Chemia w budownictwie
Opracowała: Ewa Regulska
1
Ogólny podział materiałów budowlanych
A. Nieorganiczne B. Organiczne
Drewno
Metale:
Słoma
naturalne
Fe, Cu, Zn, Sn, Al, Pb, Mn,
Trzcina
Mo, Ni, Cr, Mg
Bambus
Materiały kamienne (mineralne) :
Wyroby bitumiczne:
Smoły  z przeróbki węgla
minerały
kamiennego
SiO2, Al2O3, H2O, Fe2O3,
Asfalty  z ropy naftowej
FeO, MgO, CaO, Na2O,
K2O, TiO2, P2O5
Tworzywa sztuczne
(syntetyczne)
2
Materiały budowlane
Metale - wiązania metaliczne
Tlenki metali (np. CaO, Al2O3)  wiązania jonowe lub
atomowe silnie spolaryzowane
Przykładem zasady wśród materiałów budowlanych jest
wapno gaszone (Ca(OH)2).
Sole: krzemiany, gliniany, żelaziany, węglany, siarczany(VI)
- wiązania jonowe lub atomowe spolaryzowane
Sole, często uwodnione są najliczniejszą grupą.
Pozostałe to związki organiczne i krzemoorganiczne.
3
Wiązania chemiczne w materiałach
budowlanych
Wiązania wewnątrzcząsteczkowe międzycząsteczkowe
Materiały
budowlane
Jonowe Atomo- Atom. Kordy- Metalicz- Wodoro-
Siły Van der
we Spolaryz. nacyjne ne we
Waalsa
Metale:
żeliwo
- - - - + - -
stal
- - - - + - -
nieżelazne
- - - - + - -
Materiały
mineralne:
kamienne
+ - + + - (+) -
ilaste
+ - + + - + -
spoiwa
+ - + + - + -
ceramika
+ - + - - - -
szkło
+ - + - - - -
Materiały
organiczne:
drewno
+ - +
(+)
- - +
bitumy
- + (+) - +
- -
tworzywa
-
+ (+) - +
- +
sztuczne
4
Metale i stopy metali
Rodzaj metalu (stopu) metal pierwiastek
podstawowy stopowy
ż
" Żeliwo
e
Fe C (>2%), (Mn, Si, P, S)
" Stal konstrukcyjna
Fe C, Cr, Mo, Mn, Si, Ni, V,
l
Al, Cu, N (P, S)
a
Fe C, Cr, Ni, Ti, Mo, Co
" Stal trudno rdzewiejąca
z
(Al, Si)
n
e
Cu -
" Miedz

Cu Zn (Ni, Pb, Mn, Al, Si)
" Mosiądz
n
Cu Sn (Al, Pb, Mn, Si, Be)
" Brąz
i
Cu Sn, Zn (Pb)
" Spiż
e
Zn -
" Cynk
Zn Al (Cu, Mg)
ż " Znal
Sn -
" Cyna
e
Al Cu (Si, Mg, Fe)
" Aluminium
l
Pb -
" Ołów
a
z
n
e
5
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 - FeCO3
Hematyt  Fe2O3
Magnetyt  Fe3O4
Pirotyn  FeS
Piryt  FeS2
6
Surówkę żelaza otrzymuje się przez redukcję rud
tlenkowych w wielkich piecach
" Fe2O3 + 3C 2 Fe + 3 CO
" Fe2O3 + 3CO 2 Fe + 3 CO2
" C + CO2 2 CO
Stopione w wielkim piecu żeliwo ulega nawęgleniu,
w wyniku czego powstaje cementyt
3Fe + C Fe3C
W technice największe znaczenie mają stopy
żelaza z węglem: stal, żeliwo
7
Żużel metalurgiczny
 produkt odpadowy na skutek reakcji dodatków
(topniki np. CaCO3) z zanieczyszczeniami w rudach:
2 CaCO3 + SiO2 Ca2SiO4 + 2 CO2
topnik skała płonna żużel
Żużel zawiera: CaO, SiO2, Al2O3, FeO, MnO
stosowany jest jako dodatek do cementów hutniczych
8
" Żelazo jest odporne na działanie wody wapiennej
i zimnych ługów - duże znaczenie z punktu widzenia
zbrojenia betonu (żelbet)
Wykorzystanie stali konstrukcyjnej w budownictwie:
pręty zbrojeniowe, blachy, druty, rury
9
Wzór klasyczny Wzór tlenkowy Wzór skrócony
