Spoiwa hydrauliczne

Cement- spoiwo hydrauliczne, czyli drobno zmielony materiał nieorganiczny,
który po zmieszaniu z wodą tworzy zaczyn wiążący i twardniejący, w wyniku
procesów hydratacji, a który pozostaje po stwardnieniu wytrzymały i trwały
także pod wodą.
Procesy wiązania spoiw są nieodwracalne.
Spoiwa hydrauliczne po zarobieniu wodą wiążą i twardnieją zarówno na
powietrzu jak i w wodzie.
O hydrauliczności danego spoiwa decyduje skład spoiwa, na podstawie którego
wylicza się określone moduły.
Podstawowe tlenki znajdujące się w klinkierze cementowym uszeregowane w
kolejności od największej do najmniejszej zawartości procentowej:
CaO+MgO, SiO

2

, Al

2

O

3

, Fe

2

O

3

Moduł hydrauliczny:

M

H

=

M

h

>4.5 dla spoiw wapiennych. Dla spoiw hydraulicznych, w tym cementu

powszechnego użytku
M

h

teoret. <4.5 a prakt. 1.7-2.3

Moduł krzemianowy:

M

k

=

Teoret. 2,0 – 3,5
Prakt. 2,4 – 2,71
Moduł glinowy:

M

g

=

Wartości modułów zależą od składu cementu. Są ustalone dla klinkieru
cementowego, a nie gotowego wyrobu.
Klinkier cementowy jest to taka ,,esencja cementowa”, bo gotowy cement
zawiera dodatki w postaci popiołu, żużla i inne w znacznych ilościach (nawet do
kilkudziesięciu procent).
Klinkier cementowy jest tym, co najbardziej istotne w cemencie. Powstaje
w czasie wypalania surowców w maksymalnej temperaturze, czyli 1400, a
nawet 1450

o

C

Procentowe proporcje poszczególnych tlenków, czyli moduły mają wyraźny
wpływ na właściwości techniczne gotowych cementów.
Moduł hydrauliczny M

h

zawarty w górnych granicach:

- szybszy przyrost wytrzymałości na ściskanie f

ci

- ogólnie wzrost wytrzymałości f

cm

, szczególnie w początkowym okresie

- obniżenie odporności na korozję siarczanową
Moduł krzemianowy M

k

:

- przy niskim M

k

wzrost szybkości wiązania

- przy wysokim M

k

mała szybkość wiązania

Moduł glinianowy M

g

:

- mała wartość modułu ok. 1 – obniża skurcz, jest to cecha pozytywna
- zwiększa odporność na korozję siarczanową
- większa wartość modułu M

g

powoduje wzrost szybkości wiązania- cement

kaloryczny- wydziela dużo ciepła w czasie wiązania.
Moduły mają wyraźny wpływ na właściwości techniczne gotowych cementów.
Surowce do produkcji cementu portlandzkiego:
- podstawowe- 80-85% wapienie i 10-20% glina lub margle- czyli skały będące
mieszaniną wapieni i glin,
- SiO

2

- Fe

2

O

3

Podstawowe operacje technologiczne to:
- urabianie i rozdrabnianie wstępne surowców skalnych i mieszanie składników
- odważanie poszczególnych składników i powtórne mielenie
- wypalanie w piecu obrotowym
- mielenie produktu wypalanego- klinkieru z domieszką gipsu (do 5%)
Dobry gips do produkcji cementu to:
CaSO

4

∙2H

2

O- kamień gipsowy lub CaSO

4

- anhydryt

Niedobry gips do produkcji cementu to:
CaSO

4

∙1/2 H

2

O- gips budowlany

Proces produkcyjny może być prowadzony dwiema metodami:
- suchą- wady to pylenie, większa alkaliczność cementu, więcej ∑ K

