přednášky

je v plynné fázi nastává mechanické porušení mřížky
potřeba více záměsové vody – má větší povrch – vyšší hydratační teplo
Tuhnutí a trdnutí
CaSO4 ·H2O se rozpouští ve vodě – nasycený roztok vzhledem k hemihydrátu a přesycený vzhledem k dihidrátu EMBED Equation.3 krystalizuje CaSO4 ·2H2O
CaSO4 ·H2O + CaSO4 ·1H2O → CaSO4 ·2H2O
počátek tuhnutí 4-7 minut , doba 6-25 minut
reakci lze zpomalit ( klíh ,kaseinem, sulfitové výtuhy
Pomalotuhnoucí sádra (zednická, potěrocá)
Výroba: pálením sádrovce při 800 – 1000°C
8-15% 75% 2-4%
Tuhnutí a tvrdnutí
počátek tuhnutí: 2-5 h
doba tuhnutí: 4-6 h
Použití:
štukařské práce
omítky – regulace RH
opravy, uchycení elektroinstalace
sádrokartonové desky
samonivelační anhydritové směsi
Směsné sádrové maltoviny
rychletuhnoucí sádra + voda + příměsi pálení mletí
sádrovina de Wyldova
ation.3 vodní sklo pálení (150-250°C)
sádrovina Scottova
pálení do slinutí
sádrovina parianská
pálení (600°C)
Keenův cement
BED Equation.3 pálení 3-4 h při 650°C
Anhydritová maltovina
Přírodní anhydrit nebo sádrovec vypálený na 750°C mletí s budičem
Budiče
síranové (
zásadité (CaO, CaO+MgO, granulovaná vysokopecní struska)
směsné (portlandský cement +
Hořečnatá (Sorelova) maltovina (1867 vznik)
vzdušná maltovina – směs MgO + roztok
tvrdne na velmi pevnou hmotu (až 150 MPa) podle plniva
Reakční mechanismus závisí na poměru surovin a koncentrace roztoku MgCl2

oxid chlorid hořečnatý
xMgO + MgCl2 + yH2O xMgO
(x = 3 až 10, y = 7 až 18)
čím vyšší koncentrace MgCl2 , maltovina pomaleji tuhne a má větší pevnost
maltovina je málo odolná vůči vodě a nutno hydrofobizovat
plniva: SiO2, písek, korund, organická plniva (piliny, korek, kůra)
Použití:
mlýnské kameny
podlahy – xylolit
heraklit – desky
základy pro těžké stroje (dříve)
akustolit – jemně drcená pemza (omítková)
Vápno
technický název pro CaO o různém stupni čistoty
vzdušné – vysoký obsah CaO – tuhne na vzduchu
hydraulické – obsahuje hydraulické složky (SiO2, Al2O3 , Fe2O3 ) – tuhne i pod vodou
suroviny pro výrobu - vápence nebo dolomitové vápence
- podle obsahu barvících oxidů (Fe2O3 ) bílé nebo zbarvené
vápno
Výroba:
se rozkládá nad teplotou 800°C
BED Equation.3 174,4 kJ/mol ~ 1780 kJ/kg
Rychlost rozkladu závisí na:
teplotě
relativním tlaku CO2 v okolí
struktuře vápence
velikosti zrn
malá nerovnoměrná zrna kvalitní vápno
velká zrna ion.3 přepal – ve snaze vypálit celý objem zrna
nedopal – uzavřený v zrnu
Teplota výpalu
měkce pálené vápno (1040 – 1150 °C) – rychle hydratuje
tvrdě pálené vápno (1150 – 1250°C) – pomalu hydratuje na zatavený povrch
Typy pecí
kruhové – malá mechanizace měkce pálené vápno
šachtové – mechanizovaný provoz z prvky automatizace tvrdě pálené vápno
rotační – automatizovaný provoz tvrdě pálené vápno, dochází k pčepalu
Vzdušné vápno
tvořeno převážně CaO - bílé – max. 5% MgO
- dolomitové > 5% MgO
značení: podle procentního obsahu (CaO + MgO)
bílé vápno (CL90, CL80, CL70)
dolomitické vápno (DL85, DL80)
Hašení vápna
- ~ 1180 kJ/kg
na 100 kg CaO je třeba 32,14 l vody
mokré hašení – přebytek vody 240 – 320 l H2O/100 kg vápna- teplota nesmí přesáhnout 100°C
- vzniklý reakcí CaO s vodou reaktivní, má charakter hydrogelu
Obr.:
suché hašení – voda v malém přebytku 60 – 70 l/100 kg vápna vápenný
hydrát
Tuhnutí a tvrdnutí
odsátí vody porézním materiálem obr:
tvorba vysychání gelovité sítě hydroxidu
pomáhá rekrystalizaci a karbonatace
+ CO2
Použití:
malty ke zdění a omítání
vápenokřemičité materiály (
plynosilikáty (
Hydroxid vápenatý
silný hydroxid
málo rozpustný – rozpustnost klesá s ↑ teplotou
20°C ~ 160 mg ve 100 g H2Oobr:
80°C ~ 80 mh ve 100 g H2O
pH nasyceného roztoku ~ 12,45 při 25 °C
snadno reaguje se vzdušným CO2 z tvorby na povrch zrn
ve stavebnictví se používá ve formě:
vápenné vody – čirý roztok (speciální restaurátorské práce)
vápenné mléko – suspenze s obsahem sušiny do 10% (nátěry)
vápenného kaše – suspenze s obsahem sušiny okolo 50% (zdící a
omítkové malty)
vápenného hydrát – práškový (zdící a omítkové malty)
Hydraulické vápno
obsahuje hydraulické složky - ze suroviny nebo externě přidané k vzdušnému vápnu
pravé – jednosložkové
směsné – hydraulické maltoviny
+ struska, popílky
+ hydraulické nebo pucolánové příměsi
+
CSH + CAH
Hydraulický modul
< 1,7 románský cement
nehasí se
~ 1,7-3 silně hydraulické vápno
= 3 – 6 středně hydraulické vápno
= 6 – 9 slabě hydraulické vápno hasí se
> 9 vzdušné vápno
při pálení vznikají hydraulické sloučeniny podobně jako v Portlandském cementu
vzhledem k nižší teplotě pálení neobsahuje C3S
Tuhnutí a tvrdnutí
při tuhnutí vznikají obdobné sloučeniny jako při hydrataci hydraulické složky
+ H2O → CSH gely + CAH
+
Pevnosti: 2-15 MPa (značení HL2 ;HL3,5; HL5)
Pucolány
Pucolán je křemičitý nebo hlinitokřemičitý materiál, který sám o sobě má malé nebo žádné pojivé vlastnosti, ale pokud je v jemně mleté formě a v přítomnosti vlhkosti, reaguje s hydroxidem vápenatým při běžných teplotách za tvorby sloučenin s významnými pojivými vlastnosti
Přírodní pucolány
vulkanické (tufy), sedimentární (tufity, křemelina)
původně vyvřeliny (Vesuv, Puzzoli)
rýnský tras (Německo, Francie)
Technogenní pucolány
pálením jílovitých surovin – kaolín (700°C)
kaolinitmetakaolinit
elektrárenské popílky s vysokým obsahem amorfního
různé druhy popela – sláma (až 70% amorfního )
Pucolánová aktivita – míra schopnosti amorfního reakce s za vzniku hydratovaných křemičitanů vápenatých za běžných teplot
Amorfní Ca(OH)2
H2O
pucolány neobsahují žádné nebo jen velmi malé množství CaO
Cement
Cement je práškové hydraulické pojivo schopné po smíšení s vodou tvrdnout na pevnou hmotu
Pojivová složka kompozitních materiálů (beton)
křemičitanové
hlinitanové
jiné (například fosfátové)
Portlandský cement
(Joseph Aspdin, 21.10.1824 – patent)
Portlandský cement je složen z křemičitanového slínku a zpomalovač tuhnutí
(sádrovec)
Suroviny pro výrobu slínku
vápence s obsahem jílových materiálu
jílovité složky – jíly, slínky, břidlice, lupky (hlinitokřemičitany- SiO2, Al2O3, Fe2O3)
doplňující a korekční složky – železná ruda, bauxit, křemenný písek
poměr složek CaO : SiO2 : Al2O3 : Fe2O3 musí být takový, aby veškerý CaO zreagoval na sloučeniny schopné hydraulického tvrdnutí
- slínkové materiály (C3S, C2S, C3A, C4AF)
obsah MgO < 6%, pozdní tvorba Mg(OH)2, při vyšší koncentraci hořečnaté rozpínání
Zásady technologie výroby
správné chemické a mineralogické složení surovinové směsi
vhodná zrnitost surovinové směsi