(chemia cementów)
CaSiO3 CaO.SiO2 CS SiO2 - S
metakrzemian wapnia
Ca2SiO4 2CaO. SiO2 C2S CaO - C
ortokrzemian diwapnia (belit)
Ca3SiO5 3CaO. SiO2 C3S Al2O3 - A
Krzemian triwapnia (alit)
Ca3(PO4)2 3CaO.P2O5 C3P MgO - M
Fosforan(V) wapnia
Ca3Al2O6 3CaO.Al2O3 C3A H2O - H
Glinian triwapnia
Al2(Si2O5)(OH)4 Al2O3.2SiO2.2H2O AS2H2 Fe2O3 - F
Kaolinit (składnik gliny)
10
gliny i skały wapienne:
wapień CaCO3
gips CaSO4.2H2O
anhydryt CaSO4
magnezyt MgCO3
dolomit MgCO3. CaCO3
kwarc SiO2
11
Materiały kamienne
naturalne sztuczne
profilowe ziarniste niewypalane wypalane
kostki, płyty
kruszywa
Td" TT T >TT
do do
spieku stopu
BETONY
Lekkie kruszywa
Zaprawy
Spoiwa
hydrauliczne
Materiały wiążące
Spoiwa powietrzne
lepiszcza spoiwa
Ceramika
budowlana
Materiały wapienno-
piaskowe
Szkło budowlane
Wełna mineralna
12
Materiały wiążące:
spoiwa - w wyniku reakcji chemicznej,
lepiszcza - w wyniku przemiany fizycznej,
np. - krzepnięcia
- odparowania rozpuszczalnika
13
Spoiwo budowlane
Jest to wypalony i sproszkowany minerał, który po
wymieszaniu z wodą ulega stwardnieniu na skutek reakcji
chemicznych, wykazując właściwości wiążące.
Ze względu na zachowanie się spoiw w środowisku wodnym
w czasie ich wiązania i twardnienia rozróżniamy:
" Spoiwo hydrauliczne zmieszane z wodą wiąże i twardnieje
zarówno w wodzie jak i na powietrzu.
Do tej grupy spoiw należą cementy.
" Spoiwo powietrzne po zmieszaniu z wodą ulega wiązaniu i
stwardnieniu jedynie na powietrzu.
Zalicza się do nich: wapno palone, gips, spoiwo
magnezjowe i krzemianowe.
14
Charakterystyka spoiw mineralnych
Spoiwo Podstawowy Proces cieplny Skład Mechanizm wiązania
składnik surowca Tmax [oC] mineralogiczny i twardnienia
Rodzaj Nazwa
%
H
cementy
CaCO3 70-75 spiekanie, C3S, �-C2S, hydratacja, hydroliza,
portlandzkie
Y
gliny 25-30 topienie 1450 C3A, C4AF karbonatyzacja
D
cementy
CaCO3 topienie 1500 CA, CA2, hydratacja, hydroliza
R
glinowe
boksyty C12A7,
A
U
cementy
CaCO3 50-70 prażenie �-C2S, CA, hydratacja, hydroliza,
L
romańskie
gliny 30-50 1100 C2F karbonatyzacja
I
wapno
CZ
CaCO3 75-95 prażenie C, �-C2S,CA, hydratacja, hydroliza,
hydrauliczne
N
gliny 5-25 1200 C12A7,C2F karbonatyzacja
E
wapno palone
CaCO3 >95 prażenie C hydratacja,
P
gliny <5 1200 karbonatyzacja
O
gips
CaSO4.2H2O prażenie 200 C\
H0,5 hydratacja
W
I
anhydryty
CaSO4.2H2O prażenie 350 C\
hydratacja
E
CaSO4 -
T
magnezjowe
MgCO3 prażenie 950 MC hydratacja, powstanie
R
MgCO3.CaCO3 soli zasadowych
Z
N
Krzemianowe
SiO2, Na2O topienie NmSn karbonatyzacja
szkło wodne 15
E
SiO2, K2O 800 KmSn
Otrzymywanie każdego spoiwa mineralnego
wymaga :
- 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
16
Równowaga w roztworze nasyconym
" Roztwór nasycony  roztwór w stanie równowagi dynamicznej
z fazą stałą substancji rozpuszczonej.
