Dr Jolanta

Dr Jolanta

Piekut

Piekut

Materiały budowlane

Znajomość chemii jest niezbędna na kierunku
Budownictwa. Inżynier budowlany powinien wiedzieć:

• jakie właściwości ma materiał, którego użyje do budowy
• jakie zjawiska i przemiany chemiczne zachodzą podczas

:
- wytwarzania materiałów
- stosowania ich do wznoszenia budowli i prac
wykończeniowych
- użytkowania obiektu (procesy korozji)

Materiały budowlane są tak stare

jak człowiek

I Kronik 29:2
Rzekł król Dawid do całego zgromadzenia:
Według wszelkich moich możliwości przygotowałem dla

świątyni Boga

mojego

Złoto, na to, co ma być ze złota,
Srebro, na to, co ma być ze srebra,
Spiż, na to, co ma być ze spiżu,
Żelazo, na to, co ma być z żelaza,
Drzewo, na to, co z drzewa,
Kamienie karneolowe do oprawy i na zaprawę murarską,
i do mozaiki,
i wszelkiego rodzaju drogie kamienie,
i marmur w obfitości.

Ogólny podział materiałów

budowlanych

A.

Nieorganiczne

(mineralne)

Metale:

Fe, Cu, Zn, Sn, Al, Pb,

Mn, Mo, Ni, Cr, Mg

Materiały

kamienne:

minerały
SiO

2

, Al

2

O

3

, H

2

O, Fe

2

O

3

,

FeO, MgO, CaO, Na

2

O,

K

2

O, TiO

2

, P

2

O

5

B. Organiczne

Drewno
Słoma
Trzcina
Bambus

Wyroby bitumiczne

Smoły

Asfalty

Tworzywa sztuczne

O właściwościach materiałów budowlanych
decydują:

- natura chemiczna pierwiastków, z których są
zbudowane,

Wszystkie najczęściej występujące w przyrodzie
pierwiastki (ok. 30) stosowane są w

budownictwie

(w tym połowę stanowią metale).

- rodzaj występujących wiązań chemicznych,

- stan skupienia

- makrostruktura

- zjawiska powierzchniowe

Ponad 70% materiałów budowlanych to:

Metale

Metale

- wiązania metaliczne

Tlenki metali

Tlenki metali

(np. CaO, Al

2

O

3

) – wiązania jonowe lub

atomowe silnie spolaryzowane

Sole słabych kwasów

Sole słabych kwasów

(amfolitów): krzemiany,

gliniany, żelaziany, węglany, siarczany(VI) - wiązania
jonowe

lub atomowe spolaryzowane
Sole, często uwodnione są najliczniejszą grupą.

Przykładem zasady

zasady

wśród materiałów budowlanych

jest

wapno gaszone - Ca(OH)

2

.

Pozostałe to związki organiczne i krzemoorganiczne

związki organiczne i krzemoorganiczne

.

.

Wiązania chemiczne w materiałach

budowlanych

Materiał

y
budowla
ne

Wiązania wewnątrzcząsteczkowe

międzycząsteczko

we

Jonow

e

Atomo

-we

Atom.

Spolar

yz.

Kordy-

nacyjne

Metalic

z-ne

Wodor

o-we

Siły Van

der

Waalsa

Metale:

żeliwo

stal

nieżelazn

e

Materiał

y
mineraln

e:

kamienne

ilaste

spoiwa

ceramika

szkło

Materiał
y

organicz

ne:

drewno

bitumy

tworzywa

sztuczne

-
-

-

+
+

+

+

+

-

-

-

-
-

-

-
-

-

-

-

+

+

+

-
-

-

+
+

+

+

+

(+)

(+)

(+)

-
-

-

+
+

+

-

-

-

-

-

+
+

+

-
-

-

-

-

-

-

-

-
-

-

(+)

+

+

-

-

+

-

+

-
-

-

-
-

-

-

-

+

+

+

Materiały o wiązaniach metalicznych
charakteryzują się:

- wysokim połyskiem

- dobrym przewodnictwem ciepła i elektryczności

- plastycznością (kowalnością)

- dużą wytrzymałością mechaniczną

Materiały o wiązaniach jonowych:

- wysokie temperatury wrzenia i topnienia

- łatwo rozpuszczają się w wodzie

- rozsypują się pod wpływem obciążeń mechanicznych

Materiały o wiązaniach atomowych charakteryzują
się:

- dużą twardością

- mniejszą rozpuszczalnością w wodzie

- mniejszą reaktywnością chemiczną

Przykłady:
Gips

CaSO

4

.

