Sprawozdanie z doświadczeń laboratoryjnych z chemii budowlanej:
Prowadzący doświadczenie: Iwona Chudyk
Grupa 1.
Zespół 7.
Rok studiów: I
Wydział Inżynierii Lądowej
Data wykonywania doświadczenia: 17.10.2013r.
Data oddania sprawozdania: 21.10.2013r.
Nr doświadczenia: 7.1
Temat doświadczenia: Komputerowa symulacja hydratacji cementu.
I. Wstęp teoretyczny.
Cement portlandzki – spoiwo hydrauliczne, wiąże zarówno na powietrzu jak i pod wodą.
Surowce wykorzystywane do produkcji tego spoiwa:
- skały: wapień i glina; margiel (wapień zawierający glinę),
- ruda żelaza,
- piasek,
- gips (regulator wiązania).
Skład mineralogiczny cementu portlandzkiego:
Wzór skrócony | Nazwa związku chemicznego | Nazwa zwyczajowa |
---|---|---|
C3S | krzemian trójwapniowy | alit |
C2S | krzemian dwuwapniowy | belit |
C3A | glinian trójwapniowy | celit |
C4AF | żelazoglinian czterowapniowy | braunmileryt |
CSH2 | siarczan wapniowy dwuwodny | gips surowy |
Krzemiany wapniowe – alit i belit – ulegają jednocześnie hydratacji i hydrolizie:
- alit: 2(3CaO ∙ SiO2) + 6H2O → 3CaO ∙ 2SiO2 ∙ 3H2O + 3Ca(OH)2
- belit: 2(2CaO ∙ SiO2) + 4H2O → 3CaO ∙ 2SiO2 ∙ 3H2O + Ca(OH)2
Produkt hydratacji: uwodniony krzemian wapniowy (faza amorficzna, tzw. żel C-S-H, objętościowo dominuje w utwardzonym zaczynie cementowym - > 50% objętości).
Produkt hydrolizy: wodorotlenek wapnia (portlandyt).
Efekt ściany – gorsze upakowanie ziaren cementu w pobliżu ziaren kruszywa w porównaniu z upakowaniem w głębi zaczynu cementowego.
Efekt jednostronnego wzrostu – następuje w czasie wiązania zaczynu ze względu na to, że zawartość cementu w pobliżu ziarna kruszywa jest mniejsza niż w głębi zaczynu cementowego (w wyniku „efektu ściany”).
Dodatki mineralne do betonu:
- pył krzemionkowy – produkt uboczny wytwarzania krzemu metalicznego lub stopu żelazokrzemowego, zawiera ponad 95% aktywnej krzemionki o bardzo drobnych ziarnach, ma właściwości pucolanowe, działa jako mikrowypełniacz uszczelniając strukturę betonu, dzięki temu możliwe jest otrzymywanie betonów o bardzo wysokiej wytrzymałości i odporności chemicznej.
- popiół lotny – odpad powstający podczas spalania węgla, jest to dodatek mniej efektywny niż pył krzemionkowy ze względu na większy rozmiar ziaren i mniejszą zawartość aktywnej krzemionki.
II. Cel prowadzonego doświadczenia.
Wykonanie trzech symulacji komputerowych procesu hydratacji cementu, które mają zaczyny o zróżnicowanym składzie w celu analizy wpływu zawartości dwóch różnych dodatków pucolanowych na przebieg i wyniki hydratacji.
III. Sprzęt wykorzystywany podczas doświadczenia.
- komputer
- program „iwueczka 3.4” umożliwiający przeprowadzenie symulacji hydratacji cementu
- drukarka
IV. Przebieg symulacji.
Przebieg symulacji nr 1.
Dane wejściowe:
- skład spoiwa: cement 90%, popiół lotny 10%,
- średnica ziaren cementu - 4-28 mikrometrów
- średnica ziaren popiołu lotnego – 6-28 mikrometrów
- rzeczywisty współczynnik w/s – 0,44
- efektywny współczynnik w/s (uwzględniający aktywność dodatków) – 0,47
- założony końcowy stopień hydratacji – 0,7
W trakcie hydratacji zawartość fazy stałej wzrosła w czasie o 42% do 80%. Stopień hydratacji wzrósł od zera do 68%.
