Bachelor's Thesis

Historical binders and the possibilities of their use in the current construction industry

Final Thesis 5.26 MB

Author of thesis: Bc. Patrik Carda

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: doc. Ing. Tomáš Opravil, Ph.D.

Reviewer: Ing. Jiří Švec, Ph.D.

Abstract:

Thesis focuses on the study of historical inorganic binders with emphasis on Roman cement, whose production requires lower firing temperatures than Portland cement, thus representing a potentially less energy-intensive and lower-emission alternative. The aim was to review the development of binder systems from antiquity to the present, to prepare a laboratory binder based on Roman cement using limestone washing sludge as an industrial by-product, and to experimentally determine its properties. The raw material was characterised by X-ray diffraction and found to consist predominantly of calcite (73 %), quartz (15 %), and clay minerals. By optimising the firing temperature to 1100 °C and enriching the mixture with ground limestone up to 20 wt. %, samples with a hydraulically active belite content of up to 40 % were prepared. The addition of gypsum (5–15 wt. %) regulated hydration kinetics and promoted ettringite formation, thereby improving mechanical properties. A compressive strength of 25.6 MPa was reached after 28 days. The hydration products of the prepared samples were characterised in terms of phase composition by XRD and TGA/DTA, and in terms of morphology and microstructure by SEM. The results demonstrate that limestone washing sludge is a promising raw material for the preparation of a belite-based binder with a lower carbon footprint, whose properties approach the lower boundary of the standardised strength class 32.5 MPa, and confirm the relevance of historical binder principles for the development of sustainable construction materials.

Keywords:

Roman cement, belite binder, limestone washing sludge, low-emission binder, hydration

Date of defence

15.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaCznamka

Grading

C

Process of defence

Student při obhajobě práce Historická pojiva a možnosti jejich využití v současném stavebním průmyslu nejdříve promluvil o motivaci své práce, představil použité suroviny a popsal postup práce. Následně ukázal výsledky kaloriemtrie zaměřené na stanovení hyydratační aktivity, naměřené mechanické vlatsnosti a charakterizaci hydratačních produktů. Po závěrečném shrnutí přešel na otázky oponenta: 1) Jakou technologii výpalu – druh a uspořádání pece byste zvolil pro průmyslovou přípravu experimentálního pojiva a především jaké předpokládáte předúpravné procesy u surové vypírky z vápence, v práci se o tom totiž nezmiňujete? 2) Pro výpal jsem stanovil hrubou řadu maximálních teplot. Jakými metodami byste podrobně studoval vysokoteplotní procesy během výpalu, abyste mohl přesněji modelovat křivku výpalu materiálu? 3) Zmiňujete, že úbytek krystalického gehlenitu ve vzorku je způsoben jeho zhydratováním. Jakým způsobem probíhá taková hydratace případně za jakých podmínek? Následně komise položila následující otázky: 1) Z čeho se vytváří takové množství gehlenitu? 2) Z čeho vzniká katoid? 3) Práce byla dělána zde nebo v cementárně? Na položené otázky student dobře odpověděl.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Chemistry and Technology of Materials (BPCP_CHTM)

Composition of Committee

doc. Ing. František Šoukal, Ph.D. (předseda)
prof. RNDr. Josef Jančář, CSc. (člen)
Ing. Lucie Keršnerová, Ph.D. (člen)
Ing. Jiří Másilko, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Ladislav Omelka, DrSc. (člen)
prof. Ing. Petr Ptáček, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Lucy Vojtová, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
doc. Ing. Tomáš Opravil, Ph.D.

Student Patrik Carda vypracoval svou bakalářskou práci na téma “Historická pojiva a možnosti jejich využití v současném stavebním průmyslu“. Ve své práci se zabývá možnostmi využitím vápencové vypírky, která obsahuje stále ještě velké množství kalcitu a další především jílové složky. V rešeršní části jsou popsány historická pojiv, jejich původ, složení a využití. Rešeršní část je na dobré úrovni a v dostatečném rozsahu. Při laboratorních činnostech a měření si student počínal samostatně množství provedených experimentů je úctyhodné. V experimentální části chybí popis některých metod, samotné členění není vždy zcela srozumitelné. Množství použitých zdrojů odpovídá požadavkům na bakalářskou práci. I přes uvedené nedostatky, zejména při diskusi výsledky považuji práci za velmi dobrou, a to především k množství provedených experimentů a analýz. Student Patrik Carda si při řešení své bakalářské práci počínal v laboratoři jistě, měl dostatečné znalosti potřebných laboratorních technik i postupů. Vhodně využívala konzultací, na které chodil vždy řádně připraven.
Bakalářskou práci hodnotím stupněm B a doporučuji ji k obhajobě.
Evaluation criteria Grade
Quality of the Results B
Interpretation and Discussion of the Results B
Conclusions and Their Formulation B
Use of Consultations during the Preparation of the Thesis A
Overall Approach to the Assigned Tasks A
Fulfilment of the Assignment Requirements A
Study and Processing of the Literature A
Use of Knowledge Gained from the Literature B

Grade proposed by supervisor: B

Reviewer’s report
Ing. Jiří Švec, Ph.D.

