3. Cement protlandzki, zaczyn [tryb zgodnoœci]

2010-12-28

Cement portlandzki

(zarys produkcji, skład tlenkowy i mineralogiczny klinkieru cementowego)

Podstawowe informacje dotycz

ce procesu wi

zania

cementu

Zaczyn cementowy i wska

nik w/c

Zjawisko skurczu zaczynu cementowego

Rola zaczynu w kształtowaniu podstawowych

wła

ciwo

ci betonu

Ogólny przegl

d spoiw cementowych powszechnego

ytku

Cement - zarys produkcji

Wapie

Glina

Klinkier

Gips

ew. dodatki mineralne

Cement

Mielenie w młynie kulowym

Rozdrabnianie, homogenizacja

metoda sucha

granulat

metoda mokra

: szlam

Wypalanie
piec obrotowy 1450

główne surowce

2010-12-28

Cement - zarys produkcji

(metoda sucha)

kruszarka

wst

pna

homogenizacja

dodatki

młyn kulowy

silosy

piec obrotowy

magazyn klinkieru

schładzacz

prekalcynacja

800 – 1000

młyn

składniki

dodatkowe

ok. 1450

2010-12-28

kopalnia

kruszenie i homogenizacja

trze pieca

skład klinkieru

piec obrotowy

młyn kulowy

Cement portlandzki jest

spoiwem hydraulicznym

, to

znaczy,

e po poł

czeniu z wod

wykazuje zdolno

ść

zania i twardnienia w powietrzu i w wodzie.

Głównym produktem hydratacji s

zwi

zki (hydraty)

wykazuj

ce stabilno

ść

zarówno w

rodowisku powietrznym

jak i wodnym.

Opatentowanie cementu portlandzkiego przez Aspdina -

1824

Cement – charakterystyka ogólna

2010-12-28

Cement – charakterystyka ogólna

Szary proszek o kr

pych ziarnach od 5 do 80

Dominuj

ziarna 20 do 40

m, dopuszczalne do 200

Powierzchnia wła

ciwa od ok. 1800 do ok. 5000 cm

sto

ść

ziaren 3,1 g/cm

, g

sto

ść

nasypowa ok. 1,3 g/cm

Oznaczenie

Nazwa

Zawarto

ść

[% m.]

Zakres

rednio

CaO

tlenek wapnia

60-70

Si0

krzemionka

18-25

tlenek glinu

4-9

tlenek

elaza

1-5

MgO

tlenek magnezu

1-5

trójtlenek siarki

1-3

0 + K

tlenek sodu

i potasu (alkalia)

0,5-1,8

0,8

Skład tlenkowy klinkieru (cementu) portlandzkiego

Skład surowcowy:

ok. 80% kamie

wapienny + ok. 20% surowce ilaste (glina)

2010-12-28

Skład mineralogiczny klinkieru (cementu) portlandzkiego

Wzór chemiczny

Skrót

Nazwa

Budowa

Wła

ciwo

Zawarto

ść

[% masy]

3CaO Si0

krzemian
trójwapniowy

(alit)

krystaliczna w
postaci
sze

ciok

tnych

tabliczek

• wysokoaktywny
• wysokokaloryczny
(szybkie twardnienie)

35-65

2CaO Si0

krzemian
dwuwapniowy

(belit)

krystaliczna w
postaci kr

pej

•

rednioaktywny

• niskokaloryczny
(powolny, lecz du

przyrost wytrzymało

ci)

15-40

3CaO Al

glinian
trójwapniowy

(celit)

od bezpostaciowej
do krystalicznej
kr

pej

i sze

ciobocznej,

ale
o bardzo małych
wymiarach

• bardzo wysoko
aktywny
• wysokokaloryczny
(przyspiesza wi

zanie)

8-12

4CaO Al

elazoglinian

czterowapniowy

(braunmilleryt)

od bezpostaciowej
po krystaliczne,
o nieprawidłowej
budowie

• słaboaktywny
•

redniokaloryczny

(powolny przyrost
wytrzymało

ci)

8-12

Podstawowe informacje o wi

zaniu cementu

Stwardniały zaczyn cementowy powstaje w wyniku reakcji

chemicznych mi

dzy cementem i wod

(reakcje hydratacji).

