Budujemy nowy dom… Chemia na budowie

Na początku wyjaśnijmy coś: my akurat nie budujemy, ale dziś porozmawiamy o tym, co wspólnego ma chemia z budową. Chemia, jak pewnie wiecie, jest wszędzie wokół nas, a plac budowy nie jest tu wyjątkiem. Na jakiej więc zasadzie działa wapno, a jak działa gips? Co ma z tym wspólnego beton? I jakim sposobem Rzymianie murowali pod wodą? Czytaj dalej, żeby się dowiedzieć!

Na budowie i na nodze

Zanim zabierzemy się za budowę, możemy wykonać jakie drobne naprawy w domu. Większość z Was pewnie miała okazję korzystać z gipsu: czy to w domu, czy to w szkole… Co mniej szczęśliwi – u lekarza. Ale co to takiego jest?

Otóż jest to związek chemiczny – uwodniony siarczan wapnia. Co ta tajemnicza nazwa oznacza? Tyle, że gdy cząsteczki siarczanu wapnia ułożone są w regularne kryształy, to pomiędzy cząsteczkami znajdują się cząsteczki wody. Ta woda nie jest zbyt mocno związana z resztą związku, więc w podwyższonej temperaturze da się jej, a przynajmniej dużej jej części, pozbyć.

I tak właśnie powstaje ten gips, który możemy kupić w worku w sklepie budowlanym. Kamienie gipsowe wypala się w wysokiej temperaturze, żeby pozbyć się wody. Taki suchy gips zaczyna tężeć i po kilkudziesięciu minutach staje się twardy. Co ważne – tej wody nie może być za dużo. Jeśli stężały gips potraktuje się dużą ilością wody – upłynni się. Podobnie gips potraktowany wysoką temperaturą znów ulegnie odwodnieniu i stanie się sypki. Świetnie więc nadaje się do szpachlowania dziur czy innych niewielkich wykończeń, ale na podstawowy materiał budowlany kandydat z niego raczej średni¹Badań nie prowadziłem, ale obstawiam, że mało kto chce, żeby jego nowy dom rozpłynął się przy większych deszczach.

Co ciekawe, ten sam gips wciąż bywa stosowany w unieruchamiających opatrunkach. Jeśli mieliście kiedyś zakładany klasyczny gips, to bandaże były nasączone właśnie roztworem siarczanu wapnia. Taki opatrunek, choć po zastygnięciu zdecydowanie unieruchamia kończynę, ma jednak sporo wad, które sprawiają, że się od niego powoli odchodzi. Otóż nie przepuszcza on powietrza, jest ciężki i nie da się przez niego wykonać zdjęcia rentgenowskiego. Dlatego też w miarę możliwości stosuje się opatrunki z tworzyw sztucznych – nazywane są lekkimi gipsami, ale poza funkcją nie mają z gipsem nic wspólnego. Za to przepuszczają zarówno powietrze jak i promieniowanie rentgenowskie.

Palone, gaszone…

Zupełnie odwrotnie, niż gips, działa wapno. Być może kojarzycie ze szkoły pojęcia “wapno palone” i “wapno gaszone”. Są to odpowiednio tlenek i wodorotlenek wapnia²Widać więc, że wapń stanowi podstawę wszelkiej budowy!. Skąd nazwy? Bardzo proste: wapno gaszone potraktowane wysoką temperaturą przechodzi w wapno palone. To z kolei, zalane wodą, reaguje z nią, dając wapno gaszone.

W wypadku wapna gaszonego, kryształy powstające w potraktowanej wodą zaprawie mają więcej wody, niż powinny. Dlatego też podstawowy sposób “wiązania” przez bazującą na wapnie zaprawę polega na tym, że z kryształów wapna gaszonego odparowuje woda. Im więcej jej odparuje, tym silniej zaprawa trzyma. Ale, tak jak pisałem, jest to podstawowy, a nie jedyny sposób.

