Spoiwa mineralne
Ogólna nazwa  spoiwa mineralne dotyczy grupy tworzyw,
które po rozdrobnieniu do postaci pyłu i zarobione wodą dają
plastyczny zaczyn, łatwo układający się i formujący, a tak\
e
wiÄ…\
Ä…cy po pewnym czasie i twardniejÄ…cy na powietrzu lub w
wodzie.
Spoiwa mineralne wiÄ…\
Ä… w wyniki zachodzÄ…cych reakcji
chemicznych.
Ze względu na ich zachowanie się w środowisku wodnym mo\
na
podzielić spoiwa mineralne na:
hydrauliczne powietrzne
Spoiwa mineralne
Spoiwa powietrzne po zarobieniu wodÄ… wiÄ…\
Ä… i twardniejÄ… tylko
na powietrzu.
Do grupy spoiw powietrznych zaliczyć mo\
na m.in.: spoiwa
wapienne, spoiwa gipsowe, spoiwa magnezjowe, spoiwa
krzemianowe, wapno hydratyzowane.
Spoiwa hydrauliczne twardnieją zarówno na powietrzu jak
równie\
zanurzone w wodzie.
Wśród spoiw hydraulicznych występują: cementy portlandzkie,
cementy hutnicze, cementy glinowe.
Spoiwa mineralne
Rys historyczny spoiw wiÄ…\
Ä…cych:
- Egipcjanie u\
ywali wypra\
anego, nieczyszczonego gipsu;
Piramida schodkowa w Sakkarze w 2950 r. p.n.e. do budowy
której u\
yto lepiszczy z mieszaniny iłu i spoiwa gipsowego;
Piramida w Gizie (około 3000 r. p.n.e.),
do budowy której u\
yto wapiennej
zaprawy murarskiej;
Spoiwa mineralne
- Chińczycy do budowy Wielkiego Muru u\
ywali wapna
palonego z pucolanami;
-Grecy i Rzymianie stosowali pra\
ony wapień; Świątynia
Posejdona wzniesiona u wybrze\
y WÅ‚och (460 lat p.n.e),
Koloseum (69-82r. p.n.e.) do zaprawy u\
ywano wapna.
Spoiwa mineralne
1756 rok  Jon Smeaton zastosował jako zaprawę - wapno
wypalane z surowca bogatego w substancje ilaste 
opracowanie wapna hydraulicznego;
1796 rok James Parker uzyskał patent na produkt z pra\
enia
margla, który póz
niej nazwano cementem romańskim;
- 1818 rok Vicat uznawany za jednego z prekursora technologii
cementu; wykazał, \
e materiał wią\
Ä…cy mo\
na otrzymać przez
wypalenie rozdrobnionej mieszaniny wapienia i gliny;
Spoiwa mineralne
1824 rok - Anglik J. Aspdin opatentował sposób wytwarzania
spoiwa z mieszaniny pra\
onego wapienia i gliny. Jest on
uznawany za wynalazcÄ™ cementu portlandzkiego.
Nazwa portlandzki pochodziła od miejscowości w Anglii
- Portland, w której wydobywano naturalny kamień budowlany,
do którego nowo uzyskane spoiwo było bardzo podobne ze
względu na kolor.
Obecnie nazwa ta (cement portlandzki) jest u\
ywana na całym
świecie i określa cement uzyskany w wyniku dokładnego
zmielenia i zmieszania materiałów wapiennych, surowców
ilastych i innych zawierajÄ…cych tlenki krzemu, gliny, \
elaza,
wypalania ich w temperaturze spiekania oraz zmielenia
powstałego klinkieru.
Spoiwa mineralne
1845 rok  Izaak Karol Johnson  przez niektórych uznawany
jest za właściwego twórcę cementu portlandzkiego. Dobrał on
prawidłowe proporcje zmieszania gliny i wapienia, a tak\
e
ustalił korzystną temperaturę pra\
enia mieszaniny.
W 1857 roku w Grodz
cu (koło Będzina) została uruchomiona
pierwsza na ziemiach polskich fabryka cementu, która był
szóstą cementownią na świecie.
Cement  PROCES PRODUKCJI
Cementy portlandzkie otrzymuje się z naturalnych skał, takich
jak: wapień, margiel, glina, kreda.
Są to surowce słu\
Ä…ce do produkcji klinkieru portlandzkiego,
który jest podstawą do produkcji wszystkich rodzajów
cementów.
W zale\
ności od surowców i metody ich rozdrabniania
rozró\
nia siÄ™ metodÄ™ suchÄ… i mokrÄ… produkcji klinkieru
portlandzkiego.
Cement  PROCES PRODUKCJI
1. Surowce do produkcji klinkieru portlandzkiego
Surowce do produkcji cementu (klinkieru) to kopaliny naturalne:
wapień (kamień wapienny), margiel, glina, kreda, które
stanowiÄ… z
ródło węglanu wapnia (CaCO3).
