1. Wymienić i scharakteryzować kolejne etapy produkcji cementu.
Podstawowym półproduktem przemysłu cementowego jest klinkier portlandzki. Surowcami używanymi do produkcji klinkieru są wapień, margle oraz glina. Są to surowce zasobne w CaO, Si02 oraz zawierające znaczne ilości Al203 i Fe203. Mieszanina surowców jest mielona, a następnie wypalana w piecu obrotowym w temperaturze ok. 1450°C.
Proces produkcyjny może być prowadzony dwoma podstawowymi metodami: mokrą i suchą. W pierwszej metodzie surowce wprowadzane są do pieca w postaci szlamu. Zaletą tej metody jest łatwość mieszania i korygowania mieszaniny surowcowej natomiast wadą - duże zużycie energii. Zaletą metody suchej jest niskie zużycie energii, a co za tym idzie wyraźnie niższe koszty produkcji.
Istotną sprawą jest to, że jakość produktu (klinkieru portlandzkiego) nie zależy od stosowanej metody produkcji (sucha, mokra). W jednej i drugiej metodzie uzyskuje się porównywalne parametry jakościowe klinkieru.
Po wypaleniu mieszaniny surowcowej uzyskuje się produkt (klinkier), zawierający cztery podstawowe minerały klinkierowe: Alit - C3S - krzemian trójwapniowy Belit - C2S - krzemian dwuwapniowy C3A - glinian trójwapniowy
Brownmilleryt - CUAF - glinożelazian czterowapniowy
2. Skład chemiczny i mineralogiczny klinkieru cementowego, charakterystyka cementu.
Skład chemiczny klinkieru:
CaO, Si02, AI2O3, Fe203 - czyli powszechnie występujące w przyrodzie. Skład mineralogiczny:
krzemian trójwapniowy Ca3Si05 - tzw. alit (C3S),
krzemian dwuwapniowy Ca2Si04 - tzw. belit (C2S),
glinian trójwapniowy Ca3AI206 - tzw. celit (C3A),
glinożelazian czterowapniowy Ca4AI2Fe2Oio - tzw. braunmilleryt (QAF).
Cement - to hydrauliczne spoiwo mineralne (twardnieje zarówno na powietrzu jak i pod wodą), otrzymywane z surowców mineralnych (margiel lub wapień i glina) wypalonych na klinkier w piecu cementowym, a następnie zmielenie otrzymanego spieku z gipsem, spełniającym rolę regulatora czasu wiązania. Stosowany jest do przygotowywania zapraw cementowych, cementowo-wapiennych i betonów. Wykorzystywany jest do łączenia materiałów budowlanych.
Cement jest to spoiwo hydrauliczne, który po zmieszaniu z wodą daje zaczyn wiążący i twardniejący w wyniku reakcji i procesów hydratacji, który po stwardnieniu pozostaje wytrzymały i trwały także pod wodą.
