Spoiwa ceramiczne i masy plastyczne

Transkrypt

1 Zakład Technologii Nieorganicznej i Ceramiki Wydział Chemiczny Politechniki Warszawskiej Spoiwa ceramiczne i masy plastyczne Ćwiczenie laboratoryjne 1

2 Część I - Spoiwa ceramiczne Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z właściwościami fizycznymi gipsu, wpływem różnych dodatków na czas wiązania gipsu i jego właściwości mechaniczne. Spoiwo wiążące to grupa tworzyw rozdrobnionych do postaci pyłu, które zarobione wodą dają plastyczny zaczyn, łatwo układający się i formujący, oraz wiążący po pewnym czasie i twardniejący na powietrzu lub w wodzie. Obecnie występuje wiele podziałów jednak najczęściej spotykany jest podział na dwie grupy różniące się wyraźnie zachowaniem w środowisku wodnym. Zgodnie z tym podziałem wyróżnia się spoiwa powietrzne i hydrauliczne ( Rys.1. ). Spoiwa powietrzne po zarobieniu wodą mogą wiązać a następnie twardnieć tylko na powietrzu. Poddane działaniu wody, po związaniu i początkowemu stwardnieniu, tracą swoje właściwości wiążące i wytrzymałościowe. Spoiwa hydrauliczne wiążą i twardnieją zarówno na powietrzu jak i w wodzie, bez dostępu powietrza. Rys.1. Klasyfikacja spoiw wiążących ze względu na ich zachowanie w środowisku wodnym 2

3 Spoiwa powietrzne gipsowe Spoiwa gipsowe i wyroby z gipsu cieszą się dużą popularnością. Podzielić je można na dwie podstawowe grupy: - spoiwa gipsowe, wytwarzane przez częściową dehydratację w niezbyt wysokich temperaturach skał gipsowych lub gipsów odpadowych, głównym składnikiem tych spoiw jest rozdrobniony półwodny siarczan wapnia CaSO 4 1/2 H 2 O; - spoiwa anhydrytowe, otrzymywane w wyniku całkowitej dehydratacji skał gipsowych lub przeróbki anhydrytów naturalnych, natomiast głównym składnikiem tych spoiw jest drobno zmielony i zmieszany z odpowiednimi aktywatorami bezwodny siarczan wapnia CaSO 4. Polska dysponuje dużymi pokładami gipsu i anhydrytu. Występujące w Polsce złoża gipsowe i anhydrytowe pochodzą z dwóch okresów geologicznych: górnego permu i miocenu. W przeważającej części stanowią produkt krystalizacji siarczanów wapnia z wody morskiej. Anhydryt jest spotykany również wśród skał pochodzenia hydrotermalnego i w ekshalacjach wulkanicznych, gips natomiast wśród produktów wietrzenia siarczku żelaza. Proces dehydratacji Najważniejszym etapem produkcji spoiw gipsowych a w większości wypadków także i anhydrytowych jest dehydratacja dwuwodnego siarczanu wapnia (gipsu). Schemat procesu dehydratacji przedstawiony został na Rys.2. Rys.2. Schemat procesu dehydratacji gipsu 3

4 Podczas ogrzewania, dwuwodny siarczan wapnia traci wodę krystalizacyjną w dwóch etapach. W pierwszym etapie przechodzi on w półhydrat. Etap ten charakteryzuje się gwałtownym wydzielaniem pary wodnej. W zależności od tego jakie warunki panują podczas procesu dehydratacji, uzyskuje się odmianę α lub β CaSO 4 1/2H 2 O. Odmiana α powstaje gdy proces dehydratacji CaSO 4 2H 2 O jest prowadzony w atmosferze nasyconej pary wodnej, podczas gdy odmiana β półhydratu powstaje gdy para wodna jest usuwana ze środowiska reakcji. Odmiany α i β mają taką samą strukturę, lecz różnią się zdecydowanie stopniem wykrystalizowania. Drugi etap odwodnienia gipsu odpowiadający przemianie do anhydrytu III jest wynikiem dalszej utraty wody. W zależności od tego czy anhydryt powstał z odmiany α czy β półhydratu rozróżnia się również dwie odmiany α lub β. Ogrzewanie anhydrytu III powoduje przebudowę struktury siarczanu wapnia, wzrost jej uporządkowania i powstanie mało aktywnego anhydrytu II. W temperaturze C powstaje gips estrich. Daje on materiał wiążący nazywany gipsem hydraulicznym, ze względu na to że jest on odporniejszy na działanie wody niż wyżej opisane materiały wiążące. Jego właściwości wiążące wynikają z częściowego rozkładu bezwodnego siarczanu wapnia z wytworzeniem wolnego CaO. Proces wiązania gipsu Bardzo istotnym procesem przy wykonywaniu elementów gipsowych jest proces ich wiązania i twardnienia. Wiązanie gipsu polega na ponownym uwodnieniu półwodnego siarczanu wapnia do dwuwodnego siarczanu wapnia zgodnie z reakcją: CaSO 4 ½ H 2 O + 3/2H 2 O CaSO 4 2H 2 O Reakcja ta przebiega szybko i towarzyszy jej wydzielanie się ciepła. W procesie wiązania półwodnego siarczanu wapnia wyróżnia się trzy podstawowe etapy: rozpuszczanie półhydratu, nukleację zarodków krystalizacji, wzrost kryształów dwuhydratu. Proces wiązania gipsu rozpoczyna się od momentu kiedy spoiwo gipsowe zmiesza się z wodą. Spoiwo to zaczyna się rozpuszczać aż do powstania roztworu nasyconego. Z przesyconego roztworu CaSO 4 wykrystalizowują kryształki gipsu dwuwodnego, w wyniku czego następuje wzrost wytrzymałości mechanicznej. 4

