UNIWERSYTET PRZYRODNICZY WE WROCŁAWIU

INSTYTUT IŻYNIERII KSZTAŁTOWANIA ŚRODOWISKA I GEODEZJI

BUDOWNICTWO II ROK

EGZAMIN Z TECHNOLOGI BETONÓW I ZAPRAW

KRZYSZTOF CZECHANOWSKI ROK AK.

2008/2009

2.a Proces technologii wypału klinkieru cementowego oraz schemat produkcji cementu.

Składniki : Margiel, wapień (72÷78%) i glina (22÷28%) glina dostarcza składniki hydrauliczne (krzemionka, tlenki glinu i żelaza)

Produkcja cementu
Podstawowym półproduktem przemysłu cementowego jest klinkier portlandzki. Surowcami używanymi do produkcji klinkieru są wapień, margle oraz glina. Są to surowce zasobne w CaO, SiO₂ oraz zawierające znaczne ilości Al₂O₃ i Fe₂O₃.
Mieszanina surowców jest mielona, a następnie wypalana w piecu obrotowym w temperaturze ok. 1450°C.

Proces produkcyjny może być prowadzony dwoma podstawowymi metodami: mokrą i suchą. W pierwszej metodzie surowce wprowadzane są do pieca w postaci szlamu. Zaletą tej metody jest łatwość mieszania i korygowania mieszaniny surowcowej natomiast wadą – duże zużycie energii. Zaletą metody suchej jest niskie zużycie energii, a co za tym idzie wyraźnie niższe koszty produkcji.
Istotną sprawą jest to, że jakość produktu (klinkieru portlandzkiego) nie zależy od stosowanej metody produkcji (sucha, mokra). W jednej i drugiej metodzie uzyskuje się porównywalne parametry jakościowe klinkieru.

Po wypaleniu mieszaniny surowcowej uzyskuje się produkt (klinkier), zawierający cztery podstawowe minerały klinkierowe:
Alit - C₃S - krzemian trójwapniowy
Belit - C₂S - krzemian dwuwapniowy
C₃A - glinian trójwapniowy
Brownmilleryt - C₄AF - glinożelazian czterowapniowy

Dodatki:

Żużel - powstaje jako produkt uboczny w procesie wielkopiecowym (produkcja surówki). W wyniku gwałtownego schłodzenia stopionego żużla wielkopiecowego uzyskuje się granu-lowany żużel wielkopiecowy, który jest bardzo wartościowym dodatkiem mineralnym do cementów.

Popiół - spalaniu węgla w zakładach energetycznych towarzyszy powstawanie odpadu jakim jest popiół.
W wyniku oczyszczania gazów spalinowych (w elektrofiltrach) wytrącane są tzw. popioły lotne, które wykorzystuje się jako dodatek do cementu.
Kolejnym etapem produkcji jest przemiał klinkieru z gipsem (lub anhydrytem), a otrzymanym produktem jest cement portlandzki. Podczas przemiału można wprowadzić dodatki  hydrauliczne jak np. żużel wielkopiecowy lub popiół lotny, co pozwala uzyskać cementy hutnicze, cement portlandzki z dodatkami lub cement pucolanowy. 

2.b.Wymień minerały klinkieru cementowego i ich wpływ na właściwości cementu.

Skład mineralogiczny cementu portlandzkiego:

nazwa materiału: skrócony wz. chemiczny: średnia zawartość masy w %

krzemian trójwapniowy C₃S 56

krzemian dwuwapniowy C₂S 22

glinian trójwapniowy C₃A 10

żelazoglinian trójwapniowy C₄AF 9

wolne wapno --- 1

MINERAŁY CEMENTU:

• alit (3CaO * SiO₂) - zawartość w klinkierze 50-65%

• belit (2CaO * SiO₂) - zawartość w klinkierze 15-25%

• brownmilleryt (4Ca * Al₂O₃)

• 2CaO * Fe₂O₃

• CaO - zawartość w klinkierze 1%

• MgO - zawartość w klinkierze do 9%

Podany wyżej skład mineralogiczny jest bardzo ważnym wskaźnikiem charakteryzującym przydatność cementu do poszczególnych konstrukcji budowlanych. Zawartość poszczególnych składników cementu pozostaje w ścisłym wzajemnym związku. Przykładowo można podać, że nawet nieznaczny wzrost ilości wapnia w surowcu powoduje wzrost zawartości C₃S i obniżkę C₂S, a jednocześnie C₃S + C₂S = 70-75%.

