METALE I STOPY STOSPWANE W BUDOWNICTWIE Metale otrzymuje się z rud. Rudy żelaza zawierają: Fe₂⁺³ O₃ Fe ⁰ Metale otrzymuje się w procesie redukcji. Metale w przyrodzie występują w postaci związanej - związków. Najczęściej są to tlenki, siarczki lub siarczany tych metali. Metale i stopy dzieli się na: żelazne; nieżelazne: aluminium, miedź, nikiel, kobalt. Cechy metali i stopów: dobra przewodność elektryczna i cieplna; połysk; struktura krystaliczna; kowalność. W budownictwie czyste metale nie są stosowane, ale stopy metali. Stop -substancje powstałe przez stopienie dwóch lub więcej składników. Rodzaje stopów: -roztwory stałe- po zakrzepnięciu tworzą układ jednorodny (najczęściej stosowane); - mieszaniny- po zakrzepnięciu można wyróznic oddzielne ziarna; - o charakterze zw. Chemicznych; - kombinacja tzrech powyższych rodzajów stopów. Właściwości techniczne stopów zależą od właściwości technicznych składników. Nie są jednak średnią właściwości tych składników z uwzględnieniem ich zawartości procentowej. *Na ogół stopy mają większe wytrzymałości, ale zmniejszają przewodność elektryczną i cieplną, barwa na ogół nie jest śr. składników. **Istnieją różne rodzaje stopów. Najczęściej są to roztwory stałe albo mieszaniny.*** temperatura topnieniastopówjest wyższa od temp składnika o najwyższej temp top.i z regóły nie jest ściśle okkreślona tak jak w czystych metalach. Żelazo i jego stopy Żelazo -jest wydobywane z jego rud tlenkowych poprzez redukcję koksem.(reduktor wytwarza wysoką temp) C + O₂ CO₂ CO₂ + C 2CO - czad C + ½ O₂ CO - silny reduktor, bardzo aktywny W wielkim piecu zachodzą następujące reakcje: 3 Fe₂O₃ + CO 2Fe₃O₄ + CO₂ Fe₃O₄ + CO 3 FeO + CO₂ FeO + CO Fe + CO₂ Rudy żelaza: Fe₂O₃ - hematyt Fe₃O₄ - magnetyt FeCO₃ - syderyt Fe₂O₃ * 3 H₂O 3 Fe(OH)₃ - limonit FeS - piryt. Żelazo czyste: ρ = 7874 ^kg/_m3 t _Fe = 1535 °C Z wielkiego pieca otrzymuje się surówkę, która jest stopem żelaza z węglem, krzemem, siarką, manganem, fosforem. Temperatura topnienia jest o ok. 400 °C niższa od temperatury topnienia uzyskanego żelaza. Surówkę po powtórnym przetopieniu w tzw. żeliwniakach najczęściej z dodatkiem stosu stalowego lub żeliwnego po odlaniu do odpowiednich form nazywa się żeliwem. Składniki surówek i żeliw Surówki i żeliwa zawierają zawsze żelazo i węgiel (od 2,5% do 4,5%). W stalach max ilość 2% węgla, zawierają zawsze krzem w ilości od 0,3% do 3%, siarki(do0,1% ponad 0,12% b.szkodliwe) fosforu( do0,6% max do0,8%) Węgiel występuje w trzech odmianach alotropowych: diament; grafit; sadza. W surówkach i żeliwach węgiel może występować w postaci: wolnej - grafit C- surówka szara; związanej - cementyt - Fe₃C - surówka biała.

Stal - stop z węglem i innymi domieszkami pierwiastków, szczególnie metali, przy czym teoretycznie zawartość węgla w stalach powinna wynosić nie więcej niż 2%, a w praktyce do 1%. Zgodnie z normą PN - EN - 10020 „Stal - klasyfikacja” stalą nazywamy materiał zawierający wagowo więcej żelaza niż jakiegokolwiek innego pierwiastka i w zasadzie mniej niż 2% węgla i inne pierwiastki. Dlaczego ilość węgla musi być ograniczona do 2%? Ponieważ zawartość węgla obniża temperaturę topnienia, podwyższa wytrzymałość i granice plastyczności, ale obniża wydłużenie i przewężenie przy rozciąganiu nawet o 50%. Pogarsza spawalność, powoduje pęknięcia kortownicze (ulepszenie cieplne stali). Klasyfikacja stali Podział według składu chemicznego na dwa rodzaje: stale niestopowe; stale stopowe. Maksymalna ilość dodatków do stali w stalach niestopowych:

Aluminium Al J 0,10

Chrom Cr H 0,30

Kobalt Co K 0,10

Krzem Si S 0,50

Mangan Mn G 1,65

Miedź Cu Cu 0,40

Molibden Mo M 0,08

Nikiel Ni N 0,30

W stalach niestopowych symbol S oznacza spawalność. W stalach stopowych symbol S oznacza krzem. Znaki i gatunki stali niestopowych:

Oprócz tego w gatunku 0, 3, 4 może być dodany symbol: S - oznacza spawalność; V - oznacza ściśle ograniczona ilość węgla; W - oznacza ściśle ograniczona ilość węgla, siarki i fosforu; X - oznacza stal nieuspokojoną - stal nieodgazowana- gorsza; Y - oznacza stal półuspokojoną - stal półodgazowana. II Stale stopowe - jeżeli zawartość co najmniej jednego pierwiastka jest równa lub większa od granicznej zawartości przedstawionej w tabeli nr.1, to stal zalicza się do stopowej. Ze względu na sumaryczny udział pierwiastków w składzie stopowym stale stopowe dzieli się na: stale niskostopowe - zawartość jednego pierwiastka poza węglem nie przekracza 2%, a łączna suma dodatków stopowych nie przekracza 3,5%. stale średniostopowe - zawartość jednego pierwiastka poza węglem przekracza 2%, a nie przekracza 8%, a suma dodatków stopowych jest mniejsza od 12%. stale wysokostopowe - zawartość jednego pierwiastka poza węglem jest większa od 8%, a suma dodatków stopowych jest mniejsza od 55%. W budownictwie stosuje się stale niestopowe i niskostopowe. NP. 18G2 0,18%węgla G dodatek stopowy- mangan liczba 2 zawartość dodatku stopowego 2%. Symbolika stali niskostopowych: Symbole stali zbrojeniowych:

Zależnie od właściwości wytrzymałościowych rozróżnia się następujące klasy stali stosowanych do zbrojenia: A0- przy gr plastyczności Re.≥220Mpa; A1 Re≥240; A2 Re≥355 A3 Re≥410 A3/IV Re≥490.

Wyszczególnione klasy stali odpowiadają określonym gatunkom stali niestopowych oraz niskostopowych. Litery a, b, c, d odpowiadają profilom użebrowania pręta. St 3 SY - A - I 1 G 2-b - A - II 34 G S - A - III

METALE NIEŻELAZNE Aluminium i jego stopy Najważniejsze rudy aluminium: otrzymuje się z korundu Al₂O₃ - proszek ścierny przy badaniu ścieralności mat.

A korund z boksytów Al₂O₃ * n H₂O

((kryndit Al₂F₃ * 3 NaF))

Czyste aluminium otrzymuje się w procesie elektrolizy stopionego Al₂O₃ w temperaturze ok. 1000 °C. Właściwości fizyczne aluminium:

srebrzysty metal; gęstość = 2,7 ^g/_cm3 (stal = 7,85 ^g/_cm3); temperatura topnienia ≈ 660 °C (stal = 1534 °C); przewodność elektryczna - 38 ^m/_{Ω * mm2} potencjał normalny - (-1,66) V Właściwości chemiczne: aluminium jest bardziej aktywne niż żelazo i powinno ulegać szybciej korozji niż żelazo. *Aluminium w zetknięciu z tlenem z powietrza pokrywa się warstewką własnego tlenku Al₂O₃. Powstaje układ Al | Al₂O₃. Warstewka własnego tlenku na powierzchni aluminium zapobiega dalszej korozji. Metal został spasywowany. Zastosowanie We wszystkich gałęziach przemysłu. *W budownictwie stosuje się stopy aluminium, jest ich bardzo dużo (kilkanaście tysięcy). Stopy aluminium podobnie jak czyste aluminium charakteryzują się duża wytrzymałością w stosunku do jej gęstości. **Wytrzymałość na rozciąganie stopów aluminiowych jest dwa razy większa niż w stali. Z tego powodu konstrukcje aluminiowe są okolo 50% lżejsze. Łączenie elementów aluminiowych: W stali: -nity; -śruby; -spawy. W aluminium: -wkręty, śruby; -nity; -kleje; -spawanie jest trudne ze względu na powstający Al₂O₃; należy spawać w atmosferze gazu obojętnego - argonu. Stopy aluminium wykazują małą odporność na działanie temperatury powyżej 200°C, tracą zdolność do odkształceń sprężystych, odkształcają się plastycznie - wada. Aluminium wykazuje odporność na działanie wielu związków chemicznych poza kwasami i zasadami, z którymi jako metal amfoteryczny tworzy: Al + 3 HCl AlCl₃ + 3/2 H₂ Al + 3 NaOH Na₃AlO₃ + 3/2 H₂

