2010-12-28
Cement portlandzki
(zarys produkcji, skład tlenkowy i mineralogiczny klinkieru cementowego)
Podstawowe informacje dotyczÄ…ce procesu wiÄ…zania
cementu
Zaczyn cementowy i wskaz
nik w/c
Zjawisko skurczu zaczynu cementowego
Rola zaczynu w kształtowaniu podstawowych
właściwości betonu
Ogólny przegląd spoiw cementowych powszechnego
u\
ytku
Cement - zarys produkcji
Wapień Glina
główne surowce
Rozdrabnianie, homogenizacja
1/ metoda sucha: granulat
2/ metoda mokra: szlam
Wypalanie
piec obrotowy 1450oC
Gips
Klinkier
ew. dodatki mineralne
Mielenie w młynie kulowym
Cement
1
2010-12-28
Cement - zarys produkcji (metoda sucha)
składniki
wstępna dodatkowe
homogenizacja
kruszarka
młyn
CO2
silosy
prekalcynacja
magazyn klinkieru
800  1000oC
schładzacz
dodatki
piec obrotowy
młyn kulowy
ok. 1450oC
2
Kopalnia:
wapie
Å„
, glina
2010-12-28
kopalnia kruszenie i homogenizacja
piec obrotowy
wnętrze pieca
skład klinkieru
młyn kulowy
Cement  charakterystyka ogólna
Cement portlandzki jest spoiwem hydraulicznym, to
znaczy, \
e po połączeniu z wodą wykazuje zdolność do
wiÄ…zania i twardnienia w powietrzu i w wodzie.
Głównym produktem hydratacji są związki (hydraty)
wykazujące stabilność zarówno w środowisku powietrznym
jak i wodnym.
Opatentowanie cementu portlandzkiego przez Aspdina -
1824
3
2010-12-28
Cement  charakterystyka ogólna
Szary proszek o krÄ™pych ziarnach od 5 do 80 µm.
DominujÄ… ziarna 20 do 40 µm, dopuszczalne do 200 µ.
Powierzchnia właściwa od ok. 1800 do ok. 5000 cm2/g
Gęstość ziaren 3,1 g/cm3, gęstość nasypowa ok. 1,3 g/cm3.
Skład surowcowy:
ok. 80% kamień wapienny + ok. 20% surowce ilaste (glina)
Skład tlenkowy klinkieru (cementu) portlandzkiego
Zawartość [% m.]
Oznaczenie Nazwa
Zakres Åšrednio
CaO tlenek wapnia 60-70 63
Si02 krzemionka 18-25 22
Al2o3 tlenek glinu 4-9 7
Fe203 tlenek \
elaza 1-5 3
MgO tlenek magnezu 1-5 2
trójtlenek siarki 1-3 2
so3
tlenek sodu
Na20 + K20 0,5-1,8 0,8
i potasu (alkalia)
4
2010-12-28
Skład mineralogiczny klinkieru (cementu) portlandzkiego
Wzór chemiczny Skrót Nazwa Budowa Właściwości Zawartość
[% masy]
3CaO Si02 C3S krzemian krystaliczna w " wysokoaktywny 35-65
trójwapniowy postaci " wysokokaloryczny
sześciokątnych (szybkie twardnienie)
(alit)
tabliczek
2CaO Si02 C2S krzemian krystaliczna w " średnioaktywny 15-40
dwuwapniowy postaci krępej " niskokaloryczny
(powolny, lecz du\
y
(belit)
przyrost wytrzymałości)
od bezpostaciowej " bardzo wysoko
8-12
3CaO Al203 C3A glinian
trójwapniowy do krystalicznej aktywny
krępej " wysokokaloryczny
(celit)
i sześciobocznej, (przyspiesza wiązanie)
ale
o bardzo małych
wymiarach
8-12
4CaO Al203 C4AF \
elazoglinian od bezpostaciowej " słaboaktywny
czterowapniowy po krystaliczne, " średniokaloryczny
Fe203
o nieprawidłowej (powolny przyrost
(braunmilleryt)
budowie wytrzymałości)
Podstawowe informacje o wiÄ…zaniu cementu
Stwardniały zaczyn cementowy powstaje w wyniku reakcji
chemicznych między cementem i wodą (reakcje hydratacji).
