Chemia w budownictwie. Opracowała: Ewa Regulska

Transkrypt

1 Chemia w budownictwie Opracowała: Ewa Regulska 1

2 Ogólny podział materiałów budowlanych A. Nieorganiczne Metale: Fe, Cu, Zn, Sn, Al, Pb, Mn, Mo, Ni, Cr, Mg B. Organiczne Drewno Słoma Trzcina Bambus naturalne Materiały kamienne (mineralne) : minerały SiO 2, Al 2 O 3, H 2 O, Fe 2 O 3, FeO, MgO, CaO, Na 2 O, K 2 O, TiO 2, P 2 O 5 Wyroby bitumiczne: Smoły z przeróbki węgla kamiennego Asfalty z ropy naftowej Tworzywa sztuczne (syntetyczne) 2

3 Materiały budowlane Metale wiązania metaliczne Tlenki metali (np. CaO, Al 2 O 3 ) wiązania jonowe lub atomowe silnie spolaryzowane Przykładem zasady wśród materiałów budowlanych jest wapno gaszone (Ca(OH) 2 ). Sole: krzemiany, gliniany, żelaziany, węglany, siarczany(vi) wiązania jonowe lub atomowe spolaryzowane Sole, często uwodnione są najliczniejszą grupą. Pozostałe to związki organiczne i krzemoorganiczne. 3

4 4 Wiązania chemiczne w materiałach budowlanych Materiały budowlane Wiązania wewnątrzcząsteczkowe międzycząsteczkowe Jonowe Atomowe Atom. Spolaryz. Kordynacyjne Metaliczne Wodorowe Siły Van der Waalsa Metale: żeliwo stal nieżelazne Materiały mineralne: kamienne ilaste spoiwa ceramika szkło Materiały organiczne: drewno bitumy tworzywa sztuczne () () () ()

5 Żeliwo Stal konstrukcyjna Stal trudno rdzewiejąca Miedź Mosiądz Brąz Spiż Cynk Znal Cyna Aluminium Ołów Metale i stopy metali Rodzaj metalu (stopu) metal pierwiastek podstawowy stopowy ż e l a z n e n i e ż e l a z n e Fe C (>2%), (Mn, Si, P, S) Fe C, Cr, Mo, Mn, Si, Ni, V, Al, Cu, N (P, S) Fe C, Cr, Ni, Ti, Mo, Co (Al, Si) Cu Cu Zn (Ni, Pb, Mn, Al, Si) Cu Sn (Al, Pb, Mn, Si, Be) Cu Sn, Zn (Pb) Zn Zn Al (Cu, Mg) Sn Al Cu (Si, Mg, Fe) Pb 5

6 Pierwiastki metaliczne występują w przyrodzie przeważnie w postaci rud, które są przerabiane (w celu uzyskania czystego lub prawie czystego metalu) na drodze różnych procesów metalurgicznych. rudy żelaza Syderyt FeCO 3 Hematyt Fe 2 O 3 Magnetyt Fe 3 O 4 Pirotyn FeS Piryt FeS 2 6

7 Surówkę żelaza otrzymuje się przez redukcję rud tlenkowych w wielkich piecach Fe 2 O 3 3C 2 Fe 3 CO Fe 2 O 3 3CO 2 Fe 3 CO 2 C CO 2 2 CO Stopione w wielkim piecu żeliwo ulega nawęgleniu, w wyniku czego powstaje cementyt 3Fe C Fe 3 C W technice największe znaczenie mają stopy żelaza z węglem: stal, żeliwo 7

8 Żużel metalurgiczny produkt odpadowy na skutek reakcji dodatków (topniki np. CaCO 3 ) z zanieczyszczeniami w rudach: 2 CaCO 3 SiO 2 Ca 2 SiO 4 2 CO 2 topnik skała płonna żużel Żużel zawiera: CaO, SiO 2, Al 2 O 3, FeO, MnO stosowany jest jako dodatek do cementów hutniczych 8

