Najczęściej zadawane pytania
1. Czy cegła szamotowa nadaje się do budowy domowego komina?
2. Zaprawa szamotowa słabo wiąże. Jak wzmocnić spoinę?
3. Czy cegła szamotowa nadaje się do celów budowlanych?
4. Czy wyłożenie ścian paleniska kominka zamkniętego płytkami szamotowymi polepsza jego parametry?
5. Czy do murowania szamotu można użyć gliny? Jak zrobić zaprawę z gliny?
6. Jak zrobić beton ogniotrwały (żaroodporny, żarowytrzymały)
7. Jaka temperatura panuje w palenisku, jak dobrać materiał?
8. Promieniowanie czy konwekcja? Jak grzeje piec/kominek?
9. Czy szkło żaroodporne (kominkowe) to ceramika?
Odpowiedzi
– Jeżeli pod pojęciem „cegła szamotowa” rozumiemy wyroby w gatunku As, Bs, Cs (tradycyjne wyroby szamotowe), to stosowanie tych wyrobów do budowy kanałów dymowych zamiast cegły budowlanej jest błędem. Mowa oczywiście o kominie tradycyjnym – bez wkładu stalowego lub ceramicznego. Wadą prawie wszystkich podstawowych materiałów ogniotrwałych jest ich wysoka porowatość otwarta, co może skutkować ich niszczeniem na skutek wydzielania się sadzy w porach. Przekonanie, że ich odporność na wysokie temperatury przyczyni się do zwiększenia trwałości komina nie ma także uzasadnienia. Temperatury panujące normalnie w kominach są dość niskie, a w przypadku pożaru komina materiały te są narażone na pękanie w nie mniejszym stopniu co ceramika budowlana. na przewody spalinowe lepiej zastosować cegłę ogniotrwałą kwasoodporną, która jest zabezpieczona na wskroś (impregnowana) przed wnikaniem sadzy i skroplin. Dodatkowo materiał ten kosztuje mniej więcej tyle samo co „zwykły” szamot. Pozostają oczywiście systemowe kominy ceramiczne lub stalowe – ale to już nie moja dziedzina.
Cegła szamotowa będzie także nieodpowiednia do zewnętrznej części komina – nad dachem. Zwykły szamot może okazać się mniej odporny na warunki atmosferyczne niż cegła klinkierowa przez swoją wspomnianą dużą nasiąkliwość.
2. Zaprawa szamotowa słabo wiąże. Jak wzmocnić spoinę?
– Najczęściej spotykane zaprawy do wyrobów ogniotrwałych nie zawierają dodatków wiążących hydraulicznie ani chemicznie, a najczęściej wysuszoną (wyprażoną) glinę ogniotrwałą, która ma za zadanie uplastycznienie zaprawy po dodaniu wody i jej późniejsze spieczenie, czyli wiązanie ceramiczne. Każdy, kto chce łączyć za pomocą zaprawy szamotowej elementy domowego kominka, pieca kaflowego, kuchennego, ogrodowego grilla, wędzarni itp. niestety musi liczyć się z porażką. Misternie sklecone konstrukcje rozpadają się. Błąd ten popełniają nawet doświadczeni wykonawcy. Zdarzyła mi się nawet reklamacja od fachowca zawiedzionego efektami, a właściwie ich brakiem, prób łączenia marmurowych płyt obudowy kominka za pomocą zaprawy szamotowej. Przyczyną tego stanu rzeczy są najczęściej zbyt niskie temperatury występujące w miejscach łączeń. Jeżeli nie spodziewamy się tam ich poziomu rzędu co najmniej 500-600oC (określanie temperatury „na oko”), musimy nieco zmodyfikować naszą zaprawę. Modyfikacja polega na wytworzeniu tzw. zaprawy zduńskiej (można kupić gotową), co brzmi tajemniczo ale polega na dodaniu do zaprawy szamotowej cementu portlandzkiego w ilości 5-10% wagowych i wymieszaniu na sucho. Za pomocą tej zaprawy możemy już z powodzeniem łączyć elementy pieca pracujące w temperaturach do ok. 1150oC. W wyższych temperaturach należy stosować cementy glinowe . Druga metoda jest bardziej finezyjna i daje chyba najmocniejsze wiązanie, a polega na zarabianiu zaprawy szamotowej (bez cementu!) za pomocą szkła wodnego. Ważne tutaj jest to, aby przygotowywać małe porcje dosypując zaprawy do roztworu w wiaderku cały czas mieszając aż do uzyskanie żądanej konsystencji. Metoda odwrotna, tj. dolewanie roztworu szkła wodnego do suchej zaprawy kończy się utratą zaprawy i wiaderka. Nie należy tej metody stosować do elementów dekoracyjnych, ponieważ szkło wodne daje później niezbyt estetyczne białe wykwity na powierzchni wymurówki. Szkła wodnego można używać w temperaturach do 1000oC. Można też jako wiązacza na zimno użyć wodnego roztworu nasyconego (rozpuszczonego w gorącej wodzie)siarczanu glinu lub do zapraw zasadowych siarczanu lub chlorku magnezu. Pewne efekty daje także dodatek roztworu soli kuchennej.