Aluminium nie należy bezpośrednio łączyć ze stalą i innymi metalami, ponieważ może zajść korozja elektrochemiczna. Stopy aluminium:

1. stopy do przeróbki plastycznej, z małą ilością dodatków stopowych, poniżej 10%.

np. hydronolium - aluminium + magnez

antikorodal - aluminium + magnez + krzem (dużaodporność na korozje stosowany do okien)

duraluminium - aluminium + miedź+ inne dodatki.( duża wytrzymał, mała odporność na korozje)

stopy odlewnicze - zawierają również jako dodatki stopowe Mg, Mn, Cu, Ni i inne ale w większych ilościach. Służą do odlewania tłoków, elementów cienkościennych.

MIEDŹ I JEGO STOPY Miedź w przyrodzie występuje w połączeniu z siarką, a nie z tlenkiem jak rudy żelaza. Cu₂S halkozynu CuS FeS halkopiryt gęstość = 9 ^g/_cm3;

temperatura topnienia ≈ 1100 °C; potencjał normalny - Π°_Cu = + 0,34 V (wyższy - trudniejsza korozja). Miedź jest odporna na korozję, ale w zetknięciu z atmosferą po dłuższym czasie pokrywa się osadem: PATYNĄ - Cu₂CO₃(OH)₂ Najważniejsze stopy miedzi: - Cu + Zn - mosiądz ^{72% 28%} - Cu + Zn - tombak ^{90% 10%}

Brązy cynowy Cu + Zn bez... Cu + Al. Cu + Si Cu + Pb CYNK I JEGOS TOPY gęstość = 7,14 ^g/_cm3 potencjał normalny - Π°_Zn = - 0,76 V pod wpływem wilgoci i dwutlenku węgla cynk pokrywa się warstwą węglanu cynkowego ZnCO₃ Z cynku robi się blachy lub pokrywa się nim blachę. W blachach stalowych pokrytych warstwą cynku, cynk stanowi warstwę poświęceniową. Ołów w przyrodzie występuje jako PbS PbSO₄ PbCO₃ gęstość = 11,35 ^g/_cm3; odporny na korozje potencjał normalny Π°_Pb = -0,13 V nie przepuszcza promieni X i Υ , ma zastosowanie w pomieszczeniach radiologicznych.

III KOROZJA METALI I OCHRONA PRZED KOROZJĄ

Korozja - są to wszystkie procesy w wyniku, których metal lub stop użyty jako materiał konstrukcyjny ulega pod wpływem oddziaływania otoczenia i przechodzi ze stanu metalicznego w stan chemicznie związany: 2Fe + 3/2 O₂ Fe₂O₃ Wszystkie metale, które maja znaczenie konstrukcyjne w przyrodzie występują w postaci związanej - jako tlenki i siarczki (poza złotem i częściowo rtęcią). *W wyniku procesu produkcji wprowadza się metal na wyższy poziom energetyczny. W zetknięciu z otaczającą atmosferą zaczyna zachodzić reakcja odwrotna - samorzutnie bez wymuszenia. Metal z powrotem przechodzi w stan związany, najczęściej w postać tlenku lub uwodnionego tlenku. **Metale wolne wykazują na ogół duże powinowadztwo do tlenu i wody, stąd ich naturalna tendencja do przechodzenia ze stanu wolnego w stan związany - do stanu równowagi z otoczeniem. ***Poszczególne metale różnią się między sobą aktywnością chemiczną (zdolnością do reagowania). Wielkością charakteryzującą aktywność chemiczną metali jest tzw. potencjał normalny metalu Π° [V, mV]. Uwzględniając wartość potencjału normalnego poszczególnych metali został ułożony szereg elektrochemiczny, aktywność metali. Zn - 2ē Zn²⁺ Me° - nē Meⁿ⁺ na początku: V₁ » V₂ kolejny etap: V₁ > V₂ na końcu: V₁ = V₂

Potencjał metalu: Szereg elektrochemiczny można przedstawić w postaci osi liczbowej: Na podstawie położenia metali w szeregu elektrochemicznym można przewidzieć jego zachowanie z roztworami związków innych metali. Prawa szeregu elektrochemicznego: *Wszystkie metale przed wodorem rozpuszczają się w kwasach nieutleniajacych z wydzielemiem wodoru: Al + HCl AlCl₃ + 3/2 H₂ Fe + 2 HCl FeCl₂ + H₂ Cu + 2 HCl nie rozpuszcza się Au + HCl nie rozpuszcza się

