Technologie Materiałów Budowlanych Wykład 3. Mineralne spoiwa budowlane Materiały wiążące w zależności od mechanizmu wiązania dzielimy na:

Transkrypt

1 Technologie Materiałów Budowlanych Wykład 3 Mineralne spoiwa budowlane dr inż. Anna Zielińska-Jurek Katedra Technologii Chemicznej pok.026ch.a., tel annjurek@pg.gda.pl Materiały wiążące w zależności od mechanizmu wiązania dzielimy na: Spoiwa wiążące w wyniku reakcji chemicznej Lepiszcza wiążące w wyniku przemiany fizycznej np. krzepnięcia lub odparowania rozpuszczalnika Spoiwa żywiczne - utwardzane według reakcji polimeryzacji bez wydzielania produktu ubocznego lub według reakcji polikondensacji z wydzieleniem produktu ubocznego, np. wody Spoiwa mineralne Spoiwa mineralne Definicja: o Materiały o właściwościach wiążących, wytwarzane przez wypalenie i sproszkowanie surowców skalnych o Powymieszaniuzwodąwiążąitwardnieją o Proces wiązania i twardnienia spoiw mineralnych, zachodzący w wyniku reakcji chemicznych i przemian fizykochemicznych, jest NIEODWRACALNY WAPNO GIPS CEMENT Klasyfikacja spoiw według głównych składników surowcowych Klasyfikacja spoiw według głównych składników surowcowych Spoiwa budowlane Spoiwa wapienne Wapień (CaCO 3 ) Surowce Spoiwa gipsowe Kamień gipsowy (CaSO 4 2H 2O ), anhydryt, gipsy z odsiarczania Spoiwa cementowe Spoiwa magnezjowe Spoiwa krzemianowe Wapienie, gliny, margle, kreda odpady przemysłowe: żużle wielkopiecowe, popioły lotne, łupki przywęglowe, pyłu z pieców cementowych Magnezyt naturalny Piasek, soda, potaż 1

2 Klasyfikacja spoiw według warunków w jakich są zdolne do wiązania i twardnienia Klasyfikacja spoiw według warunków w jakich są zdolne do wiązania i twardnienia Spoiwa powietrzne - spoiwa, które wiążą, twardnieją i mogą być użytkowane tylko na powietrzu. Mają niską odporność na działanie wody, tracą spoistość, rozpuszczają się i ulegają zniszczeniu. Przykłady: wapno palone, materiały wiążące gipsowe, materiały wiążące magnezjowe Spoiwa hydrauliczne - spoiwa, które wiążą i twardnieją zarówno w wodzie, jak i na powietrzu, w temperaturze powyżej 0 C. Wyroby z tych materiałów są odporne na działanie wody. Przykłady: cement portlandzki, cement glinowy, cement romański, wapno hydrauliczne. o Wydobycie surowców ze złoża o Przygotowanie surowców o Wypalenie Technologia produkcji spoiw o Przeróbka produktu wypalonego (chłodzenie, rozdrabnianie, przemiał z dodatkami) Spoiwa mineralne podstawowe pojęcia Zaczyn mieszanina spoiwa z wodą (zaczyn cementowy i gipsowy) spoiwo + woda Zaprawa zaczyn zmieszany z drobnym kruszywem (np. piaskiem) spoiwo + woda + piasek Mieszanka betonowa zaprawa zmieszana z grubym kruszywem (> 4mm) po stwardnieniu staje się betonem spoiwo + woda + drobne kruszywo + grube kruszywo Spoiwa wapienne Spoiwa wapienne ~12000 p.n.e. zaprawy wapienne do wykonania posadzek i tarasów (Turcja) p.n.e. z wapna wykonywano tynki i podłoża pod malowidła ścienne (Kreta, cywilizacja mykeńska) III w p.n.e. zaprawy wapienne do wykańczania i dekorowania ścian, zabezpieczania i uszczelniania zbiorników do przechowywania wody (Grecja, cysterny w Epidauros) Piramida schodkowa w Sakkarze Mur chiński długości około 8000 km (budowa r. p.n.e. 2