3. Czy cegła szamotowa nadaje się do celów budowlanych?
– Tak i nie. Wyroby glinokrzemianowe, w tym szamotowe to wyroby ceramiczne o wysokiej wytrzymałości mechanicznej i stabilnej strukturze, co stawiałoby je wśród najlepszej cegły klinkierowej. Jednak cegły szamotowe nie spełnią norm budowlanych ze względu na swoją nasiąkliwość. Przeciętnie posiadają one powyżej 20% porowatości otwartej. Wynika z tego, że z cegły szamotowej można budować, ale w miejscach nienarażonych na zamakanie i późniejsze zamarzanie. Nie znaczy to oczywiście, że np. ogrodzenie wykonane z szamotu rozleci się nam po dwóch czy trzech sezonach, ale nie liczmy na to, że będzie służyć wnukom. Poza tym szamot narażony na warunki atmosferyczne z czasem robi się mało dekoracyjny, traci zółtawe zabarwienie i robi się brudnoszary. Zastosowany natomiast jako element dekoracyjny wewnątrz budynków, np. jako zewnętrzne wykończenie kominka dość dobrze spełnia swoją rolę. Do zastosowań na zewnątrz budynków kompletnie nie nadają się żadne wyroby ogniotrwałe zasadowe (magnezytowe lub dolomitowe – można je poznać po brązowym zabarwieniu), ponieważ wchodzą w reakcję z wodą (hydratyzują).
4. Czy wyłożenie ścian paleniska kominka zamkniętego płytkami szamotowymi polepsza jego parametry?
– Na pewno warto to rozważyć. Wyłożenie z ceramiki ogniotrwałej działa tutaj jak izolacja, powodując podniesienie temperatury spalania. Może to działać dodatnio na sprawność kominka, ponieważ przy wyższej temperaturze dopali się wiecej parogazu drzewnego i zmniejszy się stopień zanieczyszczenia wnętrza, szczególnie szyby. Ktoś może tutaj zauważyć, że mogą się za to zwiększyć straty kominowe poprzez wyższą temperaturę spalin – to prawda, ale to już kwestia regulacji wkładu (dodatkowo uwaga w ostatnim zdaniu). Poza tym prawidłowe spalanie jest jednak ważniejsze od wielkości strat, ma ono bowiem decydujący wpływ na trwałość paleniska i komina. Pamiętajmy tutaj o tym, że to nie wysoka temperatura najczęściej niszczy elementy instalacji, w tym także wyłożenie ceramiczne, tylko agresywne chemicznie składniki spalin, szczególnie przy braku pełnego spalania.
Podniesienie temperatury spalin jak wspomniałem ma także dobry wpływ na komin, bo im wyższa temperatura w nim panująca (oczywiście w rozsądnych granicach) tym mniej wykroplin wilgoci i smoły, a w idealnej sytuacji „punkt rosy” znajdzie się już ponad wylotem komina.
Jeszcze co do sprawności – musimy pamiętać też o tym, że na nic nam się nie zdadzą chłodne spaliny, jeżeli w ich składzie będą znajdować się niedopalone składniki paliwa – to też źle rzutuje na sprawność, która po podniesieniu temperatury spalin poprzez dodanie ceramiki, wcale nie musi spaść.
