Sborník – Alternativní stavební pojiva by OKTAEDR

Fakul t ast avební , Vysokéučení t echni ckévBr ně

Al t er nat i vní st avební poj i va Sbor ní kpř í spěvkůsemi nář e

Br no, 17. ř í j na2013

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

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

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

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

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

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

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

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

Alternativní nízkoenergetické cementy Theodor Stan k

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

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

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

Polymercementové malty s alternativním pojivem Nikol Žižková, Tomáš ažký

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

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.

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 7

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

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]

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.

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

Tab. 1 Chemické složení použitého fluidního popílku Popílek

FP 1 FP 2

Chemický rozbor [%]

Al2O3

CaO

celk. Fe2O3 FeO H2O K2O MgO MnO Na2O P2O5 SO3

26,54 12,97 4,19 5,11 0,65 0,49 0,91 0,91 0,16 19,17 19,40 8,21 8,52 0,47 1,32 3,51 1,76 0,06

SiO2

síran. SO3

ZŽ

TiO2

0,27 0,24 44,81 4,04 1,66 2,18 0,70 0,72 32,76 8,10 3,30 1,58

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 %

10 %

Vápno

425 kg

419 kg

433 kg

458 kg

465 kg

100 kg

Energosádrovec

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.

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

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 10

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

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.

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 11

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

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] [2] [3] [4]

FE KO, Peter, Mária KUŠNIEROVÁ, Barbora LY KOVÁ, Vladimír ABLÍK. Popílky. Ostrava: VŠB-Technická univerzita Ostrava, 2003. ISBN 80-248-0327-5. 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 SN 72 2072-5. Popílek pro stavební ú ely - ást 5: Popílek pro výrobu pórobetonu. Praha: eský normaliza ní institut, 2000. 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 drochytka.r@fce.vutbr.cz Ing. Radek Janovský PORFIX CZ a.s. Kladská 464 541 03 Trutnov 3 janovsky@porfix.cz

Ing. Ester Venhodová Stavební fakulta VUT v Brn . Veve í 331/95, 602 00 Brno 541 147 525 venhodova.e@fce.vutbr.cz

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

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, KIcini, 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.

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 elastoplastického 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 13

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

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.

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 14

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

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 %.

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: K Ιinic = K Ιunc − K Ιcc .

(1) KIcun

Lomová houževnatost 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]: M a (2) K Ιunc = max ac F1 (α ck ) , kde α ck = c , D W M max =

(qL + Pmax )S − 1 qL2

F1 (α ck ) =

(3)

1,99 − α ck (1 − α ck ) ( 2,15 − 3,93α ck + 2, 7α ck 2 )

(1 + 2α ck ) (1 − α ck )3/2

(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: 1 W = BD 2 . (5) 6 K vy íslení vztahu (2) resp. (4) je nutné spo ítat uvedenou kritickou délku efektivní trhliny ac odpovídající maximálnímu zatížení Pmax – nap . ze vztahu: P Sa a + H0 CMODc = max c V1 (α c ) , kde α c = c , (6) WE D + H0

V1 (α c ) = 0, 76 − 2, 28α c + 3,87α c 2 − 2, 04α c 3 +

0, 66

(1 − α c )

(7)

V uvedených vztazích p edstavuje CMODc kritické otev ení ústí trhliny p i maximálním zatížení Pmax, E je modul pružnosti a H0 reprezentuje tlouš ku b it držáku svorky extenzometru. 15

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

Ke stanovení hodnoty KIcc, která m že být vykládána jako zvýšení odolnosti proti ší ení trhliny zp sobené p emos ováním 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:

CTODc = CMODc

a 1− 0 ac

a + 1,081 − 1,149 c D

a0 a − 0 ac ac

1/2

(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 : x − a0 ( f t − σ (CTODc )) , σ (COD ) = σ (CTODc ) + (9) ac − a0 kde 0 ≤ COD ≤ CTODc a a0 ≤ x ≤ ac .

(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]:

σ ( CTODc ) = ft

c CTODc 1+ 1 wc

exp

−c2CTODc CTODc − 1 + c13 ) exp ( −c2 ) , ( wc wc

(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: 2

f t = 0,24 f cu 3 .