ZÅ‚o\
ony proces chemiczny, podczas którego podstawowe składniki
mineralne klinkieru (cementu portlandzkiego) C3S, C2S, C3A i C4AF
reagujÄ… z wodÄ… tworzÄ…c nowe, nie rozpuszczalne w wodzie zwiÄ…zki
(hydraty).
W największym stopniu w rozwoju wytrzymałości uczestniczą
C3S i C2S tworzÄ…c fazÄ™
C-S-H (uwodnione krzemiany wapnia)
i
C-H (wodorotlenek wapniowy; portlandyt)
5
2010-12-28
Podstawowe informacje o wiÄ…zaniu cementu
W du\
ym uproszczeniu reakcja hydratacji alitu C3S et belitu C2S przebiega
następująco:
C3S
lub + H2O ----> C-S-H + Ca(OH)2 + Q
C2S
Najwa\
niejszymi produktami hydratacji (hydratami) sÄ… uwodnione krzemiany
wapniowe C-S-H występujące w postaci tzw. \
elu cementowego. śel ten wpływa
na większość właściwości stwardniałego zaczynu cementowego.
Ca(OH)2 (portlandyt) decyduje o pH, składnik słaby, rozpuszczalny w wodzie.
Reakcja C3A z wodą jest gwałtowna (wydzielanie du\
ych ilości ciepła) i powinna
być kontrolowana przez dodatek (ok. 5% m) gipsu lub anhydrytu. W wyniku
uwodnienia powstają siarczanogliniany, najczęściej w postaci ettringitu
(3CaO.Al2 O3.CaSO4.31H2O).
Podczas reakcji C4AF z wodą wydziela się niewiele ciepła. Uwodnienie C4AF
w niewielkim stopniu wpływa na rozwój wytrzymałości.
C3S CSH ettringit
6 CSH + etryngit
1: ziarno cementu
2: warstwa rozpuszczona
3: woda
4: wydzielajÄ…ce siÄ™ wapno
5: kryształy C-H
6: kryształy ettringitu
7: włóknisty \
el C-S-H
8: pory kontrakcyjne
C3S i C2S ulegają rozpuszczeniu i hydrolizie, a następnie rekrystalizują
tworzÄ…c uwodnione krzemiany jednowapniowe i inne krystaliczne formy
hydratów, które przytwierdzają się wzajemnie do siebie i do ziaren cementu.
6
2010-12-28
Ogólny opis mikrostruktury stwardniałego zaczynu cementowego
nie uwodnione
C-S-H (cechy ciała stałego; 50-60% obj.)
ziarno cementu
kryształ
por kapilarny
Ca(OH)2 [C-H]
° Ziarna cementu (na poczÄ…tku 10 do 80 µm) częściowo uwodnione i otoczone
warstwą hydratów
° Pory kapilarne częściowo lub w peÅ‚ni wypeÅ‚nione wodÄ…
° Hydraty (przede wszystkim C-S-H i C-H stopniowo wypeÅ‚niajÄ…ce przestrzeÅ„
między ziarnami cementu
°Nie s Ä… pokazane pory \
elowe (za małe) i pory powietrzne (za du\
e).
Mikrostruktura \
elu C-S-H
1 - masa \
elowa (teoretycznie zwarta; budowa warstwowa  folie, 100-700 m2/g;
du\
a kohezja  siły Van der Wallsa) ;
2 - woda zaadsorbowana na powierzchni \
elu;
3 - woda \
elowa (międzywarstwowa w porach \
elu) skurcz i pęcznienie !
