UNIWERSYTET ZIELONOGÓRSKI

WYDZIAŁ INŻYNIERII LĄDOWEJ I ŚRODOWISKA

INSTYTUT BUDOWNICTWA

CHEMIA

ĆWICZENIE NR 2

Temat: Klasyfikacja spoiwa wapiennego.

ZESPÓŁ 2

Łukasz Klabik

Damian Wyraz

Rok akademicki 2003/2004

• I - Surowce używane do otrzymywania wapna budowlanego.

• Surowcem do produkcji spoiw wapiennych są skały wapienne. Oprócz głównego składnika - węglanu wapniowego - zawierają one zwykle domieszki węglanu magnezu i gliny.

II - Sposoby i podstawowe reakcjie chemiczne zachodzące podczas otrzymywania wapna palonego.

• Otrzymywanie wapna odbywa się poprzez równomierne nie dochodzące do spiekania wypalanie kamienia wapiennego w temperaturze od 900 do 1000 ⁰C. Wypalanie odbywa się zazwyczaj w piecach szybowych, kręgowych lub obrotowych.

Podczas wypalania wapienia polega na reakcji odwracalnej termicznego rozkładu węglanu wapniowego:

CaCa₃ → CaO + CO₂ ↑

temperatura

• Jest to reakcja endotermiczna; rozkład 1 kg węglanu wymaga dostarczenia 759,4 Kcal ciepła.

III - Gaszenie wapna palonego.

• Gaszenie wapna polega na reakcji chemicznej tlenku wapnia z wodą (w nadmiarze), w wyniku której powstaje wodorotlenek wapnia według reakcji:

CaO + H₂O → Ca(OH)₂ + Q ↑

• Wapno w bryłach powinno być gaszone w okresie 7 dni od chwili dostarczenia, gdyż szybko wchłania wilgoć oraz dwutlenek węgla i staje się wapnem zwietrzałym. Wapno gaszone nie ulega zniszczeniu pod wpływem mrozu.

• Doły do gaszenia wapna kopie się w gruntach ścisłych, nieprzepuszczalnych do głębokości nie większej niż do poziomu wody gruntowej. W razie przenikania wody gruntowej ściany i dno dołu wykłada się cegłą i obrzuca zaprawą wapienno - cementową.

• Jeżeli gaszenie wapna odbywa się po mechanicznym rozkruszeniu brył, okres gaszenia powinien trwać co najmniej 2 tygodnie - wapna przeznaczonego do robót murarskich i co najmniej 2 miesiące - do robót tynkarskich. Jeżeli gaszenie odbywa się bez uprzedniego rozdrabniania, okres dojrzewania powinien być przedłużony do ok. 3 miesięcy.

IV-Wapno hydrauliczne - otrzymywanie, skład.

• wapno hydrauliczne (BN - 75/6733-02) otrzymuje się przez wypalenie (w temp. 900-1100 ⁰C) wapieni marglistych lub margli zawierających 6 - 20 % domieszek gliniastych, a następnie zgaszenie ograniczoną ilością wody i zmielenie.

• Produkt wypału jest mieszaniną zawierającą następujące składniki: tlenek wapniowy CaO, krzemian dwuwapniowy 2 CaOSiO₂, glinian trójwapniowy 3Ca · Al₃O₃ i żelazian dwuwapniowy 2 CaO · Fe₂O₃.

• Do najważniejszych cech technicznych wapna hydraulicznego należą:

• stopień zmielenia: pozostałość na sicie o wymiarach oczek 0,2 mm najwyżej 5 % wag., a na sicie 0,08 mm - najwyżej 25 % wag.,

• gęstość pozorna w stanie luźno usypanym wynosi 0,5-0,8 g/cm³, a w stanie utrzęsionym 0,8-1,1 g/cm³,

• wytrzymałość zapraw normowanych z wapna hydraulicznego po 21 dniach przechowywania próbek na powietrzu, a następnie po 7 dniach przechowywania w wodzie powinna wynosić: na zginanie nie mniej niż 0,5 MPa, a na ściskanie nie mniej niż 2,5 MPa.

Z wapna hydraulicznego sporządza się zaprawy do murów fundamentowych, zaprawy zastępujące zaprawy wapienno-cementowe i betony niskich marek.