5 Charakterystyka zaczynów Spoiwa gipsowe i anhydrytowe po zarobieniu wodą dają zaczyny charakteryzujące się plastycznością, współczynnikiem wodno-gipsowym i czasem wiązania. Plastyczność zależy od właściwości użytego spoiwa i ilości wody zarobowej. Przy większej ilości wody powstają ciekłe zaczyny a w miarę jej zmniejszania masy plastyczne, gęstoplastyczne, a także masy wilgotne. Współczynnik wodno-gipsowy WG określa wymaganą ilość wody zarobowej potrzebną do uzyskania plastyczności roboczej. Jest to stosunek wody do gipsu, przy którym zaczyn uzyskuje plastyczność roboczą. Współczynnik ten wynosi dla gipsu budowlanego i ceramicznego 0,65-0,80; a dla spoiw anhydrytowych 0,28-0,35. Czas wiązania określany jest poprzez określenie początku i końca czasu wiązania. Początek jest liczony od chwili wsypania spoiwa do wody i obejmuje czas w którym zaczyn utrzymuje właściwości plastyczne. Natomiast koniec obejmuje okres od wsypania spoiwa do wody aż do uzyskania dostatecznie stwardniałego tworzywa. Bardzo ważnymi czynnikami wpływającymi na oznaczanie czasu wiązania są: czas przygotowania zaczynu i intensywności mieszania. Dodatki i domieszki modyfikujące Właściwie dobrana kompozycja pozwala na modyfikację właściwości spoiwa gipsowego, czego doskonałym efektem są odpowiednie właściwości robocze i czas wiązania mieszanki po zarobieniu wodą oraz korzystne parametry mechaniczne stwardniałego tworzywa. W recepturach suchych mieszanek gipsowych stosowane są właśnie następujące dodatki i domieszki: aktywujące wiązanie, opóźniające wiązanie, zwiększające retencję wody w zaprawie, uplastyczniające i upłynniające, napowietrzające, zagęszczające, hydrofobowe, włókna mikrozbrojenie. Regulatory wiązania są to związki mające wpływ na czas wiązania spoiw gipsowych. Związki te można podzielić na opóźniające i przyspieszające wiązanie (Tabela 1 i 2). Domieszki 5

6 zwiększające rozpuszczalność gipsu półwodnego przyśpieszają jego wiązanie, natomiast domieszki obniżające rozpuszczalność opóźniają ten proces. Domieszki te wpływają negatywnie na końcową wytrzymałość spoiwa po stwardnieniu. Należy również podkreślić że zastosowanie wybranego dodatku niekoniecznie będzie miało ten sam charakter oddziaływania w przypadku spoiwa w postaci gipsu półwodnego jak w przypadku anhydrytu. Tabela 1. Klasyfikacja dodatków regulujących czas wiązania spoiw gipsowych I Klasa Charakterystyka ogólna Rodzaj II III IV V Elektrolity i nieelektrolity zmieniające rozpuszczalność gipsu a) silne elektrolity nieposiadające wspólnych jonów z gipsem b) silne elektrolity o wspólnym jonie z gipsem c) słabe elektrolity i nieelektrolity d) substancje tworzące z gipsem w roztworze trudno rozpuszczalne związki Substancje będące ośrodkami krystalizacji gipsu Substancje powierzchniowo czynne, które zaadsorbowane na powierzchni ziaren półhydratu i dwuhydratu zmniejszają szybkość powstawania zarodków krystalizacji Substancje reagujące z gipsem z utworzeniem trudno rozpuszczalnych otoczek Mieszaniny dodatków należących do różnych klas NaCl, KCl, KBr, KNO 3, NaNO 3 Na 2 SO 4, K 2 SO 4, ZnSO 4, MgSO 4 NH 4 OH, C 2 H 2 OH NaF CaSO 4 2H 2 O, CaHPO 3 2H 2 O keratyna, kleje organiczne borany i fosforany metali alkalicznych, H 3 PO 4 np. CaSO 4 2H 2 O + NaCl+ dodatki powierzchniowo czynne Charakter oddziaływania na proces wiązania spoiw gipsowych i anhydrytowych w zależności od stężenia mogą służyć jako przyspieszacz lub opóźniacz procesu wiązania; dodane w niedużych ilościach przyspieszają wiązanie przyspieszają wiązanie, zmniejszając nieco wytrzymałość tworzywa opóźniają wiązanie przyspieszają wiązanie przyspieszają wiązanie opóźniają wiązanie opóźniają wiązanie umożliwiają regulację czasu wiązania zależnie od klasy i stężenia dodatków 6

7 Tabela 2. Oddziaływania wybranych dodatków na proces wiązania spoiw gipsowych i anhydrytowych Rodzaj spoiwa Rodzaj dodatku gips półwodny anhydryt Charakter oddziaływania NaCl + nie oddziałuje CaCl 2 nie oddziałuje - MgCl NH 4 Cl + - AlCl 3 + nie badano Al 2 (SO 4 ) K 2 SO Na 2 SO KNO Na 2 B 2 O 7 10 H 2 O dodatek przyspieszający wiązanie - dodatek opóźniający wiązanie Zdolność zatrzymywania wody pozwala na wydłużenie czasu oddawania wody przez zaprawę, zapewniając pełną hydratację spoiwa gipsowego. Jest to parametr decydujący o przydatności mieszanki gipsowej do stosowania w wewnętrznych pracach wykończeniowych. Właściwości takie uzyskuje się poprzez dodatek eterów celulozowych w postaci metylocelulozy, hydroksymetylocelulozy, hydroksyetylocelulozy oraz metylohydroksypropylocelulozy. Spoiwa wykazują również dużą wodożądność. Obniżenie wodożądności uzyskuje się poprzez zastosowanie domieszek uplastyczniających lub upłynniających. Domieszki uplastyczniające pozwalają na obniżenie wody (5-12%) przy zachowaniu stałej konsystencji zaprawy. Domieszki upłynniające pozwalają na obniżenie wodożądności zaprawy ( powyżej 12%) przy zachowaniu stałej konsystencji. Właściwości uplastyczniające mają: sole kwasów sulfonowych, kwas hydrokarboksylowy, polimery hydroksylowe i nonylofenyle oksyetylowe. Natomiast właściwości upłynniające posiadają: sulfonowane kondensaty melaminowoformaldehydowe i naftalenowo- formaldehydowe, modyfikowane lignosulfoniany i etery kwasu sulfonowego i węglowodorów. 7

