Chemia budowlana 1080-BU000-ISP-0410 cz2 PDF

Preview

Summary

Badanie wpływu warunków prażenia gipsu na strukturę i właściwości wiążące spoiw gipsowych...

Description

Badanie wpływu warunków prażenia gipsu na strukturę i właściwości wiążące spoiw gipsowych Cel ćwiczenia Oznaczenie ubytku wody krystalizacji gipsu dwuwodnego w temperaturze dehydratacji 160°C i w temperaturze powyżej 350°C, a ponadto oznaczenie czasu wiązania oraz obserwacja pod mikroskopem kształtu ziaren otrzymanych preparatów.

Teoria Naturalnymi surowcami do otrzymywania spoiw gipsowych oraz anhydrytowych są: skały gipsowe, których głównym składnikiem jest CaSO4·H2O. Powstawanie spoiwa dokonuje się przez prażenie (dehydratację) gipsu surowego, skały anhydrytowe, które jako główny składnik zawierają bezwodny siarczan wapnia CaSO4 (anhydryt). Spoiwo jest otrzymywane na skutek mielenie tych skał z odpowiednimi dodatkami. Możliwe jest otrzymanie spoiwa z gipsu naturalnego, przez proces wyprażania. W czasie tego procesu gips przechodzi w gips półwodny (CaSO4 ·½H2O) a przy większych temperaturach (170°C – 250°C) w Anhydryt III oraz Anhydryt II (przy 350°C – 600°C). W procesie wiązania spoiw gipsowych można wyróżnić kilka etapów: spoiwo rozpuszczane jest w wodzie, dochodzi do uwodnienia go do dwuwodnego siarczanu (VI) wapnia (CaSO4 ·2H2O), roztwór staje się przesycony, następuje jego krystalizacja, wykrystalizowany materiał zaczyna tworzyć strukturę, następuje jej twardnienie i wzrost wytrzymałości

(kluczowym

czynnikiem

wpływającym

na

szybkość

procesu

jest

rozpuszczalność w wodzie, tzn. im bardziej rozpuszczalne jest spoiwo, tym szybciej proces zachodzi). Wiązanie spoiw anhydrytowych przebiega w podobny sposób. Również następuje uwodnienie do dwuwodnego siarczanu(VI) wapnia (CaSO4 ·2H2O), jednak proces ten zachodzi jedynie na powierzchni ziaren anhydrytu. We wnętrzu spoiwa zostaje nieuwodniony anhydryt II, co bardzo dobrze wpływa na wytrzymałość (Anhydryt II ma większą wytrzymałość, ale i dłuższy czas wiązania). Przebieg ćwiczenia Przebieg doświadczenia obejmuje następujące etapy: Zważono masę tygla porcelanowego i kwarcowego W moździerzu utarto ok. 10 g gips dwuwodny na proszek 1

Odważono po 2 g gipsu dwuwodnego i umieszczono w tyglach Tygiel porcelanowy umieszczono w suszarce na 40 min, tygiel kwarcowy umieszczono nad płomieniem palnika na 40 min Po skończeniu suszenia i prażenia próbki umieszczono w eksykatorze do ostygnięcia Oznaczono masę tygli z próbkami gipsu Obliczono ubytek masy w procentach Na dwóch kawałkach folii poliestrowej umieszczono po ok. 1 g otrzymanych spoiw gipsowych, dodano 10 kropel wody destylowanej, wymieszano szpatułką i zmierzono czas od dodania wody do chwili gdy konsystencja próbki straciła plastyczność Przygotowano preparaty do badań mikroskopowych Zanotowano różnice w pokroju kryształów

Wyniki pomiarów: Tabela 1. Masy tygli i gipsu surowego

Tygiel

Masa tygla [g]

Masa gipsu

Łączna masa tygla i

surowego [g]

gipsu surowego [g]

Porcelanowy

25,66

2,01

27,67

Kwarcowy

19,72

2,01

21,73

W Tabeli 1 zamieszczono początkowe masy podczas wykonywania doświadczenia. Po upływie 40 min tygiel porcelanowy wyciągnięto z suszarki, a tygiel kwarcowy zdjęto z palnika i po ostudzeniu ponownie zważono. Poniżej przedstawiono otrzymane masy: Masa tygla porcelanowego i spoiwa [g]:

27,30

Masa tygla kwarcowego i spoiwa [g]:

21,31

Po wymieszaniu na folii poliestrowej ok. 1 g gipsu i dodaniu wody destylowanej zmierzono czas od dodania wody do chwili gdy konsystencja próbki straciła plastyczność, otrzymano następujące wyniki: Czas wiązania dla spoiwa gipsowego [s]:

280

Czas wiązania dla spoiwa anhydrytowego [s]:

495

2

Następnie przygotowano preparaty do badań mikroskopowych. Z powodu zabrudzenia mikroskopu różnice pomiędzy spoiwem umieszczonym w suszarce i nad palnikiem były ciężkie do zaobserwowania. Wydaje się, że budowa anhydrytu II była bardziej regularna niż w przypadku półwodnego siarczanu wapnia. Przy formułowaniu dalszych wniosków dotyczących pokroju kryształów opierano się na literaturze. Obliczenia i wyniki końcowe: Różnica w masie spoiwa gipsowego [g]:

27,67 – 27,30 = 0,37

Nowa masa spoiwa gipsowego [g]:

2,01 – 0,37 = 1,64

Ubytek wody [%]:

(0,37 : 2,01) · 100 = 18,4

Różnica w masie spoiwa anhydrytowego [g]:

21,73 – 21,31 = 0,42

Nowa masa spoiwa anhydrytowego [g]:

2,01 – 0,42 = 1,59 (0,42 : 2,01) · 100 = 21,0

Ubytek wody [%]: W Tabeli 2 przedstawiono otrzymane informacje.

Tabela 2. Cechy strukturalne i fizyczne badanych spoiw gipsowych Temperatura prażenia [°C]

160

>350

Ubytek wody [%]

18,4

21,9

Czas Pokrój kryształów

Rodzaj spoiwa

wiązania [s]

Brak wyraźnego pokroju

Spoiwo gipsowe,

kryształów, płatkowe

(półwodny siarczan

agregaty o budowie

wapnia:

włóknistej

CaSO4·½H2O)

Prostopadłościenny kształt kryształów

280

Spoiwo anhydrytowe, (bezwodny siarczan

495

wapnia: CaSO4 II)

Wnioski Ubytek procentowy wody podczas prażenia (>350°C) gipsu surowego jest wyższy niż ubytek procentowy gipsu w procesie suszenia (160°C).

3

Czas wiązania spoiwa prażonego w 350°C był dłuższy niż czas wiązania spoiwa w procesie suszenia w 160°C. W pierwszym przypadku otrzymano spoiwo anhydrytowe a w drugim gipsowe. Spoiwo gipsowe jest bardziej rozpuszczalne w wodzie, ponieważ im spoiwo bardziej rozpuszczalne tym szybciej wiąże.

Oznaczanie modułu szkła wodnego Cel ćwiczenia Obliczenie modułu szkła wodnego i ocena jakości badanego szkła wodnego ze względu na ten parametr.

Teoria Moduł jest jednym z parametrów technologicznych szkła wodnego. Jest to stosunek liczby moli SiO2 do Na2O. Oblicza się go za pomocą wzoru

gdzie: %SiO2 - procentowa zawartość dwutlenku krzemu w szkle wodnym, %Na2O

- procentowa zawartość tlenku sodu w szkle wodnym,

1,032 - stosunek mas molowych Na2O i SiO2 (62,00/60,09).

Spotyka się szkło wodne o module

. Szkło o niskim module charakteryzuje się

opóźnionym i wydłużonym wiązaniem. Zastosowanie szkła wysokomodułowego powoduje obniżenie wytrzymałości tworzyw krzemianowych. W zastosowaniach budowlanych szczególnie korzystne są wartości

.

Badana próbka szkła wodnego zawiera roztwór wodny krzemianu sodu, czyli wodę i produkty hydrolizy krzemianu. Zawartości wody wyznacza się, mierząc ubytek masy podczas ogrzewania; pozostałość to sucha substancja zawierająca NaOH i SiO2. Zawartość wodorotlenku sodu oznacza się przez miareczkowanie badanego roztworu szkła wodnego kwasem solnym; w czasie miareczkowania zachodzi reakcja HCl + NaOH → NaCl + H2O. Zawartość NaOH przelicza się następnie na Na2O. Pozostała część suchej substancji to SiO2. Oznaczenia te pozwalają na obliczenie modułu szkła wodnego. 4

