Budownictwo Ogólne - Tom 1 - Materiały i Wyroby Budowlane

7/21/2019 Budownictwo Oglne - Tom 1 - Materiay i Wyroby Budowlane

1/927

materiayi wyroby

budowlane


2/927

Ksika stanowi pierwsz cz piciotomowej publikacjipt. Budownictwo oglne", ktra zastpi wydawanew Arkadach" dzieo pod tym samym tytuemautorstwa Profesora Wacawa enczykowskiego.

Poszczeglne rozdziay tego tomu napisali specjaliciz wielu dziedzin budownictwa, bdcy pracownikaminaukowymi w rnych orodkach akademickich w Polsce.Podrcznik zawiera aktualn wiedz na temat materiawi wyrobw budowlanych, ich produkcji, waciwocioraz zastosowania. W opracowaniu uwzgldniono zmiany,

jakim w ostatnich latach podlepay przepisy prawnei normy, zasady organizacji budowy i sposb realizacji

obiektw, asortyment materiaw i wyrobw budowlanych.Ksika jest przeznaczona dla studentw wydziawbudownictwa wyszych uczelni technicznychoraz dla inynierw i technikw budowlanych.

W przygotowaniu s kolejne tonjy:

ity budynkw. Podstawy pi

W a m 1

niowe, instalacje

ISB N 83- 213- 4334- 1

NCD ICD I

'

3 3 4


3/927

Budownictwo

oglnetom 1

materiayi wyroby

budowlane


4/927

Autorzy

dr. hab. in. Wojciech Grabowski, prof. PP - rozdz. 2

dr hab. in. Jzef Jasiczak, prof. PP - rozdz. 5, 7

dr in. Jacek Katzer - rozdz. 9

mgr in. Iwona Lipczyska - rozdz. 1

dr in. Zdzisaw Lis - rozdz. 10

dr in. Lesaw Macieik - rozdz. 9

mgr in. Grzegorz Maliszewski - rozdz. 13

dr hab. in. Andrzej Maasiewicz, prof. PG - rozdz. 3

dr in. Pawe Mieczkowski - rozdz. 8, 12

prof, dr hab. in. Jerzy Piasta - rozdz. 6

dr hab. in. Wojciech Piasta, prof. Pk - rozdz. 6

dr in. Piotr Rapp - rozdz. 10dr in. Adam Romanowski - rozdz. 13

mgr in. Teresa Kuciska - rozdz. 8

mgr in. Tomasz Rudnicki - rozdz. 11

prof, dr hab. in. Bogusaw Stefaczyk - rozdz. 1, 11, 12

dr hab. in. Wadysaw Szaflik, prof. PS - rozdz. 14

prof, dr in. Bronisaw Weryski - rozdz. 4


5/927

Budownictwooglne

tom 1

materiayi wyroby

budowlane

praca zbiorowa pod kierunkiemprof. dr. hab. in. Bogusawa Stefaczyka

ARKADY


6/927

Opiniodawcyprof. dr hab. in. Jan Maolepszyprof, dr hab. in. Jerzy Piat

Redaktor naukowy

Maria Siarkiewicz

Opracowanie techniczneIwona Malicka

Projekt okadkiBarbara Godzisz

KorektaMaria Witczak

Copyright by Wydawnictwo Arkady Sp. z o.o., Warszawa 2005Wszelkie prawa zastrzeoneKopiowanie lub reprodukowanie jakiegokolwiek fragmentu tej ksikiwymaga pisemnej zgody wydawcy

Ksika dotowana przez Ministerstwo Edukacji Narodowej i Sportu

ISBN 83-213-4334-1


7/927

Spis rozdziaw

Przedmowa .................................................................................................... 7

Wstp ............................................................................................................. 9

1 Podstawowe waciwoci techniczne materiaw budowlanych ... 11

2 Naturalne materiay kamienne ...................................................... 87

3 Ceramika budowlana ..................................................................... 157

4 Mineralne spoiwa budowlane ........................................................ 241

5 Zaczyny i zaprawy budowlane ..................................................... 293

6 Beton zwyky, wysokowartociowy i specjalny............................331

7 Wyroby z zaczynw, zapraw i betonw ....................................... 433

8 Betony lekkie .................................................................................. 481

9 Szko budowlane .............................................................................. 549

10 Drewno i materiay drewnopochodne .......................................... 567

1 1 Tworzywa sztuczne i malarskie materiay budowlane .............. 653

12 Lepiszcza bitumiczne i wyroby z nich ........................................ 743

13 Metale i wyroby z metali .............................................................. 823

1 4 Materiay i wyroby instalacyjne oraz termoizolacyjne ............ 889


8/927

Przedmowa

Przekazujemy do rk Czytelnikw pierwsz cz piciotomowej monografiipt. Budownictwo oglne, ktra zastpi wydawane w Arkadach w latach ubiegych uznane dzieo pod tym samym tytuem autorstwa Profesora Wacawa en-czykowskiego, wychowawcy kilku pokole inynierw. W wiadomoci studentw i absolwentw wyszych uczelni technicznych ksika ta pozostaje sztandarowym podrcznikiem z dziedziny budownictwa. Jednak upyw czasu i przemiany

w Polsce spowodoway, e Wydawnictwo stano przed dylematem - czy kolejnyraz nowelizowa dzieo Wacawa enczykowskiego, czy te przygotowa zupenienowe opracowanie.

W ostatnich kilkunastu latach - podobnie jak we wszystkich dziedzinach gospodarki - take w budownictwie nastpiy fundamentalne przeobraenia; zmianie ulegy przepisy prawne i normy, zasady organizacji budowy i sposb realizacjiobiektw budowlanych, asortyment materiaw budowlanych, finansowanie i wycena robt. Przeksztacenia dokonuj si nadal, co wie si z trwajcym cayczas procesem transformacji spoeczno-gospodarczej kraju oraz potrzeb dosto

sowania polskich przepisw do obowizujcych w Unii Europejskiej.Biorc pod uwag te okolicznoci, Wydawnictwo Arkady zadanie napisania

nowej piciotomowej monografii pt. Budownictwo oglne powierzyo uznanymspecjalistom z kilku orodkw akademickich w Polsce.

W przygotowaniu pierwszego tomu, powiconego materiaom i wyrobom budowlanym, brao udzia osiemnastu Autorw. Koordynacji caoci prac zwizanych z jego opracowaniem podj si Profesor Bogusaw Stefaczyk z PolitechnikiSzczeciskiej, ktry jest jednoczenie Autorem niektrych rozdziaw. Cay zesp autorski dooy wielu stara, eby wiedz zawart w tej ksice cechowaa

aktualno, cho wobec szybkiego tempa zmian nie byo to zadanie atwe.Pragniemy serdecznie podzikowa wszystkim Autorom za twrczy wysiek

woony w przygotowanie poszczeglnych rozdziaw tego tomu, a Panu Profesorowi Bogusawowi Stefaczykowi za harmonijn wspprac i konsekwentnerealizowanie zaoe merytorycznych. Bardzo dzikujemy Recenzentom: PanuProfesorowi Janowi Maolepszemu i Panu Profesorowi Jerzemu Piatowi, ktrychcenne wskazwki przyczyniy si do udoskonalenia treci ksiki.

Warszawa, stycze 2005 Wydawnictwo Arkady


9/927

Wstp

Wprowadzanie nowych technik budowlanych i wzrastajce zapotrzebowanie namateriay budowlane o coraz lepszych parametrach technicznych stawiaj nowewyzwania przed przemysem materiaw budowlanych, ktry sta si wan dziedzin gospodarki narodowej.

Obok wymaganej wysokiej jakoci i trwaoci materiaw, wan rol odgrywaj kryteria ekonomiczne. Wikszo materiaw i wyrobw budowlanych charakteryzuje si znaczn objtoci i du mas, co wie si z niemaymi kosztami ich przewozu od zakadu, gdzie s produkowane, na plac budowy. Koszt transportu na dalsze odlegoci niektrych popularnych (tradycyjnych) materiaw budowlanych moe by wyszy ni ich cena. Dlatego powinno si, w miar moliwoci, stosowa materiay miejscowe, ktre wydobywa si lub produkuje w po

bliu wznoszonego obiektu (piasek, wir, gips, wapno, kamie naturalny, ceg).W ostatnim czasie, obok przesanek ekonomicznych, due znaczenie w ocenie

przydatnoci danego produktu maj wzgldy ekologiczne, a zwaszcza oddziaywanie materiaw lub wyrobw budowlanych na zdrowie czowieka i rodowisko naturalne. Pod pojciem waciwoci ekologicznych materiaw budowla

nych rozumie si rwnie te cechy, ktre umoliwiaj ponowne ich zastosowaniew budownictwie lub innych dziedzinach gospodarki bez szkody dla rodowiskanaturalnego (recykling). Najbardziej przydatne do wtrnej przerbki s materiay nieorganiczne (metale, materiay skalne, beton, szko, ceramika) i niektreorganiczne (drewno, celuloza i jej pochodne), najtrudniej za jest przetwarzawikszo tworzyw sztucznych.

W nowoczesnym budownictwie istotn rol odgrywaj wzgldy estetyczne.Aby nada obiektom efektowny wygld, stosuje si coraz doskonalsze materiay, m.in. tynkarskie i kamienne, lekkie obudowy z metalu, tworzyw sztucznych

i szka, elementy dekoracyjne, np. sztukatorskie.Zaawansowane technologie produkcji wyrobw budowlanych, nowoczesne

techniki czenia poszczeglnych elementw podczas wznoszenia obiektw wymagaj od inyniera budowlanego odpowiedniej wiedzy fachowej, studiowanialiteratury przedmiotu.

W warunkach gospodarki wolnorynkowej, gdy dostp do rnorodnych materiaw i wyrobw budowlanych produkowanych tak w kraju, jak i za granic

jest praktycznie nieograniczony, istnieje potrzeba zastosowania odpowiedniej ichklasyfikacji. Mona zaproponowa dwa kryteria podziau.


10/927

Pierwsze kryterium polega na grupowaniu materiaw i wyrobw wedug ichprzeznaczenia (np. murowe, cienne, dachowe, wykoczeniowe zewntrzne lubwewntrzne, podogowe lub posadzkowe). Klasyfikacja ta jest jednak niedoskonaa, gdy np. do grupy materiaw dachowych zalicza si materiay o rnych

waciwociach, z rnych surowcw, otrzymywanych wg odmiennych technologii (np. dachwki ceramiczne i blachy stalowe, dachwki na spoiwie mineralnymi rulonowe materiay papowe na bazie bitumu lub tworzywa sztucznego). Jakwida wymienione materiay nie maj wiele wsplnego zarwno ze wzgldu nauyte surowce, jak i metody wytwarzania.

Drugim kryterium podziau moe by rodzaj surowca, z ktrego przygotowujesi materia (wyrb) i przebieg procesu technologicznego przy jego wytwarzaniu(produkcji). W ten sposb mona wyrni nastpujce grupy: naturalne materiay kamienne, ceramik, tworzywa sztuczne i wyroby z nich oraz inne.

Wyklucza si z tego rodzaju klasyfikacji grup materiaw do izolacji cieplnych, poniewa otrzymuje si je z rnych surowcw (organicznych, nieorganicznych), przy zastosowaniu odmiennych technologii, a maj one jednak duo cechwsplnych: niewielk gsto objtociow, ma przewodno ciepln, dobrtermoizolacyjno.

Parametry, jakimi powinny odznacza si materiay i wyroby budowlane, sokrelone w normach, przepisach resortowych oraz wymaganiach technicznychustalonych przez Instytut Techniki Budowlanej, a dotyczcych gwnie materia

w i wyrobw nowo wprowadzanych, w niewystarczajcym stopniu sprawdzonych w praktyce budowlanej. Badania laboratoryjne prowadzi nie tylko InstytutTechniki Budowlanej, ale rwnie np. Instytut Badawczy Drg i Mostw, gwnie w zakresie nowych wyrobw stosowanych w budownictwie komunikacyjnym. S opracowane odpowiednie procedury dopuszczania nowych materiawdo obrotu i stosowania w rnych dziaach budownictwa, a wydawane dokumentytechniczno-prawne nosz nazw aprobat technicznych. Normy, ustalenia techniczne i aprobaty zawieraj dokadne dane materiau (wyrobu). Okrelone s w nichtake metody bada oraz warunki przechowywania i transportu.