3. Podział cementów powszechnego użytku.
CEM I Cement portlandzki
CEM II Cement portlandzki wieloskładnikowy
cement portlandzki żużlowy
cement portlandzki krzemionkowy
cement portlandzki pucolanowy
cement portlandzki popiołowy
cement portlandzki łupkowy
cement portlandzki wapienny
cement portlandzki wieloskładnikowy
CEM III Cement hutniczy
CEM IV Cement pucolanowy
CEM V Cement wieloskładnikowy
4. Klasyfikacja betonów.
Podział betonów:
- ze względu na gęstość objętościową (pozorną) p„
Beton lekki p0 < 2000 kg/m2
Beton zwykły p„ a 2000 kg/m2
Beton ciężki p0 > 2600 kg/m2
- ze względu na przeznaczenie konstrukcji Beton konstrukcyjny
Beton konstrukcyjny - izolacyjny Beton izolacyjny Beton architektoniczny
- ze względu na technologiczne warunki pracy Beton hydrotechniczny
Beton żaroodporny Beton wodoszczelny
-ze względu na miejsce urabiania mieszanki Beton wykonywany na placu budowy Beton towarowy
- ze względu na klasy wytrzymałości
7 ze względu na rodzaj użytego kruszywa
- ze względu na rodzaj domieszki
ze względu na główną cechę technologiczną
ze względu na sposób zagęszczenia
ze względu na sposób transportu
ze względu na strukturę
5. Hydratacja cementu - kolejne etapy dojrzewania zaczynu cementowego (rysunki)
Uwodnienie - ogół procesów fizycznych i chemicznych (obejmujący rozpuszczanie, reakcje hydratacji i hydrolizy) przebiegający na skutek łączenia wody z cementem z utworzeniem produktów reakcji. Niezbędna ilość wody do pełnej hydratacji cementu waha się od 20 do 25% jego masy.
Natychmiast po dodaniu wody do cementu i pozostałych składników, mieszanka betonowa zaczyna twardnieć. Wszystkie cementy posiadają właściwości hydrauliczne, co oznacza, że wiążą i twardnieją pod wpływem wody i w wodzie. Dzięki reakcji chemicznej zachodzącej przy udziale wody powstają między innymi z ziaren cementu uwodnione krzemiany i glinokrzemiany wapnia, traktowane ogólnie przez literaturę fachową jako fazy C-S-H, które zapewniają połączenie wszystkich składników. Produktów hydratacji cementu, w zależności od jego rodzaju powstaje znacznie więcej. Niemniej jednak główną fazą modelującą cechy zarówno wytrzymałościowe jak i wpływającą na trwałość betonu jest bezsprzecznie faza C-S-H.
Produkty hydratacji cementu wchodzą w reakcję fizyko-chemiczną z pozostałymi składnikami mieszanki betonowej tworząc zwięzłą całość. Postępujący proces hydratacji cementu jest procesem egzotermicznym - oznacza to iż podczas hydratacji wydzielane jest ciepło. Etapy dojrzewania zaczynu cementowego Na procesy wiązania i twardnienia składają się:
rozpuszczanie się niektórych minerałów w wodzie
reakcja chemiczna minerałów z wodą (hydroliza)
chemiczne połączenie wody przez minerał zwane uwodnieniem lub hydratacją Wyżej wymienione procesy zwane są hydratacją.
Możemy wyróżnić 4 etapy:
etap I - od wymieszania do początku wiązania - wstępne dojrzewanie, pojawia się CSH (żel), Ca(OH)2, przedział indukcyjny pierwsze 10 min
etap II - od początku do końca wiązania cementu, mamy do czynienia ze strukturą glinianową, koniec wiązania - dochodzi do mostkowania -łączą się kryształy etryngitu
etap III - tężenie i nabieranie wytrzymałości mechanicznej
pierwsze gliniany trójwapniowe potem krzemiany trójwapniowe C3S (allit), tworzą się nam żel oraz portlantyd, przy hydratacji allitu kryształów jest więcej nawet o ok. 200%, pojawiają się pory żelowe - pustki wypełnione w procesie hydratacji, zajmują ok. 28% objętości
etap IV - okres po 28 dniach twardnienia - istotną rolę odgrywa tutaj skład cementu Stopnień hydratacji cementu
miarą ilości zhydratyzowanego cementu jest stopień hydratacji cementu h
po 28 dniach H20 wnika do ziaren cementu portlandzkiego na głębokość 4 do 5 mikrometrów, po roku do 8, max po wielu latach do 12
stopień hydratacji osiąga wartość 50 do 60%, a w szczególnych przypadkach do 70% Ciepło hydratacji
zależy od rodzaju cementu
-jego wydzielanie trwa do momentu zakończenia hydratacji cementu
największe znaczenie ma ciepło wydzielane w okresie pierwszych kilku, kilkudziesięciu godzin, wpływa ono bowiem na przyspieszenie procesu wiązania
może być groźne zwłaszcza w konstrukcjach masywnych (jeżeli mamy różnicę temp. to ciało zmienia swoje rozmiary)
proces hydratacji sięga w głąb ziarna cementu tylko do pewnej głębokości
Wpływ wielkości ziaren cementu na procesy hydratacji, stopień hydratacji.
