TECHNOLOGIA
BETONU
TECHNOLOGIA
BETONU
LITERATURA:
1.
Jamroży Z.:Beton i jego technologie. PWN. Warszawa
2009
2.
Neville A.M.: Właściwości betonu. Polski Cement.
Kraków 2000
3.
Beton według normy PN EN 206-1. Komentarz. Praca
zbiorowa pod kierunkiem L. Czarneckiego. Kraków 2004
4.
Peukert S.: Cementy powszechnego użytku i
specjalne. Polski Cement, Kraków 2000
5. PN-EN 206-
1:2003 Beton, właściwości, produkcja i
zgodność.
6. PN-EN 197-
cz.1:2002 Cement, skład, wymagania i
kryteria zgodności dotyczące cementów powszechnego
użytku.
7. PN-EN 12620:2002. Kruszywa do betonu.
Podstawowe pojęcia i definicje
Według normy PN-EN 206-1:2003 beton jest materiałem
powstałym ze zmieszania spoiwa, kruszywa drobnego i
grubego, wody i ewentualnych domieszek i dodatków.
C+Kd+Kg+Dm+Dd
SPOIWA
Spoiwa
są to materiały chemicznie aktywne, które po
wymieszaniu z wodą lub utwardzaczem wiążą i twardnieją.
Są to procesy nieodwracalne.
Powietrzne
Mineralne
Hydrauliczne
Spoiwo
Żywiczne
Organiczne
Bitumiczne
Spoiwa mineralne
są to wypalone i sproszkowane
materiały mineralne (wapno, gips, cement), które po
zarobieniu wodą tworzą plastyczną masę, która w wyniku
zachodzących procesów fizyko-chemicznych zaczynają
stopniowo gęstnieć i twardnieć (czemu towarzyszy
stopniowy wzrost wytrzymałości) zmieniajac się w sztuczny
kamień.
Spoiwa powietrzne
wiążą i twardnieją tylko na powietrzu,
nie wiążą i nie twardnieją w wodzie i po stwardnieniu nie są
odporne na działanie wody. Składniki powietrzne spoiwa
(składniki zasadowe) CaO, MgO z wodą tworzą nietrwałe
związki Ca(OH)
2
i Mg(OH)
2
, które reagując z CO
2
z
powietrza tworzą trwałe związki CaCO
3
i MgCO
3
.Spoiwami
powietrznymi są wapno i gips.
Spoiwa hydrauliczne
wiążą i twardnieją na powietrzu i pod
wodą, a po stwardnieniu są odporne na działanie wody.
Spoiwa te zawierają składniki hydrauliczne (kwaśne) SiO
2
,
Al
2
O
3
, Fe
2
O
3
. Skłądniki te nie wiążą samodzielnie, wiążą w
obecności CaO i wody.
Spoiwa organiczne
są to spoiwa niemineralne.
Spoiwa żywiczne to żywice syntetyczne chemoutwardzalne,
np żywice epoksydowe, poliestrowe, fenolowe.
Spoiwa bitumiczne
to materiały asfaltowe lub smołowe. Nie
stosuje się ich do betonów konstrukcyjnych, służą do
wykonywania nawierzchni drogowych i posadzek
przemysłowych.
KRUSZYWA
Kruszywem
(wypełniaczem) nazywamy materiał ziarnisty
pochodzenia naturalnego lub sztucznego.
Wg PN-EN 12620:2001
rozróżnia się kruszywa:
naturalne
(otoczakowe, łamane), które oprócz obróbki
mechanicznej nie zostały poddane żadnej innej obróbce;
sztuczne, pochodzenia mineralnego, produkowane
przemysłowo (zwykle obróbka termiczna). Do tej grupy między
innymi należy: keramzyt, łupkoporyt, glinoporyt, popiołoporyt;
z recyklingu (rozkruszony beton, wyroby ceramiczne).
W zależności od gęstości kruszywa w stanie suchym rozróżnia się
kruszywa:
lekkie
ρ ≤ 2000 kg/
m
3
zwykłe
2000 <ρ ≤ 3000 kg/
m
3
ciężkie
ρ > 3000 kg/
m
3
BETON
W
zależności od gęstości:
lekki
ρ ≤ 2000 kg/m
3
zwykły
2000 <ρ ≤ 2600 kg/m
3
ciężki
ρ > 2600 kg/m
3
W
zależności od wielkości maksymalnego ziarna kruszywa:
C + W
- zaczyn
C + W + Kd
- zaprawa
C + W + Kd + Kg
- mieszanka betonowa, beton
WŁAŚCIWOŚCI SPOIW
1.