Przebieg ćwiczenia Oznaczenie zawartości wody i suchej substancji obejmuje następujące etapy: zważenie tygla kwarcowego, wkroplenie do niego 20 kropli badanego szkła wodnego za pomocą bagietki i ponowne zważenie, ustawienie tygla na płytce porcelanowej, umieszczonej na trójnogu i ogrzewanie palnikiem do momentu ustania charakterystycznego trzaskania (spowodowanego skurczem materiału po odparowaniu wody), przeniesienie tygla z płytki na trójkąt porcelanowy i kontynuacja ogrzewania przez około 10 minut, ostudzenie tygla w eksykatorze i zważenie. Oznaczenie zawartości tlenku sodu i dwutlenku krzemu obejmuje następujące etapy: zważenie tygla porcelanowego, wkroplenie do niego 11 kropli badanego szkła wodnego za pomocą bagietki i ponowne zważenie, włożenie tygla do zlewki z około 100 cm3 gorącej (około 80°C) wody destylowanej, przewrócenie go i rozpuszczenie szkła wodnego za pomocą mieszania bagietką, po całkowitym rozpuszczeniu próbki dodanie do zlewki 4 kropel wskaźnika – czerwieni krezolowej miareczkowanie roztworem HCl o stężeniu 0,1 mol/dm3 do uchwycenia pierwszej zmiany barwy Obliczenia i wyniki końcowe: Masy tygla kwarcowego podczas oznaczania zawartości wody i suchej substancji: masa tygla kwarcowego

20,14 g

masa tygla kwarcowego i szkła wodnego

22,11 g

masa tygla z próbką po prażeniu

20,96 g

Masy tygla porcelanowego podczas oznaczania zawartości tlenku sodu i dwutlenku sodu: masa tygla porcelanowego

30,55 g

masa tygla porcelanowego i szkła wodnego 31,56 g

5

Objętość zużytego kwasu solnego wyniosła 14,7 cm3. Obliczenie procentowej zawartości wody (%W) za pomocą wzoru

gdzie a – masa tygla [g] b – masa tygla ze szkłem wodnym [g] c – masa tygla z próbką po prażeniu [g]

Obliczenie suchej substancji (%S) z różnicy

Obliczenie procentowej zawartości Na2O ze wzoru

gdzie VHCl

– objętość zużytego kwasu solnego [cm3]

a

– masa tygla [g]

b

– masa tygla z próbką [g]

0,0031

– mnożnik analityczny, czyli ilość Na2O odpowiadająca 1 cm3 roztworu HCl o

stężeniu 0,1 mol/dm3

Obliczenie procentowej zawartości SiO2 z różnicy 6

Obliczenie modułu szkła wodnego

Wnioski Badane szkło wodne jest niskomodułowe. Charakteryzuje się opóźnionym i wydłużonym wiązaniem. Badanie korozji kwasowej betonu cementowego Cel ćwiczenia Część pierwsza doświadczenia dotyczy zbadania przebiegu korozji kwasowej. Polega na porównaniu skutków oddziaływania na beton różnych kwasów oraz ocena wpływu stężenia kwasu na intensywność korozji. Część

druga

doświadczenia

dotyczy

przebiegu

korozji

węglanowej.

Polega

na

zaobserwowaniu zmian zachodzących w próbce i podaniu reakcji tłumaczących zachodzące zmiany w przebiegu korozji węglanowej.

Teoria Kwasy są niebezpieczne dla betonu, ponieważ zarówno kwasy mocne (HCl, H2SO4), słabe mineralne jak i organiczne reagują z wodorotlenkiem wapnia: Ca(OH)2 + 2H + → Ca 2+ + 2H2O a także z glinianami i krzemianami zawartymi w cemencie: 3CaO·Al2O3 + 12H + → 3Ca 2+ + 2Al 3+ + 6H2O 3CaO·SiO2 + 6H + → 3Ca 2+ + H2SiO3 + 2H2O W wyniku tych reakcji powstają związki łatwo rozpuszczalne, które następnie ulegają wyługowaniu (rozpuszczeniu i wymyciu) z betonu. Powoduje to większą porowatość betonu i obniżenie jego wytrzymałości. Kwasy reagują również z węglanem wapnia, powstającym w wyniku karbonatyzacji (reakcji dwutlenku węgla z otoczenia z różnymi składnikami stwardniałego zaczynu cementowego)

betonu lub

węglanowych:

7

stanowiącym składnik kruszyw

CaCO3 + 2H + → Ca 2+ + H2O + CO2 Wody zawierające większe ilości wolnego dwutlenku węgla powodują korozję węglanową betonu. Przebiega ona dwuetapowo. Początkowo powstaje węglan wapnia: Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 + H2O który następnie przechodzi w łatwo rozpuszczalny wodorowęglan w reakcji: CaCO3 + CO2 + H2O → Ca(HCO3)2 Korozja węglanowa może być zaliczana do korozji kwasowej, ponieważ dwutlenek węgla jest bezwodnikiem kwasowym (tlenkiem niemetalu, który łącząc się z wodą tworzy kwas nieorganiczny).

