VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ FAKULTA STAVEBNÍ
Prof. Ing. Jiří Adámek, CSc. a kolektiv
STAVEBNÍ LÁTKY MODUL BI-M04
KERAMIKA, DŘEVO, KOVY A SKLO
STUDIJNÍ OPORY PRO STUDIJNÍ PROGRAMY S KOMBINOVANOU FORMOU STUDIA
Jazyková korektura nebyla provedena, za jazykovou stránku zodpovídá autor. ©
Ing. Michal Stehlík Ing. Jan Koukal, CSc. Ing. Pavel Schmid, Ph.D.
Stavební látky
OBSAH 1
2
ÚVOD .........................................................................................................7 1.1
Cíle ......................................................................................................7
1.2
Požadované znalosti ............................................................................7
1.3
Doba potřebná ke studiu......................................................................7
1.4
Klíčová slova.......................................................................................7
KERAMIKA ...............................................................................................8 2.1
Keramické výrobky ...........................................................................10
2.2
Cihlářské výrobky .............................................................................11
2.2.1
Prvky pro svislé konstrukce ......................................................12
2.2.2
Prvky pro vodorovné konstrukce ..............................................14
2.3
Pálená krytina....................................................................................15
2.4
Výrobky pro zvláštní účely ...............................................................17
2.5
Zdravotní keramika ...........................................................................17
2.6
Porcelán.............................................................................................17
2.7
Kamenina ..........................................................................................17
2.7.1
Stavební kamenina ....................................................................18
2.7.2
Kanalizační kamenina ...............................................................18
2.7.3
Chemická kamenina ..................................................................18
2.8
Žárovzdorné výrobky (ČSN 72 6001)...............................................19
2.8.1
Šamotové výrobky (ČSN 72 6101) ...........................................20
2.8.2
Dinasové výrobky (ČSN 72 60 61) ...........................................20
2.8.3
Magnezitové, dolomitové a chromitové žárovzdorné výrobky.20
2.8.4
Uhlíkové a uhlíkaté výrobky .....................................................21
2.8.5
Tepelně izolační výrobky ..........................................................22
2.8.6
Speciální žárovzdorná keramika ...............................................22
2.8.7
Zrněné žárovzdorné výrobky ....................................................23
2.9
Kontrolní otázky................................................................................23
2.10
Korespondenční úkol.........................................................................23
2.11
Autotest .............................................................................................24
2.12
Klíč ..................................................................................................24
2.12.1
Klíč ke kontrolním otázkám......................................................24
2.12.2
Klíč ke korespondenčnímu úkolu..............................................25
2.13
Závěr..................................................................................................25
- 3 (72) -
2.13.1 2.14
3
Studijní prameny............................................................................... 26
2.14.1
Seznam použité literatury ......................................................... 26
2.14.2
Seznam doplňkové studijní literatury ....................................... 26
2.14.3
Odkazy na další studijní zdroje a prameny............................... 26
STAVEBNÍ SKLO ................................................................................... 27 3.1
Hlavní složky a základní suroviny.................................................... 27
3.2
Výroba skla....................................................................................... 27
3.3
Obecné vlastnosti skel ...................................................................... 28
3.4
Druhy stavebního skla ...................................................................... 29
3.4.1
Ploché sklo tažené (ČSN EN 572)........................................... 29
3.4.2
Ploché sklo válcované (ČSN EN 572)..................................... 29
3.4.3
Tvarovaná skla.......................................................................... 29
3.4.4
Pěnové sklo (ČSN 70 1680) .................................................... 30
3.5
Výrobky z vláken.............................................................................. 30
3.5.1
Skleněná vlákna (ČSN 70 1600) ............................................. 30
3.5.2
Čedičová vlákna ....................................................................... 31
3.5.3
Minerální vlna........................................................................... 31
3.6
Kontrolní otázky ............................................................................... 31
3.7
Korespondenční úkol ........................................................................ 31
3.8
Autotest............................................................................................. 32
3.9
Klíč .................................................................................................. 32
3.9.1
Klíč ke kontrolním otázkám ..................................................... 32
3.9.2
Klíč ke korespondenčnímu úkolu ............................................. 32
3.10
Závěr ................................................................................................. 33
3.10.1 3.11
4
Shrnutí ...................................................................................... 25
Shrnutí ...................................................................................... 33
Studijní prameny............................................................................... 33
3.11.1
Seznam použité literatury ......................................................... 33
3.11.2
Seznam doplňkové studijní literatury ....................................... 33
3.11.3
Odkazy na další studijní zdroje a prameny............................... 33
KOVY....................................................................................................... 34 4.1
Úvod ................................................................................................. 34
4.2
Výroba železa ................................................................................... 34
4.2.1 4.3
Přehled výroby surového železa ............................................... 35 Výroba oceli ..................................................................................... 36
- 4 (72) -
Stavební látky
4.4
Vliv přísadových prvků.....................................................................37
4.5
Druhy ocelí........................................................................................38
4.6
Značení ocelí .....................................................................................38
4.7
Vlastnosti ocelí..................................................................................39
4.8
Tváření oceli......................................................................................41
4.9
Ocel betonářská .................................................................................41
4.9.1
Vlastnosti a rozdělení betonářských ocelí.................................41
4.9.2
Koroze výztuže..........................................................................42
4.10
Tepelné zpracování oceli...................................................................43
4.11
Povrchové tvrzení oceli.....................................................................44
4.12
Litina .................................................................................................44
4.13
Neželezné kovy .................................................................................45
4.13.1
Hliník a jeho slitiny ...................................................................45
4.13.2
Měď a její slitiny .......................................................................46
4.13.3
Ostatní kovy .............................................................................48
4.14
Kontrolní otázky................................................................................49
4.15
Korespondenční úkol.........................................................................50
4.16
Autotest .............................................................................................50
4.17
Závěr: ................................................................................................50
4.17.1
5
Shrnutí: ......................................................................................50
4.18
Studijní prameny ...............................................................................50
4.19
Klíč ...................................................................................................51
DŘEVO .....................................................................................................54 5.1
Charakteristika dřeva.........................................................................54
5.1.1
Dřevo.........................................................................................55
5.1.2
Druhy dřevin .............................................................................55
5.1.3
Struktura dřeva ..........................................................................57
5.1.4
Vlastnosti dřeva.........................................................................60
5.2
Trvanlivost dřeva a materiálů na jeho bázi .......................................63
5.2.1 5.3
Ochrana dřeva ...........................................................................64
Základní druhy a typy dřevěných výrobků .......................................64
5.3.1
Lesní spotřební sortimenty ........................................................64
5.3.2
Pilařské výrobky........................................................................65
5.3.3
Zušlechtěné dřevěné materiály..................................................67
5.4
Dřevo pro konstrukční účely .............................................................69
- 5 (72) -
5.5
Kontrolní otázky ............................................................................... 70
5.6
Korespondenční úkol ........................................................................ 70
5.7
Autotest............................................................................................. 71
5.8
Závěr ................................................................................................. 71
5.8.1 5.9
Shrnutí ...................................................................................... 71 Klíč ................................................................................................... 71
5.9.1
Ke kontrolním otázkám ............................................................ 71
5.9.2
Korespodenční úkol .................................................................. 72
- 6 (72) -
1 ÚVOD 1.1
Cíle
Předkládaná učební pomůcka je určena studentům prezenčního a kombinovaného studia v prvních ročnících pobytu na stavební fakultě. Získané znalosti se stanou nezbytnými vstupy při studiu odborných předmětů všech směrů ve vyšších ročnících. Nezbytným doplňkem těchto textů jsou kontrolní otázky, korespondenční úkol, autotest s klíčem ke kontrolním otázkám a korespondenčnímu úkolu, doporučená studijní literatura a seznam norem. V této části studijního textu se seznámíte s informacemi keramice, dřevu, kovech a sklu.
1.2
Požadované znalosti
Pro porozumění studijního textu jsou nezbytné znalosti středoškolské fyziky a a základní laický přehled o problematice. Základní údaje jsou v úvodu studijního textu zopakovány a vysvětleny.
1.3
Doba potřebná ke studiu
Doba studia závisí na znalostech čtenáře, obecně se dá říci, že na studium tohoto studijního textu 6 až 8 hod. studia.
1.4
Klíčová slova
Keramika, kamenina, dřevo, kovy, železo, ocel, sklo, neželezné kovy.
- 7 (72) -
Stavební látky
2 KERAMIKA K tradičně nejstarším oborům lidské činnosti patří průmysl keramiky. Keramikou se v širším slova smyslu rozumí průmyslové zhotovování výrobků pálením keramických surovin, k nimž patří zejména hlíny, jíly, kaolíny, spraše, jílovité břidlice, lupky atd.,tedy využívání anorganických nerudných surovin. Pro keramický průmysl je typické, že výrobky jsou tvarovány za studena a potom zpevňovány pálením, případně odléváním taveniny. V současné době říkáme, že keramické výrobky se zpracovávají: •
keramickým způsobem - nejčastěji, tj. vytvářejí se za sucha a potom se zpevňují pálením - pálená keramika
•
hutnickým způsobem - tj. roztavením surovin v žáru a odléváním taveniny - keramika odlévaná.
Keramika je soudržná polykrystalická látka, získaná převážně z přírodních anorganických nekovových surovin s určitým podílem skelné fáze, získaná zpracováním do tvaru a vypálením v žáru,při kterém dojde slinováním ke zpevnění a dosažení požadovaných fyzikálně mechanických vlastností. Pro keramiku je typický technologický postup výroby, který sestává z následujících etap : •
těžba, úprava a zpracování surovin
•
vytváření za normální teploty,
•
sušení výrobků,
•
výpal za vysokých teplot.
Úprava surovin Úprava surovin se provádí buď za sucha nebo (a to nejčastěji) za mokra. Principem mokré úpravy je rozplavování suroviny v přebytku vody za vzniku suspenze kalu, z něhož se usazováním nebo na sítě odstraní hrubší zrna příměsí. Při úpravě za sucha se jedná o drcení, mletí a třídění vhodnými zařízeními jako jsou drtící válce, různé drtiče, sušící mlýny, hrotové mlýny a síta, za účelem dosažení stejnorodosti výrobní směsi. Vytváření Výrobní směs získává po úpravě vlastnosti, které se jeví v tom, že ji lze převést ručně nebo strojně do předepsaného tvaru, což označujeme jako vytváření. Podle obsahu vody (konzistence) rozlišujeme v zásadě tři vytvářecí způsoby : •
vytváření z plastického těsta - tažením na šnekových lisech, lisováním nebo vytáčením na hrnčířském kruhu. Obsah rozdělávací vody se pohybuje okolo 25 %.
•
vytváření ze zavlhlé směsi neboli drolenky - suchý způsob, kde obsah vody se pohybuje od 8 do l2 % a vytváření probíhá lisováním .
- 8 (72) -
•
vytváření z břečky - litím do tlustostěnných vysušených sádrových forem, tzn. při přebytku vody, které se pohybuje okolo 40 %.
Sušení Výtvorek, zvláště z plastického těsta, obsahuje značné množství vody, které je nutno před pálením odstranit. Odstranění vody se provádí sušením. Výpal Je zpravidla poslední technologickou etapou, při níž výrobek získává své charakteristické vlastnosti jako stálost tvaru, pevnost, vzhled, barvu, tepelně technické vlastnosti, odolnost proti působení povětrnosti, agresivním látkám a pod. a to při teplotách 900 až 1400 oC. Při výpalu jde o kompaktaci pórovité látky o malé pevnosti (syrového střepu) na výrobek (vypálený střep) mnohonásobně pevnější. Zpevňování keramických výtvorků se děje pochodem, který nazýváme slinování.V žáru dochází k chemickým reakcím v tuhé fázi za částečného vzniku taveniny, která utuhne a vytvoří ve střepu spojovací skelnou fázi. Obecně se slinování definuje jako zpevňování práškové nebo pórovité látky vzájemným spojováním zrn účinkem teploty, aniž by se látka musela tavit. Tomuto spojování říkáme keramická vazba. Pece k pálení keramických výrobků dělíme na : •
pece periodické - s přetržitým provozem, k nimž náleží pece komorové, muflové, vozokomorové a poklopové,
•
pece kontinuální - s nepřetržitým provozem, ponejvíce zastoupeny pecemi tunelovými, rotačními, šachtovými či staršími pecemi kruhovými.
Důležitým charakteristickým znakem keramických výrobků je keramický střep. Pod tímto označením rozumíme buď oddělenou část nebo celý keramický výrobek. Keramické výrobky potom podle vlastností střepu dělíme : •
dle nasákavosti (NV) : o pórovitý,kde NV je nad l2 % , o polohutný kde NV je 8-l2 %, o hutný s NV 2-8 %, o slinutý s NV pod 2 %,
•
dle barvy střepu: - bílý, o barevný,
•
dle charakteristiky střepu :
- cihlářský,
o bělninový, o kameninový, o žárovzdorný, o porcelánový, o ostatní, •
dle použití :
- 9 (72) -
Stavební látky
o stavební keramika (cihlářské výrobky,kamenina), o zdravotnická keramika, o žárovzdorné materiály, o technická keramika (konstrukční a elektrotechnická), o speciální keramika.
2.1
Keramické výrobky
Tradiční keramická výroba je založena na použití přírodních surovin, které mají schopnost, po smíchání s vodou, vytvářet plastické těsto.Vytvarované výrobky z tohoto těsta jsou schopny podržet si svůj tvar i po vysušení. Suroviny střepové jsou suroviny základní. Tyto rozdělujeme dále, podle jejich chování po rozdělání s vodou na : suroviny tvárlivé (plastické), které po rozdělání s vodou poskytují plastické těsto schopné tvarování a které po výpalu dodávají výrobku charakteristické vlastnosti, které rozdělujeme do čtyř druhů podle typicky vysokého stupně disperze na jíly, hlíny, prachy a písky. Každý z těchto druhů musí obsahovat podíly (frakce) určité velikosti které mají zvláštní pojmenování : •
jílovina se zrny menšími než 0,002 mm,
•
prachovina se zrny 0,002 - 0,050 mm,
•
pískovina se zrny od 0,050 do 2,0 mm.
Potom jíly jsou s obsahem nad 50 % jíloviny, hlíny 20-50 % jíloviny a 50-80 % prachoviny s pískovinou, prachy nad 30 % prachoviny, pod 50 % pískoviny a pod 20 % jíloviny, písky nad 50% pískoviny a pod 20 % jíloviny. suroviny netvárlivé (neplastické). Kromě základní plastické složky obsahují surovinové směsi ještě neplastické suroviny (přísady), jejichž společným znakem je, že nejsou schopny samy o sobě vytvořit plastické těsto. Dělí se na : •
ostřiva,
•
taviva,
•
lehčiva.
Ostřiva se svými vlastnostmi a chemickým složením (povahou obsažených oxidů) blíží chemickému složení surovinové směsi. Za syrova snižují plastičnost, nebezpečí smrštění a tvorbu smršťovacích trhlin při sušení, za tepla napomáhají vzájemné reakci s oxidy přítomnými v základní surovině, aby vznikl hutný střep. Jako ostřiva se nejběžněji používají písek (křemen), kalcinovaný jíl (šamot),popílek, - 10 (72) -
škvára, struska a ostřiva,které řadíme do tzv. zvláštních jako korund, SiC,magneziový slínek,wollastonit atd. Taviva ovlivňují tavitelnost surovinových směsí tak, aby již při relativně nízkém žáru nastalo zhutnění až slinutí střepu. Nejrozšířenějším tavivem jsou u nás živce sodný, draselný a vápenatý. Dále pegmatity a taviva eutektikální, což jsou suroviny obsahující ve vhodné formě některý z tavících oxidů - CaO, MgO, FeO ap. Tyto reagují v žáru s SiO2 a dalšími oxidy a vytváří nízkotavitelné sloučeniny. Lehčiva zmenšují objemovou hmotnost keramického střepu,např. tvorbou pórů a tím zlepšují tepelně izolační vlastnosti. Jako lehčiv se používá uhelný prach, dřevěné piliny, rašelina a pod., které při výpalu vyhoří a vytvoří tak póry. Dále se jako lehčiva používají i lehká kameniva jako křemelina, keramzit, perlit a pod. Mineralogické složení Mineralogické složení hraje velmi důležitou roli při posuzování technologických vlastností jílovitých zemin. Jílové nerosty jsou v podstatě vodnaté hlinitokřemičitany, které někdy obsahují také hořčík, železo a alkálie. Zjednodušeně je rozdělujeme do čtyř skupin, kde název je současně dán nejdůležitějším zástupcem. Tak rozeznáváme : •
skupinu kaolinitu z nichž nejdůležitější jsou kaolinit a halloysit, chemického složení Al2O3.2SiO2.2H2O, resp. u halloisitu 4H2O
•
skupinu montmorillonitu,kam patří i nontronit a beidellit chem.složení Al2O3.4SiO2.nH2O u ostatních s možností přítomnosti Al2O3.
•
skupinu illitu neboli jílových slíd či hydroslíd chemického složení nK2O.Al203.3SiO2.nH2O ve své struktuře podobné montmorillonitu
•
skupinu chloritu, vyskytující se hojně v cihlářských zeminách, chem. složení l0 MgO.2Al2O3.6SiO2.8H2O.
2.2
Cihlářské výrobky
Cihlářskou výrobou nazýváme tu část hrubé keramické výroby, při níž formováním přírodních méně hodnotných surovin, hlín a jílů, do požadovaných tvarů a výpalem při teplotách 900 až 1100oC vznikají výrobky, které se vyznačují pórovitým a barevným (ponejvíce červeným) střepem. Výrobky jsou většinou neglazované, plné, nebo vylehčené otvory (příčnými či podélnými), dutinami nebo zvyšováním pórovitosti. Třídění cihlářských výrobků, jejich vlastnosti a zkoušení je popsáno v ČSN 72 2600 Společná ustanovení a následujících, vymezujících vlastnosti a podmínky zkoušení.
- 11 (72) -
Stavební látky
Podle této ČSN, platné s účinností od l.l.1990, se cihlářské výrobky třídí podle použití na : •
výrobky pro svislé konstrukce,
•
výrobky pro vodorovné konstrukce,
•
výrobky pro pálenou krytinu,
•
výrobky pro zvláštní účely.
2.2.1
Prvky pro svislé konstrukce
Do této skupiny patří různé cihly a tvarovky pro zdění i pro keramickou prefabrikaci. 2.2.1.1 Cihly plné - CP (ČSN 72 2610) Dnes se vyrábějí ve dvou formátech: velký (290x140x65) mm a malý (250x120x65) mm s průměrnou hmotností u velkého formátu 4,2 až 5,0 kg a malého formátu od 3,1 do 3,7 kg. Max.objemová hmotnost u CP je 1900 kg.m-3,v závislosti na velikosti a informativní hmotnosti. Podle pevnosti v tlaku jsou výrobky děleny na P6, P7, P8, P10, P15, P20 a P25, což je minimální průměrná pevnost min. ze tří kusů vzorků. Po P8 jsou cihly nemrazuvzdorné, P10, 15 a 20 jsou mrazuvzdorné alespoň pro l5 zmrazovacích cyklů a P25 min. pro 25 zmrazovacích cyklů. U všech CP je nasákavost hmotnostní min. 10 %. Třídy jakosti jsou I a II podle mezních odchylek rozměrů v mm. Součinitel tepelné vodivosti λ = 0,65 - 0,8 W.m-1.K-1. Modifikací CP je cihla lícová plná nebo děrovaná vhodná pro neomítané zdivo, stejných rozměrů a podobných vlastností jako CP. Má jednu nebo dvě lícové strany upravované. Musí mít přesné rozměry, pěkný vzhled a stejnoměrné zabarvení, musí být mrazuvzdorné a musí vyhovovat zkoušce na cicvár a na výkvěty. 2.2.1.2
Cihly děrované
Děrované cihly se vyrábějí v různých druzích, které svými rozměry odpovídají násobku normálního formátu cihel. Patří sem příčně děrované cihly, tvarovky a kvádry. Děrované cihly mají nízkou objemovou hmotnost v rozmezí od 900 do 1450 kg.m-3 a velmi dobré tepelně izolační vlastnosti, jsou tenkostěnné s velmi kvalitním střepem, mrazuvzdorné i nemrazuvzdorné, v I neb II jakostní třídě. Jsou určeny jak pro obvodové tak i pro vnitřní nosné i výplňové zdivo. Lze z nich vytvářet jednovrstvé, dvouvrstvé i vícevrstvé zdivo. U vnějšího zdiva se obvykle povrchově upravují omítkou nebo obkladem. Cihlářských výrobků pro svislé konstrukce je velké množství,není možné se všemi detailně zabývat a proto vybrané z nich jsou uvedeny v přehledné tabulce v [1] na stranách 108 a 109.
- 12 (72) -
2.2.1.3 Keramické dílce Z některých keramických tvarovek se dle požadavků zákazníka vyrábí keramické dílce a to jak výplňové, tak i pro vnější i vnitřní nosné stěny. 2.2.1.4 Cihelné dlaždice a obkládačky Patří sem: •
dlaždice stájové,
•
půdovky,
•
tažené cihelné obkladačky,
•
cihelné obklady lité.
