Spoiwa_ceram_masy_plast v2012

Zakład Technologii Nieorganicznej i Ceramiki
Wydział Chemiczny Politechniki Warszawskiej
Spoiwa ceramiczne i masy plastyczne
Ćwiczenie laboratoryjne
1
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 się i formujący, 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 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 działaniu wody, po związaniu i początkowemu stwardnieniu, 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
2
Spoiwa powietrzne gipsowe
Spoiwa gipsowe i wyroby z gipsu cieszą się dużą popularnością. Podzielić je można
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.
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.
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
3
Podczas ogrzewania, dwuwodny siarczan wapnia traci wodę krystalizacyjną w dwóch
etapach. W pierwszym etapie przechodzi on 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 „estrich”. Daje on materiał wiążący nazywany 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 wapnia 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 półwodnego
siarczanu wapnia do dwuwodnego siarczanu wapnia 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 wykrystalizowują kryształki gipsu dwuwodnego, w wyniku czego następuje
wzrost wytrzymałości mechanicznej.
4
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 masy plastyczne,
gęstoplastyczne, a także masy wilgotne.
Współczynnik wodno-gipsowy WG określa wymaganą ilość wody zarobowej potrzebną do
uzyskania plastyczności roboczej. Jest to stosunek wody do gipsu, przy którym zaczyn
uzyskuje plastyczność roboczą. Współczynnik ten wynosi dla gipsu budowlanego i
ceramicznego 0,65-0,80; a 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 doskonałym 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:
aktywujące wiązanie,
opóźniające wiązanie,
zwiększające retencję wody w zaprawie,
uplastyczniające i upłynniające,
napowietrzające,
zagęszczające,
hydrofobowe,
włókna – mikrozbrojenie.
Regulatory wiązania są to związki mające wpływ na czas wiązania spoiw gipsowych. Związki
te można podzielić na opóźniające i przyspieszające wiązanie (Tabela 1 i 2). Domieszki
5
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 w przypadku anhydrytu.
Tabela 1. Klasyfikacja dodatków regulujących czas wiązania spoiw gipsowych
Charakter oddziaływania na proces
Klasa
Charakterystyka ogólna
Rodzaj
wiązania spoiw gipsowych i
anhydrytowych
I
II
III
IV
V
Elektrolity i nieelektrolity zmieniające rozpuszczalność gipsu
a) silne elektrolity
nieposiadające wspólnych
jonów z gipsem
NaCl, KCl, KBr,
KNO3, NaNO3
b) silne elektrolity o wspólnym
jonie z gipsem
c) słabe elektrolity i
nieelektrolity
d) substancje tworzące z
gipsem w roztworze trudno
rozpuszczalne związki
Substancje będące ośrodkami
krystalizacji gipsu
Na2SO4, K2SO4,
ZnSO4, MgSO4
NH4OH, C2H2OH
w zależności od stężenia mogą służyć
jako przyspieszacz lub opóźniacz
procesu wiązania; dodane w niedużych
ilościach przyspieszają wiązanie
przyspieszają wiązanie, zmniejszając
nieco wytrzymałość tworzywa
opóźniają wiązanie
NaF
przyspieszają wiązanie
CaSO4·2H2O,
przyspieszają wiązanie
Substancje powierzchniowo
czynne, które zaadsorbowane
na powierzchni ziaren
półhydratu i dwuhydratu
zmniejszają szybkość
powstawania zarodków
krystalizacji
Substancje reagujące z
gipsem z utworzeniem trudno
rozpuszczalnych otoczek
keratyna, kleje
organiczne
opóźniają wiązanie
borany i
fosforany metali
alkalicznych,
H3PO4
np. CaSO4·2H2O
+ NaCl+ dodatki
powierzchniowo
czynne
opóźniają wiązanie
Mieszaniny dodatków
należących do różnych klas
CaHPO3·2H2O
6
umożliwiają regulację czasu wiązania
zależnie od klasy i stężenia dodatków
Tabela 2. Oddziaływania wybranych dodatków na proces wiązania spoiw gipsowych i
anhydrytowych
Rodzaj spoiwa
Rodzaj dodatku
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 zatrzymywania 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 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 melaminowoformaldehydowe i naftalenowo- formaldehydowe, modyfikowane lignosulfoniany i etery
kwasu sulfonowego i węglowodorów.
7
Do zapraw dodawane są również środki napowietrzające powodującą powstawanie dużej
ilości drobnych pęcherzyków powietrznych.
