VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
FAKULTA STAVEBNÍ ÚSTAV TECHNOLOGIE STAVEBNÍCH HMOT A DÍLCŮ FACULTY OF CIVIL ENGINEERING INSTITUTE OF TECHNOLOGY OF BUILDING MATERIALS AND COMPONENTS
VÝVOJ SAMONIVELAČNÍCH SMĚSÍ ZE SMĚSNÉHO PORTLANDSKÉHO POJIVA THE DEVELOPMENT OF SELF-LEVELING MIXTURE OF MIXED PORTLAND BINDER
DIPLOMOVÁ PRÁCE DIPLOMA THESIS
AUTOR PRÁCE
BC. DALIBOR KIANIČKA
AUTHOR
VEDOUCÍ PRÁCE CSc. SUPERVISOR
BRNO 2015
prof. Ing. MARCELA FRIDRICHOVÁ,
VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ FAKULTA STAVEBNÍ Studijní program Typ studijního programu Studijní obor Pracoviště
N3607 Stavební inženýrství Navazující magisterský studijní program s prezenční formou studia 3607T020 Stavebně materiálové inženýrství Ústav technologie stavebních hmot a dílců
ZADÁNÍ DIPLOMOVÉ PRÁCE Diplomant
Bc. Dalibor Kianička
Název
Vývoj samonivelačních směsí ze směsného portlandského pojiva
Vedoucí diplomové práce
prof. Ing. Marcela Fridrichová, CSc.
Datum zadání diplomové práce Datum odevzdání diplomové práce V Brně dne 31. 3. 2014
31. 3. 2014 16. 1. 2015
............................................. ................................................... prof. Ing. Rostislav Drochytka, CSc., MBA prof. Ing. Rostislav Drochytka, CSc., MBA Vedoucí ústavu Děkan Fakulty stavební VUT
Podklady a literatura Dílčí zpráva záměru VVZ MSM 0021630511 - DT1 2008,2009,2010 DUDA, H.,W., Cement Data-book, Bauverlag GmbH Wiesbaden und Berlin, 1975 HLAVÁČ, J., Základy technologie silikátů, 1. vydání. Praha: SNTL, 1981. VAVŘÍN, F., Maltoviny, 3. vydání. Brno: Rektorát Vysokého učení technického v Brně, 1987. ŠAUMAN, Z., Maltoviny I, VUT v Brně, 1993 LACH, V., DAŇKOVÁ, M., Mikrostruktura stavebních látek, 2. vydání, VUT Brno, ISBN 80-214-0309-8. Zásady pro vypracování V návaznosti na předchozí výzkum ÚTHD je práce zaměřena na optimalizaci samonivelační stěrky a potěru na bázi ternárního pojivého systému s portlandským cementem. Cílem je vývoj samonivelační stěrky a samonivelačního potěru s drceným kamenivem Předklášteří ve třídě C20, příp. C30 o tloušťce vrstvy 3 – 10 mm u stěrky a tloušťce vrstvy větší než 15 mm u potěru. Sledováno bude jednak fyzikálně chemické chování ternárního pojivového systému, a dále dosahované technologické vlastnosti směsí. Práce bude provedena v souladu s následujícími pokyny: - rešerše současného stavu poznání, - sledování hydratačního procesu a základních fyzikálně chemických vlastností ternárního pojivého systému, - návrh na optimalizaci složení samonivelační stěrky a potěru, - sledování základních technologických a aplikačních vlastností. Rozsah práce cca 80 stran formátu A4 včetně příloh. Předepsané přílohy Licenční smlouva o zveřejňování vysokoškolských kvalifikačních prací
............................................. prof. Ing. Marcela Fridrichová, CSc. Vedoucí diplomové práce
Abstrakt Práce se zabývá optimalizací samonivelačních podlahových potěrů a stěrek na bázi ternárního pojivového systému portlandský cement-hlinitanový cement-sádrovec s cíleným vznikem ettringitu. V rámci práce byl sledován vliv navržené surovinové směsi, zušlechťujících přísad a granulometrie kameniva na dosahované technologické vlastnosti dle normových požadavků. Klíčová slova Samonivelační podlahový potěr, samonivelační podlahová stěrka, ternární pojivový systém, ettringit.
Abstract This thesis aims to optimize self-levelling floor screeds and thin layer screeds based on ternary binder system containing portland cement, calcium aluminate cement and gypsum with intentional ettringite formation. It also studies the influence of designed mixtures, chemical admixtures and aggregate granulometry on achieved technological characteristics required by standard. Keywords Self-levelling floor screed, Self-levelling thin layer floor screed, ternary binder system, ettringite.
Bibliografická citace VŠKP Bc. Dalibor Kianička Vývoj samonivelačních směsí ze směsného portlandského pojiva. Brno, 2014. 80 s., 80 s. příl. Diplomová práce. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, Ústav technologie stavebních hmot a dílců. Vedoucí práce prof. Ing. Marcela Fridrichová, CSc.
Prohlášení: Prohlašuji, že jsem diplomovou práci zpracoval(a) samostatně a že jsem uvedl(a) všechny použité informační zdroje.
V Brně dne 15. 1. 2015
……………………………………………………… podpis autora Bc. Dalibor Kianička
Poděkování Děkuji paní prof. Ing. Marcele Fridrichové, CSc., za výborné vedení, konzultace a připomínky, dále také Ing. Dominiku Gazdičovi, Ph.D., všem zaměstnancům ÚTHD FAST VUT Brno a i všem ostatním, kteří mi v průběhu vypracování této diplomové práce pomáhali a byli oporou.
Obsah Obsah ................................................................................................................................................. 8 Úvod ................................................................................................................................................. 10 1.
Teoretická část ......................................................................................................................... 12 1.1.
1.1.1.
Výhody a nevýhody samonivelačních stěrek ........................................................... 13
1.1.2.
Klasifikace a deklarace samonivelačních stěrek ....................................................... 14
1.1.3.
Typy samonivelačních stěrek a jejich použití ........................................................... 15
1.2.
Objemová stabilita samonivelačních stěrek a potěrů ...................................................... 16
1.3.
Cementová pojiva s cílenou tvorbou ettringitu ............................................................... 18
1.4.
Základní složky ternárního pojiva..................................................................................... 20
1.4.1.
Portlandský cement.................................................................................................. 20
1.4.2.
Hlinitanový cement .................................................................................................. 20
1.4.3.
Sádrovec ................................................................................................................... 21
1.5.
Seznam zkoušek ............................................................................................................... 22
1.5.1.
Pevnost v tahu za ohybu .......................................................................................... 23
1.5.2.
Pevnost v tlaku ......................................................................................................... 24
1.5.3.
Přídržnost ................................................................................................................. 25
1.5.4.
Rentgenová difrakční analýza .................................................................................. 25
1.5.5.
Elektronová rastrovací mikroskopie ......................................................................... 26
1.6. 2.
Samonivelační stěrky a potěry ......................................................................................... 12
Uložení zkušebních těles .................................................................................................. 27
Experimentální část .................................................................................................................. 28 2.1.
Cíl práce ............................................................................................................................ 28
2.2.
Metodika práce ................................................................................................................ 28
2.3.
Postup prací...................................................................................................................... 32
2.4.
Použité suroviny a přístroje.............................................................................................. 36
2.4.1.
Použité suroviny ....................................................................................................... 36
2.4.2.
Použité přístroje ....................................................................................................... 39
2.5.
Vyhodnocení výsledků...................................................................................................... 44
2.5.1.
Optimalizace receptur .............................................................................................. 44
2.5.2.
Technologické vlastnosti samonivelačních směsí .................................................... 47
2.5.3.
Mikrostruktura samonivelačních směsí ................................................................... 55
2.6.
Diskuze výsledků .............................................................................................................. 72
Závěr ................................................................................................................................................. 74 Seznam použitých zdrojů ................................................................................................................. 75 Seznam použitých zkratek a symbolů .............................................................................................. 77 Seznam obrázků ............................................................................................................................... 78 Seznam tabulek ................................................................................................................................ 79 Seznam grafů .................................................................................................................................... 80
Úvod Tato práce navazuje na předchozí výzkum a zaměřuje se na optimalizaci samonivelačního potěru a stěrky, založených na ternárním pojivovém systému s portlandským cementem. Suché maltové směsi, a zejména potom samonivelační, jsou moderním a vyspělým materiálem, který je v České republice již běžnou součástí stavební praxe, a to především v bytové a občanské výstavbě. Tyto směsi získávají stále větší zastoupení a přináší mnohé výhody oproti tradičním postupům a starším materiálům. Oproti většině nynějších samonivelačních směsí s pojivovým systémem na bází hlinitanového cementu nebo síranu vápenatého (někdy u nás zjednodušeně nazývaných anhydritové, i když anhydrit jejich hlavní pojivovou složkou být vůbec nemusí) je zde vyvíjený a popisovaný ternární pojivový systém postaven na směsi portlandského cementu, hlinitanového cementu a sádrovce. Portlandský cement je zde majoritní složkou, hlinitanový cement a sádrovec jsou zde voleny jako modifikanty, které slouží k docílení objemové stability pojiva a výsledných směsí. Toho je dosaženo dávkováním hlinitanového cementu a sádrovce v proporčním poměru na cílenou tvorbou ettringitu. Takto navržený systém by měl v praxi poskytovat mnoho výhod, mezi nimi například výraznější materiálovou shodu s vrstvou lepicích tmelů (běžně vyráběných na bázi portlandského cementu) při často realizovaném pokládání dlažby na samonivelační vrstvu. Samonivelační potěr by zase přispěl k uspokojení poptávky trhu po alternativě potěrů na bázi síranu vápenatého, které v současnosti zcela převládají. To by velmi pomohlo v oblasti použití samonivelačních potěrů ve vlhkém prostředí, které je pro „anhydritové‘‘ potěry nevhodné. Taktéž je u samonivelačních potěrů na bázi portlandského cementu prostor dosahovat vyšších pevností a s tím spojená možnost použití tenčí, ale pevnější vrstvy, než u sírano-vápenatých potěrů, což poté povede k celkovému odlehčení podlahových konstrukcí. Jako poslední výhodu zmiňme schopnost vyztužování cementových systémů ocelovou síťovou výztuží, což se u potěrů ze síranu vápenatého, vzhledem k jejich nižší hodnotě pH, doporučit nedá.
10
Očekává se, že kombinací všech výše zmíněných faktorů lze zamezit poruchám podlahových konstrukcí a současně zlevnit průmyslovou výrobu samonivelačních směsí.
