Sborník – Alternativní stavební pojiva

Alternativní stavební pojivaSborník příspěvků semináře

Brno, 17. října 2013

Fakulta stavební, Vysoké učení technické v Brně

Vysoké u�ení technické v Brn� Fakulta stavební

Alternativní stavební pojiva

Sborník p�ísp�vk� seminá�e

Brno 17. �íjna 2013

© 1. vydání 2013 Vysoké u�ení technické v Brn� Alternativní stavební pojiva Sborník p�ísp�vk� seminá�e ISBN 978-80-214-4773-8

3

Fakulta stavební Vysokého u�ení technického v Brn� zahájila 1. 6. 2012 �ešení projektu „OKTAEDR – partnerství a sít� stavebnictví“. Projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpo�tem �eské republiky a je zam��en na tvorbu a udržování partnerské sít�. Tato sí� bude vzájemn� propojovat Fakultu stavební Vysokého u�ení technického v Brn�, významná výzkumná a vývojová pracovišt�, partnery z oblasti podnikatelského sektoru i oborová sdružení. Cílem sít� je umožnit rozší�ení vzájemné spolupráce, vytvo�ení nových podmínek pro p�enos teoretických i praktických znalostí a zkušeností mezi výzkumem a stavební praxí. Partnery projektu „OKTAEDR – partnerství a sít� stavebnictví“ jsou:

• MOTRAN Research, s. r. o., • �eskomoravský cement, a.s., nástupnická spole�nost, • Centrum dopravního výzkumu, v. v. i., • OHL ŽS, a.s., • Vysoká škola bá�ská – Technická univerzita Ostrava, • ESOX, spol. s r.o., • Svaz vodního hospodá�ství �R.

Registra�ní �íslo projektu: CZ.1.07/2.4.00/31.0012 Název projektu: OKTAEDR – partnerství a sít� stavebnictví Realizace: 1. 6. 2012 – 31. 5. 2014 �ešitel: Vysoké u�ení technické v Brn�, Fakulta stavební

4

Seminá� Alternativní stavební pojiva 17. 10. 2013 Fakulta stavební VUT v Brn�

5

OBSAH

Využití fluidních popílk� pro zlepšení reologie �erstvého pórobetonu Rostislav Drochytka, Ester Venhodová, Radek Janovský 7

Stanovení po�átku stabilního ší�ení trhliny v maltách na bázi alternativních pojiv Ivana Havlíková, Eva Navrátilová, Hana Šimonová, Barbara Kucharczyková, Pavla Rovnaníková, Zbyn�k Keršner 13

Vliv použitého plniva na tepeln�-technické a fyzikáln�-mechanické vlastnosti konopných výpl�ových hmot Šárka Keprdová, Ji�í Bydžovský 23

Cementové malty s �áste�nou náhradou cementu cihelným prachem Eva Navrátilová, Petr Lukas, Pavla Rovnaníková 31

Vápenné malty modifikované cihelným prachem r�zného p�vodu Eva Navrátilová, Pavla Rovnaníková 39

Metakaoliny a jiné p�írodní a um�lé pucolány z alternativních surovin František Pticen 47

Alternativní nízkoenergetické cementy Theodor Stan�k 55

Studium tvorby trhlin p�i tuhnutí alkalicky aktivované strusky pomocí akustické emise Libor Topolá�, Pavel Rovnaník 61

Perspektivy aplikace hlinitého pojiva s nízkým obsahem CaO v produkci žáromateriál� Lukáš Tvrdík, Karel Lang, Radek Novotný 69

Využití alternativních pojiv na stavbách velkého rozsahu Tomáš �ažký, Nikol Žižková, Petr Novosad 77

Vlastnosti rehydratovaných cementových past s p�ím�sí zeolitu Martin Vyšva�il, Patrik Bayer, Pavla Rovnaníková 87

Polymercementové malty s alternativním pojivem Nikol Žižková, Tomáš �ažký 95


6


7

VYUŽITÍ FLUIDNÍCH POPÍLK� PRO ZLEPŠENÍ REOLOGIE �ERSTVÉHO PÓROBETONU

Rostislav Drochytka, Ester Venhodová, Radek Janovský

Utilization of energy by-products is currently on a steep rise. Fly ash aerated concrete is one of the ways to use besides fly ashes from pulverized furnaces also fluidized fly ashes. Another advantage of the utilization of these energy by-products from fluidized bed combustion is a saving of lime as the most expensive raw material for the production of aerated concrete. This paper determines the possibility of fluidized fly ashes utilization in the technology of autoclaved aerated concrete, reological properties of the mixure and the compressive strength and bulk density of aerated concrete.

1 Úvod

Autoklávovaný pórobeton lze stále považovat za relativn� mladý materiál, s dobrou pozicí na trhu stavebních hmot a stoupající tendencí jeho používání. Vyhledáván je zejména pro své výborné tepeln� - izola�ní vlastnosti dopln�né nízkou objemovou hmotností a dobrou mechanickou pevností. Sou�asným trendem ve stavebnictví je snaha o maximální využívání vedlejších energetických produkt� ve výrob�, což sebou nese zna�ný ekonomický a ekologický efekt. P�i výrob� autoklávovaného pórobetonu našel uplatn�ní zejména elektrárenský popílek, využívaný jako náhrada k�emi�itého písku.

Podíl t�chto vedlejších energetických produkt� ve výsledném výrobku zaujímá až 70 %. Produkce popílkového pórobetonu je tak charakterizována velmi nízkou spot�ebou p�írodních surovin, což má pozitivní efekt v oblasti ochrany životního prost�edí. Autoklávovaný pórobeton je také jednou z alternativ, jak využít krom� popílk� z klasického spalování �áste�n� i popílky fluidní, jejichž produkce se vzhledem k zavád�ní fluidních kotl� v elektrárnách zvyšuje. Z využívání popílku z fluidního spalování v technologii autoklávovaného pórobetonu vyplývá mimo jiné i ur�itá úspora vápna, jelikož fluidní popílek jako takový je charakteristický zna�ným obsahem Ca, který je kv�li odsi�ování p�idávaný do spalovacího procesu, nej�ast�ji ve form� vápence. V rámci laboratorního výzkumu bylo hlavním cílem nalezení optimálního složení surovinové sm�si, a to p�edevším maximálního obsahu fluidních popílk�. Ty slouží zejména ke zlepšení reologických vlastností �erstvé sm�si, vývoji struktury, snížení množství trhlin a také ke zkrácení doby tuhnutí p�ed krájením a autoklávováním až o 50 %.

1.1 Fluidní popílek

Rozdíl ve vlastnostech popílk� z fluidního spalování oproti klasickým vysokoteplotním je daný zm�nou podmínek spalování. Hlavní zm�nou je snížení spalovací teploty a p�idávání alkalických aditiv p�ímo do prostoru spalování. Spalování probíhá p�i teplot� okolo 850 °C, nízko pod teplotou tavení popílku. Nedochází tak k protavování popílkových �ástic, zrna z�stávají porézní, mají vrstevnatou strukturu a vysoký m�rný povrch. Obsahují


8

reaktivní minerální fázi, což se m�že projevit pucolánovými vlastnostmi fluidních popílk�. [1]

Takto vzniklý fluidní popílek obsahuje mimo jiné i volné vápno a anhydrid (CaSO4). Nezreagovaný zbytek mletého vápence z�stává v tuhých zbytcích jako m�kce pálené reaktivní vápno (CaO), které lze využít v technologii popílkového pórobetonu a �áste�n� tak nahradit používané vápno.

Obr. 1.: Schéma tepelné elektrárny s fluidním spalováním uhlí [2]

2 Použité suroviny a metodika zkoušek

Celý experiment probíhal ve výrobn� popílkového pórobetonu v rámci zkušebních odlev�, �ímž p�esn� kopíroval celou technologii výroby pórobetonových tvárnic. Receptura také vycházela z pom�ru složek b�žn� využívaného v závod� vyráb�jící popílkový pórobeton. Cílem bylo dosáhnout charakteristik vyráb�ného pórobetonu P 3 – 520, tedy pevnosti v tlaku 3 N.mm-2 a objemové hmotnosti 520 kg.m-3 a samoz�ejm� co nejvyšší úspory vápna, jakožto finan�n� nejnákladn�jší suroviny. K experiment�m byly použity dva typy fluidních popílk�, jejichž chemické složení je uvedeno v Tab.1. Dalšími surovinami byl popílek z vysokoteplotního spalování, vápno (pojivo), energosádrovec, jakožto regulátor tuhnutí, hliníkový prášek (plynotvorná látka), p�erostový kal a voda. Provozní zkouška Fluidního popílku 1 probíhala v šesti fázích, p�i kterých byla receptura upravována podle chování pórobetonové hmoty. Po zkušenostech nabytých b�hem této provozní zkoušky byl postup opakován i pro recepturu s Fluidním popílkem 2.

Následn� byly provád�ny zkoušky fyzikáln�-mechanických vlastností. Jako základní kritéria byly stanoveny pevnost v tlaku a objemová hmotnost, které jsou pro pórobetonový výrobek rozhodující.


9

Tab. 1 Chemické složení použitého fluidního popílku Chemický rozbor [%]

Popílek Al2O3 CaO celk.

SO3 Fe2O3 FeO H2O K2O MgO MnO Na2O P2O5 SiO2

síran. SO3

ZŽ TiO2

FP 1 26,54 12,97 4,19 5,11 0,65 0,49 0,91 0,91 0,16 0,27 0,24 44,81 4,04 1,66 2,18 FP 2 19,17 19,40 8,21 8,52 0,47 1,32 3,51 1,76 0,06 0,70 0,72 32,76 8,10 3,30 1,58

3 Výsledky a diskuze

Jako zkušební dávka fluidního popílku byla zvolena hodnota 20 % z celkového množství popílk� ve sm�si. Tato hodnota byla zvolena na základ� výpo�tu v programu pro mísení popílk�, který byl vytvo�en v aplikaci Microsoft Excel. Pomocí tohoto programu lze ur�it maximální procento dávkování fluidního i klasického popílku na základ� normových požadavk� na chemické složení popílk� do pórobetonu (�SN 72 2072-5 - popílek z klasického zp�sobu spalování a �SN P 72 2081-4 - fluidní popílek).

3.1 Fluidní popílek 1

Provozní zkouška probíhala v šesti fázích, p�i kterých byla receptura upravována podle chování pórobetonové hmoty. V následující tabulce (Tab. 2) je uveden p�ehled fází podle složení surovinové sm�si, na Obr. 2 a Obr. 3 pak vyjád�ení pevností v tlaku a objemových hmotností v jednotlivých fázích.

Tab. 2 P�ehled fází provozní zkoušky s Fluidním popílkem 1

Složení Fáze 1 Fáze 2 Fáze 3 Fáze 4 Fáze 5 Fáze 6

Fluidní popílek 1 20 % 20 % 20 % 10 % 10 % 10 %

Vápno 425 kg 419 kg 419 kg 433 kg 458 kg 465 kg

Energosádrovec - - 100 kg - - -

V po�áte�ní fázi, kdy byl fluidní popílek dávkován v množství 20 % z celkového množství popílku, docházelo k nekontrolovatelnému tuhnutí pórobetonové hmoty a krájení na krájecí lince bylo velmi obtížné. V druhé fázi se tento nedostatek �ešil snížením dávky vápna, avšak nedošlo k výrazné zm�n�, proto byl ve t�etí fázi dodán energosádrovec, jakožto regulátor tuhnutí. Op�t však nebylo dosaženo optimálních vlastností, a proto se p�istoupilo ke snížení obsahu fluidního popílku na 10 %. Po další zm�n� složení ve �tvrté fázi došlo k poklesu pevnosti na pouhých 2,61 N.mm-2, což je hodnota, která již neodpovídá p�edepsané pevnostní t�íd� vyráb�ného pórobetonu (P 3 – 520). Zvýšením dávky vápna v páté fázi došlo k mírnému zlepšení, ideálních hodnot však bylo dosaženo až ve fázi 6, kdy byly výsledné parametry pevnosti v tlaku 3,03 N.mm-2 a objemové hmotnosti 524 kg.m-3. Konkrétní výsledky jsou uvedeny v následujících grafech.


10

Obr. 2 Pevnost v tlaku jednotlivých surovinových sm�sí

Obr. 3 Objemová hmotnost jednotlivých surovinových sm�sí

3.2 Fluidní popílek 2

Fluidní popílek 2 byl po p�edchozích zkušenostech s chováním pórobetonové sm�si s obsahem Fluidního popílku 1 a vzhledem k vyššímu obsahu CaO ve Fluidním popílku 2 dávkován v první fázi v množství 20 % p�i snížení obsahu vápna na 355 kg.

Chování pórobetonové hmoty, stejn� jako fyzikáln�-mechanické charakteristiky pórobetonu, byly p�i použití Fluidního popílku 2 optimální již v první fázi provozní


11

zkoušky, proto se již dále dávkování neupravovalo, pouze bylo provedeno celkem 6 zkušebních odlev� pro ov��ení výsledk�. Hodnoty pevností v tlaku a objemových hmotností díl�ích odlev� jsou znázorn�ny na Obr. 4 a Obr. 5.

Obr. 4 Výsledky pevnosti v tlaku jednotlivých odlev�

Obr. 5 Výsledky objemových hmotností jednotlivých odlev�

Výsledky jasn� ukazují, že s využitím Fluidního popílku 2 došlo k výraznému snížení objemové hmotnosti k hranici 500 kg/m3 p�i bezpe�ném zachování minimální pevnosti v tlaku 2,0 MPa.

4 Záv�r

Využití fluidních popílk� v technologii autoklávovaného pórobetonu je vzhledem k jejich stoupající produkci na úkor popílk� vysokoteplotních velmi aktuálním tématem. Benefit ve form� výrazného zlepšení reologie je významným d�vodem, pro� v�novat této surovin�


12

pozornost. Snížení doby tuhnutí p�ed krájením a �áste�ná úspora vápna jsou potom dalšími, p�edevším ekonomickými parametry.

V rámci tohoto �lánku byla provedena série zkoušek, ze které vyplývá, že využití fluidních popílk� v technologii pórobetonu je možné, avšak fluidní popílky z r�zných zdroj� se v mnohém liší, a proto je t�eba v každém p�ípad� postupovat individuáln�. V tomto p�ípad� bylo dosaženo požadovaných vlastností pórobetonu p�i 10% dávkování Fluidního popílku 1 v celkovém množství popílk� a 20% dávkování Fluidního popílku 2.

Tento p�ísp�vek byl vypracován s finan�ní pomocí EU „OP Výzkum a vývoj pro inovace“, projekt reg. �. CZ.1.05/2.1.00/03.0097, v rámci �innosti regionálního Centra AdMaS „Pokro�ilé stavební materiály, konstrukce a technologie“, sou�asn� byl podpo�en z finan�ních prost�edk� státního rozpo�tu prost�ednictvím Ministerstva pr�myslu a obchodu �R v rámci projektu FR-TI3/727 s názvem „Pokro�ilá technologie pórobetonu na bázi pr�myslových odpad� pro energeticky úspornou výstavbu“.

Literatura

[1] FE�KO, Peter, Mária KUŠNIEROVÁ, Barbora LY�KOVÁ, Vladimír �ABLÍK. Popílky. Ostrava: VŠB-Technická univerzita Ostrava, 2003. ISBN 80-248-0327-5.

[2] Uhelné elektrárny skupiny �EZ [online]. 2007, 44 s. [cit. 2013-08-29]. Dostupné z: http://www.cez.cz/edee/content/micrositesutf/odpovednost/content/pdf/cez_group_a nd_coal_power_plants.pdf

[3] �SN 72 2072-5. Popílek pro stavební ú�ely - �ást 5: Popílek pro výrobu pórobetonu. Praha: �eský normaliza�ní institut, 2000.

[4] �SN P 72 2081-4. Fluidní popel a fluidní popílek pro stavební ú�ely - �ást 4: Fluidní popel a fluidní popílek pro výrobu pórobetonu. Praha: �eský normaliza�ní institut, 2001.

prof. Ing. Rostislav Drochytka, CSc., MBA � Stavební fakulta VUT v Brn�.

Veve�í 331/95, 602 00 Brno � 541 147 500 � [email protected]

Ing. Ester Venhodová � Stavební fakulta VUT v Brn�.

Veve�í 331/95, 602 00 Brno � 541 147 525 � [email protected]

Ing. Radek Janovský � PORFIX CZ a.s. Kladská 464 541 03 Trutnov 3�� [email protected]


13

STANOVENÍ PO�ÁTKU STABILNÍHO ŠÍ�ENÍ TRHLINY V MALTÁCH NA BÁZI ALTERNATIVNÍCH POJIV

Ivana Havlíková, Eva Navrátilová, Hana Šimonová, Barbara Kucharczyková, Pavla Rovnaníková, Zbyn�k Keršner

Results of pilot three-point bending fracture tests in the form of diagrams showing load versus deflection (P–d diagrams) and load versus crack mouth opening displacement (P–CMOD diagrams) are presented in this paper. Specimens were made from lime mortar modified by brick powder (Heluz Company). The first mixture was reference, only hydrated lime was used, in the next mixtures 20, 30 and 40 % weight of hydrated lime respectively were replaced by brick powder. The aim of this paper is primarily a description of assessment of the brittleness of the mentioned materials on several levels. Besides determining the commonly used values of fracture toughness, KIc, and fracture energy, GF, attention will be focused on the application of the “double-K” model to determine the initiation fracture toughness, KIc

ini, from which the load level value Pini can also be computed. Last two parameters correspond to the beginning of stable crack growth from an initial stress concentrator and they are probably positively correlated with durability of lime mortar modified by brick powder.

1 Úvod

Pro obnovu historických staveb v rámci priorit památkové pé�e existuje snaha modifikovat vápenné malty p�ím�semi, které jsou v souladu s historickými materiály a postupy. Jednou z p�ím�sí známou již ve starov�ku byly pálené jíly. Tehdy �ekové a �ímané používali modifikované vápenné malty zejména s využitím drceného keramického st�epu. Tyto malty se osv�d�ily na stavbách, kde byly vystaveny náro�ným pov�trnostním podmínkám, nebo musely odolávat p�sobení vlhkosti �i tekoucí vody. Také na území �eské republiky se lze setkat s p�íklady využití pálených jíl� ve st�edov�kých omítkových maltách. Jedním z p�íklad� m�že být komplex státního hradu a zámku v �eském Krumlov�, kde byly v omítkách nalezeny kousky cihel o velikosti 0,5 až 2 mm.

Z hlediska složení jsou vápenné malty modifikované pálenými jíly tvo�eny vzdušným vápnem ve form� vápenného hydrátu, jemn� mletými pálenými jíly, které jsou sou�ástí pojiva, protože se ú�astní pucolánové reakce, a kamenivem [1].

Tyto malty pat�í ke stavebním kompozit�m, které lze za�adit mezi takzvané kvazik�ehké materiály. Studium odezvy takovýchto kompozit� na statické a dynamické zatížení komplikuje její siln� nelineární povaha. Pro predikci �i posouzení zmín�né odezvy jsou k dispozici numerické nástroje umož�ující modelování nejen elastického �i elasto-plastického p�sobení, ale i proces� porušování kompozitu. Tyto nástroje mají obvykle implementován n�který ze skupiny nelineárních lomových model� simulující kohezivní povahu ší�ení porušení kvazik�ehkým materiálem.

Lomové modely pro takovéto kompozity nej�ast�ji vycházejí z geometrie zkoušek t�les s koncentrátorem nap�tí (se zá�ezem) podrobených t�íbodovému ohybu. Takový je


14

i model „dvojí-K“, který kombinuje koncept kohezivních sil p�sobících na fiktivní (efektivní) trhlinu s kritériem rozvoje trhliny založeném na faktoru intenzity nap�tí. Pomocí tohoto modelu lze ur�it kritické otev�ení ko�ene trhliny a lomovou houževnatost zkoumané malty, resp. popsat r�zné úrovn� ší�ení trhliny: inicia�ní, která odpovídá po�átku stabilního ší�ení, a úrove� nestabilního ší�ení trhliny.

Použití pojednávaných pálených jíl� v maltách m�že vést ke zlepšení celé �ady jejich vlastností, zejména se sleduje zvýšení hodnot tlakových a ohybových pevností. Pálené jíly zvyšují odolnost v��i pov�trnostním vliv�m, dochází tedy k prodloužení trvanlivosti malt. Za p�edpokladu souvislosti trvanlivosti t�chto kompozit� s množstvím mikrotrhlin a schopností odolávat jejich ší�ení lze tedy tuto trvanlivost pomocí r�zných parametr� k�ehkosti/houževnatosti kvantifikovat.

V p�ísp�vku budou p�edstaveny výsledky z pilotních lomových zkoušek t�les v t�íbodovém ohybu, p�i kterých byla zaznamenávána závislost síla vs. posun, resp. síla vs. otev�ení ústí trhliny. Jednalo se o zkušební t�lesa z vápenné malty modifikované cihelným prachem Heluz. V referen�ní sm�si byl použit pouze vápenný hydrát, v dalších bylo postupn� 20, 30 a 40 % hmotnosti vápenného hydrátu nahrazeno cihelným prachem.

Hlavním cílem p�ísp�vku je popsat na vybrané sad� t�les z výše zmín�ných kompozit� postup víceúrov�ového posouzení jejich k�ehkosti. Vedle ur�ení �ast�ji používaných hodnot lomové houževnatosti a lomové energie bude speciální pozornost v�nována aplikaci modelu „dvojí-K“ k ur�ení inicia�ní složky faktoru intenzity nap�tí, z níž lze také dopo�ítat hodnoty úrovn� zatížení, p�i které dochází ke startu stabilního ší�ení trhliny t�lesem z inicia�ního koncentrátoru nap�tí.

2 Materiál a p�íprava zkušebních t�les

Cihelný prach je vedlejším produktem p�i výrob� kalibrovaných cihelných výrobk�, broušením se cihly upravují za ú�elem dosažení p�esn�jších rozm�r�. Se zvyšující se produkcí takto kalibrovaných výrobk� se zvyšuje i odpad z této technologie. Tvo�í ho velmi jemný prach, který je n�kdy využíván jako ost�ivo do další keramické výroby. Z d�vodu jiných než požadovaných vlastností na vstupní suroviny keramických výrobk� se tento odpad �asto stává ve výrobní technologii nevyužitelným. Cihelný prach lze ozna�it jako pucolán. Pucolány jsou definovány jako k�emi�ité nebo hlinitok�emi�ité látky, které samy o sob� nemají žádnou vazebnou schopnost, ale s hydroxidem vápenatým a vodou reagují za b�žných teplot za vzniku slou�enin, které tuhnou, tvrdnou a jsou stálé na vzduchu i pod vodou [2]. Z chemického hlediska jsou pucolány materiály, které obsahují amorfní oxid k�emi�itý SiO2 a reaktivní k�emi�itany a hlinitok�emi�itany. Pucolány reagují s hydroxidem vápenatým za vzniku hydratovaných k�emi�itan� typu CSH slou�enin, hlinitan� vápenatých C4AH13 a hydroghlenitu C2ASH8 [3], které jsou stálé na vzduchu i pod vodou. Tyto slou�eniny jsou odoln�jší v��i p�sobení kyselého prost�edí než produkt karbonatace vápna ve vápenných omítkách, zvyšují obecn� odolnost v��i korozi a vedou ke zlepšení mechanických vlastností, tím se prodlužuje trvanlivost omítek. Zkušební t�lesa byla vyrobena ze sm�sí, které obsahovaly bílé vápno CL-90 S ve form� vápenného hydrátu (Carmuse Czech Republic s. r. o., Mokrá), omítkový písek frakce 0–4 mm, cihelný prach Heluz (Heluz cihlá�ský pr�mysl v. o. s., Hevlín). Množství vody p�i výrob� zkušebních t�les se volilo tak, aby rozliv �erstvé malty byl 160 ± 5 mm. První sm�s byla referen�ní (REF), kde se použil pouze vápenný hydrát. Dále byl vápenný


15

hydrát ve sm�sích nahrazován cihelným prachem v množství 20, 30 a 40 % (ozna�ení t�les H20, H30 a H40). Pom�r pojiva k plnivu byl zvolen 1 : 3. Po odformování se zkušební t�lesa ponechala v laboratorních podmínkách p�i teplot� 20 ± 1 °C a relativní vlhkosti vzduchu 50 ± 5 %.

3 Lomový model „dvojí-K“

Ke stanovení lomov�-mechanických parametr� pomocí modelu „dvojí-K“ [4] se využívají výsledky z lomových zkoušek t�les v t�íbodovém ohybu ve form� závislosti síla vs. otev�ení ústí trhliny (P–CMOD diagramy).

Nejprve se numericky stanoví hodnota lomové houževnatosti KIcun, následn� se pak

ur�í kohezivní složka faktoru intenzity nap�tí KIcc. P�i znalosti obou t�chto hodnot lze

z následujícího vztahu dopo�ítat tzv. inicia�ní složku faktoru intenzity nap�tí KIcini:

cc

unc

inic KKK ΙΙΙ −= . (1)

Lomová houževnatost KIcun je definována jako kritická hodnota faktoru intenzity

nap�tí na ko�eni efektivní trhliny odpovídající maximálnímu zatížení Pmax. Pro ur�ení tohoto parametru lze použít následující výraz známý z teorie lineární elastické lomové mechaniky [5, 4]:

( )ckcmaxun

c FaW

MK α1=Ι , kde c ,ck

aD

=α (2)

( )4

21 2qLSPqL

Mmax

max

−+= , (3)

( )( )( )

2

1 3/2

1,99 1 2,15 3,93 2,7( )

1 2 (1 )ck ck ck ck

ckck ck

F− − − +

=+ −

α α α αα

α α, (4)

kde maximální zatížení Pmax je parametr získaný z nam��ených P–CMOD diagram�, ac je kritická délka efektivní trhliny; D, L, jsou rozm�ry t�lesa (výška, délka), S je rozp�tí (viz Obr. 1 v následující kapitole); q je vlastní tíha t�lesa a W pr��ezový modul daný pro obdélníkový pr��ez vztahem:

2

61

BDW = . (5)

K vy�íslení vztahu (2) resp. (4) je nutné spo�ítat uvedenou kritickou délku efektivní trhliny ac odpovídající maximálnímu zatížení Pmax – nap�. ze vztahu:

( )ccmax

c VWE

SaPCMOD α1= , kde c 0

0

,c

a HD H

+=+

α (6)

( )2 3

1 c 2

0,66( ) 0,76 2,28 3,87 2,04

1c c c

c

V = − + − +−

α α α αα

. (7)

V uvedených vztazích p�edstavuje CMODc kritické otev�ení ústí trhliny p�i maximálním zatížení Pmax, E je modul pružnosti a H0 reprezentuje tloušku b�it� držáku svorky extenzometru.