Stájové dlaždice CDž-S(t) se používají pro zhotovení dlažeb ve stájích a chlévech tradičním způsobem. Kladou se do cementové malty. Půdovky se používají převážně pro kladení půdních prostorů, ale i pro dlažby jiných užitkových místností a chodeb,sklepů ap., do nastavované cementové malty. Tažené cihelné obkládačky se vyrábějí se v druzích s délkou : 290,250, a 145 mm, šířkou 140, 120, 65 a 40 mm, tloušťkou 16 mm, s různě upravenými hranami a upravenou lícní plochou. Používají se pro obklady vnějšího zdiva i interiéru u občanských i bytových staveb. Povrchově upravované engobou či glazurou se dnes používají pro úpravu interiérů, obložení účelových místností, prostorů pasáží, schodišť, podchodů apod. Cihelné obkladačky lité se odlévají do sádrových forem, jsou dokonale tvarovány, s přesnými rozměry a jsou lehké. Stavební keramika Patří sem keramické obkladačky pórovinové i hutné, keramické dlaždice, kachle a keramická topná tělesa. Keramické obkládačky Vhodné pro obkládání vnějších i vnitřních povrchů stěn, zabraňující nebo omezující vnikání kapalin a plynů do podkladu, usazování prachu a nečistot, zvyšující odolnost zdiva proti opotřebení, vlivům povětrnosti, chemickým vlivům a pod. Podle nasákavosti střepu je dělíme na : •
pórovinové s w nad 6 %,
•
hutné s w pod 6 %,
•
porcelaninové s w pod l,5 %.
- 13 (72) -
Stavební látky
2.2.1.5 Keramické dlaždice Vyráběné z vápnitých zemin slinujících při nízké teplotě, do 1120 0C, s jemným hutným střepem, lisované z hmot v práškovém stavu tlakem 30-40 MPa. Je jich velké množství, z nichž nejznámější je šatovská dlaždice vyráběná ze slínu s obsahem jemně rozptýleného CaCO3. 2.2.1.6 Prvky pro speciální účely Jedná se o pálené cihlářské výrobky jako např. cihly kanalizační, komínové, plotovky, studnovky a trativodky a antuka. Podrobnosti najdete v [2] na straně 50 – 52. 2.2.2
Prvky pro vodorovné konstrukce
Jedná se o různé keramické tvarovky, ze kterých se montují vodorovné, nejčastěji stropní nebo střešní konstrukce bez použití zvedacích prostředků. Společným znakem těchto výrobků je velmi malá hmotnost, dosahovaná objemovým vylehčením, tzn. vytvořením velkých dutin ve tvarovce.Objemová hmotnost tvarovek umožňuje snižovat vlastní hmotnost stropní konstrukce, při dostatečné únosnosti, až na 150 kg.m-2. Tyto výrobky slouží jak pro monolitické stropní konstrukce, tak pro montované konstrukce s použitím vložek nebo pro stropní keramické dílce vyztužené nebo předpínané. 2.2.2.1 Stropní vložky SIMPLEX-REKORD (ČSN 72 2642) Používají se jako výplň železobetonových žebírkových stropů, zhotovovaných na stavbě. Vložky umožňují snížení celkové hmotnosti stropní konstrukce a získání rovného podhledu. Jsou určeny pro monolitické konstrukce. Vyrábějí se ve čtyřech druzích, označovaných CSV-SIMPLEX-REKORD 8,12,15,19 a s patkou Pa. Číslo udává výšku stropní vložky v cm,délka je 360 a šířka 320 mm, u patky 175 mm. SIMPLEX 8 se používá jen v kombinaci s ostatními druhy jako nástavec u stropů s velkými rozpony. 2.2.2.2 Stropní desky HURDIS (ČSN 72 2642) Vyrábějí se s kolmými čely - HURDIS 1, nebo se šikmými čely - HURDIS 2, k nimž pak náleží ještě patky. HURDIS l se vkládají přímo mezi ocelové nebo betonové nosníky s osovou vzdáleností, odpovídající délce desky a u desek se šikmými čely se desky vkládají na patky navlečené na ocelových nosnících I profilu a osová vzdálenost nosníků se prodlužuje proti délce desky o 2x50 mm. Lze je použít i pro zdění příček, výjimečně i pro obvodové zdivo v nízkopodlažní zástavbě. Často se také používají jako římsovky, zejména při stavbě rodinných domků. Jako nosníky pro stropní konstrukci z desek HURDIS se používají různé keramické nosníky, např. trámec KNTH či HONOS.
- 14 (72) -
2.2.2.3 Stropní vložky Miako (ČSN 72 2640) Používají se pro stropy montované na stavbě. Vkládají se mezi cihelné nosníky, jejichž osová vzdálenost je 600 nebo 450 mm podle druhu použitých vložek. Pro jejich montáž se používají speciální cihelné nosníky K-PZT-4 s uložením na nosné zdivo do maltového lože. Nosníky je nutno při montáži podpírat podpěrami. Zmonolitnění stropní konstrukce se provádí betonovou zálivkou. . Obr. IX.1
Obr. IX.2
2.2.2.4 Stropní vložky ARMO (ČSN 72 2640) Tyto stropní tvarovky se mohou používat buď jako výplňové vložky pro monolitické, žebrové železobetonové stropy nebo jako výplň prefabrikovaných stropních dílců. Tvarovky ARMO se dodávají s pevností v tlaku P l2, P l7, P 25 a P 35. Rozměry 290x290x výška (120,170,220)mm. Hmotnost od 5 do l0 kg, nasákavost min. l2 %. Kritéria a druhy horizontálních konstrukcí najdete v [2] na straně 35 – 42.
2.3
Pálená krytina
Používá se k pokrývání střech s dřevěnou konstrukcí krovu. Je vhodná pro sklony střešních plášťů nad 35o a pro nadmořskou výšku staveb do 400 m. Pálenou krytinou se rozumějí různé druhy tašek, které se vyrábějí buď tažením na šnekových lisech - tažená krytina,nebo přelisováním pláství na revolverových lisech- ražená krytina.Výhodou taškových střech je jejich rychlá montáž a snadná opravitelnost. Tato krytina musí být položena tak, aby zamezovala pronikání prachu, sazí, sněhu a vody.
- 15 (72) -
Stavební látky
Z původního širokého sortimentu pálené keramické krytiny se dnes výroba soustředila na určité druhy, jako např: 2.3.1.1 Tašky obyčejné - bobrovky (ČSN EN 1304) Obdélníkového tvaru s dolní zaoblenou hranou, hladké nebo rýhované, na spodní straně opatřené nosem pro uchycení na latích, rozměrů 380x175x15 mm s přibližnou hmotností 1,75 kg a únosností U 5500, vyráběné ve dvou jakostních třídách, odolné proti mrazu při 25 zmrazovacích cyklech. 2.3.1.2 Tašky drážkové tažené (ČSN EN 1304) Jsou kvalitnější než bobrovky, obdélníkového tvaru,rozměrů 400x225x24 mm, v současné době dodávány ve dvou typech a to Steinbrück a Standart, případně méně vyráběný Stadler, zpravidla se dvěma drážkami a buď neupravenou lícní plochou nebo s engobou či glazurou. Hmotnost tašky asi 2,6 kg a únosnost 80 kg. 2.3.1.3 Tašky drážkové ražené (ČSN EN 1304) V současné době dodávány ve dvou druzích francouzská a Holland. Taška ražená francouzská rozměrů 415x225 mm, vhodná zejména do podhorských oblastí s nepříznivými klimatickými podmínkami. Někdy, za účelem zlepšení vzhledu, je opatřována glazurou,na objednávku i s barevnými odstíny. Hmotnost asi 3 kg a únosnost do 100 kg. Při sklonech nad 45o je ji nutno přibíjet neb přichycovat sponami či háčky. Taška ražená Holland má rozměry 410x265 mm a obdobného použití a vlastností jako taška francouzská. Je však dosahováno lepšího architektonického a estetického vzhledu, zejména při stavbě stylových rodinných domků a je také používána při obnově střešních krytů památkových objektů. 2.3.1.4 Taška ražená prejzová Používá se od sklonu střechy 45o do nadmořské výšky 400 m.Je to krytina složená ze dvou krycích prvků háků a prejzů nebo také říkáme korýtek a kůrek. Používána hlavně v Čechách a to ke krytí památkových objektů a významných budov, kde dosahuje požadovaného architektonického účinku. Háky jsou vyráběny v rozměrech 380x200 mm a prejzy 380x60/l00 mm (šířka se zužuje). 2.3.1.5 Hřebenáče Dodávají se ve druzích hladké a drážkové. Hladké hřebenáče se používají ke krytí hřebenů a nároží střech z tašek bobrovek, tašek drážkových tažených a prejzů.Drážkové hřebenáče pak na střechy z tašek drážkových ražených. Musí být mrazuvzdorné při 25 cyklech. Podrobněji o všech druzích tašek najdete v publikaci [2] na str. 43 – 50.
- 16 (72) -
2.4
Výrobky pro zvláštní účely
Do této skupiny zahrnujeme pálené cihlářské výrobky pro speciální použití jako např. kanalizační cihly, komínové cihly, plotovky, studnovky a trativodky. Podrobně v [2] na str. 50 – 51.
2.5
Zdravotní keramika
Je souhrnný název pro tzv.instalační předměty jako jsou umývadla, klozety, pisoáry, bidety, dřezy a pod. pro hygienická zařízení bytových, občanských i průmyslových staveb, dále pro vybavení lékařských zařízení, laboratoří a pod. Vyrábí se buď z póroviny nebo z kameniny při vypalování téměř do slinutí. Pórovinové výrobky se vypalují při teplotách 1200-1250oC a kameninové, které se vypalují až do slinutí, při teplotách do 1300oC.Vytváří se většinou litím z břečky do tlustostěnných rozebíratelných sádrových forem a opatřují se bílou nebo barevnou glazurou.
2.6
Porcelán
Porcelánem se nazývá keramický výrobek se slinutým bílým střepem, v tenké vrstvě průsvitným, nepropouštějícím vodu ani plyny.Výjimkou je barevný porcelán, který se získá přídavkem zvláštních keramických barev do hmoty. Jinak se vlastnostmi neliší.Podle obsahu použitých surovin a teploty výpalu rozeznáváme "tvrdý" a "měkký" porcelán.
2.7
Kamenina
Pod pojmem kamenina si obvykle představujeme těžké keramické výrobky obyčejně užívané pro chemické přepravní nádoby a vedení různých kapalin,zpravidla oboustranně glazovaných. Podle bruselské definice z roku l955 "Kamenina znamená keramický střep, který je hutný, nepropustný, dostatečně pevný, aby odolával rýpání ocelovým hrotem, částečně slinutý".Obecně říkáme, že kamenina je hutná keramika s hutným střepem, malou nasákavostí (do 6 %), velkou pevností a odolností proti chemikáliím a abrasivním látkám.Kameninové výrobky jsou vytvářeny z kameninových jílových slinujících surovin a to buď samotných nebo ve směsi s ostřivy a tavivy.Teplota výpalu se pohybuje od 1150 do 1300oC. Výrobní směs obvykle tvoří 40 - 50 % kameninových jílů, které slinují při teplotách do 1300oC, 35-45 % křemene a 7-20 % živců. Jako ostřivo se mohou přidávat i rozemleté kameninové střepy. Od roku 1995 se pro kameninu používá nová norma : ČSN EN 295 (72 5201) " Slinuté pálené trouby a fitinky a troubové spojky pro odvodnění a odpady". Pro naše účely je zcela postačující rozdělení kameninových výrobků na : - 17 (72) -
Stavební látky
•
Stavební kameninu
•
Kanalizační kameninu
•
Chemickou kameninu
2.7.1
Stavební kamenina
Sem patří kameninové dlaždice, kameninové cihly a kabřincové pásky. Kameninové dlaždice - hutná dobře slinutá kamenina určená pro dláždění. Jsou velmi tvrdé, se střepem odolným proti obroušení, červené nebo hnědé barvy používané v provozech s vyšším mechanickým namáháním, uložené na pevný základ pro terasy, haly a výrobu továrních podlah. Kameninové cihly - vyráběné ve formátu 290x140x65 mm nebo 250x120x65 mm (velký a malý formát) opatřené solnou glazurou. Používají se v potravinářském a chemickém průmyslu, hlavně na stavbu kyselinovzdorných nádrží. Kameninové pásky - rozměrů 250x65x17 mm používané na obklady fasád vystavených přímým účinkům povětrnostních změn, případně jsou vhodné i pro dekorační úpravu interiérů. Musí být mrazuvzdorné při min l5 zmrazovacích cyklech. 2.7.2
Kanalizační kamenina
Kanalizační kamenina musí odolávat jak chemickým tak i povětrnostním vlivům po celou dobu životnosti stavby. Požívá se všude tam, kde je třeba vybudovat dobře pracující kanalizační zařízení bez oprav a nebezpečí opotřebení tzn. k odvedení odpadových vod, kalů, k vedení technických kapalin nebo roztoků ve všech druzích staveb. Patří sem trouby (zpravidla hrdlové),tvarovky (fitinky), vpusti, kameninové zátky, stokové žlábky a žlaby, desky a vložky. Výrobky jsou na povrchu opatřeny glazurou (i oboustranně).Trouby jsou opatřeny hrdlem, rozšířeným koncem, upraveným pro vložení dříku druhé trubky zpravidla rýhováním. V poslední době se do hrdel trubek vkládá již při výrobě pryžové těsnění pro rychlé a snadné provádění jejich spojování. Délka kameninových hrdlových trub je 1000-1500 mm, světlosti od 100 do 600 mm. 2.7.3
Chemická kamenina
Jsou to slinuté, zpravidla neglazované, keramické výrobky pro použití v chemických provozech. Obvykle má jemnější strukturu než stavební kamenina. V USA je tento druh kameniny nazýván chemický porcelán, my jej řadíme spíše do poloporcelánu. Zahrnuje výrobky používané na stavby kyselinovzdorných nádrží, nádoby na uskladňování a přepravu kyselin, různé destilační nádoby a pod. V dosti širokém měřítku se tato kamenina uplatňuje v elektrotechnice jako elektrolytické vany, izolátory a pod. a také jako trouby a tvarovky s vysoce chemicky odolným střepem s kyselinovzdorností až 97 %.
- 18 (72) -
2.8
Žárovzdorné výrobky (ČSN 72 6001)
Významné a velmi důležité místo mezi keramickými výrobky zaujímá žárovzdorná keramika. Za žárovzdorné považujeme v keramice takové výrobky, které jsou schopny trvale odolávat vysokým teplotám a jejichž žárovzdornost je 1500oC.V keramice mají zvláštní postavení, poněvadž co do rozmanitosti střepu, mikrostruktury střepu a fyzikálně chemických vlastností, se s nimi nemůže žádný jiný výrobek srovnat. Proto u žárovzdornin není jejich hlavním kriteriem pórovitost a nasákavost, nýbrž žárovzdornost. Uplatňují se v podobě různých tvarovek nebo v zrněné formě. Žárovzdorné výrobky rozdělujeme na různé druhy podle typických chemických a fyzikálních vlastností. Nejběžněji používané rozdělení je podle chemického charakteru na : •
kyselé - dinas, šamot,
•
zásadité - magnezit, dolomit,
•
neutrální - uhlíkové a uhlíkaté výrobky.
Mnohem podrobnější je rozdělení podle chemicko-mineralogického složení, které rozeznává celkem 31 základních skupin žárovzdorných výrobků. Pro nás je postačující ještě další rozdělení a to podle žárovzdornosti na: •
obyčejné používané do teploty 1770oC,
•
velmi žárovzdorné - do teploty 2000oC,
•
vysokožárovzdorné - nad teplotu 2000oC.
Hlavní požadavky na žárovzdorné výrobky jsou : •
odolávat vysoké teplotě bez závad a co nejdéle,
•
dostatečně izolovat ostatní části zařízení před účinkem vysokých teplot.
Teplota pálení v běžných průmyslových pecích a topeništích se pohybuje v rozmezí 900-1450oC (v některých průmyslových oborech i výše). Proto je zapotřebí, aby teplota měknutí (deformace) žárovzdornin ležela výše, než je provozní teplota a tím se získal potřebný stupeň bezpečnosti při provozu tepelného agregátu. Surovinová směs Hlavní a rozhodující složku surovinové směsi tvoří: ostřivo tj.neplastická složka často předem vypalovaná na vysokou teplotu (lupky), aby byla tepelně stabilizována a nepodléhala již změnám při dalším výpalu, pojivo, poskytující vytvářecí směsi potřebnou vaznost, aby směs byla schopná vytváření za přijatelných lisovacích tlaků, voda až na výjimky při použití organických plastických látek. Výlisky se po vysušení vypalují v různých pecích, kde vypalovací teplota je nejméně 1300oC.
- 19 (72) -
Stavební látky
2.8.1
Šamotové výrobky (ČSN 72 6101)
Tyto výrobky náleží k nejvíce rozšířeným žárovzdorným materiálům, které stručně označujeme jako šamot, a řadíme je mezi kyselé žárovzdorniny (i když některé výrobky s vyšším obsahem Al2O3 jsou zásadité povahy). Vyznačují se celkovým vysokým obsahem dvou oxidů - křemičitého SiO2 a hlinitého Al2O3 a to nad 90 %,při poměru SiO2: Al2O3 = 2-4. Žárovzdornost roste s obsahem Al2O3, ze kterého vzniká minerál mullit jako jediná krystalická sloučenina odolávající vysokým teplotám. Kromě žárovzdornosti se šamot vyznačuje dobrou pevností, únosností v žáru, odolností proti změnám teploty, tepelnou izolačností ad. Nedostatky : malá odolnost vůči zásaditým agresivním látkám a měknutí a deformace výrobků v širokém teplotním intervalu. Uplatňuje se ve všech odvětvích, která tepelně zpracovávají svoje výrobky a hlavně všude tam, kde jsou periodické (přerušované) tepelné provozy. 2.8.2
Dinasové výrobky (ČSN 72 60 61)
Dinas je typický představitel kyselých žárovzdornin.Je to žárovzdorný materiál s vysokým obsahem SiO2 a to nad 93%, vyrobený z křemenných hornin s vápenným nebo jiným pojivem a vypalovaný při teplotě zajišťující polymorfní přeměnu křemene (SiO2) v tridymit a cristobalit. Dinas získal svůj název od města v jižním Walesu kde se prvně těžila surovina pro jeho výrobu tj. křemenec označovaný jako ganistr.V zahraničí se dinas nazývá také silika. Vlastnosti : má kyselý charakter a kromě žárovzdornosti se vyznačuje příznivými žárotechnickými vlastnostmi, které závisí na mikrostrukturálních vlastnostech střepu - velká únosnost v žáru, odolnost proti kyselým taveninám a velká výdržnost v agregátech trvale, nebo po dlouhou dobu, vystavených vysokým teplotám a odolnost proti deformaci v žáru, která se blíží bodu tání a je značně vyšší než u šamotu, i nad 1680oC. Nedostatky : malá odolnost proti změnám teploty pod 870oC, způsobená objemovými změnami modifikací SiO2, nedostatek vhodných surovin a škodlivé působení na lidský organismus při jeho výrobě (silikoza). Použití : k vyzdívání míst tepelných agregátů velmi namáhaných, jako jsou klenby a zdivo hutnických a sklářských pecí, ke zdění koksárenských pecí, regenerátorů, elektrických obloukových pecí a také např. ve slinovacím pásmu rotačních pecí při výrobě cementu. 2.8.3
Magnezitové, dolomitové a chromitové žárovzdorné výrobky
Do této skupiny žárovzdorných staviv patří kromě magnezitu výrobky magnetochromové, chromomagnezitové, chromitové (spinelové) a dolomitové. Nazývají se podle výchozích surovin používaných k jejich výrobě. Představují významnou skupinu žárovzdornin, pro niž je typický zásaditý charakter vyjma chromitu, který považujeme za neutrální. - 20 (72) -
Magnezitové výrobky neboli stručně magnezit patří k žárovzdorninám,které se vyznačují velkým obsahem MgO nad 80% , kdy zbytek tvoří oxidy Fe2O3, CaO, SiO2 a Al203 s velkým podílem periklasu (MgO) doprovázeným menším množstvím sloučenin ostatních oxidů. Obsahují-li výrobky Cr2O3, označujeme je jako magnezitochromové - pod 18%, chromomagnezitové - nad 18% a chromitové - nad 35%. Dolomitové výrobky neboli dolomit jsou charakterizovány velkým obsahem MgO a CaO a to nad 95% v přibližném poměru 1:1, s krystaly periklasu a CaO, doprovázenými malým množstvím silikátů a ferritů. Vlastnosti: Magnezitové výrobky se vyznačují větší únosností v žáru 16001670 oC než výrobky šamotové a velkou odolností proti působení zásaditých strusek. Jako jejich nevýhoda se uvádí malá odolnost proti změnám teploty. Lepší odolností vůči změnám teploty se vyznačují výrobky magnezitochromové a chrommagnezitové. Nedostatky: malá odolnost proti změnám teploty (zlepšuje se přídavkem Cr2O3). Mají také větší citlivost k vodní páře a vodě. Uvedené výrobky nalézají své hlavní uplatnění v hutnictví při výrobě železa na vyzdívání různých pecí, zejména ocelářských. Dolomitové výrobky mají dobrou únosnost v žáru, okolo 1650 oC a uplatňují se zejména na vyzdívání konvertorů (tj.způsob výroby oceli). Značná část těchto výrobků se používá v zrněné formě na dusání a opravy hutnických pecí. 2.8.4
Uhlíkové a uhlíkaté výrobky
Jsou reprezentanti neutrálních žárovzdornin. Jejich žárovzdorné vlastnosti jsou založeny na vlastnostech uhlíku, (a jeho sloučenin), který má vysoký bod tání. Žárovzdorné výrobky na bázi uhlíku vykazují kromě žárovzdornosti i objemovou stálost v žáru (není-li přítomen kyslík, poněvadž v oxidačním prostředí hoří), dobrou tepelnou a elektrickou vodivost a odolnost proti korozi kyselými i zásaditými látkami.K výrobkům tohoto druhu řadíme: •
výrobky uhlíkaté neboli tuhové (grafitové),
•
výrobky uhlíkové.
