15. BADANIA CECH TECHNICZNYCH CEMENTU

15.1. Wprowadzenie

Ze względu na różnorodność zastosowań, cementom stawia się wiele wymagań. Dotyczą one wytrzymałości i tempa jej narastania, czasu wiązania, ciepła hydratacji, zmian objętości, skurczu, odporności na działanie agresywnych, środowisk siarczanowych, a także ograniczonej zawartości alkaliów, które przy pewnych uwarunkowaniach mogą być przyczyną destrukcji betonów czy zapraw cementowych.

Dla spełnienia tych wymagań sprecyzowane są normowe metody badań, obejmujące obok badań chemicznych cementu (wg EN 196-2 „Analiza chemiczna cementu" oraz EN-196-21 „Oznaczanie zawartości chlorków, dwutlenku węgla i alkaliów w cemencie"), badania podstawowych cech technicznych, takich jak: wytrzymałość (PN-EN 196-1), czas wiązania, stałość objętości, (PN-EN 196-3), stopień zmielenia (PN-EN 196-6).

15.2. Zasady wykonywania badań cech technicznych cementów

Zasady wykonywania badań cech technicznych cementów przedstawiono w tabl. 15.1.

Tablica 15.1

Zasady badań cech technicznych cementów

Rodzaj badania

Zasada metody. Uwagi dodatkowe

Oznaczanie wytrzymałości (PN-EN 196-1) Wykonywane na zajeciach

Metoda dotyczy oznaczania wytrzymałości na ściskanie (i jeśli konieczne, wytrzymałości na zginanie) próbek w kształcie prostopadłościanów o wymiarach 40 x 40 x 160 mm. Beleczki są wytwarzane z zaprawy o konsystencji plastycznej, zawierającej 1 część masy cementu i 3 części masy piasku normowego, przy stosunku wodno-cementowym 0,50. Do badań wytrzymałości ^,­można stosować piasek normowy z różnych źródeł i krajów pod warunkiem, że uzyskane wartości wytrzymałości cementu nie różnią znacząco od wartości, jakie uzyskuje się stosując piasek wzorcowy CEN

Tablica 15.1, cd.

Rodzaj badania	Zasada metody. Uwagi dodatkowe
Oznaczanie wytrzymałości (PN-EN 196-1)	Zaprawa jest mieszana mechanicznie i zagęszczana w formie za pomocą znormalizowanej wstrząsarki. Inne aparaty zagęszczające oraz techniki zagęszczania mogą być stosowane pod warunkiem, że uzyskane wartości wytrzymałości cementu nie różnią się znacząco od wartości, jaką uzyskuje się stosując wstrząsarkę normową. Beleczki w formach są przechowywane przez 24 godz. w wilgotnym powietrzu, a następnie po rozformowaniu aż do chwili badań wytrzy­małości są przechowywane w wodzie. Metoda stosowana jest do określenia wczesnej wytrzymałości na ścis­kanie - po 2 i 7 dniach oraz wytrzymałości normowej po 28 dniach sezonowania próbek
Oznaczanie konsystencji normowej (PN-EN 196-3: 1995) Wykonywane na zajeciach	Zaczyn cementowy o konsystencji normowej wykazuje określony opór przy zanurzaniu się znormalizowanego bolca aparatu Vicata. Określenie ilości wody wymaganej do uzyskania konsystencji normowej następuje na podstawie wielokrotnych prób zanurzania bolca w zaczynach cementowych o różnej zawartości wody. Opis badania podano w p. 15.3
Oznaczanie czasu wiązania (PN-EN 196-3: 1996)	Jako czas wiązania przyjmuje się okres, po którym igła zanurza się do określonej głębokości w zaczynie cementowym o konsystencji normowej. Czas wiązania określa się dwoma pojęciami: początkiem i końcem wiązania. Za początek wiązania (w minutach) uważa się czas, jaki upływa od momentu wymieszania cementu z wodą do chwili, gdy igła zanurza się w odległości 4± 1 mm od płytki szklanej, na której ustawiony jest pierścień z badanym zaczynem. Koniec wią­zania określa się na próbkach wykorzystywanych do oznaczania po­czątku wiązania, przy czym pierścień Vicata obraca się tak, aby oznaczenie końca wiązania mogło być przeprowadzone na powierzch­ni uprzednio przylegającej do płytki szklanej. Do określania końca wiązania stosuje się inną igłę niż przy oznaczaniu początku wiązania (wyposażona w pierścieniową nasadkę). Za koniec wiązania przyjmu­je się czas, jaki upłynął między wsypaniem cementu do wody a mo­mentem, gdy igła zanurza się tylko na głębokość 0,5 mm w twardnie­jącym zaczynie
Oznaczanie stałości objętości (PN-EN 196-3: 1996)	Stałość objętości oznacza się mierząc zmianę objętości zaczynu ce­mentowego o konsystencji normowej, wykazywaną przez zmianę odległości między dwiema igłami pierścienia Le'Chateliera (rys. 15.1). Badanie to dopuszcza takie zmiany objętości, wywołane głównie tzw. „martwo palonym" tlenkiem wapniowym i/lub tlenkiem magnezo­wym, które nie powodują szkodliwych naprężeń w tworzywie cemen­towym. W normowym oznaczaniu stałości objętości stwarzane są warunki pozwalające na przyspieszenie uwodnienia wyżej wspomnia­nych tlenków.