Przebieg doświadczenia

Badanie przebiegu korozji kwasowej

Z wody wyciągnięto sześć próbek betonu, osuszono je ligniną i zważono. Do sześciu zlewek z tymi próbkami betonu dodano kwas solny: do pierwszej o stężeniu 0,5%, do drugiej – 1,0%, do trzeciej – 1,5%. Do kolejnych zlewek dodano kwas octowy: do czwartej o stężeniu 0,5%, do piątej – 1,0% i do szóstej – 1,5%. Po upływie godziny ponownie zważono próbki betonu (Tabela 1). Badanie przebiegu korozji węglanowej Rozdrobniony beton wsypano do kolby stożkowej i zalano wodą destylowaną około 4 cm powyżej próbki. Do drugiej kolby dodano mączkę wapienną na 0,5-0,7 cm. Wkraplacz nad drugą kolbą napełniono kwasem solnym o stężeniu 2 mol/dm3 do ¾ objętości i odkręcono kurek. Obserwacje W zlewce z kwasem solnym o stężeniu 1,0% zaobserwowano delikatne wydzielanie się gazu i delikatne zielone zabarwienie. W zlewce z kwasem solnym o stężeniu 1,5% wydzielał się gaz i roztwór przybrał zieloną barwę. W zlewce z kwasem octowym o stężeniu 1,0% wydzielał się bardzo delikatny gaz. W zlewce z kwasem octowym o stężeniu 1,5% wydzielał się delikatny gaz i pojawiło się delikatne zmętnienie.

8

Po dodaniu wody destylowanej do rozdrobnionego betonu roztwór przyjął malinowy kolor z powodu obecności fenoloftaleiny na próbkach betonu. Po odkręceniu kurka i dodaniu kwasu solnego nastąpiła gwałtowna reakcja. Roztwór z rozdrobnionym betonem przestaje być malinowy i staje się mętny. W kolbie z mączką wapienną wytwarza się piana, a w drugiej kolbie początkowo gwałtownie wydzielały się pęcherzyki gazu, następnie roztwór zmętniał, po czym z powrotem stał się klarowny. Wyniki pomiarów Przed wykonaniem doświadczenia początkowe masy próbek betonu wynosiły dla pierwszej zlewki: 102,49 g, dla drugiej zlewki: 92,47 g, dla trzeciej 105,59 g, dla czwartej 101,00 g, dla piątej 88,09 g i dla szóstej 47,15 g. Po wykonaniu doświadczenia masy próbek betonu wynosiły dla pierwszej probówki: 101,73 g, dla drugiej probówki: 91,08 g, dla trzeciej 101,34 g, dla czwartej 100,43 g, dla piątej 87,25 g i dla szóstej 46,15 g. Obliczenia i wyniki końcowe Obliczono ubytek masy dla kolejnych próbek betonu oraz wykorzystując otrzymane wyniki obliczono procentowy ubytek masy dla poszczególnych próbek (Tabela 1). Tabela 1. Zależność pomiędzy stężeniem kwasu a procentowym ubytkiem masy betonu

Kwas

HCl

CO3COOH

Numer

Stężenie

zlewki

3

[mol/dm ]

1

0,5

102,49

2

1,0

3

Masa

Masa po

Ubytek

Ubytek

masy [g]

masy %

101,73

0,76

0,7

92,47

91,08

1,39

1,5

1,5

105,59

101,34

4,25

4,0

4

0,5

101,00

100,43

0,57

0,6

5

1,0

88,09

87,25

0,84

1,0

6

1,5

47,14

46,15

0,99

2,1

początkowa [g] upływie 1h [g]

Wnioski Większy ubytek masy dla próbek, które były moczone w kwasie solnym. Kwas solny jest zatem bardziej szkodliwy dla betonu niż octowy. Im większe stężenie kwasu tym większa intensywność korozji.

9

Zmiana koloru z malinowego na klarowny oznacza, że odczyn roztworu zmienił się z zasadowego na kwasowy. Woda mętnieje w wyniku reakcji CO2 rozpuszczonego w wodzie w Ca(OH)2 wymywanego z betonu. W wyniku reakcji CO2 i Ca(OH)2 powstaje węglan wapnia: Ca(OH)2+CO2 → CaCO3+H2O. Roztwór ponownie staje się klarowny, gdy z węglanu wapnia pod wpływem agresywnego stężenia CO2 w wodzie powstaje łatwo rozpuszczalny wodorowęglan: CaCO3+CO2+H2O → Ca(HCO3)2

10...