1
Wydział Chemiczny Politechniki Warszawskiej
KATEDRA TECHNOLOGII CHEMICZNEJ
SPOIWA CERAMICZNE I
MASY PLASTYCZNE
ĆWICZENIE LABORATORYJNE
(laboratorium 315, GTChem)
Prowadzący ćwiczenie: mgr inż. Milena Zalewska
Warszawa 2014
2
Część I - Spoiwa ceramiczne
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z właściwościami fizycznymi gipsu, wpływem
różnych dodatków na czas wiązania gipsu i jego właściwości mechaniczne.
Spoiwo wiążące to grupa tworzyw rozdrobnionych do postaci pyłu, które zarobione
wodą dają plastyczny zaczyn, łatwo układający i formujący się oraz wiążący po pewnym
czasie i twardniejący na powietrzu lub w wodzie. Obecnie występuje wiele podziałów jednak
najczęściej spotykany jest podział na dwie grupy różniące się wyraźnie zachowaniem się w
środowisku wodnym. Zgodnie z tym podziałem wyróżnia się spoiwa powietrzne i
hydrauliczne ( Rys.1. ).
Spoiwa powietrzne po zarobieniu wodą mogą wiązać a następnie twardnieć tylko na
powietrzu. Poddane zaś po związaniu i początkowemu stwardnieniu działaniu wody tracą
swoje właściwości wiążące i wytrzymałościowe.
Spoiwa hydrauliczne wiążą i twardnieją zarówno na powietrzu jak i w wodzie bez dostępu
powietrza.
Rys.1. Klasyfikacja spoiw wiążących ze względu na ich zachowanie w środowisku wodnym
3
Spoiwa powietrzne gipsowe
Spoiwa gipsowe i wyroby z gipsu cieszą się dużą popularnością. Polska dysponuje
dużymi pokładami gipsu i anhydrytu. Występujące w Polsce złoża gipsowe i anhydrytowe
pochodzą z dwóch okresów geologicznych: górnego permu i miocenu. W przeważającej
części stanowią produkt krystalizacji siarczanów wapnia z wody morskiej. Anhydryt jest
spotykany również wśród skał pochodzenia hydrotermalnego i w ekshalacjach
wulkanicznych, gips natomiast wśród produktów wietrzenia siarczku żelaza.
Spoiwa gipsowe można podzielić na dwie podstawowe grupy:
- spoiwa gipsowe, wytwarzane przez częściową dehydratację w niezbyt wysokich
temperaturach skał gipsowych lub gipsów odpadowych, głównym składnikiem tych spoiw
jest rozdrobniony półwodny siarczan wapnia CaSO4•1/2 H2O;
- spoiwa anhydrytowe, otrzymywane w wyniku całkowitej dehydratacji skał
gipsowych lub przeróbki anhydrytów naturalnych, natomiast głównym składnikiem tych
spoiw jest drobno zmielony i zmieszany z odpowiednimi aktywatorami bezwodny siarczan
wapnia CaSO4.
Proces dehydratacji
Najważniejszym etapem produkcji spoiw gipsowych a w większości wypadków także
i anhydrytowych jest dehydratacja dwuwodnego siarczanu wapnia (gipsu). Schemat procesu
dehydratacji przedstawiony został na Rys.2.
Rys.2. Schemat procesu dehydratacji gipsu
4
Podczas ogrzewania, dwuwodny siarczan wapnia traci wodę krystalizacyjną w dwóch
etapach. W pierwszym etapie dwuwodny przechodzi w półhydrat. Etap ten charakteryzuje się
gwałtownym wydzielaniem pary wodnej. W zależności od tego jakie warunki panują podczas
procesu dehydratacji, uzyskuje się odmianę α lub β CaSO4 • 1/2H2O. Odmiana α powstaje
gdy proces dehydratacji CaSO4 • 2H2O jest prowadzony w atmosferze nasyconej pary wodnej,
podczas gdy odmiana β półhydratu powstaje gdy para wodna jest usuwana ze środowiska
reakcji. Odmiany α i β mają taką samą strukturę, lecz różnią się zdecydowanie stopniem
wykrystalizowania.
Drugi etap odwodnienia gipsu odpowiadający przemianie do anhydrytu III jest
wynikiem dalszej utraty wody. W zależności od tego czy anhydryt powstał z odmiany α czy β
półhydratu rozróżnia się również dwie odmiany α lub β.
Ogrzewanie anhydrytu III powoduje przebudowę struktury siarczanu wapnia, wzrost
jej uporządkowania i powstanie mało aktywnego anhydrytu II. W temperaturze 800°-1000°C
powstaje gips „estrach”. Daje on materiał wiążący nazywany czasami gipsem hydraulicznym,
ze względu na to że jest on odporniejszy na działanie wody niż wyżej opisane materiały
wiążące. Jego właściwości wiążące wynikają z częściowego rozkładu bezwodnego siarczanu
wapniowego z wytworzeniem wolnego CaO.
Proces wiązania gipsu
Bardzo istotnym procesem przy wykonywaniu elementów gipsowych jest proces ich
wiązania i twardnienia. Wiązanie gipsu polega na ponownym uwodnieniu siarczanu wapnia
półwodnego do siarczanu wapnia dwuwodnego zgodnie z reakcją:
CaSO4 · ½ H2O + 3/2H2O → CaSO4 · 2H2O
Reakcja ta przebiega szybko i towarzyszy jej wydzielanie się ciepła.