11
1. Teoretická část 1.1. Samonivelační stěrky a potěry Samonivelační stěrky [4] ve formě suchých stavebních směsí jsou poměrně mladým a moderním materiálem na našem stavebním trhu. V západní nebo severní Evropě se vyskytují již přes 40 let, u nás se ovšem začínají objevovat až v druhé polovině 90. let minulého století, a to v různých formách. Nejdříve přes dovoz od různých zahraničních výrobců a teprve postupně, a s rozmachem výroby a používání suchých stavebních směsí u nás, se začínají koncem 90. let vyrábět také v České republice. V dnešní době už jsou samonivelační směsi zcela běžně používané, zejména v občanské výstavbě pro vyrovnávání povrchů a před pokládáním podlahových krytů. Co se týče samonivelačních stěrek, Štenko [7] uvádí, že „v současné době v tuzemsku převládá ternární pojivová koncepce směsného pojiva na bázi portlandského cementu, hlinitanového cementu a vhodného typu síranového pojiva. V menším rozsahu jsou používány stěrky „sádrové“, na bázi αhemihydrátu, anhydritu, případně jejich směsí.‘‘ V případě samonivelačních potěrů je potom situace podle Štenka [7] poměrně odlišná, zde totiž „dominují „sádrová pojiva“ (α-hemihydrát, anhydrit a jejich směsi). Tyto potěry jsou obecně označovány jako „sádrové“ nebo „anhydritové“, přestože anhydrit nemusí být hlavní složkou pojiva nebo nemusí být přítomen vůbec. Jedná se zde především o snahu výrobců těchto potěrů, vyhnout se pojmu „sádra“, který u laické veřejnosti vzbuzuje nedůvěru k funkčním vlastnostem a trvanlivosti takovýchto potěrů.‘‘ Stran samonivelačních potěrů je také možno poznamenat, že potěry na bázi směsných cementových pojiv a sádry (obecně označované jako „cementové‘‘ a mající tedy jistou podobnost s pojivem samonivelačních stěrek) jsou zatím spíše ve fázi intenzivního vývoje a příprav a pouze minoritních praktických realizací. Na trh se zatím dostávají v menším rozsahu, a to s technicko-aplikačními omezeními oproti potěrům založeným na α-hemihydrátu a anhydritu [7]. Samonivelační stěrky a potěry s dobrou reologií a samonivelačními schopnostmi jsou již delší dobu často používány v různých oblastech, jako je 12
výstavba nových objektů ale i různé opravy těch stávajících. Jedná se např. o kancelářské budovy, bytové domy, školy, nemocnice, sklady i parkovací plochy. Kromě rozmanitých možností použití však roste i poptávka zákazníků po zvyšujících se schopnostech těchto materiálů. S tím se potom logicky pojí i očekávání zákazníků na zlepšování schopností těchto látek, jako je lepší zpracovatelnost, rychlejší schnutí a tvrdnutí, zlepšená objemová stálost nebo co nejvyšší hladkost povrchu. Samonivelační hmoty se tak stávají více různorodými materiály s vyššími schopnosti a vyniká tak potřeba porozumění jejich základním vlastnostem [13]. 1.1.1. Výhody a nevýhody samonivelačních stěrek Pokud
porovnáváme
samonivelační
stěrky
s běžnými
cementovými
tenkovrstvými potěry, jejich hlavní výhody jsou následující [4]:
-
jejich vysoká rovinatost, která bezpečně splňuje obvyklý požadavek max. 2 mm na 2 m
-
vysoká aplikační produktivita práce s nimi, kdy při strojní aplikaci a při obvyklé tloušťce vrstvy stěrky 5 mm můžeme dosahovat až 2500 m² za směnu
-
výborná objemová stabilita, díky které odpadá nutnost provádět řízené smršťovací dilatace, resp. řezání smršťovacích spár, což velmi snižuje celkovou pracnost
-
jejich brzká zatížitelnost: povrchy bývají pochůzné už po 2-6 hodinách od aplikace
-
deklarované hodnoty přídržností na většině běžně používaných podkladů, jako je beton a keramika, dle typu a pevnostní třídy konkrétní stěrky od min. 0,5 MPa do min. 2 MPa
Jako nevýhody samonivelačních stěrek dle materiálového složení se naopak uvádí [4]:
-
nevhodnost většiny stěrek k použití v exteriéru nebo v trvale vlhkém prostředí
-
nevhodnost pro spády nad 1 % 13
-
nevhodnost do prostředí s vysokými teplotami: pro sádrové materiály maximálně 80 °C, pro cementové a polymercementové maximálně do 180 °C
1.1.2. Klasifikace a deklarace samonivelačních stěrek Deklarace dle normy ČSN EN 13813 [3] nám předepisuje z povinných, normativních a klasifikačních parametrů uvádět u samonivelačních stěrek následující [4]:
-
charakter pojiva. Značení CT pro cementová, označení CA pro síran vápenatý
-
pevnost v tlaku: třídy C5 až C80 (5–80 MPa)
-
pevnost v tahu za ohybu: třídy F1 až F50 (1–50 MPa)
-
hodnotu pH: toto se týká pouze materiálů ze síranu vápenatého
-
v případě, že byly použity speciálních suroviny, předepisuje norma povinnost jejich přítomnost slovně uvést, tedy např. „Cementový stěrkový materiál modifikovaný polymerem‘‘
-
odolnost povrchu proti obrusu, resp. valivému zatížení (ovšem pouze u finálních materiálů, které budou po dobu své životnosti vystaveny tomuto namáhání) jednou ze tří přípustných metod: -
A – Böhme: klasifikace A 1,5 až A 22 (množství obroušeného materiálu 1,5–22 cm³/50 cm²)
-
BCA – klasifikace AR 0,5 až AR 6 (hloubka obroušeného materiálu ve stovkách µm)
-
RWA – klasifikace RWA 1 až RWA 300 (množství obrusu 1–300 cm³)
Norma dále předepisuje řadu zkoušek označených jako volitelné. Z nich lze za poměrně zásadní považovat ještě zkoušku přídržnosti, uvedenou v pozdější kapitole.
14
1.1.3. Typy samonivelačních stěrek a jejich použití Samonivelační materiály můžeme podle jejich základních vlastností a typu použití rozdělit na [5]:
-
stěrky vyrovnávací nebo také podkladní, které jsou určené zejména pod podlahové kryty, případně též pod následně aplikovanou svrchní stěrku finální
-
stěrky finální (vyrovnávací nebo zpevňující), pro přímé vyrovnání podkladů nebo stěrek podkladních
-
stěrky
speciální,
mezi
které
můžeme
zařadit
například
stěrky
rychletuhnoucí, stěrky určené k zalévání podlahového topení nebo stěrky s vláknitou výztuží na přetvárné podklady. Vlastní stěrkování je velmi citlivé na možné okolní vlivy, které je tedy potřeba vždy správně posoudit a počítat s nimi při aplikaci. Obecně můžeme říci, že na každý podklad – nasákavý i nenasákavý – je potřeba použít penetrační nátěr, který je velmi důležitý pro úspěšnou aplikaci samonivelačních stěrek a potěrů. Penetraci používáme zejména z těchto důvodů [14]:
-
snížení nasákavosti podkladu
-
ochrana podkladu před vlhkostí (důležité zejména pro anhydrit a dřevovláknité desky)
-
vytvoření kontaktního můstku
-
zvýšení přilnavosti podkladu
-
odstranění zbytkových prachových částic a nečistot Chybnou úvahou občas bývá, že pomocí penetrace dokážeme zpevnit
neúnosný podklad nebo překlenout případné trhliny a pracovní spáry v podkladu. Penetrace rozdělujeme podle materiálu na disperzní, epoxidové nebo penetrace, které slouží i jako kontaktní můstek.
15
1.2. Objemová stabilita samonivelačních stěrek a potěrů
Dle Štenka [7] jde o hmoty, které se aplikují v tekutém stavu a ve srovnání s klasickými cementovými potěry a mazaninami je tedy nutné k jejich ztekucení a následné schopnosti samonivelace zvýšit obsah záměsové vody. Oproti běžným cementovým potěrům, které lze s použitím plastifikátorů připravit v plastické konzistenci v pevnostní třídě například C 25/30 s vodním součinitelem zhruba 0,5, cementové samonivelační stěrky a potěry srovnatelných pevností vyžadují k dosažení samonivelačních schopností vodní součinitel minimálně 0,6, a to i za použití nejmodernějších superplastifikátorů. Je také třeba podotknout, že v případě cementových samonivelačních materiálů dochází k určitému posunu obecného chápání vodního součinitele w jako poměru hmotnosti vody mw k hmotnosti cementu mc, kdy pod pojmem mc zde rozumíme celkovou hmotnost veškerého pojiva obsaženého ve směsi, tedy ne pouze portlandského cementu samotného. Štenko dále ve své práci uvádí [7], že „v souvislosti s požadavkem objemové stability samonivelačních potěrů a stěrek, ve smyslu minimalizace jejich objemových změn oproti čerstvému stavu, jsou výše zmíněné vysoké nároky na množství záměsové vody (jako hlavního zdroje smršťování zrajících, hydraulicky pojených, hmot) v jistém rozporu s tímto požadavkem. Kromě již zmíněných vysokých nároků na množství záměsové vody k zajištění tekutosti patří k dalším problémovým faktorům samonivelačních podlahových hmot jejich jemnozrnná skladba, a tím vznikající vysoké nároky na vodu potřebnou k solvataci kameniva. Dále k negativním faktorům možnosti eliminace potenciálních poruch z rychlého vysychání a nadměrného smršťování patří vysoce problematická možnost ošetřování hmot v průběhu jejich zrání. U samonivelačních podlahových hmot je vyžadována rychlá funkčnost (ve smyslu časné pochůznosti). Jedná se zpravidla o velké plošné výměry, jejichž „klasické ošetřování“ (krytí folií, vlhkou textilií, apod.) je velmi problematické. Obtížně použitelná je také aplikace ochranných přípravků (tzv. curingy nebo sealery), které zpravidla vylučují nebo zhoršují přídržnost finálních podlahových krytů (lepení dlažby, linolea...) nebo nátěrů.‘‘ Z těchto důvodů [7] se při výrobě samonivelačních podlahových hmot používají speciální pojiva, resp. pojivové směsi, se schopností objemové stability, čímž se rozumí minimalizování konečných objemových změn vyzrálých hmot v 16
porovnání s jejich objemem v čerstvém stavu. Tato objemová stabilita má za praktický následek to, že takto připravené samonivelační podlahové hmoty mají minimální nebo nulové nároky na vytváření smršťovacích spár výsledných podlahových celků. Objemovou stabilitou tedy v tomto případě rozumíme, že samonivelační stěrky a potěry jsou materiálově navrženy tak, aby nárůst jejich objemu během tuhnutí a tvrdnutí kompenzoval smršťování, které mu předcházelo a poté i následovalo. Výše popsaný koncept objemové stability nám na příkladech analogických materiálů dokumentuje Obrázek 1.
Obrázek 1: Schematické znázornění průběhu objemových změn zrajících betonů na bázi portlandského cementu a expanzního cementu typu „K“ [7]
Materiál s označením „beton s expanzním cementem typu K“ na obrázku výše [7] tedy „představuje z hlediska charakteru pojiva analogii samonivelačních stěrek nebo potěrů na bázi ternárního pojivového systému, tvořeného majoritou portlandského cementu s přídavkem kalcium-sulfoaluminátového slínku a sádry, jehož objemový nárůst ve fázi tuhnutí a zpevňování způsobuje vznik ettringitu. Obrázek znázorňuje zidealizovaný průběh objemových změn, kdy míra expanze plně kompenzuje následné smršťování během zrání a konečná objemová změna materiálu je nulová. V závislosti na poměru pojivových složek však konečný stav 17
může skončit v kladné oblasti objemových změn (tzn. jisté zůstatkové expanze), nebo naopak může být objemová změna (nárůst) nedostatečná a výrobek se v konečném stádiu nadměrně smrští. Podstatou objemové stability (resp. objemového nárůstu) také dalších směsných cementových pojiv s obsahem sádry je časově i kvantitativně přiměřený vznik ettringitu 3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O, jehož vznik z disociovaných složek, obecně popisuje následující rovnice: Ca2+ + 2Al(OH)4- + 3SO42- + 4OH- + 26H2O → 3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O (3) Dané pojivové koncepce lze tudíž označit jako materiály s cílenou tvorbou ettringitu, kde při časné tvorbě ettringitu, která je cíleně vyžadována ve fázi tuhnutí a tvrdnutí hmoty, dochází k rychlému nárůstu pevností.‘‘
1.3. Cementová pojiva s cílenou tvorbou ettringitu
Cementová pojiva s cílenou tvorbou ettringitu jsou tvořena směsí portlandského a hlinitanového cementu nebo speciálních slínků, vždy s nutným přídavkem síranu vápenatého v některé z jeho forem [12]. Co se týče historie pojivových koncepcí s účelovou tvorbou ettringitu [7], zejména v období 60. let 20. Století byly zaznamenány objevy zásadního významu, na nichž do velké míry stojí výroba takzvaných ettringitových pojiv do současnosti. Významný byl zejména přínos MICHAILOVA (SSSR, 1960) a poté BUDNIKOVA a KRAVČENKA (SSSR, 1968) s jejich kombinacemi portlandského cementu, hlinitanového cementu a sádry nebo anhydritu (v poměru 66:20:14) při přípravě expanzního cementu (v USA označovaného jako „M cement“). Za zásadní reakci při tvorbě ettringitu je z hlediska zdroje Al3+ složky v „M cementech” považována reakce calcium aluminátu (CA), který je přítomnem v hlinitanovém cementu: CaO·Al2O3 + 2Ca(OH)2 + 3CaSO4 + 30H2O → 3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O (1)
18
Současně je zde i možná tvorba ettringitu za účasti trikalcium aluminátu (C3A), který je obsažen v portlandském cementu: 3CaO·Al2O3 + 3(CaSO4·2H2O) + 26H2O → 3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O (2) „Přestože „M cement“ byl vyvinut především ke zvýšení produktivity práce ve výrobě prefabrikovaných prvků, stala se tato pojivová koncepce posléze v 70. letech
minulého
století
základem
tzv.
ternárních
pojivových
systémů
samonivelačních podlahových hmot. V daném poměru pojivových složek, jak je navrhl MICHAILOV, jsou označovány jako ternární pojivové systémy s majoritou portlandského cementu. [7]‘‘ Polohu Michailovovy koncepce vzájemného poměru pojivových složek nám ukazuje Obrázek 2.