(12)

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

K = c Ιc

a0 / ac

kde

2 ac

σ (U ) F (U ,V )dU ,

(13)

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

F (U , V ) =

3,52(1 − U ) 4,35 − 5,28U 1,30 − 0,30U 3/2 − + + 0,83 − 1,76U ⋅ [1 − (1 − U )V ] . (14) 1/2 (1 − V )3/2 (1 − V )1/2 (1 − U 2 )

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: Pini =

4WK Ιinic SF1 (α 0 ) a0

kde

F1 (α 0 ) =

(15)

1,99 − α 0 (1 − α 0 ) ( 2,15 − 3,93α 0 + 2, 7α 0 2 )

(1 + 2α 0 ) (1 − α 0 )3/2

a W je pr ezový modul daný vztahem (5);

(16)

je pom r a0/D.

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 tlouš ka 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 17

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

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

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 KIcini a hodnoty úrovn zatížení Pini.

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

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 KIce 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 KIce Parametr fc E GF,m [MPa] [GPa] [MPa·m1/2] [J·m-2] Vzorek 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 KIcun, kohezivní složka faktoru intenzity nap tí KIcc, 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 KIcini/ KIcun, tj. pom r hodnot inicia ní složky faktoru intenzity nap tí k celkové lomové houževnatosti.

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

Tab. 2 Výsledky získané s využitím lomového modelu „dvojí-K“ KIcun KIcc KIcini Parametr Pini [MPa·m1/2] [MPa·m1/2] [MPa·m1/2] [N] Vzorek REF 0,038 0,028 0,010 16,4 H20 0,075 0,041 0,034 56,9 H40 0,048 0,027 0,021 34,3

Pini/Pmax [−] 0,329 0,586 0,503

KIcini/ KIcun [−] 0,267 0,451 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.

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.

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

Literatura [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9]

ROVNANÍKOVÁ, P. Omítky. Praha: Spole nost pro technologie ochrany památek, 2002. ISBN 80-86657-00-0. 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. CABRERA, J. and M. F. ROJAS. Mechanism of hydration of the metakaolin-limewater. Cement and Concrete Research. 2001, vol. 31. ISSN 0008-8846. KUMAR, S. and S. BARAI. Concrete Fracture Models and Applications. Berlin: Springer, 2011. ISBN 978-3-642-16763-8. KARIHALOO, B. L. Fracture Mechanics and Structural Concrete. New York: Longman Scientific & Technical. 1995. ISBN 0-582-21582-X. 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. ERVENKA, V., L. JENDELE and J. ERVENKA. ATENA Program documentation – Part 1: theory. Praha: ervenka Consulting, 2012. 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. VESELÝ, V. Parametry betonu pro popis lomového chování. Brno, 2004. Diserta ní práce. Vysoké u ení technické v Brn , Fakulta stavební, Ústav stavební mechaniky.

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

Ing. Ivana Havlíková

Ing. Eva Navrátilová

Ing. Hana Šimonová

Ing. Barbara Kucharczyková, Ph.D.

prof. RNDr. Pavla Rovnaníková, CSc.

prof. Ing. Zbyn k Keršner, CSc.

Fakulta stavební VUT v Brn Ústav stavební mechaniky Veve í 331/95, 602 00 Brno 541 147 116 541 240 994 havlikova.i@fce.vutbr.cz Fakulta stavební VUT v Brn Ústav stavební mechaniky Veve í 331/95, 602 00 Brno 541 147 116 541 240 994 simonova.h@fce.vutbr.cz

Fakulta stavební VUT v Brn Ústav chemie Žižkova 17, 602 00 Brno 541 147 633 541 147 667 rovnanikova.p@fce.vutbr.cz

Fakulta stavební VUT v Brn Ústav chemie Žižkova 17, 602 00 Brno 541 147 643 541 147 667 navratilova.e@fce.vutbr.cz Fakulta stavební VUT v Brn Ústav stavebního zkušebnictví Veve í 331/95, 602 00 Brno 541 147 527 543 215 642 kucharczykova.b@fce.vutbr.cz Fakulta stavební VUT v Brn Ústav stavebního mechaniky Veve í 331/95, 602 00 Brno 541 147 362 543 240 994 kersner.z@fce.vutbr.cz

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

VLIV POUŽITÉHO PLNIVA NA TEPELN -TECHNICKÉ A FYZIKÁLN -MECHANICKÉ VLASTNOSTI KONOPNÝCH VÝPL OVÝCH 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.

