Zużycie ciepła:

- klinkier portlandzki 3200 kJ/kg

- wapno 4000 kJ/kg

- cegła ceramiczna 1500-2500 kJ/kg

- beton komórkowy 550 kJ/kg

- cegła wapienno-piaskowa 350 kJ/kg

- gips 1200 kJ/kg

- wełna mineralna 3200 kJ/kg

Materiały budowlane (rodzaje krzemianów i glinokrzemianów):

- wyspowe [SiO₄]^-4 (ortokrzemiany)

- pirokrzemiany [Si₂O₇]^-6

- warstwowe [Si₂O₅]^-2

- łańcuchowe [SiO₃]^-2

- szkieletowe [Sio]⁰

a)Ortokrzemiany (wyspowe) [SiO₄]^-4

- klinkier portlandzki

Ca₃[SiO₄]O alit

β Ca₂[SiO₄] belit

- żużle wielkopiecowe i stalownicze

β Ca₂[SiO₄]

monticelit CaMg[SiO₄]

merwinit Ca₃Mg[SiO₄]₂

b) Pirokrzemiany [Si₂O₇]^-6

rankinit Ca₃[Si₂O₇]→żużle wielkopiec.

c) Warstwowe:

- Al₄[Si₄O₁₀](OH)₈ kaolinit

- illit

- montmorylonit

Granulowane żużle wielkopiecowe:

Melility Ca₂Al[AlSiO₇]-Ca₂Mg[Si₂O₇]

gelenit akermanit

d) Łańcuchowe, wstęgowe:

- CaMg[Si₂O₆] diopsyd (żużel)

- Ca[SiO₃] wolastonit (żużel)

- Ca₆[Si₆O₁₇](OH)₂ xonolit

- Ca₅[Si₆O₁₈H₂]·4H₂O tobermoryt

- żużle hutnicze, bazalt, porfir, beton

e) Szkieletowe [SiO₂]:

- kwarc SiO₂

- ortoklaz K[AlSi₃O₈]

- anortyt Ca[Al₂Si₂O₈]

- nefelin Na[AlSi₃O₈]

piasek, bazalt, granit, sjenit

Reakcje chemiczne:

Ciało stałe ↔ ciało stałe

Dyfuzja

Spiekanie bez udziału fazy ciekłej:

- wyroby ceramiczne (cegła, pustaki ścienne i stropowe)

- płytki ceramiczne

- kruszywo lekkie (łupko, glinoporyt)

Ciało stałe ↔ ciecz

a) Spiekanie

- cegła klinkierowa, klinkier portlandzki, kruszywo lekkie

b) Hydratacja, wiązanie i twardnienie

- dyfuzja

- rozpuszczalność

- krystalizacja z roztworem (nukleacja)

Ciało stałe ↔ gaz

Rozkład termiczny K=p_gⁿ (wapno,gips)

- defekty sieci krystalicznej

- szybkość zarodkowania

Produkty: wapno, gips, metakaolinit

Ciała stałe:

Amorficzne krystaliczne

- ceramika budowlana, beton, włókna mineralne, szkło piankowe

Krystaliczne

- gips, wapno, klinkier portlandzki, cegła klinkierowa, kruszywo

Maszyny rozdrabniające:

Kruszarki:

- szczękowe, młotkowe, walcowe (kruszywa łamane, klinkier, wapno, gips), prętowe, kołognioty (cer. bud.)

Młyny:

- misowo-rolowe, kulowe, walcowe (do kilkadziesiąt μm - mat. wiążące)

Maszyny formujące:

Prasy:

- pasmowe, stemplowe (cer. bub., cegła silikatowa), wibroprasy (kostka brukowa, dachówka cem., rury beton.)

Inne urządzenia:

- wibratory, rolki obrotowe, formy do wyrastania mieszanki, formy do odlewania próżniowego

Dachówka ceramiczna jest lżejsza od cementowej i jest mniej wydajna.

Urządzenia cieplne:

Suszarnie:

- tunelowa, komorowa (ceramika), młyny susząco mielące (mat. wiążące)

Piece:

- tunelowe (ceramika), obrotowe (mat. wiążące), prażarki (gips), szybowe (wapno, wełna mineralna), piece z cyklonowymi wymiennikami ciepła (mat. wiążące przy prod. klink. portl.)

Urządzenia do odzysku ciepła:

- chłodniki planetarne (klin. portl.), chłodniki rusztowe, piece dwuszynowe (pr. wapna), cyklonowe wymienniki ciepła, piec tunelowy do wytwarzania ceramiki

Właściwości podstawowe:

- wytrzymałość na ściskanie i zginanie, nasiąkliwość, gęstość objętościowa, przewodnictwo cieplne, mrozoodporność, wodoszczelność, przesiąkliwość (dachówki), czas wiązania (mat. wiąż.), stałość objętości

Właściwości specjalne:

- odporność na korozję chemiczną, udarność, ścieralność, promienio-twórczość, paroprzepuszczalność, barwa (trwałość), podciąganie kapilarne, odporność ogniowa, porowatość, akustyczność.