Anhydrit, hemihydrát
Hlinitanový cement
Portlandský cement
Obrázek 2: Michailovova koncepce pojivových složek v expanzních cementech typu „M“ – (portlandský cement):(hlinitanový cement):(anhydrit, sádra) = 66:20:14 [7]
19
1.4. Základní složky ternárního pojiva 1.4.1. Portlandský cement Technologicky můžeme portlandský cement definovat [11] „jako maltovinu, kterou lze získat z jemně rozemleté surovinové směsi určitého, jen v malých mezích kolísajícího, složení, jejím vypálením aspoň do slinutí, následujícím rychlým ochlazením a rozemletím na potřebnou jemnost. Přitom se při mletí přidávají některé látky regulující buď rychlost tuhnutí maltoviny (např. sádrovec) nebo zlepšující objemovou stálost a chemickou odolnost nebo zmenšující vývin hydratačního tepla nebo snižující výrobní náklady (např. granulovaná vysokopecní struska, tras, popílek atd.).‘‘ Suroviny k výrobě cementu [10] musí obsahovat všechny složky, které jsou nezbytné ke vzniku kvalitního slínku. Ty rozdělujeme do tří hlavních skupin na: složky vápenaté, složky jílovité a složky doplňující a korekční. Suroviny by měly mít vhodné chemické a mineralogické složení a také vyhovující fyzikálněchemické vlastnosti. Mají se snadno rozpojovat a mlít, podstatné je také jejich stejnoměrné složení, tak aby příprava směsi nevyžadovala příliš finančně náročné homogenizační zařízení. Cement se vypaluje zejména v rotačních pecích, kdy maximální teploty dosahují zhruba 1350-1450 °C. Rotační pece bývají krátké nebo dlouhé, výroba probíhá mokrým, suchým anebo polosuchým výrobním způsobem (u nás nyní převládá suchý výrobní způsob, doplněný výpalem v krátkých rotačních pecích s výměníky tepla) [12]. Chemické a mineralogické složení portlandského cementu CEM I 42,5 R používaného v této práci ukazuje Tabulka 6 a Tabulka 7 v kapitole 2.4.1. 1.4.2. Hlinitanový cement Hlinitanový cement je dle Adámka [9] „rychle tvrdnoucí hydraulické pojivo, které se získá jemným semletím hlinitanového slínku, připraveného tavením nebo pálením do slinutí surovinové směsi optimálního složení. Jeho hlavními složkami jsou Al2O3 a CaO. Podle obsahu CaO se dělí na vysokovápenaté (nad 40 %) a nízkovápenaté (pod 40 %).
20
Vyrábí se ze směsi bauxitu a vápence zpravidla v poměru 1:1. Tato směs se jemně mele a pak se vypaluje zpravidla v elektrických pecích do slinutí. Získaný slínek se nemusí tak jemně mlít, jako u CEM I, poněvadž hlinitany vápenaté obsažené ve slínku jsou velmi reaktivní s vodou.‘‘ Chemické složení většiny hlinitanových cementů poměrně značně kolísá. Obsah jednotlivých oxidů hlinitanového cementu Secar 51 používaného v této práci uvádí Tabulka 8 v kapitole 2.4.1. Hlinitanové cementy se typicky vyznačují velmi rychlým nárůstem počátečních pevností (až 30 MPa za 24 hodin) a konečnými pevnostmi i přes 50 MPa. Také mají velice dobrou odolností proti síranovým vodám. Jejich nevýhodou je naopak velký vývin hydratačního tepla, potřeba většího množství rozdělávací vody a také nutnost hojného kropení při zrání. Další klíčovou nevýhodou je potom doba životnosti betonů z hlinitanového cementu, která se pohybuje v rozmezí 25-35 let. V minulosti došlo k mnoha kolapsům betonových konstrukcí postavených z hlinitanového cementu, a proto je v současné době jeho používání ke konstrukčním účelům zakázáno. V současnosti se hlinitanový cement používá hlavně do žárobetonů díky svojí dobré odolnosti proti žáru a také často při přípravě pojiva pro podlahové směsi [9]. 1.4.3. Sádrovec Sádrovec CaSO4·2H2O je dle Vavřína [11] „minerál průhledný a bezbarvý nebo bílý nebo i jinak zbarvený, krystalizující v soustavě jednoklonné. Krystalky jsou buď hrubě lupenité nebo jemnozrnné nebo i vláknité (selenit), tabulkovité, sloupcovité nebo i čočkovité. Chemicky čistý sádrovec obsahuje 32,56 % CaO, 46,51 % SO3 a 20,93 % H2O. Má tvrdost 1,5 až 2 podle Mohsovy stupnice a měrnou hmotnost 2,30 až 2,32 g·cm-3. Ve vodě se rozpouští jen málo (při 18 °C je to asi 0,20 %, při 40 °C asi 0,21 % a při 100 °C asi 0,17 % hmot.). V přírodě se sádrovec vyskytuje v ložiskách, která podle jejich vzniku můžeme rozdělit na primární a sekundární. Primární ložiska vznikla z uzavřených moří nebo slaných jezer odpařováním vody. Tím se zvětšovala koncentrace solí v těchto vodách obsažených, až došlo k přesycení roztoků. Proto docházelo postupně k jejich vylučování a usazování. Nejdříve se vylučovaly soli ve vodě málo rozpustné, mezi které patří i síran vápenatý, a pak teprve soli rozpustnější, 21
zejména sloučeniny sodné a draselné. Proto takto vzniklá ložiska mají spodní vrstvy sádrovcové a nadloží většinou ze solí sodných a draselných. Sekundární vznik sádrovce se vysvětluje rozkladem pyritu za přítomnosti vápence. Některá ložiska jsou velmi čistá, jiná jsou do různého stupně znečištěna anhydritem, dolomitem, vápencem, slíny, jíly apod.‘‘ Uměle vyráběné sádrovce (takzvané průmyslové sádrovce) dělíme na energosádrovec
a
chemosádrovec.
Energosádrovec
typicky
vzniká
při
desulfatačním procesu v elektrárnách, které pracují s fosilními palivy (vzniká odsiřováním kouřových plynů). Oproti tomu chemosádrovec vzniká například při průmyslové výrobě titanové běloby [12]. To je například případ i v této práci používaného sádrovce Pregips. Přehled jeho vlastností uvádí Tabulka 9 v kapitole 2.4.1.
1.5. Seznam zkoušek
Norma ČSN EN 13813 [3] nám uvádí vlastnosti, které mají být zkoušeny (Tabulka 1). Tyto zkoušky se podle typu potěrového materiálu dělí na: -
Normativní
-
Volitelné, přichází-li to v úvahu
-
Netýká se (daného typu potěru)
22
Tabulka 1: Potěrové materiály a zkoušky, které se provádí pro jednotlivé druhy
Doba, v níž má být dosaženo předepsané hodnoty vlastnosti každého druhu pojiva je uvedena v ČSN EN 13892-1. Pokud může výrobce prokázat, že požadovaná třída vlastností je dosažitelná v dřívější době, může být tato doba uvedena v označení za předpokladu, že všechny deklarované hodnoty tříd jsou v této době dosahovány [3]. Z tabulky vidíme, že normativní zkoušky jsou tedy pevnost v tlaku a pevnost v tahu za ohybu. Odolnost proti obrusu je považována za normativní zkoušku poze tehdy, jedná-li se o potěrový materiál určený pro povrch odolný otěru. V takovém případě se potom volí jedna ze tří možných zkoušek, uvedených výše (Odolnost proti obrusu „Böhme‘‘, Odolnost proti obrusu „BCA‘‘ nebo Odolnost proti opotřebení valivým zatížením).
1.5.1. Pevnost v tahu za ohybu Pevnost v tahu za ohybu a pevnost v tlaku se dle ČSN EN 13892-2 [2] stanovuje na zkušebních tělesech zhotovených podle ČSN EN 13892-1. Nejdříve 23
se stanoví pevnost v tahu za ohybu. Pevnost v tahu za ohybu se vypočítá ze zatížení, které vede k porušení zkušebního tělesa při zatížení vyvozeném v jeho středu. Pevnost v tahu za ohybu, Rf, v MPa se vypočítá z následujícího vztahu:
𝐑𝐟 =
𝟏, 𝟓𝐅𝐟 𝐥 𝐌𝐏𝐚 𝐛𝐝𝟐
Pevnost v tahu za ohybu zaznamenáváme s přesností 0,05 MPa pro jednotlivá zkušební tělesa a s přesností 0,1 MPa pro průměrnou hodnotu ze tří zkoušek. Pevnost v tahu za ohybu označujeme jako ‚‚F‘‘ (podle Flexural) a za tímto označením uvádíme pevnost v tahu za ohybu v MPa [3]. Jednotlivé třídy udává Tabulka 2. Tabulka 2: Třídy potěrového materiálu podle pevnosti v tahu za ohybu
1.5.2. Pevnost v tlaku Dvě poloviny zlomeného zkušebního tělesa ze zkoušení pevnosti v tahu za ohybu se následně použijí pro stanovení pevnosti v tlaku. Každá z polovin se zkouší při zatížení tlakem, rovnoměrně rozloženém po části zlomeného tělesa. Pevnost v tlaku se vypočítá ze zatížení, které vedlo ke konečnému porušení zkušebního tělesa [2].
𝐑𝐜 =
𝐅𝐜 𝐌𝐏𝐚 𝐀
kde A je 40 mm x 40 mm. Pevnost v tlaku se musí zaznamenávat s přesností 0,05 MPa pro jednotlivá zkušební tělesa a s přesností 0,1 MPa pro průměrnou hodnotu ze šesti částí zkušebních těles. Pevnost v tlaku musí být označována jako „C‘‘ (podle Compresion) v pevnostních třídách v MPa, které uvádí Tabulka 3. 24
Tabulka 3: Pevnostní třídy potěrových materiálů podle pevnosti v tlaku
1.5.3. Přídržnost Přídržnost je v ČSN EN 13813 [3] uvedena jako volitelná zkouška, ovšem pro její význam byla v této práci provedena i ona. Stanovuje se podle ČSN EN 13892-8. Na povrch betonové podkladní desky se nanese penetrační nátěr a deska se olemuje bariérou pro zajištění cílené výšky zkoušeného potěru nebo stěrky v jejich běžných aplikačních konzistencích a tloušťkách. Vzorky se poté ukládají za běžných laboratorních podmínek. Zkouška se poté provádí na vyzrálých vzorcích opatřených odtrhovými terči 50x50 mm, které jsou přilepené např. methylmetakrylátovým lepidlem a dále po obvodu oříznuté diamantovým kotoučem 5 mm do podkladu. Hodnota přídržnosti B v MPa se vypočítá podle vztahu
𝐁=
𝐅 𝐌𝐏𝐚 𝐀
kde A je kontaktní plocha odtrhového terče Přídržnost se označuje jako „B‘‘ (podle Bond) s uvedením hodnoty přídržnosti v MPa [3]. Jednotlivé třídy přídržnosti pro potěrové materiály uvádí Tabulka 4. Tabulka 4: Třídy přídržnosti potěrových materiálů
1.5.4. Rentgenová difrakční analýza Pro stanovení mineralogického složení vzorků byla použita metoda rentgenové difrakční analýzy. Dle Lacha [8] metoda vychází ze spojení dvou principů: 25
-
krystalografického uspořádání látek
-
interakce rentgenového záření s částicemi tvořícími krystalovou mřížku látek Každý krystal vykazuje soubor rovnoběžných a v různých směrech
proložených mřížkových krystalových rovin. Rovnoběžné a od sebe stejně vzdálené roviny mají určitou mezirovinnou vzdálenost, označovanou d. „Jestliže známe hodnoty souboru mezirovinných vzdáleností různých minerálů a známe-li hodnotu mezirovinných vzdáleností zkoumané látky stanovené rentgenovou difrakční analýzou, můžeme podle těchto hodnot určit, jaký minerál ji tvoří nebo jaké minerály jsou ve zkoumané látce obsaženy. Takovým způsobem získáme údaje o fázovém (mineralogickém) složení analyzované látky a to jak kvalitativní, tak i kvantitativní.‘‘ [8]
1.5.5. Elektronová rastrovací mikroskopie K posuzování morfologie vzorků je jedna z nejpoužívanějších metod elektronová rastrovací mikroskopie (scanning electron microscope, SEM). Elektronová mikroskopie slouží ke studiu mikrostruktur objektů v oblastech, kde už rozlišovací schopnosti klasických optických mikroskopů nejsou dostatečné. Rozlišujeme elektronovou mikroskopii transmisní a rastrovací. Lach [8] uvádí, že „rastrovací (řádkovací) elektronový mikroskop se od transmisního liší tím, že svazek elektronů neprochází vzorkem, nýbrž dopadá na vzorek pod určitým úhlem. (…) Je v principu konstruován tak, že úzký elektronový svazek se vodí (řádkuje) po povrchu vzorku, kde vyvolává ionizací valenčních sfér atomů sekundární elektrony. Tyto jsou snímány detektorem, který dále moduluje elektronový paprsek na obrazovce, že probíhá synchronně se snímacím paprskem. Na základě různého excitačního proudu vzniká obraz, jehož kontrast je určen výtěžkem sekundárních (odražených) elektronů.‘‘
26
1.6. Uložení zkušebních těles Dle ČSN EN 13892-1 [1] se zkušební tělesa ukládají po dobu potřebnou pro zkoušení, tu nám udává Tabulka 5. Tabulka 5: Teplota uložení a doba uložení zkušebních těles
27
2. Experimentální část 2.1. Cíl práce V návaznosti na předchozí výzkum je diplomová práce zaměřena na optimalizaci samonivelační stěrky a potěru na bázi ternárního pojivového systému s
portlandským
cementem.