optimální teplota výpalu
správné mletí slínku s přísadou sádrovce na požadovanou jemnost
Výrobní postupy
mokrý – suroviny se zpracují za mokra a vypalují se v podobě kalu (větší spotřeba energie na odpaření vody)
suchý – suroviny se melou a zpracovávají v podobě prášku nebo zavlhlé směsi (častější způsob)
Pec
výhradně rotační – délka 60-180m, průměr 3-6m, sklon 3-7o, 1-2 ot/minutu
tvorba C2S

předehřívacíchladící slínek
Teplotní pásma v peci
sušící
předehřívací
kalcinační
exotemické
slinovací
chladící
200 oC
700 oC
900-1200 oC
1300 oC
1400-1470 oC
1100 o C
po výpalu se slínek nechá odležet ve slínkově (hydratace a karbonatace zbytkového volného CaO, respektive MgO- nežádoucí)
mletí se sádrovcem a dalšími přísadami (struska, popílky aj)
konečné vlastnosti jsou dány mineralogickým složením 2 cementy stejného chemického složení mohou mít rozdílné vlastnosti
chemické složení slínku
složka
CaO
SiO2
Al2O3
Fe2O3
MgO
K2O + Na2O
%
60-69
18-24
4-10
1-8
Max.6
Max.1,5
Další složky TiO2, P2O5, SO3 0,2 – 2%
Slínkové materiály
CaO + SiO2 + Al2O3 + Fe2O3 → C3S + C2S + C3A + C4AF
slínek
Trikalciumsilikát 3CaO (C3S) – alit
vzniká nad 1300 oC, ve slínku se nevyskytuje čistý → obsahuje malá množství C3A, MgO, FeO
Dikalciumsilikát 2CaO (C2S) – belit
existuje ve 4 modifikacích – ve slínku se vyskytuje β - C2S, který je nestabilní – stabilizace alkalickými kovy
hydratuje opožděně a přispívá ke konečným pevnostem
Trikalciumauminát – 3CaO (C3A)
tvoří skelnou fázi
velmi reaktivní → rychle tuhne a tvrdne za značného vývinu tepla
Tetrakalciumaluminátferit - 4CaO - brownmillerit
tvoří se při poměru A:F = 1:1, jinak ne zcela definované sloučeniny typu C2(A,F)
Tuhnutí a tvrdnutí
Fyzikální děje
změna struktury a vytvoření pevných spojů mezi zrny plniva vytvořenými hydratačními produkty
hydratační produkty vyplňují prostor, který byl původně zaplněn vodou vzniká hutný produkt. Cementový tmel
Chemické děje
slínkové minerály reagují s vodou, hydrolýza a následná hydratace
Trikalciumsilikát - 3CaO (C3S)
2(3CaO
CSH gel
Dikalciumsilikát - ()
zjednodušeně
CSH gel
Trikalciumaluminát - (
Reaguje s vodou velmi rychle metastabilní při
tlab tranformace na méně rozpustný a termodynamický stálejší
zjednodušeně
Reakce s vodou je zpomalována sádrovcem ettringit
Tetrakalciumaluminátferit - (
Reaguje s vodou za tvorby a
Volný CaO a MgO (CaO ~ max. 1%, MgO ~ max. 6%)
Při hydrataci vznikají příslušné hydroxidy
vápenaté, respektive hořečnaté rozpínání poškození cementového tmelu
Spotřeba vody
teoretická ~ w/c = 0,2 (podle složení)
běžně: 0,55 až 0,65, nebo 0,35 – 0,5 s použitím plastifikátorů
poměr w/c je významný z hlediska vytváření pórové struktury cementového tmelu v betonu
Kinetika hydratace cementu
vliv vody
zvýšené teplota rychlejší průběh hydratace (plastifikátory)
snížení teploty pod 5°C zastavení hydratace
hydrotermální zpracování (autoklávování) jiné produkty hydratace
vliv velikosti částic
ovlivňuje měrný povrch ()
menší částice větší měrný povrch rychlejší průběh hydratace zrna cementu jsou zcela hydratována
větší částice menší měrný povrch pomalá difúze molekul vody i po 50 letech
vliv přísad
zpomalení hydratace - organické látky (cukry, kyselina citrónová) pozor na plastifikátory!!!