9 Żelazo jest odporne na działanie wody wapiennej i zimnych ługów duże znaczenie z punktu widzenia zbrojenia betonu (żelbet) Wykorzystanie stali konstrukcyjnej w budownictwie: pręty zbrojeniowe, blachy, druty, rury 9

10 Wzór klasyczny Wzór tlenkowy Wzór skrócony (chemia cementów) CaSiO 3 CaO. SiO 2 CS SiO 2 S metakrzemian wapnia Ca 2 SiO 4 2CaO. SiO 2 C 2 S CaO C ortokrzemian diwapnia (belit) Ca 3 SiO 5 3CaO. SiO 2 C 3 S Al 2 O 3 A Krzemian triwapnia (alit) Ca 3 (PO 4 ) 2 3CaO. P 2 O 5 C 3 P MgO M Fosforan(V) wapnia Ca 3 Al 2 O 6 3CaO. Al 2 O 3 C 3 A H 2 O H Glinian triwapnia Al 2 (Si 2 O 5 )(OH) 4 Al 2 O 3. 2SiO 2. 2H 2 O AS 2 H 2 Fe 2 O 3 F Kaolinit (składnik gliny) 10

11 gliny i skały wapienne: wapień CaCO 3 gips CaSO 4. 2H 2 O anhydryt CaSO 4 magnezyt MgCO 3 dolomit MgCO. 3 CaCO 3 kwarc SiO 2 11

12 Materiały kamienne naturalne sztuczne profilowe kostki, płyty ziarniste kruszywa niewypalane wypalane T T T do spieku T >T T do stopu BETONY Zaprawy Materiały wiążące lepiszcza spoiwa Materiały wapiennopiaskowe Lekkie kruszywa Spoiwa hydrauliczne Spoiwa powietrzne Ceramika budowlana Szkło budowlane Wełna mineralna 12

13 Materiały wiążące: spoiwa w wyniku reakcji chemicznej, lepiszcza w wyniku przemiany fizycznej, np. krzepnięcia odparowania rozpuszczalnika 13

14 Spoiwo budowlane Jest to wypalony i sproszkowany minerał, który po wymieszaniu z wodą ulega stwardnieniu na skutek reakcji chemicznych, wykazując właściwości wiążące. Ze względu na zachowanie się spoiw w środowisku wodnym w czasie ich wiązania i twardnienia rozróżniamy: Spoiwo hydrauliczne zmieszane z wodą wiąże i twardnieje zarówno w wodzie jak i na powietrzu. Do tej grupy spoiw należą cementy. Spoiwo powietrzne po zmieszaniu z wodą ulega wiązaniu i stwardnieniu jedynie na powietrzu. Zalicza się do nich: wapno palone, gips, spoiwo magnezjowe i krzemianowe. 14

15 Rodzaj Spoiwo Nazwa Charakterystyka spoiw mineralnych Podstawowy składnik surowca % Proces cieplny T max [ o C] Skład mineralogiczny Mechanizm wiązania i twardnienia H Y D R A U L I CZ N E P O W I E T R Z N E cementy portlandzkie cementy glinowe cementy romańskie wapno hydrauliczne CaCO gliny 2530 CaCO 3 boksyty CaCO gliny 3050 CaCO gliny 525 wapno palone CaCO 3 >95 gliny <5 spiekanie, topienie 1450 C 3 S, βc 2 S, C 3 A, C 4 AF topienie 1500 CA, CA 2, C 12 A 7, prażenie 1100 prażenie 1200 prażenie 1200 βc 2 S, CA, C 2 F C, βc 2 S,CA, C 12 A 7,C 2 F C hydratacja, hydroliza, karbonatyzacja hydratacja, hydroliza hydratacja, hydroliza, karbonatyzacja hydratacja, hydroliza, karbonatyzacja hydratacja, karbonatyzacja gips CaSO 4. 2H 2 O prażenie 200 CŜH 0,5 hydratacja anhydryty CaSO 4. 2H 2 O prażenie 350 CŜ hydratacja CaSO 4 magnezjowe MgCO 3 prażenie 950 MC hydratacja, powstanie MgCO 3. CaCO 3 soli zasadowych Krzemianowe szkło wodne SiO 2, Na 2 O SiO 2, K 2 O topienie 800 N m S n K m S n karbonatyzacja 15