8 Do zapraw dodawane są również środki napowietrzające powodującą powstawanie dużej ilości drobnych pęcherzyków powietrznych. Etery skrobi mają właściwości zagęszczające. Dodatek ich znacznie polepsza konsystencję i urabialność oraz obniża tendencję do zbrylania. Dodawanie środków hydrofobowych zmniejsza nasiąkliwość gdyż nasiąkliwość tworzyw gipsowych waha się w szerokim zakresie od 25% do 40% masy. Dobre wyniki uzyskuje się przez impregnację roztworami żywic silikonowych. Dodatek włókien pozwala na uzyskanie wielu korzyści. Rozproszone włókna tworzą trójwymiarową sieć. Stanowią one mikrozbrojenie, przez co przyczyniają się do zwiększenia wytrzymałości mechanicznej tworzywa. Stosowane są włókna celulozowe, polipropylenowe i szklane. Podsumowując, można stwierdzić że dodatki i domieszki modyfikujące stanowią nieodzowny składnik mieszanek gipsowych. Związki te mają istotny wpływ na kształtowanie właściwości roboczych spoiwa po zarobieniu wodą, jak i właściwości użytkowych stwardniałego tworzywa gipsowego. UWAGA: Podczas pracy należy szczególnie przestrzegać, aby odpadki gipsu były wyrzucane tylko do specjalnych pojemników. Gips wrzucony do zlewu powoduje zatykanie przewodów kanalizacyjnych 8

9 Część II - Plastyczne surowce i masy ceramiczne Celem ćwiczenia jest poznanie właściwości ceramicznych surowców ilastych wraz ze sposobami formowania i wybranymi metodami badań. Z punktu widzenia technologii ceramicznej wyróżnia się: 1) surowce plastyczne (iły itp.) stosowane jako składniki spajające masę ceramiczną i umożliwiające kształtowanie wyrobów, 2) surowce nieelastyczne, które można podzielić na: a) schudzające, np.: piasek kwarcowy dodawany do iłu (gliny) przerabianego na cegłę budowlaną. Zadaniem surowców schudzających jest zmniejszenie skurczliwości masy podczas suszenia, wypalania i spiekania (zbyt duża skurczliwość jest przyczyną deformacji wyrobu), b) topniki (skaleń, pegmatyt, fluoryt itp.) dodawane są do masy ceramicznej w celu obniżenia temperatury jej spiekania. Ze względu na zastosowanie, surowce plastyczne można podzielić na: 1. kaoliny i gliny, wypalające się na biało lub kremowo; stosowane są do wyrobu porcelany, porcelitu i fajansu; 2. gliny ogniotrwałe, stosowane do wyrobu materiałów ogniotrwałych (odpornych na wysokie temperatury - np. elementy konstrukcyjne pieców); 3. gliny kamionkowe, wypalające się na kolor czerwony, szary, kremowy i różowy; stosowane do wyrobu naczyń kamionkowych, płytek podłogowych i rur kanalizacyjnych.; 4. gliny klinkierowe i ceglarskie, wypalające się na kolor czerwony; stosowane do produkcji klinkieru i wyrobów ceramiki budowlanej takich jak cegły czy dachówki; 5. gliny garncarskie i kaflarskie, wypalające się na kolor kremowy, różowy lub czerwony; stosowane do produkcji wyrobów garncarskich oraz kafli piecowych. Plastyczność jest jedną z zasadniczych i najbardziej charakterystycznych właściwości ceramicznych surowców ilastych. Właściwość ta pozwala na przeprowadzenie stosunkowo łatwo procesu nadawania określonego kształtu (formowania ze stanu plastycznego) wyrobom ceramicznym. Jest ona niezmiernie ważna z uwagi na potrzeby, różny stopień plastyczności 9

10 oraz możliwości jego regulowania. Odróżnia ona ponadto surowce ilaste od innych surowców, używanych do produkcji ceramiki. Metody oznaczania podstawowych właściwości surowców i ceramicznych mas plastycznych Dla rozpoznania grup surowców ważne są specyficzne cechy technologiczne określane metodami znormalizowanymi. Zależy tu przede wszystkim na porównywalności i powtarzalności wyników. Przykładowe badania wykonywane podczas kolejnych etapów otrzymywania wyrobu ceramicznego przedstawiono na Rys. 3. Rys. 3: Przykładowe badania wykonywane podczas poszczególnych etapów otrzymywania wyrobu ceramicznego. Woda zarobowa, czyli ilość wody, jaką trzeba dodać do wysuszonego w 105 C surowca plastycznego, aby uczynić go podatnym do formowania, wyraża się w procentach wagowych odniesionych do masy suchej próbki. Plastyczność najczęściej definiuje się jako zdolność do tworzenia, po zarobieniu z wodą plastycznej masy, która pod działaniem stosunkowo niewielkich sił mechanicznych odkształca się bez naruszenia spoistości (braku spękania). Do zjawiska plastyczności przyczyniają się trzy czynniki, które samodzielnie lub w połączeniu z pozostałymi przyczyniają się do zjawiska plastyczności. Są to: kształt i wielkość ziaren minerałów, obecność wody i skład mineralny. 10

