POLITECHNIKA WARSZAWSKA Wydział Inżynierii Lądowej

S P R A W O Z D A N I E Z ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH Z PRZEDMIOTU: CHEMIA BUDOWLANA

Imię i Nazwisko		Data wykonania ćwiczenia:	20.11.2004
		Nr ćwiczenia:	7.1
		Temat ćwiczenia:
Rok studiów:	I
Semestr:	I	Komputerowa symulacja hydratacji cementu
Grupa:	6
Zespół:	5
Data:		Ocena:

Uwagi prowadzącego ćwiczenie:

SPRAWOZDANIE Z PRZEPROWADZENIA ĆWICZENIA NR 7.1

1. TEMAT ĆWICZENIA

Komputerowa symulacja hydratacji cementu

2. CEL ĆWICZENIA

Celem ćwiczenia jest komputerowa symulacja i analiza zmian mikrostruktury podczas hydratacji cementu przebiegającej w zaczynie cementowym z uwzględnieniem różnych czynników wpływających na przebieg tego procesu.

3. PODSTAWY TEORETYCZNE ĆWICZENIA

Cement portlandzki należy do najczęściej stosowanych mineralnych spoiw hydraulicznych. Podstawowymi surowcami stosowanymi do produkcji cementu portlandzkiego są wapienie i glinu lub margle. Poddaje się je wspólnemu wypalaniu z dodatkiem rudy żelaza. W wyniku wypalania otrzymuje się półprodukt, tzw. klinkier cementu portlandzkiego. Następnie klinkier poddaje sięmieleniu i dodaje się 3-5% gipsu dwuwodnego, który jest regulatorem, opóźniającym wiązanie. Klinkier w zależności od użytych surowców ma różny skład chemiczny.

Skład chemiczny cementu podaje się w przeliczeniu na tlenki. Nie one są jednak lecz bardziej złożone związki chemiczne - krzemiany, gliniany i glinokrzemiany.

Główne składniki cementu portlandzkiego (skład mineralogiczny):

• alit- 3CaO^.SiO₂ krzemian trójwapniowy (C₃S)........................................ 30-65%

• belit - 2CaO^.SiO₂ krzemian dwuwapniowy (C₂S)................................... 15-45%

• 2CaO^.Al₂O₃ glinian trójwapniowy (C₃A).................................................. 5-15%

• braunmileryt 4CaO^.Al₂O₃^.Fe₂O₃ glinożelazian czterowapniowy (C₄AF). 5-15%

• gips surowy 2CaSO₄^.2H₂O siarczan wapniowy dwuwodny (CSH₂)...... 2-5%

Zaczyn cementowy powstaje przez zmieszanie cementu z wodą. W technologii cementu hydratacja cementu jest rozumiana jako zbiór reakcji chemicznych i procesów fizycznych zachodzących po zmieszaniu cementu z wodą. W początkowej fazie zaczyn cementowy tworzy układ będący zawiesiną ziaren cementu w wodzie zarobowej. Następnie składniki cementu zawarte w zaczynie zaczynają reagować z wodą. Poszczególne składniki cementu reagują z wodą z różną szybkością. Najszybciej ulega hydratacji glinian trójwapniowy C₃A, początek jego reakcji jest niemal natychmiastowy. Aby opóźnić jego reakcję do cementu dodawany jest gips dwuwodny, który opóźnia zarówno początek jak i koniec wiązania. Drugim co do szybkości skaldnikiem cementu jest krzemian dwuwapniowy C₃S (alit). Im więcej w cemencie jest alitu i glinianu trójwapniowego, tym proces wiązania jest szybszy.

Niekorzystną dla procesu wiązania jest obecność półhydratów które są przyczyną tzw. fałszywego wiązania.

Dla przyspieszenia wiązania zaczynu cementowego stosuje się naparzanie, czyli obróbkę cieplną betonu w temperaturze do 100^oC w parze wodnej pod ciśnieniem atmosferycznym, lub w temperaturze 150-200 ^oC przy podwyższonym ciśnieniu (tzw. autoklaawizacja). Naparzanie stosuje się przy produkcji wielkowymiarowych prefabrykatów betonowych.

