Tworzywa pochodzenia mineralnego, zalety i wady podstawowych tworzyw mineralnych

Tworzywa pochodzenia mineralnego, zalety i wady podstawowych tworzyw mineralnych.

Azbest to grupa minerałów, występujących w formie włóknistej.
Włókna i wyroby odznaczają się znaczną odpornością na działanie czynników chemicznych, ścieranie i wysoką temperaturę.
Ze względu na złe przewodnictwo ciepła i prądu jest stosowany jako materiał izolacyjny. Dzięki ogniotrwałości i izolacyjności termicznej stosowany jest do wyrobu tkanin ogniotrwałych i farb ogniotrwałych.
Dawniej produkowano z niego okładziny ciernych szczęk hamulcowych i niepalne materiały budowlane (pokrycia dachowe, rury itp).
Dzięki niskiej cenie i dobrym właściwościom mechanicznym stosowany był jako wzmocnienie w eternicie. Aktualnie ze względu na działanie rakotwórcze został wycofany, a np. pokrycia dachowe są sukcesywnie wymieniane. Ze względu na szkodliwość pyłu azbestowego (pylica), usuwanie wyrobów azbestowych z budynków wymaga zabezpieczeń pracowników, a odpady utylizacji.
Azbest jest przyczyną następujących chorób: pylica azbestowa, rak płuc i nowotworu śródbłoniaka opłucnej. Szkodliwość włókien azbestowych zależy od średnicy i długości włókien. Większe włókna nie są tak szkodliwe, gdyż w większości zatrzymują się w górnych drogach oddechowych skąd są usuwane przez rzęski, włókna bardzo drobne są usuwane przez system odpornościowy. Najbardziej niebezpieczne są włókna długie (>5μm), ale cienkie (<3μm), przenikają one do dolnych dróg oddechowych, wbijają się do płuca gdzie pozostają i w wyniku wieloletniego drażnienia komórek wywołują nowotwory. Takie włókna powstają głównie podczas ścierania wykładzin hamulcowych i sprzęgłowych samochodów starszego typu.
Beton to sztuczny kamień.Wynaleziony i używany w budownictwie starożytnego Rzymu, później w wiekach średnich zapomniany.
W innych regionach w starożytności używano mieszaninę drobnych kamieni z zaprawą wapienną do łączenia kamieni w murze i sklepieniach.
W gotyku stosowano mieszaninę zaprawy wapiennej z bardzo drobnym piaskiem do wykonywania odlewów powtarzalnych elementów dekoracyjnych.
W XIX w. (po wynalezieniu cementu portlandzkiego) upowszechnił się materiał budowlany zwany betonem. Beton (zwykły) powstaje w wyniku wiązania i stwardnienia mieszanki betonowej. Mieszanka betonowa to mieszanina spoiwa (cement), kruszywa grubego (żwir), kruszywa drobnego(piasek o frakcjach do 2 mm), wody i ewentualnych dodatków (powyżej 5% w stosunku do masy spoiwa) i domieszek (poniżej 5% w stosunku do masy spoiwa). Dodatki i domieszki poprawiają właściwości mieszanek betonowych i betonów (np. zwiększają urabialność, opóźniają proces wiązania, zwiększają mrozoodporność, wodoszczelność itd.). Skład mieszanki betonowej dobiera się na podstawie analiz laboratoryjnych i obliczeń, tak aby otrzymać beton o oczekiwanej wytrzymałości, odporności na działanie czynników zewnętrznych (np. o odpowiedniej ścieralności, wodoszczelności, kwasoodporności, żaroodporności, izolacyjności cieplnej).