W zwizku z wejciem Polski do Unii Europejskiej trwa proces dostosowywania standardw krajowych do norm technicznych Wsplnoty i std w zestawachnorm zamieszczonych w kadym z rozdziaw ksiki obok symbolu PN-B 1wystpuj symbole PN-EN2 i PN-EN ISO3. Normy te wnosz istotn i nowwiedz uatwiajc podmiotom gospodarczym funkcjonowanie na rynku euro

pejskim w warunkach rosncej konkurencji.Bogusaw Stefaczyk

10 Wstp

1Normy krajowe opracowane przez PKN (Polski Komitet Normalizacyjny).

2 Wiernie tumaczone normy europejskie EN.3 Tumaczone normy midzynarodowe ISO (International Organization for Standardization).


11/927

(Podstawowe waciwoci technicznemateriaw budowlanych

Bogusaw Stefa czyk Iwona Lipczy ska

1.1. Wybrane zagadnienia chemii bu dow la nej.................................................................................. 121.1.1. Rola inynierii materiaowej w technolog ii materiaw bu do w lany ch ................. 121.1.2. Podstawowe elementy budowy materii ........................................................................ 131.1.3. Wizania midzyatomowe i midzyczsteczkowe....................................................... 161.1.4. Wiadomoci o wizaniach, strukturze i wac iwociach podstawowych grup

materiaw budo wlanych................................................................................................... 231.1.5. Podstawy krystalografii. Materiay kr ys tali cz ne .......................................................... 321.1.6. Regua faz w zastosowaniu do materiaw budowlanych......................................... 37

1.1.7. Zaburzenia strukturalne w materiaach bu dow lany ch ................................................47

1.1.8. Ukady dyspersyjne ..........................................................................................................55

1.2. Waciw oci fizyczne materiaw budow lanyc h........................................................................62

1.3. Waciwoci mechaniczne materiaw budowlanych ..............................., ............................ 75Wykaz literatury ............................ ............................. ............................. ............................. ......................85


12/927

1.1. Wybrane zagadnienia chemii budowlanej

1.1.1. Rola inynierii materiaowej w technologii

materiaw budowlanychUzdatnianie i uszlachetnianie materiaw, wprowadzanie dodatkw modyfiku

jcych, a take modernizacja produkcji wyrobw wymagaj zoonych procesw okrelanych mianem technologii materiaw. Dyscyplina naukowa, ktrazajmuje si badaniem struktury materiaw oraz ulepszaniem ich i otrzymywaniem nowych tworzyw o z gry zaoonych waciwociach, nosi nazwinynierii materiaowej.

Gwny nacisk w tej dziedzinie nauki kadzie si na poszukiwanie zale

noci midzy fizycznymi lub mechanicznymi waciwociami materiaw a ichstruktur.Okrelenie struktura jest tu uywane w najszerszym znaczeniu i obejmuje

struktur atomow, elektronow, krystaliczn, jak rwnie defekty tej strukturywpywajce na rodzaj - a tym samym si (energi) - wiza, decydujcycho waciwociach mechanicznych, fizycznych i chemicznych materiaw.

Inynieria materiaowa stanowi wic dziedzin interdyscyplinarn, bazujc m.in. na takich naukach podstawowych i stosowanych, jak: fizyka, chemia, krystalografia z mineralogi (ze szczeglnym uwzgldnieniem reguy faz

oraz fizykochemii ukadw dyspersyjnych) i materiaoznawstwo budowlane, z caym systemem bada i oceny waciwoci fizykomechanicznych materiaw.

Inynieria materiaowa, gwnie przez badania podstawowe struktury materiaw1, okrela kierunki poszukiwa nowych materiaw konstrukcyjnych, a take pomocniczych, tzw. wykoczeniowych. Zarwno pierwsze, jak i drugie majcoraz mniej wsplnego z tradycyjnymi materiaami jedno-, dwu- czy trjskadnikowymi (tradycyjnymi zaprawami, betonami cementowymi, ceramik tradycyjn), a s zoonymi ukadami wieloskadnikowymi i wielofazowymi, zwanymikompozytami.

W tej prawie nieograniczonej grupie materiaw nie ma ju miejsca na podziay tradycyjne, czyli np. na materiay kruche (ceramika, beton, szko), ktrychzakres sprystoci jest ograniczony przez pkanie, oraz plastyczne, ktrych zakres sprystoci jest ograniczony przez odksztacenie plastyczne.

We wspomnianych wyej kompozytach na rwni z materiaami do tej pory uchodzcymi za kruche (takimi jak: materiay mineralne, beton) wystpuj materiay lepko-plastyczne (np. ywice syntetyczne, bitumy, plastyfi

12 1. Podstawowe waciwoci techniczne materiaw budowlanych

1Budowa wewntrzna na poziomie atomw, jonw, elektronw.


13/927

1.1. Wybrane zagadnienia chemii budowlanej 13

katory wglowodorowe), przez co zacieraj si tradycyjne podziay klasyfikacyjne.

W ten sposb utworzone kompozyty podczas eksploatacji ujawniaj swe korzystne cechy: podane waciwoci mechaniczne, przy jednoczenie pewnejskonnoci do deformacji i rozpraszania napre wewntrznych (waciwocirelaksacyjne), co z kolei zmniejsza ich podatno na zmiany zmczeniowe i starzeniowe.

1.1.2. Podstawowe elementy budowy materii

Istniej rnorodne materiay budowlane, ktrych waciwoci zmieniaj siw bardzo szerokim zakresie. Wspln ich cech jest to, e s zbudowane z czstek

elementarnych.Obecnie znanych jest ponad 200 takich czstek. W wikszoci przypadkw czas ich istnienia jest bardzo krtki. Czstki te dzieli si na cztery grupy:fotony, leptony, mezony i bariony.

Z punktu widzenia budowy materii istotne znaczenie maj tylko takie czstki,ktre wchodz trwale w skad atomu i podczas wytwarzania czy destrukcji materiaw budowlanych nie podlegaj adnym zmianom. Do takich czstek nale:protony, neutrony i elektrony.

Wedug planetarnego, a wic klasycznego, modelu Bohra, atomy s zbudo

wane z nukleonw (protonw i neutronw) - czstek tworzcych jdro, orazelektronw - krcych wok jdra na cile okrelonych orbitach (a dokadniejna tzw. orbitalach).

Dodatnie adunki wchodzcych w skad jdra protonw s zobojtnione przezujemne adunki elektronw otaczajcych jdro, tak wic atom jest elektrycznieobojtny, a liczba protonw rwna liczbie elektronw nosi nazw liczby atomowejZ (lub porzdkowej). Warto Z wyznacza wic adunek powoki elektronowej,a take adunek jdra atomowego.

Liczba neutronw N znajdujcych si obok protonw Z w jdrze atomowym

nie wpywa na jego adunek, a jedynie na mas jdra. Cakowita liczba nukleonw (liczba masowa A atomu) wyznaczajca mas jdra wynosi N + Z. Atomypierwiastkw o liczbie atomowej Z i liczbie masowej A oznacza si symbolemP (gdzie P jest symbolem danego pierwiastka).

Jdro atomowe zbudowane z czstek dodatnich (protonw) i obojtnych (neutronw) istnieje wbrew prawu o odpychaniu adunkw jednoimiennych.

Prawdopodobnie wynika to z faktu, e nukleony w jdrze atomu nie s trwaymi czstkami, lecz ulegaj cigej przemianie proton => neutron z udziaem

czstki elementarnej, tzw. mezonu n. Istniej trzy rodzaje takich mezonw 7t,


14/927


Przebieg podanych reakcji odbywa si z du czstotliwoci (1024/s) wgschematu

P - > N + n + i N - J C - + P

gdzie: P- proton,N- neutron.

Wedug teorii Bohra, elektrony otaczajce jdro atomu kr po koowychorbitach. Sommerfeld zmodyfikowa model Bohra, wprowadzajc zamiast orbitkoowych orbity eliptyczne (rys. 1.1). W przypadku powstaego w ten sposbmodelu atomu odnosi si wraenie, jakby rozmieszczenie elektronw i orbit byocile sprecyzowane.

Rysunek 1.1. Orbity elektronowe

wg Sommerfelda [4]

Wedug teorii Heisenberga, zarwno pooenia elektronu na orbicie, jak i jegoenergii nie mona okreli dokadnie, poniewa elektrony mog zachowywa si

jak czstki materialne albo jak fale elektromagnetyczne.Ostatnio stacjonarne orbity (koowe i eliptyczne), po ktrych pdz elektro

ny, zostay zastpione obliczonymi (z duym prawdopodobiestwem) kanaami poruszania si chmury elektronowej. Kady z elektronw znajdujcych siw chmurze ma jednake wasny (niepowtarzalny) zasb energii, ktry wynika

z pooenia jego w stosunku do jdra atomu.Do opisu stanu energetycznego tych elektronw su dwie liczby kwanto

we: gwna i poboczna. Gwna liczba kwantowa (oznaczana przez ) okrelaoglnie stan energetyczny elektronu w atomie i moe przybiera wartoci cakowitych liczb dodatnich ( = 1 ,2 ,3 ,4 ,5 ,6 ,7,...). Szacuje ona w przyblieniuodlego elektronu od jdra. Najbliej jdra atomu znajduje si powoka o liczbiekwantowej n = 1, elektrony na niej krce charakteryzuj si rwnie najniszenergi.

Gwna liczba kwantowa wskazuje rwnoczenie na liczb podpowok w powoce. Zatem w powoce drugiej s dwie podpowoki, w trzeciej trzy itd. Pod-powoki oznacza si symbolami literowymi s, p, d, / , g, h, i.


15/927

Stosujc formu 2n2,mona obliczy maksymaln liczb elektronw w danejpowoce, na przykad w powoce pierwszej (n= 1) mog przebywa maksymalnie2 elektrony, w drugiej {n = 2) 8, trzeciej {n= 3) 18 itd.

Konfiguracje elektronow pierwiastkw najczciej wystpujcych w materia

ach budowlanych przedstawia tabl. 1.1.


Tablica 1.1. Konfiguracja elektronowa wybranych pierwiastkw chemicznych

z SymbolPowoka i podpowoki

pierwiastka 1s 2s 2 p 3s 3p 3d 4s 4p 4 d 4 /

1 H 18 0 2 2 4

11 Na 2 2 6 112 Mg 2 2 6 213 Al 2 2 6 2 114 Si 2 2 6 2 2

19 K 2 2 6 2 6 120 Ca 2 2 6 2 6 2

Posikujc si tabl. 1.1, konfiguracj elektronow np. sodu (Na) o liczbieatomowej Z = 11 przedstawia si nastpujco:

11 Na - \s22s22p63sl

W przypadku atomu sodu powok wartociowoci jest powoka trzecia z jednym elektronem w podpowoce s (3J1), podobnie jak powoka czwarta w atomie

potasu (4S1). Obydwa pierwiastki ze wzgldu na konfiguracje elektronow ostatniej podpowoki snale do pierwszej grupy ukadu okresowego i charakteryzujsi podobnymi waciwociami chemicznymi.

Na podstawie pobienej nawet analizy konfiguracji elektronowej pierwiastkwchemicznych mona doj do wniosku, e ich waciwoci chemiczne zale od

liczby elektronw wartociowoci (walencyjnych).Wartociowoci nazywa si liczb elektronw atomw biorcych udzia

w tworzeniu wiza midzyatomowych. Wartociowo jest zwykle okrelonaliczb elektronw w zewntrznych podpowokach (s, p ), na przykad:

tlen (O) \s22s22pA\ wartociowo = 6krzem (Si) 1 2^22/?63^23/>2; wartociowo = 4magnez (Mg) ls22s22p63s2; wartociowo = 2

Pierwiastki majce w powoce zewntrznej 8 elektronw (s2p6), do ktrych

nale (z wyjtkiem helu) wszystkie gazy szlachetne, s nieaktywne chemicznie.


16/927

Zachowania chemiczne pozostaych pierwiastkw mona wyjani, opierajc sina deniu do uzyskania 8-elektronowej zewntrznej powoki, tzw. oktetu.

Sd o strukturze elektronowej

ls22s22p6ls l

ma jeden elektron na powoce zewntrznej i chtnie go oddaje, aby oprnipowok 3 i uzyska oktet w powoce 2.

Natura wiza midzy atomami i zachowanie chemiczne sodu zale od mechanizmu oddziaywania jednego elektronu z elektronami ssiednich atomw.

