně z křemene (SiO2), hematitu (Fe2O3) a různých typů silikátů (illit, muscovit, a ortoklas). GS a CS písky se skládají hlavně z křemene, donathitu, enstatitu a hematitu. Výpal na 1050 °C vytvá ří nové silikátové fáze v jílu (montmorillonit, muscovit). Zkoušky též prokázaly, že čím je vyšší obsah GS nebo CS v keramickém střepu, tím je vyšší nasákavost. Výsledky ukázaly, že je možné získat keramické cihly obsahující 35 % GS a 25 % CS s technologickými hodnotami, které splňují požadované limity [smrštění: 5,2 % (GS) a 4,9 % (CS), nasákavost: 7,5 % (GS) a 8,1 % (CS), objemová hmotnost: 1922 kg/m3 (GS) a 2075 kg/m3 (CS), pevnost v tahu za ohybu: 10,1 MPa (GS) a 10,2 MPa (CS)]. Přidáním GS a CS do keramických směsí se snižuje smrštění a zvyšuje nasákavost a to jak u laboratorně vypálených vzorků, tak i u vzorků pálených v průmyslové peci. Čím je vyšší teplota výpalu, tím je vyšší smrštění a ztráta žíháním, a tím naopak klesá nasákavost. Vzhledem k smrštění a nasákavosti vzorků vypálených na 1050 °C mají tyto cihly nejlepší kval itu. Na základě laboratorní analýzy lze odhadnout kvalitu průmyslových výrobků. Proces optimalizace naznačuje, že je možné získat keramické cihly z 35 % zeleného písku a 25 % jádrového písku splňující technologické předpoklady pro tradiční cihly. Tato studie prokázala možnost využití slévárenských písků jako částečné náhrady cihlářské hlíny v keramických výrobcích. Na základě výsledků fyzikálního a mineralogického hodnocení konečných produktů se tyto písky doporučují jako suroviny pro výrobu keramických produktů.

31



Obr č. 12: Smrštění výpalem, ztráta žíháním a nasákavost vzorků vypálených na 850 °C (A), 950 °C (B), 1050 °C (C) v laboratorní m uflové peci

Obr. č. 13: Smrštění výpalem, nasákavost, objemová hmotnost a pevnost v tahu za ohybu vzorků vypálených na teplotu 1050 °C v pr ůmyslové peci [13] 32



3. Cíl práce Cílem této diplomové práce je posouzení vlivu různého obsahu kamenné prosívky v konkrétní surovinové směsi na výrobu pálených střešních tašek podle ČSN EN 1304 (TONDACH Česká republika s.r.o. – cihelna Šlapanice). Tato cihelna se v současné době potýká s problémem průhybu střešních tašek během výpalu. Z tohoto důvodu může být kamenná prosívka pro cihlářskou výrobu velmi výhodným ostřivem, neboť ve srovnání se současným standardním ostřivem – křemenným pískem, nevykazuje výraznější objemové změny během výpalu a je levnější. Výsledkem je získat optimální poměr surovin tak, aby výsledná směs měla co nejlepší vlastnosti z hlediska použití na výrobu střešních tašek a hlavně z hlediska průhybu během výpalu. Výroba a sušení vzorků bude probíhat v laboratořích. Režim výpalu zkušebních vzorků bude v laboratorní muflové elektrické peci probíhat tak, aby se co nejvíce demonstroval režim výpalu v tunelové peci ve šlapanické cihelně. Na vyrobených vzorcích se provede především zkouška nasákavosti, prosákavosti, objemové hmotnosti, smrštění sušením a výpalem, mrazuvzdornosti, pevnosti v tahu za ohybu a deformace během výpalu.

33



4. Metodika zkoušek 4.1. Zkoušky vstupních surovin 4.1.1. Sítový rozbor plavením vstupních surovin Postup spočívá v rozplavení 200 g základních surovin na sítě s velikostí ok 0,063 mm. V tomto případě se jedná o jíl a spraš. Menší částice jsou odplaveny vodou, zatímco částice vetší se usadí na sítě. Po důkladném opláchnutí vodou a odplavení všech menších podílů základních surovin se vloží síto se zbytkem částic do sušárny a vysuší se do konstantní vlhkosti. Po vysušení se síto vyndá ze sušárny a zváží se zbytek na sítě. Výsledek se vyhodnotí jako poměr hmotnosti zbytku na sítě a hmotnosti navážky. Uvádí se v procentech.

4.1.2. Diferenční termická analýza Diferenční termická analýza (DTA) se používá pro identifikaci složek zkoumané látky a spolu s TG – vážkovou analýzou i ke kvantitativnímu určení těchto složek. Princip DTA spočívá v zjišťování rozdílu nárůstu teploty zkoumaného vzorku a inertního materiálu. Výsledkem tohoto měření je graf s různými píky. Když je směr křivky vodorovný, znamená to, že vzorek má stejný teplotní přírůstek jako inertní materiál a že se ve vzorku nedějí žádné změny. Pík směřující dolů naznačuje, že vzorek má menší teplotní přírůstek než inert, tudíž v něm došlo k endotermní reakci, jakou je například uvolňování chemicky vázané vody. Naopak pík směřující nahoru naznačuje u vzorku větší teplotní přírůstek a tedy exotermní reakci, jakou může být vyhořívání organických látek. Součástí grafického výstupu DTA bývají také grafy DTG

(derivovaná

DTA

křivka),

T

(graf

přírůstku

teploty)

a

také

TG

(termogravimetrická analýza). Údaje o hmotnosti jsou získávány pomocí váhy v pícce, na kterou je kelímek se vzorkem položen. Ve spojení s DTG křivkou, díky které lze lépe rozpoznávat začátky reakcí, můžeme poměrně přesně určit pokles hmotnosti během reakce a vypočítat hmotnostní zastoupení například uhličitanu vápenatého, či chemicky vázané vody atd.

34



4.1.3. Rentgenová difrakční analýza Metoda rentgenové difrakční analýzy slouží ke stanovení mineralogického složení zkoumaných materiálů. Může být použita jak pro kvalitativní posouzení analyzovaného materiálu, tak též pro posouzení kvantitativní. Zařízení se nazývá difraktograf a skládá se ze stabilizovaného zdroje záření, goniometru pro posuv vzorku, detektoru a detekčního a registračního zařízení. Získaný záznam na PC se označuje jako rentgenogram nebo též difraktogram. Rentgenogramy se vyhodnocují převážně z hlediska kvality - z jakých krystalických fází se zkoušený vzorek skládá. Na ose X jsou vyneseny hodnoty úhlů difraktovaného záření 2θ a na ose Y jeho intenzita. Ostrá maxima intenzity se označují termínem vrchol, popř. pík. Při vyhodnocování se nejprve vyznačí hodnoty úhlů na ose X, poté se pomocí tabulek stanoví hodnoty mezirovinných vzdáleností jednotlivých píků rentgenogramu a použitím kartotéky ASTM se určí minerály.

4.1.4. Kontrakčně dilatační termická analýza (DKTA analýza) Touto analýzou stanovujeme nevratné změny, které vznikají jako důsledek fyzikálních a chemických procesů, ke kterým dochází v průběhu ohřevu a ochlazování testovaného vzorku. Z hlediska konstrukčního uspořádání dilatometru tvoří stěžejní část snímací nástavec se vzorkem. Vzorek se snímacím nástavcem je umístěn v pecním tělese. Do vnitřního prostoru pece je mimo snímacího nástavce ještě nainstalován regulační termočlánek. Snímací nástavec spolu s elektronickým snímačem tvoří vlastní měřící prvek dilatometru. Tvar a charakter vzorků pro DKTA analýzu závisí na konkrétním typu použitého přístroje. Nejčastěji se vzorky připravují v podobě tyčinek. Význam má tato metoda zejména při sledování lineárních změn výrobních směsí v keramice jako podklad pro optimalizaci pálících křivek keramických výrobků.

35



4.2. Zkoušky pro stanovení vlastností plastického těsta 4.2.1. Plastičnost keramického těsta dle Pfefferkorna Z plastického těsta se pomocí kovové formy zhotoví zkušební válečky o průměru 33 mm. Takto zhotovené zkušební vzorky se seříznou na výšku h0 = 40 mm. Výška se změří s přesností na 0,01 mm. Měření plastičnosti se provádí na Pfefferkornově přístroji. Přístroj se vyrovná do vodorovné polohy a seřídí. Zkušební váleček se vloží na základní desku. Poté se zvedne závaží a nechá se volným pádem spadnout na váleček. Po deformaci se změří výška válečku hi s přesností na 0,01 mm. Následně se vypočte deformační poměr dle daného vzorce:

d=

h2 h1

[-]

d

deformační poměr

[-]

h2

výška válečku po deformaci

[mm]

h1

výška válečku před deformací

[mm]

Všechny vzorky byly vytvořeny o deformačním poměru d = 0,8.

