Zakład Technologii Nieorganicznej i Ceramiki Wydział Chemiczny Politechniki Warszawskiej Spoiwa ceramiczne i masy plastyczne Ćwiczenie laboratoryjne 1
Część I - Spoiwa ceramiczne Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z właściwościami fizycznymi gipsu, wpływem róŝnych dodatków na czas wiązania gipsu i jego właściwości mechaniczne. Spoiwo wiąŝące to grupa tworzyw rozdrobnionych do postaci pyłu, które zarobione wodą dają plastyczny zaczyn, łatwo układający i formujący się oraz wiąŝący po pewnym czasie i twardniejący na powietrzu lub w wodzie. Spotyka się obecnie podziały oparte na róŝnych parametrach. Najczęściej spotykany jednak funkcjonuje podział na dwie grupy róŝniące się wyraźnie pod względem zachowania się ich w środowisku wodnym. Są to spoiwa powietrzne i hydrauliczne ( Rys.1. ). Spoiwa powietrzne po zarobieniu wodą mogą wiązać a następnie twardnieć tylko na powietrzu. Poddane zaś po związaniu i początkowemu stwardnieniu działaniu wody tracą swoje właściwości wiąŝące i wytrzymałościowe. Spoiwa hydrauliczne wiąŝą i twardnieją zarówno na powietrzu jak i w wodzie bez dostępu powietrza. Rys.1. Klasyfikacja spoiw wiąŝących ze względu na ich zachowanie w środowisku wodnym 2
Spoiwa powietrzne gipsowe Spoiwa gipsowe i wyroby z gipsu cieszą się duŝą popularnością. Wzrost wykorzystania siarczanu wapnia w budownictwie wynika z szeregu czynników. Polska dysponuje duŝymi pokładami gipsu i anhydrytu. Występujące w Polsce złoŝa gipsowe i anhydrytowe pochodzą z dwóch okresów geologicznych: górnego permu i miocenu. W przewaŝającej swej masie stanowią produkt krystalizacji siarczanów wapnia z wody morskiej. Anhydryt jest spotykany równieŝ wśród skał pochodzenia hydrotermalnego i w ekshalacjach wulkanicznych, gips natomiast wśród produktów wietrzenia siarczku Ŝelaza. Spoiwa gipsowe moŝna podzielić 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. Proces dehydratacji NajwaŜniejszym etapem produkcji spoiw gipsowych a w większości wypadków takŝe i anhydrytowych jest dehydratacja dwuwodnego siarczanu wapnia (gipsu). Schemat procesu dehydratacji przedstawiony został na Rys.2. Rys.2. Schemat procesu dehydratacji gipsu 3
Podczas ogrzewania dwuwodny siarczan wapnia traci wodę krystalizacyjną w dwóch etapach. W pierwszym etapie dwuwodzian przechodzi w półhydrat. Etap ten charakteryzuje się gwałtownym wydzielaniem pary wodnej. W zaleŝności 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 róŝnią się zdecydowanie stopniem wykrystalizowania. Drugi etap odwodnienia gipsu odpowiadający przemianie do anhydrytu III jest wynikiem dalszej utraty wody. W zaleŝności od tego czy anhydryt powstał z odmiany α czy β półhydratu rozróŝnia się równieŝ dwie odmiany α lub β. Ogrzewanie anhydrytu III powoduje przebudowę struktury siarczanu wapnia, wzrost jej uporządkowania i powstanie mało aktywnego anhydrytu II. W temperaturze 800-1000 C powstaje gips estrach. Daje on materiał wiąŝący nazywany czasami gipsem hydraulicznym, ze względu na to Ŝe jest on odporniejszy na działanie wody niŝ wyŝej opisane materiały wiąŝące. Jego właściwości wiąŝące wynikają z częściowego rozkładu bezwodnego siarczanu wapniowego 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 siarczanu wapnia półwodnego do siarczanu wapnia dwuwodnego 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 wyróŝnia 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 aŝ do powstania roztworu nasyconego. Z przesyconego roztworu CaSO 4 wykrystalizują kryształki gipsu dwuwodnego, w wyniku czego następuje wzrost wytrzymałości mechanicznej. 4