Zło

ony proces chemiczny, podczas którego podstawowe składniki

mineralne klinkieru (cementu portlandzkiego)

reaguj

z wod

tworz

c nowe, nie rozpuszczalne w wodzie zwi

zki

(hydraty).

W najwi

kszym stopniu w rozwoju wytrzymało

ci uczestnicz

tworz

c faz

C-S-H (uwodnione krzemiany wapnia)

C-H (wodorotlenek wapniowy; portlandyt)

2010-12-28

W du

ym uproszczeniu reakcja hydratacji alitu C

S et belitu C

S przebiega

nast

puj

co:

lub +

H2O

----> C-S-H + Ca(OH)

+ Q

Najwa

niejszymi produktami hydratacji (hydratami) s

uwodnione

krzemiany

wapniowe C-S-H

wyst

puj

ce w postaci tzw.

elu cementowego.

el ten wpływa

na wi

kszo

ść

wła

ciwo

ci stwardniałego zaczynu cementowego.

Ca(OH)

(portlandyt) decyduje o pH, składnik słaby, rozpuszczalny w wodzie.

Reakcja

z wod

jest gwałtowna (wydzielanie du

ych ilo

ci ciepła) i powinna

kontrolowana przez dodatek (ok. 5% m) gipsu lub anhydrytu. W wyniku

uwodnienia powstaj

siarczanogliniany, najcz

ęś

ciej w postaci ettringitu

(3CaO.Al

.CaSO

.31H

O).

Podczas reakcji

z wod

wydziela si

niewiele ciepła. Uwodnienie C

w niewielkim stopniu wpływa na rozwój wytrzymało

ci.

Podstawowe informacje o wi

zaniu cementu

S i C

S ulegaj

rozpuszczeniu i hydrolizie, a nast

pnie rekrystalizuj

tworz

c uwodnione krzemiany jednowapniowe i inne krystaliczne formy

hydratów, które przytwierdzaj

wzajemnie do siebie i do ziaren cementu.

S CSH ettringit

CSH + etryngit

1: ziarno cementu
2: warstwa rozpuszczona
3: woda
4: wydzielaj

ce si

wapno

5: kryształy C-H
6: kryształy ettringitu
7: włóknisty

el C-S-H

8: pory kontrakcyjne

2010-12-28

° Ziarna cementu (na pocz

tku 10 do 80 µm) cz

ęś

ciowo uwodnione i otoczone

warstw

hydratów

° Pory kapilarne cz

ęś

ciowo lub w pełni wypełnione wod

° Hydraty (przede wszystkim C-S-H i C-H stopniowo wypełniaj

ce przestrze

dzy ziarnami cementu

°Nie s

pokazane pory

elowe (za małe) i pory powietrzne (za du

e).

Ogólny opis mikrostruktury stwardniałego zaczynu cementowego

C-S-H (cechy ciała stałego; 50-60% obj.)

nie uwodnione

ziarno cementu

kryształ

Ca(OH)

[C-H]

por kapilarny

1 - masa

elowa

(teoretycznie zwarta; budowa warstwowa – folie, 100-700 m

/g;

a kohezja – siły Van der Wallsa) ;

2 - woda zaadsorbowana na powierzchni

elu;

3 - woda

elowa (mi

dzywarstwowa w porach

elu)

skurcz i p

cznienie !