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 ®.

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. 23

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

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

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

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

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

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. 25

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

Tab. 1 P ehledné ozna ení a složení jednotlivých receptur pojivové složky Ref H1 H2 D1 D2 O1 O2 S1 S2

pojivo: 80% vápenný hydrát + 20 % cement pojivo: 75% vápenný hydrát + 15 % cement + 10 % popílek Hodonín pojivo: 70% vápenný hydrát + 15 % cement + 15 % popílek Hodonín pojivo: 75% vápenný hydrát + 15 % cement + 10 % popílek D tmarovice pojivo: 70% vápenný hydrát + 15 % cement + 15 % popílek D tmarovice pojivo: 75% vápenný hydrát + 15 % cement + 10 % popílek Olomouc pojivo: 70% vápenný hydrát + 15 % cement + 15 % popílek Olomouc pojivo: 75% vápenný hydrát + 15 % cement + 10 % struska pojivo: 70% vápenný hydrát + 15 % cement + 15 % struska

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 26

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

Tab. 2 Nam ené vlastnosti výpl ových hmot Objemová hmotnost 3

S Ref H1 H2 D1 D2 O1 O2 S1 S2

927 865 840 873 796 789 723 796 803

[kg/m ] 7 28 dní dní 860 724 799 651 712 549 701 656 709 629 672 597 641 593 709 629 692 563

60 dní 637 562 489 541 520 554 537 520 504

Pevnost v tahu za ohybu [N/mm2] 7 28 60 dní dní dní 1,08 1.24 1.47 1.02 1.18 1.25 0.97 1.11 1.21 0.86 0.99 1.16 0.67 0.84 1.02 0.59 0.75 1.03 0.62 0.89 1.08 0.76 1.02 1.17 0.58 0.97 1.01

Pevnost v tlaku 2

7 dní 1.21 1.17 1.06 0.88 0.66 0.61 0.74 0.87 0.65

[N/mm ] 28 60 dní dní 1.43 1.54 1.39 1.45 1.22 1.38 1.14 1.26 0.82 1.11 0.86 1.09 0.99 1.15 1.02 1.24 0.87 1.10

Sou initel tepelné vodivosti [W/(mK)] 0.0812 0.0773 0.0764 0.0789 0.0781 0.0712 0.0701 0.0746 0.0722

Obr. 5 Objemové hmotnosti výpl ových hmot

Obr. 6 Pevnosti v tahu za ohybu výpl ových hmot 27

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

Obr. 7 Pevnosti v tlaku výpl ových hmot

Obr. 8 Sou initel tepelné vodivosti

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 28

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

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] [2] [3] [4]

http://www.lhoist.co.uk/tradical/index.html http://www.lhoist.co.uk/tradical/hemp-lime.html http://www.mabeko.cz/?rekonstrukce-a-pristavba-rodinneho-domu,28 SLADKÝ, Václav: Konopí - stará kulturní rostlina v Evrop a 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

R. Biom.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 bydzovsky.j@fce.vutbr.cz

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

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.

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 31

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

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.

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 Velikost zrn [mm] Obsah [%]

pod 0,063

0,0630,090

0,0900,125

0,1250,250

0,2500,500

0,5001,000

1,0002,000

2,0004,000

nad 4,000

61,48

21,26

5,08

3,64

2,42

0,86

0,12

0,91

0,07

Tab. 2 Chemické složení cihelného st epu Složka Obsah

Ztr.s.

Ztr.ž.

SiO2

Al2O3

Fe2O3

TiO2

CaO

K2O

Na2O

SO3

0,39

1,13

63,45

13,98

5,39

0,77

8,18

2,43

0,90

0,10

Tab. 3 Sítový rozbor cihelného prachu Velikost zrn [mm] Obsah [%]

pod 0,045

0,0450,063

0,0630,090

0,0900,125

0,1250,250

0,2500,500

0,5001,000

nad 1,000

0,0

21,9

70,1

3,4

3,9

0,4

0,2

0,1

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 32

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

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) CEM I 42,5 R Cihelný prach Písek 0/4 mm Voda

Superplastifikátor

REF 484

CM10 436

CM20 388

0 1722 261 5,3

48,4 1722 280 5,3

96,8 1722 293 5,3

CM40

291 193,6 1722 292 5,3

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 3.1

Výsledky a diskuse 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 Doba 7d 28 d 56 d 84 d

112 d 140 d

REF 7,9

CM10 7,7

CM20 7,0

8,5 8,9 9,4 9,8 10,0

8,7 9,0 9,6 10,7 11,4

8,0 8,4 9,2 9,7 10,1

CM40

5,4 6,4 7,8 8,7 9,1 9,5

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.