V - Podział wapna budowlanego wg PN-B-30020/1999

Wartości w procentach masy ¹⁾

Rodzaj, odmiana i klasa wapna budowlanego.		Zawartość
				CaO + MgO	MgO	CO2	SO3	Wapna czynnego
1	2	3	4	5	6	7
1	CL 90	≥ 90	 5 ^2) 4)	 4	 2	-
2	CL 80	≥ 80	 5 ^2)	 7	 2	-
3	CL 70	≥ 70	 5	 12	 2	-
4	DL 85	≥ 85	 30	 7	 2	-
5	DL 80	≥ 80	 5 ^2)	 7	 2	-
6	HL 2	-	-	-	 3 ^3)	≥ 8
7	HL 3,5	-	-	-	 3 ^3)	≥ 6
8	HL 5	-	-	-	 3 ^3)	≥ 3
^1)Dla wapna niegaszonego podane wartości dotyczą wapna „w stanie dostawy”. Dla wapna hydratyzowanego, ciasta-wapiennego i wapna hydraulicznego wartości dotyczą wapna w stanie wysuszonym i pozbawionym wody związanej. ^2)Do stabilizacji gruntu:  10 %. Do produkcji betonu komórkowego:  2 %; dopusazcza się zawartość MgO od 2% do 5 %, jeżeli badabie stałości objętości wg PN-EN 459-2:1998 daje wynik pozytywny. ^3)Zawartość SO3 może wynosić ponad 3 % do 7 %, jeżeli stwierdzono stałość objętości po 28 dniach przechowywania w wodzie. ^4)Zawartość MgO do 7 % jest dopuszczalna, jeżeli badanie stałości objętości wg PN-EN 459-2: 1998 daje wynik pozytywny.

VI - Reakcje zachodzące w procesie wiązania i twardnienia spoiwa wapiennego.

• Wiązanie i twardnienie spoiw wapiennych spowodowane jest następującymi procesami:

1. Odparowaniem wody powodującym krystalizację wodorotlenku wapniowego z przesyconego roztworu,

2. Procesem karbonizacji, tzn. reakcją wodorotlenku wapniowego z dwutlenkiem węgla, w wyniku której powstaje węglan wapniowy i woda:

Ca(OH)₂ + CO₂ = CaCO₃ + H₂O

• Proces wiązania zaprawy przebiega w ciągu kilku godzin od jej wykonania, natomiast twardnienie jest procesem powolnym, zachodzącym w ciągu długiego okresu czasu. Powstające kryształy Ca(OH)₂ i CaCO₃ rozrastają się i łączą między sobą, powodując twardnienie zaprawy.

• Przemiana wodorotlenku wapniowego w węglan wapniowy zachodzi początkowo na powierzchni, utrudniając dyfuzję dwutlenku węgla w głąb zaprawy i opóźniając proces dalszej karbonizacji.

• Piasek nie bierze udziału w reakcji, ale ułatwiając dostęp dwutlenku węgla przyspiesza proces karbonizacji, a ponadto zapobiega pękaniu zaprawy, która w wyniku zachodzących procesów zwiększa swoją objętość.

• Twardość i wytrzymałość zaprawy wapiennej zależy nie tylko od stopnia jej karbonizacji, ale również od wielkości kryształów. Sztuczne przyspieszenie procesu karbonizacji przez zwiększenie ilości dwutlenku węgla w powietrzu obniża wytrzymałość zaprawy, gdyż powstające kryształy węglanu są zbyt drobne.

• W procesie wiązania zaprawy można wyróżnić następujące etapy:

1. wodorotlenek wapniowy powstający początkowo w wyniku uwodnienia tlenku rozpuszcza się w wodzie zarobowej aż do wytworzenia roztworu nasyconego, ulegając przy tym dysocjacji na jony,

2. następnie dalsze produkty uwodnienia wydzielają się w postaci koloidalnej. W okresie tym następuje wiązanie spoiwa w wyniku zwiększenia ilości żelu i jego zagęszczania,

3. układy koloidalne charakteryzują się nietrwałością spowodowaną ich wysokim stanem energetycznym, który jest wynikiem bardzo dużej wartości stosunku powierzchni układu do jego masy. Dążenie do obniżenia potencjału termodynamicznego jest przyczyną przemian, w wyniku których wodorotlenek wapniowy przechodzi ze stanu koloidalnego na stan krystaliczny. Proces krystalizacji powoduje twardnienie zaprawy i zwiększa jej wytrzymałość, którą nazywamy wytrzymałością krystalizacyjną.