Kopalnia margla Kopalnia kredy Kopalnia wapienia
Cement  PROCES PRODUKCJI
Do korekcji składu surowcowego wykorzystuje się:
łupek, pucolanowy, mułek \
elazo  nośny, piasek kwarcowy,
pył dymnicowy.
Prawie wszystkie surowce naturalne sÄ… pozyskiwane
w kamieniołomach lub kopalniach, które w większości
przypadków zlokalizowane są w pobli\
u cementowni. Po
wstępnym kruszeniu surowce te transportowane są do
cementowni celem składowania i dalszej przeróbki.
Cement  PROCES PRODUKCJI
2. Mieszanie i rozdrabnianie surowców
Metody produkcji klinkieru portlandzkiego:
SUCHA MOKRA
MÄ…czka surowcowa Szlam
Wybór metody produkcji klinkieru portlandzkiego jest
uzale\
niony od przyjętych surowców wyjściowych.
Cement  PROCES PRODUKCJI
Metodę suchą stosuje się, gdy surowcem są mieszanki ze skał
zwięzłych, kruchych.
W metodzie tej surowce w odpowiednich proporcjach sÄ…
przemielane i mieszane dla uzyskania mieszaniny o
wymaganym składzie chemicznym. W metodzie suchej
składniki są mielone i suszone do drobnego pyłu z
wykorzystaniem gazów odlotowych z pieca  otrzymuje się tzw.
mÄ…czkÄ™ surowcowÄ….
MÄ…czkÄ™ surowcowÄ…
magazynuje
się w silosach, a następnie
sucha mÄ…czka podawana
Rozdrabnianie surowców (łamacz)
jest do pieca.
Cement  PROCES PRODUKCJI
Metodę na mokro stosuje się wówczas, gdy surowcem jako
surowiec jest np. kreda lub glina.
Kreda zostaje najpierw pokruszona i rozdrobniona w specjalnym
młynie do przemiału na mokro. Jest to kolista studnia, w której
obracające się promieniście ramiona, rozbijają grudki kredy.
Glina jest kruszona i mieszana z wodÄ…, zazwyczaj w podobnym
młynie. Powstają zawiesiny, które zostają przepompowane i
zmieszane w odpowiednich proporcjach oraz przechodzÄ… przez
zestaw sit. Uzyskany w ten sposób roztwór (szlam) wpływa do
zbiorników magazynujących.
Je\
eli surowcem jest wapień, musi on być najpierw rozsadzony
ładunkami wybuchowymi, potem rozkruszony, a następnie
doprowadzony do młyna kulowego wraz z gliną rozdrobnioną w
wodzie.
Cement  PROCES PRODUKCJI
W metodzie na mokro końcowy roztwór ma konsystencje
śmietany, a zawartość wody wynosi 35-50%.
Sedymentacji zawiesiny zapobiega siÄ™ poprzez stosowanie
mechanicznego mieszania oraz przedmuchiwania powietrzem
pod ciśnieniem.
W fazie końcowej otrzymanie wymaganego składu
chemicznego uzyskuje się przez mieszanie szlamów z ró\
nych
zbiorników magazynujących.
Od tego momentu proces produkcji cementu przebiega
jednakowo niezale\
nie od u\
ytych surowców.
Cement  PROCES PRODUKCJI
Skład wsadu (szlamu / mączki surowcowej) musi spełniać tzw.
wartości następujących modułów:
CaO
M = = 1,9 ÷ 2,9
H
SiO2 + Al2O3 + Fe3O4
-Moduł hydrauliczny:
SiO2
M = = 2,1÷3,5
K
Al2O3 + Fe3O4
-Moduł krzemianowy:
Al203
MG = = 1,0 ÷ 2,8
-Moduł glinowy:
Fe3O4
Zawartości tlenków określone są ułamkiem masowym (%)
Cement  PROCES PRODUKCJI
Przykładowe zestawy surowców do produkcji klinkieru
cementowego:
Wsad: Procentowa zawartość
1. Kreda 53,42 %
Margiel 46,58 %
2. Kamień wapienny 88,67 %
Iłołupek 10,06 %
Mułek \
elazonośny 1,27 %
Cement  PROCES PRODUKCJI
3. Homogenizacja i magazynowanie mÄ…czki surowcowej
lub szlamu
Mączka surowcowa lub szlam z procesu przemiału
surowca, wymagajÄ… dalszej homogenizacji (mieszania), aby
uzyskać optymalną konsystencję mieszaniny surowcowej przed
jej podaniem do pieca obrotowego ka\
dego typu.
Homogenizacja i składowanie mączki surowcowej odbywa się
w silosach, natomiast szlamu w zbiornikach lub basenach.
Cement  PROCES PRODUKCJI
Homogenizacja w
metodzie suchej (na
hałdzie)
Homogenizacja w
metodzie mokrej
Piec obrotowy
Cement  PROCES PRODUKCJI
4. Wypalanie klinkieru
Wypalanie klinkieru to najwa\
niejszy proces ze względu
na jakość produktu oraz koszty. Na wyprodukowanie 1 tony
klinkieru zu\
ywa się około 200 kg miału węglowego.
