Materiały budowlane
Materiały budowlane
Krzem Si
• Drugi pod względem występowania pierwiastek w litosferze. W
przyrodzie nie występuje w stanie wolnym, ponieważ krzem
wykazuje wysokie powinowactwo do tlenu. Najczęściej spotykany
związek to SiO
2
– krzemionka (ditlenek krzemu, tlenek krzemu IV)
• Krzemionka występuje w przyrodzie pod kilkoma odmianami
krystalicznymi i bezpostaciowymi.
• Odmiana krystaliczna kwarcu (α, β)- jest on składnikiem skał,
piaskowców, granitów, gnejsów, piasków, żwirów i krzemieni.
• Podczas ogrzewania kwarc ulega przemianom polimorficznym,
połączonym ze zmianą objętości
Kwarc → trydymit → krystobalit → stop
• Bezpostaciowa krzemionka występuje w opalach (agatach,
onyksach, jaspisach) w postaci żelu krzemionkowego i w ziemi
okrzemkowej- pochodzącej z alg okrzemkowych.
Właściwości kwarcu
• Stopiony kwarc szybko schłodzony tworzy bezpostaciowa masę –
szkło kwarcowe, które charakteryzuje się małą rozszerzalnością
cieplną i nie wykazuje ostrego punktu topnienia
• Krzemionka nie rozpuszcza się w wodzie, jest bierna
chemicznie, ulega tylko działaniu kwasu HF lub gazowemu
fluorowodorowego
SiO
2
+ 4HF → SiF
4
+ 2H
2
O
• W wysokiej temperaturze reaguje z zasadowymi tlenkami,
wodorotlenkami i solami
• SiO
2
+ FeO → Fe
2
SiO
4
• SiO
2
+ 2 NaOH → Na
2
SiO
3
+ H
2
O
• SiO
2
+ Na
2
CO
3
→ Na
2
SiO
3
+ CO
2
• Te reakcje potwierdzają kwasowy charakter SiO
2
, który jest
traktowany jako bezwodnik kwasów krzemowych
• SiO
2
w budownictwie jest używany w postaci piasku i żwiru do
wytwarzania betonów i zapraw . Bardzo czysty piasek używa się
do wyrobu szkła i ceramiki budowlanej
Kwasy krzemowe
• Ogólny wzór kwasów krzemowych
• xSiO
2
•yH
2
O
• Największe znaczenie ma kwas ortokrzemowy – H
4
SiO
4
-
SiO
2
•2H
2
O
kwas ortokrzemowy jest nietrwały po kilku minutach ulega
dimeryzacji, rozpuszcza się w wodzie
• Oraz kwas metakrzemowy – H
2
SiO
3
- SiO
2
•H
2
O
• Kwasy polikrzemowe są produktami kondensacji – masa
cząsteczkowa > 1000
• Polimery kwasu krzemowego tworzą galaretowaty żel >6000 .
Odwodnienie tego żelu prowadzi do powstania żelu
krzemionkowego (silikażel), który jest stosowany do suszenia
gazów, cieczy oraz do pochłaniania lotnych substancji:
alkoholu, eterów i benzyn
Krzemiany
• Są to sole kwasu krzemowego. W wodzie rozpuszczalne są
tylko krzemiany sodu i potasu. I one mają zastosowanie w
budownictwie jako szkło wodne
• Krzemiany (silikaty) tworzą różne materiały skałotwórcze.
Krzemiany wapniowe maja zastosowanie w przemyśle
cementowym i szklarskim
• Krzemian trójwapniowy – alit Ca
3
SiO
5
– 3CaO•SiO
2
• Krzemian dwuwapniowy – belit Ca
2
SiO
4
– 2CaO•SiO
2
• Te krzemiany posiadają podstawowe cech hydrauliczne w
technologii cementu- tzn. po zmieszaniu z wodą twardnieją
na powietrzu i w wodzie. W kamieniu cementowym
powstaje uwodniona faza CaO-SiO
2
-H
2
O
glinokrzemiany
• Uwodnione krzemiany glinowe pAl
2
O
3
•qSiO
2
•nH
2
O – są ważnym
składnikiem skałotwórczym minerałów ilastych tworzących gliny
• Kaolinit Al
2
O
3
•2SiO
2
•2H
2
O – główny składnik skały osadowej
zwanej kaolinem, wykazuje on niską zdolność do adsorbowania
wody i pęcznienia – powstają wtedy międzypakietowe wiązania
wodorowe. Są stosowane do produkcji ceramiki szlachetnej.
• Haloizyt - Al
2
O
3
•2SiO
2
•4H
2
O
• Montmorylonit - Al
2
(OH)
2
[Si
2
O
5
] •4H
2
O -Al
2
O
3
•4SiO
2
•5H
2
O – ma
zdolność do chłonięcia wody i pęcznienia. Stosowany do
uszczelniania zbiorników wodnych. Znany pod nazwą bentonitów.
• Illit - Al
2
O
3
•4SiO
2
•K
2
O •5H
2
O – gliny illitowe są stosowane do
wyrobu ceramiki budowlanej- dachówki, cegły
• Ultramaryny – glinokrzemiany zawierające siarkę, stosowane do
wyrobu farb mineralnych
• Glinokrzemiany występujące w przyrodzie ulegają wietrzeniu –
czyli procesowi rozpadu na pod wpływem czynników
atmosferycznych. Produktami wietrzenia są gliny i piasek
• K
2
O • Al
2
O
3
•6SiO
2
+ CO
2
+2H
2
O → K
2
CO
3
+ Al
2
O
3
•2SiO
2
•2H
2
O +
4SiO
2
• Podstawowym składnikiem materiałów budowlanych szkieł
i wyrobów szklarskich są krzemiany, których główną
częścią składową jest czworościan SiO
44-
. Dzięki silnym
wiązaniom między atomami krzemu i tlenu krzemiany
odznaczają się dużą twardością, bardzo wysoką
temperaturą topnienia oraz odpornością na czynniki
chemiczne, stąd ich powszechne zastosowanie w
budownictwie.
