Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny
w Szczecinie

Katedra Technicznego Zabezpieczenia Okrętów

Instrukcja do ćwiczeń lab. z przedmiotu:

„Nauka o materiałach”

Ćwiczenie

Ocena cech towaroznawczych wybranych materiałów budowlanych

Szczecin 2010 r.

1. Wprowadzenie

Materiały budowlane konstrukcyjne stosuje się do budowy nowych obiektów lub naprawy istniejących. Aby spełniały swoją rolę muszą posiadać odpowiednie cechy fizyczne, fizykochemiczne, mechaniczne i chemiczne. Cechy te określane są parametrami technicznymi i badane są przed dopuszczeniem ich na rynek. Materiały podlegają kontroli podczas produkcji i odbioru na budowie w zakresie możliwym do sprawdzenia: np. wymiary dostarczonych wyrobów, data przydatności do stosowania, itp. Ponadto prowadzi się kontrolę laboratoryjną każdej partii dostarczanych materiałów. Ilość i zakres badań określają normy państwowe. Podział materiałów budowlanych można przeprowadzić na kilka sposobów:

1. w zależności od przeznaczenia: konstrukcyjne, izolacyjne i instalacyjne;

2. według rodzaju tworzywa: materiały kamienne, ceramiczne, betony, drewno, metale, tworzywa sztuczne itp.;

3. w zależności od zastosowania (np. do wykonania elementów budynku): ścienne, stropowe, dachowe itp.

Spoiwo mineralne jest to wypalony i sproszkowany minerał, który po wymieszaniu z wodą na skutek reakcji chemicznych ulega stwardnieniu, wykazując właściwości wiążące. Spoiwa budowlane w zależności od odporności na wodę i warunki twardnienia dzielą się na:

• powietrzne - twardnieją po zarobieniu z wodą tylko na powietrzu, nie są odporne na wodę, np. wapno, gips, cement anhydrytowy, spoiwo magnezjowe

• hydrauliczne - są to materiały zawierające bezwodne i trwałe wobec wody tlenki nieorganiczne. Po zmieszaniu z wodą następuje proces wiązania i wytworzenie związków uwodnionych. Są odporne na działanie wody i powietrza, np. cement portlandzki, wapno hydrauliczne.

Do materiałów budowlanych konstrukcyjnych należą spoiwa mineralne, a w tym gips, cement i wapno. Gips (kamień gipsowy) CaSO₄·2H₂O (diwodny siarczan(VI) wapnia) to materiał wiążący, otrzymany z naturalnych siarczanów wapniowych występujących w przyrodzie W zależności od zawartości składu i sposobu produkcji otrzymuje się różniące właściwościami odmiany gipsu, z których najczęściej spotyka się: gips budowlany (zwykły), gipsy specjalne: gips szpachlowy, gips tynkarski, klej gipsowy.
W praktyce różnią się między sobą przede wszystkim czasem wiązania i stopniem zmielenia. Wiązanie gipsu polega na jego ponownym połączeniu się z wodą i przejściu
w gips dwuwodny (uwodniony siarczan(VI) wapnia) - reakcji odwrotnej do reakcji odwodnienia surowców stosowanych w produkcji gipsu. Jakość wyrobu zależy od dokładności wymieszania z wodą i ilości dodanej wody (woda nie związana chemicznie wyparowuje pozostawiając po sobie puste pory). W praktyce, określa się ilość potrzebnej wody a gips wsypuje się do odmierzonej jej ilości. Proces wiązania jest to reakcja egzotermiczna. Po zakończeniu wiązania następuje okres twardnienia. Pełną wytrzymałość gips uzyskuje po wyschnięciu. Pod wpływem wilgoci wytrzymałość mechaniczna gipsu spada, dlatego należy go stosować w miejscach suchych.

Zaczynem budowlanym nazywa się mieszankę spoiwa mineralnego z wodą lub z innym roztworem. Zaczyny klasyfikuje się, biorąc pod uwagę rodzaj spoiwa mineralnego użytego do ich przygotowania. Rozróżnia się zaczyny: gipsowe, wapienne, gipsowo-wapienne, cementowe i wapienno-cementowe. Zaprawą budowlaną nazywa się mieszankę zaczynu budowlanego z drobnym kruszywem (o ziarnach 4 mm). Zaprawy, podobnie jak spoiwa, mogą być: gipsowe, wapienne, gipsowo-wapienne, cementowe i cementowo-wapienne. Ze względu na dziedzinę stosowania rozróżnia się zaprawy: murarskie, tynkarskie, kwasoodporne, ciepłochronne (zawierające specjalne spoiwa mineralne i wypełniacze lekkie), zaprawy (tynki) szlachetne, wodoszczelne, żaroodporne, ogniotrwałe i inne.

