18MTY – 10. přednáškakeramika a sklo, beton

Keramika – 1. uměle vyrobený materiál, 10 tis. let př.n.l., dnešní Irák

Struktura keramických materiálů

Keramika nebo sklo?

Vlastnosti keramických materiálů• Přednosti keramických materiálů:

• vysoký bod tání (odolnost proti žáru)• velká tuhost (Youngův modul pružnosti)• velká tvrdost (odolnost opotřebení)• odolnost vůči otěru• chemická odolnost (proti kyselinám a roztaveným kovům)• nízká elektrická a tepelná vodivost• dostupné a hojné suroviny

• Zápory keramických materiálů: • křehkost• citlivost k tepelným rázům• obtížnější výroba• vysoké náklady

Složení keramických látekkeramické suroviny

plastické

pojiva

kaolíny

hlíny

jíly

neplastické

ostřiva

křemen

křemenec

𝛼 - korund

pálený kaolín

porcelánové střepy

a další

taviva

živec

vápenec

dolomit

magnezit

a další

Hlavní druhy keramiky

• Cihlářské výrobky

• Žáruvzdorná keramika

• Kamenina

• Porcelán

• Skla (amorfní)

• Technická keramika (izolátory, objímky, autosvíčky, obráběcí nástroje)

• Pokročilá keramika (např. integrované obvody)

• Cementy/pojiva (cement, vápno, sádra)

Výroba slinováním

Výroba keramikyMokrá směs vysychající směs před vypálením

Vliv pórovitostina pevnost

Keramika je křehká

Material Fracture

Toughness

(MPam)

Metals

Alloy steel (4340 tempered) 46

Titanium alloy (Ti-6Al-4V) 40-60

Ceramics

Aluminum Oxide 2 -5

Soda-lime glass 0.7

Polymers

Polymethylmethacrylate (PMMA) 0.9

Polystyrene (PS) 0.7 -1.0

U krystalické keramiky je plasticita nízká kvůliNepohyblivosti dislokacíU amorfních látek (sklo) je plasticita řízena viskózním tokem – tedy teplotou

Síly v kamenné stavbě

Křehkost keramických materiálů

Weibull

Konstrukční keramika

ZrO2

Transformační keramika –cesty ke zvýšení houževnatosti

Keramický motor, Si3N4

Space shuttle

Žáruvzdorné materiály- Snáší vysoké teploty- Nevedou teplo

Pokročilá keramika

• Keramický pancíř• Al2O3, B4C, SiC & TiB2

• Extrémně tvrdé materiály• Roztříští dopadající projektil

• Energie pohlcena spodními vrstvami materiálu

High-tech keramika

• Polovodiče

• Piezoelektrické materiály

• Supravodivé materiály

• …

• Uhlík – grafit, diamant, grafén, nanotrubičky, fulleren

Sklo a jeho výroba

SiO2, křemen, křišťál, písek

Výroba skleněných nádob

vytlačovánívyfukování

První využití betonu

• Vitruvius zmiňuje 2 díly pucolánu na jeden dílvápna

• (městečko Pozzuoli nedaleko Vesuvu)

Pantheon, ŘímAs Roman philosopher Seneca noted, the “dust at Puteoli [the city’s Latin name] becomes stone if it touches water.”

BETON - charakteristikaBeton je stavební materiál vyrobený z kameniva, cementu a vody. Vykazuje obdobné vlastnosti jako některé přírodní kameny, tj. vzdoruje dobře tlaku, je však křehký, není tudíž schopný větších deformací a má malou pevnost v tahu a ve smyku. Pojivo – cement - vzniká vysokoteplotním vypalováním surovin (1400°C)Cement je složený z několika složek – vápenné, křemenné a jílové.

vzorce mCaO.nSiO2.pH2O

(označované někdy souborně také jako tzv. C-S-H gel,

Beton - typy cementů

CEM I – Portlandskýcement CEM II – Portlandskýcement směsnýCEM III – Vysokopecnýcement (vysokopecní struska)CEM IV – Puzolánový(Pucolán – vyvřelá hornina u sopek.)CEM V – Směsný

Přísady do betonu

• plastifikátory a superplastifikátory,

• provzdušňovací přísady,

• urychlovače tuhnutí a tvrdnutí betonu,

• retardační přísady (zpomalující tuhnutí betonu),

• hydrofobizační přísady (odpuzující vodu).

