Vlastnosti sáder – teorie Sádrové maltoviny (sádra a další typy síranových pojiv) jsou maltoviny, které patří do skupiny vzdušných maltovin. Základem těchto pojiv jsou formy síranu vápenatého. K výrobě sádrových maltovin se používají sádrovce a anhydrity jak přírodní, tak i odpadní. Přírodní sádrovec je dihydrát síranu vápenatého vznikající odpařováním mořské vody z uzavřených mořských nebo jezerních pánví. Přírodní anhydrit je bezvodý síran vápenatý, který vzniká podobně jako sádrovec. Získaná forma závisí pouze na teplotě roztoku. Anhydrit může vznikat také dehydratací ze sádrovce a naopak sádrovec může vznikat hydratací anhydritu. Průmyslové sádrovce vznikající při odsiřování spalin tepelných elektráren a tepláren (tzv. energosádrovce) nebo jako vedlejší produkt v chemickém, potravinářském nebo sklářském průmyslu (tzv. chemosádrovce). Zpravidla mají vysoký obsah sádrovce (často nad 90 %). Od přírodní suroviny se odlišují malou velikostí zrna a vyšší vlhkostí. O vlastnostech sádry a sádrových maltovin rozhoduje jejich mineralogické složení. Základní vlastnosti a vztahy mezi jednotlivými fázemi systému CaSO4 – H2O jsou uvedené v tabulce 1. Tabulka 1 – Základní vlastnosti a vztahy mezi jednotlivými fázemi systému CaSO4 – H2O
hydratační stupeň
označení
krystalová soustava
termodynamická stabilita
výskyt v přírodě
dihydrát CaSO4 · 2 H2O
sádrovec
jednoklonná
< 45 °C
sádrovec alabastr
hemihydrát α-hemihydrát CaSO4 · ½ H2O
kosočtverečná
metastabilní
ne
hemihydrát β-hemihydrát CaSO4 · ½ H2O
kosočtverečná
metastabilní
ne
anhydrit CaSO4
rozpustný anhydrit III
šesterečná
metastabilní
ne
anhydrit CaSO4
nerozpustný anhydrit II
kosočtverečná
< 1 180 °C
anhydrit
anhydrit CaSO4
vysokoteplotní anhydrit I
krychlová
> 1 180 °C
ne
Nejběžnější reakcí (rovnice 1) při výrobě sádry je částečná dehydratace dihydrátu na hemihydrát.
[1]
CaSO4 ⋅ 2 H 2O teplo → CaSO4 ⋅ 1 2 H 2O + 3 2 H 2O
Podle způsobu tepelného zpracování vznikají z výchozí suroviny různé krystalické formy hemihydrátu (tzv. α a β-sádra), které se svými vlastnostmi podstatně liší (Tabulka 2). Autoklávovacím procesem v prostředí nasyceném vodní parou vzniká α-sádra. Běžným zahříváním sádrovce za atmosférických podmínek v prostředí nenasyceném vodní parou vzniká β-sádra. Tabulka 2 – Základní rozdíly mezi α a β-hemihydrátem
vlastnost velikost částic [μm] porosita částic měrný povrch poruchy v krystalové mřížce množství vody pro rozmíchání konečná pevnost
α-CaSO4 · ½ H2O 10-20 není porézní menší menší počet menší větší
β-CaSO4 · ½ H2O 1-5 je porézní větší větší počet větší menší
Kalcinací (dehydratací) sádrovce za vyšších teplot vznikají různé typy anhydritu (A). Jako první vzniká A III, který má dvě formy podle toho, z jakého hemihydrátu vznikl. Alfa modifikace vzniká při teplotách 200-210 °C, beta modifikace při teplotách 170-180 °C. Obě formy A III jsou nestálé (rozpustné) a působením vzdušné vlhkosti se přeměňují zpětně na hemihydrát. A III přechází po dalším zahřátí na A II, u něhož se podle stupně zahřátí rozlišují tři typy: A II-T (vznik při 200-300 °C, slabě rozpustný), A II-N (vznik při 300-600 °C, nerozpustný), A II-E (vznik nad 600 °C, tzv. estrichová sádra). A II je jedinou modifikací bezvodého CaSO4, která je za normálních podmínek stabilní. Při zahřívání nad 1200 °C přechází A II v A I, který však vždy obsahuje volný CaO. A I je nestabilní a při ochlazení pod 1200 °C přechází zpět na A II. Hydratace sádrových pojiv Hydratace všech typů hemihydrátů (rovnice 2) a anhydritů vede k tvorbě dihydrátu.