W procesie wiązania półwodnego siarczanu wapnia wyróżnia się trzy podstawowe etapy:
rozpuszczanie półhydratu,
nukleację zarodków krystalizacji,
wzrost kryształów dwuhydratu.
Proces wiązania gipsu rozpoczyna się od momentu kiedy spoiwo gipsowe zmiesza się z wodą.
Spoiwo to zaczyna się rozpuszczać aż do powstania roztworu nasyconego. Z przesyconego
roztworu CaSO4 wykrystalizują kryształki gipsu dwuwodnego, w wyniku czego następuje
wzrost wytrzymałości mechanicznej.
5
Charakterystyka zaczynów
Spoiwa gipsowe i anhydrytowe po zarobieniu wodą dają zaczyny charakteryzujące się
plastycznością, współczynnikiem wodno-gipsowym i czasem wiązania.
Plastyczność zależy od właściwości użytego spoiwa i ilości wody zarobowej. Przy większej
ilości wody powstają ciekłe zaczyny a w miarę jej zmniejszania plastyczne, gęstoplastyczne,
aż do mas wilgotnych.
Współczynnik wodno-gipsowy WG określa wymaganą ilość wody zarobowej w celu
uzyskania plastyczności roboczej przez poszczególne spoiwa. Jest to stosunek wody do gipsu,
przy którym zaczyn uzyskuje roboczą plastyczność. Współczynnik ten wynosi dla gipsu
budowlanego i ceramicznego 0,65-0,80; dla spoiw anhydrytowych 0,28-0,35.
Czas wiązania określany jest poprzez określenie początku i końca czasu wiązania. Początek
jest liczony od chwili wsypania spoiwa do wody i obejmuje czas w którym zaczyn utrzymuje
właściwości plastyczne. Natomiast koniec obejmuje okres od wsypania spoiwa do wody aż do
uzyskania dostatecznie stwardniałego tworzywa. Bardzo ważnymi czynnikami wpływającymi
na oznaczanie czasu wiązania są: czas przygotowania zaczynu i intensywności mieszania.
Dodatki i domieszki modyfikujące
Właściwie dobrana kompozycja pozwala na modyfikację właściwości spoiwa
gipsowego, czego wiernym efektem są odpowiednie właściwości robocze i czas wiązania
mieszanki po zarobieniu wodą oraz korzystne parametry mechaniczne stwardniałego
tworzywa. W recepturach suchych mieszanek gipsowych stosowane są właśnie następujące
dodatki i domieszki (Tabela 1):
aktywatory wiązania,
opóźniające wiązanie,
zwiększające retencję wody w zaprawie,
uplastyczniające i upłynniające,
napowietrzające,
zagęszczające,
hydrofobowe,
włókna – mikrozbrojenie.
6
Regulatory wiązania są to związki mające wpływ na czas wiązania spoiw gipsowych. Związki
te można podzielić na opóźniające i przyspieszające wiązanie. Domieszki zwiększające
rozpuszczalność gipsu półwodnego przyśpieszają jego wiązanie, natomiast domieszki
obniżające rozpuszczalność opóźniają ten proces. Domieszki te wpływają negatywnie na
końcową wytrzymałość spoiwa po stwardnieniu. Należy również podkreślić że zastosowanie
wybranego dodatku niekoniecznie będzie miało ten sam charakter oddziaływania w
przypadku spoiwa w postaci gipsu półwodnego jak i w przypadku anhydrytu (Tabela 2).
Tabela 1. Klasyfikacja dodatków regulujących czas wiązania spoiw gipsowych
Klasa Charakterystyka ogólna Rodzaj
Charakter oddziaływania na proces
wiązania spoiw gipsowych
i anhydrytowych
I Elektrolity i nieelektrolity zmieniające rozpuszczalność gipsu
a) silne elektrolity
nieposiadające wspólnych
jonów z gipsem
NaCl, KCl, KBr,
KNO3, NaNO3
w zależności od stężenia mogą służyć
jako przyspieszacz lub opóźniacz
procesu wiązania; dodane w niedużych
ilościach przyspieszają wiązanie
b) silne elektrolity o wspólnym
jonie z gipsem
Na2SO4, K2SO4,
ZnSO4, MgSO4
przyspieszają wiązanie, zmniejszając
nieco wytrzymałość tworzywa
c) słabe elektrolity i
nieelektrolity
NH4OH, C2H2OH opóźniają wiązanie
d) substancje tworzące z
gipsem w roztworze trudno
rozpuszczalne związki
NaF przyspieszają wiązanie
II Substancje będące ośrodkami
krystalizacji gipsu
CaSO4·2H2O,
CaHPO3·2H2O
przyspieszają wiązanie
III Substancje powierzchniowo
czynne, które zaadsorbowane
na powierzchni ziaren
półhydratu i dwuhydratu
zmniejszają szybkość
powstawania zarodków
krystalizacji
keratyna, kleje
organiczne
opóźniają wiązanie
IV Substancje reagujące z
gipsem z utworzeniem trudno
rozpuszczalnych otoczek
borany i
fosforany metali
alkalicznych,
H3PO4
opóźniają wiązanie
V Mieszaniny dodatków
należących do różnych klas
np. CaSO4·2H2O
+ NaCl+ dodatki
powierzchniowo
czynne
umożliwiają regulację czasu wiązania
zależnie od klasy i stężenia dodatków
7
Tabela 2. Oddziaływania wybranych dodatków na proces wiązania spoiw gipsowych
i anhydrytowych
Rodzaj dodatku
Rodzaj spoiwa
gips półwodny anhydryt
Charakter oddziaływania
NaCl + nie oddziałuje
CaCl2 nie oddziałuje -
MgCl2 + -
NH4Cl + -
AlCl3 + nie badano
Al2(SO4)3 + +
K2SO4 + +
Na2SO4 + +
KNO3 + +
Na2B2O7 · 10 H2O - -
„ + ” dodatek przyspieszający wiązanie
„ - ” dodatek opóźniający wiązanie
Zdolność zatrzymania wody pozwala na wydłużenie czasu oddawania wody przez zaprawę,
zapewniając pełną hydratację spoiwa gipsowego. Jest to parametr decydujący o przydatności
mieszanki gipsowej do stosowania w wewnętrznych pracach wykończeniowych. Właściwości
takie uzyskuje się poprzez dodatek eterów celulozowych w postaci metylocelulozy,
hydroksymetylocelulozy, hydroksyetylocelulozy oraz metylohydroksypropylocelulozy.
