1.Technologia produkcji cementu portlandzkiego - metoda mokra

2.Technologia produkcji cementu portlandzkiego - metoda sucha

2.Domieszki opóźniające wiązanie

4.Domieszki przyspieszające wiązanie i twardnienie

5.Domieszki napowietrzające

6.Właściwości mieszanki betonowej: urabialność, konsystencja, zdolność do zagęszczenia.

7.Cechy techniczne betonu zwykłego

8.Wodożądność składników betonu

9.Proces dojrzewania betonu zwykłego

10.Metody badań konsystencji mieszanki betonowej

11.Zadanie

1. Technologia produkcji cementu portlandzkiego - metoda mokra

Cementy portlandzkie otrzymuje się z naturalnych skał, tj.: wapień, margiel, glina, kreda, ziemia okrzemkowa oraz tufy wulkaniczne, a czasem także piasek kwarcowy. Proces produkcji cementu portlandzkiego obejmuje trzy zasadnicze etapy: przygotowanie surowca, wypalanie (uzyskuje się klinkier portlandzki), mielenie z dodatkiem gipsu (uzyskuje się cement portlandzki). Przygotowane surowców wymaga ich sortowania i rozdrobnienia. Sortowanie polega na odrzuceniu złych partii składników, co ustala się z reguły makroskopowo. Zakłada się, że generalnie surowce przychodzą ze złóż zbadanych pod względem przydatności, a ich zanieczyszczenie pochodzi tylko z przerostów skalnych lub przypadkowych zanieczyszczeń. Rozdrobnienie prowadzi się w trzech etapach: najpierw kruszy się bloki w łamaczach, potem miele się w młynie kulowym i następnie surowiec przesyła się od szlamowania. Kruszeniu w łamaczach i młynach podlegają twarde surowce, np. wapień, natomiast miękkie, np. glina, rozdrabnia się w szlamowniku i następnie przelewa do basenu szlamowania, gdzie po zmieszaniu z dodatkową wodą powstaje zhomogenizowany szlam. Tutaj dokonuje się korekcji składu pod względem chemicznym, stosując odpowiedni dodatki. Zhomogenizowany szlam przechodzi do ukośnie ustawionych pieców obrotowych, gdzie nastepuje wypalanie w temp. do 1450ºC. Temp. uzyskuje się przez wdmuchiwanie płomienia z pyłu węglowego, oleju lub gazu od strony niżej położonego końca pieca. Szlam przesuwając się wzdłuż pieca przechodzi przez strefy o coraz wyższej temp., aż blisko końca pieca osiąga ona żądane 1450ºC. w końcowym odcinku (ok. 10% dł. pieca), następuje chłodzenie do 1200ºC. Przy odpowiednich temp. Zachodzą procesy chemiczne i strukturotwórcze, prowadzące do powstania pożądanych składników mineralnych klinkieru portlandzkiego. Szybkość studzenia, zwłaszcza w ostatniej części pieca, decyduje o ostatecznym stosunku ilościowym poszczególnych materiałów w cemencie. Klinkier musi leżakować tak długo, aż nastąpi w nim zakończenie wszelkiego rodzaju reakcji chemicznych a temp. Obniży się do co najmniej 40ºC. Ostatnia czynność polega na rozdrobnieniu klinkieru z dodatkiem gipsu na cement. Dokonuje się tego w młynach kulowych.

Gips reguluje czas wiązania cementu. Ilość dodawanego gipsu jest mniej więcej proporcjonalna do ilości C3A i miałkości cementu. W miarę wzrostu ilości gipsu opóźnia się początek i wydłuża czas wiązania. Z reguły ilość gipsu wynosi ok. 3% masy cementu.

2. Technologia produkcji cementu portlandzkiego - metoda sucha

Metoda sucha różni się od metody mokrej jedynie sposobem przygotowania surowców. Po wstępnym rozdrobnieniu w łamaczach surowiec przechodzi do suszarni, która w nowoczesnych rozwiązaniach jest jednocześnie młynem obrotowym (młyn susząco-mielący). Tu materiał osusza się do wilgotności około 1-2% i rozdrabnia. Surowce drobne jak np. żużle, dozowane są bezpośrednio do młyna susząco-mielącego w odpowiedniej proporcji w stosunku do pozostałych rozdrobnionych innych surowców. W tym stanie przesyła się materiał do zbiorników korekcyjnych, w których następuje skorygowanie składu i dokładne wymieszanie metoda pneumatyczną. Następnie następuje wypał i leżakowanie jak w metodzie mokrej. W tej metodzie rozdrobniony surowiec wprowadzany jest do pieców wypałowych w stanie suchym jako proszek lub granulki.