2H

2

O

O O 2-

Ca

2+

S

O O

Wiązania jonowe, atomowe spolaryzowane i koordynacyjne

Hydraty [Al(H

2

O)

6

]

3+

, [Mg(H

2

O)

6

]

2+

Hydroksokompleksy [Al(OH)

6

]

3-

Siły typu Van der Walsa występują tylko wtedy,
gdy wiązanie wewnątrzcząsteczkowe jest
ukierunkowane (atomowe).
W przypadku materiałów o budowie krystalicznej z
wiązaniami jonowymi lub metalicznymi nie można
rozpatrywać pojedynczej cząsteczki.

Pierwiastki metaliczne występują w przyrodzie

przeważnie w postaci rud, które są przerabiane (w
celu uzyskania czystego lub prawie czystego
metalu) na drodze różnych procesów
metalurgicznych.

rudy żelaza

Syderyt - FeCO

3

Hematyt – Fe

2

O

3

Magnetyt – Fe

3

O

4

Pirotyn – FeS

Piryt – FeS

2

Surówkę żelaza otrzymuje się przez redukcję

w wielkich piecach rud tlenkowych

• Fe

2

O

3

+ 3C → 2 Fe + 3 CO

• Fe

2

O

3

+ 3CO → 2 Fe + 3 CO

2

• C + CO

2

→ 2 CO

Stopione w wielkim piecu żeliwo ulega nawęgleniu, w
wyniku czego powstaje cementyt
3Fe + C → Fe

3

C

oraz roztwory stałe węgla w żelazie (rozpuszczenie węgla
w sieci krystalicznej żelaza).
W technice największe znaczenie mają stopy żelaza z
węglem:
stal - stop obrabiany plastycznie
żeliwo - stop odlewniczy

Żużel metalurgiczny

Wyprodukowaniu 1 tony żeliwa towarzyszy

powstanie 1 tony żużlu – produkt

odpadowy na skutek reakcji dodatków

(topników) CaCO

3

z zanieczyszczeniami w

rudach:
2 CaCO

3

+ SiO

2

→ Ca

2

SiO

4

+ 2 CO

2

topnik

skała płonna

żużel

Żużel zawiera: CaO, SiO

2

, Al

2

O

3

, FeO, MnO

Stosowany jest jako dodatek do cementów

hutniczych

• Żelazo jest odporne na działanie wody

wapiennej i zimnych ługów, co ma duże
znaczenie z punktu widzenia zbrojenia
betonu (żelbet)

• Ze stali konstrukcyjnych wykonuje się w

budownictwie pręty zbrojeniowe, blachy,

druty, rury

rudy metali nieżelaznych

• miedź występuje w przyrodzie głównie w postaci rud

siarczkowych i tlenowych (chalkopiryt, chalkozyn,

kupryt, malachit, azuryt), rzadziej w stanie

wolnym.

Miedź otrzymuje się z rud.

• Ubogie siarczki miedzi wzbogaca się przez flotację

uzyskując w ten sposób koncentraty o zawartości

miedzi 15-30%.

• Koncentraty poddawane są następnie prażeniu,

podczas którego następuje ich utlenianie.

• Częściowo wyprażony materiał przetapia się w

strefie redukcyjnej w piecu szybowym,

płomieniowym lub elektrycznym.

• Otrzymuje się tzw. kamień miedziowy - jest to

mieszanina siarczków miedzi (Cu

2

S) i żelaza (FeS)

oraz innych zanieczyszczeń.

Metoda pirometalurgiczna

otrzymywania miedzi z rud

2CuFeS

2

+ 2SiO

2

+ 3O

2

→ Cu

2

S + 2FeSiO

3

+ 3SO

2

Cu

2

S + 2O

2

→ 2CuO + SO

2

Cu

2

S + 2CuO → 4Cu + SO

2

• Otrzymana miedź ( czystość ok. 90%) poddawana

jest następnie rafinacji, w wyniku czego otrzymuje się

miedź o czystości bliskiej 100%

Miedź stosowana jest jako materiał dekarski na

budowlach reprezentacyjnych-sakralnych, jako

surowiec do elementów dekoracyjnych, drutów na

przewody elektryczne, rur, stosowana do uszczelnień

Cynk jest niebieskawobiałym metalem.

W wilgotnym powietrzu ulega utlenieniu,
pokrywa się szczelną powłoką
Zn

2

CO

3

(OH)

2

, która chroni metal przed

dalszą korozją.

Najważniejszym źródłem metalicznego
cynku jest ZnS

• Proces prażenia:

2ZnS + 3O

2

→ 2ZnO + 2SO

2

• Redukcja węglem: lub tlenkiem węgla(II):

ZnO + C → Zn + CO
ZnO + CO → Zn + CO

2

CO

2

+ C → 2CO

Blachy cynkowe lub ocynkowane blachy żelazne stosowane

są w budownictwie do wykonywania rynien, pokryć
dachowych, rur i siatek.

