Vlastnosti vybraných českých pískovců
Článek se zabývá několika typy pískovců z funkčních českých lomů. Cílem výzkumu bylo zjistit vlastnosti a porovnat vybrané české pískovce. Z těchto prezentovaných výsledných parametrů, lze přispět k vhodnějšímu výběru pískovce dle potřebné funkčnosti či umístění v konstrukci.
Tento článek zkoumá několik typů pískovců, které se v současnosti těží v České republice. Jsou zde prezentovány vybraná měření i příslušné výsledné hodnoty. Konkrétně se jedná o základní fyzikální vlastnosti, pevnosti v tlaku, transport kapalné vody i vodní páry a tepelné vlastnosti.
1. Úvod
Pískovec je tradiční přírodní stavební materiál, který nalézá své uplatnění i v dnešní době. Každý pískovec je jedinečný svou strukturou i texturou, a proto i jejich vlastnosti jsou odlišné. V dnešní době se již přírodní kámen nevyužívá jako nosný prvek, ale své využití má především v oblasti restaurátorství nebo nachází uplatnění v podobě obkladových prvků. Z těchto důvodů je důležité znát jejich charakteristiky, aby mohl být vybrán nejvhodnější druh pískovce. V tomto článku jsou popsány metody měření osmi nejčastěji používaných pískovců na území České republiky a prezentovány základní fyzikální vlastnosti, charakteristiky porézní struktury, transport vodní páry a kapalné vody, tepelné vlastnosti.
2. Studované materiály
Obr. č. 1: Klasifikační trojúhelníkový diagram pískovců
Zkoumanými stavebními materiály jsou pískovce, které jsou těženy na území České republiky (tabulka 1) [1]. Pískovec je sedimentární hornina, jehož základní struktura je tvořena pískovými zrny různých frakcí a tmelem. Pískovce lze rozdělovat dle velikosti zrn na jemnozrnné, středozrnné a hrubozrnné. Tmel je druhotně vyloučená substance, má funkci spojující a rozeznáváme různé druhy: jílovitý, křemičitý, slinitý, vápnitý či železitý tmel. Klasifikace pískovců je velice komplikovaná a především nejednotná. Jednou z používaných pomůcek při určování názvosloví pískovců je trojúhelníkový diagram (obrázek 1 [2].), ve kterém označuje písmeno J – jíl, slídy a silt; K+S – křemen a zrna stabilních hornin a Ž+N – živec a úlomky nestabilních hornin [2]. Výsledné vlastnosti pískovce závisí především na druhu tmele. Nejodolnější pískovce jsou tvořeny křemičitým tmelem (oxid křemíku). Méně kvalitní a trvanlivé pískovce mají kalciový tmel nebo tmel z různých oxidů železa [3]. Podrobná charakteristika zkoumaných pískovců je zobrazena v tabulce 1.
| Označení | Typ pískovce | Zrnitost | Přívlastek | Textura | Barva |
|---|---|---|---|---|---|
| S1 | Božanovský | Hrubozrnný (2–0,5 mm) | Arkózovitý | – | Bělošedá |
| S2 | Bzovský | Jemnozrnný (0,25–0,05 mm) | – | – | Šedomodrá, okraje okrové |
| S3 | Hořický (Podhornoújezdský) | Jemnozrnný (0,25–0,05 mm) | Monomiktní | Masivní (všesměrně zrnitá) | Bělošedá až šedožlutá |
| S4 | Královédvorský | Jemnozrnný (0,25–0,05 mm) | Monomiktní | Masivní | Šedobílá až žlutavá |
| S5 | Zámělský | Středně zrnitý (3,3–1,0 mm) | – | Plošně paraelní (břidličná) | Světle zelená, žlutozelená |
| S6 | Těšínský | Jemnozrnný (0,25–0,05 mm) | – | – | Zelenošedá až šedozelená |
| S7 | Úpický | Střednozrnný (0,5–0,25 mm) | Arkózovitý | – | Rudohnědá |
| S8 | Mšenský | Jemnozrnný (0,25–0,05 mm) | Monomiktní | Masivní (všesměrně zrnitá) | Šedobílá |
3. Experimentální metody a měření
3.1 Základní fyzikální vlastnosti
Mezi naměřené základní fyzikální parametry patří objemová hmotnost ρ [kg m−3], hustota matrice ρmat [kg m−3] a otevřená pórovitost ψ0 [%]. Všechny tyto charakteristiky byly měřeny pomocí gravimetrické metody a vakuové nasákavosti na vzorcích o rozměrech 50 × 50 × 50 mm. Vzorky byly nejdříve vloženy do sušárny, ve které byla nastavena teplota na 105 ̊C, aby se odstranila fyzikálně vázaná voda a získala hmotnost vysušeného materiálu. Následně se vzorky umístily do exsikátoru minimálně na 24 hodin a pomocí vakuové pumpy, se plně nasytily vodou, a poté zvážil plně nasycený stav. [4]
V tabulce 2 jsou zobrazeny výsledné hodnoty základních fyzikálních vlastností studovaných pískovců. Z dosažených výsledků je patrné, že hodnota hustoty matrice ρmat u všech pískovců vychází podobně. Oproti tomu vykazují hodnoty otevřené pórovitosti ψ0 značné rozdíly. Bzovský pískovec S2 má otevřenou pórovitost 22krát menší než mšenský pískovec S8. Podobně jako hodnoty otevřené pórovitosti jsou i hodnoty objemové hmotnosti velice rozdílné. Nejnižších hodnot objemové hmotnosti vykazuje bzovský pískovec S8, naopak nejvyšších hodnot vykazuje mšenský pískovec S2 (o 30 %).