Czas wiązania zaczynu gipsowego (zaprawy) jest jednym z podstawowych parametrów normowych i użytkowych charakterystycznych dla danego rodzaju spoiwa gipsowego. Przy określaniu czasu wiązania spoiw gipsowych wyróżnia się początek
i koniec wiązania. Początek wiązania liczony jest od chwili wsypania spoiwa do wody, jego nawilżenia oraz wymieszania, a obejmuje on przedział czasowy, w którym zaczyn utrzymuje właściwości plastyczne. Koniec wiązania stanowi przedział czasowy liczony od wsypania spoiwa do wody, obejmujący jego nawilżenie i wymieszanie, aż po uzyskanie dostatecznie stwardniałego tworzywa. Czas wiązania zaczynu (zaprawy) zależy od rodzaju spoiwa, ilości wody zarobowej oraz jej temperatury. Spoiwa gipsowe wiążą korzystnie, gdy temperatura wynosi od +5^oC do +25^oC. W tym przedziale, przy obniżaniu temperatury wody czas wiązania zaczynu ulega wydłużeniu, a przy jej podwyższeniu - wyraźnemu skróceniu. Aby czas wiązania nie ulegał skróceniu, niezbędne jest, by przechowywane spoiwa gipsowe zabezpieczyć przed wilgocią. Gips syntetyczny powstaje jako produkt przy odsiarczaniu spalin w elektrociepłowniach, który jest wykorzystywany jako substytut gipsu naturalnego.

Podział zapraw specjalnych:

• na kruszywie barytowym - w elementach stosowanych jako osłony przy promieniowaniu jonizującym;

• wodoszczelne - z cementu portlandzkiego lub hutniczego, piasku, wody
  i ewentualnych środków chemicznych uszczelniających, często nakładane pod ciśnieniem (torkretnicą), czyli wyrzucane są z dyszy pod dużym ciśnieniem, przez co mocniej łączą się z podłożem;

• ogniotrwałe - do murowania ścian z cegieł ogniotrwałych, przygotowywane, np.
  z zmielonego proszku szamotowego lub glin ogniotrwałych zmieszanych z wodą;

• ciepłochronne - najczęściej cementowo-wapienne z zastosowaniem lekkich kruszyw, do murowania ścian z bloczków pianobetonowych, itp.

Zaprawy przygotowane fabryczne:

• suche mieszanki zaprawy cementowej, cementowo-wapiennej, gipsowej i inne
  o podobnym zastosowaniu jak przygotowane od podstaw na miejscu budowy;

• suche mieszanki do szpachlowania ścian;

• zaprawy klejowe do przyklejania, np. płytek ceramicznych;

• zaprawy klejowe do łączenia elementów, np. bloczków z pianobetonu;

• cienkowarstwowe wyprawy tynkarskie oparte na żywicach akrylowych i innych do wypraw zewnętrznych i wewnętrznych (w tym tynki na warstwie ocieplenia);

• zaprawy do wykonywania posadzek (jastrychów) jako podkładów pod podłogi;

• zaprawy bezskurczowe do napraw, uzupełnień elementów budowlanych (betonowych) i inne.

W celu modyfikacji naturalnych właściwości zapraw stosuje się domieszki. Są to związki chemiczne (lub ich mieszaniny) dodawane w ilości nie większej niż 5% masy spoiwa.

Wapno palone (CaO); jest to biały, higroskopijny proszek, reaguje gwałtownie z wodą z wydzieleniem dużych ilości ciepła dając wapno gaszone. Wapno palone otrzymuje się przez prażenie kamienia wapiennego CaCO₃ w temp. 950-1050^oC

Wapno palone poddaje się procesowi gaszenia według reakcji:

CaO + H₂O → Ca(OH)₂

Wodorotlenek wapnia jest stosowany do wyrobu zaprawy murarskiej powietrznej. Wapno otrzymuje się z kamienia wapiennego, którego głównym składnikiem jest węglan wapnia
z domieszkami węglanu magnezu, glinu, piasku i substancji organicznych. Jeśli tlenku magnezu jest powyżej 5% to wtedy jest to wapno magnezjowe (spoiwa magnezjowe).