2

O+Na

2

O

- mokrą- zalety to łatwość mieszania i transportu, ale kosztowne- dużo energii
na odparowanie wody, czyli energochłonne
W procesie wypalania powstają minerały bezwodne, które zawierają w/w tlenki
związane w postaci minerałów. Minerały:
- krzemiany wapnia
- gliniany wapniowe
- glinożelaziany wapniowe
Wzory minerałów są przedstawione w postaci tlenkowej, którym w technice
nadano symbol:
CaO – C ; SiO

2

– S ; Al

2

O

3

– A ; Fe

2

O

3

– F ; H

2

O – H ; SO

3

– Š ; Ca(OH)

2

– CH

Wiązanie cementu zachodzi w czasie reakcji hydratacji i hydrolizy.
Hydroliza- reakcja podwójnej wymiany między solą i wodą, w wyniku czego
powstaje kwas i zasada, roztwór przyjmuje odczyn tego związku, który jest
bardziej zdysocjowany. W cemencie po przyłączeniu wody powstają nowe
produkty zasady. Odczyn jest zasadowy, bo powstaje Ca(OH)

2

- dobrze

zdysocjowany.
Hydratacja- uwodnienie, łączenie wody z cementem.
Wiązanie cementu to głównie reakcja hydratacji i hydrolizy głównych
minerałów z wodą. Reakcje wiązania są samorzutne i egzotermiczne.

1)

2x C

3

S + 6H → C

3

S

2

H

3

+ 3CH + Q

1

2)

2x C

2

S + 4H → C

3

S

2

H

3

+ CH + Q

2

3)

C

3

A + 6H → C

3

AH

6

+ 3FH + Q

3

4)

C

4

AF + 7H → C

3

AH

6

+ CFH + Q

4

Podczas wiązania wydzielają się różne ilości ciepła. Q

3

>Q

1

>Q

4

>Q

2

Gips reaguje z glinianem trójwapniowym i powstaje ettringit (sól Candlota)
3CaO∙ Al

2

O

3

+ 3CaSO

4

∙ 2H

2

O+ 26H

2

O→ 3CaO∙ Al

2

O

3

∙ 3CaSO

4

∙ 32H

2

O

Ilość ∑Na

2

O+ K

2

O- powinna być ograniczona, mniejsza od 1%, bo powoduje

tzw. korozję alkaliczną kruszywa w betonie. Jeżeli stosuje się takie kruszywa to
∑Na

2

O+ K

2

O< 0,6%

Jednym z cementów użytku powszechnego jest cement hutniczy.
Właściwości techniczne cementu hutniczego zależą od jego modułów.
Moduł zasadowy:

M

z

=

> 0,95

Moduł krzemianowy:

M

k

=

= 2 ÷ 5

Podstawowym tlenkiem zawartym w żużlach jest CaO- ok. 50%
Właściwości cementu hutniczego:
- wolniej twardnieje w czasie pierwszych dni i tygodni (wada)
- ma większą odporność na korozję kwasową i siarczanową (zaleta)
- jest nieodporny na wysychanie, betony wymagają dłuższej pielęgnacji wodą
- nie można go stosować w temp. 5

o

C i naparzać, ale jest tańszy (zaleta)

Cement glinowy. W Polsce produkuje się tylko 1% tego cementu. Głównymi
składnikami są gliniany wapnia:
3CaO∙ Al

2

O

3

; CaO∙ 2Al

2

O

3

; 5CaO∙ 3Al

2

O

3

W cemencie portlandzkim jest tylko 3CaO∙ Al

2

O

3

Cechy charakterystyczne cementu glinowego:
- czas twardnienia krótszy niż portlandzki, bo hydratacja glinianów bardziej
kaloryczna
- po 24 h uzyskuje się 70-80% wytrzymałości 28-dniowej
- odporny na działanie wód agresywnych zawierających jony siarczanowe
- nie zawiera alitu ani belitu, czyli w procesie wiązania nie wydziela się
Ca(OH)

2

, który jako związek silnie zasadowy jest nieodporny na działanie

kwasów.
Cement glinowy ma charakter amfoteryczny, tzn. jest odporny na działanie
kwasów i zasad o niewielkich stężeniach.
Do spoiw hydraulicznych należy wapno hydrauliczne (odróżnić od
hydratyzowanego Ca(OH)