| Materiál | Vakuová nasákavost | ||
|---|---|---|---|
| ρ [kg m−3] | ρmat [kg m−3] | ψ0 [%] | |
| S1 | 2183 | 2613 | 16,4 |
| S2 | 2651 | 2686 | 1,3 |
| S3 | 1994 | 2610 | 23,6 |
| S4 | 2224 | 2614 | 14,9 |
| S5 | 2047 | 2634 | 22,3 |
| S6 | 2499 | 2622 | 4,7 |
| S7 | 2434 | 2621 | 7,1 |
| S8 | 1868 | 2618 | 28,6 |
Hustota pevné matrice byla pro porovnání určena i pomocí héliového pyknometru. Princip této metody je založen na schopnosti atomu hélia zaplnit i velmi malé póry, které se ve zkoumaném materiálu vyskytují. Vysušený vzorek je vložen do komory o známém objemu. Hélium se následně vpouští do zkoumané i referenční komory a zaznamenává se vznikající tlak. Z těchto naměřených hodnot lze dopočítat potřebnou hustotu matrice. Výsledné hodnoty z héliového pyknometru jsou zobrazeny v tabulce 3. Konečné hodnoty pomocí této metody vykazují stejný trend jako hodnoty, které byly naměřeny pomocí vakuové nasákavosti. Mšenský pískovec S2 má otevřenou pórovitost 23krát menší než bzovský pískovci S8. Pískovec S8 má objemovou hmotnost menší o 32 % než pískovci S2.
| Materiál | Héliový pyknometr | ||
|---|---|---|---|
| ρ [kg m−3] | ρmat [kg m−3] | ψ0 [%] | |
| S1 | 2192 | 2680 | 18,2 |
| S2 | 2654 | 2691 | 1,4 |
| S3 | 1962 | 2665 | 26,4 |
| S4 | 2202 | 2654 | 17,0 |
| S5 | 2029 | 2863 | 29,1 |
| S6 | 2471 | 2642 | 6,5 |
| S7 | 2413 | 2652 | 9,0 |
| S8 | 1798 | 2656 | 32,3 |
3.2 Charakterizace porézního systému
Kumulativní křivka velikosti pórů (obrázek 2) byla určena pomocí rtuťové porozimetrie na přístroji „Pascal 140 + 440“. Tato metoda využívá podobný princip jako klasická pyknometrie nebo výše popsaná héliová pyknometrie. Principem je vtlačování rtuti do zkoumaného matriálu. Tato metoda využívá vysokého povrchového napětí samotné rtuti, a tak většinu anorganických a organických látek nesmáčí. Kvůli této vlastnosti je důležité na ni působit tlakem. Z grafu (obrázek 2) lze vyčíst relativní četnost jednotlivých průměrů pórů v každém zkoumaném pískovci.
Obr. č. 2: Kumulativní křivka zkoumaných pískovců
3.3 Mechanické vlastnosti
Mechanické vlastnosti pískovců byly zkoušeny dle příslušných norem. Ke stanovení pevnosti v prostém tlaku [5] byl použit přístroj EU 40 a vzorky o rozměrech 50 × 50 × 50 mm. Na tělesa se vyvíjela konstantní síla, a to až do porušení. Pevnost v tahu za ohybu [6] byla měřena na přístroji MTS 100 a na vzorcích o rozměrech 200 × 40 × 40 mm. Zatěžovací schéma pevnosti v tahu za ohybu bylo čtyřbodové. Podpory byly ve vzdálenosti 150 mm a zatěžovací válce byly od sebe ve vzdálenosti 40 mm [4].