Betony można podzielić na:
• beton ciężki - o ciężarze objętościowym większym niż 2 600 kg/m3, wykonywane z zastosowaniem specjalnych kruszyw (np. barytowych), stosowane jako osłony biologiczne dla osłabienia promieniowania jonizującego
• beton zwykły:
• o ciężarze objętościowym od 2 200 - 2 600 kg/m3, wykonywane z zastosowaniem kruszyw naturalnych i łamanych (piasek + żwir lub piasek + np. kamień bazaltowy) stosowane do wykonywania elementóww konstrukcyjnych betonowych i żelbetowych.
• o ciężarze objętościowym od 1 800 - 2 200 kg/m3, wykonywane z zastosowaniem kruszyw porowatych (np. keramzyt) - do wykonywania elementów o podwyższonej izolacyjności cieplnej np. ścian osłonowych, pustaków ściennych i stropowych
• beton lekki - o ciężarze objętościowym do 1 800 kg/m3, wykonywane z zastosowaniem lekkich kruszyw oraz betony komórkowe. Betony komórkowe wytwarza się z cementu, piaski, wody i środka pianotwórczego. Betony lekkie stosuje się do wykonywania elementów ściennych i stropowych średniowymiarowych (płyty ścienne i stropowe) i drobnowymiarowych (np. bloczki ścienne, prefabrykowane nadproża).
Ponadto do betonów należą:
• betony polimerowe - zamiast spoiwa cementowego zawierają polimery; betony cementowo - polimerowe - zawierają spoiwa cementowe z dodatkiem polimerów, stosowane w sytuacjach, gdy konieczne jest uzyskanie w krótkim czasie betonu o wysokiej wytrzymałości i niskiej kurczliwości podczas wiązania.
• fibrobetony - oprócz kruszyw naturalnych zawierają włókna stalowe, szklane lub sysntetyczne, stosowane jako betony do wykonywania np. posadzek przemysłowych.
• żużlobetony - z dodatkiem rozdrobnionego żużlu do kruszywa
• asfaltobetony - bez cementu i wody, zawierają asfalt, mączkę mineralną, piasek, grysy kamienne i żwir - stosowany do wykonywania nawierzchni drogowych.
Ważną cechą betonu jest jego wytrzymałość na ściskanie. Gwarantowaną wartość wytrzymałości określa klasa betonu (według już nieaktualnej normy, stosowano oznaczenia - np. beton B 20 - to beton o gwaratowanej wytrzymałości 20 MPa).
Wraz z wejściem do Unii Europejskiej została wprowadzona nowa norma (PN-EN 206-1) określająca wytrzymałość betonów zwykłych i ciężkich symbolem C../.. (np. C20/25 oznacza beton o minimalnej wytrzymałości oznaczonej na próbkach walcowych wynoszącej 20 MPa i minimalnej wartości wytrzymałości charakterystycznej (wytrzymałość charakterystyczna to wartość osiągana przez minimum 95% próbek danej partii, równoznaczne jest to z 5% przedziałem ufności) oznaczonej na próbkach sześciennych wynoszącej 25 MPa). Dla betonów lekkich ta sama norma wprowadza oznaczenie stosowane w przypadku betonów lekkich symbolem LC../.. (np. LC20/22). Jeszcze spotykane są oznaczenia betonu zgodne z nieaktualnąi nieobowiązującą normą. Jednak używanie ich jest nieprawidłowe i sprzeczne z obowiązującym stanem prawnym.

Zaprawa Gipsowa nie ma wartości żrących jak zaprawa wapienna, dlatego znalazła zastosowanie w medycynie do sporządzania bandaży chirurgicznych i usztywniania złamanych kości. Stosuje się ją również w budownictwie jako tzw. Zaprawa Hydrauliczna, która twardnieje pod wpływem wody. Zaprawę hydrauliczną stosuje sie do wyrównywania ścian lub jako dodatek do cementu. Dodanie gipsu do zaprawy znacznie skraca okres jej wiązania, w związku z czym do prac, np. tynkarskich, stosuje sie często jako zaprawy gipsowo-wapienne.