4 - por kapilarny

(porowato

ść

elu ok. 28% obj.);

5 - woda wolna

Mikrostruktura

elu C-S-H

2010-12-28

Cztery podstawowe typy

elu cementowego wg Dimond’a

I – bardzo cienkie zwini

te blaszki

II – „plaster pszczeli”
III – dyski lub sfery tworz

ce materiał bardziej zwarty

IV – struktura zbita, amorficzna

ło

czas dojrzewania [doby]

360

S –

wysokoaktywny,

wysokokaloryczny

S –

rednioaktywny,

niskokaloryczny

A -

bardzo wysoko

aktywny, wysokokaloryczny

AF –

słaboaktywny,

redniokaloryczny

Charakterystyka czterech głównych mineralnych składników

klinkieru (cementu) portlandzkiego

Kinetyka przyrostu wytrzymało

ci zaczynu zale

dzie w du

ej mierze od

udziału czterech minerałów, a tak

e od stopnia rozdrobnienia cementu.

2010-12-28

Podstawowe wła

ciwo

ci cementu

sto

ść

i g

sto

ść

nasypowa

przeci

tnie:

= 3,0 do 3,2 g/cm

(3,1 g/cm

)

= 0,9 do 1,4 g/cm

(1,3 g/cm

)

Stopie

rozdrobnienia

(zmielenia);

miar

jest

powierzchnia wła

ciwa

, czyli sumaryczna

powierzchnia zewn

trzna ziaren cementu

Ŝą

cych

cznie 1 g – aparat Blaine’a

1500 do 5000 cm

Badania prowadzone na suchym cemencie

patrz

wiczenia i laboratorium

Podstawowe wła

ciwo

ci cementu

- Wodo

Ŝą

dno

ść

- ilo

ść

wody potrzebna do uzyskania

zaczynu

Ŝą

danej konsytencji

Wodo

Ŝą

dno

ść

wła

ciwa

(aparat Vicat’a) woda do

konsytencji

normowej: w zale

ci od rodzaju cementu

od 0,24 do 0,32 % mc.

- Czas wi

zania

(aparat Vicat’a)

zale

y od rodzaju cementu, stopnia rozdrobnienia i temperatury

- pocz

tek: nie wcze

niej ni

po 60 minutach;

przeci

tnie po ok. 2 h

- koniec: przeci

tnie po 3 do 4 h

- Stało

ść

obj

ci - p

cznienie i skurcz

(pier

cie

Le Chatelier’a; placki)

Badania prowadzone na zaczynie cementowym

patrz

wiczenia i laboratorium

2010-12-28

Podstawowe wła

ciwo

ci cementu

Wytrzymało

ść

(beleczki 4x4x16 cm)

- na rozci

ganie przy zginaniu

- na

ciskanie (np. po 2, 7 i

dniach dojrzewania)

Klasa cementu

(32,5; 42,5; 52,5 MPa)

Badania prowadzone na normowej zaprawie

cementowej

patrz

wiczenia i laboratorium

Klasa

Wytrzymało

ść

ciskanie [MPa]

wczesna

normowa

po 2 dniach

po 7 dniach

po 28 dniach

32,5

---

≥

32,5

≤

52,5

32,5R

≥

---

42,5

≥

42,5

≤

62,5

42,5R

≥

52,5

≥

52,5

---

52,5R

Uwaga: Litera R w oznaczeniu klasy wytrzymało

ci informuje,

e cement charakteryzuje

szybszym wi

zaniem, a wi

c i przyrostem wytrzymało

ci w pierwszych 2 dobach

twardnienia. Litera N wskazuje na cement normalnie wi

ąŜą

cy.