Procesom hydratacji towarzyszy wydzielanie ciepła. Cementy portlandzkie wysokich klas w porównaniu z cementami zawierającymi dodatki, wydzielają znacznie większe ilości ciepła. W przypadku wznoszenia dużych masywów betonowych należy stosować cementy o niskim cieple hydratacji, by nie dopuścić do powstania naprężeń termicznych prowadzących do powstania rys i mikrospękań. W warunkach obniżonej temperatury, zdolność do samonagrzewania betonu jest bardzo pożądana, gdyż prowadzi do znacznego przyspieszenia procesu wzrostu jego wytrzymałości. Natomiast stosowanie cementów o niskim cieple hydratacji w temperaturach poniżej +5°C prowadzi do bardzo wyraźnego spowolnienia procesów hydratacji, a w efekcie do niskiej dynamiki narastania wytrzymałości betonu.
8-Gestość jamistość szczelność - metody badania
gęstość (samych ziaren, z wyłączeniem porów) - około 2500 [kg/m3], nie wykazująca większych różnic dla poszczególnych kruszyw q=m/Va
m-masa suchej sproszkowanej próbki [g] v„ - objętość próbki bez porów [cm3]
2. gęstość objętościowa ziaren, uwzględniająca porowatość ziaren - bardziej zróżnicowana, zależna też od metody wytwarzania kruszywa,
wynosi średnio 850 -1600 [kg/m3]. Ziarna
większe mają z reguły strukturę bardziej porowatą i mniejszą gęstość objętościową niż ziarna drobne q=m/v
m - maso próbki [g] v - objętość próbki [cm3]
3. gęstość objętościowa całego kruszywa, czyli gęstość nasypowa, uwzględniająca porowatość wewnętrzną ziaren oraz
pustki między nimi - jest najbardziej zróżnicowana, zależy od gęstości objętościowej ziaren (frakcji kruszywa), w przybliżeniu
jest równa połowie gęstości objętościowej ziaren.
Szczelność ziarn kruszywa jest to stosunek gęstości objętościowej do ich gęstości. Im mniejsze ziarna tym większa szczelność. S=q0/q
q0- gęstość objętościowa ziarn [g/cm3] -q- gęstość ziarn [g/cm3]
Jamistość jest to procentowa zawartość wolnych przestrzeni między ziarnami kruszywa. Dużą jamistością odznaczają się kruszywa o ziarnach
z grupy III ze względu na ich nieregularną budowę.
J=(l-(qn/q0)*100 [%]
-qn- gęstość nasypowa kruszywo [kg/m3]
-q0- gęstość objętościowa kruszywa [kg/m3]
9.Krzywa uziarnienia
Punkty charakterystyczne:
0,0063mm zawartość pyłów. Pyły mogą być luźle lub oblepiające zaiarna kruszywa grubego (kruszywo zaglinione) albo w postaci grudek gliny. Najgorsze jest kruszywo zaglinione, gdzie pyły ograniczają kontakt cementu z kruszywem, co powoduje spadek wytrzymałości betonu. Grudki gliny działają podobnie jak pęcherze powietrzne. Luźne pyły mogą być korzystne dla betonów z małą ilością cementu.
0,125mm zawartość frakcji najdrobniejszych frakcje te decydują o urabialności mieszanki betonowej. Przy małej ilości frakcji najdrobniejszych zaczyn wycieka z betonu oraz na powierzchniach mogą się tworzyć złuszczenia powierzchni.