Výsledné mechanické vlastnosti pískovců jsou znázorněny v tabulce 4. Je z ní patrné, že pískovec S2 (bzovský) vykazuje nejvyšší pevnostní charakteristiky. Naměřené hodnoty mechanických vlastností pískovců odpovídají charakteristice pórového systému (tabulka 2 a 3, obrázek 2). Pískovec s označením S8 (mšenský) vykazuje 12krát nižší pevnost v tlaku a 17krát nižší pevnost v tahu za ohybu než pískovec S2.
| Materiál | Pevnost v tlaku [MPa] | Pevnost za ohybu [MPa] |
|---|---|---|
| S1 | 22,6 | 3,1 |
| S2 | 103,8 | 21,6 |
| S3 | 14,6 | 3,3 |
| S4 | 35,5 | 5,9 |
| S5 | 15,4 | 3,6 |
| S6 | 65,7 | 11,7 |
| S7 | 38,9 | 5,8 |
| S8 | 8,7 | 1,3 |
3.4 Vlhkostní vlastnosti
Transport vodní páry byl měřen pomocí tzv. cup metody. Vzorek o rozměrech 100 × 100 × 25 mm byl po stranách zaizolován epoxidem a po umístění do misky utěsněn technickou plastelínou. Dna dně misky se nacházel silikagel (dry cup metoda) nebo voda (wet cup metoda), aby docházelo pouze k jednosměrnému transportu vodní páry. Takto připravený vzorek byl následně vložen do klimatické komory, ve které byla vytvořena stálá relativní vlhkost vzduchu a teplota. Misky byly v pravidelných intervalech váženy a zaznamenány příslušné hmotností přírůstky (dry cup) nebo úbytky (wet cup). Z těchto hodnot se dopočítaly příslušné parametry, které jsou znázorněny v tabulce 5 [4].
Nejnižších hodnot součinitele difúze pro vodní páry D [m2 s−1] u dry cupu (tabulka 5) dosáhl vzorek S2 (bzovský pískovec) a u wet cupu (tabulka 6) pískovec S6 (těšínský pískovec). Hodnota faktoru difúzního odporu μ [–] při dry cup metodě (tabulka 5) u mšenského pískovce S8 byla skoro 9krát nižší než u bzovského pískovce S2. Hodnota faktoru difúzního odporu μ [–] se při wet cup (tabulka 6) metodě u pískovce S8 oproti materiálu S6 snížila 48krát.
| Materiál | Dry cup | Wet cup | ||
|---|---|---|---|---|
| D [m2 s−1] | μ [–] | D [m2 s−1] | μ [–] | |
| S1 | 9,52 E-07 | 24,3 | 4,78 E-06 | 4,8 |
| S2 | 2,07 E-07 | 114,9 | 2,65 E-07 | 86,8 |
| S3 | 1,35 E-06 | 17,1 | 9,07 E-07 | 2,6 |
| S4 | 7,21 E-07 | 32,0 | 3,61 E-07 | 6,4 |
| S5 | 1,16 E-06 | 19,9 | 6,04 E-06 | 3,8 |
| S6 | 2,23 E-07 | 107,8 | 2,55 E-07 | 91,6 |
| S7 | 2,99 E-07 | 76,9 | 2,07 E-06 | 11,3 |
| S8 | 1,82 E-06 | 12,7 | 1,18 E-05 | 1,9 |
Pomocí absorpčního experimentu byly určeny parametry charakterizující transport kapalné vody [7]. Vzorek tvaru krychle o hraně 50 mm byl zaizolován epoxidem, aby byl zajištěn jednosměrný transport. Takto připravený materiál se nejdříve vysušil v sušárně do ustálené hmotnosti. Následně byl vzorek zavěšen na digitální váhu pomocí ocelové konstrukce a ponořen do vody do hloubky cca 3 mm. Elektronické váhy, které jsou spojeny s počítačem, zaznamenávaly hmotnostní přírůstky, ze kterých byl dopočítán absorpční koeficient pro kapalnou vodu A [kg m−2s−1/2] a součinitel vlhkostní vodivosti κ [m2 s−1] (tabulka 6) [4].
Konečné parametry pro transport kapalné vlhkosti jsou zobrazeny v tabulce 6 Lze konstatovat, že nejmenší schopnost transportovat kapalnou vodu – nejnižší součinitel vlhkostní vodivosti měl materiál označen jako S2 (bzovský pískovec). Naproti mšenský pískovec S8 vykazuje nejvyšších hodnot součinitele vlhkostní vodivosti i absorpčního koeficientu pro kapalnou vodu. Výsledné hodnoty transportu kapalné vlhkosti studovaných pískovců korespondují s charakteristikou pórového systému.