urychlení hydratace - ( nesmí se používat do železem vyztužených konstrukcí) způsobuje korozi výztuže
Složení cementového tmelu
pevná fáze - zbytky nezhydratovaných cementových zrn
- hydratované slínkové minerály
- krystaly
kapalná fáze – pórový roztok převážně pH ~ 12,45
plynná fáze – vzduch v kapilárních a technologických pórech
Póry v cementovém tmelu
gelové (2 – 4 nm) – v hydratačních produktech, nepropustné pro průtočnou vodu
kapilární (0,1 – 10 μm) – vznikají odpařením přebytečné záměsové vody v závislosti na w/c
technologické (0,05 – 2 mm) – vznikají uzavřením vzduchu při zpracování
Hydratační teplo H
hydratační reakce slínkových minerálů jsou doprovázeny vývinem tepla
Slínkový minerál
Hydratační teploH [J]
1144
517
418
262
volné vápno
1160

600
500
400
300
200
100
20406080100
doba [dny]
Portlandsky cement – 300 – 400 J/g
Portlandsky struskový cement 160 – 210 J/g
velké H pnutí vznik trhlin
cementy s nízkým H – betonování objemových bloků
cementy s vysokým H – betonování při nízkých teplotách
úprava H:
úprava mineralogického složení (silniční cement,
měrným povrchem
vodním součinitelem
přídavkem přísad a příměsí
teplota
DRUHY CEMENTŮ (ČSN EN 197-1)
Portlandský (jednosložkový)
95% křemičitého slínku + 5% příměsí (převážně struska)
vysokohodnotný – zvýšený obsah , jemné mletí
silniční - < 8%
síranovzdorný - < 3,5%
bílý – bez barvících oxidů (u nás se nevyrábí, nejbližší na Slovensku)
pro masivní stavby – nízký obsah a
Portlandský s přívlastkem (směsný)
Portlandský struskový – až 40% strusky
vysokopecní – 80% strusky
pucolánový – přírodní nebo technogenní pucolány (popílky, mikrosilika aj.)
Ekologické aspekty výroby
vysoká spotřeba energie a produkce
na 1t p- cementu se vyprodukuje 0,89 – 1,1t
částečná náhrada p- cementu druhotnými surovinami (struska, popílek, pucolány aj.) snížení spotřeby E a produkce
Hlinitanový cement (načervenalý, rezavý)
hydraulické pojivo s vysokým obsahem hlinitanů vápenatých
hlavní složky - (CA) a
vedlejší složky - (gehlenit), (belit), (korund)
Výroba
bauxid (AlO(OH) a Al(OH)3) + vápenec 1600°C v el. peci
- je nositelem pevnosti
- metastabilní – při t ~ 30°C přeměna na termodynamicky stálý (38% původního objemu) snížení pevnosti až o 50%
rychlý nárůst pevnosti – 24 hodin ~ 50MPa, 28 dní ~ 100MPa
velké hydratační teplo 550 – 650 J/g možnost zimního použití
odolný vůčí vysokým teplotám
Použití: ýhradně do žárobetonů
DEGRADACE STAVEBNÍCH MATERIÁLŮ
Degradace, respektive koroze, je proces, při kterém dochází k nezáměrnému poškození struktury látek v důsledku působení chemických, fyzikálních, fyzikálně – chemických a biologických vlivů
Fyzikálně – chemické principy degradace
rekrystalizaci, při niž vznikají sloučeniny s vyšším obsahem vody
reakce mezi agresivní látkou a složkou pojiva – rychlost závisí na difúzi
- je to pomalý proces a závisí na teplotě a koncentraci (tlaku plynu)
Fickův zákon
Degradace sádry
sádra obsahuje velké množství pórů – obsahuje vosu hygroskopická zvýšení vlhkosti o 12% snížení pevnosti o 50%
rozpustnost 256 mg ve 100 g vody při 20°C
přítomnost a iontů rozpustnost snižuje
přítomnost jiných solí může rozpustnost
příklad: 10% NaCl zvýší rozpustnost 3x
