Nejnavštěvovanější odborný portál pro stavebnictví a technická zařízení budov

Možnosti využití pálených jílů ve vápenných maltách

Vápenné malty vykazují nízké pevnosti, které je limitují v jejich použití. V maltách pro obnovu historických staveb je snaha modifikovat vápenné malty příměsemi, které jsou v souladu s historickými materiály a postupy. Jednou z příměsí, používanou již ve starověku, byly pálené keramické hlíny. Ne každá vypálená surovina je aktivní při styku s vápnem, tedy vhodná pro zlepšení užitných vlastností malt.

1. Úvod

Vápenné malty vykazují nízké pevnosti, které je limitují v jejich použití. U malt V maltách pro obnovu historických staveb je snaha modifikovat vápenné malty příměsemi, které jsou v souladu s historickými materiály a postupy. Jednou z příměsí, používanou již ve starověku, byly pálené keramické hlíny. Ne každá vypálená surovina je aktivní při styku s vápnem, tedy vhodná pro zlepšení užitných vlastností malt.

Pucolány lze definovat jako křemičité nebo hlinitokřemičité látky, které samy o sobě nemají žádnou vazebnou schopnost, ale s hydroxidem vápenatým a vodou reagují za běžných teplot za vzniku sloučenin, které tuhnou, tvrdnou a jsou stálé na vzduchu i pod vodou [1]. Z chemického hlediska jsou pucolány materiály, které obsahují amorfní oxid křemičitý SiO2 a reaktivní křemičitany, hlinitany a hlinitokřemičitany. Amorfní oxid křemičitý v pucolánech reaguje s oxidem vápenatým za vzniku hydratovaných křemičitanů vápenatých, které jsou stálé na vzduchu i pod vodou. Tyto sloučeniny jsou odolnější vůči působení kyselého prostředí než produkt karbonatace vápna ve vápenných omítkách a vedou ke zlepšení mechanických vlastností, zvyšují odolnost vůči korozi, a tím i trvanlivost omítek. Cihelný střep lze zařadit mezi pucolány.

Keramické materiály jsou pevné anorganické nekovové látky vyrobené pálením minerálních surovin s převládající složkou jílových minerálů, vytvarované a vypálené na vysokou teplotu (většinou nad 800 °C). Při výpalu procesem slinování nastává zpevnění mikrostruktury střepu [2]. Krystalickou mřížku jílových minerálů tvoří dvě střídající se vrstvy tetraedrů SiO4 a oktaedrů AlO6. Kromě jílových minerálů můžou jíly obsahovat i jiné minerály, např. krystalické i nekrystalické modifikace SiO2, živce, zeolity, uhličitany, oxidy nebo hydroxidy železa a hliníku, nekrystalické jílové minerály ze skupiny alofánu a organické příměsi. Nejvýznamnějšími jílovými minerály z hlediska keramické technologie jsou kaolinit, illit, chlorit, montmorillonit a halloysit. Při výpalu probíhají mezi zrny fyzikální a chemické pochody, které vedou k tvorbě mikrostruktury střepu. Vysoká teplota umožňuje zvýšenou pohyblivost atomů, difúzi a chemické reakce v pevné fázi, modifikační přeměny, rekrystalizaci, tvorbu kapalné fáze a slinování materiálu. Velmi důležitým úsekem výpalu keramických směsí je dehydroxylace jílových minerálů. Rozklad kaolinitu a jeho přeměna na metakaolinit probíhá při teplotě 550 až 600 °C.

Metakaolinit se rozkládá a následně mění na mulitovou fázi a cristobalit při teplotě 950 až 1050 °C [3].

Keramické suroviny vypálené na teplotu 800 až 900 °C získávají pucolánovou aktivitu. Po výpalu obsahuje cihelný střep dehydroxylované hlinitokřemičitany, a dále složky, které se výpalem nezměnily a byly přítomny v surovině, resp. v surovinové směsi, jako je křemen, anatas, muskovit ap. V důsledku výpalu a ztráty vody dochází ke zhroucení krystalické mřížky za vzniku metastabilních rentgenoamorfních fází. Obsahují-li jílové složky převážně jílový minerál kaolinit, který při výpalu nad 540 °C přechází na metakaolinit, může docházet ke třem různým reakcím s hydroxidem vápenatým za vzniku těchto produktů: C4AH13, C3AH6, C2ASH8 a CSH, které vykazují hydraulické vlastnosti. Jestliže teplota výpalu přesáhne 900 °C, jsou amorfní fáze opět přeměněny do nových krystalických stabilních sloučenin – mullit, tridymit, které již s hydroxidem vápenatým nereagují. Tyto fáze ovlivňují pucolánovou aktivitu střepu [4, 5]. Pucolánovou aktivitu cihelného střepu ovlivňují další chemické a fyzikálně-chemické vlastnosti, jako je obsah skelné fáze, celkový obsah oxidu křemičitého, velikost zrna, specifický povrch a v neposlední řadě kvalita primárních surovin [6].