Charakterystyka zaczynów Spoiwa gipsowe i anhydrytowe po zarobieniu wodą dają zaczyny charakteryzujące się plastycznością, współczynnikiem wodno-gipsowym i czasem wiązania. Plastyczność zaleŝy od właściwości uŝytego spoiwa i ilości wody zarobowej. Przy większej ilości wody powstają ciekłe zaczyny a w miarę jej zmniejszania plastyczne., gęstoplastyczne, aŝ do mas wilgotnych. Współczynnik wodno-gipsowy WG określa wymaganą ilość wody zarobowej w celu uzyskania plastyczności roboczej przez poszczególne spoiwa. Jest to stosunek wody do gipsu, przy którym zaczyn uzyskuje roboczą plastyczność. Współczynnik ten wynosi dla gipsu budowlanego i ceramicznego 0,65-0,80, 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 aŝ do uzyskania dostatecznie stwardniałego tworzywa. Bardzo waŝnymi 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 wiernym 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: aktywatory wiązania, 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 moŝna podzielić na opóźniające i przyspieszające wiązanie. Domieszki zwiększające 5
rozpuszczalność gipsu półwodnego przyśpieszają jego wiązanie, natomiast domieszki obniŝające rozpuszczalność opóźniają ten proces. Domieszki te wpływają negatywnie na końcową wytrzymałość spoiwa po stwardnieniu. NaleŜy równieŝ podkreślić Ŝe zastosowanie wybranego dodatku niekoniecznie będzie miało ten sam charakter oddziaływania w przypadku spoiwa w postaci gipsu półwodnego jak i w przypadku anhydrytu. Tabela 1. Klasyfikacja dodatków regulujących czas wiązania spoiw gipsowych Klasa Charakterystyka ogólna Rodzaj I 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 naleŝących do róŝnych 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 zaleŝności od stęŝenia mogą słuŝyć jako przyspieszacz lub opóźniacz procesu wiązania; dodane w nieduŝych ilościach przyspieszają wiązanie przyspieszają wiązanie, zmniejszając nieco wytrzymałość tworzywa opóźniają wiązanie przyspieszają wiązanie przyspieszają wiązanie opóźniają wiązanie opóźniają wiązanie umoŝliwiają regulację czasu wiązania zaleŝnie od klasy i stęŝenia dodatków 6
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 2 + - NH 4 Cl + - AlCl 3 + nie badano Al 2 (SO 4 ) 3 + + K 2 SO 4 + + Na 2 SO 4 + + KNO 3 + + Na 2 B 2 O 7 10 H 2 O - - + dodatek przyspieszający wiązanie - dodatek opóźniający wiązanie Zdolność zatrzymania wody pozwala na wydłuŝenie 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 równieŝ duŝą wodoŝądność. ObniŜenie wodoŝądności uzyskuje się poprzez zastosowanie domieszek uplastyczniających lub upłynniających. domieszki uplastyczniające pozwalają na nieduŝe obniŝenie wody (5-12%) przy zachowaniu stałej konsystencji zaprawy. Domieszki upłynniające pozwalają na obniŝenie wodoŝądności zaprawy ( powyŝej 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. Do zapraw dodawane są równieŝ środki napowietrzające powodującą powstawanie duŝej ilości drobnych pęcherzyków powietrznych. 7
Etery skrobi mają właściwości zagęszczające. Dodatek ich znacznie polepsza konsystencję i urabialność oraz obniŝa tendencję do zbrylania. Dodawanie środków hydrofobowych zmniejsza nasiąkliwość gdyŝ nasiąkliwość tworzyw gipsowych waha się w szerokim zakresie od 25% aŝ do 40% masy. Dobre wyniki uzyskuje się przez impregnację roztworami Ŝywic 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 dodatki i domieszki modyfikujące stanowią nieodzowny składnik mieszanek gipsowych. Związki te maja istotny wpływ na kształtowanie zarówno właściwości roboczych spoiwa po zarobieniu wodą, jak i właściwości uŝytkowych stwardniałego tworzywa gipsowego. UWAGA: Podczas pracy naleŝy szczególnie przestrzegać, aby odpadki gipsu były wyrzucane tylko do specjalnych pojemników. Gips wrzucony do zlewu powoduje zatykanie przewodów kanalizacyjnych 8