W procesie wypalania klinkieru mÄ…czka surowcowa (lub
szlam w przypadku metody mokrej) jest wprowadzana do linii
pieca obrotowego, gdzie jest:
- suszona,
- wstępnie podgrzewana,
- kalcynowana,
- a następnie spiekana tworząc klinkier cementowy.
Wszystkie wymienione wy\
ej procesy odbywajÄ… siÄ™ w piecu
obrotowym.
.
Cement  PROCES PRODUKCJI
Piec obrotowy to du\
y cylinder stalowy z ognioodpornÄ…
wykładziną o średnicy do 8 metrów i długości do 230 metrów.
Piec powoli obraca się wokół własnej osi, nachylony z lekka do
poziomu. Roztwór wprowadzony jest w górnym końcu pieca, a
w przeciwnym krańcu pieca jest wdmuchiwane powietrze z
miałem węglowym, który ulega spalaniu.
Cement  PROCES PRODUKCJI
Widok
wnętrza
Wnętrze pieca obrotowego podczas
pieca
prac remontowych  wymiany
okładziny ognioodpornej
Cement  PROCES PRODUKCJI
Cement  PROCES PRODUKCJI
Roztwór (surowce mineralne w postaci mączki surowcowej
lub szlamu) poruszający się w dół pieca napotyka stopniowo
coraz wy\
szÄ… temperaturÄ™.
Proces wytwarzania klinkieru portlandzkiego rozpoczyna siÄ™
od rozkładu węglanu wapnia (CaCo3) w temperaturze około
9000C, pozostawiajÄ…c tlenek wapnia (CaO, wapno) i wolny
dwutlenek węgla (CO2)  proces ten nazywa się kalcynacją.
Cement  PROCES PRODUKCJI
Dalej następuje proces klinkieryzacji (spiekania), w którym
tlenek wapnia reaguje w wysokiej temperaturze (około 1400-
1500oC) z tlenkami krzemu, glinu i \
elaza, tworzÄ…c klinkier
portlandzki, w skład którego wchodzą następujące minerały:
- alit (3CaO" SiO2)  krzemian trójwapniowy (oznaczany jako
C3S);
- belit (2CaO" SiO2)  krzemian dwuwapniowy, (oznaczany
C2S);
- celit (3CaO" Al2O3)  glinian trójwapniowy, (oznaczany C3A);
- brownmilleryt (4CaO" Al2O3" Fe3O3)  \
elazoglinian
czterowapniowy, (oznaczany jako C4AF),
Cement  PROCES PRODUKCJI
Materiał w strefie wysokich
temperatur (powy\
ej 800oC)
przebywa w zale\
ności od
konstrukcji pieca około 30 minut.
Najwy\
sze temperatury podczas wypalania klinkieru rzędu
2000oC jest to temperatura płomienia i gazów w strefie
spiekania. Materiał w tej strefie znajduje się około 10 sekund.
Klinkier cementowy wychodzący z pieca ma temperaturę około
900-1300oC. Jest on następnie schładzany w chłodnikach do
temperatury około 100oC. Schładzanie odbywa się przy pomocy
strumienia powietrza, które jest zu\
ywane póz
niej do spalania w
piecu obrotowym.
Wypalony materiał, czyli klinkier tworzy granulki o średnicy od 3
do około 20-25 mm.
Cement  PROCES PRODUKCJI
5. Przemiał cementu
Klinkier i inne składniki (dodatki) cementu magazynowane są
w silosach lub zamkniętych halach.
Operacja, która prowadzi do uzyskania końcowego produktu
jest mielenie. Młyny, w których odbywa się przemiał to
przewa\
nie młyny kulowe, składające się z kilku komór, o
stopniowo coraz mniejszych kulach stalowych.
Cement  PROCES PRODUKCJI
Często stosowany jest zamknięty
system przemiału, w którym
wychodzący z młyna kulowego
cement, przechodzi przez
separator: drobne czÄ…stki
cementu zostajÄ… odprowadzone
przez prÄ…d powietrza do silosa,
natomiast większe cząstki
wracają do młyna.
Jeden kilogram cementu o
średniej miałkości (powierzchnia
właściwa około 3200cm2/g)
zawiera około 1 miliarda ziarenek.
Wypalony klinkier portlandzki + gips (do 5%) =
cement portlandzki czysty CEM I
Cement  SKA
AD KLINKIERU PORTLANDZKIEGO
Podstawowymi minerałami klinkieru cementowego są:
- alit;
- belit;
- celit;
- brownimelleryt.
Obraz mikroskopowy klinkieru portlandzkiego:
1  alit; 2  belit; 3  celit; 4  brownmilleryt.
Cement  SKA
AD KLINKIERU PORTLANDZKIEGO
Alit (3CaO" SiO2)  krzemian trójwapniowy (oznaczany jako C3S).