Tablica 15.1, cd.

Rodzaj badania

Zasada metody. Uwagi dodatkowe

Oznaczanie stałości objętości (PN-EN 196-3: 1996)

Badanie przeprowadza się równocześnie na dwóch płytkach wykona­nych z tego samego zaczynu cementowego. Pierścień wypełniony zaczynem o konsystencji normowej przechowuje się przez 24±0,5 godz. w temp. 20± 1°C i wilgotności względnej powietrza minimum 98%. Po tym czasie mierzy się odległości między końcami igieł z dokładnością do 0,5 mm. Następnie pierścień ogrzewa się w łaźni wodnej przez 30±5 minut do temperatury wrzenia wody i utrzymuje tę temperaturę przez 3 godz.±5 minut. Po tym czasie pierścień chłodzi się do temp. 20±2°C i mierzy odległość między igłami. Za wynik przyjmuje się średnią arytmetyczną z różnic pomiarów po i przed gotowaniem

Wymiary w milimetrach

Rys. …. Pierścień Le'Chateliera; 1 - szczelina, 2 - płytka szklana

Oznaczanie wytrzymałości cementu.

1. Wykonanie i przechowywanie próbek

2. Badanie wytrzymałości na zginanie(aparat Michaelisa)

3. Badanie wytrzymałości na ściskanie (prasa).

Ad.1

• Sprzęt potrzebny do badań:

• mieszarka do zapraw

• forma trójdzielna do beleczek (4x4x16cm)

• wstrząsarka laboratoryjna

• wanna z pokrywą i rusztem (z wodą)

Sporządzenie zaprawy normowej (450g cementu, 1350g piasku normowego, 225g wody)

Badanie plastyczności zaprawy

Wykonanie beleczek.

Przechowywanie form z beleczkami trwa 24godz. Po rozformowaniu beleczki należy opisać i przechowywać w aż do terminu badania, zanurzone w wodzie. Termin badania 2,7,28,90 dni przyjmuje się w zależności od przeznaczenia cementu.

Ad.2

Wytrzymałość na zginanie bada się za pomocą aparatu Michaelisa. Zasada działania aparatu polega na obciążeniu beleczki (4x4x16cm) siłą skupioną, przyłożoną w środku rozpiętości beleczki. Siła ta wywołana jest przez śrut , sypiący się ze zbiornika do naczynia wiszącego na ramieniu dźwigni. Przekładnie dźwigni 1/5 i 1/10 zamieniają ciężar naczynia ze śrutem (P) na siłę łamiącą beleczkę (P').

Badanie polega na wyjęciu beleczek z wody, powierzchniowym osuszeniu, umieszczeniu na podporach aparatu, zawieszeniu naczynia na ramieniu dzwigni i otwarciu dopływu śrutu. Równomierny strumień śrutu obciąża stopniowo beleczkę, aż do jej złamania. Z chwilą złamania beleczki naczynie ze śrutem (o łącznej masie P) spada i zamyka dalszy dopływ śrutu.

P^'

3 10 3

8 8

Schemat obciążenia beleczki.

Wytrzymałość na zginanie oblicza się ze wzoru: R_zg=1,17 *P'

(P'- ciężar naczynia ze śrutem w [kg])

Ad.3

Badanie wytrzymałości na ściskanie wykonuje się na prasie hydraulicznej na połówkach beleczek złamanych wcześniej w aparacie Michaelisa. Podczas badania połówkę beleczki umieszcza się na płytce dociskowej (4x6,5cm) i obciąża siłą ściskającą P aż do zniszczenia próbki,

Wynik oblicza się jako iloraz siły niszczącej próbkę (P) z manometru prasy (kN) i powierzchni próbki F=0,0025m²

R_c = P/ F [MPa]

Zarówno wytrzymałość na zginanie jak i na ściskanie można badać, w zależności od potrzeb, w następujących terminach: 2, (7) i 28 dniach. 28-dniowa wytrzymałość na ściskanie pozwala przypisać badanemu cementowi jego podstawową cechę : klasę cementu

Oznaczanie normalnej (normowej) konsystencji i czasu wiązania.