4 - por kapilarny (porowatość \
elu ok. 28% obj.);
5 - woda wolna
7
2010-12-28
Cztery podstawowe typy \
elu cementowego wg Dimond a
I  bardzo cienkie zwinięte blaszki
II   plaster pszczeli
III  dyski lub sfery tworzące materiał bardziej zwarty
IV  struktura zbita, amorficzna
Charakterystyka czterech głównych mineralnych składników
klinkieru (cementu) portlandzkiego
C3S  wysokoaktywny,
wysokokaloryczny
C2S  średnioaktywny,
niskokaloryczny
C3A - bardzo wysoko
aktywny, wysokokaloryczny
C4AF  słaboaktywny,
średniokaloryczny
28 360
czas dojrzewania [doby]
Kinetyka przyrostu wytrzymałości zaczynu zale\
eć będzie w du\
ej mierze od
udziału czterech minerałów, a tak\
e od stopnia rozdrobnienia cementu.
8
wytrzymało
ść
na
Å›
ciskanie
2010-12-28
Kinetyka hydratacji w zaczynie cementu portlandzkiego  tworzenie
się produktów hydratacji
Aft  etryngit
Lea F.M., Chemistry of Cement and Concrete, Fourth Edition,
Edited by Peter C. Hewlett, Butterworth-Heinemann, Woburn, MA, 1998.
Afm - monosiarczan
Składniki zaczynu cementowego przy w/c=0,5, wg Younga
9
2010-12-28
Podstawowe właściwości cementu
Badania prowadzone na suchym cemencie
- Gęstość i gęstość nasypowa
przeciÄ™tnie: Ác = 3,0 do 3,2 g/cm3 (3,1 g/cm3)
Án = 0,9 do 1,4 g/cm3 (1,3 g/cm3)
- Stopień rozdrobnienia (zmielenia);
miarą jest powierzchnia właściwa, czyli sumaryczna
powierzchnia zewnętrzna ziaren cementu ..wa\
Ä…cych
Å‚Ä…cznie 1 g  aparat Blaine a
1500 do 5000 cm2/g
patrz ćwiczenia i laboratorium
Podstawowe właściwości cementu
Badania prowadzone na zaczynie cementowym
- Wodo\
ądność - ilość wody potrzebna do uzyskania ..zaczynu
..o \
Ä…danej konsytencji
Wodo\
ądność właściwa (aparat Vicat a) woda do ..konsytencji
..normowej: w zale\
ności od rodzaju cementu
..od 0,24 do 0,32 % mc.
- Czas wiÄ…zania (aparat Vicat a)
zale\
y od rodzaju cementu, stopnia rozdrobnienia i temperatury
- początek: nie wcześniej ni\
po 60 minutach;
przeciętnie po ok. 2 h
- koniec: przeciętnie po 3 do 4 h
- Stałość objętości - pęcznienie i skurcz
(pierścień Le Chatelier a; placki) patrz ćwiczenia i laboratorium
10
2010-12-28
Podstawowe właściwości cementu
Badania prowadzone na normowej zaprawie
cementowej
- Wytrzymałość (beleczki 4x4x16 cm)
- na rozciÄ…ganie przy zginaniu
- na ściskanie (np. po 2, 7 i 28 dniach dojrzewania)
Klasa cementu
(32,5; 42,5; 52,5 MPa)
patrz ćwiczenia i laboratorium
Ogólne wymagania wytrzymałościowe dla cementów
ró\
nych klas
Wytrzymałość na ściskanie [MPa]
wczesna normowa
Klasa
po 2 dniach po 7 dniach po 28 dniach
32,5 --- e" 16
e" 32,5 d" 52,5
32,5R
e" 10
42,5
e" 42,5 d" 62,5
42,5R
---
52,5 ---
e" 52,5
e" 20
52,5R
Uwaga: Litera R w oznaczeniu klasy wytrzymałości informuje, \
e cement charakteryzuje
się szybszym wiązaniem, a więc i przyrostem wytrzymałości w pierwszych 2 dobach
twardnienia. Litera N wskazuje na cement normalnie wiÄ…\
Ä…cy.