Wypalone wapno nie powinno zawierać węglanu wapnia, a barwa powinna być biała. Wapno palone łatwo wchłania wilgoć i na powietrzu łączy się z ditlenkiem węgla, tracąc swoje własności wiążące, tzw. wietrzenie wapna:

Ca(OH)₂ + CO₂ → CaCO₃ + H₂O

Proces gaszenia można przeprowadzić dwojako przy:

• nadmiarze wody (wapno gaszone na mokro lub wapno lasowane);

• stechiometrycznej ilości wody koniecznej do przebiegu reakcji gaszenia wapna (wapno hydratyzowane).

Zaprawa wapienna jest to mieszanina wapna gaszonego lasowanego lub hydratyzowanego z piaskiem i wodą o konsystencji plastycznej masy. Zaprawy wapienne dzielimy: zaprawę murarską i tynkarską, różniących się zawartością piasku. Nie są one odporne na działanie deszczów, wilgoci i czynników atmosferycznych. Zaprawy cementowo-wapienne zawierają cement, wapno i piasek oraz dodatki mineralne w ściśle dobranych proporcjach. W odróżnieniu od zapraw cementowych są lepiej urabialne i mają lepszy współczynnik przewodzenia ciepła.

Cement jest to hydrauliczne spoiwo mineralne, otrzymywane przez wypalenie na klinkier i zmielenie surowców mineralnych (margiel lub wapień i glina) w piecu cementowym. Stosowany jest do przygotowywania zapraw cementowych, cementowo-wapiennych i betonów. Cement jest zaliczany do materiałów higroskopijnych.
W zależności od składu klinkieru, sposobu produkcji, cementy dzielimy na: cement portladzki, cement hutniczy, cement glinowy, cement pucolanowy, cement żuzlowy.

Cement portlandzki - najczęściej stosowany, szary, sypki materiał, otrzymywany ze zmielenia klinkieru z gipsem i dodatkami hydraulicznymi. Klinkier cementowy otrzymuje się przez wypalenie w temperaturze 1450°C mieszaniny zmielonych surowców zawierających wapień i glinokrzemiany. Wytrzymałość cementu jest jedną
z najważniejszych cech mechanicznych twardniejącego cementu. Wodoszczelność
i mrozoodporność są następnymi cechami określającymi jakość cementu.

Zaprawy cementowe - to suche mieszanki cementu, kruszywa mineralnego oraz domieszek uplastyczniających i napowietrzających, które poprawiają właściwości zapraw. Mają dużą wytrzymałość na ściskanie i bardzo dobrą przyczepność do podłoża. Są mrozoodporne
i wodoodporne. Zaprawy cementowe stosuje się wszędzie tam, gdzie potrzebne są mocne zaprawy.

Kruszywo budowlane jest to drobny materiał pochodzenia naturalnego lub sztucznego stosowany do wyrobu zapraw i betonów. Ze względu na pochodzenie kruszywa budowlane dzieli się na: kruszywa naturalne (piasek, żwir, pospółka); kruszywa łamane (grys, kliniec, tłuczeń); kruszywa sztuczne (żużel, łupki spiekane). Ze względu na uziarnienie: kruszywa jednofrakcyjne; kruszywa wielofrakcyjne.

Piasek jest to skała osadowa, luźna, złożona z niezwiązanych spoiwem ziaren mineralnych. Pod względem składu mineralnego wyróżniamy piaski:

• kwarcowe (główny składnik kwarc SiO₂);

• wulkaniczne (głównie pyły i popioły wulkaniczne, okruchy szkliwa, zwietrzały bazalt);

• wapiennie lub węglanowe (kalcyt, rzadziej aragonit CaCO₃);

• polimineralne (różne minerały, np. produkty wietrzenia skał).

Keramzyt jest to lekkie, sztuczne kruszywo budowlane, wypalane z gliny ilastej
w temperaturze około 1150°C. Kruszywo należy do materiałów niepalnych, obojętnych chemicznie, odpornych na wilgoć, działanie pleśni i grzybów i gryzoni. Posiada dobre parametry izolacji cieplnej. Używany jest do produkcji lekkich betonów, zapraw ciepłochronnych, wyrobu pustaków ściennych i stropowych oraz innych elementów wielko i drobnowymiarowych (prefabrykowane domy keramzytowe), jako materiał izolacyjny (izolacje cieplne) i wykonywania drenaży.