Struktura:

a) budowa danej fazy (krystaliczna, amorficzna)

b) rodzaj faz

Mikrostruktura:

a) przekrój kryształów i polikryształów

b) porowatość (wielkość, kształt i objętość porów)

c) powierzchnia właściwa

Mikrostruktura wyrobów:

Morfologia składników fazowych:

- włókna, płytki, regularne (owalne)

Porowatość - rodzaj „porów”:

- zamknięte, otwarte (makropory, kapilary)

Rodzaje porów:

Według IUPAC:

- mikropory (d<2mm), mezopory (d=2-50mm), makropory (d>50mm)

Pory w stwardniałym zaczynie cement:

- mikropory - pory żelowe (d<2mm), małe pory kapilarne (d=2-50mm), duże pory kapilarne (d=50-1000mm), makropory (d>1000mm)

Najważniejsze właściwości mat. bud.

Cement:

- wytrzymałość, czas wiązania, stałość objętości

Spoiwa gipsowe:

- wytrzymałość, wsp. rozmiękania, czas wiązania, wsp. przewod cieplnego

Spoiwa wapienne:

- czas i temperatura gaszenia, barwa, stałość objętości

Cegła ceramiczna:

- wytrzymałość, gęstość objętościowa, mrozoodporność, wsp. przewod. ciepl.

Dachówka:

- wytrzymałość na zginanie, przesiąkliwość, mrozoodporność

Pustaki stropowe:

- wytrz. na zginanie, gęstość objęt.

Cegła wapienno-piaskowa:

- wytrzymałość, gęstość objętościowa

Zaprawa budowlana:

- właściwości reologiczne, przyczepność, współ. przewodnictwa cieplnego, trwałość, barwa (tynki)

Beton zwykły:

- wytrzymałość, trwałość

Beton komórkowy:

- gęstość obj., współ. przew. ciepl.

Beton lekki kruszywowy:

- gęstość obj. 1000-2000 kg/m³, współ. przew. cipln., wytrzymałość 2-50 MPa

Materiały izolacyjne:

- gęstość objętościowa 20,40,60 [kg/m³], wsp. przew. ciepln.<0,1 [W/mK], odporność ogniowa

Formy występowania mat. budowl.:

Półprodukt:

- mat. wiążące, włókna

Wyroby:

- betony, zaprawy, cegła ceramiczna, cegła wapienno-piaskowa, dachówka, pustaki stropowe, materiały izolacyjne

Stopień rozdrobnienia mat. budowl.:

Półprodukty:

- mat. wiążące 5-60 μm, kruszywo 0,125-63mm, włókna d=0,1-1mm

Stosowanie:

- budownictwo przemysł, komunalne, mieszkaniowe, specjalistyczne, materiały w ochronie środowiska.

Kierunki rozwoju:

- wzrost wytrzymałości, zwiększenie odporności na korozję, zmniejszenie współ. przew. ciepln., wykorzystanie surowców wtórnych, zmniejszenie zużycia energii i emisji gazów.

PRODUKCJA, WŁAŚCIWOŚCI I ZASTOSOWANIE WAPNA:

Produkcja wapna palonego:

- kopalnia, rozdrabnianie (łamacze młotkowe, szczękowe), sortowanie (50-150 mm), wypalanie (piece szybowe, obrotowe), sortowanie, mielenie (młyny), gaszenie na sucho

Surowce wapienne:

- wapień bardzo czysty >98% CaCO₃

- wapień czysty 95-98% CaCO₃

- wapień zwykły 90-95% CaCO₃

- wapień ilasty 75-90% CaCO₃

- margiel 25-75% CaCO₃

Zanieczyszczenia:

- CaMg(CO₃)₂

- MgCO₃ (MgO martwopalone, nie

reaguje z wodą)

- SiO₂ (piasek - kwarc, ze skałą ilastą)

- Fe₂O₃ (minerał syderyt)

Piece do wypalania wapna:

- stosy, piece polowe (cegła), piec kręgowy, szybowy, obrotowy, modernizacja pieców szybowych, piece dwuszybowe Mearza

Reakcje w układzie heterogenicznym:

AB ↔ A + B ± Q

CaCO₃ ↔ CaO + CO₂

K=p CO₂

E_s=
_s σ_sds

CaCO₃↔CaO+CO₂+2924kJ/kg wapnia

Asortymenty wapna:

- wapno palone (w bryłach, mielone)

- wapno gaszone (suchogaszone - hydrat, ciasto wapienne - dołowane)

Właściwości fizyczne wapna budowl.:

- stopień rozdrobnienia (analiza sitowa 0,2-0,09mm, powierzchnia właściwa), stopień białości, czas gaszenia 4-30', temp. gaszenia >60ºC, barwa, stałość obj., gęstość nasypowa <600 kg/m³

Temperatura gaszenia:

- niskotemperaturowe <40ºC

- średnia temperatura 40-55ºC

- wysoka temperatura 55-65ºC

- bardzo wysoka temperatura >65ºC

Czas gaszenia:

- szybkogaszące <10min.

- średniogaszące 10-30min.

- wolnogaszące 30-60min.