Zdarzało się Wam kiedyś na lekcji chemii wykrywać dwutlenek węgla w wydychanym powietrzu? Stosuje się do tego tzw. wodę wapienną, czyli wodny roztwór wapna gaszonego. Gdy przez taki roztwór przelatuje dwutlenek węgla, zachodzi reakcja i powstaje nierozpuszczalny węglan wapnia, wywołując zmętnienie. Taki sam proces zachodzi w zaprawie wapiennej. Wtedy wapno gaszone reaguje z dwutlenkiem węgla obecnym w atmosferze, dając węglan wapnia. Proces ten może potrwać wiele lat – o ile na powierzchni zaprawy zajdzie dość szybko, o tyle dotarcie dwutlenku węgla w głąb zaprawy będzie bardzo, bardzo długotrwałe. Jednak w przeciwieństwie do utwardzania spowodowanego odparowywaniem wody, to które następuje na skutek reakcji z dwutlenkiem węgla, jest nieodwracalne.

Zmieszajmy wszystko razem…

Jak dotąd pisałem o czystych związkach. A co by się stało, gdybyśmy zmieszali kilka rzeczy razem? No cóż, moglibyśmy na przykład uzyskać cement. I beton. I zbudować potęgę Cesarstwa Rzymskiego.

Cement jest mieszaniną kilku składników. Podstawę stanowią wypalone skały – glina, wapienie czy margle. Są one następnie mieszane z gipsem i ewentualnie innymi dodatkami. Taki złożony skład sprawia, że jesteśmy w stanie dostosowywać cement do różnych warunków. Dzięki temu możemy mieć cement szybciej lub wolniej wiążący, lub cement bardziej odporny na konkretne warunki…³Jest na przykład cement o wysokiej odporności na siarczanów, stosowany w piecach hutniczych, gdzie siarczany wydzielają się w stosunkowo dużej ilości

Kolejnym etapem jest beton. Wydaje mi się, że wielu ludzi łatwo myli cement z betonem. Różnica jest następująca: cement jest spoiwem – czymś w rodzaju kleju. Służy do łączenia elementów. Beton to mieszanina tego spoiwa z kruszywami⁴Są to sypkie, czyli dość mocno rozdrobnione, skały i wodą. Z niego można zrobić coś większego – na przykład ścianę. Dzięki temu, że jest to złożona mieszanina, możemy tak dobrać jej parametry, żeby jak najlepiej pasowały do naszych potrzeb. Czasem zależy nam na tym, żeby nasz beton był jak najwytrzymalszy. Bywają przypadki, gdy istotniejsze jest to, żeby był jak najlżejszy. Czasem zależy nam na wodoszczelności, albo odporności na jeszcze inne warunki zewnętrzne…

Rzymski beton

Wiedzieli o tym już starożytni Rzymianie. Ich receptura na beton uwzględniała zastosowanie popiołu wulkanicznego. Dzięki temu ich beton nie tylko tężał w nawet słonej wodzie – z upływem czasu stawał się wręcz coraz trwalszy. Współczesne badania wykazały, że woda powoli rozpuszcza składniki zawarte w popiele, a z powstałego roztworu wypadają nowe, rzadko spotykane na Ziemi kryształy. Okazuje się, że zapewniają one większą trwałość betonowi. Ale nie tylko – opracowali również inne rodzaje betonów, co pozwoliło im wznosić różne imponujące budowle.

Co ciekawe, okazuje się, że rzymski “podwodny” beton jest lepszy od naszego. Nie potrafimy nawet wprost odtworzyć jego składu⁵Pamiętajcie, że na skutek reakcji między wodą morską a betonem jego skład zmieniał się w czasie!, nie potrafimy więc uzyskać betonu który by działał tak dobrze, jak ten rzymski. Ale mamy różne inne materiały, które pozwalają nam budować rzeczy dużo bardziej imponujące niż budowle starożytne.

Piasek na gorąco

A jednym z najbardziej fascynujących materiałów budowlanych jest szkło. Mogłoby się zdawać – wielkie mi halo: szkło, stopiony piasek… Mamy szklane butelki, kubki i nie tylko, co w tym fascynującego? A zastanawialiście się kiedyś, jak produkuje się szkło, które widzicie na ścianach wielu biurowców?