Tlen o konfiguracji elektronowej

ls22s22p

bdzie dy w reakcjach chemicznych do zapenienia podpowoki (p) w drugiejpowoce elektronowej przez przyczenie dwch elektronw.

Atomy majce w zewntrznej powoce mao elektronw (1,2,3), jak np. atomNa, Mg, Al., atwo uzyskuj trwa konfiguracj elektronow zewntrznej powokiprzez pozbywanie si tych niewielu elektronw.

Pierwiastkom majcym w zewntrznej powoce liczb elektronw blisk 8(np. atom tlenu) jest natomiast atwiej uzyska stabiln konfiguracje elektronow

przez przyjcie dwch elektronw do podpowoki (/?).

Utrata lub uzyskanie przez jaki atom elektronu lub elektronw s nazywanejonizacj. Atomy oddajce elektrony s nazywane elektrododatnimi, przyjmujceelektroujemnymi. Podstaw wiza midzy atomami jest sposb, w jaki atomyuzyskuj stabiln 8-elektronow konfiguracj zewntrznej powoki.

W tym celu podczas tworzenia wizania atomy oddaj, pobieraj lub uwspl-niaj elektrony.

1.1.3. Wizania midzyatomowe i midzyczsteczkowe

Siy dziaajce midzy atomami zblionymi do siebie na odpowiednie odlegocimona podzieli w oglnoci na:

siy wynikajce z wdrwki elektronw i ewentualnej ich wymiany miedzyssiadujcymi atomami (midzyatomowe).

siy, ktrych wystpowanie nie jest zwizane z wymian elektronw, np. siyvan der Waalsa (midzyczsteczkowe).

Wymienione rodzaje wiza rni si wydatnie energi: wizania midzyatomowe (I rzdu) charakteryzuj si wysok energi (250-1000 kJ/mol), nato

miast wizania midzyczsteczkowe (II rzdu) s sabsze, a ich energia waha siw granicach 4-40 kJ/mol.



17/927


W pierwszym przypadku podatno do czenia, czyli reakcji chemicznych,maj atomy z nie zapenion powok zewntrzn elektronami, a zwaszcza takie,w ktrych elektrony nie wystpuj w dubletach. Jest to zgodne z regu wizawalencyjnych VB (Valence Bond), wg ktrej atomy mog utworzy czsteczk,gdy dysponuj elektronami o rnych spinach (przeciwnie skierowanym ruchuobrotowym dokoa wasnej osi).

Z punktu widzenia energetycznego czenie atomw w czsteczki przebiegana zasadzie zmniejszania energii swobodnej i w konsekwencji uzyskania przezt czsteczk bardziej trwaej konfiguracji, zgodnie z nierwnoci

gdzie: E - energia atomu A,

E g - energia atomu B.Uoglniajc, midzy atomami dziaaj siy dwojakiego rodzaju: przycigajce,

ktre utrzymuj atomy w postaci spjnej grupy, oraz odpychajce, przeciwdziaajce zbytniemu zblianiu si tych atomw. Siy te utrzymuj atomy w okrelonejodlegoci od siebie, ale przy zbyt maych odlegociach siy odpychajce swiksze ni siy przycigajce (rys. 1.2).

(Ea + osobno > (Ea + E B)'razem

a a'

Rysunek 1.2. Siy midzyatomowe (wg [15])


18/927


W odlegoci a -d sia oddziaywania midzy atomami jest rwna 0, a energia minimalna. Gdy atomy zbliaj si do siebie, odlego midzy nimi staje simniejsza ni a -dw pooeniu rwnowagi. Siy odpychajce zaczynaj odgrywa

decydujc rol i energia potencjalna szybko ronie. Gdy atomy oddalaj si odsiebie, odlego midzy nimi staje si wiksza ni w pooeniu rwnowagi, nieco sabsze siy przycigajce zaczynaj przewaa i krzywa energii potencjalnejznw ronie, ale znacznie wolniej.

Waciwoci spryste ciaa staego wykazuj wyrany zwizek z ksztatemkrzywych przedstawionych na rys. 1.2 .

Energi oddziaywa midzyatomowych ujmuje wzr

gdzie: b/ ( aa')n - energia odpychania,c/(aa')6 - energia przycigania,b , c, n - stae empiryczne uwzgldniajce wartociowo jonw, adunekelektronu i in.

Wizania atomowe (kowalencyjne, homeopolarne)

Wizanie atomowe polega na utworzeniu wsplnej pary elektronowej z dwchatomw tego samego pierwiastka. Bior w nim udzia elektrony walencyjne, naj

bardziej peryferyjne w stosunku do jder pierwiastkw. Zgodnie z teori orbitalimolekularnych w tym momencie nastpuje nakadanie dwch orbitali i gstoelektronowa wzrasta.

Podstawowym warunkiem tworzenia wiza kowalencyjnych s niesparowaneelektrony o przeciwnych spinach.

W czsteczkach takich pierwiastkw jak O2, N2 i innych powstaj wizaniawielokrotne:

W wizaniach wielokrotnych pierwsze jest najsilniejsze i oznacza si je jako


19/927


Przedstawiony powyej rodzaj wiza kowalencyjnych dotyczy czeniadwch (lub wikszej liczby) atomw tego samego pierwiastka i takie wizanie nazywa si kowalencyjnym zwykym. Najczciej jednak w zwizkach chemicznych, a tym samym w materiaach budowlanych wystpuj mniej lub wicejspolaryzowane wizania kowalencyjne. Jest to wynikiem tworzenia pary elektronowej (w pojedynczym wizaniu) z elektronw walencyjnych atomw dwchrnych pierwiastkw (rnych pod wzgldem elektroujemnoci), na przykad:

W przypadku czsteczki HC1 wica para elektronowa przesunita jest odwodoru do chloru bardziej elektroujemnego od wodoru, co w konsekwencji pro

wadzi do powstawania czsteczki spolaryzowanej elektrycznie, tzn. dipola, ktrego moment mona wyrazi wzorem

gdzie: \q\ - warto bezwzgldna adunku jednego bieguna, C,/ - odlego midzy biegunami, m.

Wizania kowalencyjne spolaryzowane czsto wystpuj w materiaach budowlanych na bazie spoiw nieorganicznych (cement, wapno, gips).

Wizania jonowe (elektrowalencyjne, heteropolarne)

Wizania jonowe powstaj pomidzy atomami rnych pierwiastkw rnicychsi elektroujemnoci. Najwiksze powinowactwo elektronowe (elektroujemno)wykazuj pierwiastki, ktrych atomy maj powoki walencyjne wypenione niemal cakowicie (chlorowce - grupa VII A ukadu okresowego pierwiastkw).

Natomiast atomy z obsadzonymi w niewielkim stopniu powokami zewntrznymi atwiej pozbywaj si elektronw ni je przyjmuj (metale trzech pierwszychgrup ukadu okresowego). Mwi si wic, e metale maj ma elektroujemno

(albo s elektrododatnie), natomiast pierwiastki lece po prawej stronie ukaduokresowego (z wyjtkiem gazw szlachetnych) maj du elektroujemno.

Mechanizm wizania jonowego polega na tym, e atom pierwiastka elektro-dodatniego oddaje elektron lub elektrony z powoki walencyjnej, natomiast atompierwiastka elektroujemnego przyjmuje uwolnione elektrony na swoj powokwalencyjn.

Reakcja taka przebiega wg schematu:

+6 -6

H- + -ci: - h :ci: - h c i

(1.2)

A + B A+ + B'

Kation Anion


20/927


Powstajce po tym przejciu kationy i aniony przycigaj si zgodnie z prawem Coulomba

gdzie: r = rK + rAyrK - promie kationu, m,r& - promie anionu, m,qx - adunek kationu, C,qA - adunek anionu, C,e - staa dielektyczna orodka, C2/(N*m2).

To wzajemne przyciganie nie moe spowodowa zbyt duego zblienia atomw, poniewa wwczas zaczynaj odpychajco oddziaywa elektrony znajdu

jce si w bliszych jdru powokach, jak rwnie same jdra.Mona przyj, e bardzo wiele substancji nieorganicznych, a take pewnaliczba substancji organicznych, skada si z jonw tworzcych trjwymiarowsie, czyli posiadajcych budow krystaliczn. W stanie krystalicznym substancjio budowie jonowej jony dodatnie s otoczone jonami ujemnymi, i odwrotnie.Ilo jednego rodzaju jonw przypadajcych na drugi rodzaj jonw zaley odstosunku t k / ta i nosi nazw liczby koordynacyjnej, ktra moe wynosi 2, 3, 4,6, 8, 12.

Zwizki krystaliczne o wizaniach jonowych nosz nazw krysztaw jono

wych i odgrywaj wan rol w materiaach budowlanych. Tego typu materiay sbardzo twarde oraz charakteryzuj si wysokimi temperaturami topnienia i wrzenia. W stanie staym s zymi przewodnikami prdu elektrycznego i ciepa, natomiast w stanie stopionym i w roztworach przewodz prd elektryczny. Dobrzerozpuszczaj si w rozpuszczalnikach charakteryzujcych si wysok polarnoci,takich jak woda.

Wizania metaliczne

W metalach istnieje specyficzny rodzaj wiza midzyatomowych (chemicznych),

polegajcy na tym, e atomy metalu przekazuj swoje najbardziej zewntrzne elektrony (elektrony wartociowoci) do przestrzeni midzywzowych siatki krystalicznej metalu, w wyniku czego tworzy si chmura elektronowa albogaz elektronowy. W tych warunkach cechy mechaniczne metalu zale od siprzycigania, jakie dziaaj midzy elektronami a jonami dodatnimi usytuowanymi w wzach sieci krystalicznej.

Wolne elektrony w postaci chmury elektronowej s odpowiedzialne za przewodnictwo prdu elektrycznego i ciepa, zgodnie z regu

X


21/927


gdzie: X - wspczynnik przewodnictwa cieplnego, W/(m-K),K - wspczynnik przewodnictwa elektrycznego, l/(-m),T - temperatura absolutna, K.

Wynikiem wizania metalicznego jest dua wytrzymao materiau (metalulub stopu) przy istnieniu defektw struktury, wyrana podatno do odksztace

plastycznych, skonno do wykazywania zjawiska fotoelektrycznego i nieprze-zroczystoci.

Metalami w oglnoci s takie pierwiastki, ktre w swych zewntrznych pasmach energetycznych maj tylko niewielkie liczby elektronw, natomiast bardzodu liczb pustych orbitali; np. mied (Cu) ma na orbitalu wartociowoci jedenelektron.

Izolatorami z kolei s takie pierwiastki lub zwizki chemiczne, w ktrych

wystpuje cakowite wypenienie elektronami ich zewntrznych orbitali, a odlegoci midzy dozwolonymi pasmami energetycznymi s bardzo due.Pprzewodniki zajmuj pozycje poredni; odlegoci midzy dozwolonymi

pasmami energetycznymi s wiksze ni w metalach, a mniejsze ni w izolatorach, i dostateczne pobudzenie energetyczne (jak ciepo, napromieniowanie) powoduje w nich przepyw prdu elektrycznego. W przypadku przejcia na wyszy

poziom energetyczny elektron przemieszcza si do pasma przewodnictwa i pozostawia luk w pamie, z ktrego si oderwa, stwarzajc w ten sposb warunkido przepywu innych elektronw.

Wizania midzyczsteczkowe (van der Waalsa)

Wrd wiza midzyczsteczkowych rozrnia si wizanie van der Waalsai wizanie wodorowe (protonowe). W obydwu przypadkach nie wchodzi w gruwsplnienie (wizanie kowalencyjne) ani wymiana (wizanie jonowe) elektronw, natomiast charakter tych wiza wynika z si przycigania lub odpychaniaelektrostatycznego.

Siy van der Waalsa wystpuj np. midzy atomami lub czsteczkami wwczas, gdy podczas zblienia ich do siebie tworz si swoiste dipole w nastpstwiewzajemnego oddziaywania chmur elektronowych i adunkw jder atomowych.

Oddziaywanie midzy powstajcymi dipolami prowadzi do pojawiania si siy, ktra jest skadow przycigajc w wizaniu van der Waalsa. Opisane oddziaywanie ulega ponadto wzmocnieniu na skutek tego, e obecno dipola w jednymatomie (lub czsteczce) sprzyja pojawieniu si dipola indukowanego w atomiessiednim. Skadowa odpychajca wystpuje wtedy, kiedy odlego midzy atomami jest tak maa, e ich chmury elektronowe zachodz na siebie.