Bakalářská práce Patrika Cardy se zabývá historickými pojivy a jejich využitím v současném stavebním průmyslu.Teoretická část se zabývá historickými pojivy a jejich výrobou a hydratací se zabývá přehledně ale obecně. Současnými poznatky a využitím románského cementu a belitických pojiv se zabývá jen povrchně. Také se příliš nezabývá vlastním zdrojem a technologií vypírky vápence. Experimentální část v práci zcela postrádám. Obsahuje pouze seznam použitých materiálů bez bližších informací o jejich stavu a podobě. A poté standartní soupis použitých analytických metod. V práci tak chybí popis přístupu k plnění cílů, i popis laboratorních postupů, jasných rozdělení označení a charakterizace vzorků směsí atd. atd. Výsledková část je tak velmi nepřehledná a postrádá souvislosti. Výsledková část obsahuje adekvátní množství výsledků pro dobrou bakalářskou práci, ale jejich zpracování a diskuze jsou velmi slabé lépe řečeno nesouvislé a místy zavádějící. Zcela chybí informace o stavu vypírky (vlhkost a podobně) a její předúpravě z běžně dostupného kalu z výroby na materiál vhodný pro výpal v peci.  Pro výpal byly bez vysvětlení zvoleny teploty pro zjištění která je nejvhodnější. Diskuze procesu mletí pro homogenizaci po prvním i finálním kroku výpalu je velmi vágní a použití metody se neshodují výsledky (Když pominu nesmyslné jednotky u metody Blaine). Tím, že chybí rozepsání použitých směsí přehledně v experimentální části, je obtížné  se orientovat, které  výsledky patří ke které směsi. Popisky grafů a směsí v nich tomu vůbec nepomáhají, protože jsou nekonzistentní. Z poněkud nejasná je také otázka volby velikosti testovacích těles při míchání různých kroků přípravy pojiva, či přídavku aditiv.  I v tabulkách je často pouze jedna směs, i když mícháno a snad měřeno jich bylo několik. Závěry kolem změn mineralogického složení jsou velmi povrchní až zavádějící. Vrchol tomu nasazuje vyhodnocení několika obrázků SEM kdy je komentována pouze část měřených oblastí vzorků. Je usuzováno na krystalickou strukturu, která však je jen těžko podpořitelná právě prvkovou mapou (křemík hliník je výrazně i tam kde by měl být jen portlandit ve velkých krystalech atd. Ale i zde je nesourodost mezi pošty měření v textu a zobrazenými výsledky. Diskuze těchto dat není zcela mimo, jen je až příliš optimistická vzhledem k ne zcela přesvědčivým datům. V zadání jsou zmíněny normové postupy, nicméně použito bylo pouze normové přípravy malty pro testování pevností což je nedostatečné pro ověření použitelnosti pojiva v moderním i památkovém stavebnictví (zpracovatelnost a podobně chybí). Jazyková úroveň práce je slabší s chybami. Horší je pak nepřehledné číslování citací, které nedodržuje pořadí jejich použití v textu. Také číslování obrázků a odkazování se na ně v textu je s chybami v teoretické části a popisky v části výsledkové zase nejsou jednoznačné až opakující se u různých obrázků (16 a 17 např. vůbec nesou popsány co je co). Chybí vyjádření zda byla při práci použita AI, což z formulací v textu celkem čiší. Závěr velmi stručně shrnuje dosažené výsledky  a velmi odvážně z nich vyvozuje i perspektivu jejich využití v průmyslu. Cíle práce však rozhodně nejsou splněny všechny a vůbec není komentován cíl zhodnotit možnost použití takového pojiva v praxi  z pohledu trvanlivost, energetické, ekologické a ekonomické perspektivě pojiva. Práci doporučuji k obhajobě.
Evaluation criteria Grade
Fulfilment of the Assignment Requirements D
Logical Structure of the Thesis C
Quality of the Results D
Interpretation and Discussion of the Results E
Use of Literature and Citations C
Language Quality B
Overall Formal Quality of the Thesis D
Conclusions and Their Formulation C
Topics for thesis defence:
  1. Jakou technologii výpalu – druh a uspořádání pece byste zvolil pro průmyslovou přípravu experimentálního pojiva a především jaké předpokládáte předúpravné procesy u surové vypírky z vápence, v práci se o tom totiž nezmiňujete?
  2. Pro výpal jsem stanovil hrubou řadu maximálních teplot. Jakými metodami byste podrobně studoval vysokoteplotní procesy během výpalu, abyste mohl přesněji modelovat křivku výpalu materiálu?
  3. Zmiňujete, že úbytek krystalického gehlenitu ve vzorku je způsoben jeho zhydratováním. Jakým způsobem probíhá taková hydratace případně za jakých podmínek?

Grade proposed by reviewer: D

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová