Materia y wi

ce w zale no ci od mechanizmu wi zania

dzielimy na:

Spoiwa

– wi

ce w wyniku reakcji chemicznej

Lepiszcza

– wi

ce w wyniku przemiany fizycznej np. krzepni cia lub

odparowania rozpuszczalnika

Spoiwa

ywiczne

utwardzane wed ug reakcji polimeryzacji bez

wydzielania produktu ubocznego lub wed ug reakcji polikondensacji z

wydzieleniem produktu ubocznego, np. wody

ówne spoiwa mineralne to:

CEMENT, WAPNO I GIPS

Spoiwa mineralne mo na podzieli wed ug:

- podstawowego sk adu chemicznego surowca: wapniowe, siarczanowo-

gipsowe i magnezjowe

- rodzaju procesu cieplnego (wypalanie), wyst puj cego podczas

wytwarzania spoiw: pra enie, spiekanie, topienie

- zachowanie si

rodowisku wody:

spoiwa powietrzne

– twardniej ce

na powietrzu,

spoiwa hydrauliczne

– twardniej ce w powietrzu i w

wodzie

Ogólny podzia materia ów wi

cych

Wynalazca angielski, z zawodu murarz z Leeds (1779-1855).

21 pa dziernika 1824 roku zg osi patent na "sztuczny

kamie " czyli cement (wynaleziony ju by mo e w roku

1811), który nazwa portlandzkim - Nazwa "cement

portlandzki" nasun a si Aspdinowi ze wzgl du na wielkie

podobie stwo jego "sztucznego kamienia" do kamienia z

okolic Portlandu, powszechnie wówczas stosowanego w

angielskim budownictwie. Pocz tkowo wynalazek znalaz

zastosowanie jedynie do robót tynkarskich. Pierwsz wielk

budow , do której go u yto, by

ynny tunel pod Tamiz ,

zbudowany w latach 1825-1843 przez Marca I. Brunela.

Podstawowe surowce do wyrobu cementu portlandzkiego

- wapie i glina

- lub margle czyli ska y b

ce mieszanin tych dwóch sk adników

- dla uzupe nienia ewentualnego niedoboru SiO

2

w postaci piasku kwarcowego

- Fe

2

O

3

w postaci rudy elaza i (lub)

li hutniczych

Bo zmieleniu i mieszaniu otrzymuje si tzw.

czki surowej

Metody otrzymywania cementu:

- metoda sucha

- metoda mokra

Schemat produkcji cementu portlandzkiego metod mokr

Wydobycie i transport

surowców

Rozdrabnianie wst pne

Sk adowanie – homogenizowanie szlamu w basenach

Wypalanie – klinkieryzacja

w piecach obrotowych, o rednicy ok. 5 m, d ugo ci 180 .

Mielenie klinkieru z dodatkami

Pakowanie w worki, ekspedycja

Mielenie na mokro

Szlamowanie surowców

(ok. 40% wody)

Magazynowanie cementu w silosach

Schemat produkcji cementu portlandzkiego metod such

Wydobycie i transport

surowców

Rozdrabnianie surowców

Magazynowanie m czki z homogenizacj (pneumatyczn )

Korekta sk adu, ew. granulowanie wsadu do pieca

Wypalanie, piec o rednicy 4,5 – 5 m, d . 70-90 m.

Mielenie klinkieru z dodatkami

Ekspedycja cementu luzem

i/lub pakowanie

Mielenie na m czk

Suszenie do wilgotno ci 1-2%

Cementownia O arów

Szkodliwe s :

-

zwi zki siarki i magnezu

, powoduj zmiany obj to ci i p kanie betonów

-

zwi zki manganu

, obni aj wytrzyma

zapraw i betonów

-

zwi zki fosforu

zmniejszaj szybko wi zania i twardnienia spoiw

Dopuszczalna zmienno sk adu materia owego jest stosunkowo

niewielka, okre lona przez równowag fazow : CaO – Al

2

O

3

– SiO

2

Uk ad CaO-Al

2

O

3

-SiO

2

diagram Rankina-Fereta

Sk adniki naturalne

Sk ad chemiczny

Sk adnik

% wag.

sk adnik

% wag.

Kamie wapienny

80-85

CaO

58-67

Glina

10-20

Al

2

O

3

16-26

Piasek kwarcowy

< 10

SiO

2

4-8

Ruda elaza (

le hutnicze)

< 5

Fe

2

O

3

2-4

Sk ad surowej m czki cementowej

Sk ad mineralogiczny cementu portlandzkiego

Najwa niejszym minera em klinkieru jest krzemian trójwapniowy C

3

S – alit, nadaj cy najwy sz

wytrzyma

pocz tkow kompozytom cementowym.

Krzemian dwuwapniowy C

2

S – belit ma wp yw na pó niejsze narastanie wytrzyma

ci.

