UNIWERSYTET WARMIŃSKO - MAZURSKI

KIERUNEK: BUDOWNICTWO LĄDOWE

MATERIAŁY BUDOWLANE

WYKŁADY

Olsztyn 2003

Materiały budowlane występują w postaci:

• surowców w stanie naturalnym (kamienie, drewno, glina, piaski, kruszywo);

• surowców sztucznych (polimery syntetyczne, spoiwa, betony, cegły);

• gotowe elementy - prefabrykaty.

Jakość wszystkich materiałów powinna być określona w oparciu o takie same metody badań i kryteria oceny - normy.

Do 1990 roku w każdym z państw europejskich i pozaeuropejskich obowiązywały przy badaniu i ocenie jakości materiału normy danego kraju, np.:

Polska - PN

Niemcy - DIN

USA - ASTM

Od 1990 roku opracowuje się i wprowadza normy międzynarodowe, które opracowuje i zatwierdza Międzynarodowa Organizacja Normalizacyjna (ISO), np.:

ISO 9000 - zarządzanie jakością i zapewnienie produkcji

Obecnie od kilku lat aktualizuje się polskie normy dostosowując je do norm europejskich obowiązujących w krajach Europy.

Symbol polskiej normy dostosowanej do norm europejskich:

PN - EN ……

Ażeby materiał produkowany (np. kostka brukowa) mógł być dopuszczony do obróbki i stosowania musi uzyskać:

1. deklarację i certyfikat zgodności z polską normą

• deklaruje jakość wykonawca;

• certyfikat wydaje jednostka do tego upoważniona (dla materiałów budowlanych - Instytut Techniki Budowlanej (ITB), lub Instytut Budowy Dróg i Mostów (IBDiM) ).

2. aprobatę techniczną - wydawana przez jednostki do tego uprawnione - certyfikującą w przypadku braku polskiej normy (tak jest w przypadku kostki brukowej).

3. Certyfikat na znak bezpieczeństwa „B”, też wydawany przez specjalnie upoważnioną do tego jednostkę.

Cechy fizyczne materiału

1. gęstość - masa jednostki objętości materiału bez porów.

ρ=	m	[g/cm³]
			v

Materiał pozbawia się porów rozdrabniając go tak, aby przeszedł w całości przez sito o średnicy oczka kwadratowego φ < 0,063 [mm].

2. gęstość pozorna - masa jednostki objętości materiału w stanie naturalnym, czyli wraz z porami.

ρp=	m	[g/cm³]
			v

Oznaczenie objętości dla próbek o kształcie nieregularnym (np. kawałków betonu).

Objętość wyznacza się metodą hydrostatyczną. Należy uprzednio zważyć próbkę, nasączyć całkowicie wodą, a następnie określić jej masę w powietrzu i w wodzie:

v=	m(w powietrzu) - m(w wodzie)	= liczbowa różnica mas
			ρ(H2O)=1

3. gęstość nasypowa - masa jednostki objętości materiału w stanie luźnym lub zagęszczonym.

Ρn=	m	[g/cm³]
			v

Oznacza się ja dla materiałów sypkich, np. kruszywa.

Na podstawie gęstości i gęstości pozornej materiału można obliczyć szczelność i porowatość materiału. Natomiast na podstawie gęstości pozornej i gęstości nasypowej jamistość stosu okruchowego, czyli objętość wolnych przestrzeni między ziarnami kruszywa.

4. szczelność - stosunek gęstości pozornej do gęstości.

S=	ρp	0≤S≤1
			ρ

5. porowatość - objętość wolnych przestrzeni w materiale.

P=	1 - S =	(1 -	ρp	) 0≤P≤1
							ρ

6. jamistość

j = 1 - k	k=		ρn
						ρp
	j=	(1 -	ρn		)
				ρp

Gęstość podstawowych materiałów budowlanych:

1. stal - 7850 [kg/m³]

2. aluminium - 2700 [kg/m³]

3. styropian - 30 [kg/m³]

4. drewno sosnowe - 550-700 [kg/m³]

5. cegła pełna - 1800 [kg/m³].

Porowatość wybranych materiałów budowlanych

BETON

ALUMINIUM CERAMIKA KOMÓRKOWY

p = 0% p = 37% p =74%

Właściwości mechaniczne materiałów

Działanie sił zewnętrznych może powodować jego odkształcenie (siły - ciężkości, parcie, wiatru, parcie wody).

Powstają w materiale tzw. Siły wewnętrzne, które w odniesieniu do fikcyjnego przekroju noszą nazwę naprężeń i są oznaczone symbolem „δ”.

Wytrzymałość materiałów - jest to graniczna wartość naprężeń, przekroczenie której powoduje zniszczenie materiału.

Wytrzymałości są charakterystyczne dla danego rodzaju obciążeń oraz odkształceń i ustala je się i ocenia drogą badań laboratoryjnych na próbkach o określonych kształtach i wymiarach zgodnie z obowiązującymi normami.

1. wytrzymałość na ściskanie - występuje w przypadku kiedy siły starają się przybliżyć do siebie cząsteczki materiału.

Bada się najczęściej dla materiałów naturalnych i sztucznych materiałów kamiennych.

RC=	PO	[N/m^2] = [Pa]
			FO

2. wytrzymałość na ścinanie - występuje gdy siły zewnętrzne, w płaszczyźnie przekroju próbki dążą do przesunięcia cząsteczek materiału względem siebie.

Rt =	Rt	[N/m^2] = [Pa]
			F

3. wytrzymałość na rozciąganie - występuje gdy siły starają się oddalić od siebie cząsteczki materiału.

Rr =	Pr	[N/m^2] = [Pa]
			FO

4. wytrzymałość na zginanie (na rozciąganie przy zginaniu) - jest to taki stan naprężeń granicznych powstałych w skutek obciążeń, przy których próbka ulega złamaniu.

I faza

II faza

Rg =	M	=	moment zginający
			W		wskaźnik wytrzymałości materiału

Dla tego typu obciążenia M = (P*l)/4 , a W = (b*h²)/6.

Rg =	3		P * l
		2	*	b*h^2

gdzie:

P - siła łamiąca próbkę

l - rozstaw podpór

b - podstawa przekroju próbki

h - wysokość przekroju próbki

5. twardość - odporność materiału na odkształcenia wywołane działaniem skupionego nacisku na powierzchnię ciała.

Badanie twardości odbywa się różnymi metodami.

Jedna z nich polega na zarysowaniu powierzchni badanego materiału jednym z minerałów, których twardość jest znana (skala minerałów Mohsa).

1. diament - 140 000

2. korund - 1 000

3. topaz - 175,0

4. kwarc - 120,0

5. ortoklaz - 37,0

6. apatyt - 6,5

7. fluoryt - 5,0

8. kelcyt - 4,5

9. gips - 0,25

10. talk - 0,03

Skala Mohsa jest 10-stopniowa i te materiały uporządkowane są wg twardości

1

Twardość drewna ustala się metodą Janki (HJ), która polega na wciskaniu kulki stalowej w materiał.

Twardość metali i tworzyw sztucznych bada się metodą Brinella (HB). Metoda podobna do metody Janki, z tym że w metodzie tej określa się pole odcisku powstałego na powierzchni materiału przez kulkę o określonej twardości i średnicy.

W metodzie Vickersa kulkę stalową zastępuje się głębnikiem diamentowym o kształcie ostrosłupa (HR).

6. ścieralność - odporność materiału na ścieranie (kostka brukowa) zależne od gęstości pozornej (jeżeli gęstość pozorna duża to ścieralność mała).

Ścieralność bada się na tzw. TARCZY BOEHMEGO.

Próbki sześcienne o określonej krawędzi (7,1 [cm]) ściera się na tarczy posypanej korundem. Po badaniu określa się zmianę wysokości Δh.

S =	Δm	*	1	[cm]; [mm]
			F			ρP

7. odporność na zamarzanie (mrozoodporność) - odporność na zamarzanie jest to zdolność materiału całkowicie nasyconego woda do przeciwstawienia się zniszczeniu jego struktury przy wielokrotnych cyklach zamarzania o odmarzania bez istotnych zmian masy lub wytrzymałości.

1 cykl badania mrozoodporności:

4 godziny-temperatura -20°C

4 godziny-temperatura +20°C

Woda ma największą objętość i najmniejszą gęstość w momencie krzepnięcia .Objętość lodu w momencie zakrzepnięcia jest większa od objętości wody ,która zakrzepła o około 10%.

Temperatura krzepnięcia wody w materiałach zależy od wielkości kapilar w których się znajduje .W kapilarach o średnicy 1,5 mm temperatura krzepnięcia wynosi 6.5°C a o średnicy 0.1 mm-18.5°C,dlatego materiały budowlane nie rozpadają się nagle pod wpływem niskich temperatur.

Określa się ją na podstawie:

• ubytku masy prób po `' n `' cyklach :

Δg =	g1 + g2	* 100 %
			g1

g₁ - masa próbki przed zamarzaniem;

g₂ - masa próbki po określonej liczbie cykli zamarzania i odmarzania.

W tej metodzie nie potrzebne są próby kontrolne.

• zmiany wytrzymałości na ściskanie :

Metoda ta polega na pomiarze i obliczeniu zmiany wytrzymałości na ściskanie próbek kontrolnych oraz po „n” cyklach zamarzania i odmarzania.

Δ RC=	R1 - R2	* 100 %
			R1

Właściwości materiałów związanych z wodą

Woda do materiałów budowlanych - do ścian zewnętrznych może dostawać się w następujący sposób:

1. sorpcja:

• adsorpcja - pochłanianie powierzchniowe;

• absorpcja - pochłanianie całą objętością.

2. nasiąkanie i podsiąkanie:

• zależy od porowatości.

3. przenikanie pary przez przegrody

Zmiany stanu skupienia wody:

• parowanie;

• krzepnięcie;

• topnienie;

• 
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  sublimacja (stan stały gaz).

Woda działając na materiał powoduje, że materiał uzyskuje pewną wilgotność, czyli zawartość wody w materiale w danych warunkach atmosferycznych (naturalnych). Oznacza się ją:

W =	mwilgotny - msuchy	* 100%
			msuchy

Podobną wielkością jest nasiąkliwość. Jest to maksymalna zawartość wody, jaką materiał może pochłonąć. Oznacza się ją:

n =	mnasączony - msuchy	* 100%
			msuchy

Woda ma największą objętość w temperaturze ok. (-0,2)^OC. W tej temperaturze woda zwiększa swoja objętość o ok. 10 %.

Materiały wilgotne narażone na czynniki atmosferyczne nie ulegają zniszczeniu przy temperaturach poniżej 10^OC, ponieważ woda znajduje się w tych materiałach w kapilarach o różnej średnicy, a temperatura krzepnięcia wody zależy od wielkości kropel (próbki) i może obniżyć się.

Właściwości fizyczne materiałów związane z ciepłem

Ciepło to jedna z form energii.Jednostką ciepła jest Dzul [J]

Miarą średniej energii kinetycznej cząsteczek jest temperatura [Jednostką Kelwin lub Celciusz ]

Przy istniejącej różnicy temperatur ciepło jest przekazywane z jednego materiału na inny .Przekazywanie ciepła nosi nazwę przewodności cieplnej ,którą ilościowo określa tzw. Współczynnik przewodności cieplnej λ -jest to ilość ciepła która przenika przez przegrody o powierzchni 1m² i grubości 1m w czasie 1s przy różnicy temperatur 1°.