• Do celów budowlanych wykorzystuje się surowce
krzemianowe i glinokrzemianowe oraz niekrzemianowe-
gliny, margle ( 50-80% CaCO
3
i MgCO
3
) oraz materiały
ilasto-piaszczyste, wapienie, kredę, dolomity, piasek
kwarcowy i inne. Do surowców budowlanych zalicza się
również odpady z hut żelaza – żużel wielkopiecowy i popiół
z łupków bitumicznych.
Materiały ceramiczne
•
Ceramika budowlana – to wyroby z wypalonej gliny, współcześnie
również ze skalenia, kwarcu, talku, tlenków magnezu i tytanu
•
Materiały ceramiczne dzieli się na 3 grupy:
a)
O strukturze porowatej i nasiąkliwości ok. 20%- wyroby ceglarskie,
glazurowane ( kafle), wyroby ogniotrwałe ( kształtki szamotowe,
dynasowe, magnezytowe i talkowe)
b)
O strukturze zwartej i nasiąkliwości do 6% - cegły i kształtki
klinkierowe, płytki terakotowe, kamionka
c)
Ceramika szlachetna i półszlachetna – wyroby fajansowe i
porcelanowe- np. stosowane w technice sanitarnej
•
Składnikami glin oprócz kaolinitu, montmorylonitu i illitu są: tlenki
żelaza Fe
2
O
3
( zabarwienie czerwone), Fe
4
O
3
(OH)- zabarwienie
żółtobrunatne.
•
Ważną właściwością glin i kaolinów jest ich plastyczność, o której
decyduje ilość i wielkość cząstek minerałów ilastych. Plastyczność jest
wynikiem ich struktury warstwowej, dzięki której mają zdolność do
pochłaniania wody.
•
Rodzaj surowca dobiera się odpowiednio do wyrobu. Np. cegły
termalitowe produkuje się z ziemi okrzemkowej, a kształtki
krzemionkowe ze zmielonego kwarcytu z dodatkiem wapna. Do
produkcji szamotu stosowany jest tlenek glinu i tlenek krzemu w
postaci minerałów mulitu i krystobalitu
Procesy zachodzące podczas
wypalania zarobionej wodą mieszanki
ceramiczne
1.
<150ºC – suszenie i wydzielanie wolnej wody
2.
150 ºC do 400 ºC - wydzielenie wody zaadsorbowanej
3.
400 ºC do 600 ºC - rozkład gliny
Al
4
(OH)
8
Si
4
O
10
→ 2(Al
2
O
3
•2SiO
2
) + 4H
2
O
4.
250 ºC do 700 ºC - utlenianie substancji organicznych
5.
>950 ºC przegrupowanie struktury Al-Si – powstaje
krystobalit SiO
2
i zdeformowany spinel 2Al
2
O
3
•3SiO
2
6.
>1100 ºC powstaje mulit i krystobalit
•
Gilnoporyty – uzyskuje się w wyniku pęcznienia, zachodzącego
podczas spiekania uformowanych z gliny granulek. Pęcznienie
jest wynikiem reakcji chemicznej, podczas której wydziela się
gaz. Tworzące się na powierzchni granulek szkliwo zapobiega
uwalnianiu się gazów:
CaCO
3
→ CaO + CO
2
CaSO
4
→ CaO + SO
3
•
Materiały ogniotrwałe to materiały które nie ulegają
odkształceniu w temperaturze powyżej 1500 ºC.
Najważniejsze substancje w nich występujące to:
- Krystobalit - SiO
2
-Korund - Al
2
O
3
-Mulit - 3Al
2
O
3
•2SiO
2
-Magnezyt - MgO
Ceramika
• Porcelana – wyroby spiekające się na biało, prześwitujące
w cienkiej warstwie. Cechuje je wysoka wytrzymałość
mechaniczna i chemiczna.
• Fajans – wyroby o skorupie nie zeszklonej, białej, nie
prześwitującej. Produkuje się go ze skalenia, kaolinu i
kwarcu.
• Kamionka- cechuje ja czerep spiekany , szklisty, wytwarza
się ją z glin plastycznych z dodatkiem kaolinu i skalenia.
• Terakota – wypalana jest z gliny ogniotrwałej, skalenia,
piasku kwarcowego oraz z niewielkich ilości barwiących
tlenków metali.
• Klinkier – cegła o zwartym czerepie otrzymywana z glin
ceglarskich nie zawierających dużej ilości topników.
szkło
• Szkło jest substancją bezpostaciową, o stanie skupienia szklistym, o
właściwościach izotropowych, które otrzymuje się przez przechłodzenie
stopionej mieszaniny tlenków niemetali i metali.
• Budowa wewnętrzna szkła przypomina ciecze.
• Przejście ze stanu ciekłego do szklistego jest odwracalne.
• Cechą szkła jest przeźroczystość, odporność na działanie kwasów,
roztworów soli oraz wysoka twardość. Wada jest kruchość i niska
odporność termiczna.
• Z punktu widzenia chemicznego szkło jest mieszaniną różnych
krzemianów i krzemionki. Charakter występujących w nim wiązań jest
częściowo jonowy częściowo atomowy.
• Budowa szkła przypomina budowę sieciową
• W szkle wapniowo-sodowym atomy wapnia pełnia rolę łączników
(stalbilizatorów)
• A atomy sodu pełnia role topników.
• Właściwości szkła zależą przede wszystkim od składu chemicznego oraz
od obróbki termicznej.