16

Ke stanovení hodnoty KIcc, která m�že být vykládána jako zvýšení odolnosti proti

ší�ení trhliny zp�sobené p�emosováním zrn plniva v tzv. lomové procesní zón�, je nutno p�ijmout p�edpoklad o rozložení kohezivního nap�tí � podél efektivní trhliny. Obecn� se v modelech kohezivní trhliny definuje toto nap�tí v závislosti na rozev�ení líc� trhliny w jako tzv. funkce tahového zm�k�ení �(w).

Z d�vodu zjednodušení se v modelu „dvojí-K“ uvažuje lineární rozložení kohezivního nap�tí po délce efektivní trhliny, p�i�emž se b�žn� p�edpokládá lineární pr�b�h samotného rozev�ení líc� trhliny po její délce. Pro kritickou hodnotu zatížení Pmax, kdy se ší�ení trhliny stává nestabilním, tak posta�uje stanovit tzv. kritické otev�ení trhliny CTODc ve vrcholu zá�ezu:

1/22 2

0 c 0 0c c

c c c

1 1,081 1,149a a a a

CTOD CMODa D a a

� �� = − + − −� � � ��

. (8)

Následn� lze jednoduše formulovat vlastní lineární funk�ní p�edpis pro pr�b�h kohezivního nap�tí po délce efektivní trhliny – nap�. v podob�:

( ) ( ) ( )( )ctc

c CTODfaaax

CTODCOD σσσ −−−

+=0

0 , (9)

kde

c0 COD CTOD≤ ≤ a 0 ca x a≤ ≤ . (10)

Ozna�ení �(CTODc) zde p�edstavuje hodnotu kohezivního nap�tí v míst� vrcholu po�áte�ního zá�ezu a0, kde rozev�ení trhliny COD dosáhne práv� kritické hodnoty CTODc (detaily k výpo�tu CTODc poskytuje nap�. [4]). Hodnotu tohoto kohezivního nap�tí lze ode�íst ze standardn� používaných funkcí tahového zm�k�ení, které jsou aplikovány v modelech kohezivní trhliny. Auto�i uvažují r�zné pr�b�hy funkce tahového zm�k�ení: nejjednodušší lineární, dále bilineární, exponenciální apod. V tomto p�ísp�vku jsou p�edstaveny výsledky pro pr�b�h funkce tahové zm�k�ení podle Reinhardta [6]:

( ) ( ) ( )3

31 21 21 exp 1 expc c c

c tc c c

c CTOD c CTOD CTODCTOD f c c

w w w

� � � � � �−� �� = + − + −� ��

σ , (11)

kde c1 a c2 jsou bezrozm�rné materiálové konstanty (zde použity hodnoty c1 = 3 a c2 = 6,93).

Parametry funkce tahového zm�k�ení jsou tahová pevnost ft a maximální otev�ení trhliny wc. V tomto p�ísp�vku je wc uvažováno konstantní hodnotou (0,16 mm) a hodnota tahové pevnosti je odhadnuta podle [7] z hodnot tlakové pevnosti fcu ze vztahu:

32

24,0 cut ff = . (12)

Jakmile je známo rozložení kohezivního nap�tí podél efektivní trhliny, lze vy�íslit hodnotu kohezivní složky lomové houževnatosti numerickou integrací:

0

1

/

2( ) ( , )

c

ccc

a a

aK U F U V dUΙ = � σ

π, (13)

kde


17

( )[ ]

3/2

1/23/2 1/2 2

3,52(1 ) 4,35 5,28 1,30 0,30( , ) 0,83 1,76 1 (1 )

(1 ) (1 ) 1

U U UF U V U U V

V V U

� �− − −� �= − + + − ⋅ − −� �− − −� �

. (14)

Ve výrazu (13) a (14) jsou použity substituce U = x/ac a V = ac/D; ozna�ení �(U) p�edstavuje funkci rozložení kohezivního nap�tí definovanou pro prom�nnou U podle vztah� (9–10) a F(U,V) charakterizuje Greenovu funkci. Pro vy�íslení integrálu (13) je v tomto p�ípad� použita metoda vícenásobné numerické integrace po �ástech pomocí Gaussovy kvadratury.

Nyní lze vy�íslit inicia�ní složku faktoru intenzity nap�tí KIcini (1) a pak

z následujícího vztahu ur�it v úvodu zmi�ovanou hodnotu zatížení Pini, od které se za�íná trhlina t�lesem stabiln� ší�it:

1 0 0

4( )

inic

ini

WKP

SF aΙ=

α, (15)

kde

( )( )( )

20 0 0 0

1 0 3/20 0

1,99 1 2,15 3,93 2,7( )

1 2 (1 )F

− − − +=

+ −

α α α αα

α α (16)

a W je pr��ezový modul daný vztahem (5); �0 je pom�r a0/D.

4 Lomové experimenty

Jak už bylo uvedeno, lomové modely pro výše zmi�ované kompozity nej�ast�ji vycházejí z geometrie zkoušek t�les s koncentrátorem nap�tí (se zá�ezem) podrobených t�íbodovému ohybu. Geometrii lomového experimentu ukazuje schéma na Obr. 1, kde D zna�í výšku, B ší�ku a L délku t�lesa, S rozp�tí podpor; a0 je hloubka po�áte�ního zá�ezu, CMOD pak ozna�uje otev�ení ústí trhliny (zá�ezu) p�í zatížení P; H0 je tlouška b�it� držáku svorky extenzometru (m��ena pro každé t�leso p�ed zapo�etím zkoušení).

Nominální rozm�ry zkušebních t�les byly 40×40×160 mm, rozp�tí �inilo 120 mm. Po�áte�ní zá�ez byl p�ed samotným testováním vytvo�en pilou s diamantovým kotou�em. Hloubka tohoto zá�ezu byla p�ibližn� 30 % výšky t�lesa.

Obr. 1 Schéma zkoušky t�íbodovým ohybem trámce se zá�ezem

B�hem lomových zkoušek byla zaznamenávána závislost síla vs. posun (P–d

diagram), resp. síla vs. otev�ení ústí trhliny (P–CMOD diagram). Výsledné diagramy pro studované kompozity uvádí Obr. 2. Poznamenejme, že v n�kterých p�ípadech se ukázalo


18

problematickým nalepování b�it� držáku svorky extenzometru, což m�že p�edstavovat obecnou obtíž u materiál� s obdobnou strukturou a vlastnostmi.

Obr. 2 Zaznamenané P–d diagramy (vlevo) a P–CMOD diagramy

Lomové experimenty byly provedeny na mechanickém lise Heckert FPZ 10/1 p�i

rozsahu 400 N v laborato�ích Ústavu stavebního zkušebnictví FAST VUT v Brn� – pro p�edstavu viz Obr. 3.

Obr. 3 Umíst�ní vzorku v lise (vlevo), celkový pohled na zkušební za�ízení

5 Výsledky víceúrov�ového posouzení k�ehkosti

Posouzení k�ehkosti výše zmín�ných kompozit� lze nyní provést na n�kolika úrovních – viz Obr. 4. Krom� ur�ení hodnot lomové houževnatosti KIc a lomové energie GF (z lomové práce WF) byla pozornost v�nována aplikaci výše uvedeného modelu „dvojí-K“ k ur�ení inicia�ní složky faktoru intenzity nap�tí KIc

ini a hodnoty úrovn� zatížení Pini.


19

Obr. 4 Diagram síla vs. otev�ení ústí trhliny – ilustrace t�í vyšet�ovaných úrovní k�ehkosti Vyhodnocení lomových zkoušek t�les z vápenné malty modifikované cihelným prachem Heluz uvád�jí následující tabulky. V Tab. 1 jsou shromážd�ny výsledky ze záznamu P–d diagram� zkoušek t�les REF, H20, H30 a H40 vyhodnocené pomocí softwaru StiCrack (modul pružnosti E, efektivní lomová houževnatost KIc

e a specifická lomová energie GF,m) [7–9]. Poznamenejme, že pro 20 % náhrady vápenného hydrátu cihelným prachem se nepoda�ilo P–d diagram zaznamenat.

V Tab. 1 jsou také uvedeny informativní hodnoty pevnosti v tlaku fc, které byly ur�eny na zlomcích trámc� po lomových zkouškách. Tyto hodnoty posloužily jako vstupy do modelu „dvojí-K“. Tab. 1 Základní lomov�-mechanické parametry zkoušených materiál�

Parametr fc E KIce GF,m

Vzorek [MPa] [GPa] [MPa·m1/2] [J·m-2] REF 1,50 2,12 0,040 7,05 H20 2,14 − − − H30 2,35 4,10 0,070 12,37 H40 1,95 2,91 0,053 11,58

V Tab. 2 jsou uvedeny výsledky ze záznamu P–CMOD diagram� zkoušek t�les

REF, H20 a H40 vyhodnocené výše popsaným zp�sobem pomocí lomového modelu „dvojí-K“: hodnota lomové houževnatosti KIc

un, kohezivní složka faktoru intenzity nap�tí KIc

c, inicia�ní složka faktoru intenzity nap�tí KIcini, úrove� zatížení Pini, p�i které dochází ke

startu stabilního ší�ení trhliny z inicia�ního koncentrátoru nap�tí, pom�r Pini/Pmax, tj. pom�r hodnot síly, p�i které se za�ne trhlina stabiln� ší�it k maximální dosažené síle a pom�r KIc

ini/ KIcun, tj. pom�r hodnot inicia�ní složky faktoru intenzity nap�tí k celkové lomové

houževnatosti.


20

Tab. 2 Výsledky získané s využitím lomového modelu „dvojí-K“ Parametr KIc

un KIcc KIc

ini Pini Pini/Pmax KIcini/ KIc

un Vzorek [MPa·m1/2] [MPa·m1/2] [MPa·m1/2] [N] [−] [−] REF 0,038 0,028 0,010 16,4 0,329 0,267 H20 0,075 0,041 0,034 56,9 0,586 0,451 H40 0,048 0,027 0,021 34,3 0,503 0,435

Z výsledk� lze o studovaných vápenných maltách modifikovaných cihelným

prachem vyvodit �adu poznatk�, které jsou dále vztaženy k hodnotám jednotlivých parametr� ur�ených na t�lesech z referen�ního kompozitu:

• Informativní hodnoty tlakové pevnosti zvýšil p�ídavek jemnozrnného cihelného prachu (JCP) o 30 až bezmála 60 %; maximum vykázal kompozit s 30 % náhrady vápenného hydrátu (VH).

• Hodnoty statického modulu pružnosti zvýšil p�ídavek JCP o zhruba 40 až 90 %, p�i�emž maximum op�t vykázal materiál t�les s 30 % náhrady VH.

• Hodnoty lomové houževnatosti zvýšil p�ídavek JCP o 26 až bezmála 100 %, tentokráte s maximem u 20 % náhrady VH.

• Hodnoty specifické lomové energie zvýšil p�ídavek JCP o 64 až bezmála 75 %, s maximem u 30 % náhrady VH.

• Hodnoty inicia�ní složky lomové houževnatosti (resp. zatížení na úrovni za�átku stabilního ší�ení trhliny t�lesem) zvýšil p�ídavek JCP o 110 až bezmála 250 % – toto maximum vykázal kompozit s 20 % náhrady VH.

6 Záv�r

Na vybrané sad� t�les z vápenných malt modifikovaných p�ídavkem jemnozrnného cihelného prachu byl popsán postup víceúrov�ového posouzení odolnosti proti ší�ení trhlin t�chto kvazik�ehkých kompozit�. Jednak byly stanoveny hodnoty informativní tlakové pevnosti, statického modulu pružnosti, p�edevším však hodnoty základních lomových parametr� – efektivní lomové houževnatosti a specifické lomové energie –, p�i�emž zvláštní pozornost byla v�nována aplikaci modelu „dvojí-K“ k ur�ení inicia�ní složky faktoru intenzity nap�tí souvisejí se startem stabilního ší�ení trhliny. Lze uzav�ít, že náhrada vápenného hydrátu cihelným prachem se pro všechny studované kompozity ukázala velmi ú�innou – vedla ke zvýšení hodnot sledovaných parametr�; optimální dávka náhrady prachem vyšla 20 až 30 hmotnostních procent vápenného hydrátu. Z hlediska k�ehkosti p�ídavek cihelného prachu jednozna�n� zvyšuje houževnatost na všech t�ech hodnocených úrovních, p�edevším však velmi podstatn� oddaluje iniciaci stabilního ší�ení trhlin, což z�ejm� podkládá také zvýšení trvanlivosti t�chto kompozit�.

Výsledky byly získány za finan�ní podpory z prost�edk� juniorského specifického výzkumu na VUT v Brn� registrovaném na VUT pod �. FAST-J-13-2018.


21

Literatura

[1] ROVNANÍKOVÁ, P. Omítky. Praha: Spole�nost pro technologie ochrany památek, 2002. ISBN 80-86657-00-0.

[2] DONATELLO, S., M. TYRER and C. R. CHEESEMAN. Comparison of test methods to assess pozzolanic aktivity. Cement and Concrete Composites. 2010, vol. 32. ISSN 0958-9465.

[3] CABRERA, J. and M. F. ROJAS. Mechanism of hydration of the metakaolin-lime-water. Cement and Concrete Research. 2001, vol. 31. ISSN 0008-8846.

[4] KUMAR, S. and S. BARAI. Concrete Fracture Models and Applications. Berlin: Springer, 2011. ISBN 978-3-642-16763-8.

[5] KARIHALOO, B. L. Fracture Mechanics and Structural Concrete. New York: Longman Scientific & Technical. 1995. ISBN 0-582-21582-X.

[6] REINHARDT, H. W., H. A. W. CORNELISSEN and D. A. HORDIJK. Tensile tests and failure analysis of concrete. Journal of Structural Engineering. 1986, vol. 112, N. 11. ISSN 1943-541X.

[7] �ERVENKA, V., L. JENDELE and J. �ERVENKA. ATENA Program documentation – Part 1: theory. Praha: �ervenka Consulting, 2012.

[8] STIBOR, M. Lomové parametry betonu a jejich ur�ování. Brno, 2004. Diserta�ní práce. Vysoké u�ení technické v Brn�, Fakulta stavební, Ústav stavební mechaniky.

[9] VESELÝ, V. Parametry betonu pro popis lomového chování. Brno, 2004. Diserta�ní práce. Vysoké u�ení technické v Brn�, Fakulta stavební, Ústav stavební mechaniky.


22

Ing. Ivana Havlíková � Fakulta stavební VUT v Brn�

Ústav stavební mechaniky Veve�í 331/95, 602 00 Brno

� 541 147 116 � 541 240 994 � [email protected]

Ing. Eva Navrátilová � Fakulta stavební VUT v Brn�

Ústav chemie Žižkova 17, 602 00 Brno

� 541 147 643 � 541 147 667 � [email protected]

Ing. Hana Šimonová � Fakulta stavební VUT v Brn�

Ústav stavební mechaniky Veve�í 331/95, 602 00 Brno

� 541 147 116 � 541 240 994 � [email protected]

Ing. Barbara Kucharczyková, Ph.D. � Fakulta stavební VUT v Brn�

Ústav stavebního zkušebnictví Veve�í 331/95, 602 00 Brno

� 541 147 527 � 543 215 642 � [email protected]

prof. RNDr. Pavla Rovnaníková, CSc. � Fakulta stavební VUT v Brn�


� 541 147 633 � 541 147 667 � [email protected]

prof. Ing. Zbyn�k Keršner, CSc. � Fakulta stavební VUT v Brn�

Ústav stavebního mechaniky Veve�í 331/95, 602 00 Brno

� 541 147 362 � 543 240 994 � [email protected]


23

VLIV POUŽITÉHO PLNIVA NA TEPELN-TECHNICKÉ A FYZIKÁLN-MECHANICKÉ VLASTNOSTI KONOPNÝCH VÝPLOVÝCH HMOT

Šárka Keprdová, Ji�í Bydžovský

This paper describes how big can be the effect of using different types of connective components on the physic mechanical and thermal insulating properties of technical hemp filling materials. The technical hemp filling materials are made of technical hemp shives bonded mixture of cement and hydrated lime. They are applicable materials as fillers vertical or horizontal structures or roofs. The study used three types of fly ash (FBC fly ash, classical and heating plant) and slag in different percentage (10 and 15%) of the volume of the binder component. On the manufactured specimens was determined and subsequently evaluated bulk density, compressive strength, tensile strength in bending and determination of the heat conductivity factor.

1 Úvod

Kombinací hydraulické maltoviny a konopného pazde�í vznikají nové stavební materiály s velmi dobrými fyzikáln�-mechanickými a tepeln�-technickými vlastnostmi. Tyto produkty mají vynikající pracovní charakteristiky pro trvanlivé, ekologicky udržitelné stavby. Spole�n� tyto produkty tvo�í p�írodní kompozitní stavební materiál, který m�že být použitý pro vytvo�ení izola�ních zdí, izola�ní vrstvy pro podlahu a st�echy a vytvo�ení vynikajících tepelných a akustických vlastností budov. Výrobou takovýchto materiál� se zabývají nap�íklad firmy: Lime Technology Limited; Chanve & Techniques; Lhoist Group, tato firma vyrábí �adu konstruk�ních materiál� pod názvem Tradical ®.

2 Výpl�ové hmoty

Výpl�ová hmota tvo�ená konopným pazde�ím a hydraulickým pojivem má typickou pevnost v tlaku kolem 0,2-1 MPa, proto ji nelze použít v nosných konstrukcích. Aplikace takto tvo�ené hmoty je široké, používá je na výpln� obvodových i vnit�ních zdí, výpln� stropních konstrukcí �i podlah. V d�sledku nižších pevností v taku se nedá tento materiál použít jako nosný systém budovy, proto se využívá v kombinaci s d�ev�ným nebo železobetonovým rámem. Tudíž stavební výška je dána konstruk�ním systémem a ne materiálem výpl�ových hmot.

V systémech ze d�ev�ných nebo železobetonových rám� se používají tyto kompozitní materiály jako výpln� zdí s izola�ní funkcí. Kompozity poskytují vynikající propustnost pro páru, �ímž v d�ev�ných systémech chrání kvalitu d�eva p�ed zhoršujícími vlivy a prodlužuje trvanlivost. Stejn� jako pro výstavbu nových staveb, je tento kompozit vhodný pro renovaci a opravu starých budov z d�ev�ného rámového konstruk�ního systému. Jedná se o životaschopné a p�ijatelné nahrazení místo originálních výplní zdí, podlah �i st�ech.


24

Sm�s tvo�ená vápenným pojivem s konopným pazde�ím má dobrou zpracovatelnost, plasti�nost a manipula�ní dobu, což se projeví ve snadné aplikaci a redukci odpadu. Tyto sm�si mohou být ukládány do bedn�ní nebo formy, mohou být aplikovány st�íkáním stejn� jako beton nebo omítka.

Ukládání do bedn�ní je výhodné pro projekty, které jsou budovány svépomocí nebo menší projekty (mén� než 70 krychlových metr�). V tomto typu aplikace je do�asné bedn�ní upevn�no do d�ev�ného rámu válcovými vzp�rami tak, aby tvo�ily kone�ný rozm�r a tvar zdí. Materiál pak vložíme do bedn�ní a lehce zhutníme. Po 12 až 24 hodinách m�že být bedn�ní odstran�no.

Aplikace st�íkáním se hodí spíše pro v�tší projekty (p�es 70 krychlových metr�), kde je požadovaná rychlá výstavba. Materiál je pak st�íkán na do�asnou nebo stálou bo�nici a srovnáván do požadovaného povrchu. Po 24 hodinách m�že být p�ípadné bedn�ní odstran�no.

Obr. 1 Ukázky aplikací: ukládání do bedn�ní, aplikace st�íkáním [2, 3]

a) b)

c)

a) výpl� podlahové konstrukce b) výpl� st�ny c) výpl� st�ešní konstrukce

Obr. 2 Ukázky vypl�ování r�zných konstruk�ních prvk� [2, 3]


25

3 Technické konopí

Je starou kulturní rostlinou p�vodem ze st�ední Asie. V Evrop� se za�ala p�stovat okolo roku 400 našeho letopo�tu. Prvotní využití m�la konopná prysky�ice, déle pak konopné vlákno k výrob� papíru. Pozd�ji se p�išlo na jeho dobré ú�inky v léka�ství a p�edevším veliké pole p�sobnosti ve stavebnictví.

Technické konopí (cannabis sativa) je jednoletá teplomilná rostlina z �eledi Cannabaceae. Je to rostlina s tenkým dlouhým, p�ímým, rychle d�evnat�jícím a slab� rozv�tveným stonkem, s dlanit� složenými zoubkovanými listy a s malými, oválnými nažkovými plody. Hlavní stonek dosahuje délky 3 - 5 m a pr�m�ru 30 mm. P�stuje se všude v mírném pásmu s výjimkou p�d trvale zamok�ených nebo trvale p�esušených. P�i zpracování je využitelná celá rostlina a nevzniká žádný odpad. Nejvyšší obsah a nejkvalitn�jší vlákno dávají stonky zušlecht�ných odr�d, a to p�edevším stonky tenké a dlouhé, pocházející ze sklizn� v období plného kv�tu. Konopí je cenná zem�d�lská plodina. Je d�ležité si uv�domit, že u nás je povoleno p�stovat výhradn� konopí seté, které pro malý obsah THC (tetrahydrokanabinol�) do 0,3 % není možné zneužívat jako omamnou látku. [4]

Obr. 3 Technické konopí: vpravo v r�stu [4], vlevo pazde�í používané v práci

4 Návrh receptur

Základní receptura odvozená z p�edešlých experimentálních prací se skládala z 38 % plniva, které bylo mineralizováno 12% roztokem sodného vodního skla, 42 % pojiva (80 % vápenný hydrát + 20 % cement) a 20 % vody. Tato referen�ní receptura dosahovala nejlepších pevnostních charakteristik p�i zachování velmi dobrých tepeln�-technických vlastností. Úpravou pojivové složky se cht�lo dosáhnout snížení finan�ní nákladnosti pojivové složky a dále ušet�ení p�írodních zdroj� surovin p�i zachování co možná nejlepších parametr� kone�ných výpl�ových hmot. Jako náhrada �ásti cementu a vápenného hydrátu byl použit fluidní popílek Hodonín, klasický popílek z elektrárny D�tmarovice, fluidní popílek z teplárny Olomouc a struska Kotou� Štramberk. P�ehled ozna�ení a složení pojiva jednotlivých receptur viz tabulka 1. Pazde�í technického konopí použité jako plnivo je p�vodem z Francie, kde je známo pod obchodním názvem CHANVRIBAT (sypná hmotnost 92 kg/m3, sou�initel tepelné vodivosti 0,048 W/mK). Cement CEM I 42,5 R, vápenný hydrát CL 90-S, sodné vodní sklo 42-44 Bé.


26

Tab. 1 P�ehledné ozna�ení a složení jednotlivých receptur pojivové složky Ref pojivo: 80% vápenný hydrát + 20 % cement H1 pojivo: 75% vápenný hydrát + 15 % cement + 10 % popílek Hodonín H2 pojivo: 70% vápenný hydrát + 15 % cement + 15 % popílek Hodonín D1 pojivo: 75% vápenný hydrát + 15 % cement + 10 % popílek D�tmarovice D2 pojivo: 70% vápenný hydrát + 15 % cement + 15 % popílek D�tmarovice O1 pojivo: 75% vápenný hydrát + 15 % cement + 10 % popílek Olomouc O2 pojivo: 70% vápenný hydrát + 15 % cement + 15 % popílek Olomouc S1 pojivo: 75% vápenný hydrát + 15 % cement + 10 % struska S2 pojivo: 70% vápenný hydrát + 15 % cement + 15 % struska

5 Metodika práce + Výsledky zkoušek

Postup míchání a hutn�ní t�les probíhalo vždy stejným zp�sobem. Pazde�í technického konopí bylo na 24 hodin ponecháno ve 12% roztoku sodného vodního skla. P�i samotném míchání se nejprve smíchaly suché složky a poté se p�idalo konopí a voda, vše se d�kladn� homogenizovalo a ukládalo po t�etinách do forem pomocí p�ítlaku 10 kg závaží. Byly použity formy o t�ech velikostech a to 100 x 100 x 100 mm; 100 x 100 x 400 mm pro zkoušky objemové hmotnosti, pevnosti v talku a pevnosti v tahu za ohybu po 7, 28 a 60 dnech zrání. Dále formy o velikosti 300 x 300 x 50 mm pro zkoušku stanovení sou�initele tepelné vodivosti po 28 dnech v ustáleném vysušeném stavu stacionární metodou (Metodou desky) dle �SN 72 7012-3. Na obrázku 4 naleznete ukázku zkušebních t�les a strukturu výpl�ové hmoty. V tabulce 2 jsou uvedené výsledky všech provád�ných zkoušek, které jsou aritmetickými pr�m�ry z min. t�í m��ení. Na obrázcích 5, 6, 7 a 8 jsou zaznamenány pr�b�hy pokles� objemové hmotnosti, nár�sty pevností v tlaku a tahu za ohybu v jednotlivých dnech zrání a sou�initel tepelné vodivosti.