Stop cynku -ZnAl - stosowany jest na okucia budowlane i

armaturę sanitarną.

Z powodu swoich bardzo dobrych

własności mechanicznych metale

są powszechnie wykorzystywane

jako materiały konstrukcyjne w

budownictwie.

Większość pierwiastków w układzie

okresowym to metale

Metale i stopy metali

• Żeliwo

• Stal konstrukcyjna

• Stal trudno rdzewiejąca

•

Miedź

Miedź

•

Mosiądz

Mosiądz

•

Brąz

Brąz

•

Spiż

Spiż

•

Cynk

Cynk

•

ZnAl

ZnAl

•

Cyna

Cyna

•

Aluminium

Aluminium

•

ołów

ołów

• Fe

C (>2%), (Mn, Si, P, S)

• Fe

C, Cr, Mo, Mn, Si, Ni, V,

Al, Cu, N (P, S)

• Fe

C, Cr, Ni, Ti, Mo, Co

(Al, Si)

•

Cu

Cu

-

-

•

Cu

Cu

Zn (Ni, Pb, Mn, Al, Si)

Zn (Ni, Pb, Mn, Al, Si)

•

Cu

Cu

Sn (Al, Pb, Mn, Si, Be)

Sn (Al, Pb, Mn, Si, Be)

•

Cu

Cu

Sn, Zn (Pb)

Sn, Zn (Pb)

•

Zn

Zn

-

-

•

Zn

Zn

Al. (Cu, Mg)

Al. (Cu, Mg)

•

Sn

Sn

_

_

•

Al

Al

Cu (Si, Mg, Fe)

Cu (Si, Mg, Fe)

•

Pb

Pb

_

_

Rodzaj metalu (stopu) metal

pierwiastek

podstawowy

stopowy

ż
e
l
a
z
n
e

n

n

i

i

e

e

ż

ż

e

e

l

l

a

a

z

z

n

n

e

e

Metale szlachetne - metale odporne
chemicznie:

- platynowce

platynowce

(

(ruten

ruten

,

, rod

rod

,

, pallad

pallad

,

, osm

osm

,

, iryd

iryd

i

i

platyna

platyna

) oraz

) oraz srebro

srebro

i

i złoto

złoto

.

.

Metale szlachetne bardzo słabo reagują z innymi
pierwiastkami przez co prawie nie ulegają korozji.

Metale szlachetne są odporne na działanie
stężonego kwasu solnego i innych kwasów
beztlenowych (można je jednak roztworzyć w
kwasach tlenowych)

Metale - także ich stopy - charakteryzują się obecnością

w sieci krystalicznej swobodnych (niezwiązanych)

elektronów.

Wykazują następujące własności:
- tworzenie połyskliwej, gładkiej powierzchni w stanie
stałym
- ciągliwość i kowalność
- dobre przewodnictwo elektryczne
-dobre przewodnictwo cieplne
- skłonność do tworzenia związków chemicznych o
właściwościach zasadowych.

Krzem (Si – silicium) - pierwiastek chemiczny należący
do grupy węglowców. Tworzy kryształy szare, twarde,
kruche.
Jest półprzewodnikiem o temperaturze topnienia
1410°C, gęstość 2,33 g/cm

3

.

Krzemionka SiO

2

–

bezbarwne ciało stałe o temperaturze topnienia

1710

o

C, nierozpuszczalne w wodzie i kwasach (oprócz

fluorowodorowego).

Tworzy odmiany krystaliczne (kwarc, trydymit,

krystobalit).

Występuje jako minerał, główny składnik piasku i

piaskowców), w formie uwodnionej - jako chalcedon
i jego odmiany.

Stosowany do produkcji szkła i materiałów

budowlanych.

Krzemiany i glinokrzemiany –

składniki skał i minerałów

KRZEMIANY I GLINOKRZEMIANY

W przyrodzie występuje około 800 znanych minerałów

krzemianowych - najliczniejsza grupa minerałów.

Udział krzemianów i glinokrzemianów w budowie skał
wynosi około 75% wagowych.
-znaczenie skałotwórcze (dominujące),
-źródło wielu cennych metali (np. krzemiany Ni, Zn,
Li),

-tworzą złoża wielu ważnych surowców mineralnych

(kaolin, skalenie).