U tuhových výrobků doplňuje uhlík v podobě tuhy vlastnosti šamotu, u druhých tvoří základní složku výrobků. Uhlík je znám ve dvou modifikacích grafitu a diamantu. Tuhové výrobky (uhlíkové) U těchto výrobků se používá uhlík ve formě tuhy neboli grafitu, převážně dovážených. Výrobní směs se skládá ze žárovzdorného, snadno slinujícího jílu (35-50 %), šamotového ostřiva (20-40 %) a tuhy (od 15 do 50 %). Někdy se přidává i ferrosilicium - FeSi. Směs k vytváření se zpracovává plastickým způsobem. Vypalují se v zásypu z koksu na teploty 1000 - 1300oC. Přídavek tuhy
- 21 (72) -
Stavební látky
zlepšuje jejich odolnost proti změnám teploty a proti korozi, jakož i tepelnou vodivost. Výrobky : tuhové kelímky, zátky a výlevky v ocelářských pánvích. Mají větší odolnost proti změnám teploty i proti korozi. Uhlíkové výrobky Tyto výrobky se získávají z koksu nebo antracitu a z dehtového pojiva, rovněž v zásypu s koksem. Surovinová směs pro výrobky malých rozměrů se skládá z koksu a dehtu, u velkorozměrových prvků z termoantracitu a dehtu s 5 % přídavkem tuhy. Směs se zpracovává dusáním do forem neb lisováním cca při 30 MPa a vypaluje při teplotách 1100 - 1450 OC po dobu 20 až 30 hod. U těchto výrobků se provádí někdy tzv.grafitizace,tj. vystavení teplotě 2500 oC v redukčním prostředí, kde se amorfní uhlík přemění v krystalický grafit. Vlastnosti : jsou obdobné jako u tuhových výrobků. Použití : uhlíkové výrobky se uplatňují při vyzdívání spodků a nístějí vysokých pecí, pecí na tavení barevných kovů, ferrosilicia ad. Zhotovují se z nich kelímky, tvarovky, bloky, trouby, odporové prvky ap. V moderní technice se uplatňují jako zpomalovače neutronů v atomových reaktorech, v raketách a turbínách. 2.8.5
Tepelně izolační výrobky
Jsou to ponejvíce lehčené výrobky, které svými tepelně izolačními vlastnostmi zlepšují hospodárnost tepelných zařízení a snižují spotřebu paliva tím, že omezují tepelné ztráty vyzdívkou. Své tepelně izolační vlastnosti získávají zvětšením podílu pórů ve střepu. Tyto póry naplněné vzduchem jsou špatnými vodiči tepla a proto se použitím lehčených výrobků zmenšuje spotřeba tepla o 20 až 70 %. Rozdělujeme je : •
pro nízké teploty do 200oC (topenářské izolace),
•
pro střední teploty do 900oC (teplárenské izolace),
•
pro vysoké teploty nad 900oC (žárotechnické izolace).
Izolační výrobky se vylehčují buď nepřímo přísadami křemeliny, expandovaného perlitu, vermikulitu ap. a nebo přímo vytvořením pórů vyhořením pilin, uhlí, koksu ap. Používají se ve formě tvarovek (kamenů) nebo v podobě drtí na zásypy.Objemová hmotnost těchto výrobků je zpravidla pod 1200oC, u pěnových výrobků i pod 800 OC. Podrobnosti najdete v [1] na str. 121.
2.8.6
Speciální žárovzdorná keramika
Do této skupiny žárovzdornin zahrnujeme výrobky s vysokou žárovzdorností, příp. se specifickými mechanickými a tepelnými vlastnostmi. Rozdělujeme je podle výchozích surovin a hlavní výrobky jsou :
- 22 (72) -
Korundové výrobky - kde výrobní surovinou je buď Al2O3 nebo elektrotavený korund ( α-Al2O3). Používají se hlavně pro výrobu hořáků. Zirkoničité výrobky - vyráběné ze ZrO2. Výborně odolávají roztaveným zásaditým i kyselým struskám avšak nesnášejí změny teplot.Pro složitost a náročnost výroby se používají jen na speciální výrobky jako vložky do výlevek na kontinuální lití oceli a na kelímky pro tavení kovů. Siliciumkarbidové výrobky - vyráběné z karbidu křemíku SiC, známé pod obchodním názvem karborundum. Kromě vysoké únosnosti v žáru (u jílové vazby nad 1530oC a u ostatních nad 1800oC) mají tyto výrobky výbornou odolnost proti změnám teploty, dobrou tepelnou a elektrickou vodivost a odolnost proti kyselým struskám. 2.8.7
Zrněné žárovzdorné výrobky
Zrněné neboli netvarované žárovzdorné výrobky jsou keramické směsi jednoho nebo několika zrněných žárovzdorných ostřiv s jedním nebo několika pojivy, schopné zpracování do různých tvarů nebo pro jiné použití. Vlastní výpal a vytvoření keramické vazby proběhne teprve po jejich zabudování nebo použití. Jejich žárovzdornost musí být alespoň 1500oC.
2.9
Kontrolní otázky 1) Jaký je obecný technologický postup výroby keramiky keramickým způsobem? 2) Stanovte maximální hodnotu zbytkové vlhkosti ve vytvarovaném keramickém výrobku po vysušení. 3) Rozdělte keramické výrobky dle nasákavosti. 4) Jaké znáte složky neplastické části keramické surovinové směsi? 5) Rozdělte cihlářské výrobky dle použití. 6) Jmenujte dva technologické postupy výroby pálených tašek. 7) Rozdělte žárovzdorné výrobky dle chemického charakteru. 8) Jakými složkami je tvořena surovinová směs pro žárovzdorné výrobky?
2.10
Korespondenční úkol
Rozhodněte, co obsahuje označení: CP–290x140x65–P10–1 800–I–M15–ČSN 72 2620
- 23 (72) -
Stavební látky
2.11
Autotest
Zpracování odpovědí na kontrolní otázky. Správné odpovědi v „klíči“.
2.12
Klíč
2.12.1
Klíč ke kontrolním otázkám
1) Obecný technologický postup výroby keramiky se skládá ze čtyř následujících fází: a) těžba, úprava a zpracování surovin b) vytváření za normální teploty c) sušení výrobku d) výpal za vysokých teplot. 2) Zbytková vlhkost surového výlisku po vysušení činí max. 2% hmotnostní. 3) Keramické výrobky dle nasákavosti lze rozdělit na: a) pórovité, NV > 12% b) polohutné, NV je 8-12% c) hutné, NV je 2-8% d) slinuté, NV < 2%. 4) Neplastická část keramické surovinové směsi může obsahovat ostřiva, taviva a lehčiva. 5) Rozdělení cihlářských výrobků dle použití: a) výrobky pro svislé konstrukce b) výrobky pro vodorovné konstrukce c) pálená krytina d) zvláštní účely. 6) Pálené tašky se vyrábí buď tažením na šnekových lisech (tažení) nebo přelisováním pláství na lisech (ražení). - 24 (72) -
7) Žárovzdorné výrobky dle chemického charakteru jsou kyselé, zásadité a neutrální. 8) Hlavní složky surovinové směsi pro výrobu žárovzdorných výrobků jsou ostřivo, pojivo a voda.
2.12.2
Klíč ke korespondenčnímu úkolu
Označení představuje:
2.13
•
cihlu plnou s rozměry 290*140*65 mm
•
pevnost v tlaku 10 MPa
•
maximální objemová hmotnost je 1800 kg/m3
•
třída jakosti I
•
mrazuvzdornost při 15 cyklech
•
použitá ČSN 72 2610.
Závěr
Průmysl keramiky patří k nejstarším oborům lidské činnosti. Tradiční keramická výroba je založena na použití přírodních surovin, které mají schopnost, po smíchání s vodou, vytvářet plastické těsto. Cihlářskou výrobou nazýváme tu část hrubé keramické výroby, při níž formováním přírodních surovin do požadovaných tvarů a výpalem při teplotách 900 – 1100°C vznikají pórovité a barevné výrobky. 2.13.1
Shrnutí
V kapitole 2. Keramika je podrobně popsán základní technologický postup výroby keramického zboží tzv. keramickým způsobem, tj. úprava surovin, vytváření, sušení a výpal. Dále je pozornost věnována rozdělení cihlářského střepu dle nasákavosti, barvy, charakteristiky a užití. Část 2. kapitoly seznamuje s keramickými surovinami a jejich mineralogickým složením. Velká pozornost je dále soustředěna na členění cihlářských výrobků podle použití. Závěr je pak věnován žárninám, jejich rozdělení a klasifikaci.
- 25 (72) -
Stavební látky
2.14 Studijní prameny 2.14.1 [1]
2.14.2
Seznam použité literatury Adámek, J., Novotný, B., Koukal, J.: Stavební materiály, přednášková skripta, Fakulta stavební VUT v Brně, Akademické nakladatelství CERM, s.r.o. Brno, 1997, ISBN 80-214-0631-3
Seznam doplňkové studijní literatury
[2]
Pytlík, P.: Cihlářství, přednášková skripta, Fakulta stavební VUT v Brně, Akademické nakladatelství CERM, s.r.o. Brno, 1995, ISBN 80-214-0612-7
[3]
ČSN 72 2610 Cihlářské prvky pro svislé konstrukce. Cihly plné CP. 1989
2.14.3 [4]
Odkazy na další studijní zdroje a prameny Jeřábek, V. a kol.: Stavební hmoty I, přednášková skripta, Fakulta sta vební ČVUT v Praze, Praha 1, Husova 5, 1979
- 26 (72) -
3 STAVEBNÍ SKLO K významným silikátovým hmotám patří sklo a sklářské výrobky. Ve stavebnictví se sklo používá především k zasklívání. Významně se také uplatňuje jako architektonický prvek při vytváření interiérů i exteriérů svým dekoračním účinkem. V technickém slova smyslu je to anorganická amorfní látka vzniklá tavením vhodných surovin a následným řízeným ochlazením. Ztuhnutí v tomto případě však není způsobeno krystaliazací, která nastává při ochlazování taveniny většiny látek, nýbrž plynulým růstem viskozity až na tak vysokou hodnotu, že se látka jeví navenek pevnou. Sklo vytváří celá řada anorganických látek. Nejběžnější jsou skla oxidová a z nich, podle převažující složky, skla křemičitá a boritokřemičitá. Mezi nejrozšířenější sklo používané ve stavebnictví patří sklo oxidové-křemičité soustavy SiO2-CaO-Na2O.
3.1
Hlavní složky a základní suroviny
•
SiO2 - sklotvorná látka. Základní surovinou je čistý křemičitý písek s obsahem SiO2 60-80 %, zrnistosti do 0,4 mm (při tavení ve vanách max 1,5 mm), chemicky čistý, zpravidla zušlechtěný praním, sušením a tříděním. Nesmí obsahovat větší množství barvících látek, zvl. Fe2O3 (u okenního skla max.0,2 %).
•
CaO - přidává se ve formě jemně mletého CaCO3, který upravuje rozpustnost a chemickou odolnost.
•
Na2O, K2O - (alkálie) přidávané ve formě sody nebo potaše (Na2CO3, K2CO3) snižující teplotu tavení.
Toto jsou hlavní složky pro výrobu průmyslového skla používaného ve stavebnictví a taktéž se nazývají sklářským kmenem. Dále se přidávají ještě čeřiva a skleněné střepy. Čeřiva jsou látky, které se přidávají do sklářského kmene v malém množství, aby odstranily z roztavené skloviny bublinky a nečistoty a současně ji homogenizovaly. Často pomáhají urychlit i tavící pochody a napomáhají i při odbarvování skloviny. Jsou to sírany (sodný, vápenatý, barnatý) a dusičnany - ledky (draselný, vápenatý a barnatý). Skleněné střepy se přidávají ke sklářským surovinám v množství do 30 %. Způsobují urychlení tavení a zlepšují i počáteční homogenitu skloviny.
3.2
Výroba skla
Hlavní technologické operace při výrobě skla jsou : - 27 (72) -
Stavební látky
•
příprava vsázky a její dávkování - dnes sklárny většinou kupují přímo již suroviny vhodné k dalšímu zpracování. Složky vsázky se mísí ručně nebo strojně. Strojní mísidla musí být uzavřená, aby se zamezilo prášení surovin.
•
tavení skla - provádí se ve sklářských tavících pecích a to ponejvíce buď pánvových, nebo vanových (periodických či kontinuálních). Tavící proces se rozděluje na tři hlavní fáze : vlastní tavení, čeření a homogenizace a chlazení skloviny (sejití) pro tvarování. Při tavícím procesu se dosahuje obvykle teplot 1400-1600oC. Palivem je nejčastěji generátorový plyn vyráběný přímo v závodě nebo zemní plyn.
•
tvarování skla - při tvarování se využívá viskózní deformace a silné závislosti viskozity skloviny na teplotě. Složení skla musí být takové, aby během tvarování nemohla nastat krystalizace. Sklo se tvaruje buď ve styku s plynnou atmosférou, nebo pomocí kovových forem z šedé litiny nebo chromové oceli. Provádí se od ručních až po plně automatizované postupy foukáním, tažením, válcováním, litím nebo lisováním. Zvláštní způsob tvarování je tzv. Float proces, kde proud skla vstupuje do komory s roztaveným cínem, na kterém se v důsledku povrchového napětí a gravitačních sil roztéká, získává hladkou plochu rovnoměrné tloušťky a horní plocha se vyhlazuje působením teploty v atmosféře N2+ H2 vlivem povrchového napětí.
•
chlazení - provádí se ve speciálních chladících pecích zpravidla v teplotním intervalu 700-400 oC. Jedná se o řízené chlazení, kterým se ve výrobku odstraní nebo zabrání vzniku nevhodně rozloženého vnitřního pnutí. Proces chlazení skla nemusí vždy znamenat pouze eliminaci vnitřního pnutí, ale vnesením vhodně rozloženého napětí se může podstatně zvýšit pevnost skla (tvrzení skla).
3.3
Obecné vlastnosti skel
Jsou již charakterizovány a v širších mezích je lze ovlivňovat složením sklářských surovin, tj. volbou jednotlivých složek a jejich poměrného množství. Ve stavebnictví se sklo používá zejména pro svoji průzračnost (průhlednost) a průsvitnost, vodotěsnost a vzduchotěsnost, reflexi a absorpci, čímž se nejvíce liší od ostatních stavebních materiálů. Hustota je 2200 - 3600 kg.m-3, průměrná objemová hmotnost se udává asi 2500 kg.m-3. Pevnost skla v tlaku dosahuje až 1200 MPa a v tahu 30-90 MPa, v ohybu 40-190 MPa, modul pružnosti je 50-90 GPa, ale je křehké, koeficient délkové teplotní roztažnosti ∝ = 6 až 9.10-6.K-1 (1 m skla se v rozmezí teplot -20 do +50oC prodlouží nebo zkrátí asi o 0,5 mm) součinitel tepelné vodivosti λ = 0,60,9 W.m-1.K-1, Poissonův součinitel je 0,14 - 0,32, tvrdost dle Mohsovy stupnice je 6-7 (odpovídá tvrdosti křemene a živce). Optické vlastnosti - propustnost, průzračnost. U jednoduchých plochých skel tloušťky 2-3 mm je propustnost až 92 %. Jiné druhy skel, jako zrněná skla či drátosklo, mají propustnost 50-60 %. - 28 (72) -
Absorpce a reflexe - zde se jedná o nanesené vrstvy na povrchu skel pomocí nichž se reguluje propustnost světla v mezích od 35 do 85 %.
3.4
Druhy stavebního skla
Průmyslově vyráběné stavební sklo lze rozdělit na : •
Ploché sklo - tažené a válcované
•
Tvarované sklo
•
Pěnové sklo
•
Skleněná vlákna
3.4.1
Ploché sklo tažené (ČSN EN 572)
Ve stavebnictví se používá především jako zasklívací materiál pro okna, dveře, přepážky, stěny, výkladní skříně ap. Požadavky : rovné, hladké, průhledné, čiré. Dle tloušťky je rozdělujeme na : •
tenká - tloušťky 0,7 - 1,35 mm
•
střední - tloušťky 2 - 4 mm
•
tlustá - tloušťky 5 - 7 mm až 20 mm.
Vyrábí se v šesti jakostních třídách, různých rozměrů tabulí.Pro zasklívání oken se používá sklo střední 2-4 mm. Tažené ploché sklo je výchozím materiálem pro výrobu dalších druhů skla jako matové, ledové, smaltované, determální, skla zrcadlová, izolační a bezpečnostní. Další typy tažených skel naleznete v [1] na str. 153.
3.4.2
Ploché sklo válcované (ČSN EN 572)
Vyrábí se vzorované a surové lité a to kontinuálním válcováním mezi dvěma kovovými válci a používá se k zasklívání konstrukcí uvnitř i vně budov a to světlíků, dveří, vrat, stěnových přepážek ap. Vyrábí se v tloušťkách 3-8 mm. Propustnost je 75-88 % s dobrým rozptylem světla a nežádoucím průhledem. Další typy válcovaných skel naleznete v [1] na str. 154. 3.4.3
Tvarovaná skla
Ve stavebnictví se jedná o skleněné tvárnice používané na sklobetonové konstrukce stěn, stropů, kleneb a bání. Vyrábí se jako duté (svařované, otevřené), plné, korýtkové, tašky a trouby. Zde mohou být jako staticky spolupůsobící s betonovou výplní nebo tvoří pouze průsvitnou výplň. Dále se jedná o duté
- 29 (72) -
Stavební látky
skleněné tvarovky, plné skleněné tvarovky, copility, skleněné potrubí a žlaby a skleněné tašky.
Obr. 5.2.1 Skleněné tvarovky - stěnovky
3.4.4
Pěnové sklo (ČSN 70 1680)
Je to anorganická skleněná ztuhlá pěna s pravidelnými neprodyšně uzavřenými póry, tedy lehká izolační hmota. Vyrábí se z nízkotavitelné skloviny, která se v žáru napěňuje ve formách vhodnými zpěňovadly. Zpěňovadlem může být 1% sazí nebo hnědého uhlí. Póry jsou naplněny směsí různých plynů vzniklých při výrobě. Za normální teploty je v nich podtlak. Objemová hmotnost je max. 180 kg.m-3 a pevnost v tlaku je jen do 0,8 MPa. Lze je řezat pilou na dřevo. Je nehořlavé a nenasákavé. Má nepatrnou navlhavost a nepropustnost pro vodní páru. Je vhodné jako tepelná izolace podlah, střech, stropů, stěn obytných a provozních místností dále teplovodů a p.
3.5
Výrobky z vláken
3.5.1
Skleněná vlákna (ČSN 70 1600)
Jedná se o moderní výrobek, který je výborným polotovarem pro řadu výrobků používaných ve stavebnictví jako tepelně a zvukově izolační materiál. Vlákna mají tloušťku do 25 µm různých délek a dodávají se buď jako stavební skleněná vlna (Mitaver), kterou lze snadno přizpůsobit tvaru izolovaných částí, nebo jako rohože, matrace a desky. Známé jsou též izolační pásy Rotaflex. Vlákna jsou náchylná ke korozi vlivem vlhkosti, proto se již při výrobě opatřují ochranným filmem (lubrifikace) z roztoků nebo emulzí některých organických sloučenin.