Obr. 4 Zkušební vzorky: a) pro zkoušku pevnosti v tlaku; b) pro zkoušku pevnosti v tahu za ohybu; c) deska pro stanovení sou�initele teplené vodivosti; d) ukázka struktury

výpl�ové hmoty


27

Tab. 2 Nam��ené vlastnosti výpl�ových hmot

Objemová hmotnost Pevnost v tahu za ohybu Pevnost v tlaku

[kg/m3] [N/mm2] [N/mm2]

�S 7 dní

28 dní

60 dní

7 dní

28 dní

60 dní

7 dní

28 dní

60 dní

Sou�initel tepelné

vodivosti [W/(mK)]

Ref 927 860 724 637 1,08 1.24 1.47 1.21 1.43 1.54 0.0812 H1 865 799 651 562 1.02 1.18 1.25 1.17 1.39 1.45 0.0773 H2 840 712 549 489 0.97 1.11 1.21 1.06 1.22 1.38 0.0764 D1 873 701 656 541 0.86 0.99 1.16 0.88 1.14 1.26 0.0789 D2 796 709 629 520 0.67 0.84 1.02 0.66 0.82 1.11 0.0781 O1 789 672 597 554 0.59 0.75 1.03 0.61 0.86 1.09 0.0712 O2 723 641 593 537 0.62 0.89 1.08 0.74 0.99 1.15 0.0701 S1 796 709 629 520 0.76 1.02 1.17 0.87 1.02 1.24 0.0746 S2 803 692 563 504 0.58 0.97 1.01 0.65 0.87 1.10 0.0722

Obr. 5 Objemové hmotnosti výpl�ových hmot

Obr. 6 Pevnosti v tahu za ohybu výpl�ových hmot


28

Obr. 7 Pevnosti v tlaku výpl�ových hmot

Obr. 8 Sou�initel tepelné vodivosti

6 Záv�r

Z výsledk� je patrné, že použití alternativních surovin jako náhrada �ásti pojivové složky ve struktu�e výpl�ových konopných hmot je možná. P�i aplikaci t�chto surovin sice dochází k mírnému poklesu pevnostních vlastností, ovšem na druhou stranu dochází ke zlepšení tepeln�-technických vlastností hmot. Což je velice p�íznivé zejména pro aplikace jako tepeln�-izola�ní výpl�ová hmota použitelná pro svislé a vodorovné konstrukce nejen ve výstavb� nových objekt�, ale i p�i sana�ních zásazích ve stropních a podlahových vrstvách. V rámci vzájemného porovnání jednotlivých druh� použitých popílk� a strusky je patrné, že popílek z teplárny Olomouc nedosahuje tak dobrých výsledk� pevností jako ostatní suroviny. Oproti tomu výsledky m��ení sou�initele tepelné vodivosti jsou nejlepší ze všech zkoušených vzork� takto tvo�ených výpl�ových hmot. Použití alternativních surovin do pojivové složky konopných výpl�ových hmot potvrdilo o�ekávané efekty, jako


29

snížení náklad� na pojivovou složku a zárove� nevedlo k významnému snížení kone�ných vlastností.

Pro komplexní posouzení použití alternativních surovin ve struktu�e výpl�ových hmot je pot�eba p�istoupit ješt� k rozsáhlejšímu testování vlastností výsledných hmot. Jedná se p�edevším o trvanlivostní charakteristiky hmot jako je mrazuvzdornost nebo odolnost v r�zných prost�edích. Dále pro uplatn�ní jako tepeln� a zvukov� izola�ní výpl�ové hmoty je pot�eba podrobn�ji vyzkoušet pot�ebné vlastnosti.

Tento p�ísp�vek byl vypracován s finan�ní pomocí EU „OP Výzkum a vývoj pro inovace“, projekt reg. �. CZ.1.05/2.1.00/03.0097, v rámci �innosti regionálního Centra AdMaS „Pokro�ilé stavební materiály, konstrukce a technologie“

Literatura

[1] http://www.lhoist.co.uk/tradical/index.html [2] http://www.lhoist.co.uk/tradical/hemp-lime.html [3] http://www.mabeko.cz/?rekonstrukce-a-pristavba-rodinneho-domu,28 [4] SLADKÝ, Václav: Konopí - stará kulturní rostlina v Evrop� a �R. Biom.cz

http://biom.cz/index.shtml?x=62806. ISSN: 1801-2655.

Ing. Šárka Keprdová � Stavební fakulta VUT v Brn�.

Ústav technologie stavebních hmot a dílc� Veve�í 331/95, 602 00 Brno

� 541 147 524 � 541 147 502 � keprdova.s @fce.vutbr.cz

doc. Ing. Ji�í Bydžovský, CSc. � Stavební fakulta VUT v Brn�.

Ústav technologie stavebních hmot a dílc� Veve�í 331/95, 602 00 Brno

� 541 147 505 � 541 147 502 � [email protected]


30


31

CEMENTOVÉ MALTY S �ÁSTE�NOU NÁHRADOU CEMENTU CIHELNÝM PRACHEM

Eva Navrátilová, Petr Lukas, Pavla Rovnaníková

The article deals with the assessment of a cement mortar modified with brick powders replacing cement in an amount from 10 to 40 %. The properties of mortars are evaluated based on monitoring their compressive strengths in time, and coefficient of corrosion resistivity. Corrosion properties were investigated by immersing specimens into 1% and 5% solution of Na2SO4 for 28 to 112 days. The results exhibited that addition of brick powder in 10% increases strengths of concrete, amount of 20% and 40% moderately deteriorate mechanical properties. The coefficient of corrosion resistivity is higher than 0.9 in all cases.

1 Úvod

Beton je kompozitní materiál, složený z kameniva, cementového tmelu a m�že obsahovat i p�ím�si a p�ísady. Pevná struktura se vytvá�í chemickými procesy hydratace cementu za tvorby cementového tmelu, spojujícího jednotlivá zrna kameniva.

Cement, který je základním pojivem v betonu, je p�i výrob� zatížen vysokou spot�ebou energie a emisemi oxidu uhli�itého (1 tuna cementu cca 660 kg CO2). Pro snížení energetické náro�nosti cementu, snížení emisí skleníkového plynu (CO2) a zlepšení n�kterých vlastností betonu, zejména korozní odolnosti, se vyráb�jí sm�sné cementy, ozna�ované podle �SN EN 197-1 [1] CEM II až CEM V. Jsou to cementy, které obsahují ur�itou koncentraci reaktivních p�ím�sí, bu samostatných, nebo v kombinaci, které se p�idávají k portlandskému cementu. Anorganické p�ím�si se d�lí na pucolánov� aktivní, které mají vysoký obsah SiO2 v reaktivním stavu a mnohdy také Al2O3, nebo hlinitok�emi�itany, ale mají velmi nízký nebo nulový obsah CaO a látky hydraulicky nebo latentn� hydraulicky aktivní s vyšším obsahem CaO. Pucolánov� aktivní látky reagují s hydroxidem vápenatým a vytvá�ejí již za normální teploty hydratované k�emi�itany vápenaté, je-li p�ítomen Al2O3, pak se tvo�í hydratované hlinitany vápenaté. Používané p�ím�si jsou bu odpady, vznikající ve stavebnictví nebo v jiných pr�myslových odv�tvích ve velkých množstvích, nebo p�írodní suroviny t�žené a n�kdy upravované. Jsou to zejména: • vysokopecní granulovaná struska • vysokoteplotní elektrárenské popílky • mikrosilika (k�emi�ité úlety) • p�írodní pucolány • tepeln� zpracované jílové suroviny – metakaolin.

Mezi pucolánov� aktivní p�ím�si lze za�adit také jemn� drcený nebo mletý cihelný st�ep, který používali již ve starov�ku (Féni�ané, �ímané, �ekové). Jílové minerály (illit, montmorillonit, kaolinit, chlorit) p�i výpalu cihlá�ských výrobk� ztrácejí vázanou vodu ze své struktury, a tím dochází ke zborcení krystal� a vzniku amorfních fází. Amorfní stav se


32

vyzna�uje nižší uspo�ádaností než má krystalová m�ížka, a to podmi�uje jejich reaktivitu s hydroxidem vápenatým.

Jílové minerály pálené do teploty 900 °C reagují s hydroxidem vápenatým za vzniku hydratovaných hlinitan� a k�emi�itan� vápenatých, C4AH13, C3AH6, C2ASH8 a CSH. P�i vyšších teplotách vznikají krystalické fáze, které nereagují s hydroxidem vápenatým, ztrácejí pucolánovou aktivitu (nap�. mullit) [2, 3]. Stavební objekty jsou �asto ve styku s prost�edím, které obsahuje sírany. V p�ípad� materiál�, které obsahují cement (malty, betony) dochází k reakci s aluminátovou složkou, která vede ke vzniku ettringitu [4]. Ten je p�í�inou porušení betonu v d�sledku vzniku ettringitu, který má molární objem 2,6krát v�tší než p�vodní slou�eniny. Snížením obsahu cementu se sníží koncentrace složek, které jsou p�í�inou vzniku ettringitu, tedy Ca(OH)2 a aluminátové složky cementu. Vzhledem k tomu, že i cihelný st�ep obsahuje aluminátové složky, bylo nutné zjistit odolnost cementových malt v síranovém prost�edí, ve kterých byl použit jemný cihelný st�ep jako náhrada cementu.

2 Použité suroviny a metodika experiment�

Pro výrobu zkušebních t�les byl použit portlandský cement CEM I 42,5 R (�eskomoravský cement, a. s., Mokrá), m�rný povrch byl 303,0 m2�kg-1, kopaný písek do betonu TK0/4 mm (Pískovny Morava, spol. s r. o. – pískovna Brat�ice), sítový rozbor viz Tab. 1 a cihelný st�ep (TONDACH �eská republika, s. r. o., Šlapanice). Chemické složení cihelného st�epu je v Tab. 2, sítový rozbor v Tab. 3. Tab. 1 Sítový rozbor písku

Tab. 2 Chemické složení cihelného st�epu

Tab. 3 Sítový rozbor cihelného prachu

V jemnozrnném betonu byla nahrazena �ást cementu jemn� mletým cihelným

st�epem v množství 0, 10, 20 a 40 %. Pro zlepšení reologických vlastností �erstvé malty byl použit superplastifikátor Mapei Dynamon SX 14. Složení sm�sí pro výrobu cementových malt je uvedeno v Tab. 4. Ze sm�si byla vyrobena zkušební t�lesa o velikosti

Velikost zrn

[mm]

pod 0,063

0,063-0,090

0,090-0,125

0,125-0,250

0,250-0,500

0,500-1,000

1,000-2,000

2,000-4,000

nad 4,000

Obsah [%] 61,48 21,26 5,08 3,64 2,42 0,86 0,12 0,91 0,07

Složka Ztr.s. Ztr.ž. SiO2 Al2O3 Fe2O3 TiO2 CaO K2O Na2O SO3 Obsah 0,39 1,13 63,45 13,98 5,39 0,77 8,18 2,43 0,90 0,10

Velikost zrn

[mm]

pod 0,045

0,045-0,063

0,063-0,090

0,090-0,125

0,125-0,250

0,250-0,500

0,500-1,000

nad 1,000

Obsah [%] 0,0 21,9 70,1 3,4 3,9 0,4 0,2 0,1


33

40×40×160 mm, která byla po jednom dnu byla odformována a na dobu 27 dn� uložena do vodního prost�edí. Tab. 4 Složení cementových malt (kg·m-3)

Zkušební t�lesa vyrobená z uvedených receptur byla uložena ve 3 prost�edích: voda o teplot� 20 °C ± 2 °C, 1% roztok Na2SO4 o teplot� 20 °C ± 2 °C, 5% roztok Na2SO4 o teplot� 20 °C ± 2 °C. Do roztok� síranu sodného byly vzorky uloženy po 28denním uložení ve vod�. V �asech 7, 28, 56, 84, 112 a 140 dn� byla t�lesa podrobena mechanickým zkouškám, vzorky uložené v roztocích Na2SO4 byly testovány po 28 (celkem po 56 dnech) až 112 dnech (celkem po 140 dnech). Z pevností v tahu ohybem byly vypo�ítány koeficienty korozní odolnosti v síranovém prost�edí. Vzorky vystavené síran�m byly podrobeny XRD analýze.

3 Výsledky a diskuse

3.1 Objemová hmotnost a pevnosti v �ase

Objemová hmotnost se u všech t�les uložených ve vod� i v roztocích Na2SO4 ve všech

�asech pohybovala v rozmezí 2126 až 2358 kg�m-3. V Tab. 5 a Tab. 6 jsou uvedeny výsledky stanovení pevností v tahu ohybem a tlaku

t�les uložených ve vod�. Pevnosti u malty CM10, tj. s 10% náhradou cementu cihelným st�epem jsou ve všech �asech vyšší v porovnání s referen�ní maltou, CM20 má Tab. 5 Pevnost v tahu ohybem v �ase t�les uložených ve vod�

srovnatelné pevnosti s referen�ní maltou. Malta CM40 již vykazuje mírné pevnosti v tahu za ohybu, které se zmenšují s �asem, podobn� pevnost v tlaku vykazuje stejný trend v porovnání s referen�ní maltou.

REF CM10 CM20 CM40 CEM I 42,5 R 484 436 388 291 Cihelný prach 0 48,4 96,8 193,6 Písek 0/4 mm 1722 1722 1722 1722

Voda 261 280 293 292 Superplastifikátor 5,3 5,3 5,3 5,3

Doba REF CM10 CM20 CM40 7 d 7,9 7,7 7,0 5,4

28 d 8,5 8,7 8,0 6,4 56 d 8,9 9,0 8,4 7,8 84 d 9,4 9,6 9,2 8,7

112 d 9,8 10,7 9,7 9,1 140 d 10,0 11,4 10,1 9,5


34

Tab. 6 Pevnost v tlaku v �ase t�les uložených ve vod�

V Tab. 7 a 8 jsou uvedeny výsledky pevností malt uložených v 1% roztoku Na2SO4,

kde stejn� jako u malt uložených ve vod� došlo ke zvýšení pevností u malty CM10 ve všech �asech u obou sledovaných pevností. Malta CM20 m�la pevnosti blízké referen�ní malt�, malta CM40 vykázala pevnosti nižší. Tab. 7 Pevnost v tahu ohybem v �ase t�les uložených v 1% roztoku Na2SO4

Tab. 8 Pevnost v tlaku v �ase t�les uložených v 1% roztoku Na2SO4

Srovnatelné výsledky byly dosaženy u malt, které byly uloženy v 5% roztoku

Na2SO4 Tab. 9 a 10, referen�ní malta uložená ve vod� postupn� zvyšovala pevnosti až do 140. dne (o 35 %), a to tím více, �ím byla vyšší náhrada cementu cihelným st�epem. Malta uložená v 1 % roztoku síranu sodného zvýšila pevnost v tlaku mezi 56. a 140. dnem (po 28denním uložení ve vod�) o 8 až 12 % podle procenta náhrady cementu. P�i uložení v 5% roztoku Na2SO4 (po 28denním uložení ve vod�) se pevnosti již zvyšovaly u vzork� s náhradou cementu cihelným prachem o 7 až 26 % se stoupajícím množstvím st�epu. Referen�ní t�lesa vykázala stejné pevnosti v tlaku i tahu za ohybu ve všech sledovaných termínech. Vzájemné srovnání pevností malt v �ase je znázorn�na na Obr. 1 a 2.

Doba REF CM10 CM20 CM40 7 d 34,2 38,3 29,1 16,7

28 d 38,8 44,7 34,1 24,8 56 d 40,7 44,8 38,7 25,9 84 d 42,9 44,4 41,5 27,1

112 d 44,2 46,7 43,2 35,4 140 d 46,3 48,6 44,3 39,9

Doba uložení v 1% Na2SO4

REF CM10 CM20 CM40

28 d 9,0 9,5 8,7 7,2 56 d 9,5 10,1 9,2 7,8 84 d 9,8 10,6 9,7 8,5 112 d 10,0 11,7 10,3 9,0


REF CM10 CM20 CM40

56 d 42,6 47,0 37,9 31,9 84 d 43,7 47,8 42,9 33,1

112 d 45,6 48,7 46,7 34,7 140 d 45,9 50,8 42,7 34,5


35

Tab. 9 Pevnost v tahu ohybem v �ase t�les uložených v 5% roztoku Na2SO4

Tab. 10 Pevnost v tlaku v �ase t�les uložených v 5% roztoku Na2SO4

Obr. 1 Pevnost v tahu ohybem malt uložených v r�zných prost�edích


REF CM10 CM20 CM40

56 d 10,0 10,2 9,0 8,6 84 d 10,0 11,2 10,1 9,7

112 d 10,0 12,7 11,5 10,1 140 d 10,1 12,8 11,6 10,1


REF CM10 CM20 CM40

56 d 44,5 47,1 40,3 32,7 84 d 44,7 47,8 42,9 35,3

112 d 44,2 48,2 43,2 40,9 140 d 44,6 50,3 44,3 41,2


36

Obr. 2 Pevnost v tlaku malt uložených v r�zných prost�edích

3.2 Korozní odolnost

Z nam��ených hodnot pevnosti v tahu ohybem byl vypo�ten koeficient korozní odolnosti Kcor, podle vztahu

fREF

fcor R

RK = ,

kde Rf je pevnost v tahu ohybem po 28 až 112 dnech uložení v 1% a 5% roztoku Na2SO4 a RfREF je pevnost v tahu ohybem t�les uložených stejnou dobu ve vod�. P�ed uložením do roztoku síran� byla t�lesa 28 dn� uložena ve vod�. S ohledem na skute�nost, že není kvantitativní hodnocení korozní odolnosti uvedeno v norm�, byla odolnost vyhodnocena obdobn� jako mrazuvzdornost, tj. beton odolává prost�edí, je-li koeficient korozní odolnosti Kcor > 0,75. Hodnoty koeficient� korozní odolnosti jsou uvedeny v Tab. 11 a 12. Tab. 11 Koeficienty korozní odolnosti t�les uložených v 1% roztoku Na2SO4

Tab. 12 Koeficienty korozní odolnosti t�les uložených v 5% roztoku Na2SO4

Doba REF CM10 CM20 CM40 28 d 1,01 1,06 1,04 0,92 56 d 1,01 1,05 1 0,9 84 d 1 0,99 1 0,93 112 d 1 1,03 1,02 0,95

Doba REF CM10 CM20 CM40 28 d 1,12 1,13 1,07 1,19 56 d 1,06 1,17 1,1 1,11 84 d 1,02 1,19 1,19 1,11 112 d 1 1,12 1,15 1,06


37

Zkoušky korozní odolnosti ukázaly, že t�lesa po 28 dnech uložení ve vod� a následn� uložená v 1% roztoku Na2SO4 nevykazovala po dobu 112 dn� žádné známky poškození, pom�r pevností v tahu ohybem (Kkor) byl blízký hodnot� 1, u t�les s 40% náhradou cementu cihelným prachem byl tento pom�r v�tší než 0,9. U t�les uložených v 5% roztoku Na2SO4 dob� do 112 dn� v síranovém prost�edí byl pom�r pevností v tahu ohybem u všech receptur v�tší než 1.

4 Záv�r

Náhrada cementu jemn� mletým cihelným st�epem je výhodná do 10 %, pevnosti v tahu ohybem i v tlaku jsou vyšší než u referen�ní malty. U vyšších náhrad cementu jsou pevnosti nižší, ale s �asem se zvyšují a po 140 dnech dosahují hodnot blízkých hodnotám pevností referen�ní malty.

Uložení zkušebních t�les v roztocích síranu sodného o r�zné koncentraci ukázalo, že ani po 112 dnech v síranovém prost�edí nedošlo k poškození t�les. Pevnosti v tlaku byly ve všech sledovaných �asech u všech receptur vyšší než pevnosti stejných malt uložených stejnou dobu ve vod�. Pevnosti v tahu ohybem byly u t�les uložených v 1% roztoku síranu nižší než u t�les uložených ve vod�, t�lesa uložená v 5% roztoku m�la pevnosti vyšší než t�lesa uložená ve vod�.

Je možno u�init záv�r, že náhrada portlandského cementu jemn� mletým cihelným st�epem o množství 10 % má pozitivní vliv na mechanické vlastnosti a odolnost proti p�sobení síran�.

Výsledky uvedené v �lánku byly získány v rámci �ešení projektu FAST-S-11-23/1217 a s finan�ní pomocí EU „OP Výzkum a vývoj pro inovace“, projekt reg. �. CZ.1.05/2.1.00/03.0097, v rámci �innosti regionálního Centra AdMaS „Pokro�ilé stavební materiály, konstrukce a technologie“.

Literatura

[1] �SN EN 197-1 Cement – �ást 1: Specifikace, složení a kritéria shody cement� pro obecné použití. 2. Vydání. Platnost od 1. 5. 2012.

[2] BARONIO, G., BINDA, L. Study of the pozzolanity of some brick and clays, Construction and Building Materials, 2007, vol. 11, s. 41–46.

[3] UGURLU, E., BOKE, H. The use of brick-lime plasters and their relevance to climatic conditions of historic bath buildings, Construction and Building Materials, 2009, vol. 23, s. 2442–2450 .

[4] SKALNY, J., MARCHAND, J., ODLER, I. Sulfate attack on concrete. London and New York: SPPON PRESS, Taylor & Francis Group, 2002, p. 44. ISBN 0-419- 24550-2. [5] KARIHALOO, B. L. Fracture mechanics of concrete. Longman Scientific & Technical, New York, 1995. [6] RILEM TC-50 FMC (Recommendation, 1985) Determination of the fracture energy of mortar and concrete by means of three-point bend test on notched beams, Materials & Structures, Vol. 18, 285–290.


38

Ing. Petr Lukas

Ing. Eva Navrátilová � Stavební fakulta VUT v Brn�.


� 541 147 643 � 541 147 667 � [email protected]

prof. RNDr. Pavla Rovnaníková, CSc. � Stavební fakulta VUT v Brn�.


� 541 147 633 � 541 147 667 � [email protected]


39

VÁPENNÉ MALTY MODIFIKOVANÉ CIHELNÝM PRACHEM R�ZNÉHO P�VODU

Eva Navrátilová, Pavla Rovnaníková

The article deals with characterization of three brick powders of various composition. Their properties are evaluated on base of their chemical composition, puzzolanic activity and specific area. An influence of the brick powders on properties of lime mortars in fresh and hardened state will be assessed, too. The brick powder in amount of 20 and 40% was substituted for the lime mortars binder. The influence on the properties of the modified plasters in fresh or hardened state will be evaluated by means of measurement of water consumption, workability of the fresh mortars and by determination of strength characteristics, water absorbability and porosity of the hardened mortars. It was found, that not all brick powders are suitable to use in modified lime mortars. If a suitable brick powder is used for preparation of modified lime mortars, the positive influence on their properties is obtained, especially in the case of the strength characteristics.

1 Úvod

Omítky vytvá�í povrchovou úpravu historických staveb, chrání jejich nosné konstrukce p�ed atmosférickými vlivy a vytvá�í estetiku dané stavby. Obvykle se jedná o vápenné omítky na bázi vzdušného vápna nebo na bázi hydraulického vápna. Omítky jsou velmi �asto modifikovány �adou anorganických p�ím�sí. V minulosti mezi nej�ast�ji používané anorganické p�ísm�si pat�ily mleté keramické st�epy, které m�ly za úkol zlepšit vlastnosti malt v �erstvém i zatvrdlém stavu. Tyto anorganické p�ím�si se ozna�ují jako pucolány.

Pucolány lze definovat jako k�emi�ité nebo hlinitok�emi�ité látky, které samy o sob� nemají žádnou vazebnou schopnost, ale s hydroxidem vápenatým a vodou reagují za b�žných teplot za vzniku slou�enin, které tuhnou, tvrdnou a jsou stálé na vzduchu i pod vodou [1]. Z chemického hlediska jsou pucolány materiály, které obsahují amorfní oxid k�emi�itý SiO2 a reaktivní k�emi�itany, hlinitany a hlinitok�emi�itany. Amorfní oxid k�emi�itý v pucolánech reaguje s oxidem vápenatým za vzniku hydratovaných k�emi�itan� typu CSH slou�enin, hlinitan� vápenatých C4AH13 a hydroghlenitu C2ASH8 [2], které jsou stálé na vzduchu i pod vodou. Tyto slou�eniny jsou odoln�jší v��i p�sobení kyselého prost�edí než produkt karbonatace vápna ve vápenných omítkách a vedou ke zlepšení mechanických vlastností, zvyšují odolnost v��i korozi, a tím i trvanlivost omítek.

Cihelné prachy p�ipravené výpalem jíl� na teplotu 600 až 900 °C získávají pucolánovou aktivitu tím, že m�ní svoji strukturu. Po výpalu dehydratují na bezvodé hlinitok�emi�itany. Dále obsahují složky, které se výpalem nezm�nily a byly p�ítomny v surovin�, resp. v surovinové sm�si, jako je oxid k�emi�itý, oxid hlinitý, anatas, muskovit ap. V d�sledku výpalu a ztráty vody dochází ke zhroucení krystalové m�ížky za vzniku metastabilních amorfních fází. Obsahují-li jílové složky p�evážn� jílový minerál kaolinit, který p�i výpalu mezi teplotami 500 až 600 °C p�echází na metakaolinit, m�že docházet ke t�em r�zným reakcím s hydroxidem vápenatým za vzniku produkt� C4AH13, C3AH6, C2ASH8 a CSH. Jestliže teplota výpalu p�esáhne 900 °C, p�em��ují se amorfní fáze


40

do nových stabilních krystalických slou�enin – mullitu, tridymitu, které již s hydroxidem vápenatým za b�žných teplot nereagují. Takto vypálené jíly ztrácejí pucolánovou aktivitu [3, 4]. Pucolánovou aktivitu cihelného st�epu ovliv�ují r�zné fyzikáln�-chemické a chemické vlastnosti, jako je obsah skelné fáze, celkový obsah oxidu k�emi�itého, velikost zrna, specifický povrch a v neposlední �ad� kvalita primárních surovin [5].

Použití pálených jíl� ve vápenných omítkách vede ke zlepšení celé �ady vlastností t�chto omítkových malt, zejména ke zvýšení tlakových a ohybových pevností. Pálené jíly zvyšují odolnost v��i pov�trnostním vliv�m, dochází tedy k prodloužení trvanlivosti t�chto omítkových malt. Dále v t�chto omítkách dochází ke snížení rizika tvorby výkv�t� a zvýšení odolnosti v��i zmrazování [6, 7].


Na výrobu zkušebních malt bylo použito bílé vápno CL-90 S ve form� vápenného hydrátu (Carmuse Czech Republic s. r. o., Mokrá), omítkový písek frakce 0 – 4 mm, cihelné prachy A, B a C, které jsou odpadním materiálem p�i výrob� kalibrovaných cihelných výrobk� a pochází z r�zných zdroj�. Cihelný prach A pochází z oblasti Dolního Bukovska, cihelný prach B pochází z oblasti Libochovic a cihelný prach C pochází z oblasti Hevlína. Množství vody p�i výrob� zkušebních malt bylo voleno, tak aby rozliv �erstvé malty byl 160 ± 5 mm.