Alit odznacza siÄ™:
- bardzo silnymi właściwościami hydraulicznymi (wią\
Ä…cymi),
- wydziela znaczne ilości ciepła podczas wiązania,
- jego zawartość w klinkierze wynosi 50 ÷ 65%.
÷
÷
÷
Alit jest najwa\
niejszym minerałem klinkieru cementowego.
Odznacza się dobrymi właściwościami wią\
Ä…cymi w
poczÄ…tkowym, a tak\
e końcowym okresie twardnienia.
Wymiary ziaren alitu wynoszÄ… od
kilku do kilkudziesięciu
mikrometrów oraz mają kształt
zbli\
ony do regularnych
wieloboków.
alit
Cement  SKA
AD KLINKIERU PORTLANDZKIEGO
Belit (2CaO" SiO2)  krzemian dwuwapniowy, (oznaczany C2S)
- jego zawartość w klinkierze wynosi 15 ÷ 25%;
÷
÷
÷
- dzięki belitowi materiały o matrycy cementowej uzyskują
znaczne wytrzymałości w póz
niejszym okresie twardnienia.
Belit tworzy zazwyczaj owalne, prÄ…\
kowane ziarna o wyraz
nej
płytkowej mikrostrukturze.
belit
Cement  SKA
AD KLINKIERU PORTLANDZKIEGO
Celit (3CaO" Al2O3)  glinian trójwapniowy, (oznaczany C3A)
Zawartości w klinkierze 8  12%.
Celit reaguje najszybciej ze wszystkich minerałów z wodą.
Występuje w postaci drobnych kryształków, które zrastając się,
tworzÄ… nieregularne formy krystaliczne.
celit
Cement  SKA
AD KLINKIERU PORTLANDZKIEGO
Brownmilleryt (4CaO" Al2O3" Fe3O3)  \
elazoglinian
czterowapniowy, (oznaczany jako C4AF);
Zawartość w klinkierze cementowym 8 ÷ 12%.
÷
÷
÷
Posiada słabe właściwości hydrauliczne. Jest to jednak wa\
ny
składnik cementów o małym cieple hydratacji.
brownmilleryt
Rodzaje cementów
Rodzaje cementów
CEM I CEM II CEM III CEM IV CEM V
Uwaga:
Cementy CEM I oraz CEM II produkowane sÄ… w trzech klasach
wytrzymałościowych: 32.5; 42.5 oraz 52.5.
Pozostałe rodzaje cementów produkowane są w dwóch klasach
wytrzymałościowych: 32.5 oraz 42.5.
Rodzaje cementów
Cement portlandzki CEM I
Uzyskiwany w wyniku zmielenia klinkieru portlandzkiego z
dodatkiem (do 5%) gipsu (regulator czasu wiÄ…zania).
Cementy CEM I charakteryzują się wysoką wytrzymałością
wczesną oraz dość wysokim ciepłem hydratacji (w zale\
ności
od klas wytrzymałościowych).
Cementy CEM I 32.5 charakteryzujÄ… siÄ™ umiarkowanym
ciepłem hydratacji, natomiast cementy CEM I klas 42.5 oraz
52.5 charakteryzujÄ… siÄ™ du\
ym ciepłem hydratacji oraz wysoką
wytrzymałością w początkowym okresie twardnienia.
Zastosowanie do: betonów, prefabrykatów betonowych,
zapraw. Praktycznie zastosowanie bez ograniczeń
pamiętając, \
e wydzielajÄ… du\
e ilości ciepła
Rodzaje cementów
Cement portlandzki (z dodatkami)  tzw. wieloskładnikowy
CEM II
Cement ten produkuje się przez wspólne zmielenie klinkieru
portlandzkiego, z dodatkami mineralnymi oraz gipsu (jako
regulatora czasu wiÄ…zania).
Zawartość dodatków mineralnych w mo\
e wynosić od 6 do
35%. W zale\
ności od ilości dodatków rozró\
nia siÄ™ dwie
odmiany cementów CEM II:
- A (dodatki w ilości od 6 do 20%);
- B (dodatki w ilości od 21 do 35%).
W zale\
ności od rodzaju dodatku cementy CEM II charakteryzują się
ró\
nymi dodatkowymi właściwościami.
Rodzaje cementów
Dodatkami mineralnymi do cementów CEM II są:
- granulowany \
u\
el wielkopiecowy (S),
- pył krzemionkowy (D),
- pucolana naturalna (P)
- pucolana sztuczna (Q),
- popiół lotny krzemionkowy (V),
- popiół wapienny (W),
- Å‚upek palony (T)
- wapień (L).
W oznaczeniu cementów portlandzkich z dodatkami CEM II
pojawia się odmiana (A lub B) informująca o ilości dodatków
oraz symbol dodatku, np.:
CEM II / A - S
Rodzaje cementów
śu\
el wielkopiecowy - powstaje jako produkt uboczny w
procesie wielkopiecowym (produkcja surówki). W wyniku
gwałtownego schłodzenia stopionego \
u\
la wielkopiecowego
uzyskuje siÄ™ granulowany \
u\
el wielkopiecowy, który jest
bardzo wartościowym dodatkiem mineralnym do cementów.
