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