1 podložka 2 nosný rám 3 uložení vodící tyče 4 nonius 5 milimetrová stupnice 6 vodící tyč s padací deskou 7 spoušť

Obr. č. 14: Schéma Pfefferkornova deformačního přístroje

36



4.2.2. Skutečná vlhkost těsta wr Zkušební vzorky se po vytvoření zváží a následně se vysuší do konstantní vlhkosti v sušárně při 110 °C. Takto vysušené vzorky se op ět zváží a dle daného vztahu se vypočte skutečná vlhkost těsta.

wpr =

mz − ms *100 ms

[%]

wpr

skutečná vlhkost těsta

[%]

mz

hmotnost vzorku po vytvoření

[g]

ms

hmotnost vzorku po vysušení

[g]

37



4.3. Zkoušky na vysušených vzorcích 4.3.1. Citlivost k sušení Z plastického těsta se vytvoří zkušební vzorky, které se zváží s přesností na 0,01 g. Vzorky se poté postaví svou druhou největší plochou na váhu a nechají se volně sušit v laboratorním prostředí. Laserový přístroj snímá délkové změny v pravidelných intervalech. Hodnoty hmotnosti a délkových změn vzorků jsou automaticky kontinuálně zaznamenávány. Jestliže se délka již přestane měnit, dosuší se vzorky v sušárně při 110 °C do ustálené hmotnosti. Ze zjišt ěných hodnot se spočítá nejprve vlhkost vzorku wi a smrštění sušením DS i při každém jednotlivém měření. Hodnoty se vynesou do grafu a získá se tzv. kritická vlhkost směsi wk a následným výpočtem se stanoví citlivost směsi k sušení CSB a Bigotův index DSI-B.

wi =

(m w − m s ) *100 ms

CSB =

wr − wk wk

[%]

[-]

wi

vlhkost vzorku při daném měření

[%]

CSB

citlivost k sušení podle Bigota

[-]

mw

hmotnost vlhkého vzorku při daném měření

[g]

ms

hmotnost vysušeného vzorku

[g]

lvs

délka vzorku po vylisování

[mm]

lp

délka vzorku při daném měření

[mm]

wr

skutečná vlhkost těsta

[%]

wk

kritická vlhkost

[%]

38



Obr. č. 15: Bigotova křivka

4.3.2. Délková změna sušením Délka vzorků před sušením se změří posuvným měřidlem s přesností na 0,01 mm. Po vysušení se vzorek přeměří. Výsledky měření se vyhodnotí dle vzorce:

DS =

ls − lz * 100 lz

[%]

lz

délka vzorku po vylisování

[mm]

ls

délka vzorku po vysušení

[mm]

39



4.4. Zkoušky na vypáleném střepu 4.4.1. Délková změna výpalem Délka vysušených vzorků se změří posuvným měřidlem s přesností na 0,01 mm. Po výpalu se vše zopakuje. Výsledky měření se vyhodnotí dle vzorce:

DP =

lp − ls * 100 lz

[%]

ls

délka vzorku po vysušení

[mm]

lp

délka vzorku po výpalu

[mm]

lz

délka vzorku po vytvoření

[mm]

4.4.2. Ztráta hmotnosti pálením Zkušební vzorky se zváží před a po výpalu. Výsledky se vyhodnotí dle vzorce:

ZP =

ms − m p ms

* 100

[%]

ms

hmotnost vzorku po vysušení

[g]

mp

hmotnost vzorku po výpalu

[g]

4.4.3. Vzlínavost Díky kapilárním silám vniká kapalina do otevřených pórů i proti působení gravitační síly. Tuto vlastnost označujeme jako vzlínavost. Rychlost vzlínání závisí hlavně na průměru kapilár (na stupni slinutí) a na vlastnostech kapaliny. Ze vzlínavosti lze usuzovat i prosákavost střepu. Vzlínavost se určuje tak, že se vzorek postaví na výšku do misky s plochým dnem, kam se nalije asi 10 mm destilované vody. Měří se výška vzlinutí v určitých časových intervalech a poté se hodnoty vynesou do grafu. Podle Matějky činí mezní hodnota vzlinutí 50 mm za 90 minut.

40



4.4.4. Nasákavost za studena Předem zvážené vzorky se vloží do nádoby s vodou. Nesmí se vzájemně dotýkat a musí zůstat stále ponořeny pod hladinou. Nechají se ve vodě 24 hodin. Poté se vzorky vyjmou z vody, povrch se otře hadříkem a provede se vážení. Výsledky se vyhodnotí dle vzorce:

NS =

mn − ms * 100 ms

[%]

mn

hmotnost nasáklého vzorku

[g]

ms


[g]

4.4.5. Nasákavost vakuovým způsobem Vzorky se vloží do nádoby a zavřou víkem. Poté se odčerpá vzduch a tím se vytvoří vakuum. Po 30 minutách se pustí do nádoby voda tak, aby se vzorky úplně zaplavily a byly ponořeny minimálně 20 mm. Přitom se kontroluje tlak vzduchu a případně se doplňuje voda. Po 20 minutách se otevře kohout se vzduchem, čímž se zruší vakuum. Následně se vzorky zváží nejprve hydrostaticky pod vodou a po vyjmutí z vody také mokré na suchu. Nasákavost se vypočte podle stejného vzorce jako nasákavost za studena.

4.4.6. Objemová hmotnost Objemová hmotnost udává hmotnost vysušeného střepu na jednotku objemu, včetně otevřených i uzavřených pórů. U nepravidelných vzorků se stanovuje hydrostatickým vážením na vytárovaném tenkém závěsu. Nasáknutý vzorek se zváží nejprve hydrostaticky a poté na vzduchu klasickým způsobem. Objemová hmotnost se vypočte ze vzorce:

OH =

ms *1000 mn − mnv

[kg/m3]

ms


[g]

mn


[g]

mnv

hmotnost vzorku nasáklého a zváženého hydrostaticky

[g] 41



4.4.7. Zdánlivá pórovitost Hodnota

zdánlivé

pórovitosti

je

přesnějším

ukazatelem

pórovitosti

mikrostruktury střepu. Udává poměr objemu otevřených a uzavřených pórů vzorku k jeho celkovému objemu včetně pórů. Vzorky se musí zvážit na hydrostatických vahách a poté se zdánlivá pórovitost vypočte ze vztahu:

PZ =

(mn − ms ) ρv * 100 = NV * [%] (mn − mnv ) 1000

ms


[g]

mn


[g]

mnv


[g]

4.4.8. Zdánlivá hustota Zdánlivá hustota nám udává hmotnost vysušeného vzorku na jednotku objemu včetně uzavřených pórů. Vzorky se zváží hydrostaticky a zdánlivá hustota se vypočte podle vztahu:

ZH =

ms * 1000 ms − mnv

[kg/m3]

ms


[g]

mnv


[g]

4.4.9. Přímá zkouška prosákavosti Prosákavost patří mezi nejdůležitější hlediska hodnocení pálených střešních tašek. Tato metoda je založena na změně odporu při zatížení vzorků sloupcem vody. Na lícní stranu přilepíme tmelem nádobku beze dna tak, že dno nádoby vytvoří zkušební vzorek. Nádobku naplníme vodou do výšky 80 mm. Na spodní stranu zkušebního vzorku připevníme dvě měděné elektrody, pomocí kterých měříme změny elektrického odporu ve vzorku. Prosáknutý vzorek je ten, u kterého se hodnota elektrického odporu změní z nekonečna na měřitelnou hodnotu (cca 100 MΩ). Vzorek, který vyhovuje zkoušce prosákavosti, neprosákne do 2 hodin.