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% 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, można stwierdzić że dodatki i domieszki modyfikujące stanowią nieodzowny
składnik mieszanek gipsowych. Związki te mają istotny wpływ na kształtowanie 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
8
Część II - Plastyczne surowce i masy ceramiczne
Celem ćwiczenia jest poznanie właściwości ceramicznych surowców ilastych wraz ze
sposobami formowania i wybranymi metodami badań.
Z punktu widzenia technologii ceramicznej wyróżnia się:
1) surowce plastyczne (iły itp.) stosowane jako składniki spajające masę ceramiczną
i umożliwiające kształtowanie wyrobów,
2) surowce nieelastyczne, które można podzielić na:
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 deformacji wyrobu),
b) topniki (skaleń, pegmatyt, fluoryt itp.) dodawane są do masy ceramicznej w
celu obniżenia temperatury jej spiekania.
Ze względu na zastosowanie, surowce plastyczne można podzielić na:
1. kaoliny i gliny, wypalające się na biało lub kremowo; stosowane są do wyrobu
porcelany, porcelitu i fajansu;
2. gliny ogniotrwałe, stosowane do wyrobu materiałów ogniotrwałych (odpornych na
wysokie temperatury - np. elementy konstrukcyjne pieców);
3. gliny kamionkowe, wypalające się na kolor czerwony, szary, kremowy i różowy;
stosowane do wyrobu naczyń kamionkowych, płytek podłogowych i rur
kanalizacyjnych.;
4. gliny klinkierowe i ceglarskie, wypalające się na kolor czerwony; stosowane do
produkcji klinkieru i wyrobów ceramiki budowlanej takich jak cegły czy dachówki;
5. gliny garncarskie i kaflarskie, wypalające się na kolor kremowy, różowy lub
czerwony; stosowane do produkcji wyrobów garncarskich oraz kafli piecowych.
Plastyczność jest jedną z zasadniczych i najbardziej charakterystycznych właściwości
ceramicznych surowców ilastych. 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
9
oraz możliwości jego regulowania. Odróżnia ona ponadto surowce ilaste od innych
surowców, używanych do produkcji ceramiki.
Metody oznaczania podstawowych właściwości surowców i ceramicznych mas
plastycznych
Dla rozpoznania grup surowców ważne są specyficzne cechy technologiczne określane
metodami znormalizowanymi. Zależy tu przede wszystkim na porównywalności i
powtarzalności wyników. Przykładowe badania wykonywane podczas kolejnych etapów
otrzymywania wyrobu ceramicznego przedstawiono na Rys. 3.
Rys. 3: Przykładowe badania wykonywane podczas poszczególnych etapów otrzymywania
wyrobu ceramicznego.
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.
Plastyczność najczęściej definiuje się jako zdolność do tworzenia, po zarobieniu z
wodą plastycznej masy, która pod działaniem stosunkowo niewielkich sił mechanicznych
odkształca się bez naruszenia spoistości (braku spękania).
Do zjawiska plastyczności przyczyniają się trzy czynniki, które samodzielnie lub w
połączeniu z pozostałymi przyczyniają się do zjawiska plastyczności. Są to: kształt i wielkość
ziaren 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 masy, zarobionej odpowiednią ilością wody, 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.
Skurczliwość wysychania jest to zmiana wymiarów liniowych świeżo uformowanej
próbki, spowodowana jej wysuszeniem. Wyraża się to w procentach pierwotnej długości
próbki lub odcinka zaznaczonego na jej powierzchni.
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 a także ich
interpretację.
11
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: 0,4
(zakładana ilość wody 50ml); 0,5; 0,6; 0,7 i 0,8 (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 = 0,6 (np. 130ml wody i 216g gipsu)
z dodatkiem 1%wag środka przyspieszającego (CaSO4 · 2H2O) i 3%wag środka 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:
12
czas początku wiązania – czas liczony w minutach, który upływa od chwili
rozpoczęcia dodawania gipsu do wody do momentu, kiedy opuszczona igła (4), po
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=0,7 ( 70g wody i 100g gipsu ). 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
13
tym wartość siły niszczącej próbkę. Należy wyliczyć współczynnik na ściskanie z
następującego wzoru:
WSC
P
S
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.
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.
