Základní aspekty tradiční výroby vápna – výběr surovin a výpal Jan Válek – Josef Jiroušek – Tomáš Matas – Eveline van Halem – Jiří Frankl Abstrakt Cílem výzkumu je popsat vliv výběru surovin a výpalu vápna v tradiční peci na kvalitu vápna z technologického hlediska. Výzkum je založen na experimentálním provozu malé vápenné pece, výrobě vápna tradičními způsoby, materiálovém studiu produkovaných vápenných pojiv a jejich zkušebním použití. Vápno a jeho kvalita se bez možností analýz a zkoušek v minulosti rozlišovalo hlavně na základě praktických poznatků. Pokud bylo k dispozici více surovinových zdrojů, rozlišovalo se vápno podle místa zdroje. Při ruční těžbě docházelo i k výběru surovin podle jejich využití. Tradiční způsob výpalu je v peci, kde se z vápencových kamenů staví klenba vymezující prostor ohniště, ve kterém se topí dřevem. Z pecí, kde je odděleno ohniště od vsázky vápence, je produkováno velmi kvalitní a čisté vápno. To je ale nutno vytřídit. Výzkumy tradičních vápenných technologií a zkušenosti s experimentální výrobou pomáhají interpretovat materiálové analýzy, stanovují správné technologické postupy a přispívají k zachování řemeslných znalostí. Abstract Basic Aspects of Traditional Lime Production – Selection of Raw Materials and Lime Burning The research describes the influences of selection of raw materials and production in traditional lime kiln on quality of lime from the technological point of view. It is based on an experimental production of lime in a traditional kiln, studies of produced limes and their trial applications. Lime and its quality used to be distinguished based on experiences with its application in the past. If more than one type of limestone was available the produced lime was characterised by the specific source of raw material. Hand quarrying allowed a specific selection according to required uses. Traditional lime production is carried out in a kiln where a limestone dome is built to create a fireplace to which wood is stoked in regular intervals. Kilns which have a separated wood burning from limestone produce limes of the best quality. However, such lime needs to be hand sorted. The research on traditional lime technologies and experiences with the experimental production help to interpret material analyses, establish correct technological procedures and contribute to preservation of traditional skills and crafts.
1. Úvod Vápenné stavební technologie jsou známy z archeologických dokladů a písemností již od starověku. 1) Významné rozšíření vápenných technologií nastalo v době římské. Rozšíření do střední a severní Evropy pak lze sledovat v raném středověku především v souvislosti s církevními misiemi a křesťanskou architekturou. Přibližně od konce 8. století tak započal kontinuální rozvoj vápenných stavebních technologií, které známe
strana 67–76 Klíčová slova Vápno, vápenná pec, vápenné technologie, tradiční výroba vápna, experimentální výroba vápna.
Key words Lime, lime kiln, lime technologies, traditional lime production, experimental lime production.
v současnosti. Tento technologický vývoj probíhá u nás po více než tisíciletí a lze ho pozorovat i v době nedávné, kdy během posledních cca 50 let takřka skončila stavební příprava vápenných malt. Z hlediska tradičních vápenných technologií jsou podstatné způsoby výroby vápna používané do rozšíření průmyslové produkce cca v polovině 19. století. Zprůmyslnění výroby znamenalo kompletní změnu výrobních procesů založenou na chemicko-technologickém poznání a masové
1) M. P. Vitruvius, Deset knih o architektuře. Praha 2001.
