Spoiwa_ceram_masy_plast v2011

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
róŜnych dodatków na czas wiązania gipsu i jego właściwości mechaniczne.
Spoiwo wiąŜące to grupa tworzyw rozdrobnionych do postaci pyłu, które zarobione
wodą dają plastyczny zaczyn, łatwo układający i formujący się oraz wiąŜący po pewnym
czasie i twardniejący na powietrzu lub w wodzie. Spotyka się obecnie podziały oparte na
róŜnych parametrach. Najczęściej spotykany jednak funkcjonuje podział na dwie grupy
róŜniące się wyraźnie pod względem zachowania się ich w środowisku wodnym. Są to 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 wiąŜące i wytrzymałościowe.
Spoiwa hydrauliczne wiąŜą i twardnieją zarówno na powietrzu jak i w wodzie bez dostępu
powietrza.
Rys.1. Klasyfikacja spoiw wiąŜących ze względu na ich zachowanie w środowisku wodnym
2
Spoiwa powietrzne gipsowe
Spoiwa gipsowe i wyroby z gipsu cieszą się duŜą popularnością. Wzrost
wykorzystania siarczanu wapnia w
budownictwie wynika z szeregu czynników. Polska
dysponuje duŜymi pokładami gipsu i anhydrytu. Występujące w Polsce złoŜa gipsowe i
anhydrytowe pochodzą z dwóch okresów geologicznych: górnego permu i miocenu. W
przewaŜającej swej masie stanowią produkt krystalizacji siarczanów wapnia z wody morskiej.
Anhydryt jest spotykany równieŜ wśród skał pochodzenia hydrotermalnego i w ekshalacjach
wulkanicznych, gips natomiast wśród produktów wietrzenia siarczku Ŝelaza.
Spoiwa gipsowe moŜna 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
NajwaŜniejszym etapem produkcji spoiw gipsowych a w większości wypadków takŜe
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 dwuwodzian przechodzi w półhydrat. Etap ten charakteryzuje
się gwałtownym wydzielaniem pary wodnej. W zaleŜności 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 róŜnią się zdecydowanie
stopniem wykrystalizowania.
Drugi etap odwodnienia gipsu odpowiadający przemianie do anhydrytu III jest
wynikiem dalszej utraty wody. W zaleŜności od tego czy anhydryt powstał z odmiany α czy β
półhydratu rozróŜnia się równieŜ 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 wiąŜący nazywany czasami gipsem hydraulicznym,
ze względu na to Ŝe jest on odporniejszy na działanie wody niŜ wyŜej opisane materiały
wiąŜące. Jego właściwości wiąŜące 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 wyróŜnia 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 aŜ do powstania roztworu nasyconego. Z przesyconego
roztworu CaSO4 wykrystalizują 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 zaleŜy od właściwości uŜytego spoiwa i ilości wody zarobowej. Przy większej
ilości wody powstają ciekłe zaczyny a w miarę jej zmniejszania plastyczne., gęstoplastyczne,
aŜ 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 aŜ do
uzyskania dostatecznie stwardniałego tworzywa. Bardzo waŜnymi 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:
•
aktywatory wiązania,
•
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 moŜna podzielić na opóźniające i przyspieszające wiązanie. Domieszki zwiększające
5
rozpuszczalność gipsu półwodnego przyśpieszają jego wiązanie, natomiast domieszki
obniŜające rozpuszczalność opóźniają ten proces. Domieszki te wpływają negatywnie na
końcową wytrzymałość spoiwa po stwardnieniu. NaleŜy równieŜ podkreślić Ŝe zastosowanie
wybranego dodatku niekoniecznie będzie miało ten sam charakter oddziaływania w
przypadku spoiwa w postaci gipsu półwodnego jak i 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 zaleŜności od stęŜenia mogą słuŜyć
jako przyspieszacz lub opóźniacz
procesu wiązania; dodane w nieduŜych
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
Mieszaniny dodatków
naleŜących do róŜnych klas
CaHPO3·2H2O
keratyna, kleje
organiczne
opóźniają wiązanie
borany i
fosforany metali
alkalicznych,
H3PO4
np. CaSO4·2H2O
+ NaCl+ dodatki
powierzchniowo
czynne
opóźniają wiązanie
6
umoŜliwiają regulację czasu wiązania
zaleŜnie od klasy i stęŜenia 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 zatrzymania wody pozwala na wydłuŜenie 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 równieŜ duŜą wodoŜądność. ObniŜenie wodoŜądności uzyskuje się poprzez
zastosowanie domieszek uplastyczniających lub upłynniających. domieszki uplastyczniające
pozwalają na nieduŜe obniŜenie wody (5-12%) przy zachowaniu stałej konsystencji zaprawy.