3. Domieszki opóźniające wiązanie

Do typowych przypadków, w których stosowanie domieszek opóźniających wiązanie jest celowe należą: betonowanie w wysokiej temp., potrzeba właściwego powiązania ze sobą układanego warstwami betonu, umożliwienie rewibracji, betonowanie dużych masywów (zwolnienie przebiegu zjawisk egzotermicznych wiązania cementu), niedopuszczenie do nieszczelności w miejscach styków roboczych, długo okres transportu mieszanki betonowej, spodziewane dłuższe przerwy w betonowaniu konstrukcji, które maja być monolityczne, usunięcie zaczynu z powierzchni elementu w celu uzyskania specjalnej kruszynowej faktury (grupa betonów architektonicznych).

Działanie domieszek opóźniających wiązanie polega na fizycznym utrudnieniu wiązania cementu lub spowolnieniu tego procesu w wyniku pokrycia ziaren cementu lub tylko szybkowiążącego C3A domieszką lub na skutek rozpuszczenia się jej w wodzie. W zależności od domieszki początek wiązania można opóźnić nawet o 10 godzin, przy czym po 24 godz. beton może być jeszcze bardzo słaby. Beton z domieszka opóźniającą charakteryzuje się niska wytrzymałością końcową niż beton bez domieszki. W celu opóźnienia wiązania można uzyć cukier (1-5dag na 100kg cementu), kwas fosforowy (0,1-1kg na 100kg cementu) lub produkty celowo opracowane, np. krajowe: Retarbet lub Dikszopt.

4. Domieszki przyspieszające wiązanie i twardnienie

Wyróżnia się dwie zasadnicze grupy domieszek przyspieszających wiązanie:

- Grupa I - preparaty wywołujące natychmiastowe wiązanie cementu. Dodatki te poważnie obniżają wytrzymałość betonu i dlatego stosowane są tylko do małych ilości zapraw i betonów przy tamponowaniu rys i otworów w przypadku przeciekania wody. Do tych domieszek zalicza się Hydrofix (preparat firmowy) i szkło wodne (potasowe lub sodowe). Dodatek 5% szkła wodnego w stosunku do masy cementu wywołuje natychmiastowy początek wiązania, a samo wiązanie trwa około 15 min. Zaprawa z taka ilością szkła wodnego ma po 1 dniu dwa razy większą wytrzymałość na ściskanie i na zginanie, a po 28 dniach o 50% mniejszą w stosunku do betonu bez tego dodatku.

- Grupa II - preparaty, które nie wywołują gwałtownych reakcji wiązania, a jedynie skracają go i przyspieszają okres twardnienia. Do domieszek tej grupy stosowanych w Polsce zaliczamy: Rapidbet, Akcelbet, Optibet (zwiększają wytrzymałość betonu w okresie początkowym ale i końcowym, polepszają urabialność betonu oraz chlorek wapniowy.

5. Domieszki napowietrzające

Cząsteczki domieszek napowietrzających charakteryzują się długą nitkową budową o wyraźnym układzie biegunowym. Jeden z końców cząstek jest hydrofobowy i dlatego cząstki domieszki są wypychane z wody i gromadzą się na jej powierzchni, poważnie obniżając napięcie powierzchniowe wody. W czasie mieszania składników betonu wprowadzona domieszka działa spieniająco, tworząc zamknięte pęcherzyki powietrzne o wielkości od 0,2-0,35mm. Pęcherzyki rozkładają się równomiernie w całej objętości zaczynu w mieszance betonowej. Ponadto preparaty te powodują lepszą dyspersję ziaren cementu. W czasie twardnienia betonu pęcherzyki ulegają mineralizacji na swej powierzchni i stają się jak gdyby trwałym składnikiem betonu.

W czasie zagęszczania mieszanki betonowej pęcherzyki działają jak amortyzatory i stąd poważnie polepsza się urabialność i podnosi ciekłość mieszanki przy jednoczesnej poprawie spójności. W stwardniałym betonie pęcherzyki przerywają ciągłość kapilar, co ma ogromne znaczenie dla podwyższenia mrozoodporności betonu. Woda w nasyconym betonie napowietrzonym nie dostaje się do zamkniętych pęcherzyków i dlatego, gdy woda zamarza i zwiększa swoja objętość nie następuje rozsadzanie betonu, gdyż lód wciska się w puste pęcherzyki. Zbytnie zwiększanie ilości powietrza prowadzi do istotnego spadku wytrzymałości. Beton napowietrzony uzyskuje równą, gładką i stosunkowo szczelną powierzchnię w styku z deskowaniem. Dodatek środka napowietrzającego zmienia na tyle konsystencję mieszanki betonowej, że pozwala obniżyć ilość wody zarobowej nawet o 15%.

Do napowietrzania betonów produkowane SA krajowe preparaty: Rokpol, Abiesod, Betoplast, Betostat.