" Iloczyn rozpuszczalności równy jest iloczynowi stężeń
jonów trudno rozpuszczalnej soli w roztworze nasyconym.
An Bm "! n Am+ + m Bn-
Ir= [Am+]n � [Bn-]m
W danej temperaturze Ir jest wielkością stałą,
charakterystyczną dla danego związku.
17
Iloczyn termodynamiczny
Iloczyn termodynamiczny - iloczyn rozpuszczalności wyrażony
za pomocą aktywności jonów a (zamiast ich stężeń).
Jest to bardziej ogólna postać iloczynu rozpuszczalności.
18
Rozpuszczalność
Rozpuszczalność związków zmienia się w zależności od
obecności w roztworze substancji, które
 mają jony wspólne z osadem,
 reagują z jonami pochodzącymi z osadu,
 nie mają jonów wspólnych z osadem - powodują
wzrost mocy jonowej roztworu ( efekt solny )
An Bm n Am+ + m Bn-
19
1) Obliczyć rozpuszczalność siarczanu(VI) baru.
Ir (BaSO4)= 1,1�10-10
2+
BaSO4 Ba + SO42-
Ir = [Ba2+] � [SO42-]
S = [Ba2+] = [SO42-]
Ir= S2 S =
S =1,05� 10-5 mol/dm3
20
Rozpuszczalność wapniowców w T=20oC
(g/100g wody)
Związek Mg Ca Sr Ba
Wodorotlenek 0,0029 0,165 0,81 4,18
Węglan 0,179 0,0014 0,0011 0,0017
7,49 1,66 
Wodorowęglan 
54,2 74,5 53,9
Chlorek 37,2
35,6 0,202 0,015
Siarczan 0,0032
21
Wiązanie i twardnienie spowodowane jest reakcjami:
hydratacji (wszystkie spoiwa),
hydrolizy (spoiwa hydrauliczne)
karbonatyzacji (spoiwa wapienne).
22
Hydratacja  złożony proces przebiegający
w mieszaninie spoiwa z wodą
np.
CaSO4.1/2 H2O + 3/2 H2O CaSO4. 2 H2O
Hydroliza - rekcja spoiwa z wodą przebiegająca
z rozkładem
Ca2SiO4 + 2H2O CaSiO3.H2O + Ca(OH)2
Karbonatyzacja  reakcja z tlenkiem węgla (IV)
Ca(OH)2 + CO2 CaCO3 + H2O
23
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, SiO2, Al2O3 i Fe2O3.
