Wykłady z chemii dla studentów Wydziału Inżynierii Lądowej i Geodezji Wojskowej Akademii Technicznej Prowadzący: Dr hab. inż. Andrzej Sadkowski, profesor W.A.T. Wydział Nowych Technologii i Chemii. ansad@ichf.edu.pl Wykład 10. PDF stworzony przez wersję demonstracyjną pdfFactory Pro www.pdffactory.pl/ Chemia wybranych materiałów budowlanych Jest to chemia materiałów mineralnych: krzemianów, glinianów, siarczanów i węglanów wapnia, magnezu, sodu, potasu, żelaza i in. Ich udział w całości tworzyw budowlanych 85%. Bardzo złożone struktury krystalograficzne, w różnym stopniu uwodnione. Struktura i uwodnienie decydują o własnościach użytkowych (mechanicznych, trwałości, odporności na klimat) związków mało różniących się składem chemicznym Na strukturę i uwodnienie mają wpływ metody otrzymywania: Mokre (hydrauliczne) i suche (piecowe). 2 PDF stworzony przez wersję demonstracyjną pdfFactory Pro www.pdffactory.pl/ Pierwiastki dominujące w składzie skorupy ziemskiej. W większości są to składniki materiałów budowlanych. * tlen(O) 46,1% * krzem(Si) 27,0% * glin(Al) 7,9% * żelazo(Fe) 4,9% * wapń (Ca) 4,1% * sód(Na) 2,4% * magnez (Mg) 2,2% * potas (K) 2,1% * tytan(Ti) 0,6% * wodór (H) 0,2% * pozostałe 2,5% 3 PDF stworzony przez wersję demonstracyjną pdfFactory Pro www.pdffactory.pl/ Do produkcji materiałów budowlanych używa się zwykle spoiwa i kruszywa Spoiwa to półprodukty otrzymywane przemysłowo. Także jako produkty uboczne w przemyśle chemicznym (np.. fosfogipsy). Kruszywa to zwykle minerały: piach, żwir itp. Ostatnio rośnie rola kruszyw przemysłowych: żużle, szlaka itp. Pierwiastki w skorupie ziemskiej pod względem ich udziału w całości: tlen, krzem, glin, żelazo, wapń, magnez, sód, potas, tytan& .Wszystkie one wchodzą w skład popularnych materiałów budowlanych 4 PDF stworzony przez wersję demonstracyjną pdfFactory Pro www.pdffactory.pl/ KRZEM: Si półprzewodnik, raczej niemetal, metaloid W przyrodzie występuje jako krzemionka, kwarc, krzemiany, glinokrzemiany. Nigdy, poza laboratorium, nie występuje w postaci wolnej, bo zbyt reaktywny. Si + O2 SiO2; DH0 = -859,8kJmol Jest podstawowym (obok glinu) składnikiem cementów i większości ceramiki budowlanej (cegły). 5 PDF stworzony przez wersję demonstracyjną pdfFactory Pro www.pdffactory.pl/ Znane są 22 odmiany krystaliczne SiO2. Czworościany krzemowo-tlenowe różnie ze sobą połączone. 6 PDF stworzony przez wersję demonstracyjną pdfFactory Pro www.pdffactory.pl/ Piasek = krzemionka Wypalany przy produkcji cegieł (t > 8700C) nie ulega przemianom. Przy produkcji klinkieru (cegły dynasówki , t> 14000C) ulega zeszkleniu. t > 17000C szkło kwarcowe o bardzo małej rozszerzalności cieplnej i dobrej przezroczystości dla promieniowania UV. Rozgrzany do czerwonego żaru kwarc można zanurzyć bez szkody do wody. Kwas krzemowy: H4SiO4 ulega polikondensacji z odszczepieniem H2O, rośnie ciężar cząsteczkowy > 1000. Zawiesina koloidalna, galaretowata. Na końcu tworzy się bardzo porowaty żel krzemionkowy (silikażel). Sole kwasu krzemowego krzemiany Ca2+, Mg2+, Fe2+, Al3+ Rys. na następnej stronie itd. 7 Usieciowanie! PDF stworzony przez wersję demonstracyjną pdfFactory Pro www.pdffactory.pl/ 8 PDF stworzony przez wersję demonstracyjną pdfFactory Pro www.pdffactory.pl/ 9 PDF stworzony przez wersję demonstracyjną pdfFactory Pro www.pdffactory.pl/ Krzemian sodu lub potasu szkło wodne . Materiał uszczelniający. Najważniejsze są krzemiany wapnia, podstawowe składniki mas wiążących, cementu, betonów itp: Alit Ca3SiO5 (3 Ca0.SiO2, w skrócie cementowym : C3S) Belit Ca2SiO4 (2 CaO.SiO2; C2S) Rankinit Ca3Si2O7 (3 CaO.2 SiO2; C3S2) Wolastonit CaSiO3 (CaO.SiO2; CS) Alit i belit podstawowe składniki cementu. Maja własności hydrauliczne , tj. po zmieszaniu z wodą chłoną ją i twardnieją na powietrzu. Twardnieją także w wodzie. Tworzy się wówczas faza CaO SiO2 H2O silnie usieciowana. Skrót: CSH 10 PDF stworzony przez wersję demonstracyjną pdfFactory Pro www.pdffactory.pl/ 11 PDF stworzony przez wersję demonstracyjną pdfFactory Pro www.pdffactory.pl/ Uwodnione krzemiany glinowe (gliny): pAl2O3.qSiO2.nH2O (skrót w ceramice: ApSqHn). Są produktem hydrolizy glinokrzemianów. Minerały ilaste o zmiennym składzie i zmiennym, ale zwykle silnym, usieciowaniu. 12 PDF stworzony przez wersję demonstracyjną pdfFactory Pro www.pdffactory.pl/ 13 PDF stworzony przez wersję demonstracyjną pdfFactory Pro www.pdffactory.pl/ 14 PDF stworzony przez wersję demonstracyjną pdfFactory Pro www.pdffactory.pl/ GLIN: metal amfoteryczny. Występuje w kationach Al3+ i w anionach glinianowych AlO33-. Występuje w przyrodzie tylko w stanie pasywnym, pokryty szczelną warstwa tlenków. Aatwo ulega utlenieniu: 4Al+3O2 2 Al2 O3; DH0 = -1671,8kJmol Al2O3 w postaci krystalicznej znany jest jako korund, bardzo twardy minerał (9 w skali Mohsa) o wysokiej temperaturze topnienia (20500C). Amfoteryczność objawia się w reakcjach: Al HOHL3 +3HCl AlCl3 +3H2 O Al charakter alkaliczny Al HOHL3 +3NaOH Na3@Al HOHL6D Al charakter kwasowy 15 PDF stworzony przez wersję demonstracyjną pdfFactory Pro www.pdffactory.pl/ Szczególnie ważne są sole: CaO-Al2O3 (CA) i SiO2-Al2O3 (AS), przy czym te ostanie także z mieszanymi anionami AlpSiqOn-. Wchodzą one w skład klinkieru cementu portlandzkiego (C3A, C12A7, CA2). Wszystkie wykazują cechy hydrauliczne , tj łączą się z wodą (hydroliza). Mieszane tlenki SiO2-Al2O3 są podstawą produkcji materiałów ogniotrwałych. Jeden z nich, mulit, jest podstawowym składnikiem wyrobów szamotowych. 16 PDF stworzony przez wersję demonstracyjną pdfFactory Pro www.pdffactory.pl/ 17 PDF stworzony przez wersję demonstracyjną pdfFactory Pro www.pdffactory.pl/ SIARCZANY: Ważne są siarczany wapnia: gips i anhydryt. Różnią się zawartością wody. CaSO4 anhydryt, chłonie wodę przechodząc w gips CaSO4.2H2O objętość przy tym rośnie o około 60%. Znaczenie gipsu w budownictwie rośnie, także jako lepiszcza w materiałach kompozytowych. Znaczenie laboratoryjne ma bardzo trudno rozpuszczalny siarczan baru: BaSO4 WGLANY: Kamień wapienny CaCO3 , wapień. Produkcja wapna palonego, cementu i szkła. CaCO3 ---temperatura 8000C-------T CO2 + CaO(wapno palone) 18 PDF stworzony przez wersję demonstracyjną pdfFactory Pro www.pdffactory.pl/ Wapno palone służy do otrzymania zaprawy wapiennej (wapno gaszone): CaO+ H2O T Ca(OH)2 Inne węglany ważne w przemyśle, np. Przy wytopie stali (topniki): Dolomit CaMg(CO3)2 Magnezyt MgCO3. Jako dodatki do zapraw używa się tez sody: Na2CO3 i potażu K2CO3. 19 PDF stworzony przez wersję demonstracyjną pdfFactory Pro www.pdffactory.pl/ Kruszywa sztuczne, żużel metalurgiczny. Otrzymywany jako produkt uboczny przy wytopie surówki: SiO2 + 2 CaCO3 T Ca2SiO4 + 2 CO2 skała płonna topnik żuzel W piecach energetycznych powstają tzw. popioły lotne i pyły dymnicowe. Są to zwykle mieszanki CaOi SiO2. Można z nich robić zaprawy wiążące, choć trzeba uważać na ich radioaktywność. 20 PDF stworzony przez wersję demonstracyjną pdfFactory Pro www.pdffactory.pl/ 21 PDF stworzony przez wersję demonstracyjną pdfFactory Pro www.pdffactory.pl/ 22 PDF stworzony przez wersję demonstracyjną pdfFactory Pro www.pdffactory.pl/ Schematy technologiczne otrzymywania cementu metoda mokrą i suchą 23 PDF stworzony przez wersję demonstracyjną pdfFactory Pro www.pdffactory.pl/