Szkło jako takie, jak już wspominałem, produkuje się głównie ze stopionego piasku. Wytwarzanie szkła jako takie nie stanowi problemu. Piasek miesza z różnymi dodatkami i mocno podgrzewa. Jak mocno? A to właśnie zależy od dodatków. Czysty piasek – czyli dwutlenek krzemu – do całkowitego stopienia⁶Zlikwidowania oddziaływań międzycząsteczkowych dalszego zasięgu wymaga temperatury około 2000-2300°C. W ten sposób można otrzymać szkło kwarcowe – bardzo odporne tak na wysokie temperatury, jak i na szybką zmianę temperatur. Ale pamiętajcie, że podgrzanie czegoś do tak wysokiej temperatury potrafi pochłonąć olbrzymie ilości energii. A przecież budynki nie są zwykle narażone na tak ekstremalne warunki…

Dlatego też do piasku najczęściej dodaje się różne inne substancje: przede wszystkim węglan sodu, ale również inne sole. To pozwala obniżyć konieczną temperaturę do 1500°C – wciąż sporo, ale już zdecydowanie lepiej niż dla czystego kwarcu. Jednak wciąż sam fakt, że mamy szkło, to za mało. Jeśli chcemy je wykorzystać na budowie, to musi być nie tylko bardzo płaskie i gładkie, ale też charakteryzować się wysoką wytrzymałością. Żeby to osiągnąć, trzeba gorące szkło wylać na bardzo płaską powierzchnię. Do tego ta powierzchnia nie może się do szkła przykleić ani ulec żadnym reakcjom w wysokiej temperaturze… Co więc można zastosować?

Idealnie gładkie

Prawidłową odpowiedzią jest stopiony metal, najczęściej cyna. Pamiętajcie – rozlana ciecz, na skutek działania grawitacji, będzie dążyła do uzyskania płaskiej powierzchni⁷Od razu zapowiadam – to nie jest argument przemawiający za płaską Ziemią, po prostu w tej skali krzywizna naszej planety jest pomijalna.. Ponieważ szkło jest od niej lżejsze, będzie się unosiło na wierzchu i również uformuje płaską warstwę. Pozostaje tylko kwestia zapobiegania reakcjom. W takiej temperaturze metale chętnie się utleniają. Żeby temu zapobiec, trzeba zapewnić obojętną atmosferę.

Wystarczy tutaj azot z domieszkami wodoru⁸Wodór usunie ewentualne resztki utleniaczy, które się przedostały do instalacji. Tak przygotowane szkło trzeba tylko powoli schłodzić, następnie przyciąć na wymiar – i poddać hartowaniu. W tej procedurze szkło jest ponownie rozgrzewane, a następnie bardzo szybko chłodzone. Zmienia to jego wewnętrzną strukturę, nie tylko zwiększając jego odporność mechaniczną, ale też sprawiając, że w razie stłuczenia efektem będą nie ostrze drzazgi, tylko małe, niegroźne kawałki. Co ważne, po zahartowaniu nie wolno już szkła dalej szlifować czy przycinać – jeśli tak zrobimy, szkło popęka!

Patrząc na budynki powstające w naszych miastach wyraźnie widać postęp w ciągu ostatnich kilkunastu lat. Dla mnie jednak zawsze najbardziej fascynujące jest pytanie – co przyniesie jutro? Jeśli czytaliście nasz artykuł o grafenie, to wiecie, że jest on uważany za materiał przyszłości. Ciekawe, czy dożyjemy budynków, w których to grafen czy inne tego typu materiały będą pełniły istotną funkcję?

Źródła:

https://pubs.geoscienceworld.org/msa/ammin/article/102/7/1435/353606/Phillipsite-and-Al-tobermorite-mineral-cements

https://www.nature.com/articles/nature.2017.22231

http://www.understandconstruction.com/glass.html

https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/float-glass-process

https://www.acidacid.ch/line/Sep_6337/

Zainteresowało Cię to, co czytasz? Chcesz wiedzieć więcej? Śledź nas na Facebooku, i – pozwól, że wyjaśnię!