OMÍTKY HISTORICKÝCH STAVEB: SLOŽENÍ, ANALÝZY, OBNOVA
Pavla Rovnaníková Ústav chemie FAST VUT v Brně
KALSEM – Luhačovice, 23.5. - 27. 5. 2016
Omítky na fasádách Funkce • Ochranná • Tepelně-izolační • Estetická – charakterizuje jednotlivá historická období • Povrchové úpravy již 7 000 let př. n. l. • Theophrates (372 – 287 př. n. l.) – popsal velmi přesně výrobu sádrových omítek
Historické omítky - složení Pojiva omítek • jíly • vápno • sádra • cement (konec 19. a 20. století) • Směsi Kamenivo • nejlépe křemenné s plynulou granulometrií • Jílové součásti zlepšují plasticitu čerstvé malty, negativně ovlivňují trvanlivost omítek Další složky • přísady • Vlákna – rostlinná i živočišná
Plastické keramické hlíny • Tvrdnutí - uvolňování vody z vrstevnatých minerálů - ve směsi s vápnem – karbonatace vápna, může dojít také k reakci vápno-jílové minerály – dlouhodobý proces • Nevýhody krátká životnost v důsledku bobtnání vodou a mrazová nestabilita
Sádrové omítky • • • •
Sádra – vlastnosti Rychletuhnoucí – CaSO4·1/2H2O Pomalutuhnoucí – směs CaSO4, CaSO4·0,5H2O a CaO tvrdnutí – zpětná hydratace CaSO4·2H2O - dosažení konečných pevností v krátké době
Sádrové omítky – sádra, vápenný hydrát 5 až 10 %, písek a přísady • Výhody: - regulují vlhkost vzduchu v interiéru - lze s nimi dosáhnout velmi hladkého a rovného povrchu - nepraskají a nevznikají na nich trhliny ani při větších tloušťkách - mají pH blízké lidské pokožce a při omítání nedráždí kůži • Nevýhody: - ne každý zedník ji umí aplikovat - vyšší cena
Sádrové omítky - rozpustnost zatvrdlého pojiva 256 mg/100 g vody při 20°C - vysoká rovnovážná vlhkost - vysoká porozita a nasákavost - pevnosti závislé na vodním součiniteli (v/s)
Umělý mramor • • • • • • •
Alabastrová sádra Klihová voda s vápennou vodou – tuhnutí za 12 až 24 h Pigmenty Zpracovaná směs se nanáší na tvrdý podklad, zahladí se hladítkem Broušení a tmelení – 6krát Napouštění– lněný olej s terpentýnem, včelí vosk Leštění – flanelem, kožešinou
Sádroviny • Keenův cement – směs sádry a kamence (síran hlinitoamonný dodekahydrát) pálená na 500 až 600 °C má vysokou pevnost a používá se k dekoračním účelům • Parianská sádra – pálený sádrovec s boraxem + roztok kyselého vínanu draselného • Schottova sádra – pálený sádrovec s vápnem do slinutí • De Wyldeho sádra – anhydrit (CaSO4) + vodní sklo pálené na 200°C
Omítka ze Sorelovy maltoviny • MgO + MgCl2 + H2O → xMgO∙yMgCl2∙zH2O • Ztvrdlé pojivo není odolné působení vody – nutná hydrofobizace
Výroba vápna, hašení, tvrdnutí
Druhy vápna podle ČSN EN 459-1 Stavební vápno
Vzdušná vápna
Bílé vápno - CL
Dolomotické vápno - DL
Vápna s hydraulickými vlastnostmi
Přirozené hydraulické vápno - NHL Směsné vápno - FL Hydraulické vápno - HL
