Część A

1. Wymień rodzaje krzemianów (wzory) występujące w surowcach i materiałach budowlanych.

Ortokrzemiany wyspowe:

• klinkier portlandzki

C₃S Ca₃[SiO₄]O - alit

C₂S beta Ca₂[SiO₄] - belit

• żużle wielkopiecowe i stalownicze

beta Ca₂[SiO₄]

monticellit CaMg[SiO₄]

merwinit Ca₃Mg[SiO₄]₂

Pirokrzemiany [Si₂O₇]^-6:

Ca₃[Si₂O₇] - rankinit - żużle wielkopiecowe

Krzemiany warstwowe:

Skała ilasta

Al₄[Si₄O₁₀](OH)₈

Illit

Montmorylonit

Granulowane żużle wielkopiecowe

Melility: Ca₂Al[AlSiO₇] - gelenit

Ca₂Mg[Si₂O₇] - akermallit

Krzemiany łańcuchowe, wstęgowe:

Mało reaktywne w stosunku do wody, występujące w żużlach: CaMg[Si₂O₆]

Ca[SiO₃]

Odporne na korozję chemiczną, występujące w betonie komórkowym: Ca₆[Si₆O₁₇](OH)₂

Ca₅[Si₆O₁₈H₂]*4H₂O

• Żużle hutnicze

• Bazalt

• Uwodnione krzemiany magnezu

• Porfir

• Beton

Krzemiany szkieletowe (najbardziej odporne na reakcje chemiczne):

• kwarc SiO₂

• ortoklaz K[AlSi₃O₈]

• anortyt Ca[Al₂Si₂O₈]

• nefelin Na[AlSi₃O₈]

• Scharakteryzuj produkcje cementów portlandzkich hutniczych właściwości tych materiałów.

Właściwości cementów hutniczych:

Cement hutniczy ma właściwości zbliżone do cementu portlandzkiego. Głównym jego składnikiem jest granulowany żużel wielkopiecowy. Różnice w ilościach składników chemicznych (głównie mniej CaO, a więcej SiO₂) nadają mu szczególnych własności, do których- w porównaniu do cementu portlandzkiego można przede wszystkim zaliczyć:

• wolniejszy proces wiązania i twardnienia

• opóźniony o około 30% w stosunku do cementu portlandzkiego początek i koniec wiązania

• wybitnie osłabiony proces wiązania w niskiej temperaturze, niższej od 5^oC. Wyjątek mogą stanowić betony o dużych masywach (samoocieplenie od ciepła hydratacyjnego)

• wyższa odporność na działanie środowiska o średniej agresji, zwłaszcza siarczanowej

• wydzielanie mniejszych ilości ciepła przy wiązaniu

• wyższy przyrost wytrzymałości po upływie 28 dni, a o wiele wyższy po upływie 90 dni

• niższy skurcz o około 40%

• w kamieniu cementowym pory mają mniejsze wymiary

• niższa nasiąkliwość

• wyższa mrozoodporność

3. Omów podstawowe surowce stosowane w zaprawach murarskich tynkarskich posadzkowych - właściwości tych zapraw.

4. Narysuj i omów proces technologiczny produkcji betonu komórkowego, klinkieru portlandzkiego metodą suchą.

Proces technologiczny produkcji betonu komórkowego.

Betony komórkowe można wytwarzać na według wielu technologii, jedną z nich jest uniwersalna technologia polska UNIPOL, która polega na uaktywnieniu części kruszywa poprzez wspólny jego przemiał ze spoiwem do osiągnięcia odpowiedniego rozdrobienia i odpowiedniej powierzchni, powodującym szybsze wejście krzemionki w reakcje ze spoiwem. W zależności od wariantu produkcji betonu komórkowego występują trzy podstawowe układy zestawu surowców. Pomijając szczegółowy opis wariantów, można wymienić takie surowce jak; wapno palone, cement, gips dwuwodny, popioły lotne wspólnie mielone jako składniki spoiwa i piasek kwarcowy mielony z wodą na szlam i/lub popioły lotne niemielone jako kruszywo.