• W budownictwie stosuje się głównie szkło sodowo-wapniowe, które składa
się głównie z SiO
2
– 70%, Na
2
O – 15 do 17% oraz CaO- od 0,5% do 8%.
• Jest to szkło płaskie, ciągnione lub walcowane, przepuszcza
promieniowanie widzialne, nie przepuszcza promieniowania UV
• Szkło hartowane otrzymuje się w wyniku nagrzania tafli szklanej i
jej szybkiego schłodzenia. W wyniku czego powstają trwałe
naprężenia dzięki którym po stłuczeniu szkło rozpada się na małe
kawałki.
• Szkło profilowane –kształtki szklane –np. luksfery
• Szkło piankowe – stosuje się jako materiał izolacyjny. Powstaje ono
w wyniku spiekania, gdy następuje rozkład węglanu wapnia.
Uwolnione pęcherzyki dwutlenku węgla zostają zamknięte w
strukturze szkła
• CaCO
3
→ CaO + CO
2
• Włókna szklane stosuje się jako materiał izolacyjny lub
wypełniajacy
• Do produkcji szkła używa się:
• Surowców podstawowych: SiO
2
w postaci piasku, alkalia w postaci
węglanów i siarczanów (Na
2
CO
3
, K
2
CO
3
, Li
2
CO
3
, CaCO
3
, Na
2
SO
4
)
• Surowce barwiące, mącące i odbarwiające: talk, fluorek wapnia
• Surowce przyspieszające topnienie i klarowanie masy szkła: woda,
boraks, nadchlorany
Właściwości chemiczne szkła
• Szkło ulega działaniu kwasu HF, H
3
PO
4
, wodorotlenków
alkalicznych i wody
• SiO
2
+ 2H
2
F
2
→ SiF
4
+ 2H
2
O reakcja zachodzi w temp.
Pokojowej
• Działaniu kwasu fosforowego V szkło ulega w temperaturze
podwyższonej
• Wodorotlenki sodu i potasu rozpuszczają krzemionkę
• 2NaOH + SiO
2
→ Na
2
SiO
3
+ H
2
O
• czysta woda hydratuje jony metali przeprowadzając je w
zasady, poza tym powoduje hydrolizę krzemianów podobnie
jak w przypadku szkła wodnego
• Na
2
SiO
3
+ 2H
2
O → H
2
SiO
3
+ 2NaOH
Spoiwa budowlane
Spoiwa budowlane
• Nieorganiczne materiały wiążące – są to substancje, które po
wymieszaniu z wodą tworzą ruchliwe ciasto (zaczyn) tracące
stopniowo plastyczność, tężejące i wiążące, a w efekcie
twardniejące i wykazujące właściwości wiążące.
• Materiały wiążące stosuje się w postaci zaprawy – mieszaniny z
piaskiem i wodą, lub betonu – piasek, kruszywo skalne, woda i
materiał wiążący.
• Spoiwa mineralne można podzielić wg następujących kryteriów:
1. podstawowego składu chemicznego surowca: wapniowe,
siarczanowo-gipsowe, magnezjowe.
2. rodzaju procesu cieplnego (wypalanie) występującego
podczas wytwarzania spoiw: prażenie- T<T
top.
, spiekanie
(powierzchniowe nadtapianie ziaren)– T=T
top.
, topnienie- T>T
top.
.
3. zachowanie się w środowisku wody: powietrzne- twardniejące
na powietrzu, hydrauliczne - twardniejące na powietrzu i w
wodzie.
Spoiwa powietrzne
• Charakteryzują się tym, że wiążą i twardnieją na powietrzu
oraz, że nie mogą być użytkowane pod wodą, ponieważ
wykazują niską odporność na działanie wody. W wodzie
tracą spoistość i ulegają zniszczeniu.
• Do spoiw powietrznych zaliczamy:
• Wapno
• Wapno magnezjowe
• Spoiwa gipsowe i anhydrytowe
• Spoiwa krzemianowe
Wapno CaO
• Podstawowym surowcem do produkcji wapna jest węglan
wapniowy- CaCO
3
w postaci wapnienia zawierającego kryształki
kalcytu i domieszki.
• Marmur to czysty węglan wapniowy o dobrze wykształconych
kryształach
• Kreda – mikrokrystaliczna postać węglanu wapnia pochodzenia
zwierzęcego
• Wapno palone otrzymuje się przez wypalanie kamienia wapiennego
w piecach szybowych lub obrotowych w temp. Od 900ºC do 1000
ºC. Temperatura wypalania nie może być zbyt wysoka ponieważ
ziarenka CaO zostają oblepione przez nierozpuszczalne w wodzie
tlenki zanieczyszczeń (krzemu, żelaza, glinu).
CaCO
3
→CaO + CO
2
• Wapno palone należy chronić przed wilgocią i dwutlenkiem węgla,
ponieważ łatwo przechodzi w węglan i traci właściwości wiążące.
• CaO poddaje się procesowi gaszenia, w wyniku którego można
otrzymać:
- Ciasto wapienne
– Wapno hydratowane
– Mleko wapienne
CaO + H
2
O → Ca(OH)
2
+ Q
• Ciasto wapienne zawiera 50% wody + 50% CaO- stanowi
ono układ koloidalny Ca(OH)
2
nasycony w wodnym
roztworze tego wodorotlenku
• Wapno hydratowane (suchogaszone)- na CaO działa się
stechiometryczną ilością wody, jaka jest potrzebna do
przeprowadzenia tlenku wapnia w wodorotlenek
• Mleko wapienne- zawiesina Ca(OH)
2
w wodzie
• Plastyczność ciasta wapiennego spowodowana jest dużym
rozproszeniem cząstek wodorotlenku wapniowego, które
są dobrze hydratowane przez cząsteczki wody, przez co
następuje zmniejszenie tarcia między cząsteczkami.