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 wyróŝnia się: 1) surowce plastyczne (iły itp.) stosowane jako składnik spajający masę ceramiczną i umoŝliwiający kształtowanie wyrobów, 2) surowce nieelastyczne, które mogą być: 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 duŝa skurczliwość jest przyczyną mechaniczne deformacji wyrobu), b) topniki (skaleń, pegmatyt, fluoryt itp.) dodawane do masy ceramicznej w celu obniŝenia temperatury jej spiekania. Ze względu na zastosowanie, surowce plastyczne moŝemy podzielić na: 1. kaoliny i gliny, wypalające się na biało lub kremowo są stosowane 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, wypalają się na kolor czerwony, szary, kremowy i róŝowy. Stosuje się je do wyrobu naczyń kamionkowych, płytek podłogowych i rur kanalizacyjnych. 4. gliny klinkierowe i ceglarskie, wypalają się na kolor czerwony. Stosuje się je do produkcji klinkieru i wyrobów ceramiki budowlanej takich jak cegły, dachówki i in. 5. gliny garncarskie i kaflarskie, wypalają się na kolor kremowy, róŝowy lub czerwony. Stosuje się je 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 waŝna z uwagi na potrzeby, róŝny stopień plastyczności 9
oraz moŝliwości jego regulowania. OdróŜnia ona ponadto surowce ilaste od innych surowców, uŝywanych do produkcji ceramiki. Metody oznaczania podstawowych właściwości surowców i ceramicznych mas plastycznych Dla rozpoznania grup surowców waŝne są specyficzne cechy technologiczne określane metodami znormalizowanymi. Wybitnie zaleŝy tu na porównywalności i powtarzalności wyników. Przykładowe badania wykonywane podczas poszczególnych etapów otrzymywania wyrobu ceramicznego przedstawiono na rys. 1. Rys. 1: 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, wyraŝa 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 ziarn minerałów, obecność wody i skład mineralny. 10
Z pojęciem plastyczności surowców wiąŝą się następujące ich właściwości: 1. pęcznienie przy nawilŝaniu wodą, 2. spoistość przy określonej wilgotności, 3. zdolność, zarobionej odpowiednią ilościa wody, masy do odkształceń pod wpływem sił ściskających, rozciągających itp. oraz zachowanie przyjętego kształtu po usunięciu działających sił, 4. zaleŝność 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 świeŝo uformowanej próbki, spowodowana jej wysuszeniem. WyraŜa 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 oraz ich interpretację. 11
Ceramika budowlana Podstawowymi materiałami do budowy ścian róŝnych budowli juŝ 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 Ŝelaza. Skład mineralogiczny wpływa na plastyczność gliny. Przyjmuje się, Ŝe plastyczność jest spowodowana płytkową budową minerałów ilastych, otoczonych cienką błonką wody oraz bardzo duŝe rozdrobnienie substancji ilastej. I dlatego teŝ glina posiadała (w przeciwieństwie do kamienia i drewna) cechy urabialności plastycznej po zarobieniu z wodą i toteŝ była wykorzystywana do sztukowania róŝnych ścian jam mieszkalnych i budowli z wikliny. RóŜnego 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 staŝem, dachówka ceramiczna to materiał budowlany, który wciąŝ jest stosowany i nie zanosi się, aby było inaczej. Popularność zyskała przede wszystkim dzięki swoim właściwościom uŝytkowym. Cegła i dachówka ceramiczna stworzyły nowe moŝliwości. Budowle były wyŝsze, bardziej róŝnorodne, 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 naleŝą 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 najwaŝniejsze z ich zalet moŝna 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 skaŝenia środowiska naturalnego; elementy budynków wznoszonych z wyrobów ceramiki budowlanej mogą być realizowane siłami własnymi przyszłego uŝytkownika, a kształtowanie wystroju zewnętrznego i wewnętrznego budynku jest stosunkowo proste; 12
ściany budynków wykonanych z wyrobów ceramiki budowlanej charakteryzują się dobrymi właściwościami termoizolacyjnymi, a jednocześnie doskonale akumulują ciepło i przepuszczają parę wodną; cechy te sprawiają, Ŝe mikroklimat pomieszczeń o takich ścianach jest znacznie korzystniejszy dla istot Ŝywych od występującego we wnętrzach stworzonych przez uŝycie innych wyrobów o podobnym zakresie stosowania; wyroby ceramiki budowlanej są produktami ekologicznymi, gdyŝ są wykonane z naturalnych surowców, nie emitują Ŝadnych związków szkodliwych dla organizmów Ŝywych, co sprawia, Ŝe 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 umoŝliwia 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 staroŝytnym 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 równieŝ miały swój duŝy 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 waŝniejszych budowli zaczęto uŝywać cegły wypalanej. Budowle z mało wytrzymałej cegły mułowej pokrywano z zewnątrz cegłą wypalaną, odporną na róŝne 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 13