Rodzaje cementów
CEM II/A-S
Jest to cement portlandzki wieloskładnikowy z dodatkiem
\
u\
la wielkopiecowego w ilości 6-20%.
CEM II/B-S
Jest to cement portlandzki wieloskładnikowy z dodatkiem
\
u\
la wielkopiecowego w ilości od 21 do 35%.
Uwaga: Je\
eli ilość dodatku w postaci \
u\
la wielkopiecowego
przekroczy wartość 35 % - mamy do czynienia z cementem
hutniczym CEM III.
Rodzaje cementów
Dodanie do cementu \
u\
la (S) lub popiołu lotnego (V lub
W) powoduje:
- wydłu\
enie czasu wiÄ…zania;
- obni\
enie początkowej wytrzymałościowi w stosunku do
cementów czystych.
Cement ten jednak ma inne zalety, mianowicie:
- charakteryzuje się mniejszym ciepłem hydratacji;
- mniejszym skurczem;
- zwiększoną odpornością na działanie wód agresywnych.
Rodzaje cementów
Popiół
Przy 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.
Rodzaje cementów
Przykłady cementów CEM II z dodatkami w postaci popiołów:
CEM II / A-V (Cement z dodatkiem popiołów lotnych
krzemionkowych w ilości od 6 do 20%);
CEM II / B-V (analogicznie jak wy\
ej  dodatek w ilości
21-35%
CEM II / A-W (Cement z dodatkiem popiołów
wapiennych w ilości 6-20%);
CEM II / B-W (analogicznie jak wy\
ej  dodatek w ilości
21-35%
Rodzaje cementów
Cement hutniczy CEM III
Je\
eli dodatku \
u\
la wielkopiecowego będzie powy\
ej 35%
otrzymuje siÄ™ cement hutniczy CEM III.
Cement hutniczy produkowany jest w dwóch odmianach
ró\
niących się zwartością \
u\
la:
- CEM III/A zawiera \
u\
el od 36 do 65%,
- CEM III/B zawiera \
u\
el w ilości od 66 do 80%.
Rodzaje cementów
Cementy hutnicze CEM III charakteryzujÄ… siÄ™:
- wysoką odpornością siarczanową oraz alkaliczną,
- nie nale\
y ich stosować w okresie zimowym
- niskim ciepłem hydratacji (twardnienia), dzięki czemu są
przydatne do wykonywania du\
ych elementów betonowych i
obiektów hydrotechnicznych, niskim skurczem,
- betony wykonane na bazie tych cementów charakteryzują się
mała przepuszczalnością),
- bardzo dobra dynamika narastania wytrzymałości w długich
okresach twardnienia (do kilkunastu miesięcy, a nawet kilku lat).
Ciekawostka: betony wykonane z cementu hutniczego CEM III majÄ…
barwę przełomu (po przełamaniu) jasnoniebieską.
Rodzaje cementów
Cement pucolanowy CEM IV
Cement pucolanowy produkowany jest ze wspólnego zmielenia
klinkieru portlandzkiego z dodatkami pucolanowymi oraz gipsu.
Rozró\
nia siÄ™ dwie odmiany cementu pucolanowego:
CEM IV/A, w którym łączna zawartość dodatków pucolanowych,
takich jak: pucolana naturalna (P), popiół lotny
krzemionkowy (V) wynosi od 11 do 35 %, natomiast dodatek
pyłu krzemionkowego (D) nie mo\
e być większy ni\
10%.
CEM IV/B, w którym łączna ilość wymienionych dodatków
powinna być w przedziale 36-55%, natomiast pyłu
krzemionkowego równie\
nie więcej ni\
10%.
Rodzaje cementów
Cementy pucolanowe charakteryzujÄ… siÄ™:
-zwiększoną wodo\
ądnością,
-mniejszą dynamiką narastania wytrzymałości początkowych,
szczególnie w ni\
szych temperaturach.
Zastosowanie  do betonów monolitycznych, w budownictwie
hydrotechnicznym, do budowy oczyszczalni ścieków.
Cementy pucolanowe produkowane sÄ… w klasach 32.5
oraz 42.5.
Rodzaje cementów
Cement wieloskładnikowy CEM V
Cement ten otrzymuje siÄ™ przez zmielenie klinkieru
portlandzkiego z dodatkiem \
u\
la wielkopiecowego, pucolany
naturalnej, popiołu lotnego krzemionkowego oraz gipsu.
Rozró\
nia siÄ™ dwie odmiany cementu:
CEM V/A z udziałem 18-30% \
u\
la wielkopiecowego
oraz 18-30% pucolany;
CEM V/B z udziałem 31-50% \
u\
la wielkopiecowego
oraz 31-50% pucolany.
Cementy wieloskładnikowe CEM V mają zbli\
one
właściwości do cementów hutniczych i pucolanowych,
produkowane są w dwóch klasach wytrzymałościowych: 32.5
oraz 42.5.
