Možnosti využití pálených jílů ve vápenných maltách

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

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

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. 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. 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

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.