11
2010-12-28
Wskaz
nik wodno-cementowy (w/c) jako podstawowy parametr
charakteryzujÄ…cy zaczyn cementowy
Przeciętnie cement do pełnej hydratacji potrzebuje wody
w ilości ok. 30% swojej masy.
Przy w/c < 0,30 Przy w/c > 0,30
i braku dostępu wody z
otoczenia
nie pełna hydratacja, du\
o nie część wody nie wykorzystana,
uwodnionych ziaren cementu nieuniknione pory kapilarne
im większy wskaz
nik w/c tym
większa porowatość
W przypadku betonów zwykłych
stwardniałego zaczynu
w/c = 0,40 do 0,65
cementowego
Udział głównych składników w zaczynach o zmiennym W/C
przy ró\
nym stopniu hydratacji cementu [Powers]
4
świe\
y zaczyn stopień hydratacji stopień hydratacji stopień hydratacji
cementowy cementu: 33 % cementu: 67 % cementu: 100 %
3
2
1
0
0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8
wskaz
nik W/C wskaz
nik W/C wskaz
nik W/C wskaz
nik W/C
cement niezhydratyzowany produkty hydratacji woda kapilarna
12
3
obj
Ä™
to
ść
zaczynu cementowego [cm ]
2010-12-28
Zmienność objętości faz w dojrzewającym zaczynie cementowym
o wskaz
niku w/c = 0,3
(przy Ác = 3,1 i Áw = 1,0 -> objÄ™toÅ›ciowo w : c = 48 : 52)
4 4-pory kapilarne
3-pory \
elowe,
3
W
2 2-woda chemicznie zwiÄ…zana,
1 1-cement zhydratyzowany
C
C - cement nie zhydratyzowany
75
stopień hydratacji cementu [%]
Rola zaczynu w kształtowaniu podstawowych właściwości betonu
- W poczÄ…tkowym stadium wraz z kruszywem tworzy
..mieszankÄ™ betonowÄ… nadajÄ…c jej odpowiednie
..właściwości (konsystencja, urabialność)
- W wyniku wiÄ…zania i twardnienia stanowi lepiszcze
.. sklejające (monolityzujące) całość wraz z ziarnami
..kruszywa
- Stanowi matrycÄ™ sztucznego kamienia zwanego ..
..stwardniałym betonem cementowym i nadaje mu
..odczyn zasadowy (pH H" 13)
Przeciętny udział zaczynu w betonie wynosi około
30% obj.(300 dm3/m3)
13
48
22
18
8
52
obj
Ä™
to
ść
składników [% obj.]
13
39
2010-12-28
CEMENT wg PN-EN 197-1:
CEMENT wg PN-EN 197-1:
Cement, Cz.I: Skład, wymagania
Cement, Cz.I: Skład, wymagania
i kryteria zgodności cementów
i kryteria zgodności cementów
powszechnego u\
ytku
powszechnego u\
ytku
Cement portlandzki
Dostępne rodzaje
Nazwa cementu Symbol
cementu
32,5N; 32,5R; 42,5N; 42,5R;
52,5N; 52,5R
Cement portlandzki
w grupie cementów
(95 do 100% klinkieru
specjalnych:
portlandzkiego) CEM I
32,5R-NA; 42,5N-NA; 42,5R-
NA; 42,5N-HSR; 42,5R-HSR;
52,5N-NA; 52,5 R-NA
Litery A i B stosowane w oznaczeniach cementów przypisane są ró\
nym zakresom
zawartości dodatku.
Litera R w oznaczeniu klasy wytrzymałości informuje, \
e cement charakteryzuje siÄ™
szybszym wiązaniem, a więc i przyrostem wytrzymałości w pierwszych 2 dobach
twardnienia.
Litera N wskazuje na cement normalnie wiÄ…\
Ä…cy.
NA oznacza cement specjalny niskoalkaliczny, HSR cement specjalny o wysokiej
odporności na siarczany, LH cement specjalny o niskim cieple hydratacji.