Cementy specjalne
Cement o niskim cieple hydratacji (LH)
To cement o cieple hydratacji poni\
ej 270 J/g. Są to najczęściej
cementy hutnicze CEM III i pucolanowe CEM IV o du\
ej
zwartości \
u\
la i popiołu. Stosowane do konstrukcji masywnych.
Cement o wysokiej odporności na siarczany (HSR)
Zalicza się do tych cementów: CEM I; CEM II/B-V (popiół lotny
krzemionkowy w ilości 21-35%) oraz cementy CEM III oraz CEM
IV;
Cement niskoalkaliczny (NA)
Wymagania dla cementów niskoalkalicznych spełniają cementy
CEM I, CEM II, CEM III oraz CEM IV, zawierajÄ…ce poni\
ej 0,6%
alkaliów.
Cementy specjalne
Cement glinowy
Jest to szybko twardniejÄ…ce spoiwo hydrauliczne otrzymywane
przez zmielenie bez dodatku gipsu, klinkieru glinowego
spiekanego lub topionego. Klinkier glinowy wytwarza siÄ™ z
kamienia wapiennego oraz boksytu.
Cement glinowy charakteryzuje siÄ™ bardzo du\
Ä… dynamikÄ…
narastania wytrzymałości początkowych. Po 1-2 dni
twardnieniu osiąga 80-90% wytrzymałości 28-dniowych.
Cechuje się wysokim ciepłem twardnienia. Zastosowanie do
produkcji betonów ogniotrwałych oraz betonów odpornych na
korozjÄ™ siarczanowÄ…. Mo\
na stosować go podczas
betonowania zimÄ… (przy temperaturze do  10°C) bez
specjalnych zabezpieczeń.
Cementy specjalne
Cement portlandzki biały
Produkowany w klasie wytrzymałościowej 32.5; 42.5 oraz 52.5.
Cementy białe zawierają głównie krzemiany wapnia.
Stosuje siÄ™ do wytwarzania betonu architektonicznego,
ozdobnej galanterii betonowej oraz zapraw murarskich i
tynkarskich.
Klasy cementów
Według normy PN-EN197-1:2002 obowiązują trzy klasy
wytrzymałości normowej.
SÄ… to klasy 32.5; 42.5 oraz 52.5.
Dla ka\
dej klasy wytrzymałościowej odpowiadają dwie
klasy wytrzymałości wczesnej:
-klasy o normalnej wytrzymałości wczesnej oznacza się
symbolem N,
- natomiast klasy wysokiej wytrzymałości wczesnej jako R.
Klasy cementów
Klasy cementów
32,5N 42,5N 52,5N
32,5R 42,5R 52,5R
- cement klasy 32.5N  worek koloru be\
owego, nadruki w kolorze czarnym
- cement klasy 32.5R  worek koloru be\
owego, nadruki w kolorze czerwonym
- cement klasy 42.5N  worek koloru zielonego, nadruki w kolorze czarnym
- cement klasy 42.5R  worek koloru zielonego, nadruki w kolorze czerwonym
- cement klasy 52.5N  worek koloru czerwonego, nadruki w kolorze czarnym
- cement klasy 52.5R  worek koloru czerwonego, nadruki w kolorze białym
Cement paczkowany jest w workach o wadze 25 i 50 kg.
Klasy cementów
Tabela. Właściwości mechaniczne i fizyczne cementów wg PN-EN 197-1:2002
Klasa Wytrzymałość na ściskanie Początek czasu Stałość
wytrzy- [MPa] wiązania objętości
małości [min] [mm]
Wytrzymałość Wytrzymałość
wczesna normowa
Po 2 Po 7 Po 28 dniach
dniach dniach
32,5 N - e" 16,0 e" 32,5 d" 52,5 e" 75
e" e" d" e"
e" e" d" e"
e" e" d" e"
32,5 R e" 10,0 -
e"
e"
e"
42,5 N e" 10,0 - e" 42,5 d" 62,5 e" 60
e" e" d" e"
e" e" d" e"
e" e" d" e"
d" 10
d"
d"
d"
42,5 R e" 20,0 -
e"
e"
e"
52,5 N e" 20,0 - e" 52,5 - e" 45
e" e" e"
e" e" e"
e" e" e"
52,5 R e" 30,0 -
e"
e"
e"
Proces hydratacji cementu
Po zarobieniu cementu wodÄ… dochodzi do:
-rozpuszczenia się niektórych minerałów w wodzie,
-następnie dochodzi do hydrolizy, czyli reakcji chemicznej
minerału z wodą, której towarzyszy rozpad minerału na części
składowe,
- a następnie mamy do czynienia z uwodnieniem (hydratacją),
czyli przyłączeniem wody przez minerał.
Wszystkie wymienione zjawiska oddziaływania wody określa
siÄ™ w praktyce jako hydratacjÄ™.
Proces hydratacji cementu
Hydratacji towarzyszy twardnienie przetworzonych lub nowo
utworzonych produktów.