• Mała plastyczność wapna chudego spowodowana jest
większymi ziarnami i małą ilością wody wokół cząstek.
Twardnienie zaprawy wapniowej
• Zaprawę murarską ( wapienną ) otrzymuje się poprzez zmieszanie 1
objętości Ca(OH)
2
z 3 do 5 części piasku i wody.
• Proces twardnienia i wiązania spoiwa wapiennego zachodzi w dwóch
etapach:
I – kilka godzin- wiązanie i krzepnięcie
II – bardzo długo – twardnienie spoiwa – karbonatyzacja ( reakcja
dwutlenku węgla)
Ca(OH)
2
+ CO
2
→ CaCO
3
+ H
2
O
• W czasie twardnienia zapraw ma miejsce kruszenie i pękanie masy,
które jest spowodowane nierównym wydzielaniem wody i
pochłanianiem dwutlenku węgla. Aby temu zapobiec dodaje się piasku
ostrokanciastego o odpowiedniej wielkości ziaren.
• Proces twardnienia i wiązania zależy od:
-składu mieszaniny
-wilgotności
- wielkości powierzchni stykających się z powietrzem
-temperatury
• Spoiwo z czasem ulega osłabieniu wg reakcji:
CaCO
3
+ CO
2
+ H
2
O → Ca(HCO
3
)
2
• Z zaprawy wapiennej wytarzane są kształtki budowlane, płyty, bloczki,
pustaki
Wapno magnezjowe
• Zawiera 20% MgO-tlenku magnezu.
• Wapno magnezjowe trudniej się gasi i jest mniej tłuste.
Natomiast po stwardnieniu powierzchnie wykazują większą
twardość i odporność na działanie czynników atmosferycznych.
• Zaprawy magnezjowe otrzymuje się w wyniku prażenia
magnezytu (węglanu magnezu) i dolomitu
MgCO
3
→ CO
2
+ MgO
CaCO
3
• MgCO
3
→ CaCO
3
+ CO
2
+ MgO
CaCO
3
+ MgO→ CaO + CO
2
+ MgO
Produktami reakcji są: wapno palone – CaO, magnezyt
kaustyczny- MgO, dolomit kaustyczny CaCO
3
+ MgO
Dolomit kaustyczny pod wpływem wody nie gasi się, ale wiąże i
twardnieje osiągając odpowiednią twardość oraz odporność na
działanie wody.
• Proces wiązania magnezytu i dolomitu kaustycznego można
przyspieszyć przez dodanie do wody zarobowej odpowiednich
soli np. MgCl
2
, MgSO
4
. tego rodzaju spoiwa nazywa się
cementem Sorela. Cement ten ma większą wytrzymałość
mechaniczną, szczelność i odporność na działanie wody.
• Spoiwo magnezjowe wymieszane z trocinami – to skałodrzew
lub ksylolit- stosowane do wykonywania podłóg.
• Proces twardnienia i wiązania spoiw magnezjowych polega na
wytrąceniu z roztworów soli Mg(OH)
2
i jednoczesnym
utworzeniu tlenochlorku magnezowego
Cl-Mg-O-Mg-O-Mg-O-Mg-O-Mg-Cl
• Zalety i wady wynikające ze stosowania spoiw magnezjowych;
• Zalety: dobra urabialność i zdolność do łączenia chemicznego z
dodatkami hydraulicznymi (uwodnione krzemiany wapniowe)
• Wady: słaba odporność na działanie wody i mała wytrzymałość.
Spoiwa gipsowe i anhydrytowe
• Otrzymuje się z naturalnych siarczanów wapniowych – kamienia
gipsowego- CaSO
4
•2H
2
O i anhydrytu - CaSO
4.
• Alabaster jest drobnoziarnistą odmianą gipsu, z wyglądu
przypominającą marmur
• Selenit – odmiana gipsu tworząca doskonale przeźroczyste tafle
• Gips budowlany otrzymuje się w wyniku prażenia kamienia
gipsowego, które prowadzi do utraty wody hydratacyjnej wg
reakcji:
CaSO
4
•2H
2
O → CaSO
4
•½H
2
O +3/2H
2
O
• Gips półwodny występuje w dwóch odmianach α i β.
• Odmiana β – charakteryzuje się większą powierzchnią
wewnętrzną oraz wyższą reaktywnością chemiczną. Stosowana
jest jako gips budowlany (tynkarski i sztukatorski). Tę odmianę
otrzymuje się przez energiczne wypalanie w warunkach
powietrzniesuchych.
• Odmiana α – jest to gips modelarski (alabastrowy)
• W wyniku całkowitego odwodnienia gipsu i przeprażenia w
temperaturze 1000ºC, powstaje gips estrich (hydrauliczny,
posadzkowy), który posiada niewielkie domieszki CaO.
CaSO
4
→ CaO + SO
2
+ ½O
2
• Cement Keene’a – to gips budowlany z dodatkiem ałunu glinowo-
potasowego KAl(SO
4
)•12H
2
O.
• Dodatki do gipsu budowlanego jak ałun, NaCl, KOH, K
2
SO
4
przyspieszają proces twardnienia, natomiast klej, lateks, kwas
cytrynowy, fosforany, NaF i cukier – spowalniają proces
twardnienia zaprawy gipsowej.
• Wiązanie spoiw gipsowych polega na reakcji odwrotnej do
produkcji gipsu
CaSO
4
•½H
2
O +3/2H
2
O → CaSO
4
•2H
2
O + Q
• Zalety wynikające ze stosowania zaprawy gipsowej: ekologiczna,
chłonie nadmiar wilgoci, a w warunkach suchych desorbuje wodę.