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

Tab. 6 Pevnost v tlaku v ase t les uložených ve vod Doba 7d 28 d 56 d 84 d

112 d 140 d

REF 34,2

CM10 38,3

CM20 29,1

38,8 40,7 42,9 44,2 46,3

44,7 44,8 44,4 46,7 48,6

34,1 38,7 41,5 43,2 44,3

CM40

16,7 24,8 25,9 27,1 35,4 39,9

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 Doba uložení v 1% Na2SO4 28 d 56 d

84 d

112 d

REF

CM10

CM20

CM40

9,0

9,5

8,7

9,5 9,8 10,0

10,1 10,6 11,7

9,2 9,7 10,3

7,2 7,8 8,5 9,0

Tab. 8 Pevnost v tlaku v ase t les uložených v 1% roztoku Na2SO4 Doba uložení v 1% Na2SO4 56 d 84 d

112 d 140 d

REF

CM10

CM20

CM40

31,9 33,1 34,7 34,5

42,6

47,0

37,9

43,7 45,6 45,9

47,8 48,7 50,8

42,9 46,7 42,7

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.

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

Tab. 9 Pevnost v tahu ohybem v ase t les uložených v 5% roztoku Na2SO4 Doba uložení v 5% Na2SO4 56 d 84 d

112 d 140 d

REF

CM10

CM20

CM40

10,0 10,0 10,0 10,1

10,2 11,2 12,7 12,8

9,0 10,1 11,5 11,6

8,6 9,7 10,1 10,1

Tab. 10 Pevnost v tlaku v ase t les uložených v 5% roztoku Na2SO4 Doba uložení v 5% Na2SO4 56 d 84 d

112 d 140 d

REF

CM10

CM20

CM40

44,5 44,7 44,2 44,6

47,1 47,8 48,2 50,3

40,3 42,9 43,2 44,3

32,7 35,3 40,9 41,2

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

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

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

K cor =

Rf R fREF

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 Doba 28 d 56 d

84 d

112 d

REF 1,01

CM10 1,06

CM20 1,04

CM40 0,92

1,01 1 1

1,05 0,99 1,03

1 1 1,02

0,9 0,93 0,95

Tab. 12 Koeficienty korozní odolnosti t les uložených v 5% roztoku Na2SO4 Doba 28 d 56 d

84 d

112 d 36

REF 1,12

1,06 1,02 1

CM10

1,13 1,17 1,19 1,12

CM20

1,07 1,1 1,19 1,15

CM40

1,19 1,11 1,11 1,06

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

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.

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] [2] [3] [4] [5] [6]

SN EN 197-1 Cement – ást 1: Specifikace, složení a kritéria shody cement pro obecné použití. 2. Vydání. Platnost od 1. 5. 2012. BARONIO, G., BINDA, L. Study of the pozzolanity of some brick and clays, Construction and Building Materials, 2007, vol. 11, s. 41–46. 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 . SKALNY, J., MARCHAND, J., ODLER, I. Sulfate attack on concrete. London and New York: SPPON PRESS, Taylor & Francis Group, 2002, p. 44. ISBN 0-41924550-2. KARIHALOO, B. L. Fracture mechanics of concrete. Longman Scientific & Technical, New York, 1995. 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. 37

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

Ing. Petr Lukas

Ing. Eva Navrátilová

prof. RNDr. Pavla Rovnaníková, CSc. Stavební fakulta VUT v Brn . Ústav chemie Žižkova 17, 602 00 Brno 541 147 633 541 147 667 rovnanikova.p@fce.vutbr.cz

Stavební fakulta VUT v Brn . Ústav chemie Žižkova 17, 602 00 Brno 541 147 643 541 147 667 navratilova.e@fce.vutbr.cz

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

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.