Pevnost betonu

• Křehký materiál – pevnost v tlaku (20-80 MPa) je přibližně desetinásobkem pevnosti v tahu

• Vysokopevnostní beton: 150 MPa

• Záleží na množství cementu: Max 500kg/m3, min. 200kg/m3

• Pevnost kameniva je větší než pevnost výsledného betonu

Granulometrické složení betonu

• Kamenivo s plynulou zrnitostí• zastoupena zrna všech velikostí

• vyznačuje se malým vnitřním třením a poskytuje tudíž dobře zpracovatelné betonové směsi bez použití velkého množství vody.

• Kamenivo s přetržitou zrnitostí• chybějí zrna určitých velikostí, frakce na sebe přímo

nenavazují

• vyžaduje menší množství cementu (menší povrch zrn kameniva)

• používá se strojních prostředků na zhutnění betonu (vibrátoru ponorných nebo příložných), neboť vibrací se podstatně sníží vnitřní tření ve směsi

Vazba vodního součinitele na pevnost betonu

• Pevnost betonu výrazně závisí na množství použité vody, na vodním součiniteli, udávající váhový poměr vody k cementu (w = v/c).

• K řádnému průběhu procesu hydratace stačí vodní součinitel 0,23 až 0,25.

• Pro dokonalé zpracování betonové směsi nutno zvýšit vodní součinitelna 0,3 až 1,0 podle způsobu zhutňování.

• Podle stupně zpracovatelnosti betonové směsi se rozlišují směsi• velmi tuhé, tuhé, zavlhlé, málo měkké, měkké, velmi měkké a tekuté.

• Největších pevností se dociluje při co nejmenším vodním součiniteli, při němž ovšem je možno betonovou směs ještě dokonale zpracovat, tj. při w = 0,3 až 0,5.

• Při nižším vodním součiniteli (w < 0,3) pevnost betonu rychle klesá• směs nelze řádně zpracovat• část cementu nepřijde vůbec do styku s vodou.

• Při vyšším vodním součiniteli (w > 0,3) dochází časem• k odpaření přebytečné vody• ke vzniku drobných pórů v zatvrdlém cementovém tmelu, které vedou ke

snížení pevnosti.

Závislost pevnosti na vodním součiniteli

Paret

Závislost pevnosti betonu na čase

70% konečné nejvyšší pevnosti beton dosahuje již po 28 dnechDotvarování, smršťování

Betonové konstrukce

• Podle montáže• Monolitické konstrukce- zhotovují se na místě v definitivní

poloze v bednění na stavbě a tvoří dohromady jednolitýcelek

• Konstrukce montovaná- sestavuje se z předemzhotovených dílců (prefabrikátů) – vyšší kvalita, doprava, montáž, spoje

• Spřažené konstrukce – prefamonolitické, spřažené typubeton-beton (prefabrikát s dodatečným zmonolitněním).

Vyztužení betonu• prostý beton-beton nevyztužený anebo vyztužený pouze pomocnou výztuží;

vykazuje malou pevnost v tahu - pouze 1/6 až 1/15 pevnosti v tlaku; pro konstrukce namáhané dostředným tlakem nebo mimostředným tlakem s malou výstředností - masivní stavby: gravitační hráze, opěrné zdi, pilíře, klenby, základové pásy pod zdmi, základové patky pod sloupy apod.,

• železový beton (železobeton)-beton nepředpjatý vyztužený ocelovými vložkami; ocelové vložky se podílejí na přenášení vnitřních sil (tlakových či tahových) v prvku nebo v konstrukci; železový beton je schopen přenášet i tahové vnitřní síly; konstrukce namáhané nejen tlakem, ale také na ohyb a na mimostředný tlak nebo tah s velkou výstředností; železový beton lze využít univerzálně téměř pro všechny druhy konstrukcí

• předpjatý beton-beton, do nějž je záměrně a nezávisle na zatížení vneseno předpětí předpínací výztuží; vyloučí se v konstrukci úplně nebo částečně tahové vnitřní síly a dochází k lepšímu využití betonu; zmenšení průřezových rozměrů a tím k snížení vlastní hmotnosti předpjatých prvků především na nosné konstrukce namáhané na ohyb nebo na tah - např. stavební dílce stropních a střešních konstrukcí (desky, trámy, průvlaky, vazníky), válcové nádrže, tlaková potrubí.

Železobeton, předepjatý betonJoseph Monier, zahradník, 1867

Trojská lávka, 2.12.2017

Zkouškové okruhy

• Základní vazby v keramických materiálech

• Příčiny křehkosti keramických látek

• Co je podstatou betonu, jaká je jeho struktura a z jakých složek se vytvrzený beton skládá?

• Jaký je vliv cementu na pevnost betonu?

• Jaké druhy cementu se nejčastěji používají (vyjmenujte alespoň dva)?