Nabuchodonozora II a takŝe wiele innych budowli Babilonu miały ściany z wypalanej, szkliwionej, kolorowej cegły. Około 2000 lat przed naszą erą rozpoczęła się budowa wieŝy w Babilonie. Podstawowym materiałem budowniczym była cegła, dzięki której nastąpiła intensywna rozbudowa. Trzy rzędy ceglanych murów z wieŝami 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 staroŝytnej Azji m.in. a Indiach, Chinach i Indonezji rozpowszechnione głównie były cegły suszone i wypalane. W Ameryce w okresie prekolumbijskim stosowana była równieŝ cegła suszona zwana adobą. Następnym najwaŝniejszym 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 uŝytkowano równieŝ 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 uŝywali cegły surowej, suszonej na słońcu. Przed niekorzystnym działaniem warunków atmosferycznych zabezpieczano ją tynkiem. Później podobnie jak w staroŝytnej Mezopotamii zaczęto stosować cegłę paloną. Kiedy materiał był wbudowywany w miejscu naraŝonym na zawilgocenie, zabezpieczano go dodatkowo specjalnym roztworem. W czasach panowania Juliusz Cezara (59-44 r. p.n.e.) nastąpił duŝy 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 niezaleŝnie od stylu takŝe sięgało po cegłę. Była ona doceniana szczególnie w regionach, w których trudno dostępny był dobrej jakości kamień m.in. w Niemczech, Holandii. 14
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 duŝe zapotrzebowanie na wypalaną cegłę, która stała się podstawowym materiałem budowlanym. Gotyk w roŝnych 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 Ŝeliwem, które w połączeniu z ceglanym murem zwiększało bezpieczeństwo poŝarowe. 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 1860-1870, 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 wiąŝe się, Ŝe 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 juŝ 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. 15
Historia dachówki Od początków powstania Ŝycia 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 dąŝono 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 duŝej ilości na dachach domów mieszkalnych. Typowe karpiówki były to przewaŝnie 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 podłuŝnie ciągnione. W miarę rozwoju nowych technologii wymyślono dachówki o bardziej zróŝnicowanej formie - tzw. zakładkowe. Posiadały one zakładki podłuŝne i poprzeczne, które zachodząc na siebie przy układaniu zapewniały duŝą 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 Ŝłobkowanej wzdłuŝ wszystkich krawędzi po ułoŝeniu na dachu nadaje mu zróŝnicowany, 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 duŝego doświadczenia. 16
Na początku XIX w. popularne było krycie dachówkami ceramicznymi. Oprócz udoskonalania kształtów duŝy nacisk kładziono na nowoczesną technologię, co spowodowało duŝy rozwój produkcji przemysłowej na większą skalę. Tworzono i udoskonalano piece do wypału dachówek, w celu zuŝywania 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, Ŝe była ona sterowana komputerowo. Mało elastyczne, cięŝkie i za kosztowne okazały się jednakŝe 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 słuŝą 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 duŝej 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 uŝytkownikowi komfortową ciszę nawet w czasie największych ulew. Jeśli dodamy do tego jej wysoką ognioodporność otrzymamy pełny obraz dachówki, która dzięki wielu atutom wciąŝ wygrywa ze swoimi konkurentami. 17