• Wady – rozmiękanie i obniżenie wytrzymałości po nasiąknięciu
wodą.
• Anhydryt nie wykazuje właściwości wiążących, dopiero po
zmieleniu z zaktywowaniu dodatkami CaO, MgO, siarczanów lub
cementu portlandzkiego uzyskuje właściwości wiążące.
Spoiwa krzemianowe
• W kompozytach krzemianowych (silikatowych) jako spoiwo
stosuje się szkło wodne czyli krzemiany sodu i potasu.
• Krzemiany te jako sole słabych kwasów i mocnych zasad
ulegają hydrolizie zasadowej
Na
2
SiO
3
+ 2H
2
O → H
2
SiO
3
+ 2NaOH
• Proces wiązania tych spoiw polega na reakcji dwutlenku węgla
z krzemianami w wyniku którego postaje żel krzemionkowy
Na
2
SiO
3
+ CO
2
+ 2H
2
O → H
4
SiO
4
+ Na
2
CO
3
• Proces twardnienia można przyspieszyć poprzez dodanie
fluorokrzemianu sodowego.
Na
2
SiO
3
+ Na
2
SiF
6
CO
2
+ 3H
2
O →3H
2
SiO
3
+6NaF
• Spoiwa krzemianowe oparte na bazie szkła wodnego są
odporne na działanie kwasów, natomiast rozpadają się w
wyniku działania zasad.
• Zestawy szkło wodne – fluorokrzemiany i wypełnienie
kwarcowe są stosowane jako kity i zaprawy kwasoodporne
Spoiwa hydrauliczne
Spoiwa hydrauliczne
• Wiążą i twardnieją zarówno w wodzie jak i powietrzu i są
odporne na działanie wody.
• Do spoiw hydraulicznych zaliczamy:
– Wapno hydrauliczne
– Cement portlandzki
– Cement glinowy
– Cementy hutnicze i żwirowe
• Surowcami do produkcji cementów są:
- Wapienie
- Gliny
- surowce odpadowe- żużle hutnicze
• W skład wszystkich materiałów wchodzą tlenki: krzemu
(SiO
2
), glinu (Al
2
O
3
), żelaza (Fe
2
O
3
).
Technologia otrzymywania cementu
portlandzkiego
• Cykl produkcyjny
– Przygotowanie produktów- urabianie, rozdrobnienie i mielenie
surowców skalnych
– Wytwarzanie klinkieru- wypalanie
– Produkcja klinkieru
• Procesy zachodzące podczas wypalania w piecu:
- Usuwanie wody
- Rozkład kaolinu połączony z usunięciem chemicznie związanej w glinie
wody
Al
2
O
3
•2SiO
2
•2H
2
O
→ Al
2
O
3
•2SiO
2
+2H
2
O
- Rozkład węglanu
- Reakcja syntezy CaO ze składników gliny
- Tworzenie fazy ciekłej
- Ostateczne wypalanie
• Najważniejsze przemiany chemiczne zachodzące stopniowo wraz ze
wzrostem temperatury w piecu obrotowym. W max. temperaturze procesu
ok. 25% mieszaniny ( z wyjątkiem krzemianów) przechodzi w stan ciekły.
Proces ten nazywamy klinkieryzacją – który zasadniczo różni się od
spiekania i stapiania.
• Klinkier jest spiekiem cementu portlandzkiego.
Skład mineralogiczny cementu
portlandzkiego:
— Alit- 3CaO•SiO
2
– krzemian trójwapniowy – 50% do 60%
— Belit - 2CaO•SiO
2
– krzemian dwuwapniowy – 15%- 28%
— Glinian trójwapniowy – 3CaO•Al
2
O
3
– 8% do 11%
— Glinożelazian czterowapniowy (braunmilleryt)-
3CaO•Al
2
O
3
•Fe
2
O
3
– 5% do 15%
— Gips – CaSO
4
•2H
2
O – 2% do 5%
• Alit decyduje o szybkim wzroście wytrzymałości
początkowej i stopniowym wzroście wytrzymałości
zaprawy cementowej w miarę upływu czasu.
• Belit – reaguje z wodą wolniej niż alit
celit
Reakcje zachodzące podczas wiązania
cementu
• Hydratacja w znaczeniu chemicznym jest reakcją
przyłączania wody. W technologii cementu hydratacja jest
rozumiana jako zbiór reakcji chemicznych i procesów
fizycznych zachodzących po zmieszaniu cementu z wodą.
• Reakcje przebiegają na powierzchni ziaren cementu oraz
następuje rozpuszczanie składników cementu w fazie ciekłej.
• Ze względu na złożoność procesów rozpatruje się oddzielnie
reakcje poszczególnych związków mineralogicznych z wodą
( hydratacja i/lub hydroliza), a następnie syntezy między tymi
związkami lub produktami ich hydrolizy.
• Brane są pod uwagę właściwości hydrauliczne – zdolność
cementu po zmieszaniu z wodą do twardnienia w powietrzu i
w wodzie, oraz właściwości pucolanowe – zdolność
mineralnego dodatku do cementu do wykazania właściwości
hydraulicznych w obecności wody i wodorotlenku wapniowego
• Wiązanie cementu zachodzi pod wpływem wody reagującej z
bezwodnymi składnikami cementu.