42



Obr. č. 16: Schéma měření prosákavosti

4.4.10. Pevnost v tahu za ohybu Pevnost v tahu za ohybu nám udává schopnost látky odolávat účinkům působícího napětí. Odpovídá maximálnímu zatížení, při kterém dojde k lomu. Zkušební vzorky se vysuší do ustálené hmotnosti při teplotě 105 ºC a vychladí se v exsikátoru. Poté se změří jejich šířka a výška. Zkušební vzorky se položí na podpěrné břity tak, aby oba kraje vzorku rovnoměrně přesahovaly břity. Poté se kolmo na zkušební tělísko působí zatěžovací silou uprostřed rozpětí podpěrných břitů. Síla musí působit plynule a rovnoměrně až do porušení. Pevnost v tahu za ohybu se vypočítá podle vztahu:

σpo =

3.F .l 2.b.h 2

[MPa]

F

síla v okamžiku porušení vzorku

[N]

l

vzdálenost podpěrných břitů

[mm]

b

šířka zkušebního vzorku

[mm]

h

tloušťka zkušebního vzorku

[mm]

Obr. č. 17: Schéma namáhání vzorku při zkoušce pevnosti v tahu za ohybu 43



4.4.11. Přímá zkouška mrazuvzdornosti Mrazuvzdornost zkušebních vzorků se zjišťuje na vodou nasáklých vzorcích střídavým zmrazováním a rozmrazováním. Vzorky se nasytí vodou, například při zkoušce nasákavosti za studena, a uloží se do zmrazovacího zařízení na dobu 6 hodin při teplotě -20 °C. Poté se vzorky vyjmou a vloží na 2 hodiny do vody teplé 20 °C. Cykly se stále opakují. Tyto vzorky byly zko ušeny na maximální počet cyklů 25. Po každém cyklu se vzorky zkontrolují. Ty, u kterých se objeví poškození (trhlinky, praskliny, odlupování) se vyřadí ze zkoušení a

vyhodnotí jako

nemrazuvzdorné. Pokud nedojde během cyklování k rozpadu, jsou vzorky následně podrobeny zkoušce pevnosti v tahu za ohybu. Mrazuvzdorné vzorky jsou ty, jejichž pevnost v tahu za ohybu se nesníží vlivem působení cyklického zmrazování o více než 20 %.

4.4.12. Deformace v ohybu během výpalu Zkušební vzorky, které jsou podrobeny zkoušce ohybového namáhání během výpalu, se položí do keramické pece největší plochou dolů na podpěrné břity tak, aby oba kraje vzorku přesahovaly rovnoměrně. Na horní plochu vzorku se uloží měřidlo, které snímá deformace v ohybu během výpalu. Ze zjištěných hodnot se vytvoří graf deformace vzorku v závislosti na teplotě a době výpalu.

4.4.13. Optická mikroskopie Tato metoda je vhodná zejména pro studium textury, struktury a fázového složení silikátových materiálů. Základním přístrojem optické mikroskopie je polarizační mikroskop opatřený různými doplňky umožňující jak kvalitativní, tak i kvantitativní vyhodnocení preparátu. Maximální užitečné zvětšení polarizačního mikroskopu je asi 1300x.

4.4.14. Výpočet váhy kritérií – metoda párového srovnání Výsledky jednotlivých zkoušek nemají stejný význam vzhledem k cíli diplomové práce. Princip párového srovnávání je takový, že vždy porovnáváme dvě kritéria hodnocení vhodnosti vzorku a z každé takové dvojice vybereme tu důležitější. Výsledkem porovnání je vyhodnocení směsi s nejvhodnějšími vlastnostmi na výrobu pálených střešních tašek. [4], [6], [14], [16] 44



5. Experimentální část - I.ETAPA 5.1. Vstupní suroviny 5.1.1. Cihlářská zemina Pro výrobu zkušebních vzorků byly použity suroviny, které se běžně používají pro výrobu pálených střešních tašek podle ČSN EN 1304 (TONDACH Česká republika s.r.o. - cihelna Šlapanice). Spraš Šlapanice Mineralogické složení zjištěné RTG analýzou: illit, chlorit, kalcit, křemen, živec Termická analýza: přibližně kolem 120 °C dehydratace jílových minerál ů, největší endoprodleva má minimum asi při 850 °C (dekarbonatace CaCO3), celková ztráta pálením činí 11,19 %, obsah CaCO3 v zemině je12,8 % Granulometrie: 0-2 µm 35,2 %; 2-20 µm 25,3 %; >20 µm 39,5 %

Obr. č. 18: RTG Spraš - Šlapanice 45



SPRAŠ ŠLAPANICE mg

21.02.2006 12:29:04

SPRA Š SPRA Š, 46,3722 mg

Step

- 1,4497 % - 0,6723 mg

46

? Step

- 11,1853 % - 5,1869 mg

45

Step

-2,2803 % -1,0574 mg

0,5

44

mgmin ^-1

43 Step

-5,6243 % -2,6081 mg

42

41

100

0

200

5

Lab: METTLER

300

10

400

15

500

20

600

25

700

30

800

35

°C

900

40

45

min

S TA R eSW 8.01

Obr. č. 19: DTA Šlapanice spraš

46



Jíl Šlapanice Mineralogické složení zjištěné RTG analýzou: illit, montmorillonit, chlorit, kalcit, křemen, živec Termická analýza: dehydratace jílových minerálů probíhá asi do 250 °C, dehydroxylace jílových minerálů od 500 °C s maximem kolem 550 °C, nejv ětší endoprodleva má minimum asi při 850 °C (dekarbonatace CaCO 3), celková ztráta pálením činí 14,52 %, obsah CaCO3 je 11,4 % Granulometrie: 0-2 µm 26,8 %; 2-20 µm 41,6 %; >20 µm 31,6 %

Šlapanice - jíl

160

140

100

I [-]

120

80

60

40 60 58 56 54 52 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 [°]

Obr. č. 20: RTG Šlapanice jíl

47


mg


21.02.2006 12:31:37

JÍL ŠLAPANICE

Ø JÍL ŠLAPNICE JÍL ŠLAPNICE, 54,0420 mg

54 Step -3,4231 % -1,8499 mg 53 ? Step -14,5217 % -7,8478 mg 52 Step -0,3038 % -0,1642 mg Step -1,4587 % -0,7883 mg

51 0,5 mgmin^-1 50

Step -2,3254 % -1,2567 mg

49

Step -5,0188 % -2,7122 mg

48

47

46 100 0

200 5

Lab: METTLER

300 10

400 15

500 20

600 25

700 30

800 35

900 40

°C 45

min

STA R eSW 8.01

Obr. č. 21: DTA Šlapanice jíl

48



Zemina Jirčany Mineralogické složení zjištěné RTG analýzou: illit, montmorillonit, chlorit, křemen, živec Termická analýza: dehydratace jílových minerálů probíhá do 240 °C, dehydroxylace jílových minerálů od 480 °C s maximem kolem 540 °C, celková ztráta pálením činí 6,80 %, neobsahuje CaCO3 Granulometrie: 0-2 µm 35,8 %; 2-20 µm 26,8 %; >20 µm 37,4 %

Obr. č. 22: RTG Zemina Jirčany

49



JIRČANY

25.05.2006 09:20:43

mg 61,5 DP D P KOKTA JIRÈANY, 17.02.2006 09:39:32 DP KOKTA JIRÈANY, 61,2124 mg 61,0 ? Step -6,7997 % -4,1623 mg 60,5

60,0

59,5 0,2 mgmin^-1 59,0

58,5

58,0

Step -0,2097 % -0,1283 mg

57,5

57,0 100 0

200 5

Lab: METTLER

300 10

400 15

500 20

600 25

700 30

800 35

900 40

°C 45

min

STAR eSW 8.01

Obr. č. 23: DTA Zemina Jirčany

50



5.1.2. Přísady Kamenná prosívka Luleč Mineralogické složení zjištěné RTG analýzou: křemen, albit, gehlenit, mikroklin, anortit, kaolinit, muskovit, montmorilonit Sypná hmotnost (volně sypaná): 1380 kg/m3 Sypná hmotnost (v setřeseném stavu): 1790 kg/m3

Obr. č. 24: RTG Kamenná prosívka Luleč

[15]

51



5.2. Vyrobené směsi Na posouzení vlastností vstupních směsí bylo v první etapě namícháno celkem 8 směsí. Množství jednotlivých surovin ve vzorku je uvedeno v tabulce v %hm ve vysušeném stavu. Z hodnot zkoušek těchto vzorků vyrobených v první etapě byly navrženy nejoptimálnější poměry surovin pro získání výsledné směsi s co nejvíce příznivými vlastnostmi pro výrobu pálených střešních tašek.

OZN.

