Upozornění pro čtenáře a uživatele této knihy

Všechna práva vyhrazena. Žádná část této tištěné či elektronické knihy nesmí být reprodukována ani šířena v papírové, elektronické či jiné podobě bez předchozího písemného souhlasu nakladatele. Neoprávněné užití této knihy bude trestně stíháno.

Karel Kolář, Pavel Reiterman

Stavební materiály

pro SPŠ stavební

TIRÁŽ TIŠTĚNÉ PUBLIKACE:

Vydala Grada Publishing, a.s.

U Průhonu 22, Praha 7

obchod@grada.cz, www.grada.cz

tel.: +420 234 264 401, fax: +420 134 264 400

jako svou 4968. publikaci

Odborná korektura Ing. Bc. Anna Havlíková, Ing. Jana Chajdrnová

Jazyková korektura Pavlína Zelníčková

Grafická úprava a sazba Eva Hradiláková

Foto na obálce redakce

Fotografie a kresby v knize: archiv autora Pavla Reitermana, Ing. Pavel Kopta 3.7, BACHL, s.r.o. 4.60b, Bramac střešní systémy spol. s. r. o. 4.39, BEST, a.s. 4.41, CETRIS, a.s. 2.15, 3.18, CEMBRIT, a.s. 4.46, DEKTRADE a.s. 2.13, 3.11, 4.54, 4.56, 4.60a, HeidelbergCement 3.1, 3.5, 4.22, 4.26, 4.31, 4.33, HELUZ cihlářský průmysl, v.o.s. 2.14, 4.1, 4.2, 4.3, 4.4a, KERAMO STEINZOUG, s.r.o. 4.7, TONDACH Česká republika, s.r.o. 4.5, RAKO, a.s. 4.6, RECIFA, a.s. 4.9, 4.10, SIKO KOUPELNY, a.s. 4.8, Wienerberger, a.s. 4.2, 4.4b, Xella, a.s. 4.43, 4.44

První vydání, Praha 2012

Vytiskla Tiskárna PROTISK, s.r.o., České Budějovice

© Grada Publishing, a. s., 2012

Cover Design © Eva Hradiláková, 2012

Tato publikace vznikla za částečné podpory projektu MŠMT číslo MSM 6840770031.

Názvy produktů, firem apod. použité v knize mohou být ochrannými známkami nebo registrovanými ochrannými známkami příslušných vlastníků.

ISBN 978-80-247-4070-6

ELEKTRONICKÉ PUBLIKACE:

ISBN 978-80-247-8322-2 ve formátu PDF

ISBN 978-80-247-8323-9 ve formátu EPUB

1.1 Význam stavebních materiálů

Stavební materiály představují významnou část látkových forem hmoty, které ve stavebnictví zahrnujeme pod tradiční pojem stavební hmoty. Stavebními hmotami máme na mysli všechno, co je přímou součástí stavebních konstrukcí nebo s čím se setkáváme při jejich budování na staveništi.

V současném stavebnictví se zpracovávají jak tradiční hmoty používané na stavbách již po mnoho generací, tak hmoty zcela nové, které byly získány na základě současných poznatků vědy a techniky. Mezi stavební hmoty zařazujeme také celou řadu pomocných látek usnadňujících provádění stavebních technologií, ale i širokou paletu tzv. kusových staviv, jež představují jednoduché výrobky definované svým tvarem, rozměry a látkovým složením.

Do sortimentu stavebních hmot nepatří složitější stavební výrobky, které mají charakter pohyblivé nebo mnohoprvkové konstrukce či speciální pomocné látky. Zjednodušeně tedy stavebními materiály označujeme celou řadu stavebních látek a staviv používaných ve stavebnictví.

Řada stavebních materiálů je v současné době dostupná v mnoha látkových modifikacích nebo výrobních variantách. Rozlišování pojmů stavební hmota – stavební materiál je nutno brát pouze jako prostředek k zatřídění látek používaných ve stavebnictví s přihlédnutím k jejich historickému vývoji, současnému stavu a perspektivám jejich udržitelného rozvoje.