Substancja mi dzyziarnowa wype niaj ca przestrzenie mi dzy kryszta ami alitu i belitu sk ada
si z C

3

A (substancja ciemniejsza) i C

4

AF (substancja ja niejsza)

Znaj c sk ad chemiczny cementu, mo na obliczy stosunek ilo ci tlenku

wapniowego do sumy tlenków krzemu, glinu i elaza. Stosunek ten
nazywamy

modu em hydraulicznym

Cement o M

H

poni ej 1,7 wykazuj niedostateczn wytrzyma

mechaniczn , za cement o M

H

powy ej 2,3 maj niedostateczn sta

obj to ci. Ze wzrostem M

H

wzrasta wytrzyma

, zw aszcza pocz tkowa, ale

ro nie te ilo ciep a potrzebna do wypa u, a z kolei zmniejsza si odporno

na agresj chemiczn . Wszystkie spoiwa o M

H

<4,5 nale do materia ów

hydraulicznych.

Dla charakterystyki cementu (klinkieru), jego w

ciwo ci i przydatno ci, istotne

znaczenie maj stosunki ilo ciowe pomi dzy chemicznymi sk adnikami klinkieu,
ustalone na podstawie analizy chemicznej, wyra one wspó czynnikami tzw.
modu ami.

Modu krzemianowy

oblicza si na podstawie wzoru

W podanym wzorze SiO

2

, Al

2

O

3

i Fe

2

O

3

, oznaczaj procentow zawarto

tych tlenków w cemencie. Warto modu u hydraulicznego powinna by

zawarta w granicach od 2.1 do 3,5.

Modu glinowy

oblicza si na podstawie wzoru

Gdzie Al

2

O

3

i Fe

2

O

3

oznaczaj procentow zawarto tlenków. Warto

modu u glinowego powinna by zawarta w granicach 1,0-2,8

Schemat procesu hydratacji cementu portladzkiego (wg. Lea)

C

3

S

C

3

S

· aq

el. C-S-H + Ca(OH)

2

C

2

S

C

2

S

· aq

el. C-S-H

Krystaliczne produkty wi kszych rozmiarów

C

4

AF + gips + Ca(OH)

2

C

3

AF · CaSO

4

· aq

C

3

A + gips

trójsiarczan (entryngit)

monosiarczan

Krystaliczne produkty o wymiarach ponadkoloidalnych

Do czynników wp ywaj cych na kinetyk hydratacji cementu nale

:

a) Klasa wytrzyma

ci cementu - kszta towana sk adem mineralnym, stopniem

rozdrobnienia, zawarto ci gipsu. Cement bogaty w C

3

S szybciej ulega

hydratacji i osi ga wi ksz wytrzyma

, ani eli cement o du ej zawarto ci

C

2

S.

b) Sole zawarte w wodzie zarobowej – reaguj c ze sk adnikami zaczynu

cementowego mog przy piesza lub opó nia reakcje, wp ywaj c te na
jako

betonu.

c) Domieszki reguluj ce czas wi zania – wprowadzane celowo do cementów,

dla wymaganej wzgl dami praktycznymi modyfikacji szybko ci hydratacji
oddzia uj chemicznie na jeden lub wi cej sk adników cementu.

d) Temperatura – wzrost temperatury przy piesza reakcje hydratacji, jej spadek

natomiast je wyd

a. W temperaturze -10

C reakcje chemiczne nie zachodz .

Poszczególne sk adniki cementu reaguj z wod z ró

szybko ci . G ówny

sk adnik cementu – alit, reaguje z wod energicznie, natychmiast po
zarobieniu cementu wod . Im wi ksza jest zawarto alitu w cemencie, tym
proces wi zania spoiwa zachodzi szybciej. Reakcja hydrolizy alitu przebiega
zgodnie równaniem:

3CaO · SiO

2

+ nH

2

2 CaO· SiO

2

· (n-1)H

2

O + Ca(OH)

2

Szybko wi zania cementu mo na regulowa stosuj c odpowiednie dodatki.

Opó niacze

: gips, siarczan glinowy,

Przy pieszacze

: w glany sodu lub potasu, chlorki i azotany wapniowe lub

magnezowe

Podstawowe odmiany cementów portlandzkich i ich sk ad

mineralogiczny

Odmiany cementu portlandzkiego:

Cement portlandzki bia y

: nale y stosowa surowce zawieraj ce minimaln

ilo zwi zków elaza, chromu i manganu

Cementy kolorowe

:

1) Dodaj c do mieszaniny wypalonych surowców dodatków barwi cych

takich jak : tlenek chromu, manganu lub kobaltu

2) Nale y przemieli bia y klinkier z barwnikami mineralnymi: tlenki elaza

nadaj kolor czerwony, br zowy lub ty, tlenek manganu – kolor

fioletowy, natomiast tlenek chromu – kolor zielony

Cement ekspansywny

– zwi kszaj cy obj to w procesie twardnienia.