-2mm punkt piaskowy. Dla betonów zaleca się PP 33%. Ważna jest stałość uziarnienia kruszywa. Przy dużych wahaniach PP występują duże rozrzuty wytrzymałości betonu (wodożądność piasku) Im grubsze kruszywo tym większy wskaźnik uziarnienia.
10. Różnica między wodożądnością, nasiąkliwością i wilgotnością kruszywa
Wodożgdność kruszywa określa ilość wody jaką należy dodać do lkg suchego kruszywa, aby mieszanka betonowa z tym kruszywem uzyskała założoną konsystencję. Zależy od: kształtu, chropowatości i wielkości ziaren, proporcji w stosie oraz wymaganej konsystencji. Nasiąkliwość to zdolność wchłaniania wody. Określana jest w % masy jako stosunek masy wody, jaką może wchłonąć dane kruszywo, do masy suchego kruszywa.
Wilgotność kruszywa to procentowa zawartość wody w kruszywie.
11. Urabialność a konsystencja mieszanki betonowej. Na co wpływa urabialność mieszanki i jak ją poprawić?
Konsystencja to stan ciekłości świeżo zarobionego zaczynu. Określa się ja jedną z 4 metod:
I stożek opadowy
II Ve-be
III oznaczenia stopnia zagęszczalności
IV stolik rozpływowy
Urabialność to zdolność do wypełniania formy jednolitą mieszanką. Oceniamy ją po:
długości czasu zagęszczania
równej powierzchni
dokładności otulenia zbrojenia. Można ja poprawić poprzez:
zwiększenie ilości zaczynu lub zaczynu,
zmianę kruszywa
dodanie cementu i ziaren do 0,125mm
domieszki i upłynniacze.
12. Ograniczenia metod badania konsystencji mieszanki betonowej.
Stożek opadowy: stosujemy do najpłynniejszych mieszanek, wysokość stożka wynosi 300mm, średnica dolna 200mm, górna lOOmm, jej wyniki bierzemy pod uwagę gdy mieszczą się w przedziale 10-200mm
Vebe: mieszanki mniej płynne, czas rozpłynięcia się mieszanki na drgającym stoliku 5-305, forma jak do stożka opadowego
III Oznaczenia stopnia zagęszczalności: napełniony pojemnik (bez ubijania) zagęszczamy na stoliku wibracyjnym, wynik liczymy ze wzoru:
C=h/(h-s)
h - wysokość początkowa mieszanki w pojemniku s - różnica poziomów wysokości mieszanki wyniki muszą mieścić się w przedziale 1,04 do 1,46
IV Stolik rozpływowy: mieszanki najmniej płynne, pojemnik napełniany w 2 warstwach, po 15 uderzeniach stolika rozpływ w granicach 340-
600mm, mieszanka się nie rozsegregowuje
13. Wytrzymałość średnia, charakterystyczna i gwarantowana - zależności.
Wytrzymałość gwarantowana betonu - wytrzymałość betonu na ściskanie
oznaczona na kostkach sześciennych o krawędzi 15 cm, gwarantowana
przez producenta zgodnie z PN-88/B-06250
Wytrzymałość średnia - średnia arytmetyczna wytrzymałości na ściskanie badanych próbek, (sześciennych o boku 15cm lub walcowych o
średnicy 15cm i wysokości 30cm)
Wytrzymałość charakterystyczna - 5% kwantyl
rozkładu statystycznego wytrzymałości betonu na ściskanie,
oznaczonej na walcach o średnicy 15 cm i wysokości 30 cm
14 Wzór Bolomeya Fereta
fcm=A(C/W-a) po podstawieniu <dla C/W <2,5 fcm=Al(C/W-0,5) <dla C/W>=2,5 fcm=A2(C/W+0,5) fcm- wytrzymałość normowa na ściskanie, czyli po 28 dniach; C/W-współczynnik cementowo wodny; A-współczynnik zależny od wytrzymałości cementu i rodzaju kruszywa; a-współczynnik zależny od jakości cementu.