- 30 (72) -
3.5.2
Čedičová vlákna
Nejznámějším výrobkem je čedičová vlna. Vyrábí se odstředivým rozvlákňováním čedičové taveniny při teplotách 1350 až 1400oC. Jejich objemová hmotnost nepřesahuje 120 kg.m-3 a průměr vláken se pohybuje od 4 do 6 µm. Pro snížení prašnosti, při výrobě a zpracování, se pokrývají tenkou vrstvou oleje (lubrifikace). Používají se v rozmezí teplot od -270 do +700oC a jsou odolné vůči vlivům mikroorganismů, hub, plísní a některým chemikáliím zvl. louhům. Používají se jako plnivo do tepelně izolačních betonů a jako tepelně izolační materiál pro výrobu matrací a rohoží z čedičové vlny. 3.5.3
Minerální vlna
Základní surovinou pro výrobu minerální vlny je vysokopecní struska (asi 75 %), dále přísady jako čedič, diabas, úlomky z cihel, šamotu a koksu; směs se taví při teplotě až 1600oC. Minerální vlna má velmi dobré izolační schopnosti, odolává i teplotám až do 700oC, je nehořlavá a hoření nepodporuje. Je nevhodná pro izolování ve vlhkém prostředí. Objemová hmotnost se pohybuje od 50 do 250 kg.m-3 a průměr vláken je 4,5 - 7 µm. Z minerální vlny se zhotovují, podobně jako ze skleněných vláken, vata, rohože, matrace a desky. Nejznámější výrobek je HOBREX tj. tuhá minerální vláknitá deska používaná jako obkladový materiál s funkcí zvukově a tepelně izolační.
3.6
Kontrolní otázky 1) Jmenujte hlavní složky sklářského kmene. 2) Z jakého důvodu se přidávají do sklářského kmene čeřiva a skleněné střepy? 3) Uveďte čtyři hlavní technologické operace při výrobě skla. 4) Rozdělte ploché sklo tažené dle tloušťky. 5) Co je základní surovinou pro výrobu minerální vlny a jaké znáte přísady?
3.7
Korespondenční úkol
Najděte v ČSN 70 0600 (Zkušební metody skla) druhy optických a tepelných zkoušek skel.
- 31 (72) -
Stavební látky
3.8
Autotest
Zpracování odpovědí na kontrolní otázky v kapitole 3.6 Správné odpovědi v „klíči“
3.9 3.9.1
Klíč Klíč ke kontrolním otázkám
1) Sklářský kmen je tvořen sklotvornou látkou SiO2 , oxid vápenatý CaO upravuje rozpustnost a alkálie N2O, K2O snižují teplotu tavení. 2) Čeřiva odstraňují z roztavené skloviny bublinky a nečistoty a současně ji homogenizují. Skleněné střepy urychlují tavení a zlepšují i počáteční homogenitu skloviny. 3) Hlavní technologické operace při výrobě skla jsou: a. příprava vsázky a její dávkování b. tavení skla c. tvarování skla d. chlazení. 4) Dle tloušťky rozdělujeme plochá skla tavená na: tenká – tloušťky 0,7 – 1,35 mm střední – tloušťky 2 - 4 mm tlustá – tloušťky 5 – 7 mm – až 20 mm. 5) Základní surovinou pro výrobu minerální vlny je vysokopecní struska, dále přísady čedič, diabas, úlomky cihel, šamotu a koksu. 3.9.2
Klíč ke korespondenčnímu úkolu
Druhy tepelných a optických zkoušek skel jsou popsány v ČSN 70 0600 – Zkušební metody skla. Jedná se o zkoušky: •
tepelné vodivosti
•
stanovení středního součinitele délkové teplotní roztažnosti
•
stanovení součinitele odrazivosti světla
•
stanovení součinitele propustnosti světla.
- 32 (72) -
3.10
Závěr
Sklo patří k významným silikátovým hmotám. Ve stavebnictví se používá převážně k zasklívání, uplatňuje se také jako architektonický prvek při vytváření interiérů a exteriérů budov. 3.10.1
Shrnutí
V kapitole 3. Sklo je popsáno základní složení sklářské suroviny – tzv. kmene – včetně nezbytných přísad. Dále jsou podrobněji rozebrány technologické operace při výrobě skla, následuje stručný popis obecných vlastností skel. Stavební skla jsou rozdělena dle ČSN EN 572. Kapitolu zakončují informace o pěnovém skle a výrobcích z vláken.
3.11
Studijní prameny
3.11.1
Seznam použité literatury
[5]
Adámek, J., Novotný, B., Koukal, J.: Stavební materiály, přednášková skripta, Fakulta stavební VUT v Brně, Akademické nakladatelství CERM, s.r.o. Brno, 1997, ISBN 80-214-0631-3
[6]
ČSN 70 0002 Skleněné výrobky pro stavebnictví. Názvosloví 1982
3.11.2
Seznam doplňkové studijní literatury
[7]
ČSN 70 16 01 Skleněné a duté tvárnice, 1985
[8]
ČSN 70 16 02 Skleněné a duté tvárnice. typy, rozměry a parametry, 1986
[9]
ČSN 70 16 21 Izolační skla, 1990
[10]
ČSN 70 16 80 Pěnové sklo, 1983
3.11.3 [11]
Odkazy na další studijní zdroje a prameny Jeřábek, V. a kol.: Stavební hmoty I, přednášková skripta, Fakulta stavební ČVUT v Praze, Praha 1, Husova 5, 1979
- 33 (72) -
Stavební látky
4 KOVY
4.1
Úvod
Z hlediska uplatnění mají kovy ve stavebnictví za sebou dlouhý historický vývoj. Avšak čistě kovové stavební konstrukce byly budovány až počátkem 18. století. Byly to konstrukce litinové, odpovídající vyspělosti tehdejšího hutního průmyslu. Teprve počátkem 19. století zásluhou rozšíření výroby oceli začaly být budovány stavební konstrukce ocelové. Mimo použití oceli pro montáž začasté velkolepých stavebních objektů začaly být ocelové tyče využívány rovněž jako výztuž do železového betonu. Zde slouží v tahem namáhaných oblastech. Při použití oceli je s výhodou využito mnoho kladných vlastností, jako vysoké homogenity, pevnosti a houževnatosti. Ocel jako většina kovů se dobře a pevně spojuje mnoha technologiemi (šrouby, nýty, pájení, svařování a lepení) a dají se na ni nanášet ochranné nánosy z kovů či nátěrových hmot. Nevýhodou železných kovů je především výrazná koroze, zaviněná vlivem působení prostředí. Stejně tak negativně hodnotíme tepelnou a zvukovou vodivost (tepelné mosty), sníženou odolnost proti ohni a větší pružné deformace. Slitiny železa se podílejí na celkové světové produkci kovů 95 procenty. Z neželezných kovů, využívaných ve stavebnictví, jmenujme především hliník a jeho slitiny. O něm i ostatních neželezných kovech bude v textu ještě pojednáno.
4.2
Výroba železa
Nejstarším způsobem výroby železa byla přímá redukce rud uhlíkem. Rudy se tavily s dřevěným uhlím v jámách nebo v nízkých šachtových pecích. Žár byl dosažen přirozeným tahem vzduchu, později byl vzduch do pecí vháněn šlapacími měchy. Tak bylo získáno železo v těstovitém stavu. Kováním se zrna železa spojila ve stejnorodější celek, přičemž zároveň bylo železo zbaveno strusky. Vzniklý materiál se nazývá železo svářkové. Vynález světového významu, který znamenal přelom ve výrobě oceli, uskutečnil roku 1855 Henry Bessemer. Ten použil ke zkujňování vhánění vzduchu do roztavené lázně surového železa. Tím se doba zkujňování zkrátila asi na 20 minut, přičemž množství současně zkujňovaného železa bylo mnohonásobně větší, než při pudlování. Bessemerovým postupem je získávána plávková ocel ve stavu tekutém a za 20 minut je jí vyrobeno stejné množství, jako dřívějším pudlováním za 24 hodin. Systém Thomasův je obdobný systému Bessemerovu, byl vypracován v roce 1878 a řeší problém zkujňování surového železa s vysokým obsahem fosforu. Dalším pokrokem v hutnictví byl systém Martinův (zaveden 1865 Pierre Martinem). Martin získal v plamenné peci tvrdší ocel slitím surového železa s ocelí, mající jen málo uhlíku. Tento pochod prováděný v regeneračních pecích bratří Siemensových má pro dnešní výrobu oceli největší význam. - 34 (72) -
4.2.1
Přehled výroby surového železa
K výrobě surového železa z rud je třeba vhodnou redukcí uvolnit železo ze sloučenin. Tato redukce probíhá za vysokých teplot ve vysoké peci. Přebytečné prvky a sloučeniny, jež neunikly v plynném stavu, je nutno převést v tekutou strusku. Hlušina ve většině rud nemá vhodné složení pro vznik ideální strusky, proto se do zavážky vysoké pece přidávají struskotvorné přísady. Účelem vytvoření strusky není jen převedení hlušiny a popele do tekutého stavu, ale i odstranění nevítaných prvků. Struska plovoucí na povrchu zároveň tepelně izoluje tavbu a zabraňuje reoxidaci železa. Kovové železo se v přírodě nevyskytuje, nalezené kusy čistého železa jsou v naprosté většině meteority. Zdrojem pro výrobu železa jsou železné rudy: magnetovec neboli magnetit, krevel neboli hematit, hnědel neboli limonit, ocelek neboli siderit a chamosit. Železné rudy mívají málo manganu, proto se do vysokých pecí musí přidávat i rudy manganové (ruda nučická). Dále se do vysokých pecí kromě rud vsazují i různé odpady bohaté železem, např. okuje z válcoven a kováren, kyzové výpražky vzniklé pražením pyritů, strusky ze zkujňovacích pochodů, či železný šrot, pokud není zpracován v martinských pecích. Palivem a redukovadlem ve vysoké peci je hutnický koks. Obyčejné uhlí je z technologických důvodů nepoužitelné. Jako struskotvorná přísada se přidává vápenec, který se ve vysoké peci rozkládá na CaO a CO2. Oxid vápníku je silná zásada, která váže kyselé složky hlušiny. Doba prosazení neboli průtavní doba, tj. doba, za niž zavážka projde pecí, je 8 až 12 hodin podle druhu rud, koksu, dmýchání „větru“, druhu vyráběného surového železa apod. Vypouštění surového železa z vysoké pece, čili tzv. odpich se provádí v obdobích po 4 až 6 hodinách. Výpust železa , jež je ucpána žáruvzdornou hmotou se prorazí a surové železo se vypouští do sklopné pánve , nebo na licí pole. Surové železo je v pánvi dopravováno do ocelárny. Surové železo, určené pro přetavení, se odlévá v licím poli do tvaru plochých kusů rozměru 1000 x 100 x 50 mm, zvaných housky. Odlévá se buď do písku, nebo do litinových forem. Zchladlé housky jsou magnetickým jeřábem dopravovány do skladiště a pole se připraví pro další odpich. Provoz vysoké pece je nepřetržitý. Podle dalšího zpracování rozeznáváme surové železo ocelárenské a surové železo slévárenské. Ve vysoké peci se vyrábí také zrcadlovina (s 12 až 20 % Mn), ferromangan (s 60 až 80 % Mn) a ferrosilicium (s 10 až 12 % Si). Tyto slitiny se používají v ocelárenství k desoxidaci oceli. Mezi dvěma odpichy surového železa se třikrát až čtyřikrát vypouští struska do pojízdných pánví. Dříve se odvážela na haldy, což bylo neekonomické i neekologické. Na 100 kg surového železa připadne totiž 100 kg strusky. Proto se hledalo využití pro tento odpad a dnes je struska využívána v mnoha odvětvích. Jemně mletá struska se používá v cementářském průmyslu jako přísada do cementů, zpěněním strusky vzniká strusková pemza jako výborné lehké kamenivo, ze strusky lze rovněž vyrábět lité struskové dlažební kameny a cihly. - 35 (72) -
Stavební látky
Surové železo, vycházející z vysoké pece, obsahuje zhruba 4 % uhlíku. Dalším zpracováním se obsah uhlíku mění a podle jeho množství se mění vlastnosti i názvosloví železa. Podle obsahu uhlíku se technická železa dělí na železa kujná a nekujná. Ke kujným železům patří čisté železo, ocel a temperovaná litina. Mezi nekujná železa patří šedé, bílé a speciální surové železo. Přetavením šedého surového železa s dalšími přísadami vzniká šedá litina, která je buď obyčejná, nebo slitinová. Ze slévárenského bílého surového železa se přetavením získá bílá litina, z níž se pochodem, zvaným temperování, vyrábí temperovaná litina. Zkujňováním surového železa se získá ocel.
4.3
Výroba oceli
Výroba oceli ze surového železa probíhá za vysokých teplot. Ty vznikají buď přímým spalováním některých přísad tekutého surového železa (pochody konvertorové), nebo ohříváním vsázky spalováním plynu (pochody martinské), popř. ohřevem vsázky teplem elektrickým. U pochodů konvertorových je palivem buď křemík (pochod Bessemerův), nebo fosfor (pochod Thomasův). Podle složení surového železa je tedy volen vhodný pochod. Z hotové oceli se odlévají ingoty , jež jsou dále zpracovány ve válcovnách či kovárnách. Část oceli se spotřebuje na slévárenské odlitky. Uhlíková ocel se vyrábí systémem martinským a konvertorovým. Ocel slitinová pak převážně v pecích elektrických. Některé slitinové oceli se rovněž vyrábějí systémem martinským. Největší část světové výroby oceli se vyrábí zásaditým martinským systémem. Při systémech konvertorových (bessemerování a thomasování) nastává zkujňování dmýcháním vzduchu (větru) do kovové lázně. Zkujňování se provádí ve speciálních nádobách, zvaných konvertory .Jsou otočné o 270 O. Vzduch se dmýchá do vzduchové skříně a otvory ve dně proudí do lázně. Přívod vzduchu je upraven tak, aby bylo možno při stálém dmýchání konvertor natáčet Konvertory jsou stavěny na obsah 15 až 45 tun, výjimečně 60 tun. Martinským systémem byly vyřešeny dva zásadní problémy: •
zpracování železného šrotu na ocel
•
možnost zkujňovat surové železo vyrobené z jakýchkoliv rud a s různým obsahem fosforu a dalších příměsí
Systém martinský je výrazně odlišný od konvertorového. U konvertorového systému proudí okysličující vzduch přímo celou kovovou lázní, a proto probíhá zkujňování velmi rychle. U systému martinského probíhá zkujňování kyslíkem atmosféry pece nepřímo pomocí strusky a v ní obsaženého FeO, který je přenašečem kyslíku z atmosféry pece do kovové lázně. Proto zde probíhá zkujňování mnohem pomaleji. V martinské peci trvá jedna tavba 5 až 12 hodin, zatímco u systémů konvertorových se délka tavby udává v minutách. Tato nevýhoda martinského systému je do jisté míry vyvažována objemem, který je větší než u konvertorů, takže kapacita zařízení se může konvertorům vyrovnat. Investičně je martinská pec nákladnější, ocel v ní získaná je však vyšší kvality, než oceli - 36 (72) -
konvertorové. Obsah plynů v oceli je mnohem nižší, stejně tak obsah fosforu. Martinským postupem lze vyrábět i některé oceli ušlechtilé. V našich zemích se martinským systémem vyrábí 90 % veškeré oceli.
4.4
Vliv přísadových prvků
Přidáváním kovových i nekovových prvků k železu získáváme slitiny, jejichž vlastnosti jsou přísadou značně ovlivněny. Tato technologie se nazývá legování. Mangan ovlivňuje krystalizační pochody v železe. Zlepšuje kalitelnost, zvyšuje pevnost a tvrdost při dobré houževnatosti. Jím legovaná ocel je vhodná pro výrobu nožů, kovadlin, pružin, závitníků. Křemík zvyšuje pracovní teploty slitin, menší obsah Si zvětšuje pevnost oceli bez snížení houževnatosti. Slitina vhodná pro mosty, železniční stavby, pera a pružiny. Křemíkové oceli mají malou elektromagnetickou hysterezní ztrátu a malé ztráty vířivými proudy, proto jsou používány na plechy transformátorové, pro dynama, pro motorové kotvy, statory, alternátory apod. Chrom působí příznivě na prokalitelnost ocelí. Zvyšuje tvrdost oceli a její odolnost proti opotřebení. Chrom je nejdůležitějším legujícím prvkem našich konstrukčních ocelí. Bývá ho v nich 1 až 2 %. Oceli s obsahem přes 4 % se užívají na trvalé magnety (mají i větší příměs Si). Oceli se 4 až 6 % Cr se používají v chemickém průmyslu při namáhaní oceli nad 600OC. Významné jsou korozivzdorné oceli chromové (nad 12 % Cr) a oceli žáruvzdorné (15 až 30 % Cr). Chrom je důležitou přísadou i u ocelí nástrojových, obzvláště rychlořezných, též pro výrobu kuličkových ložisek. Nikl zlepšuje prokalitelnost a odolnost proti korozi. V konstrukčních ocelích bývá do 5 % Ni, zvyšuje pevnost a houževnatost i při nízkých teplotách (rázová houževnatost). Nikl se v ocelích často kombinuje s chrómem (chromniklová ocel). Měď zvyšuje tažnost a zlepšuje odolnost proti korozi. Molybden je v našich ocelích obsažen v malých množstvích 0,2 až 0,3 %. I v těchto malých množstvích zlepšuje prokalitelnost. Důležitou vlastností je, že zvyšuje mez tečení při vyšších teplotách a je proto důležitou přísadou ocelí žáropevných, používaných na kotle a trubky pro vysoké teploty a tlaky. Vanad zvyšuje prokalitelnost. Podobně jako molybden upravuje mechanické chování kovu při vyšších teplotách a může ho nahradit Jeho obsah v konstrukčních ocelích bývá max.0,5 %. Je důležitým přísadovým prvkem i u ocelí nástrojových, zejména rychlořezných (chromvanadová ocel). Wolfram je velmi důležitou přísadou u ocelí nástrojových, obzvláště rychlořezných. Velký význam má pro oceli konstrukční, určené pro vyšší teploty a tlaky. Tyto jsou vhodné pro výrobu parních turbin a ventilů spalovacích motorů. Zvyšuje prokalitelnost. Trvalé magnety se vyrábějí z ocelí s 6 % W a 0,7 % C.
- 37 (72) -
Stavební látky
Kobalt je drahý, dováží se, proto se používá jen pro nezbytné účely. Vlastnostmi se podobá niklu, ale zmenšuje prokalitelnost. Významný je při výrobě trvalých magnetů nejvyšších jakostí. Titan se snadno slučuje s kyslíkem a dusíkem. Je významnou přísadou do ocelí korozivzdorných a žáruvzdorných. Uhlík zvyšuje pevnost a mez průtažnosti, snižuje tažnost a kontrakci.Větší množství uhlíku podporuje korozivzdornost, leč zhoršuje svařitelnost. Síra snižuje kujnost, houževnatost, negativně ovlivňuje lámavost, zlepšuje obrobitelnost. Fosfor zvyšuje křehkost, zlepšuje obrobitelnost a zvyšuje tekutost při lití. Dusík zvyšuje křehkost a urychluje stárnutí Hliník používá se pro výrobu magnetové slitiny Alnico (12 % Al). Žáruvzdorná litina Pyroferal, mající přísadu 30 % Al, odolává do 1100 OC. Přísada hliníku funguje i v antiremanentních litinách pro výrobu součástí elektrických motorů.
4.5
Druhy ocelí
Z hlediska chemického složení rozeznáváme: •
oceli uhlíkové - obsah uhlíku 0,05 % až 1,7 %, navíc malá množství dalších prvků ( n, Si, Ni, Cr, V, W, Ti, Mg aj. )
•
oceli slitinové (legované) - kromě doprovodných a nutných přísadových prvků obsahují i záměrně přidané, legovací prvky ( Mn, Si, Ni, Cr, Al, Mg, Co, W aj. ). Nízkolegované oceli jich mají do 2,5 %, u vysokolegovaných ocelí přesahuje množství legovacích prvků 10 %.
Z hlediska použití se oceli ve stavebnictví dělí na: •
konstrukční stavební - tvoří největší objem výroby, většinou jsou neuklidněné nízkouhlíkové ( 0,06 % až 0,2 % C ), což jim dodává nižší pevnost, ale vyšší tažnost;
•
konstrukční strojní - mají zaručenou svařitelnost a vhodnost ke tváření, zaručený obsah fosforu a síry, obsah uhlíku 0,06 % až 0,9 % a používají se i na výrobky pro stavební konstrukce;
•
speciální - ocel korozivzdorná (nerez s obsahem chrómu min. 12 %), ocel odolná žáru, magnetická a pod.
4.6
Značení ocelí
Existuje několik způsobů značení ocelí. Dosud nebyla zavedena norma EN 10027 - „Systémy označování ocelí“, takže platí označení šestimístnými čísly norem ČSN, které začínají dvojčíslím 41 nebo 42 (např. 41 0335, 42 2630).
- 38 (72) -
Materiálové listy tvářených ocelí (třídy 41) mohou být označovány pětimístným číslem, případně ještě další doplňkovou číslicí za tečkou (např. 12024.1). První dvojčíslí značí skupinu materiálu: 10 - oceli stavební, 11 - strojní, 12, 13, 14, 15, 16 - nízkolegované konstrukční oceli rozlišené podle legovacích prvků, 17 - vysokolegované, 18 - slinuté karbidy, 19 - nástrojové Druhé dvojčíslí označuje u ocelí třídy 10 a 11 desetinu jmenovité (charakteristické) meze pevnosti v tahu v MPa, u ocelí betonářských desetinu jmenovité (charakteristické) meze kluzu v MPa, u ostatních tříd složení oceli. Pátá číslice má význam pořadový a nepřímo označuje některé vlastnosti předepsané normou, pouze u ocelí betonářských značí svařitelnost. Doplňková číslice popisuje stav oceli daný tepelným zpracováním ( 0 - tepelně nezpracovaný, 1 - normalizačně žíhaný ).
