SPOIWA MINERALNE POLITECHNIKA GDAŃSKA WYDZIAŁ CHEMICZNY KATEDRA INŻYNIERII PROCESOWEJ I TECHNOLOGII CHEMICZNEJ TECHNOLOGIE MATERIAŁÓW BUDOWLANYCH

Transkrypt

1 POLITECHNIKA GDAŃSKA WYDZIAŁ CHEMICZNY KATEDRA INŻYNIERII PROCESOWEJ I TECHNOLOGII CHEMICZNEJ TECHNOLOGIE MATERIAŁÓW BUDOWLANYCH SPOIWA MINERALNE dr hab. inż. Anna Zielińska-Jurek mgr inż. Zuzanna Bielan Gdańsk, 2019

2 1. Spoiwa mineralne. Rodzaje spoiw Spoiwami mineralnymi nazywamy materiał wiążący (spoiwo), które zostało wytworzone poprzez zmielenie i późniejsze wypalenie surowców mineralnych. Po dodaniu wody zachodzi w nich nieodwracalny proces twardnienia. Najczęstszy podział spoiw mineralnych dotyczy środowiska, w którym twardnieją. a) Powietrzne proces twardnienia zachodzi na powietrzu b) Hydrauliczne proces twardnienia zachodzi na powietrzu i pod wodą Do spoiw powietrznych zalicza się: Spoiwa wapienne Spoiwa gipsowe Cement anhydrytowy (cement Keena) Spoiwo magnezjowe (cement Sorela) Spoiwo krzemianowe Do spoiw hydraulicznych zalicza się: Spoiwa cementowe Wapno hydrauliczne (cement romański) 2. Spoiwo wapienne Spoiwo wapienne, nazywane również wapnem powietrznym, to spoiwo mineralne suchowiążące (twardniejące na powietrzu). Występuje pod różnymi postaciami, choć końcową postacią w budownictwie jest zawsze mleko wapienne. Postacie spoiwa wapiennego: Wapno palone (CaO): otrzymywane w reakcji wypalania wapieni w temperaturze o C. T CaCO3 CaO + CO2 Tlenek wapnia jest białym ciałem stałym (im mniej domieszek pochodzących z zanieczyszczonego wapienia, tym jest bielsze) o bardzo silnych właściwościach higroskopijnych. Gwałtownie łączy się z wodą, tworząc wapno gaszone z wydzieleniem ciepła (reakcja gaszenia wapna). Wapno gaszone (Ca(OH)2): otrzymywane w egzotermicznej reakcji wapna palonego z wodą CaO + H2O Ca(OH)2 + Q Ze względu na ilość użytej przy gaszeniu wody wyróżnia się:

3 Gaszenie na mokro tradycyjna metoda, w wyniku której otrzymuje się ciasto wapienne oraz mleko wapienne Gaszenie na sucho przy użyciu minimalnej ilości wody (jedynie do prawidłowego przebiegu reakcji). Stosowane w przemyśle. Jego wynikiem jest wapno hydratyzowane. Wapno hydratyzowane: Wodorotlenek wapnia o wilgotności powietrza. Z racji na niewielką ilość wody stosowaną przy procesie tworzenia, może zawierać jeszcze śladowe ilości ziaren niedogaszonego wapna palonego. Może to powodować odpryski w tynku (napęczniałe grudki). Ciasto wapienne: Ca(OH)2 + nadmiar wody (65% wodorotlenku + 35% wody). Posiada mazistą konsystencję. Mleko wapienne: Zawiesina wodorotlenku wapnia w wodzie (ok % Ca(OH)2). Stosowane do białkowania ścian i zarabiania zapraw cementowych. Proces twardnienia spoiwa wapiennego: Drugi etap (kilka godzin) to czas, w którym następuje proces wiązania i krzepnięcia spoiwa. Trzeci etap trwający bardzo długo (do kilku lat) to okres twardnienia spoiwa. UWAGA! Spoiwo zaprawa Zaczyn - spoiwo + woda Zaprawa spoiwo + woda + piasek 3. Spoiwa gipsowe Spoiwa gipsowe są to materiały wiążące, otrzymywane z naturalnych siarczanów wapniowych występujących w przyrodzie w postaci kamienia gipsowego (CaSO4 2H2O). Produkcja tych spoiw polega głównie na obróbce termicznej kamienia gipsowego.

