wapno - Katedra Technologii Chemicznej

wapno - Katedra Technologii Chemicznej

TECHNOLOGIE MATERIAŁÓW
BUDOWLANYCH
dr inż. Anna Zielińska-Jurek
Katedra Technologii Chemicznej
pok. 026 Ch.A., tel. 58 347 29 37
e-mail: [email protected]
Materiały wiążące w zależności od mechanizmu
wiązania dzielimy na:
• Spoiwa – wiążące w wyniku reakcji chemicznej
• Lepiszcza – wiążące w wyniku przemiany fizycznej np.
krzepnięcia lub odparowania rozpuszczalnika
• Spoiwa żywiczne - utwardzane według reakcji polimeryzacji
bez wydzielania produktu ubocznego lub według reakcji
polikondensacji z wydzieleniem produktu ubocznego, np.
wody
mineralne spoiwa budowlane to:
wypalone lub wyprażone i sproszkowane
surowce mineralne, które po połączeniu z
wodą wykazują zdolność do wiązania
i twardnienia.
Główne spoiwa mineralne to:
WAPNO
GIPS
CEMENT
W jaki sposób możemy podzielić spoiwa mineralne?
podstawowego składu chemicznego surowca:
– wapniowe,
– siarczanowogipsowe
– magnezjowe
Klasyfikacja spoiw według głównych składników
surowcowych
W jaki sposób możemy podzielić spoiwa mineralne?
• rodzaju procesu cieplnego (wypalanie), występującego
podczas wytwarzania spoiw:
– prażenie,
– spiekanie,
– topienie
• zachowanie się w środowisku wody:
– spoiwa powietrzne – twardniejące na powietrzu,
– spoiwa hydrauliczne – twardniejące w powietrzu i w
wodzie
Klasyfikacja spoiw według warunków w jakich są
zdolne do wiązania i twardnienia
• Spoiwa powietrzne- spoiwa, które wiążą, twardnieją i
mogą być użytkowane tylko na powietrzu.
Mają niską odporność na działanie wody, tracą
spoistość, rozpuszczają się i ulegają zniszczeniu.
Przykłady: wapno palone, materiały wiążące gipsowe,
materiały wiążące magnezjowe
• Spoiwa hydrauliczne- spoiwa, które wiążą i twardnieją
zarówno w wodzie, jak i na powietrzu, w
temperaturze powyżej 0°C. Wyroby z tych materiałów
są odporne na działanie wody. Przykłady: cement
portlandzki, cement glinowy, cement romański, wapno
hydrauliczne.
Jakie są znane surowce do produkcji wapna?
Węglan wapna CaCO3
• kalcyt (szpat wapienny) - odmiana
heksagonalna CaCO3
• aragonit – odmiana rombowa CaCO3
Jakie są znane surowce do produkcji wapna?
• Marmur - skała metamorficzna powstała z przeobrażenia wapieni. Zawiera
czysty węglan wapnia o dobrze wykształconych kryształach (głównie kalcyt)
• Wapień - skała osadowa zbudowana głównie z węglanu wapnia, przede
wszystkim w postaci kalcytu. Powstaje z luźnego osadu wapiennego, który w
wyniku różnych procesów ulega lityfikacji (twardnienie skały okruchowej).
Najbardziej istotnym z tych procesów jest proces cementacji (wypełnianie
pustek międzyziarnowych).
• Kreda - miękka, porowata i niezbyt zwięzła skała osadowa o małym ciężarze
właściwym. W swym składzie zawiera głównie kalcyt, ma niewiele domieszek.
• Dolomit - skała składająca się głównie z minerału dolomitu (CaCO3•MgCO3)
oraz małych ilości kalcytu, minerałów ilastych i substancji bitumicznych
• Margiel - skała osadowa, mieszanina węglanu wapnia pochodzenia
organicznego i materiałów ilastych
Jakie są rodzaje wapna?
wapno palone – CaO – otrzymywane w wyniku obróbki
termicznej węglanu wapna
Z równania reakcji wynika, że wapienie mogą też być źródłem ditlenku
węgla - wykorzystuje się to w technologii otrzymywania sody, w
cukrownictwie i w innych dziedzinach przemysłu.
W zależności od temperatury wypalania kamienia
wapiennego rozróżnia się wapno:
• słabo palone (inaczej lekko palone lub miękko palone),
T = 1000°C, wielkość kryształów CaO ok. l-2μm,
• średnio palone, T = 1150°C, wielkość kryształów CaO
ok. 3 - 6 μm,
• wysoko palone (ostro palone), T = 1300°C, wielkość
kryształów CaO >10μm.
Wapno palone niegaszone
• Wapno niegaszone jest materiałem nietrwałym, wietrzeje wskutek
wchłaniania wilgoci i ditlenku węgla z powietrza.
• Powinno być przewożone transportem krytym, a na budowie niezwłocznie
poddane procesowi gaszenia.