11 Z pojęciem plastyczności surowców wiążą się następujące ich właściwości: 1. pęcznienie przy nawilżaniu wodą; 2. spoistość przy określonej wilgotności; 3. zdolność masy, zarobionej odpowiednią ilością wody, do odkształceń pod wpływem sił ściskających, rozciągających itp. oraz zachowanie przyjętego kształtu po usunięciu działających sił; 4. zależność w uzyskaniu pełnego odkształcenia, pod działaniem określonej siły, od czasu jej działania; 5. skurczliwość przy wysychaniu; 6. zdolność zachowania przyjętego kształtu w procesie suszenia i wypalania. Skurczliwość wysychania jest to zmiana wymiarów liniowych świeżo uformowanej próbki, spowodowana jej wysuszeniem. Wyraża się to w procentach pierwotnej długości próbki lub odcinka zaznaczonego na jej powierzchni. Podstawą do zaliczenia ćwiczenia jest obecność na zajęciach, zaliczenie kolokwium wejściowego oraz oddanie sprawozdania z przebiegu ćwiczenia. Sprawozdanie powinno obejmować: imiona i nazwiska studentów, cel ćwiczenia i opis prowadzonych eksperymentów, wyniki wykonanych pomiarów a także ich interpretację. 11

12 Wykonanie ćwiczenia Spoiwa ceramiczne 1. Badanie rozpływu gipsu Wykonanie doświadczenia polega na pomiarze średnicy rozpływu placka po czasie związania zaczynu gipsowego przy danym stosunku W:G, tj. wody do gipsu. Oznaczenie wykonuje się przy pomocy urządzenie typu wiskozymetr Southarda, który składa się z cylindra (wykonanego z tworzywa) o wysokości ok. 10 cm i średnicy ok. 5 cm oraz szklanej płyty. Pod płytę układa się karton z narysowanymi koncentrycznie okręgami o średnicach 10, 12, 14, 18, 24, 26, 28, 30 i 32 cm. Płaszczyzna płyty szklanej powinna być dokładnie pozioma. Następnie przygotowuje się zaczyny gipsowe o stosunku W/G o wartościach: 0,4 (zakładana ilość wody 50ml); 0,5; 0,6; 0,7 i 0,8 (zakładana ilość wody to 200 ml). Przygotowaną naważkę gipsu wsypuje się do wody w parownicy mieszając w ciągu 30 sekund. Po wsypaniu gipsu należy nadal szybko mieszać zaczyn przez następne 20 sekund, aby otrzymać jednolitą masę, poczym pozostawić w spokoju przez 2 minuty. W dalszej kolejności zaczyn szybko wlewa się do cylindra stojącego na płycie szklanej. Czynność ta nie powinna trwać dłużej niż 30 sekund. Napełniony cylinder unosi się szybkim, płynnym ruchem do góry, prostopadle do płyty szklanej i wówczas zaczyn rozlewa się w postaci placka, którego średnica, w zależności od stosunku W/G zaczynu wynosi cm. Wyniki umieszcza się w tabeli i na wykresie zależności średnicy placka od stosunku WG. Na podstawie tak przygotowanego wykresu określa się konsystencję zaczynu gipsowego, z którego można wykonać formę gipsową, o odpowiadającej rozpływowi (średnicy placków ) w zakresie 20 30cm. 2. Oznaczenie czasu wiązania gipsu Przygotować należy zaczyny gipsowe o stosunku W/G = 0,6 (np. 130ml wody i 216g gipsu) z dodatkiem 1% wag środka przyspieszającego (CaSO 4 2H 2 O) i 3% wag środka opóźniającego (sacharoza) czas wiązania. Dla porównania wykonać również zaczyn bez dodatku regulującego czas wiązania. Po dodaniu gipsu do wody włącza się stoper i niezwłocznie rozpoczyna się mieszanie. Następnie napełnia się pierścień ebonitowy (1) (uprzednio pokryty smarem) ustawiony na płytce (2), wstrząsa się kilkakrotnie, aby usunąć pęcherze powietrza. Po wyrównaniu i wygładzeniu górnej powierzchni zaczynu ustawia się go w aparacie Vicata i mierzy: 12

13 czas początku wiązania czas liczony w minutach, który upływa od chwili rozpoczęcia dodawania gipsu do wody do momentu, kiedy opuszczona igła (4), po zanurzeniu się w zaczynie, po raz pierwszy zatrzyma się w odległości 1 mm od powierzchni płytki (2) czas końca wiązania - czas liczony w minutach, który upływa od chwili rozpoczęcia dodawania gipsu do wody do momentu, kiedy swobodnie opuszczona igła zanurzy się w zaczynie nie głębiej niż na odległość 0,5mm, licząc od powierzchni gipsu. Rys.1. Aparat Vicata Ruchoma część aparatu Vicata składa się z trzpienia (3) i igły (4). Podczas pomiaru koniec igły opuszcza się tak, aby stykał się z powierzchnią zaczynu wypełniającego pierścień i dopiero wtedy opuszcza się ją swobodnie. Do zatrzymywania i zwalniania trzpienia (3) i igły (4) służy śruba (5). Położenie igły odczytuje się za pomocą wskaźnika (7) na podzielnicach s1 lub s2 przymocowanych do statywu (6). Podczas oznaczania początku końca wiązania igłę opuszcza się do zaczynu co 30 sekund. Po każdym zanurzeniu igłę należy dokładnie wytrzeć z pozostałego na niej zaczynu. Kolejne pomiary wykonuje się w coraz to innym miejscu zaczynu. 3. Przygotowanie kompozytów ceramiczno-polimerowych i badanie ich właściwości mechanicznych Przygotować należy zaczyn gipsowy o W/G=0,7 ( 70g wody i 100g gipsu ). Po czym do rozrobionego zaczynu dodać 0,2; 0,4 i 0,6 % wag włókien celulozowych w stosunku do gipsu. Wykonać należy również próbkę bez dodatku włókna. Tak przygotowane zaczyny odlać do form. Gips i kompozyty gipsowe pozostawić do związania. Po związaniu otrzymane kształtki zmierzyć a następnie wykonać badanie wytrzymałości próbek na ściskanie, oznaczając przy 13