24
Spoiwa hydrauliczne
Skład chemiczny cementu:
Najważniejsze związki zawarte w produkcie wypalania
(~95%): CaO, SiO2, Al2O3, Fe2O3
Skład mineralogiczny cementu:
" krzemian triwapnia (alit) - 3CaO.SiO2
" krzemian diwapnia (belit) - 2CaO.SiO2
" glinian triwapnia - 3CaO.Al2O3
" glinożelazian tetrawapnia - 4CaO.Al2O3.Fe2O3
(braunmilleryt)
25
Hydratacja w technologii cementu
" Hydratacja krzemianu diwapnia (belitu)
2CaO.SiO2 + nH2O 2CaO.SiO2.nH2O
26
Hydroliza w technologii cementu
" Hydroliza belitu Ca2SiO4
2CaO.SiO2+ 2H2O CaSiO3.H2O + Ca(OH)2
" Hydroliza alitu Ca3SiO5
2(3CaO.SiO2) + 7H2O 3 CaO. 2SiO2.4 H2O + 3Ca(OH)2
27
Karbonatyzacja 
reakcja z ditlenkiem węgla CO2
Ca(OH)2 + CO2 CaCO3 + H2O
28
Reakcje zachodzące podczas twardnienia masy
cementowej
" Hydroliza alitu
3CaO.SiO2 + (n+1)H2O 2CaO.SiO2.nH2O + Ca(OH)2
" Hydratacja belitu
2CaO.SiO2 + nH2O 2CaO.SiO2.nH2O
" Karbonatyzacja
Ca(OH)2 + CO2 CaCO3 + H2O
Decydują o właściwościach wytrzymałościowych
29
Domieszki do betonu
Bezpośrednio przed sporządzeniem mieszanki
betonowej dodawane są:
" Przyspieszacze
" Opóz
niacze
" Plastyfikatory
" Środki napowietrzające
30
Rodzaj Nazwa Udział dodatku mineralnego w cemencie %
cementu cementu wag.
Żużel Popiół Puco- Wapień Pył
wielkopie- lotny lana krzemion-
cowy kowy
Cement
CEM I 0-5
portlandzki
Cement
CEM II 6-35 - - - -
portlandzki
żużlowy
popiołowy
- 6-35 - - -
pucolanowy
- - 6-35 - -
wapienny - - - 6-35 -
krzemion- - - - - 6-10
kowy
mieszany 6-35
Cement
CEM III 36-95 - - - -
hutniczy
Cement
CEM IV - 36-55 - -
pucolanowy
CEM V Cement 36-80 - -
mieszany
31
Spoiwo wapienne CaO
Wapno palone (CaO) otrzymuje się przez wypalanie
kamienia wapiennego (CaCO3) w 950  1050 oC.
CaCO3 CaO + CO2
32
Wapno stosuje się głównie
do otrzymywania zaprawy wapiennej (murarskiej)
Hydratacja wapna   gaszenie wodą
CaO + H2O Ca(OH)2
W zależności od sposobu prowadzenia procesu gaszenia otrzymuje się:
" wapno hydratyzowane (sucho gaszone) - małą ilością wody 
proszek
" ciasto wapienne - układ koloidalny Ca(OH)2 w nasyconym
roztworze
" mleko wapienne- znaczny nadmiar wody - zawiesina
33
Proces wiązania i twardnienia
zaprawy murarskiej (spoiwa wapiennego)
" Wysychanie i krystalizacja Ca(OH)2
(z przesyconego roztworu)
" Karbonatyzacja
Ca(OH)2 + CO2 CaCO3 + H2O
34
Spoiwa gipsowe i anhydrytowe
T>110oC
CaSO4x1/2H2O
CaSO4 x 2 H2O
CaSO4 x2H2O
CaSO4
T> 180
dehydratacja spoiwo gipsowe hydratacja
35
Korozja materiałów budowlanych
mineralnych
organicznych
- materiałów kamiennych
- drewna
(betonów, materiałów
- asfaltu
ceramicznych i szkła)
- tworzyw sztucznych
36
Korozja  mechanizm
" Procesy fizyczne - rozpuszczania i wymywania
rozpuszczonych składników,
" Reakcje chemiczne
 powstają łatwo rozpuszczalne związki niemające
właściwości adhezyjnych
- powstają trudno rozpuszczalne sole, które podczas
krystalizacji zwiększają swoją objętość
37
Skutki procesów korozyjnych
" Zmiana połysku i barwy
" Zmniejszenie wytrzymałości mechanicznej
" Utworzenie się  wykwitów na powierzchni
" Zarysowania i pękanie
" Rozpuszczanie się materiału
38
Korozja betonu i żelbetu
Ze względu na rodzaj środowiska agresywnego rozróżnia
się korozję:
" ługowania - rozpuszczanie i wymywanie z betonu jego
rozpuszczalnych składników
" kwasową - kwaśne środowisko
" węglanową - reakcja z CO2
" magnezową - środowisko zawiera jony Mg2+
" amonową - spowodowaną jonami NH4+
" siarczanową - jonami SO42-
" zasadową - zasadowe środowisko
" korozja wewnętrzna (reakcja alkalicznego spoiwa cementowego z
niewłaściwie dobranym kruszywem) - szczególny przypadek
" zwykle występuje korozja złożona, spowodowana różnymi
składnikami środowiska agresywnego.