Spoiwa wykazują również dużą wodożądność. Obniżenie wodożądności uzyskuje się poprzez
zastosowanie domieszek uplastyczniających lub upłynniających. domieszki uplastyczniające
pozwalają na nieduże obniżenie wody (5-12%) przy zachowaniu stałej konsystencji zaprawy.
Domieszki upłynniające pozwalają na obniżenie wodożądności zaprawy ( powyżej 12%) przy
zachowaniu stałej konsystencji. Właściwości uplastyczniające mają: sole kwasów
sulfonowych, kwas hydrokarboksylowy, polimery hydroksylowe i nonylofenyle oksyetylowe.
Natomiast właściwości upłynniające posiadają: sulfonowane kondensaty melaminowo-
formaldehydowe i naftalenowo- formaldehydowe, modyfikowane lignosulfoniany i etery
kwasu sulfonowego i węglowodorów.
Do zapraw dodawane są również środki napowietrzające powodującą powstawanie dużej
ilości drobnych pęcherzyków powietrznych.
8
Etery skrobi mają właściwości zagęszczające. Dodatek ich znacznie polepsza konsystencję i
urabialność oraz obniża tendencję do zbrylania.
Dodawanie środków hydrofobowych zmniejsza nasiąkliwość gdyż nasiąkliwość tworzyw
gipsowych waha się w szerokim zakresie od 25% aż do 40% masy. Dobre wyniki uzyskuje
się przez impregnację roztworami żywic silikonowych.
Dodatek włókien pozwala na uzyskanie wielu korzyści. Rozproszone włókna tworzą
trójwymiarową sieć. Stanowią one mikrozbrojenie, przez co przyczyniają się do zwiększenia
wytrzymałości mechanicznej tworzywa. Stosowane są włókna celulozowe, polipropylenowe i
szklane.
Podsumowując dodatki i domieszki modyfikujące stanowią nieodzowny składnik mieszanek
gipsowych. Związki te maja istotny wpływ na kształtowanie zarówno właściwości roboczych
spoiwa po zarobieniu wodą, jak i właściwości użytkowych stwardniałego tworzywa
gipsowego.
UWAGA: Podczas pracy należy szczególnie przestrzegać, aby odpadki gipsu były
wyrzucane tylko do specjalnych pojemników. Gips wrzucony do zlewu powoduje
zatykanie przewodów kanalizacyjnych
Część II - Surowce plastyczne i masy ceramiczne
Celem ćwiczenia jest poznanie właściwości ceramicznych surowców ilastych wraz ze
sposobami formowania mas plastycznych.
Formowanie jest jednym z najważniejszych etapów procesu wytwarzania wyrobów
ceramicznych, w którym następuje przekształcenie nieskonsolidowanego materiału
wyjściowego w spójny i zagęszczony półfabrykat o określonej geometrii i mikrostrukturze.
Przebieg procesu formowania zależy w dużym stopniu od konsystencji i reologicznej
charakterystyki materiału. Na Rys.3 przedstawiono 4 główne grupy formowania materiałów
ceramicznych.
9
Rys.3. Główne metody formowania tworzyw ceramicznych
Plastyczność definiuje się jako zdolność do tworzenia, masy plastycznej (po
zarobieniu z wodą), która pod działaniem stosunkowo niewielkich sił mechanicznych
odkształca się bez naruszenia spoistości (braku spękania). Właściwość ta pozwala na
przeprowadzenie stosunkowo łatwo procesu nadawania określonego kształtu (formowania ze
stanu plastycznego) wyrobom ceramicznym. Jest ona niezmiernie ważna z uwagi na potrzeby,
różny stopień plastyczności oraz możliwości jego regulowania.
Do zjawiska plastyczności przyczyniają się trzy czynniki, które samodzielnie lub w
połączeniu z pozostałymi przyczyniają się do zjawiska plastyczności. Są to: kształt i wielkość
ziarn minerałów, obecność wody i skład mineralny.