Historicky vzato, stavební materiály používané do 19. století představovaly převážně přírodní materiály na bázi výrobků z kamene a dřeva, později i uměle vyrobené cihlářské výrobky spojované mechanicky či maltami.

Na vývoji stavebních materiálů se významně projevil pokrok vědních a technických disciplín. Během 19. století tak došlo k jejich rozšíření o litinu a ocel; rozvoj používání betonu, železobetonu a později předpjatého betonu se datuje od druhé poloviny 19. století a mohutní v průběhu celého 20. století. Začátek 21. století se vyznačuje dalším rozvojem tradičních forem stavebních materiálů a technologií, dochází ale k významnému posílení tzv. kompozitních materiálů (dřevotříska, sklolaminát, beton, sádrokarton atd.), řízených předem stanovenými materiálovými vlastnostmi, uplatněním zcela nových technologických postupů jejich výroby a použitím při současném důrazu na jejich ekologickou zátěž životního prostředí, ekonomickou dostupnost a vyváženost z pohledu tzv. udržitelného rozvoje.

Každý stavební materiál se vyznačuje svými základními vlastnostmi, které jsou odrazem povahy a uspořádání jejich vnitřní struktury. Stavební materiály jsou posuzovány z mnoha hledisek, jež odpovídají jejich budoucímu uplatnění. Základní vlastnosti (měrná a objemová hmotnost, pórovitost, hutnost, vlhkost, zrnitost apod.) jsou pro nás dobrou výchozí pozicí a mohou nám o sledovaném materiálu mnoho napovědět. Proces navrhování a realizace stavebních konstrukcí je ale natolik komplexní, že je nutné sledovat celou řadu dalších technických parametrů. Mezi nejvýznamnější technické vlastnosti patří např. vlastnosti mechanické (pevnost, modul pružnosti apod.), chemické, biologické, hygienické, tepelné, vlhkostní, izolační a celá řada dalších.

Tyto vlastnosti bývají často i protichůdné: například materiály s vysokými pevnostními parametry (materiály hutné) jsou většinou dobře tepelně vodivé, tj. nedají se používat jako materiály tepelněizolační a naopak (kovy – výborné vodiče, polystyren – izolant). Z tohoto pohledu mohou jednotlivé typy stavebních materiálů zabezpečovat jen jednu funkci kladenou na stavební konstrukce (statická únosnost, tepelněizolační funkce apod.).

Celá řada stavebních konstrukcí musí pak být navrhována jako systém složený z potřebných typů stavebních materiálů a vytváří tzv. sendvičové a vrstvené prvky (u sendvičových jednotlivé materiály spolupůsobí). V těchto sendvičových a vrstvených prvcích musí mít každý materiál svou určitou polohu, aby mohl plně vykonávat svoji funkci.

Výběr a vzájemné zastoupení materiálu je tak podmíněno kompletními znalostmi o jejich chování za různých podmínek a jejich spolehlivou kvalitou. Materiálové inženýrství proto vyžaduje hluboké znalosti přírodních zákonitostí. Vychází z poznatků různých vědních oborů počínaje matematikou, fyzikou, chemií, biologií, klimatologií a mnoha dalšími konče.

Součástí optimálního výběru stavebních materiálů musí být i komplexní úvaha o jejich použití a jejich užitných vlastnostech, nákladech spojených s jejich použitím v dané konstrukci včetně jejich trvanlivostních parametrů v daných podmínkách a dlouhodobých ekologických dopadech. Finální proces výroby stavebních konstrukcí se tak stává poměrně složitým souborem aplikací fyzikálních zákonů a přírodních jevů.

Vybraný typ materiálu musí splňovat požadovanou technickou funkci, která je závislá na původu použitého materiálu, technologii jeho výroby a na vzájemném ovlivňování okolním prostředím během životního cyklu každého provedeného stavebního díla.

Při popisu a aplikaci jednotlivých stavebních materiálů je proto potřebné si vždy uvědomovat základní informace, jako jsou surovinové zdroje, technologie výroby, souhrn materiálových parametrů získaného výrobku, aplikační možnosti a dlouhodobá odolnost vůči působení okolního prostředí. Stavební materiály tvoří nesmírně rozsáhlý soubor látek s rozličnými vlastnostmi, na jejichž základě jsou pak vybírány pro daný účel.