•
Hydroliza alitu
3CaO•SiO
2
+ (n+1)H
2
O → 2CaO•SiO
2
•nH
2
O + Ca(OH)
2
hydratacja belitu
2CaO•SiO
2
+ nH
2
O → 2CaO•SiO
2
•nH
2
O
Hydroliza celitu
4CaO•Al
2
O
3
•Fe
2
O
3
+ (n+6)H
2
O → 3CaO•Al
2
O
3
•6H
2
O +
CaO•Fe
2
O
3
•nH
2
O
Hydratacja glinianu
3CaO•Al
2
O
3
+ 6H
2
O → 3CaO•Al
2
O
3
•6H
2
O
• Produkt tej reakcji wiąże wodorotlenek wapniowy i powstaje trudno
rozpuszczalny związek 4CaO•Al
2
O
3
•12H
2
O
• W obecności gipsu powstaje sól Candolta
3CaO•Al
2
O
3
+ CaSO
4
+ 31H
2
O → 4CaO•Al
2
O
3
•3CaSO
4
•31H
2
O – sól
Candolta
• Twardnienie cementu jest spowodowane prawdopodobnie
tworzeniem się żelu uwodnionych krzemianów oraz reakcją
wodorotlenku wapniowego z dwutlenkiem węgla
Ca(OH)
2
+ CO
2
→ CaCO
3
+ H
2
O
Odmiany cementów
• Cement glinowy - otrzymuje się go przez wypalanie wapienia z
boksytem – tlenkiem lub wodorotlenkiem glinowym i nie dodaje się gipsu.
Po zarobieniu z wodą cement glinowy szybko wiąże i szybko uzyskuje
wysoką wytrzymałość mechaniczną. Jest odporny na korozję kwasową i
siarczanową ponieważ nie występuje w nim wodorotlenek wapniowy.
Reakcja wiązania:
2(CaO•Al
2
O
3
) + 10H
2
O → 2CaO•Al
2
O
3
• 7H
2
O + 2 Al(OH)
3
• Cement portlandzki biały – zawiera minimalne ilości tlenków żelaza,
tytanu i manganu poniżej (<0,2%). Ten rodzaj cementu po dodaniu
odpowiednich barwników mineralnych pozwalają na otrzymanie
cementów barwnych
• Cementy ekspansywne –zwiększają swoją objętość podczas wiązania –
stosowany do uszczelniania rur betonowych i łączenia elementów
budowlanych. Jako dodatki stosuje się tlenek wapnia, magnezu oraz gips
półwodny)
• Cement hutniczy- podstawowym surowcem jest zasadowy żużel
wielkopiecowy, który posiada tzw. Utajnione właściwości hydrauliczne.
Powstaje w wyniku zmieszania i zmielenia z klinkierem portlandzkim oraz
dodatkiem siarczanu VI wapnia. Zawartość żużla waha się w granicach od
30 do 85% . Wytrzymałość podobna jak cementów portlandzkich, wysoka
odporność chemiczna, wysoka wrażliwość na temperaturę
Wapno hydrauliczne
• Powstaje w wyniku wypalania wapieni
marglistych. Zawiera domieszki krzemianów i
glinianów wapniowych co odróżnia je od wapna
zwykłego.
• Twardnienie wapna hydraulicznego obejmuje
reakcje chemiczne charakterystyczne dla zapraw
powietrznych i hydraulicznych.
• I faza (7 dni) powinna odbywać się na powietrzu,
a potem może zachodzić twardnienie pod wodą
• Wodorotlenek wapniowy jest odpowiedzialny za obniżenie
trwałości stwardniałego zaczynu zwłaszcza w środowisku
kwaśnym.
• Z upływem czasu w wilgotnym środowisku składniki
stwardniałego zaczynu cementowego łączą się z
dwutlenkiem węgla z powierza i jest to proces
karbonatyzacji. Jest to proces powolny.
Przykładowe reakcje karbonatyzacji
• 4CaO•Al
2
O
3
•12H
2
O + 4CO
2
→ 4CaCO
3
+ 2Al(OH)
3
+ 9H
2
O
• 4CaO•Al
2
O
3
•3CaSO
4
•31H
2
O + 3CO
2
→ 3CaCO
3
+ 2Al(OH)
3
+ 3(CaSO
4
•2H
2
O) +22H
2
O
spoiwo
Podstawowy
skład
Proces cieplny
Mechanizm
wiązania i
twardnienia
rodzaj
nazwa
powietrzne
Wapno palone
CaCO
3
>95%
Glina<5%
Prażenie 1200ºC
Uwodnienie
karbonatyzacja
Gips
CaSO
4
•H
2
O
Prażenie 200ºC
Uwodnienie
Anhydryty
CaSO
4
•H
2
O
CaSO
4
Prażenie 350ºC
Uwodnienie
Gips estrich
CaSO
4
•H
2
O
Prażenie 100ºC
Uwodnienie
Magnezjowe
(cement Sorela)
MgCO
3
MgCO
3
• CaCO
3
Prażenie 950 ºC
Uwodnienie
powstawanie soli
zasadowych
krzemianowe
SiO
2
•Na
2
O,
SiO
2
•K
2
O
Topnienie 800ºC
karbonatyzacja
hydrauliczn
e
Cementy
portlandzkie
CaCO
3
70 do 75%
Glina 25%do 30%
Spiekanie
topnienie 1450ºC
Uwodnienie,
hydroliza,
karbonatyzacja
Cementy glinowe
CaCO
3
,boksyty
topnienie 1500ºC
Uwodnienie,
hydroliza
Cementy
romańskie
CaCO
3
50 do 70%
Glina 30 do50%
Prażenie 1100ºC
Uwodnienie,
hydroliza
Wapno
hydrauliczne
CaCO
3
75 do95%
Glina 5 do 25%
Prażenie 1200ºC
Uwodnienie,
hydroliza,
karbonatyzacja
Korozja betonu i żelbetu
Podział korozji ze względu na rodzaj
środowiska agresywnego
• Korozja ługowania- rozpuszczanie i wymywanie z betonu
rozpuszczalnych składników
• Korozja kwasowa- wywołana reakcją składników betonów z
kwaśnym środowiskiem agresywnym
• Korozja węglanowa- wywołana reakcją składników
betonów ze środowiskiem agresywnym zawierającym CO
2
• Korozja magnezowa i amonowa – wywołana reakcją
składników betonów z jonami Mg
2+
i NH
4+
• Korozja siarczanowa- reakcja składników betonu z jonami
SO
42-
• Korozja zasadowa – wywołana reakcją składników betonu
ze środowiskiem zasadowym
Korozja ługowania
• Spowodowana jest działaniem miękkich wód, które są
pozbawione soli wapniowych, o małej twardości
węglanowej. Ługowanie jest procesem dyfuzyjnym, na
którego szybkość wpływa szybkość przepływu i ciśnienie
wody.