14
2010-12-28
Cementy portlandzkie z dodatkami mineralnymi
Dostępne rodzaje
Nazwa cementu Symbol
cementu
Cement portlandzki \
u\
lowy
CEM II/A-S 32,5N; 32,5R; 42,5N; 42,5R
(z dodatkiem \
u\
la
wielkopiecowego - S) CEM II/B-S 32,5N; 32,5R; 42,5N; 42,5R
- w ilości od 6 do 20%
- w ilości od 21 do 35%
Cement portlandzki
CEM II/A-D obecnie nie produkowany
krzemionkowy
(z dodatkiem pyłu krzemionkowego -
D)
w ilości od 6 do 10%)
Cement portlandzki pucolanowy
CEM II/A-
(z dodatkiem pucolany naturalnej - P;
lub przemysłowej - Q) P(Q) obecnie nie produkowane
- w ilości od 6 do 20%
CEM II/B-
- w ilości od 21 do 35%
P(Q)
Cement portlandzki popiołowy
CEM II/A- 32,5N, 32,5R; 42,5N; 42,5R
(z dodatkiem popiołu lotnego
krzemionkowego - V; lub wapiennego V(W) 32,5N ; 32,5R
- W)
CEM II/B-
- w ilości od 6 do 20%
- w ilości od 21 do 35% V(W)
Cement portlandzki wapienny
CEM II/A-L
(z dodatkiem mÄ…czki wapiennej
- L) CEM II/B-L obecnie nie produkowane
- w ilości od 6 do 20%
- w ilości od 21 do 35%
Cement portlandzki
CEM II/A-SV
\
u\
lowo-popiołowy
(z dodatkiem \
u\
la wielkopiecowego CEM II/B-SV 32,5N; 32,5R
S + popiołu lotnego krzemionkowego
V)
- w ilości 3 do 10% S +
3 do 10% V
- w ilości 10 do 20% S +
10 do 20% V
Cement hutniczy
Dostępne rodzaje
Nazwa cementu Symbol
cementu
Cement hutniczy 32,5N; 32,5R
(z dodatkiem \
u\
la w grupie cementów
wielkopiecowego) specjalnych:
- w ilości od 36 do 65% CEM III/A 32,5N-NA
- w ilości od 66 do 80% CEM III/B 32,5N-NA
- w ilości od 81 do 95% CEM III/C 32,5N
15
2010-12-28
Cement pucolanowy
Dostępne rodzaje
Nazwa cementu Symbol
cementu
Cement pucolanowy
(z dodatkami pucolanowymi D, P,
Q i V)
CEM IV/A
- w łącznej ilości od 11 do 35% 32,5N; 32,5R
- w łącznej ilości od 36 do 55% obecnie nie
CEM IV/B
produkowane
Cement wieloskładnikowy
Dostępne rodzaje
Nazwa cementu Symbol
cementu
Cement
wieloskładnikowy
(z dodatkiem \
u\
la
wielkopiecowego + CEM V/A
dodatki pucolanowe) CEM V/B obecnie nie produkowane
- w ilości od 18 do 30%
+ od 18 do 30%
- w ilości od 31 do 50%
+ od 31 do 50%
16
2010-12-28
Orientacyjny zakres stosowania oraz ogólne charakterystyki
wybranych cementów powszechnego u\
ytku
Rodzaj Zalecane kierunki
Cechy charakterystyczne
cementu zastosowania
Portlandzkie: -umiarkowane ciepło Betony zwykłe klas B 15 do B 40
CEM I 32,5 N hydratacji, (C12/15 do C30/37)
CEM I 32,5 R -umiarkowana dynamika -elementy i konstrukcje monolityczne lub
CEM I 42,5 N narastania wytrzymałości prefabrykowane dojrzewające w warunkach
wczesnej i w dłu\
szych naturalnych i podwy\
szonej temperatury
okresach dojrzewania -elementy i konstrukcje sprÄ™\
one dojrzewajÄ…ce w
warunkach naturalnych i podwy\
szonej temperatury
-drobnowymiarowe wyroby prefabrykowane
dojrzewajÄ…ce w warunkach naturalnych
- betonowanie w warunkach obni\
onej temperatury
Portlandzkie: - bardzo wysokie ciepło hyd- Betony zwykłe klas B 25 do B 50