Obr. 1.1 Schematické rozdělení stavebních materiálů podle jejich vnějších fyzikálních projevů

Při hodnocení vlastností materiálů vycházíme nejen ze znalostí jejich materiálové struktury, ale i z praktických zkušeností s jejich využíváním a z výsledků standardních zkoušek, které jsou používány pro posouzení předepsaných (závazných) vlastností se zajištěnou spolehlivostí. Detailní postupy pro zkoušení daných materiálových vlastností jsou dnes sjednoceny v podobě národních či mezinárodně platných zkušebních norem. Výsledky těchto dohodnutých normových zkoušek materiálových vlastností pak tvoří i základ pro výpočty stavebních konstrukcí, případně se využívají ke zpracování a zobecnění pro aplikaci v materiálovém inženýrství, k modelování či simulaci určitých jevů a stavů pro navrhování stavebních konstrukcí. Proto je součástí této učebnice i zkušebnictví.

1.2 Rozdělení stavebních materiálů

Sortiment a nabídka stavebních materiálů jsou velmi široké, a to jak z hlediska množství druhů, tak i jejich uplatnění ve stavebnictví. Pro zlepšení přehledu a jednoduchou orientaci se často stavební materiály rozdělují podle určitých charakteristik a vlastností, například podle původu, použití, funkce, materiálové podstaty či technologie výroby.

Podle původu můžeme rozdělit stavební materiály na:

- přírodní

– anorganické (kámen, hlína, jíl),

– organické (dřevo, rákos, bambus, ovčí vlna).

- umělé, vyrobené z různých surovin

– anorganických (vápno, cement, sádra, keramické výrobky, sklo, kovy),

– organických (plasty, bitumeny, aglomerované dřevo, nátěrové materiály, izolační materiály),

– kombinovaných (sádrokarton, polystyrenbeton, sklolaminát).

Podle použití (konstrukční funkce a účelu) se stavební materiály rozdělují na:

- konstrukční – vytvářející nosnou konstrukci stavby (vodorovnou i svislou), které se vyznačují především svými mechanickými vlastnostmi (pevnost v tahu, tlaku, odolností vůči statickým a dynamickým účinkům apod.);

- výplňové – tvoří výplň nosných konstrukcí přinášející zlepšení i některých izolačních vlastností (tepelných a zvukových). Vyznačují se na rozdíl od materiálů konstrukčních nižší objemovou hmotností, zvýšenou pórovitostí a snížením mechanických pevnostně-pružnostních vlastností. Zpravidla mají tyto materiály mnohem výhodnější některé vlastnosti spojené s vlastním užíváním a účelem dané stavby;

- izolační – zajišťují ochranu staveb proti působení nežádoucích (agresivních) vlivů okolního prostředí. Do této významné skupiny spadají tepelněizolační materiály zajišťující potřebnou tepelnou pohodu, dále hydroizolační materiály chránící před nežádoucí vlhkostí, zvukové izolace chránící před škodlivým hlukem z okolí, ochranné materiály omezující průnik radonu, chemických látek apod.;

- dekorační – vytvářejí nejen estetickou pohodu stavebních konstrukcí, ale i zvýšenou odolnost proti působení agresivního prostředí;

- ostatní pomocné materiály – používané po dobu výstavby, případně i zabudované do stavebního díla.

Významnou skupinu moderních stavebních materiálů tvoří kompozity. Jsou to složené materiály skládající se minimálně ze dvou jiných složek, kde každá plní svou danou funkci (beton, omítky, OSB desky, sklolaminát):

- pojiva – mají pojivovou funkci, v systému kompozitu slouží jako „lepidlo“ ostatních součástí (cement, sádra, vápno, epoxid apod.) a umožňují tak jejich vzájemné spolupůsobení;

- plniva – slouží jako výplň (písek, štěrk, drcený kámen, keramzit), bývají zpravidla levnější;

- výztužné materiály – slouží k přenášení převážně tahových napětí (kovová vlákna, skleněná vlákna, keramická vlákna, dřevo). Kromě zvýšení pevnosti v tahu lze jejich použitím potlačit řadu nepříjemných vlastností, např. smrštění (vláknobeton);

- pomocné materiály – upravují některé vlastnosti (přísady, příměsi apod.). Zpravidla usnadňují výrobu nebo chrání před účinky agresivního prostředí a tím prodlužují životnost.