λ =W/m K

Najlepszym izolatorem o najmniejszym λ jest powietrze bez ruchu gdzie λ wynosi 0.023W/m K

Współczynnik przewodności cieplnej poszczególnych materiałów jest inny dla materiałów suchych i wilgotnych .Wilgotne materiały mają większy współczynnik przewodności cieplnej.

λ Zależy także od gęstości materiału ,ze wzrostem gęstości pozornej λ rośnie

W materiałach anizotropowych (drewno) wartość λ zależy od kierunku przewodzenia .Dla drewna wzdłuż włókien λ=0.35 a w poprzek λ=0.14.

Rozszerzalność liniowa - zmiana długości materiału przypadająca na 1°C

α=_∆l / l_{o ∆}T gdzie _∆ l-Zmiana długości pod wpływem temperatury

Duży współczynnik rozszerzalności liniowej mają tworzywa sztuczne.

KRUSZYWA

Wypełniacze
Mineralne			Organiczne
Łamane	Naturalne	Sztuczne	Pochodzenia roślinnego	Sztuczne
Grys Piasek łamany Mieszanka kruszywa łamanego Zwykłe granulowane	Piaski Żwiry Pospółki Otoczaki Mieszanka kruszywa naturalnego	Ze spieków pęczniejących Z odpadów przemysłowych	Trociny Strużki Wełna drzewna Trzcina Słoma rzepakowa Paździerze

Kruszywa w budownictwie stosowane są przede wszystkim jako wypełniacze.

Piasek - do 2 mm

Żwir -4-16 mm

Granit - 4-16 mm

Bazalt -4-8 mm

Sita 0.0 ;0.063 ;0.125;0.25;0.5;1;2;4;8;16;31.5

Pobieranie próbek kruszywa:

Próbka pierwotna około 30 kg kruszywa ,z próbek pierwotnych powstaje 1 próbka ogólna .Ogólną dzielimy metodą kwartowania (dzielimy pierwotną na 4 części, z tym że 2 stykające się wierzchołkami części odrzucamy a 2 bierzemy do badań)na średnią próbkę laboratoryjną.Z niej tworzy się 3:kwalifikacyjną (którą będziemy badać) ,archiwalną i rozjemczą (odłożone w magazynie aż do momentu odebrania wyników próbki .Rozjemcza leży najdłużej ,decyduje o ostatecznym wyniku).Powstają próbki analityczne ,które bezpośrednio badamy(zależy od maksymalnej wielkości ziarna rodzaju badania).

Badania: Uziarnienia (badanie zawartości poszczególnych frakcji kruszywa),zawartości pyłów ,zawartości zanieczyszczeń obcych ,gęstości nasypowej.

Cechy (właściwości),które wpływają na jakość kruszywa i decydują o możliwości wykorzystania w budownictwie:

1.Skład petrograficzny-zawartość w kruszywie ziaren pochodzących z różnych rodzajów skał .Bardzo ważna jest obecność wapieni.

2.Gęstość pozorna i nasypowa

3.Zawartość zanieczyszczeń obcych (co nie jest kruszywem)

4.Zanieczyszczenia organiczne-materiał zalewamy 3% NaOH ,który wchodzi w reakcję z taniną i otrzymujemy barwę brunatną (herbaty).

5.Jamistość ,obecność wolnych przestrzeni

6.Zawartość pyłów mineralnych (<0.05 mm - pyły)

7.Wytrzymałość na miażdżenie

8.Uziarnienie-procentowa zawartość poszczególnych frakcji całości kruszywa

Materiały wiążące

Materiały wiążące - służą do łączenia elementów budowlanych.

Spoiwa - są to ciała chemicznie aktywne, które po sproszkowaniu i zarobieniu wodą twardnieją i wiążą.

Aktywność chemiczna - zdolność do reagowania, tworzenia nowych związków chemicznych z innymi substancjami, z takimi jak H₂O i CO₂.

Procesy wiążące spoiw są nieodwracalne - są to reakcje egzotermiczne.

Spoiwa są na ogół pochodzenia nieorganicznego, wyjątek stanowią samodzielnie powstałe, najczęściej służące jako dodatek do modyfikacji cech technicznych spoiw nieoganicznych.

Lepiszcza - służą do łączenia elementów budowlanych, nie posiadają aktywności chemicznej (w warunkach normalnych).

Procesy twardnienia maja charakter odwracalny tylko:

• asfalt, smoła - pod wpływem temperatury;

• glina - pod wpływem H₂O.

Podział spoiw mineralnych ze względu na zachowanie w środowisku wodnym:

• powietrzne - po zarobieniu wodą wiążą i twardnieją tylko na powietrzu;

• hydrauliczne - po zarobieniu wodą wiążą i twardnieją zarówno pod wodą jak i na powietrzu.

Skład chemiczny spoiw można przedstawić w postaci zawartości procentowej określonych minerałów lub w postaci zawartości procentowej podstawowych tlenków (CaO,Al₂O₃,Fe₂O₃,SiO₂).

Moduł hydrauliczny - kryterium warunkujące przydatność spoiwa do jednej z dwóch grup spoiw mineralnych (M_H).

W skład wszystkich spoiw wchodzą: CaO, SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃.

MH =	CaO
		SiO2 + Al2O3 + Fe2O3

M_H > 4,5 - spoiwo powietrzne

M_H < 4,5 - spoiwo hydrauliczne

Do spoiw powietrznych można zaliczyć spoiwa :wapienne ,gipsowe ,magnezowe ,krzemianowe.

1. SPOIWA WAPIENNE

Spoiwa wapienne produkuje się ze skał wapiennych (CaCO₃).

Baza kamienia wapiennego obejmuje (w Polsce):

• Jurę Krakowsko-Częstochowska;

• Góry Świętokrzyskie;

• Wyżynę Lubelską;

• Sudety.

Złoża na wymienionych terenach są zróżnicowane pod względem wieku i struktury.

Skład chemiczny wapieni polskich:

- CaCO₃ - 63-95 % - kalcyt

- MgCO₃ - 0,5-15 % - magnezyt

- CaCO₃ * MgCO₃ - kilka % - dolomit

- SiO₂ - kilka, kilkanaście %

Technologia produkcji spoiw wapiennych

Produkcja obejmuje następujące etapy:

1. wydobycie wapienia

2. rozdrobnienie kamienia wapiennego;

3. wypalanie kamienia wapiennego w temperaturze 800-1100^OC;

4. przeróbka chemiczna.

Reakcje podczas wypalania

Podstawowym składnikiem jest:

CaCO₃ CaO + CO₂ ↑- Q₁

MgCO₃ MgO + CO₂ ↑- Q₂

Q₁ > Q₂

• CaCO₃ * MgCO₃ CaCO₃ + MgO + CO₂-Q₃

Podstawowym reakcjom towarzyszą również reakcje uboczne - odwrotne:

X CaO + CO₂ CaCO₃

X CaO + SiO₂ X CaO * SiO₂

X CaO + Al₂O₃ X CaO * Al₂O₃

W zależności od zawartości tlenku magnezu w wapnie palonym wyróżnia się:

• tzw. wapno wapniowe - MgO < 5 %

• tzw. wapno magnezowe - MgO > 5 %

Wapno magnezowe jest gorsze od wapniowego, gdyż magnez wolniej hydratyzuje i wiąże co może być powodem odpadania tynku.

Przeróbka chemiczna wapna

Wapno palone poddaje się procesowi gaszenia.

W zależności od ilości zużytej wody do gaszenia otrzymuje się:

1.Mleczko wapienne-dużo wody

2.Ciasto wapienne-mniej wody

3.Wapno hydratyzowane

Proces gaszenia wapna przebiega wg reakcji:

CaO + H₂O Ca(OH) ₂ + Q (reakcja egzotermiczna)

wapno wapno

palone hydratyzowane

Z wapna palonego można uzyskać mleczko lub ciasto wapienne w zależności od stosunku wody do wapna.

z reakcji: 56 [g] CaO - 18 [g] H₂O

1000 [g] CaO - x

x = 322 [g] H₂O

W praktyce używa się wody więcej (ponad dwukrotnie) przy produkcji wapna hydratyzowanego a niżeli wynika to z reakcji chemicznej, bo wytwarza się wysoka temperatura, która powoduje odparowywanie wody.

Wapno hydratyzowane uzyskuje się jako produkt uboczny przy produkcji acetylenu.

CaC₂ + 2H₂O H₂C₂ + Ca(OH)₂

karbid wapno

hydratyzowane

pokarbidowe

Wiązanie spoiw wapiennych (wiązanie wapna hydratyzowanego) jest praktycznie procesem odwrotnym do otrzymywania.

a)Ca(OH)₂ + CO₂ + n H₂O CaCO₃ + (n+1)H₂O↑

b)Ca(OH)₂ + 2H₂O Ca(OH)₂ + 2H₂O

Reakcja `'a''zachodzi przede wszystkim na powierzchni murów , a reakcja `'b''wewnątrz murów.

W murze o grubości 50 [cm] twardnienie spoiwa wapiennego trwa co najmniej 3 lata.

Zastosowanie spoiw wapiennych:

1. do produkcji zapraw wapiennych i wapienno-cementowych;

2. do produkcji SIPOREKSU;

3. do produkcji cegły wapienno-piaskowej (sylikatora).

SIPOREKS produkuje się ze spoiwa wapiennego i kruszywa drobnego. Swoją porowatość siporeks zawdzięcza reakcji wapna hydratyzowanego ze sproszkowanym aluminium.

3Ca(OH)₂ + 2Al Ca₃ (AlO₃)₂ + 3H₂↑

Gęstość pozorna SIPOREKSU:

ρ_p=600-700 kg/m³

Gęstość pozorna Ytonga:

ρ_p=350-500 kg/m³

Cegłe silikatowo-wapienną produkuje się ze świeżo wypalonego CaO o zawartości SiO₂ co najmniej 90 % i piasku drobnego.

Cegłę silikatową po zmieszaniu i uformowaniu elementów wstawia się do autoklawu w temperaturze 170-180^OC pod ciśnieniem ok. 10 [A] (1[A] ≈ 1[MPa]) na okres 10 godzin.

W podanych wyżej warunkach zachodzą reakcje, które powodują powstawanie materiału o stosunkowo dużej wytrzymałości.

SiO₂ + H₂O H₂SiO₃ (H₄ SiO₄)

3Ca(OH)₂ + 2H₂SiO₃ 3CaO * 2SiO₂ * 3H₂O + 2H₂O

Belit

Właściwości:

-duża wytrzymałość od 5-25 MPa wytrzymałość na ściskanie

-dość niski współczynnik przenikalności cieplnej(dobra izolacyjność cieplna i akustyczna)

-dobra przyczepność do zapraw wszelkiego rodzaju

2. SPOIWA GIPSOWE - ANHYDRYTOWE

Surowce:

1. CaSO₄ * 2H₂O - kamień wapienny (dwuwodny siarczan wapnia ,gips dwuwodny)

2. CaSO₄ - anhydryt (siarczan wapnia)

Powstały w wyniku odparowania wody z ogromnych zbiorników. Rozpuszczone w zbiornikach sole różniące się rozpuszczalnością krystalizowały w następującej kolejności:

1. CaSO₄

2. CaCO₃

3. MgCO₃

4. MgSO₄

5. MgCl₂

6. KCl

7. NaCl

W temp. < 30^OC krystalizuje się CaSO₄ * 2H₂O a w temp. > 30^OC - CaSO₄

Otrzymywanie spoiw

Powyższe surowce w celu uzyskania spoiw są poddawane obróbce:

• mechanicznej (rozdrabnianie)

• technicznej (wypalanie)

Anhydryt nie wymaga obróbki termicznej bo jest bezwodny.