4. dalsze przemiany zwiększające twardość zaprawy mogą zachodzić w wyniku odparowania wody i krystalizacji zawartego w niej wodorotlenku. Okres ten nazywamy okresem wysychania,

5. w okresie końcowym, zwanym procesem karbonizacji, w wyniku reakcji wodorotlenku wapniowego z dwutlenkiem węgla- powstające kryształy węglanu wapniowego zwiększają szczelność i wytrzymałość zaprawy.

VII - Podstawowe wiadomości o miareczkowaniu kompleksometrycznym z zastosowaniem kompleksonu EDTA

• Zasada pomiaru w analizie miareczkowej (analizie objętościowej) polega na określaniu ilości rozpuszczonego odczynnika niezbędnego do całkowitego ustalenia się równowagi reakcji chemicznej. Dokonuje się tego za pomocą pomiarów objętości dodawanego roztworu i metod ustalania punktu końcowego miareczkowania.

• Odczynnik, stosowany jako czynnik miareczkujący, znajduje się w roztworze mianowanym w określonym stężeniu. Do oznaczanej (miareczkowanej) substancji dodaje się go z reguły stopniowo, a przebieg reakcji, zwłaszcza osiągnięcie punktu końcowego miareczkowania, śledzi się wizualnie bądź instrumentalnie.

• Kompleksonometria skupia metody oparte na zastosowaniu tzw. kompleksonów .Największe uznanie wśród kompleksonów zdobył kwas etylenodiaminooctowy, omaczany powszechnie skrótem EDTA. Inne nazwy tego związku to: kompleks chelaton 2 lub kwas wersenowy. Jest on kwasem czterozasadowym. Z licznymi kationami 2-, 3- i 4-wartościowymi EDTA tworzy bardzo trwałe, łatwo rozpuszczalne w wodzie połączenia. Ważną dla praktyki cechę tych związków stanowi fakt, że 1 cząsteczka kompleksonu wiąze zawsze tylko 1 kation metalu niezależnie od jego wartościowości.

• Przy pomocy miareczkowania kompleksonometrycznego można oznaczyć m.in. zawartość wapnia i magnezu w badanym związku. Kompleksy wapnia i magnezu są bezbarwne, dlatego też miareczkowanie roztworem EDTA musi być przeprowadzane wobec odpowiedniego wskaźnika. W przypadku oznaczania łącznej zawartości obu tych pierwiastków stosuje się jako wskaźnik czerń eriochromową T (lub inny podobny barwnik organiczny), natomiast przy oznaczaniu samego wapnia używa się fluoreksonu lub kalcesu. W praktyce stosuje się miareczkowanie przy pH=10-10,5, ponieważ wtedy różnica między barwą samego wskaźnika a barwą jego kompleksu z jonami wapniowymi lub magnezowymi jest największa. Wapń oznacza się z osobnej porcji roztworu. Miareczkuje się go w środowisku mocno zasadowym (pH =12). Przed oznaczaniem wapnia i magnezu muszą być usunięte z roztworu (przez wytrącenie lub skompleksowanie, np. cyjankiem potasowym, tri etanoloaminą) inne jony tworzące z EDTA i ze wskaźnikiem połączenia kompleksowe.

VIII - Oznaczenie zawartości CaO i MgO w badanym wapnie budowlanym.

1. Oznaczenie zawartości CaO

1. Skrócony opis oznaczenia CaO

• odważamy 1,001g substancji,

• wsypujemy naważkę do zlweki o pojemności 400 cm³,

• próbkę zwilżamy minimalną ilością wody destylowanej,

• dodajemy ~ 2 cm ³ HCl o gęstości 1,19 g / mol,

• dodajemy 15 cm³ kwasu nadchlorowego (stężonego)

• po ustaniu burzliwej reakcji zlewkę z zawartością ogrzewamy na płycie grzewczej do pojawienia się gęstych białych dymów,