Proces gaszenia wapna:

CaO + H₂O → Ca(OH)₂ + Q

Q = 1160 kJ/kg CaO

V_Ca(OH)2 > V_CaO

ΔV ~ 2-3,5 razy

- suchogaszone 5μm

- ciasto wapienne 1μm (ilość wody, temp. gaszenia, wydajność ciasta wapiennego, wielkość kryształów)

Proces twardnienia:

I etap - rozpuszczanie

II etap - koloidyzacja

III etap - krystalizacja

IV etap - karbonizacja

Zjawisko skurczu:

koloidy → peptyzacja → krystalizacja

Karbonizacja - na powierzchni warstwa węglanu wapnia

Etap koloidyzacji, mamy koloid i kryształy, kruszywo zmniejsza skurcz → piasek

Przebieg wiązania i twardnienia::

I Ca(OH)₂ + H₂O → Ca(OH)₂ · nH₂O

II Ca(OH)₂ + CO₂ → CaCO₃

Zastosowanie wapna i kamienia wapiennego:

- budownictwo (zaprawy, beton ko- mórkowy, cegła wapienno-piaskowa), hutnictwo, chemia, rolnictwo (odkwa-szanie gleby, lasy), odsiarczanie gazów

Budownictwo:

- zaprawy (tynkarskie, murarskie), beton komórkowy (Unipol, PGS, cegła wapienno-piaskowa)

Wapno hydrauliczne:

MH 1,7-3,0-wapno silnie hydrauliczne

MH 3,0-4,5-wapno słabo hydrauliczne

Do tynku zewnętrznego, do zapraw, gdzie nie tynkujemy, nie produkuje się w Polsce, wytrzymałość 5MPa

Cement Morela:

Skład: MgO 65-70%

MgCl₂ ∙ 6H₂O 30-35%

Właściwości:

czas wiązania: początek >20 minut

koniec <6 godzin

Wytrzymałość:

28 dni 40-60 MPa

24 h 20-30 MPa

7 dni 35-55 MPa

Spoiwo odporne na korozję magnezową, materiał izolacyjny 300-600 kg/m³, λ~0,2 [W/mK], nie produkowany w Polsce.

SPOIWA GIPSOWE:
CaSO₄ · 2H₂O - max 200ºC rozkład do siarczanu półwodnego

Gazy do atmosfery:

- spoiwa gipsowe

CaSO₄∙2H₂O→CaSO₄·1/2H₂O+3/2H₂

1 tona produktu - 0,2 tony H₂O

- wapno palone

CaCO₃ → CaO + CO₂

1 tona produktu - 0,84 tony CO₂

- cement

CaCO₃ → CaO + CO₂

1 tona produktu - 0,6 tony CO₂

Rozmiękanie - wytrzymałość wyrobu nasączonego wodą do wytrzymałości materiału suchego.

Zużycie energii cieplnej:

a) spoiwa gipsowe (ilość ciepła 1250 kJ/kg spoiwa, paliwo umowne 43 kg/tonę spoiwa)

b) wapno

Całkowita ilość CO₂:

- gips (1,0), wapno (7,9), cement (6,6)

Podział spoiw gipsowych:

- spoiwa gipsowe (gips półwolny)

- spoiwa anhydrytowe

- estrich gips

Surowce:

- naturalne (CaSO₄ ∙ 2H₂O, CaSO₄)

- wtórne (gips z odsiarczania, fosfogips gips zanieczyszczony fosforem)

Podstawowe operacje:

- urobek surowca, rozdrabnianie, prażenie (200ºC), dojrzewanie (ujedno-rodnienie), mielenie, gotowy wyrób

Prażenie w prażarkach o pracy ciągłej lub okresowej, piece obrotowe → mie-szanina anhydrytu i gipsu półwodnego.

Proces w autoklawie 150ºC, kilka atmosfer lub dodawać np. CaCl₂. Odmiana α - w formach ceramicznych, większa wytrz., nie prod. w Polsce

Termiczna analiza różnicowa:

1. wrzenie - związane z wodą

2. wrzenie - z wodą związaną większymi siłami

Podstawowe właściwości:

- czas wiązania, wytrzymałość (10-40 MPa), współczynnik rozmiękania, zmiany objętości (skurcz), pęcznienie, skurcz, gęstość pozorna (1000 kg/m³), przyczepność, współ. przewodności (0,3), ognioodporność, mikroklimat, podciąganie kapilarne, nasiąkliwość

Wytrzymałość gipsów półwodnych:

α β

-normalna 35%H₂O 90%H₂O

konsystencja

-czas wiązania 15-20 25-40

-wytrzymałość 45-55 6-15(20)

po wysuszeniu R

-współczynnik 0,50 0,30

rozmiękania

-wytrzymałość 6-11 1,3-4,5

na zginanie

Klasyfikacja spoiw wg ustaleń norm.

1. Spoiwa gipsowe półwodne:

- gips budowlany (gruboziarnisty, drobnoziarnisty)

- spoiwa gipsowe specjalne (gips szpachlowy, tynkarski, klej gipsowy)

Proces hydratacji gipsu półwolnego:

CaSO₄∙1/2H₂O+3/2H₂O→CaSO₄∙2H₂

Rozpuszczalność gipsu półwolnego:

- p_o - 9 g/l, α - 6,5 g/l, CaSO₄∙2H₂O - 2 g/l, CaSO₄ II - 3 g/l.

