UNIWERSYTET ZIELONOGÓRSKI

WYDZIAŁ INŻYNIERII LĄDOWEJ I ŚRODOWISKA

INSTYTUT BUDOWNICTWA

CHEMIA BUDOWLANA

Ćwiczenia laboratoryjne

Ćwiczenie nr 2

TEMAT: “Spoiwa wapienne. Identyfikacja i klasyfikacja materiału związanego z spoiwami wapiennymi na podstawie oznaczenia zawartości tlenków CaO i MgO.”

GRUPA DZIEKAŃSKA 13

PODGRUPA B

Wiktor Tkaczuk

ROK AKADEMICKI 2007/2008

SPIS TREŚCI

I. CZĘŚĆ OGÓLNA

1. Przedmiot badania.

/ materiał (surowiec, spoiwo) związany z technologią spoiw wapiennych /

2. Zadanie do wykonania

2.1. Oznaczyć procentową /% wag./ zawartość tlenków CaO i MgO w badanym materiale

2.2. Zidentyfikować i sklasyfikować badany materiał

3. Cel ćwiczenia

3.1 Poznanie zasady chemicznej analizy miareczkowej kompleksometrycznej

3.2 Poznanie podstawowych wiadomości z zakresu fizyko-chemii spoiw wapiennych

3.3 Zapoznanie się z normą PN-EN 495-1

II. CZĘŚĆ TEORETYCZNA

4 Surowce używane do produkcji wapna budowlanego /spoiw wapiennych/

5 Sposób i podstawowe reakcje chemiczne zachodzące podczas otrzymywania wapna palonego

6 Gaszenie wapna palonego

6.1 Ciasto wapienne

6.2 Wapno hydratyzowane

7 Wapno hydrauliczne - otrzymywanie i skład

8 Mechanizm wiązania i twardnienia wapna budowlanego

9 Podstawowe wiadomości o miareczkowaniu kompleksometrycznym ze szczególnym uwzględnieniem miareczkowania z zastosowaniem kompleksonu

EDTA

III. CZĘŚĆ OŚWIADCZALNA

10 Oznaczenie CaO i MgO w badanym materiale

11 Identyfikacja i klasyfikacja badanego materiału

12 Wykaz literatury z której korzystano przy opracowaniu sprawozdania.

I. CZĘŚĆ OGÓLNA

1. PRZEDMIOT BADANIA - materiał (surowiec, wyrób) związany z technologią spoiw wapiennych.

2. ZADANIE DO WYKONANIA

2.1. Oznaczyć zawartość tlenku CaO i MgO w badanym materiale.

2.2. Zidentyfikować i sklasyfikować badany materiał.

3. CEL ĆWICZENIA

3.1. Poznanie chemicznej analizy miareczkowej - kompleksometrycznej.

3.2. Poznanie podstawowych wiadomości z zakresu fizyko-chemii spoiw wapiennych

3.3. Zapoznanie się z normą PN-EN 495-1

II. CZĘŚĆ TEORETYCZNA

4. SUROWCE UŻYWANE DO OTRZYMYWANIA WAPNA BUDOWLANEGO / SPOIW WAPIENNYCH/.

Surowcem do produkcji spoiw wapiennych są skały wapienne. Oprócz głównego składnika - węglanu wapniowego - zawierają one zwykle domieszki węglanu magnezu i glinu. Surowcem najbardziej wartościowym są wapienie zawierające możliwie niewielką ilość domieszek gliniastych. Domieszki gliny pogarszają własności produktu wypału, utrudniając proces gaszenia.

5. SPOSÓB I PODSTAWOWE REAKCJE CHEMICZNE ZACHODZĄCE PODCZAS OTRZYMYWANIA WAPNA PALONEGO.

Wypalanie wapna. Proces wypalania wapienia polega na reakcji odwracalnej termicznego rozkładu węglanu wapniowego:

CaCO₃
CaO + CO₂ - wypalanie

CaO + H₂O
Ca(OH)₂ - gaszenie

Do procesu wypalania wapna potrzebna jest temperatura 898 C. W tej temperaturze ciśnienie dwutlenku węgla (CaO₂) osiąga wartość 1 Atm. (atmosfery). Wystarczy, więc prażyć wapień w tej temperaturze, aby całkowicie rozłożyć go na tlenek wapniowy
i dwutlenek węgla.