6. Właściwości mieszanki betonowej: urabialność, konsystencja, zdolność do zagęszczenia

Urabialność - wg normy to podatność do dokładnego wypełniania form przy jednoczesnym zachowaniu jednorodności i bez pozostania w niej więcej niż 2% pustek. To normowe określenie dotyczące jednorodności trzeba rozszerzyć na cały okres procesu betonowania, który może trwać nawet powyżej 2 godzin, tj. od urobienia mieszanki do chwili jej zagęszczenia w deskowaniu. Cechę tą ocenia się według efektów, o których świadczą: długość okresu zagęszczania, gładkość uzyskanej powierzchni, dokładność otulenia zbrojenia. Urabialność można modyfikować: konsystencją, ilością zaczynu, ilością zaprawy, kształtem ziaren kruszywa grubego, sumą ilości i innych składników o ziarnach do 0,125mm, stosowaniem plastyfikatora, stosowaniem domieszki napowietrzającej, stosunkiem wody do cementu.

Konsystencja mieszanki - rozumiana jako jej stan ciekłości obrazuje zdolność do odkształceń (rozpływu) pod wpływem obciążenia. W zależności od metody badania, obciążeniem może być ciężar własny mieszanki bądź dodatkowe oddziaływanie zewnętrzne. Konsystencję określa się pięcioma stopniami: S1 wilgotna, S2 gęsto-plastyczna, S3 plastyczna, S4 półciekła, S5 ciekła. Konsystencję betonu bada się czterema metodami: Ve-Be, metoda stożka opadowego, metoda stolika rozpływowego, metoda stopnia zagęszczalności.

Zdolność do zagęszczania - jednym z założeń dotyczących właściwości betonu zwykłego jest jego możliwie największa zawartość, czyli mówiąc inaczej, beton powinien zawierać jak najmniej próżni w swojej strukturze. Aby ten warunek zaistniał, należy dążyć do maksymalnego zagęszczenia mieszanki po ułożeniu jej w deskowaniu. Zagęszczona mieszanka nie powinna zawierać pustek. W rzeczywistości jest to trudne do zrealizowania, zwłaszcza w przypadku mieszanek o konsystencjach mniej ciekłych i dlatego norma dopuszcza 2% pustek w mieszankach, do których nie stosowano domieszek napowietrzających. Powietrze dostaje się do mieszanki w czasie jej urabiania. Pustki tego typu są kuliste bądź nieregularne o wymiarach kilku milimetrów i noszą nazwę pustek powietrznych. Im mieszanka betonowa jest mniej ciekła, tym trudniej jest usunąć z niej wszystkie pustki.

7. Cechy techniczne betonu zwykłego

W tradycyjnym ujęciu podstawowym wyznacznikiem wartości betonu jest jego klasa, określona przez gwarantowaną wytrzymałość betonu na ściskanie. Często projektant określa − obok właściwości mechanicznych betonu − także i zbiór cech fizycznych określanych np. przez szczelność, porowatość, przesiąkliwość, mrozoodporność. Zarówno wymienione cechy mechaniczne, jak i fizyczne, rzutują na wymagania konstrukcyjne odnośnie betonu.

Stwardniały beton, z natury rzeczy, jest materiałem porowatym, przepuszczalnym bądź nieprzepuszczalnym. Pory są wynikiem hydratacji zaczynu cementowego oraz samego procesu produkcyjnego i obróbkowego. Pory żelowe, kapilary, pory powietrzne i mikrorysy wpływają wprost na wytrzymałość betonu.

Wymagania stawiane konstrukcjom betonowym (żelbetowym) takie jak:

− wytrzymałość na ściskanie i rozciąganie,

− trwałość (wyznaczona przez: porowatość, szczelność, odporność na chlorki, siarczki, karbonizację, podatność na skurcz, mrozoodporność), zrealizowane być mogą poprzez właściwe procesy produkcyjne i obróbkowe mieszanki betonowej.

8. Wodożądność składników betonu

Wodożądność jest to ilość wody (w kilogramach wody na kilogram kruszywa), konieczna dla otulenia ziaren kruszywa lub cementu w celu uzyskania odpowiedniej konsystencji (ciekłości) mieszanki betonowej. Wodożądność zależy od:

• uziarnienia kruszywa (frakcje drobne są bardziej wodożądne);

• od konsystencji (dla uzyskania konsystencji bardziej ciekłych potrzeba więcej wody ułatwiającej przesuwanie się ziaren kruszywa względem siebie w mieszance betonowej;

• od gładkości powierzchni ziaren (dla szorstkich kruszyw łamanych wodożądność jest o około 10% większa).

Wskaźniki wodne (wodożądność danej frakcji kruszywa dla określonej konsystencji) są ztablicowane i podawane w podręcznikach technologii betonu. Stosowane są tablice wg Sterna lub wg Bolomeya i przy wyliczaniu wodożądności kruszywa można korzystać z dowolnych tablic pod warunkiem, że wskaźniki wodne dla kruszywa i dla cementu będą przyjęte z tej samej tablicy.