Vápenný hydrát byl ve zkušebních maltách nahrazován cihelnými prachy A, B a C v množství 20 a 40 %. Pom�r pojiva ku plnivu byl zvolen 1 : 4. Složení zkušebních malt je uvedeno v Tab. 1. Pom�ry mísení jsou uvedeny v hmotnostních dílech. Zkušební malty byly ukládány do forem o velikosti 40 × 40 × 160 mm. Po odformování byla zkušení t�lesa ponechána v laboratorních podmínkách p�i teplot� 20 ± 1 °C a relativní vlhkosti vzduchu 50 ± 5 %. Tab. 1 Složení zkušebních malt

U cihelných prach� A, B a C byla stanovena velikost m�rného povrchu metodou

dynamické desorpce dusíku p�i -196 °C, pucolánová aktivita pomocí Chapelleho testu a jejich chemické složení pomocí rentgenové fluorescen�ní analýzy.

P�i p�íprav� zkušebních malt byla sledována spot�eba vody dle �SN EN 1015-3 [8], objemová hmotnost �erstvé malty dle �SN EN 1015-6 [9] a zpracovatelnost dle �SN EN 1015-9 [10]. U zatvrdlých malt byla sledována pevnost v tahu za ohybu a pevnost v tlaku ve stá�í 7 a 28 dn� dle �SN EN 1015-11 [11], dále byla stanovena nasákavost zatvrdlých malt ve stá�í 28 dn� pono�ením do vody p�i atmosférickém tlaku po dobu 24 hodin a poté vysušením do konstantní hmotnosti. Pórovitost zatvrdlých malt byla stanovena výpo�tem na základ� zjišt�ných hodnot objemových hmotností zatvrdlých malt a jejich m�rné hmotnosti ve stá�í 28 dn�.

REF MA 20 MA 40 MB 20 MB 40 MC 20 MC 40 Vápenný hydrát 1 0,8 0,6 0,8 0,6 0,8 0,6 Cihelný prach 0 0,2 0,4 0,2 0,4 0,2 0,4

Omítkový písek 4 4 4 4 4 4 4


41


3.1 M�rný povrch, pucolánová aktivita a chemické složení cihelných prach�

V Tab. 2 jsou uvedeny hodnoty m�rného povrchu a pucolánové aktivity cihelných prach� A, B a C. Cihelný prach C dosahuje nejvyšší hodnoty m�rného povrchu a také nejvyšší hodnoty pucolánové aktivity. Cihelný prach A dosahuje nejmenší hodnoty m�rného povrchu, ovšem jeho pucolánová aktivita se p�ibližuje hodnot� pucolánové aktivity cihelného prachu A, lze tedy vyslovit domn�nku, že pucolánová aktivita cihelného prachu není závislá pouze na hodnot� jeho m�rného povrchu, ale také na chemickém složení cihelného prachu.

Chemické složení cihelných prach� A, B a C je uvedeno v Tab. 3. Cihelné prachy B a C obsahují p�ibližn� 72 % hydraulických oxidu (Al2O3, SiO2, Fe2O3), cihelný prach A obsahuje p�ibližn� 82 % hydraulických oxid�. Cihelný prach B a C dosahují hodnoty pom�ru oxidu vápenatého k hydraulickým oxid�m 0,15 až 0,19, zatímco cihelný prach A vykazuje tuto hodnotu mnohem menší, a to 0,03.

Cihelné prachy B a C vykazují pom�r oxidu vápenatého k hydraulickým oxid�m p�ibližn� stejný, ovšem jejich pucolánová aktivita se výrazn� liší, a také hodnoty jejich m�rných povrch� jsou rozdílné. U t�chto dvou prach� je tedy pucolánová aktivita výrazn� ovlivn�na hodnotami jejich m�rných povrch�. Ovšem cihelný prach A má hodnotu pom�ru oxidu vápenatého k hydraulickým oxid�m 0,03, ale jeho pucolánová aktivita je srovnatelná s cihelným prachem C, ale hodnoty m�rných povrch� t�chto dvou prach� se liší. U prachu A bude tedy pucolánová aktivita více ovlivn�na jeho chemickým složením.

Tyto výsledky tedy potvrzují, že pucolánová aktivita cihelného prachu není ovlivn�na pouze hodnotou jeho m�rného povrchu nebo jeho chemickým složením a pom�rem obsah� p�ítomných složek. Tab. 2 M�rný povrch a pucolánová aktivita cihelných prach�

Tab. 3 Chemické složení cihelných prach�

3.2 Spot�eba vody, objemová hmotnost a zpracovatelnost �erstvých malt

V Tab. 4 je uvedena spot�eba vody p�i p�íprav� �erstvých malt p�i zachování konstantního rozlivu 160 ± 5 mm �erstvých malt, objemová hmotnost a zpracovatelnost �erstvých malt REF, MA, MB a MC.

M�rný povrch [m2·g-1] Pucolánová aktivita [mg Ca(OH)2/1 g pucolánu] A 2,08 408 B 3,61 296 C 7,31 460

Al2O3 CaO Fe2O3 K2O MgO MnO Na2O P2O5 SiO2 SO3 TiO2 A 16,404 2,328 4,866 2,251 1,418 0,082 0,730 0,150 60,888 0,216 1,395 B 13,866 10,998 4,406 2,775 2,998 0,042 0,838 0,144 53,634 0,610 0,360 C 15,178 14,036 3,411 2,769 1,649 0,045 0,266 0,221 53,093 1,110 1,016


42

Nejvyšší spot�ebu vody vykazuje referen�ní malta, se zvyšujícím se množstvím cihelného prachu v malt� se spot�eba vody snižuje p�i zachování konstantního rozlivu �erstvé malty. Malty MA a MB vykazují tém�� stejnou spot�ebu vody, jak pro p�ídavek 20 respektive 40 % cihelného prach�. U malty MC je spot�eba vody vyšší než u malt MA a MB. Tento rozdíl bude dán pravd�podobn� hodnotou m�rného povrchu cihelných prach�, cihelný prach C vykazuje nejvyšší hodnotu m�rného povrchu.

Objemová hmotnost �erstvých malt REF, MA, MB a MC se pohybuje v rozmezí 1930 až 1970 kg·m-3.

Nejkratší dobu zpracovatelnosti vykazuje referen�ní malta, u malt MA, MB a MC obsahující cihelný prach se doba zpracovatelnosti prodlužuje se zvyšujícím se obsahem cihelného prachu. Na dobu zpracovatelnosti �erstvých malt bude mít op�t pravd�podobn� vliv hodnota m�rného povrchu cihelného prach�, se zvyšující se hodnotou m�rného povrchu cihelného prachu se prodlužuje doba zpracovatelnosti �erstvé malty. Nejkratší dobu zpracovatelnosti má malta MA obsahující cihelný prach A, který má nejmenší hodnotu m�rného povrchu, naproti tomu malta MC vykazuje nejdelší dobu zpracovatelnosti, protože cihelný prach C, který byl použit na její p�ípravu, dosahuje nejvyšší hodnoty m�rného povrchu. Tab. 4 Spot�eba vody, objemová hmotnost a zpracovatelnost �erstvých malt

3.3 Pevnost v tahu za ohybu a pevnost v tlaku

Na Obr. 1 a Obr. 2 jsou uvedeny výsledky pevností v tahu za ohybu a pevností v tlaku zatvrdlých malt REF, MA, MB a MC ve stá�í 7 a 28 dn�.

Nejnižší hodnoty pevnosti v tahu za ohybu dosahuje referen�ní malta. K mírnému nár�stu pevností v tahu za ohybu dochází p�ídavkem 20 a 40 % cihelného prachu u malt MA a MB ve stá�í 7 dn�. K výrazn�jšímu nár�stu pevností v tahu za ohybu dochází u malty MC s p�ídavkem 20 a 40 % cihelného prachu ve stá�í 7 dn�. Ve stá�í 28 dn� dochází u všech malt k nár�stu pevností. Malty MA a MB nedosahují pevností v tahu za ohybu malty referen�ní ani s p�ídavkem 20, respektive 40 % cihelného prachu ve stá�í 28 dn�. Vyšších pevností v tahu za ohybu než malta referen�ní dosahuje malta MC s p�ídavkem 20 i 40 % cihelného prachu ve stá�í 28 dn�.

Spot�eba vody [ml] Objemová hmotnost [kg·m-3] Zpracovatelnost [min] REF 450 1940 45

MA 20 410 1950 90 MA 40 380 1970 135 MB 20 410 1960 105 MB 40 385 1970 165 MC 20 420 1930 135 MC 40 410 1940 180


43

Obr. 1 Pevnost v tahu za ohybu zatvrdlých malt ve stá�í 7 a 28 dn�

Výsledky pevností v tlaku ukazují, že malty MA 20, MA 40 a MB 20 nedosahují

pevností referen�ní malty ve stá�í 7 a 28 dn�, výjimkou je pouze malta MA 40, která ve stá�í 7 dn� dosahuje vyšší pevnosti v tlaku než malta referen�ní, malta MB 40, která ve stá�í 7 dn� dosáhla stejné pevnosti jako malta referen�ní a malta MB 40, která ve stá�í 28 dosáhla vyšší pevnosti než malta referen�ní. Malty MC 20 a MC 40 dosahují nejvyšších pevností v tlaku ve stá�í 7 i 28 dn�. U všech malt dochází k nár�stu pevností v pr�b�hu �asu.

Malty MC 20 a MC 40 dosahují nejvyšších pevností v tahu za ohybu a pevností v tlaku ve stá�í 7 a 28 dn� pravd�podobn� proto, že cihelný prach C, který byl použit na jejich p�ípravu, dosahuje nejvyšší hodnoty pucolánové aktivity a také má nejvyšší hodnotu m�rného povrchu.

Obr. 2 Pevnost v tlaku zatvrdlých malt ve stá�í 7 a 28 dn�


44

3.4 Nasákavost a pórovitost

Na Obr. 3 a Obr. 4 jsou uvedeny výsledky nasákavosti a pórovitosti zatvrdlých omítek REF, MA, MB a MC ve stá�í 28 dn�.

Nejvyšší nasákavosti a pórovitosti dosahuje referen�ní malta, se zvyšujícím p�ídavkem cihelného prachu se nasákavost a pórovitost zatvrdlých malt MA, MB a MC snižuje. Hodnoty nasákavosti a zatvrdlých malt MA, MB a MC nevykazují p�íliš velké rozdíly, to stejné platí i pro hodnoty pórovitosti.

Obr. 3 Nasákavost zatvrdlých omítek ve stá�í 28 dn�

Obr. 4 Pórovitost zatvrdlých omítek ve stá�í 28 dn�

4 Záv�r

�lánek se zabýval hodnocením vlastností t�í druh� cihelných prach� r�zného p�vodu. Vlastnosti cihelných prach� byly hodnoceny prost�ednictvím jejich chemického složení,


45

pucolánové aktivity a m�rného povrchu. Výsledky analýzy ukázaly, že pucolánová aktivita cihelného prachu není ovlivn�na pouze hodnotou jeho m�rného povrchu nebo jeho chemickým složením, ale jejich kombinací.

V �lánku byl dále hodnocen vliv analyzovaných cihelných prach� na vlastnosti vápenných modifikovaných malt. Pojivo bylo v t�chto maltách nahrazeno 20 a 40 % cihelného prachu. Vliv cihelného prachu na vlastnosti vápenných modifikovaných malt byl hodnocen v �erstvém i zatvrdlém stavu. Vlastnosti malt byly hodnoceny na základ� m��ení spot�eby vody, objemové hmotnosti a zpracovatelnosti �erstvých malt. Vlastnosti zatvrdlých malt byly hodnoceny prost�ednictvím jejich pevnostních charakteristik, nasákavosti a pórovitosti.

Z výsledk� vyplývá, že p�ídavek cihelného prachu do vápenných modifikovaných omítek vede ke snížení spot�eby zám�sové vody p�i p�íprav� �erstvých malt. Také dochází k prodloužení doby zpracovatelnosti �erstvých modifikovaných malt oproti �ist� vápenné malt�.

Výsledky pevností v tahu za ohybu a pevností v tlaku zatvrdlých malt ukázaly, že p�ídavkem cihelných prach� A a B nedochází k tém�� žádnému nár�st� pevností v porovnání s �ist� vápennou maltou. Tyto cihelné prachy vykazovaly nízkou hodnotu pucolánové aktivity nebo nízkou hodnotu m�rného povrchu. Pouze se zvyšujícím se p�ídavkem cihelného prachu C dochází k nár�stu pevností zatvrdlých malt. Tento cihelný prach vykazoval nejvyšší hodnotu pucolánové aktivity a také nejvyšší hodnotu m�rného povrchu. Dále je z výsledku patrné, že se zvyšujícím se p�ídavkem cihelného dochází ke snížení nasákavosti a pórovitosti zatvrdlých modifikovaných malt v porovnání s maltou vápennou.

Lze tedy �íci, že p�ídavek cihelného prachu do vápenných modifikovaných malt má pozitivní vliv na jejich vlastnosti jak v �erstvém, tak i zatvrdlém stavu. Ovšem p�ed použitím cihelného prachu do vápenných omítek je d�ležité provést analýzu jeho vlastností. Tém�� každý cihelný prach vykazuje jistou aktivitu, ta ovšem nemusí být tak vysoká, aby zajistila dostate�nou reakci s hydroxidem vápenatým, a tím zajistila pozitivní vliv na vlastnosti vápenných modifikovaných malt zejména v zatvrdlém stavu.

Výsledky byly získány za podpory projektu FAST-S-11-23/1217 a s finan�ní pomocí EU „OP Výzkum a vývoj pro inovace“, projekt reg. �. CZ.1.05/2.1.00/03.0097, v rámci �innosti regionálního Centra AdMaS „Pokro�ilé stavební materiály, konstrukce a technologie“.

Literatura

[1] DONATELLO, S., TYRER, M., CHEESEMAN, C. R. Comparison of test methods to assess pozzolanic aktivity, Cement and Concrete Composites, 2010, vol. 32, s. 121–172.

[2] CABRERA, J., ROJAS, M. F. Mechanism of hydration of the metakaolin-lime-water, Cement and Concrete Research, 2001, vol. 31, s. 177–182.

[3] BARONIO, G., BINDA, L. Study of the pozzolanity of some brick and clays, Construction and Building Materials, 2007, vol. 11, s. 41–46.


46

[4] UGURLU, E., BOKE, H. The use of brick-lime plasters and their relevance to climatic conditions of historic bath buildings, Construction and Building Materials, 2009, vol. 23, s. 2442–2450 .

[5] MOROPOULOU, A., BAKOLAS, A., AGGELAKOPOULOU, E. Evaluation of pozzolanic aktivity of natural and artificial pozzolans by thermal analysis, Thermochimica Acta, 2004, vol. 420, s. 135–140 .

[6] MIRZA, J., RIAZ, M., NASEER, A., REHMAN, F., KHAN, A. N., ALI, Q. Pakistani bentonite in mortars and concrete as low cost construction meterial, Applied Clay Science, 2009, vol. 45, s. 220–226.

[7] SIDDIQUE, R., KLAUS, J. Influence of metakaolin on the properties of mortar and concrete, A review. Applied Clay Science, 2009, vol. 43, s. 392–400.

[8] �SN EN 1015-3 Zkušební metody malt pro zdivo – �ást 3: Stanovení konzistence �erstvé malty (s použitím st�ásacího stolku). 2000.

[9] �SN EN 1015-6 Zkušební metody malt pro zdivo – �ást 6: Stanovení objemové hmotnosti �erstvé malty. 1999.

[10] �SN EN 1015-9 Zkušební metody malt pro zdivo – �ást 9: Stanovení doby zpracovatelnosti a �asu pro úpravu �erstvé malty. 2000.

[11] �SN EN 1015-11 Zkušební metody malt pro zdivo – �ást 11: Stanovení pevnosti zatvrdlých malt v tahu za ohybu a v tlaku. 2000.

Ing. Eva Navrátilová � Stavební fakulta VUT v Brn�.


� 541 147 643 � 541 147 667 � [email protected]

prof. RNDr. Pavla Rovnaníková, CSc. � Stavební fakulta VUT v Brn�.


� 541 147 633 � 541 147 667 � [email protected]


47

METAKAOLINY A JINÉ P�ÍRODNÍ A UMLÉ PUCOLÁNY Z ALTERNATIVNÍCH SUROVIN

František Pticen

This work presents some products based on natural and calcined raw materials, which can be industrially applied as puzzolans. This way can be exploited wastes from kaolin plants, raw kaolins, clays, zeolites and bentonites.

1 Úvod

Suroviny a produkty s pucolánovou aktivitou mohou být p�írodní nebo um�lé. Tradi�ní metakaoliny jsou um�lé pucolány získané kalcinací a ultra jemným mletím a t�íd�ním kaolinitických surovin nej�ast�ji plavených kaolin�, ale také zpevn�ných jílovc� (metalupek) v práškovém stavu se st�edním zrnem 2 až asi 6 µm a rozsahem zrnitostní frakce d99 p�ibližn� 0 až 15 mikrometr�, resp. 0 až 40 mikrometr� a jsou známy i metakaoliny �i metalupky v zrnitostní frakci 0-60 µm. Pucolánová aktivita našich metakaolin� se nej�ast�ji pohybuje v rozmezí cca 800 až 1200 mg Ca(OH)2/gram pucolánu. Krom� granulometrického složení se práškové metakaoliny liší také chemicky, mineralogicky, b�lostí a barevností, sorp�ními vlastnostmi, sypnou hmotností, mírou rozprost�ení (rozlití) apod.. Nevýhodou uvedených metakaolin� je zpravidla vysoká cena produktu, která nem�že konkurovat nap�. cen� cementu a brání tak v�tšímu nasazení pucolánového pojiva v pr�myslové praxi a metakaoliny jsou pak p�edevším exportovány do zahrani�í. Jsou vyráb�ny z nejlepších �eských kaolin� a kaolinitických jílovc� a jsou nevýhodn� zatíženy náklady na plavení a úpravu suroviny v�etn� následné kalcinace, mletí a t�íd�ní. Jemné, práškové metakaoliny mají uplatn�ní zpravidla ve stavebním pr�myslu jako pojiva, ale v posledních letech nacházejí využití i v jiných odv�tvích pr�myslu, nap�. v žáruvzdorném, p�i výrob� užitkového porcelánu, v keramice, v chemickém pr�myslu, v plnivá�ském pr�myslu, jako jemná brusiva, p�i výrob� speciálních hmot a sm�sí atd.. Produkty mají dále p�esn� definovanou rychlost tuhnutí a tvrdnutí, reaktivitu, obsah ultra jemných �ástic a n�kdy i nano�ástic (vysoký m�rný povrch), reologické a licí vlastnosti, porozitu atd.. Mezi podobné práškové produkty je možné �adit k výpalu r�zné odprašky, úlety, nedopaly apod., které je však možné využít i jako zdroj matakaolin� s odlišným mineralogickým složením. Vedle práškových metakaolin� byly �in�ny pokusy uplatn�ní metakaolin� v tekutém stavu, v pastovité konzistenci, které však zatím nenašly pr�myslové uplatn�ní.1

Metakaoliny s odlišným mineralogickým složením byly prezentovány ve výzkumu a aplikovaném vývoji2, ale pr�myslové využití ve v�tším m��ítku zatím nem�ly. Jde o produkty bu se sníženým obsahem kaolinitu p�ed výpalem s množstvím jemných balastních minerál� typu k�emene, živce, biotitu �i muskovitu, organických látek apod. /nap�. sekundární produkty vznikající na plavírn� kaolinu jako propady (šliky) s r�znou granulometrickou k�ivkou a chemicko-mineralogickým složením (nap�. zna�ky M, META, MK META, T META)2 nebo neplavené surové kaoliny s vysokým výplavem (bohatostí kaolinitu, jako v p�ípad� MI META), r�zné jíly (nap�. OSH META, OSR META, P META


48

atd.)7 a jiné upravené produkty/. Jejich výhodou po kalcinaci m�že být nižší cena pucolánu nebo se primární surovina k výpalu nemusí v n�kterých p�ípadech plavit a t�ídit za mokra. Mezi tyto produkty m�žeme za�adit i vysoce kaolinitické plavené kaoliny p�ed výpalem metakaolinu obsahující velmi jemné až ultra jemné zmagnetizovatelné minerály železa a titanu (nap�. zna�ka MPO META, tzn. magnetický podíl vznikající p�i úprav� nejlepších keramických a papírenských kaolin� supravodivou magnetickou separací na jemné nebo st�ední matrici). Mezi takové metakaoliny s odlišným mineralogickým složením však m�že pat�it i nap�íklad metakaolin se zvýšeným obsahem mullitu, metakaolin s chemicky upraveným povrchem, leh�ené metakaoliny se sníženou sypnou hmotností a zvýšenou porozitou apod.

P�írodní pucolány typu zeolitu, resp. i sm�si zeolitu s aktivními složkami nej�ast�ji v amorfní, vysoce reaktivní fázi p�edstavují zajímavou cestu využití levn�jších alternativních surovin. Bylo zjišt�no3, že pucolánová aktivita zeolitu Bartošova Lehôtka s velkým množstvím aktivních p�ím�sí roste s ultra jemným mletím a t�íd�ním p�írodní suroviny (cca 600 až 900 mg Ca(OH)2/gram p�írodního pucolánu). Novou, progresívní formou um�lého pucolánu v hrubším prášku mohou být i pr�myslov� vyráb�né metakaoliny s odlišným zrnitostním složením. Hrubší zrnitostní frakce metakaolinu (nap�íklad 0-0,5 mm, 0-1 mm, 0-2 mm, pop�. i 0-5 mm atd.) jako sm�s jemného pucolánového pojiva s aktivním hrub�jším kamenivem4 nebo granuláty metakaolinu4 zbavené nejjemn�jších �ástic pro lepší lisování, nelepivých, porézních a leh�ených produkt� /nap�. 0,1-1,0 mm, 0,1-2,0 mm, 0,1-5,0 mm atd.) mohou výrazn� rozší�it využitelnost um�lých pucolán�. Hrubší zrnitostní systém umož�uje dosažení lepších reologických vlastností a zvýšení porozity, �ili jde o leh�ený metakaolin, hrub�jší �ástice metakaolinu mají také blahodárný vliv na lisovatelnost pucolánových a jiných sm�sí. P�edm�tem p�ísp�vku je uvedení p�íklad� vlastností n�kterých alternativních surovin a z nich p�ipravených p�írodních a um�lých pucolán�. U tradi�ních metakaolin� jsou prezentovány i nové, vývojové typy produkt� s odlišným zrnitostním složením. P�itom zásadní je zjišt�ná skute�nost, že pucolánová aktivita (reaktivita) um�lých i p�írodních pucolán� se dá výrazn� zvyšovat zp�sobem úpravy vstupní suroviny, resp. i zp�sobem kalcinace um�lého pucolánu5.

2 P�írodní a um�lé pucolány z alternativních surovin

2.1 P�írodní pucolány

Mezi p�írodní pucolány m�žeme �adit také zeolity, pop�. sm�si zeolit� s r�znými p�ím�semi.. V tabulce 1 jsou uvedeny základní vlastnosti zeolitu Bartošova Lehôtka-Paseka, který se nachází na st�edním Slovensku u Kremnice (Sedlecký kaolin-Slovensko s.r.o. Banská Bystrica). Zeolit Bartošova Lehôtka, t�. Z2 s obsahem zeolit� asi 32 hm.% je ve frakci 0,7-5,0 mm s vysokým obsahem rud� �erveného ryolitu a velmi reaktivního, amorfního opálu. Zrnitostní forma p�írodního pucolánu je volitelná podle požadavku odb�ratele a jeho mikronizace jde nap�íklad ultra jemným mletím a t�íd�ním až do frakcí pod cca 7 mikrometr� apod..


49

Tab. 1 Vybrané vlastnosti zeolitu Z2 Bartošova Lehôtka

vlastnosti p�írodního pucolánu C chemické složení /hm.%/: SS SiO2 Al2O3 Fe2O3 TiO2 CaO MgO K2O Na2O ztráta žíháním 70,90 13,65 2,47 0,38 1,44 0,51 3,80 1,31 5,41 Mi mineralogické složení krystalické fáze /hm.%/:

mordenit clinoptilolit zeolit� celkem: 32,2 hm.% 17,3 14,9 k�emen cristobalit albit sanidin ortoklas mikroklin muskovit kaolinit montmorillonit 9,8 10,0 12,0 7,5 19,0 - 3,5 3,7 pucolánová aktivita mg Ca(OH)2/gram pucolánu: 793 olejové �íslo /g/100 g vz./ : 36,9 st�ední zrno d50 /µm/: 5,18 d99 / µm/ : 18,2

2.2 Um�lé pucolány

Mezi alternativní, levn�jší suroviny pro výrobu um�lých pucolán� (metakaolin�, metajíl�, matabentonit� atd.) m�žeme �adit nap�íklad velmi zajímavé, ale doposud málo využívané produkty z plavení kaolinu, tzv. jemnozrnný magnetický podíl, hrubozrnné keramické i papírenské kaoliny (šliky), odpadní sm�si plaveného kaolinu s jemným k�emenem a živcem, r�zné druhy jíl� a bentonit�, ale také surové kaoliny s vysokým výplavem kaolinitu a r�zn� zrnitostn� za sucha upravené surové i plavené kaoliny.V další �ásti p�edložené práce jsou n�které z nich prezentovány krátkou charakteristikou.