Vytváření pevné struktury vápenných omítek modifikovaných jemně mletým cihelným střepem závisí na mnoha faktorech, jako je: pucolánová aktivita cihelného střepu, velikosti zrn, kvalitě použitého vápna, na teplotě, relativní vlhkosti vzduchu a parciálním tlaku CO2. Při tvorbě pevné struktury vápenopucolánových omítek současně probíhají dva konkurenční děje – karbonatace a pucolánová reakce. Pro pucolánovou reakci je nejdůležitějším faktorem složení a velikost částic mletého cihelného střepu. Jemněji mleté cihly vytvářejí pevnější strukturu, protože do reakce s vápnem vstoupí větší povrch zrn pucolánů, a tím zreaguje jeho větší množství. Rychlost reakce se s časem zpomaluje, protože roztok hydroxidu vápenatého musí difundovat k nezreagovanému povrchu vrstvou reakčních produktů vzniklých na povrchu zrn cihelného střepu. Také složení cihelného střepu ovlivňuje pucolánovou reakci. Vyšší koncentrace amorfního oxidu křemičitého a amorfní bezvodé hlinitokřemičitany reagují snadno s hydroxidem vápenatým [7].

2. Příprava zkušebních těles a provedené zkoušky

tab. 1 složení malt
A-REFA-2A-3A-4A-5B-REFB-2B-3B-4B-5
Vápenný hydrát10,80,70,60,510,80,70,60,5
Keramický střep00,20,30,40,500,20,30,40,5
Písek3333344444

Na přípravu zkušebních těles bylo použito bílé vápno CL 90-S (Carmuse Czech Republic s. r. o., Mokrá) ve formě vápenného hydrátu. Dále byl použit zkušební písek frakce 0–4 mm a jemně zrnitý keramický střep. Množství vody bylo voleno tak, aby rozlití čerstvé malty bylo 160 ± 5 mm. Složení malt pro výrobu zkušebních těles je uvedeno v tabulce 1. Složení malt bylo navrženo tak, aby bylo možno porovnávat vliv keramického střepu na vlastnosti zatvrdlé malty. Poměry mísení jsou vyjádřeny v hmotnostních dílech.

U jemně zrnitého keramického střepu byla stanovena pucolánová aktivita a mineralogické složení. Na připravené maltě byla stanovena konzistence podle normy ČSN EN  1015-3 Zkušební metody malt pro zdivo – Část 3: Stanovení konzistence čerstvé malty (s použitím střásacího stolku) [8], poté byla malta uložena do forem o velikosti 40×40×160 mm. Po ztvrdnutí byla tělesa vyjmuta z forem a volně uložena v laboratorních podmínkách při teplotě 21 ±1  °C a relativní vlhkosti vzduchu 50 ± 5 %. U všech zkušebních těles byla stanovena pevnost v tahu za ohybu a pevnost v tlaku ve stáří 7, 28 a 90 dnů. Před zkouškou pevnosti byla zkušební tělesa změřena a zvážena pro výpočet objemové hmotnosti. Nasákavost byla stanovena u všech zkušebních těles ve stáří 28 dnů.

2.1. Pucolánová aktivita a mineralogické složení

Pucolánová aktivita jemně zrnitého keramického střepu dosahuje hodnoty 507 mg Ca(OH)2/1 g pucolánu.

Keramický střep vypálený na teplotu 825 °C obsahuje tyto minerály: Biotit, chayesit, rankinit, křemen, ortoklas, cristobalit, maghemit.

2.2. Spotřeba vody

obr. 1 spotřeba vody
obr. 1 spotřeba vody

Na obrázku 1 je patrná spotřeba vody při výrobě zkušebních malt. Spotřeba vody s rostoucím množstvím keramického střepu klesá, jak u malty A, která obsahuje poměr pojiva k plnivu 1 : 3, tak u malty B, která obsahuje poměr pojiva k plnivu 1 : 4, při zachování totožného rozlivu pro všechny malty.