4.7
Vlastnosti ocelí
Měrná hmotnost Modul pružnosti Modul pružnosti ve smyku Součinitel délkové teplotní roztažnosti Součinitel příčné deformace
7 850 kg.m-3 210 000 MPa 81 000 MPa 12.10-6 .K-1 0,3 bezrozm.
Skutečnosti, že síra a fosfor příznivě ovlivňují obrobitelnost, se využívá u automatových ocelí. Pevnost oceli v tahu je výrazně ovlivňována teplotou. Od teploty cca 300 oC začíná klesat, při teplotě 500 oC je na 50 % původní hodnoty a při této teplotě se ztrácí i vyznačená mez kluzu. Také při opakovaném namáhání pevnost klesá až na hodnotu meze únavy ( 30 až 40 % meze pevnosti ). Pevnost v tlaku oceli nelze vzhledem k houževnatosti materiálu určit, a proto se uvažuje hodnotou pevnosti v tahu. V ČSN 73 1401 se nově uvažuje výpočtová pevnost v soustředném tlaku, která je v případě přímkového zatížení přibližně 4 x větší a v případě bodového zatížení přibližně 5 x větší než odpovídající pevnost v tahu. Pro konstrukční oceli je limitujícím faktorem použitelnosti mez průtažnosti. Tvářením oceli za studena nad tuto mez můžeme zlepšit využití materiálu do napětí dosahujícího téměř meze pevnosti. Takto upravená ocel má však nižší tažnost, je křehčí a při svařování mění vlastnosti. U polotovarů jako dráty, tyče a plechy je vždy nutné zvažovat, byla-li poslední operace prováděna tvářením za studena. Na nezkorodovaném povrchu to lze rozlišit i podle vzhledu. Tažnost oceli klesá nejen tvářením za studena, ale také s obsahem uhlíku. Minimální tažnost oceli by neměla u odlitků a výkovků klesnout pod 10 %, u svařovaných ocelí pod 15 %.
- 39 (72) -
Stavební látky
Vztah mezi pevností, mezí průtažnosti a tažností oceli je dán deformačním (pracovním) diagramem. Na obr.4.1. a obr.4.2. jsou znázorněny dvě typické deformační čáry ocelí s výraznou a nevýraznou mezí průtažnosti. Bodům 1 až 5 vyznačeným na deformační čáře přísluší: σ1 - napětí na mezi úměrnosti. Až do bodu 1 je průběh lineární. V této oblasti platí úměrnost deformace na napětí - Hookeův zákon σ = E.ε, kde konstantou úměrnosti je modul pružnosti E (Youngův), a poměrné protažení ε = ∆ l / l je prakticky pružné;
Obr. 4.1 Deformační diagram oceli s výraznou mezí kluzu
Obr. 4.2 Deformační diagram oceli se smluvní mezí průtažnosti
σ2- napětí na mezi pružnosti. Je definováno napětím, při němž trvalá deformace nepřestoupí hodnotu 0,01 %;
σ3- mez průtažnosti jako napětí, při kterém se ocel začíná plasticky prodlužovat. Pokud je v diagramu vyznačena, mluvíme o tzv. mezi kluzu - horní, dolní. Pokud ocel nemá výraznou mez průtažnosti - viz Obr.VII.2, zavádí se technickým předpisem tzv. smluvní mez průtažnosti, jako napětí, při jehož dosažení a následném odlehčení zůstane v materiálu jistá dohodnutá trvalá deformace. V Evropě je tato hodnota 0,2 %, mluví se tedy o mezi 0,2 v tahu, v USA je předepsána hodnota 0,1 %, tedy mez 0,1 v tahu. Mez průtažnosti je souhrnný název pro mez kluzu a mez 0,2;
σ4 - mez pevnosti jako napětí odpovídající maximálnímu zatížení; σ5 - mez porušení.
- 40 (72) -
4.8
Tváření oceli
Ocelové polotovary se získávají tvářením, tj. kováním, lisováním, válcováním, tažením apod.Tváření probíhá za tepla či za studena. Tváření za tepla znamená zpracování ocelí nad teplotami překrystalizačními.
4.9
Ocel betonářská
Betonářská ocel je určena k vyztužování železobetonových a předpjatých konstrukcí a zlepšuje mechanicko-fyzikální vlastnosti betonu, zejména přebírá napětí v tahu a ve smyku. Používají se tyto druhy výztužných ocelí: •
betonářská výztuž - netuhá, měkká výztuž, prostě vložená do betonu, nevyvozuje v něm napětí, s její ohybovou tuhostí se nepočítá;
•
předpínací výztuž - tvrdá výztuž, z patentovaných drátů, vyvozuje v konstrukci záměrně napětí;
•
tuhá výztuž - válcované průřezy pro spřažené ocelobetonové prvky, s její ohybovou tuhostí se počítá;
•
rozptýlená výztuž - ocelové drátky.
4.9.1
Vlastnosti a rozdělení betonářských ocelí
Mechanické vlastnosti jsou charakterizovány pracovním diagramem, ve kterém deformační čára představuje závislost poměrného protažení ε na napětí σ. Zjišťuje se zkouškou tahem. Na základě pracovního diagramu betonářské oceli jsou odvozeny normový pracovní diagram a výpočtový pracovní diagram - viz ČSN 73 1201. Za výztuž do betonu se používají především výrobky z ocelí třídy 10, některé i z třídy 11, až na výjimky válcované za tepla. Betonářské oceli se z hlediska chemického složení a mechanických vlastností dělí na:
10425
500
10335
400
σ [MPa]
uhlíkaté oceli měkké (obsah C neudán), vyráběné válcováním za tepla. Mají značný rozptyl hodnot a nízkou mez průtažnosti - např. ocel 10 216 a 10 245;
300
uhlíkaté oceli středně tvrdé (0,1 - 0,55 % uhlíku), vyráběné válcováním za tepla. Mají vyšší mez průtažnosti a povrchovou úpravu pro zlep-
10216 200 100 0
ε
- 41 (72) -
Stavební látky
šení soudržnosti s betonem - ocel 10 335; legované oceli, válcované rovněž za tepla, se zvláštní povrchovou úpravou a vyšší mezí průtažnosti - 10 425 nebo 10 505; oceli tvářené za studena - upravují se ze všech tří předchozích skupin, nejčastěji zkrucováním tyčí za studena kolem Obr. 4.3. Porovnání deformačních dia- podélné osy - např. 10 338. gramů různých betonářských ocelí Číselné hodnoty mechanických veličin betonářských ocelí včetně přehledu dodávaného sortimentu a dalších vlastností jsou uvedeny v ČSN 73 1201. K vyztužování předpjatého betonu se používají patentované dráty o průměrech 2 až 7 mm, s mezí kluzu 1000 až 1600 MPa mezí pevnosti v tahu1400 až 2000 MPa. Čím jsou dráty tenčí, tím vyšší mez kluzu mají. Dále se zhotovují pramence (spletence) z vysokouhlíkových drátů za tepla válcovaných nebo tažených. Průměr pramenců je 6 až 15 mm a splétají se ze 2 až 7 kusů drátů. Přehled používané předpínací výztuže včetně mechanických vlastností je uveden v normě ČSN 73 1201. 4.9.2
Koroze výztuže
Ocel podléhá na vzduchu ve vlhkém prostředí korozi, která může probíhat buď na povrchu nebo uvnitř kovu. Podle toho, jak vzniká, rozlišujeme korozi chemickou a elektrochemickou. Kromě vzdušného kyslíku působí na kov i jiné oxidační látky - vodní páry, oxid uhličitý, oxid uhelnatý, oxid siřičitý, sirovodík aj. Není-li výztuž řádně obalena krycí vrstvou betonu, zvětšuje se rezavěním její objem až na trojnásobek. Výztužné vložky přitom vyvozují tlaky na okolní beton dosahující až 30 MPa. Tím pádem se krycí vrstva výztuže odtrhne docela a umožní tak zvýšení agresivních účinků na obnaženou výztuž. Elektrolytická koroze může nastat u nechráněných konstrukcí ve volném prostředí s relativní vlhkostí vzduchu 50 až 70 % nebo v uzavřených prostorách s vysokou relativní vlhkostí vzduchu. Nemůže nastat v trvale suchém prostředí (chybí vlhkost) nebo u konstrukcí trvale umístěných pod vodou (chybí vzduch). Ke korozi výztuže může dojít i vlivem karbonatace či sulfatace betonu (působení oxidu uhličitého či siřičitého), kdy klesá pH betonu pod 9, zatímco na ochranu výztuže proti korozi je nutné pH = (10 - 12). Čím hutnější beton je, tím proniká karbonatace do menší hloubky. Při působení halogenů (např. chloridů) může dojít k místní korozi výztuže i přes dostatečně silnou krycí vrstvu betonu - jde o bodové proniknutí chloridů. Jedinou spolehlivou ochranou proti korozi výztuže je krycí vrstva betonu o předepsané tloušťce a dostatečné hutnosti, která zamezuje přístupu agresivních látek k výztuži. V současné době došlo ke změně v navrhování tloušťky krycí vrstvy betonu - viz ČSN 73 1201, Změna 2 (říjen 1994).
- 42 (72) -
Obr. 4.3. Hlavní druhy betonářských ocelí
4.10
Tepelné zpracování oceli
Tvářením za tepla i za studena získává ocel výhodnější vlastnosti zhuštěním materiálu. Tento klad přináší i nevýhodu, kterou je vnesení napětí, jež je nutno odstranit. Stejně tak bývá napětí i v odlitcích z oceli. Tato napětí lze odstranit dalším tepelným zpracováním - žíháním. Jiným druhem tepelného zpracování
- 43 (72) -
Stavební látky
je kalení, které nám zajišťuje optimální vlastnosti oceli, tj. největší houževnatost při největší pevnosti. Žíhání je ohřev na teplotu cca 600 0C (u uhlíkových ocelí) na takovou dobu, aby se žíhaná součást rovnoměrně prohřála. O ohřevu následuje stejnoměrné ochlazování na vzduchu, při složitějších výrobcích v peci. Kalení je ohřev oceli nad překrystalizační teploty a tak rychlé ochlazení, aby nenastala překrystalizace buď vůbec, nebo jen z části. Kalitelné jsou pouze ty oceli, u nichž nastává překrystalizace. Na tvrdost oceli po zakalení má největší vliv obsah uhlíku, čím je ho více, tím má ocel po zakalení větší tvrdost. Popouštění je ohřev na poměrně nízké teploty, tj. 180 až 200 0C. Jistého snížení vnitřního napětí je dosaženo již například povařením ve vodě nebo v oleji teploty cca do 180 0C. Těchto způsobů se používá tehdy, požadujeme-li největší tvrdost. Patentování je tepelné zpracování, kterým se dosahuje vysoké pevnosti drátů. Drát se zahřívá na vysokou teplotu 1000 0C, pak protahuje olověnou lázní o teplotě 520 0C.
4.11
Povrchové tvrzení oceli
Cementování (dříve poocelování) je sycení povrchu oceli uhlíkem. Je vhodné jen pro některé typy oceli. Při cementování v prášku se součásti určené pro cementování uloží do plechových krabic a zasypou práškem, jenž je tvořen dřevěným uhlím a uhličitanem barnatým (katalyzátor). Krabice se vloží do pece a ohřívají na předepsanou teplotu (900 až 930 0C). Při nitridování (dříve nitrování) se sytí ocel dusíkem, který tvoří na povrchu s kovem velmi tvrdé nitridy. Vzhledem k netečnosti dusíku je nutno tento proces provádět za zvýšené teploty (500 0C) ve čpavkové atmosféře Povrchové kalení se provádí tak, že ocel se prohřeje na povrchu do požadované hloubky a ihned se zakalí. Ohřev se většinou provádí acetylenokyslíkovým plamenem. Modernější je povrchové kalení vysokofrekvenční.
4.12
Litina
Temperovaná litina , dříve nazývaná kujná litina, je slitina železa s uhlíkem obsahující křemík, mangan, fosfor a síru. Je houževnatá a snadno obrobitelná. Vyrábí se temperováním výrobků z bílé litiny, tj. dlouhodobým žíháním odlitků. Temperovaná litina se označuje šestimístným číslem. První dvojčíslí je 42. Druhé dvojčíslí je 25 a znamená, že jde o temperovanou litinu. Třetí dvojčíslí udává nejmenší tažnost v procentech, popřípadě desetinu nejmenší pevnosti v tahu. Šedá litina je slitina železa s uhlíkem a dalšími prvky zejména křemíkem, manganem, fosforem a sírou. Uhlíku je většinou více než 2,4 %. Šedá litina taje při teplotě značně nižší než ocel (1200 0C), její hustota je 7200
- 44 (72) -
kgm-3. Šedá litina je označována šestimístným číslem. První dvojčíslí je 42. Druhé je 24 a znamená, že jde o šedou litinu. Třetí dvojčíslí udává desetinu nejmenší pevnosti v tahu. Šedá litina je dobře obrobitelná. Její odolnost proti povětrnosti a korozi je podstatně větší než u oceli. Ve stavební praxi je šedá litina používána na vodní a plynové trouby, poklopy, mříže, sloupy, vany, výlevky a radiátory. Bílá litina se používá nejčastěji k výrobě temperované litiny. Na lomu je bílá, je velmi tvrdá a křehká a je prakticky neobrobitelná.
4.13 4.13.1
Neželezné kovy Hliník a jeho slitiny
Hliník (aluminium) je znám od počátku 19. století jako prvek. Jako užitný kov však je používán až od konce 19. století. Surovinou pro jeho výrobu jsou rudy s vysokým obsahem Al2O3. Především je to bauxit (dovoz Maďarsko). Jako vedlejší rudy jmenujme nefelin a alumit. Z hlediska ekonomického je výroba hliníku z rudy podstatně náročnější než např. železo. Redukce rud uhlíkem je z hledisek chemických nemožná, proto se hliník vyrábí ve speciálních elektrických pecích elektrolýzou. •
hustota čistého hliníku je 2700 kg.m-3,
•
hustota slitin hliníku je 2800 kg.m-3,
•
modul pružnosti v tahu a tlaku je 65 až 72 GPa,
•
modul pružnosti ve smyku 27 GPa,
•
pevnost v tlaku 70 až 300 MPa,
•
mez průtažnosti u slitin měkkých 50 až 100 MPa, u slitin vytvrzovaných 200 až 220 MPa,
•
tažnost slitin 10 až 16 %,
•
Al nemá mez kluzu, udává se mez 0,2 jež je 50 až 80 % meze pevnosti,
•
součinitel tepelné vodivosti 125 až 210 W.m-1. K-1,
•
součinitel tepelné roztažnosti 23 .10-6.K-1,
•
čistý hliník je velmi odolný vůči povětrnostním vlivům,
•
hliník má velkou schopnost odrážet tepelné a světelné paprsky,
•
s čistotou hliníku roste odolnost proti korozi a tepelná i elektrická vodivost.
Hliník je ohrožen elektrolytickou korozí při styku s jinými kovy, zejména ve vlhkém prostředí. Proto není vhodné např. spojovat Al plechy s barevnými kovy či železem. Pokud bychom ke spojování hliníku používali nýty či šrouby z výše označených kovů, pevnost těchto spojů nemá dlouhého trvání. Nejdy- 45 (72) -
Stavební látky
namičtější porušení hliníku nastává ve styku s korozními produkty železa (rez = hydroxid) a při uložení v cementovém betonu či jiném výrazně zásaditém prostředí. Slitiny hliníku dělíme na tři skupiny: •
slitiny, u niž vyžadujeme vyšší pevnost přidáváním Cu, Mg, Zn, Ni, Mn. Je to především dural.
•
slitiny se zvýšenou odolností proti korozi jsou slitiny Al - Mg, nazývané hydronalium.
•
slitiny k odlévání jsou tvořeny prvky Al - Si a nazývají se siluminy.
Hliník již při teplotách 350 až 520 0C vstupuje do tvárného stavu a lze jej tvářet. Lze zhotovovat tyčové výrobky protlačováním, tj. lisováním za tepla otvorem daného průřezu. Tímto způsobem lze vyrábět i značně složité a náročné tvary otevřené i uzavřené ,což je velká výhoda hliníku proti oceli. Válcováním za tepla i za studena se vyrábějí plechy a pásy, tažením za studena dráty a trubky vylisované předtím za tepla. Natahováním za studena se zvyšují mechanické vlastnosti tyčových profilů po protlačování. Odlévání a kování je podobné, jako u oceli. Hliníkové konstrukce lze dobře a kvalitně svařovat jak elektrickým obloukem, tak plamenem v ochranné atmosféře. Zato pájení hliníku je vinou ochranné vrstvičky oxidu velmi obtížné a provádí se speciálními pájkami (Firinit) za použití zvláštního tavidla. Slitiny hliníku se používají na zámečnické kování oken a dveří. Z drátů z čistého hliníku jsou vyráběny vodiče pro rozvod el. proudu. Jejich vodivost je dobrá, takže mohou nahrazovat kvalitnější ale dražší měďHliníkový prášek nebo pasta se používá jako plynotvorná přísada při výrobě plynobetonů a plynosilikátů. Před aplikací musí být prášek dobře odmaštěn. Hliníkový prášek je rovněž používán k žárovému nanášení Al na jiné materiály stříkáním (tzv. šopování). 4.13.2
Měď a její slitiny
Více než 50 % výroby mědi se spotřebuje pro účely elektrotechnické. Měď má velmi dobré vlastnosti mechanické, výbornou vodivost tepelnou, hlavně pak elektrickou, je dobře odolná proti korozi, za studena i za tepla dobře tvárná a velmi dobře ji lze spojovat pájením. Je jedním z nejstarších kovů, známých už 4 000 let před Kristem. Některé význačnější vlastnosti mědi: •
teplota tání je 1083 0C,
•
hustota je 8930 kg.m-3,
•
součinitel tepelné roztažnosti α je 16,5 . 10-6.K-1
•
elektrická vodivost je 6 x větší než u oceli,
•
pevnost v tahu je 220 MPa ,
•
tažnost je 40 %, - 46 (72) -
•
tvářením za studena lze pevnost zvýšit až na 440 MPa s poklesem tažnosti na 8 %,
•
u drátů průměru 0,1 mm lze tvářením za studena dosáhnout pevnosti až 600 MPa při nepatrné tažnosti,
•
modul pružnosti je 120 GPa,
•
za vyšších teplot má měď atypické pásmo křehkosti mezi 400 až 650 0C,
•
tváření za tepla se provádí při 800 až 900 0C.