14
CIEKAWOSTKA
Ceramika budowlana
Podstawowymi materiałami stosowanymi do budowy 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 posiadałjąca (w przeciwieństwie do kamienia i drewna)
cechy urabialności plastycznej po zarobieniu z wodą 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.
Obok cegły, która szczyci się długim stażem, dachówka ceramiczna to materiał
budowlany, który wciąż jest stosowany i nie zanosi się, aby było inaczej. Popularność zyskała
przede wszystkim dzięki swoim właściwościom użytkowym.
Cegła i dachówka ceramiczna stworzyły nowe możliwości. Budowle były wyższe,
bardziej różnorodne, jasne wewnątrz. Wznoszono je szybciej i łatwiej. Były trwałe, nie
niszczały podczas zmiennych pór roku, chroniły przed mrozem, śniegiem, obfitymi deszczami
i upalnym słońcem, a nawet ogniem. Ceramika budowlana obejmuje wyroby formowane i
wypalane ze specjalnie przygotowanej mieszanki, której głównym składnikiem jest glina.
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.
I tak najważniejsze z ich zalet można podsumować następującymi stwierdzeniami:
 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;
15
 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.
Historia ceramiki jest częścią historii i odzwierciedla zmieniające się zwyczaje i
rytuały cywilizacyjne.
Rozwój cegły na przestrzeni wieków
Produkcja cegieł zapoczątkowała się w starożytnym Wschodzie, głównie w
cywilizacjach nad Eufratem i Tygrysem oraz Nilem.
Najstarsze ślady sięgają VII tysiąclecia p.n.e, wówczas odkryto najstarsze budynki,
którymi były domy znane ze Starego Testamentu jak domy tworzące Jerycho, powstałe z
glinianych cegieł ok. 8 tys. lat p.n.e. W tamtych czasach cegłę wykonywano dwoma
sposobami, a mianowicie suszona w cieniu i dosuszana na słońcu ( tzw. surówka) oraz
wypalana w piecu. Jednak cegły ręcznie formowane z dodatkowa warstwą cegły palonej
również miały swój duży rozwój przy budowie świątyń Uruk. W czasie powstawania miasta,
wykorzystano cegły płasko wypukłe do budowy muru warownego
Pod koniec IV tysiąclecia p.n.e. w Mezopotamii do ważniejszych budowli zaczęto
używać cegły wypalanej. Budowle z mało wytrzymałej cegły mułowej pokrywano z zewnątrz
cegłą wypalaną, odporną na różne warunki atmosferyczne.
Ściany od zewnętrznej strony pokrywano warstwą ochronną, którą wykonywano z cegły
palonej, pokrytej barwnym szkliwem ( np. Święta Ulica i brama Isztar w Babilonie).Pałac
16
Nabuchodonozora II a także wiele innych budowli Babilonu miały ściany z wypalanej,
szkliwionej, kolorowej cegły.
Około 2000 lat przed naszą erą rozpoczęła się budowa wieży w Babilonie.
Podstawowym materiałem budowniczym była cegła, dzięki której nastąpiła intensywna
rozbudowa. Trzy rzędy ceglanych murów z wieżami i bramami - jedna z nich to słynna brama
Isztar. Otaczało i jednocześnie chroniło ogromną wschodnią część metropolii po stronie
Eufratu.
Wraz z podbojem Wschodu przez Aleksandra Wielkiego w IV w. p.n.e. upadła technika
zdobienia ceramiki.
W starożytnej Azji m.in. a Indiach, Chinach i Indonezji rozpowszechnione głównie
były cegły suszone i wypalane.
W Ameryce w okresie prekolumbijskim stosowana była również cegła suszona zwana
adobą.
Następnym najważniejszym miejscem rozpowszechnionym z budowania z cegły
mułowej był Egipt. Cegłę mułową stosowano od ok. 4 tysięcy lat p.n.e. natomiast cegłę
wypalaną stosowano dopiero ok. 50 roku p.n.e.
W Grecji do budowy głównie wykorzystywano drewno i kamień, ale na mniejszą
skalę użytkowano również starannie suszonymi cegłami. Grecy stosowali cegłę paloną rzadko
i dopiero od IV w. p.n.e.
Dzięki Rzymianom cegła trafiła do Europy, gdzie nastąpił wzrost jej popularności i
zastosowania w budownictwie.