• W
zależności
od
rodzaju
skały
wapiennej
występują
3 rodzaje wapna budowlanego:
– wapno wapniowe ze skał wapiennych oznaczone CL,
– wapno dolomitowe z wapieni zdolomityzowanych oznaczone DL,
– wapno hydrauliczne z wapieni ilastych oznaczone HL.
• Najczęściej stosowanym rodzajem wapna jest wapno CL.
• Ze względu na zawartość tlenku wapniowego rozróżnia się 3 odmiany
wapnia CL: 90, 80 i 70 (liczby są równe procentowej zawartości CaO +
MgO)
• Najlepszej jakości jest wapno CL 90
Zastosowanie wapna palonego (niegaszonego)
• wytwarzanie wyrobów wapienno – piaskowych (silikatowych)
• do wytwarzania betonów komórkowych;
• do celów murarskich przy robotach w niskich temperaturach.
Jakie są rodzaje wapna?
• wapno palone (niegaszone) - CaO
• wapno gaszone Ca(OH)2
Gaszeniem wapna (lasowaniem) nazywa się
reakcję wapna palonego z wodą:
Gaszenie wapna
• Z przeliczeń wynika, że 1kg CaO wiąże
0,3214kg H2O i wydziela 1140 kJ ciepła.
• Podana ilość ciepła jest w stanie ogrzać 2,77kg
wody od temperatury 0°C do temperatury
100°C, lub przemienić w parę 0,43kg wody o
początkowej temperaturze 0°C.
Jakie są rodzaje wapna?
• wapno palone (niegaszone) – CaO
• wapno gaszone Ca(OH)2 + H2O
• wapno suchogaszone (hydratyzowane) [Ca(OH)2]
Wapno suchogaszone (hydratyzowane) [Ca(OH)2] - produkt
gaszenia będący wodorotlenkiem wapnia (o wilgotności powietrza)
Otrzymuje się je przez przemysłowe gaszenie zmielonego wapna
palonego rozpyloną wodą w takiej ilości, aby zaszła reakcja
chemiczna, lecz nie wystąpił proces rozpuszczania wapna w wodzie.
Wapno to może przy niedokładnym zmieleniu zawierać
niedogaszone ziarna wapna o wymiarach do 2 mm i powodować
odpryski w kształcie kraterów na powierzchni tynku. Odpryski
powstają, ponieważ podczas gaszenia objętość wapna gaszonego
jest około 2 razy większa niż wapna palonego, co powoduje
powstanie naprężeń wskutek pęcznienia.
Jakie są rodzaje wapna?
• wapno palone (niegaszone) – CaO
• wapno gaszone Ca(OH)2 + H2O
• wapno suchogaszone (hydratyzowane) [Ca(OH)2]
• wapno hydrauliczne
• wapna odpadowe
• mleka wapienne
W zależności od składu chemicznego
rozróżnia się wapno:
• powietrzne (> 94 % CaO)
• hydrauliczne (> 90 % CaO oraz min. 3 % SiO2
i 3% [Al2O3 + Fe2O3])
• wysokohydrauliczne (> 80 % CaO oraz min. 6
% SiO2 i 5% [Al2O3 + Fe2O3])
Wapno hydrauliczne
• Jest wypalane z wapieni marglistych zawierających 6 ÷ 20 %
domieszek gliniastych (źródło mikrokrzemionki).
• Ma większą wytrzymałość i odporność na wilgoć oraz wyższą
cenę. Stosowane jest rzadko, głównie do murów
fundamentowych i pomieszczeń wilgotnych (łatwiej uzyskać
ten sam efekt przez dodanie cementu do wapna).
Wapno odpadowe
Wapno powstaje jako produkt uboczny różnych procesów
technologicznych, np. : wapno pokarbidowe, wapno pocukrowe. Są to
spoiwa o niskiej jakości, a ich ewentualne użycie jako spoiw murarskich
powinno być poprzedzone badaniami właściwości.
Mleko wapienne i ciasto wapienne
ciasto wapienne - wodorotlenek wapnia z
nadmiarem wody (mieszanina zawierająca 5065% wodorotlenku i 35-50% wody), mający
mazistą konsystencję.
mleko wapienne - zawiesina wodorotlenku
wapniowego w wodzie, zawiera około 20 – 30 %
Ca(OH)2. Jest stosowane do białkowania ścian i do
zarabiania zapraw cementowych w celu poprawy
plastyczności.
• Rozpuszczalność Ca(OH)2 w wodzie wynosi 1,65 g/dm3 w
temperaturze 20°C.
• Najmniejsza ilość wody do gaszenia wapna palonego na
wapno hydratyzowane w odniesieniu do 1kg CaO powinna
wynosić:
0,3214 + 0,43 = 0,7514 [kg]
• (ilość wody potrzebna do zgaszenia CaO + ilość wody, która
wyparuje na skutek wydzielonego podczas reakcji ciepła)
• Przy zastosowaniu do gaszenia wapna wody o temperaturze
wyższej od 0 oC potrzebna jej ilość odpowiednio wzrośnie.
Wiązanie spoiw wapiennych
Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 + H2O
Proces ten zaczyna się od powierzchni muru i jest powolny (karbonizacja
muru o grubości 2 cegieł trwa około 3 lat). Proces można przyspieszyć przez
wstawienie koksowników jako źródła emisji CO2.