Cílem
je
vývoj
samonivelační
stěrky
a
samonivelačního potěru s drceným kamenivem Předklášteří ve třídě C 20, příp. C 30 o tloušťce vrstvy 3 až 10 mm u stěrky a tloušťce vrstvy větší než 15 mm u potěru. Sledován je jednak průběh hydratačního procesu ternárního pojivového systému a dále dosahované technologické vlastnosti směsí.
2.2. Metodika práce
Ve srovnání s většinou stávajících samonivelačních směsí s pojivovým systémem na bázi hlinitanového cementu či anhydritu je vyvíjený ternární pojivový systém založen na směsi portlandského cementu, hlinitanového cementu a sádrovce. Portlandský cement představuje hlavní pojivovou složku, hlinitanový cement a sádrovec jsou voleny jako modifikanty sloužící k docílení objemové stálosti pojiva. Obě tyto složky jsou proto dávkovány v proporčním poměru na cílenou tvorbu ettringitu. Díky takto navrženému systému by se v praxi, při velmi často realizované pokládce dlažby na samonivelační vrstvu, mělo docílit podstatně výraznější materiálové shody s nutnou vrstvou lepicího tmelu, běžně vyráběného na bázi portlandského cementu. Očekává se, že takto lze zamezit poruchám podlahové konstrukce a současně zlevnit průmyslovou výrobu samonivelačních směsí. Předchozí etapy výzkumu, na něž diplomová práce navazuje, byly nejprve zaměřeny na sledování vlastností ternárního pojivového systému. V úvodní etapě navržený ternární pojivový systém sestával z 90 % portlandského cementu a 10 % hlinitanového cementu plus sádrovce, přičemž jejich vzájemný poměr odpovídal stechiometrickému poměru na ettringit. Později byl na základě získaných výsledků poměr výchozích složek upravován, resp. přizpůsobován tak, aby co nejvíce napomohl
dosažení
normou
předepsaných 28
vlastností.
Vzorky
základního
ternárního pojiva byly dále modifikovány zušlechťovacími přísadami, a to provzdušňovačem, práškovou disperzí, étery celulózy a plastifikátory. Po dosažení uspokojivé modifikace pojiva byly navrženy pilotní receptury stěrkových a potěrových
směsí. Tyto
pak byly zkoušeny především
na
požadované
technologické vlastnosti. V
poslední ukončené etapě vývoje stěrek a potěrů již bylo co do
technologických vlastností dosaženo poměrně uspokojivých výsledků, vyskytly se ovšem určité nedostatky, které je snahou v rámci současných experimentálních prací odstranit. Proto byla ve stávající etapě navržena optimalizace receptur jak stěrkových, tak i potěrových směsí, spočívající ve změně dávkování cementu jakož i v dílčí záměně modifikujících přísad, event. v úpravě jejich dávkování. U vzorků samonivelačních potěrů se konkrétně vyšlo z receptury, která byla v předchozí etapě výzkumu vyhodnocena jako nejúspěšnější. Tato byla původně značena jako vzorek P5, jelikož však byla pro účel stávající etapy převzata jako vzorek referenční, je dále v textu označována jako vzorek P5-ref. Ve srovnání s touto recepturou se nově navržené receptury lišily jednak zvýšením obsahu cementu, záměnou provzdušňovací přísady za přísadu odpěňovací, změnou typu použitého plastifikátoru a zavedením retenční přísady. V případě samonivelačních stěrek byla jako referenční z předchozí etapy převzata receptura s označením vzorek S11, pro současné účely dále označovaná jako vzorek S11-ref. Nově navržené receptury se od této referenční lišily zvýšenou dávkou cementu, zavedením odpěňovací přísady, retenční přísady, event. vápenného hydrátu jako plastifikační a retenční přísady. Přehled o navržených recepturách potěrů i stěrek je uveden níže v kap. 2.5. Všechny vzorky, připravené dle navržených receptur, byly odzkoušeny na normou předepsané a další vybrané technologické vlastnosti v době hydratace 7 a 28 dnů. Po zkouškách technologických vlastností byly zbytky hydratovaných vzorků odebrány ke stanovení mineralogického složení metodou RTG-difrakční analýzy a posouzení morfologie sledované metodou elektronové rastrovací mikroskopie.
29
Metodika práce – dlouhodobé rozdělení
I. etapa • navržení a sledování vlastností ternárního pojivového systému • úpravy výchozích složek a modifikačních přísad • navržení pilotních receptur stěrkových a potěrových samonivelačních směsí • optimalizace dávkování všech přísad • zkoušení normou předepsaných vlastností
II. etapa • mikrostruktura a fyzikálně chemické vlastnosti navrženého ternárního systému • ztekucení samonivelačních směsí vybranými plastifikátory • technologické vlastnosti samonivelačních směsí • vyskytly se určité nedostatky, které je snahou nyní odstranit (nerovný povrch, nejednotná barva, částečné odlupování, nižší pevnosti)
III. etapa (aktuální) • optimalizace receptur stěrkových i potěrových směsí • změna dávkování cementu • záměna modifikujících přísad, event. úprava jejich dávkování • převzetí nejúspěšnější receptury z minulé etapy jako referenční • detailnější zkoušení normou předepsaných a dalších vybraných technologických vlastností • studium mikrostruktury navržených směsí
30
Metodika práce – schéma aktuální etapy Optimalizace receptur
Návrh směsí potěru i stěrky
Referenční P5-ref a S11-ref (z předchozí etapy)
Stěrka S11-I, II, III
Potěr P5-I, II
Optimalizace konzistence
Výroba zkušebních těles
Trámečky 40x40x160 mm
Pevnostní zkoušky Rc a Rf – 7 a 28 denní
Desky 500x500 mm
Tvarová deformace (curling)
RTG-difrakční analýza, SEM
Vyhodnocení
31
Vzorky pro zkoušku přídržnosti
Přídržnost B - 28 denní
2.3. Postup prací K přípravě vzorků samonivelačních stěrek a potěrů byl použit portlandský cement, hlinitanový cement, sádrovec, drcené kamenivo a příslušná aditiva. Bližší specifikace použitých surovin je uvedena v kap. 2.4.1. Kromě sádrovce byly ostatní výše uvedené suroviny použity bez úpravy. Sádrovec, dodávaný s cca 10 % vlhkostí, byl před použitím vysušen v laboratorní sušárně při teplotě 60° C do konstantní hmotnosti. Při vlastní přípravě vzorků suchých samonivelačních směsí byla nejprve na analytických vahách odvážena aditiva, která byla poté důkladně zhomogenizována s příslušnou dávkou portlandského cementu, hlinitanového cementu a sádrovce. Takto modifikované pojivo bylo následně zhomogenizováno s příslušnými frakcemi kameniva. Hmotnost jednorázově připravovaného vzorku činila 1500 g. Následující stanovení množství záměsové vody bylo u vzorků potěru provedeno postupem dle Hagermanna na rozliv koláče 220 ± 10 mm. U vzorků stěrky bylo potřebné množství záměsové vody stanoveno válečkovou metodou dle EN 12706 na rozliv 140 ± 10 mm (Obrázek 3).
Obrázek 3: Stanovení množství záměsové vody rozlivem válečkovou metodou u stěrky (vlevo) a Hagermannovým trychtýřem u potěru (vpravo)
V dalším byly suché směsi zkoušených vzorků rozmíchány normovým postupem na malty se stanoveným množstvím záměsové vody. Ze vzniklých malt byly zaformovány trámečky normových rozměrů 40x40x160 mm, které byly exponovány dle normou předepsaného postupu, tj. odformování trámečků po dvou
32
dnech od jejich přípravy, poté 5 denní uložení v prostředí nasycené vodní páry a následně uložení v laboratorním prostředí (Obrázek 4).
Obrázek 4: Čerstvě zaformované trámečky 40x40x160 mm (vlevo) a trámečky volně uložené v laboratorním prostředí (vpravo)
Z předepsaného prostředí byly trámečky odebírány po 7 a 28 dnech hydratace ke stanovení objemové hmotnosti, pevnosti v tlaku a tahu za ohybu (Obrázek 5). Mimo to byly vzorky malt po 28 dnech hydratace podrobeny stanovení přídržnosti k podkladu a nenormové zkoušce tvarové deformace.
Obrázek 5: Stanovení objemové hmotnosti, pevnosti v tahu za ohybu a v tlaku
33
Pro zkoušku přídržnosti byla příslušná malta nanesena na betonový podklad ošetřený penetračním nátěrem. Vrstva stěrky byla nanesena ve výšce cca 5 mm, vrstva potěru ve výšce cca 30 mm, připravené vzorky byly ponechány volně uloženy v laboratorním prostředí a po 27 dnech na nich byla provedena zkouška přídržnosti.
Obrázek 6: Vzorky stěrky a potěru na podkladu z betonových desek, připravené pro zkoušku přídržnosti (nahoře) a po zkoušce (dole)
34
Pro informativní zkoušku tvarové deformace (curling) byla příslušná malta zaformována do desky o stranách 500x500 mm. Potěr, odlitý ve výšce 30 mm, byl po 2 dnech hydratace odformován a vzniklá deska byla volně uložena v laboratorním prostředí. Stěrka byla odlita do formy se dnem vyloženým PE fólií ve výšce cca 7 mm. Po 2 dnech hydratace byly vzhledem k subtilnosti vzniklé desky odformovány pouze bočnice formy a vzorek, spočívající na dnu formy pokrytém fólií, byl ponechán volně uložený v laboratorním prostředí. Před provedením zkoušky byly rohy desek obroušeny a tím zbaveny nerovností a následně byla diagonálně oběma směry přikládána ocelová lať. Zasouváním měřidla pod tuto lať se potom zjistila celkové prohnutí desky. Tento postup ukazuje Obrázek 7. Vedle stanovení tvarové deformace bylo u desek uskutečněno též vizuální posouzení jejich povrchu.
Obrázek 7: Zkouška tvarové deformace – forma, úprava hran desek a samotné zkoušení
Ke sledování mikrostruktury byly použity zbytky vzorků po pevnostních zkouškách. Vzhledem k tomu, že příslušné analýzy obvykle nemohou přímo časově navazovat na zkoušky technologických vlastností, bylo nutné v dané hydratační době přerušit další hydrataci vzorků. Za tímto účelem byl každý vzorek 35
rozdružen v laboratorním mlýnku na maximální zrno 60 µm, trojnásobně promyt etylalkoholem a poté jedenkrát éterem. Vzorek s takto přerušenou hydratací byl vložen do vzduchotěsného PE obalu a uložen do mrazicího boxu.