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 39

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

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].

Použité suroviny a metodika zkoušek

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 Vápenný hydrát Cihelný prach Omítkový písek

REF 1 0 4

MA 20 0,8 0,2 4

MA 40 0,6 0,4 4

MB 20 0,8 0,2 4

MB 40 0,6 0,4 4

MC 20 0,8 0,2 4

MC 40 0,6 0,4 4

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 .

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

Výsledky a diskuze

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 A B C

M rný povrch [m2·g-1] 2,08 3,61 7,31

Pucolánová aktivita [mg Ca(OH)2/1 g pucolánu] 408 296 460

Tab. 3 Chemické složení cihelných prach A B C

3.2

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

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. 41

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

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 REF MA 20 MA 40 MB 20 MB 40 MC 20 MC 40

3.3

Spot eba vody [ml] 450 410 380 410 385 420 410

Objemová hmotnost [kg·m-3] 1940 1950 1970 1960 1970 1930 1940

Zpracovatelnost [min] 45 90 135 105 165 135 180

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 .

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

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 43

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

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

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, 44

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

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] [2] [3]

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. CABRERA, J., ROJAS, M. F. Mechanism of hydration of the metakaolin-limewater, Cement and Concrete Research, 2001, vol. 31, s. 177–182. BARONIO, G., BINDA, L. Study of the pozzolanity of some brick and clays, Construction and Building Materials, 2007, vol. 11, s. 41–46. 45

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

[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 . Ústav chemie Žižkova 17, 602 00 Brno 541 147 643 541 147 667 navratilova.e@fce.vutbr.cz

prof. RNDr. Pavla Rovnaníková, CSc. Stavební fakulta VUT v Brn . Ústav chemie Žižkova 17, 602 00 Brno 541 147 633 541 147 667 rovnanikova.p@fce.vutbr.cz

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

METAKAOLINY A JINÉ P ÍRODNÍ A UM LÉ 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.

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 47

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

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 2.1

P írodní a um lé pucolány z alternativních surovin 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 LehôtkaPaseka, 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..

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

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 chemickotechnologické vlastnosti. V tabulce 2 jsou uvedeny vybrané vlastnosti málo plastických, hrubozrnných plavených kaolin a jemnozrnného, plastického kaolinu typu Sedlec Ia.

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

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 vlastnost kaolinu

hrubozrnný až st edn hrubozrnný kaolin

jemnozrnný kaolin

MK III

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

MgO

0,2

K 2O

1,9

1,0

1,3

Na2O

0,1

0,03

0,1

Ztráta žíháním

11,0

13,0

13,2

SiO2

/ hm.% / vysušený vz.

MPO

Obsah kaolinitu

Obsah slíd

Obsah k emene, pop . živce %

Obsah ástic pod 2 µm

/%/

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.

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

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

zna ka metakaolinu 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

K 2O

0,72

0,45

0,95

1,63

1,43

Na2O

0,01

0,04

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

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

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 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 Pozn: náhrada 10 hm.% cementu metakaolinem, pevnosti po 90 dnech 52

OSR 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

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

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

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.

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

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 f.pticen@seznam.cz

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

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 lowenergy 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 SiO44- 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.

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 SiO42- anionty SO42-. 55

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

• • • • • •

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

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 ( F A ): 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 ( S A ): Slínek obsahuje zejména C 4 A 3 S a C2S, dále m že obsahovat C12A7, CA a CS . 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 C 4 A 3 S , C2S a C S . 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, C 4 A 3 S , 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. 56

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

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 S A 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 F A mají využití p i opravách letištních ranvejí. Mírn rozpínavé cementy S A a FA byly použity pro opravu poškozených sklep . Cementy S A a FA mohou být aplikovány p i torkretování. Samorozpínavé cementy NA, S A a FA jsou využívány pro výrobu tlakových potrubí o r zných pr m rech.

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 SiO44- 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 C 4 A 3 S . 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.