SVORNÍK 12/2014
67
JAN VÁLEK – JOSEF JIROUŠEK – TOMÁŠ MATAS – EVELINE VAN HALEM – JIŘÍ FRANKL: Základní aspekty tradiční výroby vápna – výběr surovin a výpal
strana 67–76
hašení, skladování, míchání malty a aplikace jsou základní technologické kroky, které ovlivňovaly a ovlivňují kvalitu a vzhled vápenných malt a omítek. Na oblast vápenných technologií se zaměřil výzkumný projekt „Tradiční vápenné technologie a jejich využití v současnosti“, který se snaží poskytnout technickou podporu používání vápna pro opravy historických objektů. 3) Projekt se danou problematikou zabývá poměrně zevrubně s cílem nabídnout alternativu k maltám a vápenným pojivům, které jsou běžně vyráběny v současnosti a neodpovídají historickým předlohám. Výzkum tradičních vápenných technologií je založen na experimentálním provozu malé vápenné pece (obr. 1), výrobě vápna tradičními způsoby, materiObr. 1) Periodická experimentální vápenná pec. Klenba odděluje ohniště od kamene. Topí se dřevem álovém studiu produkova(foto J. Válek 2014). ných vápenných pojiv a jejich zkušebním použití. Projekt též využívá poznatky z analýz historických malt produkci víceméně normalizovaného materiálu. a omítek, archeologických nálezů a archivních doTisícileté řemeslné a empirické znalosti výroby kumentů. V experimentální peci bylo od roku 2012 vápna se staly nevyužitelnými a byly pozvolna zaprovedeno 18 výpalů vápna ze surovin z různých pomenuty. lokalit v České republice. Studium historických malt a omítek ukazuje, že již od raného středověku se používaly kvalitní ma2. Základy technologie výroby vápna teriály, které dokázaly plnit požadované funkce, Vypálením vápence se získá vápno. Chemické jako zdicí malty, omítky, mazaniny či podlahy a nasložení vápence a zejména obsah uhličitanu vápevíc též vykazovaly velmi dobrou kvalitu a trvanlinatého (CaCO3) je určujícím parametrem při výběvost. Tyto historické malty a omítky se liší od těch ru této suroviny. Čistý vápenec, uhličitan vápenadnešních. Často obsahují hrubší pojivové částice, tý, se v přírodě vyskytuje pouze ojediněle, jelikož kusy špatně rozmíchaného pojiva anebo nedopalu 2) vápence většinou obsahují i příměsi jílu, dolomitu a svou mikrostrukturou jsou též odlišné. Jedním či písku. Vápence obsahující vysoké procento uhz důvodů jejich odlišnosti je technologie výroličitanu vápenatého (nad 90 %) se využívají pro by a zpracování. Způsob výpalu vápna, doprava, 2) J. Válek – A. Zeman, Lime particles in hot mixed mortars: characterisation and technological links, in: 12th Euroseminar on Microscopy Applied to Building Materials, Dortmund 2009, s. 341–350. 3) „Tradiční vápenné technologie a jejich využití v současnosti“, stránky projektu www.calcarius.cz (navštívené listopad 2014).
68
SVORNÍK 12/2014
strana 67–76
JAN VÁLEK – JOSEF JIROUŠEK – TOMÁŠ MATAS – EVELINE VAN HALEM – JIŘÍ FRANKL: Základní aspekty tradiční výroby vápna – výběr surovin a výpal
výrobu vzdušných vápen neboli též vápen bílých. Vápence dolomitické, bohaté na hořčík, se používají pro výrobu vzdušných vápen dolomitických. Vápence vhodné pro výrobu přirozeně hydraulických vápen mají většinou pod 85 % uhličitanu vápenatého (CaCO3) a obsahují oxidy křemíku, hliníku a železa (SiO2, Al2O3 a Fe2O3) v různých poměrech. Specifické přírodní složení a rozmístění zmíněných oxidů v hornině určuje využitelnost vápence pro výrobu vápna a následně pak jeho užitné kvality jako pojiva. V pecích dochází při zahřátí vápenců nad cca 900 °C k rozkladu uhličitanu vápenatého na oxid vápenatý (CaO) a oxid uhličitý (CO2), který odchází skrze nově vytvářenou porézní strukturu do okolního prostředí. Obsahuje-li vápenec navíc oxidy křemíku, hliníku a železa, pak tyto složky reagují během výpalu s oxidem vápenatým a vytváří společně různé fáze hydraulických sloučenin v závislosti na podmínkách výpalu. Základem využití vápna jako pojiva je jeho rozložení na malé pojivové částice. Pálené vápno, respektive oxid vápenatý (CaO) při kontaktu s vodou reaguje. Při této reakci dochází k uvolňování tepla a rozpadu páleného kusového vápna na velmi malé částice, řádově od desítek nanometrů po jednotky micrometrů a větší. Velikost těchto částic závisí na způsobu hašení. Obecně platí, že čím jemnější částice, tím větší plochu může pojivo obalit. V tradičním využití vápna jako pojiva ale u většiny staveb nebyla jemnost částic jediným zásadním kritériem. Malty byly v minulosti připravovány přímo z nehašeného vápna a procesy hašení vápna, uskladnění vápna s pískem a příprava malty byly různě spojovány a vzájemně kombinovány. Při takovýchto postupech byla velikost částic vápna druhotná, jelikož šlo zejména o co nejekonomičtější zpracování vápna v daných podmínkách. Naopak pro malby, sgrafita, jakostní omítky a štuky bylo potřeba velmi jemné a kvalitní vápno. Pro tyto účely bylo tak vhodné využívat vzdušná vápna hašená za mokra, neboli v nadbytku vody. U vzdušných vápen je reaktivita páleného vápna a průběh reakce (hašení) významným faktorem určujícím velikost jeho částic. Tato reaktivita je