Často používaným hlediskem pro rozdělení stavebních materiálů je dělení podle jejich materiálové podstaty a technologie jejich výroby:

- výrobky z kamene,

- kamenivo,

- dřevo,

- keramické výrobky,

- sklo,

- vápenické výrobky,

- cementářské výrobky,

- autoklávované výrobky,

- kovové výrobky,

- živičné materiály,

- plasty (materiály na bázi organických makromolekulárních látek),

- výrobky na bázi dřeva a celulózy,

- ostatní materiály.

Z hlediska praktického použití se často stavební materiály dělí podle vybraných charakteristických vlastností na tvárné (hlína, asfalt), pružné (guma, ocel), křehké (sklo, beton), tvrdé (kámen, některé kovy a některé jejich slitiny, sklo), stálé nebo nestálé proti chemickým vlivům, tepelněizolační (dřevo, pěnové sklo a další materiály s napěněnou strukturou), žáruvzdorné, mrazuvzdorné, zvukově izolační apod., bez ohledu na jejich chemickou podstatu.

Přehled nejpoužívanějších stavebních materiálů a jejich základních vlastností, které je předurčují pro jejich stavební aplikace, je uveden v tab. 2.2. V případech materiálů, u nichž jsou tyto vlastnosti závislé na finálním provedení, je místo průměrné hodnoty uvedeno rozmezí.

Rozdělení stavebních materiálů v této učebnici vychází z historie jejich výroby a použití, z jejich materiálové podstaty a technologie výroby.

1.3 Dnešní stav a perspektivy rozvoje výroby stavebních materiálů

Výroba stavebních materiálů zahrnuje celou řadu výrobních fází, které jsou společné zvláště v  počáteční fázi, tj. těžba a úprava surovin, dále vlastní technologie jejich výroby závislé na druhu materiálu a v závěrečné fázi způsoby finalizace konečné podoby stavebního materiálu.

Proto vlastní výroba stavebních materiálů zasahuje i do dalších průmyslových oborů, jako jsou strojírenství, hutnictví, chemické technologie (anorganické i organické), zpracování průmyslových odpadů (chemických, energetických apod.). Jedná se zejména o využívání škváry, popílků, vysokopecní strusky, dřevařských odpadů či speciálních odpadů z chemických výrob.

Na naší malé planetě je k dispozici jen omezené množství surovin, proto je v současné době kladen velký důraz na možnosti využití tzv. druhotných a odpadních surovin. Postupným výzkumem se tak vyvíjejí metody, jak odpad efektivně využít a v ideálním případě i zlepšit stávající vlastnosti. Pro stavebnictví jsou asi nejvýznamnějším dodavatelem takovýchto materiálů hutnictví a energetika (popílky, vysokopecní struska, energosádrovec apod.).

V současné materiálové základně ve stavebnictví převládají tzv. stavební materiály silikátové, u nichž jsou převažující složkou látky na bázi křemičitanů (silikátů). Do této skupiny patří například cement, cihlářské výrobky, vápno, beton a další.

Silikátové materiály jsou relativně snadno dostupné z hlediska surovinových zdrojů naší planety, mají výhodné vlastnosti pro stavební účely, vyznačují se dobrou zpracovatelností, trvanlivostí, ekonomickou výhodností a perspektivou pro udržitelný rozvoj života na naší planetě. Je u nich dobrý předpoklad dalšího rozvoje, a to zvlášť v oblasti kompozitních (složených) materiálů s novými řízenými vlastnostmi a s vysokými mechanickými parametry. Vedle rozvoje silikátové materiálové základny lze však očekávat i významné uplatnění a rozvoj základny metalurgické a chemické. Přesné údaje o současné výrobě a spotřebě stavebních materiálů jak u nás, tak celosvětově jsou obtížně zjistitelné, pro informaci jsou v tab. 1.1 uvedeny přehledy výroby nejdůležitějších silikátových výrobků v naší republice v roce 2005.