Wśród krzemianów znaleźć można piękne kamienie
szlachetne i ozdobne (np. szmaragd, turmalin, topaz,
nefryt).

http://www.ar.wroc.pl/~weber/halo.htm#sylwin

http://www.ar.wroc.pl/~weber/halo.htm#sylwin

1. agat, 2. ałunit, 3. ametyst, 4. aragonit, 5. baryt, 6.
chalkantyt, 7. fluoryt, 8. galena, 9. gips, 10. halit, 11.
kalcyt, 12. kwarc, 13. magnetyt, 14. miedź rodzima, 15.
piryt, 16. sfaleryt

W postaci minerałów występują:

krzemiany
ZrSiO

4

(cyrkon),

(Mg,Fe)

2

SiO

4

(oliwin),

Ca

3

Si

3

O

9

(wollastonit),

Cu

6

Si

6

O

18

x 6H

2

O (dioptaz)

glinokrzemiany:
K[Al Si

3

O

8

] (ortoklaz),

Ca[Al Si

2

O

8

] (anortyt)

Składnikami cementu portlandzkiego
są np.

metakrzemian wapnia CaSiO

3

metadikrzemian wapnia

CaSi

2

O

5

ortokrzemian wapnia Ca

2

SiO

4

Materiały kamienne

Materiały kamienne

z chemicznego punktu widzenia

z chemicznego punktu widzenia

są to: krzemiany,

są to: krzemiany,

gliniany,

gliniany,

tlenki

tlenki

i węglany

i węglany

Źródłem kamienia budowlanego są

Źródłem kamienia budowlanego są

występujące w przyrodzie skały:

występujące w przyrodzie skały:

magmowe, osadowe i metamorficzne.

magmowe, osadowe i metamorficzne.

Skały występujące w przyrodzie

magmowe

osadowe

metamorficzne

zastyganie lawy

pochodzenia

ze skał magm. i

osadowych

(wysokie p i T)

marmury

(kalcyt)

krzepnięcie stopów

kwarcyty

krzemianowych

(piaskowce)

mechanicznego

mechanicznego

gnejsy

(granity)

(

wietrzenie skał)

łupki

(kwarc i mika)

SiO

2

organogenicznego

organogenicznego

chemicznego

chemicznego

>65% kwaśne

(

szczątki org. żywych)

(krystalizacja soli)

52- 65% obojętne

wapienie

<

52% zasadowe

(kalcyt, dolomit)

siarczany

siarczany

piaski

piaski

(gips, anhydryt)

(gips, anhydryt)

żwiry

żwiry

gliny

gliny

(

(

kaolinit)

kaolinit)

piaskowce

piaskowce

granity

(kwarc, skalenie, miki)

bazalty, andezyty

Minerały skałotwórcze

Kwarc

SiO

2

Skalenie

K

2

O  Al

2

O

3

 6SiO

2

ortoklaz

m(Na

2

O  Al

2

O

3

 6SiO

2

) plagioklazy

n(CaO  Al

2

O

3

 2SiO

2

)

Skaleniowce

Na

2

O  Al

2

O

3

 2SiO

2

nefelin

Miki

K

2

O  Al

2

O

3

 6SiO

2

 2H

2

O

muskowit

Pirokseny

MgO FeO

 2SiO

2

Oliwiny

(Mg, Fe)

2

SiO

4

Węglany

CaCO

3

kalcyt

MgCO

3

magnezyt

CaCO

3

 MgCO

3

dolomit

Siarczany

CaSO

4

 2H

2

O

gips

CaSO

4

anhydryt

Materiały kamienne

Materiały kamienne

naturaln
e

naturaln
e

sztuczne

sztuczne

profilowe

kostki,
płyty

profilowe

kostki,
płyty

ziarniste

kruszywa

ziarniste

kruszywa

BETONY

Zaprawy

BETONY

Zaprawy

niewypalane

niewypalane

wypalane

wypalane

T≤ T

T

spiek

T >T

T

stop

Lekkie
kruszywa

Lekkie
kruszywa

Spoiwa
hydrauliczne

Klinkier cementowy
Spoiwa
powietrzne

Ceramika
budowlana

Materiały wiążące

lepiszcza

spoiw
a

Szkło
budowlane
Wełna
mineralna

Wzór klasyczny

Wzory tlenków

Wzór skrócony

(chemia

cementów)

CaSiO

3

CaO

.

SiO

2

CS SiO

2

- S

Krzemian wapnia

Ca

2

SiO

4

2CaO

.

SiO

2

C

2

S CaO -

C

Krzemian diwapnia

(belit)

Ca

3

SiO

4

3CaO

.

SiO

2

C

3

S Al

2

O

3

-

A

Krzemian triwapnia

(alit)

Ca

3

(PO

4

)

2

3CaO

.

P

2

O

5

C

3

P MgO -

M

Fosforan(V) wapnia

Ca

3

Al

2

O

6

3CaO

.

Al

2

O

3

C

3

A H

2

O -

H

Glinian triwapnia

Al

2

(Si

2

O

5

)(OH)

4

Al

2

O

3

.

2SiO

2

.