Obrábění mědi je dosti obtížné, protože se maže. Měď lze dobře pájet na měkko i na tvrdo a svařovat plamenem. Proti vlivům povětrnosti je měď značně odolná. Za delší dobu se povléká červenou vrstvou oxidu měďného, který ji před další korozí chrání. Někdy vzniká zelená patina - měděnka (erugo). Ve znečištěném vzduchu v průmyslových městech vzniká nevzhledný tmavočervený povlak z oxidu a sirníku mědi. Proti mořské vodě je velmi odolná. Odolává též účinku kouřových plynů. Kyselina solná a sírová měď poněkud korodují, kyselina dusičná ji napadá silně. Také amoniak ji silně koroduje. Na měď silně působí síra. Proto je nutno ocínovat vodiče z mědi, jež mají být izolovány gumou. Většina mědi se spotřebuje v průmyslu elektrotechnickém. Větší část zbytku je spotřebována pro výrobu slitin. Ve stavebnictví je měď používána především pro obnovu historických střešních krytin a okapových systémů (kostely, zámky, paláce). Je to nejvhodnější materiál pro rozvod elektrické instalace v budovách. Z ekonomických důvodů zde bývá však nahrazován hliníkem, jehož nedostatky byly již zmíněny. Někdy se měď používá z dekorativních důvodů na viditelných částech konstrukce (výkladce apod.). Měděné plechy rovněž někdy řeší dilatační spáry v bytové i inženýrské výstavbě (např. mostní závěry). U luxusnějších staveb slouží měděné trubky pro rozvod topné vody k radiátorům (nezanáší se). Mosaz je slitina mědi se zinkem. Technicky důležité jsou pouze mosazi s více než 50 % Cu. Hustota mosazi bývá 8400 až 8900 kgm-3. Vodivost je značná. Pevnost mosazí je větší než u mědi, např. u slitin se 60 % Cu je kolem 400 MPa. Tvářením za studena ji lze zvětšit až na 700 MPa, přičemž opětné měkkosti plechů lze dosáhnout vyžíháním při 600 0C. Tažnost vyžíhané mosazi se blíží 50 %. Stejně jako u mědi se žíháním získaná měkkost postupně vytrácí tvářecími technologiemi. Nejvíce se používá mosazí tvářených, dodávaných jako plechy, pásy, tyče, trubky, dráty apod. Pro obrábění je dodávána především mosaz šroubová. Ve stavebnictví jsou dobré vlastnosti mosazi využity pro stavební kování, šrouby a vruty (nerezaví), dekorační či dilatační plechy, tvrdé pájky pro pájení ocelí, chromovaná mosaz slouží pro účely TZB jako součásti armatur vodovodního rozvodu (ventily, baterie) a další. Bronzy jsou slitiny mědi s cínem, hliníkem, manganem, niklem, olovem, beryliem apod. Podle těchto kovů nesou pak zmíněné bronzy název. - 47 (72) -
Stavební látky
U cínových bronzů stojí za zmínku fosforbronz s vysokou pružností. Jeho tažnost je jen 1 až 2 %, pevnost v tahu 900 až 1100 MPa. Používají se ve strojírenství, elektrotechnice, hodinářství apod. Cínové bronzy se užívají pro vylévání ložiskových pánví. Hliníkové bronzy obsahují cca 5 % Al. Jejich pevnost podle způsobu zpracování může být 400 až 800 MPa. Slouží pro stavu různých nádrží, čerpadel, kondenzačních zařízení apod. Rovněž se používají při stavbě lodí a armatur na přehřátou páru. 4.13.3
Ostatní kovy
Nikl byl již zmíněn jako významná přísada v oceli. Zhusta se též používá pro galvanické pokovení méně ušlechtilých kovů a to z důvodů zlepšení estetiky a zvýšení korozivzdornosti. Ve slitině s chromem slouží k výrobě odporových topných drátů. Je také součástí slitin pro výrobu výkonných magnetů. Kobalt se v čisté formě nepoužívá. Ve slitinách slouží v místech s nadměrným opotřebením (lopatky turbin) a rovněž pro výrobu magnetů). Chrom je významnou přísadou pro výrobu jakostních ocelí. Dál je použit v odporových slitinách a je významnou surovinou pro galvanické pokovení s významem estetickým a ochranným.. Wolfram je přísada do ocelí a materiál pro výrobu žárovkových vláken. Molybden snese podobně vysoké teploty jako wolfram, proto slouží jako nosič žhavených vláken, a podobně jako wolfram je vhodný pro výrobu anod a mřížek v elektronkách. Především však je to jedna z nejvýznamnějších přísad do jakostních ocelí. Stříbro . Pomineme-li šperkařství, vidíme hlavní využití v elektrotechnice pro jeho vysokou vodivost. Dále je využíváno ve sloučeninách pro fotografickou chemii a lékařství. Titan je kovem budoucnosti. Jeho hustota je 4500 kg.m-3, pevnostními vlastnostmi se podobá oceli. Některé jeho slitiny mají dokonce vyšší pevnosti než ocel a odolnost titanu proti korozi se blíží odolnosti korozivzdorných ocelí. Jeho výroba je velmi drahá. Převážně je používán v leteckém průmyslu a zařízeních pro kosmický výzkum. Zirkon je jedním z velmi důležitých kovů pro průmysl jaderné energetiky. Jinak se používá jako tzv. getr v elektronice. Zirkonové sklo odolává korozi v alkalickém prostředí. Vlákna z tohoto skla lze proto použít jako výztuž do cementového betonu. Zinek pro své vynikající korozivzdorné vlastnosti je ve stavebnictví značně využíván. Dříve býval jako plech používán na střešní krytiny, což bylo později shledáno nehospodárným, takž dnes jsou používány plechy ocelové pozinkované. Zinkovaný plech je používán rovněž pro okapové roury a žlaby. Stejně tak jsou zinkovány zemnicí pásy pro chránění el. rozvodů a pro svody bleskosvodů. Zinkovány jsou i zemnicí desky a doplňkové železné předměty, vystavené ovzduší. Zinkování se provádí buď máčením, nebo žárovým stříkáním. Nejtenčí vrstvy bývají nanášeny elektrolyticky (galvanické pokovení - např. šrouby). Tam, kde je konstrukce výrazně ohrožena korozí (konstrukce v zemi- 48 (72) -
ně, bludné proudy a pod), je nutné používat silné pokovení, čili zinkování máčením! Rtuť je používána v usměrňovačích, rtuťových výbojkách, lékařství, a v průmyslu výbušnin. Ve stavebnictví je používána jen na výzkumných pracovištích (Blainův přístroj), pro měření teplot a pro výrobu zrcadel. Olovo se používá především na výrobu plášťů el. kabelů pro uložení v zeminách. Je používáno při výrobě akumulátorů , dříve i pro trouby odpadových vod. Přívod pitné vody byl s pomocí olova budován v antice, což vedlo k chronické otravě olovem (saturnismus) u obyvatel Říma. Olovo je používáno jako stínění proti radioaktivnímu záření. Roztaveným olovem se nejlépe těsní hrdla litinových kanalizačních trub, životnost takovýchto spojů je obdivuhodná. Olovo ve slitině s cínem a antimonem slouží k výrobě měkkých pájek. Cín svojí zdravotní nezávadností je předurčen k pokovování plechových materiálů používaných v potravinářství (kuchařské formy, nádoby, konzervy, obaly). Někdy se provádí cínování částečné, např. u konců měděných kabelů, rozvodných pásnic v el. rozvaděčích apod. Jinak je cín hlavní složkou pro výrobu měkkých pájek a licích kompozic pro kluzná ložiska. Používá se rovněž pro výrobu nízkotavitelných slitin (Woodův kov), které tají již při 60 0C. Tyto slouží jako mechanické pojistky proti přehřátí el. strojů (transformátory apod.)
4.14
Kontrolní otázky 1) Účel koksu a vápence ve vsázce do vysoké pece 2) Využití vysokopecní strusky 3) Obsah uhlíku v různých modifikacích železa, druhy produktů dle procenta obsahu uhlíku 4) Výroba oceli 5) Druhy ocelí 6) Značení ocelí 7) Vlastnosti ocelí 8) Koroze výztuže 9) Slitiny hliníku 10) Slitiny mědi
- 49 (72) -
Stavební látky
4.15 Korespondenční úkol Popište všechna mezní napětí na pracovních diagramech ocelí s a) výraznou mezí kluzu b) se smluvní mezí průtažnosti
4.16 Autotest Zpracování odpovědí na kontrolní otázky Správné odpovědi v „klíči“.
4.17 Závěr: Kovy, obzvláště pak ocel patří k nejvýznamnějším stavebním materiálům. ve mnoha užitích lze ocel označit v současných technologiích za nenahraditelnou. 4.17.1
Shrnutí:
V kapitole Kovy je zmíněna dlouhá historie výroby a využívání kovů v lidské civilizaci . Dále jsou uvedeny závažné vlastnosti různých kovů. V případě železa je uvedena i technologie výroby, úprav a zpracování, stejně jako vliv legujících a tepelných úprav. V závěru jsou zmíněny významnější kovy neželezné.
4.18 [12]
Studijní prameny Beneš, A.: Technické kovy, SNTL 1958
- 50 (72) -
4.19
Klíč
1) Palivem a redukovadlem ve vysoké peci je hutnický koks. Obyčejné uhlí je z technologických důvodů nepoužitelné. Jako struskotvorná přísada se přidává vápenec, který se ve vysoké peci rozkládá na CaO a CO2. Oxid vápníku je silná zásada, která váže kyselé složky hlušiny 2) Mezi dvěma odpichy surového železa se třikrát až čtyřikrát vypouští struska do pojízdných pánví. Dříve se odvážela na haldy, což bylo neekonomické i neekologické. Na 100 kg surového železa připadne totiž 100 kg strusky. Proto se hledalo využití pro tento odpad a dnes je struska využívána v mnoha odvětvích. Jemně mletá struska se používá v cementářském průmyslu jako přísada do cementů, zpěněním strusky vzniká strusková pemza jako výborné lehké kamenivo, ze strusky lze rovněž vyrábět lité struskové dlažební kameny a cihly. 3) Surové železo, vycházející z vysoké pece, obsahuje zhruba 4 % uhlíku. Dalším zpracováním se obsah uhlíku mění a podle jeho množství se mění vlastnosti i názvosloví železa. Podle obsahu uhlíku se technická železa dělí na železa kujná a nekujná. Ke kujným železům patří čisté železo, ocel a temperovaná litina. Mezi nekujná železa patří šedé, bílé a speciální surové železo. Přetavením šedého surového železa s dalšími přísadami vzniká šedá litina, která je buď obyčejná, nebo slitinová. Ze slévárenského bílého surového železa se přetavením získá bílá litina, z níž se pochodem, zvaným temperování, vyrábí temperovaná litina. Zkujňováním surového železa se získá ocel. 4) Výroba oceli ze surového železa probíhá za vysokých teplot. Ty vznikají buď přímým spalováním některých přísad tekutého surového železa (pochody konvertorové), nebo ohříváním vsázky spalováním plynu (pochody martinské), popř. ohřevem vsázky teplem elektrickým. U pochodů konvertorových je palivem buď křemík (pochod Bessemerův), nebo fosfor (pochod Thomasův). Podle složení surového železa je tedy volen vhodný pochod. 5) Z hlediska chemického složení rozeznáváme: •
oceli uhlíkové - obsah uhlíku 0,05 % až 1,7 %, navíc malá množství dalších prvků ( Mn, Si, Ni, Cr, V, W, Ti, Mg aj. )
•
oceli slitinové (legované) - kromě doprovodných a nutných přísadových prvků obsahují i záměrně přidané, legovací prvky (
- 51 (72) -
Stavební látky
Mn, Si, Ni, Cr, Al, Mg, Co, W aj. ). Nízkolegované oceli jich mají do 2,5 %, u vysokolegovaných ocelí přesahuje množství legovacích prvků 10 %. Z hlediska použití se oceli ve stavebnictví dělí na: •
konstrukční stavební - tvoří největší objem výroby, většinou jsou neuklidněné nízkouhlíkové
•
( 0,06 % až 0,2 % C ), což jim dodává nižší pevnost, ale vyšší tažnost;
•
konstrukční strojní - mají zaručenou svařitelnost a vhodnost ke tváření, zaručený obsah fosforu a síry, obsah uhlíku 0,06 % až 0,9 % a používají se i na výrobky pro stavební konstrukce;
•
speciální - ocel korozivzdorná (nerez s obsahem chrómu min. 12 %), ocel odolná žáru, magnetická a pod.
6) Existuje několik způsobů značení ocelí. Dosud nebyla zavedena norma EN 10027 - „Systémy označování ocelí“, takže platí označení šestimístnými čísly norem ČSN, které začínají dvojčíslím 41 nebo 42 (např. 41 0335, 42 2630). Materiálové listy tvářených ocelí (třídy 41) mohou být označovány pětimístným číslem, případně ještě další doplňkovou číslicí za tečkou (např. 12024.1). První dvojčíslí značí skupinu materiálu: 10 - oceli stavební, 11 - strojní, 12, 13, 14, 15, 16 – nízkolegované konstrukční oceli rozlišené podle legovacích prvků, 17 - vysokolegované, 18 – slinuté karbidy, 19 - nástrojové Druhé dvojčíslí označuje u ocelí třídy 10 a 11 desetinu jmenovité (charakteristické) meze pevnosti v tahu v MPa, u ocelí betonářských desetinu jmenovité (charakteristické) meze kluzu v MPa, u ostatních tříd složení oceli. Pátá číslice má význam pořadový a nepřímo označuje některé vlastnosti předepsané normou, pouze u ocelí betonářských značí svařitelnost. Doplňková číslice popisuje stav oceli daný tepelným zpracováním (0 tepelně nezpracovaný, 1 - normalizačně žíhaný). 7) Měrná hmotnost
7 850 kg.m-3
Modul pružnosti
210 000 MPa
Modul pružnosti ve smyku
81 000 MPa
Součinitel délkové teplotní roztaž- 12.10-6 .K-1 nosti Součinitel příčné deformace
0,3 bezrozm.
- 52 (72) -
8) Ocel podléhá na vzduchu ve vlhkém prostředí korozi, která může probíhat buď na povrchu nebo uvnitř kovu. Podle toho, jak vzniká, rozlišujeme korozi chemickou a elektrochemickou. Kromě vzdušného kyslíku působí na kov i jiné oxidační látky - vodní páry, oxid uhličitý, oxid uhelnatý, oxid siřičitý, sirovodík aj. Není-li výztuž řádně obalena krycí vrstvou betonu, zvětšuje se rezavěním její objem až na trojnásobek. Výztužné vložky přitom vyvozují tlaky na okolní beton dosahující až 30 MPa. Tím pádem se krycí vrstva výztuže odtrhne docela a umožní tak zvýšení agresivních účinků na obnaženou výztuž. Elektrolytická koroze může nastat u nechráněných konstrukcí ve volném prostředí s relativní vlhkostí vzduchu 50 až 70 % nebo v uzavřených prostorách s vysokou relativní vlhkostí vzduchu. Nemůže nastat v trvale suchém prostředí (chybí vlhkost) nebo u konstrukcí trvale umístěných pod vodou (chybí vzduch). Ke korozi výztuže může dojít i vlivem karbonatace či sulfatace betonu (působení oxidu uhličitéhoči siřičitého), kdy klesá pH betonu pod 9, zatímco na ochranu výztuže proti korozi je nutné pH = (10 - 12). Čím hutnější beton je, tím proniká karbonatace do menší hloubky. 9) Slitiny hliníku dělíme na tři skupiny: •
slitiny, u niž vyžadujeme vyšší pevnost přidáváním Cu, Mg, Zn, Ni, Mn. Je to především dural.
•
slitiny se zvýšenou odolností proti korozi jsou slitiny Al - Mg, nazývané hydronalium.
•
slitiny k odlévání jsou tvořeny prvky Al - Si a nazývají se siluminy.
10) Mosaz je slitina mědi se zinkem. Technicky důležité jsou pouze mosazi s více než 50 % Cu. Hustota mosazi bývá 8400 až 8900 kgm-3. Vodivost je značná. Pevnost mosazí je větší než u mědi. Bronzy jsou slitiny mědi s cínem, hliníkem, manganem, niklem, olovem, beryliem apod. Podle těchto kovů nesou pak zmíněné bronzy název.
- 53 (72) -
Stavební látky
5 DŘEVO Dřevo člověk používal ke stavebním účelům již v nejstarších dobách. Nejprve se používalo na stavbu obydlí, kdy se z něho zhotovovaly nosné části, jejichž kvalita opracování odpovídala tehdejší primitivní úrovni převážně kamenných nástrojů. Historicky jsou takovéto stavby zaznamenány v Číně z 5. tisíciletí před n.l. Pravděpodobně nejstarší dřevěnou stavbou, která se dochovala do současnosti, je chrám Horyuji-Nara v Japonsku ze 7. století n.l. Používání dřeva jako stavebního materiálu vždy úzce souviselo s možnostmi výroby, jak z hlediska zpracování a úpravy dřeva, tak i spojování dřevěných prvků. Nejdříve se používala pouze kulatina, v další etapě přibylo deskové a hraněné řezivo a později lepené dřevo a materiály na bázi dřeva. Původní spojování dřevěných prvků vázáním postupně nahradily tesařské spoje a později kovové spojovací prostředky a lepení. Vývoj probíhal celá tisíciletí a prakticky ustrnul po 2. světové válce, kdy bylo ve stavebnictví dřevo vytlačeno betonem a ocelí. Do té doby se dřevo používalo prakticky na všechny druhy pozemních a inženýrských staveb. Současná etapa rozvoje používání dřeva ve stavebnictví, započatá v 80. letech tohoto století, se vyznačuje snahou o formulaci dokonalejších metodik pro navrhování konstrukcí ze dřeva a materiálů na bázi dřeva. Zdokonalují se nástroje a stroje na obrábění a zpracování dřeva. Hledají se nové postupy chemického zušlechtění dřeva za účelem zvýšení pevnosti a tuhosti. Vyvíjeny jsou nové spojovací prostředky a technologie výroby konstrukčních prvků. Praxe se orientuje na ochranu dřeva při použití nejmodernějších technologií chemické ochrany dřeva.
5.1
Charakteristika dřeva
Dřevo je jednou z mála přírodních surovin, která se trvale obnovuje. Česká republika patří mezi státy s poměrně vysokým procentem zalesněného území cca 35 %. Lesy jako zdroj dřeva můžeme za předpokladu racionálního chování dřevozpracujícího průmyslu považovat za jednu z nejstabilnějších surovinových základen. Dřevo jako stavební materiál je velmi oblíbeno zejména pro velmi dobrou pevnost při malé objemové hmotnosti, pro malou tepelnou vodivost, lehkou opracovatelnost, příjemnou barvu a estetický vzhled. Na druhé straně podléhá živočišným a biologickým škůdcům, atmosférickým vlivům, je hořlavé, mění svůj tvar s vlhkostí, což klade značné nároky na údržbu a ošetřování. Při používání dřeva ve stavebnictví musíme respektovat celou řadu technických předpisů (norem) v oboru především lesnictví, dřevozpracujícího průmyslu i vlastního stavebnictví. Nejzávažnější z těchto norem jsou citovány v dalším textu a přehledně jsou uvedeny v přehledu literatury. V tabulce 5.1. jsou uváděny meze základních vlastností měkkých a tvrdých dřev při běžné vlhkosti zkoušené ve směru vláken.
- 54 (72) -
Tab. 5.1. Základní vlastnosti dřeva Rc (tlak) Rt (tah) ρv MPa MPa kg.m-3 měkké 400 až 800 30 až 60 40 až 150 tvrdé 650 až 1000 40 až 85 60 až 180 Dřevo
5.1.1
Rf (ohyb) MPa 45 až 130 55 až 170
E λ α GPa W.m-1.K-1 10-6.K-1 10 až 14 0,13 až 0,21 3,5 až 5,5 12 až 16 0,17 až 0,25 3,5 až 5,5
Dřevo
Dřevem se rozumí rostlinné pletivo, ve kterém buněčné stěny obsahují lignin. Rostliny, u kterých převážná část pletiv, především v nadzemních osách (kmeny, větve) a kořenech je lignifikovaná, se nazývají dřeviny. Dřeviny nízkého vzrůstu obvykle s rozvětvenými osami již od země se nazývají keře a vyššího až vysokého vzrůstu s nerozvětvenou hlavní osou ve spodní části a v horní části s rozvětvenými postraními osami tvořícími korunu se nazývají stromy. Dřevo v kmenech, větvích a kořenech se nachází mezi lýkem (kambiem) a dření. Průmyslově se využívá především dřevo kmene stromů, méně se zužitkovává dřevo větví. V lesním hospodářství a v kooperačních vztazích s dřevařským průmyslem se běžně používá termín dříví (dřevní surovina, surové dříví). Tímto termínem se rozumí výrobky vzniklé druhováním kmenů (popř. větví) skácených stromů. Dříví je předmětem obchodní činnosti. Dříví jmenovitého určení vyhovující požadavkům technických norem nebo technických podmínek se nazývá obecně sortimentem. Tloušťka sortimentu dříví pod 7 cm je nehroubí a nad 7 cm je hroubí. 5.1.2
Druhy dřevin
Dřeviny se rozdělují do dvou skupin - jehličnaté a listnaté. Zastoupení jednotlivých druhů dřevin v lesních porostech v ČR je uvedeno v tab.IX.2. S ohledem na makroskopickou stavbu dřeva se rozlišují dřeviny - bělové a jádrové. K bělovým se přiřazují dřeviny s vyzrálým dřevem, u nichž není jádro barevně odlišeno. Dřeviny jádrové jsou odolnější proti vlhkosti a hnilobě, neboť obsahují více pryskyřičných látek, tříslovin, barviv, apod. Tab. 5.2. Zastoupení jednotlivých druhů dřevin v lesních porostech ČR DŘEVINY
jehličnaté
listnaté
JEDNOTLIVÝ DRUH smrk borovice jedle modřín ostatní buk dub topol ostatní
PROCENTUÁLNÍ PODÍL jednotlivě celkově 52,1 15,1 7,5 76,1 1,3 0,1 13,8 4,2 23,9 1,2 4,7
- 55 (72) -
Stavební látky
5.1.2.1 Jehličnaté dřeviny Jehličnaté dřeviny jsou většinou tzv. měkké dřeviny nebo tvoří přechod k měkkým dřevinám. Rostou 80 až 100 let. Dosahují výšky 25 až 40 m a průměru kmene až 2 m. Ve stavebnictví se nejvíce používají smrk, jedle a borovice, k dekoračním účelům modřín. Dřevo smrkové se používá nejčastěji. Je bílé až nažloutlé, dobře štípatelné, poměrně měkké a lehce zpracovatelné, lehké, pružné, vhodné k lepení, mírně smolnaté, s pevně zarostlými suky. V suchu je trvanlivé, ve vlhku rychle hnije. Používá se jako konstrukční dřevo u pozemních, vodních, mostních, podzemních a důlních staveb, které nejsou vystaveny vlhkému prostředí. Dřevo jedlové je z hlediska pravidelnosti růstu zpravidla lepší jakosti než dřevo smrkové, ale je náročnější na zpracování. Je měkké, šedobílé, velmi dobře štípatelné, pružné, ohebné, a nosné. Poměrně hodně sesychá a jeho suky někdy vypadávají. Má menší obsah pryskyřice a je méně trvanlivé než dřevo smrkové a borové. Jedlové dřevo často šediví a černá. Použití ve stavebnictví je obdobné jako u dřeva smrkového. Dřevo borové je poměrně hodně sukovité. Patří společně s modřínem mezi jádrová dřeva. Má načervenalou barvu. Pro značný obsah pryskyřice je dobře odolné proti vlivům vlhkosti. Je poměrně křehké a méně pružné. Nemá být používáno na konstrukce namáhané ohybem. K vadám borového dřeva patří pozdější uvolňování suků, které časem vypadávají. Osvědčuje se v prostředí, kde se střídá vlhko a sucho. Používá se zejména ve stavebním stolařství na venkovní dveře, okenní rámy, vrata, apod. Dřevo modřínové je polotvrdé. Obsahuje značné množství pryskyřice, kterou je rovnoměrně prosyceno. Jde o dřevo trvanlivé, které poměrně dobře vzdoruje střídání sucha a vlhka. Modřínové dřevo je světle žluté, stářím červená, hnědne a tmavne. Je velmi pružné a v minulosti bylo používáno na krovy velkých rozpětí. Používá se i na stavebně stolařské práce a pro dřevěné obklady stěn a stropů. Je poměrně vzácné (viz tab. 5.2) a cenově nákladné. 5.1.2.2 Listnaté dřeviny Listnaté dřeviny se dělí na měkké, většinou bělové mezi něž patří lípa, osika, olše a kaštan, nebo jádrové - topol, vrba. Do skupiny tvrdých listnáčů bělových patří buk, habr, javor a bříza, mezi jádrové dub, jasan, jilm, akát a velká skupina ovocných dřevin. Rostou 120 až 150 let. Dosahují výšky 20 až 25 m (dub až 60 m) a průměru kmene až 1,5 m (dub až 3 m). Ve stavebnictví se nejvíce používá dřevo dubové a bukové. Ostatní druhy jako jasan, javor, habr, akát, olše, bříza, topol apod. se používají jen výjimečně (např pro okrasné dýhy, vlysy, apod.). Dřevo dubové je tvrdé, pevné, těžké, houževnaté a trvanlivé. Má velkou pevnost v tlaku i tahu a je proto nejvhodnějším dřevem pro výrobu dřevěných hmoždíků, kolíků, klínů apod. Dubové dřevo vydrží na suchu 500 až 700 let a ve vodě je jeho životnost prakticky neomezená. Dubové dřevo je v porovnání s měkkými dřevinami značně odolné proti ohni, zejména je-li vhodně impregnováno. Jeho zbarvení je žlutohnědé. Používá se zejména pro náročné konstrukce
- 56 (72) -
v mostním a vodním stavitelství, jakostní podlahové vlysy, okrasné dýhy i stavebně stolařské výrobky. Dřevo bukové je měkčí než dřevo dubové a není tak houževnaté. Je těžko opracovatelné. Má načervenalou barvu. Není-li vhodně impregnováno, odolává špatně vlivům vlhkosti. Bukové dřevo se používá na výrobu dýh a překližek.