Inne rodzaje cementów:

Cement glinowy

jest spoiwem hydraulicznym o przybli onym sk adzie: 40%

Al

2

O

3

, 40% CaO, 10% SiO

2

i 10% Fe

2

O

3

. do produkcji cementu glinowego u ywa

si wapieni wysokoprocentowych i boksytu lub innych bogatych w tlenek glinu

Al

2

O

3

. Cement glinowy jest odporny na korozj wód kwa nych, szczególnie

siarczanowych, ulega korozji pod wp ywem roztworów alkalicznych. Wynika to

z amfoterycznych w ciwo ci wodorotlenku glinu.

Cement hutniczy

ma przybli on

zawarto

ównych sk adników

li

wielkopiecowych SiO

2

27-40%; Al

2

O

3

10-25%, CaO powy ej 40%. Otrzymany

jest przez przemielenie

la wielkopiecowego (20-80%) z klinkierem cementu

portlandzkiego (15-75%) i gipsem (do 5%). Cement hutniczy charakteryzuje si

dobr odporno ci chemiczn i dlatego stosowany jest do produkcji betonów i

zapraw nara onych na dzia anie wód agresywnych np. wody morskiej.

Cement wapienno-

lowy

produkuje si przez zmielenie granulowanego

zasadowego

la wielkopiecowego i wapna palonego lub hydratyzowanego

i gipsu.

Cement gipsowo-

lowy

otrzymuje si przez przemielenie

la

granulowanego i gipsu lub anhydrytu z kilkuprocentowym dodatkiem

wapna lub klinkieru portlandzkiego. Stosowany jest do budowy du ych

obiektów ze wzgl du na ma e zmiany obj to ci.

Spoiwa wapienne i magnezjowe

Spoiwa wapienne i magnezjowe

Spoiwa wapienne

otrzymuje si przez pra enie wapieni

CaCO

3

CaO + CO

2

T = 800-1200 C

a

spoiwa magnezjowe

przez pra enie magnezytu

MgCO

3

MgO + CO

2

T = 750-950 C

lub dolomitu

CaCO

3

· MgCO

3

CaCO

3

+ MgO + CO

2

T > 600

CaCO

3

· MgO CaO + MgO + CO

2

T = 900

WAWEL

CHI SKI MUR

Zaprawa wapienna

Surowcem do produkcji spoiw wapiennych jest wapie . Najcz

ciej spotykane

odmiany wapieni to: margle, kreda, wapienie zbite, marmur.

W Polsce marmur wydobywany jest
wy cznie w Sudetach, przede wszystkim
w Masywie nie nika, gdzie wyst puje w
dwóch odmianach kolorystycznych, jako
"Bia a Marianna" (na górze Krzy nik) i
"Zielona Marianna"

Du e z

a kredy wyst puj w

Polsce w okolicach Che ma,
Zamo cia i Siedlec.

Wapienie nale do najbardziej

rozpowszechnionych ska na wiecie. W

Polsce wyst puj m.in.: na Wy ynie

Krakowsko-Cz stochowskiej, w Górach

wi tokrzyskich, Tatrach, Pieninach i

Sudetach (Góry Kaczawskie).

Miejsca wyst powania: Na

Ba kanach - od Bo ni do Grecji -

Eubea, Austria, W ochy - Elba i

Piemont Lombardia, Rosja - Ural,

Chiny – Mand uria, Szwajcaria,

Demokratyczna Republika Konga,

Czechy, Niemcy.

W Polsce - Masyw Sobótki,

Gogo ów - Jordanów, Szklary.

MAGNEZYT

Wypalanie wapieni polega na reakcji rozk adu w glanu wapniowego:

2

3

CO

CaO

CaCO

Podczas otrzymywania wapna zachodzi jeszcze wiele innych reakcji (na
skutek zanieczyszcze ):

- rozk ad w glanu magnezowego

- rozk ad dolomitu

- powstawanie krzemianów wapniowych

- powstawanie glinianów wapniowych

2

3

CO

MgO

MgCO

3

2

3

3

CaCO

CO

MgO

MgCO

CaCO

2

2

SiO

xCaO

xCaO

SiO

3

2

3

2

O

Al

xCaO

xCaO

O

Al

Transport urobku

wapienia ze z

a

Rozdrabnianie kamienia 60-200 mm

(kruszarki szcz kowe)

Przesiewanie na frakcje

(sita wibracyjne)

WYPALANIE (piec szybowy)

na CaO

Sk adowanie wapna

niegaszonego w bry ach

Wapno niegaszone mielone –

magazynowanie

mielenie

Przemia w m ynie

Gaszenie rozpylon wod

Wapno hydratyzowane –

magazynowanie

mielenie

Schemat ideowy produkcji spoiw wapiennych

Wyró nia si wapno:

- abopalone

, T = 1000 C, wielko kryszta ów CaO ok. 1-2 m

- redniopalone

, T = 1150 C, 3-6 m

- wysokopalone

, T = 1300 C, > 10 m

W zale no ci od sk adu chemicznego rozró nia si wapno:

- powietrzne (> 94 % CaO)

- hydrauliczne (> 90 % CaO oraz min. 3 % SiO

2

i 3% [Al

2

O

3

+ Fe

2

O

3

])

- wysokohydrauliczne (> 80 % CaO oraz min. 6 % SiO

2

i 5% [Al

2

O

3

+ Fe

2

O

3

])

Wi zanie spoiw wapiennych rozpoczyna reakcja czenia si tlenku

wapniowego z wod , czyli reakcja hydratacji, zwana w technice budowlanej

gaszeniem wapna lub lasowaniem. Reakcja ta jest egzotermiczna:

CaO + H

2

O Ca(OH)

2

+ 1100 kJ/kg CaO

W zale no ci od ilo ci wody u ytej do gaszenia otrzymuje si :

-

wapno hydratyzowane

(suchogaszone); jest to wodorotlenek wapnia w

postaci proszku, otrzymany przy u yciu minimalnej (stechiometrycznej) ilo ci

wody (1 kg CaO wi e 0,32 kg H

2

O, wydzielaj ce si ciep o zmienia jednak w

par ok. 0,43 kg wody i st d najmniejsza ilo wody potrzebna do gaszenia na

sucho 1 kg CaO wynosi 0,75 kg; jest wi c oko o dwa razy wi ksza od

teoretycznej)

-

ciasto wapienne

; jest to mieszanina wodorotlenku wapniowego i jego

nasyconego roztworu (zwykle 50% wody)

-

mleko wapienne

; jest to zawiesina wodorotlenku wapniowego w wodzie.

Proces wi zania spoiw wapiennych nast puje w wyniku:

a) Zag szczania koloidalnego Ca(OH)

2

przy wysychaniu, np. zaprawy

b) Wydzielanie si z przesyconego roztworu wodorotlenku wapniowego

kryszta ków uwodnionego Ca(OH)

2

2H

2

O, ich powolnego wzrostu i zrastania

si – tworzenia si szkieletu krystalicznego

c) Dysocjacja cz

ci wodorotlenku wapniowego na jony Ca

2+

i OH

-

i reakcji

jonów wapniowych z krzemionk (z piasku) z powstawaniem uwodnionych
krzemianów wapnia, które jako trudno rozpuszczalne wypadaj z roztworu

cz c ziarna piasku

d) Karbonizacja wodorotlenku wapniowego w rodowisku wilgotnym wg reakcji

Ca(OH)

2

+ H

2

O + CO

2

CaCO

3

+ 2H

2

O

Proces

wi zania zaprawy

przebiega w ci gu kilku godzin od jej wykonania,

natomiast

twardnienie

jest procesem powolnym, zachodz cym w ci gu

ugiego okresu czasu. Powstaj ce kryszta y Ca(OH)

2

i CaCO

3

rozrastaj si i

cz mi dzy sob , powoduj c twardnienie zaprawy.

- piasek nie bierze udzia u w reakcji, ale u atwia dost p dwutlenku w gla
przyspieszaj c proces karbonizacji

- sztuczne przy pieszanie procesu karbonizacji przez zwi kszenie ilo ci
dwutlenku w gla w powietrzu obni a wytrzyma

zaprawy, gdy

powstaj ce kryszta y w glanu wapnia s zbyt drobne

3

2

3

2

2

%

%

%

%

O

Fe

O

Al

SiO

CaO

M

H

Spoiwa wapienne – modu hydrauliczny lub modu zasadowo ci

Je eli warto

modu u jest wi ksza ni 4,5 spoiwo zaliczamy do grupy

powietrznych (wapno palone, wapno gaszone, wapno hydratyzowane). Je eli

warto

modu u jest mniejsza ni

4,5 spoiwo zaliczamy do grupy

hydraulicznych (wapno hydrauliczne).

Beton komórkowy

Otrzymuje si z wapna palonego, cementu portlandzkiego i(lub) popio ów

lotnych oraz piasku. Jako rodek spieniaj cy stosuje si past aluminiow

2 Al + 3 Ca(OH)

2

+ 6 H

2

O Ca

3

[Al(OH)

6

]

2

+ 3 H

2

W przypadku

spoiw magnezjowych

do wody zarobowej dodaje si MgCl

2

lub

MgSO

4

i wykorzystuje w ten sposób zjawisko diadochii dla uzyskania takich

produktów, jak np. MgCl

2

· 5 MgO · 17 H

2

O, tzw. cement Sorela, lub MgSO

4

· 5

Mg(OH)

2

· 8 H

2

O, o zwi kszonej wytrzyma ci mechanicznej, szczelno ci i

odporno ci na dzia anie wody.