ovlivněna zejména výší dosažené teploty během výpalu a dobou vystavení vápence této teplotě ve vztahu k velikosti vypalovaných kamenů. Na jemnost částic má tak zásadní vliv způsob výpalu a proces hašení. Obecně lze říci, že nižší teploty výpalu (měkce pálená vápna) vedou k rychlejší reaktivitě a rozpadu na jemnější částice. V tradiční vápenické praxi je ale situace výrazně složitější, jelikož proces hašení je značně ovlivněn i množstvím, kvalitou, teplotou a dávkováním vody, způsobem míchání, velikostí kusového vápna ve vztahu k jeho reaktivitě a dalšími faktory. Také vliv výpalu na kvalitu vápna má u tradičních technologií svá specifika, která jsou zmíněna níže. Další fází zlepšování kvality hašeného vzdušného vápna je jeho uležení ve vápenných jámách. To zajišťuje dohašení nerozhašeného pojiva, oddělení těžších částic sedimentací, odvodnění vápenného pojiva v relativně krátké době několika dní. Dlouhodobým efektem uležení je pak zlepšení jemnosti, vaznosti a plasticity vápenných kaší. Současná materiálová věda však neumí přesně stanovit míru přeměny vápna vlivem zrání. Probíhající změny se běžně popisují jako morfologické změny krystalů hydroxidu vápenatého a jejich rozpadu na ploché hexagonální krystalky za přítomnosti molekul vody, které je spojují a vytváří společně hydrogel. 4) U hydraulických vápen je reaktivita ovlivněna množstvím tzv. aktivního vápna (CaO), tedy volného vápna, které reaguje s vodou. Pro vyhašení hydraulického vápna se uvádí jako minimální okolo 10–15 % aktivního vápna (měkce páleného). 5) Hašení oproti vzdušným vápnům probíhá výrazně pomaleji. U hydraulických vápen je potřeba též počítat s výrazným podílem (okolo 30–50 %), který nelze hasit. Hašení hydraulického vápna se tradičně provádělo spolu s pískem, popř. se hasilo kropením ve vrstvách na prach. Zásadním rozdílem mezi vzdušným a hydraulickým vápnem je jeho tvrdnutí. Vzdušné vápno po aplikaci tvrdne zpětným přijímáním oxidu uhličitého z okolní atmosféry, tzv. karbonatací. Hydraulická vápna mají schopnost tuhnout a tvrdnout pod vodou. Přítomné hydraulické sloučeniny ve
4) K. Elert – C. Rodriguez–Navarro – E. S. Pardo – E. Hansen – O. Cazalla, Lime Mortars for Conservation of Historic Buildings, Studies in Conservation 47, 2002, s. 62–75. 5) S. R. Boynton, Chemistry and Technology of Lime and Limestone. John Wiley & Sons, Inc., 1980.
SVORNÍK 12/2014
69
JAN VÁLEK – JOSEF JIROUŠEK – TOMÁŠ MATAS – EVELINE VAN HALEM – JIŘÍ FRANKL: Základní aspekty tradiční výroby vápna – výběr surovin a výpal Počet Ztráta SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO vzorků žíh.
strana 67–76
objemu až 3,5× a tvrdnou pouze na vzduchu. Rychle se hasí a lze je dlouhodobě Čertovy schody kopaninské v. 35 34,7 13,2 3,7 2,5 42,9 1,6 76,6 skladovat (jako vápennou přídolské v. 42 38,1 12,4 3,5 2,4 40,8 1,8 72,9 kaši). Oproti tomu přirozeradotínské v. 51 38,4 9,6 1,5 1,2 46,8 1,03 83,6 ně hydraulická vápna jsou kotýské v. 46 40,5 6,1 1,2 0,8 49,5 1,1 88,4 zbarvena dle přítomných kosořské v. 59 40,1 5,6 1,4 0,8 50,2 0,8 89,6 jílů a oxidů železa do světle spodní koněpruské v. 1156 43,1 0,6 0,4 0,2 54,4 0,7 97,2 okrové či béžové barvy. Posvrchní koněpruské v. 1231 43,4 0,3 0,2 0,1 55,5 0,4 98,5 dle množství přítomných Kosoř Hvížďalka hydraulických minerálů radotínské v. 13 34,6 17,4 2,0 1,1 42,7 1,1 76,2 tvrdnou za vlhka i pod vokosořské v. 27 39,8 6,0 1,4 0,9 49,5 1,1 88,3 dou. Po vyhašení je ale neslivenecké v. 58 38,8 5,0 1,5 0,8 47,4 1,8 84,6 lze dlouhodobě skladovat. řeporyjské v. 62 37,2 8,8 2,7 1,3 45,7 1,3 81,5 dvorecko-prokopské v. 1044 34,2 16,2 3,3 1,4 41,5 1,3 74,1 Přirozená přírodní škála zlíchovské v. 16 37,4 11,9 1,6 1 45,7 1,2 81,5 složení poskytovala celou řadu vápen, která byla Tab. 1 Průměrné složení vápenců z lomů Čertovy schody a Hvížďalka (J. Válek 2014). i velmi slabě hydraulická. Spolehlivým označením bez znalostí chemie tedy bylo místo původu, případně se vápno mohlo nastyku s vodou hydratují, a vznikají tak pevné a trzývat dle vápeníka, který vápno dodával. Názvy vanlivé vazby pojící plnivo malt a omítek. jako Pasta di Praga či Staroměstské vápno byly pozdějším zobecněním určitého druhu vápna 3. Výběr surovin a ještě později byly využity jako obchodní značky. Výběr surovin pro výrobu vápna byl dán geoloZnámé staropražské či staroměstské vápno pogickým výskytem v dané lokalitě. Zjednodušeně chází údajně z branické skály v Praze. 