Wzór jet aktualny tylko dla: *próbek dojrzewających w warunkach laboratoryjnych "betonów nie zawierających dodatków przy C/W=od 1,2 do 3,2. * porowatości mieszanki betonowej przy zagęszczeniu<=2% 'zastosowanego kruszywa skalnego "betonów nie podlegających żadnej dodatkowej obróbce technologicznej. Wzór Fereta(wytrzymałościowy) fc28=A(C/(W+P)-a); P- objętość porów w mieszance betonowej po zagęszczeniu w dm3/m3 mieszanki. Wzór fereta był podstawą do wzoru Bolomeya.
15.OCENA ZGODNOŚCI BETONU: KRYTERIA
badanie techniczne betonu:
-badanie wytrzymałości na ściskanie,
-badanie skurczu,
-badanie modułu sprężystości E,
-badanie pełzania,
-badanie wodoszczelności
-badanie nasiąkliwości
KRYTERIA:
A) wytrzymałość na ściskanie-ocenę zgodności należy przeprowadzić na podstawie wyników badań uzyskanych podczas okresu oceny, który nie powinien przekroczyć ostatnich 12 miesięcy produkcji. Zgodność wytrzymałości betonu na ściskanie ocienia się na próbkach badanych w 28 dniu dojrzewania dla:
zbioru „n" pokrywających się lub nie pokrywających kolejnych wyników badan fcm
każdego pojedynczego wyniku badania fci
b) wytrzymałość na rozciąganie przy rozłupywaniu- gdy wytrzymałość betonu na rozciąganie przy rozłupywaniu jest wyspecyfikowana, ocenę zgodności należy przeprowadzić na podstawie wyników badań uzyskanych w okresie oceny zgodności, którynie powinien przekraczać ostatnich 12 miesięcy.
Zgodność wytrzymałości betonu na rozciąganie przy rozłupywaniu ocenia się na próbkach badanych w 28 dniu dojerzewania chyba ze określono inny wiek badania dla:
-zbioru "n" nie pokrywających się lub pokrywających się kolejnych wyników ftm -każdego pojedynczego wyniku badania fti cjwłaściwości inne niż wytrzymałość:
gdy są wyspecyfikowane inne niż wytrzymałść właściwości betonu, ocenę ich zgodności należy przeprowadzić na podstawie produkcji bieżącej w okresie oceny, który nie powiniene przektoczyc 12 miesięcy Zgodność jest potwierdzona gdy:
-liczba wyników badań spoza określonych wartości granicznych, granic klas lub tolerancji dla złożonej wartości, nie jest większa niż liczba kwalifikująca podana w normie
-wszystkie pojedyncze wyniki badania zawierają się w granicach maksymalnych dopuszczalnych odchyleń podanych w tablicach w normie, 16.
DOMIESZKI CHEMICZNE
Domieszki chemiczne stosuje się w celu polepszenia właściwości mieszanki betonowej i stwardniałego betonu. Substancje te dozowane są w
ilościach nie przekraczających 0,2-5,0% masy cementu.
Istnieje wiele domieszek chemicznych - do najważniejszych należą:
domieszki uplastyczniające,
domieszki napowietrzające,
domieszki przyspieszające lub opóźniające wiązanie i twardnienie,
domieszki uszczelniające. Domieszki uplastyczniające
Działanie domieszek uplastyczniających można porównać z utworzeniem się śliskiej otoczki na ziarnach kruszywa i cementu. Otoczki te, zmniejszając tarcie, ułatwiają przemieszczanie się ziaren powodując w efekcie zwiększenie ciekłości mieszanki betonowej. Zalety stosowania domieszek uplastyczniających:
zwiększenie ciekłości (konsystencja może się zmienić nawet o dwie jednostki)
ograniczenie ilości wody przy stałej konsystencji - obniżenie w/c, czyli zwiększenie wytrzymałości lub zmniejszenie zużycia cementu Domieszki napowietrzające
Wprowadzenie domieszek napowietrzających powoduje zmianę struktury betonu przez co uzyskuje się znaczną poprawę mrozoodporności. W masie betonu powstają równomiernie rozłożone niewielkie pęcherzyki powietrza, które „przerywają" pory kapilarne (patrz struktura zaczynu cementowego). Woda zamarzając w kapilarach zwiększa swoją objętość, a powstający lód zamiast rozsadzać beton wciska się w powstałe pory powietrzne. Domieszki uszczelniające
Domieszki uszczelniające stosuje się w celu poprawy wodoszczelności i zmniejszenia nasiąkliwości betonu. Prowadzi to do znacznego zwiększenia trwałości betonu.