Uzyskuje się następujące spoiwa:

1. gips budowlany - CaSO₄ * ½H₂O

2. anhydryt - CaSO₄

3. estrychgips (jastrych) CaSO₄ + CaO

4. pochodne:

a) anhydrytogips

b) gipsoanhydryt

OTRZYMYWANIE SPOIW GIPSOWYCH

Ad.1.

CaSO₄ * 2H₂O CaSO₄ * ½H₂O + 3/2H₂O

półwodny gips

Ad.2.

CaSO₄ - rozdrobnić

Ad.3.

Otrzymuje się poprzez wypalanie gipsu dwuwodnego lub anhydrytu ale w temperaturach znacznie wyższych (ok. 800^OC lub 1200^OC).

2CaSO₄ * 2H₂O 2CaSO₄ + 4H₂O

2CaSO₄ CaSO₄ + CaO + SO₃+1/2O₂

Ad.4.

Gipsoanhydryt i anhydrytogips są mieszane w różnym stosunku - anhydryt + gips.

Spoiwo to wiąże w obecności katalizatorów: K₂SO₄, Na₂SO₄, Ca(OH)₂.

WIĄZANIA SPOIW GIPSOWYCH

Ad.1.

CaSO₄ * ½H₂O + 3/2H₂O CaSO₄ * 2H₂O

Ad.2.

CaSO₄ + 2H₂O CaSO₄ * 2H₂O

Anhydryt wiąże wolniej od gipsu półwodnego.

Ad.3.

Wiąże najwolniej, tak jak gips i wapno palone.

CaO+H₂O→Ca(OH)₂+CO₂→CaCO₃+2H₂O→Ca(OH)₂*2H₂O

CaSO₄+2H₂O→CaSO₄*2H₂O

Do niedawna spoiwa gipsowe były stosowane w budownictwie tylko w postaci zaczynów.

Do uzyskania materiałów o wyższych wytrzymałościach jako spoiwa stosowany jest głównie estrychgips,który wiąże znacznie wolniej ale uzyskuje się wytrzymałości po 20 godzinach rzędu 15-20 MPa a nawet 30 MPa.

Z tego gipsu wykonuje się zaprawy z piaskiem z mielonym żużlem tzw.popularne `'CEKOLE''

WODA ZAROBOWA + CEMENT

↓

ZACZYN + KRUSZYWO DROBNE < [2mm]

↓

ZAPRAWA + KRUSZYWO GRUBE > [2mm]

↓

MIESZANKA BETONOWA

SPOIWO + WODA

↓

ZACZYN

SPOIWO + KRUSZYWO DROBNE

↓

ZAPRAWA

Wytrzymałość zaczynów gipsowych zależna jest od ilości wody zużytej do zarobienia sproszkowanego gipsu czyli od tzw. Stosunku wg (wodno-gipsowego)

W	= 0,5	, to 12 [MPa]
G
W			= 0,6	, to 9 [MPa]
G
W			= 0,7	, to 6,5 [MPa]
G
W			= 0,8	, to 4,5 [MPa]
G

Gdy dużo wody to maleje wytrzymałość.

Wyroby z gipsu,zarówno zaczyny jak i zaprawy ,stosuje się tylko w [pomieszczeniach wewnętrznych ponieważ są one bardzo wrażliwe na zawilgocenie .

W spoiwach, do których dodaje się wody, woda spełnia dwa zadania:

• jest niezbędna do reakcji wiązania;

• pozwala na uzyskanie określonej konsystencji.

Np. w przypadku wiązani gipsu:

CaSO₄ * ½H₂O + 3/2H₂O CaSO₄ * 2H₂O

Z reakcji wynika, że na 145 [g] CaSO₄ * ½H₂O potrzeba 27 [g] H₂O, a na 1000 [g] 186 [g] H₂O.

Istnieje specjalny rodzaj wyrobów gipsowych uzyskiwanych przy użyciu 20 % wody, prasowanych pod ciśnieniem, gdzie materiał otrzymuje wytrzymałość ok. 30 [MPa].

Wyroby gipsowe w środowisku wilgotnym tracą swoją wytrzymałość.

ZASTOSOWANIE GIPSU

• do wyrobów prefabrykatów, wszelkiego rodzaju płyt;

• do odlewania różnych kształtek;

• jako materiał rzeźbiarski;

• do wyrobów sztucznych marmurów - STIUKÓW;

• do naprawy rys i pęknięć;

• do zapraw murarskich, w pomieszczeniach nie narażonych na działanie wilgoci;

• do układania jastrychowych posadzek lub bezspoinowych podkładów.

- do tynków wewnętrznych

PODSUMOWANIE

1. wyroby gipsowe otrzymują wytrzymałość od 4 do 12 [MPa] a z anhydrytu nawet do 30 MPa;

2. gips w procesie wiązania zwiększa swoją objętość (cement się kurczy);

3. gips w odróżnieniu od cementu wiąże bardzo szybko (początek wiązania po kilku minutach a koniec po około 20-30 minutach), dlatego z reguły dodaje się opóźniaczy czyli katalizatorów ujemnych;

4. gips jest odporny na wysokie temperatury, ale polany wodą pęka;

5. gipsu nie można stosować ze stalą (powoduje korozję stali bo zawiera SO₃).

3. SPOIWA HYDRAULICZNE

O przynależności do spoiw hydraulicznych decydują następujące moduły:

1. moduł hydrauliczny

M_H=CaO / SiO₂ + Al₂O₃ + Fe₂O₃ < 4.5 w spoiwach hydraulicznych ( w praktyce 1.7 - 2.3 ) ,M_H > 4.5 w spoiwach powietrznych.

2. moduł krzemianowy

M_K= SiO₂ / Al₂O₃ + Fe₂O₃ 2.4-2.7

3. moduł glinianowy

M_G= Al₂O₃ / Fe₂O₃ 1 - 4 (w praktyce 1 - 2.8 )

Moduł hydrauliczny duży - duża zawartość CaO, szybki przyrost wytrzymałości, mała odporność na korozję.

Moduł krzemianowy duży - mała szybkość wiązania.

Moduł glinianowy mały - mały skurcz.

Moduł glinianowy duży - wzrost szybkości wiązania, mała odporność na korozję siarczanową.

Wszystkie moduły określa się dla klinkieru cementowego, a nie dla cementu, które posiadają już dodatki.

Surowce do produkcji cementu:

• podstawowe: - wapienie w ilości 80-85%

- glina m 10-20 %

- piasek kwarcowy <10%

• korekcyjne <5%: - SiO₂ przy niedoborze krzemionki

- Fe₂O₃ w postaci rudy lub żużli hutniczych.

Istnieją dwie metody otrzymywania cementów:

• metoda sucha (duże pylenie)

• metoda mokra (duża energochłonność na odparowanie wody )

Etapy produkcji cementów:

• rozdrabnianie surowców skalnych;

• odważanie i powtórne mielenie;

• mieszanie na sucho lub na mokro;

• wypalanie w piecu (temp. Ok. 1400^OC);

• mielenie produktu wypalania (klinkieru) z domieszką gipsu do 5 %.

Podczas wypalania surowców w temperaturach od 20 ^OC do 1450 ^OC zachodzą skomplikowane reakcje w różnych temperaturach, przy czym w max temperaturze zachodzi proces klinkieryzacji (nadtapiania się )Po schłodzeniu klinkier jest mielony z dodatkiem gipsu (zawsze) i z innymi dodatkami typu popiół, żużle, krzemionka -w przypadku cementów portlandzkich mieszanych.

Zużycie energii w metodzie mokrej jest ok. 3-krotnie wyższe niż w metodzie suchej.

W procesie wypalania powstają minerały o właściwościach hydraulicznych.

Skład cementu wyrażony w postaci zawartości % tlenków:

- CaO - 62 - 68 % C

- SiO₂ - 18 - 25 % S

- Al₂O₃ - 4 - 8 % A

- Fe₂O₃ - 2 - 4 % F

- SO₃ - 0,8 - 3 % Š

- H₂O H

Skład cementu wyrażony w postaci zawartości % podstawowych minerałów:

1. 3CaO₃ * SiO₂ 50 - 65 % - alit

C₃S

2. 2CaO * SiO₂ 15 - 28 % - belit

C₂S

3. 3CaO * Al₂O₃ 8 - 11 % (15 %) - glinian trójwapniowy

C₃A

4. 4CaO * Al₂O₃ * Fe₂O₃ 8 - 11 % (15 %) - brownmilleryt

C₄AF

5. Gips jako dodatek zawsze do 5%

Poszczególne minerały decydują o następujących cechach technicznych:

Ad.1. Zawartość alitu decyduje o czasie wiązania i wytrzymałości.

Ad.2. Zawartość belitu decyduje o wytrzymałości wiąże najwolniej.

Ad.3. Zawartość glinianu trójwapniowego w istotny sposób decyduje o czasie wiązania, jego duża zawartość może powodować wystąpienie tzw. fałszywego wiązania.

Ad.4. Zawartość brownmillerytu decyduje o wszystkich cechach, a przede wszystkim o barwie ze względu na zawartość Fe₂O₃.

Cementy białe mogą zawierać tylko mniej niż 1% Fe₂O₃

Do klinkieru cementowego zawierającego wyżej wymiwnione minerały dodaje się od 2-5% CaSO₄*2H₂O,który jest regulatorem wiązania(wydłuża czas wiązania)

Najbardziej aktywnym minerałem który wiąże najszybciej jest glinian trójwapniowy,którego duża obecność może powodować wystąpienie tzw. fałszywego wiązania.

Gips dodany do klinkieru reaguje przede wszystkim z C₃A w wyniku następującej reakcji:

3Ca*Al₂O₃+3CaSO₄*2H₂O+26H₂O→3CaOAl₂O₃*3CaSO₄*32H₂O

ETRYNGIT

Gips jest stosowany jako regulator wiązania - opóźnia wiązanie: C₃A.

Minerały cementowe

3CaO₃ * SiO₂ 50 - 65 %

2CaO * SiO₂ 15 - 28 %

3CaO * Al₂O₃ 8 - 11 % (15 %)

4CaO * Al₂O₃ * Fe₂O₃ 8 - 11 % (15 %)

---------------------------------

+ gips 2 - 5 %

CaSO₄ * 2H₂O lub CaSO₄

Procesy wiązania są procesami samorzutnymi i zachodzą w wydzieleniem ciepła.

Wiązania cementu:

1. 2 x 3CaO * SiO₂ + 6H₂O 3CaO * 2SiO₂ * 3H₂O + 3Ca(OH)₂ + Q₁

2. 2 x 2CaO * SiO₂ + 4H₂O 3CaO * 2SiO₂ * 3H₂O + Ca(OH)₂ + Q₂

3. 3CaO * Al₂O₃ + 6H₂O 3CaO * Al₂O₃ * 6H₂O + Q₃

4. 4CaO*Al₂O₃*Fe₂O₃ + 7H₂O 3CaO*Al₂O₃*6H₂O + CaO*Fe₂O₃*H₂O + Q₄

W trakcie wiązania 4 podstawowych minerałów cementu wydzielają się różne ilości ciepła przy czym:

Q₃ > Q₁ > Q₄ > Q₂

MINERAŁ	ILOŚĆ WYDZIELONEGO CIEPŁA [J/g]
		po 3 dniach	po 28 dniach
C3S	388	640
C2S	60	336
C3A	564	1016
C4AF	168	544

Minerały C₃A i C₃S oznaczają się energicznym wydzielaniem ciepła w początkowym okresie wiązania i powolnym narastaniu w późniejszym okresie.