14 tym wartość siły niszczącej próbkę. Należy wyliczyć współczynnik na ściskanie z następującego wzoru: gdzie: W SC W sc współczynnik na ściskanie [MPa], P siła powodująca zniszczenie badanej próbki [N], S pole powierzchni próbki [mm 2 ] P S Masy plastyczne 1. Określenie wody zarobowej do stanu plastyczności. Materiały wybrane do badań: -kaolin, - kamionka, - glina Sławków czerwona, - glina Gozdnica zielona, - glina Jaroszów (ogniotrwała) Do parownic odważyć po 100g surowca a następnie powoli dodawać z biurety wodę do uzyskania stanu plastycznego 2. Formowanie płytek. Z przygotowanych mas plastycznych uformować płytki, zaznaczyć na nich odcinki pomiarowe i odstawić do wysuszenia. Obliczyć ich skurczliwość suszenia. 3. Schudzenie najbardziej plastycznego surowca. Do gliny dodać 30% wag piasku kwarcowego (materiału schudzającego) w stosunku do surowca. Dla przygotowanych mieszanek określić wodę zarobową. W ramach ćwiczenia studenci zapoznają się również ze sporządzaniem form gipsowych oraz metodą formowania plastycznego. 14

15 CIEKAWOSTKA Ceramika budowlana Podstawowymi materiałami stosowanymi do budowy od dawna były: glina naturalna i wypalona (cegła), kamień oraz drewno. Gliny powstają wskutek erozji skał zawierających skalenie. Dwutlenek węgla i woda powodują przekształcenie skalenia (ortoklazu) w kaolinit, główny składnik glin. Oprócz kaolinitu, gliny zawierają wiele domieszek, z których najczęściej występujące to: kwarc, mika, tlenki żelaza. Skład mineralogiczny wpływa na plastyczność gliny. Przyjmuje się, że plastyczność jest spowodowana płytkową budową minerałów ilastych, otoczonych cienką błonką wody oraz bardzo duże rozdrobnienie substancji ilastej. I dlatego też glina posiadałjąca (w przeciwieństwie do kamienia i drewna) cechy urabialności plastycznej po zarobieniu z wodą była wykorzystywana do sztukowania różnych ścian jam mieszkalnych i budowli z wikliny. Różnego rodzaju suszone bryły, bryłki i kształtki z gliny, suszone na słońcu, łączone rozrzedzonym wodą iłem, stały się prototypem współczesnej cegły. Obok cegły, która szczyci się długim stażem, dachówka ceramiczna to materiał budowlany, który wciąż jest stosowany i nie zanosi się, aby było inaczej. Popularność zyskała przede wszystkim dzięki swoim właściwościom użytkowym. Cegła i dachówka ceramiczna stworzyły nowe możliwości. Budowle były wyższe, bardziej różnorodne, jasne wewnątrz. Wznoszono je szybciej i łatwiej. Były trwałe, nie niszczały podczas zmiennych pór roku, chroniły przed mrozem, śniegiem, obfitymi deszczami i upalnym słońcem, a nawet ogniem. Ceramika budowlana obejmuje wyroby formowane i wypalane ze specjalnie przygotowanej mieszanki, której głównym składnikiem jest glina. Wyroby ceramiczne należą do podstawowych materiałów budowlanych, o dość wszechstronnym zastosowaniu. Wyroby ceramiczne są szczególnie cenione w budownictwie ze względu na bardzo dobre parametry techniczne, naturalne pochodzenie i wielowiekową tradycję ich wytwarzania. I tak najważniejsze z ich zalet można podsumować następującymi stwierdzeniami: elementy budynków wykonane z ceramiki budowlanej są wyjątkowo trwałe, odporne na korozję atmosferyczną, co ma szczególne znaczenie w dzisiejszych czasach, charakteryzujących się wysokim stopniem skażenia środowiska naturalnego; elementy budynków wznoszonych z wyrobów ceramiki budowlanej mogą być realizowane siłami własnymi przyszłego użytkownika, a kształtowanie wystroju zewnętrznego i wewnętrznego budynku jest stosunkowo proste; 15

16 ściany budynków wykonanych z wyrobów ceramiki budowlanej charakteryzują się dobrymi właściwościami termoizolacyjnymi, a jednocześnie doskonale akumulują ciepło i przepuszczają parę wodną; cechy te sprawiają, że mikroklimat pomieszczeń o takich ścianach jest znacznie korzystniejszy dla istot żywych od występującego we wnętrzach stworzonych przez użycie innych wyrobów o podobnym zakresie stosowania; wyroby ceramiki budowlanej są produktami ekologicznymi, gdyż są wykonane z naturalnych surowców, nie emitują żadnych związków szkodliwych dla organizmów żywych, co sprawia, że są powszechnie stosowane w budownictwie mieszkalnym; ściany z wyrobów ceramiki budowlanej, w tym szczególnie ściany wewnętrzne wykonane z cegieł, mają bardzo dobrą izolacyjność akustyczną, co zabezpiecza poszczególne pomieszczenia budynku przed hałasem zewnętrznym; wyroby ceramiki budowlanej charakteryzują się wysoką odpornością ogniową, co umożliwia wykonanie z nich nie tylko ogniotrwałych ścian i stropów, ale nawet całych fragmentów budynku. Historia ceramiki jest częścią historii i odzwierciedla zmieniające się zwyczaje i rytuały cywilizacyjne. Rozwój cegły na przestrzeni wieków Produkcja cegieł zapoczątkowała się w starożytnym Wschodzie, głównie w cywilizacjach nad Eufratem i Tygrysem oraz Nilem. Najstarsze ślady sięgają VII tysiąclecia p.n.e, wówczas odkryto najstarsze budynki, którymi były domy znane ze Starego Testamentu jak domy tworzące Jerycho, powstałe z glinianych cegieł ok. 8 tys. lat p.n.e. W tamtych czasach cegłę wykonywano dwoma sposobami, a mianowicie suszona w cieniu i dosuszana na słońcu ( tzw. surówka) oraz wypalana w piecu. Jednak cegły ręcznie formowane z dodatkowa warstwą cegły palonej również miały swój duży rozwój przy budowie świątyń Uruk. W czasie powstawania miasta, wykorzystano cegły płasko wypukłe do budowy muru warownego Pod koniec IV tysiąclecia p.n.e. w Mezopotamii do ważniejszych budowli zaczęto używać cegły wypalanej. Budowle z mało wytrzymałej cegły mułowej pokrywano z zewnątrz cegłą wypalaną, odporną na różne warunki atmosferyczne. Ściany od zewnętrznej strony pokrywano warstwą ochronną, którą wykonywano z cegły palonej, pokrytej barwnym szkliwem ( np. Święta Ulica i brama Isztar w Babilonie).Pałac 16