Ciepło twardnienia:

β - 4600 cal/mol

α - 4000 cal/mol

Kierunki rozwoju i badania:

a) spoiwa gipsowe - gips półwodny

Skład:

- udział αCaSO₄·1/2H₂O, reologia, udział włókien, domieszki, dodatki mineralne

Właściwości:

- czas wiązania, czas suszenia, współ. rozmiękania, skurcz, wytrzymałość, przyczepność

b) spoiwa anhydrytowe:

Skład:

- aktywatory (CaO, MgO, K₂SO₄, Na₂SO₄, dodatki mineral.), domieszki, dodatki mineralne (żużel), reologia

Właściwości:

- skurcz, wytrzymałość, ścieralność, wodoodporność

Aktywatory spoiw anhydrytowych:

- siarczan sodowy i potasowy, wapno palone lub suchogaszone, dolomit prażony, mielony granulowany żużel wielkopiecowy, siarczan glinowy

Proces wiązania i twardnienia:

CaSO₄I+H₂O→CaSO₄∙2H₂O

CaSO₄II+Ca(OH)₂+H₂O→CaSO₄·2H₂O+Ca(OH)₂

CaSO₄II+K₂SO₄+2H₂O→CaSO₄∙2H₂O+K₂CaSO₄

Zastosowanie spoiw anhydrytowych:

- materiały wykończeniowe, zaprawy, mieszanki tynkarskie, masy posadzk.

Spoiwa mieszane CEM V:

Cel:

- zwiększenie wodoodporności, modyfikacja mikrostruktury i

struktury, impregnacja wgłębna żywicami, pokrywanie tworzyw gipsowych powłokami ochronnymi

Rodzaje spoiw:

- gipsowo - cementowo - pucdanowe

- gipsowo - żużlowo - pucdanowe

- gipsowo - wapniowo - żużlowe

- gipsowo - wapniowo - pucdanowe

Przykładowe składy:

CaSO₄·1/2H₂O 50-70%

cement portlandzki 15-25%

dodatek pucdanowy 10-25%

Właściwości:

- przyrost wytrzymałości 20%, zwiększenie wodoodporności, zmniejszenie skurczu, rola obróbki cieplnej, nasiąkliwość 7-15%

Zastosowanie spoiw:

a) bardzo duże zużycie

- płyty gipsowo - kartonowe

- suche mieszanki tynkarskie

b) małe zużycie

- elementy ścienne wewnętrzne

- posadzki samopoziomujące

c) bardzo małe zużycie

- elementy ścienne zewnętrzne

- pianogips

PRODUKCJA I WŁAŚCIWOŚCI CEMENTU PORTLANDZKIEGO:

Produkcja cementu 1,5 mld ton/rok, Polska 11,0 mln ton/rok

Surowce do prod. klinkieru portlan.

Podstawowe surowce:

- wapienne CaCO₃ (wysoki >44%CaO, niski <44%CaO, margiel naturalny 75% CaCO₃)

- gliny, iły i łupki ilaste (illit K₃Al₄[Si_9-yAl₃O₂₀](OH)₄, montmorylonit Al_3,33Me_0,67[Si₈O₂₀](OH)₄

- popioły lotne (CaO-C, Al₂O₃-A, SiO₂-S, Fe₂O₃-F)

Surowce korygujące:

- surowce żelazonośne, krzemionkowe (popiół lotny 50% SiO₂, 30% Al₂O₃; żużle hutnicze), mineralizatory i mikrododatki

Mineralizatory - katalizator, przejściowe fazy ułatwiające powstanie fazy właściwej. Mikro-dodatki - mają defektować strukturę.

Składniki niepożądane:

- dolomit CaMg(CO₃)₂, magnezyt Mg CO₃, piasek, siarczany i siarczki, chlor

MgO - do 5% defektuje struktury

Piasek - należy do krzemianów szkieletowych, mało reaktywny, reakcja przebiega powoli.

Surowce ilaste - warstwowe

Siarczany i siarczki - anhydryt

Chlor - metoda mokra - chlor uciekał

- metoda sucha - zatężenie chloru, niskotopliwe związki zatykają układy piecowe, korozja stali. Z pieca robi się obejście w którym zatężany jest chlor.

Kryteria doboru surowców:

- pochodzenie geologiczne, skład che-miczny, zawartość wody, skład mine-ralny, zdolność do spiekania co 100ºC

Podstawowe moduły:

MN = 0,85 ÷ 0,95 (1,02)

moduł nasycenia

W jakim stopniu wapno zostało nasycone krzemionką, 100%

moduł krzemowy im większy tym więcej C₃S, C₂S

moduł glinowy, reguluje ilość powstających minerałów C₃A C₃AF

Podstawowe operacje technologiczne:

- wydobycie surowców (węglan wapnia, ilaste), rozdrabnianie, homogenizacja, korekcja, homoge-nizacja, mielenie i suszenie (młyny misowo-kulowe), homogenizacja, wypalanie, chłodzenie, magazyno-wanie klinkieru, mielenie klinkieru z gipsem, mielenie klinkieru z gipsem i dodatkami mineralnymi

Suszenie - gazy odlotowe z pieca, powietrze w procesie chłodzenia klinkieru

Zbiornik buforowy: homogenizacja

Wypalanie - spiekanie z udziałem fazy ciekłej, piec obrotowy do syntezy minerałów. Szybkość chłodzenia zabezpiecza rozrost kryształów.