Przyjmuje siÄ™, \
e hydratacja trwa od chwili zmieszania
cementu z wodÄ…, a\
do czasu uzyskania zało\
onego produktu,
co powinno nastąpić po 28 dniach.
Niektóre uwodnione minerały przybierają formy kryształów,
inne są amorficzne (bezpostaciowe) lub po części przyjmują
obie te formy.
Charakterystyczne jest, \
e w zasadzie ka\
dy minerał reaguje z
wodÄ… samodzielnie. Dopiero po tej pierwszej przebudowie,
niektóre z nich wchodzą częściowo w związek z innymi
uwodnionymi minerałami.
Proces hydratacji cementu
Mo\
na wyró\
nić cztery charakterystyczne okresy w
procesie przetwarzania siÄ™ cementu zarobionego wodÄ…:
" Okres I  wstępnego dojrzewania (przedindukcyjny)
Trwa on od momentu zmieszania cementu z wodą do około
10 minut.
Natychmiast po wymieszaniu cementu z wodÄ…, woda wnika
(penetruje) do pewnej gÅ‚Ä™bokoÅ›ci (H" 1µm) w ziarna cementu,
rozmiękczając ich zewnętrzne partie.
Towarzyszy temu intensywne rozpuszczanie siÄ™ w wodzie
przede wszystkim glinianu wapniowego (celitu) zawartego w
cemencie, gipsu i alkaliów. W wyniku tego w wodzie pojawiają
siÄ™ jony siarczanowe, wapniowe, potasowe, sodowe.
Proces hydratacji cementu
W wyniku tej reakcji na ziarnach cementu tworzy się powłoczka
z etryngitu (C6AS3H32) oraz powstaje \
el krzemianowo
wapniowy CSH.
Powłoczka ta jest dość
szczelna i w zwiÄ…zku z
tym następuje
uspokojenie reakcji tzw.
okresu indukcji.
Rys. Procesy zachodzÄ…ce w
zewnętrznej warstwie ziaren
cementu w okresie 10 minut
od chwili wymieszania z
wodÄ…
Proces hydratacji cementu
Okres I (wstępnego dojrzewania) najintensywniej przebiega w
pierwszych 5 minutach od zarobienia cementu wodÄ….
Woda zarobowa zmienia w tym czasie swój odczyn z
obojętnego o pH=7 na silnie alkaliczny o pH>12.
Najwcześniej rozpoczyna hydratację:
- glinian trójwapniowy (C3A  celit),
- z kolei krzemian trójwapniowy (C3S  alit),
- a krzemian dwuwapniowy (C2S  belit) reaguje
znacznie wolniej.
Reakcjom chemicznym towarzyszy silne wydzielanie siÄ™
ciepła.
Proces hydratacji cementu
W dalszym ciągu okresu I trwa penetracja wody w głąb ziaren
cementu, następuje nasycanie się wody wapnem i tworzenie
amorficznych form wodorotlenku wapniowego (portlantydu) 
Ca(OH)2.
Kryształy portlantydu wytwarzają się w pewnej odległości od
ziaren cementowych i gromadzą się w obszarze o zwiększonej
ilości wody zarobowej, w tym przede wszystkim na styku z
ziarnami kruszywa.
potlantyd
Proces hydratacji cementu
" Okres II  okres indukcji (okres wiÄ…zania)
Trwa od momentu zakończenia I okresu (tj. po około 10
minutach od chwili wymieszania cementu z wodÄ…) do chwili
zwanej końcem wiązania (około 6-8 godzin).
Okres ten rozpoczyna się w chwili, gdy woda całkowicie
nasyci siÄ™ wapnem oraz gdy na ziarnach cementu zacznÄ…
tworzyć się pierwsze narosty krystaliczne, które tworzy
głównie etryngit oraz CSH (\
el krzemianowo wapniowy).
Ponadto zwiększa się ilość kryształów portlantydu
(CaOH2), ale ju\
o mniejszych wymiarach. Ten właśnie
moment uznaje siÄ™ za poczÄ…tek czasu wiÄ…zania cementu,
który w zale\
ności od klasy cementu powinien wynosić nie
mniej ni\
75, 60 i 45 minut.
Proces hydratacji cementu
Okres wiÄ…zania charakteryzuje siÄ™ dalszym przyspieszonym
postępem hydratacji oraz intensywnym przyrostem ilości
kryształów glinianowych na ziarnach cementu w postaci pryzm
i igiełek etryngitu. Woda wnika w coraz głębsze warstwy ziaren
cementu, z których wydobywają się nowe porcje wapna,
alkaliów i gipsu.
Umownie przyjęto, \
e koniec
wiązania następuje w chwili,
gdy narastajÄ…ce na ziarnach
cementu kryształy etryngitu
zaczną łączyć ze sobą
(mostkować) poszczególne
ziarna cementu. Następuje
gęstnienie mieszanki.
Rys. Schemat rozwoju struktury zaczynu
cementowego w II okresie  w
momencie końca wiązania
Proces hydratacji cementu
" Okres III  okres tÄ™\
enia
Trwa on do chwili uzyskania przez cement pełnej wymaganej
wytrzymałości na ściskanie  według zało\
eń normowych 28
dni.