• zdejmujemy zlewkę z płyty grzewczej i odstawiamy na 5 minut,

• gdy ostygnie dodajemy ~ 200 cm³ gorącej H₂O

CaO + H₂O → Ca(OH)₂

Ca(OH)2 = Ca²⁺ + (OH)^2-

Mg²⁺ + (HO)^2-

• powstały osad oddzielamy przez miękki sączek, przesącz zbierać do kolby miarowej o pojemności 250 cm³

• roztwór dopełniamy H₂O aby otrzymać 250 cm³ roztworu badanego (Rb)

• odmierzamy 25 cm³ roztworu badanego i przenosimy do zlewki

• dodajemy ~ 175 cm³ H₂O

• w cylinderku miarowym odmierzamy 10 cm³ wody NaOH

• dodajemy taką ilość NaOH aby zmienić odczyn roztworu z kwaśnego na zasadowy.

• dodać 2 cm trójetanolaminy

• dodajemy 20 % KOH ( ustalamy poziom wyjściowy pH na poziomie od 3 do5 )

• dodajemy 20 cm³ NaOH 20 % ( gwarantuje pH > 12 )

• dodajemy kalces In do zabarwienia roztworu

• miareczkujemy EDTA 0,05 molowe (dodajemy do momentu zmiany barwy)

• odczytujemy ilość zużytego EDTA

Czynności powtarzamy trzykrotnie i przyjmujemy średnią wartość zużytego EDTA

V₁=20,4 cm³ V₂ = 20,8 cm³ V₃ = 20,0 cm³

Vśr = 20,4 cm³

2. Obliczanie miana EDTA wyrażonego w gramach CaO na 1 cm³ EDTA

CaO = 56,08 g / mol

K₁= (0,05 mol /1001) 56,08 = 0,0028 g / mol

C. Wyniki miareczkowania i zawartość CaO

W wyniku miareczkowania otrzymaliśmy następujące wartości:

V_śr= 20,4cm3 K1 =0,0028g/cm3 W=10 m=1,001 g

Podstawiając podane wartości do wzoru:

%CaO =(( Vśr K1 W) /m ) *100 [%wag]

możemy wyznaczyć zawartość CaO :

%CaO 20,4·0,0028·10·100 = 57,06 %wag

1,001

2. Oznaczenie zawartości MgO

1. Skrócony opis oznaczenia MgO

• odmierzamy 25 cm³ roztoworu badanego

• dodajemy ~ 175 cm³ H₂O

• w cylinderku miarowym odmierzamy 10 cm³ wody amoniakalnej(10%)

• dodajemy wody amoniakalnej tak aby uzyskać pH = 5

• dodajemy 2 cm³ trójetanoloaminy

• dodajemy EDTA

• dodajemy 15 cm³ wody amoniakalnej (10%)

• dodajemy wskaźnika - otrzymujemy barwe fioletowo-malinową

• miareczkujemy EDTA 0,05 molowe ( do momentu zmiany barwy)

Czynności powtarzamy trzykrotnie i przyjmujemy średnią wartość zużytego EDTA

V_1x=21,3cm³ V_2x =22,3cm³ V_3x = 21,5 cm³

Vx = 21,7cm³

V₂-V₁ = 21,7 - 20,4 = 1,3

2. Obliczenie miana EDTA w gramach MgO na 1 cm³ EDTA

MgO = 40,3 g / mol

K₂ = (0,05 mol /1000) 40,3 = 0,002 g MgO

C. Wyniki miareczkowania i zawartość MgO:

Vśr =1,3cm³ K2= 0,002g W=10 m=1,001 g

Podstawiając wymienione wartości do wzoru:

%MgO = (((V₂ - V_1śr) K₂ · W)/m) ·100 [%wag]

możemy wyznaczyć zawartość MgO:

%MgO = (21,7 - 20,4) · 0,002 · 10 · 100 = 2 ,59[% wag]

1,001

1. Klasyfikacja badanego wapna budowlanego.

57,06 + 2,59 = 59,65% (CaO + MgO)

2,59 % (MgO)

Zgodnie z tablicą przedstawiającą właściwości chemiczne poszczególnych odmian wapna budowlanego, badane wapno można sklasyfikować jako wapno CL 70

2. Wykaz literatury:

1. „Materiałoznawstwo budowlane” WSziP Edward Szymański

2. „ Chemia budowlana” PWN Jerzy Liwski

3. „Poradnik laboranta budowlanego” Arkady

7

---