16 Otrzymywanie każdego spoiwa mineralnego wymaga : prażenia (wapno palone), spiekania (cementy portlandzkie) topienia (szkło wodne). Podczas wiązania przebiegają procesy fizyczne: częściowe rozpuszczenie, utworzenie roztworu przesyconego, przejście w stan koloidalny. Twardnienie spoiwa wykształcenie się struktury krystalicznej 16

17 Równowaga w roztworze nasyconym Roztwór nasycony roztwór w stanie równowagi dynamicznej z fazą stałą substancji rozpuszczonej. Iloczyn rozpuszczalności równy jest iloczynowi stężeń jonów trudno rozpuszczalnej soli w roztworze nasyconym. A n B m n A m m B n Ir= [A m ] n [B n ] m W danej temperaturze Ir jest wielkością stałą, charakterystyczną dla danego związku. 17

18 Iloczyn termodynamiczny Iloczyn termodynamiczny iloczyn rozpuszczalności wyrażony za pomocą aktywności jonów a (zamiast ich stężeń). Jest to bardziej ogólna postać iloczynu rozpuszczalności. 18

19 Rozpuszczalność Rozpuszczalność związków zmienia się w zależności od obecności w roztworze substancji, które mają jony wspólne z osadem, reagują z jonami pochodzącymi z osadu, nie mają jonów wspólnych z osadem powodują wzrost mocy jonowej roztworu ( efekt solny ) A n B m n A m m B n 19

20 1) Obliczyć rozpuszczalność siarczanu(vi) baru. Ir (BaSO 4 )= 1, BaSO 4 Ba 2 SO 4 2 Ir = [Ba 2 ] [SO 4 2 ] S = [Ba 2 ] = [SO 4 2 ] I r = S 2 S = S =1, mol/dm 3 20

21 Rozpuszczalność wapniowców w T=20 o C (g/100g wody) Związek Mg Ca Sr Ba Wodorotlenek Węglan Wodorowęglan Chlorek Siarczan 0,0029 0,179 7,49 54,2 35,6 0,165 0,0014 1,66 74,5 0,202 0,81 0, ,9 0,015 4,18 0, ,2 0,

22 Wiązanie i twardnienie spowodowane jest reakcjami: hydratacji (wszystkie spoiwa), hydrolizy (spoiwa hydrauliczne) karbonatyzacji (spoiwa wapienne). 22

23 Hydratacja złożony proces przebiegający w mieszaninie spoiwa z wodą np. CaSO 4. 1/2 H 2 O 3/2 H 2 O CaSO 4. 2 H 2 O Hydroliza rekcja spoiwa z wodą przebiegająca z rozkładem Ca 2 SiO 4 2H 2 O CaSiO 3. H 2 O Ca(OH) 2 Karbonatyzacja reakcja z tlenkiem węgla (IV) Ca(OH) 2 CO 2 CaCO 3 H 2 O 23

24 Spoiwa hydrauliczne Do spoiw hydraulicznych należą: wapno hydrauliczne cement portlandzki cement glinowy cementy hutnicze, żużlowe, itp. W skład wszystkich materiałów hydraulicznych wchodzą następujące podstawowe tlenki: CaO, SiO 2, Al 2 O 3 i Fe 2 O 3. 24

25 Spoiwa hydrauliczne Skład chemiczny cementu: Najważniejsze związki zawarte w produkcie wypalania (~95%): CaO, SiO 2, Al 2 O 3, Fe 2 O 3 Skład mineralogiczny cementu: krzemian triwapnia (alit) 3CaO. SiO 2 krzemian diwapnia (belit) 2CaO. SiO 2 glinian triwapnia 3CaO. Al 2 O 3 glinożelazian tetrawapnia 4CaO. Al 2 O 3. Fe 2 O 3 (braunmilleryt) 25

