Předmět "Stavební chemie" na Fakultě stavební Vysokého učení technického v Brně (FAST VUT) se zaměřuje na hlubší porozumění chemickým procesům, které stojí za výrobou, vlastnostmi a degradací stavebních materiálů. Studenti získávají podrobné informace o struktuře a chemických vlastnostech přírodních surovin pro výrobu základních stavebních materiálů a informace o chemickém složení či struktuře samotných stavebních materiálů.
Z hlediska chemického jsou popsány výrobní a degradační procesy vybraných stavebních materiálů. Pozornost je věnována chemismu vody a procesům probíhajícím při zpracování pojiv, fázovým přeměnám během výpalu surovin i během tuhnutí pojiv. Cílem předmětu je, aby student zvládl pochopení chemických reakcí při vytváření pevné struktury anorganických pojiv, chemických vlastností kovů a degradačních procesů anorganických stavebních materiálů.
Předmět pokrývá široké spektrum témat, od základů obecné chemie až po specifika stavebních materiálů. Mezi klíčové oblasti patří:
- Stavba atomů prvků, periodická soustava prvků, základní chemické zákony, anorganické názvosloví, jednoduché stechiometrické výpočty.
- Vybrané kapitoly obecné a fyzikální chemie ve vztahu k chemii stavebních materiálů.
- Chemie anorganických i organických stavebních materiálů, jejich chemické složení, proces vytváření pevné struktury a chemické procesy při korozních dějích.
- Chemie a technologie vody.
Základní stavební materiály a jejich chemie
Cementy jsou práškové hydraulické maltoviny tvořené jemně mletým křemičitanovým slínkem a případně dalšími přísadami. Základním a nejdůležitějším cementem je portlandský cement, který se vyrábí pálením surovin za vzniku portlandského slínku a jeho následným mletím se 3 až 5% sádrovce CaSO4.2H2O jako regulátoru tuhnutí. Portlandský slínek se získá pálením směsi vápence s hlinito-křemičitými minerály v oblasti teploty slinutí nad 1350°C, kdy vznikají hlavní slínkové minerály (3CaO.SiO2 - C3S - alit, 2CaO.SiO2 - C2S - belit, 4CaO.Al2O3...).
V rámci praktických cvičení se studenti seznamují s analýzou cementu, včetně stanovení obsahu různých oxidů a dalších složek. Například při pokusu č. 7.1 se analyzuje rozklad cementu s následným důkazem jednotlivých iontů. Pokus č. 7.2 se zaměřuje na rozklad vzorků cementu zředěnou kyselinou chlorovodíkovou. Pozorování při práci s cementem zahrnují například zjištění vysokého pH (naměřena hodnota pH = 12, což znamená, že šlo o zásadu) a při zahřívání pozorování vzniku nerozpustného gelu.
Vápno a sádra jsou dalšími klíčovými anorganickými pojivy. Chemie vápenných pojiv, omítky a malty, jejich degradace, ochrana a obnova omítek jsou probírány v samostatných lekcích. Podobně je věnována pozornost chemii sádry a anhydritových pojiv, jejich vlastnostem a degradaci.
Vodní sklo je koloidní vodný roztok křemičitanu sodného nebo draselného. Tuhnutí a tvrdnutí skla je způsobeno tvorbou kontinuální sítě křemičitého hydrogelu a může být vyvoláno snížením obsahu vody nebo snížením pH (reakcí s kyselinou, např. HCl).
Vysokopecní struska je odpad vznikající při výrobě železa. Obsahuje řadu minerálů s obsahem Si, Al, Ca, Mg. Vzhledem k poměru oxidu vápenatého a křemičitého jsou strusky výrazně kyselejší než portlandský cement. Na rozdíl od jiných silikátových materiálů obsahuje struska i sulfidickou síru a mangan, který doprovází v rudách železo a při jeho zpracování se dostává do strusky. V rámci pokusu 8.3.1 a 8.3.2 se struska a cement rozkládají varem se zředěnou kyselinou dusičnou.
Kovy a koroze ve stavebnictví
Předmět se zabývá také chemickými a elektrochemickými vlastnostmi kovových stavebních materiálů, korozí kovů a ochranou proti korozi. Studenti se učí o kovech jako prvcích, které odevzdáním elektronů tvoří kladně nabité ionty (kationty). V rámci cvičení se provádí například stanovení obsahu Fe v roztoku a analýza slitin.
Při pokusech s kovy lze pozorovat například vyloučení mědi na železném hřebíku nebo vyloučení krystalů olova na zrnku zinku. Důležitou součástí je pochopení reakcí kovů s kyselinami. Po přidání HCl k mědi k ničemu nedojde, protože měď je ušlechtilý kov a tudíž nereaguje s kyselinami bez oxidačních účinků.
Velká pozornost je věnována korozi oceli v betonu. Toto téma je klíčové pro dlouhodobou životnost betonových konstrukcí.
Voda a její role ve stavebních materiálech
Voda hraje zásadní roli v mnoha procesech souvisejících se stavebními materiály. Předmět se podrobně zabývá strukturou vody, její ionizací a pH. Studenti se učí o druzích přírodních vod a jejich vlastnostech, a především o vlivu vody na vlastnosti stavebních materiálů.
Významné jsou také pojmy jako porozita stavebních materiálů, transport vody a solí ve stavebních materiálech, vlhkost, hygroskopicitita a důsledky z toho vyplývající. Voda je nezbytná pro hydratační procesy, které vedou k tuhnutí a tvrdnutí pojiv, ale její nadměrná přítomnost nebo nevhodné složení může vést k degradaci materiálů.
MinuteCement - Úvod do chemie cementu
Pórovité betony a speciální materiály
Pórovité betony se vyznačují dobrými izolačními vlastnostmi a malou objemovou hmotností. Póry se vytvoří promícháním s připravenou pěnou a základem tohoto tzv. pěnobetonu jsou pak vzduchové bubliny. Při reakcích s hliníkovým práškem dochází k rychlému odstraňování produktů od povrchu, což zajišťuje vysoké výtěžky reakce.
Předmět se dotýká i chemie makromolekulárních látek na bázi uhlíku a křemíku, tedy plastů, jejich chemické stability a degradace.
Praktická cvičení a protokoly
Praktická cvičení jsou nedílnou součástí výuky a poskytují studentům možnost ověřit si teoretické znalosti v praxi. Osnova cvičení zahrnuje širokou škálu experimentů, od stanovení iontů ve vodě a analýzy pojiv, přes analýzu cementu a kovů, až po zkoumání koroze betonu a vlastností křemíku.
Mezi typické úkoly v protokolech patří:
- Zasolení zdiva, rozlišení solí a hloubky průniku solí.
- Stanovení obsahu iontů ve vodě, argentometrické stanovení chloridů.
- Rozlišení typu pojiva na základě přítomnosti prvků.
- Analýza cementu (stanovení MnO, CaO, MgO, SiO2, Fe2O3, Al2O3, TiO2, P2O5).
- Stanovení obsahu Ca(OH)2 ve vzorcích cementových past a rozlišení zkarbonatované a nezkarbonatované cementové pasty.
- Stanovení agresivního CO2 ve vodě, stanovení amonných iontů ve vodě.
- Příprava křemíku a borosilikátového skla.
Úspěšné absolvování cvičení a kontrola protokolů jsou nezbytné pro získání zápočtu.