2.2.1 Metakaolin MPO META

Alternativní surovinou pro výrobu barevného metakaolinu s vysokou pucolánovou aktivitou (nap�. 1123 mg Ca(OH)2/gram pucolánu) ozna�eného jako MPO META je nap�íklad nejlepší karlovarský kaolin typu Sedlec Ia s vysokým obsahem kaolinitu /Al2O3 po vysušení cca 36 hm.%/ obsahující jemné a ultra jemné minerály železa a titanu po provedené supravodivé magnetické separaci plaveného a jemn� vyt�íd�ného plastického kaolinu. Metakaolin má vlastnosti tradi�ního práškového um�lého pucolánu S META, který se b�žn� využívá v pr�myslové praxi, p�edevším pro export. Kaolin se zvýšeným obsahem Fe2O3 (nej�ast�ji cca 1,5 až 5,5 hm.%) a TiO2 je velmi jemnozrnný se zvýšeným obsahem nejjemn�jších �ástic pod 2 mikrometry (50-65 hm.%) a obsahuje p�ízniv� velké množství kaolinitu. Metakaolin p�ipravený tradi�ní technologií v práškovitém stavu je po kalcinaci syt� barevný, nej�ast�ji �ervený, �ervenofialový až studen� fialový, má dobrou míru rozprost�ení (rozlití) a další p�íznivé chemicko-technologické vlastnosti. V tabulce 2 jsou uvedeny vybrané vlastnosti málo plastických, hrubozrnných plavených kaolin� a jemnozrnného, plastického kaolinu typu Sedlec Ia.


50

Tab. 2 Vybrané chemicko-technologické vlastnosti st�edn� hrubozrnných plavených kaolin� a jemnozrnného kaolinu s obsahem magnetických �ástic pro p�ípravu metakaolin� (typické hodnoty po vysušení)2

hrubozrnný až st�edn�

hrubozrnný kaolin jemnozrnný kaolin vlastnost kaolinu

MK MK III MPO SiO2 / hm.% / vysušený vz. 51,1 47,0 45,3

Al2O3 34,1 35,6 35,7

Fe2O3 1,1 1,6 3,0

TiO2 0,3 1,3 1,0

CaO 0,2 0,2 0,2

MgO 0,2 0,2 0,2

K2O 1,9 1,0 1,3

Na2O 0,1 0,03 0,1

Ztráta žíháním 11,0 13,0 13,2

Obsah kaolinitu % 78 84 88

Obsah slíd % 15 12 9

Obsah k�emene, pop�. živce % 7 4 3

Obsah �ástic pod 2 µm /%/ 25 28 62

2.2.2 Metakaoliny s odlišným zrnitostním složením

Tradi�ní metakaoliny v prášku typu I META a S META jsou dostate�n� známy, ale zcela nové jsou tyto um�lé pucolány v zrnitostní frakci 0-0,5 mm, 0-1 mm, 0-2 mm, resp. i 0-5 mm atd. , tj. jako sm�si vysoce reaktivního jemného pucolánového pojiva a aktivního jemného kameniva se zvýšenou porozitou. P�itom mají tyto alternativní metakaoliny vysokou pucolánovou aktivitu. Tak nap�íklad odprašek z fluidní sušárny ve frakci 0-0,5 mm má po kalcinaci reaktivitu 1165 mg Ca(OH)2/gram pucolánu, jemné podsítné kaolinu Sedlec Ia v zrnitostní frakci 0-1 mm 1195 mg Ca(OH)2/gram pucolánu a I META ve frakci 0-4 mm má stále vysokou pucolánovou aktivitu 1181 mg Ca(OH)2/gram pucolánu apod.. Perspektivní v r�zných aplikacích je p�edevším jejich granulometrické složení umož�ující významné využití zvlášt� vysoce porézního a odleh�eného jemného kameniva, které p�irozen� reguluje licí a reologické vlastnosti takto zrnitostn� upravených metakaolin�. V tabulce 3 je ukázka n�kterých chemicko-technologických vlastností nejlepších �eských metakaolin�. Na obrázku 1 jsou zrnitostní k�ivky metakaolin� ve frakci 0-1 mm se st�edním zrnem d50 kolem 0,35 mm a ve frakci 0-2 mm se st�edním zrnem cca 0,50 mm.


51

Tab. 3 Chemické vlastnosti a míra rozprost�ení nejlepších �eských metakaolin� vyráb�ných z jemnozrnných plavených kaolin� (typické hodnoty)

zna�ka metakaolinu vlastnost

Mefisto K05 N META 4

S META 4 I META 4 KM 40

SiO2 / hm.% / 59,00 53,52 53,08 52,94 52,35

Al2O3 37,50 43,42 42,47 41,04 40,10

Fe2O3 0,70 0,91 1,03 1,64 1,45

TiO2 0,53 0,59 0,33 0,36 0,74

CaO 0,11 0,32 0,33 0,26 0,38

MgO 0,26 0,25 0,24 0,30 0,40

K2O 0,72 0,45 0,95 1,63 1,43

Na2O 0,01 0,01 0,04 0,01 0,01

Ztráta žíháním 1,21 0,43 1,43 1,81 3,12

Míra rozprost�ení /mm/ 130 200 130 160 150

Obr.1 Zrnitostní k�ivky metakaolinu I META ve frakci 0-1 mm a S META 0-2 mm


52

2.2.3 Metakaoliny s odlišným mineralogickým složením

Speciální metakaoliny MK META, MK III META a T META se vyzna�ují tím, že byly p�ipraveny nej�ast�ji z hrubozrnných kaolin� vyráb�ných p�i t�íd�ní nejlepších plavených kaolin� na hydrocyklónu HC 50 mm s vysokým obsahem jemných balastních minerál� nebo ze sm�si jemnozrnného, plastického kaolinu a jemných neplastických minerál� typu k�emene a živce. Práškové metakaoliny �ady MK a MK III META vyráb�né tradi�ní technologií jsou barevné a mají pucolánovou aktivitu v rozmezí cca 700 až 1000 mg Ca(OH)2/gram pucolánu, po úprav� novou technologií5 bylo nap�íklad u metakaolinu MK III META dosaženo pucolánové aktivity až 1388 mg Ca(OH)2/gram pucolánu. Jejich p�edností m�že být práv� hrubší granulometrické složení, zpravidla vysoká míra rozprost�ení /nad 300 mm/ a aktivní neplastické, velmi jemné minerály. Metakaolin T META s pucolánovou aktivitou asi 672 mg Ca(OH)2/gram pucolánu získaný z odpadního kaolinu THERMAL s velmi nízkým obsahem barvících oxid� Fe2O3 a TiO2 je naopak sv�tlý s možností zvýšení b�losti a obsahuje op�t velmi jemné pseudoplastické minerály.

2.2.4 Metakaoliny z jíl�

Mezi nad�jné um�lé pucolány pat�í i produkty získané kalcinací r�zných druh� jíl�, nap�íklad velmi plastických bentonitických jíl� s vysokým obsahem smektit� typu montmorillonitu (i p�es 70 hm.%), t�žené v r�zných lokalitách, nap�. na ložisku Osmosa pod ozna�ením OSH, na lokalit� Nepomyšl-Velká s vysokým obsahem karbonát� (NV), na slovenské lokalit� Bartošova Lehôtka (BL) apod. a kaolinitického, pórovinového jílu s lignitickou p�ím�sí OSR. Jejich vybrané vlastnosti uvádí tabulka 4. Tab.4 Vybrané vlastnosti um�lých pucolán� (p�íklady analýz a aplikace v maltách)7

vlastnosti metakaolin� z jíl� standard OSH NV BL OSR C chemické složení /hm.%/: SS SiO2 55,20 51,10 71,20 Al2O3 18,71 12,03 17,20

Fe2O3 14,11 11,99 3,45 TiO2 3,89 3,74 0,42 CaO 2,37 12,03 1,58 MgO 1,10 4,93 1,33 K2O 1,71 0,86 2,87 Na2O 0,56 0,06 1,65 ztráta žíháním 2,23 3,13 0,18 pucolánová aktivita /mg Ca(OH)2/gram pucolánu/ 711 - 792 st�ední zrno d50 /µm/ 8,7 23,6 11,1 pevnost v tahu po /MPa/ 7,9 8,8 8,3 pevnost v ohybu /MPa/ 58,4 0,9 53,8 odolnost povrchu zkušebních t�les proti p�sobení vody a CHRL po100 zkušebních cyklech 299,1 296,3 352,6 sou�initel mrazuvzdornosti v tlaku u testovaných zám�sí po 100 cyklech 0,54 0,77 0,81

60,80 31,28 3,76 1,32 0,32 0,20 1,21 0,00 1,01

-

4,2 9,6

58,1

92,7

0,89 Pozn: náhrada 10 hm.% cementu metakaolinem, pevnosti po 90 dnech


53

2.2.5 Metakaoliny ze surového kaolinu s vysokým výplavem (bohatostí kaolinitu)

Mezi levn�jší suroviny, které se nemusí plavit a t�ídit za mokra m�že pat�it nap�íklad i metakaolin MI z ložiska Mírová vzniklý kalcinací surového kaolinu s minimálním obsahem kaolinitu cca 45-50 hm.% p�ed výpalem nebo za sucha upraveného kaolinu Mírová v zrnitostní frakci 0-1 mm. Na obrázku 2 je znázorn�na pucolánová aktivita i dalších druh� surových kaolin� lišících se také bohatostí kaolinitu, ze kterého vyplývá její závislost na bohatosti suroviny, tzn. na množství kaolinitu v surovin�. Zajímavou možností p�ípravy alternativní suroviny pro výrobu metakaolinu je i sm�s karlovarského surového kaolinu s vysokým obsahem kaolinitu, navíc s jemnými balastními minerály a plavených a t�íd�ných surovin s odlišným mineralogickým složením /viz kap.2.2.3/. Úprava surového kaolinu za sucha, t�eba i ve sm�si s rozpadavými typy hrubozrnných kaolin�, m�že p�inést další výhody ve zvyšování pucolánové aktivity um�lých pucolán� (metakaolin�).

Obr.2 P�íklad pucolánové aktivity n�kterých jemn� semletých surových kaolin� po jejich kalcinaci

3 Záv�r

V p�edložené práci jsou p�edstaveny n�které zpravidla levn�jší suroviny pro výrobu p�írodních a um�lých pucolán� s vysokou pucolánovou aktivitou. Výb�r alternativních surovin je dopln�n o nové zajímavé formy metakaolin�, nap�íklad s odlišným zrnitostním nebo mineralogickým složením.


54

Literatura

[1] PTICEN, F. : Perspektivy a možné sm�ry vývoje metakaolin�, In: Sborník p�ísp�vk� seminá�e Metakaolin 2011, Brno:FAST VUT v Brn�, 2011, 59-64, CD ROM, ISBN 978- 80-214-4256-6.

[2] PTICEN, F., VAVRO, M., NOŽI�KA, T., ŠUSTEK, P.: Metakaoliny p�ipravené z kaolin� a s odlišným mineralogickým a zrnitostním složením, In:Sborník p�ísp�vk� seminá�e METAKAOLIN 2010, Brno,FASTVUT v Brn�, 2010.

[3] NAVRÁTILOVÁ, E., PTICEN, F., ROVNANÍKOVÁ, P.:Pucolánová aktivita zeolit�, p�ísp�vek na seminá�i: P�írodní a syntetické zeolity na Slovensku, FChPT STU Bratislava, 2013.

[4] PTICEN, F. : Porozita komer�ních a leh�ených metakaolin�, In: Sborník p�ísp�vk� seminá�e Metakaolin 2012, Brno:FAST VUT v Brn�, 2012, 39-46, CD ROM, ISBN 978-80-214-4438-6.

[5] PTICEN, F., ZÍTKO, V. : Zp�sob zvyšování reaktivity a získávání pucolánu s vysokou pucolánovou aktivitou ze silikátových surovin, patentové �ízení, 2013.

[6] PTICEN, F., RAUS, M. Suroviny a jejich úprava pro výrobu metakaolinu. In Sbor. p�ísp�vk� seminá�e „Metakaolin 2009“, s. 118 - 129. Brno: FAST VUT v Brn�, 2009. CD ROM ISBN 978-80-214-3843-9.

[7] VAVRO, M., PTICEN, F., MEC, P. :Studium vlastností metakaolín� vyrobených z alternativních jílových surovin, In:Sborník p�ísp�vk� seminá�e METAKAOLIN 2010, Brno,FASTVUT v Brn�, 2010.

Ing.František Pticen � KERAMEX Group s.r.o.

Chomutovská 748/4 360 10 KarlovyVary � 607 176 532 � [email protected]


55

ALTERNATIVNÍ NÍZKOENERGETICKÉ CEMENTY

Theodor Stan�k

Term “low-energy cements“ describes cements that can replace ordinary Portland cement in at least some applications and can also reduce energy consumption during the production process. An expansion of these cements could lead in both lower costs of binders production and lower emissions, CO2 especially. Belite cements are part of low-energy cements. Pure belite clinkers with interstitial matter comprising C3A and C4AF are not produced, since they yield materials with insufficient strength. Currently, sulfoaluminate-belite cements, low-energy cements doped with fluorine and chlorine as well as undoped high-belite cements are produced in limited volumes in China. Results of hydraulic activation of high-belite clinker by sulfate anions are also given in this work. A principle of activation is the preparation of belite clinker with increased Ca:Si ratio in the structure of dicalcium silicate at substitution of SiO4

4- by SO42-. Cements

prepared from these high-belite content clinkers with alite content up to 25% that were burned at 1 350 °C display the same technological properties including early strengths as ordinary alite Portland cements.

1 Úvod

Portlandský cement je v sou�asné dob� nejvýznamn�jším a nejrozší�en�jším hydraulickým pojivem používaným ve stavebnictví. Tém�� dv�st�letá tradice jeho výroby a používání prov��ily jeho pojivové vlastnosti, které spole�n� se snadno dostupnou surovinovou základnou a ekonomicky p�ijatelnými výrobními náklady jsou hlavními d�vody jeho výroby v tak velkém m��ítku. Mnohaletou tradici má rovn�ž výzkum portlandského cementu. P�esto se však stále nacházejí nové oblasti jak ve výrob�, tak aplikaci cementu, které se stávají p�edm�tem intenzivního výzkumu. Jednou z takových oblastí je vyhledávání efektivních cest snižování energetické náro�nosti výroby portlandského cementu. Tato problematika je práv� v sou�asné dob� zna�n� aktuální, protože rozvoj ve výrob� cementu je stále více ovliv�ován ekologickými a ekonomickými aspekty. Masová výroba nízkoenergetických cement� by znamenala zna�né snížení celkových náklad� na jejich výrobu (oproti dnes b�žnému portlandskému cementu s vysokým obsahem alitu) a stejn� tak i snížení celkové ekologické zát�že.

V sou�asnosti se v omezeném m��ítku vyrábí sulfoaluminátové belitické (SAB), fluoraluminátové belitické a vysoce belitické slínky zejména v �ín� [1]. Hlavním problémem je vyrobit, s využitím stávajících technologických linek, aktivní belitický cement, který by se svými vlastnostmi, zejména velikostí po�áte�ních pevností, p�iblížil portlandskému cementu s p�evahou alitu. Dosavadní zp�soby aktivace se ubíraly sm�ry, které jsou mimo možnosti sou�asných pecních linek.

Podstatou p�edloženého zp�sobu aktivace je p�íprava belitického slínku s nadstechiometrickým pom�rem CaO:SiO2 ve struktu�e dikalciumsilikátu p�i substituci aniont� SiO4

2- anionty SO42-.


56

Základní rozd�lení nízkoenergetických cement� na bázi belitu: • Sulfobelitické (zejména sulfoaluminát-belitické (SAB)) • Aluminát-belitické (porsal cementy) • Beliticko-fluoraluminátové • Belitické fluor-sulfoaluminátové • Belitické aluminoferitové a sulfoferitové • Belinitové

2 Výroba a využití nízkoenergetických cement�

V omezeném m��ítku probíhá výroba SAB cement�, které vykazují vcelku dobré vlastnosti [2,3]. Hlavní hydrata�ní produkt t�chto cement�, ettringit, s extrémním obsahem krystalové vody, zabezpe�uje rychlý nár�st po�áte�ních pevností, avšak stále p�etrvávají pochybnosti o dlouhodobé stabilit� betonu vyrobeného z t�chto cement�.

Nejdále je v tomto sm�ru �ína, kde se pr�myslov� vyrábí vedle SAB cement� také fluoraluminátové belitické cementy a vysoce belitické portlandské cementy s 20 až 30 hmot. % alitu [1]. �ínští auto�i popisují 6 typ� produkovaných nízkoenergetických cement�:

• Systém CaO-SiO2-Al2O3 (NA): Obsah CaO v systému je pouze takový, aby se mohly tvo�it minerály s nízkým obsahem CaO, jako jsou CA, CA2 a C2S. Slínek se pálí p�i teplot� 1 400 °C ze sm�si vápence, k�emene a vysoce jakostního oxidu hlinitého.

• Systém CaO-SiO2-Al2O3-CaCl2 (LC): CaCl2 výrazn� snižuje teplotu slinování sm�si. Slínek obsahuje alinit, který je stabilní mezi 1 050 až 1 250 °C, slou�eninu 11CaO�7Al2O3�CaCl2, která se tvo�í od 750 °C a je stabilní do 1 300 °C a C2S. Teplota slinování je 1 300 °C a slínek se vyrábí z vápence, popílku a alkalické strusky.

• Systém CaO-SiO2-Al2O3-CaF2 ( AF ): CaF2 výrazn� snižuje slinovací teplotu. Slínek obsahuje 11CaO�7Al2O3�CaF2 a C2S a m�že obsahovat také 3CaO�SiO2�CaF2, C3A a C3S. Slinovací teplota je 1 300 °C a pro výrobu se používá sm�s vápence, bauxitu a fluoritu.

• Systém CaO-SiO2-Al2O3-CaSO4 ( AS ): Slínek obsahuje zejména SAC 34 a C2S, dále

m�že obsahovat C12A7, CA a SC . Slínek se pálí ze sm�si gibbsitu, vápence a sádrovce, slinovací teplota �iní 1 350 °C.

• Systém CaO-SiO2-Al2O3-Fe2O3-CaSO4 (FA): Tento slínek obsahuje feritovou fázi (�ada tuhých roztok� C2F – C6A2F) jako v portlandském slínku, dále obsahuje

SAC 34, C2S a SC . Vzniká ze sm�si vápence, železohlinitých strusek a sádrovce

p�i slinovací teplot� 1 300 °C.

• Systém CaO-SiO2-Al2O3-Fe2O3-CaSO4-CaF2 (HCA): V tomto systému se na rozdíl od systému bez fluoritu m�že tvo�it i C3S. Slínek m�že obsahovat C3S,

SAC 34, C6A2F a C11A7�CaF2 nebo C3A. Sm�s pro jeho výrobu se skládá z vápence,

hlinitého jílu, sádrovce a fluoritu (nebo strusky) a používaná slinovací teplota �iní 1 300 °C.


57

Tyto cementy mají vesm�s velmi vysoké po�áte�ní pevnosti (b�hem 24 hod dosahují pevností jako PC po 28 dnech) a používají se pro speciální ú�ely. Cementy AS mohou být využity p�i zimní betonáži až do teploty -25 °C. Rychle tvrdnoucí cementy FA mají vysokou odolnost v��i p�sobení mo�ské vody a využívají se pro rychlé opravy a konstrukce v mo�ských podmínkách. Cementy NA a AF mají využití p�i opravách letištních ranvejí. Mírn� rozpínavé cementy AS a FA byly použity pro opravu poškozených sklep�. Cementy AS a FA mohou být aplikovány p�i torkretování. Samorozpínavé cementy NA, AS a FA jsou využívány pro výrobu tlakových potrubí o r�zných pr�m�rech.

3 Belitické cementy ze slínk� dotovaných SO3

V laborato�ích VUSTAH Brno probíhá výzkum hydraulické aktivace belitického slínku síranovými anionty. Podstatou aktivace je p�íprava belitického slínku se zvýšeným pom�rem Ca : Si ve struktu�e C2S p�i substituci aniont� SiO4

4- anionty SO42- [4,5].

Belitické slínky byly p�ipraveny z b�žných cementá�ských surovin a jako zdroj SO3 byl využit pr�myslový energosádrovec. Slínky jsou složeny zejména z belitu a to v modifikaci , která je stabilizována SO3 [6]. Dále jsou p�ítomny b�žné složky slínkové mezerní hmoty – C3A a C4AF, zbytkové volné CaO, malé množství anhydritu a m�že být p�ítomen alit do 25 hmot. %. Na rozdíl od SAB slínk� není v t�chto slíncích p�ítomen SAC 34 . Základní charakteristiky vybraných slínk� a z nich p�ipravených belitických cement� jsou shrnuty v Tab. 1.

Pro srovnání jsou v prvních t�ech sloupcích uvedeny parametry slínk� p�ipravených bez p�ídavku SO3 (B – �ist� belitický, B81S0 – belitický s obsahem alitu asi 25 % a A97S0 – b�žný vysoce alitický portlandský slínek). Kvantitativní fázové složení slínk� bylo provedeno kombinací metod optické mikroskopie a RTG-difrakce. Pevnosti cement� byly stanoveny podle normy EN 196-1 po 2, 7, 28 a 90 dnech hydratace.


58

Tab. 1 Vlastnosti laboratorn� p�ipravených cement� z belitických slínk� dotovaných SO3 a srovnávacích cementových standard� Cement B B81S0 A97S0 B80S4 B92S8 B89S5 Fáze Fázové složení použitého slínku [hmot. %] C3S 0,2 24,5 75,8 0,0 10,0 16,6 C2S 79,3 58,4 6,9 81,3 71,5 70,3 C3A 4,0 6,5 11,0 2,6 3,7 2,1 C4AF 16,5 10,0 5,8 14,6 11,4 8,8 Cvol 0,0 0,5 0,5 0,0 1,9 1,4

SC 0,0 0,0 0,0 1,5 1,5 0,8 Parametr Chemické parametry použitého slínku [hmot. %] Obsah SO3 0,06 0,07 0,02 4,44 6,77 4,84 SLP 70,4 79,9 96,2 77,0 89,4 86,0 Ms 2,88 3,00 2,57 2,63 3,12 3,22 Ma 1,41 1,28 1,41 1,49 1,45 1,58 Parametr Parametry výpalu slínku [°C, min] Teplota 1400 1350 1450 1400 1350 1350 Doba 40 50 120 40 30 60 Parametr Parametry cementu [hmot. %, kg/m3, m2/kg] Sádrovec 4,0 3,0 4,0 4,0 3,0 2,0 M�rná hmot.

3230 3225 3172 3261 3231 3239 M�rný povrch

435 397 398 436 402 399 Doba hydratace

Pevnosti v tlaku [MPa] 2 dny 2,0 4,5 21,6 1,8 16,9 24,3 7 dní 2,3 12,8 49,3 12,2 26,1 47,1 28 dní 14,6 63,5 66,9 47,4 36,4 64,4 90 dní 38,3 71,2 68,8 60,6 64,9 70,4

4 Záv�r

Chemická aktivace síranovými anionty má výrazný dopad na hydraulickou aktivitu belitu. Vstup SO3 do struktury belitu, který zde zastupuje SiO2, umož�uje rozší�it toto zastupování také dalším oxid�m, a to zejména Al2O3 a Fe2O3 [5]. Tím znateln� vzr�stá pom�r CaO:SiO2 ve struktu�e belitu. Popsaný jev je výrazn�jší p�i zvyšování sycením vápnem. Tento sulfobelitový slínek pálený p�i teplot� o 100 °C nižší než b�žný portlandský slínek má p�i obsahu kolem 20 hmot. % alitu podobné technologické parametry jako vysoce alitický slínek a navíc má významn� snížené hydrata�ní teplo, což m�že být pro ur�ité aplikace velmi p�íznivé. Malé množství alitu významn� podporuje r�st po�áte�ních pevností oproti �ist� belitickému slínku s p�ídavkem SO3, protože je v podob� hydraulicky aktivn�jší modifikace M1 [7], která je stabilizována práv� SO3. Relativn� vysoké sycení vápnem (stále, ale asi o 10 % nižší než u b�žného portlandského slínku) u tohoto


59

belitického slínku zabezpe�uje p�i reakci s vodou zvýšení množství portlanditu (Ca(OH)2) a celkové alkality a tím akceleruje pr�b�h jeho hydratace.

Hydraulická aktivace tohoto sulfobelitového slínku je tedy zap�í�in�na jednak narušením a zne�išt�ním krystalové m�ížky belitu relativn� vysokým obsahem CaO ve slínku a pravd�podobn� i malým podílem anhydritu II, který, jak bylo zjišt�no, má pozitivní vliv na vývoj pevností cementu [8].

Získané výsledky nazna�ují možnost pr�myslové separátní výroby speciálního nízkoenergetického aktivního belitického slínku vedle b�žného alitického slínku a výrobu ekonomicky a ekologicky výhodných sm�sných portlandských cement� s vyhovujícími technologickými parametry, p�ípadn� cílen� p�ipravovat speciální cementy s vlastnostmi podle požadavku na jejich použití. Zavedení tohoto cementu do výroby by pro cementá�ský pr�mysl znamenalo snížení spot�eby energie a kvalitního vápence se sou�asným snížením emisí CO2.

Tento p�ísp�vek byl vypracován v rámci �ešení projektu financovaného Grantovou agenturou �R �. P104/12/1494.

Literatura

[1] SUI, T., WEN, Z., WANG, J., FAN, L. Development of belite based cements in China. Cement Combinations for Durable Concrete, Proceedings of the International Conference held at the University of Dundee 2005, Scotland, UK, s. 323–328.

[2] BROWN, A. D. R. In Commercial, production, composition and properties of a calcium sulfoaluminate cement. Int. Conf. on Cements for the Future - Calcium sulphoaluminates 1992, London, s. 3.

[3] QUILLIN, K. Performance of belite-sulfoaluminate cements. Cement and Concrete Research, 2001, vol. 31 (9), s. 1341–1349.

[4] STAN�K, T., SULOVSKÝ, P. Possibilities of increasing the hydraulic activity of belite clinker. Proceedings of 12th Euroseminar on Microscopy Applied to Building Materials 2009, TU Dortmund, Germany, s. 120–121.

[5] STAN�K, T. Vztah parametr� p�ípravy belitického slínku a jeho hydraulických vlastností. Diserta�ní práce. VUT v Brn�, 85 s., Brno 2009.

[6] MORSLI, K., DE LA TORRE, A. G., ZAHIR, M., ARANDA, M. A. G. Mineralogical phase analysis of alkali and sulfate bearing belite rich laboratory clinkers. Cement and Concrete Research, 2007, vol. 37 (5), s. 639–646.

[7] STAN�K, T., SULOVSKÝ, P. The influence of the alite polymorphism on the strength of the Portland cement. Cement and Concrete Research, 2002, vol. 32 (7), s. 1169–1175.