CaSO4 ⋅ 1 2 H 2O + 3 2 H 2O → CaSO4 ⋅ 2 H 2O + teplo
[2]
Mechanismus tuhnutí sádry je přesně opačným procesem než její výroba ze sádrovce. Sádra se po smíchání s vodou rozpustí a vytvoří přesycený roztok, ze kterého vykrystaluje dihydrát síranu vápenatého. Jehlicovité krystaly dihydrátu
postupně rostou a vzájemně srůstají, čímž se postupně vytváří pevný produkt. Rychlost tuhnutí sádry závisí na tom, jakým způsobem byla připravena, tj. kolik obsahuje anhydritu. Čím je vyšší teplota výpalu sádry, tím obsahuje více anhydritu a tím pomaleji tuhne. Doba tuhnutí sádry závisí na řadě faktorů. Dobu tuhnutí lze zkrátit prodloužením doby míchání, snížením vodního součinitele, zvýšením teploty záměsové vody nebo přidáním urychlovačů tuhnutí, které zvyšují rozpustnost a rychlost rozpouštění výchozí fáze (anorganické kyseliny a jejich soli, přídavek sádrovce). Některé látky naopak dobu tuhnutí sádry prodlužují bráněním tvorby nukleí sádrovce (organické kyseliny a jejich soli, želatina, agar) nebo blokováním procesu hydratace vytvářením vápenatých komplexů (citronany, vinany). Vlastnosti zatvrdlých sáder Sádra se snadno zpracovává a lze ji přizpůsobit různým stavebním nebo technickým účelům. Sádrové pojiva dosahují kompletní hydratace a tím i konečných vlastností v krátkém čase na rozdíl od portlandského cementu. Objemové změny v průběhu tvrdnutí sádry jsou poměrně velmi malé, nízká je také tepelná vodivost. Sádra je hygroskopická, což se pozitivně uplatňuje zejména při regulaci vlhkosti v obytných prostorách. Základními nedostatky sádry je její citlivost na vlhkost a zejména pokles pevnosti ve vlhkém prostředí. Není vhodná pro nosné konstrukce, dotvarovává se při zatížení. Rovněž koroze výztuže v sádrových materiálech je poměrně vysoká, a to díky jejich velké pórovitosti. Navíc sádrová pojiva nevytvářejí, na rozdíl od vápna nebo cementu, alkalické prostředí, v němž by ocel byla pasivována. Hlavní směry použití sádry jsou vnitřní omítky, sádrokartonové desky a dílce pro vnitřní stavební příčky a ochranné protipožární vrstvy.
Vlastnosti sáder – zadání Připravte vzorky sáder v závislosti na vodním součiniteli a na přídavku látek měnících rychlost tuhnutí. Změřte doby tuhnutí, hodnotu rozlivu a pevnosti v tlaku. Pomocí pevnosti vypočítejte konstantu charakterizující kvalitu sádry a její kritickou pórovitost. Vlastnosti kaše Připravte sádrové kaše s vodními součiniteli w1 = 0,4 a w2 = 0,7. Od každého vodního součinitele připravte tři sady kaší: •
sádra s vodou
•
sádra s vodou a CH3COOH
(200 g sádry, 1 ml CH3COOH)
•
sádra s vodou a NaCl
(200 g sádry, 2 g NaCl)
Stanovte rozliv, konzistenci a rychlost tuhnutí jednotlivých kaší. Do připraveného válce na rozlivovém stolku odlijte kaši. Sundejte válec a spusťte stolek na 15 rázů. Poté změřte tři průměry rozteklé kaše. Vypočítejte, o kolik procent se kaše rozlila z původního rozměru. Proveďte měření všech kaší. Do připravených kuželů odlijte kaše a pomocí Vicatova přístroje změřte nejprve jejich konzistenci. Dále ve stejných kuželech změřte počátek, vývoj a konec tuhnutí kaší. Vlastnosti zatvrdlé kaše Do připravených vymazaných forem (6 kostek o hraně 2 cm) nalijte sádrové kaše a vibracemi na vibračním stolku odstraňte z kaše vzduchové bubliny. Formu s kaší dejte na 2 hodiny zatuhnout do prostředí nasyceného vodní parou. Poté tělíska odformujte a dejte je do sušárny při 45 °C na 2 hodiny. Po vysušení stanovte pevnost v tlaku (tělíska se do lisu vkládají ve směru kolmém k hutnění, rovnice 3). Z jednotlivých hodnot pevností vypočtěte aritmetický průměr a jeho odchylku.
σ =F S σ … pevnost v tlaku [Pa] F … tlaková síla [N] S … plocha, na kterou síla působila [m2]
[3]
Existuje několik základních modelů popisujících závislost mezi porozitou a pevností v tlaku. Jeden z modelů je podle Schillera (rovnice 4). Do výpočtu rovnice použijte aritmetický průměr hodnot pevností. Vypočtěte konstanty q a P0. Jaká by byla pevnost v tlaku pro vodní součinitel 0,5?
σ = q ⋅ log(P0 P )
[ 4]
w − 0,15 w + 0,36
[5]
P=
σ … pevnost v tlaku [MPa] q … empirická konstanta charakterizující kvalitu sádry P0 … kritická pórovitost (pórovitost při nulové pevnosti) P … pórovitost (rovnice 5) w … vodní součinitel Protokol obsahuje •
jméno, kruh a datum práce
•
princip, postup a závěr práce
•
vzorce, které jste použili při výpočtech
•
tabulky naměřených a vypočtených hodnot – rozliv, konzistence, rychlost tuhnutí, pevnost
•
grafy - rychlost tuhnutí, hodnot pevností se směrodatnými odchylkami
•
vypočtené konstanty q, P0 a σ0,70
Do laboratoře si přineste •
papír, tužku
•
kalkulačku
•
plášť