Domieszki upłynniające pozwalają na obniŜenie wodoŜądności zaprawy ( powyŜej 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.
Do zapraw dodawane są równieŜ środki napowietrzające powodującą powstawanie duŜej
ilości drobnych pęcherzyków powietrznych.
7
Etery skrobi mają właściwości zagęszczające. Dodatek ich znacznie polepsza konsystencję i
urabialność oraz obniŜa tendencję do zbrylania.
Dodawanie środków hydrofobowych zmniejsza nasiąkliwość gdyŜ nasiąkliwość tworzyw
gipsowych waha się w szerokim zakresie od 25% aŜ do 40% masy. Dobre wyniki uzyskuje
się przez impregnację roztworami Ŝywic 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 uŜytkowych stwardniałego tworzywa
gipsowego.
UWAGA: Podczas pracy naleŜy 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 wyróŜnia się:
1) surowce plastyczne (iły itp.) stosowane jako składnik spajający masę ceramiczną
i umoŜliwiający 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 duŜa
skurczliwość jest przyczyną mechaniczne deformacji wyrobu),
b) topniki (skaleń, pegmatyt, fluoryt itp.) dodawane do masy ceramicznej w
celu obniŜenia temperatury jej spiekania.
Ze względu na zastosowanie, surowce plastyczne moŜemy podzielić na:
1. kaoliny i gliny, wypalające się na biało lub kremowo są stosowane 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, wypalają się na kolor czerwony, szary, kremowy i róŜowy. Stosuje
się je do wyrobu naczyń kamionkowych, płytek podłogowych i rur kanalizacyjnych.
4. gliny klinkierowe i ceglarskie, wypalają się na kolor czerwony. Stosuje się je do
produkcji klinkieru i wyrobów ceramiki budowlanej takich jak cegły, dachówki i in.
5. gliny garncarskie i kaflarskie, wypalają się na kolor kremowy, róŜowy lub czerwony.
Stosuje się je 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 waŜna z uwagi na potrzeby, róŜny stopień plastyczności
9
oraz moŜliwości jego regulowania. OdróŜnia ona ponadto surowce ilaste od innych
surowców, uŜywanych do produkcji ceramiki.
Metody oznaczania podstawowych właściwości surowców i ceramicznych mas
plastycznych
Dla rozpoznania grup surowców waŜne są specyficzne cechy technologiczne określane
metodami znormalizowanymi. Wybitnie zaleŜy tu na porównywalności i powtarzalności
wyników. Przykładowe badania wykonywane podczas poszczególnych etapów otrzymywania
wyrobu ceramicznego przedstawiono na rys. 1.
Rys. 1: 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, wyraŜa 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
ziarn minerałów, obecność wody i skład mineralny.
10
Z pojęciem plastyczności surowców wiąŜą się następujące ich właściwości:
1. pęcznienie przy nawilŜaniu 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. zaleŜność 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 świeŜo uformowanej
próbki, spowodowana jej wysuszeniem. WyraŜa 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
interpretację.
11
wykonanych
pomiarów
oraz
ich
Ceramika budowlana
Podstawowymi materiałami do budowy ścian róŜnych budowli juŜ 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 Ŝelaza. Skład
mineralogiczny wpływa na plastyczność gliny. Przyjmuje się, Ŝe plastyczność jest
spowodowana płytkową budową minerałów ilastych, otoczonych cienką błonką wody oraz
bardzo duŜe rozdrobnienie substancji ilastej. I dlatego teŜ glina posiadała (w przeciwieństwie
do kamienia i drewna) cechy urabialności plastycznej po zarobieniu z wodą i toteŜ była
wykorzystywana do sztukowania róŜnych ścian jam mieszkalnych i budowli z wikliny.
RóŜnego 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 staŜem, dachówka ceramiczna to materiał
budowlany, który wciąŜ jest stosowany i nie zanosi się, aby było inaczej. Popularność zyskała
przede wszystkim dzięki swoim właściwościom uŜytkowym.