10
Z pojęciem plastyczności surowców wiążą się następujące ich właściwości:
1. pęcznienie przy nawilżaniu wodą,
2. spoistość przy określonej wilgotności,
3. zdolność, zarobionej odpowiednią ilościa wody, masy do odkształceń pod wpływem
sił ściskających, rozciągających itp. oraz zachowanie przyjętego kształtu po usunięciu
działających sił,
4. zależność w uzyskaniu pełnego odkształcenia pod działaniem określonej siły od czasu
jej działania,
5. skurczliwość przy wysychaniu,
6. zdolność zachowania przyjętego kształtu w procesie suszenia i wypalania
Z punktu widzenia technologii ceramicznej wyróżnia się:
1) surowce plastyczne (iły itp.) stosowane jako składnik spajający masę ceramiczną
i umożliwiający kształtowanie wyrobów,
2) surowce nieelastyczne, które mogą być:
a) schudzające, np.: piasek kwarcowy dodawany do iłu (gliny) przerabianego
na cegłę budowlaną. Zadaniem surowców schudzających jest zmniejszenie
skurczliwości masy podczas suszenia, wypalania i spiekania (zbyt duża
skurczliwość jest przyczyną mechaniczne deformacji wyrobu),
b) topniki (skaleń, pegmatyt, fluoryt itp.) dodawane do masy ceramicznej w
celu obniżenia temperatury jej spiekania.
Do rozpowszechnionych metod formowania plastycznego, czyli formowania mas o
wilgotności 13- 30% należą :
- formowanie pasmowe - wytłaczanie;
- formowanie wtryskowe;
- formowanie termoplastyczne;
- robocasting – drukowanie przestrzenne;
- osadzanie topionego materiału.
11
Formowanie pasmowe – wytłaczanie stosowane jest do wytwarzania wydłużonych
półfabrykatów o niezmienionym na ich długości przekroju poprzecznym z mas o wilgotności
< 25%. Do wytłaczania pasm masy stosuje się prasy tłokowe i ślimakowe. Zaletą stosowania
pras ślimakowych jest to że proces wytłaczania przez nie masy przebiega w sposób ciągły, w
porównaniu do pras tłokowych które pracują okresowo i są w związku z tym są bardziej
narażone na zużycie. Rozróżnia się dwa typy wytłaczania: wytłaczanie plastyczne (masy o
wilgotności w zakresie 19-24%) oraz sztywnoplastyczne dla mas o wilgotności w granicach
15-18%. Wytwarzanie elementów metodą formowania poprzez wytłaczanie mas sztywno
plastycznych zapewnia dobrą stateczność kształtu – cienkościennych i geometrycznie
złożonych części, prowadzi do zmniejszenia tendencji do powstawania pęknięć
powierzchniowych, obniżenia skurczu i zwiększenia dokładności wymiarowej części. Takie
właśnie cechy pozwalają na wytłaczanie elementów wielokomórkowych - o strukturze
„plastra miodu” do wielu zastosowań, np.: jako nośników katalizatorów, filtrów
wysokotemperaturowych jak i regeneracyjnych wymienników ciepła.
Metodą formowania pasmowego możliwe jest wytwarzanie m.in.:
- rur termopar,
- płomiennic,
- elektrod grafitowych,
- porcelanowych izolatorów elektrycznych,
- płaskich podłoży ceramicznych o grubości <1mm.
Formowanie wtryskowe oparte jest na wstrzyknięciu do zamkniętej, stalowej i chłodnej
formy mieszaniny drobnoziarnistego proszku ceramicznego o udziale objętościowym w
zakresie 55-70% i organicznych substancji plastycznych po wymieszaniu w temperaturze
20 C wyższej od temperatury mieknięnia najwyżej topliwego ich składnika i granulowaniu
(Rys.4). Po zestaleniu się w formie, gotowy element jest z niej wyjmowany, następnie jest
wstępnie wypalany w celu usunięcia lepiszcza (na tym etapie element może być poddawany
wstępnej obróbce) a w dalszej kolejności poddawany jest ostatecznemu wypaleniu i
kształtującej obróbce końcowej. Metodą formowania wtryskowego otrzymywane są
elementy drobne i średniej wielkości, o objętości <100 cm3, o dużym stopniu złożoności, o
znacznym stosunku długości do średnicy, elementy zarówno cienkościenne jak i
grubościenne. Ograniczeniem stosowania tej metody są wysokie koszty aparatury jak i duże
trudności związane z usuwaniem spoiwa, które prowadzą do powstawania defektów.
12
Metodą formowania wtryskowego możliwe jest wytwarzanie, m.in.:
- wirników turbin i pomp;
- opraw kontaktowych;
- wkładek komór wirowych;
- tygli;
- implantów;
- elementów osłonowych obwodów elektronicznych.
Rys.4. Schemat formowania wtryskowego
Formowanie termoplastyczne podobne jest do formowania wtryskowego (jednak w tym
przypadku stosowane tu masy o mniejszej lepkości w porównaniu do lepkości mas
formowanych wtryskowo) i realizowane jest głównie w trzech etapach:
- uplastycznienia proszku ceramicznego poprzez jego mieszanie na gorąco (60-100 C)
z lepiszczem termoplastycznym (np. parafina, wosk pszczeli, kwas oleinowy), często także z
wprowadzeniem na powierzchnię proszku środków powierzchniowo czynnych w celu
polepszenia jego mieszalności z hydrofobowym lepiszczem;
- niskociśnieniowego formowania termoplastycznego (0,2 -5 MPa) w formach
aluminiowych;
- usuwania organicznego lepiszcza (<250 C) przed ostatecznym wypaleniem.
Metoda ta jest szczególnie przydatna ze względu na łatwiejsze wykonywanie form dla mało i
średnioseryjnej produkcji elementów i o dużej złożoności kształtów.