5.1.3
Struktura dřeva
Dřevo lze stručně charakterizovat jako organický, nehomogenní, anizotropní a hygroskopický materiál. Zmíněné vlastnosti jsou důsledkem mikroskopické a makroskopické stavby dřeva. Předmětem popisu mikroskopické stavby dřeva jsou rozměry, uspořádání a složení buněk. Charakteristickým skladebným prvkem jehličnatých dřevin jsou tracheidy (obr.5.1. - a), které tvoří až 95 % objemu dřevní hmoty. Jsou to buňky 2 až 5 mm dlouhé, tloušťka stěn buněk je 2 až 3 µm nebo 5 až 7 µm podle toho zda jde o buňky tzv. jarní či letní. Charakteristickým skladebným prvkem listnatých dřevin jsou hydrocyty (obr.5.1. - b), které tvoří až 75 % objemu dřevní hmoty. Jsou to buňky poměrně široké a objemnější než ostatní druhy buněk ve dřevě téhož druhu. Na rozdíl od ostatních buněk, jejichž výskyt ve struktuře jednotlivých druhů dřevin je téměř univerzální, jsou hydrocyty buněčným prvkem vyskytujícím se pouze u dřeva listnatých dřevin. Buňky tvoří dřevní vlákna, která jsou uspořádána zpravidla rovnoběžně s osou dřeviny. Vlákna, která jsou odkloněna diagonálně nebo točivě způsobují menší pevnost, nepravidelnou sesýchavost, bortivost a obtížnou obrobitelnost dřeva. Dalším hlavním skladebným prvkem dřeva jsou dřeňové paprsky, které u jehličnatých dřevin tvoří přibližně 7 % a u listnatých přibližně 18 % z celkového objemu dřevní hmoty. Dřeňové paprsky jsou pletiva skládající se převážně z horizontálně uspořádaných buněk. Chemické složení dřeva je u jednotlivých druhů suchých dřevin prakticky stejné a jen málo kolísá okolo hodnot: uhlík - 49,5 %, kyslík - 44,2 %, vodík 6,3 %, dusík - 0,2 % až 1,5 %. Tyto prvky vytvářejí celou řadu složitých organických látek, z nichž nejdůležitější jsou: celulosa, hemicelulosy a ostatní cukry, lignin a tzv. extraktivní látky, které lze oddělit extrakcí (těkavé kyseliny, etherické oleje, alkoholy, barviva, minerální sloučeniny apod.).
Obr. 5.1 -
Uspořádání buněk dřevní hmoty v měřítku 5000 : 1, a - tracheidy (smrk), b - hydrocyty (buk).
- 57 (72) -
Stavební látky
Předmětem makroskopické stavby dřeva je struktura dřeva viditelná pouhým okem (obr. 5.2). Makroskopická stavba dřeva je významným prvkem určování dřeva, rozlišení vad dřeva, jakostního třídění dřeva a má vliv na vlastnosti dřeva, zejména mechanické a fyzikální a na zpracování dřeva. Strukturními útvary makroskopické stavby jsou především následující prvky. •
Obr. 5.2 -
Letokruhy - přírůstky
Schématické znázornění makroskopické stavby dřeva na příčném řezu. 1 - dřevo s jádrem a bělí, 2 - dřevo s jádrem, vyzrálým dřevem a bělí, 3 - dřevo s vyzrálým dřevem a bělí, 4 - dřevo bělové; a běl, b - jádro, c - schématicky vyznačené vyzrálé dřevo. (Dle Grossera).
dřeva vytvořené v našich podmínkách během jednoho vegetačního období. Na příčném řezu se jeví jako více méně koncentrické vrstvy obklopující dřeň. Šířka letokruhů je z hledisky určování dřeva doplňujícím znakem. Rozlišitelnost letokruhů je závislá na vnitřní stavbě letokruhů, t.j. stavbě jarního a letního dřeva. Na základě vnitřní stavby dělíme u nás rostoucí dřeviny do tří skupin (viz obr.5.3). •
Jarní (ranné) dřevo - vnitřní část letokruhu, která vzniká z počátku nebo v průběhu první poloviny vegetačního období. Je světlé barvy, měkčí.
•
Letní dřevo - vnější část letokruhu. Vzniká během vegetačního období až do jeho konce. Je tmavší, těžší, tvrdší než dřevo jarní.
•
Jádro - tmavěji zbarvená střední část dřeva kmene (větve, kořenu) v porovnání s obvodovou částí, nevyskytuje se u dřeva všech dřevin (obr.IX.3).
•
Běl - světlejší obvodová část dřeva kmene v případě, že je vytvořeno jádro. U některých druhů dřeva zabírá běl veškerou plochu řezu dřevem (bělová dřeva).
•
Vyzrálé dřevo - centrální část kmene některých dřevin. Není barevně odlišeno od běle, má však nižší vlhkost než běl. S ohledem na skutečnost, že je pouhým okem většinou nezřetelné, nemá význam pro makroskopické určování dřeva.
•
Suky - zbytky po živých či odumřelých větvích. Probíhají pod určitým úhlem, obvykle menším než 90O , na hlavní osu kmene.
•
Dřeňové paprsky - soubory buněk, které probíhají radiálním směrem od dřeně ke kůře. Dřeňové paprsky, zejména jejich šířka, výška, rozložení na jednotlivých řezech jsou spolehlivým diagnostickým prvkem.
- 58 (72) -
•
Pryskyřičné kanálky - na příčném řezu viditelné jako malé tečky, obyčejně tmavší, ale jen málo odlišitelné od okolního dřeva. Vyskytují se především u jehličnatých dřev.
•
Cévy - na příčném řezu viditelné jako póry. Jde o typické elementy listnatého dřeva.
Makroskopická stavba se projevuje na řezu dřevem tzv. texturou. Barva dřeva je dána barvou běli, která je světlá a barvou jádra, které bývá tmavější, často až do hněda. Účinkem vzduchu a světla se zpravidla barva dřeva mění. Obr. 5.3 - Schematické znázornění rozlišení stavby dřeva jehličnatého a listnatého dle příčného řezu a dle stavby letokruhu. a - jehličnaté dřevo, b listnaté dřevo kruhovitě pórovité, c - listnaté dřevo roztroušeně pórovité; 1 letokruh, 2 - letní dřevo, 3 - jarní dřevo, 4 - dřeňový paprsek, 5 - jarní cévy, 6 letní cévy. (Dle Grossera).
5.1.3.1 Roviny a směry pružné symetrie dřeva Anizotropie dřeva, t.j. různé vlastnosti v různých směrech, jsou důvodem pro popisování struktury dřeva ve třech rovinách (řezech) a směrech - obr. 4. Materiály, které mají takovou symetrii jako krystalický rombický systém se zařazují k ortogonálně anizotropním (zkráceně ortotropním) materiálům. Dřevo se řadí k tomuto druhu materiálu za podmínek, že se zanedbává změna pružných vlastností po výšce kmene, po průměru kmene a zakřivení letokruhů je malé zanedbatelné. Při zkoumání vlastností je třeba respektovat jednotlivé roviny (směry). Proto se u všech vlastností dřeva uvádí směr, pro který daná hodnota vlastnosti byla zjištěna (podélný - ve směru vláken, kolmý na vlákna resp. napříč vláken v radiálním směru, kolmo na vlákna v tangenciálním směru).
- 59 (72) -
Stavební látky
Obr. 5.4 - Roviny a směry pružné symetrie dřeva (dle Mereditha). Roviny: RT transverzální (příčná), LR radiální, LT tangenciální. Směry: L - podélný, R - příčný radiální, T - příčný tangenciální).
5.1.4
Vlastnosti dřeva
Dřevo má v různých směrech různé vlastnosti. Výrazně se od sebe liší vlastnosti sledované podél vláken a kolmo na vlákna. Ve směru kolmo na vlákna se potom ještě liší vlastnosti v radiálním a tangenciálním směru. Největší pevnost i tuhost a současně nejmenší deformace od účinku teploty, vysychání či bobtnání má dřevo ve směru podélném. 5.1.4.1 Fyzikální vlastnosti Měrná hmotnost (hustota se pohybuje u našich dřevin kolem 1540 kg.m-3. Objemová hmotnost dřeva je závislá na množství vody, které obsahuje. V případě navrhování dřevěných konstrukcí, kdy není nutné uvažovat přesnější hodnoty, je možné použít orientační hodnoty dle ČSN 73 0035. Vlhkost dřeva je dána poměrem hmotnosti vody k hmotnosti sušiny dřevní hmoty. Voda se ve dřevu vyskytuje v podobě vody hygroskopicky vázané (obsažené ve stěnách buněk) a vody volné (obsažené mimo stěny buněk). Do vlhkosti cca 30 % se voda nachází ve dřevu jako hygroskopicky vázaná. Vlhkost 30 % se nazývá bodem nasycení vláken a odpovídá stavu, kdy jsou všechny buněčné stěny nasyceny vodou. Hygroskopickým vlhnutím a vysycháním (změna vlhkosti pod cca 30 %) se zvětšuje a zmenšuje tloušťka buněčných stěn, čímž dochází k bobtnání a vysychání dřevěných prvků V důsledku anizotropní struktury dřeva jsou výrazné rozdíly v sesychání a bobtnání dřeva v tangenciálním a radiálním směru, což je příčinou tvarových změn dřevěných prvků (obr.5.5). Dokonalým vysušením seschne dřevo ve směru podélném o 0,005 až 0,7 %, ve směru radiálním o 2,2 až 8,5 %, ve směru tangenciálním o 3 až 16 %. V praxi se uvažují hodnoty ve směru podélném 0 %, ve směru radiálním 5% a ve směru tangenciálním 10 %.
- 60 (72) -
Obr. 5.5 - Příklady strukturního příčného borcení výřezů různých tvarů pocházejících z různých částí kmene s rozdílným zastoupením letokruhů v radiálním a tangenciálním směru (dle US. Forest Products Laboratory).
Tepelné vlastnosti dřeva. K tepelným vlastnostem dřeva patří především tepelná vodivost a teplotní délková roztažnost. Tepelná vodivost je velmi malá dřevo je vhodným tepelně izolačním materiálem. Při vlhkosti 20 %, objemové hmotnosti 450 až 650 kg.m-3 a teplotě 27 OC má součinitel tepelné vodivosti dřeva λ hodnotu podél vláken 0,121 až 0,163 W.m-1.K-1. Napříč vláken je dřevo 1,4 až 3x méně vodivé než podél vláken. Teplotní roztažnost dřeva je též malá, a proto u dřevěných konstrukcí nemusíme počítat s účinky od teplotních změn. Součinitel délkové teplotní roztažnosti α je u smrkového dřeva ve směru podél vláken 5,4.10-6 . K-1, napříč vláken 34,1.10-6 .K-1. Hořlavost dřeva je schopnost vznítit se, žhnout a hořet. Bod zápalnosti je teplota 300 až 470oC. Doba zapalování suchého dřeva je 50 až 300 vteřin při působení teploty nad 330oC. Elektrické vlastnosti dřeva. Suché dřevo je velmi dobrý izolant. Měrný elektrický odpor dřeva je nejmenší podél vláken. Napříč vláken je téměř dvakrát větší. S rostoucí vlhkostí a teplotou se elektrický odpor dřeva velmi snižuje. Akustické vlastnosti dřeva. Jedná se především o zvukovou vodivost, pohltivost a průzvučnost. Orientační průměrná zvuková vodivost dřeva je podél vláken 4500 m.s-1 a napříč vláken 1000m.s-1. Zvuková pohltivost v % dopadající energie je přibližně 50 %. Zvuková průzvučnost vyjádřená úbytkem intenzity zvuku při průchodu materiálem je u dřeva tloušťky 50 mm 27 dB a u překližky tloušťky 12 mm 23 dB. Akustické vlastnosti dřev mají velký význam při výrobě hudebních nástrojů, akustických úpravách divadelních a koncertních sálů apod. 5.1.4.2 Mechanické vlastnosti Mechanickými vlastnostmi rozumíme vlastnosti z hlediska pevnosti a pružnosti. Jde především o pevnosti v tlaku, tahu, smyku, ohybu, moduly pružnosti, houževnatost, štípatelnost a logaritmický dekrement tlumení. Zmíněné vlastnosti se zkouší na vzorcích dle ČSN 49 0110 až ČSN 49 0124. Často se ověřuje i tvrdost dřeva, která není normována. Mechanické vlastnosti ovlivňuje celá řada následujících faktorů. •
Objemová hmotnost - s jejím zvyšováním se zvyšují mechanické vlastnosti dřeva. - 61 (72) -
Stavební látky
•
Vlhkost - se zvyšováním vlhkosti dřeva do meze nasycení vláken (cca 30 %) se zhoršují jeho mechanické vlastnosti, především pevnost v tlaku. Vlhkost dřeva vyšší než cca 30 % již nemá na snížení mechanických vlastností podstatný vliv.
Obr. 5.6 - Obecný tvar pracovního diagramu pro většinu pevnostních vlastností dřeva (dle Požgaje).
Obr. 5.7 - Průběh deformace ε v závislosti na čase t při zatížení dřeva nad mezí úměrnosti a při odtížení; εc - deformace celková, εpr - deformace pružná, εpč - deformace pružná s časem, εpl - deformace plastická (nevratná); I, II, III - fáze zatížení. (Dle Požgaje).
•
Konstrukční rozměr - se zvětšováním prvků dochází ke snižování mechanických vlastností.
•
Vady dřeva - výsušné trhliny, suky, hniloba, poškození hmyzem snižují mechanické vlastnosti.
•
Rychlost zatěžování - se zvyšováním rychlosti zatěžování pevnost dřeva stoupá.
•
Čas trvání zatížení - s prodlužováním času trvání zatížení pevnost dřeva klesá přibližně na 60 % krátkodobé pevnosti.
Tab. 5.3. Základní fyzikálně mechanické vlastnosti dřeva Vlastnost dřeva Objemová w=15% hmotnost w=0% [kg.m-3] syrové dřevo Pevnost v tlaku přir. vlhké [MPa] syrové dřevo Pevnost v tahu podél vláken [MPa] kolmo na vlákna Pevnost v ohybu [MPa] Pevnost ve smyku [MPa] Tvrdost podél vláken dle Janky kolmo na vlákna Modul pružnost v ohybu [GPa]
smrk 470 430 800 50 23 90 2,7 78 6,7 270 160 11
jedle 450 410 880 47 84 2,3 73 5,0 340 180 11
- 62 (72) -
Dřevina borovice 520 490 800 55 25 104 3,0 100 10,0 300 250 12
dub 690 650 1030 65 38 90 4,0 110 11,0 690 150 13
buk 720 680 1040 62 29 135 7,0 123 12,0 780 16
5.2
Trvanlivost dřeva a materiálů na jeho bázi
Dřevo a dřevní materiály jsou často poškozeny biotickými škůdci, nejčastěji dřevokaznými houbami a dřevokazným hmyzem. K poškození dřeva může dojít u rostoucího stromu, během doby skladování, nebo až u hotového výrobku. Definici tříd ohrožení dřeva biologickým napadením je předmětem ČSN EN 335 (49 0080). Dále se věnujme pouze nejčastějším druhům škůdců, kteří se vyskytují v zabudovaném dřevě. K napadení dřeva biologickými škůdci jsou nutné čtyři hlavní podmínky - dostatečná vlhkost, kyslík, teplo, výživný substrát. Vlhkost dřeva je v konstrukcích, které jsou bez závad, dostatečně nízká. Pro napadení je nutné, aby došlo ke zvýšení vlhkosti z jiného zdroje. Kyslík čerpají biotičtí škůdci ze vzduchu, kterého je ve dřevě vždy dostatek, pokud není trvale pod vodou. Teplota je v naší zeměpisné poloze po většinu roku vyhovující. Výživným substrátem je samotné dřevo. Mezi škůdce, kteří nenarušují pevnostní vlastnosti dřeva, patří plísně a dřevozbarvující houby. Většinou způsobují nežádoucí zbarvení dřeva. Avizují však zvýšenou vlhkost substrátu a tedy i vyšší riziko následného napadení dřevokaznými houbami. Mezi nejznámější druhy dřevozbarvujících hub patří ty, které způsobují tzv. modrání jehličnatého dřeva ležícího ve vlhku. Jde o houby rodu Ophiostoma a Ceratostomella. Kromě modrého zbarvení způsobují různé druhy ještě např. hnědé, šedé, červené, žluté fialové nebo zelené zbarvení. Nejčastěji dochází k destrukci dřeva napadením dřevokaznými houbami. Základní dělení je do dvou skupin - houby celulózovorní a ligninovorní. K první skupině patří houby, které rozkládají celulózu, lignin nechávají netknutý nebo jen nepatrně změněný - tomuto způsobu destrukce se říká hnědá hniloba. Ke druhé skupině patří houby, které rozkládají prudce lignin a skoro současně rozkládají i celulózu - tomuto způsobu destrukce se říká bílá hniloba. Dřevo poškozené celulózovorní houbou se kostkovitě rozpadá, pomalu hnědne, stává se křehkým, praská, má příčný, hladký a matně lesklý lom. Do této skupiny patří např. dřevomorka domácí, koniofora sklepní, pornatka oparová, trámovka jedlová a plotní, čechratka, outkovka řadová. Dřevo poškozené ligninovorní houbou vykazuje díry a dutiny, které jsou brzy viditelné i pouhým okem, části houbou nenapadené zachovávají původní vzhled (dřevo nepraská), někdy jsou na napadeném dřevě patrné světlejší pruhy. Bílou nebo také voštinovou hnilobu způsobuje např. václavka, pevník, trudnatec a další houby. Zmíněný typ hniloby není u nás příliš obvyklý. K nejčastějším druhům dřevokazného hmyzu patří v našich klimatických podmínkách především tesaříci, červotoči, hrbohlav parketový, případně pilořitka. Nebezpečnost těchto druhů spočívá ve schopnosti vyvíjet se ve dřevě po dobu více generací, což vede k výraznému snížení fyzikálních, mechanických i estetických vlastností. Kromě toho se často dřevo napadené hmyzem stává vhodným substrátem pro rozvoj dřevokazných hub. Dřevokazný hmyz má dvě pohlaví. Samička klade do dřeva vajíčka, z nichž se za několik dní vylíhnou larvy. Ty vyhlodávají ve dřevě chodbičky různých tvarů a velikostí, které jsou vyplněny jemnými pilinami. Stádium larvy trvá několik let, většinou 1 až 3, případně i 5 a více let. Dospělá larva se zakuklí, po dobu několika týdnů se vybarvuje, až se z ní vyvine dospělý brouk. Brouk žije pouze několik týdnů a - 63 (72) -
Stavební látky
má jedinou úlohu - založit novou generaci. Hmyz tedy škodí dřevní hmotě ve stadiu larvy. 5.2.1
Ochrana dřeva
Impregnaci dřeva můžeme v zásadě rozdělit z několika hledisek. Na tzv. černou, t.j. impregnaci dehtovými oleji a bílou, která se provádí vodou ředitelnými látkami. Podle provedení lze impregnaci rozdělit na tlakovou, tedy průmyslově prováděnou v kotlích (autoklávech), kdy je dřevo napuštěno ochranou látkou do větší hloubky, a na impregnaci beztlakovou, což je nátěr, postřik, máčení, injektáž. Kromě impregnace dřeva ochrannými látkami je možné využívat jako ochranu dřeva plynování, ozařování gama zářením, případně ohřev dřeva na teplotu 60 až 70 OC po dobu cca 5 hodin při maximálně padesátiprocentní vlhkosti prostředí. Účinky ochranných látek lze obecně rozdělit podle různých hledisek. Podle účinnosti na druh škůdce - fungicidní (proti houbám a plísním) a insekticidní (proti dřevokaznému hmyzu). Podle způsobu ničení škůdců - preventivní a likvidační (též intenzívní). Řada přípravků má sdružené účinky.