Cegła i dachówka ceramiczna stworzyły nowe moŜliwości. Budowle były wyŜsze,
bardziej róŜnorodne, 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 naleŜą 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 najwaŜniejsze z ich zalet moŜna 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 skaŜenia środowiska naturalnego;
elementy budynków wznoszonych z wyrobów ceramiki budowlanej mogą być
realizowane siłami własnymi przyszłego uŜytkownika, a kształtowanie wystroju
zewnętrznego i wewnętrznego budynku jest stosunkowo proste;
12
ściany budynków wykonanych z wyrobów ceramiki budowlanej charakteryzują się
dobrymi właściwościami termoizolacyjnymi, a jednocześnie doskonale akumulują
ciepło i przepuszczają parę wodną; cechy te sprawiają, Ŝe mikroklimat pomieszczeń o
takich ścianach jest znacznie korzystniejszy dla istot Ŝywych od występującego we
wnętrzach stworzonych przez uŜycie innych wyrobów o podobnym zakresie
stosowania;
wyroby ceramiki budowlanej są produktami ekologicznymi, gdyŜ są wykonane z
naturalnych surowców, nie emitują Ŝadnych związków szkodliwych dla organizmów
Ŝywych, co sprawia, Ŝe 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
umoŜliwia 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 staroŜytnym 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
równieŜ miały swój duŜy 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 waŜniejszych budowli zaczęto
uŜywać cegły wypalanej. Budowle z mało wytrzymałej cegły mułowej pokrywano z zewnątrz
cegłą wypalaną, odporną na róŜne 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
13
Nabuchodonozora II a takŜe wiele innych budowli Babilonu miały ściany z wypalanej,
szkliwionej, kolorowej cegły.
Około 2000 lat przed naszą erą rozpoczęła się budowa wieŜy w Babilonie.
Podstawowym materiałem budowniczym była cegła, dzięki której nastąpiła intensywna
rozbudowa. Trzy rzędy ceglanych murów z wieŜami 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 staroŜytnej Azji m.in. a Indiach, Chinach i Indonezji rozpowszechnione głównie
były cegły suszone i wypalane.
W Ameryce w okresie prekolumbijskim stosowana była równieŜ cegła suszona zwana
adobą.
Następnym najwaŜniejszym 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 uŜytkowano równieŜ 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 uŜywali cegły surowej, suszonej na
słońcu. Przed niekorzystnym działaniem warunków atmosferycznych zabezpieczano ją
tynkiem. Później – podobnie jak w staroŜytnej Mezopotamii zaczęto stosować cegłę paloną.
Kiedy materiał był wbudowywany w miejscu naraŜonym na zawilgocenie, zabezpieczano go
dodatkowo specjalnym roztworem.
W czasach panowania Juliusz Cezara (59-44 r. p.n.e.) nastąpił duŜy 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 niezaleŜnie od stylu takŜe sięgało po cegłę. Była ona
doceniana szczególnie w regionach, w których trudno dostępny był dobrej jakości kamień –
m.in. w Niemczech, Holandii.
14
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 duŜe zapotrzebowanie
na wypalaną cegłę, która stała się podstawowym materiałem budowlanym. Gotyk w roŜnych
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 Ŝeliwem, które w
połączeniu z ceglanym murem zwiększało bezpieczeństwo poŜarowe.
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
wiąŜe się, Ŝe „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
juŜ 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.
15
Historia dachówki
Od początków powstania Ŝycia 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 dąŜono 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 duŜej ilości na dachach domów
mieszkalnych. Typowe karpiówki były to przewaŜnie 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 podłuŜnie ciągnione. W miarę rozwoju nowych technologii wymyślono
dachówki o bardziej zróŜnicowanej formie - tzw. zakładkowe. Posiadały one zakładki
podłuŜne i poprzeczne, które zachodząc na siebie przy układaniu zapewniały duŜą 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 Ŝłobkowanej wzdłuŜ
wszystkich krawędzi po ułoŜeniu na dachu nadaje mu zróŜnicowany, 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 duŜego doświadczenia.