Przebieg symulacji nr 2.
Dane wejściowe:
- skład spoiwa: cement 90%, pył krzemionkowy 10%,
- średnica ziaren cementu - 4-28 mikrometrów
- średnica ziaren pyłu krzemionkowego – 1 mikrometr
- rzeczywisty współczynnik w/s – 0,45
- efektywny współczynnik w/s (uwzględniający aktywność dodatków) – 0,41
- założony końcowy stopień hydratacji – 0,7
W trakcie hydratacji zawartość fazy stałej wzrosła w czasie o 42% do 84%. Stopień hydratacji wzrósł od zera do 68%.
Przebieg symulacji nr 3.
Dane wejściowe:
- skład spoiwa: cement 90%, popiół lotny 5%, pył krzemionkowy 5%,
- średnica ziaren cementu - 4-28 mikrometrów
- średnica ziaren popiołu lotnego – 6-28 mikrometrów
- średnica ziaren pyłu krzemionkowego – 1 mikrometr
- rzeczywisty współczynnik w/s – 0,45
- efektywny współczynnik w/s (uwzględniający aktywność dodatków) – 0,44
- założony końcowy stopień hydratacji – 0,7
W trakcie hydratacji zawartość fazy stałej wzrosła w czasie o 42% do 80%. Stopień hydratacji wzrósł od zera do 68%.
V. Wyniki.
1. Wyniki symulacji nr 1.
- osiągnięty stopień hydratacji – 0,7
- skład stwardniałego zaczynu cementowego (wagowy):
C-S-H 59%, CH 17%, niehydratyzowany cement 17%, nieprzereagowany dodatek pucolanowy 7%.
- porowatość stwardniałego zaczynu cementowego – 20%
- szacunkowa porowatość betonu – 11-12%
Z wykresu wynika, że porowatość stwardniałego zaczynu cementowego wynosiła najwięcej 44% w odległości 0 mikrometrów od ziarna kruszywa.
2. Wyniki symulacji nr 2.
- osiągnięty stopień hydratacji – 0,7
- skład stwardniałego zaczynu cementowego (wagowy):
C-S-H 75%, CH 7%, niehydratyzowany cement 17%, nieprzereagowany dodatek pucolanowy 1%.
- porowatość stwardniałego zaczynu cementowego – 14%
- szacunkowa porowatość betonu – 8-9%
Z wykresu wynika, że porowatość stwardniałego zaczynu cementowego wynosiła najwięcej 30% w odległości 0 mikrometrów od ziarna kruszywa.
3. Wyniki symulacji nr 3.
- osiągnięty stopień hydratacji – 0,7
- skład stwardniałego zaczynu cementowego (wagowy):
C-S-H 70, CH 10%, niehydratyzowany cement 17%, nieprzereagowany dodatek pucolanowy 3%.
- porowatość stwardniałego zaczynu cementowego – 16%
- szacunkowa porowatość betonu – 9-10%
Z wykresu wynika, że porowatość stwardniałego zaczynu cementowego wynosiła najwięcej 30% w odległości 0 mikrometrów od ziarna kruszywa.
VI. Wnioski.
Po przeprowadzeniu doświadczenia można wywnioskować, że niemożliwe jest uniknięcie efektu ściany i jednostronnego wzrostu. Nawet maksymalna ilość pyłu krzemionkowego jaka jest umieszczana w mieszance betonowej nie zapobiegła tym efektom. Jednak najmniejsza porowatość została osiągnięta właśnie po zastosowaniu 10% pyłu krzemionkowego – druga symulacja. Nieznacznie wyższa porowatość - bo o 1% - została odnotowana po zastąpieniu połowy ilości pyłu krzemionkowego popiołem lotnym – symulacja nr 3. Największa porowatość wystąpiła przy obecności 10% popiołu lotnego w mieszance betonowej i była ona o 3% większa niż w przypadku mieszanki zaprojektowanej w symulacji nr 2. We wszystkich symulacjach został osiągnięty jednakowy stopień hydratacji – 0,7.