CEM I 42,5 R ratacji (C20/25 do C40/50)
CEM I 52,5 N - szybkie narastanie wytrzy- Betony wysokowartościowe klas B 50
CEM I 52,5 R małości wczesnej i wy\
szych (C40/50 i wy\
sze)
- niewielka dynamika - elementy i konstrukcje prefabrykowane
narastania wytrzymałości w dojrzewające w warunkach naturalnych oraz
dłu\
szych okresach podwy\
szonej i obni\
onej temperatury
dojrzewania - elementy i konstrukcje sprÄ™\
one dojrzewajÄ…ce w
warunkach naturalnych i podwy\
szonej temperatury
- drobnowymiarowe wyroby prefabrykowane
dojrzewajÄ…ce w warunkach naturalnych
- betony o wymaganej wysokiej wytrzymałości
wczesnej
- betonowanie w warunkach zimowych
Orientacyjny zakres stosowania oraz ogólne charakterystyki
wybranych cementów powszechnego u\
ytku
Rodzaj Cechy Zalecane kierunki
cementu charakterystyczne zastosowania
Portlandzkie - umiarkowane ciepło Betony zwykłe klas B 15 do B 40
popiołowe: hydratacji (C12/15 do C30/37)
CEM II/A-V 32,5 R - elementy i konstrukcje monolityczne lub
CEM II/A-V 42,5 N - umiarkowana prefabrykowane dojrzewajÄ…ce w
Portlandzkie dynamika narastania warunkach naturalnych i podwy\
szonej
\
u\
lowe: wytrzymałości wczesnej temperatury
CEM II/A-S 32,5 R
CEM II/A-S 42,5 R - bardzo dobra dynamika - drobnowymiarowe wyroby
Portlandzkie narastania prefabrykowane dojrzewajÄ…ce w
\
u\
lowo- wytrzymałości w warunkach naturalnych
popiołowe: dłu\
szych okresach
CEM II/A-SV 32,5 R dojrzewania
CEM II/A-SV 42,5 R
17
2010-12-28
Orientacyjny zakres stosowania oraz ogólne charakterystyki
wybranych cementów powszechnego u\
ytku
Rodzaj Cechy Zalecane kierunki
cementu charakterystyczne zastosowania
Hutnicze: - niskie ciepło hydratacji Betony zwykłe klas B 7,5 do B 40
CEM III/A 32,5 N - powolne narastanie (C8/10 do C30/37)
CEM III/A 42,5 N wytrzymałości wczesnej - elementy i konstrukcje monolityczne lub
Pucolanowe: - bardzo dobra dynamika prefabrykowane dojrzewajÄ…ce w warunkach
CEM IV/A 32,5 N narastania wytrzymałości naturalnych i podwy\
szonej temperatury
CEM IV/A 42,5 N w dłu\
szych okresach - konstrukcje masywne
czasu - konstrukcje hydrotechniczne
- wysoka odporność na - betony o podwy\
szonej odporności na
agresjÄ™ chemicznÄ… agresjÄ™ chemicznÄ…
- betony podkładowe (chude)
Hutniczy: - bardzo niskie ciepło Betony zwykłe klas B 7,5 do B 35
CEM III/B 32,5N hydratacji (C8/10 do C30/37)
Pucolanowy: - bardzo powolne - elementy i konstrukcje monolityczne lub
CEM IV/B 32,5 N narastanie wytrzymałości prefabrykowane dojrzewające w warunkach
wczesnej naturalnych i podwy\
szonej tempe-ratury
- bardzo dobra dynamika - konstrukcje masywne
narastania wytrzymałości - konstrukcje hydrotechniczne
w dłu\
szych okresach - betony o wysokiej odporności na agresję
dojrzewania chemicznÄ…
- bardzo wysoka - betony podkładowe (chude)
odporność na agresję
chemicznÄ…
18