- CEMENT

Dobór cementu do produkcji autoklawizowanych betonów komórkowych należy dobrać cement których początek czasu wiązania wg Vicata zawiera się w przedziale od 1-3 godzin, a koniec czasu wiązania od 3-6 godzin. Ponadto cement powinien zawierać duży procent C3S i ograniczoną ilość C3A, któremu podczas hydratacji towarzyszy znaczny skurcz i wysokie wydzielenie ciepła. Wymagania dla cementu dotyczą również miałkości wg Blaina 2500-3000 [cm^2/g]. Najlepiej stosować cement bez dodatków, (określa się maksymalne zaw. MgO, SO3, wolnego CaO) poza gipsem jako regulatorem czasu wiązania. Cementy wyższych marek niż 250 nie dają efektów technicznych ani ekonomicznych.

Proces technologiczny produkcji klinkieru portlandzkiego metodą suchą:

Po wstępnym rozdrobnieniu surowców w łamaczach 1 i 2 surowiec przechodzi do suszarni, która w nowoczesnych rozwiązaniach jest jednocześnie młynem obrotowym (młyn susząco-mielący). Tu materiał osusza się do wilgotności około 1-2% i rozdrabnia. Surowce drobne, jak np. żużle, dozowane są bezpośrednio do młyna susząco-mielącego w odpowiedniej proporcji w stosunku do pozostałych rozdrobnionych surowców. W tym stanie przesyła się materiał do zbiorników korekcyjnych, w których następuje skorygowanie składu i dokładne wymieszanie metodą pneumatyczną. Następnie - jak w metodzie mokrej - następuje wypał i leżakowanie. Oczywiście, w tej metodzie rozdrobniony surowiec wprowadzany jest do pieców wypałowych w stanie suchym jako proszek lub granulki.

5. Omów proces produkcji cementu metodą mokrą.

Przygotowanie surowców wymaga ich sortowania i rozdrobnienia. Sortowanie polega na odrzuceniu złych partii składników, co ustala się z reguły makroskopowo. Rozdrobnienie prowadzi się w trzech etapach. Najpierw kruszy się bloki w łamaczach 2 (rys.2.4.), następnie miele się w młynie kulowym 3 i tak rozdrobniony surowiec przesyła się do szlamownika 6. Kruszeniu w łamaczach i młynach podlegają twarde surowce, np. wapień, natomiast miękkie, np. glina, rozdrabnia się w szlamowniku 5 i z kolei przelewa do basenu szlamowania 6, gdzie po zmieszaniu z dodatkowa wodą powstaje zhomogenizowany szlam. Tutaj też dokonuje się korekcji składu pod względem chemicznym, stosując odpowiednie dodatki. Zhomogenizowany szlam przechodzi do ukośnie ustawionych pieców obrotowych, gdzie następuje wypalanie w temperaturze do 1450^oC. Temperaturę tę uzyskuje się przez wdmuchiwanie płomienia z pyłu węglowego, oleju lub gazu od strony niżej położonego końca pieca. Szlam przesuwając się wzdłuż pieca przechodzi przez strefy o coraz wyższej temperaturze, aż blisko końca pieca osiąga żądane 1450^oC. W koncowym odcinku (ok. 10% długości pieca) następuje chłodzenie do 1200^oC. Przy odpowiednich temperaturach zachodzą procesy chemiczne i strukturotwórcze, prowadzące do powstania pożadanych składników mineralnych klinkieru portlandzkiego (rys. 2.3). Szybkość studzenia, zwłaszcza w ostatniej części pieca, decyduje o ostatecznym stosunku ilościowym poszczególnych minerałów w cemencie. Klinkier musi leżakować tak długo, aż nastąpi w nim zakończenie wszelkiego rodzaju reakcji chemicznych, a temperatura obniży się do co najmniej 40^oC. Ostatnia czynność polega na rozdrobnieniu klinkieru z dodatkiem gipsu na cement. Dokonuje się tego w młynach kulowych (nr 12 na rys. 2.4).

6. Rodzaje reakcji chemicznych pod względem energetycznym w produkcji materiałów budowlanych.

1. Ciało stałe - ciało stałe (reakcje w układzie homogenicznym)

Dyfuzja: γ= -Dδ_ci/δ_x δ_ci/δ_x=grad γ_i

Spiekanie bez udziału fazy ciekłej:

• wyroby ceramiczne (cegła, pustaki ścienne i stropowe)

• płytki ceramiczne

• kruszywo lekkie (łupkoporyt, glinoporyt)

II. ciało stałe - ciecz (reakcje w układzie heterogenicznym):

Spiekanie:

- cegła klinkierowa

• klinkier portlandzki

• kruszywo lekkie

Hydratacja, wiązanie i twardnienie:

• dyfuzja

• rozpuszczalność

• krystalizacja

III. ciało stałe - gaz (reakcja w układzie heterogenicznym):

Rozkład termiczny: K= p^h_g

• defekty sieci krystalicznej

• szybkość zarodkowania

Produkty: wapno, gips, metakaolinit.

7. Omów na czym polega projektowanie betonu.

Metody projektowania.

Wszystkie metody można umownie podzielić na trzy grupy:

1. metody obliczeniowe- określamy nimi skład mieszanki betonowej bez potrzeby wykonywania dużej ilości badań laboratoryjnych. Obliczony skład mieszanki podlega sprawdzeniu doświadczalnemu. Metoda „trzech równań” Bukowskiego:

• równanie wytrzymałości (Bolomey'a)

R_śr = A( C/W ± a )

R_śr - średnia wytrzymałość betonu na ściskanie, zapewniająca uzyskanie założonej klasy betonu,

1. współczynnik uwzględniający

wpływ rodzaju kruszywa i klasy cementu na wytrzymałość R_śr i zależy od C/W,

b) metoda doświadczalna- najbardziej rozpowszechnioną jest metoda opracowana przez W. Kuczyńskiego, zwana metodą kolejnych przybliżeń lub iteracji. Metoda ta polega na osobnym przygotowaniu kruszywa i zaczynu o stosunku C/W wyliczonym ze wzoru Bolomey'a

1. metody doświadczalno- obliczeniowe.

2) Projektowanie składu betonów lekkich.

Metody projektowania betonu lekkiego:

Betony jamiste:

- metoda Bużewicza,

• metoda Dikowskiego,

• metoda Skramatajewa,

• metoda Popowa;

Betony półzwarte i zwarte:

metoda Wolfa,

• metoda Wołżeńskiego,

• metoda Rothfuchsa,

• metoda Eymana,

metoda Kowalenki- Pietrasa

8. Podaj podstawowe właściwości betonów zwykłych i czynniki determinujące właściwości.

9. Dlaczego beton zwykły może być nieodporny na korozję siarczanową (działanie Na₂SO₄, MgSO₄).

Agresywność siarczanowa wywołuje korozję typu III. Jest to najczęściej spotykany typ korozji i zarazem najbardziej niebezpieczny, z uwagi na niemożność obserwacji jego przebiegu w początkowej fazie. Ze środowiska agresywnego zawierającego siarczany, jony przenikają do betonu i reagują: z wodorotlenkiem wapniowym, dając w wyniku gips, który po uwodnieniu wiąże z glinianem trójwapniowym tworząc etryngit:

3CaO*Al₂O₃*3CaSO₄*32H₂O skrócony zapis: C₆AS₃H₃₂

Gips oraz etryngit posiadają znacznie większą objętość odpowiednio 2 i 2,3 razy niż składniki wyjściowe. Początkowo powstające kryształy uszczelniają beton i podnoszą jego wytrzymałość na ściskanie. Po przekroczeniu granicy uszczelniania struktury prowadzą do jej rozsadzenia i zniszczenia. Ten typ korozji mogą powodować w zasadzie wszystkie sole mineralne, jeżeli warunki eksploatacji sprzyjają krystalizacji soli w porach betonu (np. podsiąkanie kapilarne zasolonej wody połączone z obsychaniem).

W poszczególnych przypadkach (mały ruch wody, szczelny beton) może nastąpić uszczelnienie powierzchni betonu w wyniku działania jonu SO₄^-2 i podwyższenie trwałości elementu. W przypadku jednak stałego dopływu, proces niszczenia trwa aż do całkowitego rozkładu cementu, czyli praktycznie do rozsypania się betonu.

10. Wymień rodzaje procesów termicznych do otrzymywania materiałów budowlanych - podaj przykłady.

Synteza - przy produkcji klinkieru portlandzkiego, cegła, cegła wapniowo-piaskowa

Analiza - produkcja spoiwa wapiennego, rozpad gipsu, rozpad węglanu wapnia

Egzotermiczny - ciepło wydziela się przy gaszeniu wapna, przy hydratacji cementu

11. Rola składników mineralnych klinkieru portlandzkiego w kształtowaniu własności cementów.

12. Wymień i scharakteryzuj podstawowe właściwości spoiw wapiennych, betonów komórkowych, cementów.

Właściwości spoiw wapiennych: czas i temperatura gaszenia, barwa, stałość objętości.