Zdolno

do wzajemnego zast powania jonów, atomów lub cz steczek przez

inne o zbli onych wymiarach nazywa si diadochi . Mo e by :

- izowalentna, je li jony maj

sam warto ciowo , np. Mg

2+

Fe

2+

, F

-

Cl

-

,

F

-

OH

-

- heterowalentna dla ró nej warto ciowo ci jonów, np. Al

3+

Si

4+

, Al

3+

Mg

2+

spoiwa magnezjowe

otrzymuje si przez pra enie magnezytu

MgCO

3

MgO + CO

2

T = 750-950 C

lub dolomitu

CaCO

3

· MgCO

3

CaCO

3

+ MgO + CO

2

T > 600

CaCO

3

· MgO CaO + MgO + CO

2

T = 900

Spoiwa gipsowe i anhydrytowe

Spoiwa gipsowe i anhydrytowe zaliczane s do spoiw powietrznych

Surowcami do ich otrzymywania s ska y osadowe – gipsy i anhydryty

Uwodniony siarczan wapnia

, krystalizuje w uk adzie jednosko nym. W wyniku

ogrzewania traci cz ciowo wod , przechodz c w temperaturze 120-130 °C w

gips palony, b

cy materia em zaprawowym poniewa atwo pobiera wod i

twardnieje.

Gips budowlany (pó wodny) otrzymuje si w wyniku wypra ania gips w

temperaturze 150-185 °C.

Anhydryt (CaSO

4

)

Siarczan wapnia. Krystalizuje w uk adzie rombowym. Bezbarwny lub barwa

bia a, szarawa b

niebieskawa. Przezroczysty. Pospolity sk adnik

hydrotermalnych i z solnych. Powstaje g ównie wskutek odparowywania

wód morskich. W Polsce w du ych ilo ciach wyst puje ko o Lwówka

skiego i Lubania, tak e w z ach solnych K odawy i Inowroc awia.

Wykorzystywany w przemy le chemicznym, a tak e jako surowiec do

produkcji cementu i kwasu siarkowego.

W zale no ci od warunków procesu powstawa mog dwie odmiany gipsu

pó wodnego i , ró ni ce si od siebie kszta tem kryszta ów i w ciwo ciami

fizycznymi.

Odmiana

ma dobrze wykszta cone kryszta y i ma wi kszy ci ar w ciwy, spoiwo

otrzymane z odmiany ma wytrzyma

znacznie wi ksz ni odmiana .

Odmiana

jest w wodzie lepiej rozpuszczalna i energicznej reaguje z wod ni

odmiana

Kryszta gipsu

Odmiany gipsu pó wodnego

Odmiana o wi kszej powierzchni wewn trznej charakteryzuje si te wi ksz
reaktywno ci chemiczn . Jest ona wykorzystywana jako gips budowlany (gips
tynkarski i sztukatorski), a odmiana jako gips modelarski

Gips sztukatorski wi e w czasie 10-15 minut od zarobienia wod .

Spowalniaj ten proces

: klej, lateks, kwas cytrynowy, fosforany, NaF, cukier

Przy pieszaj proces

: drobno zmielony kamie gipsowy, NaCl, KOH, K

2

SO

4

lub

unu

Proces dehydratacji gipsu. Pra enie gipsu powoduje jego cz ciowe odwodnienie

CaSO

4

· 2 H

2

O

CaSO

4

· ½ H

2

O + 3/2 H

2

O

Gips pó wodny

Dla otrzymywania spoiw gipsowych podstawowe znaczenie ma przemiana
dwuwodnego siarczanu wapniowego w pó hydrat, zachodz ca w procesie
pra enia gipsu.

Schemat ideowy produkcji gipsu budowlanego

Transport urobku kamienia

gipsowego ze z

a

Rozdrabnianie,

klasyfikacja (przesiewanie)

przygotowanie wsadu surowcowego

Wypalanie (pra enie)

Studzenie, dojrzewanie w silosach

Mielenie, ew. mieszanie z dodatkami

Pakowanie w worki, ekspedycja

Podstawowy sk adnik budowlanych spoiw gipsowych – pó wodny siarczan

wapniowy – po dodaniu wody przechodzi szybko w posta dwuwodn . Zjawisko

to, któremu towarzyszy znaczne wydzielenie si ciep a, znane jest powszechnie

jako wi zanie gipsu. Pierwsze próby wyja nienia mechanizmu wi zania gipsu

pó wodnego, opartego na ró nicy rozpuszczalno ci pó hydratu (oko o 9 g/l) i

dwuhydratu (oko o 2 g/l), zawdzi cza nauka g ównie pracom francuskich badaczy

Lavoisiera (1768 r.) i Le Chateliera (1887 r.)

Teoria Le Chateliera

Pó hydrat rozpuszcza si w wodzie zarobowej, wytwarzaj c roztwór przesycony

wzgl dem gipsu, od którego ma znacznie wi ksz rozpuszczalno . Z roztworu

przesyconego krystalizuje zatem CaSO

4

· 2H

2

O, umo liwiaj c rozpuszczenie

nowych ilo ci pó hydratów. Proces ten nast puje a do ca kowitej przemiany

pó hydratu w gips.