Wzrost temperatury o 10 °C powoduje przyśpieszenie reakcji wiązania 2-4 krotnie

C₂S decyduje przede wszystkim o wytrzymałości ale w późniejszym okresie (po 28 dniach)

Charakterystyka cementu portlandzkiego

-uniwersalny

-stosunkowo szybko twardniejący zarówno na powietrzu jak i w wodzie

-może być stosowany w warunkach naturalnych (w temperaturze otoczenia) oraz w betonach naparzanych do temp. Ok. +80°C

W zależności od zawartości podstawowych składników istnieją 4 rodzaje tzw cementów powszechnego użytku, które posiadają symbole:

CEM I, CEM II, CEM III, CEM IV

Cement portlandzki CEM I

Cementy portlandzkie mieszane

-Cement portlandzki żużlowy CEM II/A-S

CEM II/B-S

-Cement portlandzki krzemionkowy CEM II/A-D

-Cement portlandzki pucolanowy CEM II/A-P

CEM II/B-P

CEM II/A-Q

CEM II/B-Q

-Cement portlandzki wapienny CEM II/A-L

CEM II/B-L

-Cement portlandzki popiołowy CEM II/A-V

CEM II/B-V

CEM II/A-W

CEM II/B-W

Cement Hutniczy CEM III/A

CEM III/B

Cement pucolanowy CEM IV/A

CEM IV/B

A-mniej dodatków

B-więcej dodatków

W cementach CEM II poszczególne symbole oznaczają rodzaj dodatku:

S-żużel wielkopiecowy

D-pył krzemionkowy

P-pucolana naturalna

Q-pucolana przemysłowa

V-popiół lotny krzemionkowy

W-popiół lotny wapienny

L- wapień

Nazwa	Symbol	Mak.ilość składnika nieklinkierowego %
Cement portlandzki	CEM I	5
Cement portlandzki mieszany	CEM II/A	20
		CEM II/B	35
	Cement hutniczy	CEM III/A	65
		CEM III/B	80
	Cement pucolanowy	CEM IV/A	35
		CEM IV/B	55

Cement Hutniczy

Do produkcji stosuje się klinkier , żużel wielkopiecowy oraz gips .O przydatności żużla do produkcji cementu decyduje tzw. moduł zasadowy M_Z.

M_Z=CaO + MgO / SiO₂ + Al₂O₃ > 0.95

Cement hutniczy w skrajnym przypadku może zawierać około 20 % klinkieru.

Właściwości:

-wolniej wiąże i twardnieje w ciągu pierwszych tygodni

-ma stosunkowo wysoką odporność na działanie większości rozcieńczonych kwasów

-nie można go jednak naparzać , musi dojrzewać w naturalnych warunkach

-stosowany jest między innymi przy budowie oczyszczalni ścieków ze względu na ograniczoną zawartość C₃A , który jest najbardziej wrażliwy na działanie jonów siarczanowych SO₄.

Cement Glinowy

Podstawowymi składnikami cementu glinowego są gliniany wapnia .Oprócz C₃A zawiera: 3 CaO Al₂O₃ - glinian trójwapniowy

CaO Al₂O₃ - glinian wapniowy

CaO 2 Al₂O₃ - dwuglinian wapniowy

5 CaO 3Al₂O₃ - trójglinian pięciowapniowy

Skład cementu glinowego i portlandzkiego

	Cement glinowy	Cement portlandzki
Al2O3	40%	6%
CaO	30%	60%
SiO2	do 10%	ponad 20%

Cechy charakterystyczne:

-czas wiązania i twardnienia krótszy aniżeli w cemencie portlandzkim

-już po 24 godzinach uzyskuje około 80% swojej wytrzymałości normowej 28 dniowej

-nie zawiera ani alitu ani belitu w związku z tym w procesie wiązania nie wydziela się Ca(OH)₂ bardzo podatny na korozję

-wyroby z cementu glinowego są odporne na działanie większości rozcieńczonych kwasów

Do spoiw hydraulicznych należy wapno hydrauliczne(odróżnić od wapna hydratyzowanego Ca(OH)₂).Moduł hydrauliczny:

M_H=3.5 - 4.5 < 4.5

W skład wapna hydraulicznego wchodzą dwa minerały o właściwościach hydraulicznych:

1. belit 2CaOSiO₂

2. glinian trójwapniowy 3CaOAl₂O₃

oraz :

3 CaO

Wiązanie:

1. 2*2CaOSiO₂ + 4H₂O → 3CaOSiO₂ *3H₂O + Ca(OH)₂

2. 3CaOAl₂O₃ + 6H₂O → 3CaOAl₂O₃*6H₂O

3. CaO + H₂O → Ca(OH)₂ + CO₂ + 4H₂O → CaCO₃

Z wapna hydraulicznego można uzyskać materiały o wytrzymałości do 12 MPa.

Zaprawy:

Zaprawy stosujemy do:

-łączenia elementów budowlanych w jedną całość

-wypełniania spoin co pozwala na równomierne przenoszenie obciążeń

-tynki ochronne zabezpieczające przed wpływami atmosferycznymi i nadające odpowiedni wygląd estetyczny

W zależności od użytego spoiwa zaprawy budowlane dzielą się na:

1. Wapienne (w)

-długo twardnieją

-dobrze urabialne

-nie odporne na działanie wody

-twardnieją w obecności CO₂

-służą do wznoszenia murów o małym obciążeniu

2.Cementowe ( c )

-słabo urabialne ,dlatego dodaje się wapno

-można uzyskać zaprawy o stosunkowo dużej wytrzymałości stąd stosowane między innymi do tynków wodoszczelnych ,robót murarskich , podkładów podłogowych

3.Cementowo-wapienne (cw)

-najczęściej stosowane

-średnia wytrzymałość i urabialność

-zużycie w ciągu 5 godzin

-stosowane między innymi do robót murarskich , tynków , okładzin

4.Gipsowe (g)

-zużycie w ciągu 15-60 minut

-pęcznieją

-powodują korozję stali

-nie odporne na działanie wody

-stosowane wewnątrz pomieszczeń

Oprócz wymienionych rodzajów zapraw istnieją jeszcze zaprawy gipsowo-wapienne o właściwościach pośrednich między zaprawami gipsowymi a wapiennymi (gw) , zaprawy cementowo-gliniane (cgl) odporne na działanie wysokich temperatur.

W zależności od wytrzymałości na ściskanie zaprawy mogą posiadać różne marki:

-rozróżnia się następujące marki zapraw:

M03 , M06 , M1 , M2 , M4 , M7 , M12 , M15 , M20

Marka-symbol literowo-liczbowy określający średnią wytrzymałość na ściskanie prostopadłościennych beleczek 4*4*16 cm , na których bada się uprzednio wytrzymałość na zginanie gdzie liczba oznacza wytrzymałość w MPa.

Oprócz wytrzymałości na ściskanie zaprawy powinny charakteryzować się określonymi właściwościami: nasiąkliwością , wilgotnością , gęstością pozorną , mrozoodpornością , skurczem , przyczepnością do podłoża , podciąganiem kapilarnym.

Marka zaprawy zależy od stosunku mas lub objętości spoiwa do kruszywa.

Orientacyjne składy zapraw cementowych w zależności od marki zaprawy i klasy cementu:

Klasa cementu	Proporcje objętościowe cement:piasek
		M2	M4	M7	M12	M15	M20
32.5	1:6	1:5	1:4	1:3	1:2	1:1
42.5	-	-	-	1:3.5	1:3	1:1.5

Przybliżone proporcje składników , które warunkują uzyskanie odpowiednich marek niższych zapraw są podane w normie Zaprawy budowlane Zwykłe PN-90/B-14501.Natomiast składy zapraw cementowych wyższych marek projektuje się w oparciu o następującą zależność , która uwzględnia klasę cementu i markę zaprawy:

R_Z = R_C *( 1/n -0.05) + 4 gdzie n=p/c (piasek/cement)

Przykład:

Należy obliczyć p/c dla zaprawy cementowej marki M15 z cementu klasy 42.5

15 = 42.5*(1/n-0.05) + 4

n=3.2

p/c=3.2

p=3.2 *c

W sprzedaży znajdują się suche zaprawy , które należy tylko rozmieszać z określoną ilością wody (Atlas ,Ceresit)

Zaprawy specjalne-z siarki i mielonego piasku oraz dodatkiem sadzy ,przed użyciem należy je stopić .Stopiona masa nadaje się między innymi do zakotwienia metalowych słupków,

Zaprawy szamotowe-ze zmielonego piasku szamotowego ,glin ogniotrwałych uprzednio wypalonych.

Ceramika (kamienie sztuczne wypalane):

Są to materiały , które po odpowiednim przerobieniu i uformowaniu glin lub mas ceramicznych zostają wypalone uzyskując odpowiednią wytrzymałość.

Surowce ceramiczne dzielą się na :

-plastyczne (gliny , kaolinit , łupki ilaste ), które po zarobieniu wodą dają się formować w dowolny kształt .Podstawowym składnikiem surowców plastycznych jest kaolinit , który powstaje w wyniku rozpadu skaleni Al₂O₃SiO₂2H₂O.

-nieplastyczne -piasek kwarcytowy , łupki kwarcytowe , związki wapnia i magnezu plus żużel wielkopiecowy w ilości od 20 do 30%masy.

Etapy produkcji:

-wydobycie surowca

-rozdrobnienie

-mieszanie (ujednorodnienie masy ceglarskiej)

-kształtowanie wyrobów ceramicznych

-proces suszenia (do temperatury około 80°C )

-wypalanie (do temperatury około 1400°C w przypadku glin ogniotrwałych a w przypadku glin zwykłych do 1000°C )

W procesie wypalania w poszczególnych wzrastających temperaturach zachodzą następujące procesy :

Do 110°C-ostateczne wysuszenie

Około 200°-300C-rozkład związków organicznych z wydzieleniem CO₂(porowatość)

Od 300-600°C-rozkład niektórych związków żelaza

600-ponad 900°C-rozkład węglanów CaCO₃ , MgCO₃ , FeCO₃

około 1000°C-proces nadtapiania (witryfikacji )

W wyniku wypalania uzyskuje się tzw. czerep

Zabarwienie wyrobów ceramicznych zależy od zawartości w nich tlenków barwiących Fe₂O₃ (czerwono ) oraz białych Al₂O₃ , CaO , MgO , SiO₂

-Jeżeli zawartość Fe₂O₃ < 1 a dużo Al₂O₃ to wyroby białe

-Jeżeli Fe₂O₃ < 2% to wyroby żółte

-Jeżeli Fe₂O₃ >7% a mało CaO , Al₂O₃ to wyroby czerwone

Ze względu na temperaturę topnienia glin , gliny dzielą się na:

-łatwotopliwe -T_t<1350°C

-średniotopliwe -T_t -1350-1580°C

-trudnotopliwe -T_t >1580°C

K₂Oal₂O₃6SiO₂ + CO₂ + 2H2O Al₂O₃2SiO₂2H₂O + 4SiO₂ + K₂CO₃

Ortoklaz wietrzenie

Podstawowy surowiec KAOLINIT

Al₂O₃2SiO₂2H₂O - główny składnik glin , iłów , łupków

Inne domieszki :piasek , żwir , CaCO₃ , MgCO₃ , tlenki żelaza , glinu , wapnia itp.

Podział wyrobów ceramicznych:

1.W zależności od stopnia wypalenia dzielą się na dwie grupy:

1. o strukturze porowatej (czerep porowaty), największa nasiąkliwość (20-22%)

• wyroby ceglarskie (cegły pełne , dziurawki , dachówki,.....)

