2.3. Keramos i stiuk

Rozglądając się wokół, możemy dostrzec różne obiekty budowlane. Czy wiesz, z jakich surowców je zbudowano? Czy materiały stosowane współcześnie w budownictwie bardzo różnią się od tych z epoki faraonów? Czy glina i cegły to dzisiaj przeżytki? Jakie materiały obecnie dominują w architekturze?

Już wiesz: 

  • że w budownictwie wykorzystuje się skały wapienne i gipsowe oraz produkty ich termicznego rozkładu;
  • że kwaśne opady uszkadzają m.in. pomniki i elementy budowli wykonanych z marmuru i wapieni.

Nauczysz się: 

  • wymieniać surowce używane do produkcji wyrobów ceramicznych, cementu i betonu;
  • opisywać procesy technologiczne produkcji cegieł, wyrobów porcelanowych i cementu;
  • klasyfikować wyroby ceramiczne ze względu na ich właściwości;
  • rozróżniać przedmioty wykonane z gliny i z betonu.

1. Glina

Do najstarszych materiałów budowlanych zaliczają się: drewno, kamień i glina – skała osadowa, powszechnie występująca w przyrodzie. Najważniejsze składniki gliny powstają w procesie chemicznego wietrzenia skaleni. Proces ten przedstawia równanie reakcji chemicznej:
Glina początkowo służyła do wyrobu naczyń i przedmiotów codziennego użytku (garncarstwo), ale z czasem stała się głównym surowcem do produkcji cegieł i innych wyrobów ceramicznych. Nazwa wyroby ceramiczne pochodzi od greckiego keramos, tzn. ziemia, glina. Proces produkcji materiałów ceramicznych polega na dokładnym wymieszaniu odpowiednich surowców (głównie: gliny, piasku kwarcowego oraz skaleni) z wodą, formowaniu, wysuszeniu i wypaleniu. Niektóre wyroby ceramiczne są szkliwione. Najszlachetniejszym tworzywem ceramicznym jest porcelana. Do produkcji porcelany używa się najlepszych gatunków gliny (kaolinu), charakteryzujących się białą lub lekko kremową barwą. Głównym składnikiem glinki porcelanowej jest minerał o nazwie kaolinit.

Ciekawostka

W miarę wzrostu świadomości ekologicznej glina jako materiał budowlany znajduje coraz więcej zwolenników. Naukowcy badają zaskakujące właściwości tego surowca, a architekci coraz śmielej z niego korzystają, odkrywając go na nowo. Trudno dziwić się karierze gliny (i ceramiki budowlanej), gdyż jest to budulec o fantastycznych właściwościach, który we wnętrzach tworzy zdrowy i przyjazny człowiekowi klimat. Z gliny można zbudować praktycznie cały dom, wykorzystując ją do: murowania, tynkowania, rzeźbienia, konstruowania stropów i kopuł, stawiania z niej ścian nośnych i działowych, budowy pieców, robienia cegieł i posadzek, a nawet wodoodpornych dachówek. Współcześnie glina stanowi surowiec wyjściowy do produkcji różnorodnych materiałów budowlanych.

2. Porcelana

Porcelana to najszlachetniejsza odmiana ceramiki. Została wynaleziona w VII wieku przez Chińczyków, którzy doskonaląc przez wieki swój warsztat pracy, osiągnęli mistrzostwo techniczne. Do Europy pierwsze wieści o chińskiej porcelanie dotarły ok. XIII wieku, dzięki weneckiemu podróżnikowi Marco Polo, który w swych podróżach dotarł aż do Chin. W trakcie pobytu w Państwie Środka oglądał błyszczącą ceramikę i jej wygląd kojarzył mu się z niewielkimi muszlami małży morskich (po włosku porcello – świnka, po łacinie – genus porcellana), których gładka, półprzezroczysta skorupa przypominała właśnie ścianki porcelanowych naczyń. Europejczykom udało się otrzymać porcelanę dopiero na początku wieku XVIII.
Chińska porcelana fascynowała chyba wszystkie cywilizacje, które się z nią zetknęły. Wielki rozgłos zyskała dzięki legendzie głoszącej, że porcelanowe naczynia rozpadają się po kontakcie z trucizną podaną w potrawie lub napoju. Między innymi z tego właśnie powodu wiele osób zabiegało o posiadanie zestawu z porcelany.