Nehašené vápno (Q) Hašené vápno (S, S PL nebo S ML) Polohašené vápno (S 1)
Vápno v minulosti • Primitivní pece – popel (pucolánově aktivní) z paliva se mísil s vápnem vyšší pevnosti a odolnost vápenných malt • Vápno se používalo ve formě vápenné kaše, nebo nehašeného vápna (horká malta)
Vzdušné vápno • Ca(OH)2 - pevný – vápenný hydrát • Ca(OH)2 - vápenná kaše – cca 50 % hmot. suspenze • Ca(OH)2 – vápenné mléko - cca 2 – 10 % hmot. suspenze • Ca(OH)2 – vápenná voda - nasycený roztok – 1,6 g ve 100 g vody při 20°C
Změna charakteru Ca(OH)2 v čase vápna CL-90 Čerťák vápenná kaše – 3 dny
vápenná kaše – 33 dnů
Vápenné malty v minulosti • Staveništní malty – odležená vápenná kaše a písek – homogenizace • V maltnici se zhutní a malta se nechá odležet (několik dnů až týdnů) pod vrstvou vody, nebo zakrytá drny → dobrá adheze vápna na zrnech kameniva • Před použitím se malta rozmísí bez přídavku vody a následně se zředí na požadovanou konzistenci • Nízký vodní součinitel vyšší pevnosti a odolnost malt
15
Závislost vývinu pevné struktury na okolních podmínkách • van‘t Hoffovo pravidlo – zvýšením teploty o 10°C se reakční rychlost zvýší 2 až 3krát • koncentraci CO2 v okolí ~ 0,038 obj. % • vlhkosti okolního vzduchu ~ 60 až 95 % RH • teplotě okolí
• zmrznutí vápenné omítky v časném stadiu snížení pevností
Vytváření pevné struktury vápenných malt Mikrostruktura VM
pevnost
pevnost [MPa]
pH
pH
0 1 1,5 2 2,5 3 vzdálenost od líce omítky [mm]
Vlastnosti malt pro omítání Na bázi vzdušného vápna: • kapilární póry větších rozměrů než u omítek s cementem vyšší propustnost pro H2O (g) a menší kapilární elevace • nízké pevnosti v tlaku (do 1,5 MPa) i tahu za ohybu (0,8 MPa) • nízká korozní odolnost – CaCO3 reaguje s kyselými plyny z okolní atmosféry rozpustné, nebo nerozpustné, ale nepojivé soli • nízká pevnost – porušení krystalizací solí 18
Přirozené hydraulické vápno • Přirozené hydraulické vápno – pálení vápenců s obsahem jílů vápenec + jíly CaO + křemičitany a hlinitany vápenaté
CaO MgO MH SiO 2 Al 2 O3 Fe2 O3 • • • • •
MH < 1,7 Románský cement MH ~ 1,7 3 silně hydraulické vápno MH = 3–6 středně hydraulické vápno MH = 6–9 slabě hydraulické vápno MH > 9 vzdušné vápno
Počátky směsných vápenných pojiv • Féničané v 10. století př. Kr. – použití pucolánově reagujících příměsí • Starý Řím – pucolány od Puzzuoli ± 100 let kolem začátku letopočtu • Řecko – pucolány z ostrova Santorini • 1200 -Nizozemí – tras
Modifikované vápenné malty • Pucolánové příměsi – přírodní a technogenní • Hydraulické příměsi – struska, cement • Organické přísady - dříve – přírodní - tuky, cukry, bílkoviny (krev, pivo, mléko, cukry apod.) - dnes – syntetické – étery celulózy, hydrofobizátory, plastifikátory apod.