4 Spoiwa gipsowe szybko wiążące otrzymuje się w prażarkach w niskich temperaturach ( o C). Surowcem jest mączka gipsowa. Podczas wypalania zachodzi proces odwodnienia według reakcji: CaSO4 2H2O CaSO4 ½ H2O + 3/2 H2O Produkt tej reakcji CaSO4 ½ H2O występuje w dwóch odmianach (alfa) i (beta). Odmiany te wykazują istotne różnice rozpuszczalności, czasu wiązania i wytrzymałości. Odmiana (beta) w odróżnieniu od odmiany (alfa) ma wygląd kłaczkowaty, krystalizuje w postaci bardzo drobnych kryształów. Stąd odmiana (beta) ma gorsze właściwości wytrzymałościowe niż odmiana (alfa), która ma zwartą strukturę krystaliczną. Spoiwa tej grupy należą do spoiw powietrznych szybko wiążących - o początku wiązania od 3 do 12 minut i końcu wiązania 15 do 20 minut. Spoiwa gipsowe wolno wiążące produkowane są w wysokich temperaturach. Dzielą się one na: o spoiwa anhydrytowe o gips hydrauliczny Początek wiązania gipsu hydraulicznego zachodzi po upływie 2 do 6 godzin, koniec wiązania po 6 do 30 godzin. Zaletą tak otrzymanego spoiwa jest większa odporność na działanie wody i czynników atmosferycznych (mrozu). Proces wiązania i twardnienia spoiw gipsowych: Wiązanie spoiw gipsowych polega w zasadzie na reakcji odwrotnej do reakcji odwodnienia surowców stosowanych do produkcji gipsu. Jest to reakcja egzotermiczna. CaSO4 ½ H2O + 3/2 H2O CaSO4 2H2O + 14,2 kj/mol 4. Spoiwa cementowe Spoiwa cementowe należą do grupy spoiw hydraulicznych, tzn., że ich proces wiązania i twardnienia może zachodzić zarówno pod wodą, jak i na powietrzu. Otrzymywany jest z surowców mineralnych takich jak: Wapień Glina Margiel (węglany wapnia i magnezu) Kreda Oraz z odpadów przemysłowych (stosowanych jako dodatki), m.in. żużle, popioły lotne, łupki, pył z pieców cementowych.

5 Głównymi metalami znajdującymi się w kryształach mieszanych cementu są wapń, glin oraz krzem. Rodzaje cementu Najbardziej rozpowszechnionym cementem jest cement portlandzki tzw. CEM I. Jednak występują też inne rodzaje: Puculanowy (CEM IV) klinkier portlandzki + popiół lotny + gips Hutniczy (CEM III) klinkier portlandzki + regulator czasu wiązania (np. gips, anhydryt, żużel wielkopiecowy) Wieloskładnikowe (CEM II i CEM V) Pod nazwą cement występuje także szereg innych spoiw, m.in.: Cement Keena (anhydrytowy) Cement Sorela (spoiwo magnezjowe) Cement romański (wapno hydrauliczne) W skład wszystkich powszechniej znanych cementów wchodzi tzw. klinkier portlandzki. Jest to wypalony w T=1500 o C wapień oraz surowce ilaste (glina, krzemionka, hematyt). Po dodaniu go (w formie suchej lub mokrej) do regulatora czasu wiązania (piasek, gips itp.) otrzymujemy zaprawę cementową. W klinkierze występują 4 podstawowe składniki mineralne, decydujące w późniejszej fazie o jego twardnieniu. Są to: Alit (C3S) - 3CaO SiO2 Belit (C2S) 2CaO SiO2 Celit (C3A) - 3CaO Al2O3 Brownmilleryt (C4AF) Wiązanie i twardnienie zaprawy cementowej Zaprawa cementowa ulega twardnieniu w wyniku reakcji hydratacji zachodzącej między składnikami cementu i wody. Wymienione wcześniej składniki cementu w reakcji z wodą tworzą nierozpuszczalne związki. W zależności od powstałych związków, różna jest wytrzymałość otrzymanego cementu. 3CaO Al2O3 + 6H2O 3CaO Al2O3 6H2O 2CaO SiO2 + H2O 2CaO SiO2 H2O 3CaO SiO2 + 2H2O 2CaO SiO2 H2O + Ca(OH)2 Ca(OH)2 + CO2 CaCO3 + H2O 3CaO Al2O3 6H2O + Ca(OH)2+ nh2o 4CaO Al2O3 12H2O

6 5. Cel i zakres ćwiczenia Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z metodami wiązania i twardnienia spoiw wapiennych, gipsowych i cementowych. Podczas ćwiczenia wykonane zostaną następujące doświadczenia: Przygotowanie zaprawy wapiennej Przygotowanie zaprawy gipsowej Przygotowanie zaprawy cementowej a) Przygotowanie zaprawy wapiennej Odczynniki: - piasek - wapno gaszone (Ca(OH)2) - woda Do plastikowego pojemnika wsypujemy łyżeczkę wapna gaszonego Ca(OH)2. Dodajemy łyżeczkę piasku, mieszamy szpatułką i powoli dodajemy wodę, do uzyskania plastycznej masy. Mieszaninę zostawiamy na pół godziny, po czym sprawdzamy jego konsystencję dotykając powierzchni (delikatnie), palcem. Notować obserwacje. Sformułować wnioski. b) Przygotowanie zaprawy gipsowej Odczynniki: - gips budowlany - woda Do plastikowego pojemnika wsypujemy łyżeczkę gipsu budowlanego. Dodajemy niewielką ilość wody i dokładnie mieszamy (mieszanina powinna mieć gęstość jogurtu). Płynną masą napełniamy foremkę i pozostawiamy do zastygnięcia. Notować obserwacje. Sformułować wnioski. c) Przygotowanie zaprawy cementowej Odczynniki: - piasek - cement - woda Do plastikowego pojemnika wsypujemy łyżeczkę cementu. Dodajemy łyżkę piasku i mieszając dodajemy niewielką ilość wody do uzyskania plastycznej masy. Pozostawiamy mieszaninę do zastygnięcia, sprawdzając jej konsystencję co 15 min. Notować obserwacje. Sformułować wnioski.