Tab. 1.1 Přehled spotřeby vybraných stavebních hmot a výrobků v ČR (2005)

Druh stavebního materiálu

Jednotka

Množství

Poznámka

kamenivo drcené

Mt

30,32

štěrkopísky těžené

Mt

15,64

vápenec

Mt

7,02

využití v jiných průmyslových odvětvích

písky křemité a křemičité

Mt

2,71

využití v jiných průmyslových odvětvích

kaolín plavený

Mt

1,02

využití v jiných průmyslových odvětvích

beton

Mt

13,01

odhad – přesný údaj není k dispozici

cement

Mt

3,98

betonová krytina

Mt

1,61

suché maltové směsi

Mt

1,53

vápno pálené

Mt

1,05

využití v jiných průmyslových odvětvích

krytina pálená

Mt

0,24

vápenný hydrát

Mt

0,16

sádra

Mt

0,13

netvarované žáromateriály

Mt

0,11

šamot

Mt

0,07

sádrokartonové desky

Mm2

36,41

vláknocementové výrobky

Mm2

22,78

keramické dlaždice glazované

Mm2

23,64

keramické dlaždice neglazované

Mm2

8,18

stavební dílce

Mm3

0,71

cihly pálené

Mm3

0,74

Převládající silikátová surovinová základna pro výrobu stavebních materiálů je dána složením naší planety Země, jak je dokumentováno v následujícím přehledu v tab. 1.2.

Tab. 1.2 Poměrné zastoupení prvků v zemské kůře (litosféře)

Zastoupení prvků

O_2

Si

Al

Fe

Ca

Na

K

Mg

Σ

[%]

47

28

8

5

4

2,5

2,5

2

99

Pozn.: Prvky Ti, H_2, C, Mn, P, S představují 0,8 %, na ostatní prvky tak zbývá 0,2 %.

Tuhé a chladnější vrstvy Země zasahují do hloubky asi 15 km, hlubší vrstvy se vyznačují vyššími teplotami, rostoucí plasticitou a odlišným chemickým a minerálním složením. Důsledkem velkých tlaků v těchto vrstvách dochází i k vytváření jiných mineralogických fází. Směrem k zemskému jádru roste obsah kovů, nejprve Al, Mg ve formě křemičitanů. Právě díky dominantnímu zastoupení lehčího hliníku Al a křemíku Si je zemská kůra často označována jako „Sial“. V nižších stupních pak můžeme narazit na Fe, Ni ve formě oxidů (O2-) a sulfidů (S2-). Zemské jádro je složeno pravděpodobně z metalického Fe a Ni v kapalné formě; stejně jako u zemské kůry i zde se často používá zkrácený název ze vzorců hlavních prvků, tedy „Nife“.

Tab. 1.3 Vzdušný obal (atmosféra)

Zastoupení prvků

O_2

N_2

Vzácné plyny

Vodní pára

CO_2

[%]

~21

78

~1

~1

~0,03

Tab. 1.4 Vodní obal (hydrosféra)

Zastoupení prvků

O_2

H_2

Σ

[%]

88

11

99

Pozn.: Zbytek (1 %) připadá na rozpuštěné minerální soli.

Table of Contents

1. Úvod

1.1 Význam stavebních materiálů

1.2 Rozdělení stavebních materiálů

1.3 Dnešní stav a perspektivy rozvoje výroby stavebních materiálů

2. Struktura a vlastnosti stavebních materiálů

2.1 Základní vlastnosti stavebních materiálů

3. Přírodní stavební materiály

3.1 Horniny a jejich rozdělení

3.2 Stavební kámen

3.4 Dřevo a výrobky ze dřeva

4. Umělé stavební materiály

4.1 Keramické výrobky

4.3 Kovy a kovové výrobky

4.4 Pojiva

4.5 Malty a betony ve stavebnictví

4.6 Plasty a výrobky z plastů

4.7 Živice

4.8 Izolační materiály a výrobky

4.9 Pomocné materiály, nátěry, tmely, přísady

5. Zkoušení stavebních materiálů

5.2 Měření základních veličin

5.4 Ověřování vlastností nejdůležitějších stavebních materiálů

6. Praktická cvičení