SKŁAD CHEMICZNY
RODZAJ SPOIWA
ZAWARTOŚĆ %
CaO
MgO
SiO
Al
2
O
3
Fe
2
O
3
SO
3
WAPNO
POWIETRZNE
80-99
0-5
0-6
0-3
0,5-1
-
WAPNO
HYDRAULICZNE
70-85
0-5
11-16
0-2
0-1
-
GIPS DWUWODNY
26-32
0-2
0-10
0-12
-
37-46
GIPS PÓŁWODNY
38
-
-
-
-
55
CEMENT
PORTLANDZKI
60-68
0,3-5
18-26
4-9
1-6
0,5-3
CEMENT
HUTNICZY
42-52
1-7
26-36
8-16
1-5
1,5-3,7
CEMENT
GLINOWY
30-45
0-1,5
3-15
35-48
2-20
0-1,2
2. WIĄZANIE I TĘŻENIE SPOIW
Wiązanie i twardnienie spoiwa po jego zarobieniu wodą
zachodzi w czterech okresach.
Wiersz 1
Wiersz 2
Wiersz 3
Wiersz 4
0
1
t
Rc
I
II
III
IV
tpw
tkw
28 dni
okres
Okres I
– wstępnego dojrzewania. Składniki spoiwa przechodzą
do wody, np jak w przypadku cementu w wyniku:
- hydratacji
(uwodnienia) przyłączenia przez
składniki cementu wody
- hydrolizy
– rozpad składników cementu na jony.
W technologii betonu te procesy okreslono hydratacją.
Okres II
– wiązanie. W przesyconym roztworze zaczyna się
krystalizacja
– powstają nowe związki, mieszanka
zaczyna tężeć. W chwili tkw jest już ciałem stałym.
Okres tpw
– tkw nazywany jest czasem wiązania.
Okres III
– dalsza krystalizacja i stopniowy wzrost wytrzymałości.
Okres IV
– okres eksploatacji, a sprzyjających warunkach dalszy
wzrost wytrzymałości.
3.
MIAŁKOŚĆ
Miałkość dotyczy spoiw, które po wypaleniu są rozdrabniane
mechanicznie, np cementy.
Miałkość spoiwa określa się:
-
metodą przesiewu
3-200
μm = 0,003-0,2 mm
- aparatem Blaine'a
1500
– 6000 – 9000 cm
2
/g
Miałkość wpływa na wiele właściwości spoiw a przede
wszystkim na ich wytrzymałość. Spoiwa drobniej zmielone o
dużej powierzchni wewnętrznej mają lepszy kontakt z wodą,
szybciej ulegają hydratacji i wykazują większe przyrosty
wytrzymałości w czasie.
4.
KALORYCZNOŚĆ
Hydratacja spoiw jest procesem egzotermicznym
– towarzyszy
jej wydzielanie się ciepła (ciepło hydratacji).
Kaloryczność spoiwa zależy od jego składu chemicznego.
Największe ciepło hydratacji wykazuje CaO – 1170 kJ/kg i MgO –
850 kJ/kg.
Na kaloryczność nie ma wpływu miałkość i temperatura
początkowa spoiwa czy otoczenia. Te czynniki wpływają natomiast
na wzrost temperatury zaczynu, zaprawy czy mieszanki
betonowej.
W warunkach adiabatycznych spoiwo drobne szybciej ulega
hydratacji i wykonane z niego wyroby szybciej się ogrzewają.
a- spoiwo drobnoziarniste
b- spoiwo gruboziarniste
Podwyższone temperatury (spoiwo czy otoczenie)
przyspieszają hydratację cementu.
T [
̊C]
czas
Ta
Tb
a
b
ZNACZENIE KALORYCZNOŚCI W PRAKTYCE
BUDOWLANEJ
POZYTYWNE:
-
wykonywanie i układanie zapraw czy betonów w obniżonych
temperaturach;
- podczas prac remontowych;
NEGATYWNE:
-
przy wykonywaniu elementów o dużych gabarytach. Beton
jest złym przewodnikiem ciepła. W wyniku powstawania
gradientów temperatury (powierzchnia – wnętrze elementu)
może dojść do jego spękania czy zarysowania.