[8] STAN�K, T., TOMANCOVÁ, L. Vliv forem síranu vápenatého na vlastnosti cementu. Silika, 2008, vol. 18, s. 41–44.


60

RNDr. Theodor Stan�k, Ph.D. � Výzkumný ústav stavebních hmot, a.s.

Hn�vkovského 65, 617 00 Brno � 543 529 348 � 543 216 029 � [email protected]


61

STUDIUM TVORBY TRHLIN P�I TUHNUTÍ ALKALICKY AKTIVOVANÉ STRUSKY POMOCÍ AKUSTICKÉ EMISE

Libor Topolá�, Pavel Rovnaník

Alkali activated slag is a clinker-free binder composed of finely ground granulated slag and alkaline activator. Hardening process is connected with autogeneous and drying shrinkage. The formation of microcracks in time was investigated by means of acoustic emission measurements. Specimens cured in water immersion showed far less signals corresponding to shrinkage crack than in the case of specimens cured on air at ambient conditions.

1 Úvod

Jednou z možností vhodného využití odpadních aluminosilikátových látek je výroba bezslínkových pojiv. Granulovaná vysokopecní struska vykazuje latentn� hydraulické vlastnosti a její tuhnutí lze iniciovat vhodným aktivátorem. Jako aktivátory se používají nej�ast�ji k�emi�itany, hydroxidy a uhli�itany sodné nebo draselné. P�i hydrataci dochází k rozpoušt�ní skelné fáze a vzniku výjime�n� stálých produkt� podobných CSH gel�m [1]. Autogenní smršt�ní je základní vlastností CSH gel�, avšak díky jejich odlišnému charakteru je smršt�ní mnohem výrazn�jší než v p�ípad� materiál� na bázi p-cementu. Autogenní smršt�ní nar�stá s rostoucím obsahem alkálií je evidentní p�edevším v p�ípad� aktivace vodním sklem [2]. Mnohem závažn�jší je však smršt�ní zp�sobené vysycháním. To p�sobí nerovnom�rn�, p�edevším v povrchové vrstv�, a má zásadní vliv na zhoršení mechanických vlastností. Na smršt�ní nemá vliv pouze charakter samotného materiálu, ale i okolní podmínky jako jsou teplota, relativní vlhkost, rychlost vysychání atd. Pr�m�rná ší�ka trhliny je t�ikrát v�tší než v p�ípad� cementové matrice [3]. Pro sledování zm�n nap�tí resp. vzniku trhlin je použita metoda akustické emise. Tato metoda umož�uje sledování aktivních (dynamických) d�j� uvnit� struktury [4]. Vlivem kumulace lokálních nap�tí uvnit� materiálu vznikají ohniska nap�tí (tyto nap�tí mohou být mechanické, chemické nebo tepelné) a tedy potenciální zdroje akustické emise. Pokud se v ur�itém míst� dosáhne resp. p�esáhne nap�tí kritických hodnot, uvolní se naakumulovaná energie a projeví se jako akustická událost. P�edpokládá se, že bývá provázána vznikem mikrotrhliny. Místo vzniku se nazývá zdroj akustické emise [5, 6]. Ze zdroje se pak ší�í kulová vlna, která je po dosažení povrchu zaznamenána pomocí sníma�e akustické emise (obr. 1).

Tuhnutí a tvrdnutí materiálu lze považovat za nejkriti�t�jší období v pr�b�hu životnosti konstrukce. Pro ur�ení vlastností v ranných stádiích tuhnutí alkalicky aktivované strusky je vhodné použít akustický vlnovod. Jedná se o mechanické za�ízení sloužící k zjednodušení a zp�esn�ní m��ení p�i p�enosu akustických vln ve vzorku z pasty, malty nebo betonu. Vlnovod umož�uje jednoduché umíst�ní sníma�� p�íp. generování mechanických impulz�. Tedy provád�né experimenty mají podobnou statistickou chybu, která se neliší od p�ímého umíst�ní na vzorku. Používá se nap�. pro m��ení chování betonových sm�sí v �ase – v uvedeném p�ípad� i m��ení aktivity akustické emise.


62

Obr. 1 Vznik události akustické emise [2]

Metoda impact-echo (obr.2) se �adí mezi metody nedestruktivního testování, založené na ší�ení nárazem vyvolaných mechanických vln. Tyto vlny se ší�í strukturou a odrážejí se od vnit�ních poruch a od vn�jšího povrchu. Metodu lze teoreticky použít k ur�ování polohy a rozm�r� poruch nap�. trhlin, št�pení vrstev, dutin, kavita�ních dutin a nespojitostí ve strukturách, jako jsou desky, vrstevné desky, sloupy, trámy nebo duté válce [7]. Krátkodobý mechanický impuls, zp�sobený poklepem t�lesa na povrch, vyvolá tlakovou vlnu. Vzniklá vlna se ší�í strukturou a odráží se od poruch na vnit�ním �i vn�jším povrchu. �asový rozdíl mezi vysílanou a odraženou vlnou je zachycen sníma�em, který zachycuje �asový pr�b�h signálu, obvykle zrychlení. Tento signál popisuje p�echodné lokální vibrace, zp�sobené násobným odrazem mechanické vlny uvnit� struktury. Dominantní frekvence t�chto vibrací referují u vybraných aplikací o hloubce poruchy uvnit� struktury, od které se vlny odrážejí. Pomocí matematických operací se signál upravuje do grafické podoby závislosti amplitudy na frekvenci. Vrcholy v tomto spektru p�edstavují rezona�ní frekvence v pr�b�hu k�ivky a používají se pro výpo�et tloušky nebo hloubky poruch [8].


Základní surovinou pro výrobu zkušebních vzork� alkalicky aktivované strusky byla jemn� mletá granulovaná vysokopecní struska (Kotou�, s r.o.) s m�rným povrchem 380 m2/kg. Jako aktivátor bylo použito vodní sklo sodné (Vodní sklo, a.s.) se silikátovým modulem 1,6. Složení alkalicky aktivované struskové pasty bylo následovné: 1150 g strusky, 460 g vodního skla a 150 g vody. U �erstv� namíchané pasty byla zjišt�na doba tuhnutí standardní metodou s pomocí Vicatova p�ístroje.

M��ení pomocí metody akustická emise bylo provedeno na za�ízení DAKEL XEDO s použitím vhodných sníma�� a vlnovod�. Sníma�e akustické emise byly p�ipevn�ny na vlnovod (obr. 3), který byl zapušt�n do �erstvé sm�si. Pro vyhodnocení vzniku mikrotrhlin jsme se zam��ili na aktivitu akustické emise, resp. nej�ast�ji používaný parametr po�et p�ekmit� p�es nastavenou úrove�. Dva vzorky byly po 24 h od namíchání pono�eny do vodní lázn� a dva vzorky byly ponechány na vzduchu p�i relativní vlhkosti 65±5 %.


63

Obr. 2 Princip metody impact- echo [8]

Krátkodobý mechanický impuls (úder kladivem) byl aplikován na povrch zkoušeného vzorku a byl detekován pomocí piezoelektrického sníma�e, který byl p�ipevn�n na vlnovodu. Sníma�em zachycené impulsy byly p�ivedeny do vstupu dvou kanálového osciloskopu TiePie Handy HS3 s rozlišením 16 bit�.

Obr. 3 Vzorky sm�s 130502 (levé dva po 24h – ve vod�, pravé dva po 24h – na vzduchu)


64


U �erstvé pasty byly nejprve zjišt�ny doby tuhnutí pro srovnání s nam��enými impulzy akustické emise. Po�átek doby tuhnutí byl 80 min. a konec 120 min. Pro 10-ti denní m��ení tuhnutí a tvrdnutí sm�si metodou akustické emise byly zhotoveny 4 vzorky. Dva vzorky byly umíst�ny ve vodní lázni, aby se zabránilo samovysychání a druhé dva vzorky zrály na vzduchu z d�vodu efektivn�jšího popraskání.

Obr. 4 Srovnání kumulativní �etnosti (NC) na �ase (t) pro všechny vzorky

Na grafu na obr. 4 je závislost kumulativního po�tu p�ekmit� na �ase. Vzorky ve

vodní lázní jsou znázorn�ny plnou �arou, kdežto vzorky zrající na vzduchu jsou znázorn�ny p�erušovanou �arou. Z grafu je patrné, že vzorky zrající na vzduchu mají celkov� podstatn� v�tší po�et událostí akustické emise než vzorky ve vodní lázni a tedy p�edpokládáme vznik v�tšího po�tu mikrotrhlin a pozd�ji i viditelných trhlin ve vzorcích zrajících na vzduchu.

Na grafech na obr. 5 je vid�t amplitudové frekven�ní spektrum. Pro vzorky zrající ve vod� (vzorek 1 a vzorek 2) jsou patrné dv� dominantní frekvence a to: f1 = 16 kHz a f2 = 21 kHz. Pro vzorky zrající na vzduchu je amplitudové frekven�ní spektrum zna�n� rozptýlené zejména pro hodnoty do 1 kHz. A nelze tedy s jistotou ur�it dominantní frekvenci shodnou pro oba vzorky. Rozptýlenost amplitudového frekven�ního spektra je zp�sobena množstvím necelistvostí nap�. mikrotrhlin a z obr.3 patrných i viditelných trhlin.


65

Obr. 5 Srovnání frekven�ních spekter pro vzorky zrající ve vod� (horní graf) a pro vzorky zrající na vzduchu (spodní graf)

4 Záv�r

P�i studiu tvorby mikrotrhlin v pr�b�hu zrání alkalicky aktivované strusky pomocí sledování impulz� akustické emise bylo zjišt�no, že �etnost tvorby trhlin je siln� závislá na


66

zp�sobu ošet�ování studovaného pojiva. Vzorky, jež byly v pr�b�hu zrání pono�eny ve po celou dobu ve vod�, vykázaly b�hem 240 h m��ení pouze n�kolik desítek akustických impulz�, zatímco vzorky, které byly uchovány na vzduchu za laboratorních podmínek vykazovaly po 24 h od namíchání prakticky lineární nár�st kumulativní �etnosti akustických impulz�, což v kone�ném d�sledku odpovídá po�tu vzniklých trhlin ve vzorku alkalicky aktivované struskové pasty. Z grafu také vyplývá, že trhliny se za�ínají tvo�it až po zatvrdnutí hmoty a souvisejí tedy v p�ípad� vzork� pono�ených do vody s autogenním smršt�ním, kdežto u vzork� uchovaných na vzduchu výrazn� p�evažuje smršt�ní zp�sobené vysycháním. Toto zjišt�ný bylo po sléze potvrzeno i m��ením frekven�ních spekter zatvrdlých vzork� past metodou impact-echo. Z experimentu tedy vyplývá, že zp�sob ošet�ování má zásadní vliv na kvalitu materiálu vyrobeného na bázi alkalicky aktivované strusky, a tedy i na p�ípadnou životnost konstrukcí vyrobených z tohoto materiálu. Pro zabrán�ní vzniku jak mikrotrhlin,tak i viditelných trhlin v materiálu je zcela nezbytné dlouhodobé ošet�ování vodou.

Tento p�ísp�vek byl vytvo�en za finan�ní podpory Grantové agentury �eské republiky (13-09518S) a z opera�ního programu Vzd�lávání pro konkurenceschopnost v rámci projektu SUPMAT – Podpora vzd�lávání pracovník� center pokro�ilých stavebních materiál� (CZ.1.07/2.3.00/20.0111)

Literatura

[1] SHI, C., KRIVENKO, P., ROY, D. Alkali-Activated Cements and Concretes, London: Taylor& Francis, 2006.

[2] CINCOTTO, M. A., MELO, A. A., REPETTE, W. L. Effect of different activators type and dosages and relation with autogenous shrinkage of activated blast furnace slag cement. In Proceedings of the 11th International Congress on the Chemistry of Cement, Durban: GRIEVE, G., OWENS, G. (eds.), SouthAfrica, 2003, p. 1878-1888.

[3] COLLINS, F. G., SANJAYAN, J. G. Cracking tendency of alkali-activated slag concrete subjected to restrained shrinkage. Cement and Concrete Research 2000, Vol. 30, p. 791-798.

[4] MAZAL, P. Acoustic emission method using in evaluation of fatigue properties of materials. In Proceeding of European Conference on Advances in Mechanical Behaviour, Plasticity and Damage (EUROMAT 2000), Miannay D., Costa P., Francois D., Pineau A., eds., Tours, France, November, 2000, pp. 1137-1142.

[5] MAZAL, P., PAZDERA, L., KOLAR, L.Advanced Acoustic Emission Signal Treatment In The Area Of Mechanical Cyclic Loading. In Proceedings of 8th International Conference of the Slovenian Society for Non-Destructive Testing (Application of Contemporary Non-Destructive Testing in Engineering), Grum J., ed., Portoroz, Slovenia, September, 2005, pp. 283-292.

[6] PAZDERA, L., SMUTNY, J., JANOSTIK, D., KORENSKA, M., PROUZOVA, P. Study of metal timber join by acoustic emission method. In Proceedings of 8th International Conference of the Slovenian Society for Non-Destructive Testing (Application Of Contemporary Non-Destructive Testing In Engineering), Grum J., ed., Portoroz, Slovenia, September, 2005, pp. 299-307.


67

[7] SANSALONE, M. J., WILLIAM, S.B. The Impact-Echo Method, NDT.net, 1998, vol. 3, No. 2.

[8] POMEROY, C. Properties of fresh concrete. Materials and Structures, 1991, Vol. 24, No. 2, pp. 159.

Mgr. Libor Topolá�, Ph.D. � Stavební fakulta VUT v Brn�.

Ústav fyziky Žižkova 17, 602 00 Brno

� 541 147 664 � [email protected]

doc. RNDr. Pavel Rovnaník, Ph.D. � Stavební fakulta VUT v Brn�.


� 541 147 632 � [email protected]


68


69

PERSPEKTIVY APLIKACE HLINITÉHO POJIVA S NÍZKÝM OBSAHEM CaO V PRODUKCI ŽÁROMATERIÁL�

Lukáš Tvrdík, Karel Lang, Radek Novotný

Alumina binders with low CaO are aluminous hydraulic binders which can be used to advantage in the production of refractories. They are especially useful in cases where the chemical composition of the matrix of a product is essential to the end use of the product. A characteristic feature is in particular in a very low content of CaO (up to 0.1%), which reduces the formation of low melting components in the matrix. Such components have a significant effect on the properties when exposed to high temperatures, especially refractoriness under load and corrosion resistance.

1 Úvod

Trendem posledních let v oblasti žáromateriál� je jasn� patrný odklon od výrobk� tvarových a zvyšování poptávky po netvarových, tedy žárobetonech, nebo prefabrikátech vyráb�ných litím ze samotekoucích, pop�ípad� vibrovatelných žárovzdorných hmot. Vývoj netvarových žáromateriál� je tedy logicky velmi perspektivní a skýtá velké možnosti individualizace vlastností pro specifické podmínky použití – tedy tzv. „šití materiálu na míru“ konkrétním požadavk�m. Aby bylo možné takový p�ístup aplikovat, je nutné nejen použití vhodných ost�iv, ale je také nezbytné i používání a rozši�ování možností v oblasti pojiv. Práv� tyto d�vody vedou ke stále �ast�jšímu používání pojiv, která nejsou (nebo v minulosti nebyla) v žáropr�myslu zcela standardní. Za standardní pojivo v netvarových žáromateriálech m�žeme považovat hlinitanové cementy, které však pro sv�j obsah CaO nejsou v n�kterých p�ípadech použitelné a je proto t�eba používat i alternativy. V následujících kapitolách jsou popsány možnosti a používání reaktivní aluminy, její srovnání s hlinitanovými cementy a také p�íklady jejich používání v nov� vyvíjených materiálech. Je však z�ejmé, že tato oblast se bude díky neustále specifi�t�jším požadavk�m v blízké budoucnosti zcela jist� rozši�ovat.

2 Hlinitanový cement

Hlinitanové cementy jsou považovány za standardní vazebnou složku u všech b�žných žárobetonových sm�sí (tedy typu RCC, MCC a LCC). Používané hlinitanové cementy se d�lí podle obsahu Al2O3: s obsahem Al2O3:CaO = 40%:60%, fáze = C12A7, C4AF s obsahem Al2O3:CaO = 50%:50 %, fáze = CA, C12A7, C4AF vysocehlinitanové s obsahem Al2O3:CaO = 70%:30%, fáze = CA, CA2 speciální s obsahem Al2O3:CaO = 80%:20%, fáze = � korund, CA2


70

Obr. 1 produkty hydratace hlinitanového cementu [1] CA je nositelem rychlé hydratace, která vede k rychlému náb�hu pevností, tedy zajišuje po�áte�ní pevnosti. CA2 pak hydratuje pomaleji a p�ispívá k vysokým kone�ným pevnostem. P�i sušení dochází k rozkladu hydrát� a tedy k poklesu pevností v oblasti teplot 600-1000°C a následn� dochází ke vzniku keramické vazby. Jak již bylo zmín�no, není hlinitanový cement jedinou cestou k p�íprav� žárovzdorných sm�sí. V dalších kapitolách je stru�ný pr��ez alternativních možností.

3 Hlinitá pojiva s nízkým obsahem CaO:

Zástupcem této skupiny je nap�íklad Alphabond 300. Jedná se hydraulické hlinité pojivo, které je vhodné použít v p�ípadech, kde je chemické složení matrixu zásadní pro kone�né použití výrobku. Vyzna�uje se zejména velmi nízkým obsahem CaO (do 0,1%), což snižuje tvorbu nízkotavitelných složek v matrixu. Takové složky mají významný vliv na vlastnosti p�i vystavení vysokým teplotám, zejména na únosnost v žáru a korozní odolnost. Co se tý�e zpracovatelnosti sm�si, pot�eb� zám�sové vody a konzistence, chová se toto pojivo velice podobn� jako vysoce hlinité cementy. Toto pojivo se vzhledem k výše popsaným vlastnostem používá zejména v bezcementových žárobetonových sm�sích, ale také v p�ípad� speciálních jakostí pro výrobu litých prefabrikovaných tvarovek.

4 Porovnání chování hlinitanového cementu a Alphabondu 300:

Na rozdíl od hlinitanových cement�, jehož proces hydratace je všeobecn� známý, proces vytvrzování hlinitých pojiv bez CaO je provázen tvorbou amorfního gelu, který dále p�echází v bayerit podle následného schematu (kde TA zna�í reaktivní aluminu) [10].


71

Obr. 2 Snímek SEM zrna hlinitanového cementu (sv�tlá) a Alphabondu 300 (tmavá zrna) Z porovnání pr�b�hu hydratace hlinitanového cementu (CA 270 - Almatis) a Alphabondu 300 je z�ejmé, že v p�ípad� Alphabondu dochází k velmi rychlé reakci s vodou a tém�� okamžit� se tak vytvá�í pevná vazba tvo�ená gelem na povrchu �ástic. Toto umož�uje velmi rychlou stabilizaci systému a jeho struktury v p�ípadech, kdy je d�ležitý práv� rychlý náb�h po�áte�ních pevností.

��

�

�

��

��

��

��

��

��

� ��

��!

"��

��#

$%&

'(��

(��)!�

*�+),��

�

�

��

��

��

��

��

��

� � ��

��!

"��

��#

$%&

'(��

(��)!�

-. ��/��

0"12��13��!4��

�

��

��

��

��

��

� � ��

��

��!

4��

��

��5%

&

'(��

(��)!�

�� 1"12��

�

�

��

��

��

��

� ��

��

��!

4��

��

��5%

&

'(��

(��)!�

Obr. 3 Pr�b�h hydratace hlinitanového cementu CA 270 a Alphabond 300

Vzhledem k nezadržitelnému trendu zvyšující se spot�eby netvarových žáromateriál� a to i v oblasti izola�ních, je to velmi d�ležitá vlastnost p�i použití p�ny jako leh�iva. Vzduch v p�n� se jeví jako velice perspektivní (nejlevn�jší) leh�ivo, jehož hlavním problémem je stabilizace ihned po odlití materiálu do formy. V t�chto sm�sích je pak


72

opodstatn�ní použití Alphabondu podpo�eno nejen nízkým obsahem CaO, ale práv� rychlou stabilizací systému.

� � �

Obr. 4 Foto nestabilní nap�n�né hmoty s použitím cementu CA 270

5 Aplikace

Zajímavým produktem, u kterého bylo dosaženo zna�ného technologického pokroku jsou materiály vyráb�né litím, p�edevším ze samotekoucích žárobetonových sm�sí s použitím leh�ených ost�iv a p�ídavku p�ny pro další snížení objemové hmotnosti. Materiálov� se m�že jednat o r�zné druhy izola�ních materiál� s teplotou použití od 1000°C až do 1700°C. Tyto výrobky mají hlavní odbytišt� ve sklá�ském pr�myslu je však možné tyto materiály dodávat také nap�íklad pro vyzdívky pecí na žíhání nerezové oceli, kde se uplat�ují materiály na bázi kuli�kového korundu. Stejn� tak je možné uvažovat s použitím p�i zpracování hliníku.


73

Zejména je t�eba vyzdvihnout možnosti uplatn�ní tam, kde je v konstrukci vysokoteplotního agregátu zapot�ebí užití složitého tvaru, p�ípadn� velkorozm�rového formátu (tedy v p�ípadech kdy není možné realizovat produkci strojním lisováním).

Obr. 5 Ukázky tvar� izola�ních žáromateriál�

Technické parametry materiál� vyráb�ných technologií litím ze samotekoucích hmot jsou uvedeny v tabulce (tab. I.). Mimo tyto materiály, které jsou ur�eny primárn� pro výrobu monolitických prefabrikát� (dodávány jsou jako tvarovky tepeln� zpracované pro p�ímé použití) je možné použití leh�ených žárobetonových sm�sí dodávaných v zrn�né podob�.

Tab. 1 Parametry materiál� vyráb�ných litím ze samotekoucích hmot

A 50-10 FL A 50-12 FL A 90 FLK Objemová hmotnost kg/m3 1000 1200 1350 Zdánlivá pórovitost % 60 53 60 Pevnost v tlaku MPa 10 15 15 Pevnost v ohybu (25°C) MPa 3 5 2 Pevnost v ohybu (1000°C) MPa 6 10 4 Al2O3 % 52 50 89 Fe2O3 % 1,0 <1,0 0,2 SiO2 % 43 44 9,5 CaO % 1,5 1,5 0,3 Trvalé délkové zm�ny (1400°C/12h) % -0,6 -0,5 0 Klasifika�ní teplota °C 1400 1400 >1650 Maximální teplota použití ºC 1400 1400 >1650

Vývoj nových isola�ních výrobk� vyráb�ných litím se posouvá stále kup�edu a je

zde možné v blízké budoucnosti po�ítat se zavedením výrobk� s nižší objemovou hmotností, p�ípadn� s výrobou jakostních známek postavených na míru dané aplikaci.

P�íkladem výhodnosti použití hlinitého pojiva bez CaO je vysoce jakostní izola�ní materiál na bázi kuli�kového korundu s vynikajícími žárovými vlastnostmi. V tomto p�ípad� se jedná o aplikaci v žáromateriálu, kde jsou kombinovány práv� ob� výhody v podob� rychlé stabilizace systému s p�ídavkem p�ny a nízkého obsahu CaO.


74

A 90FLK je vysoce jakostní, samotekoucí, bezcementový izola�ní materiál na bázi kuli�kového korundu který byl vyvinut mimo jiných aplikací pro použití v systému Clausova reaktoru v oblasti p�echodu mezi reaktorem a kondenza�ním kotlem. Jedná se o materiál schopný odolávat teplotám nad 1650°C p�i objemové hmotnosti 1350 kg/m3. Tato �ást konstrukce bývá �ešena ocelovou trubkovnicí do jejichž otvor� bývají vloženy korundové trubi�ky (materiál Korund C530 b�žn� používaný pro termo�lánkové trubice). P�ed touto trubkovnicí pak m�že být umíst�na izola�ní st�na nap�íklad z jakosti A90FLK. Vlastnosti A90FLK jsou uvedeny v tab. I. Vysokou odolnost v��i alkalické korozi dokumentuje obr. 4 a vyzna�uje se též velmi dobrými hodnotami únosností v žáru T05 sledovanými p�i zatížení 0,05 a 0,2 MPa (k�ivky jsou znázorn�ny v grafu)

-1

-0,5

0

0,5

1

1,5

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800

[°C]

[%]

% 0,05 Mpa% 0,2 Mpa

Obr. 6 Dilata�ní k�ivky A90FLK p�i zatížení 0,05 a 0,2MPa

6 Záv�r

Jedním z d�ležitých požadavk� doby je tzv. orientace na zákazníka, kdy jsou vyvíjeny materiály p�ipravované p�esn� na požadavky zákazníka. Používání speciálních surovin i speciálních pojiv je pro dosažení požadovaných výsledk� nutnou podmínkou pro spln�ní n�kterých požadavk�.

V dnešní dob� je stále �ast�ji t�eba se vyrovnávat s p�ípady, kdy jsou kombinovány požadavky na vysoké žárové vlastnosti, isola�ní schopnosti a také na tvar výrobku. Je tedy nutné stále hledat nové možnosti a uplat�ovat postupy, které v minulosti nebyly dostupné, pop�ípad� byly mén� známé.

P�ísp�vek vznikl za podpory projektu TA�R TA02010995 - Vývoj tepeln� izola�ních litých žáruvzdorných materiál� (žárobeton�) pro výrobu prefabrikovaných dílc�.

teplota

smršt�ní


75

7 Literatura

[1] NORTON, F.H.: Refractories, 1968

[2] STARO� J., TOMŠ� F.: Žiarovzodrné materiály, výroba, vlastnosti a použitie; Alfa, Bratislava 1992

[3] TOMŠ�, F. �ERMÁK, A. Šamot a dinas. SVTL Bratislava 1964, str. 188-262.

[4] HERAINOVÁ M. – Žárovzdorné materiály, Silikátový svaz 2003

[5] HANYKÝ�, V., KUTZENDÖRFER, J. Technologie keramiky. Vega, Praha 2000 ISBN 80–900860–6–3.

[6] Feuerfestbau , Vulkan -Verlag Essen/Germany, 1994, str.30-34

[7] Hanyký�, V., Kutzendörfer, J. Technologie keramiky. Vega, Praha 2000 ISBN 80–900860–6–3.