Nadmierna zawartość wolnego CaO może opóźnić hydratację cementu i spowodować zniszczenie betonu. Pomijając wpływ składu cementu i na odporność betonu w środowisku agresywnym, należy zwrócić uwagę na wpływ C₃A. Powoduje on trzy zjawiska: wzrost ilości wydzielanego ciepła w czasie w czasie wiązania, obniżenie końcowej wytrzymałości betonu oraz przyspieszenie wiązania, co również nie zawsze jest zbyt korzystne.

Wpływ składu chemicznego i mineralnego cementów na ich właściwości:

• Szybkość procesu wiązania i twardnienia cementu

• Szybkość i ilość wydzielanego ciepła podczas hydratacji

• Skład mineralogiczny powstającego kamienia cementowego

• Wytrzymałość na ściskanie

• Odporność na agresywne środowiska

• Odkształcalność

• Trwałość

Przykłady:

• C₃S- wiąże szybciej niż C₂S, ale daje niższą wytrzymałość końcową

• FeO- nadaje ciemną barwę cementowi i obniża wrażliwość cementów na wody z siarczanami

• K₂O i Na₂O – mogą reagować z krzemionką opalową w kruszywach, co prowadzi do pęcznienia i pękania betonów

Właściwości cementu można ocenić znając jego skład chemiczny bądź mineralogiczny oraz wiedząc, że do betonowana dużych bloków np. zapór wodnych, należy przyjąć cement o małej ilości C₃A i C₃S, a o podwyższonej ilości C₂S. Beton będzie wiązał wtedy wolniej i będzie wydzielał mało ciepła, dlatego nie nastąpi zbytnie rozgrzanie i z tym związane ewentualne pękanie konstrukcji.

2.c Podaj reakcje chemiczne hydratacji minerałów składowych cementu.

Cement po zarobieniu z wodą ulega hydratacji, czyli uwodnieniu. Ilość wody niezbędna do hydratacji cementu waha się od 20 do 25% jego masy.

W początkowym okresie gliniany wapniowe (CA) uwadniają się bardzo szybko - zjawisko to należy hamować tak, aby nie dopuścić do przedwczesnego tężenia zaczynu. Dodatek siarczanu wapniowego (gips lub anhydryt) powoduje spowolnienie tych procesów poprzez utworzenie uwodnionych siarczano-glinianów wapniowych  otaczających ziarna glinianów. Krzemiany wapniowe (CS) ulegają wolniej uwodnieniu niż gliniany, a procesowi hydratacji towarzyszy powstawanie wodorotlenku wapniowego i bardzo trwałej struktury uwodnionych krzemianów wapniowych (CSH).

Żużel wielkopiecowy i popiół lotny wchodzą w reakcję chemiczną z utworzonym wodorotlenkiem wapniowym tworząc także uwodnione krzemiany wapniowe. Powstałe hydraty zagęszczają strukturę wpływając korzystnie na trwałość zaczynu cementowego.

Hydratacja cementu (uwodnienie) ogół procesów fizycznych i chemicznych (obejmujący rozpuszczanie, reakcje hydratacji i hydrolizy) przebiegający na skutek łączenia wody z cementem z utworzeniem produktów reakcji. Niezbędna ilość wody do pełnej hydratacji waha się 20-25% jego masy.

Postępujący proces hydratacji cementu jest procesem egzotermicznym- oznacza to, że podczas hydratacji wydzielane jest ciepło.