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

Tab. 1 Vlastnosti laboratorn p ipravených cement z belitických slínk dotovaných SO3 a srovnávacích cementových standard Cement Fáze C3S C2S C3A C4AF Cvol CS

Parametr Obsah SO3 SLP Ms Ma Parametr Teplota Doba Parametr Sádrovec M rná hmot. M rný povrch Doba hydratace 2 dny 7 dní 28 dní 90 dní

B 0,2 79,3 4,0 16,5 0,0 0,0 0,06 70,4 2,88 1,41 1400 40 4,0 3230 435 2,0 2,3 14,6 38,3

B81S0 A97S0 B80S4 B92S8 B89S5 Fázové složení použitého slínku [hmot. %] 24,5 75,8 0,0 10,0 16,6 58,4 6,9 81,3 71,5 70,3 6,5 11,0 2,6 3,7 2,1 10,0 5,8 14,6 11,4 8,8 0,5 0,5 0,0 1,9 1,4 0,0 0,0 1,5 1,5 0,8 Chemické parametry použitého slínku [hmot. %] 0,07 0,02 4,44 6,77 4,84 79,9 96,2 77,0 89,4 86,0 3,00 2,57 2,63 3,12 3,22 1,28 1,41 1,49 1,45 1,58 Parametry výpalu slínku [°C, min] 1350 1450 1400 1350 1350 50 120 40 30 60 3 2 Parametry cementu [hmot. %, kg/m , m /kg] 3,0 4,0 4,0 3,0 2,0 3225 3172 3261 3231 3239 397 398 436 402 399 Pevnosti v tlaku [MPa] 4,5 21,6 1,8 16,9 24,3 12,8 49,3 12,2 26,1 47,1 63,5 66,9 47,4 36,4 64,4 71,2 68,8 60,6 64,9 70,4

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 58

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

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 agenturou R . P104/12/1494.

ešení projektu financovaného Grantovou

Literatura [1]

[2] [3] [4] [5] [6] [7] [8]

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. 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. QUILLIN, K. Performance of belite-sulfoaluminate cements. Cement and Concrete Research, 2001, vol. 31 (9), s. 1341–1349. 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. STAN K, T. Vztah parametr p ípravy belitického slínku a jeho hydraulických vlastností. Diserta ní práce. VUT v Brn , 85 s., Brno 2009. 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. 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. STAN K, T., TOMANCOVÁ, L. Vliv forem síranu vápenatého na vlastnosti cementu. Silika, 2008, vol. 18, s. 41–44.

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

RNDr. Theodor Stan k, Ph.D.

Výzkumný ústav stavebních hmot, a.s. Hn vkovského 65, 617 00 Brno 543 529 348 543 216 029 stanek@vustah.cz

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

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.

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. 61

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

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 tlouš ky nebo hloubky poruch [8].

Použité suroviny a metodika zkoušek

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 %.

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

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)

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

Výsledky a diskuze

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.

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

Obr. 5

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

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 65

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

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 (1309518S) 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] [2]

[3] [4]

[5]

[6]

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

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

[7] [8]

SANSALONE, M. J., WILLIAM, S.B. The Impact-Echo Method, NDT.net, 1998, vol. 3, No. 2. 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 topolar.l@fce.vutbr.cz

doc. RNDr. Pavel Rovnaník, Ph.D. Stavební fakulta VUT v Brn . Ústav chemie Žižkova 17, 602 00 Brno 541 147 632 rovnanik.p@fce.vutbr.cz

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

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.

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.

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 s obsahem vysocehlinitanové s obsahem speciální s obsahem

Al2O3:CaO = 40%:60%, fáze = C12A7, C4AF Al2O3:CaO = 50%:50 %, fáze = CA, C12A7, C4AF Al2O3:CaO = 70%:30%, fáze = CA, CA2 Al2O3:CaO = 80%:20%, fáze = korund, CA2 69

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

Obr. 1 produkty hydratace hlinitanového cementu [1] CA je nositelem rychlé hydratace, která vede k rychlému náb hu pevností, tedy zajiš uje 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.

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.

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].