W praktyce przemysłowej, w celu zwiększenia szybkości wypału stosuje się temperatury wyższe do 1100 C. Szybkość rozkładu wapienia zależy nie tylko od temperatury, ale również od stopnia rozdrobnienia surowców. Produkt wypału wapienia zwany wapnem palonym, może zawierać oprócz tlenku wapniowego domieszki glinianu wapniowego (CaO
Al₂O₃), żelazianów wapniowych (CaO
Fe₂O₃) oraz niewielkie ilości krzemianów wapniowych. Domieszki te utrudniają proces gaszenia wapna.

6. GASZENIE WAPNA PALONEGO

Gaszenie wapna. Gaszeniem nazywamy reakcję hydratacji wapna,
w wyniku, której powstaje wodorotlenek wapniowy. Reakcja zachodząca zgodnie
z równaniem:

CaO + H₂O
Ca(OH)₂ + 15,5kcal

jest silnie egzotermiczna. Temperatura układu wzrasta i znaczna część wody ulega odparowaniu. W zależności od ilości wody, możemy otrzymać produkty o różnych własnościach:

6.1. Ciasto wapienne - jest to gęsta mieszanina wodorotlenku wapniowego
i nasyconego roztworu wodorotlenku w wodzie, otrzymywana w wyniku gaszenia wapna nadmiarem wody. Duży stopień rozdrobnienia wodorotlenku i otoczenie jego cząstek wodą zmniejsza siły tarcia między cząstkami i nadaje masie własności plastyczne.

6.2. Wapno hydratyzowane - zwane również suchogaszonym, jest produktem otrzymywanym przez gaszenie wapna palonego - możliwie najmniejszą ilością wody, niezbędną do wytworzenia wodorotlenku wapniowego.

7. WAPNO HYDRAULICZNE, OTRZYMYWANIE I SKŁAD.

Do spoiw wapiennych zaliczamy również wapno hydrauliczne. Jest to spoiwo, które po wstępnym okresie wiązania i twardnienia na powietrzu może twardnieć zarówno na powietrzu jak i pod wodą.

Wapno hydrauliczne otrzymuje się przez wypalanie wapieni marglistych zawierających od 6 do 20% domieszek gliniastych w temperaturze 900 do 1100 C w piecach szybowych. W tych warunkach następuje nie tylko rozkład węglanu wapniowego, ale również zachodzą reakcje, w wyniku, których powstają krzemiany, gliniany i żelaziany wapniowe, nadające spoiwu własności hydrauliczne. Produkt wypału jest mieszaniną zawierającą następujące składniki:

• tlenek wapniowy CaO

• krzemian dwuwapniowy 2CaOSiO₂

• glinian trójwapniowy 3Ca
  Al₂O₃

• żelazian dwuwapniowy 2CaO
  Fe₂O₃

Po wypaleniu wapno hydrauliczne gasi się niewielką ilością wody, aby tlenek wapniowy przeszedł w wodorotlenek, a krzemiany, gliniany i żelaziany wapniowe nie uległy uwodnieniu.

8. MECHANIZM WIĄZANIA I TWARDNIENIA WAPNA BUDOWLANEGO.

Przez wymieszanie ciasta wapiennego z wodą i piaskiem w określonym

stosunku ilościowym otrzymuje się zaprawę wapienną.

Wiązanie i twardnienie zaprawy jest spowodowane następującymi procesami:

• odparowaniem wody powodującym krystalizację wodorotlenku wapniowego
  z przesyconego roztworu

• 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. Twardość i wytrzymałość zaprawy zależy nie tylko od stopnia jej karbonizacji, a ponadto zapobiega pękaniu zaprawy, która w wyniku zachodzących przemian zmniejsza swą objętość.