13
Osadzanie topionego materiału FDM – jest metodą w której nanoszony materiał
termoplastyczny jest przeciskany jest przez dyszę, ogrzaną do temperatury jego topnienia
(Rys.5,6). Dysza kontroluje przepływ materiału i jest przemieszczana automatycznie według
instrukcji programu CAD. Element w tej metodzie wytwarzany jest warstwa po warstwie,
charakteryzuje się niską jakością powierzchni i dobrymi właściwościami mechanicznymi.
Rys. 5. Schemat metody osadzania topionego materiału
Rys 6. Przykładowe elementy wykonane metodą osadzania topionego materiału
14
Ceramika budowlana
Podstawowymi materiałami do budowy ścian różnych budowli już od dawna były:
glina naturalna i wypalona (cegła), kamień oraz drewno. Gliny powstają wskutek erozji skał
zawierających skalenie. Dwutlenek węgla i woda powodują przekształcenie skalenia
(ortoklazu) w kaolinit, główny składnik glin. Oprócz kaolinitu, gliny zawierają wiele
domieszek, z których najczęściej występujące to: kwarc, mika, tlenki żelaza. Skład
mineralogiczny wpływa na plastyczność gliny. Przyjmuje się, że plastyczność jest
spowodowana płytkową budową minerałów ilastych, otoczonych cienką błonką wody oraz
bardzo duże rozdrobnienie substancji ilastej. I dlatego też glina posiadała (w przeciwieństwie
do kamienia i drewna) cechy urabialności plastycznej po zarobieniu z wodą i toteż była
wykorzystywana do sztukowania różnych ścian jam mieszkalnych i budowli z wikliny.
Różnego rodzaju suszone bryły, bryłki i kształtki z gliny, suszone na słońcu, łączone
rozrzedzonym wodą iłem, stały się prototypem współczesnej cegły.
Ze względu na przeznaczenie wyroby ceramiki budowlanej można podzielić na:
elementy do budowy ścian:
o cegły
o pustaki
o nadproża
elementy do budowy stropów – pustaki, belki
dachówki i akcesoria dachowe
rurki drenarskie
pozostałe wyroby
Ceramika budowlana obejmuje wyroby formowane i wypalane ze specjalnie
przygotowanej mieszanki, której głównym składnikiem jest glina (Rys. 7 i 8). Wyroby
ceramiczne należą do podstawowych materiałów budowlanych, o dość wszechstronnym
zastosowaniu.
Wyroby ceramiczne są szczególnie cenione w budownictwie ze względu na bardzo
dobre parametry techniczne, naturalne pochodzenie i wielowiekową tradycję ich wytwarzania.
15
Rys.7. Etapy produkcji wyrobów ceglarskich
Rys. 8. Prasa ślimakowa (pasmowa)
Najważniejsze zalety stosowania ceramiki budowlanej:
elementy budynków wykonane z ceramiki budowlanej są wyjątkowo trwałe, odporne
na korozję atmosferyczną, co ma szczególne znaczenie w dzisiejszych czasach,
charakteryzujących się wysokim stopniem skażenia środowiska naturalnego;
elementy budynków wznoszonych z wyrobów ceramiki budowlanej mogą być
realizowane siłami własnymi przyszłego użytkownika, a kształtowanie wystroju
zewnętrznego i wewnętrznego budynku jest stosunkowo proste;
16
ściany budynków wykonanych z wyrobów ceramiki budowlanej charakteryzują się
dobrymi właściwościami termoizolacyjnymi, a jednocześnie doskonale akumulują
ciepło i przepuszczają parę wodną; cechy te sprawiają, że mikroklimat pomieszczeń o
takich ścianach jest znacznie korzystniejszy dla istot żywych od występującego we
wnętrzach stworzonych przez użycie innych wyrobów o podobnym zakresie
stosowania;
wyroby ceramiki budowlanej są produktami ekologicznymi, gdyż są wykonane z
naturalnych surowców, nie emitują żadnych związków szkodliwych dla organizmów
żywych, co sprawia, że są powszechnie stosowane w budownictwie mieszkalnym;
ściany z wyrobów ceramiki budowlanej, w tym szczególnie ściany wewnętrzne
wykonane z cegieł, mają bardzo dobrą izolacyjność akustyczną, co zabezpiecza
poszczególne pomieszczenia budynku przed hałasem zewnętrznym;
wyroby ceramiki budowlanej charakteryzują się wysoką odpornością ogniową, co
umożliwia wykonanie z nich nie tylko ogniotrwałych ścian i stropów, ale nawet całych
fragmentów budynku.
Współczesny dom z ceramiki
Pomimo coraz większej liczby technologii budowlanych dostępnych na rynku, nadal
największym uznaniem cieszy się technologia tradycyjna – ściany murowane. Nowoczesne
materiały konstrukcyjne oraz izolacyjne pozwalają szybko i solidnie budować.
Pokrycie domów z dachówek ceramicznych czy cementowych zapewnia dobry
mikroklimat w pomieszczeniach. Dzięki małym wymiarom materiał ten zapewnia bardzo
dobre warunki wentylacji warstw połaci - dzięki temu dach "oddycha”, co ma wpływ na
trwałość więźby, właściwe odprowadzenie wilgoci spod połaci i jakość powietrza w
pomieszczeniach domu. Kolejną zaletą dachówek jest zdolność dużej akumulacji ciepła,
dzięki której latem dachówka się nie przegrzewa i wysoka temperatura zewnętrzna nie jest
przekazywana do wnętrza budynku. Z kolei wysoka zdolność dachówek do tłumienia
dźwięku daje użytkownikowi komfortową ciszę nawet w czasie największych ulew. Jeśli
dodamy do tego jej wysoką ognioodporność otrzymamy pełny obraz dachówki, która dzięki
wielu atutom wciąż wygrywa ze swoimi konkurentami.