Polecenie 2.3.1.

Wyjaśnij, jak odróżnić filiżankę wykonaną z porcelany od filiżanki fajansowej.

Wskazówka

Porównując obie filiżanki, zwróć uwagę na to, która z nich jest cięższa. Które z tych naczyń przy lekkim uderzeniu w krawędź wydaje ton wysoki, a które – niski? Która z filiżanek lepiej przepuszcza światło?

Doświadczenie 2.3.1. Odróżnianie porcelany od fajansu za pomocą atramentu

Problem badawczy:  
W jaki sposób można odróżnić porcelanę od fajansu?
Hipoteza: 
Porcelana i fajans to tworzywa ceramiczne o różnej porowatości, a tym samym o różnej nasiąkliwości.
Co będzie potrzebne: 
  • wyroby lub kawałki przedmiotów wykonanych z porcelany oraz z fajansu,
  • atrament,
  • strzykawka,
  • ściereczka,
  • woda.
Instrukcja: 
  1. 1.
    Na nieszkliwiony fragment przedmiotu wykonanego z porcelany nanieś jedną kroplę atramentu.
  2. 2.
    Na nieszkliwiony fragment przedmiotu wykonanego z fajansu również nanieś jedną kroplę atramentu.
  3. 3.
    Po chwili sprawdź, czy powstałą plamę łatwo, czy trudno usuwa się za pomocą wody z obu przedmiotów.
  4. 4.
    Jeśli dysponujesz kawałkami porcelany i fajansu, to zwróć uwagę na kolor widoczny na przekroju – czy jest on śnieżnobiały, czy też kremowy.
Podsumowanie: 
Próba z atramentem pozwala odróżnić porcelanę od fajansu poprzez zbadanie nasiąkliwości obu materiałów, gdyż fajans charakteryzuje się czerepem porowatym, a porcelana ma czerep nieporowaty (tzw. spieczony). Tworzywem szlachetniejszym jest porcelana, cechująca się brakiem nasiąkliwości. Jeśli powstaje plama, którą trudno usunąć wodą, to przedmiot z pewnością jest fajansem. Porcelana jest biała i szkliwi się ją szkliwem przezroczystym. Gdy stłuczemy ulubioną filiżankę, śnieżnobiały kolor nieszkliwionych jak i pokrytych szkliwem kawałków potwierdzi, że została ona wykonana z porcelany. Fajans ma barwę kremową. Aby wyrobom fajansowym nadać białą barwę, pokrywa się je szkliwem o odpowiednio dobranym składzie.

Ciekawostka

Porcelanę kiedyś nazywano „białym złotem”, ponieważ była bardzo ekskluzywnym towarem, na który mogli sobie pozwolić tylko najbogatsi. Jej wartość niejednokrotnie przekraczała ceny złota. Nic więc dziwnego, że wielu ceramików próbowało odkryć sekret produkcji porcelany. Nie było to jednak takie proste. 28 marca 1709 roku udało się to, mającemu zaledwie 27 lat, alchemikowi Johannowi Friedrichowi Böttgerowi, zatrudnionemu przez Augusta II Mocnego. Alchemik wykonał pierwszą porcelanową czarkę, używając glinki kaolinowej. Pilnie strzeżona tajemnica chińskich mistrzów została odkryta. August II Mocny, zachwycony wynalazkiem, jeszcze w 1710 roku postanowił otworzyć pierwszą fabrykę porcelany w Europie, a konkretnie w Dreźnie. Dwa miesiące później manufakturę przeniesiono jednak do zamku Albrechtsburg, położonego na wysokim, skalistym wzgórzu w Miśni. Położenie to miało dać gwarancję zachowania tajemnicy produkcji masy porcelanowej. Odtąd Miśnia stała się stolicą europejskiej porcelany. Friedrich Böttger myślał o ucieczce z tego mrocznego miejsca, ponieważ złamanie sekretu chińskich mistrzów nie przyniosło mu sukcesu finansowego. Król jednak dowiedział się o jego planach i wtrącił Böttgera do lochu w twierdzy Königstein, gdzie nikomu niepotrzebny i zapomniany, zmarł dziesięć lat po swoim wielkim odkryciu.