6) Zde jsou lze říci, že ve vzdálenosti do 40 km se na území výchozy dvorecko-prokopských vápenců, ze kteČeské republiky vždy nějaká vhodná surovina rých lze vyrobit slabě až silně hydraulická vápna. nacházela. Na mnohých místech se jednalo spíše Naopak například koněpruské vápence mohly být o kratší vzdálenosti. Výběr surovin byl ale omezesurovinou pro výrobu bílého vzdušného vápna. nější. Kromě dostupnosti kamene a jeho přepravy Pro srovnání je zde uvedeno chemické složení váje nutné vzít v úvahu i náročnost jeho získávání. Ve penců ze dvou známých a v současnosti těžených starších dobách využívali lidé přirozené odkryvy ložisek v blízkosti Prahy (tab. 1). V tabulce jsou a výchozy nebo sbírali suroviny z povrchu a řečišť. uvedena průměrná složení všech vápencových Ruční těžba upřednostňovala popraskané a snadvrstev v lomu. Nejvýznamnější dobývané vápenno těžitelné vrstvy hornin. cové vrstvy jsou označeny. Vápno a jeho funkční vlastnosti se bez možnosPři hledání historických surovinových zdrojů tí analýz a zkoušek rozlišovalo hlavně na základě si je nutné uvědomit, že ve většině případů nelze praktických poznatků. Pokud bylo k dispozici více konkrétní místo historické těžby nalézt, jelikož již surovinových zdrojů, rozlišovalo se vápno podle bylo vytěženo. I v případě existence stejného lomu místa zdroje, tedy lomů či jejich částí. Hlavní roza stejné geologické vrstvy se může jednat o chedělení z pohledu dnešní klasifikace je na vápno micky odlišnou surovinu oproti té, která byla v mivzdušné, z čistých vápenců a vápno hydraulické. Je nulosti využívána. V současné době se těžba surovelmi pravděpodobné, že takovéto základní rozděvin koncentruje do velkých lomů, které sahají do lení existovalo i v minulosti, jelikož se jedná o velhloubky i několika stovek metrů od povrchu, tedy mi výrazně rozdílná vápenná pojiva. Vzdušná vápdaleko od míst, kam bylo možné se dostat historicna jsou převážně jasně bílá, při hašení nabývají na Vrstva - hornina
6) J. Hošek – J. Muk, Omítky historických staveb. Praha 1989.
70
SVORNÍK 12/2014
CaCO3
strana 67–76
JAN VÁLEK – JOSEF JIROUŠEK – TOMÁŠ MATAS – EVELINE VAN HALEM – JIŘÍ FRANKL: Základní aspekty tradiční výroby vápna – výběr surovin a výpal
kou těžbou. Při ruční těžbě docházelo i k výběru surovin dle místních zkušeností s jejich vhodností pro výrobu vápna nebo pro jiné zpracování. Ruční práce a lámání kamene skalníky umožňovala vytřídění nevhodných kusů či výběr vhodných pozic u různorodých surovinových zdrojů. S výskytem a výběrem surovin souvisí i poloha pecí. Vápenky se často vyskytovaly u surovinového zdroje, popř. při cestě od lomu po směru další dopravy. Snižovaly se tím nároky na dopravu těžkého kamene (výpalem vápenec ztratí až 44 % své hmotnosti). Zároveň s dopravou byl třeba vyřešit dostatek paliva, tedy dřeva, kterého bylo povětšinou u lomů více než v hustěji osídlených místech. Vypálené vápno se pak dále rozváželo dle odbytu. Například do míst, kde nebyla v bezprostřední blízkosti vhodná kvalitní surovina. Pro stavbu hradeb královského města Rakovník se na začátku 16. stol. dováželo vápno z Prahy a dalších lokalit. 7) V takovýchto případech mohla být kvalita vápna značně ovlivněna přepravou, způsobem uskladnění. Navíc velmi pravděpodobně docházelo k předzásobení vápnem před stavební sezónou, což znamenalo i vyšší nároky na uskladnění vápna. Vápenné pece vznikaly též u všech větších stavebních aktivit a sídelních center. 8) Vyžadovala-li to situace, nebyl problém postavit vápenku i přímo v centru města. Například v Norimberku byly v 15. století dočasně postaveny dvě přídavné pece přímo na náměstí. 9) Jak uvádí Suchý, v Praze ve 14. stol. existovalo vápenické centrum přímo u brány sv. Štěpána. 10) Důležitým byl přístup k Vltavě, jelikož tudy se dopravoval kámen z lomů po proudu od skalníků a též poměrně značné množství dřeva pro výpal. V takovéto pražské vápence mohl být kámen pálen dle konkrétní objednávky. Vápno mohlo být také páleno i z více surovinových zdrojů najednou. Popřípadě mohlo dojít ke smíchání různého páleného kusového vápna.