5. ZMIANY OBJĘTOŚCI
-
pęcznienie
zmiany wywołane procesami
chemicznymi,
- kontrakcja
są to zmiany nieodwracalne
- skurcz
zmiany wywołane
- narastanie
procesami
-
odkształcenia termiczne
fizycznymi
PĘCZNIENIE
Niektóre składniki spoiw reagując z innymi składnikami i z wodą
zwiększają swoją objętość. Zjawisko to nie jest niebezpieczne, jeżeli
przebiega jeszcze w plastycznej mieszance. Pęcznienie występujące
w stwardniałym materiale może spowodować jego spękanie czy jego
rozsadzenie.
Składniki spoiw o dużej skłonności do pęcznienie to:
-
wolne wapno CaO (pęcznienie wapniowe) reagując z wodą
przechodzi w Ca(OH)
2
zwiększając swoją objętośćprawie dwukrotnie;
-
tlenek magnezu MgO (pęcznienie magnezowe) podobnie reaguje z
wodą jak CaO, ale znacznie wolniej i wzrost objętości jest mniejszy;
-
siarczan wapniowy (pęcznienie gipsowe). Gips reagując z wapnem i
glinem w obecności wody tworzy etringit
3CaO
·Al
2
O
3
·3CaSO
4
·31H
2
O
Zwiększając swoją objętość nawet o 230%.
KONTRAKCJA
Jest to nieodwracalne zmniejszenie objętości w wyniku
zachodzących reakcji chemicznych. Występuje podczas hydratacji
cementu.
SKURCZ
Skurczem nazywamy zmniejszenie się objętości zaprawy czy
betonu w wyniku ubytku wody spowodowanego procesami
fizycznymi i chemicznymi.
W zależności od przyczyn występowania skurczu rozrużnia się:
- sku
rcz fizyczny powodowany wyparowaniem części wody
zarobowej. Jest to sku
rcz częściowo odwracalny.
-
skurcz chemiczny (kontrakcja) powstaje w wyniku związania
przez składniki cementu pewnej ilości wody. Objętość składników
wyjściowych – składniki cementu i wody, które te składniki wiążą
jest większa od objętości składników po ich uwodnieniu. Np
glinian trójwapniowy po uwodnieniu zmniejsza swoją objetość o
o
koło 24%. Jest to skurcz nieodwracalny.
Skurcz powoduje występowanie naprężeń skurczowych.
Jeżeli te naprężenia osiągną wytrzymałość betonu na
rozciąganie to wystąpią zarysowania lub spękania.
W zależności od czasu w jakim wystąpi skurcz rozróżnia
się:
- skurcz plastyczny
, występujący w czasie wiązania i
pierwszych godzin twardnienia (po około 7-8 godz. po
ułożeniu betonu);
- skurcz efektywny : sumaryczny skurcz fizyczny i
chemiczny określony w umownym okresie czasu;
-
skurcz końcowy – skurcz po 2-3 latach od momentu
ułożenia mieszanki betonowej.
W zależności od rodzaju odkształceń:
- skurcz jednorodny,
zachodzi mniej więcej
równomiernie na całej grubości elementu
- skurcz niejednorodny,
zachodzi na górnej powierzchni
elementu.
Płyta
betonowa
grunt
Płyta
betonowa
grunt
folia
SPOIWA WAPNIOWE
PN-EN 459-1:2003. Wapno budowlane.
Definicja.Wymagania. Kryteria zgodności.
Surowcem do produkcji wapna są wapienie zbudowane głównie z
CaCO
3
(kalcyt). Najczęściej występujące w przyrodzie surowce to:
- wapienie zbite
- kreda
- marmur
-
margle ( mieszanina ziaren kalcytowych i iłowych)
- dolomit (mieszanina CaCO
3
i MgCO
3
)
Surowce zawierają zwykle różnego rodzaju domieszki, a w tym i
składniki hydrauliczne SiO
2
, Al
2
O
3
i Fe
2
O
3
.
W zależności od ilości tych domieszek otrzymuje się :
- wapno powietrzne
- wapno hydrauliczne.
Kryterium podziału jest moduł zasadowy Mz.
CaO
Mz = SiO
2
+ Al
2
O
3
+ Fe
2
O
3
przy Mz = 1,7
– 4,5
w. silnie hydrauliczne
4,9
– 9
w. słabo hydrauliczne
wapno
>9
w. zwykłe
powietrzne
Otrzymywanie wapna
Wapno otrzymuje się w wyniku wypalania surowców w
temperaturze900
– 1100°C w piecach szybowych lub obrotowych
opalanych pierwotnie pyłem węglowym, teraz z reguły gazem lub
paliwem płynnym.
CaCO
3
CaC + CO
2
-1772 kJ/kg
Jest to reakcja endotermiczna, wymaga dostarczenia ciepła.