Siy wizania van der Waalsa s tym wiksze, im wiksza jest zdolno atomu

do polaryzacji, czyli im atwiej rozmieszczenie elektronw wok jdra stajesi niesymetryczne. Zdolno do polaryzacji zwiksza si ze wzrostem liczby


22/927


atomowej pierwiastka. Siy van der Waalsa szybko malej wraz ze wzrostemodlegoci midzyczsteczkowych, zgodnie z zalenoci

gdzie: F - sia, N,r- odlego midzy jdrami poszczeglnych czsteczek, m,n - wykadnik potgowy.

W przypadku oddziaywania jon-jon n = 2, jon-dipol n = 3, dipol-dipoln = 4, jon-dipol indukowany n= 5, dipol-dipol indukowany n= 6 .

Siy van der Waalsa wzrastaj wraz ze wzrostem cinienia i malej ze wzrostem temperatury, co wynika ze zwikszania si energii wewntrznej materii napoziomie atomw, czsteczek, jonw.

Siy van der Waalsa s niezwykle powszechne. Dziaaj we wszystkich stanach skupienia materii i na pograniczu stanu skupienia (np. przytrzymywanielakieru przez powierzchni metalu, wizanie w tzw. laminatach wkna szklanego i ywicy epoksydowej, przyczepno bitumu do kruszywa w kompozytachdrogowych).

Ten rodzaj oddziaywa midzyczsteczkowych decyduje o waciwociachmechanicznych materiaw. Tak jest szczeglnie w przypadku duych makro-moleku (np. ywic syntetycznych), w ktrych sumaryczne siy van der Waalsa

przekraczaj siy midzyatomowe (kowalencyjne), np. w acuchach wglowodorowych. Wwczas wytrzymao takiego materiau okrela energia wizaniakowalencyjnego jako mniejsza.

Wizania wodorowe (protonowe)

Specjaln odmian si van der Waalsa jest tzw. wizanie wodorowe, czsto zwane mostkiem wodorowym. Rwnie ten rodzaj wizania ma charakter elektrostatyczny. Proton nalecy do jednej czsteczki moe dziaa silnie polaryzu-

jco na elektron atomu elektroujemnego drugiej czsteczki, przycigajc go do

siebie.Wizanie protonowe wystpuje wwczas, gdy wodr wie si z innym atomem X, np. fluorem (F), tlenem (O), azotem (N) lub chlorem (Cl), w taki sposb,e wizanie X-H (chocia kowalencyjne) jest wyranie polarne, a atom wodoru (H) ma adunek dodatni. Atom ten moe oddziaywa z innymi atomamiujemnymi, a wic bogatym w elektrony atomem Y, tworzc wizanie wodorowe,co zapisuje si w sposb nastpujcy:

X - H -------Y


23/927

/./. Wybrane zagadnienia chemii budowlanej 23

Uwaa si, e typowe wizanie wodorowe jest uwarunkowane gwnie przyciganiem elektrostatycznym miedzy H a Y. Klasycznymi przykadami substancji,w ktrych wystpuj wizania wodorowe, s amoniak (NH3), woda (H2O), fluorowodr (HF). Substancje te wykazuj anormalnie wysokie temperatury wrzenia,

wskazujce na asocjacj tych czstek w fazie ciekej. Reakcje powstawania wspomnianych asocjatw z pojedynczych czsteczek na przykadzie wody ilustrujeschemat:

H - O + H - O + H - O -------------H - O H - O - - H - O I I I I I I

H H H H H HPojedyncze czsteczki wody Makromolekua wody zasocjowanej

Za asocjacj wyej wymienionych substancji, jako bezporedniego efektu wy

stpowania wizania wodorowego, przemawiaj rwnie takie waciwoci fizyczne, jak: ciepo parowania, ciepo topnienia, ciepo waciwe, gsto, twardo,napicie powierzchniowe, lepko i adhezja.

Wizanie wodorowe jest sabsze od kowalencyjnego i jonowego, lecz silniejsze od wizania van der Waalsa. Rwnie istniej rnice w dugoci rnychrodzajw wiza, np. midzy tlenem a wodorem wizanie kowalencyjne wynosi1 10- 10m, wodorowe - 1,76- 10- l 0m, natomiast van der Waalsa - 2,6- 10- 10m.

Wizanie wodorowe wystpuje rwnie w zwizkach organicznych, a zwaszcza takich, ktre w swoim skadzie zawieraj takie grupy funkcyjne, jak -OHi -COOH.

Reasumujc mona stwierdzi, e siy midzyczsteczkowe zwaszcza typuprotonowego wywieraj decydujcy wpyw na ksztatowanie wytrzymaoci modych zaczynw cementowych, gipsowych i wapiennych, formowanie wyrobwceramicznych z materiaw ilastych i odgrywaj du rol w ukadach biologicznych.

1.1.4. Wiadomoci o wizaniach, strukturze i waciwociachpodstawowych grup materiaw budowlanych

Jak wiadomo, od waciwoci mechanicznych materiau zaley jego reakcja naobcienia lub odksztacenia. Reakcj materiau na obcienia jest odksztaceniespryste, elastyczne lub plastyczne (nie zanikajce po odcieniu) lub pknicie.Odksztacenie spryste zanika po odcieniu, poniewa wynika ono z odksztacenia wiza midzy atomami.

Maksymalne odksztacenia spryste w metalach osigaj ok. 0,1%, zanim

pojawi si odksztacenie plastyczne, a w przypadku wikszoci innych materiawok. 0 ,1% przed zerwaniem.


24/927


Niektre wielkoczsteczkowe polimery wykazuj inny typ odksztace sprystych, zawdziczajc je obrotowi (dokoa osi) wiza kowalencyjnych czcychgwnie atomy wgla w acuchu. Odksztacenie to, okrelane mianem wysoko-elastycznego, moe osign warto ok. 500%.

Odksztacenie plastyczne jest definiowane jako odksztacenie, ktre nie zanika po odcieniu. Wynika to gwnie z wzajemnego polizgu paszczyzn sieciowych obsadzonych atomami. Proces ten zachodzi niejednokrotnie przez defektysieciowe zwane dyslokacjami w materiaach o strukturze krystalicznej i makromolekularni w materiaach bezpostaciowych.

Maksymalne odksztacenia plastyczne rni si bardzo w zalenoci od rodzaju materiau. Wynika to gwnie z rodzaju wiza wewntrzczsteczkowychi midzyczsteczkowych.

Metale pod tym wzgldem zasuguj na uwag, poniewa wykazuj du zdolno do odksztace plastycznych, nawet do 100% podczas rozcigania. Materiayceramiczne, jako ukady polikrystaliczne, wykazuj niewielkie odksztacenia plastyczne lub ich brak. W szkach i polimerach o budowie bezpostaciowej odksztacenie plastyczne zaley od temperatury i wielkoci obcienia; w podwyszonychtemperaturach odksztacenia s due, w niskich temperaturach materiay te podwpywem obcie podlegaj spkaniom.

Zatem ze wzgldu na waciwoci mechaniczne materiay budowlane mona podzieli na dwie grupy: plastyczne i kruche. Duy wpyw na zakcenia

przedoonej klasyfikacji moe mie temperatura i szybko przykadanego obcienia.

Metale

Metale charakteryzuj si wizaniem metalicznym. Elektrony walencyjne metali,tworzc gaz elektronowy, poruszaj si swobodnie midzy jonami (rys. 1.3).

Elektrony swobodne znajdujce si midzy dodatnimi jonami rwnowa wystpujce midzy nimi siy odpychania, obniajc rwnoczenie wasn energi

potencjaln, co determinuje siy wizania i wystpowanie charakterystycznychwaciwoci:

duej przewodnoci cieplnej i elektrycznej,

Rysunek 1.3. Schemat budowy siecimetalu [16]

1 - jon metalu, 2 - elektron


25/927

7. /. Wybrane zagadnienia chemii budowlanej 25

plastycznoci, duej wytrzymaoci przy istnieniu defektw.

Zdolno elektronw swobodnych do pochaniania energii promieniowania0 dowolnej dugoci fali jest z kolei przyczyn nieprzezroczystoci wszystkich

metali. Podobnie emisja tej energii wpywa na wspczynnik odbicia, jakim charakteryzuj si powierzchnie metaliczne.

Metale majce zastosowanie jako materiay konstrukcyjne to przede wszystkim stopy elaza w postaci eliwa, staliwa, stali wglowych, stali stopowych.Zdolno materiaw metalicznych do odksztace plastycznych przed pkniciem

jest cenn ich cech, chocia materiay konstrukcyjne pracuj zwykle w zakresieodksztace sprystych.

Umoliwia to bezpieczn eksploatacj konstrukcji metalowych, poniewawspczynnik bezpieczestwa (stosunek granicy plastycznoci do naprenia dopuszczalnego) moe by duo mniejszy ni w materiaach kruchych (ceramika,beton cementowy), bowiem energia sprysta zuyta na plastyczne pynicie zapobiega zbyt gwatownemu spitrzeniu napre.

Materiay ceramiczne

Materiay ceramiczne s to materiay nieorganiczne (w odrnieniu od materiawna bazie wgla) o wizaniach jonowych i kowalencyjnych.

Wizanie jonowe, jak wiadomo, polega na przeniesieniu jednego elektronu

lub grupy elektronw walencyjnych z jednego atomu na drugi. Musz to byzatem rne atomy. W wyniku przesuni elektronowych atomy uzyskuj trwakonfiguracj, a jednoczenie staj si jonami dodatnimi i ujemnymi.

Wizanie kowalencyjne polega na przekazaniu z poszczeglnych atomw jednego elektronu lub grupy elektronw do utworzenia uwsplnionej (lub uwspl-nionych w przypadku wizania wielokrotnego) pary elektronw walencyjnych.

Do grupy materiaw ceramicznych nale: ceramika tradycyjna, szko,

cermetale (spieki ceramiczno-metalowe).Wymienione materiay czsto obok fazy o strukturze krystalicznej wykazu

j spory udzia fazy szklistej, bezpostaciowej. Waciwoci fizyczne i chemiczne materiaw ceramicznych s wynikiem obecnoci wiza midzyatomowych1 struktury krystalicznej (polikrystalicznej). Do charakterystycznych ich waciwoci nale nastpujce: brak przewodnictwa elektrycznego i ograniczona przewodno cieplna (ze

wzgldu na brak wolnych elektronw), wysoka temperatura topnienia i dua odporno chemiczna (ze wzgldu na

du trwao wiza),


26/927


brak plastycznoci, dua twardo, wysoka wytrzymao na ciskanie (wizania kowalencyjne midzy okrelonymi atomami s bardzo trwae, co przeciwdziaa dyslokacjom),

maa wytrzymao na rozciganie (ze wzgldu na negatywne oddziaywanie

mikropkni).Waciwoci mechaniczne materiaw ceramicznych wyranie rni si od

waciwoci metali. Szczeglnie wyrniajc cech metali jest ich zdolno doodksztace plastycznych, nawet przy maych napreniach. W materiaach ceramicznych, ze wzgldu na wizania kowalencyjne i struktur polikrystaliczn,dyslokacje s ograniczone, a jeli zachodz, to pod wpywem duych napre.

W odniesieniu do wielkoci makroskopowych mona wykaza, e dyslokacjaw materiaach jest funkcj stosunku G /K, gdzie G jest moduem sprystocipostaciowej wyraonym w Pa, K za moduem sprystoci objtociowej w Pa.

Dyslokacj wyraa si wzorem

gdzie v - wspczynnik Poissona.

Dla metali v wynosi ok. 0,3 i G /K= 0,37, podczas gdy dla ceramiki v =0,1 i G/K = 1. Im stosunek G /K jest mniejszy, tym odksztacenie plastycznemateriau jest wiksze. Dlatego granica plastycznoci, przy ktrej maj miejscedyslokacje, jest o wiele wiksza w przypadku materiaw ceramicznych ni metalii zblia si do napre rozrywajcych.

Tak wic materiay ceramiczne o wizaniach kowalencyjnych, jak rwniejonowych s kruche zarwno w postaci pojedynczych krysztaw, jak i w formiepolikrystalicznej.

Oddzielnym problemem jest zachowanie si ceramiki i metali przy skokowych zmianach temperatury (udar cieplny). Metale ze wzgldu gwnie na struktur regularn wykazuj takie waciwoci cieplne jak ciaa izotropowe i nie s

wraliwe na udar cieplny, natomiast materiay ceramiczne krystalizuj w innychukadach krystalograficznych i std wykazuj anizotropowo, a take czsto nies odporne na udar cieplny.