Sztuczne przyspieszenie procesu karbonizacji przez zwiększenie ilości dwutlenku węgla w powietrzu obniża wytrzymałość zaprawy, gdyż powstające kryształy węglanu wapniowego są zbyt drobne.

9. PODSTAWOWE WIADOMOŚCI O MIARECZKOWANIU KOMPLE- KSJOMETRYCZNYM Z ZASTOSOWANIEM KOMPLEKSONU EDTA.

Metoda analizy miareczkowej polega na oznaczeniu składnika w roztworze badanym za pomocą roztworu odczynnika (titranta) o znanym stężeniu, czyli mianie, odmierzonego dokładnie za pomocą biurety. Dodawanie roztworu titranta z biurety
do naczynia z roztworem miareczkowym nazywamy miareczkowaniem.

EDTA - EtylenoDiaminoTetrAoctowy

HOOC - CH₂ CH₂ - COOH

N - CH₂ - CH₂ - N

HOOC - CH₂ CH₂ - COOH

Zawartość składnika oznaczonego w gramach wyznaczonego metodą miareczkową przy zastosowaniu znanego miana, otrzymuje się mnożąc liczbę mililitrów titranta zużytą na miareczkowanie przez miano titranta wyrażone w gramach oznaczonego składnika na jeden mililitr titranta.

III. CZĘŚĆ OŚWIADCZALNA

10. OZNACZENIE CaO I MgO W BADANYM MATERIALE.

Zasada oznaczenia polega na kompleksometrycznym oznaczeniu jonu wapnia Ca²⁺ w środowisku alkaicznym wobec kalcesu mianowanym roztworem EDTA.

Ca(OH)₂
Ca²⁺ + 2(OH)^-

Ca²⁺ + EDTA
EDTA Ca²⁺

a) Skrócony opis przygotowania roztworu badanego

Z otrzymanego do badania materiału odważyliśmy ok. 1,00g i przenieśliśmy go do wysokiej zlewki (400 - 600 cm³). Próbkę zwilżyliśmy minimalną ilością wody destylowanej. Następnie dodaliśmy po ściankach zlewki ok. 1 cm³ stężonego kwasu solnego HCl i 10 cm³ kwasu nadchlorowego HClO₄. Wymieszaliśmy daną próbkę. Po ustaniu reakcji zlewkę ogrzaliśmy na płycie grzewczej aż do odparowania nadmiaru cieczy (co jakiś czas mieszając i zestawiając ją z płyty grzewczej, aby próbka nie uległa całkowitemu wysuszeniu).

Następnie nieco ochłodziliśmy materiał dodając po ściankach zlewki 100 cm³ podgrzanej wody destylowanej. Zawartość zlewki wymieszaliśmy “przez ruch zlewki”, następnie przesączyliśmy przez miękki sączek do kolby miarowej o pojemności 250 cm³, po czym dolaliśmy małymi porcjami wodę destylowaną do kolby tak, aby wyrównać poziom cieczy (do kreski kalibracyjnej). Kolbę zamknęliśmy korkiem i zabezpieczyliśmy do dalszych badań.

1. Oznaczenie zawartości CaO

- Skrócony opis oznaczenia CaO:

Z kolby pobraliśmy 25 cm³ badanego roztworu po czym przelaliśmy go do zlewki o pojemności 400cm³. Dodaliśmy 75 cm³ wody destylowanej w celu rozcięczenia badanego roztworu. Wkropiliśmy 20% KOH (około 8 kropel), aby przygotować odpowiednie pH, które będzie reagowało tylko z Ca²⁺. Dodaliśmy około 2,5 cm³ odczynnika trójetanoloaminy, 20 cm³ 20% KOH - dzięki temu otrzymaliśmy pH roztworu >12. Po czym wlaliśmy szczyptę kalcesu aby uzyskać wyraźny kolor fioletowy (kolor B1). Następnie miareczkujemy EDTA do momentu zmiany zabarwienia z fioletowego na czysto niebieski.