3. Cegły

Cegły były budulcem imperiów i wielkich cywilizacji. Budowano z nich świątynie, kilkunastopiętrowe minarety i tętniące życiem starożytne miasta. Najstarsze ślady użycia surowej cegły pochodzą z VI tysiąclecia p.n.e. z Azji. Obok kamienia i drewna cegły były podstawowym materiałem budowlanym w starożytnej Mezopotamii. Później o nich zapomniano i zastąpiono „nowoczesnymi” materiałami – betonem i metalem. W XX wieku uważano je za przeżytek. Jednak powróciły w wielkim stylu w czasach nam współczesnych, jako materiał budowlany oraz element dekoracyjny – głównie w nowoczesnych wnętrzach, np. w loftach.

Polecenie 2.3.2.

Odpowiedz na pytanie: czy cegła jest materiałem ekologicznym?

Wskazówka

Jakie materiały wykorzystuje się do produkcji cegieł? Czy podczas produkcji tego budulca powstają jakieś odpady? Na czym polega recykling cegieł? Jak to jest możliwe, że jeszcze dziś podziwiamy wykonane z tego materiału obiekty pochodzące z czasów rzymskich?

Polecenie 2.3.3.

Wyjaśnij, czy ma to znaczenie, jaką cegłę wykorzystamy do budowy: szamotową czy klinkierową, pełną czy z otworami. Jakie cegły nadają się do budowy ścian nośnych, a jakie stosuje się do stawiania ścian działowych?

Wskazówka

Dlaczego cegły szamotowe nadają się do budowy wnętrza pieca hutniczego czy komina elektrociepłowni, a nie stosuje się ich do budowy ścian domu? Dlaczego z wyrobów drążonych nie wolno budować fundamentów, ścian piwnic oraz ścian, w których przebiegają przewody dymowe, spalinowe i wentylacyjne? Zwróć uwagę również na to, że typowa pełna cegła ceramiczna waży 3,2 kg, a cegła dziurawka – zaledwie 2,5 kg.

4. Wapno

Wapno gaszone, czyli Ca(OH) IndeksDolny 2 KoniecIndeksów, jest materiałem towarzyszącym człowiekowi od tysiącleci. Stosowanie przez tysiąclecia (aż do naszych czasów) wapna jako spoiwa w budownictwie świadczy o nieprzemijających zaletach tego materiału. Obecnie wapno jest też stosowane do otrzymywania stiuków, czyli dekoracyjnej masy składającej się z zaprawy wapiennej, gipsowej lub mieszanej (wapienno-gipsowej) oraz proszku lub piasku marmurowego. Stiuk był materiałem dekoracyjnym stosowanym powszechnie przez architektów w starożytnym Rzymie do wykonywania tynków, rzeźb i sztukaterii. Często imitował dużo droższy i trudniejszy w obróbce marmur.

5. Cement

Cement to najważniejszy materiał budowlany o charakterze spoiwa, otrzymywany w cementowniach ze zmielonych skał wapiennych (skał zawierających węglan wapnia), glin bogatych w uwodnione krzemiany i glinokrzemiany oraz gipsu krystalicznego. Obecnie najczęściej używa się, stosowanego od 1824 roku, cementu portlandzkiego, którego skład chemiczny opracował angielski murarz Joseph Aspdin. Kolor otrzymanego cementu przypominał wynalazcy kamień budowlany, wydobywany w okolicach Portlandu, stąd nazwa cement „portlandzki". Obecnie jest on stosowany do przygotowywania zapraw cementowych i cementowo-wapiennych.