W wyniku wypalania otrzymuje się wapno palone CaO w bryłach o
średnicy do 18cm.
W zależności od ilości domieszek w surowcach mamy:
94
– 99% CaO – wapno tłuste,
gęstość pozorna 1,3T/m
3
91
– 94% CaO – wapno średniotłuste, gęstość pozorna 1,3T/m
3
85
– 91% CaO – wapno chude,
gęstość pozorna 1,3T/m
3
Wapno palone w bryłach staje się spoiwem po:
-
zmieleniu (średnice poniżej 0,2mm)
-
gaszeniu (lasowaniu), w wyniku kontaktu z wodą bryłki rozpadaja się,
przejście CaO Ca(OH)
2
powoduje wzrost objętości prawie
dwukrotnie.
Lasowanie
zarówno wapna mielonego jak i brył jest reakcją silnie
egzotermiczną.
CaO + H
2
O Ca(OH)
2
+ 1126-1170 kJ/kg
Wiązanie (karbonatyzacja)
W wyniku działania CO
2
z powietrza następuje wiązanie, a potem
twardnienie.
Ca(OH)
2
+ nH
2
O +
CO
2
CaCO
3
+ (n+1)
H
2
O
Proces ten może trwać bardzo długo, nawet kilka lat (np w murze o
grubości 55cm do 3 lat).
Do czasu powstania CaCO
3
zaprawa wiąże w wyniku:
-
zagęszczania koloidalnego Ca(OH)
2
przy wysychaniu
-
wydzielania się z przesyconego roztworu Ca(OH)
2
kryształków
Ca(OH)
2
*2H
2
O, ich powolnego wzrostu i zrastania się – tworzenia się
szkieletu krystalicznego)
RODZAJE WAPNA POWIETRZNEGO:
- wapno hydratyzowane
* mokrogaszone
* suchogaszone
- wapno palone mielone
WAPNO HYDRATYZOWANE
Wapno mokrogszone.
W wyniku gaszenia CaO dużą ilością wody uzyskuje się ciasto
wapienne o różnej konsystencji (zwykle zawierające 50% wody).
Wapno to gaszone jest przez producenta lub na budowie np. W
agregatach JUZ, w których wypalone bryły są mielone i gaszone.
Wapno mokrogaszone wymaga sezonowania, przechowywania
przez pewien okres np. W dole, gdzie traci część wody oraz
ewentualne cząsteczki CaO ulegają lasowaniu. Zalecany okres
sezonowania ti co najmniej 1 tydzień.
Wapno suchogaszone
Uzyskuje się w wyniku gaszenia CaO małą ilością wody. Jest to
suchy proszek. Zaleca się zarabianie tego wapna 24-36 godz.
przed użyciem, ułatwia to wymieszanie z piaskiem i zaprawa jest
bardziej plastyczna.
WAPNO PALONE MIELONE
Powstaje przez mechaniczne zmielenie wapna palonego do takiej
miałkości, żeby pozostałość na sicie 0,085 była mniejsza niż 15%.
Proces gaszenia tego wapna w praktyce przebiega bardzo
szybko, prawie równolegle z wiązaniem. Temperatura bardzo
szybko wzrasta do 80
°C, a niekiedy i więcej. Dlatego też wapno
najpierw miesza się z piaskiem, a dopiero potem miesza z wodą.
Czas wiązania można wydłużyć dodając do niego 5% gipsu i
dłuższe mieszanie.
Zalety wapna palonego mielonego:
-
Nie wymagana jest czynność gaszenia na budowie i
sezonowania;
-
dzięki wysokiemu ciepłu hydratacji wapno to szybko wiąże i
twardnieje
-
można stosować zimą
Wady wapna palonego mielonego:
-
wskutek wchłaniania wilgoci z powietrza po 2-3 tygodniach
traci swoje właściwości;
- szkodliwe dla zdrowia
WAPNO HYDRAULICZNE
Wapno to charakteryzuje się tym, że po początkowym twardnieniuna
powietrzu może dalej twardnieć i pod wodą. Surowcem do wypalania są
wapienie margliste zawierające 6-20% gliniastych oraz wapienie
krzemionkowe.
Gaszenie wapna hydraulicznego jest trudniejsze niż zwykłego,
ponieważ cząsteczki CaO podczas wypalania w temperaturze 900-
1000
°C pokrywa się otoczką stopionych krzemianów. Dlatego też
gaszenie przeprowadza się po zmieleniu brył.