• wyroby szkliwione (kafle, płytki ścienne , ....)

• wyroby ogniotrwałe (szamotowe, krzemionkowe, magnezytowe,)

2. o strukturze trwałej (czerep spieczony) , nasiąkliwość mniejsza od 6%

• cegły klinkierowe, cegły kanalizacyjne, cegły kominówki, klinkier drogowy, rury i kształtki kanalizacyjne

3. ceramika półszlachetna (barwa biała albo kremowa) , nasiąkliwość nie powinna być > 3%

• wyroby fajansowe, płytki ścienne szkliwione, przybory sanitarne, itp.

4. ceramika szlachetna

• porcelana

• porcelity

2 Według zastosowania:

-wyroby ścienne: cegła zwykła pełna, dziurawka, kratówka klinkierowa, pustaki ścienne

-wyroby ceramiczne stropowe

-wyroby do budowy przewodów kominowych ( kominówki)

-wyroby do pokrycia dachowego (dachówki)]

-okładziny ścian i posadzek (płytki klinkierowe i podłogowe)

-wyroby do budowy dróg (klinkier drogowy )

-wyroby kanalizacyjne (cegła pełna kanalizacyjna , rurki i kształtki kanalizacyjne)

-wyroby melioracyjne (rurki drenarskie )

Klinkier-tworzywo spieczone (częściowo nadtopione) z glin wapienno-żelazistych z dodatkiem surowców schudzających .Jest nie nasiąkliwy i o dużej wytrzymałości.

Ceramikę ogniotrwałą produkuje się z glin ogniotrwałych z dodatkiem zmielonego szamotu.

Fajans-wyrób szlachetny zawierający 55%substancji ilastych , 35%kwarcu i 10% skaleni .Wyroby fajansowe są szkliwione.

Porcelit-skład zbliżony do fajansu z większą ilością skaleni z 5%dodatkiem CaCO₃.

Porcelana-tworzywo szlachetne spieczone , prześwietlające otrzymywane z pławionego kaolitu. Jest wypalana dwukrotnie.

Polewy ceramiczne-szkliste warstewki o grubości do 0.3 mm , którymi pokrywa się wyroby ceramiczne i utrwala poprzez powtórne wypalanie .Mogą być przezroczyste (gdzie się zachowuje barwę czerepu), nieprzezroczyste najczęściej barwione związkami żelaza , manganu , niklu .Generalnie temperatura topnienia polewy powinna być niższa a co najwyżej równa temperaturze spiekania czerepu .Temperatura topnienia obniża w polewach zawartość tlenków alkaicznych Na₂O ,K₂o -polewy niskotopliwe a SiO₂ podwyższa temperaturę topnienia.

Wady wyrobów ceramicznych:

1.Margle w glinach , których głównym składnikiem jest CaCO₃

CaCO₃CaO + CO₂

CaO + H₂O Ca(OH)₂ + 2H₂O Ca(OH)₂*2H₂O

Zwiększa objętość co powoduje pękanie

Wyrobów ceramicznych

Ca(OH)₂ + CO₂ CaCO₃ + H₂O

Nadmierna ilość tlenku wapnia w glinach ( z margli ) w zetknięciu z wilgocią powoduje pękanie gotowych wyrobów.

2.Wady suszenia i wady wypalania - powodują powstawanie pęknięć w materiale

3.Sole rozpuszczalne w surowcu i materiale finalnym a przede wszystkim sole siarczanowe mają właściwości higroskopijne (pochłaniają wodę ) oraz krystalizują z określoną ilością cząsteczek wody. Są 3 rodzaje:

Siarczany bez wodne:

Na₂SO₄ + 10H₂O Na₂SO₄*10H₂O

CaSO₄ + 2H₂O CaSO₄*2H₂O

MgSO₄ + 7H₂O MgSO₄*7H₂O

Wszystkie produkcje reakcji z wodą mają zwiększoną objętość , krystalizują na powierzchni wyrobów tworząc białe wykwity.

Właściwości fizyczne ceramiki budowlanej:

-gęstość około 2700 kg/m³

-gęstość pozorna 1600-1900 kg/m³

-nasiąkliwość wagowa do około 20%

-przewodność cieplna 0.7 W/mK

-R_Ściskanie=10R_Rozciąganie=5R_Zginanie

Przemysł ceramiczny zmierza do uzyskania materiałów bardzo porowatych ale o nasiąkliwości nieprzekraczającej 22% ponieważ materiał taki zapewnia lepszą izolacyjność.

Podstawowym wyrobem ceramicznym jest pełna cegła ceramiczna o następujących wymiarach: 25 * 12 * 6.5 cm

1. CEGŁA PEŁNA

wymiary 25x 12 x 6,5 cm

klasy 20, 15 ,10, 7,5, 5

powierzchnia otworu nie większa niż 2 cm²

2. DZIURAWKA

Powierzchnia otworu nie większa niż 3 cm²

3. KRATÓWKA

K-1 (25 x 12 x 6,5 )

K-2 ( 25 x 12 x 14)

Klasy 15, 10 7,5

4. PUSTAKI CERAMICZNE ŚCIENNE

Trzy typy wysokości: 13,8 , 18,8 , 22,0

Klasy 15, 10, 7,5 , 5

5. PUSTAKI STROPOWE

-Akermana wys. 15 , 18 , 20 , 22 cm

-Fert: dwie odmiany 2e

6. materiały do krycia dachów (dachówki)

7. cegła klinkierowa

h) kominówka

4. PROJEKTOWANIE BETONU

1. Dobranie odpowiednich składników;

2. Ustalenie proporcji między tymi składnikami.

Projektowanie przebiega w oparciu o założenia:

a) wytrzymałość na ściskanie; związana z nią jest klasa betonu:

B - 7,5 gwarantowana wytrzymałość: Rb^G

B - 10 betony chude

B - 15 betony konstrukcyjne

B - 17,5

B - 20

B - 25

B - 30

B - 35

B - 40

B - 50

Wytrzymałość gwarantowana - wymagana przy danej klasie; ograniczenie dolne wytrzymałości betonu z uwzględnieniem liczby próbek przy założonej wadliwości 5% i poziomie ufności 0,5.

b) wykonawca: koszt, początek i koniec czasu wiązania.

Konsystencja - podatność mieszanki betonowej do przemieszczania się pod wpływem siły bez utraty jej jednorodności (inaczej ciekłość).

Pięć rodzajów konsystencji:

K - 1 konsystencja wilgotna

K - 2 konsystencja gęstoplastyczna

K - 3 konsystencja plastyczna

K - 4 konsystencja półciekła

K - 5 konsystencja ciekła

Urabialność - zdatność mieszanki betonowej do wypełnienia naczynia bez utraty jej jednorodności przy przyjętym sposobie zagęszczania.

Mrozoodporność:

F - 25 (ilość cykli jakie wytrzyma próbka do pierwszego zniszczenia)

F - 50

F - 75

Wodoszczelność:

W - 2

W - 4 (dziesięciokrotna wartość działania wody na próbki)

Metody projektowania betonu

1. Metody obliczeniowe (analityczne); metoda trzech równań:

równanie BOLOMEY'a:

Dla	C	< 2,5 Ř= A1 (	C	- 0,5 )
			W			W
	Dla		C		≥ 2,5 Ř = A2 (	C	+ 0,5 )
			W			W

Ř - wytrzymałość średnia betonu na ściskanie

A_1,2 - współczynniki zależne od klasy cementu i od rodzaju kruszywa

C - ilość cementu w [kg] w [m³]

W - ilość wody w [kg] w [m³]

Równanie szczelności - ilość składników mieszanki powinna dać 1 [m³].

V_C + V_K + V_W = 1 [m³]

Równanie wodożądności -

W = W_K*K + W_C*C

Wodożądność - ilość wody potrzebna w mieszance betonowej do uzyskania odpowiedniej konsystencji.

W - ilość wody w [kg] w [m³]

W_K - wskaźnik wodożądności dla kruszywa

K - masa kruszywa w 1 [m³]

W_C - wskaźnik wodożądności dla cementu

C - masa cementu w 1 [m³]

2. Metody analityczno-doświadczalne:

Wyliczamy ilość składników w [m³]. Badamy cechy betonu. Korygujemy recepturę:

1. metoda pojedynczej otuliny;

2. metoda punktu piaskowego;

3. metoda podwójnej otuliny.

3. Metody doświadczalne - wykonywane są w laboratorium na próbnych zarobach. Ustalamy proporcje między kruszywem. Dobieramy wodę i cement do stosu okruchowego.

1. metoda Gruna

2. metoda Longinus”a

3. metoda Iteracji - kolejnych przybliżeń:

założenia: - układ ziaren kruszywa na sucho jest podobny do układu ziaren w mieszance betonowej;

- z dwóch betonów o jednakowej wytrzymałości ekonomiczniejszy jest ten, który zawiera większą ilość kruszywa (czyli jego stos okruchowy jest bardziej szczelny).

Szczelność stosu okruchowego:

SS =	ρn	[%]
			ρp

Wskaźnik uziarnienia - suma procentowych pozostałości na sitach normowych wyrażona w postaci ułamków w stosunku do całości przesiewanego kruszywa:

i = k k = 10

U = 10 - Σ * Σ * f i k

^k = 1 k = 1

f_ik - procentowa zawartość poszczególnych frakcji dziesięciu sit normowych

Sito	Frakcja	Zawartość [%]	Przesiew [%]
0	0 - 0,125	---	0
0,125	0,125 - 0,25	---	0
0,25	0,25 - 0,5	30	0
0,5	0,5 - 1	---	30
1	1 - 2	40	30
2	2 - 4	25	70
4	4 - 8	5	95
8	8 - 16	---	100
16	16 - 32	---	100
32	> 32	---	100
			5,25

U = 10 - 5,25 = 4,75

PUNKT 6 - idealna proporcja

Szczelność stosu okruchowego powinna być:

72% S 78%

Wskaźnik uziarnienia powinien być:

5 U 7,5

Punkt piaskowy - proporcja, stosunek, między ilością piasku (kruszywo: 32% P_p 48% drobnego) do całego kruszywa.

Etapy opracowania receptury mieszanki betonowej:

1. Ustalenie wstępnych założeń, czyli przeznaczenie i warunki użytkowania betonu, klasa betonu, stopień mrozoodporności i wodoszczelności, warunki formowania i urabialności mieszanki betonowej.

2. Dobór i ewentualne badanie składników betonu. Badanie klasy cementu, obliczanie wskaźnika uziarnienia wykorzystując do tego badanie składu ziarnowego, obliczanie wyjściowe szczelności, ustalenie gęstości nasypowej w stanie zagęszczonym i pozornej.

3. Ustalenie wstępne składu mieszanki betonowej.

4. Próby kontrolne - tworzenie próbnego zarobu, wytrzymałość, konsystencja.

5. Ewentualne korekty składu i ustalenie receptury laboratoryjnej w [kg] w [m³].

6. Receptura robocza.

Cement - spoiwo hydrauliczne (główny składnik: klinkier portlandzki + dodatki).

Kruszywo - (wypełniacz) - wypełnia objętość.

Beton - sztuczny kamień, kompozyt w skład którego wchodzą kruszywa specjalnie komponowane tworzące tzw. stos okruchowy, który w wyniku reakcji fizyko-chemicznych spoiw (w większości cementów) w obecności dodatków i domieszek jest spajany w monolityczną całość. Czyli jest to sztuczny kamień wyrabiany z: kruszyw, spoiw, dodatków i domieszek.

Mieszanka betonowa - beton przed stwardnieniem (mieszanka składników wchodzących w skład betonu ale przed stwardnieniem).