17 Nabuchodonozora II a także wiele innych budowli Babilonu miały ściany z wypalanej, szkliwionej, kolorowej cegły. Około 2000 lat przed naszą erą rozpoczęła się budowa wieży w Babilonie. Podstawowym materiałem budowniczym była cegła, dzięki której nastąpiła intensywna rozbudowa. Trzy rzędy ceglanych murów z wieżami i bramami - jedna z nich to słynna brama Isztar. Otaczało i jednocześnie chroniło ogromną wschodnią część metropolii po stronie Eufratu. Wraz z podbojem Wschodu przez Aleksandra Wielkiego w IV w. p.n.e. upadła technika zdobienia ceramiki. W starożytnej Azji m.in. a Indiach, Chinach i Indonezji rozpowszechnione głównie były cegły suszone i wypalane. W Ameryce w okresie prekolumbijskim stosowana była również cegła suszona zwana adobą. Następnym najważniejszym miejscem rozpowszechnionym z budowania z cegły mułowej był Egipt. Cegłę mułową stosowano od ok. 4 tysięcy lat p.n.e. natomiast cegłę wypalaną stosowano dopiero ok. 50 roku p.n.e. W Grecji do budowy głównie wykorzystywano drewno i kamień, ale na mniejszą skalę użytkowano również starannie suszonymi cegłami. Grecy stosowali cegłę paloną rzadko i dopiero od IV w. p.n.e. Dzięki Rzymianom cegła trafiła do Europy, gdzie nastąpił wzrost jej popularności i zastosowania w budownictwie. Wykorzystywano głównie beton, ale do wznoszenia ścian nadal stosowano cegłę mułową wypalaną i zaprawę wapienną. Początkowo Rzymianie używali cegły surowej, suszonej na słońcu. Przed niekorzystnym działaniem warunków atmosferycznych zabezpieczano ją tynkiem. Później podobnie jak w starożytnej Mezopotamii zaczęto stosować cegłę paloną. Kiedy materiał był wbudowywany w miejscu narażonym na zawilgocenie, zabezpieczano go dodatkowo specjalnym roztworem. W czasach panowania Juliusz Cezara (59-44 r. p.n.e.) nastąpił duży rozwój cegły wypalanej. Jednak po upadku Imperium Rzymskiego (V w n.e.) wszystkie osiągnięcia Rzymskie przejęło Cesarstwo Bizantyjskie, przy czym dokonano większego dotychczas rozwoju i udoskonaleń. Budownictwo naszej ery niezależnie od stylu także sięgało po cegłę. Była ona doceniana szczególnie w regionach, w których trudno dostępny był dobrej jakości kamień m.in. w Niemczech, Holandii. 17

18 W XI w. n.e. na całą Europę rozpowszechniła produkcja cegieł z Hiszpanii. We Francji wraz z utworzeniem się nowego stylu w architekturze-gotyk nastąpiło duże zapotrzebowanie na wypalaną cegłę, która stała się podstawowym materiałem budowlanym. Gotyk w rożnych odmianach dotrwał do wieku XV, rozprzestrzenił się głównie na obszarze Anglii, Hiszpanii, Niemiec, Niderlandów i krajów skandynawskich. Cegła stała się podstawowym materiałem do budowy młynów, pierwszych fabryk, czy magazynów portowych. W okresie rewolucji przemysłowej drewno w konstrukcjach budowlanych zaczęto zastępować żeliwem, które w połączeniu z ceglanym murem zwiększało bezpieczeństwo pożarowe. Największy rozwój w zakresie produkcji cegieł przypada na II połowę XIX wieku. Związany jest z trzema zasadniczymi odkryciami technicznymi: o z konstrukcją pieca kręgowego Hoffmanna w 1857roku; o z wprowadzeniem mechanicznej prasy ceglarskiej przez Schlickeysena w latach , o z wprowadzeniem sztucznych suszarni Kellera pod koniec XIX wieku. W Polsce rozwój cegły zapoczątkowany był w XIII wieku pod wpływem osiągnięć krajów zachodnich. Rozkwit gotyku wpływał dominująco na rolę, udoskonalanie i produkcje cegieł. Główny rozkwit budownictwa zawdzięcza się Kazimierzowi Wielkiemu, z którym to wiąże się, że zastał Polskę drewnianą, a zostawił murowaną. To on otoczył murami 27 miast i wzniósł 53 zamki. Za czasów władania Zygmunta Augusta zaznaczył się wzrost produkcji i poprawa jakości wapna i cegły, a sam Zygmunt August ustalił pierwszą w Polsce normę budowlaną, ustalając przepisowe wymiary cegły na 3 x 6 x 12 cali. Stopniowo z wiekiem XIX pojawiła się moda na stawianie budynków cegielnych w stanie surowym. Następnie w kolejnym wieku, a mianowicie w XX zaczęto wprowadzać tynkowanie budynków, a wraz z tym rozwojem coraz częściej stosowano pustaki betonowe zamiast cegieł, oraz wytwarzano płyty betonowe, co wpłynęło niekorzystnie na dalsze zapotrzebowanie na cegłę. Spowodowało to zmniejszenie jej produkcji. Współczesnym już przełomem w rozwoju tego materiału okazała się produkcja "ciepłej ceramiki, czyli ceramiki poryzowanej. Zastosowanie w procesie produkcyjnym domieszek z mączki drzewnej lub trocin, ulegającym wypaleniu podczas wypału ceramiki w piecu, powoduje powstanie w strukturze materiału sieci mikroporów, znacznie poprawiających właściwości termoizolacyjne. 18