Obecnie proces produkcji dachówek ceramicznych jest w pełni zautomatyzowany i
zmechanizowany. Producenci używają specjalnych, nowoczesnych pieców, które znacznie
przyspieszyły procesy wypalania. Wpłynęło to korzystnie na zużycie energii i zmniejszenie
emisji, CO2 do atmosfery, co ma obecnie duże znaczenie dla ochrony środowiska.
17
Szybki rozwój technologii powoduje ciągłe udoskonalanie dachówek pod względem
parametrów technicznych. Dąży się do poprawiania trwałości dachówek poprzez zwiększanie
ich wytrzymałości. Modyfikuje się skład surowcowy, w celu otrzymania optymalnych,
najkorzystniejszych rozwiązań. Dachówki ceramiczne doskonali się również pod względem
walorów estetycznych, np. poprzez modyfikację kształtów.
Dachówki pokrywane są specjalnymi powłokami, w celu nadania im odpowiedniej
barwy. Dawniej ceramiczne dachówki miały odcień jedynie naturalny, ceglasty, dzisiaj jest to
już prawie cała paleta barw. Barwy dachówek uzyskuje się poprzez barwienie ich w masie lub
angobowanie. Barwienie w masie polega na dodaniu minerałów do surowców (przed ich
przerobem) zapewniających zmianę koloru. Angobowanie polega na spryskaniu powierzchni
wysuszonych dachówek (przed wypaleniem) płynną warstwą glinki szlachetnej (iłu)
rozmieszanej w wodzie i zabarwionej naturalnymi tlenkami żelaza.
Różnorodność kształtów i kolorów dachówek ceramicznych stwarza obecnie duże
możliwości kształtowania wyglądu dachu, który stanowi ważny element architektoniczny
całej budowli (Rys.9). Dach ceramiczny pasuje do elewacji tynkowej, kamiennej lub
klinkierowej. Obecnie na dachach obserwuje się wiele oryginalnych kolorów dachówek
ceramicznych, takich jak: barwy grafitowe, niebieskie, zielone, brązowe, szare, czarne,
fioletowe, żółte, a nawet spotyka się dachówki cieniowane lub kolorystycznie stylizowane na
stare sprawiające wrażenie podniszczonych. Jeśli chodzi o kształty to popularne są zarówno
dachówki tradycyjne np. karpiówki czy esówki, jak i nowoczesne oryginalne kształty
dachówek zakładkowych wymyślone przez producentów.
Powszechnie wiadomo, że ceramika budowlana to ceniony materiał o wielowiekowej
tradycji. Ale przyznać trzeba również, iż ceramika wypalana w sposób tradycyjny miała i ma
niewystarczające dla naszego klimatu właściwości termoizolacyjne, wymagające stosowania
różnych systemów dociepleń, a to się wiąże z dodatkowymi kosztami.
Oprócz powszechnie znanej cegły pełnej, najpopularniejszym obecnie materiałem do
budowy ścian zewnętrznych, są pustaki ceramiczne. Pomimo wielu zalet, jakie posiada cegła
pełna, jej parametry termoizolacyjne pozostawiają wiele do życzenia. Aby zbudować z niej
ciepłą przegrodę, trzeba wykonać dość grubą i pracochłonną ścianę trójwarstwową (Tabela 3).
18
mnich-mniszka dachówka zakładkowa gąsior dachowy
karpiówka esówka marsylka
Rys.9. Przykładowe kształty dachówek
Aby zapobiec wadom tradycyjnych pustaków zaczęto dodawać w procesie
produkcyjnym do wrabianej masy mączkę drzewną lub trociny. Podczas wypalania w piecu
dodatki te powodują powstawanie sieci zamkniętych mikroporów, które poprawiają
właściwości termoizolacyjne. Dziś cegły ceramiczne często formowane są w kształcie
o skomplikowanym układzie drążeń, który dodatkowo poprawia izolacyjność termiczną.
Rozwiązanie to umożliwia produkcję bloczków pozwalających na murowanie
jednowarstwowych ścian bez docieplenia, z których wykonana ściana spełnia wymagania
dzisiejszych norm budowlanych.
Stateczność cieplna murów, wykonywanych w technologii ceramiki poryzowanej,
pozwala na utrzymanie stałej, odpowiedniej temperatury w pomieszczeniu (Tabela 4). Dzięki
odpowiedniej masie ściany jednowarstwowe gromadzą i oddają ciepło w zależności od
temperatury wewnątrz i na zewnątrz budynku. Proces ten zachodzi zarówno w cyklu
dobowym, jak i rocznym. Zimą zabezpiecza przed gwałtownym wychłodzeniem domu,
a latem przed jego nadmiernym przegrzaniem. Ściany jednowarstwowe akumulują również
energię promieniowania słonecznego i efektywnie ją wykorzystują do zapewnienia stabilnej
temperatury wewnątrz pomieszczenia. Ten korzystny proces, charakterystyczny dla systemu
ścian jednowarstwowych, nie występuje w przypadku ścian budowanych metodą tradycyjną
z dociepleniem, ponieważ dodatkowa izolacja uniemożliwia absorpcję ciepła promieniowania
słonecznego przez mury.