Beton jako kompozyt pięcioskładnikowy:

1. kruszywo:

• grube;

• drobne

2. spoiwo

3. woda

4. domieszki:

• zmieniające reakcje mieszanki betonowej;

• regulujące wiązanie i twardnienie cementu;

• napowietrzające

5. dodatki

• mineralne;

• włókna

Klasyfikacja betonu

1. Ze względu na gęstość objętościową (na masę 1 [m³] stwardniałego betonu):

• ciężki: > 2800 [kg/m³]

• zwykły: 2000 : 2800 [kg/m³]

• lekki: < 2000 [kg/m³]

Betony ciężkie izolują promieniowanie radioaktywne.

2. Ze względu na przeznaczenie:

• konstrukcyjny >15 [MPa]

• konstrukcyjno-izolacyjny 4 - 10 [MPa]

• izolacyjny < 4 [MPa]

• architektoniczny

3. Ze względu na technologiczne warunki pracy:

• hydrotechniczny (masywne konstrukcje);

• żaroodporny (tam gdzie występują wyższe temperatury przez dłuższy czas niż ognioodporny);

• wodoszczelny;

• mrozoodporny;

• o podwyższonej odporności na ścieranie;

• o podwyższonej odporności na agresję chemiczną;

• drogowy;

• ochrony biologicznej.

4. Ze względu na miejsce wykonania mieszanki:

• na placu budowy;

• towarowy.

5. Ze względu na rodzaj spoiwa:

• cementowy, cementowo-polimerowy, polimerowy;

• bezcementowy (spoiwo mineralne bez klinkieru portlandzkiego);

• gipsowy, cementowo-wapienny.

6. Ze względu na sposób zagęszczenia:

• ubijany;

• wibrowany;

• próżniowany;

• natryskiwany;

• prasowany;

• wibroprasowany;

• próżnioprasowany;

• samorozlewny (samozagęszczający się).

7. Ze względu na wytrzymałość:

• klasa: B 7,5 do B 60 (zwykły);

• klasa: B 60 i wyżej BWW (wysokowartościowy);

• klasa: LB 2,5 do LB 40 (lekki).

Czynniki decydujące o jakości betonu:

1. Projektowanie:

• określenie właściwości cementu, kruszywa, dodatków i domieszek;

• wybór składników;

• dobór ilości składników.

2. Mieszanie i transport:

• kolejność dozowania i czas mieszania;

• rodzaj betoniarki (grawitacyjne, wymuszone);

• środki i warunki transportu;

• układ mieszanki (np.: pompy).

3. Formowanie:

• zagęszczenie

4. Pielęgnacja:

• okres letni;

• okres zimowy.

Współzależność pomiędzy intensywnością wydzielania ciepła hydratacji (Q), a wzrostem wytrzymałości:

I - okres wstępnego wiązania

II - okres wiązania

III - okres tężenia o zmiennej intensywności

A - okres przedindukcyjny

B - okres indukcyjny

C - okres poindukcyjny

C_o - przyspieszona hydratacja

C_b - zwolnienie szybkości hydratacji

C_C - wygasanie hydratacji

Konsystencja wpływa na:

1. wiązanie → reakcja chemiczna → wskaźnik (woda, cement)

2. ułatwianie mieszania i układania w szalunku

Bez względu na konsystencję mieszanki betonowej w celu uzyskania założonej klasy betonu (R_C), należy zachować odpowiednie proporcje cementu do wody, czyli tzw. wskaźnika wodno-cementowego lub cementowo-wodnego.

Metody pomiaru konsystencji:

1. metoda stożka opadającego:

Forma w kształcie stożka o wysokości 30 [cm]. Miarą konsystencji jest opad stożka.

Metodę tą stosujemy dla mieszanek:

• plastycznych;

• ciekłych;

• półciekłych.

2. metoda Ve - Be

Miarą konsystencji jest czas od włączenia wibratora do momentu wyrównania powierzchni mieszanki.

Metodę tą stosujemy dla mieszanek:

• plastycznej;

• gęstoplastycznej;

• wilgotnej.

3. metoda rozpływu

Miarą konsystencji jest średnica rozpływu.

Metodę tą stosujemy dla mieszanek:

• o dużej ciekłości

4. Podatność na zagęszczanie (stopień zagęszczenia)

Miarą jest stopień zagęszczenia: stosunek h₁ : h₂

Urabialność zależy od:

• uziarnienia suchych składników mieszanki; aby poprawić urabialność dodaje się dodatków do 30% - popioły wielkopiecowe, mielony żużel, mikrokrzemionka (daje dużą lepkość).

Urabialność bada się tymi samymi metodami co konsystencję, a najlepiej metodą stopnia zagęszczenia.

Operacje, procesy i czynniki decydujące o jakości betonu:

Projektowanie

zakres czynności przy projektowaniu składu mieszanki betonowej

Właściwości betonu

FIZYCZNE

• gęstość, gęstość pozorna

• porowatość 3 - 12% (mikropory, pory 0,01 - 2 [mm] - przez odparowanie wody; makropory - od kilku do kilkunastu metrów - z niedostatków technologii produkcji)

• nasiąkliwość ≤ 8%

• wodoszczelność (co 24 [h] zwiększamy o 0,2 MPa ciśnienie wody)

• mrozoodporność - można zwiększyć przez zmianę struktury porów - domieszki napowietrzające

• skurcz - koniec po ok. 3 latach, do 95% skurcz przez 4 tygodnie, wielkość skurczu 0,2 promila

MECHANICZNE

• wytrzymałość na ściskanie

• wytrzymałość na rozciąganie

• wytrzymałość na zginanie

• wytrzymałość na ścinanie

• odporność na ścieranie - decyduje stos okruchowy

• przyczepność stali do betonu - zależy od zaczynu

Wytrzymałość krytyczna 0 - 5 [MPa].

Ochrona przed zamarznięciem mieszanki betonowej:

• ocieplić matami (cieplaki)

• zastosować ciepłą wodę

• obniżyć temperaturę zamarzania wody (przez zastosowanie domieszek - sole)

Wytrzymałość na ściskanie

1. na kostkach 15 x 15 x 15 [cm]

0,9* R₁₀ = R₁₅ = R₂₀*1,05

2. badanie na co najmniej trzech próbkach

3. min 1 sztuka na 50 [m³]

4. 1 sztuka na zmianę (produkcyjna)

Wytrzymałość gwarantowana R_b^G

Z prawdopodobieństwem 95% że wytrzymałość będzie nie mniejsza niż wytrzymałość gwarantowana.

R_b^G = Ř - t * s

R_b^G = Ř - 1,64 * s

s - odchylenie standardowe

s = √ Σ (R - R_i)² / n - 1 ≤ 0,2 Ř

3 ≤ n ≤ 14

1. Rmin ≥ R_b^G * α

2. Rmin ≥ R_b^G

Ř ≥ 1,2 * R_b^G

Przykład:

1. 20; 20; 20; Rmin = 20 Ř = 20 Rmin / α = R_b^G

2. 15; 20; 25; Rmin = 15 Ř = 20

1. Rmin ≥ R_b^G * α

• ≥ 17,39 * 1,15

R_b^G = 17,39 B - 15

2. 15 ≥ 13,04 * 1,15

R_b^G = 13,04 B - 12,5

Ř = 1,2 * R_b^G

1. 20 / 1,2 = 16,67

2. 20 / 1,2 = 16,67

PODSTAWOWE WŁAŚCIWOŚCI BETONU

• wytrzymałość na ściskanie;

• wytrzymałość na rozciąganie (beton zwykły 8 - 10%);

• kruchość (stosunek wytrzymałości na ściskanie do wytrzymałości na rozciąganie);

• odporność na ścieranie - tarcza Bohemego;

• odporność na obciążenia dynamiczne;

• nasiąkliwość;

• przesiąkliwość;

• mrozoodporność;

• szczelność - porowatość;

• odporność na działanie czynników chemicznych;

• odporność na działanie czynników biologicznych.

Mieszankę betonową układa się warstwami - do 20 [cm] (wilgotna, plastyczna, gęstoplastyczna) z wysokości ≤ 1,20.

Proces zagęszczania mieszanki - aby pozbyć się powietrza przez wibrowanie. Wibrowanie polega na wprowadzeniu mieszanki w drgania. Wpierw są wprowadzane ziarna kruszywa grubego w ruch drgający co zmniejsza tarcie między ziarnami kruszywa. Kruszywo grube wypycha powietrze. Kolejny etap - wchodzą w drgania ziarna kruszywa drobnego i w następnej kolejności ziarna cementu. Przestajemy wibrować w momencie osłabienia wydzielania się pęcherzyków powietrza.

Rewibracja - dodatkowe wibrowanie mieszanki betonowej; jednak proces ten nie może nastąpić później niż ok. 30 [min] od wibracji właściwej i wcześniej niż rozpoczyna się proces wiązania oznaczony w aparacie Vicatt'a.

Po związaniu betonu mierzymy okres dojrzewania.

Wzrost wytrzymałości jest większy dla niższych klas betonu, dla klas wyższych wzrost jest mniejszy.

Rozróżniamy cztery klasy wibratorów:

• 
  
  wgłębne

• powierzchniowe

• przyczepne

• stoły wibracyjne - urządzenie, przy użyciu którego następuje zagęszczenie objętościowe, tzn. w każdym momencie zagęszczenia mieszanka podlega takim samym oddziaływaniom .

Aby nastąpiło zagęszczenie w procesie wibracji, minimalna częstotliwość drgań wynosi fmin = 1500 drgań/^min. W Polsce produkowane są wibratory fmin = 3000 - 9000 drgań/^min. Amplituda drgań A = 0,01 - 1,0 [mm].

Warunki wiązania i dojrzewania betonu

Najważniejsze jest kilka do kilkunastu pierwszych dni. W pierwszych dniach następuje intensywne odprowadzanie wody, co prowadzi do skurczu. Aby tego uniknąć należy prowadzić proces pielęgnacji. Beton do 30 [MPa] po zagęszczeniu - pielęgnacja po 2 dobach. Wyższe > 30 [MPa] bezpośrednio po ułożeniu. Pielęgnacja polega na polewaniu wodą za pomocą zraszacza.

Obecne technologie nie wymagają polewania. Powierzchnie pokrywa się membraną (żywica), która nie przepuszcza wody i nie pozwala jej odprowadzić.

W przypadku betonów szczelnych i wyższych klas - pielęgnacja do 14 dni. W przypadku betonów niższych klas - pielęgnacja do 7 dni.

W okresie zimowym - podnosimy temperaturę kruszywa, wody zarobowej, stosujemy domieszki obniżające temperaturę krzepnięcia wody.

KOROZJA ZAPRAW I BETONÓW

Podział korozji w zależności od czynników powodujących degradację zapraw i betonów na I, II i III rodzaju. Można również podzielić korozję na zewnętrzną i wewnętrzną.

Poznane na ćwiczeniach rodzaje korozji: kwasowa, węglanowa, chlorkowa, siarczanowa należą do korozji zewnętrznych bo zachodzi pod wpływem czynników zewnętrznych.

Materiałem, który ulega przede wszystkim korozji zewnętrznej jest zaczyn cementowy znajdujący się w betonach i zaprawach.

Cementy oprócz swoich czterech podstawowych składników: alit, belit, glinian trójwapniowy i brownmilleryt zawierają zawsze SO3 (trójtlenek siarki) (ok. 3% gipsu oraz Na2O i K2O w ilości ok. 1%).