Wiązanie i twardnienie obejmuje:
-
wiązanie powietrzne, jak wapno powietrzne;
-
wiązanie i twardnienie hydrauliczne, które polega na
wykrystalizowaniu związków:
2CaO*SiO
2
*2H
2
O
CaO*Al
2
O
3
*2H
2
O
2CaO*Fe
2
O
3
*2H
2
O
Te reakcje mogą przebiegać pod wodą.
SPOIWA GIPSOWE
PN 97/B
– 30041. Spoiwa gipsowe. Gips
budowlany.
Surowcami do produkcji spoiw gipsowych są naturalne siarczany
wapnia o róznym stopniu uwodnienia:
-
gips dwuwodny CaSO4*2H2O (kamień gipsowy)
- gips bezwodny, anhydryt CaSO4
W Polsce kamień gipsowy zawiera 8-15% domieszek margli, gliny,
kwarcu, wapieni.
Prażenie gipsu.
Po rozdrobnieniu CaSO4*2H2O jest prażony w piecach
obrotowych. W temperaturze 120-150
°C następuje
dehydratyzacja
, kamień gipsowy traci 2/3 wody i przechodzi w gips
półwodny.
CaSO4*2H2O CaSO4*0,5H2O + 1,5H2O
W zależności od warunków prażenia otrzymuje się jedną z
dwóch odmian:
-
odmianę α – otrzymuje się, gdy dehydratyzacja zachodzi
w atmosferze pary wodnej. Odmiana α ma budowę
grubokrystaliczną, wytrzymałość na ściskanie rzędu 40MPa,
charakteryzuje się wysokim ciepłem hydratacji;
-
odmianę β –gips budowlany -powstaje w warunkach
odprowadzania z prażarki pary wodnej. Odmiana ta ma
budowę drobnokrystaliczną, jest łatwo rozpuszczalna w
wodzie, ma wytrzymałość rzędu 12 Mpa, charakteryzuje się
małym ciepłem hydratacji (9 razy Mniejszym od odmiany α).
WIĄZANIE GIPSU
Wiązanie polega na przyłączeniu wody i powstaniu gipsu dwuwodnego.
2(CaSO
4
*0,5H
2
O) + 3H
2
O 2CaSO
4
*2H
2
O
Jest to reakcja egzotermiczna, w przypadku gipsu budowlanego
wydziela się ciepło 125 kJ/kg.
Wiązanie polega na rozpuszczaniu się gipsu półwodnego w wodzie
(stosuje się 60-70% więcej wody niż wynika to z reakcji wiązania). Z
nasyconego CaSO
4
*0,5H
2
O zaczynają wytrącać się kryształy
CaSO
4
*2H
2
O i rozpoczyna się wiązanie gipsu i stopniowe jego
twardnienie.
W rezultacie powstaje kamień gipsowy, bardzo porowaty – porowatość
jest rzędu do nawet 50%.
Gips budowlany (gips odmiany
β) wiąże w czasie 5-40 min.
W celu opóźnienia wiązania stosuje się:
-
cukry proste: sacharozę, glukozę, fruktozę;
-
związki nieorganiczne, np: boraks, wapno, kwas trójnitrylooctowy.
Domieszki te umożliwiają przesunięcie początku wiązania od 30 minut
do 2 godzin.
Podnosząc temperaturę prażenia otrzymuje się kolejne rodzaje
gipsu:
GIPS ANHYDRYTOWY
otrzymuje się z
CaSO
4
*2H
2
O
prażonego w temperaturze 170-750°C.
A) w temperaturze 170
– 200°C następuje częściowa
dehydratyzacja
CaSO
4
*2H
2
O, powstaje anhydryt III, rozpuszczalny;
B) w temperaturze 450
– 200
°C otrzymuje się anhydryt II, bardzo
trudno rozpuszczalny. Aby zwiększyć jego rozpuszczalność, a tym
samym umożliwić mu wiązanie stosuje się katalizatory dodawane
w czasie mielenia:
-
siarczan sodowy Na2SO4 w ilości 2-5%
- cement portlandzki do 5%
- wapno palone mielone
-
żużel wielkopiecowy
ESTRICHGIPS
(gips jastrychowy, podłogowy)
otrzymuje się w temperaturze prażenia 800-1000°C, w tej
temperaturze powstaje anhydryt i pewna ilość CaO
95-98%
CaSO
4
*2H
2
O CaSO
4 +
2H
2
O
2-5%
CaSO
4
*2H
2
O
CaO + SO
3
+ 2H
2
O
Zawartość CaO w estrichgipsie uaktywnia trudnorozpuszczalny
anhydryt i pobudza go do uwodnienia.