Minerały, które podlegają reakcji karbonizacji z CO2 to np.:
Serpentynit, Talk, Forsteryt-Fajalit, Oliwin. Jednakże, istnieje wiele
innych minerałów, a także odpadów, które mogą wiązać CO2 jak np.:
odpady azbestowe, żużle wielkopiecowe lub popioły lotne ze
spalania węgla
Największą wadą karbonizacji CO2 jest przede wszystkim długi czas
reakcji, a także ogromne ilości minerałów/odpadów potrzebne do
związania ditlenku węgla. Do niewątpliwych zalet należy trwałe i
bezpieczne związanie CO2, a także możliwość wykorzystania
uzyskanego materiału, jako np. materiału budowlanego.
CO2 + CaSiO3 ⇒ CaCO3 + SiO2
(Mg,Ca)xSiyOx+2y+zH2z+xCO2 ⇒ x(Mg,Ca)CO3+ySiO2+zH2O
29
29
1.
Czym się różni wapno powietrzne od wapna
hydraulicznego?
Wapno powietrzne składa się głównie z CaO
lub Ca(OH)2 i po zarobieniu z wodą powoli
twardnieje na powietrzu i w zasadzie nie
twardnieje w wodzie, w odróżnieniu od wapna
hydraulicznego które wiąże i twardnieje w
zetknięciu z wodą.
2.
czym różni się wapno dolomitowe
od wapna wapniowego?
zawartość MgO >5%
3. Gaszenie wapna jest procesem egzotermicznym w
trakcie którego wydziela się 155 kcal ciepła na każdy kg
wapna palonego poddanego procesowi gaszenia
Zapisz równanie reakcji gaszenia wapna
Ile litrów wody można podgrzać o 1K wykorzystując energię
wydzieloną w trakcie procesu gaszenia 10 kg wapna
palonego?
155 kcal / 1 kg * 10 kg = 1550 kcal
1cal = 1 g H2O o 1K
1550 kg wody, ok. 1,5 m3
4. Co to jest ciasto wapienne i jaka jest w nim
przybliżona zawartość wody?
Jest to mieszanina Ca(OH)2 i nasyconego
roztworu Ca(OH)2 o zawartości wody ok. 50%.
5. Zapisz równanie reakcji wiązania wapna.
Jakie procesy są odpowiedzialne za twardnienie
wapna.
Ca(OH)2 + CO2 + H2O = CaCO3 + 2H2O
• odparowanie wody
• krystalizacja Ca(OH)2
• karbonizacja
Czas i temperatura gaszenia
wapna palonego
Szybkość
hydratacji
wapna
palonego
w procesie gaszenia oraz temperatura
końcowa gaszenia to istotne cechy określające
jakość wapna.
Ćwiczenie
1.
Zapoznaj się z surowcami węglanowymi; wapieniami, marmurami, kredą,
marglem, dolomitami w stopniu pozwalającym na rozpoznawanie tych
surowców
• Do zważonych tygli odważyć po ok. 50g okruchów wapienia (do każdego
tygla inna frakcja) i wypalać w piecu.
• Okruch otrzymanego wapna palonego włożyć do zlewki poj. 100 cm3 i
zwilżyć kroplą wody – zachodzące zjawiska opisać i wyjaśnić.
• Do suchej zlewki (100 cm3) odważyć 10 g wypalonego wapienia i z biurety
(przy ciągłym, bardzo wolnym wypływie) bardzo powoli dodawać wodę,
intensywnie mieszając zawartość zlewki za pomocą termometru. Ta ilość
dodanej wody w przybliżeniu wskazuje, że produktem hydratacji jest
wapno suchogaszone.
• Następnie dodawać wody, aż do uzyskania ciasta wapiennego.
W zależności od szybkości gaszenia się wapna
z wodą rozróżnia się wapno:
szybko gaszące się - czas gaszenia do 15 minut,
umiarkowanie gaszące się - czas gaszenia 15-30 minut,
wolno gaszące się - czas gaszenia powyżej 30 minut.
Jakie parametry wpływają na prędkość reagowania
wapna z wodą oraz końcową temperaturę tej reakcji?
• rodzaj użytych surowców i sposób prowadzenia procesu wypalania
wapna (temp. wypalania, rodzaje pieców itd.),
• czystość wapna palonego; im mniejsza zawartość CaO w wapnie
tym mniejsza jest prędkość reakcji hydratacji,
• zawartość tlenku magnezu MgO; ze wzrostem MgO w wapnie
palonym opóźnia się przebieg reakcji hydratacji,
• stopnia rozdrobnienia wapna; zwiększenie miałkości wapna
palonego , a więc i jego powierzchni właściwej, przyśpiesza przebieg
reakcji z wodą,
• ilość wody zużytej do gaszenia wapna; zwiększenie ilości wody
opóźnia proces hydratacji,
• mieszanie; mieszanie wapna i wody powoduje znaczny wzrost
prędkości gaszenia