[8] Franek T, : Tvá� �eského a slovenského pr�myslu žárovzdorných materiál� v pozadí sou�asné Evropy

[9] FRANEK T, �IESLAR, M: Evropský pr�mysl žárovzdorných materiál� na za�átku 3.tisíciletí, XIV.mezinárodní konference o žáromateriálech, Praha 2002, str. 5-13

[10] Mista W., Wryszycz J., Rehydration of transition aluminas obtains by flash calcination of gybsite, Thermochimica Acta 331 (1999) 67-72

Ing. Lukáš Tvrdík � P-D Refractories CZ a.s.

Nádražní 218, 679 63 Velké Opatovice � 516 493 361 � [email protected]

Ing. Karel Lang, CSc. � P-D Refractories CZ a.s.

Nádražní 218, 679 63 Velké Opatovice � 516 493 202 � [email protected]

Ing. Radek Novotný � Chemická fakulta VUT v Brn�. Purky�ova 464 , 612 00 Brno

� [email protected]


76


77

VYUŽITÍ ALTERNATIVÍCH POJIV NA STAVBÁCH VELKÉHO ROZSAHU

Tomáš �ažký, Nikol Žižková, Petr Novosad

This paper presents the possibilities of using alternative binders in constructions of large scale. It virtually reflects the current global trend of alternation within the traditional binder system, which on the one hand provides economic savings associated with positive environmental aspects and on the other hand, it brings significant technological advances and major benefits. At the same time, many of designers´ requirements on the properties of building materials would be very difficult to accomplish without the use of alternative binders. The main objective of further research and development of these binders is particularly to reduce CO2 greenhouse gas emissions into the atmosphere.

1 Úvod

Celosv�tovým trendem posledního desetiletí ve všech pr�myslových odv�tvích je snižování emisí CO2. Jedním z nejv�tších producent� tohoto skleníkového plynu je cementá�ský pr�mysl. Dne 16.2.2005 vstoupil v platnost Kjótský protokol, který je prvním praktickým výsledkem snah o �ešení globálních klimatických zm�n na celosv�tové úrovni. Signatá�ské státy této mezinárodní dohody se zavázaly snížit své emise skleníkových plyn� v období 2008 - 2012 v pr�m�ru o 5,2 % v porovnání se stavem v roce 1990. Konkrétní závazek �eské republiky p�edstavoval snížení emisí o 8 %. Evropská unie vytvo�ila systém tzv. emisních povolenek a celkový objem skleníkových plyn�, který mohou vyprodukovat jednotlivé �lenské státy EU, stanovuje Evropská komise, která vychází z tzv. uhlíkové náro�nosti jednotlivých národních ekonomik. Dle dohody pak každý stát rozd�lí mezi producenty skleníkových plyn� emisní povolenky a na evropských energetických burzách se zprost�edkovává nákup a prodej za tržní ceny, což je obrovskou finan�ní motivací nejen cementá��. Hlavním sm�rem ke snížení emisí CO2 je využívání sekundárních paliv (odpadních) nebo výroba sm�sných cement�, tzn. k omezení emisí CO2 dochází tím, že se snižuje podíl slínku, který je energeticky nejnáro�n�jší a využívají se další hlavní složky, které lze klasifikovat jako alternativní pojiva. Mnoho velkých a nadnárodních cementá�ských spole�ností zárove� vlastní i betonárny, �i je s nimi v korporaci, a tak je vyvíjen i tlak na betoná�e vedoucí ke zvyšování podílu alternativních pojiv (p�ím�sí) v betonech jako nap�. velmi jemn� mleté strusky, popílku nebo jemn� mletého vápence namísto �istého portlandského cementu CEM I 42,5 R, který je na trhu dominantní.

2 Výstavba obchodního centra – Forum Nová Karolina Ostrava

Od �ervna 2008 probíhá v centru Ostravy na míst� bývalé koksovny (viz. Obr. 1), na ploše 32 ha, výstavba prozatím nejv�tšího nákupního a zábavního parku v �R, spole�n� s obytnými a kancelá�skými domy. St�žejní a nejrozsáhlejší byla výstavba obchodního centra, kde hlavním investorem byla spole�nost Multi Development. P�ibližná plocha


78

obchodního centra je cca 58 000 m2 a má 2 PP a 5 NP. V listopadu 2008 byla výstavba v d�sledku celosv�tové finan�ní krize p�erušena a znovu restartována na p�elomu února a b�ezna 2010.

Generálním dodavatelem stavby byla firma GEMO Olomouc spol. s r.o. Hlavní projek�ní kancelá�í, která zajišovala i statické výpo�ty, byla firma PPP spol. s r.o.

Celá výstavba obchodního centra byla dokon�ena a zárove� i p�edána k užívání dne 21.3.2012 a dne následujícího již p�ivítala i první návšt�vníky.

Na st�žejní betonáž bílé vany, která byla technologicky jednou z nejnáro�n�jších, byl použit beton C25/30;XC3;90d;S3, kde jako pojivo byl použit portlandský cement CEM I 42,5 R D�tmarovice s p�ím�sí velmi jemn� mleté strusky D�tmarovice a jemn� mletého vápence Carmeuse Mokrá.

Obr. 1 Areál bývalé koksovny p�ed zapo�etím výstavby

Obr. 2 Vizualizace - Forum Nová Karolina


79

2.1 Stru�ný popis návrhu systému bílé vany a hydroizolací

Systém bílé vany byl navržen v prvních 2 podzemních podlažích. Základová deska byla navržena jako bezespárá o rozm�rech 170 m ×170 m a byla rozd�lena na 5 tzv. dilata�ních celk�, kdy dilata�ní pásy mezi celky byly zabetonovány až p�ed koncem monolitické výstavby, aby bylo dosaženo již co nejv�tšího dotvarování betonu. Byla zde navržena i pojistná hydroizolace – bitumenové pásy a nejmodern�jší systém dodate�né hydroizolace. V p�ípad� defektu v betonu nebo porušení bitumenového pásu, pomocí injektážního rastru hadi�ek, které jsou vyvedeny do sloup�, by došlo k injektáži pouze jednoho dilata�ního celku.

2.2 Použitý beton pilot, podkladního betonu a základové desky

Beton na stavbu byl dodáván z n�kolika betonáren spole�nosti CEMEX Czech Republic, s.r.o. – provozovny Ostrava – centrum, Šenov, D�tmarovice, Stonava a spole�nosti Frischbeton s.r.o. – Ostrava Mariánské Hory (v sou�asné dob� také provozuje CEMEX).

Celá stavba je založena na velice složitých základových pom�rech. Dle HGP (hydrogeologického pr�zkumu) a IGP (inženýrsko-geologického pr�zkumu) je beton pilot a podkladní beton vystaven st�edn� agresivnímu chemickému prost�edí, zejména vysoká je koncentrace SO4

2-, kdy koncentrace byla cca 1000 - 2500 mg/l podzemní vody. Z tohoto d�vodu musel být použit do betonu síranovzdorný cement CEM III B/S 32,5 N SVC D�tmarovice. Použitý beton do pilot byl C25/30;XA2;S3;Dmax22, provád�la je spole�nost Topgeo Brno spol. s r.o.. Jako podkladní beton by použit COM;C25/30;XA2;F5;Dmax16, což je lehce zhutnitelný beton s podobnými vlastnostmi jako SCC, kdy byl �erpán pomocí hadic až na vzdálenost 250 m.

Základová deska (viz. Obr. 3) je rozd�lena na 5 dilata�ních celk� a celkov� má rozm�ry 170 m × 170 m. Je navrhnuta jako bezespárá, kdy pouze u každého dilata�ního celku je navržen smršovací pruh, o tloušce cca 1 m, který byl vždy zabetonován až p�ed koncem monolitické výstavby, aby bylo maximáln� zohledn�no smršt�ní betonu v t�chto dilatacích. Celá tato konstrukce byla navrhnuta na smršt�ní betonu cca 0,6 ‰. P�i p�ekro�ení této hodnoty hrozilo velké riziko porušení pojistné hydroizolace, která je natavena na podkladním betonu. Beton základové desky byl C25/30;XC3;90d;S3;Dmax22, kdy beton musel splnit pevnost v tlaku i tahu za ohybu, vodonepropustnost (max. 50 mm), statický modul pružnosti (31 GPa), max. smršt�ní (0,6 ‰), a protože se jednalo o betonáž masivních prvk� v letním období, nesm�la být teplota betonu p�i hydrataci vyšší jak 75°C a bylo nutné beton �erpat až na vzdálenost cca 250 m.

Výzkum a vývoj receptury probíhal ve spolupráci s VUT v Brn�, ústavem THD. Bylo jasné, že veškeré požadavky nelze splnit, pokud by beton byl navrhován standardním postupem, muselo se zde vycházet z velkých výhod alternativních pojiv.

Ve finálním návrhu byla jako nejlepší hodnocena kombinace pojiv a p�ím�sí CEM I 42,5 R D�tmarovice, velmi jemn� mleté strusky D�tmarovice a jemn� mletého vápence (druh 7) Carmeuse Mokrá. Jako plnivo bylo použito drobné t�žené kamenivo frakce 0/4 mm D�tmarovice, hrubé t�žené kamenivo frakce 4/8 mm taktéž z lokality D�tmarovice, hrubé t�žené kamenivo frakce 8/16 a 11/22 mm z lokality Bohu�ovice. Byla použita


80

kombinace plastifika�ních p�ísad: superplastifika�ní p�ísada na bázi polykarboxylát� – CX Isoflex 833 a na bázi lignosulfonátu – Isola BV (z d�vodu nižšího vývinu hydrata�ního tepla, ob� od spole�nosti CEMEX, vodní sou�initel byl cca 0,52. Konzistence betonu byla m��ena pomocí Abramsova kužele a pohybovala se na betonárn� v rozmezí 150 – 165 mm.

Finální hodnoty pevností v tlaku betonu základové desky se pohybovaly v rozmezích 38 – 52 MPa, pevnost v tahu za ohybu 3,5 – 6 MPa, statický modul pružnosti 31 – 36 GPa, zkouška vodonepropustnosti 7 – 40 mm, max. hydrata�ní teplota betonu 72,3 °C, kone�né smršt�ní betonu (zam��eno geodeticky) cca 0,45 – 0,55 ‰.

Obr. 3 Základová deska p�ed betonáží, vázání výztuže

Obr. 4 Kone�ná podoba – Forum Nová Karolina


81

3 Rekonstrukce st�elenského tunelu - Konstrukce pevné jízdní dráhy systému “ÖBB-PORR“

St�elenský tunel se nachází na železni�ní trati Púchov – Hranice na Morav�. Zárove� s rekonstrukcí samotného ost�ní tunelu prob�hla také obnova kolejí v úseku státní hranice se Slovenskem – Horní Lide�.

První zkušební úsek konstrukce pevné jízdní dráhy byl v �R realizován v roce 2005 v železni�ním tunelu Krasíkov u �eské T�ebové, který byl ovšem proveden starším systémem Rheda 2000.

Rekonstrukce St�elenského tunelu je d�ležitou referen�ní stavbou nejmodern�jší vysokorychlostní trati pomocí pevné jízdní dráhy a jde o jedinou svého druhu, která je vybudovaná na území �R.

Na st�žejní podbetonování prefabrikovaných panel� byl použit beton SCC;C25/30;XF3, kde jako pojivo byl použit sm�sný struskoportlandský cement CEM II B/S 32,5 R Horné Srnie.

3.1 Stru�ný popis systému

St�žejním prvkem konstrukce pevné jízdní dráhy ÖBB-PORR je pružn� uložený vyztužený betonový prvek prefabrikované výroby o standardních rozm�rech: délka 5,16 m, ší�ka 2,4 m (p�íp. 2,1 m) a hmotností 5 tun.

Každá deska má 8 pár� integrovaných kolejových podpor v osové vzdálenosti 0,65 m. V podélném sm�ru jsou dva otvory trapézového pr��ezu, které slouží k zalití samozhutnitelným betonem SCC a jejich fixaci do p�edepsané polohy. Spodní strana desky a st�ny otvor� jsou pokryty elastickou vrstvou, která spole�n� s pružnými podložkami pod patu kolejnice zajišuje nezbytnou deformaci pod zatížením a tlumí vznikající hluk i vibrace p�enášené do podkladních vrstev.

Prefabrikovaná deska se ukládá na d�ev�né distan�ní bloky. K p�esné rektifikaci slouží trny, kterými se nastaví p�esná vertikální i horizontální poloha p�ed zabetonováním a následn� prob�hne postupné vypln�ní betonem SCC pomocí otvor� v desce.

P�evýšení koleje je zajišt�no r�znou mocností SCC, jehož tlouška je nejv�tší pod p�evýšeným kolejnicovým pasem a minimální pak pod pasem vnit�ním.

Obr. 5 Systém ÖBB-PORR, základní deska


82

Obr. 6 �ez konstrukcí pevné jízdní dráhy

3.2 Výhody a nevýhody použití ÖBB-PORR systému

Výhody:

Prakticky bezúdržbová konstrukce s velmi dlouhou životností, až 80 let a zárove� zachování geometrické a prostorové polohy koleje po celou dobu životnosti konstrukce. P�i použití tohoto systému je možnost z�ízení v�tšího p�evýšení kolejí z d�vodu vyšší p�í�né stability a možnost využití menších polom�r� oblouk� nebo vyšších rychlostí ve stávajících polom�rech. Je možná i úspora konstruk�ní výšky pr��ezu tunelové roury u tunel� ražených technologií NRTM (nová rakouská tunelovací metoda). Dochází k eliminaci vibrací a tím ke klidn�jšímu chodu vozidel a vyššímu komfortu pro cestující.

Nevýhody:

Vyšší po�izovací náklady než u standardní konstrukce koleje s delší dobou výstavby a velká technologická náro�nost a náro�ná úprava železni�ního spodku na zemním t�lese. Problematické je i z�izování na stávajících tratích p�i zachování provozu po sousední koleji.

3.3 Použitý “SCC“ beton a technologie ukládání

Dlouhý výzkum a vývoj postupn� optimalizoval samozhutnitelnou betonovou sm�s a také konstruk�ní metody k dosažení jednoduššího a kompletního vypl�ování tak, aby se eliminoval vznik dutin a byla tak zajišt�na maximální vazba mezi deskou a betonovým základem.

Projektantem dodané podklady k SCC a jeho vlastnostem byly dle rakouské normy ÖNORM B 4710 – 1 Prüfung Beton a bylo nutné p�evést veškeré požadavky na �eskou legislativu a vycházet z dostupných materiál�.

P�vodn� navržený beton byl C25/30/B3 GK16/SCC (XC3/XD2/XF3/XA1 L / SB (A)). Doporu�ené materiály ze staveb v Rakousku byly – CEM II / A-M 42,5 N, p�ím�s Fluamix C, plastifika�ní p�ísada Duriment LZF, provzduš�ující p�ísada Duriment LP 100, kamenivo frakce 0/1, 0/4, 4/8, 8/16 mm. Požadavky na �erstvý beton byly – zpracovatelnost max. 60 min od namíchání, teplota � 27°C, rozlití po 10 min od namíchání – 600 mm, obsah vzduchu po 10 min – 3 – 5%, obsah vzduchu po 60 min – 3 – 5%, ú�inné


83

množství pór� (spacing factor) – 1,2%, obsah �ástic pod 0,125 mm – min. 500 kg a pevnost v tlaku po 28 dnech na krychli – min. 39 MPa.

P�vodní technické �ešení ukládky betonu bylo takové, že autodomícháva� bude v železni�ní stanici Horní Lide� naložen na vagon a zavezen do tunelu, kde bude probíhat ukládka p�ímo z n�j do panel�. Bohužel nebyla dojednána tak dlouhá výluka provozu a jedna kolej musela nakonec z�stat v provozu, který byl omezen jen na jednu kolej, takže na poslední chvíli došlo k p�ehodnocení technologie a návrhu ukládky �erpadlem betonu na vzdálenost cca 350 m, protože se kv�li spádu mohlo ukládat jen z jedné strany tunelu a hadice od �erpadla byly celou dobu ve stejné délce. S �erpáním SCC betonu na takovou vzdálenost a dodržením veškerých reologických a jiných vlastností i “za �erpadlem“ bylo bohužel ješt� málo zkušeností. Tato skute�nost se musela operativn� �ešit až p�ímo p�i realizaci, protože dodavatel betonu s ní nebyl p�edem seznámen. Musela prob�hnout redukce maximálního zrna kameniva z 16 mm na 8 mm a tak dodávat pouze dvoufrak�ní beton.

Beton byl dodáván z betonárny spole�nosti CEMEX Czech Republic, s.r.o. – provozovna Valašské Klobouky. Použitý “SCC“ beton byl ozna�en dle �eské legislativy jako SCC;C25/30;XF3;Dmax 8mm s obsahem Cl- max. 0,2 g na 1m3 betonu. Konzistence betonu byla m��ena pomocí rozlití obráceného Abramsova kužele a pohybovala se na betonárn� v rozmezí 750 – 820 mm. V navržené receptu�e byl jako pojivo použit cement CEM II B/S 32,5 R Horné Srnie. Jako plnivo bylo použito drobné t�žené kamenivo frakce 0/4 mm Spytihn�v a hrubé t�žené kamenivo frakce 4/8 mm taktéž z lokality Spytihn�v. Použitá superplastifika�ní p�ísada byla na bázi polykarboxylát� – Dynamon SX14 a provzduš�ující p�ísada Mapeplast PT1, ob� od spole�nosti MAPEI, vodní sou�initel byl cca 0,44.

Betonáž probíhala na stavb� pomocí stabilního �erpadla, které jako jediné mohlo vjet do tunelu, byla zde investorem m��ena konzistence, která se “za �erpadlem“ pohybovala v intervalu 600 – 670 mm a také obsah vzduchu, který byl 4 – 5%. Musela být zajišt�na výborná komunikace mezi stavbou a betonárnou, aby nedošlo k p�ekro�ení doby zpracování, která byla velice p�ísn� hlídána investorem a projek�ní spole�ností PORR, a také naopak, aby nez�stalo �erpadlo bez betonu, protože by mohlo dojít k jeho “zabetonování“, což by byl katastrofický scéná� a pokud by se celý úsek nedobetonoval, muselo by dojít k jeho vybourání. Kontrola úplnosti vypln�ní prostoru pod panely byla provád�na vizuáln� a to tak, že bedn�ní je od panel� odsazeno na takovou vzdálenost, aby bylo umožn�no vytla�ení vzduchových kapes a byla možná kontrola vystoupání betonu nad spodní hranu panelu.


84

Obr. 7 Prefabrikované železni�ní panely

Obr. 8 Zabudované železni�ní panely p�ed zalitím pomocí SCC

Obr. 9 Zabudované železni�ní panely po zalití pomocí SCC


85

Obr. 10 Pohled na vjezd do St�elenského tunelu po uložení a zmonolitn�ní panelu od stanice Horní Lide�

Obr. 11 Pevná jízdní dráha systému ÖBB-PORR v 1.koleji St�elenského tunelu


86

4 Záv�r

P�ísp�vek je zam��en na p�íklady využití alternativních pojiv v již zrealizovaných velkých stavbách. Je zde uvedena jedna stavba, kdy bylo tento materiál dávkován jako samostatná surovina a druhá, kde byl dávkován v namíchaném produktu jako sm�sný cement. Zadání vlastností beton� od projektant� a investor� na tyto stavby je takové, že by realizace bez využití alternativních pojiv byla velmi náro�ná nebo tém�� nemožná. Byla zde kombinace protich�dných požadavk� v p�ípad� použití pouze tradi�ních pojiv. Bez využití t�chto surovin by nebylo možné uspokojit požadavek nap�. na vysokou dávku pojiva, �erpání na velkou vzdálenost a zárove� na pomalý vývin hydrata�ního tepla, pozvolný nár�st pevností a velkou redukci smršt�ní. S ohledem na skute�nost, že nejen tyto stavby byly realizovány ke spokojenosti investora lze doporu�it používání t�chto kombinací v praxi i do budoucna.

LITERATURA [1] Architektonická vizualizace – Forum Nová Karolina – Multi Development, r. 2009. [2] Dipl. Ing. Jörg FENSKE, (FH), Angela KUO, BE. BA PORR, Technobau und

Umwelt AG, Railway Division, Víde�, Rakousko – „KONSTRUKCE PEVNÉ JÍZDNÍ DRÁHY SYSTÉMU “ÖBB-PORR” POUŽITÍ V TUNELECH - 16. konference „Železni�ní dopravní cesta 2010”.

[3] Ing. Tomáš Machá�ek a kol. – Silnice, železnice, �eská republika, 2012, ISSN: 1801 – 822x.

[4] Ing. Mojmír Nejezchleb - Prezentace ŽPSV OHL Group – Prvky pro pevnou jízdní dráhu, železni�ní pražce z pohledu evropské legislativy, r. 2011.

Ing. Tomáš �ažký � CEMEX Czech Republic s.r.o.

Siemensova 2716/2, 155 00 Praha 5 Stod�lky � +420 723 562 312 � [email protected]

Ing. Nikol Žižková, Ph.D. � Stavební fakulta VUT v Brn�.

Ústav technologie stavebních hmot a dílc�, Veve�í 95, 602 00 Brno

� 541 147 515 � 541 147 502 � [email protected]

Ing. Petr Novosad � Stavební fakulta VUT v Brn�.


� 541 147 468 � 541 147 502 � [email protected]


87

VLASTNOSTI REHYDRATOVANÝCH CEMENTOVÝCH PAST S P�ÍMSÍ ZEOLITU

Martin Vyšva�il, Patrik Bayer, Pavla Rovnaníková

This study aims to investigate the effect of high temperatures up to 1200 °C and rehydration on the mechanical properties, microstructure and phase composition of blended cement pastes, which was prepared from Portland cement and zeolite. It has been found that the heating process induces a reduction in bulk density, flexural and compressive strength. The proportion of pores with a diameter higher than 0.1 µm increases with increasing temperature. The addition of zeolite improves the strength properties of dehydrated and rehydrated cement paste. It can be concluded that the addition of zeolite to cement paste is preferable to the addition of blast furnace slag.

1 Úvod

Cement je energeticky náro�ná a životní prost�edí zat�žující stavební hmota, a proto se stále �ast�ji hledají zp�soby jeho alespo� �áste�né náhrady. Jednou z možností snížení dopadu výroby cementu na životní prost�edí je výroba sm�sných cement�. Využití zde naleznou nejen druhotné suroviny získané z jiných pr�myslových �inností, ale též p�írodní suroviny, jejichž úprava je mén� energeticky náro�ná. Ve sm�sných cementech je množství p�ím�si limitováno definicí v norm� �SN EN 197-1 [1] pro cementy CEM II až CEM V. Danou surovinu lze též použít v návrhu betonu, kde se �asto využívá jako reaktivní p�ím�s a její množství m�že být odlišné od obsahu ve sm�sných cementech. Krom� náhrady cementu mohou mít tyto p�ím�si pozitivní vliv na vlastnosti ztvrdlého betonu, a to p�edevším, jde-li o p�ím�si s pucolánovými vlastnostmi. Jednou z t�chto surovin m�že být i zeolit [2, 3].

P�írodní zeolity jsou mikroporézní krystalické aluminosilikáty, složené z TO4 tetraedr� (T = Si, Al) vzájemn� propojenými p�es vrcholy. Vznikly p�em�nou skel zejména vulkanického p�vodu, rentgenoamorfních jíl�, aluminosilikátových gel�, plagioklasu, nefelinu, biogenního SiO2 nebo jílových minerál�. P�írodní zeolity lze popsat obecným vzorcem (Na,K,Li)x(Ca,Mg,Ba,Sr)y[Al(>>Fe)x+2y·Sin–x–2yO2n]·mH2O. Zvyšující se pom�r Si/Al vede k zásadním zm�nám vlastností, jako nap�íklad hydrotermální stability �i hydrofobnosti. Zeolity se nacházejí v p�írod�, ale mohou být též syntetizovány. Jedním z p�írodních zeolit� je klinoptilolit tvo�ící jednoklonné desti�kovité krystaly, má deseti�lenné a osmi�lenné dutiny propojené kanálky a pom�r Si/Al má vyšší než 2 a nižší než 5. Klinoptilolit pat�í do heulanditové skupiny zeolit� a je mikrokrystalický [4]. Tato skupina se vyzna�uje vysokým obsahem iont� Si, je porézní a vzhledem k vrstevnaté struktu�e velmi reaktivní [3].

Betonové konstrukce mohou být v nestandardních situacích (požár) vystaveny vysokým teplotám. P�i zah�ívání dochází ke snižování pevností v d�sledku rozkladu hydratovaných slínkových minerál� a zm�n pórové struktury cementového tmelu v betonu. Vlastnosti betonu vystaveného vysokým teplotám jsou d�sledkem mnoha faktor�, p�edevším dosažené teploty, dob� expozice, rychlosti oh�evu a zchlazení. P�i postupném


88

zah�ívání hydratovaných cementových past dochází k transformaci jednotlivých složek cementu, drolení a praskání a výsledkem m�že být v krajním p�ípad� i kolaps konstrukce.

Dehydratovaný cementový tmel není ve vlhkém prost�edí stálý a dochází u n�ho ke zp�tné rehydrataci jednotlivých složek. Vzniká tak hydratovaný C-S-H gel, ettringit, portlandit, p�i sou�asné karbonataci také CaCO3.

P�edm�tem p�ísp�vku je porovnání a zhodnocení pevnostních a pórových charakteristik dehydratovaných cementových past s p�ím�sí p�írodního zeolitu po zah�ívání na vysoké teploty a po jejich zp�tné rehydrataci.


K experiment�m byla použita zkušební t�lesa o rozm�rech 20 × 20 × 100 mm zhotovená z portlandského cementu CEM I 42,5 R z �eskomoravský cement a. s., závod Mokrá (80 %) a p�írodního zeolitu Zeobau 200 ze Zeocem, a. s. (20 %), Zeolit obsahuje 45 % klinoptilolitu, 35 % amorfní fáze (opály), a dále k�emen, cristobalit,živce a slídy. M�rný povrch je 1 362 m2·kg–1 a m�rná hmotnost 2 279 kg·m–3. Množství vody použité k p�íprav� cementových past bylo zvoleno tak, aby v/c = 0,5. Chemické složení použitého portlandského cementu a zeolitu je uvedeno v Tab. 1 a Tab. 2.