9. Proces dojrzewania betonu zwykłego

Wiązanie cementu polega na hydratacji składników cementu oraz reakcjach wtórnych

zainicjowanych hydratacją.

Etapy wiązania cementu:

- rozpuszczenie w wodzie związków rozpuszczalnych,

- hydratacja składników z utworzeniem pierwotnej fazy w stanie koloidalnym - powstawanie plastycznej masy,

- krystalizacja produktów hydratacji - twardnienie plastycznej masy (wzrost i wzajemne przerastanie kryształów).

10. Metody badań konsystencji mieszanki betonowej

Metoda Ve-Be

Istota badania polega na pomiarze czasu zmiany kształtu próbki mieszanki betonowej, ze stożkowego w walcowy, po poddaniu jej wibracjom. Czas ten, liczony od chwili rozpoczęcia wibracji do chwili ustalenia się poziomu mieszanki w cylindrycznym naczyniu pomiarowym jest wskaźnikiem konsystencji. Etapy badania: Ułożenie mieszanki betonowej w formie stożkowej w trzech warstwach, zagęszczając każdą z nich przez 25 krotne zagłębienie pręta, usunięcie nadmiaru mieszanki, usunięcie formy, oparcie krążka na stożku mieszanki i wibrowanie jej do chwili zetknięcia się całej powierzchni krążka z mieszanka w naczyniu. Czas wibrowania z dokładnością do 1s jest wskaźnikiem konsystencji.

Metoda opadu stożka

Badanie obejmuje następujące czynności: wypełnienie formy mieszanką betonową w trzech warstwach zagęszczając każdą z nich przez 25 krotne zagłębienie pręta, usunięcie nadmiaru mieszanki, podniesienie formy i postawienie tuż obok stożka utworzonego z mieszanki, pomiar różnicy wysokości formy i stożka zwana opadem stożka, wyznaczona z dokładnością do 1cm jest wskaźnikiem konsystencji.

Metoda stolika rozpływowego

Formujemy stożek o wysokości 20cm składający się z 2 warstw mieszanki betonowej - każdą z warstw zagęszczamy przy użyciu drewnianego kołka. Następnie umieszczamy uformowany stożek na stoliku i uderzamy 15 razy stolikiem w odstępach co sekundę, po czym mierzymy średnicę rozpływu mieszanki betonowej, będąca miarą konsystencji.

Metoda stopnia zagęszczenia

Walec o wysokości 40cm wypełniony mieszanką betonową umieszczamy na wytrząsarce i utrząsamy aż objętość zmniejszy się i dalej nie będzie następował jej spadek. Miara konsystencji jest wskaźnik C liczony jako iloraz wysokości walca i różnicy między wysokościami mieszanki betonowej przed i po utrząsaniu.

11. Zadanie

Z krzywych uziarnienia odczytano punkty piaskowe kruszywa drobnego i grubego:

- P_p = 93% (zawartość procentowa ziaren 0 - 2mm z krzywej piaskowej),

- P_ż = 7% (zawartość procentowa ziaren 0 - 2 mm z krzywej żwirowej).

Na podstawie konsystencji mieszanki betonowej (S3), maksymalnej ilości zaprawy charakterystycznej dla kruszywa o maksymalnych ziarnach 31,5mm (
= 550 dm³/m³) oraz wartości wskaźnika cementowo-wodnego (
= 2,125) odczytano z tabeli wartość punktu piaskowego - przyjęto P = 34%

Następnie obliczono wartość parametru:
,

Frakcja kruszywa [mm]	Zawartość procentowa frakcji [%]		Obliczanie składu kruszywa		Zawartość frakcji [%]	Wskaźnik wodny wf	Wskaźnik wodożądności wk [dm^3/kg]
		Kp	Kż	Kż * X				Kp + Kż *X
0 - 0,125	4	1	2,269	6,269	1,91	0,265	0,506
0,125 - 0,25	16	1	2,269	18,269	5,59	0,128	0,716
0,25 - 0,5	31	1	2,269	33,269	10,18	0,088	0,896
0,5 - 1,0	25	2	4,538	29,538	9,04	0,063	0,570
1,0 - 2,0	17	2	4,538	21,538	6,59	0,046	0,303
2,0 - 4,0	3	11	24,959	27,959	8,55	0,035	0,299
4,0 - 8,0	2	29	65,801	67,801	20,74	0,027	0,560
8,0 - 16,0	1	37	83,953	84,953	25,99	0,022	0,572
16,0 - 31,5	1	16	36,304	37,304	11,41	0,018	0,205
	Σ = 100	Σ = 100		Σ = 326,9	Σ = 100		Σ = 4,627
							Σ/100 = 0,046

---