Ogólne wymagania wytrzymało

ciowe dla cementów

ró

nych klas

2010-12-28

Wska

nik wodno-cementowy (w/c) jako podstawowy parametr

charakteryzuj

cy zaczyn cementowy

Przeci

tnie cement do pełnej hydratacji potrzebuje wody

w ilo

ci ok. 30

% swojej masy

Przy w/c < 0,30

i braku dost

pu wody z

otoczenia

nie pełna hydratacja, du

o nie

uwodnionych ziaren cementu

Przy w/c > 0,30

ęść

wody nie wykorzystana,

nieuniknione pory kapilarne

kszy wska

nik w/c

tym

ksza porowato

ść

stwardniałego zaczynu

cementowego

W przypadku betonów zwykłych

w/c = 0,40 do 0,65

stopie

hydratacji

cementu: 33 %

wie

y zaczyn

cementowy

stopie

hydratacji

cementu: 100 %

stopie

hydratacji

cementu: 67 %

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

wska

nik W/C

wska

nik W/C

wska

nik W/C

wska

nik W/C

[

]

cement niezhydratyzowany produkty hydratacji woda kapilarna

0,6 0,7 0,8

Udział głównych składników w zaczynach o zmiennym W/C

przy ró

nym stopniu hydratacji cementu [Powers]

2010-12-28

stopie

hydratacji cementu [%]

ła

[

]

3-pory

elowe,

4-pory kapilarne

2-woda chemicznie zwi

zana,

1-cement zhydratyzowany

C - cement nie zhydratyzowany

Zmienno

ść

obj

ci faz w dojrzewaj

cym zaczynie cementowym

o wska

niku w/c = 0,3

(przy

= 3,1 i

= 1,0 -> obj

ciowo w : c = 48 : 52)

Rola zaczynu w kształtowaniu podstawowych wła

ciwo

ci betonu

- W pocz

tkowym stadium wraz z kruszywem

tworzy

mieszank

betonow

nadaj

c jej odpowiednie

wła

ciwo

ci (konsystencja, urabialno

ść

)

- W wyniku wi

zania i twardnienia

stanowi lepiszcze

„sklejaj

ce” (monolityzuj

ce) cało

ść

wraz z ziarnami

kruszywa

Stanowi matryc

sztucznego kamienia zwanego

stwardniałym betonem cementowym i

nadaje mu

odczyn zasadowy

(pH

≈

13)

Przeci

tny udział zaczynu w betonie wynosi około

30% obj.(300 dm

)

2010-12-28

CEMENT wg PN

CEMENT wg PN--EN 197

EN 197--1:

Cement, Cz.I: Skład, wymagania

i kryteria zgodno

ci cementów

i kryteria zgodno

ci cementów

powszechnego u

ytku

powszechnego u

ytku

Nazwa cementu

Symbol

Dost

pne rodzaje

cementu

Cement

portlandzki

(95 do 100% klinkieru

portlandzkiego)

CEM I

32,5N; 32,5R; 42,5N; 42,5R;

52,5N; 52,5R

w grupie cementów

specjalnych:

32,5R-NA; 42,5N-NA; 42,5R-

NA; 42,5N-HSR; 42,5R-HSR;

52,5N-NA; 52,5 R-NA

Cement portlandzki

Litery A i B stosowane w oznaczeniach cementów przypisane s

ró

nym zakresom

zawarto

ci dodatku.

Litera R w oznaczeniu klasy wytrzymało

ci informuje,

e cement charakteryzuje si

szybszym wi

zaniem, a wi

c i przyrostem wytrzymało

ci w pierwszych 2 dobach

twardnienia.
Litera N wskazuje na cement normalnie wi

ąŜą

cy.

NA oznacza cement specjalny niskoalkaliczny, HSR cement specjalny o wysokiej
odporno

ci na siarczany, LH cement specjalny o niskim cieple hydratacji.