Jíl [%]

Spraš [%]

Kamenné prosívka [%]

PROS 10

90

-

10

PROS 15

85

-

15

PROS 20

80

-

20

SPR 20

80

20

-

SPR 30

70

30

-

SPR 40

60

40

-

JIL

100

-

-

SPRAS

-

100

-

Tab. č. 1: Vyrobené směsi - I. Etapa

52



5.3. Výroba zkušebních vzorků 5.3.1. Příprava plastického těsta Jednotlivé zeminy byly po natěžení rozdrceny v čelisťovém drtiči a vysušeny při teplotě 110 ºC a následně pomlety v kulovém mlýně. Po navážení surovin se jednotlivé suché směsi homogenizovaly 24 hodin a poté ručně zpracovaly s přídavkem vody tak, aby se u vyrobených těst dodržela stejná plasticita (0,8 dle Pfefferkorna). Poté se těsta nechala 24 hodin odležet v laboratorním prostředí.

5.3.2. Vytváření a sušení Z odležených směsí se tvarovaly zkušební vzorky ručním vtloukáním keramického těsta do kovové formy o rozměrech 100 x 50 x 20 mm. Po vyjmutí z formy následovalo sušení v laboratořích při teplotě okolo 20 ºC a poté dosušení do konstantní vlhkosti v laboratorních sušárnách při teplotě 110 °C.

5.3.3. Výpal vzorků Vytvořené zkušební vzorky byly vypáleny v laboratorní muflové elektrické peci na vypalovací teplotu 1050 °C. Dle Bullersových kro užků bylo prokázáno, že účinek výpalu na zkušební vzorky byl stejný jako účinek na střešní tašky průmyslově vyráběné a vypálené v tunelové peci cihelny Tondach ve Šlapanicích. Režim výpalu byl 240 °C/hod s výdrží 3 hodiny na maximální teplo tě.

Pálící křivka - výpal v tunelové peci ve Šlapanicích

teplota (°C)

1000 800 600 400 200 0 0

5

10

15

20

25

30

35

40

čas (hod)

Obr. č. 25: Pálící křivka 53



5.4. Vyhodnocení výsledků 5.4.1. Citlivost k sušení

Obr. č. 26: Bigotova křivka směsi JIL

Obr. č. 27: Bigotova křivka směsi PROS 10 54



Obr. č. 28: Bigotova křivka směsi PROS 15


55



Obr. č. 30: Bigotova křivka směsi SPR 20


56





57



Při sušení výlisku dochází k odpařování vody z plastického těsta, které je doprovázeno jeho smrštěním. Citlivost k sušení se stanovuje graficky závislostí vlhkosti na smrštění výlisku. Spraš je málo citlivá k sušení. Její počáteční vlhkost byla 22,1 % a proto i její smrštění sušením bylo jen 5 %. Největší počáteční vlhkost měl jíl a to téměř 40 % a také smrštění sušením bylo největší – 11,4 %. Z grafů je patrné, že pokud přidáme do jílu kamennou prosívku, dojde k postupnému snižování citlivosti střepu k sušení. Po přidání 20 % prosívky do jílu se citlivost sníží dokonce až o 17 %. Přidání spraše do jílu je vhodné nejvíce v množství 30 %, kdy se sníží hodnota citlivosti k sušení z 1,63 na 1,36. Z naměřených hodnot vyplývá, že nejlepší vlastnosti vykazuje směs jílu s 20 % kamenné prosívky Luleč a dále směs tvořená jílem a 30 % spraše.

58



5.4.2. Délková změna a ztráta hmotnosti pálením OZN

DS [%]

ZP [%]

JIL 0

-1,06

12,63

PROS 10

-1,21

11,50

PROS 15

-1,27

10,86

PROS 20

-1,22

10,37

OZN

DS [%]

ZP [%]

JIL 0

-1,06

12,63

SPR 20

-0,55

11,95

SPR 30

-0,86

11,69

SPR 40

-0,57

11,26

SPR 0

0,09

9,85

Tab. č. 2: Délková změna a ztráta hmotnosti pálením Dle výsledků hodnot smrštění výpalem v tabulce je vidět, že přidáním kamenné prosívky do jílu se zvětší smrštění až o 19,8 %. Výrazná objemová změna proběhla hlavně u spraše. Ke smrštění zde nedošlo, zato spraš zvětšila svůj objem o 0,09 %. Lze tedy říci, že přidání jakéhokoliv množství kamenné prosívky do jílu není vhodné s ohledem na výsledky zkoušek smrštění pálením a naopak, po jakémkoliv množství spraše přidaného do jílu, vykazují vzorky nejmenších hodnot smrštění pálením. Z hodnot ztrát hmotností výpalem v tabulce je patrné, že s přibývajícím množstvím příměsí do jílu se snižuje i rozdíl hmotnosti vzorku před a po výpalu. Nejmenší rozdíl hmotností je u samotné spraše. Jako příměs s nejnižší hodnotou ztráty žíháním bylo vyhodnoceno přidání 20 % kamenné prosívky do jílu, která se tím sníží až o 17,9 %. Přidáním 40 % spraše se ztráta žíháním sníží jen o 10,8 %. 5.4.3. Barva střepu po výpalu Vypálené a vysušené jednotlivé směsi se od sebe příliš nelišily. Výpalem nabraly vzorky barvu dooranžova. Nejtmavší barvu měl před výpalem jíl a také po výpalu se jeho barva jevila jako nejsytější. Se zvyšující se dávkou spraše střep postupně bledl do světle oranžové barvy. Příměsi neměly na barvu střepu v podstatě žádný vliv. 59



5.4.4. Vzlínavost

Obr. č. 34: Vzlínavost

Díky kapilárním silám vniká kapalina do otevřených pórů i proti působení gravitační síly. Tuto vlastnost označujeme jako vzlínavost. Rychlost vzlínání závisí hlavně na průměru kapilár (na stupni slinutí) a na vlastnostech kapaliny. Ze vzlínavosti lze usuzovat i prosákavost střepu. Na grafu je vidět výška vzlinutí v závislosti na čase. Podle Matějky činí mezní hodnota vzlinutí 50 mm za 90 minut. Jíl musel být bohužel pro tuto zkoušku vyřazen, protože obsahoval spoustu prasklin a proto nebylo možné jednoznačně určit výšku vzlinutí. Na grafu je vidět, že dané kritérium dle Matějky splňují kromě samotné spraše všechny vzorky. Další nejvyšší výšky vzlinutí dosáhl vzorek po přidání 20 % kamenné prosívky. Zato nejnižších hodnot dosahovaly vzorky po přidání 30 nebo 40 % spraše. Jako vhodné se jeví také přidání 10 % kamenné prosívky. Obecně lze říci, že přidání kamenné prosívky do jílu je méně vhodné než přidání spraše.

60



5.4.5. Vakuová nasákavost

Obr. č. 35 a Obr. č. 36: Vakuová nasákavost

Na prvním grafu je vidět, že se zvyšujícím se množstvím spraše přidané do jílu se zvyšuje také vakuová nasákavost. Toto ovšem tak jednoznačně neplatí u příměsi kamenné prosívky. Nasákavost vzorku se snížila po přidání 10 % kamenné prosívky, ale již při množství 15 % rapidně stoupla. Snížení nasákavosti bylo způsobeno nižším obsahem pórů ve vzorcích, které jsou schopny pojmout vodu. U vzorků s příměsí 15 % kamenné prosívky se množství pórů opět zvýšilo a proto také stoupla i nasákavost.

61




Obr. č. 37 a Obr. č. 38: Objemová hmotnost

Největší objemovou hmotnost vykazoval vzorek s přídavkem 20 % kamenné prosívky, který měl proto i malou nasákavost. Ovšem i vzorek s příměsí 10 % kamenné prosívky měl vysokou objemovou hmotnost. Jeho vysoká hutnost se projevila i při zkoušce nasákavosti, kdy hodnota byla druhá nejnižší. Příměs spraše je zcela nevhodná. Samotná spraš dosahovala nejnižších hodnot, proto také objemová hmotnost klesala od množství 30% spraše.

62




Obr. č. 39 a Obr. č. 40: Zdánlivá pórovitost

Zdánlivá pórovitost je ukazatel pórovitosti mikrostruktury střepu. Nejvyšší zdánlivou pórovitost má opět samotná spraš. S jejím rostoucím množstvím ve směsi se opět zvyšovala také pórovitost. Naopak nejnižší pórovitost vykazuje směs s 10 % kamenné prosívky.

Lze zde pozorovat, že s klesající objemovou hmotností se

zvyšuje pórovitost a tím stoupá i nasákavost vzorku. Nejvíce patrné je to u vzorků s přídavkem kamenné prosívky, kdy nízká objemová hmotnost indikuje vysokou pórovitost a tím i nasákavost vypáleného zkušebního vzorku.