Fałszywe wiązanie cementu - w procesie mielenia→ciepło, może nastąpić odwodnienie gipsu 100ºC →półwodny, w betonie szybko zwiąże.

Przygotowanie paliwa →węgiel zmielić, mieszanina wybuchowa

Podstawowe strefy przy syntezie klinkieru portlandzkiego:

- podgrzewanie(oddawanie wody z miner.ilastych rozkład dolomitu i magnezytu), dekarbonizacja (kalcynacja) 700-900ºC, strefa reakcji egzotermicznych (fazie stałej, w fazie ciekłej), chłodzenie (chłodniki rusztowe, planetarne)

Powietrze do spalania paliw:

- Pierwotne, wtórne

20-200 ^oC utrata wody fizycznie związanej

200-500 ^oC podgrzewanie

500-800 ^oC rozkład minerałów ilastych

700-900 ^oC rozkład węglanów

~ 800 ^oC początek syntezy CA,C₂F,C₂S

800-900 ^oC 12CaO∙7Al₂O₃(C₁₂A₇)

900-1100 ^oC powstawanie i rozkład gelenitu (C₂HS) początek powstania C₃A, C₄AF, zawartość CaO max.

1100-1200 ^oC utworzenie całkowite C₃A, C₄AF, C₂S osiąga max.

1260 ^oC utworzenie fazy ciekłej

1260-1450 ºC krystaliczny C₃S, spadek zawartości wolnego wapna

Proces powstawania minerałów klinkierowych:

Faza stała

βC₂S belit, C₄AF, C₃A) <40%

Faza ciekła

C₃S alit, CaO_w, MgO_w

5% MgO, 4% - fazy mogą wchłaniać dodatkowo magnez, piec obrotowy - 90m długość, opony - do 20% paliwa, metale ciężkie polepszają jakość

Zużycie ciepła - metoda sucha:

- teoretyczne - 2000kJ/kg

rozchód, przychód

- praktyczne - 3000kJ/kg

straty z gazami, straty z klinkierem, straty przez agregaty cieplne

- sprawność cieplna

- metoda mokra η ≈ 30%

Wpływ wybranych parametrów na czas syntezy klinkieru:

- skład chemiczny surowców, skład fazowy, rodzaj urządzeń współpracujących, rola fazy ciekłej(pierścienie), stopień rozdrobnienia, mineralizatory, rola alkaliów(pierścienie), popiół paliwa(absorbowany przez surowiec)

Zmiana paliwa → korygować skł.chem

Skład chemiczny klinkieru:

CaO 62-70%, SiO₂ 21-24%, Al₂O₃ 4-8%, Fe₂O₃ 2-4%, MgO <5%, (TiO₂, 2%MnO₂, P₂O₅)<3%, (Na₂O,K₂O) <1,5%

Skład mineralny:

C₃S 40-70%, βC₂S 15-40%, C₄AF 5-15%, C₃A 3-15%, CaO_w <1,5%, MgO_w <1,0%, (Na₂SO₄, K₂SO₄, CaSO₄) - zakłócają proces wiązania.

Mielenie klinkieru - wyłuskiwanie pojedynczych kryształów.

Odmiany polimorficzne:

Ca₂[SiO₄]·CaO - alit

- heksagonalna > 1070 ^oC

- 3 jednoskośne 1050 ^oC - 980 ^oC

- 3 trygonalne 920 ^oC - 120 ^oC

Alit w klinkierze (odmiana):

- jednoskośna

- rzadziej heksagonalna i trójskośna

Odmiany polimorficzne:

Ca₃Al₂O₆(C₃A)

- regularna <1,9% Na₂O

- rombowa 3,7 - 4,6% Na₂O

- mieszanina regularnej i rombowej

Domieszki izomorficzne w fazach klinkierowych:

C₃A - 13%, C₄AF - 11%, C₂S - 6%, C₃S - 4%, im więcej alkaliów - szybkość hydratacji spada.

Podstawowe własności cementów:

- wytrzymałość na ściskanie (zaprawa o zdef. stosunku W/C 0,50, cement do piasku 1:3, woda,warunki dojrzewania zaprawy, po jakim czasie 2,7,28 dni)

- czas wiązania, stałość objętości, powierzchnia właściwa (ciepło hydratacji - naprężenia termiczne), plastyczność (ilość dodanej wody)

Czas wiązania- jak szybko przechodzi z fazy plastycznej w stałą.

Stałość objętości - metody przyspieszonej reakcji

Właściwości specjalne:

- ekspansja (świadome doprowadz. do wzrostu objętości), odporność na korozję chemiczną, małe ciepło twardnienia (C₃S-405, C₃A-590, βC₂S-63 [J/g], duże wytrzymałości początkowe (2 dniowe powyżej 10 MPa), mała zawartość alkaliów

(Na₂O + K₂O) nie więcej niż 1,5%

Wpływ niektórych czynników na wytrzymałość:

- przekrój kryształów alitu, dodatki akcesoryczne, skład mineralny klinkieru, stopień rozdrobnienia (wielkość ziaren - 0-60 μm) - I frakcja 0-5, II 5-20, III 20-40, IV 40-60, V>60

Czynniki wpływające na czas wiązania

- skład mineralny klinkieru portl., powierzchnia właściwa, ilość dodawa-nego regulatora czasu wiązania (gips wydłuża), rodzaj i ilość dodawanych dodatków mineralnych - wydłuża.