degradace při zvýšené teplotě
nad 400°C hydratace
při 110°C sádra
spotřeba tepla při uvolňování krystalové vody a její přeměny na páru ochrana konstrukcí před požárem
korozní působení
při RH (relativní vlhkost) > 60% obsahuje roztok (pH=5) koroze kovů (železo, hliník)
při styku s pojivy na bázi p- cementu nebo některých pucolánů síranová koroze vznik ettringit
Ochrana sádry proti degradaci
zvýšení odolnosti proti vodě použití
hydrofobizátorů (vnitřní, vnější) úhel smáčení θ > 90°
plastifikátorů snížení vodního součinitele w/c - snížení porózity
polymerů snížení rizika vzniku povrchu (akryláty)
Degradace (koroze) vápenatých a hořečnatých uhličitanových pojiv
podstatou je a
rozpustnost při 20°C: (1,4 mg / 100h vody)
(10,6 mg / 100 g vody)
rozpouštění v kyselinách
působení agresivního


4 5 6 7 8 9 10 11 12
pH
Působení solí v omítkách
působení - konečným produktem je sádrovec - velký krystalizační tlak rozpad malt
působení (NO, - průmyslové znečištění
Ca je dobře rozpustný, nemá pojivé vlastnosti
Krystalizuje jako krystalizační tlak
Působení HCl, HF vznik halogenidů vápenatých - (rozpustný),
(nerozpustný)
Ochrana omítek proti degradaci
snížení vlivu působení škodlivých látek – ochranné fasádní nátěry na bázi vápna, silikátů, silikonů a akrylátových disperzí
hydrofobizaci omítek – zamezí průniku kapalné vody, ale umožňuje průchod vodní páry – odpařování vlhkosti z omítky
vzlínání podzemní vody vznik solných výkvětů opatření:
vytvoření dodatečné horizontální izolace – izolační pás nebo injektáž
aplikace malt o řízené porózitě – sanační omítky
Koroze betonu
Pro pochopení korozních procesů a preventivního zajištění odolnosti betonu je nutno se zaměřit na jednotlivé složky betonu:
cement – v betonu ve formě produktů hydratace - , hydratované
křemičitany, hlinitany a železitany vápenaté
kamenivo - reaktivní formy – amorfní (opály, chalcedony) alkáliové
rozpínání
- dolomit - rozpouští se v kyselém prostředí,
působením rozpustné hydrogenuhličitany
- pyrit oxidace
voda – nesmí obsahovat látky uvolňující hydratační reakce cementu a korozí
výztuže
Korozí betonu způsobují
vnější faktory
fyzikální vlivy
mechanické (nárazy tření, proudící voda)
nízká teplota – tvorba ledu v kapilárních pórech krystalizační tlak
vysoká teplota – degradace a rozklad CSH gelů nad 150°C snížení pevnosti na 10% při 1000°C
vlhkosti (vlhkostní změny)
t [°C]
chemické vlivy
působení spodních a povrchových vod
působení atmosféry
působení anorganických roztoků
působení organických látek
biologické vlivy
mechanické působení kořenů rostlin
chemické působení produktů životních pochodů živočichů (holubí trus) a mikroorganismů
vnitřní faktory
návrh betonové směsi (obsah a druh cementu w/c, druh kameniva)
technologie výroby (zhutňování, ošetřování)
použití chemických přísad (polymerní látky, plastifikátory, pucolánově aktivní látky)
Koroze kapalným prostředím
Koroze I. druhu
rozpouštění vodami s nízkou průchodnou tvrdostí (přítomnost rozpustnost snižuje, ostatní soli rozpustnost zvyšují snížení hodnoty pH pórovitého roztoku
závisí na velikosti pórů (velké póry hloubková koroze)
měření pH betonu – v terénu nanesením roztoku fenolftaleinu pH > 9,5, fialové zbarvení