63




Obr. č. 41 a Obr. č. 42: Zdánlivá hustota

Zdánlivá hustota nám udává hmotnost vysušeného vzorku na jednotku objemu včetně uzavřených pórů. Všechny vzorky mají zdánlivou hustotu v porovnání s objemovou hmotností výrazně vyšší, proto obsahují uzavřené póry. Nejvíce pórovité jsou vzorky s přídavkem spraše, čemuž odpovídá i velmi vysoká nasákavost. Nejméně uzavřených pórů má samotný jíl, nebo jeho směs s přídavkem 10 % kamenné prosívky.

64




Obr. č. 43: Deformace v ohybu během celého výpalu

Obr. č. 44: Deformace v ohybu během výdrže na maximální teplotě

65

Bc. Veronika Vondříčková Deformace v ohybu během výdrže na maximální teplotě [%] Čas - 0 min Čas - 180 min Pokles deformace v ohybu během výdrže na maximální teplotě [%]


SPR 20

SPR 30

SPR 40

PROS 15

PROS 20

1,597 0,796

2,106 1,556

1,931 1,437

1,769 0,999

2,066 1,300

0,801

0,550

0,494

0,770

0,766

Tab. č. 3.: Deformace v ohybu během výdrže na maximální teplotě

Průhyb vzorku během výpalu je důležitou hodnotou jak pro vzhled a skladebné vlastnosti, tak v neposlední řadě také pro funkčnost celé střešní krytiny. Vzorky vykazovaly největší deformace během teploty na 1050 °C. B ěhem výdrže na této teplotě se jejich průhyby mírně snížily. Při klesání vypalovací teploty se jejich průhyby dále snižovaly, až dospěly během teploty 1000 – 800 °C do nulové hodnoty, avšak dalším ochlazováním se deformace dostávaly až do záporných hodnot. Rozporuplných hodnot dosahovala spraš. Zatímco během výdrže na 1050 °C vzorek s její příměsí v množství 20 % dosahoval nejnižších deformací, vzorek s obsahem 40 % dosahoval nejvyšších. Pokles deformace během výdrže na maximální teplotě byl nejnižší u příměsi 40 % spraše. Výsledné průhyby zkušebních vzorků byly v rozmezí 1,1 – 1,7%. Nejvyšší výsledné deformace byly u vzorku s příměsí 20 % spraše a nejnižší u vzorku s příměsí 40 % spraše.

66



5.5. Diskuze výsledků Mým úkolem bylo z těchto naměřených hodnot navrhnout směs s co nejlepšími vlastnostmi z hlediska užití na výrobu pálené střešní tašky. Přídavkem spraše a kamenné prosívky k jílu v různých poměrech jsem zjišťovala vlastnosti těchto zkušebních vzorků. Z naměřených výsledků jsem zjistila, že nízkoplastická spraš, která má nejnižší vlhkost těsta, je zároveň nejméně citlivá k sušení a má nejnižší délkové smrštění sušením. Bohužel ale dosahuje vysoké vzlínavosti a nasákavosti. S tím samozřejmě souvisí také nízká objemová hmotnost a vysoké množství otevřených i uzavřených pórů. Samotný jíl měl nejvyšší vlhkost těsta a zároveň dosahoval nejvýraznějších délkových změn sušením. V porovnání se spraší dosahoval nízkých hodnot nasákavosti, zdánlivé hustoty a pórovitosti. Přidání spraše do jílu způsobí vyšší množství pórů, jehož důsledkem je zvýšení nasákavosti a zdánlivé hustoty. Zvýšení objemové hmotnosti lze sledovat pouze při přidaném množství 30 % spraše v jílu. Kamenná prosívka způsobí snížení množství rozdělávací vody. Podle výsledků vzlínavosti je méně vhodná než přidání spraše. Vzorky s příměsí prosívky okolo 10 a 20 % dosahovaly nejnižší nasákavosti, pórovitosti a zároveň nejvyšší objemové hmotnosti. Z odzkoušených vzorků se mi jevilo jako nejvhodnější přidání 20 % kamenné prosívky, protože výsledky zkoušek dosahovaly nejnižších hodnot nasákavosti, zatímco objemové hmotnosti nejvyšších. Výsledné deformace během výpalu také nepatřily mezi nejvyšší. Naopak vzorky s příměsí spraše dosahovaly nevhodných hodnot v rámci užití na výrobu střešních tašek. Na základě tohoto vyhodnocení jsem navrhla 2 výsledné směsi, které jsem následně podrobila zkouškám a výsledky jsem porovnala s referenční směsí podle receptury, která se běžně používá k výrobě pálených střešních tašek v cihelně Šlapanice - TONDACH Česká republika.

67



6. Experimentální část - II.ETAPA 6.1. Vyrobené směsi Na posouzení vlastností vstupních surovin bylo v první etapě namícháno celkem 8 směsí. Množství jednotlivých surovin ve vzorku je uvedeno v tabulce č. 3 v %hm ve vysušeném stavu. Dle vyhodnocení vlastností vzorků vyrobených v první etapě byly v druhé etapě namíchány vzorky tak, aby výsledné vlastnosti byly co nejvíce příznivé. Vyrobená referenční směs s označením „R“ se běžně používá na výrobu střešních tašek v cihelně Šlapanice.

OZN.

Jíl [%]

Spraš [%]

Kamenné prosívka [%]

Zemina Jirčany [%]

R0

43,8

45,7

-

10,5

R 10

43,8

35,7

10

10,5

R 20

43,8

25,7

20

10,5

Tab. č. 4: Vyrobené směsi - II. Etapa

68



6.2. Vyhodnocení výsledků 6.2.1. Citlivost k sušení

Obr. č. 45: Bigotovi křivky směsí R 0, R 10, R 20

wk [%]

CSB [-]

DS [%]

R0

12,2

1,47

8,78

R 10

13,2

1,41

8,75

R 20

12,7

1,38

8,19

Tab. č. 5: Délkové změny sušením

69



Z grafů znázorňujících Bigotovu křivku je patrné, že se snižujícím se množstvím kamenné prosívky, která ve střepu postupně nahrazuje spraš, se zvyšuje také citlivost k sušení, přičemž nejvíce citlivá k sušení je referenční směs. Nejnižší citlivost má směs s příměsí 20 % kamenné prosívky, která má zároveň i nejnižší délkové smrštění sušením. Celkové délkové smrštění se sníží nahrazením spraše 10 % kamenné prosívky o 0,3 % a po nahrazení spraše 20 % kamenné prosívky tato hodnota stoupne až na 6,7 %. Množství rozdělávací vody potřebné k vytvoření plastického keramického těsta o deformačním poměru d = 0,8 bylo nejnižší u referenční směsi. Počáteční vlhkost byla proto také nejnižší u této směsi. Dá se říci, že prosívka funguje podobně jako spraš, nejeví se jako dobré ostřivo.

70




Obr. č. 46: Délková změna výpalem - II. Etapa

Obr. č. 47: Ztráta hmotnosti pálením - II. Etapa

V grafu délkových změn výpalem je vidět, že nahrazením spraše kamennou prosívkou dojde ke snížení smrštění a to až o 47,3 % při množství 20 %. K výraznému poklesu objemových změn došlo už po nahrazení 10 %, kdy se smrštění snížilo z 0,74 % na 0,58 %. Lze tedy říci, že nahrazení spraše jakýmkoli množstvím kamenné prosívky je vhodné s ohledem na výsledky zkoušek smrštění. Zároveň se zvyšujícím se množstvím prosívky se snižují i hodnoty smrštění. 71



Z grafu ztráty hmotnosti výpalem je patrné, že s přibývajícím množstvím příměsi prosívky se snižuje i rozdíl hmotnosti vzorku před a po výpalu. Nejnižší hodnota ztráty žíháním je 10,96 % u vzorku s příměsí 20 % kamenné prosívky, vzorek s 10 % prosívky dosáhl ztráty žíháním 11,92 % a nejvyšší hodnoty dosáhl referenční vzorek – 12,85 %.