Obecnie proces produkcji dachówek ceramicznych jest w pełni zautomatyzowany i zmechanizowany. Producenci uŝywają specjalnych, nowoczesnych pieców, które znacznie przyspieszyły procesy wypalania. Wpłynęło to korzystnie na zuŝycie energii i zmniejszenie emisji, CO 2 do atmosfery, co ma obecnie duŝe znaczenie dla ochrony środowiska. Szybki rozwój technologii powoduje ciągłe udoskonalanie dachówek pod względem parametrów technicznych. DąŜy się do poprawiania trwałości dachówek poprzez zwiększanie ich wytrzymałości. Modyfikuje się skład surowcowy, w celu otrzymania optymalnych, najkorzystniejszych rozwiązań. Dachówki ceramiczne doskonali się równieŝ 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 juŝ 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 Ŝelaza. RóŜnorodność kształtów i kolorów dachówek ceramicznych stwarza obecnie duŝe moŝliwości kształtowania wyglądu dachu, który stanowi waŝny 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, Ŝółte, a nawet spotyka się dachówki cieniowane lub kolorystycznie stylizowane na stare sprawiające wraŝenie 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, Ŝe ceramika budowlana to ceniony materiał o wielowiekowej tradycji. Ale przyznać trzeba równieŝ, iŝ ceramika wypalana w sposób tradycyjny miała i ma niewystarczające dla naszego klimatu właściwości termoizolacyjne, wymagające stosowania róŝnych systemów dociepleń, a to się wiąŝe 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 Ŝyczenia. Aby zbudować z niej ciepłą przegrodę, trzeba wykonać dość grubą i pracochłonną ścianę trójwarstwową. 18
Tabela 3. Przykłady zastosowania cegieł w budownictwie Typ cegły Klasy, MPa Zastosowanie Pełna 5,0-15,0 Ściany budynków :zewnętrzne i wewnętrzne, nośne i działowe, podziemne i naziemne, mury w warunkach wilgotnych, stropy, sklepienia, pilastry Dziurawka 3,5-5,0 Ściany działowe, ściany budowli szkieletowych, ściany nośne dwóch ostatnich kondygnacji Kratówka 5,0-15,0 Analogicznie jak cegła pełna, wyjątek stanowi wyłączność stosowania w warunkach suchych Licówka 7,5-15,0 Licowanie ścian zewnętrznych, ogrodzenia Klinkierowa 25,0-35,0 Licowanie ścian, budowle wodne i kanalizacyjne oraz inne obiekty naraŝone na silne działanie wody Kominówka 18,0-25,0 Kominy wewnątrz i na zewnątrz budynków Kanalizacyjna 8,0-15,0 Kolektory i inne budowle kanalizacyjne Szybowa 15,0-35,0 Elementy nośne znacznie obciąŝonych budowli, np. szyby górnicze 19
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 drąŝeń, który dodatkowo poprawia izolacyjność termiczną. Rozwiązanie to umoŝliwia 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 zaleŝności 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 równieŝ 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 20
z dociepleniem, poniewaŝ dodatkowa izolacja uniemoŝliwia absorpcję ciepła promieniowania słonecznego przez mury. Pustaki nowej generacji, pomimo, Ŝe są droŝsze od pustaków starego typu, to jednak naleŝy je uznać za bardzo dobry materiał budowlany, z którego jednowarstwowa ściana zewnętrzna jest w ostatecznym rozrachunku tańsza i prostsza do wykonania niŝ ściana dwulub trójwarstwowa. Tabela 4. Zalety i wady warstwowych ścian ceramicznych i ceramiki poryzowanej Zalety Wady Warstwowe ściany ceramiczne dobre parametry cieplne; duŝa akumulacyjność cieplna; odporność na uszkodzenia mechaniczne ; duŝa materiałochłonność; duŝa pracochłonność; znaczna grubość ścian sprawia, Ŝe są to ściany cięŝkie, a konieczność wykonania kilku warstw zwiększa ryzyko popełnienia błędów; słabe właściwości termoizolacyjne, wymagające stosowania róŝnych systemów dociepleń Ceramika poryzowana duŝa izolacyjność termiczna; izolacyjność akustyczna; ognioodporność; wysoką zdolność akumulacji ciepła; trwałość, wykazują bardzo niską podatność na zmienności kształtu pod wpływem obciąŝeń statycznych, ciepła lub niskich temperatur niska przewodność cieplna; dobra przyczepność do zapraw; jest dość droga w porównaniu z innymi materiałami budowlanymi; 21