39
Powstawanie wykwitów
na elementach budowlanych
Na skutek działania wilgoci w materiale kamiennym powstają substancje
rozpuszczalne, które zostają wyniesione na powierzchnię i po
odparowaniu wody pozostają jako naloty (na murach ceglanych, ścianach
betonowych, elementach kamiennych).
y
ródła wilgoci:
- opady atmosferyczne
- podciąganie kapilarne wody z gruntu,
- reakcje chemiczne, w wyniku których wydziela się woda
np. CO2 lub SO2 dyfundują w głąb elementu i reagują z Ca(OH)2:
CO2 + Ca(OH)2 CaCO3 + H2O
SO2 + Ca(OH)2 CaSO3 + H2O
40
Wykwity
Skład chemiczny Charakterystyka
" Wymywany z zapraw i betonu;
Ca(OH)2
utrzymuje się krótko - ulega wypłukaniu
lub przechodzi w CaCO3
" Rozkład Ca(HCO3)2, powstającego
CaCO3
podczas nawilgocenia materiałów
zawierających wapno (woda z CO2);
" Jony SO42- reagują z Ca(OH)2
CaSO4.2H2O
z zaprawy lub betonu tworząc gips
3CaO.Al2O3.3CaSO4.32H2O
" Jony SO42- reagują z uwodnionymi
glinianami wapnia tworząc etryngit;
krystaliczny biały nalot w kształcie igieł
41
Wykwity
" Powstaje na cegłach, otrzymanych
" Na2SO4.10H2O
przy zastosowaniu zasiarczonego paliwa i
gliny zawierającej alkalia; biały, zbity
osad
" Powstaje na betonie wykonanym
" MgSO4.7H2O
z użyciem wody morskiej; nalot
higroskopijny (wilgotne plamy), łatwo
rozpuszczalny w wodzie
" Powstaje na betonie wykonanym
" CaCl2.6H2O
z dodatkiem CaCl2 jako domieszką
przeciwmrozową;
" Powstaje na betonie wykonanym
" MgCl2.12H2O
z zanieczyszczonej wody zarobowej;
42
Wykwity
" Powstaje na betonie oraz murach
" KCl, NaCl
ceglanych i kamiennych w wyniku
podciągania kapilarnego z gruntu;
" K2CO3.Na2CO3.10H2O " Powstaje na powierzchni elementów
kontaktujących się ze szkłem wodnym;
biały nalot
" Powstaje na materiałach
" Ca(NO3)2.4H2O
zawierających Ca(OH)2 pod wpływem
produktów rozkładu związków
organicznych zawierających azot
;występuje głównie w obiektach
inwentarskich
43
Zabezpieczenie przed korozją materiałów kamiennych-
ochrona powierzchniowa
" Związkami nieorganicznymi
 Fluorokrzemiany
- Stężony roztwór szkła wodnego Na2SiO3
- Roztwór Ba(OH)2
" Związkami organicznymi
- Woski
- Mydła
- Związki krzemoorganiczne
- Polimery:
polimetakrylan metylu,
polichlorek winylu,
żywice mocznikowe,
formaldehydowe,
fenolowe
44