Substancje maj ce wp yw na szybko

wi zania spoiw gipsowych;

Opó niacze – klej kostny, kazeina, krochmal, bia ko, elatyna, kwas borny i
borany, kwas winowy, cytrynowy i cytryniany, kwas fosforowy i fosforany, w glany
wapnia i magnezu.

dzia anie opó niaczy polega na:
- obni eniu rozpuszczalno ci pó hydratu w wodzie (kwasy)
- hamowaniu krystalizacji dwuhydratu w wyniku tworzenia na ziarnach gipsu trudno
rozpuszczalnych otoczek (borany, fosforany, w glany) lub koloidalnej warstewki
ochronnej utrudniaj cej dost p wody do ziarn gipsu (kleje, elatyna, krochmal)

dodatek opó niacza wynosi na ogó 0,1-0,5% masy gipsu, co przesuwa pocz tek

wi zania do 25-35 minut.

Przyspieszenie procesu wi zania jest stosowane rzadziej i polega na
wprowadzeniu domieszek zwi kszaj cych rozpuszczalno

pó hydratu lub

zmniejszaj cych rozpuszczalno

dwuhydratu albo na wprowadzeniu do zaczynu

zarodków krystalizacji. Substancje zmniejszaj ce rozpuszczalno

dwuhydratu to:

siarczan potasu, chlorki sodu, wapnia, magnezu.

Wi zanie i twardnienie spoiw anhydrytowych

Spoiwa anhydrytowe otrzymuje si przez wysuszenie i rozdrobnienie
anhydrytu naturalnego lub przez pra enie gipsu w temperaturze powy ej
600 C. Podstawowym procesem, na którym oparte jest dzia anie tych
spoiw jest reakcja uwodnienia anhydrytu II:

CaSO

4

+ 2H

2

O

CaSO

4

· 2H

2

O

Proces uwodnienia anhydrytu zachodzi w dwóch etapach:

1) anhydryt rozpuszcza si w wodzie w temperaturze poni ej 42 C, dzi ki czemu

powstaje roztwór przesycony w stosunku do CaSO

4

· 2H

2

O

2) z roztworu wykrystalizowuje CaSO

4

· 2H

2

O jako faza trwa a w tych warunkach

W celu zwi kszenia szybko ci zachodz cych przemian, stosuje si wi kszy stopie
rozdrobnienia spoiwa i katalizatory, jak np. sole, które po rozpuszczeniu
wytwarzaj jony Ca

2+

lub SO

4

2-

i u atwiaj przesycenie roztworu i wytworzenie

zarodników krystalizacji.

Ró nice pomi dzy spoiwem gipsowym a anhydrytowym

- Pó hydrat przechodzi w gips ca kowicie, natomiast anhydryt zostaje uwodniony

jedynie cz ciowo. Obecno w stwardnia ym spoiwie anhydrytowym – oprócz

kryszta ów gipsu – równie kryszta ów anhydrytu, jest powodem znacznie

wi kszej wytrzyma ci tych spoiw w porównaniu ze spoiwem z gipsu

pó wodnego. Jednak e w przypadku dop ywu wilgoci do spoiwa anhydrytowego

nast puje dalszy proces uwadniania, prowadz cy w konsekwencji do zwi kszenia

obj to ci. Proces ten jest przyczyn kruszenia i p kania materia u.

Spoiwa krzemianowe

SPOIWA KRZEMIANOWE

W kompozytach krzemianowych – silikatowych (kity, zaprawy, farby) – jako

spoiwo stosuje si szk o wodne sodowe i potasowe

Na

2

SiO

3

+ 2H

2

O

H

2

SiO

3

+ 2NaOH

Wi zanie tego spoiwa

Na

2

SiO

3

+ CO

2

+ 2H

2

O Na

2

CO

3

+ H

4

SiO

4

W sk ad spoiw krzemianowych wchodz : mineralne m czki kwasoodporne

(granitowe, bazaltowe, kwarcytowe i inne), szk o wodne oraz koagulanty,

przy pieszaj c proces wi zania i twardnienia.

Rol

ciwego spoiwa spe nia szk o wodne. Ogólny wzór szk a wodnego

R

2

O · nSiO

2

· mH

2

O

R

2

O oznacza tlenek sodu lub potasu

Przy pieszenie wi zania nast puje po dodatku fluorokrzemianu sodu

2Na

2

SiO

3

+ Na

2

SiF

6

+ 3 H

2

O 3 H

2

SiO

3

+6NaF

Zestawy szk o wodne-fluorokrzemian i wype niacz kwarcowy s stosowane jako

kity i zaprawy do wykonywania kwasoodpornych posadzek. Kompozyty s

odporne na suche rodowisko kwa ne (np. gazy kominowe). W rodowisku

wodnym s nietrwa e.