Doświadczenie 2.3.2. Przygotowanie zapraw budowlanych o różnym składzie

Problem badawczy:  
Jakie znaczenie ma wybór rodzaju zaprawy stosowanej podczas budowy?
Hipoteza: 
Różny skład zapraw budowlanych ma wpływ na zakres ich stosowania.
Co będzie potrzebne: 
  • 2 zlewki,
  • łyżeczka,
  • bagietka,
  • tryskawka z wodą,
  • 2 nakrętki (lub inne przedmioty mogące pełnić rolę formy),
  • piasek,
  • cement,
  • wapno hydratyzowane.
Instrukcja: 
  1. 1.
    Do zlewki wsyp 4 łyżeczki piasku i 1 łyżeczkę cementu. Mieszając zawartość naczynia bagietką, dodawaj tyle wody, aby utworzyła się plastyczna masa.
  2. 2.
    Otrzymaną zaprawą wypełnij formę i odstaw ją na kilka dni, obserwując czas twardnienia uzyskanej spoiny. Oceń jej twardość i kruchość.
  3. 3.
    Do drugiej zlewki wsyp 9 łyżeczek piasku, 2 łyżeczki wapna hydratyzowanego i 1 łyżeczkę cementu. Mieszając zawartość naczynia bagietką, dodawaj tyle wody, aby utworzyła się mieszanina o konsystencji gęstego ciasta.
  4. 4.
    Otrzymaną zaprawą wypełnij formę i odstaw ją na kilka dni, obserwując czas twardnienia uzyskanej spoiny. Oceń jej twardość i kruchość.
Podsumowanie: 
Świeżo przygotowana zaprawa cementowa po kilku dniach jest bardzo twarda i krucha oraz ma gładką powierzchnię. Mniejszą twardość i kruchość wykazuje zaprawa cementowo-wapienna, która jest bardziej porowata. Obie zaprawy potrzebują na stwardnienie kilku dni. Opisane właściwości każdej z zapraw decydują o zakresie ich stosowania w trakcie budowy.

Polecenie 2.3.4.

Której zaprawy: cementowej czy cementowo-wapiennej używa się do tynkowania i jako spoiwa do cegieł, a z której wykonuje się części budynków narażone na duże obciążenia i ciągłe działanie wody? Z czego wynika wybór zaprawy z tych przypadkach?

Wskazówka

Która z tych zapraw ma większą twardość? Która spoina jest mniej odporna na działanie wody: gładka czy porowata?

6. Beton

Już ponad 200 lat p.n.e. Rzymianie stosowali materiał, który otrzymywali przez zmieszanie wapna, tłucznia ceglanego z żużlem paleniskowym i kamieniem, nazywając go betunium. W wiekach średnich materiał ten został zapomniany. Na nowo doceniono go po wynalezieniu cementu portlandzkiego. Dzisiejsza masa betonowa powstaje po zmieszaniu kruszywa naturalnego (drobnoziarnistego, np. piasku o frakcji do 2 mm, lub gruboziarnistego, np. żwiru) albo kruszywa sztucznego (np. żużla), cementu i wody w odpowiednich proporcjach, w specjalnych urządzeniach z bębnem obrotowym zwanych betoniarkami. Masa ta w wyniku hydratacji cementu ulega wiązaniu, a następnie twardnieniu, stając się materiałem o właściwościach bliskich właściwościom skał naturalnych. Woda wiąże cement i nadaje mieszance odpowiednią konsystencję. Kruszywo jest materiałem wypełniającym, a jego frakcje (czyli średnice ziaren) dobiera się w zależności od wymaganych cech betonu. Te trzy główne składniki, dozowane w odpowiednich proporcjach, pozwalają otrzymać beton o różnej gęstości i odmiennych klasach. Wytrzymałość betonu na rozciąganie jest dziesięciokrotnie mniejsza w stosunku do jego wytrzymałości na ściskanie. Przenoszenie sił rozciągających można uzyskać, stosując zbrojenie betonu wkładkami stalowymi (pręty i siatki stalowe) – taki materiał nazywany jest żelbetem.

Ciekawostka

Żelazobeton otrzymano zupełnie przypadkowo w 1867 roku, kiedy francuski ogrodnik – Joseph Monier szukał pomysłu na misę, której nie rozsadzałyby korzenie roślin. Hodował palmy ozdobne w dębowych donicach, ale te trzeba było co pewien czas wymieniać na nowe. Najpierw odlał donicę z betonu, ale po pewnym czasie korzenie i tak ją uszkodziły. Wówczas postanowił wykonać mocną klatkę z drutu stalowego i dopiero ją zalał betonem. Kilka lat później patent odkupiła od niego pewna niemiecka firma. W 1879 roku beton zbrojony opatentowano, a w 1887 roku zbudowano pierwszy most łukowy z tego materiału w Muhlhausen w Niemczech i zaporę wodną w okolicach San Francisco. W roku 1903 w Greenburgu w Pensylwanii wzniesiono pierwszy budynek o całkowicie żelbetowej konstrukcji.