2

)

Cementy mają M

h

= 2-2,4

Wapno hydrauliczne M

h

<3,5

Wytrzymałość na bazie wapna hydraulicznego od kilku do 12MPa.
Cement hydrotechniczny- ekspansywny.
Rozszerzanie cementów hydrotechnicznych wynika z reakcji:
3CaO∙Al

2

O

3

+ 3CaSO

4

∙2H

2

O→ 3CaO∙Al

2

O

3

∙ 3CaSO

4

∙ 32H

2

O

Powstaje związek o zwiększonej objętości.
Cementy hydrotechniczne w procesie wiązania rozszerzają się, co wynika z
określonego ściśle regulowanego większego od 5% dodatku gipsu i kaolinu
wypalonego w temperaturze 800

o

C.

Gips jest regulatorem wiązania większości cementów, co powoduje powyżej
zachodząca reakcja, a w cementach hydrotechnicznych reguluje też wzrost
objętości.
Jest to cecha szczególnie ważna przy usuwaniu uszkodzeń betonu (plomby
betonowe). Gdyby ten element w czasie wiązania się kurczył to betonowe
plomby wypadłyby z konstrukcji.
Właściwości techniczne cementu. Rodzaje cementu powszechnego użytku.
Z cementu można otrzymać materiały:
Zaczyn= cement+ woda
Zaprawa= cement+ woda+ kruszywo drobne (piasek 0-2)
Mieszanka betonowa po stwardnieniu- BETON= cement+ woda+ kruszywo
drobne+ kruszywo grube
Cementy dzielą się na:

1)

Rodzaje zależą od składu chemicznego, jakościowego i ilościowego
cementu. Wyróżnia się 4 rodzaje cementu powszechnego użytku o
symbolach: CEM I, CEM II, CEM III, CEM IV, CEM V

Dodatkowe symbole w cemencie:
NA- niskoalkaliczny- o niskiej zawartości tlenków
HSR- cementy odporne na siarczany
LH- cementy o niskim cieple hydratacji
Pucolana- materiał pochodzenia naturalnego (np. wulkanicznego) lub skały
osadowe, składający się w przeważającej ilości z aktywnej krzemionki.
Pucolany zarówno naturalne jak i przemysłowe same nie wiążą, ale po
zmieszaniu z H

2

O i cementem reagują z Ca(OH)

2

powstającym w czasie

wiązania alitu i belitu dając związek o określonej wytrzymałości.

2)

Klasa cementu- wytrzymałość na ściskanie próbek zaprawy normowej po
28 dniach wiązania i twardnienia. Rozróżnia się 6 klas cementu:

32,5 32,5R

42,5

42,5R

52,5

52,5R

Przygotowanie zaprawy normowej i próbek do badania na wytrzymałości na
ściskanie do oceny klasy cementu.
Skład ilościowy zaprawy normowej jest stały i ściśle określony we wszystkich
laboratoriach UE.

Cement : kruszywo : woda

450 : 1350 : 225

Kruszywo normowe= piasek normowy 0-2, zawiera 98% SiO

2

Zastosowanie:

1)

Do wyrobu prefabrykatów- płyt gipsowych.

2)

Do tynków wewnętrznych. Do zewnętrznych nie używa się, bo jest
wrażliwy na wilgoć.

3)

Jako materiał sztukatorski, rzeźbiarski.

4)

Do wyrobów sztucznych marmurów, tzw. STIUKÓW.

5)

Do napraw rys i pęknięć, bo zwiększa swoją objętość.

Stiuk- masa wykonana z zaprawy gipsowo- wapiennej z dodatkiem pyłu
marmurowego i piasku, jedno lub wielobarwna i stosowana do detali
architektonicznych i sztukaterii.
Barwa- dodatek różnych tlenków barwnych np. żelaza, kobaltu, niklu lub
chromu.

6)

Do zapraw murarskich nienarażonych na działanie wody.

7)

Do układania jastrychowych posadzek lub bezspoinowych podkładów.