Na2O + H2O → 2NaOH

K2O + H2O → 2KOH

W wyniku reakcji cementu z wodą alkalia z cementu tworzą silne zasady.

pH roztworu ............... ma odczyn silnie zasadowy; pH > 13. Ten silnie alkaliczny roztwór działa (reaguje) z niektórymi formami krzemionki z kruszywa.

Kwas jako forma krystaliczna jest odporna na działanie alkaliów (halcedon i trymidyt są formami które wykazują pewną reaktywność alkaliczną). Opal jest najbardziej wrażliwy na działanie alkaliów. Kruszywo do produkcji betonów i zapraw musi posiadać określoną odporność na działanie alkaliów. W wyniku reakcji alkaliów z niektórymi formami krzemionki zachodzą procesy:

Na2O + H2O → 2NaOH

2NaOH + SiO2 → Na2SiO3

Na2SiO3 - krzemian sodowy, związek pęczniejący pod wpływem dużej ilości wody na skutek czego na powierzchni zapraw i betonów pojawiają się zacieki.

Dużą reaktywność alkaliczną wykazują również kruszywa dolomitowe:

CaCO3 * MgCO3 + 2NaOH → CaCO3 + Mg(OH)2 + Na2CO3

Na2CO3 + Ca(OH)2 → CaCO3 + 2NaOH

W wyniku tej reakcji odtwarzają się zasady, które mogą reagować dalej.

Zapobieganie korozjom

Są dwa rodzaje ochrony:

1. Ochrona materiałowo-strukturalna, tzw. pierwotna. Dotyczy przede wszystkim prawidłowego projektu mieszanki betonowej, łącznie z wykonaniem i pielęgnacją tego betonu (dobrze zaprojektowany beton musi być szczelny), co ma doprowadzić do uzyskania betonu szczelnego. Beton szczelny jest mało nasiąkliwy, ma większą mrozoodporność.

Jeśli chodzi o ochronę materiałową, to cementy, które się stosuje do produkcji betonów, które będą narażone na działanie czynników agresywnych powinny posiadać minimalne ilości C3A < 5%b (dotyczy korozji siarczanowej) i ∑ Na2O + K2O < 0,6% (dotyczy korozji wewnętrznej alkalicznej). Muszą mieć ograniczoną ilość tlenków alkalicznych.

2. Ochrona powierzchniowa wtórna powierzchni betonowych, powlekanie powierzchni różnymi substancjami organicznymi (żywice, smoły, lepiki, woski) w wyniku czego następuje odcięcie powierzchni betonu od szkodliwego środowiska.

Drugi sposób polega na uszczelnianiu powierzchni betonu poprzez powlekanie - kilkakrotne - roztworami, które zamierają związki reagujące ze składnikami betonu z wytworzeniem trudno rozpuszczalnych soli uszczelniających beton. Dotychczas najczęściej stosowana była tzw. fluatyzacja, fluaty - sole kwasu sześciofluorokrzemowego: H2SiF6 → ZnSiF5.

ZnSiF6 + 2Ca(OH)2 → ZnF2↓ + 2CaF2↓ + SiO2

ZnSiF6 + 2CaCO3 → ZnF2↓ + 2CaF2↓ + 2CO2↑

3. Silikatyzacja - polega na polewaniu powierzchni betonu szkłem wodnym Na2SiO3, które z Ca(OH)2 reaguje w następujący sposób:

Na2SiO3 + Ca(OH)2 → CaSiO3↓ + 2NaOH

4. Silikonowanie - silikony są to substancje hydrofobowe, polimery krzemowe, tlenowe (organiczne), które są zawarte w wielu farbach do powlekania:

- S - O - Si - O - Si - R (rudniki)

R

METALE I STOPY W BUDOWNICTWIE

Metale otrzymuje się z rud. Rudy żelaza zawierają:

Fe₂⁺³ O₃ Fe ⁰

Metale otrzymuje się w procesie redukcji.

Metale w przyrodzie występują w postaci związanej - związków. Najczęściej są to tlenki, siarczki lub siarczany tych metali. Metale z rud otrzymuje się w wyniku procesu redukcji.

Metale i stopy dzieli się na:

• żelazne;

• nieżelazne: aluminium, miedź, nikiel, kobalt.

Cechy metali i stopów:

• dobra przewodność elektryczna i cieplna;

• połysk;

• struktura krystaliczna;

• kowalność.

W budownictwie czyste metale nie są stosowane, ale stopy metali.

Stop - powstaje przez stopienie dwóch lub więcej składników.

Domieszki metali, które są na ogół celowo dodawane do stopów, często w sposób istotny zmieniają właściwości techniczne stopu w stopniu nieproporcjonalnym do udziału procentowego tych domieszek.

Na ogół stopy mają większe wytrzymałości, ale zmniejszają przewodność elektryczną i cieplną.

Istnieją różne rodzaje stopów. Najczęściej są to roztwory stałe albo mieszaniny.

Stopy posiadają temperaturę niższą od temperatur składnika o najwyższej temperaturze topnienia. I jest ona ściśle określona jak dla wszystkich metali.

Żelazo i jego stopy

Żelazo jest wydobywane z jego rud tlenkowych poprzez redukcję koksem.

C + O₂ CO₂

CO₂ + C 2CO - czad

C + ½ O₂ CO - silny reduktor, bardzo aktywny

W wielkim piecu zachodzą następujące reakcje:

3 Fe₂O₃ + CO 2Fe₃O₄ + CO₂

Fe₃O₄ + CO 3 FeO + CO₂

FeO + CO Fe + CO₂

Rudy żelaza:

Fe₂O₃ - helmatyt

Fe₃O₄ - magnetyt

FeCO₃ - syderyt

Fe₂O₃ * 3 H₂O 3 Fe(OH)₃ - limonit

FeS - piryt

Żelazo czyste:

ρ = 7874 ^kg/_m3

t t _Fe = 1535 °C

Z wielkiego pieca otrzymuje się surówkę, która jest stopem żelaza z węglem, krzemem, siarką, manganianem, fosforem. Temperatura topnienia jest o ok. 400 °C niższa od temperatury topnienia uzyskanego żelaza.

Surówkę po powtórnym przetopieniu w tzw. żeliwniakach najczęściej z dodatkiem stosu stalowego lub żeliwnego po odlaniu do odpowiednich form nazywa się żeliwem.

Składniki surówek i żeliw

Surówki i żeliwa zawierają zawsze żelazo i węgiel (od 2,5% do 4,5%). W stalach max ilość 2% węgla, zawierają zawsze krzem w ilości od 0,3% do 3%.

Węgiel występuje w trzech odmianach alotropowych:

• diament;

• grafit;

• sadza.

W surówkach i żeliwach węgiel może występować w postaci:

• wolnej - grafit - surówka szara;

• związanej - cementyt - Fe₃C - surówka biała.

Stal - stop z węglem i innymi domieszkami pierwiastków, szczególnie metali, przy czym teoretycznie zawartość węgla w stalach powinna wynosić nie więcej niż 2%, a przeciętnie do 1%.

Zgodnie z normą PN - EN - 10020 „Stal - klasyfikacja” stalą nazywamy materiał zawierający wagowo więcej żelaza niż jakiegokolwiek innego pierwiastka i w zasadzie mniej niż 2% węgla i inne pierwiastki.

Dlaczego ilość węgla musi być ograniczona do 2%?

Ponieważ zawartość węgla obniża temperaturę topnienia, podwyższa wytrzymałość i granice plastyczności, ale obniża wydłużenie i przemęczenie przy rozciąganiu nawet o 50%. Pogarsza spawalność, powoduje pęknięcia kortownicze (ulepszenie cieplne stali).

Klasyfikacja stali

Podział według składu chemicznego na dwa rodzaje:

• stale niestopowe;

• stale stopowe.

Maksymalna ilość dodatków do stali w stalach niestopowych:

Tabela nr.1

Aluminium Al J 0,10

Chrom Cr H 0,30

Kobalt Co K 0,10

Krzem Si S 0,50

Mangan Mn G 1,65

Miedź Cu Cu 0,40

Molibden Mo M 0,08

Nikiel Ni N 0,30

W stalach niestopowych symbol S oznacza spawalność.

W stalach stopowych symbol S oznacza krzem.

Znaki i gatunki stali niestopowych:

St 0	St 0 S			St 0 X	St 0 Y
St 3	St 3 S	St 3 V	St 3 W	St 3 X	St 3 Y
St 4	St 4 S	St 4 V	St 4 W
St 5
St 6
St 7

Oprócz tego w gatunku 0, 3, 4 może być dodany symbol:

S - oznacza spawalność;

V - oznacza ściśle ograniczona ilość węgla;

W - oznacza ściśle ograniczona ilość węgla, siarki i fosforu;

X - oznacza stal nieuspokojoną - stal nieodgazowana;

Y - oznacza stal półuspokojoną - stal półodgazowana.

Stale stopowe - jeżeli zawartość co najmniej jednego pierwiastka jest równa lub większa od granicznej zawartości przedstawionej w tabeli nr.1, to stal zalicza się do stopowej.

Ze względu na sumaryczny udział pierwiastków w składzie stopowym stale stopowe dzieli się na:

1. stale niskostopowe - zawartość jednego pierwiastka poza węglem nie przekracza 2%, a łączna suma dodatków stopowych nie przekracza 3,5%.

2. stale średniostopowe - zawartość jednego pierwiastka poza węglem przekracza 2%, a nie przekracza 8%, a suma dodatków stopowych jest mniejsza od 12%.

3. stale wysokostopowe - zawartość jednego pierwiastka poza węglem jest większa od 8%, a suma dodatków stopowych jest mniejsza od 55%.

W budownictwie stosuje się stale niestopowe i niskostopowe.

Symbolika stali niskostopowych:

liczba symbol zawartość %

dodatku

stopowego

np.:

18 G 2

zawartość dodatek 2%

węgla stopowy

0,18%

Symbole stali zbrojeniowych:

Zależnie od właściwości wytrzymałościowych rozróżnia się następujące klasy stali stosowanych do zbrojenia:

A - 0	przy granicy plastyczności	Re ≥ 220 [MPa]
A - I	przy granicy plastyczności	Re ≥ 240 [MPa]
A - II	przy granicy plastyczności	Re ≥ 355 [MPa]
A - III	przy granicy plastyczności	Re ≥ 410 [MPa]
A - III N	przy granicy plastyczności	Re ≥ 490 [MPa]

Wyszczególnione klasy stali odpowiadają określonym gatunkom stali niestopowych oraz niskostopowych. Litery a, b, c, d odpowiadają profilom użebrowania pręta.

St 3 SY - A - I

1 G 2-b - A - II

34 G S - A - III

METALE NIEŻELAZNE

Aluminium i jego stopy

Najważniejsze rudy aluminium:

• korund Al₂O₃ - proszek ścierny przy badaniu ścieralności mat.

• boksyt Al₂O₃ * n H₂O

• kryndit Al₂F₃ * 3 NaF

Czyste aluminium otrzymuje się w procesie elektrolizy stopionego Al₂O₃ w temperaturze ok. 1000 °C.

Właściwości fizyczne aluminium:

• srebrzysty metal;

• gęstość = 2,7 ^g/_cm3 (stal = 7,85 ^g/_cm3);

• temperatura topnienia ≈ 660 °C (stal = 1534 °C);

• przewodność elektryczna - 38 ^m/_{Ω * mm2}

• potencjał normalny - (+1,66) V

Właściwości chemiczne:

Aluminium w zetknięciu z tlenem z powietrza pokrywa się warstewką własnego tlenku Al₂O₃. Powstaje układ Al | Al₂O₃. Warstewka własnego tlenku na powierzchni aluminium zapobiega dalszej korozji. Metal staje się pasywny.