2H

2

O AS

2

H

2

Fe

2

O

3

- F

Kaolinit

(składnik gliny)

Kwasy krzemowe:

Kwasy krzemowe:

metakrzemowy

metakrzemowy

H

H

2

2

SiO

SiO

3

3

SiO

SiO

2

2

.

.

H

H

2

2

O

O

S

S

.

.

H

H

ortokrzemowy

ortokrzemowy

H

H

4

4

SiO

SiO

4

4

SiO

SiO

2

2

.

.

2H

2H

2

2

O

O

S

S

.

.

H

H

2

2

dimetakrzemowy

dimetakrzemowy

H

H

2

2

Si

Si

2

2

O

O

5

5

2SiO

2SiO

2

2

.

.

H

H

2

2

O

O

S

S

2

2

.

.

H

H

diortokrzemowy

diortokrzemowy

H

H

4

4

Si

Si

2

2

O

O

6

6

2SiO

2SiO

2

2

.

.

2H

2H

2

2

O

O

S

S

2

2

.

.

2H

2H

Krzemiany

Krzemiany

metakrzemian

metakrzemian

K

K

2

2

SiO

SiO

3

3

K

K

2

2

O

O

.

.

SiO

SiO

2

2

K

K

.

.

S

S

ortokrzemian

ortokrzemian

K

K

4

4

SiO

SiO

4

4

2K

2K

2

2

O

O

.

.

SiO

SiO

2

2

K

K

2

2

.

.

S

S

Kwasy glinowe:

Kwasy glinowe:

H

H

3

3

AlO

AlO

3

3

HAlO

HAlO

2

2

+ H

+ H

2

2

O

O

ortoglinowy

ortoglinowy

H

H

3

3

AlO

AlO

3

3

Al

Al

2

2

O

O

3

3

.

.

3H

3H

2

2

O

O

A

A

.

.

H

H

3

3

metaglinowy

metaglinowy

HAlO

HAlO

2

2

Al

Al

2

2

O

O

3

3

.

.

H

H

2

2

O

O

A

A

.

.

H

H

Gliniany:

Gliniany:

metagliniany

metagliniany

Me

Me

I

I

AlO

AlO

2

2

Me

Me

2

2

O

O

.

.

Al

Al

2

2

O

O

3

3

M

M

I.

I.

A

A

ortogliniany

ortogliniany

Me

Me

II

II

3

3

(AlO

(AlO

3

3

)

)

2

2

3MeO

3MeO

.

.

Al

Al

2

2

O

O

3

3

M

M

II

II

3

3

.

.

A

A

Kwasy żelazowe: H

Kwasy żelazowe: H

3

3

FeO

FeO

3

3

HFeO

HFeO

2

2

+ H

+ H

2

2

O

O

ortożelazowy

ortożelazowy

H

H

3

3

FeO

FeO

3

3

Fe

Fe

2

2

O

O

3

3

.

.

3H

3H

2

2

O

O

F

F

.

.

H

H

3

3

metażelazowy

metażelazowy

HFeO

HFeO

2

2

Fe

Fe

2

2

O

O

3

3

.

.

H

H

2

2

O

O

F

F

.

.

H

H

Żelaziany:

Żelaziany:

metażelaziany

metażelaziany

Me

Me

II

II

(FeO

(FeO

2

2

)

)

2

2

MeO

MeO

.

.

Fe

Fe

2

2

O

O

3

3

M

M

II.

II.

F

F

Me

Me

III

III

(FeO

(FeO

2

2

)

)

3

3

Me

Me

2

2

O

O

3

3

.

.

3Fe

3Fe

2

2

O

O

3

3

M

M

II.

II.

F

F

Materiały wiążące dzieli się na:

-spoiwa -

wiążące w wyniku reakcji

chemicznej,

-lepiszcza -

wiążące w wyniku przemiany

fizycznej,

-np. krzepnięcia lub odparowania
rozpuszczalnika

Materiały wiążące

nieorganiczne

organiczne

lepiszcza

spoiwa

lepiszcza spoiwa

siarka

bitumiczne

żywiczne

(polimer. i polikond.)

powietrzne

hydrauliczne asfalty smoły

ponaftowe

(z dest. węgla

twardniejące

twardniejące

i drewna)
w powietrzu

w wodzie

wg składu chemicznego surowca:
Spoiwa wapniowe, siarczanowo-gipsowe, magnezjowe
Główne spoiwa mineralne to: cement, wapno i gips

Spoiwa mineralne są obok

kruszywa najbardziej

powszechnym

półproduktem

stosowanym w

budownictwie, zatem

surowce do ich

wytwarzania muszą być

ogólnodostępne.