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

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"1 2

1"1 2

!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 71

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

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

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. 72

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

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 Objemová hmotnost Zdánlivá pórovitost Pevnost v tlaku Pevnost v ohybu (25°C) Pevnost v ohybu (1000°C) Al2O3 Fe2O3 SiO2 CaO Trvalé délkové zm ny (1400°C/12h) Klasifika ní teplota Maximální teplota použití

kg/m3 % MPa MPa MPa % % % % % °C ºC

A 50-10 FL 1000 60 10 3 6 52 1,0 43 1,5 -0,6 1400 1400

A 50-12 FL 1200 53 15 5 10 50 <1,0 44 1,5 -0,5 1400 1400

A 90 FLK 1350 60 15 2 4 89 0,2 9,5 0,3 0 >1650 >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. 73

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

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) 1,5

smršt ní 1

[% ]

0,5

0 0

200

400

600

800

1000

-0,5

1200

1400

1600

1800

% 0,05 Mpa % 0,2 Mpa

-1

teplota

[°C]

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

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 .

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

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 tvrdik@mslz.cz

Ing. Karel Lang, CSc.

P-D Refractories CZ a.s. Nádražní 218, 679 63 Velké Opatovice 516 493 202 lang@mslz.cz

Ing. Radek Novotný

Chemická fakulta VUT v Brn . Purky ova 464 , 612 00 Brno xcnovotny2@fch.vutbr.cz

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

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.

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.

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 77

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

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 zajiš ovala 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 78

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

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 SO42-, 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 smrš ovací pruh, o tlouš ce 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 79

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

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 80

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

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 zajiš uje 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 tlouš ka je nejv tší pod p evýšeným kolejnicovým pasem a minimální pak pod pasem vnit ním.

Obr. 5 Systém ÖBB-PORR, základní deska 81

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

Obr. 6

3.2

ez konstrukcí pevné jízdní dráhy

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 82

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

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.

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

Obr. 7

Obr. 8

Obr. 9 84

Prefabrikované železni ní panely

Zabudované železni ní panely p ed zalitím pomocí SCC

Zabudované železni ní panely po zalití pomocí SCC

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

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

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

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] [2]

[3] [4]

Architektonická vizualizace – Forum Nová Karolina – Multi Development, r. 2009. 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”. Ing. Tomáš Machá ek a kol. – Silnice, železnice, eská republika, 2012, ISSN: 1801 – 822x. 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 tomas.tazky@cemex.com

Ing. Petr Novosad

Stavební fakulta VUT v Brn . Ústav chemie Žižkova 17, 602 00 Brno 541 147 468 541 147 502 novosad.p@fce.vutbr.cz

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 zizkova.n@fce.vutbr.cz

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

VLASTNOSTI REHYDRATOVANÝCH CEMENTOVÝCH PAST S P ÍM SÍ 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.

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 87

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

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.

Použité suroviny a metodika zkoušek

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 rtu ovou 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 (%) cement

CaO 61,48

SiO2 21,26

Al2O3 5,08

Fe2O3 3,64

SO3 2,42

MgO 0,86

Na2O 0,12

K2O 0,91

MnO 0,07

Tab. 2 Chemické složení použitého zeolitu (%) zeolit

CaO 3,24

SiO2 67,30

Al2O3 11,97

Fe2O3 1,40

SO3 0,11

MgO 0,75

Na2O 0,43

K2O 3,28

TiO2 0,14

TiO2 0,29

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

3 3.1

Výsledky a diskuze 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 %. 89

Kumulativní objem pór (cm3 ·g-1)

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

0,35

Z ref Z 200 Z 400 Z 600 Z 800 Z 1000 Z 1200

0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0 1000

100

Pr m r pór

0,1

0,01

0,001

(µm)

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

Celková porozita (%)

60 cement + zeolit

cement

40 30 20 10 0

200

400

600

800

1000

1200

Teplota výpalu (°C)

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]. 90

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

5,0

80,0

cement cement + zeolit

4,5 4,0

60,0

3,0

Rc (MPa)

R f (MPa)

3,5

2,5 2,0 1,5

50,0 40,0 30,0 20,0

1,0

10,0

0,5

0,0

0,0 60

200

400

600

800 1000 1200

Teplota výpalu (°C)

Obr. 4 Pevnosti v tahu ohybem po výpalu 3.2

cement cement + zeolit

70,0

200

400

600

800 1000 1200

Teplota výpalu (°C)

Obr. 5 Pevnosti v tlaku po výpalu

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) 91

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

Kumulativní objem pór (cm3 ·g-1)

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]. 0,8

ZR ref ZR 200 ZR 400 ZR 600 ZR 800 ZR 1000

0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 1000

100

Pr m r pór

0,1

0,01

0,001

(µm)