Aby zrozumieć istotę działania domieszek uszczelniających należy pamiętać o istnieniu porów (kapilar)
w zaczynie cementowym (patrz struktura zaczynu). Pory kapilarne tworzą „sieć mikrokanalików", którymi woda lub czynniki agresywne wnikają w beton. Wyższą szczelność betonu wynikającą z działania domieszek chemicznych można uzyskać kilkoma sposobami:
wypełnienie porów przez pyły mineralne,
wprowadzenie substancji reagujących z Ca(OH)2 (produkt hydratacji cementu), w wyniku, którego powstają trudno rozpuszczalne związki chemiczne wypełniające pory,
zmniejszenie zwilżalności - hydrofobizacja - utrudniona penetracja czynników agresywnych,
zmniejszenie ilości wodyzarobowej - korzystne obniżenie wskaźnika w/c.
17.Metody projektowania.
Metody obliczeniowe charatkeryzują się głównie tym ,że oblicza się poszukane niewiadome wrtości C,K,W przez rozwiązanie układu trzech
równań określajacyh właściwości technologiczne betonu.
RÓWNANIE WYTRZYMAŁOŚCI:
fcm=Ai(C/W -+0,5) dla c/w <2,5 to minus >plus
RÓWNANIE SZCZELNOŚCI
C/pc+K/pk+W=1000
RÓWNANIE WODOŻĄDNOŚCI
W=C x wc+P x Wp+k x wk
Betody doświadczalne opierają się głównie na ustaleniu mieszanki na drodze badań laboratoryjnych a) z grupy 3 równań
-metona trzech równań ( B.Bukowski, T. Klucza)
-jednostoponiowego otulenia (W. Paszkowskiego)
-jednostopniowego przepełniena(B. Kopcińskiego)
b)z grupy 4 równań
-punktu piaskowego
-dwustopniowego otulenia
-dustopniowego przepełnienia
c)z grupy doświadczalnej
-znanego zaczynu
-metody iteriacji
-zaczynużądności
d)z grupy szczególnych beton
-z grafików opracowanych przez T. Kluza
z tablic podających przybliżone wartości
PROJEKTOWANIE BETONÓW
a)betony niskiej wytrzymałości:
-wykonane z kruszywa naturalnego o wielkości ziaren do 32 mm,
-stosować tylko cement klasy 32,5
-wysztkie współczynniki i wskaźniki z literatury
-projektować stad metodą doświadczalna
-wykonać z domieszka napowietrzająca
b)betony średniej klasy
-wyk. Z piasku naturalnego i kruszywa grubego -cement klasy 32,5 i 42,5
-skład projektować o przyjęty z góry wskaźnik C/W -wykonywać z domieszka upłynniająca -składniki dozować wagowo c)betony wysokiej klasy
-wyk. Tylko z kruszywa łamanego klasy 50 z ziarnami do 16 mm i piaskem -wyk tylko z domieszkami uplunniającymi -projektować skład z góry ustalona ilością cementu,
18. WYJAŚNIĆ RÓWNANIA PROJEKTOWANA BETONÓW
1. równanie bolonney'a fcm=Ai(C/W-+0,5) 2 równianie ciekłości W=C x wc+K x wk 3. równanie szczelości C/pc+K/pk + W = 1000