Są to głównie:
gliny i skały wapienne

gliny i skały wapienne:

wapień

CaCO

3

,

gips
CaSO

4

.

2H

2

O,

anhydryt

CaSO

4

,

magnezyt

MgCO

3

,

dolomit

MgCO

3

.

CaCO

3

,

piasek kwarcowy

SiO

2

Charakterystyka spoiw mineralnych

Spoiwo

Podstawowy

składnik

surowca %

Proces

cieplny

T

max

[

o

C]

Skład

mineralogiczn

y

Mechanizm

wiązania

i twardnienia

Rod

z

Nazwa

Spo-

iwo

hyd-

rauli

-

czne

cementy

portlandzk

ie

CaCO

3

70-75

gliny

25-30

spiekanie,

topienie

1450

C

3

S, β-C

2

S,

C

3

A, C

4

AF

hydratacja,

hydroliza,

karbonatyzacja

cementy

glinowe

CaCO

3

boksyty

topienie

1500

CA, CA

2

,

C

12

A

7

,

hydratacja,

hydroliza

cementy

romańskie

CaCO

3

50-70

gliny

30-50

prażenie

1100

β-C

2

S, CA,

C

2

F

hydratacja,

hydroliza,

karbonatyzacja

wapno

hydraulicz

ne

CaCO

3

75-95

gliny

5-25

prażenie

1200

C, β-C

2

S,CA,

C

12

A

7

,C

2

F

hydratacja,

hydroliza,

karbonatyzacja

Spo-

iwo

po-

wiet

-

rzne

wapno

palone

CaCO

3

>95

gliny <5

prażenie

1200

C

hydratacja,

karbonatyzacja

gips

CaSO

4

.

2H

2

O

prażenie

200

CżH

0,5

hydratacja

anhydryty

CaSO

4

.

2H

2

O

prażenie

350

CżH

hydratacja

CaSO

4

.

H

2

O

-

magnezjo

we

MgCO

3

MgCO

3

.

CaCO

3

prażenie

950

MC

hydratacja,

powstanie soli

zasadowych

Krzemianow

eszkło

wodne

SiO

2

, Na

2

O

SiO

2

, K

2

O

topienie

800

N

m

S

n

karbonatyzacja

Otrzymywanie każdego spoiwa mineralnego
wymaga energochłonnych procesów:

- prażenia (wapno palone),
- spiekania (cementy portlandzkie)
- topienia (szkło wodne).

Stałe spoiwa mineralne są przed użyciem
zarabiane wodą,
a spoiwo magnezjowe –

wodnym roztworem chlorków lub siarczanów.

Podczas wiązania przebiegają procesy
fizyczne:

- częściowe rozpuszczenie,
- utworzenie roztworu przesyconego,
- przejście w stan koloidalny.

Twardnienie spoiwa

- wykształcenie się struktury krystalicznej

Wiązanie i twardnienie
spowodowane jest reakcjami
chemicznymi:

hydratacji (wszystkie spoiwa),

hydrolizy (spoiwa hydrauliczne)

karbonatyzacji (spoiwa wapienne).

Otrzymywanie

każdego spoiwa

mineralnego wymaga energochłonnych
procesów:

- prażenia (wapno palone),
- spiekania (cementy portlandzkie)
- topienia (szkło wodne).

Podczas wiązania

przebiegają procesy

fizyczne:

- częściowe rozpuszczenie,
- utworzenie roztworu przesyconego,
- przejście w stan koloidalny.

Twardnienie

spoiwa

- wykształcenie się struktury krystalicznej

Wiązanie i twardnienie spowodowane
jest reakcjami chemicznymi:

hydratacji (wszystkie spoiwa),

hydrolizy (spoiwa hydrauliczne)

karbonatyzacji (spoiwa wapienne).

Hydratacja = uwodnienie

• soli

Cząstki wody wbudowane w

strukturę kryształu

- woda sieciowa

(bezpośrednio)

CaSO

4

+ 2H

2

O → CaSO

4.

2H

2

O

- woda konstytucyjna

(w postaci OH

-

)

CaO + H

2

O→ Ca(OH)

2

• jonów

akwajony

Al

3+

+ 6H

2

O→[Al(H

2

O)

6

]

3+

woda

koordynacyjna

Hydratacja – złożony proces przebiegający
w mieszaninie spoiwa z wodą
np.
CaSO

4

.

1/2 H

2

O + 3/2 H

2

O → CaSO

4

.

2 H

2

O

Hydroliza - rekcja spoiwa z wodą
przebiegająca z rozkładem
Ca

2

SiO

4

+ 2H

2

O → CaSiO

3

.