Mona to rwnie uzasadni na podstawie waciwoci fizycznych.Tak wic odksztacenie cieplne:

materiaw ceramicznych

(1.7)

metali


27/927

/./. Wybrane zagadnienia chemii budowlanej 27

gdzie: a - wspczynnik rozszerzalnoci cieplnej, 1/K,


28/927

gdzie: a - naprenie, Pa,e - odksztacenie,E - modu Younga, Pa,

w przypadku powolnych obcie szka zachowuj si jak ciecz newtonowska,zgodnie z rwnaniem

de(T = ? 7 - (1.10)

gdzie: o - naprenie, Pa,T] - lepko, Pa s,ds /d t - szybko pezania, l/s.

Z podobiestwa szkie do cieczy newtonowskich, zwaszcza w podwyszonejtemperaturze, wynika istotna ich cecha technologiczna polegajca na moliwoci

ich wycigania bez przewe.Z uwagi na rodzaj wiza (gwnie jonowe) w normalnej temperaturze szko

jest kruche, a wraz z jej wzrostem przechodzi w stan plastyczny (rys. 1.4), umo-


Rysunek 1.4. Krzywe zalenoci lepkoci od temperatury dla rnych rodzajw szkie (wg [15])

1 - szko okienne (Si02 - 71-73%, Na20 - 12-14%, CaO - 10-12%, MgO - l^%, A120 3 - 0,5-1,5%),2 - szkto oowiowe (Si02 - 35%, K20 - 7,2%, PbO - 58%), 3 - lepko w temperaturze odksztacenia,

4 - lepko w temperaturze odprenia, 5 - lepko w temperaturze miknienia, 6 - lepko w temperaturzeobrbki


29/927

liwiajc wicie procesw technologicznych, takich jak: prasowanie, cignienie,odprenie itp.

Cermetale to materiay, w ktrych czstki ceramiki krystalicznej s osadzonew osnowie z metalu, najczciej w iloci 5-15% wagowych. Poniewa przewa

a skadnik metalowy, std ten rodzaj materiau naleaoby zakwalifikowa dometali.

Odznaczajca si twardoci i udarnoci w wysokiej temperaturze ceramika(drobnokrystaliczna i bez porw) usytuowana w osnowie metalowej stanowi elementy robocze w maszynach skrawajcych; osnowa metaliczna zapewnia sprawneodprowadzenie ciepa z ceramicznego elementu skrawajcego i zabezpiecza go

przed przegrzaniem.Pierwszym metalem, z ktrego wykonywao si narzdzia, bya stal wy-

sokowglowa (0,6-1,4% C) zahartowana. Dobre efekty uzyskiwano przy sto

sowaniu cermetalu WC-Co (wglik wolframu w kobalcie). Poza wglikiem wolframu w coraz wikszym zakresie korzysta si z innych wglikw (tytanu, talu,chromomolibdenu) i ich mieszanin, cermetali na bazie trjtlenku glinu (AI2O3):AI2O3 - Cr lub AI2O3 - Cr - Mo.

Materiay polimerowe

Polimery wielkoczsteczkowe s to olbrzymie czsteczki powstae w wyniku poczenia si za pomoc wiza kowalencyjnych wielu powtarzajcych si niewielkich ugrupowa atomw, zwanych jednostkami monomerycznymi (monomeramilub merami).

Z punktu widzenia struktury mona polimery podzieli na cztery grupy: polimery liniowe, rozgazione, nieznacznie usieciowane i silnie usieciowane, coilustruje rys. 1.5.

Polimery liniowe s zbudowane z monomerw, w ktrych atomy s poczone w bardzo dugie acuchy (makroczsteczki) za pomoc silnych wiza kowalencyjnych, natomiast poczenie midzy acuchami odbywa si przy udziale sabych si van der Waalsa. Polimery te w temperaturze pokojowej s albo

cakowicie bezpostaciowe, albo te czciowo krystaliczne, wykazujc w pewnych obszarach prawidowy ukad acuchowy (rys. 1.5a). Ze wzgldu na dziaanie sabych si van der Waalsa midzy acuchami, ten typ materiau polime-rycznego przy podwyszaniu temperatury szybko miknie i przechodzi w stancieky.

Ta grupa polimerw jest podstaw polimerw termoplastycznych, czyli ter-moplastw, takich jak np. polietylen - PE, polichlorek winylu - PVC, polistyren- PS.

Polimery silnie usieciowane lokuje si na drugim kocu szeregu typw struk

turalnych (rys. 1.5d). Jest to uwarunkowane tym, e wyjciowe monomery maj



30/927


Rysunek 1.5. Cztery podstawowe typy struktury polimeru [15]: a) liniowa z zaznaczonymi schematycznie kilkoma krystalitami, b) rozgaziona, c) z wizaniami poprzecznymi (nieznacznie usieciowana), d) silnie usieciowana

wicej ni dwa wizania aktywne (najczciej w postaci chemicznych grup funkcyjnych: -OH, -COOH, -CHO, -NH 2 i innych), co prowadzi do utworzeniamakromolekuy dwu- lub trjwymiarowej.

Wizania kowalencyjne utrzymuj ca struktur tak mocno (rys. 1.5d), emateriay te nie mikn przy ogrzewaniu. Stanowi one podstawpolimerw termoutwardzalnych (np. ywic fenolowo-formaldehydowych - PF,ywic mocznikowych - UF) i chemoutwardzalnych (np. ywic epoksydowych- EP, niektrych ywic poliuretanowych - PUR, tzw. duroplastw).

Oglnie plastomery s to polimery, ktre pod wpywem napre wykazuj bardzo mae odksztacenie (mniejsze ni 1%) w temperaturze pokojowej,

poniewa ich temperatura przejcia z Teologicznego stanu sprysto-szklistegow lepko-sprysty jest wysza ni temperatura pokojowa.

Polimery o maym stopniu usieciowania (rys. 1.5c) s to materiay, ktreprzy maych napreniach wykazuj due odksztacenia (do 1000%), gdy ichtemperatura zeszklenia jest nisza od temperatury pokojowej. Polimery tego ty

pu nazywa si elastomerami (np. elastomery termoplastyczne - TPE, kauczuknaturalny - NR).

Wpyw zmian temperatury na cechy mechaniczne (E,


31/927


elastycznoci

g e e

Rysunek 1.6. Stany fizyczne polimerw bezpostaciowych; zaleno moduu sprystoci wzdunej |o od temperatury przy staej prdkoci rozcigania v [15]

1 - polimery termoplastyczne, 2 - polimery o maym stopniu usieciowania (elastomery), 3 - polimery o duymstopniu usieciowania (duroplasty), E\q - modu sprystoci wzdunej po 10 s obcienia, v - prdkorozcigania (deformacji), a - naprenia przy rozciganiu, - odksztacenie, 7* - temperatura kruchoci,Tg - temperatura zeszklenia, Tf - temperatura pynicia

W stanie szklistym kruchym odksztacenia s niewielkie i spryste (dokilku procent), polimer spenia prawo Hookea, a warto moduu jest dua, dochodzca maksymalnie do 109 Pa, Niektre polimery silnie usieciowane, np. ywice fenolowo-formaldehydowe, epoksydowe, wystpuj jedynie w takim staniefizycznym.

W stanie szklistym z wymuszon elastycznoci polimery charakteryzujsi duym moduem i wytrzymaoci, przy jednoczesnym wystpowaniu znacznych odksztace (ok. 20% wyduenia). Prbka polimeru wydua si w zwizkuz przesuwaniem si ssiednich acuchw powizanych wzajemnie sabymi siamimidzyczsteczkowymi (van der Waalsa).

Tak zachowuje si wikszo liniowych polimerw termoplastycznych, np.polichlorek winylu, polistyren, ktrych zakres uytkowania znajduje si w obszarze szklistym.

W stanie lepko-sprystym nastpuje gwatowna zmiana waciwoci mechanicznych (.E, er) i fizycznych wraz z temperatur. Jest to stan poredni midzy


32/927

stanem szklistym a wysokoelastycznym. Zakres temperatur midzy pocztkiemzmian tych waciwoci a ich ustabilizowaniem okrela si jako zakres temperatury zeszklenia Tg, ktra umownie stanowi temperatur poowy tego zakre

su. Tg jest temperatur przemiany zachodzcej w stanie staym (cieczy prze-chodzonej).

W stanie wysokoelastycznym polimer ponownie stosuje si do prawaHookea, chocia wykazuje o wiele gorsze cechy mechaniczne (nisze E,


33/927


Sie przestrzenna, jako twr geometryczny punktw prawidowo rozmieszczonych w przestrzeni, jest zbudowana przez powtarzanie we wszystkich trzechkierunkach (*, y, z) najmniejszej jednostki, zwanej komrk elementarn (ko

mrk sieciow).Krawdzie komrki sieciowej oznaczane przez a, b, coraz kty zawarte midzy nimi nazywa si staymi sieciowymi. Ich wartoci jednoznacznie opisujkady typ komrki.

Wszystkie substancje krystaliczne daj si podzieli na 7 zasadniczych grupzwanych ukadami krystalograficznymi (rys. 1.7): regularny, tetragonalny, rombowy, heksagonalny, trygonalny, jednskony i trjskony.

>--------

VriY

}

d)

ai

a = b = ca = p = Y = 90

a2

y /

%$/

ia

a 3

a 1 = &2 = a 3 * c a = p = 9 0

y= 120

a = b ca = p = y = 9 0

a = b ca = p = 9 0

Y = 1 2 0

a *b*ca = p = y = 90

a *b * ca = p = 90

Y * 9 0

Rysunek 1.7. Charakterystyka ukadw krystalogra-ficznych [10]: a) regularny, b) tetragonalny, c) rom-

b a * p * y *90 bowy, d) heksagonalny, e) trygonalny, 0 jednoskony,g) trjskony

Budow sieciow wyjania si szereg waciwoci fizycznych w budowlanychmateriaach krystalicznych, takich jak anizotropowo, rozszerzalno cieplna,waciwoci optyczne, elektryczne, upliwo, twardo.

W sieci przestrzennej rozrnia si: wzy, kierunki, paszczyzny sieciowe.

Kierunek krystalograficzny stanowi kada linia prosta czca co najmniejdwa dowolne wzy sieci.


34/927

Przez sie przestrzenn mona przeprowadzi w najrozmaitszych kierunkachpaszczyzny, zwane paszczyznami sieciowymi. Na rysunku 1.8 przedstawionosie pask uwielokrotnionego szecianu, przez ktr przeprowadzono szereg

paszczyzn prostopadle do powierzchni rysunku. Jak wida, nie wszystkie paszczyzny s jednakowo gsto obsadzone punktami, a odstpy paszczyzn sieciowych d rwnie s rne (d\ ^ 2 ^ d?>)-


Rysunek 1.8. Paszczyzny sieciowe w sieci regularnej [2]

Czsto zachodzi potrzeba precyzyjnego oznaczenia pooenia paszczyzn sieciowych. Najprociej mona posuy si sposobem Millera, polegajcym na tym,e paszczyzny odcinaj na osiach wsprzdnych pewne odcinki, ktre nastpniezapisuje si w sposb umowny. Symbole albo wskaniki Millera s odwrotno-ciami tych odcinkw i oznacza si je jako h, k, l odpowiednio do osi x, y, z (a,b , c). Sposb oznaczenia paszczyzn mona przedstawi na przykadzie komrkiszeciennej, ktr umieszcza si w ukadzie wsprzdnych tak, aby pocztekukadu lea w narou (wle) komrki (rys. 1.9).


35/927


Omawiana na rys. 1.9a paszczyzna ma wskanik (hkl)= (111), poniewa

A:i:/=Hb:i5:L5

h : k : l = 1 : 1 :1

Jeeli paszczyzna nie przecina osi, to jej symbol do tej osi jest rwny zeru(rys. 1.9b), a wskaniki Millera dla tej paszczyzny wynosz (110), gdy przecinaosie a i b w odlegoci jednostkowej, natomiast do osi cjest rwnolega.

Na rysunku 1.9c paszczyzna zakreskowana przecina osie a i b w odlego

ciach jednoczstkowych, natomiast o cprzecina w poowie, czyli h : k : l = 1/1 :1/1 : 1/0,5 = 1: 1 :2 lub ktrej (hkl)= (112). Paszczyzna odcinajca na osiach1/3 : 1/3 :1/1 ma wskaniki (hkl) = (331).