• Agresywność miękkich zwiększa się w niższych
temperaturach, ponieważ wtedy zwiększa się
rozpuszczalność Ca(OH)
2
. Agresywności ługującej
najczęściej towarzyszy agresywność kwasowa lub
węglanowa.
Korozja kwasowa
• Jest spowodowana przez kwasy mineralne np. HCl, H
2
SO
4
lub
HNO
3
, słaby kwas siarkowodorowy oraz kwasy organiczne- octowy,
mlekowy, lub kwasy humusowe.
• Związki te reagują ze składnikami kamienia cementowego,
tworząc łatwo rozpuszczalne sole z wodorotlenkiem wapniowym
Ca(OH)
2
+ 2H
+
→ Ca
2+
+ 2H
2
O
lub z glinanami i krzemianami
3CaO•Al
2
O
3
+ 12H
+
→ 3Ca
2+
+ 2Al
3+
+6H
2
O
3CaO•SiO
2
+ 6H
+
→ 3Ca
2+
+ H
2
SiO
3
+6H
2
O
• Proces ten powoduje zwiększenie porowatości betonu i obniżanie
jego wytrzymałości.
• Kwasy reagują również z węglanem wapniowym, powstającym w
wyniku karbonatyzacji betonu. Mogą również rozkładać niektóre
kruszywa – zwłaszcza węglanowe.
CaCO
3
+ 2H
+
→ Ca
2+
+ H
2
O + CO
2
Korozja węglanowa
• Spowodowana jest działaniem wód zawierających większe
ilości wolnego dwutlenku węgla.
• Jest to odmiana korozji kwasowej, połączonej z ługowaniem.
Początkowo powstaje CaCO
3
, który przechodzi w łatwo
rozpuszczalny wodorowęglan
Ca(OH)
2
+ CO
2
→ CaCO
3
+ H
2
O
CaCO
3
+ CO
2
+ H
2
O → Ca(HCO
3
)
2
• Dwutlenek węgla może występować w roztworach wodnych w
postaci:
- wolnego CO
2
, związanego (CO
32-
, HCO
3-
)
• Jedynie ta część wolnego CO
2
, która nie uczestniczy w
wytwarzaniu równowagi węglanowo- wodorowęglanowej,
wykazuje działanie agresywne.
Ca(HCO
3
)
2
→ CaCO
3
+ H
2
O + CO
2
Korozja magnezowa i amonowa
• Ten rodzaj korozji przebiega wg mechanizmu , który
polega na wymianie jonów wapniowych.
Ca(OH)
2
+ MgCl
2
→ CaCl
2
+ Mg(OH)
2
Ca(OH)
2
+ 2NH
4
Cl → CaCl
2
+ 2NH
4
OH
• Magnez, który zastępuje atomy wapnia w strukturze
betonu, tworzy nierozpuszczalny wodorotlenek
magnezowy, który nie wykazuje właściwości wiążących.
Źródłem jonów magnezowych są wody morskie oraz
substancje służące do odladzania nawierzchni dróg.
• W reakcji z solami amonowymi, powstają rozpuszczalne
sole wapniowe, a wydzielający się amoniak powoduje
zwiększanie się porowatości betonu.
Korozja siarczanowa
• Jony siarczanowe VI reagują ze składnikami zaczynu cementowego tworząc
nierozpuszczalne produkty korozji, krystalizujące z przyłączeniem wody i
zwiększające swoją objętość.
• I faza Ca(OH)
2
+ SO
42-
→ CaSO
4
+ 2OH
-
CaSO
4
+ 2H
2
O → CaSO
4
•2H
2
O
• II faza powstaje monosiarczanoglinian
3CaO•Al
2
O
3
+ CaSO
4
•2H
2
O +10H
2
O → 3CaO•Al
2
O
3
•CaSO
4
•12H
2
O
lub siarczanoglinian trójwapniowy – sól Candolta
3CaO•Al
2
O
3
+ 3(CaSO
4
•2H
2
O) +26H
2
O → 3CaO•Al
2
O
3
•3CaSO
4
•32H
2
O
• Jest to tzw. bakcyl cementowy. W pierwszym etapie korozji siarczanowej
następuje uszczelnienie betonu wskutek stopniowego wypełniania kapilar i
porów materiału, czemu towarzyszy zwiększenie wytrzymałości. Przy
dalszym wzroście kryształów powstają naprężenia wewnętrzne, powodujące
rysy i pęknięcia, które mogą prowadzić do całkowitego zniszczenia
materiału. Ten typ korozji to najczęściej spotykane zagrożenie dla betonu.
Jest ona szczególnie niebezpieczna w połączeniu z korozją kwasową,
wywołaną przez kwaśne deszcze.
• Pod działaniem wody morskiej, wód kopalnianych lub środków
odladzających, może nastąpić korozja chlorkowa z wiązana z
powstawaniem soli Friedla 3CaO•Al
2
O
3
•CaCl
2
•10H
2
O
Korozja zasadowa
• Beton zasadniczo jest odporny na działanie niezbyt
stężonych roztworów zasad .