Obr. 2) Periodická vápenná pec. Vápenec zaklenuje topeniště. Topí se dřevem (M. Hassenfratz 1825).
4. Tradiční vápenné pece Tradiční výrobu vápna je obtížné shrnout do jednotného typu pece či způsobu výpalu, jelikož existuje mnoho historických variant výpalu vápna, které lze považovat za tradiční. Jedním ze základních historických typů výpalu je způsob, kdy se z vápencových kamenů postaví klenba vymezující prostor ohniště, ve kterém se postupně topí dřevem, popř. alternativním palivem. Technologickým vývojem došlo k uzavření vápence do prostoru pece umožňující efektivnější využití prostoru, lepší kvalitu kontroly a navýšení množství vsázky, a tedy i zvýšení výkonu výroby a její efektivity. Tímto způsobem bylo vápno páleno v době Římské říše. 11) Výhodou takovéhoto způsobu pálení vápna je oddělení paliva od vápence. Obr. 2 ukazuje vápennou pec na dřevo kruhového půdorysu. Nákres je převzat z francouzské příručky z počátku 19. stol. 12) Spolu s tímto způsobem výpalu postupně nabyl na významu i druhý způsob. V tomto případě se
7) A. Nachtmannová, Stavební činnost v Rakovníku v letech 1515–1530 ve světle rakovnické knihy počtů, in: Rakovnický historický sborník, I /2000, Rakovník 2000. 8) M. Suchý, Vápno, katedrála sv. Víta a pražští vápeníci v pozdním středověku. Výpověď písemných pramenů. in: Archaeologia historica 39, 2014, s. 349–363; M. Ebel, Vápno a jeho výroba do poloviny 19. století (Pokus o chronologii podoby vápenek na základě historických plánů), Svorník, 2014, v tisku. 9) C. Marinowitz – C. Neuwald–Burg M. Pfeifer, Historic documents in understanding and evaluation of historic lime mortars, in: J. Válek – J. J. Hughes – C. J. W. P. Groot (ed.), Historic mortars. Characterisation, Assessment and Repair, Springer 2012, s. 15–24. 10) M. Suchý, op. cit. v pozn. 6. 11) J. P. Adam, Roman Buildings – Materials and Techniques. Routledge 1994. 12) M. Hassenfratz, Traité théorique et pratique da l’art de calciner la pierre calcaire. Paris 1825.
SVORNÍK 12/2014
71
JAN VÁLEK – JOSEF JIROUŠEK – TOMÁŠ MATAS – EVELINE VAN HALEM – JIŘÍ FRANKL: Základní aspekty tradiční výroby vápna – výběr surovin a výpal
Obr. 3) Periodická vápenná pec naplněná směsí kamene a paliva (M. Hassenfratz 1825).
Obr. 4) Částečně vypálené vápno (foto J. Válek 2014).
strana 67–76
vápenec vložil do pece rovnou ve směsi s palivem. Po zapálení došlo k postupnému vyhoření paliva směrem nahoru a tím výpalu vápence. Jako palivo bylo možné použít i uhlí nebo rašelinu, což řešilo místní nedostatek dřeva. Používalo se výhřevnější palivo, které hořelo kratším plamenem, což mělo vliv na tvar a velikost vápenek, jejich plnění, přívody vzduchu a vybírací otvory. Tradiční vápenné pece byly velmi rozmanitou alternací těchto dvou základních způsobů výpalu. Na obr. 3 je řez kruhovou pecí naplněnou vrstvami vápence a paliva. Výroba měla velký vliv na kvalitu vápna a jeho použití. Typ pece byl určen dostupným vápencem, palivem a obecně místními poměry. Z pecí, kde bylo odděleno ohniště od vsázky vápence, bylo produkováno velmi kvalitní a čisté vápno. 13) Historické pece pro výpal dřevem jsou charakteristické nerovnoměrným rozložením tepla a logicky tak dochází i k nerovnoměrnému výpalu. Místa, která nebyla dostatečně prohřívána, byla vápeníkům známa a vápno mohlo být již při vybírání z pece děleno dle kvality výpalu. Zcela zjevný nedopal se pravděpodobně nepoužíval, ale částečně vypálený vápenec si mohl najít své uplatnění. Například v široké hradební zdi. Nejlepší vápno bylo z velkých kamenů ze středu pece. Ruční vybírání páleného vápna z pece umožňovalo jeho třídění dle kvality. Zkušený vápeník mohl na základě váhového rozdílu odhadnout již deseti- až patnáctiprocentní nedopal (u vzdušného vápna). Při pochybnostech byl kus vápna jednoduše rozbit. Nevypálené jádro má barvu velmi podobnou původnímu kameni, vypálená část je většinou světlejší a u čistých vápenců je takřka bílá (obr. 4).