26 Hydratacja w technologii cementu Hydratacja krzemianu diwapnia (belitu) 2CaO. SiO 2 nh 2 O 2CaO. SiO 2. nh 2 O 26

27 Hydroliza w technologii cementu Hydroliza belitu Ca 2 SiO 4 2CaO. SiO 2 2H 2 O CaSiO 3. H 2 O Ca(OH) 2 Hydroliza alitu Ca 3 SiO 5 2(3CaO. SiO 2 ) 7H 2 O 3 CaO. 2SiO 2. 4 H 2 O 3Ca(OH) 2 27

28 Karbonatyzacja reakcja z ditlenkiem węgla CO 2 Ca(OH) 2 CO 2 CaCO 3 H 2 O 28

29 Reakcje zachodzące podczas twardnienia masy cementowej Hydroliza alitu 3CaO. SiO 2 (n1)h 2 O 2CaO. SiO 2. nh 2 O Ca(OH) 2 Hydratacja belitu 2CaO. SiO 2 nh 2 O 2CaO. SiO 2. nh 2 O Karbonatyzacja Ca(OH) 2 CO 2 CaCO 3 H 2 O Decydują o właściwościach wytrzymałościowych 29

30 Domieszki do betonu Bezpośrednio przed sporządzeniem mieszanki betonowej dodawane są: Przyspieszacze Opóźniacze Plastyfikatory Środki napowietrzające 30

31 Rodzaj cementu CEM I CEM II CEM III CEM IV CEM V Nazwa cementu Cement portlandzki Cement portlandzki żużlowy Udział dodatku mineralnego w cemencie % wag. Popiół lotny 05 Żużel wielkopiecowy Pucolana Wapień 635 popiołowy 635 pucolanowy 635 wapienny 635 Pył krzemionkowy krzemionkowy 610 mieszany 635 Cement hutniczy Cement pucolanowy Cement mieszany

32 Spoiwo wapienne CaO Wapno palone (CaO) otrzymuje się przez wypalanie kamienia wapiennego (CaCO 3 ) w o C. CaCO 3 CaO CO 2 32

33 Wapno stosuje się głównie do otrzymywania zaprawy wapiennej (murarskiej) Hydratacja wapna gaszenie wodą CaO H 2 O Ca(OH) 2 W zależności od sposobu prowadzenia procesu gaszenia otrzymuje się: wapno hydratyzowane (sucho gaszone) małą ilością wody proszek ciasto wapienne układ koloidalny Ca(OH) 2 w nasyconym roztworze mleko wapienne znaczny nadmiar wody zawiesina 33

34 Proces wiązania i twardnienia zaprawy murarskiej (spoiwa wapiennego) Wysychanie i krystalizacja Ca(OH) 2 (z przesyconego roztworu) Karbonatyzacja Ca(OH) 2 CO 2 CaCO 3 H 2 O 34

35 Spoiwa gipsowe i anhydrytowe T>110 o C CaSO 4 x1/2h 2 O CaSO 4 x 2 H 2 O CaSO 4 x2h 2 O T> 180 dehydratacja CaSO 4 spoiwo gipsowe hydratacja 35

36 Korozja materiałów budowlanych mineralnych organicznych materiałów kamiennych (betonów, materiałów ceramicznych i szkła) drewna asfaltu tworzyw sztucznych 36

37 Korozja mechanizm Procesy fizyczne rozpuszczania i wymywania rozpuszczonych składników, Reakcje chemiczne powstają łatwo rozpuszczalne związki niemające właściwości adhezyjnych powstają trudno rozpuszczalne sole, które podczas krystalizacji zwiększają swoją objętość 37