Obrázek 8: Přerušení hydratace vzorků a následně jejich příprava pro elektronovou rastrovací mikroskopii a RTG-difrakční analýzu
RTG-difrakční analýza byla realizována pro vzorky hydratované po dobu 7 a
28
dnů,
elektronová
rastrovací
mikroskopie
byla
z časových
důvodů
uskutečněna pouze u vzorků hydratovaných po dobu 28 dnů.
2.4. Použité suroviny a přístroje 2.4.1. Použité suroviny Při experimentálních pracích byl pro základní ternární pojivový systém používán portlandský cement CEM I 42,5 R společnosti Českomoravský cement, a.s. závod Mokrá. Jako hlinitanový cement byl použit Secar 51 společnosti Lafarge, a.s. a sádrovec Pregips společnosti Precheza a.s. Přerov. Základní pojivová báze byla modifikována plastifikátorem Melflux 6681 F, dodavatel Stachema CZ, s.r.o. Brno, dále provzdušňovací přísadou Berolan LP 50, práškovou odpěňovací přísadou Agitan P, disperzní přísadou Dairen DA 1400 a retenční přísadou Ter Cell HPMC BCF B 75000 S PF, dodavatel HSH Chemie, s.r.o. Praha. Pro přípravu reálných malt bylo použito kamenivo z lomu Kámen Zbraslav, spol. s r.o. závod Předklášteří.
36
Portlandský cement Chemické složení použitého cementu uvádí Tabulka 6, mineralogické složení, stanovené výpočtem dle Boguea, je ukazuje Tabulka 7. Tabulka 6: Chemické složení portlandského cementu Chemické složení [%] CaO
SiO2
Al2O3
Fe2O3
MgO
SO3
S3-
Cl-
K2O
Na2O
65
19
4
3
1
3,0
0,04
0,051
0,75
0,15
Tabulka 7: Mineralogické složení portlandského cementu Mineralogické složení [%] C3S
C2S
C3A
C4AF
MgO
67
11
7
11
1,4
Hlinitanový cement Secar 51 Jedná se o hydraulické pojivo, mineralogicky na bázi monokalciumaluminátu CA s vedlejšími fázemi C12A7, C2AS a CT. Jeho typické chemické složení je ukazuje Tabulka 8. Tabulka 8: Chemické složení hlinitanového cementu Chemické složení [%] CaO
SiO2
Al2O3
37,5-39,5
4-6
49,5-51,5
Fe2O3 + FeO <3,5
MgO
SO3
TiO2
<1
<0,3
<4
K2O+ Na2O <0,4
Sádrovec Pregips Sádrovec Pregips je chemický sádrovec (z výroby titanové běloby) vysoké čistoty a
s
pouze nízkým
množstvím
doprovodných
kvalitativních znaků ukazuje Tabulka 9.
37
látek.
Přehled
základních
Tabulka 9: Přehled vlastností sádrovce Pregips Sledovaná vlastnost
Deklarované hodnoty
Obsah CaSO4.2H2O v sušině [%]
min. 95
pH [- ]
5-8
MgO rozpustný ve vodě [%]
max. 0,1
Na2O rozpustný ve vodě [%]
max. 0,06
Cl- rozpustný ve vodě [%]
max. 0,01
Vlhkost [%]
max. 13
Dairen DA 1400 Redispergovatelná prášková přísada na bázi vinyl acetát/ethylen kopolymeru. Okamžitě se rozpouští ve vodě za tvorby stabilní emulse, doporučené dávkování 0 – 0,6 %.
Tercell HPMC BCF B 75000 S PF Jedná se o práškovou přísadu na bázi éterů celulózy modifikovanou škroby. Slouží pro retenci vody, úpravu reologie a jako zahušťovadlo. Obvyklé dávkování do 0,3 %.
Melflux 6681 F Jde o práškový plastifikátor na bázi polykarboxyl éteru s výrobcem doporučeným dávkováním 0,05 – 1,00 %.
Berolan LP 50 Je to provzdušňovací prášková přísada na bázi laurylsulfonanu sodného, kde obvyklé dávkování se pohybuje kolem 0,1 %.
Agitan P Práškový odpěňovač pro samonivelační a spárovací hmoty, běžné dávkování je v rozmezí 0,05 – 0,3 %.
38
Drcené kamenivo z lomu Předklášteří Co se týče geneze, je toto kamenivo označováno jako svratecká ortorula, jejíž mineralogické složení sestává především z křemene, živců, muskovitických slíd a chloritů (rentgenogram viz Obrázek 9). Kamenivo podsítné frakce 0 - 4 mm je ze závodu Předklášteří dodáváno do firmy Rosomac. Ta jej dále upravuje sušením a následně třídí na frakce 0 - 0,8 mm, 0,8 - 1,5mm, 1,5 - 2 mm a 2 - 4 mm.
Obrázek 9: rentgenogram použitého kameniva
2.4.2. Použité přístroje Míchačka Dle normy ČSN EN 196-1 [6]. (Obrázek 10) Rozlivný kužel Známý jako Hagermannův trychtýř, o výšce 60 mm, horním vnitřním průměru 70 mm a spodním vnitřním průměru 100 mm popsaný v ČSN EN 1015-3. (Obrázek 11)
39
Rozlivný váleček Pro stanovení množství záměsové vody pro samonivelační stěrky válečkovou metodou dle EN 12706. Rozlivný váleček má vnitřní průměr 30 mm a výšku 50 mm. (Obrázek 13) Laboratorní váhy Radwag PS 4500/C/2, e = 0,1 g, d = 0,01 g. (Obrázek 12) Analytické váhy Sartorius analytic (Obrázek 14) Formy na zkušební tělesa Trojformy pro trámečky 160x40x40 mm, dle normy [1] zhotoveny z oceli nebo z jiného srovnatelného materiálu, který nereaguje s potěrovým materiálem. (Obrázek 15) Zkušební stroj pro stanovení pevnosti v tahu za ohybu a pevnosti v tlaku Dle normy ČSN EN 196-1 [6]. (Obrázek 16) Přípravek do zkušebního stroje pro stanovení pevnosti v tahu za ohybu a přípravek pro stanovení pevnosti v tlaku Dle normy ČSN EN 196-1 [6]. (Obrázek 17, Obrázek 18) Laboratorní sušárna Sušárna Binder FD 53 (Obrázek 19) Laboratorní mlýn Vibrační diskový mlýn Fritsch Pulverisette 9. (Obrázek 20) Digitální posuvné měřidlo Digital Caliper 200 mm. (Obrázek 21) RTG analyzátor PANalytical Empyrean (Obrázek 22) 40
Elektronový mikroskop Tescan Mira 3 (Obrázek 23) Přístroj pro odtrhové zkoušky Odtrhoměrné zařízení Comtest OP3/4 – [7] přístroj s tenzometrickým snímačem síly a regulovatelným elektrickým pohonem, s nastavením nárůstu zatěžovací síly dle požadavku ČSN EN 892-8 (Obrázek 24)
Obrázek 10: Normová
Obrázek 12:
Obrázek 14:
míchačka dle ČSN EN
Laboratorní váhy
Analytické váhy
Obrázek 11:
Obrázek 13: Rozlivný
Obrázek 15: Forma na
Hagermannův trychtýř
váleček
zkušební tělesa
196-1
41
Obrázek 16: Zkušební
Obrázek 20:
stroj pro stanovení
Obrázek 18: Přípravek
pevnosti v tahu za
do zkušebního stroje
ohybu a pevnosti
pro stanovení pevnosti
v tlaku
v tlaku
Laboratorní mlýn
Obrázek 21: Digitální posuvné měřidlo
Obrázek 17: Přípravek do zkušebního stroje pro stanovení pevnosti
Obrázek 19: Laboratorní sušárna
v tahu za ohybu
42
Obrázek 24: Odtrhoměrné zařízení
Obrázek 22: RTG analyzátor
Comtest OP3/4 [7]
Obrázek 23: Elektronový mikroskop
43
2.5. Vyhodnocení výsledků
2.5.1. Optimalizace receptur Z předchozí etapy výzkumu vyplynuly tyto hlavní závěry: a) dosahované pevnosti vyvinuté stěrky S11 a i potěru P5 byly dostačující pouze pro třídu C20, přičemž u potěru bylo této třídy dosaženo jen s minimální pevnostní rezervou b) vynechání původně používané retenční přísady způsobilo u vzorku stěrky S11 i vzorku potěru P5 výrazné odměšování záměsové vody. V návaznosti na takto formulované závěry byly pro optimalizaci receptur samonivelačních směsí vysloveny tyto předpoklady: ad a) zlepšení pevností lze docílit vícero způsoby. Jednak je možné zvýšit dávku pojiva a/nebo snížit množství záměsové vody použitím vyšší dávky ztekucovací přísady, event. její záměnou za přísadu účinnější. Dále je též možné snížit pórovitost vytvrzeného pojiva vynecháním provzdušňovací přísady či naopak dodáním odpěňovací přísady ad b) vzhledem k pozorovanému odměšování vody u obou referenčních vzorků je nutné do receptury stěrky i potěru zpětně zakomponovat retenční přísadu, a to i přes to, že vyvolá zvýšenou potřebu záměsové vody a následně snížení pevností. Z tohoto důvodu, ale i proto, že běžně užívané retenční přísady na bázi éterů celulózy představují nákladově nejnáročnější surovinovou položku, byla jednorázově odzkoušena možnost dílčí substituce této přísady vápenným hydrátem.
2.5.1.1.
Samonivelační potěr
Na základě výše uvedené rozvahy byly navrženy dvě upravené receptury samonivelačního potěru, označené jako vzorky P5-I a P5-II. U vzorku P5-I byla z receptury P5-ref vyňata provzdušňovací přísada, naopak znovu vložena retenční přísada a pro zamezení potenciálního vzniku vzdušných pórů a bublin byla nově do receptury zakomponována přísada odpěňovací. Receptura vzorku P5-II byla co do použitých aditiv a jejich dávkování shodná s recepturou P5-I, lišila se však od ní zvýšenou dávkou portlandského cementu. Oproti původní receptuře P5-ref byla 44
při dodržení původního dávkování dále zaměněna plastifikační přísada Melflux 4930 F za typ Melflux 6681 F. Přehled navržených receptur samonivelačních potěrů uvádí Tabulka 10. Tabulka 10: Navržené receptury samonivelačních potěrů Složka
2.5.1.2.
Obsah složky [%] P5-ref
P5-I
P5-II
20
20
25
0,5
0,5
0,5
1,5
1,5
1,5
29
29
24
18
18
18
24
24
24
7
7
7
0,015
-
-
0,15
-
-
-
0,2
0,2
-
0,25
0,25
-
0,05
0,05
Samonivelační stěrka
V případě vývoje samonivelační stěrky byly navrženy tři úpravy referenční receptury, označené jako vzorek S11-I, S11-II a S11-III. U vzorku S11-I byl oproti referenční receptuře S11-ref poněkud zvýšen obsah portlandského cementu při zachování stejného druhu a dávkování plastifikátoru. Zároveň byla do receptury přidána retenční přísada na bázi éteru celulózy, kombinovaná s vápenným hydrátem. Pro částečnou kompenzaci nutného zvýšení podílu záměsové vody vlivem retenční přísady byla z původní receptury odebrána provzdušňovací přísada a naopak přidána přísada odpěňovací. Pro recepturu vzorku S11-II bylo 45
navrženo stejné dávkování portlandského cementu i plastifikátoru jako pro vzorek S11-I. Ve srovnání s touto recepturou byla zvýšena dávka retenční přísady na bázi éteru celulózy a naopak vyjmuta přísada vápenného hydrátu. Pro kompenzaci zvýšeného podílu záměsové vody byla stejně jako v předchozím do receptury zahrnuta odpěňovací přísada. Receptura vzorku S11-III se od předchozí lišila zvýšenou dávkou portlandského cementu. Nutno dodat, že zvýšení obsahu portlandského cementu bylo u stěrek i u potěrů vždy provedeno na úkor dávky použitého kameniva nejjemnější frakce. Jediný další rozdíl receptury S11-III oproti receptuře S11-II spočíval ve snížení dávky retenční přísady na bázi éteru celulózy, a to na úroveň receptury S11-I. Přehled o navržených recepturách uvádí Tabulka 11. Tabulka 11: Navržené receptury samonivelačních stěrek Obsah složky [%]
Složka
46
S11-ref
S11-I
S11-II
S11-III
26
30
30
40
1
1
1
1
2
2
2
2
-
2
-
-
71
65
67
57
0,015
-
0,015
0,015
0,15
0,15
0,15
0,15
-
0,25
0,25
0,25
0,35
0,35
0,35
0,35
-
0,05
0,15
0,05
2.5.2. Technologické vlastnosti samonivelačních směsí 2.5.2.1.
Samonivelační potěr
Přehled o stanovených vlastnostech navržených vzorků samonivelačního potěru dokumentuje Tabulka 12. Tabulka 12: Technologické vlastnosti samonivelačního potěru Označení vzorku
Sledovaná vlastnost P5-ref
P5-I
P5-II
Množství záměsové vody [l/kg]
0,15
0,17
0,165
Rozliv [mm]
220x220
220x220
220x220
7 dnů
11,7
17,3
26,8
28 dnů
20,3
27,5
35,5
7 dnů
4,3
5,2
7,1
28 dnů
5,7
6,6
8,8
7 dnů
1840
2189
2167
28 dnů
1890
2067
2068
Pevnost v tlaku [MPa]
Pevnost v ohybu [MPa]
Objemová hmotnost [kg.m-3]
47
Graf 1: Pevnosti samonivelačního potěru 40 35,5 35 30
27,5
26,8
Pevnost [MPa]
25 20,3 20
17,3
Potěr P5 ref Potěr P5 - I
15 10 5
Potěr P5 - II
11,7 7,1 4,3
5,2
5,7 6,6
8,8
0 7 denní
28 denní
7 denní
pevnost v tahu za ohybu [MPa]
28 denní
pevnost v tlaku [MPa]
Na základě dosažených výsledků lze konstatovat: -
při rozlivu zkoušených malt na konstantní průměr koláče 220 ± 10 mm došlo u vzorků P5-I a P5-II vlivem použití retenční přísady jen k poměrně malému zvýšení potřebného množství záměsové vody oproti referenčnímu vzorku P5-ref. Konkrétně se podíl záměsové vody zvýšil o 11 % u vzorku P5-I a o 13 % u vzorku P5-II. Tento příznivý efekt lze dát do souvislosti především se zvýšenou dávkou plastifikátoru Melflux a patrně i se změnou jeho původně používaného typu 4930 F za účinnější typ 6681 F
-
i přes poněkud vyšší podíl záměsové vody vykázaly oba nově navržené vzorky vyšší pevnost v tahu za ohybu i pevnost v tlaku než referenční vzorek P5-ref, a to jak po 7, tak i po 28 dnech hydratace, viz Graf 1
48
-
příčinu
zvýšených
pevností
vzorku
P5-I
lze
spatřovat
v absenci
provzdušňovací přísady a patrně i v použití odpěňovací přísady. Jak dokládají výsledky stanovení objemové hmotnosti, která je u vzorku P5-I vyšší téměř o 20 % a po 28 dnech hydratace o cca 10 % než u vzorku referenčního, způsobovalo použití napěňovací přísady natolik významné zvýšení pórovitosti hydratovaného pojiva, že vedlo až ke snížení dosahovaných pevností -
dalšího zvýšení pevností bylo u vzorku P5-II dosaženo oproti vzorku P5-I pouhým zvýšením dávky cementu. Prakticky stejné objemové hmotnosti obou uvedených vzorků podporují výše uvedený názor, že zásadní příčinou nižších pevností referenčního vzorku P5-ref byla jeho vysoká pórovitost, způsobená použitím napěňovací přísady
-
co do vlivu doby hydratace lze konstatovat, že v době uložení 7 dnů byly rozdíly v pevnostech všech tří zkoušených vzorků podstatně významnější (nárůst pevností o 48 % mezi vzorky P5-ref a P5-I, resp. o 55 % mezi vzorky P5-I a P5-II) než v době uložení 28 dnů (nárůst pevností o 35 % mezi vzorky P5-ref a P5-I, resp. o 30 % mezi vzorky P5-I a P5-II). Tomuto jevu dále odpovídal, jak je uvedeno výše, i rozdíl mezi objemovými hmotnostmi vzorku P5-ref a P5-I. Popsané rozdíly podle všeho souvisejí se změnou mikrostruktury cementového kamene, způsobenou postupným nárůstem krystalů hydratačních zplodin typu „outer“, které částečně vyplňují mikropóry, mikrostruktura se stává hutnější, a tím následně rostou pevnosti
49
2.5.2.2.
Samonivelační stěrka
Výsledky
stanovení
technologických
vlastností
zkoušených
vzorků
samonivelační stěrky uvádí Tabulka 13. Tabulka 13: Technologické vlastnosti samonivelační stěrky Označení vzorku
Sledovaná vlastnost S11-ref
S11-I
S11-II
S11-III
Množství záměsové vody [l/kg]
0,21
0,275
0,327
0,275
Rozliv [mm]
140x140
140x140
140x140
140x140
7 dnů
18,6
15,0
8,6
23,3
28 dnů
27,4
25,1
15,8
37,2
7 dnů
7,3
4,4
2,9
6,0
28 dnů
7,7
6,1
4,8
8,2
7 dnů
2070
2000
1861
1978
28 dnů
2090
1828
1738
1894
Pevnost v tlaku [MPa]
Pevnost v ohybu [MPa]
Objemová hmotnost [kg.m-3]
50
Graf 2: Pevnosti samonivelační stěrky 40
37,2
35 30
27,4
25,1 Pevnost [MPa]
25
23,3 Stěrka S11 ref
18,6
20
15,0
15,8
Stěrka S11 - II
15 10 5
Stěrka S11 - III
8,6 7,3 4,4
6,0
Stěrka S11 - I
8,2
7,7 6,1 4,8
2,9
0 7 denní
28 denní
7 denní
pevnost v tahu za ohybu [MPa]
28 denní
pevnost v tlaku [MPa]
Na základě dosažených výsledků je možné říci: -
ze zkoušeného souboru vzorků vykázal vůbec nejhorší technologické vlastnosti vzorek S11-II. Ten sice obsahoval ve srovnání se vzorkem referenčním více portlandského cementu a odpěňovací přísadu, avšak tyto nedostačovaly ke kompenzaci nepříznivého účinku příliš vysoké dávky retenční přísady. Ta totiž způsobila, že se vzorek
S11-II vyznačoval
nejvyšší spotřebou záměsové vody, ve srovnání s oběma zkoušenými vzorky vyšší o cca 20 % a se vzorkem referenčním S11-ref dokonce o 56 %. Přímým důsledkem vysokého podílu záměsové vody pak byly nejnižší stanovené pevnosti i objemová hmotnost jak po 7, tak i po 28 dnech hydratace
51
-
vzorky
S11-I
a
S11-III,
navzájem
se
lišící
zvýšeným
obsahem
portlandského cementu, absencí vápenného hydrátu a naopak přítomností provzdušňovací přísady ve vzorku S11-III, vykázaly stejnou spotřebu záměsové vody. Přitom se lze domnívat, že vliv použitého množství provzdušňovací přísady je možné u jemnozrnné stěrky s obecně zvýšenou mikropórovitostí považovat za marginální, a tudíž že vliv 2 % přísady vápenného hydrátu ve vzorku S11-I přispěl přibližně stejnou měrou ke zvýšení spotřeby záměsové vody jako 10
% náhrada kameniva
portlandským cementem ve vzorku S11-III. Nejnižší spotřebu záměsové vody vykázal referenční vzorek S11-ref se sníženým obsahem cementu, bez odpěňovače a bez retenční přísady. Jelikož u provzdušňovací ani u odpěňovací přísady se neprokázal žádný jednoznačný vliv na podíl záměsové vody, lze nejnižší spotřebu vody u referenčního vzorku dát do souvislosti s absencí retenční přísady. Z uvedeného proto vyplývá, že u jemnozrnných směsí, mezi které samonivelační stěrka náleží, má ze zkoušených aditiv determinující vliv na spotřebu záměsové vody retenční přísada na bázi éteru celulózy -
přestože se vzorek S11-I vyznačoval ve vztahu k referenčnímu vzorku S11ref podstatně vyšším obsahem záměsové vody, byly jeho pevnosti v důsledku poněkud zvýšené dávky portlandského cementu po 7 dnech hydratace ještě nižší, ale po 28 dnech již téměř srovnatelné se vzorkem referenčním. Příznivý a významný vliv zvýšené dávky portlandského cementu se pak jednoznačně projevil u vzorku S11-III, který při nejvyšším obsahu cementu ve směsi vykázal též nejvyšší hodnoty pevnosti v tlaku i v tahu za ohybu, a to po 7 i po 28 dnech hydratace. Grafický přehled o dosahovaných pevnostech jednotlivých vzorků ukazuje Graf 2.
-
stejně jako u vzorků potěru bylo i u vzorků stěrky pozorováno, že s dobou hydratace dochází k určitému snižování rozdílů mezi pevnostmi i objemovou hmotností vzorků připravených dle jednotlivých receptur. Tímto se potvrzuje předpoklad o postupném zaplňování mikropórů zvětšováním podílu zrn hydratačních produktů typu „outer“
52
2.5.2.3.
Zkoušení přídržnosti a tvarové deformace
Přídržnost potěru a stěrky k betonovému podkladu byla zkoušená již jen u vzorků P5-II a S11-III, které byl z hlediska normou sledovaných vlastností vyhodnoceny jako nejvhodnější. Stejně tak i tvarová deformace byla ze stejného důvodu zkoušena opět u vzorků P5-II a S11-III. Jde o konkávní deformaci potěrové nebo stěrkové desky, nazývanou též „porucha zvednutých rohů“, v angličtině „curling of screed“. Výsledky obou zkoušek a celkové porovnání vlastností obou materiálů ukazuje Tabulka 14. Tabulka 14: Technologické vlastnosti dvou vybraných vzorků Označení vzorku
Sledovaná vlastnost
P5-II
S11-III
0,165
0,275
7 dnů
26,8
23,3
28 dnů
35,5
37,2
7 dnů
7,1
6,0
28 dnů
8,8
8,2
7 dnů
2167
1978
28 dnů
2068
1894
2,7
2,0
0,1
0,4
Množství záměsové vody [l/kg] Pevnost v tlaku [MPa]
Pevnost v ohybu [MPa]
Objemová hmotnost [kg.m-3]
Přídržnost k podkladu [MPa] 27 dnů* Tvarová deformace [mm] 27 dnů*
*z časových důvodů byly tyto vlastnosti testovány již po 27 dnech
53
Graf 3: Přídržnost k betonovému podkladu 3,0
2,7
2,5 2,0 Přídržnost B [MPa]
2,0 1,4
1,5 1,0 1,0
0,5
0,0 Potěr P5 ref
Potěr P5 - II
Stěrka S11 ref
Stěrka S11 - III
Na základě dosažených výsledku lze konstatovat: -
vzorek potěru P5-II se porušoval na rozhraní s podkladem, přičemž zhruba 15 % porušení bylo v potěru a zbytek na rozhraní. Hodnoty přídržností jsou mimořádně vysoké, vzhledem ke vzorku P5-ref, ale i obecně, převyšující normou danou nejvyšší třídu B2,0
-
také hodnota přídržnosti stěrky je velmi vysoká. Zde se ale jednalo ve většině případů o tahové pevnosti, neboť stěrka se porušovala pod povrchem. Pouze levý horní terč ( Obrázek 6) s přídržností 1,97 MPa představuje vlastní přídržnost, neboť zde došlo k porušení na rozhraní s podkladem. Uvedena je tedy tato hodnota, která i vzorek S11-III řadí do třídy B2,0. Zde ovšem zařazení není už tak jednoznačné jako u vzorku potěru
54
-
co se informativního zkoušení tvarové deformace týče, lze říci, že oba vzorky dopadly velmi dobře. Dle očekávání byla deformace menší u desky potěru P5-II (0,1 mm), která byla tlustší a hrubozrnnější a tedy méně náchylná ke curlingu. Subtilnější deska vzorku S11-III o tloušťce cca 7 mm ovšem vykázala také poměrně malou deformaci, kdy v diagonálním rozměru byla naměřena deformace 0,4 mm. Ta byla navíc naměřena ne uprostřed desky, jak by se dalo očekávat, ale zhruba ve dvou třetinách délky a lze tedy předpokládat, že forma desky byla při tuhnutí bohužel velmi mírně nakloněna (zřejmě vinou nerovnosti podlahy nebo nečistot pod formou) a tedy výsledek určitým způsobem ovlivnila
2.5.3. Mikrostruktura samonivelačních směsí Při sledování mineralogického složení metodou RTG-difrakční analýzy byly v hydratovaných vzorcích samonivelačních potěrů i stěrek identifikovány tyto minerály: -
portlandit, Ca(OH)2 (dhkl = 4,92, 3,108, 2,627 Ǻ)
symbol P
-
kalcit, CaCO3 (dhkl = 3,86, 3,035, 2,495 Ǻ)
symbol K
-
sádrovec, CaSO4.2H2O (dhkl = 7,56, 4,27, 3,79 Ǻ)
symbol S
-
ettringit, C3A.3CaSO4.32H2O (dhkl = 9,8, 5,7, 4,9 Ǻ)
symbol E
-
monosulfát, C3A.CaSO4.12H2O (dhkl = 8,92, 4,46, 3,99 Ǻ)
symbol M
-
jílové slídy, Al2O3.4SiO2.H2O (dhkl = 9,99, 4,98, 4,47 Ǻ)
symbol SL
-
křemen, SiO2 (dhkl = 4,21, 3,334, 1,541 Ǻ)
symbol Q
-
živce (K,Na)2O.Al2O3.6SiO2 (dhkl = 6,44, 4,02, 3,21 Ǻ)
symbol Ž
-
kaolinit, Al2O3.2SiO2.2H2O (dhkl = 7.21, 3.58 Ǻ)
symbol KA
-
++
amfibol typu aktinolitu, Ca2(Mg,Fe )5Si8O22(OH)2 (dhkl = 8,38, 3,12 Ǻ) symbol A Jelikož stěrka i potěr představují z hlediska mineralogického složení
heterogenní systém, sestávající z hydratovaného pojiva a kameniva, pro lepší identifikaci uvádí Obrázek 25 rentgenogram samostatného hydratovaného portlandského cementu CEM I 42,5 R po 28 dnech uložení, Obrázek 26 rentgenogram referenční normové malty na bázi portlandského cementu a Obrázek 27 rentgenogram samostatného kameniva Předklášteří. 55
Obrázek 25: Rentgenogram hydratovaného portlandského cementu po 28 dnech uložení
Obrázek 26: Rentgenogram referenční normové malty na bázi portlandského cementu po 28 dnech uložení
56
Obrázek 27: Rentgenogram kameniva Předklášteří
Z rentgenogramu, který ukazuje Obrázek 25 je patrné, že identifikační linie ettringitu dhkl = 9,8 a 5,7 Ǻ jsou u hydratovaného portlandského cementu ve vztahu k ostatním difrakcím velice nízké až zanedbatelné, což se v rentgenogramu referenční normové malty na bázi portlandského cementu projeví velice nízkou difrakcí dhkl = 9,87 Ǻ a absencí difrakční linie dhkl = 5,7 Ǻ. Z rentgenogramu kameniva Předklášteří (Obrázek 27) je dále zřejmé, že bazální difrakční linie ettringitu dhkl = 9,8 Ǻ koinciduje s bazální difrakcí jílových slíd typu muskovitu a illitu dhkl = 9,9 Ǻ. Z uvedeného plyne, že v heterogenním systému samonivelačních stěrek a potěrů je k identifikaci ettringitu využitelná pouze difrakční linie dhkl = 5,7 Ǻ.
57
2.5.3.1.
Samonivelační potěr
Rentgenogramy vzorku samonivelačního potěru P5-I uvádí Obrázek 28 a Obrázek 29, mikrostruktura tohoto vzorku je zřejmá na snímcích z elektronového mikroskopu, které ukazuje Obrázek 30. Rentgenogramy vzorku samonivelačního potěru P5-II ukazují Obrázek 31 a Obrázek 32, obojí v době hydratace 7 a 28 dní, elektronovou mikroskopii tohoto vzorku ve stáří 28 dnů dokumentuje Obrázek 33.
Obrázek 28: Rentgenogram samonivelačního potěru P5-I po 7 dnech hydratace
Obrázek 29: Rentgenogram samonivelačního potěru P5-I po 28 dnech hydratace
58
Zvětšení 500x
Zvětšení 1.000x
Zvětšení 2.000x
Zvětšení 2.000x
Zvětšení 2.000x
Zvětšení 5.000x
59
Zvětšení 5.000x
Zvětšení 10.000x
Obrázek 30: SEM vzorku samonivelačního potěru P5-I v době hydratace 28 dnů
Obrázek 31: Rentgenogram samonivelačního potěru P5-II po 7 dnech hydratace
60
Obrázek 32: Rentgenogram samonivelačního potěru P5-II po 28 dnech hydratace Zvětšení 500x
Zvětšení 1.000x
Zvětšení 2.000x
Zvětšení 2.000x
61
Zvětšení 2.000x
Zvětšení 5.000x
Zvětšení 5.000x
Zvětšení 10.000x
Zvětšení 10.000x
Obrázek 33: SEM vzorku samonivelačního potěru P5-II v době hydratace 28 dnů 62
Z výše uvedených rentgenogramů je zřejmé, že všechny analyzované vzorky vykazují kvalitativně stejné složení. Jsou v nich zastoupeny minerály kameniva, tj. především křemen, živce, jílové slídy, event. kaolinit a amfibol typu aktinolitu. Dále vzorky obsahují hydratační zplodiny pojiva, z nichž lze vždy identifikovat ettringit, dále pak portlandit a kalcit. Identifikační difrakce ettringitu dhkl = 5,7 Ǻ je sice velmi nízká, ale ze srovnání s intenzitou téže difrakce v čisté cementové pastě, resp. s její absencí v referenční normové maltě na bázi portlandského cementu, vyplývá, že vlivem modifikace pojiva hlinitanovým cementem a sádrovcem došlo k žádoucí zvýšené tvorbě tohoto minerálu. Portlandit, jako vedlejší zplodina hydratace alitu a belitu, je u obou vzorků více zastoupená v době uložení 7 dnů, po 28 dnech je zřejmá jeho dílčí transformace do minerálu kalcitu, ke které dochází vlivem reakce se vzdušným CO 2. Na snímcích z elektronové rastrovací mikroskopie je v celkovém pohledu při zvětšeních 500x a 1.000x pozorovatelné, že vzorek P5-II obsahuje více cementového tmele než vzorek P5-I. Na snímcích při zvětšení 2.000x je zřejmé pokrytí velkých ostrohranných zrn kameniva cementovým tmelem. Jeho morfologie je při tomto zvětšení poměrně obtížně identifikovatelná. Z detailů při zvětšení 5.000x až 10.000x je na snímcích evidentní amorfní C-S-H gel, místy jsou zřejmá destičkovitá zrna portlanditu a spíše jen ojediněle velice subtilní jehlicovitá zrna ettringitu.
2.5.3.2. Na
Samonivelační stěrka následujících
obrázcích
můžeme
vidět
rentgenogramy
vzorků
samonivelační stěrky S11-I (Obrázek 34 a Obrázek 35), S11-II (Obrázek 37 a Obrázek 38) a s11-III (Obrázek 40 a Obrázek 41), vždy v době hydratace 7 a 28 dní. Mikrostrukturu těchto vzorků, patrnou na snímcích pořízených elektronovou rastrovací mikroskopií v době hydratace 28 dnů, dokumentuje Obrázek 36, Obrázek 39 a Obrázek 42.
63
Obrázek 34: Rentgenogram samonivelační stěrky S11-I po 7 dnech hydratace
Obrázek 35: Rentgenogram samonivelační stěrky S11-I po 28 dnech hydratace
64
Zvětšení 500x
Zvětšení 1000x
Zvětšení 2000x
Zvětšení 2000x
Zvětšení 5000x
Zvětšení 5000x
65
Zvětšení 10.000x
Obrázek 36: SEM vzorku samonivelační stěrky S11-I v době hydratace 28 dnů
Obrázek 37: Rentgenogram samonivelační stěrky S11-II po 7 dnech hydratace
66
Obrázek 38: Rentgenogram samonivelační stěrky S11-II po 28 dnech hydratace Zvětšení 500x
Zvětšení 1000x
Zvětšení 2000x
Zvětšení 2000x
67
Zvětšení 5000x
Zvětšení 5000x
Zvětšení 10.000x
Obrázek 39: SEM vzorku samonivelační stěrky S11-II v době hydratace 28 dnů
68
Obrázek 40: Rentgenogram samonivelační stěrky S11-III po 7 dnech hydratace
Obrázek 41: Rentgenogram samonivelační stěrky S11-III po 28 dnech hydratace
69
Zvětšení 500x
Zvětšení 1.000x
Zvětšení 2.000x
Zvětšení 2.000x
Zvětšení 5.000x
Zvětšení 5.000x
70
Zvětšení 10.000x
Obrázek 42: SEM vzorku samonivelační stěrky S11-III v době hydratace 28 dnů
Stejně jako u vzorků potěru lze i v rentgenogramech stěrek identifikovat minerály kameniva, viz výše, a hydratační zplodiny pojiva, tj. portlandit, kalcit a ettringit. Obdobně jako u vzorků potěru i zde platí jednak to, že obsah ettringitu je zvýšený díky modifikaci pojiva hlinitanovým cementem a sádrovcem, a dále že se s dobou
uložení
portlandit
dílčím
způsobem
transformuje
do
kalcitu.
Rentgenogramy vzorků potěrů a stěrek se navzájem do určité míry liší kvantitativně tím, že ve vzorcích stěrek je patrný vyšší obsah portlanditu, resp. kalcitu a zároveň vyšší obsah jílových slíd. Zvýšený obsah portlanditu, resp. kalcitu je dán vyšší dávkou portlandského cementu ve stěrkách, zvýšený obsah jílových slíd je způsoben monofrakčním jemnozrnným kamenivem stěrek, ve kterém jsou na rozdíl od hrubozrnných frakcí kameniva v potěru tyto jílové minerály silně zastoupeny. Co se týče mikrostruktury stěrek, je z celkového pohledu při zvětšeních 500x a 1000x zřejmé jemnozrnnější kamenivo a vyšší podíl cementového tmelu než u vzorků samonivelačního potěru. Morfologie cementového tmelu stěrek je obdobná jako u potěrů, tedy nejvíce objemu zaujímá amorfní C-S-H gel, ojediněle se vyskytující destičkovitá zrna náležejí portlanditu a rovněž ojedinělá jehlicovitá zrna ettringitu.
71
2.6. Diskuze výsledků Na základě dosažených výsledků lze konstatovat: -
referenční
receptura
samonivelačního
potěru
P5
byla
upravena
vynecháním provzdušňovací přísady a naopak její náhradou přísadou odpěňovací. Dále byl zaměněn plastifikátor Melflux 4930 F za účinnější typ Melflux 6681 F, jehož dávka byla navíc zvýšena. Poslední úprava se týkala zvýšení
dávky
cementu.
Na
základě
realizovaných
zkoušek
technologických vlastností lze říci, že provedené zásahy měly pozitivní účinek. Došlo zejména ke zvýšení pevností, jejichž hodnoty byly u vzorku P5-II již natolik vysoké, že jej lze zařadit do pevnostní třídy C30/F6. Podle všech ukazatelů se jako nejvíce účinné projevilo zvýšení dávky cementu, a to z původních 20 % ve vzorcích P5-ref a P5-I na 25 % ve vzorku P5-II. Vedle normou sledovaných vlastností lze rovněž velmi pozitivně hodnotit tzv. tvarovou deformaci potěru P5-II, neboť tento vykázal po 27 dnech hydratace v laboratorním prostředí nulové smrštění a rovněž téměř dokonalou rovinatost. Mimořádně dobrých výsledků dosáhl potěr P5-II také při zkoušení přídržnosti k podkladu, kde dokonce s hodnotou 2,7 MPa převyšuje nejvyšší třídu B2,0 -
úprava referenční receptury samonivelační stěrky S11-ref byla podobná jako u samonivelačního potěru. Vyznačovala se především zvýšením dávky portlandského cementu z původních 26 % až na 40 %, zavedením odpěňovací přísady a obnovením přídavku éteru celulózy jako retenční přísady. Provedené zásahy vykázaly příznivý vliv na zlepšení vlastností samonivelační stěrky, jejíž vzorek S11-III docílil již tak vysokých pevností, že jej lze zařadit do třídy C30/F6. Tato stěrka dále vykázala velice dobrou rovinatost a přídržnost k podkladu, kde s hodnotou 2 MPa také dosáhla nejvyšší třídy B2,0
-
mikrostruktura samonivelačních stěrek byla díky použitému jemnozrnnému kamenivu a vyšší dávce cementu vždy hutnější a homogennější než u samonivelačních
potěrů.