19
Tabela 3. Przykłady zastosowania cegieł w budownictwie
Typ cegły Klasy, MPa Zastosowanie
Pełna
5,0-15,0 Ściany budynków :zewnętrzne i wewnętrzne,
nośne i działowe, podziemne i naziemne,
mury w warunkach wilgotnych, stropy,
sklepienia, pilastry
Dziurawka
3,5-5,0 Ściany działowe, ściany budowli
szkieletowych, ściany nośne dwóch ostatnich
kondygnacji
Kratówka
5,0-15,0 Analogicznie jak cegła pełna, wyjątek
stanowi wyłączność stosowania w warunkach
suchych
Licówka
7,5-15,0 Licowanie ścian zewnętrznych, ogrodzenia
Klinkierowa
25,0-35,0 Licowanie ścian, budowle wodne i
kanalizacyjne oraz inne obiekty narażone na
silne działanie wody
Kominówka
18,0-25,0 Kominy wewnątrz i na zewnątrz budynków
Kanalizacyjna
8,0-15,0 Kolektory i inne budowle kanalizacyjne
Szybowa 15,0-35,0 Elementy nośne znacznie obciążonych
budowli, np. szyby górnicze
20
Pustaki nowej generacji, pomimo, że są droższe od pustaków starego typu, to jednak
należy je uznać za bardzo dobry materiał budowlany, z którego jednowarstwowa ściana
zewnętrzna jest w ostatecznym rozrachunku tańsza i prostsza do wykonania niż ściana dwu-
lub trójwarstwowa.
Tabela 4. Zalety i wady warstwowych ścian ceramicznych i ceramiki poryzowanej
Podstawą do zaliczenia ćwiczenia jest obecność na zajęciach, zaliczenie
kolokwium wejściowego oraz oddanie sprawozdania z przebiegu ćwiczenia.
Sprawozdanie powinno obejmować: imiona i nazwiska studentów, cel ćwiczenia i
opis prowadzonych eksperymentów, wyniki wykonanych pomiarów oraz ich
interpretację.
Warstwowe ściany ceramiczne Ceramika poryzowana
Zalety dobre parametry cieplne;
duża akumulacyjność cieplna;
odporność na uszkodzenia mechaniczne ;
duża izolacyjność termiczna;
izolacyjność akustyczna;
ognioodporność;
wysoką zdolność akumulacji ciepła;
trwałość, wykazują bardzo niską podatność
na zmienności kształtu pod wpływem
obciążeń statycznych, ciepła lub niskich
temperatur
niska przewodność cieplna;
dobra przyczepność do zapraw;
Wady duża materiałochłonność;
duża pracochłonność;
znaczna grubość ścian sprawia, że są to
ściany ciężkie, a konieczność wykonania
kilku warstw zwiększa ryzyko popełnienia
błędów;
słabe właściwości termoizolacyjne,
wymagające stosowania różnych systemów
dociepleń
jest dość droga w porównaniu z innymi
materiałami budowlanymi;
21
Literatura:
1. Chłądzyński S., Spoiwa gipsowe w budownictwie, Wydawnictwo Dom Wydawniczy
Medium Warszawa 2008;
2. Grabowski W., Budownictwo ogólne : praca zbiorowa. T. 1, Materiały i wyroby budowlane
pod kier. Bogusława Stefańczyka; Arkady, Warszawa 2009
3. Oczoń K.E., Kształtowanie ceramicznych materiałów technicznych, Oficyna Wydawnicza
Politechniki Rzeszowskiej 1996;
4. Pampuch R., Haberko K., Kordek M., Nauka o procesach ceramicznych, Wydawnictwo
Naukowe PWN, Warszawa 1992;
5. Wiecińska P., materiały do wykładów z przedmiotu Ceramika funkcjonalna, Politechnika
Warszawska, Wydział Chemiczny, Warszawa 2012;
6. de Hazan J., Thänert M., Trunec M., Misak J.; Robotic deposition of 3d nanocomposite and
ceramic fiber architectures via UV curable colloidal inks; Journal of the European Ceramic
Society 32 (2012) 1187–1198;
7. http://www.pm.put.poznan.pl
22
Wykonanie ćwiczenia
Spoiwa ceramiczne
1. Badanie rozpływu gipsu
Wykonanie doświadczenia polega na pomiarze średnicy rozpływu „placka” po czasie
związania zaczynu gipsowego przy danym stosunku W:G, tj. wody do gipsu. Oznaczenie
wykonuje się przy pomocy urządzenie typu wiskozymetr Southarda, który składa się z
cylindra (wykonanego z tworzywa) o wysokości ok. 10 cm i średnicy ok. 5 cm oraz szklanej
płyty. Pod płytę układa się karton z narysowanymi koncentrycznie okręgami o średnicach 10,
12, 14, 18, 24, 26, 28, 30 i 32 cm. Płaszczyzna płyty szklanej powinna być dokładnie
pozioma. Następnie przygotowuje się zaczyny gipsowe o stosunku W/G o wartościach: 0,80;
0,85; 0,90; 0,95; 1,00 i 1,10 (zakładana ilość wody to 200 ml). Przygotowaną naważkę gipsu
wsypuje się do wody w parownicy mieszając w ciągu 30 sekund. Po wsypaniu gipsu należy
nadal szybko mieszać zaczyn przez następne 20 sekund, aby otrzymać jednolitą masę,
poczym pozostawić w spokoju przez 2 minuty. W dalszej kolejności zaczyn szybko wlewa
się do cylindra stojącego na płycie szklanej. Czynność ta nie powinna trwać dłużej niż 30
sekund. Napełniony cylinder unosi się szybkim, płynnym ruchem do góry, prostopadle do
płyty szklanej i wówczas zaczyn rozlewa się w postaci placka, którego średnica, w zależności
od stosunku W/G zaczynu wynosi 10 32 cm. Wyniki umieszcza się w tabeli i na wykresie
zależności średnicy placka od stosunku WG. Na podstawie tak przygotowanego wykresu
określa się konsystencję zaczynu gipsowego, z którego można wykonać formę gipsową, o
odpowiadającej rozpływowi (średnicy „placków”) w zakresie 20 30cm.