16
Na początku XIX w. popularne było krycie dachówkami ceramicznymi. Oprócz
udoskonalania kształtów duŜy nacisk kładziono na nowoczesną technologię, co spowodowało
duŜy rozwój produkcji przemysłowej na większą skalę. Tworzono i udoskonalano piece do
wypału dachówek, w celu zuŜywania 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, Ŝe była ona
sterowana komputerowo. Mało elastyczne, cięŜkie i za kosztowne okazały się jednakŜe 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 słuŜą 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 duŜej 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 uŜytkownikowi komfortową ciszę nawet w czasie największych ulew. Jeśli
dodamy do tego jej wysoką ognioodporność otrzymamy pełny obraz dachówki, która dzięki
wielu atutom wciąŜ wygrywa ze swoimi konkurentami.
17
Obecnie proces produkcji dachówek ceramicznych jest w pełni zautomatyzowany i
zmechanizowany. Producenci uŜywają specjalnych, nowoczesnych pieców, które znacznie
przyspieszyły procesy wypalania. Wpłynęło to korzystnie na zuŜycie energii i zmniejszenie
emisji, CO2 do atmosfery, co ma obecnie duŜe znaczenie dla ochrony środowiska.
Szybki rozwój technologii powoduje ciągłe udoskonalanie dachówek pod względem
parametrów technicznych. DąŜy się do poprawiania trwałości dachówek poprzez zwiększanie
ich wytrzymałości. Modyfikuje się skład surowcowy, w celu otrzymania optymalnych,
najkorzystniejszych rozwiązań. Dachówki ceramiczne doskonali się równieŜ 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
juŜ 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 Ŝelaza.
RóŜnorodność kształtów i kolorów dachówek ceramicznych stwarza obecnie duŜe
moŜliwości kształtowania wyglądu dachu, który stanowi waŜny 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, Ŝółte, a
nawet spotyka się dachówki cieniowane lub kolorystycznie stylizowane na stare sprawiające
wraŜenie 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, Ŝe ceramika budowlana to ceniony materiał o wielowiekowej
tradycji. Ale przyznać trzeba równieŜ, iŜ ceramika wypalana w sposób tradycyjny miała i ma
niewystarczające dla naszego klimatu właściwości termoizolacyjne, wymagające stosowania
róŜnych systemów dociepleń, a to się wiąŜe 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 Ŝyczenia. Aby zbudować z niej
ciepłą przegrodę, trzeba wykonać dość grubą i pracochłonną ścianę trójwarstwową.
18
Tabela 3. Przykłady zastosowania cegieł w budownictwie
Typ cegły
Pełna
Klasy, MPa
5,0-15,0
Zastosowanie
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 naraŜone 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 obciąŜonych
budowli, np. szyby górnicze
19
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 drąŜeń, który dodatkowo poprawia izolacyjność termiczną.
Rozwiązanie
to
umoŜliwia
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 zaleŜności 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 równieŜ
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
20
z dociepleniem, poniewaŜ dodatkowa izolacja uniemoŜliwia absorpcję ciepła promieniowania
słonecznego przez mury.
Pustaki nowej generacji, pomimo, Ŝe są droŜsze od pustaków starego typu, to jednak
naleŜy je uznać za bardzo dobry materiał budowlany, z którego jednowarstwowa ściana
zewnętrzna jest w ostatecznym rozrachunku tańsza i prostsza do wykonania niŜ ściana dwulub trójwarstwowa.
Tabela 4. Zalety i wady warstwowych ścian ceramicznych i ceramiki poryzowanej
Warstwowe ściany ceramiczne
Zalety
Ceramika poryzowana
dobre parametry cieplne;
duŜa izolacyjność termiczna;
duŜa akumulacyjność cieplna;
izolacyjność akustyczna;
odporność na uszkodzenia
ognioodporność;
wysoką zdolność akumulacji ciepła;
mechaniczne ;
trwałość, wykazują bardzo niską
podatność na zmienności kształtu
pod wpływem obciąŜeń
statycznych, ciepła lub niskich
temperatur
niska przewodność cieplna;
dobra przyczepność do zapraw;
Wady
duŜa materiałochłonność;
jest dość droga w porównaniu z
duŜa pracochłonność;
innymi materiałami budowlanymi;
znaczna grubość ścian sprawia, Ŝe są
to ściany cięŜkie, a konieczność
wykonania kilku warstw zwiększa
ryzyko popełnienia błędów;
słabe właściwości termoizolacyjne,
wymagające stosowania róŜnych
systemów dociepleń
21