W metalach stosowanych w budownictwie dominuje ukad regularny i heksa

gonalny.W obrbie ukadu regularnego rozrnia si 3 rodzaje komrek sieciowych

(rys. 1.10). W sieci prostej (rys. 1.1 Oa) atomy, jony lub czsteczki s umieszczone w naroach (wzach) szecianu. W pozostaych komrkach (rys. 1.1 Obi rys. l.lOc) atomw (lub jonw) jest wicej i w ten sposb zwiksza si ich

upakowanie.

Rysunek 1.10. Komrki sieciowe ukadu regularnego [2, 15]: a) prosta (rp), b) wewntrzniecentrowana (rwc), c) ciennie centrowana (rc)

Przykadem materiau o budowie krystalicznej w ukadzie regularnym prostym jest sl kuchenna (NaCl), w ktrej krysztaach wystpuj wizania jonowemidzy dodatnimi jonami (kationami) sodu i ujemnymi jonami (anionami) chloru. Na jeden may jon sodu (Na1+) przypada 6 jonw chloru (Cl1-), i odwrotnie.

W tym przypadku mwi si, e liczba koordynacyjna dla ukadu regularnegoprostego wynosi 6. Przez analogi w sieci regularnej wewntrznie centrowanej


36/927

(rwc) liczba koordynacji rwna si 8, a w sieci regularnej ciennie centrowanej(rc) podobnie jak heksagonalnej (hz) (rys. 1.11) wynosi 12.

36 L Podstawowe waciwoci techniczne materiaw budowlanych

y

Rysunek 1.11. Komrka sieciowa ukadu heksago

nalnego [2, 15]

W znaczcy sposb liczba koordynacyjna w krysztaach jonowych zaley odstosunku rednicy kationu do rednicy anionu r^/rA. Im kation jest mniejszyod anionu, tym mniejsza jest liczba koordynacyjna. Dla jonw o jednakowej

wielkoci liczba koordynacyjna wynosi 12.Waciwoci fizyczne krysztaw jonowych zale od typu struktury, wartociowoci jonw i odlegoci midzy jonami.

Z uwagi na du si wizania krysztay jonowe odznaczajce si du twardoci i wysok temperatur topnienia s zymi przewodnikami ciepa i elektrycznoci.

W strukturach krystalicznych materiaw ceramicznych czsto w wzach sieciznajduj si atomy (krysztay atomowe), a wizanie pomidzy nimi ma charakteruwsplnienia elektronw (wizania kowalencyjne). czy si to z istot wizania

kowalencyjnego, polegajcego na wysyceniu spinw elektronowych. Mineraami, w ktrych takie wizanie wystpuje, s diament (C), krzem (Si), wglikkrzemu (SiC). Materiay te wykazuj du twardo i maj wysok temperaturtopnienia.

Krysztay o wizaniu metalicznym s utrzymywane siami elektrostatycznymi(podobnie jak krysztay jonowe), z t rnic e wzy sieci metalicznej s obsadzone wycznie przez dodatnio naadowane jony metalu, a rol jonw ujemnychodgrywaj wolne elektrony. Bezkierunkowo wizania metalicznego i mae wymiary elektronw sprawiaj, e krysztay metali nale do najgciej uoonych,

wykazujc najwysz moliw liczb koordynacji 12.


37/927


1.1.6. Regua faz w zastosowaniu do materiaw budowlanych

Jednym z wanych zastosowa drugiej zasady termodynamiki, wyraonej wzorem

gdzie: dS - przyrost entropii, J/K,d


38/927

Waciwoci fizykomechaniczne wielu materiaw budowlanych (np. ceramiki, betonu, stopw metali) zale od budowy fazowej, ktr przedstawia si zwykle w formie wykresw, zwanych diagramami. Najprostszy wykres fazowy otrzymuje si dla jednego skadnika, np. minerau, metalu, natomiast dla 2, 3 i wicej

skadnikw wykresy s zwykle bardziej zoone. W celu atwiejszego zrozumienia praktycznego zastosowania reguy faz do interpretacji zachowa skomplikowanych kompozytw budowlanych w rozdziale tym zostan przedstawione formyelementarne takich ukadw, opierajce si gwnie na stopach metali z najmniejsz moliw iloci skadnikw.

Rozwaania poprzedzi okrelenie podstawowych poj i sformuowa.

Ukadem nazywa si jeden metal lub wicej metali, ktre w danej chwilis badane. Poszczeglne metale, wchodzce w skad ukadu, okrela si jako

skadniki. Rozrnia si ukady jednoskadnikowe, dwuskadnikowe, trjskadnikowe itd. Rysunek 1.13 przedstawia wykres fazowy jednoskadnikowy wodyw ukadzie wsprzdnych: cinienie p - temperatura T.

38 /. Podstawowe waciwoci techniczne materiaw budowlanych

Rysunek 1.13. Wykres fazowy p -T ukadu jedno-T skadnikowego (H2O) [10]

Trzy krzywe przecinajce si w punkcie 0, a mianowicie krzywa sublimacji1S0, krzywa parowania KO oraz krzywa topnienia MO, dziel paszczyzn na trzy

pola odpowiadajce trzem fazom: gazowej, ciekej i krystalicznej (staej).Faz okrela si jednorodn, homogenn cz ukadu oddzielon od innychczci wyran powierzchni. Poszczeglne linie na rys. 1.13 s liniami wspistnienia ze sob dwch odpowiednich faz. W punkcie 0 wspistniej ze sob3 fazy.

Warunki wspistnienia albo rwnowagi termodynamicznej faz w ukadachokrela regua faz Gibbsa

S + F = n +2 (1.13)

1Przejcie bezporednie ciaa staego w gaz.


39/927


gdzie: F - liczba faz,n - liczba skadnikw,5 - liczba stopni swobody.

Stopie swobodyjest to moliwo zmiany, jakiej mona dokona, nie powodujc ani zaniku, ani powstawania adnej fazy ukadu. Parametrami zmian(stopniami swobody) oglnie s: p - cinienie, T - temperatura, c - stenieskadnikw w ukadach wieloskadnikowych.

W ukadzie jednoskadnikowym maksymalna liczba stopni swobody wynosi 2(p , T) i stanowi takiemu odpowiada kady punkt jednofazowego pola (rys. 1.13).Wwczas 5 + 1 = 1 + 2, a wic 5 = 2. Oznacza to, e w pewnych granicachmona dowolnie zmienia cinienie p i temperatur T, nie powodujc zaniku lubpowstawania nowej fazy. Ukad taki nazywa si dwuzmiennym.

Punkty na krzywych rwnowagi termodynamicznej midzy poszczeglnymifazami (ciao stae - ciecz, ciecz - para, ciao stae - para) mona zapisa w postaci

5 + 2 = 1 + 2 ; 5 = 1

Z powyszego wynika, e w pewnych granicach mona dowolnie zmienitylko jeden parametr p albo T (drugi jest przez to okrelony), nie wywoujczmian w ukadzie. Ukad taki nazywa si jednozmiennym. Punkt przeciciakrzywych rwnowagowych 0nazywa si punktem potrjnym, gdy wspistniej

ze sob trzy fazy: gazowa, cieka i staa. Wwczas 5 + 3 = 1 + 2, wic 5 = 0.W tym punkcie nie ma adnej moliwoci zmian (swobody); nie mona zmie

ni adnego parametru bez konsekwencji zmiany stanu skupienia. Ukad takinazywa si niezmiennym.

Wiele metali (i nie tylko) wykazuje odmiany alotropowe1 rnice si budow sieci przestrzennej, a tym samym waciwociami. Kada odmiana jestsamodzieln faz, co ilustruje diagram p-T (rys. 1.14).

Rysu nek 1.14. Wykres fazowy ukadu jednoskadnikowego z odmianami alotropowymi [10]

1Znane s odmiany alotropowe elaza (np. a - ferryt i y - austenit) lub krzemionki (kwarc,trydymit, krystobalit).


40/927

Obok krzywej parowania KOj i krzywej topnienia Mi0| wystpuje jeszczekrzywa M2O2 odpowiadajca wspistnieniu ze sob odmiany a i /3. Punkt O2

jest drugim punktem potrjnym, w ktrym wspistniej ze sob odmiany a i j3

oraz faza gazowa.Tylko nieliczne metale wykazuj w rednich temperaturach (ok. 800C) znaczc prno pary, np. cynk. Wikszo metali, a wrd nich najwaniejszy -elazo, maj w stosowanych w technice temperaturach do 1600C tak prno

pary, ktr mona pomin. Jeli si jeszcze uwzgldni to, e w przypadku tychmetali jest niewielka zaleno temperatury topnienia od cinienia (tak e moe

by pominita), to wykres fazowy metalu czystego uproci si znacznie i bdzieprzedstawia lini prost pionow tylko ze skal temperatury (rys. 1.15).


Para

1 - punkt wrzenia

Ciecz

2 - punkt topnienia

Kryszta a

3 - punkt przemiany struktury krystalicznej

Kryszta P Rysunek 1.15. Wykres fazowy ukadu jednoskad

nikowego pod cinieniem atmosferycznym [4]

Pominicie cinienia powoduje zmniejszenie o jeden liczby parametrw, czylistopni swobody. Ukad skadajcy si z dwch metali nazywa si dwuskadnikowym. W jego przypadku dochodzi jeszcze jeden parametr, czyli stopie swo

body, jakim jest stenie (koncentracja) obydwu skadnikw Q i C2. PoniewaC\+ C 2= 100, wobec tego tylko jedna zmienna jest niezalena.

Jak ju wspomniano wczeniej, w ukadach metalicznych faza gazowa jestpraktycznie do pominicia, a ukady takie okrela si jako skondensowane.

W ukadzie dwuskadnikowym skondensowanym regua faz przyjmuje postaS + F n + l 2 + 1 = 3 .

Liczba stopni swobody jest wiksza o jeden w porwnaniu z ukadem jednoskadnikowym.


41/927

l.l. Wybrane zagadnienia chemii budowlanej 41

Analiz termiczn stopw najefektywniej wykonuje si przy ocenie krzywejstygnicia stopw (metali lub mineraw).

Przykadowo mona przeanalizowa proces stygnicia stopu cynku (Zn) i kadmu (Cd) o zawartoci 80% Zn i 20% Cd. Przebieg krzywej krzepnicia stopuo takim skadzie przedstawia rys. 1.16.

i A

\ M

O 370 A .

2*

O. \ N dE

V / /r~ ZbD

\Rysunek 1.16. Krzywa stygnicia stopu

o skadzie 20% Cd i 80% Zn [2] Czas, min

Naley stwierdzi, e w punkcie M nie ma paskiego odcinka krzywej, lecz jej

wygicie, co wskazuje na to, e zachodzca przemiana z wydzieleniem ciepa nieodbywa si w staej temperaturze (jak w przypadku czystego metalu - rys. 1.17),lecz w przedziale temperatur.

Paski odcinek obserwuje si przy kocu przedziau. Wyjanienie ksztatukrzywej stygnicia stopu jest nastpujce: w punkcie M rozpoczyna si krysta-

Rysunek 1.17. Krzywe stygnicia czystych metali (wg [2]): a) cynku, b) kadmu


42/927

lizacja, ktra trwa w caym przedziale temperatur od 370 do 266C, a dopierow punkcie N krzepnie reszta cieczy w staej temperaturze 266C.

W celu przeanalizowania krzywych stygnicia warto rozpatrzy stopy cynku i kadmu o skadzie 20, 40, 60, 80 i 90% Cd. Rysunek 1.18 przedstawiazbir takich krzywych. Temperatury odpowiadajce zaamaniom i odcinkom prostym krzywych, czyli pocztkom i kocom krystalizacji, nanosi si w ukadzietemperatura-skad i otrzymuje wykres widoczny na rys. 1.19.


Zn 20% 40% 60% 82% 90% Cd

Czas, min

Rysunek 1.18. Krzywa stygnicia stopw cynk-kadm [2]

Te - temperatura eutektyczna

Jak wida z rys. 1.18 i 1.19, dodatek kadmu do cynku powoduje, e temperatura pocztku krystalizacji cynku obnia si wzdu krzywej (A B C D E).Podobne tendencje obserwuje si podczas dodawania do kadmu cynku, gdy tem

peratura topnienia kadmu obnia si wzdu krzywej (G F E). Obydwie krzywepocztku krystalizacji odpowiadaj wspistnieniu fazy ciekej z faz krystaliczn.