H

2

O + Ca(OH)

2

Karbonatyzacja – reakcja z tlenkiem(IV)
węgla

Ca(OH)

2

+ CO

2

→ CaCO

3

+ H

2

O

Spoiwa hydrauliczne

Do spoiw hydraulicznych należą:
• wapno hydrauliczne
• cement portlandzki
• cement glinowy
• cementy hutnicze, żużlowe, itp.

W skład wszystkich materiałów
hydraulicznych wchodzą następujące
podstawowe tlenki: CaO, SiO

2

, Al

2

O

3

i Fe

2

O

3

.

Spoiwa hydrauliczne

Surowce do produkcji cementów:
• wapienie (CaCO

3

)

• gliny

(glinokrzemiany Al

2

O

3.

nSiO

2.

H

2

O + mH

2

O)

• surowce odpadowe (żużle hutnicze, popioły

paleniskowe, szlamy odpadowe zawierające

CaCO

3

)

Produkcja cementów obejmuje następujące etapy
• przygotowanie surowców i ich dokładne wymieszanie
• wypalanie
• mielenie
• silosowanie i pakowanie

Przemiany chemiczne w piecu

cementowym

• < 450

o

C wydzielenie wody

• 450 – 1300

o

C wypalanie, rozkład gliny i

wapieni

• 1300-1450

o

C klinkieryzacja (utworzenie

fazy

ciekłej), synteza

minerałów klinkieru

• 1200

o

C chłodzenie; krystalizacja z fazy

ciekłej

Spoiwa hydrauliczne

Skład chemiczny:

Najważniejsze związki zawarte w produkcie

wypalania (~95%): CaO, SiO

2

, Al

2

O

3

, Fe

2

O

3

Skład mineralogiczny cementu:
• krzemian triwapnia (alit) - 3 CaO

.

SiO

2

• krzemian diwapnia (belit) - 2 CaO

.

SiO

2

• glinian triwapnia - 3 CaO

.

Al

2

O

3

• glinożelazian tetrawapnia - 4 CaO

.

Al

2

O

3.

Fe

2

O

3

(braunmilleryt)

W cemencie występują ponadto

• SO

3

wprowadzony z domielonym gipsem

• MgO

• K

2

O i Na

2

O

• inne tlenki, np. TiO

2

Do klinkieru dodaje się ok. 5% gipsu jako regulatora czasu wiązania.

Bez dodatku cement wiąże błyskawicznie na skutek gwałtownej
hydratacji C

3

A. Jony siarczanowe (VI) powodują szybsze

przechodzenie Ca

2+

do roztworu.

Zbyt duża zawartość MgO jest szkodliwa, gdyż powolna hydratacja,

która może przebiegać w utwardzonym już zaczynie może
powodować niszczące naprężenia wewnętrzne

Alkalia mogą reagować z kruszywem  korozja wewnętrzna

Hydratacja

w technologii

cementu

to zbiór reakcji chemicznych i procesów

fizycznych zachodzących po zmieszaniu

cementu z wodą

• Reakcje na powierzchni ziaren cementu

• Rozpuszczanie się składników cementu i

niektórych produktów w fazie ciekłej

- Rozpuszczanie się bez rozkładu – hydratacja

- Rozpuszczanie się z rozkładem - hydroliza

Hydratacja

• Hydratacja glinianu triwapnia

3CaO

.

Al

2

O

3

+ 6H

2

O →

3CaO

.

Al

2

O

3.

6H

2

O

• Hydratacja krzemianu diwapnia

(belitu)
2CaO

.

SiO

2

+ nH

2

O → 2CaO

.

SiO

2.

nH

2

O

Hydroliza

• Hydroliza belitu Ca

2

SiO

4

2CaO

.

SiO

2

+ 2H

2

O → CaSiO

3.

H

2

O + Ca(OH)

2

wolastonit

• Hydroliza alitu Ca

3

SiO

5

2(3CaO

.

SiO

2

) + 7H

2

O→ 3 CaO

.

2SiO

2.

4 H

2

O + 3Ca(OH)

2

• Hydroliza braunmillerytu

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

Karbonatyzacja –

reakcja z tlenkiem węgla (IV) CO

2

Ca(OH)

2

+ CO

2

→ CaCO

3

+ H

2

O

3CaO

.

2SiO

2

.

2H

2

O +3 CO

2

→ 3CaCO

3

+ 2SiO

2

+

+

2H

2

O

4CaO

.

Al

2

O

3

.

13H

2

O + 4CO

2

→ 4CaCO

3

+

2Al(OH)

3

+

+10 H

2

O

Karbonatyzacja

występuje w ostatnim stadium twardnienia

cementu portlandzkiego i wapna

.

Stanowi także podstawowy mechanizm

wiązania

i twardnienia

szkła wodnego

.

Reakcje zachodzące podczas wiązania

cementu

• Tworzenie soli Candlota (dodanie gipsu)
3CaO

.