Wapno i zaprawa wapienna- otrzymuje się z kamienia wapiennego, wapiennego którym głównym składnikiem jest węglan wapnia z domieszkami węglanu magnezu, glinu, piasku i substancji organicznych. Jeśli tlenku magnezu > to wtedy jest wapno magnezjowe. W zależności od zawartości tlenku magnezu znane są 3 odmiany wapna:
• wapno palone zwykłe- tlenek magnezu <5%
• wapno palone magnezjowe tlenek magnezu od 5-15%, otrzymywane przez wypalanie wapieni dolomitowych
• wapno palone dolomitowe >15%, otrzymywane przez wypalanie dolomitów.
Wypalone wapno nie powinno zawierać węglanu wapnia, a barwa powinna być biała. Wapno palone łatwo wchłania wilgoć i na powietrzu łączy się z dwutlenkiem węgla, tracąc swoje własności wiążące- wietrzenie wapna. Dlatego powinno się przeprowadzać proces gaszenia. Wapno palone pod wpływem wody przechodzi w wapno gaszone. Proces gaszenia można przeprowadzić dwojako:
• przy nadmiarze wody uzyskuje się wapno gaszone na mokro- lasowanie
• przez gaszenie wapna stechiometryczną ilością wody konieczną do przebiegu reakcji otrzymuje się wapno hydratyzowane
proces gaszenia jest reakcją egzotermiczną, wydzielają się duże ilości ciepła, temp wzrasta do 100 stopni. wzrasta objętość prawie dwukrotnie. Wapno jest bardzo żrące oraz silnie zagrzewa się w czasie reakcji chemicznej z wodą i wilgocią.
Przy ocenie jakości wapna bierze się pod uwagę: wygląd zewnętrzny, ilość aktywnych tlenków CaO i MgO, zawartość części niegasnących się, czas i temp gaszenia, stopień zmielenia.Wytwarza się 3 rodzaje wapna w zależności od rozdrobnienia: wapno nie gaszone w kawałkach, wapno niegaszone mielone, wapno suche gaszone.Zaprawa wapienna: to mieszanina wapna gaszonego lasowanego lub hydratyzowanego z piaskiem i wodą o konsystencji plastycznej masy. Podział: zaprawa murarska (z > zawartością piasku), tynkarska ( z < zawartością piasku). Nie są odporne na działanie deszczów, wilgoci i czynników atmosferycznych.
Zaprawa wapienna charakteryzuje się długim czasem twardnienia, łatwością użycia, jest przepuszczalna, mniej odporna niż zaprawa cementowa, plastyczna i mięsista. Doskonale nadaje się jako tynk końcowy.

Szkło - to materiał otrzymywany w wyniku stopienia tlenku krzemu (krzemionka, SiO2) z różnymi dodatkami dobranymi w odpowiednich proporcjach, a następnie szybkiego ochłodzenia tak, aby nie doszło do pełnej krystalizacji krzemionki, lecz aby w strukturze pozostało jak najwięcej fazy amorficznej, będącej formalnie rzecz biorąc przechłodzoną cieczą.
Surowcem do produkcji tradycyjnego szkła jest piasek kwarcowy (SiO2) oraz dodatki, najczęściej: węglan sodowy (Na2CO3) i węglan wapniowy (CaCO3), topniki: tlenki boru i ołowiu (B2O3, PbO) oraz barwniki, którymi są zazwyczaj tlenki metali przejściowych (kadm, mangan i inne). Surowce są mieszane, topione w piecu w temperaturze 1400-1500C, po czym formowane w wyroby przed pełnym skrzepnięciem. Produkcja szkła znana była już ponad pięć tysięcy lat temu. W I w. p.n.e. znano metodę wytwarzania przedmiotów przez wydmuchiwanie, w XIX w. wynaleziono metodę odlewania.

