Spoiwa hydrauliczne
Spoiwa hydrauliczne
Spoiwa hydrauliczne
• Wiążą i twardnieją zarówno w wodzie jak i powietrzu i są
odporne na działanie wody.
• Do spoiw hydraulicznych zaliczamy:
– Wapno hydrauliczne
– Cement portlandzki
– Cement glinowy
– Cementy hutnicze i żwirowe
• Surowcami do produkcji cementów są:
- Wapienie
- Gliny
- surowce odpadowe- żużle hutnicze
• W skład wszystkich materiałów wchodzą tlenki: krzemu
(SiO
2
), glinu (Al
2
O
3
), żelaza (Fe
2
O
3
).
Technologia otrzymywania cementu
portlandzkiego
• Cykl produkcyjny
– Przygotowanie produktów- urabianie, rozdrobnienie i mielenie
surowców skalnych
– Wytwarzanie klinkieru- wypalanie
– Produkcja klinkieru
• Procesy zachodzące podczas wypalania w piecu:
- Usuwanie wody
- Rozkład kaolinu połączony z usunięciem chemicznie związanej w glinie
wody
Al
2
O
3
•2SiO
2
•2H
2
O
→ Al
2
O
3
•2SiO
2
+2H
2
O
- Rozkład węglanu
- Reakcja syntezy CaO ze składników gliny
- Tworzenie fazy ciekłej
- Ostateczne wypalanie
• Najważniejsze przemiany chemiczne zachodzące stopniowo wraz ze
wzrostem temperatury w piecu obrotowym. W max. temperaturze procesu
ok. 25% mieszaniny ( z wyjątkiem krzemianów) przechodzi w stan ciekły.
Proces ten nazywamy klinkieryzacją – który zasadniczo różni się od
spiekania i stapiania.
• Klinkier jest spiekiem cementu portlandzkiego.
Skład mineralogiczny cementu
portlandzkiego:
— Alit- 3CaO•SiO
2
– krzemian trójwapniowy – 50% do 60%
— Belit - 2CaO•SiO
2
– krzemian dwuwapniowy – 15%- 28%
— Glinian trójwapniowy – 3CaO•Al
2
O
3
– 8% do 11%
— Glinożelazian czterowapniowy (braunmilleryt)-
3CaO•Al
2
O
3
•Fe
2
O
3
– 5% do 15%
— Gips – CaSO
4
•2H
2
O – 2% do 5%
• Alit decyduje o szybkim wzroście wytrzymałości
początkowej i stopniowym wzroście wytrzymałości zaprawy
cementowej w miarę upływu czasu.
• Belit – reaguje z wodą wolniej niż alit
celit
Reakcje zachodzące podczas wiązania
cementu
• Hydratacja w znaczeniu chemicznym jest reakcją
przyłączania wody. W technologii cementu hydratacja jest
rozumiana jako zbiór reakcji chemicznych i procesów
fizycznych zachodzących po zmieszaniu cementu z wodą.
• Reakcje przebiegają na powierzchni ziaren cementu oraz
następuje rozpuszczanie składników cementu w fazie ciekłej.
• Ze względu na złożoność procesów rozpatruje się oddzielnie
reakcje poszczególnych związków mineralogicznych z wodą
( hydratacja i/lub hydroliza), a następnie syntezy między tymi
związkami lub produktami ich hydrolizy.
• Brane są pod uwagę właściwości hydrauliczne – zdolność
cementu po zmieszaniu z wodą do twardnienia w powietrzu i
w wodzie, oraz właściwości pucolanowe – zdolność
mineralnego dodatku do cementu do wykazania właściwości
hydraulicznych w obecności wody i wodorotlenku wapniowego
• Wiązanie cementu zachodzi pod wpływem wody reagującej z
bezwodnymi składnikami cementu.
•
Hydroliza alitu
3CaO•SiO
2
+ (n+1)H
2
O → 2CaO•SiO
2
•nH
2
O + Ca(OH)
2
hydratacja belitu
2CaO•SiO
2
+ nH
2
O → 2CaO•SiO
2
•nH
2
O
Hydroliza celitu
4CaO•Al
2
O
3
•Fe
2
O
3
+ (n+6)H
2
O → 3CaO•Al
2
O
3
•6H
2
O +
CaO•Fe
2
O
3
•nH
2
O
Hydratacja glinianu
3CaO•Al
2
O
3
+ 6H
2
O → 3CaO•Al
2
O
3
•6H
2
O
• Produkt tej reakcji wiąże wodorotlenek wapniowy i powstaje trudno
rozpuszczalny związek 4CaO•Al
2
O
3
•12H
2
O
• W obecności gipsu powstaje sól Candolta
3CaO•Al
2
O
3
+ CaSO
4
+ 31H
2
O → 4CaO•Al
2
O
3
•3CaSO
4
•31H
2
O – sól
Candolta
• Twardnienie cementu jest spowodowane prawdopodobnie
tworzeniem się żelu uwodnionych krzemianów oraz reakcją
wodorotlenku wapniowego z dwutlenkiem węgla
Ca(OH)
2
+ CO
2
→ CaCO
3
+ H
2
O
Odmiany cementów
• Cement glinowy - otrzymuje się go przez wypalanie wapienia z
boksytem – tlenkiem lub wodorotlenkiem glinowym i nie dodaje się gipsu.