Punkty 7zn i 7cd oznaczaj temperatur krzepnicia czystych skadnikw.

Punkt E okrela skad mieszaniny eutektycznej, a prosta rwnolega do osiskadu przechodzca przez punkt E temperatur krzepnicia eutektyku i nosinazw temperatury eutektycznej. Wpunkcie E i temperaturze eutektycznej istnieje stan rwnowagi termodynamicznej pomidzy mieszanin metali stopionychi ich krysztaami. Przeprowadzajc prost prostopad do osi skadu przez punktE, orzymuje si na paszczyznie wykresu fazowego pi obszarw (rys. 1.19): obszar I, odpowiadajcy warunkom, w ktrych moe istnie jednorodny fi

zycznie cieky stop (roztwr) dwuskadnikowy, obszar II, odpowiadajcy warunkom wspistnienia fazy krystalicznej Cd

z ciekym stopem,


43/927


obszar III, odpowiadajcy warunkom wspistnienia fazy krystalicznej Znz ciekym stopem,

obszar IV, odpowiadajcy warunkom wspistnienia krysztaw Cd z eutek-tykiem (Cd + Zn),

obszar V, odpowiadajcy warunkom wspistnienia krysztaw Zn z eutekty-kiem (Cd + Zn).

Zn Cd CdI--------1--------1--------1--------1--------1

Ry sunek 1.19. Konstrukcja wykresu fazowego 100% 80% 60% 40% 20% 0%cynk-kadm [2] Zn

Przedstawiony na rys. 1.19 diagram fazowy jest przykadem wykresu rwnowagi termodynamicznej ukadu z cakowitym brakiem wzajemnej rozpuszczalnoci skadnikw w stanie staym i ma w tym przypadku znaczenie przede wszystkim dydaktyczne.

Przykad ukadu rwnowagi elazo-wglik elaza z ograniczon rozpuszczal

noci skadnikw w stanie staym i odmianami alotropowymi przedstawiono narys. 1.20.Wykres ten ma due znaczenie techniczne i obejmuje zakres stali wglowych

oraz eliw biaych. W temperaturze pokojowej elazo ma sie rwc (faza a - ferryt), a przy ogrzewaniu powyej temperatury 910C sie zmienia si na rc (faza7 - austenit). Druga przemiana polimorficzna zachodzi powyej temperatury ok.1400C, kiedy to elazo powraca do struktury o sieci rwc (faza 5), natomiastw temperaturze 1528C topi si.

elazo i wgiel tworz zwizek Fe^C, zwany cementytem. Zwizek ten, wy

stpujcy przy zawartoci wgla 6,67%, dzieli wykres na dwie czci, przy czympraktyczne znaczenie ma tylko cz od strony elaza. Wglik elaza stanowi, jak


44/927


Fe Skad, % wag. C Fe,C

Rysunek 1.20. Wykres rwnowagi

ukadu elazo-wglik elaza (cementyt) [15]

wiadomo, faz nietrwa i przy dugim ogrzewaniu w temperaturze 650-700Crozpada si na elazo i grafit, nadajc eliwu barw szar (eliwo szare).

Jak wida z diagramu (rys. 1.20), kada z odmian polimorficznych elaza

rozpuszcza inn ilo wgla. W zwizku z podatnoci cementytu do rozkaduw podwyszonych temperaturach, naley raczej mwi o roztworze wgla w elazie, a nie cementytu w elazie.

Rozpuszczalno wgla w elazie zaley od sieci krystalograficznej i temperatury. W elazie o sieci rwc (ferryt) rozpuszczalno ta jest bardzo maa i nie

przekracza 0,025% C, natomiast w elazie o sieci rc (austenit) moe rozpuszczasi do 1,7% wgla, tworzc roztwr stay midzywzowy. Ta zawarto wglastanowi na diagramie granice midzy stalami a eliwami.

Na szczegln uwag zasuguj na diagramie dwa punkty E, F, w ktrych

kady reprezentuje wspistnienie trzech faz. W punkcie eutektycznym E, ktryodpowiada temperaturze 1130C i zawartoci wgla 4,3%, roztwr cieky wspistnieje z austenitem o zawartoci wgla 1,7% i cementytem. Struktura stopuo takim skadzie jest zwana ledeburytem, a temperatur towarzyszc punktowiE nazywa si temperatur eutektyczn.

W punkcie eutektoidalnym F, odpowiadajcym temperaturze 720C i zawartoci wgla 0,85%, austenit wspistnieje z ferrytem i cementytem. Temperaturodpowiadajc temu punktowi nazywa si temperatur eutektoidaln. Powsta

jce przy stygniciu w tej temperaturze pytki ferrytu i cementu ukadaj si naprzemian jedna przy drugiej, tworzc struktur zwan perlitem (stal perlitowa).


45/927


Naley podkreli, e linie przebiegajce na wykresie oraz punkty charakterystyczne (E i F) okrelaj stan rwnowagi termodynamicznej pomidzy wspistniejcymi fazami ukadu elazo-wglik elaza. Podobnie jak w ukadach jednoskadnikowych czy dwuskadnikowych z brakiem rozpuszczalnoci w staniestaym, do ukadu elazo-wgiel mona z dobrym skutkiem zastosowa regufaz Gibbsa.

Roztwory stae na przykadzie stopw metali

Metale w stanie czystym s w zasadzie jedynie w niewielkim stopniu wykorzystywane w technice, natomiast bardzo szerokie zastosowanie znalazy stopy metali.Stopy metali s otrzymywane rnymi metodami: przez bezporednie stapianieskadnikw, spiekanie skadnikw metod proszkow i inne. W zalenoci od

wzajemnego stosunku i rozpuszczalnoci poszczeglnych skadnikw, strukturastopu niekiedy jest bardzo zoona. Jeeli skadniki stopu na siebie nie oddziaywaj, stop stanowi mieszanin oddzielnych ziaren dwch lub wikszej liczbyskadnikw. Jeeli jednak zachodz pomidzy skadnikami reakcje chemiczne,to w takim przypadku tworz si krysztay zwizkw chemicznych, tak zwanefazy midzykrystaliczne.

Zwizki te mog by utworzone przez dwa pierwiastki metaliczne i wykazywa przewag wizania metalicznego, jak to ma zazwyczaj miejsce w stopach,lub te mog by poczeniami pierwiastka metalicznego z pierwiastkiem nie

metalicznym i wykazywa przewag wizania jonowego lub kowalencyjnego, jakto ma miejsce w materiaach ceramicznych. W przeciwiestwie do krysztawpierwiastkw, w ktrych wszystkie atomy s identyczne, krysztay zwizkw zawieraj dwa rodzaje atomw, ktre wyranie rni si wielkoci i rnice tedecyduj o istnieniu rnych typw struktury.

Gdy kryszta jest zbudowany z dwch pierwiastkw, wwczas ma on struktur roztworu staego lub fazy poredniej. W roztworach staych, podobnie jakw roztworach ciekych, nie obowizuj prawa wynikajce z wartociowoci chemicznej i stosunkw stechiometrycznych skadnikw, natomiast obowizuje zasada wystpowania w roztworze (rwnie staym) dwch faz: fazy rozpuszczoneji rozpuszczajcej (fazy cigej).

Istniej dwa rodzaje roztworw staych: roztwory stae rnowzowe (pod-stawieniowe) i roztwory stae midzywzowe (rys. 1.21).

W roztworach staych rnowzowych atomy pierwiastka rozpuszczonegozastpuj w wzach sieci atomy metalu bdcego rozpuszczalnikiem. W roztworach staych midzywzowych atomy pierwiastka rozpuszczonego lokuj siw wolnych przestrzeniach midzy atomami metalu bdcego rozpuszczalnikiem.

W obu przypadkach struktura krystaliczna rozpuszczalnika pozostaje w zasadzienie zmieniona. Udzia pierwiastka fazy rozpuszczonej moe dochodzi do 100%


46/927


Rysunek 1.21. Typy roztworw staych [15]: a) rnowzowy (podstawieniowy), b) midzyw

zowy

w roztworach staych rnowzowych i nie przekracza 10% w roztworach staych midzywzowych.

Powstanie roztworw staych dwch rnych metali warunkuj nastpujce

wzgldy: zbliona wielko atomw (do 15% rnicy promienia atomu), np. roztwr

wgla (1,5 10 10 m) w elazie (2,5 1010 m), zblione powinowactwo chemiczne pierwiastkw wynikajce z ssiedztwa

w ukadzie okresowym lub szeregu napiciowym (pierwiastki zestawione

w kolejnoci wartoci normalnych potencjaw elektrodowych - na jednymkocu znajduj si jony elektrododatnie, czyli metale, na drugim - elektro-ujemne),

atwiejsze przechodzenie pierwiastkw o wysokiej wartociowoci do roztworu w przypadku rozpuszczalnikw o niskiej wartociowoci, ni odwrotnie,

- wiksza podatno do tworzenia roztworw staych pierwiastkw majcychidentyczn sie przestrzenn.Tworzenie roztworw staych ma bardzo due znaczenie technologiczne, po

niewa umoliwia poprawianie waciwoci mechanicznych jednych metali przez

dodanie drugich.Do takich procesw mona zaliczy otrzymywanie stali stopowych czy ob

rbk termochemiczn stali, w ktrej zakres wchodz takie technologie, jak:nawglanie stali w celu poprawy jej twardoci, co moe odbywa si w faziegazowej (w metanie), ciekej (stapianie ze stopionym cyjankiem sodu) lub przezwygrzewanie w fazie staej (z proszkiem z wgla drzewnego w temperaturze850-900 C).

Rwnie zwikszenie twardoci stali zachodzi w procesie jej azotowania,ktry przebiega w fazie gazowej (w atmosferze amoniaku) w temperaturze

500-600 C.

Atom A

Atom B

Atom


47/927


Na przykad azotowanie powierzchniowe stali polega na dyfuzji atomw azotu, zgodnie z prawem Ficka wg wzoru

dra dc

dT = - DAd i (U4)gdzie: m - ilo substancji dyfundujcej, g,

A - przekrj poprzeczny, cm2,c - stenie, mol/cm3,D - wspczynnik dyfuzji, cm2/s,t - czas, s,

x - gboko dyfuzji, cm.

Znak minus we wzorze (1.14) oznacza, e przepyw masy odbywa si od

obszaru o wikszym steniu do obszaru o mniejszym steniu.Wspczynnik dyfuzji D jest powszechnie uywany do okrelenia szybkoci

dyfuzji. Jest on bardzo duy dla wgla i azotu w elazie; dla C w Fe w 925Cwynosi 935 10-5 cm2/s, a w 1000C 2330 10-5 cm2/s, natomiast dla N w Few 550C 195 10" 5 cm2/s, a w 1000C 1170 10 5 cm2/s.

1.1.7. Zaburzenia strukturalne w materiaach budowlanych

Kady materia budowlany (konstrukcyjny czy o innym przeznaczeniu) ma wady

strukturalne wynikajce najczciej ze stosowanej technologii produkcji. Zaburzenia te maj rne postacie: pory - otwarte, potwarte, zamknite, defekty punktowe (dziury) - w miejscach wzowych i midzywzowych, defekty liniowe (dyslokacje), mikropknicia.

Porowato materiaw budowlanych

Porowato materiaw budowlanych przyjmuje rne postacie (rys. 1.22). Zawarto porw w materiaach budowlanych (porowato) okrela si metodami

porednimi przez badanie gstoci i gstoci objtociowej, nasikliwoci, mrozoodpornoci lub metod bezporedni, np. za pomoc porozymetru rtciowego.

Rysunek 1.22. Rne rodzaje porw [13]1 - otwarte, 2 - potwarte, 3 - zamknite


48/927

Porowato wpywa wyranie na cechy mechaniczne, zwaszcza sprysto,materiaw budowlanych, np. wg Spriggsa

E = Efye~K'F (1.15)

wg HasselmanaE = E o ( l - K 2P) (1.16)

gdzie: E - modu sprystoci materiau, Pa,Eq - modu sprystoci materiau pozbawionego porw, Pa,P- porowato materiau,K \, Ki - stae eksperymentalne.

Kolejnym wskanikiem porowatoci jest mrozoodporno i tak: materiay o porach zamknitych maj zadowalajc mrozoodporno, rwnie materiay o bardzo drobnych rednicach porw wykazuj bardzo

wysok mrozoodporno, poniewa liczna siatka porw charakteryzuje sidu energi powierzchniow, obniajc temperatur zamarzania wody nawetdo -20C, dodatkowe rdo energii stanowi ponadto ciepo waciwe wody.Do zaburze strukturalnych zalicza si rwnie anizotropi materiau, ktra

moe przyjmowa rne postacie (rys. 1.23).