• Natomiast mocno stężone roztwory NaOH i KOH ( powyżej
10%) powodują stopniowy rozkład betonu, zwłaszcza w
podwyższonej temperaturze. Produktem reakcji są wtedy
krzemiany i gliniany sodowe lub potasowe.
Wpływ związków organicznych na
właściwości betonu
• Tłuszcze – mogą ulegać rozkładowi wskutek oddziaływania
zasadowego środowiska betonu. Produktem reakcji są wtedy
sole wapniowe kwasów tłuszczowych i gliceryna. Objawem
tej korozji jest rozluźnienie i rozmiękczenie powierzchni
betonu. Ten rodzaj korozji ulega przyspieszenie gdy
wzrośnie temperatura powyżej 80ºC.
• Oleje mineralne i smary – nie wykazują agresywnego
działania w stosunku do betonu. Jedynie produkty rafinacji –
oleje maszynowe, które zawierają substancje o charakterze
kwaśnym, mogą wywoływać korozję kwasową.
• Niezależnie od tego przesycenie betonu olejami mineralnymi
i tłuszczami powoduje obniżenie tarcia wewnętrznego
tworzywa co obniża wytrzymałość oraz zmniejsza
przyczepność zbrojenia i spoiwa cementowego do kruszywa.
Korozja wewnętrzna
• W wyniku alkalicznej reakcji kruszywa może mieć miejsce
ten rodzaj korozji.
• Reakcja ta zachodzi w przypadku kruszyw zawierających
aktywną krzemionkę koloidalną lub słabo skrystalizowaną,
która reaguje z alkaliami Na
2
O i K
2
O zawartymi w
cemencie.
SiO
2
+ Na
2
O + nH
2
O → Na
2
SiO
3
•nH
2
O
• Z alkaliami reagują również odmiany dolomitu
CaMg(CO
3
)
2
+ 2NaOH → Mg(OH)
2
+ CaCO
3
+ Na
2
CO
3
Węglan sodowy reaguje następnie z Ca(OH)
2
obecnym w betonie
Na
2
CO
3
+ Ca(OH)
2
→ CaCO
3
+ 2NaOH
W wyniku czego odtwarza się NaOH i proces trwa nadal.
Korozja żelbetu
• Jest to rodzaj korozji, który powoduje korozję betonu lub zbrojenia
• Korozja zbrojenia może nastąpić w wyniku skażenia betonu i
przeniknięcia agresywnych substancji do stali zbrojeniowej, bądź
zobojętnienia betonu i utraty właściwości ochronnych przez otulinę
zbrojenia.
• W betonie niskoskarbonyzowanym, stal znajduje się w środowisku o
pH= 11 do 13 i w tych warunkach pasywuje ( powstają tlenki Fe
3
O
4
i
Fe
2
O
3
).
• Obniżenie pH<10 powoduje zapoczątkowanie procesów korozji.
• Gdy są obecne chlorki proces ten zaczyna się nawet poniżej pH=10.
• Powstający wodorotlenek żelaza II (Fe(OH)
2
) ma większą objętość niż
stal i rozsadza beton.
• W obecności Cl
-
powstaje FeCl
2,
który może być źródłem HCl (na
skutek hydrolizy) i powodować korozję mieszaną.
FeCl
2
+ 2H
2
O → Fe(OH)
2
+ 2HCl
Korozja materiałów ceramicznych i
szkieł
• Ceramika budowlana ma różną odporność na korozję, która wynika z
różnicy składu chemicznego oraz porowatości.
• Cegła klinkierowa o porowatości od 5% do 10% jest odporna na alkalia.
• Cegła zwykła o porowatości od 20 do 40% jest nieodporna.
• Wyroby kamionkowe charakteryzują się wysoką kwasoodpornością.
• Odporność chemiczną wyrobów ceramicznych obniżają domieszki i
wtrącenia CaO, które mogą zwiększać objętość.
•
Szkło budowlane
• Podobnie jak porcelana wykazuje odporność na czynniki chemiczne
wyjątkiem kwasu fluorowodorowego HF.
• Odporność zależy od składu chemicznego
• Szkła wysoko alkaliczne są nieco mniej odporne, a szkła zawierające
więcej tlenków SiO
2
i Al
2
O
3
wykazują większą odporność na działanie
roztworów wodnych alkaliów.
• Działanie roztworów kwasów polega na wymianie jonów Na
+
znajdujących
się w strukturze szkła na jony H
+
, natomiast roztwory o odczynie
zasadowym powodują odbudowę sieci przestrzennej szkła z powstawaniem
rozpuszczalnych krzemianów.
• Stosowanie naprzemiennie stężonych roztworów zasad i kwasów prowadzi
do stopniowego zmętnienia szkła . Dotyczy to głównie szkła
laboratoryjnego. Szkło budowlane nie ulega tego typu korozji.
Wykwity na elementach budowlanych
• Na cegłach, ścianach betonowych i elementach
kamiennych powstają wykwity gdy w materiale znajdują
się substancje rozpuszczalne.
• Na skutek działania wilgoci i jej ruchu związki
rozpuszczalne zostają wyniesione na powierzchnię gdzie
po odparowaniu wody pozostają jako naloty.
Ochrona budowli przed korozją
• Odpowiednie ukształtowanie konstrukcji, zmniejszające
agresywne działanie środowiska.
• Ochrona materiałowo-strukturalna – poprzez odpowiedni
dobór składu i struktury materiału
• Ochrona powierzchniowa- poprzez ograniczenie (odcięcie)
dostępu środowiska agresywnego: impregnacja
stwardniałego betonu – silikonowanie ( hydrofobizacja
żywicami krzemoorganicznymi), silikatyzacja-
krzemianowanie szkłem wodnym, fluatowanie- działanie
roztworami fluorokrzemianów metali.