19 Historia dachówki Od początków powstania życia ludzkiego, szukano schronień i bezpieczeństwa pod dachem. Ludzkość wraz z biegiem lat tworzyła nowe idee miejsc zamieszkania. Początkowo były to jaskinie, szałasy, jednak to nie było tym, o czym marzyli. Pierwsze konstrukcje dachowe zbudowane przez człowieka składały się z gałęzi i liści. Pierwsze dachówki, czyli płaskie płyty gliniane mają swoje początki ok. 800 lat p.n.e., a zapoczątkowali je Etruskowie. W Grecji ok. 100 lat później pojawiła się dachówka przypominająca współczesną. Dachówki o kształcie rynnowym kładzione obok siebie wytwarzano w Cesarstwie Rzymskim. Dachówki rzymskie, które znaleziono na obszarze Moraw południowych i Słowacji południowej miały płaski prostokątny kształt o grubości ok. 3 cm. Zachowały się dachówki o długości od 65 do 115 cm, szerokości od 47 do 85 cm. Z biegiem lat dążono do uzyskania większej szczelności i w związku z tym zaczęto łączyć dachówki od góry półokrągłymi dachówkami. Ta forma dachówek znana jako Mnich- Mniszka i zawędrowała wraz z podbojami na tereny Francji i Hiszpanii. Układano je parami na dachach domów, obiektów zabytkowych lub sakralnych. Wraz z rozwojem miast zaczęto produkować i stosować płaską dachówkę karpiówkę, w dużej ilości na dachach domów mieszkalnych. Typowe karpiówki były to przeważnie prostokąty o zaokrąglonej dolnej powierzchni. Z rozkwitem i rozbudową miast powstawały nowe kształty dachówek. Od XV wieku n.e. z terenu Holandii rozpowszechniły się dachówki w kształcie fali. Najpierw produkowano jedynie dachówki podłużnie ciągnione. W miarę rozwoju nowych technologii wymyślono dachówki o bardziej zróżnicowanej formie - tzw. zakładkowe. Posiadały one zakładki podłużne i poprzeczne, które zachodząc na siebie przy układaniu zapewniały dużą szczelność pokrycia. Bracia Gillardoni w Altkirch wytworzyli pierwsze dachówki zakładkowe, natomiast pierwszą przemysłowo produkowaną dachówką zakładkową była marsylka opatentowana w Niemczech przez Ludovici w 1874 r. Marsylka o powierzchni żłobkowanej wzdłuż wszystkich krawędzi po ułożeniu na dachu nadaje mu zróżnicowany, oryginalny wygląd. Do tej dachówki zastosowano po raz pierwszy dachówkę boczną (szczytową). Szczelność pokrycia między dachówkami uzyskiwano wcześniej stosując słomę lub końskie włosie z dodatkiem wapna. Do XIX wieku, kiedy powstały maszyny do produkcji dachówek ich wytwarzanie było rzemiosłem wymagającym dużego doświadczenia. 19

20 Na początku XIX w. popularne było krycie dachówkami ceramicznymi. Oprócz udoskonalania kształtów duży nacisk kładziono na nowoczesną technologię, co spowodowało duży rozwój produkcji przemysłowej na większą skalę. Tworzono i udoskonalano piece do wypału dachówek, w celu zużywania jak najmniejszej ilości trudno dostępnego paliwa. Przełomem okazał się wynaleziony w 1858 r. przez Hoffmanna piec pierścieniowy, w którym paliwo mogło być wielokrotnie wykorzystywane. Natomiast w 1854 r. w Berlinie wynaleziono dachówczarkę, która bardzo ułatwiła uprzemysłowienie wyrobu dachówek. Pracowała ona jak prasa -jednocześnie urabiając, formując i tnąc. Następnie wynaleziono piec tunelowy, który zastąpił piec pierścieniowy, lecz był on ciągle niedoskonały, brakowało wielu rozwiązań technicznych. Dopiero ok. 1970r. na tyle udoskonalono produkcję, że była ona sterowana komputerowo. Mało elastyczne, ciężkie i za kosztowne okazały się jednakże i piece tunelowe. Pierwsze własne dachówki na naszych ziemiach zaczęto produkować w okresie Rzeszy Wielkomorawskiej, znaczny wzrost ich produkcji nastąpił zwłaszcza w X i XI wieku. W miarę rozwoju miast palona dachówka była coraz częściej stosowana i dalej się rozwijała. Dziś powszechnie układa się dachówki metodą na sucho. Gąsiory, które służą do zabezpieczania szczelności dachu w miejscach stycznych połaci dachowych powstały z odwrócenia dachówek rynnowych. Współczesny dom z ceramiki Pomimo coraz większej liczby technologii budowlanych dostępnych na rynku, nadal największym uznaniem cieszy się technologia tradycyjna ściany murowane. Nowoczesne materiały konstrukcyjne oraz izolacyjne pozwalają szybko i solidnie budować. Pokrycie domów z dachówek ceramicznych czy cementowych zapewnia dobry mikroklimat w pomieszczeniach. Dzięki małym wymiarom materiał ten zapewnia bardzo dobre warunki wentylacji warstw połaci - dzięki temu dach "oddycha, co ma wpływ na trwałość więźby, właściwe odprowadzenie wilgoci spod połaci i jakość powietrza w pomieszczeniach domu. Kolejną zaletą dachówek jest zdolność dużej akumulacji ciepła, dzięki której latem dachówka się nie przegrzewa i wysoka temperatura zewnętrzna nie jest przekazywana do wnętrza budynku. Z kolei wysoka zdolność dachówek do tłumienia dźwięku daje użytkownikowi komfortową ciszę nawet w czasie największych ulew. Jeśli dodamy do tego jej wysoką ognioodporność otrzymamy pełny obraz dachówki, która dzięki wielu atutom wciąż wygrywa ze swoimi konkurentami. 20