Właściwości szkła:
• materiał izotropowy
• słaby przewodnik dla elektryczności
• materiał o dużej odporności chemicznej (nie jest odporny na działanie kwasu fluorowodorowego)
• właściwości mechaniczne szkła budowlanego:
• twardość w skali Mohsa 5-7
• gęstość szkła budowlanego 2400-2600 kg/m3
• wytrzymałość na zginanie 30-50 MPa
• wytrzymałość na ściskanie 800-1000 MPa
• Moduł Younga 70 GPa
Właściwości szkła są uzależnione od sposobu wytopu, oraz w ograniczonym zakresie od składu chemicznego.Klasyfikacja szkła
• szkło budowlane: płaskie walcowane i ciągnione, zespolone, hartowane, barwne nieprzejrzyste, piankowe, szkła budowlane są zazwyczaj szkłami sodowo/wapniowo/potaso-krzemianowymi.
• szkło jenajskie zwane też szkłem boro-krzemianowym - po raz pierwszy wynalezionym w Jenie, które cechuje stosunkowo niska temperatura topnienia (ok. 400 C), łatwość formowania i jednocześnie wysoka odporność na nagłe zmiany temperatury. Jest ono stosowane w sprzęcie laboratoryjnym i kuchennym. Jego odmianą jest szkło pyrex, które posiada skład znacznie ulepszony w stosunku do szkła jenajskiego.
• szkło ołowiowe (kryształowe) - przepuszczalne dla ultrafioletu, o bardzo wysokim współczynniku załamania światła, używane do produkcji wyrobów dekoracyjnych, oraz soczewek optycznych.
Niektóre rodzaje szkła budowlanego:
• szkło okienne
• szkło płaskie walcowane
• szkło płaskie zbrojone
• szkło płaskie barwione w masie (często stosowana jest nazwa handlowa - Antisol)
• szyby zespolone.
• szkło hartowane
• szkło refleksyjne
• szkło elektroprzewodzące
• szkło nieprzezroczyste (marblit
• ponadto ze szkła produkowane są wyroby takie, jak np. pustaki szklane, wełna szklana
Szczególnym zastosowaniem szkła jest produkcja tzw. włókna szklanego; powstaje ono przez przeciskanie stopionej masy szklanej przez otwory o b. małej średnicy.
Ceramika - dawniej - całość wyrobów otrzymywana z gliny wypalanej po jej uformowaniu.Obecnie określenia używa się w stosunku do wszystkich materiałów otrzymywanych z mieszaniny surowców występujących w stanie naturalnym (gliny, skalenie, kwarc, kaolin) oraz wytworzonych związków chemicznych (tlenków, krzemianów, węglików, azotków, siarczków i innych) przez wypalenie ich do stanu spieczenia. Do ceramiki obecnie zalicza się wyroby z glin, szkło, emalie, spoiwa mineralne, materiały ścierne, niemetaliczne materiały magnetyczne, ferroelektryczne, dielektryczne itp. Wszystkie materiały ceramiczne cechują się dużą odpornością na działanie wysokiej temperatury, czynników chemicznych, twardością. Są to jednak materiały kruche i nie nadają się do obróbki po wypaleniu, (można je tylko delikatnie szlifować).
Proces produkcji wyrobów ceramicznych polega na dokładnym wymieszaniu masy otrzymanej ze zmielonych (rozdrobionych) surowców z wodą (lub bez wody), odpowietrzenie, formowanie, suszenie i wypalanie. Proces wypalania odbywa się w specjalnych piecach w temperaturze od 900C do 2000C (w zależności od rodzaju użytych surowców). Niektóre materiały ceramiczne, po wypaleniu pokrywa się szkliwem i ponownie wypala.
Ceramikę używa się w różnych dziedzinach gospodarki, np. w budownictwie, elektronice, chemii, przy budowie piecy używanych do wypalania cementu, piecy szklarskich, do wytopu metali w hutnictwie, jako materiał ścierny itp. a także do produkcji naczyń domowego użytku.