3 Spoiwa wapienne Jakie są znane surowce do produkcji wapna? Rzymianie mieszali wapno z popiołem lub mielonymi tufami wulkanicznymi lub mączką ceglaną Po dodaniu piasku i grubszego kruszywa kamiennego uzyskiwali mieszanki twardniejące pod wodą i na powietrzu (pierwsze betony o właściwościach hydraulicznych) Opracowali normy technologii wytwarzanie i użytkowania wapna (policja budowlana) Węglan wapna CaCO 3 kalcyt (szpat wapienny) - odmiana heksagonalna CaCO 3 aragonit odmiana rombowa CaCO 3 Jakie są znane surowce do produkcji wapna? Marmur - skała metamorficzna powstała z przeobrażenia wapieni. Zawiera czysty węglan wapnia o dobrze wykształconych kryształach (głównie kalcyt) Wapień - skała osadowa zbudowana głównie z węglanu wapnia, przede wszystkim w postaci kalcytu. Powstaje z luźnego osadu wapiennego, który w wyniku różnych procesów ulega lityfikacji (twardnienie skały okruchowej). Najbardziej istotnym z tych procesów jest proces cementacji (wypełnianie pustek międzyziarnowych). Jakie są znane surowce do produkcji wapna? Dolomit - skała składająca się głównie z minerału dolomitu (CaCO 3 MgCO 3 ) oraz małych ilości kalcytu, minerałów ilastych i substancji bitumicznych Margiel - skała osadowa, mieszanina węglanu wapnia pochodzenia organicznego i materiałów ilastych Kreda - miękka, porowata i niezbyt zwięzła skała osadowa o małym ciężarze właściwym. W swym składzie zawiera głównie kalcyt, ma niewiele domieszek. Charakterystyka skał wapiennych Rodzaje wapna budowlanego o wapno palone (niegaszone) CaO o wapno gaszone Ca(OH) 2 + H 2 O o wapno suchogaszone(hydratyzowane) [Ca(OH) 2 ] o wapno hydrauliczne o wapna odpadowe o mleka wapienne 3

4 Rodzaje wapna budowlanego - spoiwo składające się głównie CaO lub Ca(OH) 2, po zarobieniu z wodą powoli twardniejące na powietrzu (w zasadzie nie twardniejące pod wodą), uzyskiwane w procesie wypalania wapieni lub wapieni dolomitowych Wapno palone (niegaszone) Wapno hydratyzowane (gaszone) w postaci ciasta wapiennego, zawiesiny (mleka wapiennego), suchego proszku Wapno hydrauliczne spoiwo wiążące i twardniejące w zetknięciu z wodą uzyskiwane z wypalenia wapieni gliniastych Produkcja spoiw wapiennych powietrznych Wapno palone z wapieni wapno palone CaO otrzymywane w wyniku obróbki termicznej węglanu wapna Piec polowy do wypalania wapna Z równania reakcji wynika, że wapienie mogą też być źródłem ditlenku węgla - wykorzystuje się to w technologii otrzymywania sody, w cukrownictwie i w innych dziedzinach przemysłu. Wapiennik we wsi Rogóżka (1934) Wapienniki Wapienniki w Rudnikach Współczesny piec do wypalania wapna 4

5 Wapienie w Tyńcu Ruiny zamku w Ogrodzieńcu (Góry Świętokrzyskie) Wapno palone z dolomitu Wapno gaszone (hydratyzowane) Gaszeniem wapna (lasowaniem) nazywa się reakcję wapna palonego z wodą: Wiązanie i twardnienie wapna powietrznego Wiązanie i twardnienie wapna powietrznego Główny mechanizm wiązania wapna powietrznego to krystalizacja węglanu wapnia(karbonatyzacja) zachodząca w wyniku reakcji Ca(OH) 2 z CO 2 z powietrza w obecności wilgoci 5

6 Cykl przemian wapna Proces ten zaczyna się od powierzchni muru i jest powolny (karbonizacja muru o grubości 2 cegieł trwa około 3 lat). Proces można przyspieszyć przez wstawienie koksowników jako źródła emisji CO 2. Wapno hydrauliczne Ze względu na swoje właściwości jest spoiwem o charakterze pośrednim pomiędzy wapnem a cementem portlandzkim Wypalane z wapieni marglistych (zawierające od 15 do 20% domieszek gliniastych) Od wapna powietrznego do hydraulicznego Geneza: potrzeba spoiwa zdolnego wiązać w środowisku wodnym i dającym wyroby odporne na kontakt z wodą Temperatura wypalania C Od wapna powietrznego do hydraulicznego Wapno hydrauliczne Wypalanie wapieni marglistych powstają także trudno rozpuszczalne w wodzie uwodnione krzemiany wapniowe 6

7 Wiązanie i twardnienie wapna hydraulicznego Wapno hydrauliczne Ca(OH) 2 wiąże - jak w wapnie powietrznym przekształcając się pod wpływem CO 2 oraz wilgoci w CaCO 3, ale zasadniczy proces zachodzi w wyniku reakcji z wodą krzemianów i glinianów wapniowych z utworzeniem form uwodnionych Ogólny opis wiązania wapna hydraulicznego Właściwości wapna budowlanego Właściwości wapna budowlanego Spoiwa gipsowe najstarsze zastosowania Spoiwa gipsowe surowce ~8000 p.n.e. podkłady z gipsu pod malowidła i posadzki w Syrii i Turcji Sposób wytwarzania gipsu prażonego opisał Teofrast uczeń Platona i Arystotelesa (Traktat o kamieniu, IV w p.n.e.) naturalne : kamień gipsowy - CaSO 4 *2 H 2 O (95%) anhydryt - CaSO 4 gipsy chemiczne (syntetyczne) gipsy z procesów odsiarczania spalin Berberowie w Afryce stosowali gips dużej wytrzymałości do budowy zapór wodnych i kanałów nawadniających 7