2010-12-28

Nazwa cementu

Symbol

Dost

pne rodzaje

cementu

Cement portlandzki

lowy

(z dodatkiem

wielkopiecowego - S)
- w ilo

ci od 6 do 20%

- w ilo

ci od 21 do 35%

CEM II/A-S
CEM II/B-S

32,5N; 32,5R; 42,5N; 42,5R
32,5N; 32,5R; 42,5N; 42,5R

Cement portlandzki

krzemionkowy

(z dodatkiem pyłu krzemionkowego -
D)
w ilo

ci od 6 do 10%)

CEM II/A-D

obecnie nie produkowany

Cement portlandzki

pucolanowy

(z dodatkiem pucolany naturalnej - P;
lub przemysłowej - Q)
- w ilo

ci od 6 do 20%

- w ilo

ci od 21 do 35%

CEM II/A-

P(Q)

CEM II/B-

P(Q)

obecnie nie produkowane

Cement portlandzki

popiołowy

(z dodatkiem popiołu lotnego
krzemionkowego - V; lub wapiennego
- W)
- w ilo

ci od 6 do 20%

- w ilo

ci od 21 do 35%

CEM II/A-

V(W)

CEM II/B-

V(W)

32,5N, 32,5R; 42,5N; 42,5R

32,5N ; 32,5R

Cement portlandzki

wapienny

(z dodatkiem m

czki wapiennej

- L)
- w ilo

ci od 6 do 20%

- w ilo

ci od 21 do 35%

CEM II/A-L
CEM II/B-L

obecnie nie produkowane

Cement portlandzki

lowo-popiołowy

(z dodatkiem

la wielkopiecowego

S + popiołu lotnego krzemionkowego
V)
- w ilo

ci 3 do 10% S +

3 do 10% V

- w ilo

ci 10 do 20% S +

10 do 20% V

CEM II/A-SV
CEM II/B-SV

32,5N; 32,5R

Cementy portlandzkie z dodatkami mineralnymi

Nazwa cementu

Symbol

Dost

pne rodzaje

cementu

Cement

hutniczy

(z dodatkiem

wielkopiecowego)
- w ilo

ci od 36 do 65%

- w ilo

ci od 66 do 80%

- w ilo

ci od 81 do 95%

CEM III/A
CEM III/B
CEM III/C

32,5N; 32,5R

w grupie cementów

specjalnych:

32,5N-NA
32,5N-NA

32,5N

Cement hutniczy

2010-12-28

Nazwa cementu

Symbol

Dost

pne rodzaje

cementu

Cement

pucolanowy

(z dodatkami pucolanowymi D, P,
Q i V)
- w ł

cznej ilo

ci od 11 do 35%

- w ł

cznej ilo

ci od 36 do 55%

CEM IV/A
CEM IV/B

32,5N; 32,5R

obecnie nie

produkowane

Cement pucolanowy

Nazwa cementu

Symbol

Dost

pne rodzaje

cementu

Cement

wieloskładnikowy

(z dodatkiem

wielkopiecowego +
dodatki pucolanowe)
- w ilo

ci od 18 do 30%

+ od 18 do 30%
- w ilo

ci od 31 do 50%

+ od 31 do 50%

CEM V/A
CEM V/B

obecnie nie produkowane

Cement wieloskładnikowy

2010-12-28

Rodzaj

cementu

Cechy charakterystyczne

Zalecane kierunki

zastosowania

Portlandzkie:

CEM I 32,5 N
CEM I 32,5 R
CEM I 42,5 N

umiarkowane ciepło

hydratacji,

umiarkowana dynamika

narastania wytrzymało

wczesnej i w dłu

szych

okresach dojrzewania

Betony zwykłe klas B 15 do B 40
(C12/15 do C30/37)

elementy i konstrukcje monolityczne lub

prefabrykowane dojrzewaj

ce w warunkach

naturalnych i podwy

szonej temperatury

elementy i konstrukcje spr

ęŜ

one dojrzewaj

ce w

warunkach naturalnych i podwy

szonej temperatury

drobnowymiarowe wyroby prefabrykowane

dojrzewaj

ce w warunkach naturalnych

- betonowanie w warunkach obni

onej temperatury

Portlandzkie:

CEM I 42,5 R
CEM I 52,5 N
CEM I 52,5 R

- bardzo wysokie ciepło hyd-

ratacji

- szybkie narastanie wytrzy-

mało

ci wczesnej

- niewielka dynamika
narastania wytrzymało

ci w

dłu

szych okresach

dojrzewania

Betony zwykłe klas B 25 do B 50
(C20/25 do C40/50)
Betony wysokowarto

ciowe klas B 50

i wy

szych (C40/50 i wy

sze)

- elementy i konstrukcje prefabrykowane
dojrzewaj

ce w warunkach naturalnych oraz

podwy

szonej i obni

onej temperatury

- elementy i konstrukcje spr

ęŜ

one dojrzewaj

ce w

warunkach naturalnych i podwy

szonej temperatury

- drobnowymiarowe wyroby prefabrykowane
dojrzewaj

ce w warunkach naturalnych

- betony o wymaganej wysokiej wytrzymało

wczesnej
- betonowanie w warunkach zimowych

Orientacyjny zakres stosowania oraz ogólne charakterystyki

wybranych cementów powszechnego u

ytku

Rodzaj

cementu

Cechy

charakterystyczne

Zalecane kierunki

zastosowania

Portlandzkie
popiołowe:

CEM II/A-V 32,5 R
CEM II/A-V 42,5 N

Portlandzkie

lowe:

CEM II/A-S 32,5 R
CEM II/A-S 42,5 R

Portlandzkie

lowo-

popiołowe:

CEM II/A-SV 32,5 R
CEM II/A-SV 42,5 R

- umiarkowane ciepło
hydratacji

- umiarkowana
dynamika narastania
wytrzymało

ci wczesnej

- bardzo dobra dynamika
narastania
wytrzymało

ci w

dłu

szych okresach

dojrzewania

Betony zwykłe klas B 15 do B 40
(C12/15 do C30/37)
- elementy i konstrukcje monolityczne lub
prefabrykowane dojrzewaj

ce w

warunkach naturalnych i podwy

szonej

temperatury

- drobnowymiarowe wyroby
prefabrykowane dojrzewaj

ce w

warunkach naturalnych

Orientacyjny zakres stosowania oraz ogólne charakterystyki

wybranych cementów powszechnego u

ytku

2010-12-28

Rodzaj

cementu

Cechy

charakterystyczne

Zalecane kierunki

zastosowania

Hutnicze:

CEM III/A 32,5 N
CEM III/A 42,5 N

Pucolanowe:

CEM IV/A 32,5 N
CEM IV/A 42,5 N

- niskie ciepło hydratacji
- powolne narastanie
wytrzymało

ci wczesnej

- bardzo dobra dynamika
narastania wytrzymało

w dłu

szych okresach

czasu
- wysoka odporno

ść

agresj

chemiczn

Betony zwykłe klas B 7,5 do B 40
(C8/10 do C30/37)
- elementy i konstrukcje monolityczne lub
prefabrykowane dojrzewaj

ce w warunkach

naturalnych i podwy

szonej temperatury

- konstrukcje masywne
- konstrukcje hydrotechniczne
- betony o podwy

szonej odporno

ci na

agresj

chemiczn

- betony podkładowe (chude)

Hutniczy:

CEM III/B 32,5N

Pucolanowy:

CEM IV/B 32,5 N

- bardzo niskie ciepło
hydratacji
- bardzo powolne
narastanie wytrzymało

wczesnej
- bardzo dobra dynamika
narastania wytrzymało

w dłu

szych okresach

dojrzewania
- bardzo wysoka
odporno

ść

na agresj

chemiczn

Betony zwykłe klas B 7,5 do B 35
(C8/10 do C30/37)
- elementy i konstrukcje monolityczne lub
prefabrykowane dojrzewaj

ce w warunkach

naturalnych i podwy

szonej tempe-ratury

- konstrukcje masywne
- konstrukcje hydrotechniczne
- betony o wysokiej odporno

ci na agresj

chemiczn

- betony podkładowe (chude)

Orientacyjny zakres stosowania oraz ogólne charakterystyki

wybranych cementów powszechnego u

ytku