Stałość objętości:

- zawartość wolnego CaO

CaO+H₂O→Ca(OH)₂

- zawartość peryklazu MgO

MgO+H₂O→Mg(OH)₂ (wzrost obj. wodorotl. nast. po związaniu zaprawy)

Kryteria podziału:

- wytrzymałość na ściskanie (począt-kowa, końcowa), skład mineralny, stosowane dodatki min., barwa, zmia-ny obj., ciepło twardnienia, czas wią-zania, zużycie energii, rodzaj klinkieru

Wytrzymałość na ściskanie:

Klasy wytrzymałości 32,5; 42,5; 52,5

Normalnie twardniejące RS - 7, 28 dni

Szybkotwardniejące RS - 2, 8 dni

Rodzaj dodatków mineralnych:

- granulowany żużel wielkopiecowy S, pucolana naturalna P, pucolana prze-mysłowa Q, popioły lotne (krzemion-kowy N, wapienny W), kamień wapienny l,u, pył krzemionkowy D, łupek palony T, żużle, włókna, piaski

Hydratacja faz klinkierowych:

2C₃S+4H→C₃S₂H+3CH+Q

β2C₂S+2H→C₃S₂H+CH+Q

2C₃A+21H→C₂AH₈+C₄AH₁₃+Q

C₃A+6H→C₃AH₆+Q

C₄AF+21H→C₂(AF)H₈+C₄(AF)H₁₃+Q

C₃A+CaSO₄·2H₂O+26H→C₃A∙3CaSO₄·32H₂O

C₃A+CaSO₄∙2H₂O+12H→C₃A·CaSO₄∙12H₂O

Proces hydratacji cementu:

- chemisorpcja wody na powierzchni ziaren I etap, okres indukcji II etap, okres przyspieszenia reakcji chemicznej III etap, czas spowolnienia reakcji chemicznej IV etap

III etap - 28 dni

Zewnętrzna warstwa c/s > 2,0

Wewnętrzna warstwa c/s < 2,0

Produkty hydratacji cementu:

- żelowe (żel CSH, CH)

- submikrokrystaliczne CH, CSU

- krystaliczne C₂AH₈, C₄AH₁₉, C₃AH₆, C₃A·3CS∙32H, C₃A·CS∙12H, CH

- w obrębie fazy CSH wyróżnia się:

CSH I - forma włóknista, tworzy pomosty pomiędzy ziarnami, daje efekt wiązania, CSH II - sieć włókien tworzących siatkę, tzw. plaster miodu, CSH III - cząsteczki o nieregularnych zarysach, CSH IV - ściśle upakowane skupienia ziaren, powstałe w miejscu ziaren wyjściowego materiału.

Fałszywe wiązanie cementu:

I etap CaSO₄·1/2H₂O

podczas mielenia (> 100ºC)

II etap - przygotowanie mieszanki betonowej lub zaprawy

CaSO₄∙1/2H₂O+11/2H₂O→CaSO₄·2H₂

III etap - rozpuszczanie się gipsu podczas twardnienia

Stwardniały zaczyn cementowy po 1 roku (w/c=0,5)c

Klinkier 6%obj, Ca(OH)₂ 11%obj, xCaO∙ySiO₂·nH₂O 37%obj, CaCO₃ 1% obj, C₃(AF)∙CaSO₄·12H₂O 15%obj, pory 31%obj.

Rodzaj porów:

- pory żelowe d<10nm, mikropory (kapilarne małe 10<d<50nm, kapilarne duże 50<d<100nm), makropory (małe 1000<d<100nm, duże d>1000nm),kszt porów (kuliste, walcowe, elipsoidalne)

Mikrostruktura zaczynu a właściwości:

- makropory (wytrz, przepuszczalność)

- pory kapilarne (wytrzymałość, przepuszczalność, skurcz, pełzanie)

- pory żelowe (skurcz, wytrzymałość)

Zastosowanie:

- prefabrykacja betonowa, w warun-

kach obniżonych temp., budownictwo w systemie szalunków ślizganych, be-tony wysoko wytrz. (R>60 MPa), bu-downictwo drogowe i stosowane, kolorowe zaprawy tynkarskie, betony o zwiększonej odporn. na siarczany (ce-ment C₃A), budownictwo hydrotechn

Rodzaje dodatków mineralnych:

- hydrauliczne, pucolanowe (naturalne, sztuczne, popioły lotne), obojętne (piasek, kamień wapienny)

Cement z dodatkami mineralnymi:

- kształtować właściwości, oszczędzić zawartość klinkieru - mniej surowca, Ca(OH)₂ jest podatny na korozję - niszczenie betonu, duże wydajności, posadzki przemysłowe

Trwałość betonu:

- właściwy dobór składników, prawi-dłowa technologia, pielęgnacja i czas dojrzewania, oddziaływanie środowisk korozyjnych, obciążenia mechaniczne stałe i zmienne, konserwacja.