6.2.3. Mrazuvzdornost Mrazuvzdornost vzorků je závislá na nasákavosti, distribuci a velikosti pórů. Pórovitý vzorek obsahuje póry schopné pojmout určité množství vody. Při zkoušce mrazuvzdornosti se voda v pórech mění v led, který zvětší svůj objem a tím dojde k porušení celistvosti vzorku. Vzhledem k celkové degradaci zkušebních vzorků již po pár cyklech nebylo možné podrobit tyto vzorky zkoušce pevnosti v tahu za ohybu. Všechny vzorky se rozpadly již po provedení 8 cyklů zmrazování a následného rozmrazování. Bohužel jsou všechny vzorky vyhodnoceny jako nemrazuvzdorné.


a) po vysušení

b) po výpalu

R0

R 10

R 20 Obr. č. 48: Barva střepu

Vypálené ani vysušené jednotlivé vzorky se od sebe příliš nelišily. Výpalem nabraly vzorky barvu dooranžova. Nejtmavší barvu měl před výpalem vzorek s 10 % kamenné prosívky, ale po výpalu se jako nejtmavší jevil vzorek s 20 % prosívky. Výraznější vliv na barvu vzorků ale kamenná prosívka neměla.

72



6.2.5. Vzlínavost


Vzlínavost patří mezi důležitá kritéria pro hodnocení vhodnosti směsi na výrobu pálených střešních tašek. Podle Matějky činí mezní hodnota vzlinutí 50 mm za 90 minut. Dané kriterium splňuje pouze referenční směs. Vzorky s příměsí kamenné prosívky obsahovaly již více otevřených pórů, kterými kapalina vnikala po dobu 90 minut do vyšší výšky, a to i proti působení gravitační síly, než udává dané kriterium. Z hlediska vzlínavosti je nejvhodnější směs na výrobu střešních tašek vyhodnocena směs referenční.

73



6.2.6. Nasákavost

OZN.

NV1za studena

NV2vakuově

R0

13,63

13,78

R 10

13,26

13,61

R 20

13,02

13,38

Tab. č. 6: Nasákavost

Obr. č. 50: Vakuová nasákavost

Zkouška nasákavosti je jedna z nejdůležitějších charakteristik keramického střepu – dostatečně přesně definuje pórovitý systém. Tato vlastnost je brána jako základní ukazatel miktostruktury vypáleného střepu. Na vzorcích byly provedeny 2 druhy nasákavosti dle způsobu nasycení vzorku vodou. Nasákavost za studena dosahovala nižších hodnot než nasákavost vakuovým způsobem. Je to způsobeno tím, že každá z metod umožní zaplnit póry vodou jen do určité velikosti a to i díky vzduchu uzavřenému v kapilárních pórech. Z grafu je vidět přímá úměra mezi snižováním vakuové nasákavosti a množstvím příměsi kamenné prosívky nahrazující ve střepu spraš. Jako nejvhodnější směs byl vyhodnocen vzorek s příměsí 20 % kamenné prosívky. 74



6.2.7. Prosákavost

Obr. č. 51: Prosákavost

Prosákavost patří mezi nejdůležitější hlediska hodnocení pálené střešní krytiny. Tato metoda je založena na změně odporu při zatížení vzorků sloupcem vody. Vzorek, který vyhoví zkoušce prosákavosti, neprosákne do 2 hodin. Bohužel toto kriterium nesplnil žádný z námi testovaných vzorků. Z grafu je ale patrné, že nahrazením spraše 10 % kamenné prosívky se zvýší prosákavost vzorku. Tento jev nejspíše způsobilo množství rozdělávací vody, které se nám nepodařilo dodržet pro výrobu vzorku o deformačním poměru dle Pfefferkorna 0,8. Nahrazením 20 % kamenné prosívky se hodnoty prosákavosti snížily a dosáhly nejnižších hodnot. Oproti referenčnímu vzorku se snížila rychlost průsaku o 0,5 %.

75




Obr. č. 52: Objemová hmotnost

Z grafů lze vypozorovat, že s klesající objemovou hmotností se zvyšuje pórovitost vzorku, a tím stoupá i jeho nasákavost. Referenční vzorek dosahoval nejvyšší nasákavosti, proto je také jeho objemová hmotnost nejnižší vlivem pórů obsažených ve vzorku, které se při zkoušce nasákavosti nasytily vodou. Tato závislost je patrná u všech vzorků. Nejlepších hodnot objemové hmotnosti dosáhl střep s obsahem 20 % kamenné prosívky, která ve střepu nahradila spraš. Tento vzorek má z námi namíchaných směsí nejhutnější střep, proto byla tato směs také vyhodnocena jako nejvhodnější pro užití na výrobu pálených střešních tašek.

6.2.9. Zdánlivá pórovitost a zdánlivá hustota

OZN

PZ [%]

ZH [kg/m3]

0

24,75

2386

10

24,81

2424

20

24,66

2446

Tab. č. 7: Zdánlivá pórovitost a zdánlivá hustota 76



Obr. č. 53: Zdánlivá hustota

Zdánlivá pórovitost je přesnějším ukazatelem pórovitosti mikrostruktury než nasákavost. Vzorek s nejvyšší objemovou hmotností obsahuje také nejméně pórů jak je patrné u vzorku s příměsí 20 % kamenné prosívky. Nízký obsah pórů nám indikovala již nízká nasákavost. Rozdíly hodnot jednotlivých vzorků byly ovšem jen nepatrné.

Zdánlivá hustota nám udává hmotnost vysušeného vzorku na jednotku objemu včetně uzavřených pórů. Všechny vzorky mají zdánlivou hustotu v porovnání s objemovou hmotností výrazně vyšší, proto obsahují uzavřené póry. Jak je patrné z grafu, nejmenší zdánlivou hustotu měla referenční směs. Nahrazením spraše kamennou prosívkou došlo k zvýšení zdánlivé hustoty vzorku. Nejvyšší zdánlivou hustotu měl vzorek s 20 % kamenné prosívky.

77




Obr. č. 54: Deformace vzorku během celého výpalu

Obr. č. 55: Deformace vzorku během výdrže na maximální teplotě

78



Deformace v ohybu během výdrže na maximální teplotě [%]

R0

R 10

R 20

Čas - 0 min

2,143

2,212

2,385

Čas - 180 min

1,716

1,913

2,097

Pokles deformace v ohybu během výdrže na maximální teplotě [%]

0,427

0,299

0,288


Průhyb vzorku během výpalu je důležitou hodnotou jak pro vzhled a skladebné vlastnosti, tak v neposlední řadě také pro funkčnost celé střešní krytiny. Vzorky vykazovaly největší deformace během teploty 1050 °C. B ěhem výdrže na této teplotě se jejich průhyby mírně zmenšily. Při snižování vypalovací teploty se jejich průhyby snižovaly, až během teploty 700 – 400 °C dosp ěly do nulové hodnoty, avšak dalším ochlazováním se deformace dostávaly až do záporných hodnot. Nejnižších hodnot výsledných deformací dosahoval vzorek s obsahem 20 % kamenné prosívky. Během výdrže na teplotě 1050 °C m ěl tento vzorek nejvyšší deformace, které se však během ochlazování snižovaly. Pokles deformací během výdrže byl nejnižší z námi odzkoušených vzorků. Výsledné naměřené deformace tohoto vzorku byly 0,33 %. Nejvyšší výsledné deformace byly u referenčního vzorku a dosahovaly 0,8 %, ovšem tento vzorek dosáhl nejvyššího úbytku deformací v ohybu během výpalu při výdrži na maximální teplotě.

79



6.2.11. Kontrakčně dilatační termická analýza

Obr. č. 56: Graf délkové změny v závislosti na čase

Obr. č. 57: Graf délkové změny v závislosti na teplotě

80



Obr. č. 58: Délkové změny během výdrže na maximální teplotě

Délková změna během výdrže na maximální teplotě [%]

R0

R 10

R 20

Čas - 0 min

0,460

0,414

0,594

Čas - 180 min

0,017

0,068

0,268

Pokles délkové změny během výdrže na maximální teplotě [%]

0,443

0,346

0,325

Tab. č. 9.: Délkové změny během výdrže na maximální teplotě

Délková změna během výdrže na maximální teplotě [%]

R0

R 10

R 20

Pokles délkové změny během výdrže na maximální teplotě [%]

0,443

0,346

0,325

Pokles deformace v ohybu během výdrže na maximální teplotě [%]

0,427

0,299

0,288

Skutečný průhyb [%]

0,016

0,047

0,037

Tab. č. 10.: Skutečný průhyb vzorku

81



Z prvního grafu je patrné, že největší délkové změny vznikají okolo 800 °C, kdy vzorky nabudou až o 1 %. Jak při následném zvyšování teploty, tak i při výdrži na maximální teplotě se deformace vzorku již jen snižují. Ochlazením vzorku na laboratorní teplotu dosahoval nejnižších změn již pouze vzorek R 20 a nejvyšší délková změna byla zaznamenána u referenčního vzorku. Kontrakčně dilatační termická analýza stanovuje nevratné změny, které vznikají jako důsledek fyzikálních a chemických procesů, ke kterým dochází v průběhu ohřevu a chlazení testovaného vzorku. Z grafu DKTA je patrné, že největších nevratných změn dosáhl referenční vzorek. Bylo to způsobeno největším slinutím dané směsi. Naopak nejmenších změn dosáhl vzorek, ve kterém byla spraš nahrazena 20 % kamenné prosívky. Je patrné, že se zvyšující se dávkou kamenné prosívky klesají nevratné změny vyvolané nárůstem a následným snížením teplot. Po zjištění rozdílu deformací v ohybu během výpalu a deformací DKTA analýzou jsem získala výsledné hodnoty průhybu. V tabulce č. 9 je vidět, že nejvíce se prohne vzorek R10 a nejméně referenční vzorek.