13) M. Wingate, Small–Scale Lime–Burning. A practical introduction, Intermediate technology publications, 1985; C. E. Eckel, Cements, Limes and Plasters. London 1928.
72
SVORNÍK 12/2014
strana 67–76
JAN VÁLEK – JOSEF JIROUŠEK – TOMÁŠ MATAS – EVELINE VAN HALEM – JIŘÍ FRANKL: Základní aspekty tradiční výroby vápna – výběr surovin a výpal
Obr. 5) V horní části pece se uloží drobnější kameny. Během výpalu následuje jejich překrytí většími kameny, které mají zamezit ochlazování horní části vápencová vsázky a úniku tepla (foto J. Válek 2014).
Vápno z pecí se směsným plněním bylo též nerovnoměrně vypáleno. Po naplnění a zapálení byly možnosti regulace procesu hoření v takovéto periodické vápence minimální. Místa, kde k nedopalu docházelo, byla náhodná, a tudíž bylo vápno i hůře tříditelné dle kvality. S výše zmíněným problémem nerovnoměrného rozložení teplot souvisí i výše dosažené teploty a doba jejího udržení. Pro výpal vápence je potřeba teploty nad 900 °C. Doba potřebná k celkovému výpalu kusu vápence se řídí jeho velikostí a výší dosažené teploty. Čím jsou kusy vápence menší a teplota výpalu vyšší, tím je potřeba kratší doba k jejich úplnému vypálení a naopak. Samotný proces výpalu, tedy rozložení vápence a uvolnění vázaného CO2, se děje od povrchu směrem dovnitř kamene. Pro představu, výpal kusů vápen-
ce o velikostech 25 mm a 100 mm v průměru trvá při teplotě 980 °C cca 1,5 a 10,5 hodiny a při teplotě 1150 °C cca 40 minut a 5 hodin. 14) Tento vztah musel být tradičním vápeníkům empiricky znám. Výše dosažené teploty má vliv na vnitřní strukturu vypáleného vápna, která se zároveň mění i s dobou, po kterou je již vypálené vápno vystaveno teplotám nad 900 °C. Vápno pálené při nižších teplotách reaguje rychleji, je tzv. měkce pálené. Při vyšších teplotách výpalu se dosahuje středně až tvrdě páleného vápna, které reaguje pomaleji. Výše teploty výpalu má tak zásadní vliv na technologické vlastnosti nehašeného vápna, jako je reaktivita, měrný povrch, porézní struktura, měrná hmotnost. 15) Poznání těchto závislostí umožňuje dnešní průmyslovou výrobu vápna se specifickými technologickými vlastnostmi, které vyhovují
14) B. Helan – K. Klement, Vápno. Výroba a použití. Praha 1960. 15) J. A. H. Oates, Lime and Limestone, Chemistry and Technology, Production and Uses, Wiley–VCH, Weinheim 1998.
SVORNÍK 12/2014
73
JAN VÁLEK – JOSEF JIROUŠEK – TOMÁŠ MATAS – EVELINE VAN HALEM – JIŘÍ FRANKL: Základní aspekty tradiční výroby vápna – výběr surovin a výpal
strana 67–76
Obr. 6) Jedním za způsobů regulace tahu a zamezení nadměrnému úniku tepla je překrytí horní části vápencové vsázky jílovoslámovou mazaninou (foto J. Válek 2014).
různým dalším průmyslovým odvětvím. U tradiční výroby byly tyto vlivy na technologické vlastnosti vápna určeny typem pece, použitým palivem a způsobem výpalu. Proměnlivé mohly být vnější vlivy jako počasí, popř. míra znalosti a zkušenosti vápeníka. Tradiční a léty ověřené postupy byly zárukou produkce vápna s vlastnostmi, které byly očekávány v navazujícím technologickém řetězci zpracování. Pokusné výpaly v malé vápenné peci ukázaly, že výpal dřevem pod klenbou umožňuje výrobu měkce páleného vápna, které je čisté od popelovin a oproti směsným typům výpalu vápence s palivem u něj nedochází k lokálnímu kontaktnímu přepálení. 16) Výše dosažené teploty je dána použitým palivem (druhem dřeva) a tahovými
podmínkami. V peci je teplota prostorově rozmístěna. Nevyšší teploty jsou pod vápencovou klenbou a podél tahových cest, kde lze ke konci výpalu dosáhnout teplot okolo 1200 °C. Nižší teploty jsou v horní části pece, kde je vápencová vsázka ochlazována okolím, a u paty klenby, kde se teplo šíří velmi pomalu. V tradičním vápenictví existuje celá řada opatření, která se snaží zajistit rovnoměrnější a co možná nejkompletnější výpal celé vápencové vsázky. Obecně jsou poplatné konkrétnímu typu pece. Základní opatření jsou: zakrývání horní vsázky jílovou mazaninou či kameny (hroudí) a vytváření tahových kanálů do méně prohřívaných míst (obr. 5 a 6). Dále je potřeba pec plnit takovým způsobem, který předvídá teplotní rozložení a tahové poměry v peci.