Materia y ogniotrwa e – to materia y z których wyroby w temperaturze powy ej

1500 C nie ulegaj odkszta ceniu

nazwa

wzór

Temperatura

topnienia [ C]

krystobalit

SiO

2

1700

korund

Al

2

O

3

2050

mulit

3Al

2

O

3

·2SiO

2

1800

magnezja

MgO

2800

fosteryt

Mg

2

SiO

4

1890

tlenek cyrkonu

ZrO

2

2700

spinel

MgAl

2

O

4

2135

chromit

FeCr

2

O

4

2180

Szk o jest ciecz sztywn sk adaj

si z mieszaniny SiO

2

i innych tlenków

metali. Powstaje w wyniku stopienia (ok. 1500 C) i ostudzenia bez krystalizacji

mieszaniny piasku kwarcowego (> 70%) i innych dodatków.

Schemat budowy sieciowej szk a (a) w porównaniu ze struktur krystalicznej

krzemionki (b)

Najcz

ciej stosowanymi tlenkami w produkcji szk a s :

Tlenek glinowy (w postaci skaleni sodowo-wapniowych, glin ogniotrwa ych,
kaolinu, odpadów zawieraj cych glin) dodawany w ilo ci do 8%; zast puje cz

krzemionki powoduje wzrost odporno ci szk a na dzia anie wody, zwi ksza
twardo

i wytrzyma

mechaniczn szk a oraz odporno

termiczn , utrudnia

jednak topienie.

Tlenek borowy (w postaci boraksu lub kwasu borowego), zast puje cz

krzemionki i topniki, zmniejsza lepko

w wysokich temperaturach, zwi ksza

twardo

i odporno

chemiczn szk a, obni a wspó czynnik rozszerzalno ci

termicznej

Tlenek magnezowy (wprowadzany w postaci dolomitu) zast puje cz

tlenku

wapniowego, stabilizuje szk o, zwi ksza lepko

masy szklanej, powoduje wzrost

odporno ci chemicznej zw aszcza przy jednoczesnym dodatku tlenku glinowego

Tlenek o owiowy (minia), zast puje najcz

ciej tlenek wapniowy, zmniejsza

lepko

, ale i odporno

chemiczn szk a, zw aszcza wspó czynnik za amania

wiat a, nadaje pi kny po ysk (kryszta y) i d wi k.

ciwo ci szk a:

- ma a przepuszczalno ciep a

- ma e przewodnictwo elektryczne

- odporno na dzia anie wody, powietrza i wielu substancji, kwasów, zasad i soli

- ze szk em reaguj : fluorowodór i fluorki oraz st one roztwory zasady sodowej

W budownictwie stosuje si g ównie szk o sodowo-wapniowe („szk o zwyk e”) o

zawarto ci SiO

2

> 70%, Na

2

O 15-17% oraz CaO 0,5-8%

Szk o zwyk e – szk o sodowo-wapniowo-potasowe Na

2

CaO SiO

2

Surowce do produkcji szk a zwyk ego:
- krzemionka SiO

2

(piasek kwarcowy) w ilo ci 68-74% - cia o szkliste

-

glan wapnia CaCO

3

w ilo ci 7-14% sk adnik stabilizuj cy, utwardzaj cy

szk o, zwi kszaj cy odporno

chemiczn , nadaj cy po ysk

- soda NaCO

3

w ilo ci 12-16% obni a temperatur topnienia mieszaniny do ok.

1400

C

Dodatkowo:

- glin i magnez (2-3%) u atwiaj obróbk na gor co i zwi kszaj odporno chemiczn

oraz wytrzyma

szk a

-tlenki arsenu, antymonu, zwi zki fluoru jako domieszki u atwiaj ce klarowanie szk a

SZK O O INNYM SK ADZIE NI SZK O ZWYK E

Szk o o owiowe (kryszta owe)

. W szkle tym zamiast wapna wprowadza si tlenek

owiu w ilo ci ok. 20%, a do 60% w szk ach przeznaczonych do ochrony przed

promieniowaniem radioaktywnym lub rentgenowskim. Jest ok. 600 kg/m

3

ci

sze

od zwyk ego. S

y do wyrobu szkie optycznych, szk a artystycznego, do produkcji

rur neonowych.

Szk o glinowo-krzemowe

. Jest to szk o zawieraj ce ok. 20% glinu i niewielk ilo

tlenku borowego (ok. 4%). Jest odporne na wysokie temperatury, wytwarza si z
niego rury spalania, okienka pojazdów kosmicznych, cz

ci aparatury pracuj cej w

wysokiej temperaturze.

Szk o borowo-krzemowe (borowe).

Najbardziej znane jest szk o o nazwie pyrex o

zawarto ci tlenku boru ok. 12%. Szk o to ma wi ksz odporno

chemiczn , ale

przede wszystkim jest niewra liwe na nag e zmiany temperatury.