21 Obecnie proces produkcji dachówek ceramicznych jest w pełni zautomatyzowany i zmechanizowany. Producenci używają specjalnych, nowoczesnych pieców, które znacznie przyspieszyły procesy wypalania. Wpłynęło to korzystnie na zużycie energii i zmniejszenie emisji, CO 2 do atmosfery, co ma obecnie duże znaczenie dla ochrony środowiska. Szybki rozwój technologii powoduje ciągłe udoskonalanie dachówek pod względem parametrów technicznych. Dąży się do poprawiania trwałości dachówek poprzez zwiększanie ich wytrzymałości. Modyfikuje się skład surowcowy, w celu otrzymania optymalnych, najkorzystniejszych rozwiązań. Dachówki ceramiczne doskonali się również pod względem walorów estetycznych, np. poprzez modyfikację kształtów. Dachówki pokrywane są specjalnymi powłokami, w celu nadania im odpowiedniej barwy. Dawniej ceramiczne dachówki miały odcień jedynie naturalny, ceglasty, dzisiaj jest to już prawie cała paleta barw. Barwy dachówek uzyskuje się poprzez barwienie ich w masie lub angobowanie. Barwienie w masie polega na dodaniu minerałów do surowców (przed ich przerobem) zapewniających zmianę koloru. Angobowanie polega na spryskaniu powierzchni wysuszonych dachówek (przed wypaleniem) płynną warstwą glinki szlachetnej (iłu) rozmieszanej w wodzie i zabarwionej naturalnymi tlenkami żelaza. Różnorodność kształtów i kolorów dachówek ceramicznych stwarza obecnie duże możliwości kształtowania wyglądu dachu, który stanowi ważny element architektoniczny całej budowli. Dach ceramiczny pasuje do elewacji tynkowej, kamiennej lub klinkierowej. Obecnie na dachach obserwuje się wiele oryginalnych kolorów dachówek ceramicznych, takich jak: barwy grafitowe, niebieskie, zielone, brązowe, szare, czarne, fioletowe, żółte, a nawet spotyka się dachówki cieniowane lub kolorystycznie stylizowane na stare sprawiające wrażenie podniszczonych. Jeśli chodzi o kształty to popularne są zarówno dachówki tradycyjne np. karpiówki czy esówki, jak i nowoczesne oryginalne kształty dachówek zakładkowych wymyślone przez producentów. Powszechnie wiadomo, że ceramika budowlana to ceniony materiał o wielowiekowej tradycji. Ale przyznać trzeba również, iż ceramika wypalana w sposób tradycyjny miała i ma niewystarczające dla naszego klimatu właściwości termoizolacyjne, wymagające stosowania różnych systemów dociepleń, a to się wiąże z dodatkowymi kosztami. Oprócz powszechnie znanej cegły pełnej, najpopularniejszym obecnie materiałem do budowy ścian zewnętrznych, są pustaki ceramiczne. Pomimo wielu zalet, jakie posiada cegła pełna, jej parametry termoizolacyjne pozostawiają wiele do życzenia. Aby zbudować z niej ciepłą przegrodę, trzeba wykonać dość grubą i pracochłonną ścianę trójwarstwową. 21

22 Aby zapobiec wadom tradycyjnych pustaków zaczęto dodawać w procesie produkcyjnym do wrabianej masy mączkę drzewną lub trociny. Podczas wypalania w piecu dodatki te powodują powstawanie sieci zamkniętych mikroporów, które poprawiają właściwości termoizolacyjne. Dziś cegły ceramiczne często formowane są w kształcie o skomplikowanym układzie drążeń, który dodatkowo poprawia izolacyjność termiczną. Rozwiązanie to umożliwia produkcję bloczków pozwalających na murowanie jednowarstwowych ścian bez docieplenia, z których wykonana ściana spełnia wymagania dzisiejszych norm budowlanych. Stateczność cieplna murów, wykonywanych w technologii ceramiki poryzowanej, pozwala na utrzymanie stałej, odpowiedniej temperatury w pomieszczeniu. Dzięki odpowiedniej masie ściany jednowarstwowe gromadzą i oddają ciepło w zależności od temperatury wewnątrz i na zewnątrz budynku. Proces ten zachodzi zarówno w cyklu dobowym, jak i rocznym. Zimą zabezpiecza przed gwałtownym wychłodzeniem domu, a latem przed jego nadmiernym przegrzaniem. Ściany jednowarstwowe akumulują również energię promieniowania słonecznego i efektywnie ją wykorzystują do zapewnienia stabilnej temperatury wewnątrz pomieszczenia. Ten korzystny proces, charakterystyczny dla systemu ścian jednowarstwowych, nie występuje w przypadku ścian budowanych metodą tradycyjną z dociepleniem, ponieważ dodatkowa izolacja uniemożliwia absorpcję ciepła promieniowania słonecznego przez mury. Pustaki nowej generacji, pomimo, że są droższe od pustaków starego typu, to jednak należy je uznać za bardzo dobry materiał budowlany, z którego jednowarstwowa ściana zewnętrzna jest w ostatecznym rozrachunku tańsza i prostsza do wykonania niż ściana dwulub trójwarstwowa. 22