8 Pustynia gipsowa White Sands, New Mexico, 25x50km Kryształ gipsu Spoiwa gipsowe otrzymywanie (dehydratacja) Dwuhydtrat Półhydrat Anhydryt (rozpuszczalny) Anhydryt (nierozpuszczalny) Estrichgips Wiązanie i twardnienie spoiw gipsowych Wiązanie gipsu polega na ponownym uwodnieniu siarczanu wapnia półwodnego do siarczanu wapnia dwuwodnego CaSO 4 0,5H 2 O=1,5H 2 O CaSO 4 2H 2 O I etap: rozpuszczenie półhydratu w wodzie (powstaje nasycony roztwór półhydratu, z którego zaczyna się wytrącać dwuhydrat) II etap: uwodnienie półhydratu do trudniej rozpuszczalnego dwuhydratu (roztwór nasysony w stosunku do półhydratu staje się przesycony względem dwuhydratu dwuhydrat wytrąca się intensywniej III etap: krystalizacja dwuhydratu powstający szkielet krystaliczny obrasta nowymi utworami proces ustaje z chwilą wyczerpania dwuhydratu Czas wiązania Czas jaki upłynął od początku do końca wiązania. Inaczej mówiąc czas wiązania, to czas występowania zaczynu gipsowego w stanie plastycznym. Wiązanie gipsu jest procesem egzotermicznym CaSO 4 0,5H 2 O+1,5H 2 O CaSO 4 2H 2 O+Q 1 ( H<0) Wiązanie i twardnienie spoiw gipsowych prażenie przy ciśnieniu atmosferycznym: odmiana β (lepiej rozpuszczalna w wodzie i energicznej reaguje z wodą) prażenie w warunkach autoklawizacji (2-12bar): odmiana α (dobrze wykształcone kryształy, większa gęstość, większa wytrzymałość) CaSO 4 +2H 2 O CaSO 4 2H 2 O+Q 2 ( H<0) 8

9 Mikrostruktura gipsu α i β Wiązanie i twardnienie spoiw gipsowych Spoiwa z gipsu półwodnego (gips budowlany, gips modelarski) należą do spoiw szybkowiążących, ponieważ zaczynają wiązać po kilku minutach. Spoiwa anhydrytowe zaś należą do spoiw wolnowiążących, ponieważ zaczynają wiązać po kilku godzinach; dlatego stosowane są aktywatory przyspieszające ich wiązanie. Opóźnianie procesu wiązania Zastosowanie dodatków zmniejszających rozpuszczalność półhydratu lub zwiększających rozpuszczalność dwuhydratu Dodatek substancji organicznych (klej kostny, kazeina, krochmal, białko, żelatyna, keratyna) Dodatek substancji nieorganicznych (kwas borny, borany, kwas winowy, kwas cytrynowy, cytryniany) Dodatek opóźniacza wynosił zwykle 0,1-0,5% masy gipsu, co przesuwa początek wiązania do minut Hydratacje gipsu opóźnia też stosowanie gorącej wody Przyspieszanie procesu wiązania Zastosowanie dodatków zwiększających rozpuszczalność półhydratu lub zmniejszających rozpuszczalność dwuhydratu Dodatek zarodków krystalizacji Dodatek substancji przyspieszającyh hydratację gipsu (NaCl, K 2 SO 4 ) zawartość anhydrytu III drobne uziarnienie (duże rozdrobnienie spoiwa) substancje zawierające jony Ca 2+ i SO 2-4 (zmniejszające rozpuszczalnośćcaso. 4 2H 2 O) Przyczyny i konsekwencje braku odporności na kontakt z wodą mikrostruktura stwardniałego gipsu posiada charakter pilśni utworzonejprzez iglaste kryształy CaSO 4 2H 2 O Przyczyny i konsekwencje braku odporności na kontakt z wodą w kontakcie z wodą: - kryształy zostają powleczone warstewką wody, co obniża tarcie wewnętrzne, - kryształy CaSO 4 2H 2 O są częściowo rozpuszczalne w wodzie, cechy wytrzymałościowe takiej struktury zależą od tarcia wewnętrznego oraz wytrzymałości samych kryształów Efekt: obniżenie wytrzymałości 9

10 Zastosowanie gipsu w budownictwie Kartkówka Zaczyny i zaprawy - zaprawy i wyprawy gipsowe, - gładź z zaczynów gipsowych modyfikowanych dodatkami organicznymi, - samopoziomujące się podkłady pod podłóg Napisz reakcję wiązania i twardnienia wapna Wyroby prefabrykowane - pustaki ścienne i stropowe, - elementy ścianek działowych, - płyty kartonowo-gipsowe, - galanteria gipsowa 10