82




Obr. č. 59: Pevnost v tahu za ohybu

Obr. č. 60: Modul pružnosti v ohybu Pevnost v tahu za ohybu nám udává schopnost látky odolávat účinkům působícího napětí. Odpovídá maximálnímu zatížení, při kterém dojde k lomu. Modul pružnosti v ohybu udává hypotetickou hodnotu napětí, jež způsobí relativní prodloužení na dvojnásobek původní délky. Z grafů je patrné, že referenční vzorek má vysokou pružnost a proto také pevnost v tahu za ohybu je největší. Přidání 10 % kamenné prosívky na úkor spraše způsobí pokles pevnosti v tahu za ohybu. Této nízké hodnotě odpovídá také nízká pružnost vzorku. Přidáním 20 % kamenné prosívky klesne pevnost v tahu za ohybu o 13,9 %. 83



6.2.13. Výpočet váhy kritérií – metoda párového srovnání Rozhodovací matice: Kriterium Citlivost k sušení Vzlínavost Nasákavost Objemová hmotnost Zdánlivá pórovitost Skutečný průhyb [%] Pevnost

Č. 1 2 3 4 5 6 7

Fullerův trojúhelník: 1 1 2 3 2 2 3 4 3 3 4 5 4 4 5 6 5 5 6 7 6 7 Fi =

1 4 2 5 3 6 4 7

Optimum min min min max min min max

1 5 2 6 3 7

1 6 2 7

Body Vi

Váhy Fi

4 5 7 5 6 6 3

0,1111 0,1389 0,1944 0,1389 0,1667 0,1667 0,0833 1,0000

R0 1,47 48,0 13,6 1795 24,8 0,016 13,4

R 10 1,41 53,0 13,3 1823 24,8 0,047 11,2

R 20 1,38 56,0 13,0 1843 24,7 0,037 11,5

1 7

Vi

∑V

i

Vi = n + 1 − Pi Počet kladných Umístění kroužků Pi 1 2 3 4 5 6 7 ∑

1 3 6 3 4 4 0 21

4 3 1 3 2 2 5

36

84


MAX → bij =

MIN → bij =


[a ij − min(a i )] [max(a i ) − min(a i )] [max(a i ) − a ij ]

[max(a i ) − min(ai )]

cij − Fi * bij

bij

cij

Číslo kriteria

R0

R 10

1 2 3 4 5 6 7

0,0000 1,0000 0,0000 0,0000 0,4000 1,0000 1,0000

0,6667 0,3750 0,6066 0,5833 0,0000 0,0000 0,0000

R 20

R0

R 10

R 20

1,0000 0,0000 7,4074 11,1111 0,0000 13,8889 5,2083 0,0000 1,0000 0,0000 11,7942 19,4444 1,0000 0,0000 8,1019 13,8889 1,0000 6,6667 0,0000 16,6667 0,3226 16,6667 0,0000 5,3763 0,1434 8,3333 0,0000 1,1954 45,5556 32,5118 67,6829

Jako nejlepší směs pro výrobu střešních tašek se jeví směs s označením R 20. Jedná se o směs skládající se z 43,8 % jílu, 25,7 % spraše, 20 % kamenné prosívky a 10,5 % zeminy Jirčany. Jako nejméně vhodná byla vyhodnocena směs s 10 % kamenné prosívky Luleč.

85



6.3. Diskuze k výsledkům zkoušek Přídavkem různého množství kamenné prosívky do referenční směsi na úkor spraše jsem zkoušela její vliv hlavně na snížení průhybu během výpalu. Výsledkem mé práce bylo získat optimální poměr surovin tak, aby výsledná směs měla co nejlepší vlastnosti z hlediska použití na výrobu střešních tašek a hlavně z hlediska průhybu během výpalu. Z výsledků zkoušek je patrné, že referenční směs má nejvyšší citlivost k sušení a také největší celkové smrštění sušením i výpalem. Referenční vzorek dosahoval také nejvyšších hodnot ztráty žíháním. Kriterium pro hodnocení vzlínavosti vzorků splňovala pouze tato směs. Zmiňovaný vzorek obsahoval také spoustu pórů, kterými vnikala voda, o čemž vypovídá vysoká nasákavost a nízká objemová hmotnost. Nejvyšší výsledné deformace průhybu během výpalu byly u referenčního vzorku a dosahovaly 0,8 mm. Skutečný průhyb referenčního vzorku dosahoval nejnižších hodnot. Také bylo zjištěno, že referenční vzorek má vysokou pružnost a proto také pevnost v tahu za ohybu je největší. Nahrazením spraše 10 % kamenné prosívky získáme vzorek, který vyniká oproti referenční směsi nižší citlivostí k sušení, délkovému smrštění a nasákavosti. Bohužel tento vzorek dosahoval také nejnižších hodnot pevnosti v tahu za ohybu a modulu pružnosti. Vykazoval také nejvyšší zdánlivou pórovitost. Tento vzorek se při výpalu nejvíce prohnul. Třetí vzorek, podrobený zkušebním metodám, obsahoval 20 % kamenné prosívky, která ve střepu nahradila část spraše. Tento vzorek se v mnoha zkouškách jeví jako nejvhodnější pro použití k výrobě střešních tašek. Dosahuje nejnižší citlivosti k sušení a zároveň také nejnižších hodnot délkového smrštění sušením a nasákavosti. Z grafu délkových změn výpalem je patrné, že nahrazením spraše 20 % kamenné prosívky dojde ke snížení smrštění a to až o 47,3 %. Nižší smrštění výpalem nám indikuje také DKTA analýza, dle které jsou délkové změny nejmenší z námi odzkoušených směsí. Skutečný průhyb během výdrže na maximální teplotě výpalu však už nejmenší nebyl. Metodou párového srovnání analyzovaných směsí byla vyhodnocena jako nejvhodnější směs R 20 i přesto, že se tento vzorek při výpalu ohl dvakrát více než referenční vzorek. 86



7. Závěr Cílem této diplomové práce je posouzení vlivu různého obsahu kamenné prosívky v konkrétní surovinové směsi na výrobu pálených střešních tašek podle ČSN EN 1304 (TONDACH Česká republika s.r.o. – cihelna Šlapanice). Zároveň bylo mým úkolem posoudit průhyb těchto zkušebních vzorků během výpalu. Kamenná prosívka může být pro cihlářskou výrobu velmi výhodným ostřivem, neboť ve srovnání se současným standardním ostřivem – křemenným pískem, nevykazuje výraznější objemové změny během výpalu a je levnější. Výsledkem bylo získat optimální poměr surovin tak, aby výsledná směs měla co nejlepší vlastnosti z hlediska použití na výrobu střešních tašek a hlavně z hlediska průhybu během výpalu. Z výsledků zkoušek a ze zkušeností popsaných v této práci vyplývá, že užití kamenné prosívky je vhodné již od množství 10 %. Dle zkoušek byla vyhodnocena jako nejvhodnější příměs 20 % kamenné prosívky. Tuto teorii potvrdil také výpočet váhy kritérií hodnocení daných směsí. Nejdůležitější kriterium však tato směs nesplnila. DKTA analýzou bylo zjištěno, že při výdrži na maximální teplotě dosahuje nejnižších délkových změn. Takto tomu bylo také u zkoušky ohybu během výpalu. Bohužel vyhodnocením skutečného průhybu se prokázalo, že tato směs dosahuje nejvyšších hodnot. Z tohoto hlediska se jako nejvhodnější jeví referenční směs, která vykazovala skutečný průhyb výrazně nižší. Přesto délkové změny a deformace v ohybu této směsi dosahovaly výrazně vyšších hodnot. Přísada kamenné prosívky se tedy pro praktické užití na výrobu střešních tašek jeví jako velmi výhodná. V praxi toto ostřivo představuje nejen ekonomickou úsporu vzhledem k množství snadno dostupného odpadu, ale také definitivní řešení odpadu z různých odvětví průmyslu.