Szk o krzemowe (kwarcowe). Otrzymywane jest przez stopienie kwarcu, lub
bardzo czystego piasku: zawiera ok. 99% SiO

2

. Jest bardzo trudne w produkcji i

obróbce, o wiele bardziej kosztowne od innych szkie . Szk o krzemowe ma
bardzo ma y wspó czynnik rozszerzalno ci cieplnej i jest w zwi zku z tym ma o
wra liwe na gwa towne zmiany temperatury. Stosowane jest w przypadkach,
gdzie wymagana jest odporno

chemiczna w wysokiej temperaturze do 800

C.

szk o fotochromowe. Jest to szk o o zmiennej przepuszczalno ci optycznej,
zmieniaj ce s barw pod wp ywem promieniowania ultrafioletowego, a po jego
usuni ciu powracaj ce do barwy pierwotnej. Elewacje budynków z tego szk a

ciany os onowe) o zmiennej przepuszczalno ci s rozwi zaniem domów

inteligentnych kontrolowanych przez sensory kilmatyczne.

Rodzaje szk a budowlanego:

Szk o ceramiczne

ma du wytrzyma

mechaniczn , du twardo i trwa

,

doskona przyczepno do metali oraz odporno na dzia anie kwasów.

Otrzymuje si go po wtórnej obróbce tworzywa szklanego z odpowiednimi

katalizatorami.

Szk o p askie

charakteryzuje si przepuszczalno ci promieni widzialnych i

podczerwonych, a nie przepuszcza promieni nadfioletowych

Szk o zbrojone

jest to szk o z wtopion siatk chroni

przed rozpryskiwaniem

przy st uczeniu

Szk o hartowane

. Nagrzan tafl szk a ch odzi si strumieniem powietrza,

powstaj trwa e napr enia

Mozaika szklana

Kszta tki szklane

ókna szklane:

rednica 1-6 m

- dobre w ciwo ci izoluj ce,

- k t zwil ania 90

Zbli ona do we ny szklanej jest we na mineralna, otrzymywana z bazaltu

(diabazyt) o nast puj cym sk adzie chemicznym: 43 % SiO

2

, 16,5 % Al

2

O

3

, 11 %

FeO i Fe

2

O

3

, 1,5% MnO

2

, 18% CaO, 8% MgO i inne 2%.

Spoiwa wi

ce organiczne – lepiszcza bitumiczne

Bitumy s to substancje sta e, ciek e lub gazowe, w których sk adzie przewa aj

glowodory

Do lepiszczy bitumicznych zaliczamy: asfalty naturalne i ponaftowe oraz smo y i

paki

Asfalty

to substancje pó sta e, które po ogrzaniu przechodz w stan ciek y.

Asfalty stanowi uk ad koloidalny, w którym faz rozpraszaj

jest olej o

du ej lepko ci, faz rozproszon asfalteny, ywice asfaltowe i karbeny.

Naturalne asfalty mog zawiera 2-12% siarki.

Asfalty naturalne

wydobywa si z jezior asfaltowych (Bermudy, Trynidad) lub ze

ska asfaltowych. Zawarto czystego asfaltu w z ach wynosi 60-99% w

ska ach bitumicznych – do 15%

Asfalty sztuczne

pozosta ci po przeróbce specjalnych gatunków ropy

naftowej

ywice asfaltowe

to sk adniki asfaltu które zwi ksz ich plastyczno i

ci gliwo .

Asfalteny

powstaj w wyniku polimeryzacji z ywic asfaltowych w wysokiej

temperaturze. S twarde i nietopliwe, o barwie szaro-br zowej i wiadcz o

przepaleniu asfaltu.

Emulsje asfaltowe

to ciecze koloru br zowego o zawarto ci oko o 50% wody.

Trwa

emulsji utrzymuje si dzi ki dodatkom soli kwasów t uszczowych, np.

C

17

H

35

COONa (emulsje anionowe) lub emulsje kationowe – dodatek pierwszo-,

drugi- i trzeciorz dowych amin. Zalet emulsji jest dobra przyczepno asfaltu

do mokrego materia u kamiennego.

Smo y

otrzymuje si w procesach rozk adowej destylacji, rozk adu

termicznego materia ów organicznych, przy pirolizie pó produktów

naftowych. Chemicznie jest to mieszanina zwi zków aromatycznych i

heterocyklicznych. Do najwa niejszych sk adników s omy, nale : benzen,

toluen, ksylen, fenol, krezol, naftalen, antracen, fenantren, pirydyna i inne.

W drodze destylacji usuwa si wod i lekkie sk adniki otrzymuj c smo

destylacyjn .

Ze smo y surowej po destylacji frakcyjnej zostaje pak. Znajduje zastosowanie

do sporz dzania masy kablowej, kitów kwasoodpornych, jako lepiszcze do

brykietów z mia u w glowego