Czasy wiązania: początek po 3-6 godz, koniec 36 godz.
W celu skrócenia czasu wiązania dodaje się:
- wapno
-
gips półwodny.
Z tymi dodatkami koniec wiązania estrichgipsunastępuje po 6-8 godz.
Z estrichgipsu wykonuje się:
- posadzki bezspoinowe (estrichgips nie wykazuje skurczu)
- sztuczny marmur
- zaprawy murarskie w pomieszczeniach wilgotnych
Drobne wyroby prefabrykowane: pustaki, bloczki.
CEMENTY
PN-EN 197-
1:2002. Część 1: Skład,
wymagania i kryteria zgodności dotyczące
cementów powszechnego użytku.
Głównym składnikiem cementów powszechnego użytku jest
klinkier uzyskiwany przez wypalanie dokładnie zestawionej
mieszaniny surowców:
72-78% wapienia
22-28
% plastycznej gliny bez zanieczyszczeń.
Przydatność surowców do produkcji cementu ocenia się na
podstawie ich składu chemicznego oraz rodzaju i ilości
domieszek.
Skład chemiczny klinkieru:
CaO
60 - 68 %
MgO
0,3 - 5 %
SiO
2
18 - 26 %
Al
2
O
3
4 - 9 %
Fe
2
O
3
1 - 6 %
Dobierając surowce o różnych procentowych zawartościach tych
związków można uzyskać cementy o wymaganych
właściwościach.
Wpływ stosunków ilościowych składników chemicznych cementu
na jego właściwości opisano modułami.
Moduł hydrauliczny
CaO .
M
H
= SiO
2
+Al
2
O
3
+Fe
2
O
3
= 1,7-2,3
Ze wzrostem wielkości tego modułu:
-
wzrasta wytrzymałość, zwłaszcza początkowa;
- wzrasta skurcz;
-
maleje odporność na agresję chemiczną.
Moduł krzemianowy
SiO
2 .
M
S
= Al
2
O
3
+ Fe
2
O
3
= 2,4-2,7
Ze wzrostem wielkości tego modułu maleje szybkość wiązania.
Moduł glinowy
Al
2
O
3 .
M
A
= Fe
2
O
3
= 1-4
Ze wzrostem wielkości tego modułu:
- wzrasta skurcz;
-
maleje odporność na siarczany.
Wypalanie surowców
przeprowadza się dwoma metodami:
-
metodą mokrą -surowce po wstępnym rozdrobnieniu miele się z wodą
na szlam o wilgotności 40% i wypala się w piecach obrotowych o
średnicy 5m i długości 180m;
-
metodą suchą – surowce miele się i suszy do wilgotności 4% i wypala
w piecach obrotowych o średnicy 5m i długości 70-90m.
W obu metodach temperaturę stopniowo podnosi się do 1450°C , w tej
temperaturze około 25-30% składników jest w stanie płynnym. Paliwem
jest miał węglowy, obecnie coraz częściej gaz lub paliwo płynne.
Klinkier miele się z domieszką 1,4-4% gipsu dwuwodnego, który reguluje
czas wiązania cementu. Po zmieleniu klinkieru otrzymuje się czysty
cement klinkierowy
– cement portlandzki.
W trakcie wypalania i studzenia klinkieru związki chemiczne występujące
w surowcach (CaO, SiO
2
, Al
2
O
3
, Fe
2
O
3
) reagując pomiędzy sobą tworzą
nowe związki.
Ostudzony klinkier zawiera cztery podstawowe związki (stałe fazowe –
minerały). Stanowią one ponad 95% objętości cementu portlandzkiego.
WPŁYW SKŁADNIKÓW FAZOWYCH NA WŁAŚCIWOŚCI CEMENTU
Składnik fazowy
Skład
Symbol
Nazwa
Ilość %0
Krzemian trójwapniowy
3CaO*SiO
2
C
3
S
alit
30-60
Krzemian dwuwapniowy
2CaO*SiO
2
C
2
S
belit
15-45
Glinian trójwapniowy
3CaO*Al
2
O
3
C
3
A
celit
5-15
Glinian czterowapniowy
4CaO*Al
2
O
3
*Fe
4
O
3
C
4
AF
brownmilleryt
7-18
C
3
S
C
2
S
C
3
A
C
4
AF
CaO
Reakcje
z wodą
Wiązanie
Uwodnienie
Kaloryczność
[KJ/kg]
Godziny
Kilka godz.