87



8. Přílohy

Obr. č. 61: Foto z optického mikroskopu, zvětšeno 200 krát – směs R 0

Obr. č. 62: Foto z optického mikroskopu, zvětšeno 200 krát – směs R 20 88



9. Seznam použité literatury [1] MLÝNEK, Richard. Www.mlynek.cz [online]. c2007 [cit. 2010-03-25]. Vývoj pálené střešní krytiny. Dostupné z WWW: . [2] MARTIN VAVRO, Jakub Jirásek. Http://geologie.vsb.cz/loziska/suroviny/index.html [online]. 2008-04-09 [cit. 2011-09-17]. Keramika. Dostupné z WWW: . [3] ENCYKLOPEDICKÝ DŮM, s.r.o., A-Ž, 1st ed., Praha 8, 2005. Technický naučný slovník. ISBN 80-86044-16-5. [4] SOKOLÁŘ, Radomír. Keramika. Brno: Vysoké učení technické, Fakulta stavební, 2006. 176 s. [5] PAVELKA, Oldřich. Cihlářský lexikon. [s.l.] : [s.n.], 2007. Základní požadavky EN 1304, p. 126-130. [6] SOKOLÁŘ, Radomír. Speciální keramika: Cihlářská výroba. Brno: Vysoké učení technické, Fakulta stavební, 2006. 67 s. [7] KLOUŽKOVÁ, Alexandra. Www.vscht.cz [online]. 2011 [cit. 2011-09-17]. Koroze a degradace keramiky. Dostupné z WWW: . [8] DRAHOŇOVSKÝ, Petr. Www.licovezdivo.cz [online]. 2007 [cit. 2011-09-17]. Výkvěty na lícovém zdivu. Dostupné z WWW: . [9] www.asb-portal.cz [online]. 2011 [cit. 2011-09-17]. Vady keramických fasád způsobené mrazem. Dostupné z WWW: . [10] VIEIRA, C.M.F., MONTEIRO, S.N., Effect of grog addition on the properties and microstructure of a red ceramic body for brick production, Construction and Building Materials. 2007, no. 21, p. 1754–1759.

89



[11] MENEZES, ROMUALDO R., FERREIRA, HEBER S., NEVES, GELMIRES A., LIRA, HELIO DE L., FERREIRA, HEBER C., Use of granite sawing wastes in the production of ceramic bricks and tiles, Journal of the European Ceramic Society. 2005, no. 25, p. 1149–1158. [12] ALONSO-SANTURDE, R. A., ANDRÉS, A., VIGURI, J.R., RAIMONDO M., GUARINI, G., ZANELLI, C., DONDI, M., Technological behaviour and recycling potential of spent foundry sands in clay bricks, Journal of Environmental Management.2011, no. 92, p. 994-1002 [13] ALONSO-SANTURDE, R. A., COZ, A., VIGURI, J.R., ANDRÉS, A., Recycling of foundry by-products in the ceramic industry: Green and core sand in clay bricks, Construction and Building Materials. 2011, no. xx, p. xxx–xxx [14] SOKOLÁŘ, R., Smetanová L., Keramika – Laboratoře, Modul BJ02_M01. Brno: Vysoké učení technické, Fakulta stavební, 2006. 67 s. [15] IMLAUF, T., Diplomová práce: Využití odpadních kalů pro zvýšení užitných vlastností střepu pálených střešních tašek, Brno: Vysoké učení technické, Fakulta stavební, 2008. [16] DUFKA, A., NOVÁK, J., Laboratorní experimentální metody, Brno: Vysoké učení technické, Fakulta stavební, 2007. 155 s.

90



10. Seznam tabulek Tab. č. 1: Vyrobené směsi - I. Etapa

52

Tab. č. 2: Délková změna a ztráta hmotnosti pálením

59


66

Tab. č. 4: Vyrobené směsi - II. Etapa

68

Tab. č. 5: Délkové změny sušením

69

Tab. č. 6: Nasákavost

74

Tab. č. 7: Zdánlivá pórovitost a zdánlivá hustota

76


79

Tab. č. 9.: Délkové změny během výdrže na maximální teplotě

81

Tab. č. 10.: Skutečný průhyb vzorku

81

91



11. Seznam obrázků Obr. č. 1: Základní typy pálených střešních tašek

6

Obr. č. 2: Odřezávání pásma strunovým odřezávačem

9

Obr. č. 3: Výroba krytiny ražením na revolverovém lisu

9

Obr. č. 4: Komorová sušárna se zavezenou částí výlisků

10

Obr. č. 5: Vozy tunelových pecí

14

Obr. č. 6: Ukázka defektu vytvořeného během normované zkoušky mrazuvzdornosti

17

Obr. č. 7: Teploty zamrzání vody v pórech o různém průměru

19

Obr. č. 8: Výkvěty na cihelných vzorcích

21

Obr. č. 9: Nasákavost a pevnost v tahu za ohybu laboratorních vzorků vypálených na 800, 900 a 1000 °C

26

Obr. č. 10: Nasákavost a pevnost v tahu za ohybu vzorků vypálených v průmyslové peci na teplotu mezi 750 a 850 °C Obr. č. 11: Průmyslově vyrobený cihlářský střep

27 29

Obr. č. 12: Smrštění výpalem, ztráta žíháním a nasákavost vzorků vypálených na 850°C (A), 950°C (B), 1050°C (C) v laboratorní muff lové peci

32

Obr. č. 13: Smrštění výpalem, nasákavost, objemová hmotnost a pevnost v tahu za ohybu vzorků vypálených na teplotu 1050°C v pr ůmyslové peci

32

Obr. č. 14: Schéma Pfefferkornova deformačního přístroje

36

Obr. č. 15: Bigotova křivka

39

Obr. č. 16: Schéma měření prosákavosti

43

Obr. č. 17: Schéma namáhání vzorku při zkoušce pevnosti v tahu za ohybu

43

Obr. č. 18: RTG Šlapanice

45

Obr. č. 19: DTA Šlapanice spraš

46

Obr. č. 20: RTG Šlapanice jíl

47

Obr. č. 21: DTA Šlapanice jíl

48

Obr. č. 22: RTG Zemina Jirčany

49

Obr. č. 23: DTA Zemina Jirčany

50

Obr. č. 24: RTG Kamenná prosívka Luleč

51

Obr. č. 25: Pálící křivka

53

Obr. č. 26: Bigotova křivka směsi JIL

54 92




54


55


55


56


56


57


57


60

Obr. č. 35 a Obr. č. 36: Vakuová nasákavost

61

Obr. č. 37 a Obr. č. 38: Objemová hmotnost

62

Obr. č. 39 a Obr. č. 40: Zdánlivá pórovitost

63

Obr. č. 41 a Obr. č. 42: Zdánlivá hustota

64

Obr. č. 43: Deformace v ohybu během celého výpalu

65

Obr. č. 44: Deformace v ohybu během výdrže na maximální teplotě

65

Obr. č. 45: Bigotovi křivky směsí R 0, R 10, R 20

69

Obr. č. 46: Délková změna výpalem - II. Etapa

71

Obr. č. 47: Ztráta hmotnosti pálením - II. Etapa

71

Obr. č. 48: Barva střepu

72


73

Obr. č. 50: Vakuová nasákavost

74

Obr. č. 51: Prosákavost

75

Obr. č. 52: Objemová hmotnost

76

Obr. č. 53: Zdánlivá hustota

77

Obr. č. 54: Deformace vzorku během celého výpalu

78

Obr. č. 55: Deformace vzorku během výdrže na maximální teplotě

78

Obr. č. 56: Graf délkové změny v závislosti na čase

80

Obr. č. 57: Graf délkové změny v závislosti na teplotě

80

Obr. č. 58: Délkové změny během výdrže na maximální teplotě

81

Obr. č. 59: Pevnost v tahu za ohybu

83

Obr. č. 60: Modul pružnosti v ohybu

83


88


88

93

Obsah: Bc. Veronika Vondříčková Diplomová práce 2012

Recommend Documents