38 Skutki procesów korozyjnych Zmiana połysku i barwy Zmniejszenie wytrzymałości mechanicznej Utworzenie się wykwitów na powierzchni Zarysowania i pękanie Rozpuszczanie się materiału 38

39 Korozja betonu i żelbetu Ze względu na rodzaj środowiska agresywnego rozróżnia się korozję: ługowania rozpuszczanie i wymywanie z betonu jego rozpuszczalnych składników kwasową kwaśne środowisko węglanową reakcja z CO 2 magnezową środowisko zawiera jony Mg 2 amonową spowodowaną jonami NH 4 siarczanową jonami SO 4 2 zasadową zasadowe środowisko korozja wewnętrzna (reakcja alkalicznego spoiwa cementowego z niewłaściwie dobranym kruszywem) szczególny przypadek zwykle występuje korozja złożona, spowodowana różnymi składnikami środowiska agresywnego. 39

40 Powstawanie wykwitów na elementach budowlanych Na skutek działania wilgoci w materiale kamiennym powstają substancje rozpuszczalne, które zostają wyniesione na powierzchnię i po odparowaniu wody pozostają jako naloty (na murach ceglanych, ścianach betonowych, elementach kamiennych). Źródła wilgoci: opady atmosferyczne podciąganie kapilarne wody z gruntu, reakcje chemiczne, w wyniku których wydziela się woda np. CO 2 lub SO 2 dyfundują w głąb elementu i reagują z Ca(OH) 2 : CO 2 SO 2 Ca(OH) 2 CaCO 3 H 2 O Ca(OH) 2 CaSO 3 H 2 O 40

41 Wykwity Skład chemiczny Ca(OH) 2 CaCO 3 Charakterystyka Wymywany z zapraw i betonu; utrzymuje się krótko ulega wypłukaniu lub przechodzi w CaCO 3 Rozkład Ca(HCO 3 ) 2, powstającego podczas nawilgocenia materiałów zawierających wapno (woda z CO 2 ); CaSO 4. 2H 2 O 3CaO. Al 2 O 3. 3CaSO 4. 32H 2 O Jony SO 4 2 reagują z Ca(OH) 2 z zaprawy lub betonu tworząc gips Jony SO 4 2 reagują z uwodnionymi glinianami wapnia tworząc etryngit; krystaliczny biały nalot w kształcie igieł 41

42 Wykwity Na 2 SO 4. 10H 2 O MgSO 4. 7H 2 O CaCl 2. 6H 2 O MgCl 2. 12H 2 O Powstaje na cegłach, otrzymanych przy zastosowaniu zasiarczonego paliwa i gliny zawierającej alkalia; biały, zbity osad Powstaje na betonie wykonanym z użyciem wody morskiej; nalot higroskopijny (wilgotne plamy), łatwo rozpuszczalny w wodzie Powstaje na betonie wykonanym z dodatkiem CaCl 2 jako domieszką przeciwmrozową; Powstaje na betonie wykonanym z zanieczyszczonej wody zarobowej; 42

43 Wykwity KCl, NaCl K 2 CO 3. Na 2 CO 3. 10H 2 O Ca(NO 3 ) 2. 4H 2 O Powstaje na betonie oraz murach ceglanych i kamiennych w wyniku podciągania kapilarnego z gruntu; Powstaje na powierzchni elementów kontaktujących się ze szkłem wodnym; biały nalot Powstaje na materiałach zawierających Ca(OH) 2 pod wpływem produktów rozkładu związków organicznych zawierających azot ;występuje głównie w obiektach inwentarskich 43

44 Zabezpieczenie przed korozją materiałów kamiennychochrona powierzchniowa Związkami nieorganicznymi Fluorokrzemiany Stężony roztwór szkła wodnego Na 2 SiO 3 Roztwór Ba(OH) 2 Związkami organicznymi Woski Mydła Związki krzemoorganiczne Polimery: polimetakrylan metylu, polichlorek winylu, żywice mocznikowe, formaldehydowe, fenolowe 44