Duża
460
Dni
Miesiące
Mała
84
Minuty
Szybkie
b.duża
772
Minuty
Szybkie
Mała
169
Natychm.
Wielka
1100
Przyrost wytrzymałości
Szybki
7 dni
Wolny
½ – 1 rok
Szybki
1 dzień
Wolny
Wytrzymałość końcowa
wysoka
b. niska
b. niska
SKŁAD FAZOWY CEMENTU
Oprócz tych głównych faz klinkieru mogą występować też:
-
niewielkie ilości CaO i MgO, te związki uwadniając się
zwiększają swoją objętość, pęcznieją;
-
siarczany pochodzące ze składników ilastych lub paliw, SO
2
wchodząc w reakcje z alkaliami tworzy w klinkierze K
2
SO
4
- alkalia Na
2
O i K
2
O, zwłaszcza tlenek potasu, może
występować w klinkierze w większych ilościach przy produkcji
cementu metodą suchą.
Zwłaszcza te związki są w klinkierze niepożądane, mogą
powodować rozpuszczanie niektórych ziaren kruszywa – tak
zwanych ziaren reaktywnych.
Wiązanie i twardnienie cementu portlandzkiego.
Po zarobieniu cementu wodą (w/c=0,35-0,7) ziarna cementu są
zawieszone w wodzie.
Proces wiązania i stopniowego twardnienia przebiega w dwóch
fazach:
I HYDRATACJA
Woda stykająca się z powierzchnią ziaren cementu w wyniku
działania sił osmotycznych wnika do ziaren. Przypowierzchniowe
strefy ziaren pękają i składniki fazowe przechodzą do wody w
wyniku zachodzenia dwóch procesów chemicznych:
- hydrolizy (rozpuszczania)
– rozpuszczaniu ulegają krzemiany
C
3
S i C
2
S
- hydratacji
– rozpadowi na jony ulegają gliniany C
3
A i CuAF.
W technologii betonu oba te procesy nazwano
hydratacją.
W miarę przechodzenia stałych fazowych do wody roztwór
stopniowo zagęszcza się, a potem przesyca. Z przesyconego
roztworu materiały hydratacji napływają w kierunku ziaren,
osadzając się na powierzchni większych ziaren tworzą otoczki,
blokujące dostęp wody do ich wnętrza.
Całkowitej hydratacji ulegają ziarna
o średnicy do 15 μm,
w przypadku ziaren o średnicach:
- do 10
μm – hydratacja zachodzi
w ciągu 28 dni
-
do 15μm – hydratacja zachodzi
w ciągu 90 dni.
W przypadku ziaren o średnicach powyżej 15μm woda nie dociera
do ich rdzenia.
II KRYSTALIZACJA
W wodzie otaczającej ziarna cementu (woda żelowa) stopniowo
następuje krystalizacja stałych fazowych, tworzą się ich
uwodnione związki o średnicach 1-100
μm, które z czasem
twardnieją.
Tworzy się kamień cementowy (zaczyn) o bardzo dużej porowatości.
Są to pory żelowe o średnicach rzędu 3*10
-6
mm
L
p
REAKCJA
Objętość
składników
wyjściowych
Objętość
produktu
końcowego
Zmniejszenie
objętości
[cm
3
]
[cm
3
]
[%]
1 2(2CaO*SiO
2
)+5H
2
O
→
3CaO*2SiO
2
*4H
2
O
+Ca(OH)
2
195,11
180,21
7,64
2 2(3CaO*SiO
2
)+7H
2
O
→
3CaO*2SiO
2
*4H
2
O
+3Ca(OH)
2
271,01
246,37
9,43
3 3CaO*Al
2
O
3
+6H
2
O
→
3CaO*Al
2
O
3
*6H
2
O
196,98
150,11
23,79
4 3CaO*Al
2
O
3
+3(CaSO
4
*2H
2
O)+26H
2
O
→
→3CaO*Al
2
O
3
*3CaSO
4
*32H
2
O
779,93
717,22
8,04
Ponieważ objętości poszczególnych stałych fazowych oraz wody, którą wiążą jest
większa od ich objętości po uwodnieniu, powstają pory kontrakcyjne
o wielkości 10
-7
mm.
Uwadnianiu krzemianów towarzyszy powstawanie wodorotlenku wapnia Ca(OH)2
tak zwanego portlandytu.
ROLA GIPSU
Klinkier cementowy wykazuje błyskawiczne wiązanie i
nieodwracalne obniżenie wytrzymałości związane z gwałtowną
hydratacją C3A. Ta stała fazowa tworzy sieć kryształów o bardzo
małych parametrach wytrzymałościowych.. Kryształy C3A blokują
rozwój sieci kryształów C3S, który ulega hydratacji znacznie
później. Sieć krystaliczna C3S decyduje o wczesnych i
końcowych wytrzymałościach zaprawy czy betonu.