5. Czy do murowania szamotu można użyć gliny? Jak zrobić zaprawę z gliny?
– Oczywiście można – robiono tak przez wieki. Z tym, że nie wszystko, co było praktykowane przez wieki, jest stosowane i dziś. Murowanie na glinie to tradycyjna metoda, a wzięła się stąd, że zdun wędrujący po wsiach – często pieszo, nie mógł nosić ze sobą materiału – miał jakieś podstawowe narzędzia typu: łopata, kielnia. Resztę trzeba było znaleźć „w okolicy”. Dziś nie ma takich ograniczeń. Tradycyjne murowanie na glinę ma więc charakter trochę sentymentalny. Można znaleźć dużo informacji na temat sposobów przygotowania gliny – przede wszystkim trzeba ją „schudzić”, czyli zapobiec nadmiernemu skurczowi wysychania. Kiedyś służył do tego piasek (kwarcowy), dziś stosuje się oprócz tego ogólnie dostępnego składnika kruszywo szamotowe, a ta ostatnia mikstura to już po prostu zaprawa szamotowa, która jest niczym innym, jak mieszaniną szamotu i gliny – wysuszonej gliny ogniotrwałej. W zaprawie ilość „schudzacza” jest duża i przekracza 3-4 razy ilość samej gliny. Wyselekcjonowana glina ogniotrwała różni się od przypadkowo ukopanego surowca ilastego czystością i stałością składu chemicznego – da się wypalić w wyższej temperaturze, co oznacza także wyższą temperaturę stosowania.
Oczywiście nie można nikomu zabraniać stosowania zwykłej gliny, ani odbierać radości samodzielnego przygotowania zaprawy z surowców, które w każdej praktycznie chwili są po ręką. Po sporządzeniu własnej mieszanki trzeba po prostu dokonać próby – wypalić ugniecioną z masy kulkę lub placek. Wypalamy oczywiście po dokładnym wysuszeniu i najlepiej w temperaturze, w której potem będzie pracowała. Jeżeli nadmiernie pęka, trzeba zmienić proporcje. Nikt nie poda uniwersalnej receptury, ponieważ nie może znać składu surowca posiadanego przez pytającego. Należy jedynie pamiętać, że powstanie zaprawa typowo ceramiczna, a więc wymagająca spieku. Nie nadaje się ona na pewno do zastosowań niskotemperaturowych – w tym przypadku będziemy musieli czymś ją związać (zcementować). Najprostszym tradycyjnym dodatkiem „chemicznym” do zapraw gliniastych jest zwykła sól kuchenna – poprawia urabialność, twardość po wyschnięciu oraz przyspiesza spiek – ilość tego dodatku to kilka % i trzeba ją ustalić doświadczalnie. Nie powstanie nam też beton do formowania jakichś kształtek – ten wymaga doboru innego kruszywa. Grube warstwy wykonane z zapraw opartych na glinie na pewno mocno popękają i będą się stopniowo rozsypywać. Glina po osiągnięciu pewnych temperatur trwale traci wodę związaną i staje się nieodwracalnie nieplastyczna.
6. Jak zrobić beton ogniotrwały (żaroodporny, żarowytrzymały)?
Tu pytanie pomocnicze – czy w ogóle da się samemu zrobić beton ogniotrwały? Słowa żaroodporny, żarowytrzymały – to w języku potocznym synonimy – w rzeczywistości mają nieco inne znaczenie.
Betony żaroodporne i ogniotrwałe odróżnia maksymalna temperatura stosowania. Choć definicje mówią trochę inaczej, za beton żaroodporny uważa się beton o maksymalnej temperaturze stosowania do 1100oC, ogniotrwały odpowiednio powyżej tej wartości (więcej nt. betonów).
Żarowytrzymałość to własność polegająca na posiadaniu odpowiedniej wytrzymałości mechanicznej w wysokiej temperaturze i raczej dotyczy metali i ich stopów.