Rodzaje cementów z dodatkami:

CEM II A, B (25 i 35%) żużlowy

CEM III A, B (65, 80, 95%) hutniczy

CEM IV A, B (35 i 55%) pucdanowy

CEM V A, B (60 i 80%) wieloskładnik

A, B, C - ilość składników

S - granulowany żużel wielkopiecowy

V - popioły lotne krzemionkowe

W - popioły lotne wapienne, L-wapień

P - pucowana naturalna, Q - sztuczna

T - łupek palony,D-pył krzemionkowy

Co to jest efekt pucolanowy?:

I ilość fazy szklistej, II zawartość aktywnego SiO₂ Al₂O₃ Fe₂O₃, III reak-cje chemiczne pod wpływem Ca(OH)₂

SiO₂+Ca(OH)₂+H₂O→CSH

Al₂O₃+Ca(OH)₂+SiO₂+H₂O=C₃A_xS_yH

Fe₂O₃+………..

Klasy cementów:

CEM II 32.5; 42.5 i 52.5 N i R

CEM III 32.5; 42.5 i 52.5 N i R

CEM IV 32.5; 42.5 N i R

CEM IV 32.5; 42.5 N

Skład chemiczny popiołów lotnych:

- popiół krzemianowy, krzemianowo-glinowy, wapniowy, z suchego odsiarczania, z fluidalnego spalania (850ºC) dobra aktywność, zawierają anhydryt - nie może być wprowadzany

Skład fazowy popiołów lotnych krzemionowych:

- faza szklista 50-70%

- faza krystaliczna (kwarc 4-10%, mulit 5-20%, magnezyt 6-10%, ……..)

Właściwości fizyczne:

- masa właściwa 2,1-2,4 g/cm³

- powierz. właściwa 2000-4000 cm²/g

Radioaktywność popiołów lotnych:

Dopuszczalny poziom radioaktywności dla popiołów lotnych określono w instrukcji 234/95 ITB.

Współczynnik f₁ obliczono ze wzoru:

f₁=0,00027S_k+0,00027S_rz………

Cementy zawierające krzemionkowe popioły lotne:

CEM II/A-V, CEM II/B-V, CEM II/A-M_x, CEM II/B-M_x, CEM V/A-M_xx, CEM V/B-M_xx

Wymagania dla popiołów lotnych:

- udział strat prażenia max 5,0% (do-puszcza się popiół lotny w udziale strat prażenia 5-7% pod warunkiem spełnie-nia wymagań dla zaprawy lub betonu)

- udział reaktywnego CaO max 10%

- udział wolnego CaO max 1,0%

Dodatek popiołu lotnego powoduje wydłużenie początku i końca czasu wiązania. Przyrost wytrzymałości ujawnia się po 90, 180 dniach.

Ciepło twardnienia - rozłożenie wydzielania ciepła w czasie

Wodoszczelność betonu:

CEM I 12,6; CEM II 9,4

Skład mieszanki betonowej:

CEM II/A-V 380, piasek 470, kruszy-wo łamane 1400, woda 143 [kg/m³], w/c 0,30

Granulowany żużel wielkopiecowy:

zawartość fazy szklistej >67% (90%)

zawartość CaO+MgO+SiO₂≥67 (85%)

moduł
(1,25)

Żużel gelenitowy:

CaO 40.87; SiO₂ 37.23; Al₂O₃ 21.90

Cement gelenitowy:

CaO 47,5-54; SiO₂ 15-18; Al₂O₃ 31-34

Produkty hydratacji:

C₂ASH₈, CAH₁₀, C₂AH₈, AH₃, C₃AS₃-C₃AH₆, w/c=0.4, porowatość <10%

Ciepło twardnienia wg NE:

- cement o umiarkowanym cieple twardnienia MH<320 J/g

- cement o małym cieple LH<270 J/g

- cement o b. małym cieple WHL<220

Wzrost zawartości żużla-spadek ciepła twardnienia. Ciepło można regulować powierzchnią właściwą. Skurcz zapraw zawierających żużel jest niższy.

Składniki stwardniałego zaczynu nieodporne na korozję siarczanową:

Ca(OH)₂, C₂AH₈, C₄AH₁₃, C₃AH₆, C₂(AF)H₈, C₄AF(H₁₃), C₃(AF)H₆, C₃A∙3CaSO₄·32H₂O

Rozpuszczalne produkty hydratacji cementu:

Ca(OH)₂ - 1,2 g/l; Ca(HCO₃)₂ - 12 g/l; CaSO₄∙2H₂O - 2 g/l

Zalety i wady CEM II - CEM V:

Zalety: duża odporność na korozję chemiczną, małe ciepło twardnienia, mniejszy skurcz; Wady: konieczność napowietrzania, małe przyrosty wytrz. początkowej, bardzo pielęgnacja (do 7 dni), brak betonowania poniżej 10ºC

Kierunki rozwoju technologii betonu

Właściwości skał:

- wytrz. na ściskanie ~300 MPa, poro-watość <1,5%, zmiany objętości, odpo-rność na korozję chemiczną i fizyczną

Kryteria podziału betonów:

- gęstość objętościowa, przewodnictwo cieplne, wytrzymałość na ściskanie

Gęstość objętościowa:

- ciężkie >2800 kg/m³

- zwykłe 2000-2600 kg/m³

- lekkie 300-2000 kg/m³

kruszywowe 700-2000 kg/m³

komórkowe 300-700 kg/m³

Wytrzymałość - izolacyjność:

- konstrukcyjne >10 MPa B7,5 - B50

- izolacyjno-konstrukcyjne B30 - B10

- termoizolacyjne <0,175 W/mK, do B50, BWW B50-B100, BBWW>B100

Właściwości betonu:

- wytrz, wodoszczelność, nasiąkliwość, mrozoodporność, skurcz, pełzanie, ścieralność, udarność, odporność na korozję chemiczną

Klasy betonu:

Zwykłego: C10, C15, C20, C25, C30, C37, C45, C50, C55, C60, C67, C75, C85, C95, C105, C115.

Lekkiego: L9, L13, L18 ……. L88

Gęstość betonu:

Zwykłego: 2000-2600 kg/m³

Lekkiego: 800-2000 kg/m³

D10, D12, D14, D16, D18, D20

Podstawowe operacje technologiczne:

- projektowanie składu, mieszanie składników, transport mieszanki betonowej, formowanie konstrukcji, dojrzewanie (naturalne, przyspieszone)

pielęgnacja betonu

Właściwości mieszanki betonowej:

- konsystencja, urabialność, zachowa-nie właściwości w czasie,jednorodność

Słabe strony wytrzymałości betonu:

- wytrz. na rozrywanie R_r 6-15% R_c

- na zginanie R_g 6-16% R_c

- moduł sprężystości E_o=2,7-4·10²MPa

Metody polepszenia właściwości:

żelbet, strunobeton,zbrojony włóknami

Niszczenie betonu - zmniej. trwałości

- korozja chemiczna i/lub fizyczna, elektrochemiczna, biologiczna

Sposoby ochrony przed korozją:

- wielkość w/c, min. ilość cementu, rodzaj cementu, min. wytrz., min. ilość powietrza, właściwości kruszywa, system kontroli

Trwałość betonu:

- właściwy dobór składników, prawi-dłowa technologia, pielęgnacja i czas dojrzewania, oddziaływanie środowisk korozyjnych, obciążenia mechaniczne stałe i zmienne, konserwacja

Szczelność betonu:

- stosunek ilości spoiwa do powierzchni właściwej kruszywa, stosunek wodno-spoiwowy, właściwości reologiczne mieszanki betonowej, zagęszczanie, warunki pielęgnacji (temp., wilgotność, czas)

Zmiany jakościowe mieszanki beton.:

- segregacja ziaren kruszywa, zmiana współczynnika w/c, zachowanie właś-ciwości reologicznych, pogorszenie zdolności (do pompowania, zagęszcz.)

Dlaczego wprowadzono różne wilgotności powietrza?:

- zmienny stopień karbonatyzacji, krystalizacja bezwodnych uwodnionych związków chemicznych w porach betonu, różny stopień dyfuzji gazów, szybkość odparowania wody

Transport cieczy i gazów w głąb beton

- migracja roztworu do wnętrza betonu (ciśnienie zewnętrzne, podciąganie kapilarne, absorpcja), dyfuzja jonów (gradient stężenia, grubość warstwy), migracja roztworu na zewnątrz - ciśnienie osmotyczne)

Czynniki mikrostruktury wpływające na trwałość betonu:

- rodzaj i ilość gazów, budowa strefy przejściowej kruszywo - zaczyn

Ekspansywne produkty:

CaSO₄∙2H₂O, C₃A∙sCaSO₄∙32H₂O, C₃A∙CaSO₄∙12H₂O, MgO∙Mg(OH)Cl, CaO∙CaCl₂∙2H₂O, Na₂SO₄∙10H₂O, MgSO₄∙7H₂O

Wielkość naprężeń rozciągających:

C₃A∙3CaSO₄∙32H₂O ~70 MPa, CaSO₄ ∙2H₂O ~110 MPa, Na₂SO₄∙10H₂O ~1000 MPa, MgSO₄∙7H₂O ~60 MPa

Przekształcenie produktów hydratacji w nowe fazy:

CSH+CaCO₃+CaSO₄+H₂O→CaSiO₃∙CaSO4+CaCO₃∙15H₂O

CSH+MgSO₄+H₂O→CaSO₄∙2H₂O+ Mg(OH)₂+SiO₂ aq

Klasy zagrożenia betonu korozją:

- nie występuje, karbonatyzacja, chlorki pochodzące z wody morskiej XS, chlorki w strefie śródlądowej XD, ujemne temperatury,agresja chemiczna

Korozja stali:

- pH betonu ≥ 11,8 (brak korozji)

- pH betonu 9-11,8 (utrata warstwy pasywacyjnej Fe₂O₃ Fe(OH)₂, 2-5mm)

- ph betonu <9 (korozja stali)

Czynniki wpływające na zmianę pH:

- karbonatyzacja, działanie chlorków, gazów SO₂ SO₃, siarczanów

Intensywność korozji stali w betonie:

- szerokość rozwarcia rys, częstość występowania rys, rodzaj i stężenie środowiska korozyjnego, ubytek korozyjny stali.

2

---