Wykorzystywano głównie beton, ale do wznoszenia ścian nadal stosowano cegłę mułową
wypalaną i zaprawę wapienną. Początkowo Rzymianie używali cegły surowej, suszonej na
słońcu. Przed niekorzystnym działaniem warunków atmosferycznych zabezpieczano ją
tynkiem. Później – podobnie jak w starożytnej Mezopotamii zaczęto stosować cegłę paloną.
Kiedy materiał był wbudowywany w miejscu narażonym na zawilgocenie, zabezpieczano go
dodatkowo specjalnym roztworem.
W czasach panowania Juliusz Cezara (59-44 r. p.n.e.) nastąpił duży rozwój cegły
wypalanej. Jednak po upadku Imperium Rzymskiego (V w n.e.) wszystkie osiągnięcia
Rzymskie przejęło Cesarstwo Bizantyjskie, przy czym dokonano większego dotychczas
rozwoju i udoskonaleń.
Budownictwo naszej ery niezależnie od stylu także sięgało po cegłę. Była ona
doceniana szczególnie w regionach, w których trudno dostępny był dobrej jakości kamień –
m.in. w Niemczech, Holandii.
17
W XI w. n.e. na całą Europę rozpowszechniła produkcja cegieł z Hiszpanii. We Francji
wraz z utworzeniem się nowego stylu w architekturze-gotyk nastąpiło duże zapotrzebowanie
na wypalaną cegłę, która stała się podstawowym materiałem budowlanym. Gotyk w rożnych
odmianach dotrwał do wieku XV, rozprzestrzenił się głównie na obszarze Anglii, Hiszpanii,
Niemiec, Niderlandów i krajów skandynawskich. Cegła stała się podstawowym materiałem
do budowy młynów, pierwszych fabryk, czy magazynów portowych. W okresie rewolucji
przemysłowej drewno w konstrukcjach budowlanych zaczęto zastępować żeliwem, które w
połączeniu z ceglanym murem zwiększało bezpieczeństwo pożarowe.
Największy rozwój w zakresie produkcji cegieł przypada na II połowę XIX wieku.
Związany jest z trzema zasadniczymi odkryciami technicznymi:
o z konstrukcją pieca kręgowego Hoffmanna w 1857roku;
o z wprowadzeniem mechanicznej prasy ceglarskiej przez Schlickeysena w latach
1860-1870,
o z wprowadzeniem sztucznych suszarni Kellera pod koniec XIX wieku.
W Polsce rozwój cegły zapoczątkowany był w XIII wieku pod wpływem osiągnięć
krajów zachodnich. Rozkwit gotyku wpływał dominująco na rolę, udoskonalanie i produkcje
cegieł. Główny rozkwit budownictwa zawdzięcza się Kazimierzowi Wielkiemu, z którym to
wiąże się, że „zastał Polskę drewnianą, a zostawił murowaną”. To on otoczył murami 27
miast i wzniósł 53 zamki. Za czasów władania Zygmunta Augusta zaznaczył się wzrost
produkcji i poprawa jakości wapna i cegły, a sam Zygmunt August ustalił pierwszą w Polsce
normę budowlaną, ustalając przepisowe wymiary cegły na 3 x 6 x 12 cali.
Stopniowo z wiekiem XIX pojawiła się moda na stawianie budynków cegielnych w
stanie surowym. Następnie w kolejnym wieku, a mianowicie w XX zaczęto wprowadzać
tynkowanie budynków, a wraz z tym rozwojem coraz częściej stosowano pustaki betonowe
zamiast cegieł, oraz wytwarzano płyty betonowe, co wpłynęło niekorzystnie na dalsze
zapotrzebowanie na cegłę. Spowodowało to zmniejszenie jej produkcji. Współczesnym
już przełomem w rozwoju tego materiału okazała się produkcja "ciepłej ceramiki”, czyli
ceramiki poryzowanej. Zastosowanie w procesie produkcyjnym domieszek z mączki
drzewnej lub trocin, ulegającym wypaleniu podczas wypału ceramiki w piecu, powoduje
powstanie w strukturze materiału sieci mikroporów, znacznie poprawiających właściwości
termoizolacyjne.
18
Historia dachówki
Od początków powstania życia ludzkiego, szukano schronień i bezpieczeństwa pod
dachem. Ludzkość wraz z biegiem lat tworzyła nowe idee miejsc zamieszkania. Początkowo
były to jaskinie, szałasy, jednak to nie było tym, o czym marzyli. Pierwsze konstrukcje
dachowe zbudowane przez człowieka składały się z gałęzi i liści.