16) J. Válek – T. Matas – J. Jiroušek – D. Machová – V. Petráňová – D. Frankeová, Posouzení vlastností kusového vápna páleného v „tradiční“ vápenné peci, Keramický zpravodaj 29, č. 6, 2013, s. 6–10.
74
SVORNÍK 12/2014
strana 67–76
JAN VÁLEK – JOSEF JIROUŠEK – TOMÁŠ MATAS – EVELINE VAN HALEM – JIŘÍ FRANKL: Základní aspekty tradiční výroby vápna – výběr surovin a výpal
Do klenby a středu pece se dávají větší kameny, nahoru se dávají menší kameny, které mají kratší dobu výpalu. 17)
5. Závěr Výroba vápna je v zásadě velmi jednoduchým procesem. Stačí po určitou dobu zahřát kámen obsahující dostatečné množství uhličitanu vápenatého na teplotu nad 900 °C. Tak se získá pálené vápno, které má specifické vlastnosti určující jeho použití. Tyto vlastnosti jsou primárně dány výběrem suroviny, ale mohou být výrazně ovlivněny výpalem. Typ pece, použití paliva a průběh výpalu má vliv na technologické vlastnosti produkovaného kusového vápna (např. měrná hmotnost, porozita, měrný povrch, reaktivita, obsah CO2, obsah nedopalu atd.). Tyto technologické vlastnosti jsou dané na základě chemicko-fyzikálních procesů probíhajících při výpalu a též zahrnují následky nedokonalosti celého procesu, jako je například obsah nedopalu. V moderním průmyslu jsou vztahy mezi teplotou a způsobem výpalu a funkčními vlastnostmi vápna využívány pro optimalizaci výroby, popř. pro výrobu vápen s určitými technologickými vlastnostmi. Jinými slovy, moderní pece umožňují regulaci produkce na základě těchto moderních poznatků a produkují vápno s určitými požadovanými vlastnostmi. Nedokonalost celého procesu je brána v potaz jako jedno ze sledovaných kritérií. V případě tradičního způsobu výpalu byla kvalita výroby zajištěna na základě empiricky ověřených postupů. V základech se tyto postupy neměnily,
jelikož byly odzkoušeny jako fungující. Docházelo k drobným úpravám reagujícím na vnější vlivy, popřípadě na konkrétní místní problémy. Pece měly různý tvar a rozličné vnější podmínky výpalu ovlivňovaly kvalitu produkovaného vápna. Kvalita produktu tak byla více spojena s konkrétní pecí a postupem. V tradičním pojetí nebylo možné produkovat vápno s výrazně jinými funkčními vlastnostmi, než umožňovaly dané podmínky výpalu (typ pece, použití paliva a průběh výpalu). Na druhou stranu řemeslné poznání celého procesu umožňovalo selekci materiálu. Zkušený vápeník měl přehled o dostupných vápencích. Věděl, kdy se výpal povedl a z jakých míst pece je vápno kvalitní. Povětšinou ruční zpracování umožňovalo vypálené vápno třídit podle kvality výpalu a případného dalšího použití. Tím se do jisté míry eliminovaly nedostatky výpalu dané konkrétními podmínkami. Pouze z materiálových analýz historických malt je takřka nemožné vyčíst přesný postup, jakým bylo pojivo vyrobeno a zpracováno. Lze ale poskytnout kvalitativní důkazy o existenci určitého výběru pojiva, přítomnosti nedopalu, větších pojivových kusů, částečně vypálených vápencových surovin, zbytků popelovin a dřevěného uhlí, zbytků pálené keramiky atd. Na základě těchto indicií lze usuzovat na použití určité technologie výroby a zpracování malty. Výzkumy tradičních vápenných technologií a zkušenosti s experimentální výrobou pomáhají interpretovat materiálové analýzy, stanovují správné technologické postupy a přispívají k zachování řemeslných znalostí.
Prezentované výsledky vznikly během řešení projektu „Tradiční vápenné technologie a jejich využití v současnosti“ (DF11P01OVV 010) podporovaného Ministerstvem kultury ČR v rámci tematické priority 3.3 Materiály a technologie pro záchranu a zachování kulturního dědictví – zhodnocení tradičních materiálů a technologií pro znovuzavedení do praxe programu NAKI.