 

2.3. Pevnost v tahu za ohybu a pevnost v tlaku

obr. 2 pevnost v tahu za ohybu malty A ve stáří 7, 28 a 90 dní
obr. 2 pevnost v tahu za ohybu malty A ve stáří 7, 28 a 90 dní
obr. 3 pevnost v tahu za ohybu malty B ve stáří 7, 28 a 90 dní
obr. 3 pevnost v tahu za ohybu malty B ve stáří 7, 28 a 90 dní
obr. 4 pevnost v tlaku malty A ve stáří 7, 28 a 90 dní
obr. 4 pevnost v tlaku malty A ve stáří 7, 28 a 90 dní
obr. 5 pevnost v tlaku malty B ve stáří 7, 28 a 90 dní
obr. 5 pevnost v tlaku malty B ve stáří 7, 28 a 90 dní

Na obrázku 2, 3, 4 a 5 jsou uvedeny výsledky pevností v tahu za ohybu a pevností v tlaku zkušebních malt A a B ve stáří 7, 28 a 90 dní. U všech zkušebních malt dochází ke zvyšování pevností v tahu za ohybu i pevností v tlaku v průběhu času.

Nejnižších pevností v tahu za ohybu dosahují referenční malty A a B, které neobsahují jemně zrnitý keramický střep. Zkušební malty A a B obsahující 40 % jemně zrnitého keramického střepu dosahují nejvyšších pevností v tahu za ohybu ve stáří 90 dnů. Zkušební malty B obsahující 20 a 30 % jemně zrnitého keramického střepu dosahují téměř stejných hodnot pevností v tahu za ohybu jako referenční malta B, která obsahuje pouze vápenný hydrát a písek v poměru 1 : 4. Pevnost v tahu za ohybu mezi 28. a 90. dnem vzrostla u malty A výrazně, u malty B nepatrně.

Referenční malty A a B obsahující pouze vápenný hydrát a písek dosahují nejnižších pevností v tlaku. Téměř u všech malt A a B dochází ke zvyšování pevností v tlaku se zvyšujícím se množstvím jemně zrnitého keramického střepu. Nejvyšší pevnosti v tlaku dosahují malty A a B s obsahem 40 % keramického střepu ve stáří 90 dnů. U malt B dosahují nejvyšších pevností malty obsahující 40 a 50 % jemně mletého keramického střepu ve stáří 90 dnů.

Z výsledků pevností v tahu za ohybu a pevností v tlaku zkušebních malt A a B vyplývá, že náhrada 40 % vápenného hydrátu jemně zrnitým keramickým střepem je nejvýhodnější.

 

2.4. Nasákavost

obr. 6 nasákavost malt A a B
obr. 6 nasákavost malt A a B

Na obrázku 6 jsou uvedeny výsledky nasákavosti u zkušebních malt A a B. U všech zkušebních malt A a B dochází k poklesu nasákavosti se zvyšujícím se množstvím jemně zrnitého keramického střepu v důsledku tvorby hydratovaných fází, které vedou k nižší pórovitosti. Malta A obsahující pojivo a plnivo v poměru 1 : 3, dosahuje vyšší nasákavosti než malta B obsahující pojivo a plnivo v poměru 1 : 4.

 

3. Závěr

V článku byl hodnocen vliv přídavku jemně zrnitého keramického střepu na vlastnosti vápenných malt. Keramický střep byl přidáván do vápenných modifikovaných malt, kde nahradil v množství 0 až 50 % vápenné pojivo. Vápenné modifikované malty obsahovaly pojivo a plnivo v poměru 1 : 3 (malta A) a 1 : 4 (malta B). Vliv jemně zrnitého keramického střepu na vápenné modifikované malty byl hodnocen na základě pevnostních charakteristik a nasákavosti.

Z výsledků je patrné, že přídavek jemně zrnitého keramického střepu do vápenných malt vede ke zvýšení jejich pevností v tahu za ohybu i pevností v tlaku. Dále je také patrné, že náhrada 40 % vápenného hydrátu jemně zrnitým keramickým střepem je z hlediska mechanických vlastností nejvýhodnější. Náhrada vápenného hydrátu ve vápenných modifikovaných maltách vede ke snížení jejich nasákavostí, jak pro maltu A, tak i pro maltu B. Přídavek jemně zrnitého keramického střepu vede ke zlepšení vlastností vápenných modifikovaných omítek.

Poděkování

Výsledky uvedené v článku byly získány v rámci řešení projektu FAST-S-11-23/1217.