Właściwości betonów komórkowych: gęstość objętościowa, współczynnik przewodnictwa cieplnego.

Właściwości cementów: wytrzymałość, czas wiązania, stałość objętości.

13. Podaj czynniki wpływające na wytrzymałość betonów zwykłych.

14. Czynniki wpływające na wielkość efektu cieplnego przy hydratacji cementów.

15. Wymień podstawowe właściwości i zastosowanie wapna i gipsu.

Właściwości wapna:

1. Fizyczne:

• stopień rozdrobnienia: analiza sitowa, powierzchnia właściwa

• stopień białości

• czas gaszenia (4-30 min.)

• temp. gaszenia (>60^oC)

• barwa

• stałość objętości

• gęstość nasypowa

II. temp. gaszenia:

• niskotemperaturowe (<40^oC)

• średnia temp. (40-55^oC)

• wysoka temp. (55-65^oC)

• bardzo wysoka temp. (>65^oC)

III. czas gaszenia

• szybkogaszące

• sredniogaszące

• wolnogaszące

Zastosowanie wapna:

• budownictwo

• hutnictwo

• chemia

• rolnictwo

• odsiarczanie gazów

Właściwości gipsu:

• czas wiązania

• wytrzymałość

• współczynnik rozmiękania

• zmiany objętości

• pęcznienie

• skurcz

• gęstość pozorna

• przyczepność

• współczynnik przewodnictwa

• ognioodporność

• mikroklimat

• podciąganie kapilarne

• nasiąkliwość

Zastosowanie gipsu:

• materiały wykończeniowe

• zaprawy

• mieszanki tynkarskie

• masy posadzkowe

• sztuczny marmur

• Wymień niekorzystne związki dla produkcji materiałów budowlanych - scharakteryzuj ich wpływ.

Niekorzystne związki:

• węglany

• związki siarki nierozpuszczalne - siarczki i piryt FeS₂

• związki siarki rozpuszczalne - siarczany:

• wapnia: gips i anhydryt

• sodu: mirabilit

• magnezu

• żelaza

17. Odmiany polimorficzne siarczanu dwuwapniowego i trójwapniowego.

Alit C₃S

Oksyortokrzemian wapniowy Ca₃[SiO₄]O- C₃S, tworzy 6 odmian polimorficznych o strukturach, które można wyprowadzić drogą nieznacznych przekształceń ze struktury wysokotemperaturowej odmiany trygonalnej C₃S. Odmiany te odwracalnie przechodzą w siebie w temperaturach 1050, 990, 980, 600°C. Analogicznie przemiany polimorficzne obserwuje się w roztworach stałych C₃S z tym, żę obecne w strukturze oksyortokrzemianu wapniowego obce jony mogą zahamować cykl następujących po sobie przemian polimorficznych i ustabilizować w temperaturze pokojowej odmiany wysokotemperaturowe. Alit występujący w klinkierze portlandzkim jest rzeczywistym roztworem stałym, a rozmieszczenie obcych jonów w jego strukturze ma charakter statystyczny.

Belit C₂S

Ortokrzemian wapniowy Ca₂[SiO]₄ tworzy pięć odmian polimorficznych, z których cztery: α, α'_H, α'_L i γ posiadają rzeczywiste zakresy trwałości termodynamicznej, piąta natomiast β- C₂S, jest odmianą metatrwałą w całym zakresie temperatur. Występujący w klinkierze portlandzkim belit jest roztworem stałym ortokrzemianu wapniowego, który zawiera jony podstawiające kationy wapniowe jak też kationy krzemowe. Powszechnie uważa się, że belit posiada strukturę β- C₂S. Fazy o strukturze zbliżonej do α'- C₂S występują w klinkierze portlandzkim bardzo rzadko. Belit tworzy zazwyczaj owalne, prążkowane ziarna o wyraźnie płytkowatej mikrostrukturze.

18. Procesy egzotermiczne i endotermiczne występujące..................

---