Dodatek CaSO4*2H2O hamuje hydratację C3A przez pokrycie
powierzchni jego ziaren płytkami etryngitu
CaO*Al2O3*3CaSO4*32H2O. Płytki te po pewnym czasie
zanikają.
Dodatek gipsu podczas mielenia klinkieru powinien być tym
większy, im większa jest zawartość C3A i stopien rozdrobnienia
cementu.
Cementy powszechnego użytku
PN-EN 197-1:2002.
Są to cementy klinkierowe – 5 grup. Pierwsza – CEM I zawiera 95%
klinkieru. Jest to czysty cement klinkierowy
– cement portlandzki.
W pozostałych 4 grupach część klinkieru zastępuje sie różnymi
domieszkami mineralnymi dodawanymi w czasie mielenia klinkieru.
Są to tak zwane składniki główne nieklinkierowe.
SKŁADNIKI GŁÓWNE:
1. klinkier
2. składniki nieklinkierowe:
-
granulowany żużel wielkopiecowy
S
- pucolana naturalna
P
- pucolana sztuczna
Q
-
popiół lotny krzemionkowy
V
-
popiół lotny wapienny
W
-
łupek palony
T
-
wapień
L
-
pył krzemionkowy
D
SKŁADNIKI DRUGORZĘDNE (m < 5% mC)
W zależności od właściwości tych składników podzielono je na 3 grupy:
Składniki hydrauliczne – charakteryzują się dużą zawartością CaO.
Same nie wiążą, ale w stanie rozdrobnionym i w obecności wody mogą
wchodzić w reakcje z wapnem.
CaO(30-50%) SiO
2
(30-40%)
np. granulowany żużel wielkopiecowy
Składniki pucolanowe – głównym składnikiem jest SiO
2
, który wiążąc z
portlandytem tworzy związki podobne do powstających przy hydratacji
alitu i belitu
SiO
2
(46-90%)
CaO(0-8%)
np. popiół lotny, pucolany
Składniki bierne – nie reagują chemicznie ze składnikami cementu.
Związki te :
-
zmniejszają ilość klinkieru (najdroższy składnik)
-
zmniejszają kaloryczność
-
polepszają urabialność
np. CaCO
3.
RODZAJE CEMENTÓW POWSZECHNEGO UŻYTKU
NAZWA
RODZAJ
Rodzaje w zależności od składnika
głównego nieklinkierowego
SKŁADNIKI
DRUGORZĘDNE
%
Rodzaj cementu
Ilość
składnika
%
Cement portlandzki
CEM I
CEM I
-
0-5
Cement portlandzki
wieloskładnikowy
CEM II
CEM II/A
CEM II/B
6-20 (10)
21-35
0-5
Cement hutniczy
CEM III
CEM III/A
CEM III/B
CEM III/C
36-65
66-80
81-95
0-5
Cement pucolanowy
CEM IV
CEM IV/A
CEM IV/B
11-35
36-55
0-5
Cement
wieloskładnikowy
CEM V
CEM V/A
CEM V/B
36-60
62-80
0-5
WYMAGANIA MECHANICZNE I FIZYCZNE
STAWIANE CEMENTOM
CEM I
Cement portlandzki
charakteryzuje się:
-
wysoką dynamiką przyrostów wytrzymałości
wczesnej
-
niewielką dynamiką przyrostów wytrzymałości po
długich okresach dojrzewania
-
wysokim ciepłem hydratacji (uwodnienia)
-
dużym skurczem
-
małą odpornością na agresję chemiczną
-
małą odpornością na wysokie temperatury
CEM III
Cement hutniczy
charakteryzuje się:
-
wolniejszym procesem twardnienia i wiązania od CEM I
-
opóźnionym o ok. 30% czasem początku i końca wiązania
-
małym ciepłem hydratacji
-
małą dynamiką wzrostu wytrzymałości wczesnej
-
dużą dynamiką przyrostu wytrzymałości późniejszych
28-90 dni
-
małym skurczem, ale większą od CEM I podatnością na
zarysowania skurczowe ( małe wytrzymałości początkowe)
-
większą od CEM I odpornością na agresję chemiczną
i wysoką temperaturę
-
bardzo małymi przyrostami wytrzymaości w niskich
temperaturach.
Dziękuję za uwagę.