Odpowiadam – da się. Nie jest to jednak takie proste, to znaczy – samodzielne wykonanie podstawowego betonu ogniotrwałego jest proste, ale składniki nie są ogólnie dostępne. W temacie dotyczącym betonów (betony) jest opisany problem z ugruntowaniem przekonania, że nadanie ogniotrwałości betonowi polega na zmianie rodzaju cementu, co jest niczym innym jak nieprawdą lub, jak kto woli, mitem.
Przede wszystkim kruszywo – musi być ogniotrwałe (definicja), czyli jest to najczęściej sztuczny (wypalony) klinkier na bazie ogniotrwałych tlenków: glinu, krzemu, magnezu i in. Słowo „sztuczny” oznacza, że te surowce nie występują w naturze. Trzeba je kupić.
Podstawowe będzie tutaj kruszywo szamotowe – zmielony, skruszony szamot. Należy też dobrać odpowiednio uziarnienie. To nie może być sam pył, ani samo grube ziarno. Najlepiej, żeby było to zestawienie, mieszanka, drobnego i grubego kruszywa. Powiedzmy, dla amatorskiego użytku, może to być wagowo 50% kruszywa 0-1 mm (takiego, jakie najczęściej występuje w zaprawie) i 50% kruszywa 3-5 mm. To drugie możemy przygotować odsiewając z kruszywa 0-5 mm frakcję 0-3 mm.
W ten sposób otrzymamy całkiem porządne kruszywo do betonu ogniotrwałego o temperaturze stosowania około 1250-1300oC.
Teraz cement. Jak już wyjaśniano, nie ma czegoś takiego jak cement ogniotrwały w potocznym znaczeniu słowa cement. Do naszego betonu możemy użyć cementu portlandzkiego (Najlepiej czystego – oznaczenie CEM I), jeżeli beton będziemy stosować w temperaturach < 1100oC i nie bezpośrednio w ogniu, i nie w wilgotnych spalinach, i nie w warunkach wilgotnych (po schłodzeniu).
W pozostałych przypadkach stosujemy cement glinowy (nazwa handlowa polskiego produktu to Górkal).
Cementu dodajemy w ilości 20% wagowych całości – 1 kg betonu to 200g cementu i 800g kruszywa.
Zarabiamy to czystą wodą w ilości 8-12% wagowych – około 1 litr wody na 10 kg suchej mieszanki.
Składniki suche oczywiście przed zarobieniem wodą mieszamy dokładnie ze sobą.
Cement powinien być świeży – przyjmuje się zasadę, że beton jest zdatny do użycia 6 miesięcy od daty produkcji cementu. Jeżeli beton ma być odstawiony na potem, lepiej nie mieszać kruszywa z cementem, a to z powodu wyżej, oraz także z tego, że najczęściej kruszywo szamotowe nie jest idealnie suche (chyba, że takim dysponujemy).
Do betonu nie dodajemy surowej gliny.
Czasem potrzebujemy betonu do temperatur niższych niż paleniskowe. Do jakiegoś kanału spalinowego na przykład. W temperaturach do 300oC bezpiecznie możemy używać betonu wykonanego z płukanego piasku kwarcowego i cementu.
Gotowych betonów budowlanych raczej nie powinno używać się w temperaturze powyżej 100oC.
7. Jaka temperatura panuje w palenisku, jak dobrać materiał?
– Najczęściej słyszane opinie na ten temat zawierają grubą przesadę. Sam płomień tzw. dyfuzyjny, czyli ten najczęściej spotykany przy spalaniu paliw stałych ma temperaturę około 800oC. Poznamy go po zółto-czerwonym zabarwieniu. Siłą rzeczy (zasad fizyki) temperatura w komorze spalania nie może być wyższa. Jej ściany, w zależności od swojej przewodności i mocy paleniska, osiągają w praktyce od 300 do 600oC. Przy tej wyższej granicznej temperaturze materiał ścian zacząłby już świecić na czerwono (barwy żarzenia). Dobrym „wskaźnikiem” temperatury materiału jest zniknięcie sadzy z powierzchni ścian – ma to miejsce około 400oC.
Oczywiście teoretyczna temperatura spalania paliw jest dużo wyższa, niż te osiągane, ale spalanie odbywa się w powietrzu, którego głównym składnikiem jest obojętny azot, a poza tym powietrza trzeba zawsze dostarczyć więcej, niż wynika to z chemii (nadmiar powietrza). Gdyby dostarczyć płonącemu drewnu sam tlen, skończyło by się to niechybnie stopieniem pieca – nie wytrzymałaby tego praktycznie żadna ceramika.
Na szczęście zasilając piec powietrzem atmosferycznym nie musimy się tego obawiać.
Czy to oznacza, że nie musimy stosować do budowy pieców i kominków materiałów ogniotrwałych? – Absolutnie nie.
Ogień i spalanie to nie tylko temperatura. To także oddziaływania chemiczne, wstrząsy cieplne i wielokrotne cykle rozgrzewania i chłodzenia. Więcej na ten temat na stronie o doborze materiałów.
Nieco inaczej jest w urządzeniach, w których występuje spalanie płomieniem jednorodnym (niebieskim), znanym głównie ze spalania gazu. Ten rodzaj płomienia może osiągać nawet 1400oC (w praktyce ok. 1200). Na szczęście emituje on sporo mniejsze promieniowanie cieplne i elementy nie mające z nim bezpośredniego kontaktu nie nagrzewają się do aż takich temperatur. Jednak wszelkiego typu palniki lub inne elementy w jego pobliżu wymagają już odpowiedniego doboru i przemyślanej konstrukcji.
W najczęściej spotykanych konstrukcjach na paliwo stałe jednak taki płomień nie występuje (wyjątek to tzw. paleniska zgazowujące). chociaż rosnące wymagania ekologiczne wymuszają jednak stosowanie wysokotemperaturowych technik spalania (mniejsza emisja zanieczyszczeń).
8. Promieniowanie czy konwekcja? Jak grzeje piec/kominek?
Konwekcja, inaczej unoszenie, ciepła to nic innego jak transport ciepła na drodze przewodzenia. Jedne materiały uważa się tu za przewodniki, inne za izolatory. Ściana ogrzewana z jednej strony będzie nagrzewać się również na przeciwległej powierzchni, tym intensywniej, im większa będzie jej przewodność cieplna określana współczynnikiem przewodności. Ilość przewodzonego ciepła będzie proporcjonalna do tego współczynnika i do różnicy temperatur po obu stronach oraz odwrotnie proporcjonalna do grubości przegrody. Od ciepłej powierzchni nagrzewa się również konwekcyjnie powietrze.
Każda powierzchnia oddaje jednak także ciepło na drodze promieniowania i jest to znacznie bardziej wydajniejsza droga przekazywania energii. Trzeba to rozumieć w ten sposób, że taka powierzchnia grzeje zarówno konwekcyjnie, jak i na drodze promieniowania, ale głównie jednak promieniując. Gdyby za ścianą znajdowała się próżnia (brak powietrza czy innego medium), ściana grzałaby tylko przez promieniowanie – przykład: przekazywanie Ziemi ciepła przez Słońce.
Innym obrazowym przykładem jest termos próżniowy. Ma podwójne ścianki, a zamkniętej przestrzeni pomiędzy nimi jest próżnia (albo mocno rozrzedzony gaz). Tu konwekcyjne przenoszenie ciepła jest uniemożliwione, natomiast działa promieniowania cieplne. Napisałem, że jest ono znacznie wydajniejsze od konwekcji, więc widać by tu było sprzeczność i brak zasadności stosowania tego typu pojemników chroniących napój przed wychłodzeniem. To jednak tylko sprzeczność pozorna. Jest tak dlatego, że natężenie promieniowania cieplnego bardzo mocno zależy od rodzaju promieniującej i odbierającej ciepło powierzchni. Wiąże się to z tzw. emisyjnością powierzchni. Materiały ciemne i matowe zarówno promieniują, jak i nagrzewają się mocno wystawione na promieniowanie cieplne, przedmioty jasne i błyszczące z kolei bardzo słabo. Każdy przecież wie, że wystawiony na słońce kawałek papy dachowej rozgrzeje się do bardzo wysokiej temperatury, fragment niklowanej stali – prawie wcale. To wykorzystane jest właśnie w przykładowym termosie – powierzchnie wewnętrzne mają postać lustra (wkłady termosów są najczęściej szklane). Takie powierzchnie mają emisyjność bliską zeru, więc zarówno nie przyjmują ciepła w postaci promieniowania, jak i go nie emitują.
Przenosząc ten przykład na nasz piec czy kominek – obudowa o lustrzanej powierzchni grzałaby właściwie tylko konwekcyjnie, a więc bardzo słabo.
Powietrze także jest dla promieniowania cieplnego właściwie przeźroczyste – nagrzewa się od promieni słonecznych w bardzo niewielkim stopniu (ogrzewa się konwekcyjnie). Doświadczamy tego podczas wiosennych bezchmurnych nocy. W dzień może być bardzo ciepło, nocą ziemia wypromieniowuje ciepło po prostu w przestrzeń kosmiczną (dla promieniowania odległość nie ma znaczenia) – brak jest ekranu odbijającego ciepło z powrotem, a taką rolę spełniają chmury.
Przekazywanie ciepła przez promieniowanie jest znacznie wydajniejsze od konwekcji także dlatego, ponieważ, jak napisałem, konwekcja zleży liniowo od różnicy temperatur (dwa razy większa różnica temperatur – dwa razy większa ilość przewodzonego ciepła), natomiast ilość wypromieniowywanego ciepła jest proporcjonalne do czwartej potęgi różnicy temperatur (dwukrotne zwiększenie różnicy temperatury powoduje szesnastokrotne zwiększenie ilości przekazywanego ciepła).
9. Czy szkło żaroodporne (kominkowe) to ceramika?
Jest wydawane przez SIGMA-NOT czasopismo (kwartalnik) pt. „Szkło i Ceramika” – polecam.
Ojcowie założyciele wydawnictwa (inżynierowie ze Stowarzyszenia Inżynierów i Techników Przemysłu Materiałów Budowlanych) wyraźnie już w tytule rozdzielili te dwie grupy materiałów.
Jeżeli już używać dużych uproszczeń, to można stwierdzić, że bardziej ceramika jest szkłem, niż odwrotnie.
Szkło to substancja bezpostaciowa czyli przechłodzona ciecz. Ceramika, a najczęściej duża część zawartych w niej faz, to krystaliczne ciało stałe.
Treść poprzednich zdań wynika z tego, że najczęściej spotykane tworzywa ceramiczne zawierają w swoim składzie substancje szkliste. Tylko najbardziej specjalistyczne materiały ogniotrwałe to w całości kryształy – takimi są materiały składające się z czystych tlenków i innych czystych związków.
Nasz podstawowy szamot to przykład materiału wielofazowego, zawierającego także substancje szkliste. Skutek tego jest taki, że przegrzanie powyżej temperatur dopuszczalnych będzie powodowało stopniowe mięknięcie materiału – będzie się on zachowywał jak coraz mniej lepka ciecz. Nie ma po prostu wyraźnej temperatury topnienia – nie można jej określić. Obrazowym przykładem tego mechanizmu może być asfalt, którym pokrywamy drogi – szczególnie mieszanki stosowane dawniej. Zawiera piasek i żwir – ciała stałe (krystaliczne) i smołę, która jest bezpostaciową cieczą, a jej lepkość zmienia się tylko wraz z temperaturą. Całość jest po prostu bardziej miękka lub twardsza w zależności od tego jak akurat przyświeciło słońce.
Materiał ogniotrwały ma zatem tym lepsze własności, im mniej tych faz szklistych zawiera.
W przypadku szkła jest odwrotnie – tu zależy nam na jego bezpostaciowości. Dzięki temu jest przeźroczyste, ma niską przewodność cieplną, no i, jak to jest w przypadku szkła kominkowego, niską rozszerzalność, a za tym odporność na pękanie przy zmianach temperatury. Zużycie szyb żaroodpornych polega na tym, że podgrzewane z czasem zaczynają krystalizować – mętnieją i pękają. Ich odporność jest ograniczona czasowo – jeżeli są używane oczywiście.