5.3
Základní druhy a typy dřevěných výrobků
Ve stavebnictví se využívají následující dřevařské výrobky: •
lesní spotřební sortimenty (surové dříví),
•
pilařské výrobky (řezivo, přířezy, dýhy),
•
zušlechtěné dřevěné materiály (překližky, laťovky),
•
výrobky z aglomerovaného dřeva,
•
hlavní dřevařské výrobky (stavební dílce, okna).
5.3.1
Lesní spotřební sortimenty
Jsou to výrobky z pokácených stromů a vizuálně zatřiďované nejméně do dvou jakostních tříd. Pro použití ve stavebnictví se člení na: •
výřezy průmyslové (jehličnaté i listnaté), které slouží k výrobě dýh, pro pilařské a pro stavební účely (stavební kulatina) v největších možných délkách a s nejmenším průměrem horního čela 120 mm,
•
sloupovinu, sloupové výřezy, důlní dříví a vláknité dříví,
•
tyče a tyčky s kůrou (jehličnaté) i odkorněné s průměrem měřeným 1 m od dolního čela: o u tyčí 70 až 130 mm, o u tyček 60 mm a méně (plotové paždíky, půlené plotovky, kůly, sloupky),
- 64 (72) -
•
5.3.2
rovnané dříví průmyslové k mechanickému zpracování (dřevěná vlna, vlysky, topůrka, násady) a pro výrobu aglomerovaných dřevodesek. Pilařské výrobky
Řezivo a přířezy jsou to dřevařské z průmyslových výřezů (pilařské kulatiny).
výrobky
vyráběné
na
pilách
Dělí se na: •
neopracované řezivo (mimo řezání není prováděna další úprava dřeva),
•
dřevěné pražce,
•
přířezy, které mohou být i opracované (frézované, hoblované).
Neopracované řezivo může být podle způsobu výroby omítané (s rovnoběžnými nebo nerovnoběžnými boky) a neomítané. Neomítané řezivo má vytvořeny řezáním dvě rovnoběžné plochy a kolmo na ně jsou pilou nedotčené nebo částečně dotčené boky s většími oblinami, než je povoleno pro omítané řezivo. U řeziva se rozeznává vnější plocha (tzv. levá) obrácená směrem k běli a kůře stromu a vnitřní plocha (tzv. pravá) obrácená směrem k dřeni. Běžné délky řeziva jsou ve třech skupinách: do 5 m, do 9 m a větší než 9 m. Jeli délka menší, než 2 m u jehličnatého řeziva, případně menší než 1 m listnatého řeziva, označuje se jako kratina. Podle tvaru příčného průřezu (příp. i jeho plochy A) a se zřetelem na poměr šířky řeziva k jeho tloušťce, se řezivo rozděluje na: •
Deskové řezivo omítané i neomítané, má-li tloušťku do 100 mm a je-li jeho šířka d větší nebo rovna dvojnásobku tloušťky (viz obr. 5.8.)
Obr. 5.8. Pilařské výrobky
- 65 (72) -
Stavební látky
Podle tloušťky se dělí na: o prkna o tloušťce 13 až 38 mm a šířce 300 mm, o fošny o tloušťce 40 až 100 mm a šířce 100 mm až 300 mm, o krajinová prkna o tloušťce do 25 mm (boční neomítané kusy), jejichž levá plocha je po celé délce alespoň dotčena pilou, o krajiny do 25 mm, tj. boční neomítané řezivo, levá plocha je oblá nebo jen místy pilou dotčená. •
Hraněné řezivo pravoúhlého příčného průřezu o ploše A. Jedná se o: o hranol, je-li A> 100 cm2 (nejmenší 100/120, největší 180/250 mm), o hranolek, je-li 25 cm2 ≤ A ≤ 100 cm 100/100).
2
(75/75, 75/100 a
o Latě a lišty hraněného řeziva. Jsou to:
•
•
lať, je-li 10 cm2 ≤ A ≤ 25 cm 2,
•
lišta, je-li A < 10 cm2.
Polohraněné řezivo, t j. dvojstranně řezané řezivo, s oblými boky. Dělí se na: o polštáře, je-li t ≤ 100 mm, b1 ≥ 50, b = d. Vyrábí se v tloušťkách 60, 75 a 100 mm, o trámy, je-li t > 100 mm, b1 ≥ 2/3 . t . Trojstranně řezaný trám se nazýval podval.
Dřevěné pražce Proti neopracovanému řezivu mají navíc rozhodující rozměry ložné šířky b2 (dolní ) a úložné šířky b1 (horní). Musí být navzájem rovnoběžné plochy s ploškami pro podkladnice. Jsou řezané buď dvoustranně (tvar B) nebo čtyřstranně (tvar A). Bukové pražce musí být zajištěny proti koncovým trhlinám (opáskování). Vyrábí se jako pražce příčné normální, příčné excentrické a vyhýbkové.
Přířezy Vyrábí se ve sjednané jakosti jako hrubé (tj. jako řezivo) a opracované (hoblované, frézované), které se používají pro výrobu nábytku a dále na vlysy a spárovky.
- 66 (72) -
Dýhy Jsou to výrobky tvořící základní polotovar pro výrobu překližkových desek, dýhových vrstvených materiálů a pro povrchové úpravy konstrukčních a nábytkových desek. Získávají se centrickým a excentrickým loupáním průmyslových výřezů, krájením hranolů nebo řezáním. Mají výraznou nebo nevýraznou texturu (fládr). Vyrábějí se v tloušťkách od 0,25 do 5 mm krájením nebo loupáním a do 10 mm řezáním. Jsou známy i mikrodýhy v tloušťkách od 0,06 do 0,12 mm. Šířka dýhy je 100 až 200 mm, délka ve směru vláken 500 až 1800 mm. 5.3.3
Zušlechtěné dřevěné materiály
Jsou to dřevěné prvky, jejichž dřevo bylo fyzikálním, chemickým nebo biologickým způsobem ošetřeno tak, aby se upravily jeho vlastnosti pro určité použití. Překližky a překližkové desky Překližky jsou vyráběny slepením dvou, tří i více vrstev dýh, s kolmým překřížením směru vláken. Překližkové desky jsou vytvořeny slepením sedmi nebo více dýh s předepsaným směrem dřevních vláken sousedních vrstev. Jsou truhlářské v tloušťkách 3 až 12 mm, obalové (většinou vodovzdorné, pro některé účely zdravotně nezávadné), stavební vodovzdorné (7,9 a 11 vrstvé bukové, zpravidla 15 mm tlusté o rozměrech základního formátu 1200 x 1200 mm, pevnost v ohybu min. 40 MPa podél a 15 MPa napříč vláken, s expediční vlhkostí 8 až 12 %, objemovou hmotností 680 až 780 kg.m-3, lepené nejčastěji trikresolformaldehydovou pryskyřicí), letecké, speciální (s foliemi papíru, kovu aj.), JIKO desky a tvarové (nábytkové). Laťovky Jsou obvykle tří až pětivrstvé konstrukční desky, u nichž se mezi dvě vnější dýhy nebo překližky vkládá tlustý střed vytvořený slepením latí. Jejich základní formáty tloušťky jsou od 16 do 35 mm, šířky od 620 do 1220 mm, délka 1550 až 2440 mm (mezimíry od 400 do 2440 mm po 50 mm). Používají se jako velkoplošné konstrukční desky na dveře, příčky, stěny ap. Vrstvené dřevo zhuštěné Vyrábí se slisováním dýh impregnovaných syntetickými, obvykle fenolickými pryskyřicemi. Má vysokou pevnost v tahu 225 MPa, v tlaku 166 MPa, v ohybu 235 MPa, ve smyku 15,7 MPa, modul E = 21,5 GPa, λ = 0,255 W m-1.K-1.
5.3.3.1 Desky z aglomerovaného dřeva Vznikají spojením rozdělené dřevní nebo i příbuzné hmoty (část třísek, vláken a pod.) pryskyřičnými, minerálními nebo ve vlastní hmotě aktivovanými pojidly a výrobou daných tvarů, velkoplošné konstrukční a odkladové desky, tepelně a zvukově izolační desky, tvarové výlisky a pod. Využívá se při tom dřevěného odpadu (využití dřeva na 75 až 95%). Nejdůležitější výrobky jsou:
- 67 (72) -
Stavební látky
• dřevotřískové desky vyráběné z čistých vytříděných třísek slepených močovinovými nebo fenolformaldehydovými pryskyřicemi a slisováním na tloušťku 6 až 25 mm do deskových formátů. Vyrábí se i orientované třískové desky s třískami uloženými do požadovaného směru, vícevrstvé třískové desky a třískové desky vylehčené průběžnými kruhovými dutinami, • dřevovláknité desky odvodněním rozvlákněné dřeviny s využitím vlastního aktivovaného pojiva za přidání parafinu nebo pryskyřice k zvýšení vodovzdorovitosti. Podle lisovacího tlaku se dělí na nelisované, měkké, izolační (tepelně i zvukově, např. akuplat), v tloušťkách 10, 12,5 , 15 a vyjímečně 20 mm ( ρv = 350 kg.m-3) a lisované konstrukční, středně tvrdé (ρv = 350 až 800 kg.m-3) o tloušťkách 3,3 a 5 mm. U obou typů je šířka 1220 mm, délka 1830, 2440, 2745, 3660 a pro lisované i 5490 mm. U jednostranné hladké vláknité desky je na jedné lisované ploše charakteristický otisk do sítě, druhá plocha je hladká a lesklá. V Sušicích se vyrábí tzv. Sololit (Sololak s lakovaným povrchem) ve Smrečině Smrekolit (Smrekolak), v Bučině Bukolit. Měkkým deskám se říká hobradesky. Mimo to se vyrábí oboustranně hladké dřevovláknité desky konstrukční a tvrdé o rozměrech 1200/2200/3,3 mm, • pilinotřískové a pazderové desky z tříděných a vysušených jehličnatých pilin s příměsí třísek, hoblin nebo pazdeří za lnu nebo konopí, které se pojí xylenovým resolem, syntetickým nebo jiným pojivem a lisují se do tvaru konstrukčních desek (např. Jespil) o rozměrech 1200/2100/10 (15,17) mm, • dřevoplastové výlisky se vyrábějí z jehličnatých pilin (44 až 47%), xylenolformaldehydového rosolu (40%) litoponu (12 až 15 %) a vosku (1%), lisují se do potřebných tvarů (desky, tvarové výlisky) a tepelně se vytvrdí (např. dovážený Wersalit), • kůrové desky se vyrábí obdobně jako měkké dřevovláknité desky z kůr a jehličnatých dřevin, drenážní látky (piliny, vlákna) a parafinu. Používají se jako izolační desky, • heraklit - jsou tepelně i akusticky izolační desky o rozměrech 2000/500/25 až 100 mm z dřevité vlny (mineralizované vodním sklem aj.) spojené cementovou kaší. Používají se na obklady, příčky, nehodí se však do prostředí s velkou vlhkostí. Vnitřní obkladové desky s povrchovou PVC úpravou se nazývají Rajolit, • lignátové desky se vyrábí z cementu, hašeného vápna , buničiny, odpadového papíru s přísadou anorganických plniv (azbest, vodní sklo, strusková vlna). Jsou téměř nehořlavé. Používají se na obklady stěn, stropů, mezistěn a pod. V kombinaci s měkkou dřevovláknitou deskou vzniká Lignoplast, • cementotřískový panel se vyrábí z tříděných impregnovaných dřevěných třísek pojených portlandským cementem, případně vyztužený ocelovou výztuží a oplastovaný lignátovými deskami. Základní rozměry jsou: tloušťka 70 mm, šířka 600 mm a délka 2000 až 3100 mm (po 50 mm). Používá se jako stavební dílec pro lehké montované stavby, • laminované dřevotřískové a pazderové desky s povrchovou úpravou laminováním (impregnovaný papír, Umacart).
- 68 (72) -
5.4
Dřevo pro konstrukční účely
Jestliže není stanoveno jinak, musí rozměry a jakost dřeva na stavební konstrukce a jeho ošetření při dopravě a skladování odpovídat ČSN 49 1010 až ČSN 49 1012, ČSN 49 1111, ČSN 49 1212, ČSN 49 1503, ČSN 49 1520, ČSN 48 0050, ČSN 48 0055. Z hlediska jakosti dřeva se na dřevěné konstrukce používá dřevo zvlášť vybrané a tříděné dle ČSN 49 1531. Třídění dřeva se provádí vizuální kontrolou, případně měřením každého prvku se zřetelem na polohu, rozměry a druh suků, odklon vláken od podélné osy a rozsah ostatních vad. Doporučené použití tříd pevností je závislé na způsobu namáhání a druhu nosných prvků a je stanoveno v ČSN 73 1701 - tab.5. 4. Tab. 5.4 - Hodnoty výpočtových pevností dřeva v MPa dle ČSN 73 1701
Způsob namáhání
ohyb tah podél vláken tah kolmo k vláknům tlak podél vláken tlak kolmo na vlákna (na celou plochu) smyk podél vláken při ohybu smyk kolmo na vlákna (střih) smyk při kroucení
Výpočtové pevnosti dřeva v MPa Jehličnaté dřevo (smrk, Dub, buk jedle, borovice) Jakostní třída dle ČSN 49 1531 Deskové a hraně- Lepené lamelové né řezivo prvky SI SII SA SB SC 12,0 9,0 18,0 15,5 14,0 10,0 7,0 15,5 14,0 11,0 0,2 0,2 0,3 0,3 0,3 12,0 8,0 15,0 14,0 13,0 1,8 1,8 1,8 1,8 1,8
SI 15,0 13,0 0,6 14,0 3,0
1,2 6,0 2,5
1,5 9,0 4,0
0,9 6,0 2,5
1,6 6,0 2,5
- 69 (72) -
1,6 6,0 2,5
1,6 6,0 2,5
Stavební látky
5.5
Kontrolní otázky 1) Je dřevo izotropní nebo anizotropní materiál?. 2) Pro které dřeviny jsou z hlediska mikroskopické skladby charakteristickým skladebným prvkem tracheidy? 3) Pro které dřeviny jsou z hlediska mikroskopické skladby charakteristickým skladebným prvkem hydrocyty? 4) V jakém směru jsou uspořádána dřevní vlákna tvořená buňkami? O jaké buňky se jedná? 5) Co je to dřeňový paprsek? 6) Jaké jsou základní prvky z hlediska makroskopické stavby dřeva? 7) Definujte pojem „dřevo“. 8) Definujte pojem „dřevina“. 9) Definujte pojem „strom“. 10) Jaké jsou základní výhody dřeva jako stavebního materiálu? 11) Jaké jsou základní nevýhody dřeva jako stavebního materiálu? 12) Do jakých skupin dělíme dřeviny? 13) Jaké jsou roviny pružné symetrie dřeva? 14) Jaké jsou směry pružné symetrie dřeva? 15) Jak ovlivňuje vlhkost mechanické vlastnosti dřeva? 16) Jak ovlivňuje objemová hmotnost mechanické vlastnosti dřeva? 17) Jak dělíme výrobky ze dřeva dle tvaru příčného řezu? 18) Jaké jsou základní jakostní třídy deskového a hraněného řeziva jehličnatého dřeva? 19) Jaké jsou základní jakostní třídy lepených lamelových prvků jehličnatého dřeva?
5.6
Korespondenční úkol
Z jakých druhů dřeva a konstrukčních prvků navrhnete: a) dřevěný trámový strop, b) krov obytného domu, c) velkorozponový .nosník zastřešení sportovní haly.
- 70 (72) -
5.7
Autotest
Zpracování odpovědí na kontrolní otázky Správné odpovědi v „klíči“.
5.8
Závěr
Dřevo je jedním z tradičních stavebních materiálů používaných ve stavebnictví. V současnosti je z hlediska konstrukčního aplikováno především na konstrukce krovů (hraněné řezivo) a velkorozponových nosníků (lepené lamelové prvky). Při posouzení stávajících konstrukcí obytných budov je dřevo základním materiálem stropních konstrukcí. 5.8.1
Shrnutí
V kapitole (…..Dřevo) je popsána základní charakteristika dřeva z hlediska makroskopického i mikroskopického. Podrobným popisem základní strukturální stavby dřeva je sledována snaha o pochopení základních charakteristik tohoto stavebního materiálu – nehomogenita, anizotropie a hygroskopicita. V kapitole je podán základní přehled dřevin a jejich fyzikálně mechanických vlastností, výrobní sortiment prvků používaných ve stavebnictví a doporučené hodnoty výpočtových pevností dřeva dle ČSN 73 1701.
5.9
Klíč
5.9.1
Ke kontrolním otázkám
1) Dřevo je anizotropní materiál (v různých směrem má různé hodnoty sledovaných fyzikálně mechanickcýh parametrů). 2) Tracheidy jsou z hlediska mikroskopické skladby základním charakteristickým skladebným prvkem jehličnatých dřevin, kde tvoří až 95% objemu dřevní hmoty. 3) Hydrocity jsou z hlediska mikroskopické skladby základním charakteristickým skladebným prvkem listnatých dřevin, kde tvoří až 75% objemu dřevní hmoty. 4) Buňky tvoří dřevní vlákna, která jsou uspořádána zpravidla rovnoběžně s osou dřeviny. Diagonálně nebo točivě odkloněná vlákna jsou příčinou nižší pevnosti, nepravidelné sesýchavosti, bortivosti a obtížné obrobitelnosti. 5) Dřeňové paprsky jsou pletiva skládající se z horizontálně uspořádaných buněk.
- 71 (72) -
Stavební látky
6) Letokruhy (jarní a letní dřevo), jádro, běl, vyzrálé dřevo, suky dřeňové paprsky. 7) Dřevo je rostlinné pletivo, ve kterém buněčné stěny obsahují lignin. 8) Dřevina je rostlina, u které je převážná část pletiv lignifikována. 9) Strom je dřevina vyššího až vysokého vzrůstu s nerozvětvenou hlavní osou ve spodní části a v horní části s rozvětvenými postranními osami tvořícími korunu. 10) Dřevo má velmi dobrou pevnost při malé objemové hmotnosti, malou tepelnou vodivost, je lehce opracovatelné. 11) Podléhá biologickým a živočišným škůdcům, atmosférickým vlivům, je hořlavé a mění svůj tvar s vlhkostí. 12) Dřeviny se rozdělují do dvou skupin – jehličnaté a listnaté. 13) Rovina transverzální, radiální a tangenciální. 14) Směr podélný, příčný radiální a příčný tangenciální. 15) Při zvyšování vlhkosti dřeva do meze nasycení vláken (cca 30%) se zhoršují jeho mechanické vlastnosti. 16) Se zvyšující se hodnotou objemové hmotnosti se zvyšují jeho mechanické vlastnosti. 17) Deskové řezivo (prkna a fošny), hraněné řezivo (hranoly a hranolky), polohraněné řezivo, výřezy pro stavební účely (sloupy, piloty). 18) SI (výpočtová pevnost v ohybu 12 MPa). SII (výpočtová pevnost v ohybu 9 MPa). 19) SA (výpočtová pevnost v ohybu 18 MPa). SB (výpočtová pevnost v ohybu 15,5 MPa). SC (výpočtová pevnost v ohybu 14 MPa). 5.9.2
Korespodenční úkol
a) Dřevěný trámový strop bude navržen z hraněného řeziva SI (hlavní nosné trámy). b) Jednotlivé dřevěné prvky plných i jalových vazeb krovu budou navrženy z hraněného řeziva SI. c) Velkorozponový nosník zastřešení sportovní haly bude navržen z lepeného lamelového prvku třídy SA.
- 72 (72) -