Przedmiotem ćwiczenia będzie obserwacja zjawiska transportu masy i kształtowania powierzchni międzyfazowych między powstającymi produktami przebiegających reakcji, porów oraz „efektu ściany” i „efektu jednostronnego wzrostu”,

4. OPIS STANOWISKA

Ćwiczenie przeprowadza się na komputerze posługując się programem komputerowym symulującym proces hydratacji cementu opracowanym w 1993 r. w Państwowym Instytucie Standaryzacji i Technologii (NIST) w USA w Gaithersburgu

5. PRZEBIEG WYKONYWANYCH CZYNNOŚCI

Ćwiczenie podzielone jest na dwie części. Podczas prowadzenia symulacji należy wykonywać polecenia podawane przez komputer

1. Część 1.:Hydratacja zaczynu cementowego bez dodatków

1. Uruchomiono program komputerowy

2. z menu głównego wybrano kruszywo obojętne o połówkowej grubości kruszywa 10

3. wprowadzono liczbę ziaren cementu = 172, o średnicy 11

4. nastąpiło losowe rozmieszczenie elementów mikrostruktury w obszarze symulacji

5. z tablicy zawierającej dane o zawartości poszczególnych faz odczytujemy wyniki:

woda: 19316

C₃S: 16684

kruszywo: 4000

6. obliczamy na podstawie danych z pkt. 5.1.5 stosunek wodno-cementowy (w/c) w wyjściowym zaczynie wg wzoru:

w	=	Liczba jednostek powierzchni fazy porowej
c			3,2 ^. liczba jednostek powierzchni fazy C3S

Stąd:

w	=	19316	= 0,3617 ~ 0,36
c				3,2 . 16684

7. wybrano opcję 1 - symulacja będzie przebiegać do osiągnięcia zadanego stopnia zhydratyzowania

8. wybrano maksymalny stopień hydratacji = 0,7

9. wybrano liczbę kroków hydratacji = 5000

10. wybrano współczynnik wyrażający prawdopodobieństwo powstania w danej objętości zarodka krystalizacji wodorotlenku wapniowego = 0,9

11. wybrano skalę procesu = 10000

12. uruchomiono symulację

13. po zakończeniu symulacji na ekranie pojawia się wykres zależności pomiędzy odległością od ziaren kruszywa i porowatości


Odczytano wartość porowatości w matrycy:

• średnia wartość porowatości = 45

• porowatość przy ściance kruszywa = 140

1. Część 2.: Hydratacja zaczynu cementowego z dodatkami mineralnymi

5.2.1 Ponownie ruchomiono program komputerowy

5.2.2 z menu głównego wybrano kruszywo obojętne o połówkowej grubości kruszywa 10

1. wprowadzono liczbę ziaren cementu = 172, o średnicy 11

2. wprowadzono dodatek reaktywny o współczynniku puculanowości = 1400

3. nastąpiło losowe rozmieszczenie elementów mikrostruktury w obszarze symulacji

4. z tablicy zawierającej dane o zawartości poszczególnych faz odczytujemy wyniki:

woda: .............................. 19316

C₃S: ................................. 16684

dodatek puculanowy: ....... 1400

kruszywo: ......................... 4000

5. obliczamy na podstawie danych z pkt. 5.2.5 stosunek wody do kruszywa (w/s) w wyjściowym zaczynie wg wzoru:

w	=	Liczba jednostek powierzchni fazy porowej
s			3,2 ^. liczba jedn. pow. Fazy C3S + 2,2 ^. liczba jedn. pow. dodatku puc.

Stąd:

w	=	17916	= 0,3173 ~ 0,32
s				3,2 ^. 16684 + 2,2 ^. 1400

6. wybrano opcję 1 - symulacja będzie przebiegać do osiągnięcia zadanego stopnia zhydratyzowania

7. wybrano maksymalny stopień hydratacji = 0,7

8. wybrano liczbę kroków hydratacji = 5000

9. wybrano współczynnik wyrażający prawdopodobieństwo powstania w danej objętości zarodka krystalizacji wodorotlenku wapniowego = 0,9

10. wybrano skalę procesu = 10000

11. uruchomiono symulację

12. po zakończeniu symulacji na ekranie pojawia się wykres zależności pomiędzy odległością od ziaren kruszywa i porowatości




Odczytano wartość porowatości w matrycy:

• średnia wartość porowatości = 5

• porowatość przy ściance kruszywa = 20

6. KOŃCOWE WYNIKI POMIARÓW

W trakcie doświadczenia dokonano następujących pomiarów:

1. Stosunek wodno cementowy w/c w zaczynie bez dodatku........... = 0,36

2. Stosunek wody do spoiwa w/s w zaczynie z dodatkiem .............. = 0,32

3. Porowatość przy ściance kruszywa w zaczynie bez domieszki.... =140

4. Średnia porowatość w zaczynie bez dodatku...................... ......... = 45

5. Porowatość przy ściance kruszywa w zaczynie bez domieszki.... = 20

6. Średnia porowatość w zaczynie z dodatkiem...................... ......... = 5

7. KOŃCOWE WYNIKI ĆWICZENIA

Celem ćwiczenia jest komputerowa symulacja i analiza zmian mikrostruktury podczas hydratacji cementu przebiegającej w zaczynie cementowym z uwzględnieniem różnych czynników wpływających na przebieg tego procesu.

Po wykonaniu doświadczenia i dokonaniu pomiarów i obliczeń stwierdzono, że:

Zarówno średnia porowatość jak i porowatość przy ściance kruszywa w zaczynie cementowym bez dodatku i w zaczynie cementowym z dodatkiem puculanowym znacząco się różnią

Porowatość przy ściance kruszywa w zaczynie bez domieszki.... =140

Średnia porowatość w zaczynie bez dodatku...................... .........= 45

Porowatość przy ściance kruszywa w zaczynie bez domieszki.... = 20

Średnia porowatość w zaczynie z dodatkiem...................... .........= 5

8. WNIOSKI

Po zakończeniu doświadczenia i obliczeń stwierdzono, że Zarówno średnia porowatość jak i porowatość przy ściance kruszywa w zaczynie cementowym bez dodatku i w zaczynie cementowym z dodatkiem puculanowym znacząco się różnią

Dodatek puculanowy powoduje znaczne zmniejszenie zarówno średniej porowatości z 45 na 5, oraz porowatości przy ściance kruszywa ze 140 do 20.

Podstawową wielkością podlegającą pomiarowi jest porowatość modelu. Stanowi ona parametr decydujący bezpośrednio o szczelności betonu, a co za tym idzie o jego jakości. Właściwości puculanowe dodatku jest to zdolność do reakcji dodatku z Ca(OH)₂ i do wiązania hydraulicznego. Po przeprowadzeniu symulacji wiązania zaczynu cementowego stwierdzono, że w zaczyn bez dodatku jest znacznie więcej cząstek Ca(OH)2 niż w zaczynie z dodatkiem, świadczy to o tym, że dodatek ma właściwości puculanowe.

Podczas symulacji przeanalizowano „efekt ściany” i „efekt jednostronnego wzrostu”.

„Efekt ściany” polega na blokowaniu upakowania ziaren cementu przez powierzchnię kruszywa, co powoduje, że w pobliżu ziarna powstaje strefa o podwyższonej porowatości i obniżonej zawartości cementu. W zaczynie bez dodatku „efekt ściany” wartości porowatości średniej jak i porowatości przy ściance kruszywa jest znacznie większy niż w zaczynie z dodatkami, odpowiednio 140 i 20. W obu zaczynach występuje „efekt ściany” lecz w zaczynie bez dodatków różnica między porowatością przy ściance kruszywa, a średnią porowatością wynosi: 140-45 = 95, zaś w zaczynie z dodatkiem puculanowym wynosi 20-5 = 15.

„Efekt jednostronnego wzrostu” zachodzi w czasie wiązania zaczynu i jest spowodowany obecnością ziaren kruszywa, których powierzchnia ogranicza możliwość powiększania się strefy zhydratyzowanej. Tak jak w przypadku „efektu ściany” dodatek puculanowy zmniejsza działanie tego „efektu”

Stosunek wodno-cementowy określa wagowy stosunek wody zarobowej do cementu w ćwiczeniu zarówno dla pierwszego jak i dla drugiego zaczynu jest taki sam i wynosi 0,36. Oznacza to, że na 1 część wody przypada 3,6 części cementu

2. LITERATURA

1. Praca zbiorowa pod redakcją Lecha Czarneckiego „ Ćwiczenia laboratoryjne z chemii budowlanej” Oficyna Wydawnicza PW. Warszawa 2001

2. L. Czarnecki, T.Broniewski, O.Henning. „Chemia w Budownictwie”.Wydawnictwo ARKADY. Warszawa 1996, s. 236-237

Załącznik:

• notatki z przeprowadzenia doświadczenia w laboratorium

9

---