Badanie warunków wiązania cementu składa się z dwóch części: wstępnej, w której metodą prób określa się skład zaczynu normowego, oraz zasadniczej, w której określa się początek i koniec wiązania cementu,

Sprzęt wykorzystywany w obu częściach to; mieszarka, waga, aparat Vicata wraz z płytką szklaną i ebonitowym pierścieniem o wysokości 40mm.

Aparat Vicata składa się z podstawy i ruchomego trzonu wraz ze wskazówką dającą odczyt na skali .

W dolnej części trzonu umocowuje się wymienną końcówkę w postaci stalowej igły lub bolca o takiej samej długości co igła. Ponieważ masa części ruchomej aparatu (trzon+wymienna końcówka) ma być stała, w przypadku stosowania igły w górnej części trzonu należy umieścić dodatkowy ciężarek. Przed przystąpieniem do badania należy aparat wyzerować poprzez doprowadzenie trzonu z bolcem do zetknięcia się z powierzchnią szklanej płytki i ustawienie wskazówki w poz. „0”.

Rys. 15.2. Aparat Vicata do oznaczania konsystencji normowej i czasu wiązania cementu: a) widok z boku z pierścieniem Vicata w pozycji prostej do oznaczania początku wiązania, b) widok z przodu z pierścieniem Vicata w pozycji odwróconej do oznaczania końca wiązania, c) bolec do badania konsystencji normowej, d) igła do oznaczania początku wiązania, e) igła z nasadką do oznaczania końca wiązania; 1 - pierścień ebonitowy, 2 - płytka jako dodatkowy ciężar, 3 - płytka szklana, 4 - szczelina powietrzna. Wymiary w milimetrach.

Uwaga: Podane wymiary powinny być przestrzegane. Jeśli bolec i igła wraz z nasadką i bez niej mają stałe jednakową masę, np. 9±0,5 g, wówczas jest potrzebna tylko jedna dodatkowa masa do każdego aparatu Vicata

15.3. Opis szczegółowy badania konsystencji normowej

15.3.1. Aparatura

Aparat Vicata

Stosowany jest aparat igłowy Vicata (rys. 15.2) z bolcem wykonanym z nierdzewnego metalu i mającym kształt prostego walca o długości roboczej 50± 1 mm i średnicy 10,00±0,05 mm. Całkowita masa ruchomych części przyrządu powinna wynosić 300±1 g; części te powinny się poruszać pionowo bez większego tarcia. Ich oś powinna być zgodna z osią bolca.

Pierścień (rys. 15.2a), w którym bada się zaczyn cementowy, powinien by. wykonany z ebonitu. Powinien mieć kształt stożka o głębokości 40,0±0,2 mr oraz wewnętrznej średnicy górnej 70±5 mm i dolnej 80±5 mm. Powinien i być dostatecznie sztywny i wyposażony w płaską płytkę szklaną, służącą jako denko, większą od niego i o grubości co najmniej 2,5 mm.

Mieszarka normowa wg PN-EN 96-1

Mieszarka składa się z:

• misy z nierdzewnej stali o pojemności około 5 l o kształcie i wymiarach przedstawionych na rys. 15.3; misa powinna być wyposażona w urządzenie, za pomocą którego, przed mieszaniem, przymocowuje się ją sztywno do stojaka mieszarki, dzięki temu urządzeniu można dokładnie ustalić i ustabilizować wysokość misy w stosunku do mieszadła, a także odległość między mieszadłem a ściankami misy;

Rys. 15.3. Misa i mieszadło; wymiary w milimetrach

• mieszadła z nierdzewnej stali, o przybliżonym kształcie, wymiarach i toleran­cjach, jak to pokazano na rys. 15.3, obracającego się wokół własnej osi i po­ruszanego silnikiem elektrycznym z ustaloną prędkością ruchem planetarnym dookoła osi misy. Kierunki obu obrotów powinny być przeciwne, a stosunek między liczbami obrotów nie powinien stanowić całkowitej wielokrotności.

Prędkości mieszarki podano w tabl. 15.2.

Tablica 15.2

Liczby obrotów mieszadła

	Ruch obrotowy [min^-1]	Ruch planetarny [min^-1]
Mała prędkość	140 ± 5	62 ± 5
Duża prędkość	285 ± 10	125 ± 10

15.3.2. Wykonanie badania

Przygotowanie zaczynu cementowego

Należy odważyć 500±1 g cementu. Określoną ilość wody, np. 125 g, należy albo odważyć w misce mieszarki, albo wlewać ją z cylindra pomiarowego. Cement należy ostrożnie wsypywać do wody, aby uniknąć strat wody lub cementu. Czas wsypywania cementu powinien wynosić co najmniej 5 s i nie może przekroczyć 10 s. Moment po zakończeniu wsypywania cementu służy w późniejszych pomiarach jako punkt zerowy (czas zerowy). Następnie należy uruchomić mieszarkę na wolnych obrotach na 90 s. Po 90 s mieszarkę zatrzymać na 15 s. W tym czasie zaczyn cementowy, przyczepiony do bocznych ścianek miski mieszarki zdjąć odpowiednią łopatką i dodać do zarobu. Na koniec ponownie uruchomić mieszarkę na niskich obrotach na dalsze 90 s. Całkowity czas mieszania wynosi 3 min. Inne metody mieszania zaczynu ce­mentowego (mechaniczne lub ręczne) mogą być stosowane pod warunkiem, że dadzą takie same wyniki badań, jak opisana wyżej metoda mieszania.