W celu uniknięcia błędu podczas miareczkowania kompleksometrycznym wykonujemy dane badanie trzykrotnie. Za wynik przyjęliśmy średnią arytmetyczną z trzech niezależnych miareczkowań (23,07cm³)

EDTA reaguje z kationem wapnia w stosunku 1:1 mola, czyli 1 cząsteczka EDTA jest zdolna do łączenia się z 1 cząsteczką kationu wapnia

- Obliczenie miana EDTA wyrażonego w gramach CaO na 1 cm³ titranta

Obliczanie miana EDTA (K₁₎

1 litr = 1000 cm³ = 0,05 mol EDTA

1 cm³ = 0,05 ·1000 mol CaO ≡ 0,00005 mola

masa atomowa Ca = 40,08 μ

masa atomowa O = 16,00 μ

masa cząsteczkowa 2CaO = 2(40,08 +16,00) = 112,16μ

2Ca + O₂ → 2CaO

obliczam ilość gram Ca w 1 cm^3 roztworu mol - 40,08 g 0,00005 - x x = (0,00005 ⋅ 40,08)/mol = 0,002 g	obliczam ilość gram CaO w 1 cm^3 roztworu 80,16 g - 112,16 0,002 g - K1 K1 = (0,002 ⋅ 112,16)/ 80,16 = 0,0028 g

Miana EDTA CaO wynosi (K1) 0,0028 g na 1 cm³ titranta

- Wynik miareczkowania i obliczenie zawartość CaO

Obliczam średnią objętość EDTA -V

V₁= 25,0 ml

V₂=24,7 ml

V₃=19,5 ml (V₃ nie biorę pod uwagę do obliczeń)

V = (V₁+ V₂)/2 = (25,0 + 24,7) / 2= 24,85 ml

Wzór na procentową zawartość tlenku wapnia CaO

%CaO =
100%

m.- masa produktu badanego w gramach (1,000g)

W- liczba niemianowana (10)

K₁- miano EDTA wyrażone w gramach tlenku wapnia na 1 cm³ tego roztworu

V - średnia objętość EDTA

%CaO =
100%

%CaO =
100% = 69,58%

Procentową zawartość tlenku wapnia CaO wynosi 69,58 %

c) Oznaczenie zawartości MgO i weryfikacja oznaczenia CaO.

- Skrócony opis oznaczenia

Z kolby pobraliśmy 25 cm³ badanego roztworu po czym przelaliśmy go do zlewki o pojemności 400cm³. Dodaliśmy 100 cm³ wody destylowanej , następnie wkropiliśmy wodę amoniakową 1:1 (około 3 kropli), aby otrzymać pH roztworu miedzy 3 - 5, które będzie reagowało tylko z Mg²⁺. Wlaliśmy około 2,5 cm³ trójetanoloaminy, oraz 25 cm³ wody amoniakalnej - dzięki czemu otrzymamy pH roztworu = 10. Wsypaliśmy identyfikator wskaźnikowy aby uzyskać kolor fioletowo-niebieski. Następnie miareczkujemy EDTA do momentu kiedy barwa fioletowo-niebieska odbarwi się na kolor przeźroczysty.

W celu uniknięcia błędu podczas miareczkowania kompleksometrycznym wykonujemy dane badanie trzykrotnie. Za wynik przyjęliśmy średnią arytmetyczną z trzech niezależnych miareczkowań (24,7 cm³)

- Obliczenie miana EDTA wyrażonego w gramach MgO na 1 cm³ titranta

Obliczanie miana EDTA (K₁)

1 litr = 1000 cm³ = 0,05 mol EDTA

1 cm³ = 0,05 ·1000 mol MgO ≡ 0,00005 mola

masa atomowa Mg = 24,30 μ

masa atomowa O = 16,00 μ

masa cząsteczkowa 2MgO = 2(24,30 +16,00) = 80,06μ

2Mg + O₂ → 2MgO

obliczam ilość gram Mg w 1 cm^3 roztworu mol - 24,30 g 0,00005 - x x = (0,00005 ⋅ 24,30)/mol = 0,0012 g

obliczam ilość gram MgO w 1 cm^3 roztworu 48,60 g - 80,06 0,0012 g - K1 K1 = (0,0012 ⋅ 80,06)/ 48,60 = 0,0020 g