Obr. 7 Kumulativní objem pór rehydratovaných cementových past s p ídavkem zeolitu cement + zeolit

Celková porozita (%)

cement

50 40 30 20 10 0

200

400

600

800

1000

1200

Teplota výpalu (°C)

Obr. 8 Celkové porozity vzork rehydratovaných cementových past 92

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

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]. 8,0

cement cement + zeolit

7,0

50,0 40,0

6,0

Rc (MPa)

Rf (MPa)

5,0 4,0 3,0 2,0

200

400

600 800 1000 1200

Teplota výpalu (°C)

Obr. 9 Pevnosti v tahu ohybem po rehydrataci

30,0 20,0 10,0

1,0 0,0

cement cement + zeolit

0,0

200 400 600 800 1000 1200

Teplota výpalu (°C)

Obr. 10 Pevnosti v tlaku po rehydrataci

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.

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

Literatura [1] [2] [3] [4] [5] [6]

SN EN 197-1 Cement – ást 1: Složení, specifikace a kritéria shody cement pro obecné použití. 2001. Yilmaz, B., Ucar, A., Öteyaka, B., Uz, V. Properites of zeolitic tuff (clinoptilolite) blended portland cement. Building and Environment, 42, 2007, pp. 3808-3815. 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. 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. SN EN 196-1 (722100) Metody zkoušení cementu – ást 1: Stanovení pevnosti. 2005. 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 . Ústav chemie Žižkova 17, 602 00 Brno 541 147 639 541 147 667 vysvaril.m@fce.vutbr.cz

prof. RNDr. Pavla Rovnaníková, CSc. Fakulta stavební VUT v Brn . Ústav chemie Žižkova 17, 602 00 Brno 541 147 633 541 147 667 rovnanikova.p@fce.vutbr.cz

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

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.

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, 95

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

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].

Použité suroviny a metodika zkoušek

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 0,42

SiO2 44,99

Al2O3 34,30

Fe2O3 1,53

MgO 0,10

SO3 1,90

Cl<0,01

K 2O 0,29

Na2O 0,06

P 2O 5 0,14

Cr2O3 <0,01

ZŽ 9,24

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

Tab. 2 Chemické složení odpadního lupku II. Chemické složení lupku II [%] CaO 0,42

SiO2 44,51

Al2O3 34,00

Fe2O3 1,00

MgO 0,10

SO3 1,90

Cl<0,01

K 2O 0,28

Na2O 0,05

P 2O 5 0,16

Cr2O3 <0,01

ZŽ 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 st rkové a lepicí hmoty pro ETICS Pojivo

Plnivo Aditiva

3 3.1

Cement CEM I 42,5 R Lupek I Lupek II K emenný písek Mletý váp. 0,2–0,5 mm Lupek I / lupek II Kop. EVA, CE, odp ova

Složení receptury v g/1000 g suché sm si 1.4 1.5 1.6 2.4 2.5 2.6 Ref 380 342 304 266 342 304 266 0 38 76 114 0 0 0 0 0 0 38 76 114 166 153 136 119 166 166 166 404 360 320 280 404 404 404 0 57 114 171 0 0 0 50

Výsledky a diskuze 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. 97

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

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.

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

3.3

Studium mikrostruktury pomocí REM

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.

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“.

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

Literatura [1] [2] [3] [4] [5]

OHAMA, Y., Handbook of Polymer-modified Concrete and Mortars, 1ed edition: Noyes Publications, New Jersey, USA 1995, ISBN 0-8155-1358-5. 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. MLEZIVA, J., Š UPÁREK, J. Polymery – výroba, struktura, vlastnosti a použití, 2ed edition: Sobotáles, Brno 2000, ISBN 80-85920-72-7, 544 p. 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. 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 zizkova.n@fce.vutbr.cz

100

Ing. Tomáš ažký

CEMEX Czech Republic s.r.o. Siemensova 2716/2, 155 00 Praha 5 Stod lky +420 723 562 312 tomas.tazky@cemex.com

Alternativní stavební pojiva Sborník p ísp vk seminá e Vydavatel: Editor: Tisk: Rok vydání: Po et stran: Náklad:

Vysoké u ení technické v Brn Mgr. Martin Vyšva il, Ph.D. Tiskárna L.V. PRINT 2013 102 60