Al

2

O

3

+ 3CaSO

4

+ 32 H

2

O →3CaO

.

Al

2

O

3.

3CaSO

4.

32H

2

O

• Hydratacja glinianu triwapnia

3CaO

.

Al

2

O

3

+ 6H

2

O → 3CaO

.

Al

2

O

3.

6H

2

O

• Hydroliza glinożelazianu tetrawapnia
4CaO

.

Al

2

O

3x

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

Reakcje zachodzące podczas

twardnienia masy cementowej

• 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

• Karbonatyzacja

Ca(OH)

2

+ CO

2

→ CaCO

3

+ H

2

O

Decydują o właściwościach wytrzymałościowych

Domieszki do betonu

Bezpośrednio przed sporządzeniem
mieszanki betonowej dodawane są:

• Przyspieszacze
• Opóźniacze
• Plastyfikatory
• Środki napowietrzające

Ceramika budowlana

Są to wyroby z wypalanej gliny:
• Cegły,
• Szkliwione kafle,
• Elementy ogniotrwałe (szamotowe,

krzemionkowe)

• Kształtki kanalizacyjne,
• Płytki kwasoodporne
• Ceramika półszlachetna - wyroby z fajansu

Ceramika budowlana

Glina zawiera:
• Kaolinit - Al

4

(OH)

8

(Si

4

O

10

)

• Montmorylonit – Al

2

(OH)

2

(Si

2

O

5

)

2.

nH

2

O

• Illit - krzemian potasu i glinu

• hematyt - Fe

2

O

3

– odp. za czerwone zabarwienie

• limonit - Fe

4

O

3

(OH)

6

– żółto-brunatny

Wypalanie zarobionej wodą mieszanki ceramicznej:

< 400

o

C wydzielanie się wody

400-600

o

C rozkład gliny :

Al

4

(OH)

8

(Si

4

O

10

) →2(Al

2

O

3.

2SiO

2

)+ 4H

2

O

250-700

o

C utlenianie substancji organicznych

> 950

o

C powstaje krystobalit(SiO

2

) i spinel (2Al

2

O

3.

3SiO

2

)

> 1100

o

C: 3Al

2

O

3

+ 6SiO

2

→3Al

2

O

3.

2SiO

2

+ 4SiO

2

mulit

Szkło

• Surowcem do produkcji tradycyjnego szkła

jest piasek kwarcowy (SiO

2

) oraz

dodatki:

węglan sodu i węglan wapnia

,

topniki: tlenki

B

2

O

3

i PbO

oraz

barwniki - tlenki metali

przejściowych (Cd, Mn).

• Surowce są mieszane, topione w piecu w

1400-1500 °C

• Szkło – otrzymuje się w wyniku stopienia

SiO

2

z różnymi dodatkami dobranymi w

odpowiednich proporcjach, a następnie

szybkiego ochłodzenia tak, aby nie doszło

do pełnej krystalizacji krzemionki

(przechłodzona ciecz).

Szkło

Właściwości

szkła

:

• materiał jednorodny, izotropowy,

bezpostaciowy

• słaby przewodnik elektryczności i ciepła
• duża odporność chemiczna na działanie

wody, powietrza, kwasów, zasad i soli

-jedynie HF, fluorki oraz stęż. NaOH
mogą reagować ze szkłem.

Szkło budowlane

W budownictwie stosuje się głównie szkło
sodowo-wapniowe o zawartości:

•

SiO

2

> 70%

• Na

2

O 15 - 17%

• CaO 0,5 - 8%

Wełna mineralna

Skład chemiczny:
• 43,0 % SiO

2

• 16,5 % Al

2

O

3

• 11,0 % FeO i Fe

2

O

3

• 1,5 % MnO

2

• 18,0 % CaO
• 8,0 % MgO
• 2 % inne

Organiczne materiały budowlane:

Pochodzenia naturalnego
- Drewno
- Słoma
- Trzcina
- Bambus
- Korek
- Asfalty naturalne
Bitumy
produkty przeróbki:
- węgla kamiennego i drewna - smoły,
-ropy naftowej- asfalty
Syntetycznie otrzymywane tworzywa sztuczne
- reakcje polimeryzacji
- reakcje polikondensacji

Występowanie substancji

organicznych w budownictwie

• Materiały budowlane
• Domieszki do betonu
• Środki impregnacyjne
• Paliwa i środki pomocnicze w produkcji materiałów

budowlanych
(gaz ziemny, oleje grzewcze, rozpuszczalniki, oleje,
smary)

• Środowisko niektórych elementów budowli:

– w przemyśle spożywczym,
– gospodarstwach inwentarskich,

-

oczyszczalniach ścieków