**Metale o niższym potencjale normalnym (mniej szlachetne) wypierają z roztworów soli metale bardziej szlachetne zajmując ich miejsce:

2 Al + 3 CuSO₄ Al₂(SO₄)₃ + 3 Cu° 2 Al + 3 FeSO₄ Al₂(SO₄)₃ + 3 Fe Fe + Al₂(SO₄)₃ nie zachodzi Ag + CuSO₄ nie zachodzi Cu + AgNO₃ Cu(NO₃)₂ + 2 Ag RODZAJE KOROZJI korozja chemiczna korozja elektrochemiczna - groźniejsza Ad1. Zachodzi w suchych gazach i cieczach, które nie są elektrolitami, zachodzi na całej powierzchni Głównym gazem korodującym jest tlen. W wyniku reakcji z tlenem niektóre metale pokrywają się ściśle przylegającą do nich warstewką tlenku, która zapobiega dalszej korozji. Do tych metali należą: 2 Al + 3/2 O₂ Al₂O₃ Al | Al₂O₃ 2Cr + 3/2 O₂ Cr₂O₃ Cr | Cr₂O₃ Metal pokryty własnym tlenkiem np. Al | Al₂O₃ zachowuje się tak jak gdyby był bardziej szlachetny niż w rzeczywistości, ponieważ uległ procesowi tzw. Pasywacji- jest jednym ze sposobów zapobiegania korozji.. Dowód: Al + CuSO₄ Cu₃(SO₄)₃ + 3 Cu Al | Al₂O₃ + CuSO₄ reakcja nie zachodzi Ad2. Zachodzi w roztworach elektrolitów, czyli w roztworach zasad, kwasów i soli. Na powierzchni metali i stopów powstają mikroogniwa korozyjne, które mogą doprowadzić do powstawania głębokich wżerów w metalu: ta korozja jest duzo groźniejsza od kor chem. Elektrolity to są roztwory kwasów zasad i soli. Metale róznią się szlachetnością tzw aktywnością chemiczną. Bardziej aktywne szybciej ulegają korozji

Potencjał normalny metalu jest to róznica potencjałów która powstaje na granicy metalu zanurzonego w roztworze własnych jonów o stężeniu tych jonów 1M.

MECHANIZM POWSTAWANIA RDZY

O₂ + 2 H₂O + 4 ē 4 OH^- Fe²⁺ + 2 OH^- Fe(OH)₂ Fe₂O₃ * n H₂O Zapobieganie korozji:1 pasywacjia. 2Stosowanie metali i stopów odpornych na korozję-drogie;

3. Dobór kształtu konstrukcji uniemożliwiający kondensację pracy z rozpuszczonymi gazami; 4Poprzez odcięcie powierzchni metalu od czynnika korodującego (pokrywanie farbami, olejami, lakierami oraz poprzez pokrywanie stali metalem mniej szlachetnym (np. cynk) lub metalem bardziej szlachetnym (np. miedź). 5. pokrywanie stali cynkiem i miedzią przed i po korozji: przed kor- cynk w ochronie anodowej stanowi warstwę poświęceniową. W przypadku ochrony katodowej zniszczenie ochronnej warstwy miedzipowoduje powstawanie głębokich wżerów w materiale chronionym.

Tworzywa sztuczne budowlane. Nazwa ta sztuczna obejmuje materiały w których głów składnikiem są zbiorty, związki wielkocząsteczkowe naturalne np. kauczuk, bitumit



