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.