Literatura

  • [1] Donatello, S., Tyrer, M., Cheeseman, C. R. Comparison of test methods to assess pozzolanic aktivity. Cement and Concrete Composites. 2010, vol. 32, no. 2, p. 121–127.
  • [2] Pytlík, P., Sokolář, R. Stavební keramika. 1. vyd. Brno: CERM Akademické nakladatelství, 2002. 287 s. ISBN 80-7204-234-3
  • [3] Hanykýř, V., Kutzendorfer, J. Technologie keramiky. 1. vyd. Praha: Silikátový svaz, 2008. 287 s. ISBN 978-80-86821-48-1
  • [4] Baronio, G., Binda, L. Study of the pozzolanity of some brick and clays. Construction and Building Materials. 2007, vol. 11, no. 1, p. 41–46.
  • [5] Ugurlu, E., Boke, H. The use of brick-lime plasters and relevance to climatic conditions of historic bath buildings. Construction and Building Materials. 2009, vol. 23, no. 6, p. 2442–2450.
  • [6] Moropoulou, A., Bakolas, A., Aggelakopoulou, E. Evaluation of pozzolanic aktivity of natural and artifical pozzolans by thermal analysis. Thermochimica Acta. 2004, vol. 420, no. 1–2, p. 135–140.
  • [7] Rovnaníková, P. Omítky. Chemické a technologické vlastnosti. 1. vyd. Praha: Společnost pro technologie ochrany památek, 2002. 91 s. ISBN 80-86657-00-0.
  • [8] ČSN EN 1015-3 Zkušební metody malt pro zdivo – Část 3: Stanovení konzistence čerstvé malty (s použitím střásacího stolku) Praha: Český normalizační institut, 2000. 12 s.
 
Komentář recenzenta Ing. Petr Tůma, PhD., autorizovaný inženýr a soudní znalec

Autorky se zabývají problematikou modifikace složení vápenných malt určených zejména pro omítky. Vycházejí z historických zkušeností, kdy již starověcí stavitelé do vápenných malt přidávali jemnou cihelnou drť, či drť z jiné keramiky, pro zlepšení vlastností malty. V úvodu článku obecně popisují podstatu pucolánové aktivity některých látek, včetně cihelného střepu. Uvádejí mineralogické složení keramických materiálů v závislosti na teplotě jejich výpalu a vyjmenovávají faktory, které ovlivňují vlastnosti (zejména pevnost) struktury vápenopucolánových omítek. V další části článku je popsán experimentální program při kterém autorky ověřovaly pevnost, nasákavost a potřebu vody malt různého složení. Porovnávány byly malty s poměrem pojiva a plniva 1:3 a 1:4. Vlastní pojivo bylo tvořeno směsí vápna a mletého cihelného střepu s proměnným podílem cihelného střepu v rozmezí 0–50 %. Popsána je pucolánová aktivita použitého střepu, teplota jeho výpalu i mineralogické složení. Vhodné by bylo k textu doplnit srovnání těchto parametrů s parametry dostupných cihelných střepů, např. z recyklace. Směsi byly porovnávány při konstantní konzistenci. Při experimentech bylo zjištěno, že s rostoucím podílem cihelného střepu v pojivu klesá u malty potřeba vody, roste pevnost v tlaku i v tahu za ohybu (do podílu cihelného střepu 40 %, při vyšším již klesá) a klesá nasákavost malt.
Experimentální program popsaný v článku potvrzuje, že nahrazení části vápna vhodným mletým cihelným střepem zlepšuje vlastnosti malty.
V navazujících publikacích bych doporučoval zhodnotit, zda použitý mletý cihelný střep odpovídá materiálům, které jsou na trhu dostupné (ať již přímo z výroby keramických tvarovek, nebo z recyklací), a jaká je finanční náročnost modifikace vápna mletým cihelným střepem.

English Synopsis
Possibilities of using ceramic clay in lime mortars

This paper deals with the influence of addition of fine-grained ceramic body which was added to the lime mortars in the amount of 0–50 % of the binder weight. The addition effect of the fine-grained ceramic body on the properties of the modified lime mortars was evaluated on base of the strength and absorbency characteristics of the modified lime plasters. The ceramic body was analyzed prior to its use in the mortars. Pozzolanic activity and mineralogical composition were determined. The results showed that the addition of the ceramic body in the modified lime plasters had positive influence on their properties. The strenghts of the modified lime plasters were increased and the absorbency was reduced.

 
 
Reklama