• W przypadku celitu:

3CaO . Al₂O₃ + 6H₂O 3CaO . Al₂O₃ . 6H₂O

3CaO . Al₂O₃ + 3CaSO₄ + 31H₂O 3CaO . Al₂O₆ . 3CaSO₄ . 31H₂O

• W przypadku belitu:

2[2CaO . SiO₂] + 4H₂O 3 CaO . 2SiO₂ . 3H₂O + Ca(OH)₂ Ξ CSH + CH

• W przypadku alitu:

2[3CaO . SiO₂] + 6H₂O 3CaO . 2SiO₂ . 3H₂O +3Ca(OH)₂ Ξ CSH + CH

Opis uproszczony:

C₃S + H₂O CSH + CH

C₂S + H₂o CSH + CH

C₃A + CSH₂ + H₂O C₃A . 3CSHn (w tym n= 32 Ξ etryngit C₆AS₃H₃₂)

C₃A + H₂O C₃AH₁₃ + C₂AH₈ (po dłuższym czasie C₃AH₆)

C₄AF + H₂O C₄(AF)H₁₃

3.c Podaj tok projektowania np.: zapraw cementowych.

Zakłada się wytrzymałość zaprawy na ściskanie zależnie od potrzeby konstrukcji budowlanej

Rz = Rc (1/n – 0,05) + 4

n-stosunek objętości piasku do cementu w stanie luźno usypanym

Rc-marka cementu użytego

Stąd wyznacza się wartości

P

n = ----

C

C = 1200kg/m³

Zakłada się (z przybliżeniem) , że na 1m³ zaprawy trzeba 1m³ suczego piasku i stąd:

1

n = ----

C

dobór marki cementu

ΔRz ≤ Rc ≤ 5 Rz

Dodatek ciasta wapiennego (by zwiększyć urabialność) w przybliżeniu:

D = 170 (1-) dm³/m³

C = 1200 kg/m³

Z tych ilości składników sporządza się próbny zarób. Mierzy objętość i ustala ilość składników potrzebnych na 1m³ zaprawy.

4.a Klasy betonu. Statystyczne opracowanie wyników badań betonów

Podstawowym parametrem charakteryzującym beton jest jego klasa, oznaczająca wytrzymałość na ściskanie gwarantowaną przez producenta z prawdopodobieństwem 95%, mierzona w MPa.
Podział:

• Wg. starej normy:

Beton zwykły może być produkowany w klasach: od B 7,5 do B 50. Betony wysoko wytrzymałościowe produkowane są w klasie wyższej niż B 50. Klasa jest jednym z kryteriów zastosowania mieszanki betonowej w określonego rodzaju elementach i konstrukcjach budowlanych np:
- B 10 i B 15 – fundamenty budynków i elementy zginane narażone na małe obciążenia użytkowe,
- do B 20 – elementy ściskane mimośrodowo,
- do B 25 – fundamenty pod maszyny,
- do B 30 – elementy cienkościenne,
- do B 35 – elementy mostów,
- do B 40 – żelbetowe elementy prefabrykowane,
- > B 45 – nawierzchnie drogowe.
Symbol B 20 oznacza beton klasy 20 (o gwarantowanej wytrzymałości na ściskanie 20 MPa).
Betony mogą być produkowane na placu budowy lub w zakładzie wytwórczym i przewiezione na plac budowy (do miejsca wbudowania). Tak przygotowana mieszanka nosi wtedy nazwę betonu towarowego.

• Wg. nowej normy:

C8/10 ; C12/15 ; C16/20 ; C20/25 ; C25/30 ; C30/37 ; C35/45 ; C40/50 ; C45/55 ; C50/60 ; C55/67 ; C60/75 ; C70/85 ; C80/95 ; C90/105 ; C100/115 ;

C XX/YY ,gdzie:

XX-wytrzymałość charakterystyczna na ściskanie próbki walcowej o średnicy 15 i wysokości 30 cm

YY- wytrzymałość charakterystyczna na ściskanie próbki sześciennej o wymiarach 15x15x15 cm

Wyniki wytrzymałościowe próbki betonu opracowujemy na podstawie dokonanych badań, które zestawiamy, a następnie ze wzoru na wariancje oblicza się odchylenie standardowe i konstruuje się krzywą rozkładu tzw. krzywą Gaussa (rys po lewej)

$$f_{\text{cm}} = \frac{\sum_{}^{}f_{\text{ci}}}{n}$$

f_ci - każdy poszczególny pomiar n - liczba pomiarów

f_ck = f_cm − ∂ = f_cm − t × s,

gdzie t=1,64, więc

f_ck = f_cm − 1, 64s

s- odchylenie standardowe : $s = \sqrt{\frac{1}{1 - n}\ \times \sum_{}^{}{(\text{fci} + \text{fcm})}^{2}}$