RTG-difrakční
analýzou
byla
prokázána
přítomnost zvýšeného obsahu ettringitu v cementovém kameni, který přispěl ke zlepšení objemové stálosti jak stěrky, tak i potěru. Absolutní
72
množství ettringitu v cementovém kameni však dle výpočtu i dle skutečné morfologie cementového tmelu není nijak nadměrné, takže jeho přítomnost nezpůsobuje nežádoucí rozpínání daného kompozitu. Vedle ettringitu byl jako hlavní fáze cementového kamene identifikován C-S-H gel, portlandit a kalcit. Kvůli eliminaci potenciální tvorby výkvětů na bázi karbonátu vápenatého se pro další výzkum doporučuje nahradit malou část nejjemnější frakce kameniva 0 - 0,8 mm pucolánem, např. popílkem, metakaolinem či mikrosilikou. Velmi dobrým řešením by mohla být náhrada vypočteného množství jemnozrnného kameniva fluidním popílkem, který by v daném případě splňoval funkci pucolánu a zároveň funkci rozpínače, neboť
hydratací
v něm
obsaženého
anhydritu,
volného
alumosilikátových amorfních fází dochází ke tvorbě ettringitu
73
vápna
a
Závěr V souladu se zadáním byl v diplomové práci řešen výzkum a vývoj samonivelačního potěru a samonivelační stěrky na bázi ternárního pojivového systému. Na základě dosažených výsledků lze konstatovat, že úpravou výchozích receptur se podařilo jak u samonivelačního potěru, tak i u samonivelační stěrky docílit již tak vysokých pevností, že je lze zařadit do pevnostní třídy C30/F6. Mimo tyto normově závazné vlastnosti byla sledována i objemová stálost a rovinatost obou samonivelačních kompozitů. Díky příspěvku rozpínače na bázi hlinitanového cementu a sádrovce se podařilo docílit velmi dobré objemové stálosti i rovinatosti jak u samonivelačního potěru, tak i u samonivelační stěrky. Také bylo dosaženo mimořádně dobrých výsledků při zkoušení přídržnosti vzorků k betonovému podkladu, kdy lze potěr i stěrku zařadit do nejvyšší třídy B2,0, v případě potěru i s rezervou celé další třídy. Pro zlepšení ekonomické efektivity výroby se při dalším vývoji doporučuje substituovat zvolený rozpínač fluidním popílkem, který by v důsledku svého fázového složení mohl být rovnocennou náhradou a zároveň by vlivem svojí pucolanity mohl přispět i k úplnému zamezení potenciální tvorby výkvětů.
74
Seznam použitých zdrojů [1] ČSN EN 13892-1. Zkušební metody potěrových materiálů: Část 1: Odběr vzorků, zhotovení a ošetřování zkušebních těles. Praha: Český normalizační institut, 2003. [2] ČSN EN 13892-2. Zkušební metody potěrových materiálů: Část 2: Stanovení pevnosti v tahu za ohybu a pevnosti v tlaku. Praha: Český normalizační institut, 2003. [3] ČSN EN 13813. Potěrové materiály a podlahové potěry: Potěrové materiály Vlastnosti a požadavky. Praha: Český normalizační institut, 2003. [4] ŠTENKO, M. Samonivelační stěrky – kvalita a použití 1. iMateriály [online]. 17. 8. 2007. [cit. 2015-01-10]. Dostupné z:
[5] ŠTENKO, M. Samonivelační stěrky – kvalita a použití 2. iMateriály [online]. 9. 10. 2007. [cit. 2015-01-10]. Dostupné z: [6] ČSN EN 196-1. Metody zkoušení cementu: Část 1: Stanovení pevnosti. Praha: Český normalizační institut, 2005. [7] ŠTENKO, M. Studium objemových změn samonivelačních podlahových hmot z hlediska jejich konečné objemové stability, ve vazbě na jejich materiálové složení a volbu vhodných měřících metod. Brno, 2011. 128 s. Disertační práce na Fakultě stavební VUT v Brně. Vedoucí disertační práce Prof. RNDr. Ing. Stanislav Šťastník, CSc. [8] LACH, V., DAŇKOVÁ, M. Mikrostruktura stavebních látek. 2. vyd. Brno: Vysoké učení technické v Brně, 1991, 178 s. ISBN 80-214-0309-8. [9] ADÁMEK, J., NOVOTNÝ, B., KOUKAL, J. Stavební materiály. 1. vyd. Brno: CERM, 1997. 205 s. ISBN 80-214-0631-3. [10] ŠAUMAN, Z. Maltoviny I., 1. vyd. Brno: PC-DIT spol. s r.o. - Nakladatelství Brno, 1993. 198 s. ISBN 80-214-0509-0. [11] VAVŘÍN, F. Maltoviny. 3. vyd. Brno: Rektorát VUT v Brně, 1987. 253 s. [12] FRIDRICHOVÁ, M. Maltoviny II - přednášky. Brno FAST. 2013 [13] ONISHI, K., BIER, T. A. Investigation into relations among technological properties,
hydration
kinetics
and
early 75
age
hydration
of
self-leveling
underlayments. Cement and Concrete Research [online]. 2010, vol. 40, issue 7, s. 1034-1040 [cit. 2015-01-10]. DOI: 10.1016/j.cemconres.2010.03.004. Dostupné z: [14] BUREŠ, M. Samonivelační stěrka, Podlahář.cz, [online]. [cit. 2015-01-10]. Dostupné z: < http://www.podlahar.cz/priprava-podkladu/samonivelacnisterka.htmll>
76
Seznam použitých zkratek a symbolů w - vodní součinitel, poměr hmotnosti vody mw k hmotnosti cementu (pojiva) mc [-] Rf - pevnost v tahu za ohybu [MPa] RC - pevnost v tlaku [MPa] B - hodnota přídržnosti [MPa] OH - objemová hmotnost [kg·m3] C3A - trikalcium aluminát CA - calcium aluminátu C4AF - tetrakalciumaluminát ferit C3S - trikalcium silikát C2S - dikalcium silikát Ǻ - Ångström dhkl – mezirovinná vzdálenost
77
Seznam obrázků Obrázek 1: Schematické znázornění průběhu objemových změn zrajících betonů na bázi portlandského cementu a expanzního cementu typu „K“ [7] .................... 17 Obrázek 2: Michailovova koncepce pojivových složek v expanzních cementech typu „M“ – (portlandský cement):(hlinitanový cement):(anhydrit, sádra) = 66:20:14 [7] ......................................................................................................................... 19 Obrázek 3: Stanovení množství záměsové vody rozlivem válečkovou metodou u stěrky (vlevo) a Hagermannovým trychtýřem u potěru (vpravo) ........................... 32 Obrázek 4: Čerstvě zaformované trámečky 40x40x160 mm (vlevo) a trámečky volně uložené v laboratorním prostředí (vpravo) .................................................. 33 Obrázek 5: Stanovení objemové hmotnosti, pevnosti v tahu za ohybu a v tlaku .. 33 Obrázek 6: Vzorky stěrky a potěru na podkladu z betonových desek, připravené pro zkoušku přídržnosti (nahoře) a po zkoušce (dole).......................................... 34 Obrázek 7: Zkouška tvarové deformace – forma, úprava hran desek a samotné zkoušení ............................................................................................................... 35 Obrázek 8: Přerušení hydratace vzorků a následně jejich příprava pro elektronovou rastrovací mikroskopii a RTG-difrakční analýzu .............................. 36 Obrázek 9: rentgenogram použitého kameniva .................................................... 39 Obrázek 10: Normová míchačka dle ČSN EN 196-1............................................ 41 Obrázek 11: Hagermannův trychtýř ...................................................................... 41 Obrázek 12: Laboratorní váhy .............................................................................. 41 Obrázek 13: Rozlivný váleček .............................................................................. 41 Obrázek 14: Analytické váhy ................................................................................ 41 Obrázek 15: Forma na zkušební tělesa ................................................................ 41 Obrázek 16: Zkušební stroj pro stanovení pevnosti v tahu za ohybu a pevnosti v tlaku ................................................................................................................... 42 Obrázek 17: Přípravek do zkušebního stroje pro stanovení pevnosti v tahu za ohybu ................................................................................................................... 42 Obrázek 18: Přípravek do zkušebního stroje pro stanovení pevnosti v tlaku ....... 42 Obrázek 19: Laboratorní sušárna ......................................................................... 42 Obrázek 20: Laboratorní mlýn .............................................................................. 42 Obrázek 21: Digitální posuvné měřidlo ................................................................. 42 Obrázek 22: RTG analyzátor ................................................................................ 43 78
Obrázek 23: Elektronový mikroskop ..................................................................... 43 Obrázek 24: Odtrhoměrné zařízení Comtest OP3/4 [7] ........................................ 43 Obrázek 25: Rentgenogram hydratovaného portlandského cementu po 28 dnech uložení .................................................................................................................. 56 Obrázek 26: Rentgenogram referenční normové malty na bázi portlandského cementu po 28 dnech uložení .............................................................................. 56 Obrázek 27: Rentgenogram kameniva Předklášteří ............................................. 57 Obrázek 28: Rentgenogram samonivelačního potěru P5-I po 7 dnech hydratace 58 Obrázek 29: Rentgenogram samonivelačního potěru P5-I po 28 dnech hydratace ............................................................................................................................. 58 Obrázek 30: SEM vzorku samonivelačního potěru P5-I v době hydratace 28 dnů 60 Obrázek 31: Rentgenogram samonivelačního potěru P5-II po 7 dnech hydratace ............................................................................................................................. 60 Obrázek 32: Rentgenogram samonivelačního potěru P5-II po 28 dnech hydratace ............................................................................................................................. 61 Obrázek 33: SEM vzorku samonivelačního potěru P5-II v době hydratace 28 dnů ............................................................................................................................. 62 Obrázek 34: Rentgenogram samonivelační stěrky S11-I po 7 dnech hydratace .. 64 Obrázek 35: Rentgenogram samonivelační stěrky S11-I po 28 dnech hydratace 64 Obrázek 36: SEM vzorku samonivelační stěrky S11-I v době hydratace 28 dnů . 66 Obrázek 37: Rentgenogram samonivelační stěrky S11-II po 7 dnech hydratace . 66 Obrázek 38: Rentgenogram samonivelační stěrky S11-II po 28 dnech hydratace 67 Obrázek 39: SEM vzorku samonivelační stěrky S11-II v době hydratace 28 dnů 68 Obrázek 40: Rentgenogram samonivelační stěrky S11-III po 7 dnech hydratace 69 Obrázek 41: Rentgenogram samonivelační stěrky S11-III po 28 dnech hydratace ............................................................................................................................. 69 Obrázek 42: SEM vzorku samonivelační stěrky S11-III v době hydratace 28 dnů 71
Seznam tabulek Tabulka 1: Potěrové materiály a zkoušky, které se provádí pro jednotlivé druhy . 23 Tabulka 2: Třídy potěrového materiálu podle pevnosti v tahu za ohybu ............... 24 Tabulka 3: Pevnostní třídy potěrových materiálů podle pevnosti v tlaku .............. 25 Tabulka 4: Třídy přídržnosti potěrových materiálů ................................................ 25 79
Tabulka 5: Teplota uložení a doba uložení zkušebních těles ............................... 27 Tabulka 6: Chemické složení portlandského cementu ......................................... 37 Tabulka 7: Mineralogické složení portlandského cementu ................................... 37 Tabulka 8: Chemické složení hlinitanového cementu ........................................... 37 Tabulka 9: Přehled vlastností sádrovce Pregips................................................... 38 Tabulka 10: Navržené receptury samonivelačních potěrů .................................... 45 Tabulka 11: Navržené receptury samonivelačních stěrek .................................... 46 Tabulka 12: Technologické vlastnosti samonivelačního potěru ............................ 47 Tabulka 13: Technologické vlastnosti samonivelační stěrky ................................ 50 Tabulka 14: Technologické vlastnosti dvou vybraných vzorků ............................. 53
Seznam grafů Graf 1: Pevnosti samonivelačního potěru ............................................................. 48 Graf 2: Pevnosti samonivelační stěrky ................................................................. 51 Graf 3: Přídržnost k betonovému podkladu .......................................................... 54
80
