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.