17) J. Válek – T. Matas – J. Jiroušek, Design and development of a small scale lime kiln for production of custom–made lime binder, in: J. J. Hughes (ed.), The 3rd Historic mortars conference. Glasgow 2013.
SVORNÍK 12/2014
75
JAN VÁLEK – JOSEF JIROUŠEK – TOMÁŠ MATAS – EVELINE VAN HALEM – JIŘÍ FRANKL: Základní aspekty tradiční výroby vápna – výběr surovin a výpal Resumé Die Grundaspekte der traditionellen Kalkerzeugung – die Wahl der Rohstoffe und die Ausbrennung Jan Válek – Josef Jiroušek – Tomáš Matas – Eveline van Halem – Jiří Frankl Die vom Kalk abhängigen Bautechnologien sind aus den archäologischen Belegen und Schrifttexten schon seit der Antike bekannt. Sie werden heutzutage im Bauwesen kaum mehr benützt, sie sind jedoch für die Instandsetzung historischer Bauten wichtig. Je mehr sich die moderne Technologie der Mörtel– und Putzmassen den historischen Vorlagen entfernt, desto mehr ist die Erforschung der traditionellen Technologien erforderlich. Es ist aus der Praxis bekannt, dass die Kalkqualität durch das Kalkherstellungsverfahren beeinflusst wird. Die Forschung beschreibt den Einfluss der Wahl der Rohstoffe und des Produktionsprozesses im Kalkofen auf die Kalkqualität aus dem technologischen Blickpunkt. Der Beitrag fußt auf den Kenntnissen aus dem Experimentalbetrieb eines kleinen Kalkofens, der Kalkherstellung mittels traditioneller Prozesse, dem Studium der produzierten Kalkbindemittel und ihrer Versuchsanwendung. Den Kalk unterschied man in Vergangenheit ohne Möglichkeit der Analysen oder Erprobung hauptsächlich auf Grund der praktischen Erkenntnisse. Standen also zur Verfügung mehrere Rohstoffquellen, man unterschied den Kalk seiner Herkunft nach, also nach den Steinbrüchen oder ihren Teilen. Bei dem manuellen Abbau wählte man den Rohstoff auch seiner Anwendung gemäß. Die Kalköfen befanden sich sowohl bei der Rohstoffquelle, als auch bei den Baustellen. Die Kalkqualität war durch den Transport beeinflusst. Im Falle der größeren Städte konnte man den Kalk aus meh reren Quellen vermischen. Das traditionelle Ausbrennungsverfahren erfolgt im Kalkofen, wo man aus den Kalksteinstücken das die Feuerstelle abgrenzende Gewölbe zusammensetzt, wo man fortlaufend mit Holz heizt. In den Öfen, wo die Feuerstelle von der Kalksteinschicht abgetrennt war, produzierte man den Kalk von hoher Qualität und Reinheit. Man musste ihn jedoch manuell sortieren, denn die Temperatur ist im traditionellen Ofen nicht gleichmäßig verteilt. Bei der traditionellen
76
strana 67–76
Ausbrennungsweise war die Qualität somit anhand der empirisch beglaubigten Verfahren gewährleistet. Die Erfahrungen des Kalkbrenners ermöglichten die durch konkrete Bedingungen verursachten Mängel der Ausbrennung zu eliminieren. Die Erforschung der traditionellen Kalkherstellungstechnologien und Erfahrungen aus der experimentalen Produktion helfen dabei, die Materialanalysen zu deuten, sowie die richtigen technologischen Verfahren festzusetzen, und tragen zur Erhaltung der handwerklichen Kenntnisse bei. Abbildungen Tabelle 1: Durchschnittliche Zusammensetzung der Kalksteine aus den Brüchen Čertovy schody und Hvížďalka (J. Válek 2014). Abb. 1) Periodischer experimentaler Kalkofen, mit Holz beheizt. Das Gewölbe trennt die Feuerstelle vom Stein ab (Foto J. Válek 2014). Abb. 2) Periodischer Kalkofen, mit Holz beheizt. Der Kalkstein bildet das Gewölbe der Feuerstelle (M. Hassenfratz 1825). Abb. 3) Periodischer Kalkofen, mit vermischtem Stein und Holz gefüllt (M. Hassenfratz 1825). Abb. 4) Teilweise gebrannter Kalk (Foto J. Válek 2014). Abb. 5) In den Oberteil des Ofens werden kleinere Steinstücke geschichtet. Während des Ausbrennungsprozesses folgt ihre Überdeckung mit größeren Steinstücken, die die Abkühlung oberer Teile von Kalksteinschicht und Wärmeabwanderung hindern sollen (Foto J. Válek 2014). Abb. 6) Eine der Methoden der Zugregulierung und Verhinderung der übermäßigen Wärmeabwanderung stellt die Überdeckung des Oberteils der Kalksteinschicht mit Lehmstrohestrich dar (Foto J. Válek 2014). Übersetzung J. Noll
SVORNÍK 12/2014