Pucolány • • • •
charakterizovány reakcí s vápnem (hydroxidem vápenatým) za běžných teplot přírodní – vyvřelé i upasené horniny s obsahem reaktivních složek (SiO2, alumosilikáty) technogenní – cihelný prach, pálené keramické hlíny -metakaolin, elektrárenské popílky pucolánová aktivita – upravený Chapelle test – vyjadřuje se - mg Ca(OH)2 / 1 g pucolánu
Křemelina Zeolit 1000
700
Cihelný střep 300 500
Metakaolin 1000 1500
Popílky elektr. 600 800
Sklo
Silika
700 800
1600 4000
22
Omítky kolem roku 1483
Jsou vidět kousky cihelného střepu
Vlastnosti vápenné omítky s pucolánovými a hydraulickými příměsmi • Vyšší pevnosti v tahu za ohybu a tlaku (podle druhu pucolánu tah/tlak 1 až 3 MPa/3 až 10 MPa) • Vyšší korozní odolnost • Vyšší mrazuvzdornost
24
Modifikace vápenných malt cementem • Cement - malý přídavek – při hlazení omítky se vytvoří krusta z cementu, kterou je zabráněn transport CO2 k vápnu • Cement – ve vápnocementových maltách - poměr vápno:cementu 1,4:1 až 3,6:1 – omítka tvrdne hydratací cementu, vápno pomalu karbonátuje, ale není zásadní pro dosažení pevností
Omítka z vyhašeného a odleželého vápna s 1 “fankou“ cementu na míchačku“
Agresivní látky v atmosféře • Agresivní látky z ovzduší – rozpuštěné v dešťové vodě - kyselé plyny (CO2, SO2 a NOx) s vodou vytvářejí kyseliny - kyseliny snadno rozkládají pojivo vápenných omítek (CaCO3) - rozkládají také produkty pucolánové i hydraulické reakce – v závislosti na koncentraci a síle kyseliny
Původ solí • Vzlínající voda z podzákladí – sírany, dusičnany, amonné ionty, chloridy • Posypové soli – chlorid sodný • Soli ve stavebním materiálu – sírany v cihlách, různé druhy solí ve stavebním kameni • Zvířecí exkrementy – amonné ionty, po bakteriologické přeměně - dusičnany
Krystalizační tlaky solí Sloučenina
Krystalizační tlak [MPa]
CaSO4∙2H2O
28,2
MgSO4∙2H2O
10,5
Na2CO3∙10H2O
7,8
NaCl
55,4
H2O
210,0
Poškození omítek solemi
Působení solí v omítkách krystalizace solí výkvěty rozpad omítek
Obnova omítek • Základní zásada – zachování původních omítek v co největší míře • Konsolidace a doplňky chybějících ploch • Doplňky chybějících ploch bez konsolidace • Odstranění nesoudržných ploch a jejich náhrada • Odstranění celé omítky a její náhrada Analýza omítky
Návrh složení malty pro omítání
Při zachování omítek je někdy nutné zpevňování
Před
Po Mikrostruktura omítek před a po aplikaci vápenné vody
Průzkum a návrh složení opravné malty • • • • • •
Průzkum a analýzy chemické složení pojiva mineralogické složení pojiva mineralogické složení kameniva granulometrie kameniva poměr mísení složek přítomnost dalších složek – vlákna návrh malty na základě analýzou získaných údajů - zohlednit dnešní kvalitu vzdušného vápna • nelze provést na základě jedné metody • kombinace výsledků různých metod • správná interpretace zjištěných skutečností na základě zkušeností
Laboratorní rozbory • Chemické složení pojiva – chemická analýza, termochemická analýza • Mineralogické složení pojiva – RTG difrakce • Mineralogické složení kameniva – RTG difrakce • Granulometrie kameniva – sítový rozbor, sedimentační analýza, laserová analýza • Poměr mísení složek • Přítomnost dalších složek – vlákna • Nová omítka nebude mít nikdy identické vlastnosti i při snaze co nejvěrnější kopie, jako omítka původní
Silikátová analýza • Silikátová analýza procentické složení v oxidické formě v % hmotnostních • Přepočet na pojivo • Kamenivo nerozpustné v HCl - křemenné předpoklad správné interpretace výsledků • Rozpustné kamenivo v HCl - vápence, dolomity • Písek nejčastěji obsahuje - křemen, živce, jílové minerály
Termická analýza
Termická analýza
Optická mikroskopie • Petrografické složení omítky - přítomnost mramorové moučky, křídy, cihel, dřevěného uhlí, živočišných nebo rostlinných vláken • Stratigrafie a mikrostruktura omítky a jejích povrchových vrstev - tloušťka štuku - tloušťka a druh jednotlivých vrstev nátěrů • Identifikace pigmentů a organických přísad • Nábrus – sleduje se v dopadajícím světle • Výbrus – tloušťka preparátu - 30 μm – sleduje se v procházejícím polarizovaném světle
Optická mikroskopie • Zrna křemene • Fragmenty zrn vápence, částečně vypálený
Elektronově disperzní spektrometrie
Děkuji za pozornost