Miana EDTA MgO wynosi 0,0020 g na 1 cm³ titranta

- Wynik miareczkowania i obliczenie zawartość MgO

Obliczam średnią objętość EDTA -V

V₁= 25,0 ml

V₂=24,5 ml

V₃=24,6 ml

V = (V₁+ V₂ + V₃)/3 = (25,0 + 24,5 +24,6 ) / 3= 24,7 ml

Wzór na procentową zawartość tlenku magnezu MgO

%MgO =
100%

m.- masa produktu badanego w gramach (1,000g)

W- liczba niemianowana (10)

K₁- miano EDTA wyrażone w gramach tlenku wapnia na 1 cm³ tego roztworu

V - średnia objętość EDTA

%MgO =
100%

%MgO =
100% = 49,4%

Procentową zawartość tlenku magnezu MgO wynosi 49,4 %

- Miareczkowanie weryfikacyjne - wyniki, obliczenia i wnioski

Nie zachodziła potrzeba miareczkowania weryfikacyjnego.

d) Ostateczne wyniki oznaczenia CaO i MgO

CaO = 69,58 %

MgO = 49,4

11. KLASYFIKACJA BADANEGO WAPNA BUDOWLANEGO wg PN-EN 495-1

Tablica 2

Rodzaj wapna budowlanego		ZAWARTOŚĆ
				CaO + MgO	MgO	CO2	SO3	Wap. czynnego
1	CL90	> 90	< 5 C	< 4	< 2	-
2	CL80	> 80	< 5 C	< 7	< 2	-
3	CL70	> 70	< 5	< 12	< 2	-
4	DL85	> 85	> 30	< 7	< 2	-
5	DL80	> 80	> 5	< 7	< 2	-
6	HL2	-	-	-	< 3b	> 8
7	HL3,5	-	-	-	< 3b	> 6
8	HL5	-	-	-	< 3b	> 3
6	NHL2	-	-	-	< 3b	> 15
6	NHL3,5	-	-	-	< 3b	> 9
6	NHL5	-	-	-	< 3b	> 3

Podane wartości odnoszą się do wszystkich rodzajów wapnia. W przypadku wapnia palonego, wartości te dotyczą gotowego produktu. W przypadku wszystkich innych rodzajów wapnia(wapno hydratyzowane, ciasto wapienne i wapno hydrauliczne) podane wartości odnoszą się do produktu pozbawionego wolnej wody i wody związanej

C- zawartość MgO do 7% jest akceptowana

b- zawartość SO3 powyżej 3% i poniżej 7% jest dopuszczalna, jeśli na podstawie EN 459-2 stwierdza stałość objętości po 28 dniach przechowywano w wodzie

Skład chemiczny wapna budowlanego badanego zgodnie z PN-EN 459-2:2001, powinien byś zgodny z wartościami podanymi w tabeli 2. Wapno budowlane może zawierać niewielkie ilości domieszek dla poprawienia urabialności lub właściwości, a ich udział przekracza >0,1%

DL85 wapno dolomitowe - składa się głównie z CaO i MgO lub wodorotlenku wapnia i magnezu, bez żadnych dodatkowych materiałów hydraulicznych lub pucolanowych.

EN 459 - 1 DL 85 - S1 wapno dolomitowe 85. Podczas klasyfikowania DL zaznaczany jest stopień zhydratyzowania S1 (półhydratyzowane)

12. WYKAZ LITERATURY.

“Budownictwo ogólne dla architektów” P. Markiewicz

“Ćwiczenia laboratoryjne z chemii budowlanej” L.Czarnecki, P. Łukowski, A Garbacz, B. Chmielewski

“Materiałoznawstwo”

Norma budowlana EN 459 -1

---