Pierwsze dachówki, czyli płaskie płyty gliniane mają swoje początki ok. 800 lat
p.n.e., a zapoczątkowali je Etruskowie.
W Grecji ok. 100 lat później pojawiła się dachówka przypominająca współczesną.
Dachówki o kształcie rynnowym kładzione obok siebie wytwarzano w Cesarstwie Rzymskim.
Dachówki rzymskie, które znaleziono na obszarze Moraw południowych i Słowacji
południowej miały płaski prostokątny kształt o grubości ok. 3 cm. Zachowały się dachówki o
długości od 65 do 115 cm, szerokości od 47 do 85 cm.
Z biegiem lat dążono do uzyskania większej szczelności i w związku z tym zaczęto
łączyć dachówki od góry półokrągłymi dachówkami. Ta forma dachówek znana jako MnichMniszka i zawędrowała wraz z podbojami na tereny Francji i Hiszpanii. Układano je parami
na dachach domów, obiektów zabytkowych lub sakralnych. Wraz z rozwojem miast zaczęto
produkować i stosować płaską dachówkę „karpiówkę”, w dużej ilości na dachach domów
mieszkalnych. Typowe karpiówki były to przeważnie prostokąty o zaokrąglonej dolnej
powierzchni.
Z rozkwitem i rozbudową miast powstawały nowe kształty dachówek. Od XV wieku
n.e. z terenu Holandii rozpowszechniły się dachówki w kształcie fali. Najpierw produkowano
jedynie dachówki podłużnie ciągnione. W miarę rozwoju nowych technologii wymyślono
dachówki o bardziej zróżnicowanej formie - tzw. zakładkowe. Posiadały one zakładki
podłużne i poprzeczne, które zachodząc na siebie przy układaniu zapewniały dużą szczelność
pokrycia. Bracia Gillardoni w Altkirch wytworzyli pierwsze dachówki zakładkowe, natomiast
pierwszą przemysłowo produkowaną dachówką zakładkową była marsylka opatentowana w
Niemczech przez Ludovici w 1874 r. Marsylka o powierzchni żłobkowanej wzdłuż
wszystkich krawędzi po ułożeniu na dachu nadaje mu zróżnicowany, oryginalny wygląd. Do
tej dachówki zastosowano po raz pierwszy dachówkę boczną (szczytową). Szczelność
pokrycia między dachówkami uzyskiwano wcześniej stosując słomę lub końskie włosie z
dodatkiem wapna.
Do XIX wieku, kiedy powstały maszyny do produkcji dachówek ich wytwarzanie
było rzemiosłem wymagającym dużego doświadczenia.
19
Na początku XIX w. popularne było krycie dachówkami ceramicznymi. Oprócz
udoskonalania kształtów duży nacisk kładziono na nowoczesną technologię, co spowodowało
duży rozwój produkcji przemysłowej na większą skalę. Tworzono i udoskonalano piece do
wypału dachówek, w celu zużywania jak najmniejszej ilości trudno dostępnego paliwa.
Przełomem okazał się wynaleziony w 1858 r. przez Hoffmanna piec pierścieniowy, w którym
paliwo mogło być wielokrotnie wykorzystywane. Natomiast w 1854 r. w Berlinie
wynaleziono dachówczarkę, która bardzo ułatwiła uprzemysłowienie wyrobu dachówek.
Pracowała ona jak prasa -jednocześnie urabiając, formując i tnąc. Następnie wynaleziono piec
tunelowy, który zastąpił piec pierścieniowy, lecz był on ciągle niedoskonały, brakowało wielu
rozwiązań technicznych. Dopiero ok. 1970r. na tyle udoskonalono produkcję, że była ona
sterowana komputerowo. Mało elastyczne, ciężkie i za kosztowne okazały się jednakże i
piece tunelowe.
Pierwsze własne dachówki na naszych ziemiach zaczęto produkować w okresie Rzeszy
Wielkomorawskiej, znaczny wzrost ich produkcji nastąpił zwłaszcza w X i XI wieku. W
miarę rozwoju miast palona dachówka była coraz częściej stosowana i dalej się rozwijała.
Dziś powszechnie układa się dachówki metodą na sucho. Gąsiory, które służą do
zabezpieczania szczelności dachu w miejscach stycznych połaci dachowych powstały z
odwrócenia dachówek rynnowych.
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.
20
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.
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. 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.
21
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. 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.
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 dwulub trójwarstwowa.
22