(smoły i lepiki) lub zwiążki wielkocząsteczkowe otrzymane w wyniku syntezy zw małocząsteczkowych. * o właściwościach tych i zastosowaniu decyduje rodzaj żywicy (zw. wielkocząstecz) oraz ilośc i rodzaje dodatków które polepszają właściwości użytkowe i wskaźniki ekonomiczne. Rodzaje dodatków: A) napełniacze i wypełniacze, poprawiają właściwości mechaniczne, obniżają cenę są to: mączka drzewna, włókna tekstylne, szklane, ścianki papieru itd. B) nośniki, wstęgi arkusze maty wykonane z różnych materiałów np. papieru tkanin wełny itd. C) zmiękczacze (plastiki, katory) zwiększające plastyczność tworzyw ich elastyczność. D) stabilizatory- substancje zwiększające trwałość, odporność na działanie światła, tlenu, zmian temp. I innych. Związki wielkocząsteczkowe zawierają w swojej cząsteczce od kilku do kilku tyś atomów podczas gdy zw małocząsteczkowe od kilku do kilkuset. Podział tworzyw sztucznych w oparciu o metody otrzymywania: zw, wielkocząsteczkowe można uzyskiwac w wyniku reakcji: - polimeryzacji,- polikondensacji,- poliadycji. A) polimeryzacia- jest to stopniowy proces wiązania wielkiej liczby jednakowych cząsteczek tzw. Manomerów lub merów w jedną cząsteczkę zw wielkocząsteczkowego bez wydzielania produktu ubocznego. B) polokondensacjia- łączenie wielkiej liczby jednakowych lub różnych cząsteczek z wydzieleniem produktu ubocznego ( jak woda, HCl, NH3 ) Stosowanie tworzyw polikondensacyjnych wymaga okresu karencji ( pomieszczenie jestszkodliwe)

C) Poliaddycja - łączenie wielkiej liczby cząsteczek, połączone z przegrupowaniem atomu w cząsteczkach, ale bez wydzielania produktu ubocznego (należą do tej grupy żywice epoksydowe)

POWSTAWANIE ZWIĄZKÓW WIELKOCZĄSTECZ-KOWYCH z małych cząsteczek jest możliwe wówczas, gdy cząsteczki te mają zdolność polireakcji, czyli posiadają ośrodki aktywne - wiązania nienasycone podwójne lub potrójne albo jeżeli posiadają odpowiednie grupy funkcyjne, zdolne do polireakcji, np. grupy addehydowe, kwasowe itd.

Przykłady tworzyw polimeryzacyjnych:

1. polietylen (etylen C₂H₄ + n C₂H₄) materiał izolacyjny do osłon przewodów elektr. przeciwwilgociowych, zimnej i ciepłej wody oraz cieczy agresywnych 2. PCW (PCV) - polichlorek winylu - biały proszek o temp. Topnienia + 80 st. C, wybitnie odporny chemicznie na działanie mocnych kwasów i zasad oraz większości węglowodorów alifatycznych

PCV twarde (owidur) - do wyrobu wszelkiego rodzaju rur

PCV spienione - do wyrobu materiałów izolacyjnych

3. polioctan winylu (POW) - ma niską temperaturę mięknienia i dobrą przyczepność do ceramiki, betonu, szkłoa, papieru itd., stąd zastosowanie do wyrobu klejów, materiałów powłokowych i farb. W budownictwie powszechnie stosowany do wyrobu farb emulsyjnych i klejów do PCV

4. polimetakrylan metylu (pleksyglas, metaplex, plexi, szkło organiczne) WADY: wrażliwe na zarysowania i większość rozpuszczalników organicznych ZALETY: przepuszcza ponad 70% promieni UV, stosunkowo mało wrażliwy na zmiany temperatury (-80 do =60 st. C) ZASTOSOWANIE: ścianki działowe w sanatoriach, obiektach sportowych, oranżeriach5. policzterofluoroetylen (TEFLON) odporny na wysokie temperatury, do 3000st. C (wyjątek) stosowany do pokryć w przemyśle chemicznym i gosp. domowych. Odporny chemicznie.

POLISTYREN, STYROPIAN - otrzymuje się z benzenu i etylenu. Jest to spieniony polistyren. Spienianie polistyrenu za pomocą pentanu (C5H12) to ekspendowanie. Styropian posiada badrzo małą gęstość objętościową, ktróra wynika ze struktury komórkowej materiału. W 1m3 znajduje się 3-6 miliardów zamkniętych komórek, wypełnionych powietrzem w bezruchu. Ma bardzo mały wsp. przewodności cieplnej (0,032-0,045, dal powietrza w bezruchu - 0,02) i bardzo małą gęstość pozorną. Posiada małą nasiąkliwość, bo ma zamknięte pęcherzyki powietrza.

PODSUMOWANIE: Gęstość tworzyw bez wypełniaczy wynosi 900-1600 kg/m3. Przewodność cieplna jest różna, najniższa w styropianie. Współczynniki rozszerzalności liniowej i obojętnej wyższe niż w innych materiałach. Z reguły palne, ale samogaszące. Pod wpływem czynników atmosterycznych ulegają szarzeniu. Zmieniają wygląd estetyczny i właściwości. Utylizacja bardzo trudna.

21

2

---