Beton (zwykły) powstaje w wyniku wiązania i stwardnienia mieszanki betonowej. Mieszanka betonowa to mieszanina spoiwa (cement), kruszywa grubego (żwir), kruszywa drobnego (piasek o frakcjach do 2 mm), wody i ewentualnych dodatków (powyżej 5%
w stosunku do masy spoiwa) i domieszek (poniżej 5% w stosunku do masy spoiwa). Dodatki i domieszki poprawiają właściwości mieszanek betonowych i betonów (np. zwiększają urabialność, opóźniają proces wiązania, zwiększają mrozoodporność, wodoszczelność itd.).

2. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest poznanie wybranych materiałów budowlanych
i przeprowadzenie oceny niektórych parametrów technicznych.

3. Przebieg ćwiczenia

Wybrane parametry techniczne i użytkowe materiału budowlanego

Z dostarczonych próbek materiałów budowlanych przeprowadzić identyfikację: cementu, gipsu budowlanego, piasku, wapna sucho-gaszonego, tynku mineralnego do tynkowania ścian na styropianie, zaprawy do spoinowania, szpachli francuskiej (gips szpachlowy), kleju do styropianu lub innych materiałów budowlanych. Następnie określić:

1. Wygląd zewnętrzny - wstępne oględziny próbki sypkiej pozwalają ustalić, czy materiał jest jednorodny czy też stanowi mieszaninę dwu lub więcej materiałów. W przypadku proszków dość miałkich można posłużyć się lupą lub mikroskopem.

2. Barwę - związki wielu metali oraz związki organiczne wykazują charakterystyczne zabarwienie.

3. Gęstość nasypową - wg PN-EN 1097-3:2000

W celu oznaczenia gęstości nasypowej badany materiał wsypać luźno do szklanego cylindra o pojemności 10 cm³ i całość zważyć. Podczas badania wyznaczyć: objętość materiału w szklanym cylindrze V₁ [cm³], masę materiału m [g]. Gęstość nasypową materiału obliczyć ze wzoru:

ρn = m/V₁

4. Gęstość nasypowa z usadem - jest to stosunek masy materiału do jego objętości po utrząsaniu. Aby ją wyznaczyć zastosować cylinder z poprzedniego oznaczenia - poddać go 50 wstrząsom. Po zakończeniu wstrząsania odczytać na podziałce cylindra objętość materiału po badaniu. Podczas badania oznaczyć:

- objętość granulatu po utrząsaniu w cylindrze szklanym V₂ [cm³];

- masę materiału m [g].

Gęstość nasypową z usadem materiału budowlanego obliczyć ze wzoru:

ρn_u = m/V₂

Wyznaczenie czasu wiązania zapraw i zaczynów budowlanych

Określenie czasu wiązania zaprawy jest jednym z podstawowych parametrów normowych i użytkowych charakterystycznych dla danego rodzaju spoiwa gipsowego. Przy określeniu czasu wiązania spoiw wyróżnia się Początek i Koniec Wiązania. Określić czasy wiązania: początek wiązania po upływie [min] i koniec wiązania po upływie [min] dla następujących zapraw:

1. zaprawa cementowo-wapienna [27% cementu + 35% wapna + 38% piasku] + woda

2. zaprawa gipsowo-wapienna [wapno + gips + piasek] + woda

3. zaprawa wapienna [wapno + piasek] + woda

4. zaprawa cementowa [cement + piasek] + woda

5. szpachla francuska + woda [1 kg szpachli + 0,4 dm³ wody]

4. Zagadnienia

- podstawowe spoiwa i kruszywa budowlane;

- rodzaje zapraw i ich właściwości, czas wiązania zaprawy;

- gęstość nasypowa.

1. Zaliczenie laboratorium

Podstawą zaliczenia laboratorium jest uzyskanie pozytywnej oceny z pisemnego sprawdzianu, aktywne uczestnictwo w zajęciach oraz przygotowanie sprawozdania (do akceptacji przez prowadzącego), które winno zawierać:

• cel ćwiczenia,

• zarys wykonanych badań,

• tabelaryczne zestawienie wykonanych wyników wraz z ich analizą i wnioskami.

Literatura:

1. M. El Fray, B. Schmidt, M. Swarcewicz, Z. Jóźwiak, „Ćwiczenia laboratoryjne
   z Towaroznawstwa Artykułów Przemysłowych”, Materiały dydaktyczne Politechniki Szczecińskiej, Szczecin 2008

8

---