Okres III to okres tÄ™\
enia masy i nabierania
wytrzymałości mechanicznej.
Po upływie 24 godzin od zarobienia zaczynu wyczerpuje się
zapas gipsu i tym samym następuje intensywnie hydratacja
celitu, w wyniku czego powstajÄ… hydraty drobnych
prostopadłościennych kryształków C4AH13. Zagęszczają one
strukturę i zmniejszają wielkość porów w zaczynie
cementowym.
Proces hydratacji cementu
Nowo tworzące się kryształy przyłączają się do pierwotnych
układów, czyniąc poszczególne łańcuchy coraz grubsze,
silniej i szczelniej splecione.
W wyniku dalszej hydratacji cementu ubywa wolnej
wody zarobowej, \
el zagęszcza się i tę\
eje. Część wcześniej
powstałego etryngitu przechodzi w trwalszy monosiarczan.
To wszystko powoduje, \
e wytrzymałość na ściskanie
twardniejącego zaczynu rośnie.
Masa krzemianowa CSH wypełnia miejsca pomiędzy
ziarnami cementu. Struktura zaczynu cementowego staje siÄ™
coraz szczelniejsza, a kształtem przypomina zesztywnianą
gąbkę, w której pory stanowią około 28% objętości. Średnica
tych porów \
elowych sięgają 10nm, ale z reguły nie
przekraczajÄ… 3 nm.
Proces hydratacji cementu
Dwudziesty ósmy dzień twardnienia przyjmuje się wg norm
obowiązującym na całym świecie jako dzień zakończenia
twardnienia cementu. Wynika to jedynie ze względów
organizacyjnych projektowania, wznoszenia i eksploatacji
obiektów.
Rys. Schemat rozwoju
struktury zaczynu
cementowego w III
okresie  postępującym
procesie
strukturotwórczym
Proces hydratacji cementu
" IV okres  okres eksploatacji stwardniałego betonu
W sprzyjających warunkach następuje dalszy, choć
bardzo powolny proces tÄ™\
enia objawiajÄ…cy siÄ™ dalszym
wzrostem wytrzymałości.
Zakres wzrostu wytrzymałości zale\
y od rodzaju
cementu. Cementy zawierające więcej belitu kosztem alitu są
w tym okresie bardziej aktywne i wykazują większy przyrost
wytrzymałości na ściskanie.
Proces hydratacji cementu
Schemat reakcji chemicznej minerałów cementu
Alit:
C3 S + H2O CSH (\
el /masa/ krzemianowo wapniowy) +CH
Belit:
C2S + H2O CSH (\
el /masa/ krzemianowo wapniowy) +CH
Celit:
C3 A +CSH2 +H2 O C3A x 3CSHn ( w tym n=32 czyli etryngit
C6AS3H32
C3A + H2O C4AH13 (hydraty drobnych prostopadłościennych
kryształków) + C2AH8
Brownmilleryt:
C4AF + H2O C4(AF)H13
Proces hydratacji cementu
Stopień hydratacji cementu oznacza ilość zhydratyzowanej
części cementu i mo\
e być wyra\
ony w procentach.
Woda przenika w ciÄ…gu 28 dni do ziaren cementu
portlandzkiego na gÅ‚Ä™bokość 4 do 5µm, a po upÅ‚ywie roku do
okoÅ‚o 8µm, przy sprzyjajÄ…cych warunkach po wielu latach
gÅ‚Ä™bokość penetracji nie przekracza z reguÅ‚y 12 µm.
BiorÄ…c pod uwagÄ™, \
e cement zawiera ziarna tak\
e o
Å›rednicy do 200 µm, nigdy nie nastÄ…pi peÅ‚na hydratacja
cementu. W praktyce stopień hydratacji cementu osiąga w
betonach wartość około 50-60%.
Oznacza to, \
e na stopień hydratacji cementu mają
wpływ: warunki wilgotnościowe, stopień rozdrobnienia ziaren
cementu oraz rodzaj cementu.
Cement
Wiadomości końcowe:
- Gęstość cementu: 3,1  3,15 t/m3;
- Gęstość nasypowa cementu: 0,9  1,2 t/m3;
- Stopień zmielenia (rozdrobnienia, miałkości):
X= 3000-5500 cm2/g w zale\
ności od klasy cementu;
- Okres przechowywania cementu: do 1 miesiÄ…ca dla
cementu klasy 52,5 oraz do 2 miesięcy dla klas ni\
szych;
Cement ulega starzeniu (zbryleniu), co skutkuje dłu\
szym
poczÄ…tkiem czasu wiÄ…zania oraz obni\
oną wytrzymałością.
- Magazynowanie: - cement luzem w silosach (na węzłach
betoniarskich i w zakładach prefabrykatów betonowych); -
cement paczkowany w suchych, krytych magazynach (na
płask na folii lub papie do 10 worków).