Rysunek 1.23. Anizotropia materiau [13]: a) izotropia, b) anizotropia jednokierunkowa, c) anizo

tropia wielokierunkowa

Zaburzenia punktowe i liniowe w materiaach o strukturze krystalicznej

O wielu waciwociach materiaw budowlanych decyduje rodzaj atomw wchodzcych w skad wzw sieci krystalicznej. Do takich waciwoci naley: gsto, barwa, wspczynnik sprystoci, wikszo waciwoci elektrycznych,cieplnych oraz podatno magnetyczna. W przeciwiestwie do tego na niektre waciwoci wpywaj wyranie defekty struktury. Waciwoci te wykazujzwizek z przemieszczaniem atomw, jak to ma miejsce w czasie pynicia plastycznego oraz dyfuzji.

Defekty punktowe sieci krystalicznej klasyfikuje si wedug kryterium geometrycznego (rys. 1.24). Defekt punktowy obejmuje swym zasigiem w zasadzie

tylko jeden wze sieciowy.


49/927


Rysunek 1.24. Defekty punktowesieci krystalicznej [15]: a) wakans,

b) biwakans, c) atom midzywzowy, d) para wakans-atom midzywzowy

Najprostszym defektem punktowym jest wakans, czyli nie obsadzony przezatom wze sieci (rys. 1.24a). W kadej strukturze krystalicznej istnieje pewnaliczba wakansw w stanie rwnowagi termodynamicznej. Dodatkowe, czyli nierwnowagowe, wakansy powstaj przez odksztacenie plastyczne, napromieniowanie neutronami lub szybkie ozibienie z podwyszonej temperatury. Wakansy

nierwnowagowe maj tendencje do grupowania si w skupiska. Czsto rwnietworz si biwakansy, czyli wakansy podwjne (rys. 1.24b).

Jeli atom znajduje si nie na waciwym miejscu, tzn. nie w wle sieci, lecz jest przemieszczony do pozycji midzywzowej, zwany wwczas jestatomem midzywzowym (rys. 1.24c). Poniewa energia tworzenia defektww postaci atomw midzywzowych jest wiksza od energii tworzenia defektw w postaci wakansw, ich stenie rwnowagowe jest znacznie mniejsze odstenia rwnowagowego wakansw.

Czsto powstaj pary defektw punktowych, zoonych z wakansw i atomwmidzywzowych (rys. 1.24d). Na tym gwnie polega zdefektowanie wywoanenapromieniowaniem neutronowym.

Defekty liniowe,jak z ich nazwy wynika, rozcigaj si wzdu linii wyznaczonych przez wzy sieci i zwane s dyslokacjami. W ubiegym stuleciu tegorodzaju przesunicia pod wpywem si zewntrznych nazywano translacjami.

Z punktu widzenia atomistycznego naley o dyslokacji doda, e przesuniciejednoczesne wszystkich atomw wzdu paszczyzny polizgu jest nieprawdopodobne, gdy wymaga bardzo duych si ze wzgldu na wielk ilo atomw, ktre

musiayby jednoczenie przechodzi przez stany porednie o duej aktywnoci(wymagajcych duych energii).


50/927

Atomistyczny model dyslokacji oparty jest na istnieniu tzw. przemieszcze.Rysunek 1.25 ilustruje schematycznie istot tego zjawiska. Prosta pp przedstawia

paszczyzn polizgu.


p p

----------- f2

b)

p / / / / / / / i i i i p

C)

Rysunek 1.25. Schemat atomistycz-

ny dyslokacji (wg [2])

Grna cz jest pod dziaaniem siy /i, dolna za pod wpywem siy / 2, ktreto powoduj polizg (rys. 1.25a). Na rysunku 1.25b wida grn cz przesunit z lewej strony o jeden odstp atomowy. Jak wida, polizg si rozpocz i dalejsi odbywa (bez dostarczania dodatkowej energii z zewntrz), a do zatrzymaniana granicy jakiej przeszkody, np. na granicy ziarna (konglomeratu polikrystalicznego). Rysunek 1.25c przedstawia stan po dokonanym polizgu, z ktregowida, e sie przestrzenna nie ulega znieksztaceniu, jedynie zmieni si ksztat

krysztau.W ten sposb tumaczy si obserwowany w praktyce inynierskiej zadziwiaj

cy na pierwszy rzut oka fakt przypadkw spkania duych konstrukcji stalowychbez udziau istotnych bodcw energetycznych, co stoi w sprzecznoci z obliczeniami teoretycznymi uwzgldniajcymi energi aktywacji pojedynczych atomw(jonw) siatki krystalograficznej materiau.

Podczas przebiegu dyslokacji powstaj w materiale naprenia elastyczno--spryste o duej energii (rys. 1.25b). Naprenia te mog powodowa rwniewygicie paszczyzny polizgu w danym miejscu, np. w miejscu istniejcego

wakansu (rys. 1.26), i zablokowanie dalszej dyslokacji.


51/927


Rysunek 1.26. Naprenia i zaburzenia sieci

(wg [2])

Defekty liniowe przedstawione na rys. 1.27a odnosz si do zjawisk zachodzcych w materiaach metalicznych (np. stali) podczas obrbki plastycznej. Dyslokacja krawdziowa rozciga si wzdu linii, ktr mona uwaa za wolnkrawd dodatkowej ppaszczyzny atomowej AA'B'B znajdujcej si w jednej

poowie krysztau. Rysunek 1.27b jest ilustracj dyslokacji zoonej YX.

Rysunek 1.27. Defekty liniowe w sieci krystalicznej [15]: a) dyslokacja krawdziowa, b) dyslokacja

zoona

Dyslokacje odgrywaj bardzo wan rol z punktu widzenia mechanicznychwaciwoci materiaw, gdy decyduj o ich plastycznoci, a to z kolei wiesi w zasadniczy sposb z wytrzymaoci materiaw.

Czsto w praktyce inynierskiej stan nieuporzdkowania struktury krystalicznej wykorzystuje si do ksztatowania podanych waciwoci mechanicznychmateriau budowlanego. Przykadem takich oddziaywa na materia moe byproces hartowania stali przez jej ogrzewanie, a nastpnie szybkie chodzeniew wodzie lub oleju, w wyniku czego wzrasta granica plastycznoci, wytrzymaoci stali i zmieniaj si inne cechy.

W przypadku ukadu termodynamicznego, jakim jest np. zbir atomw (jonw) w siatce krystalograficznej stali, stan rwnowagi termodynamicznej istnieje


52/927

wwczas, gdy funkcja termodynamiczna ukadu, zwana energi swobodn, wykazuje warto minimaln

F = U - T S (1.17)

gdzie: F - energia swobodna Helmholtza, J,U - energia wewntrzna ukadu, J,T - temperatura bezwzgldna, K,S - entropia, J/K.

Ze wzoru powyszego wynika, e w niskich temperaturach stanem rwnowagi jest stan o najniszej energii wewntrznej i/, gdy pozostae wielkoci sminimalne. W miar wzrostu temperatury warto iloczynu TSwzrasta szybcieji dziaa w przeciwnym kierunku ni U, a energia swobodna uzyskuje faktyczniewarto minimaln.

Stanem rwnowagi termodynamicznej charakteryzujcym si minimaln wartoci energii swobodnej nie jest wic stan o najniszej energii wewntrznej(rys. 1.28a), lecz stan wykazujcy pewien stopie nieuporzdkowania, odpowiadajcy zwikszonej entropii (rys. 1.28b).


a) b)

Rysunek 1.28. Rwnowagowe rozmieszczenie atomw w roztworze staym; minimaln warto

energii swobodnej F = U-T S ukad uzyskuje przy pewnym stopniu nieuporzdkowania, gdy TS

ronie pocztkowo szybciej ni U [15]: a) stan cakowicie uporzdkowany - maa U i maa 5, b)stan o pewnym stopniu nieuporzdkowania - wiksze U i S, energia swobodna uzyskuje wartominimaln

W wielu ukadach stan rwnowagi charakteryzujcy si minimaln wartocienergii swobodnej nie zostaje nigdy osignity. Na przykad stan energetyczny hartowanej stali - na szczcie dla technologii - moe trwa nieskoczeniedugo. Ukady takie, nazywane metastabilnymi, nie mog osign stanu rwnowagi (AF< 0) bez uprzedniego przejcia przez stadium z dostarczeniem energiiaktywacji (rys. 1.29).


53/927


Rysunek 1.29. Rwnowaga metastabilna A i stabilna C [15]

Eb - E - energia aktywacji; E - E c - ciepo reakcji

Arrhcnius stwierdzi dowiadczalnie, e szybko przebiegu reakcji w procesach aktywowanych cieplnie wyraa si wzorem

r = Ae~ q,KT (1.18)

gdzie: A - staa aktywacji,T - temperatura absolutna, K,K - 1,38 10-23 J/K (staa Boltzmana),q - energia aktywacji, J/atom.

Z rysunku 1.29 wynika, e przejcie stali ze stanu metastabilnego (stal hartowana) w stan stabilny (tzn. z A do C) moe nastpi tylko wwczas, gdy zostaniedostarczona atomom (jonom) niezbdna energia aktywacji. Praktycznie mona toprzeprowadzi na drodze ponownego ogrzania stali.

Kruche pkanie szka i ceramiki

Z bada nad pkaniem szka wynika, e wkna ze szka potasowego osigajwytrzymao teoretyczn w kilka sekund po wycigniciu, ale pniej zmniejszasi ona do wartoci rwnowagowej - stabilizuje si i zaley od rednicy wkna,zgodnie z rys. 1.30.

Maa warto wytrzymaoci rwnowagowej jest spowodowana obecnocimikropkni (szczelin), ktre tworz si spontanicznie po wycigniciu wkienw zwizku z wymian ciepa szka z otoczeniem. Zerwanie wkien zachodzi

prawdopodobnie wwczas, gdy jedno z mikropkni zaczyna si gwatowniepowiksza, dziki zmianie energii sprystej (w nazewnictwie z zakresu termodynamiki - energii wewntrznej) na powierzchniow.

Aby przedstawi charakter powstawania napre pkania, naley przeanali

zowa rozwj szczelin wewntrznych w pytce szklanej (rys. 1.31) i wprowadziwyraenie dla spadku energii sprystej AU, w otaczajcym szczelin materia-


54/927


t t

l l l 11Rysunek 1.30. Zaleno naprenia pkania

wkien szklanych od ich rednicy okrelonadowiadczalnie Tl5]

1 - wytrzymao teoretyczna, 2 - wytrzymao

rwnowagowa

Rysunek 1.31. Maksymalne naprenia na

kocach duej osi eliptycznej szczeliny wewntrznej [15]

le. Dla uproszczenia krtsz o elipsy redukuje si do 0. W wyniku powstaniapknicia o dugoci 21 zmian energii sprystej opisuje wzr

(1.19)E

gdzie: / - dugo szczeliny, m,


55/927


std

(1.23)

gdzie Lk - cakowita krytyczna dugo pkania.

Jeli pknicie ma dugo mniejsz ni L*, jest ono stateczne i przy danejwartoci naprenia


56/927


Tablica 1.2. Rodzaje ukadw dyspersyjnych

Graniczne wymiary

rednic czstek

rozproszonych, m

Nazwa ukadu dyspersyjnego

^ i o - 9

1 0 "9 -1 0 -7

> i c r 7- i < r 6

> 10"6- 1 0 - 5

roztwr rzeczywisty (molekularny)

roztwr koloidalny

emulsja (rozproszenie jednej cieczy w drugiej)

zawiesina lub suspensja (rozproszenie ciaa staego w cieczy)

Wrd materiaw budowlanych najliczniejsz grup stanowi ukady koloidalne.

Budowa i waciwoci ukadw koloidalnych

Najczciej czstki koloidalne maj okrelony adunek elektryczny, ujemny (metale, siarka, iy, ywice, tuszcze) lub dodatni (wodorotlenki, np. Fe(OH)3, Cu(OH)2)i pod wpywem prdu elektrycznego wdruj, wykazujc zjawisko elektroforezy.

Jedn z charakterystycznych waciwo

Documents

Budownictwo Ogólne - Tom 1 - Materiały i Wyroby Budowlane