Zkušební t�lesa byla ponechána 24 hodin ve výrobních formách a po vyjmutí z forem byla umíst�na do vodní lázn� na dobu 27 dní. Následn� byla t�lesa sušena v sušárn� p�i 60 °C do konstantní hmotnosti, poté byla zah�ívána v peci na teploty 200, 400, 600, 800, 1000 a 1200 °C s rychlostí oh�evu 5 °C/min s dobou trvání na maximální teplot� 120 minut. P�ed výpalem a stanovením pevností byla t�lesa vždy zvážena a zm��ena pro výpo�et jejich objemových hmotností. Stanovení pevností bylo provedeno dle �SN EN 196-1 [5]. Po stanovení pevností byly zbytky t�les rozemlety ve vibra�ním laboratorním mlýnu. K následné výrob� rehydratovaných vzork� byl použit pouze propad sítem 0,125 mm. Množství použité zám�sové vody bylo variabilní s cílem dosáhnout vždy stejné konzistence cementové kaše (v/c = 0,47–0,95). Ošet�ení vyrobených t�les bylo totožné s ošet�ením t�les p�ed výpalem. U vzork� byla rovn�ž studována pórová struktura zjišt�ná vysokotlakou rtuovou porozimetrií na p�ístroji Micromeritic PoreSizer 9310.

Stanovené pevnostní a pórové charakteristiky cementových past s p�ím�sí p�írodního zeolitu byly porovnány s již publikovanými vlastnostmi referen�ních vzork� vyrobených pouze z portlandského cementu [6].

Tab. 1 Chemické složení použitého cementu získané RTG fluorescen�ní spektrometrií (%)

Tab. 2 Chemické složení použitého zeolitu (%)

CaO SiO2 Al2O3 Fe2O3 SO3 MgO Na2O K2O MnO TiO2 cement 61,48 21,26 5,08 3,64 2,42 0,86 0,12 0,91 0,07 0,29

CaO SiO2 Al2O3 Fe2O3 SO3 MgO Na2O K2O TiO2 zeolit 3,24 67,30 11,97 1,40 0,11 0,75 0,43 3,28 0,14


89


3.1 Dehydratované cementové pasty

Objemové hmotnosti t�les vypálených na teploty 200–1000 °C se p�íliš nem�nily a pohybovaly se kolem hodnoty 1490 kg·m-3, což je o 15 % mén� než vykazovaly referen�ní nevypálené vzorky. P�i teplot� výpalu 1200 °C nedošlo k výraznému snížení objemové hmotnosti t�les (1730 kg·m-3) jako u nižších teplot, t�lesa však zmenšila sv�j objem, zhn�dla a popraskala. Popraskání vypálených vzork� bylo pozorováno od teploty výpalu 600 °C (Obr. 1). Podobný trend vykazovaly též vzorky bez p�ím�si zeolitu, jen po výpalu na 1200 °C byly výrazn� tmavší.

Obr. 1 Porovnání dehydratovaných vzork� cementových past s p�ím�sí zeolitu

Na Obr. 2 jsou uvedeny kumulativní objemy pór� cementových past se zeolitem vypálených na p�íslušné teploty. Se vzr�stající teplotou výpalu se zvyšoval pr�m�r nejvíce zastoupených pór�, od 0,1 µm u referen�ního vzorku a vzorku vypáleného na 200 °C po 5 µm u vzorku vypáleného na 1200 °C. Tvorba trhlin a v�tších pór� je zp�sobena uvol�ováním H2O a CO2 p�i výpalu (dehydratace CSH a CAH slou�enin, ettringitu, rozklad portlanditu a kalcitu). P�i vyšších teplotách dochází také k rozkladu anhydritu a uvol�ování SO2. Z grafu lze vy�íst, že vzorek vypálený na 1200 °C sice obsahoval p�evážn� póry s pr�m�rem 1–10 µm, ovšem jeho celková porozita nebyla nejvyšší. Z toho vyplývá, že pevná fáze vytvo�ená po výpalu na 1200 °C musí být z�eteln� kompaktn�jší než u ostatních vzork�. Na Obr. 3 jsou srovnány celkové porozity dehydratovaných vzork�. Se zvyšující se teplotou výpalu roste celková porozita cementových past se zeolitem do teploty 1000 °C, bez p�ím�si do 800 °C. P�ídavek zeolitu snižuje celkovou porozitu dehydratovaných cementových past do teploty výpalu 800 °C nejmén� o 12 %.


90

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,0010,010,11101001000

Pr�m�r pór� (µµµµm)

Kum

ulat

ivní

obj

em p

ór�

(cm

3 ·g

-1)

Z refZ 200Z 400Z 600Z 800Z 1000Z 1200

Obr. 2 Kumulativní objem pór� vypálených cementových past s p�ídavkem zeolitu

0

10

20

30

40

50

60

Cel

ková

por

ozita

(%)

60 200 400 600 800 1000 1200

Teplota výpalu (°C)

cement + zeolit

cement

Obr. 3 Celkové porozity vzork� vypálených cementových past

Na Obr. 4 a Obr. 5 jsou graficky znázorn�ny stanovené pevnosti vypálených

cementových past. Na výsledcích je vid�t postupné snižování pevností cementových past se vzr�stající teplotou výpalu do 1000 °C. Výrazné zvýšení pevností u vzork� vypálených na 1200 °C je možné zd�vodnit tvorbou nových krystalických fází a pevných keramických vazeb p�i výpalu. Z graf� je patrné, že p�ídavek zeolitu zvyšuje pevnosti v tlaku, ovšem pevnosti v tahu ohybem jsou po p�ídavku zeolitu nižší nebo srovnatelné s pevnostmi vzork� vyrobených pouze z cementu. Nízké pevnosti vzork� se zeolitem vypálených na 1000 °C korespondují s jejich nejvyšší celkovou porozitou. Podobná souvislost u vzork� vyrobených pouze z cementu však neplatí – nejnižší pevnosti by m�l vykazovat vzorek vypálený na 800 °C. Zvýšení pevností v tlaku po výpalu na 200 °C lze vysv�tlit termohydrata�ní reakcí, kdy p�i prostupu uvol�ující se vody cementovým tmelem dochází k hydrataci nehydratovaných zrn cementu a nár�stu pevností (zvýšení obsahu CSH gelu a portlanditu). Podobné výsledky byly získány i u dehydratovaných cementových past s p�ídavkem vysokopecní strusky [6].


91

3.2 Rehydratované cementové pasty

Objemové hmotnosti cementových past se zeolitem vypálených do teploty 1000 °C se po rehydrataci pohybovaly v rozmezí 1000–1100 kg·m-3 i p�es variabilní množství použité zám�sové vody. Cementové pasty bez p�ídavku zeolitu m�ly po rehydrataci objemové hmotnosti pohybující se kolem hodnoty 1000 kg·m-3. Po vložení t�les vyrobených z dehydratované pasty se zeolitem p�i 1200 °C do vody došlo k jejich rozpadu (Obr. 6), a proto nebylo možné stanovit jejich objemovou hmotnost.

Obr. 6 Rozpad rehydratovaných cementových past s p�ídavkem zeolitu po vložení do vody (teplota výpalu p�ed rehydratací 1200 °C)

60 200 400 600 800 1000 1200

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

4,5

5,0

Rf (

MP

a)


cementcement + zeolit

60 200 400 600 800 1000 1200

0,0

10,0

20,0

30,0

40,0

50,0

60,0

70,0

80,0

Rc

(MP

a)Teplota výpalu (°C)


Obr. 4 Pevnosti v tahu ohybem po výpalu Obr. 5 Pevnosti v tlaku po výpalu


92

Na Obr. 7 jsou uvedeny kumulativní objemy pór� rehydratovaných cementových past s p�ídavkem zeolitu. Vzorky dehydratované na teploty 200–800 °C mají po rehydrataci podobné zastoupení pór�, nejvyšší je obsah pór� s pr�m�rem 0,1–0,05 µm. U referen�ního nevypáleného vzorku je po rehydrataci zastoupení pór� s pr�m�rem 1–0,01 µm tém�� konstantní. Oproti tomu vzorek vypálený p�ed rehydratací na 1000 °C obsahoval tém�� výhradn� póry s pr�m�rem 1 µm, byl tedy nejvíce porézní. Celkové porozity vzork� jsou graficky porovnány na Obr. 8. Z grafu je patrné, že vzorky se zeolitem vykazovaly až do teploty dehydratace 800 °C nižší porozitu než vzorky bez p�ím�si. Cementová pasta se zeolitem vypálená p�ed rehydratací na 1000 °C má o více než 10 % vyšší porozitu než stejn� ošet�ená cementová pasta bez p�ím�si. Stanovení pórové charakteristiky u vzorku ZR 1200 nemohlo být provedeno z d�vodu rozpadu vzorku po vložení do vody. Cementové pasty s p�ím�sí zeolitu (ZR 60 až ZR 800) m�ly po rehydrataci celkovou porozitu nižší než vzorky s p�ím�sí vysokopecní strusky [6].

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,0010,010,11101001000

Pr�m�r pór� (µµµµm)

Kum

ulat

ivní

obj

em p

ór�

(cm

3 ·g

-1)

ZR refZR 200ZR 400ZR 600ZR 800ZR 1000

Obr. 7 Kumulativní objem pór� rehydratovaných cementových past s p�ídavkem zeolitu

0

10

20

30

40

50

60

Cel

ková

por

ozita

(%)

60 200 400 600 800 1000 1200


cement + zeolit

cement

Obr. 8 Celkové porozity vzork� rehydratovaných cementových past


93

Rehydratované cementové pasty vykazovaly velmi nízké pevnosti v tahu ohybem, do 1 MPa (Obr. 9). Hodnoty pevností v tlaku (Obr. 10) byly po rehydrataci nižší než po výpalu p�i všech sledovaných teplotách, jak pro cement samotný, tak s p�ídavkem zeolitu. Obecn� lze �íci, že vzorky s p�ídavkem zeolitu mají po rehydrataci vyšší pevnosti v tlaku než vzorky bez p�ídavku. Zeolit tedy zvyšuje pevnosti v tlaku cementové pasty jak po výpalu, tak po rehydrataci, na rozdíl od strusky, která zvyšuje pevnosti pouze po výpalu [6].

4 Záv�r

P�i studiu vlastností dehydratovaných a rehydratovaných cementových past bylo zjišt�no, že se vzr�stající teplotou výpalu do 1000 °C dochází ke snižování pevností v tahu ohybem i v tlaku. P�i výpalu na 1200 °C dochází k mírnému zvýšení pevností pravd�podobn� v d�sledku tvorby keramických vazeb. P�ídavek zeolitu do cementové pasty zvyšuje pevnosti v tlaku p�i výpalech do 1000 °C a zárove� snižuje porozitu vypálených cementových past p�ibližn� o 10 %. Rehydratované cementové pasty vykazují velmi nízké pevnosti v tahu ohybem i v tlaku. Pevnosti v tlaku rehydratovaných cementových past jsou nižší než po výpalu na všechny sledované teploty. P�ídavek zeolitu má i po rehydrataci kladný vliv na vyšší pevnosti v tlaku. Lze konstatovat, že p�ídavek zeolitu je z pohledu užitných vlastností dehydratovaných i rehydratovaných cementových past výhodn�jší, než p�ídavek vysokopecní strusky.

Výsledky byly získány za finan�ní podpory z prost�edk� Grantové agentury �R, projekt P104/12/0308 – Vliv p�írodního zeolitu jako dopl�kového pojiva na fyzikální a chemické vlastnosti betonu.

60 200 400 600 800 1000 1200

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0

7,0

8,0

Rf (

MP

a)



60 200 400 600 800 1000 1200

0,0

10,0

20,0

30,0

40,0

50,0

Rc

(MP

a)



Obr. 9 Pevnosti v tahu ohybem po rehydrataci

Obr. 10 Pevnosti v tlaku po rehydrataci


94

Literatura

[1] �SN EN 197-1 Cement – �ást 1: Složení, specifikace a kritéria shody cement� pro obecné použití. 2001.

[2] Yilmaz, B., Ucar, A., Öteyaka, B., Uz, V. Properites of zeolitic tuff (clinoptilolite) blended portland cement. Building and Environment, 42, 2007, pp. 3808-3815.

[3] Caputo, D., Liguori, B., Collela, C. Some advances in understanding the pozzolanic activity of zeolites: The effect of zeolite structure. Cement and Concrete Composites, 30, 2008, No. 5, pp. 455-462.

[4] SEDLMAJER, M., ONDRÁ�EK, M., ROVNANÍKOVÁ, P. Vlastnosti betonu s využitím p�írodního zeolitu. Stavební obzor, 2013, ro�. 2013, �. 1, s. 6-9. ISSN: 1210- 4027.

[5] �SN EN 196-1 (722100) Metody zkoušení cementu – �ást 1: Stanovení pevnosti. 2005.

[6] VYŠVA�IL, M., BAYER, P., ROVNANÍKOVÁ, P. Vlastnosti rehydratovaných cementových past po expozici vysokým teplotám. In Sborník konference 17. Betoná�ské dny 2010. ŠR�MA, V. et al. (Eds). Praha: �BS Servis s. r. o., 2010. s. 479–483. ISBN 978-80-87158-28-9.

Mgr. Martin Vyšva�il, Ph.D. � Fakulta stavební VUT v Brn�.


� 541 147 639 � 541 147 667 � [email protected]

prof. RNDr. Pavla Rovnaníková, CSc. � Fakulta stavební VUT v Brn�.


� 541 147 633 � 541 147 667 � [email protected]


95

POLYMERCEMENTOVÉ MALTY S ALTERNATIVNÍM POJIVEM

Nikol Žižková, Tomáš �ažký

This paper presents the study of changes in the properties of polymer-modified mortars as consequence of the use of alternative material sources. The key topic of the paper is experimental verification of the properties and observation of the structure of screed and adhesive materials intended for ETICS (External Thermal Insulation Composite Systems). Based on the experiments conducted, as described in the thesis, it can be concluded that the use of by-products as an alternative material source helps their effective usage, conserve non-renewable natural resources, in case of cement substitution also reduce CO2 emissions.

1 Úvod

Polymery modifikované malty (PMM), ozna�ované také jako polymercementové malty (PCM), pat�í do kategorie kompozit� vyráb�ných pomocí �áste�né náhrady cementového pojiva polymery, tj. polymerními p�ísadami a cementovými modifikátory, které umož�ují tvorbu pevn�jších vazeb mezi cementovým pojivem a polymerem [1].

Mezi populární, ve vod� rozpustné, polymery využívané jako modifikátory cementu, pat�í ethery celulosy (CE). Jejich použití je široce rozší�eno ve výrob� lepicích hmot pro keramické obklady a dlažby již od po�átku šedesátých let zejména v p�ípad�, že je použito nižší dávkování polymerní p�ísady. Tyto organické p�ísady kombinují možnost úpravy reologických vlastností sm�si a retence vody. V p�ípad� výroby PMM se nej�ast�ji jedná o hydroxyethylmethyl celulosu (HEMC) a hydroxypropylmethyl celulosu (HPMC) [2].

Kopolymer ethylenu a vinylacetátu (EVA) pat�í celosv�tov� mezi nejpoužívan�jší typy polymer� pro cementové malty. Kopolymer EVA se vyrábí blokovou radikálovou vysokotlakou polymerací p�i tlaku 140 MPa a teplot� 180–250 °C [3]. Jeho použití je vhodné zejména tam, kde je nutné zajistit plasticitu a retenci vody u �erstvé sm�si, dále p�ídržnost, pevnost v tahu za ohybu, nepropustnost a lomovou houževnatost u zatvrdlé hmoty. Cílem prací presentovaných v p�ísp�vku je ov��ení možnosti použití alternativního pojiva, a to úletových lupk� z produkce firmy �eské lupkové závody, a.s. (�LUZ), pro lepicí a st�rkové hmoty ur�ené pro ETICS (External Thermal Insulation Systems). Firma �LUZ se zabývá výpalem a granulometrickou úpravou lupk� a kaolín�, které jsou využívány zejména jako žáruvzdorná ost�iva. Lupek je vrstevnatý jílovec (sediment), jehož podstatnou složku tvo�í minerál kaolinit. Pálené lupky vyrábí �LUZ s obsahem Al2O3 v rozmezí 32–42 % a obsahem Fe2O3 1–4 %. P�i výpalu lupku v rota�ní peci jsou úlety zachycovány bu cyklóny, ty zachycují hrubší frakci, nebo tkaninovými filtry zachycujícími jemn�jší frakce lupk�. Auto�i [4] potvrdili, že obsah metakaolinitu v úletových lupcích tvo�í až 70 % a p�ítomnost mullitu, který vzniká p�i teplotách nad 1000 °C, je p�ibližn� 2–6 %. Velikost �ástic úletu je zcela srovnatelná s velikostí �ástic komer�ních pucolán� [4]. Pucolány lze definovat jako k�emi�ité a hlinitok�emi�ité látky,


96

které samy o sob� nemají žádnou vazebnou schopnost, ale s hydroxidem vápenatým a vodou reagují za b�žných teplot za vzniku slou�enin, které tuhnou, tvrdnou a jsou stálé na vzduchu i pod vodou. Pucolánová reakce probíhá ve sm�si hydroxid vápenatý, pucolán a dostate�né množství vody [5].


Pro výrobu zkušebních t�les byl použit: portlandský cement CEM I 42,5 R z Cementárny Mokrá, mletý vápenec z firmy Omya, k�emenný písek ze Sklopísku St�ele�, redispergovatelný kopolymer EVA ve form� prášku a odp��ova� od výrobce Wacker Chemie a methylcelulosa od výrobce Tylose. Odpadní lupek z �LUZ se dle frakce d�lí na t�ídu I a II (dále zna�eno lupek I a lupek II) v závislosti na velikosti �ástic (Obr. 1 a 2) a díky obsahu metakaolinu se jedná o pucolán. Odpadní lupky obsahují z mineralogického hlediska zejména metakaolinit a mullit, jejich chemické složení je uvedeno v Tab. 1 a 2.

Obr. 1 K�ivka zrnitosti použitého odpadního lupku t�ídy I

Obr. 2 K�ivka zrnitosti použitého odpadního lupku t�ídy II

Tab. 1 Chemické složení odpadního lupku I.

Chemické složení lupku I [%] CaO SiO2 Al2O3 Fe2O3 MgO SO3 Cl- K2O Na2O P2O5 Cr2O3 ZŽ 0,42 44,99 34,30 1,53 0,10 1,90 <0,01 0,29 0,06 0,14 <0,01 9,24


97

Tab. 2 Chemické složení odpadního lupku II. Chemické složení lupku II [%]

CaO SiO2 Al2O3 Fe2O3 MgO SO3 Cl- K2O Na2O P2O5 Cr2O3 ZŽ 0,42 44,51 34,00 1,00 0,10 1,90 <0,01 0,28 0,05 0,16 <0,01 9,93 Byla provedena stanovení pevností a p�ídržností k betonu po: 28 dnech, po teplotním zatížení a po zmrazovacích cyklech. Dále byla stanovena p�ídržnost k tepelnému izolantu z polystyrenu po 28 dnech. Dosažené výsledky byly porovnány s parametry referen�ní hmoty (ozna�ena Ref), tj. lepicí a st�rkové hmoty složené ze standardních surovin. Snímkování pomocí rastrovací elektronové mikroskopie (REM) bylo provedeno za ú�elem sledování mikrostruktury zkoušených hmot. V p�ípad� teplotního zatížení se jednalo o sledování kvality spoje lepicí a st�rková hmota/beton pomocí stanovení hodnot p�ídržností po p�sobení teploty 200 °C. Betonová deska s nanesenou hmotou byla, stejn� jako vzorky pro stanovení pevností, po 28 dnech vložena do sušárny, kde byla postupn� zah�ívána na teplotu 200 °C, a to rychlostí 10 °C za minutu. Po skon�ení zah�ívání se nechaly vzorky vychladnout a stanovily se pevnosti. Betonová deska se rovn�ž nechala vychladnout a po následném vyjmutí ze sušárny byly nalepeny ter�e a stanovena p�ídržnost po teplotním zatížení. Složení zkoušených st�rkových a lepicích hmot, kde byla provedena náhrada cementu odpadními lupky v množství 10, 20 a 30 %, je uvedeno v Tab. 3. Tab. 3 Složení st�rkových a lepicích hmot pro ETICS s odpadními lupky.

Složení receptury v g/1000 g suché sm�si Složení st�rkové a lepicí hmoty pro ETICS Ref 1.4 1.5 1.6 2.4 2.5 2.6

Cement CEM I 42,5 R 380 342 304 266 342 304 266

Lupek I 0 38 76 114 0 0 0 Pojivo

Lupek II 0 0 0 38 76 114

K�emenný písek 166 153 136 119 166 166 166

Mletý váp. 0,2–0,5 mm 404 360 320 280 404 404 404 Plnivo

Lupek I / lupek II 0 57 114 171 0 0 0

Aditiva Kop. EVA, CE, odp��ova� 50 50 50 50 50 50 50


3.1 Stanovení p�ídržností

Výsledky dosažené p�i stanovení p�ídržností testovaných hmot jsou uvedeny na Obr. 3. V p�ípad� náhrady cementu odpadními lupky byl zaznamenán nár�st hodnot p�ídržností k betonu po zmrazovacích cyklech, ve srovnání s referen�ní hmotou bylo maximální zvýšení hodnoty p�ídržnosti o 10 %. Na základ� hodnocení dosažených hodnot p�ídržností lze konstatovat, že jako efektivní se jeví použití 10 % obou typ� odpadních lupk� jako náhrady cementu, protože díky jejich aplikaci bylo dosaženo zvýšení hodnot p�ídržností p�i porovnání s referen�ní hmotou.


98

Obr. 3 P�ídržnosti hmot s odpadními lupky jako náhradou pojiva.

3.2 Stanovení pevností

Jak je patrné z Obr. 4, zvýšení hodnoty pevnosti v tlaku bylo zjišt�no pouze u hmoty obsahující 10 % jemn�jšího lupku (lupek I) jako náhrady cementu, v ostatních p�ípadech bylo zjišt�no snížení hodnot pevností, což bylo zp�sobeno nejen úbytkem cementu, ale také vyšším množstvím zám�sové vody pot�ebné k zajišt�ní požadované konzistence sm�si. Z výsledk� stanovení pevností vyplývá, že použití lupku I v množství 10 % je nejvhodn�jší.

Obr. 4 Pevnosti hmot s odpadními lupky jako náhradou pojiva.


99

3.3 Studium mikrostruktury pomocí REM

a)

b)

Obr. 5 Snímky z REM: (a) detail st�rky 1.2 obsahující 20 % lupku I jako složky plniva, kalciumhydroalumináty, zv�tšeno 1000×; (b) detail Hadleyho zrna typického pro PMM, zv�tšeno 1400× (foto B. Novotný). Snímky z REM lepicí a st�rkové hmoty obsahující lupek I ukázaly na p�ítomnost kalciumhydroaluminát�, viz Obr. 5/a), ale také tzv. Hadleyho zrna, což jsou struktury typické pro polymecementové hmoty, viz Obr. 5/b.

4 Záv�r

Výsledky získané p�i sledování zm�n vlastností lepicích a st�rkových hmot ur�ených pro ETICS vlivem �áste�né náhrady cementu zvolenými úletovými lupky potvrdily možnost použití tohoto alternativního pojiva. Zkoušené polymercementové hmoty jsou ur�eny pro nanášení v tenkých vrstvách, proto je klí�ovou vlastností ov��ující jejich použitelnost v praxi p�ídržnost. Provedenými experimenty bylo ov��eno, že p�i použití 10 % odpadního lupku I i II byly zvýšeny hodnoty sledovaných p�ídržností v porovnání s referen�ní hmotou. S ohledem na dosažené hodnoty pevností lze pro další použití doporu�it jemn�jší úletový lupek s ozna�ením lupek I.

Výsledky byly získány za finan�ní podpory z prost�edk� státního rozpo�tu prost�ednictvím Ministerstva pr�myslu a obchodu, projektu TIP FR-TI 2/339 s názvem: „Vn�jší tepeln�-izola�ní kompozitní systémy využívající alternativní surovinové zdroje“.


100

Literatura

[1] OHAMA, Y., Handbook of Polymer-modified Concrete and Mortars, 1ed edition: Noyes Publications, New Jersey, USA 1995, ISBN 0-8155-1358-5.

[2] POURCHERZ, J., PESCHARD, A., GROSSEAU, P., GUYONNET, R., GUILHOT, B., VALLÉE, F. HPMC and HEMC Influence on Cement Hydration, Cement and Concrete Research, Vol. 36, 2006, p. 288–294.

[3] MLEZIVA, J., Š�UPÁREK, J. Polymery – výroba, struktura, vlastnosti a použití, 2ed edition: Sobotáles, Brno 2000, ISBN 80-85920-72-7, 544 p.

[4] BORTNOVSKY, O., BEZUCHA, P., ROUBÍ�EK, P., Druhotné suroviny pro výrobu geopolymer�, In: Metakaolin 2007, Brno: Vysoké u�ení technické v Brn�, 2007, p. 5–14.

[5] NAVRÁTILOVÁ, E., ROVNANÍKOVÁ, P. Jemn� mletý cihelný st�ep jako sou�ást vápenných omítek, In: Metakaolin 2012, Brno: Vysoké u�ení technické v Brn�, 2012, p. 23–31.

Ing. Nikol Žižková, Ph.D. � Stavební fakulta VUT v Brn�.

Ústav technologie stavebních hmot a dílc�, Veve�í 95, 602 00 Brno

� 541 147 515 � 541 147 502 � [email protected]

Ing. Tomáš �ažký � CEMEX Czech Republic s.r.o.

Siemensova 2716/2, 155 00 Praha 5 Stod�lky � +420 723 562 312 � [email protected]

Alternativní stavební pojiva Sborník p�ísp�vk� seminá�e Vydavatel: Vysoké u�ení technické v Brn� Editor: Mgr. Martin Vyšva�il, Ph.D. Tisk: Tiskárna L.V. PRINT Rok vydání: 2013 Po�et stran: 102 Náklad: 60

Documents

Sborník – Alternativní stavební pojiva