Napełnianie pierścienia

Wymieszany zaczyn cementowy należy natychmiast i bez nadmiernego zagęszczania i wstrząsania wlać z pewnym nadmiarem do pierścienia Vicata, który uprzednio został umieszczony na lekko natłuszczonej płytce szklanej. Nadmiar zaczynu ścina się ostrożnie ruchem posuwisto-zwrotnym za pomocą prostokątnego narzędzia z górnej powierzchni pierścienia w taki sposób, aby zaczyn cementowy w pierścieniu miał gładką powierzchnię.

Próby zanurzania bolca

Aparat Vicata wraz z bolcem (rys. 15.2c) należy wyregulować przed badaniem; w tym celu należy bolec umieścić na leżącej płytce szklanej i ustawić wskazówkę w punkcie zerowym skali. Następnie bolec podnieść do pozycji wyjściowej. Pierścień Vicata i płytkę szklaną trzeba natychmiast po wyrównaniu powierzchni zaczynu cementowego ustawić współśrodkowo pod bolcem. aparatu Vicata. Aby uniknąć dodatkowego przyspieszenia ruchomych części, powinien on pozostać w tym położeniu 1÷2 s. Następnie należy szybko zwol­nić ruchome części, tak aby bolec zanurzał się pionowo w środku zaczynu cementowego. Próbę zanurzenia bolca należy przeprowadzić po 4 min od za­kończenia wsypywania cementu do mieszarki (czas zerowy). Na skali odczytać głębokość zanurzenia w momencie, kiedy bolec przestanie się zagłębiać w zaczynie cementowym (najpóźniej po 30 s). Odczytaną wartość pomiarową stanowiącą odległość między dolnym końcem bolca i płytką szklaną oraz zawartość wody w zaczynie cementowym, wyrażoną w procentach w odniesieniu do masy cementu, podać w sprawozdaniu z badań. Po każdej próbie zanurzenia bolec trzeba natychmiast oczyścić. Badanie zaczynów cementowych, zawierających różne ilości wody należy powtarzać do momentu, aż odstęp między bolcem a płytką szklaną osiągnie 6 ±1 mm. Zawartość wody w takim zaczynie cementowym podana w sprawozdaniu z badań, w zaokrągleniu do 0,5%, stanowi zawartość wody niezbędną do osiągnięcia konsystencji normowej.

Oznaczanie czasu wiązania.

W badaniu tym wymienną końcówką jest igła. W górnej części trzonu należy umieścić dodatkowy ciężarek. Badanie polega na sporządzeniu zaczynu o normalnej konsystencji, tj. o recepturze ustalonej wcześniej metodą prób, a następnie wypełnieniu pierścienia w sposób opisany w poprzednim punkcie. Wypełniony pierścień należy ustawić centrycznie pod igłą aparatu Vicata, doprowadzić do zetknięcia trzonu z igłą z powierzchnią zaczynu, a następnie swobodnie opuścić część ruchomą aparatu w zaczyn.

W celu oznaczenia czasu wiązania igłę należy zanurzać w różnych miejscach zaczynu nie rzadziej niż co 10 minut w odległościach między zagłębieniami igły min. 1cm . Początkowo igła, o przekroju poprzecznym znacznie mniejszym niż bolec, będzie dochodzić do poziomu szklanej płytki, później - w miarę upływu czasu - będzie zatrzymywać się coraz wyżej nad płytką.

Czas zerowy- wsypanie cementu do wody

Za początek wiązania przyjmuje się czas po którym igła zanurzana w zaczyn zatrzyma się 3÷5 mm nad powierzchnią szklanej płytki.

Za koniec wiązania przyjmuje się czas, po którym igła zanurzy się w zaczyn na głębokość nie większą niż 0,5mm.

Przykład:

Jeśli zaczyn sporządzono o godz. 10:00 (wsypanie cementu do wody), początek wiązania stwierdzono o godz. 13:10, a koniec wiązania o 19:40, to początek wiązania badanego cementu nastąpił po 3 godz i 10 minutach., koniec wiązania po 9 godz. i 40 min. Wynik ten należy odnieść do wymagań normowych właściwych badanemu cementowi.

---