2. Oznaczenie czasu wiązania gipsu
Przygotować należy zaczyny gipsowe o stosunku W/G = 1 (zakładana ilość wody 200 ml) z
dodatkiem 1%wag środka przyspieszającego (CaSO4 · 2H2O) i 3%wag opóźniającego
(sacharoza) czas wiązania. Dla porównania wykonać również zaczyn bez dodatku
regulującego czas wiązania.
Po dodaniu gipsu do wody włącza się stoper i niezwłocznie rozpoczyna się mieszanie.
Następnie napełnia się pierścień ebonitowy (1) (uprzednio pokryty smarem) ustawiony na
płytce (2), wstrząsa się kilkakrotnie, aby usunąć pęcherze powietrza. Po wyrównaniu i
wygładzeniu górnej powierzchni zaczynu ustawia się go w aparacie Vicata i mierzy:
czas początku wiązania – czas liczony w minutach, który upływa od chwili
rozpoczęcia dodawania gipsu do wody do momentu, kiedy opuszczona igła (4), po
23
zanurzeniu się w zaczynie, po raz pierwszy zatrzyma się w odległości 1 mm od
powierzchni płytki (2)
czas końca wiązania - czas liczony w minutach , który upływa od chwili rozpoczęcia
dodawania gipsu do wody do momentu, kiedy swobodnie opuszczona igła zanurzy się
w zaczynie nie głębiej niż na odległość 0,5mm, licząc od powierzchni gipsu.
Rys.1. Aparat Vicata
Ruchoma część aparatu Vicata składa się z trzpienia (3) i igły (4). Podczas pomiaru koniec
igły opuszcza się tak, aby stykał się z powierzchnią zaczynu wypełniającego pierścień i
dopiero wtedy opuszcza się ją swobodnie. Do zatrzymywania i zwalniania trzpienia (3) i igły
(4) służy śruba (5). Położenie igły odczytuje się za pomocą wskaźnika (7) na podzielnicach s1
lub s2 przymocowanych do statywu (6). Podczas oznaczania początku końca wiązania igłę
opuszcza się do zaczynu co 30 sekund. Po każdym zanurzeniu igłę należy dokładnie wytrzeć
z pozostałego na niej zaczynu. Kolejne pomiary wykonuje się w coraz to innym miejscu
zaczynu.
3. Przygotowanie kompozytów ceramiczno-polimerowych i badanie ich właściwości
mechanicznych
Przygotować należy zaczyn gipsowy o W/G=1,0 ( zakładana ilość gipsu 100g ). Po czym do
rozrobionego zaczynu dodać 0,2; 0,4 i 0,6 %wag włókien celulozowych w stosunku do gipsu.
Wykonać należy również próbkę bez dodatku włókna. Tak przygotowane zaczyny odlać do
form. Gips i kompozyty gipsowe pozostawić do związania. Po związaniu otrzymane kształtki
zmierzyć a następnie wykonać badanie wytrzymałości próbek na ściskanie, oznaczając przy
tym wartość siły niszczącej próbkę. Należy wyliczyć współczynnik na ściskanie z
następującego wzoru:
24
S
PWSC
gdzie:
Wsc – współczynnik na ściskanie [MPa],
P – siła powodująca zniszczenie badanej próbki [N],
S – pole powierzchni próbki [mm2]
Masy plastyczne
1. Określenie wody zarobowej do stanu plastyczności.
Woda zarobowa, czyli ilość wody, jaką trzeba dodać do wysuszonego w 105°C surowca
plastycznego, aby uczynić go podatnym do formowania, wyraża się w procentach
wagowych odniesionych do masy suchej próbki.
Materiały wybrane do badań: -kaolin,
- kamionka,
- glina Sławków czerwona,
- glina Gozdnica zielona,
- glina Jaroszów (ogniotrwała)
Do parownic odważyć po 100g surowca a następnie powoli dodawać z biurety wodę do
uzyskania stanu plastycznego
2. Formowanie płytek.
Z przygotowanych mas plastycznych uformować płytki, zaznaczyć na nich odcinki
pomiarowe i odstawić do wysuszenia.
Obliczyć ich skurczliwość suszenia.
3. Schudzenie najbardziej plastycznego surowca.
Do gliny dodać 30%wag piasku kwarcowego (materiału schudzającego) w stosunku do
surowca. Dla przygotowanych mieszanek określić wodę zarobową.
W ramach ćwiczenia studenci zapoznają się również ze sporządzaniem form gipsowych
oraz metodą formowania plastycznego.
Top Related