odběr roztoků – výluh – potenciometrické stanovení
Koroze II. druhu - výměnné reakce
Kyseliny
za vzniku rozpustných solí
HF rozpouštění silikátové a aluminátové složky za vzniku rozpustných
a
Při pH < 4 dochází k reakci i dalších silných kyselin a soli
Agresivní
ve vodě v molekulární formě – 1% reaguje s vodou iontové formy v závislosti na pH
(aq) pH < 4,5
pH = 4,5 až 8,3
pH > 8,3
ve vodě s vysokým obsahem CO2
Alkálie
horké koncentrované roztoky NaOH a KOH rozpouštějí silikátové a aluminátové složky cementového tmelu rozpustné křemičitany a hlinitany
Hořečnaté soli
hydrolýza Mg(OH)2 (brucit) – nerozpustné a nemá pojivé vlastnosti
Amonné soli
ve styku s uvolňují plynný amoniak


Koroze III. druhu - tvorba objemných sloučenin
síranové koroze
sádrovcová (< 250 mg
sulfaluminátová (> 250 mg
vznik sádrovce nárůst objem o 17%
vlhkost možnost krystalizace
vázaný kationt může způsobit sekundární korozí (
nerozpustné sírany korozi nezpůsobují
reakce sádrovce s hydratovanými i nehydratovanými alumináty vápenatými
ettringit
normální objem 2,65x větší než u původních látek poškození zatvrdlého betonu
kombinace působení a thaumasit
Koroze plynným prostředním
Oxid uhličitý
karbonatace – reakce se složkami cementového tmelu
obsah ve vzduchu – cca 800 mg/cm (0,04 obj.%) – je 1,53 x těžší než vzduch
(kalcit, laterit, aragonit kalcit) +
(kalcit, laterit, aragonit kalcit) + (gibbsit)
způsobuje snížení pH až na 8,3 iniciace koroze výztuže
rychlost karbonatace závisí:
relativní vlhkost vzduchu
koncentrace
druh cementu + složení betonu
Oxid siřičitý
sulfatace – reakce se složkami cementového tmelu – pouze lokální děj v silně znečištěném ovzduší
možnost vzniku etrringitu v monosulfátu
Oxid dusíku
s vodou tvoří rozpouštění na rozpustné a rozklad hydratačních produktů cementu rozpustné soli a soli gel
Amoniak
není škodlivý pro beton pokud v důsledku působení kyselin nedojde ke vzniku amonných solí
Biologické koroze
mechanické narušení kořeny rostlin
vylučování organických kyselin rozpuštění
bakteriální působení – bioxidační reakce
nitrifikační bakterie – oxidace na kyselinu dusičnou
sulfurikační bakterie – oxidace na
Degradace kameniva
Vznik rozpustných sloučenin
působení agresivního na a dolomit
oxidace rezavě hnědého
dedolomitizace kameniva


nerozpustné rozpustné nerozpustné
Vznik objemných sloučenin
tvorba alkalicko-silikátového gelu
Ochrana betonu proti korozi
primární (především)
složení směsi
technologie výroby a ošetřování betonu
použití přísad a příměsí
sekundární – provádí se nátěry a stěrkami
asfaltovými
na bázi organokřemičitých sloučenin
na bázi makromolekulárních látek
olejových emulzí
Technologie zpracování betonu
způsob výroby, ukládání a hutnění betonu
ošetřování betonu dostatečné množství vody k hydrataci i v povrchové vrstvě kropení betonu
Chemické přísady
přidávají se v malém množství (do ~ 5%)
zvýšení hutnosti, vodonepropustnost, mrazuvzdornost atd.
plastifikátory – snížení w/c
těsnící přísady
Degradace stavebního kamene
kámen je odolný proti mechanickému poškození
jako stavební kámen se využívá pčedevším:
žula (vyvřelá) – nejodolnější
vápenec, pískovec, o