Zastosowanie

We wszystkich gałęziach przemysłu.

W budownictwie stosuje się stopy aluminium, jest ich bardzo dużo (kilkanaście tysięcy). Stopy aluminium podobnie jak czyste aluminium charakteryzują się duża wytrzymałością w stosunku do jej gęstości.

Wytrzymałość na rozciąganie stopów aluminiowych jest dwa razy większa niż w stali. Z tego powodu konstrukcje aluminiowe są od 45 - 60% lżejsze.

Łączenie elementów aluminiowych:

W stali:

• nity;

• śruby;

• spawy.

W aluminium:

• wkręty, śruby;

• nity;

• kleje;

• spawanie jest trudne ze względu na powstający Al₂O₃; należy spawać w atmosferze gazu obojętnego - argonu.

Stopy aluminium wykazują małą odporność na działanie temperatury powyżej 200°C, tracą zdolność do odkształceń sprężystych, odkształcają się plastycznie - wada.

Aluminium wykazuje odporność na działanie wielu związków chemicznych poza kwasami i zasadami, z którymi jako metal amfoteryczny tworzy:

Al + 3 HCl AlCl₃ + 3/2 H₂

Al + 3 NaOH Na₃AlO₃ + 3/2 H₂

Aluminium nie należy bezpośrednio łączyć ze stalą i innymi metalami, ponieważ może zajść korozja elektrochemiczna.

Stopy aluminium:

1. stopy do przeróbki plastycznej, z małą ilością dodatków stopowych, poniżej 10%.

np.:

hydronolium - aluminium + magnez

antikorodut - aluminium + magnez + krzem

duraluminium - aluminium + miedź

Pierwsze dwa stopy charakteryzuje średnia wytrzymałość, duża odporność na korozję. Duraluminium - duża wytrzymałość .

2. stopy odlewnicze - zawierają również jako dodatki stopowe Mg, Mn, Cu, Ni i inne ale w większych ilościach. Służą do odlewania tłoków, elementów cienkościennych.

MIEDŹ I JEGO STOPY

Miedź w przyrodzie występuje w połączeniu z siarką, a nie z tlenkiem jak rudy żelaza.

Cu₂S CuS FeS

• gęstość = 9 ^g/_cm3;

• temperatura topnienia ≈ 1100 °C;

• potencjał normalny - Π°_Cu = + 0,34 V (wyższy - trudniejsza korozja).

Miedź jest odporna na korozję, ale w zetknięciu z atmosferą po dłuższym czasie pokrywa się osadem:

PATYNĄ - Cu₂CO₃(OH)₂

Najważniejsze stopy miedzi:

- Cu + Zn - mosiądz

^{72% 28%}

- Cu + Zn - tombak

^{90% 10%}

Brązy

cynowy bezcynowy

Cu + Zn Cu + Al

Cu + Si

Cu + Pb

CYNK I JEGO STOPY

• gęstość = 7,14 ^g/_cm3

• potencjał normalny - Π°_Zn = - 0,76 V

Z cynku robi się blachy lub pokrywa się nim blachę. W blachach stalowych pokrytych warstwą cynku, cynk stanowi warstwę poświęceniową. Cynk pokrywa się w zetknięciu z atmosferą związkiem o zbliżonym składzie:

Zn₂CO₃(OH)₂

Ołów nie przepuszcza promieni X i Υ , ma zastosowanie w pomieszczeniach radiologicznych.

KOROZJA METALI I OCHRONA PRZED KOROZJĄ

Korozja - są to wszystkie procesy w wyniku, których metal lub stop użyty jako materiał konstrukcyjny ulega pod wpływem oddziaływania otoczenia i przechodzi ze stanu metalicznego w stan chemicznie związany:

2 Fe + 3/2 O₂ Fe₂O₃

Wszystkie metale, które maja znaczenie konstrukcyjne w przyrodzie występują w postaci związanej - jako tlenki i siarczki (poza złotem i częściowo rtęcią).

W wyniku procesu produkcji wprowadza się metal na wyższy poziom energetyczny. W zetknięciu z otaczającą atmosferą zaczyna zachodzić reakcja odwrotna - samorzutnie bez wymuszenia. Metal z powrotem przechodzi w stan związany, najczęściej w postać tlenku lub uwodnionego tlenku.

Metale wolne wykazują na ogół duże powinowadztwo do tlenu i wody, stąd ich naturalna tendencja do przechodzenia ze stanu wolnego w stan związany - do stanu równowagi z otoczeniem.

Poszczególne metale różnią się między sobą aktywnością chemiczną (zdolnością do reagowania). Wielkością charakteryzującą aktywność chemiczną metali jest tzw. potencjał normalny metalu Π° [V, mV]. Uwzględniając wartość potencjału normalnego poszczególnych metali został ułożony szereg elektrochemiczny, aktywność metali.

Potencjał metalu:

∏ = ∏O +	1	*	R * T	* log CMen+
			N			F

const

liczba elektronów

∏ = ∏O +	0,058	* log CMen+
			n

dla C = 1 ⇒ log 1 = 0

⇓

∏ = ∏_O

Szereg elektrochemiczny można przedstawić w postaci osi liczbowej:

- +

nie szlachetne

Na podstawie położenia metali w szeregu elektrochemicznym można przewidzieć jego zachowanie z roztworami związków innych metali.

Prawa szeregu elektrochemicznego:

1. Wszystkie metale przed wodorem rozpuszczają się w kwasach nieutleniajacych z wydzieleniem wodoru:

Al + HCl AlCl₃ + 3/2 H₂

Fe + 2 HCl FeCl₂ + H₂

Cu + 2 HCl nie rozpuszcza się

Au + HCl nie rozpuszcza się

2. Metale o niższym potencjale normalnym (mniej szlachetne) wypierają z roztworów soli metale bardziej szlachetne zajmując ich miejsce:

2 Al + 3 CuSO₄ Al₂(SO₄)₃ + 3 Cu°

2 Al + 3 FeSO₄ Al₂(SO₄)₃ + 3 Fe

Fe + Al₂(SO₄)₃ nie zachodzi

Ag + CuSO₄ nie zachodzi

Cu + AgNO₃ Cu(NO₃)₂ + 2 Ag

RODZAJE KOROZJI

1. korozja chemiczna

2. korozja elektrochemiczna - groźniejsza

Ad1. Zachodzi w suchych gazach i cieczach, które nie są elektrolitami. Głównym gazem korodującym jest tlen. W wyniku reakcji z tlenem niektóre metale pokrywają się ściśle przylegającą do nich warstewką tlenku, która zapobiega dalszej korozji. Do tych metali należą:

2 Al + 3/2 O₂ Al₂O₃ Al | Al₂O₃

2 Cr + 3/2 O₂ Cr₂O₃ Cr | Cr₂O₃

Metal pokryty własnym tlenkiem np. Al | Al₂O₃ zachowuje się tak jak gdyby był bardziej szlachetny niż w rzeczywistości, ponieważ uległ procesowi tzw. pasywacji. Dowód:

Al + CuSO₄ Cu₃(SO₄)₃ + 3 Cu

Al | Al₂O₃ + CuSO₄ reakcja nie zachodzi

Ad2. Zachodzi w roztworach elektrolitów, czyli w roztworach zasad, kwasów i soli. Na powierzchni metali i stopów powstają mikroogniwa:

1. Me^Fe (1) elektrolit

2. Me^Fe (1) elektrolit

3. Me^Fe (1) elektrolit

MECHANIZM POWSTAWANIA RDZY

O₂ + 2 H₂O + 4 ē 4 OH

Fe²⁺ + 2 OH^- Fe(OH)₂ Fe₂O₃ * n H₂O

Zapobieganie korozji:

1. Stosowanie metali i stopów odpornych na korozję;

2. Dobór kształtu konstrukcji uniemożliwiający kondensację pracy z rozpuszczonymi gazami;

3. Poprzez odcięcie powierzchni metalu od czynnika korodującego (pokrywanie farbami, olejami, lakierami oraz poprzez pokrywanie stali metalem mniej szlachetnym (np. cynk) lub metalem bardziej szlachetnym (np. miedź).

Pokrywanie stali metalem mniej szlachetnym:

przed korozją: po korozji:

Pokrycie stali metalem bardziej szlachetnym:

przed korozją: po korozji:

21

64

I I

P_c

I - I

P_c

F_o

P_t

P_t

I

F_o

P_r

I - I

I

P_r

h

b

P

P

ciśnienie

LÓD

CIECZ

temperatura

PARA

LEPISZCZA

SPIOWA

MATERIAŁY WIĄŻĄCE

- WAPIENNE - WAPNO

- MAGNEZJOWE HYDRAULICZNE

- KRZEMIANOWE - CEMENTY

- GIPSOWE

- GLINA - ASFALT

- SMOŁA

- ŻYWICA SYNTETYCZNA

HYDRAULICZNE

POWIETRZNE

ORGANICZNE

MINERALNE

ORGANICZNE

MINERALNE

R_C

wilgotność

6

5

4

3

2

1

wskaźnik uziarnienia U

S

szczelność S

R_C

[%]

III

IV

II

I

10 [min] 8 [h] 7 14 28 [dni]

Q

[J]

C

A

B C_a C_b C_c D

t_o t 7 14 28 [dni]

IIIa IIIb IIIc

H

x 15 45 [mm]

D

luźno

ułożona

mieszanka

przed

wibracją

h₁ h₂

mieszanka

zagęszczona

po

wibracji

ilość cementu

ilość zaprawy

ilość ziaren

> 0,125 [mm]

zawartość

powietrza

konsystencja

wytrzymałość

klasa betonu

W / C

warunek

konsystencji

warunek

szczelności

uziarnienie

punkt piaskowy

krzywe

graniczne

wskaźnik

uziarnienia

szczelność

urabialność

ziarna drobne

domieszki

konsystencja

ilość wody

domieszki

rodzaj kruszywa

wielkość

ziaren

właściwości

rodzaj cementu

klasa

właściwości

wybór składników dobór właściwości dobór stosu dobór proporcji sprawdzenie

mieszanki betonowej okruchowego pozostałych składników zgodności z

wymaganiami

R

wytrzymałość

90 [sek] 3 [min] t - czas zagęszczania

zagęszczają mieszankę betonową miejscowo, w promieniu swego działania

najbardziej szkodliwa reakcja zaliczana do korozji wewnętrznych

uwodniona → przechodzi w formę krystaliczną

wytracają się w postaci osadu uszczelniając beton

nie pęcznieje

zbrojenie konstrukcyjne i nośne

metal

Me

Zn - 2ē Zn²⁺

Me° - nē Meⁿ⁺

na początku: V₁ » V₂

kolejny etap: V₁ > V₂

na końcu: V₁ = V₂

V - szybkość reakcji

Zn

- +

- +

- +

Meⁿ⁺

Meⁿ⁺ H₂O

-2,84 -1,66 -0,76 -0,71 -0,44 -0,14 0 +0,34 +0,80 +1,40

Ca|Ca²⁺ Al|Al³⁺ Zn|Zn²⁺ Cr|Cr²⁺ Fe|Fe²⁺ Sn|Sn⁺ H₂|H⁺ Cu|Cu²⁺ Ag|Ag⁺ Au|Au³⁺

O₂

NaCl

rdza

rdza

Fe - 2 ē Fe^2-

powierzchnia stali

Fe

ē ē

H₂O

O₂

Zn (-0,76 V)

Fe (-0,44 V)

Cu (+0,34 V)

Fe (-0,44 V)

---