Podsumowanie

  • Glina to skała osadowa, będąca podstawowym surowcem przemysłu ceramicznego.
  • Wyroby ceramiczne to produkty otrzymane w wyniku wypalenia odpowiednio uformowanej gliny.
  • Porcelana to rodzaj białej, przeświecającej ceramiki najwyższej jakości. Do jej wyrobu używa się glinki kaolinowej (kaolinu).
  • Cegła to powszechnie stosowany materiał budowlany. Cegła zwykła pełna (tzw. czerwona) powstaje w wyniku suszenia, a następnie wypalania uformowanej masy plastycznej złożonej z gliny, piasku i wody.
  • Zaprawa wapienna (powietrzna) to spoiwo budowlane, w skład którego wchodzą wapno gaszone, piasek i woda.
  • Cement to spoiwo hydrauliczne otrzymane z surowców mineralnych: wapienia, gliny i gipsu krystalicznego.
  • Beton to podstawowy materiał budowlany, powstający w wyniku stwardnienia mieszaniny złożonej z cementu, kruszywa i wody.

Praca domowa

Polecenie 2.3.5.

Problem 1.
W Anglii w 1795 roku wynaleziono specjalny rodzaj porcelany miękkiej, zwanej bone china. Jakie właściwości tej porcelany powodują, że traktuje się ją jak diament wśród produktów porcelanowych? Dlaczego nazywa się ją również porcelaną kostną?
Problem 2.
W kilku zdaniach wyjaśnij, jakie znaczenie ma nanotechnologia w budownictwie?

Słowniczek

Definicja

beton –
materiał budowlany, który powstaje poprzez wymieszanie w odpowiednich proporcjach: cementu, kruszywa i wody

Definicja

cegła –
ceramiczny materiał budowlany otrzymywany z mieszaniny gliny, piasku i wody, poddanej formowaniu, suszeniu i wypaleniu

Definicja

cement –
hydrauliczne spoiwo, które wiąże ze sobą piasek i kruszywa wchodzące w skład mieszanek betonowych lub zapraw murarskich

Definicja

fajans –
tworzywo ceramiczne wytwarzane z zanieczyszczonego kaolinu, charakteryzujące się porowatym czerepem oraz jasnokremową barwą

Definicja

glina –
skała osadowa będąca podstawowym surowcem do produkcji wyrobów ceramicznych

Definicja

kamionka –
tworzywo ceramiczne o dużej twardości i odporności chemicznej, otrzymywane z glin ogniotrwałych

Definicja

kaolin (glinka porcelanowa) –
skała osadowa, której nazwa pochodzi od chińskiej góry Gaoling, skąd rzekomo pierwszy raz ją wydobyto

Definicja

kaolinit –
minerał z gromady krzemianów; składnik kaolinu, powstający w procesie wietrzenia skaleni (glinokrzemianów)

Definicja

kruszywo –
sypki materiał pochodzenia organicznego lub mineralnego stosowany głównie do produkcji zapraw budowlanych i betonów oraz do budowy dróg

Definicja

porcelana –
rodzaj białej, przeświecającej ceramiki wysokiej jakości, wynalezionej w Chinach w VII w.

Definicja

terakota –
wyroby z dobrze oczyszczonej i wypalonej gliny w formie figurek lub płytek

Definicja

wyroby ceramiczne –
wyroby otrzymywane w wyniku wypalenia odpowiednio przygotowanej gliny

Definicja

zaprawa hydrauliczna –
spoiwo budowlane twardniejące pod wpływem wiązania wody, np. zaprawa gipsowa

Definicja

zaprawa powietrzna –
spoiwo budowlane twardniejące na powietrzu, np. zaprawa wapienna

Zadania

Zadanie 2.3.1.

Zadanie 2.3.2.

Zadanie 2.3.3.

Przyjrzyj się poszczególnym zdjęciom i określ, jakie wyroby ceramiczne przedstawiają.

Zadanie 2.3.4.

Zadanie 2.3.5.

Zadanie 2.3.6.

Zadanie 2.3.7.