| Materiál | A [kg m−2 s−1/2] | κ [m2 s−1] |
|---|---|---|
| S1 | 0,0887 | 3,55 E-07 |
| S2 | 0,0010 | 5,61 E-11 |
| S3 | 0,0646 | 7,70 E-08 |
| S4 | 0,1250 | 7,17 E-07 |
| S5 | 0,1815 | 5,65 E-07 |
| S6 | 0,0042 | 9,48 E-09 |
| S7 | 0,0278 | 1,12 E-07 |
| S8 | 0,6307 | 3,96 E-06 |
3.5 Tepelné vlastnosti
Součinitel tepelné vodivosti λ [W m−1K−1] a měrná tepelná kapacita c [J kg−1K−1] byly určeny nestacionární metodou pomocí přístroje ISOMET 2104 – Applied Precision [8]. Vlhkost u materiálů ovlivňuje jeho tepelné vlastnosti, proto byly tyto charakteristiky určeny v závislosti na vlhkosti (tabulka 7 a 8). Z dosažených grafů lze dojít k závěru, že nejlepší tepelné izolační vlastnosti ze všech studovaných materiálů má mšenský S8.
| Materiál | Vysušený stav | |
|---|---|---|
| Součinitel tepelné vodivosti [W m−1K−1] | Měrná tepelná kapacita [J kg−1K−1] | |
| S1 | 2,348 | 673 |
| S2 | 3,292 | 650 |
| S3 | 2,575 | 712 |
| S4 | 3,227 | 760 |
| S5 | 2,255 | 674 |
| S6 | 2,535 | 646 |
| S7 | 3,665 | 646 |
| S8 | 1,230 | 801 |
| Materiál | Nasycený stav | ||
|---|---|---|---|
| Objemová vlhkost [% m3 m−3] | Součinitel tepelné vodivosti [W m−1K−1] | Měrná tepelná kapacita [J kg−1K−1] | |
| S1 | 11,09 | 4,540 | 875 |
| S2 | 1,01 | 3,603 | 666 |
| S3 | 16,89 | 3,763 | 1038 |
| S4 | 10,64 | 5,680 | 951 |
| S5 | 17,33 | 4,167 | 1000 |
| S6 | 6,20 | 4,043 | 747 |
| S7 | 6,04 | 6,388 | 750 |
| S8 | 25,21 | 2,648 | 1298 |
4. Závěr
Cílem tohoto výzkumu bylo zjistit vlastnosti a porovnat vybrané české pískovce. Bzovský (S2) a těšínský pískovec (S6) vykazují nejnižší otevřenou pórovitost ze všech zkoumaných pískovců (do 5 %). Naopak největší pórovitost mají pískovce mšenský, hořický a zámělský (více než 20 %). Těmto prezentovaným základním fyzikálním vlastnostem odpovídají i výsledky ostatních zkoumaných parametrů. Zkoumaným materiálem, který vykazuje nejvyšších hodnot pevnostních charakteristik, je bzovský pískovec a nejnižších pevnostní vykazuje materiál S8. Nejvíce propouští vodní páru i kapalnou vodu materiály S2 a S6, což opět koresponduje s naměřenými základními fyzikálními parametry. Nejlepší tepelně izolační vlastnosti mezi pískovci má mšenský pískovec (S8). Z těchto prezentovaných výsledných parametrů, lze přispět k vhodnějšímu výběru pískovce dle potřebné funkčnosti či umístění v konstrukci.
Poděkování
Článek vznikl za podpory Ministerstva školství, mládeže a tělovýchovy České republiky v rámci projektu SGS16/199/OHK1/3T/11.
Reference
- Česká geologická služba. Dekorační kameny ČR. [online]. 31. 3. 2016 [cit. 2016-03-31]. Dostupné z:
http://dekoracni-kameny.geology.cz/index_cz.pl - Významné geologické lokality. Česká geologická služba. [online]. 31. 3. 2016 [cit. 2016-03-31]. Dostupné z: http://www.geology.cz/extranet
- Pavlíková, M., Pavlík, Z., Hošek, J., Materiálové inženýrství I, České vysoké učení technické v Praze, 2011.
- Keppert, M., Čáchová, M., Ďurana, K., Fořt, J., Koňáková, D., Pavlík, Z., Trník, A., Černý, R., Relationship Between Pore Size Distribution and Mechanical Properties of Porous Sedimentary Rocks, In: 3rd International Conference on Applied Materials and Electronics Engineering, AMEE 2014, China, Hong Kong: Advanced Materials Research, 2014.
- ČSN EN 1926: Zkušební metody přírodního kamene – Stanovení pevnosti v prostém tlaku, ČSNI, 2007.
- ČSN EN 13161: Zkušební metody přírodního kamene – Stanovení pevnosti za ohybu při konstantním momentu, ČSNI, 2008.
- ČSN EN 1925: Zkušební metody přírodního kamene – Stanovení součinitele nasákavosti vodou působením vzlínavosti, ČSNI, 2000.
- Applied Precision – ISOMET. [User manual], Bratislava, 1999.
This article deals with several types of sandstones which were selected from function quarries in Czech Republic. Scope of several measurement performed on sandstones are presented in this article. Basic physical properties, compressive strengths, bending strengths, hygric transport abilities (liquid water transport and water vapour transport) and thermal characteristics were determined and compared.