Po zarobieniu z wodą cement glinowy szybko wiąże i szybko uzyskuje
wysoką wytrzymałość mechaniczną. Jest odporny na korozję kwasową i
siarczanową ponieważ nie występuje w nim wodorotlenek wapniowy.
Reakcja wiązania:
2(CaO•Al
2
O
3
) + 10H
2
O → 2CaO•Al
2
O
3
• 7H
2
O + 2 Al(OH)
3
• Cement portlandzki biały – zawiera minimalne ilości tlenków żelaza,
tytanu i manganu poniżej (<0,2%). Ten rodzaj cementu po dodaniu
odpowiednich barwników mineralnych pozwalają na otrzymanie
cementów barwnych
• Cementy ekspansywne –zwiększają swoją objętość podczas wiązania –
stosowany do uszczelniania rur betonowych i łączenia elementów
budowlanych. Jako dodatki stosuje się tlenek wapnia, magnezu oraz gips
półwodny)
• Cement hutniczy- podstawowym surowcem jest zasadowy żużel
wielkopiecowy, który posiada tzw. Utajnione właściwości hydrauliczne.
Powstaje w wyniku zmieszania i zmielenia z klinkierem portlandzkim oraz
dodatkiem siarczanu VI wapnia. Zawartość żużla waha się w granicach od
30 do 85% . Wytrzymałość podobna jak cementów portlandzkich, wysoka
odporność chemiczna, wysoka wrażliwość na temperaturę
Wapno hydrauliczne
• Powstaje w wyniku wypalania wapieni
marglistych. Zawiera domieszki krzemianów i
glinianów wapniowych co odróżnia je od wapna
zwykłego.
• Twardnienie wapna hydraulicznego obejmuje
reakcje chemiczne charakterystyczne dla zapraw
powietrznych i hydraulicznych.
• I faza (7 dni) powinna odbywać się na powietrzu,
a potem może zachodzić twardnienie pod wodą
• Wodorotlenek wapniowy jest odpowiedzialny za obniżenie
trwałości stwardniałego zaczynu zwłaszcza w środowisku
kwaśnym.
• Z upływem czasu w wilgotnym środowisku składniki
stwardniałego zaczynu cementowego łączą się z
dwutlenkiem węgla z powierza i jest to proces
karbonatyzacji. Jest to proces powolny.
Przykładowe reakcje karbonatyzacji
• 4CaO•Al
2
O
3
•12H
2
O + 4CO
2
→ 4CaCO
3
+ 2Al(OH)
3
+ 9H
2
O
• 4CaO•Al
2
O
3
•3CaSO
4
•31H
2
O + 3CO
2
→ 3CaCO
3
+ 2Al(OH)
3
+ 3(CaSO
4
•2H
2
O) +22H
2
O
spoiwo
Podstawowy
skład
Proces cieplny
Mechanizm
wiązania i
twardnienia
rodzaj
nazwa
powietrzne
Wapno palone
CaCO
3
>95%
Glina<5%
Prażenie 1200ºC
Uwodnienie
karbonatyzacja
Gips
CaSO
4
•H
2
O
Prażenie 200ºC
Uwodnienie
Anhydryty
CaSO
4
•H
2
O
CaSO
4
Prażenie 350ºC
Uwodnienie
Gips estrich
CaSO
4
•H
2
O
Prażenie 100ºC
Uwodnienie
Magnezjowe
(cement Sorela)
MgCO
3
MgCO
3
• CaCO
3
Prażenie 950 ºC
Uwodnienie
powstawanie soli
zasadowych
krzemianowe
SiO
2
•Na
2
O,
SiO
2
•K
2
O
Topnienie 800ºC
karbonatyzacja
hydrauliczn
e
Cementy
portlandzkie
CaCO
3
70 do 75%
Glina 25%do 30%
Spiekanie
topnienie 1450ºC
Uwodnienie,
hydroliza,
karbonatyzacja
Cementy glinowe
CaCO
3
,boksyty
topnienie 1500ºC
Uwodnienie,
hydroliza
Cementy
romańskie
CaCO
3
50 do 70%
Glina 30 do50%
Prażenie 1100ºC
Uwodnienie,
hydroliza
Wapno
hydrauliczne
CaCO
3
75 do95%
Glina 5 do 25%
Prażenie 1200ºC
Uwodnienie,
hydroliza,
karbonatyzacja