Politechnika Warszawska

Wydział Budownictwa, Mechaniki

i Petrochemii w Płocku

SPRAWOZDANIE Z MATERIAŁÓW BUDOWLANYCH

Cement VF

Identyfikacja nieznanej substancji na podstawie własnych badań

Wykonali:

Kasprzycki Michał

Niewiadomska Katarzyna

Rutkowski Paweł

Płock, 2010

Spis treści:

1. Harmonogram 3

2. Wstęp teoretyczny 4

2.1. Rodzaje cementów i ich właściwości 4

2.2. Teoretyczne zasady hydratacji cementu 9

2.3. Technologia produkowania 9

2.4. Wykorzystanie w budownictwie 12

3. Metodyka oznaczania właściwości badanego cementu 12

3.1. Oznaczenie gęstości (PN-76/B-06714/02) (w załączniku)

3.2. Oznaczenie konsystencji normowej (PN-EN 196-3) (w załączniku)

3.3. Oznaczenie czasu wiązania cementu (PN-EN 196-3) (w załączniku)

3.4. Oznaczenie wytrzymałości na ściskanie i zginanie zaprawy z piaskiem normowym (PN-EN 196-1) (w załączniku)

3.5. Oznaczenie stopnia zmielenia (PN-EN 196-6) (w załączniku)

3.6. Oznaczenie straty prażenia (PN-EN 196-2) (w załączniku)

3.7. Oznaczenie wytrzymałości na ściskanie zaprawy M15 z piaskiem wiślanym (PN-85/B-04500) (w załączniku)

4. Część eksperymentalna……………………………………………………………...23

4.1. Badanie wizualne obiektu pod mikroskopem 23

4.2. Oznaczenie gęstości 23

4.3. Oznaczenie konsystencji normowej 24

4.4. Oznaczenie czasu wiązania 24

4.5. Oznaczenie wytrzymałości na ściskanie i zginanie zaprawy z piaskiem normowym. 25

4.6 Oznaczenie stopnia zmielenia. 27

4.7. Oznaczenie straty prażenia 28

4.8 Oznaczenie wytrzymałości na ściskanie zaprawy M15 z piaskiem

wiślanym. 28

5. Tabela porównawcza i wnioski 30

6. Bibliografia 31

7. Załączniki 32

1. Harmonogram

DATA	BADANIE
23.10.2009	Badanie wizualne obiektu pod mikroskopem.
20.11.2009	Oznaczenie konsystencji normowej cementu.
28.11.2009	Oznaczenie gęstości cementu.
22.12.2009	Oznaczenie stopnia zmielenia.
18.12.2009	Oznaczenie wytrzymałości na ściskanie i zginanie zaprawy z piaskiem normowym.
23.11.2009	Oznaczenie czasu wiązania.
04.12.2009	Oznaczenie konsystencji zaprawy M15.
11.12.2010	Oznaczenie straty prażenia
08.01.2010	Oznaczenie wytrzymałości na ściskanie zaprawy M15 z piaskiem wiślanym.

2. Wstęp teoretyczny

• Rodzaje cementów i ich właściwości

cement - to hydrauliczne spoiwo mineralne, otrzymywane z surowców mineralnych (margiel lub wapień i glina) wypalonych na klinkier w piecu cementowym a następnie zmielenie otrzymanego spieku. Stosowany jest do przygotowywania zapraw cementowych, cementowo-wapiennych i betonów. W zależności od składu klinkieru, sposobu produkcji, cementy dzielą się na:

- cement portlandzki - najczęściej stosowany, szary, sypki materiał, otrzymywany ze zmielenia klinkieru z gipsem i dodatkami hydraulicznymi. Wynalezienie cementu portlandzkiego przypisywane jest Anglikowi Josephowi Aspdinowi, który w 1824 uzyskał patent na jego wyrób. Nazwa pochodzi od koloru otrzymanego cementu, który przypominał wynalazcy kolor skał w Portland.

Klinkier cementowy otrzymuje się przez wypalenie w temperaturze + 1450°C mieszaniny zmielonych surowców zawierających wapień i glinokrzemiany. Podstawowe składniki klinkieru to:

Nazwa minerału	Nazwa chemiczna	Wzór chemiczny	Oznaczenie skrócone	Zawartość % (wagowo)
Alit	Krzemian trójwapniowy	3CaO*SiO2	C3S	30-65
Belit	Krzemian dwuwapniowy	2CaO*SiO2	C2S	15-45
Braunmilleryt	Glinożelazian czterowapniowy	4CaO*Al2O3*Fe2O3	C4AF	5-15
	Glinian trójwapniowy	3CaO*Al2O3	C3A	5-15
Gips	Siarczan wapniowy dwuwodny	CaSO4*2H2O	CSH2	2-5

Do wypalonego klinkieru dodaje się gips jako wypełniacz i w celu zmniejszenia reaktywności. W procesie wiązania powstają związki, które ulegając krystalizacji tworzą zwartą, twardą masę. Sam proces wiązania to reakcje chemiczne, z których dwie, najważniejsze to:

6 CaO·SiO₂ + 9 H₂O → 6 CaO·SiO₂·9 H₂O

3 CaO·Al₂ O₃ + 12 H₂O = 3 CaO·Al₂O₃·12 H₂O

Produkowane cementy różnią się między sobą klasami, tj. wytrzymałością mechaniczną określaną na normowych próbkach oraz tempem przyrostu wytrzymałości w czasie (N - normalnie twardniejące, R - szybkotwardniejące). Liczba określająca klasę cementu informuje o minimalnej wytrzymałości normowej zaprawy na ściskanie, wyrażonej w MPa po 28 dniach wiązania.

Do grupy cementów portlandzkich należy także cement portlandzki biały, otrzymywany bez domieszek związków żelaza, oraz cement murarski i cement portlandzki szybkotwardniejący. Rodzaje cementów dzielą się też w/g powierzchni Blaine'a na 42,5 ,32,5 itd.

- cement hutniczy - otrzymywany jest z klinkieru portlandzkiego, regulatora czasu wiązania, którym może być gips, REA-gips, anhydryt (lub ich mieszanina) i granulowanego żużla wielkopiecowego. Cement ten jest bardziej odporny na działanie siarczanów niż cement portlandzki. Ma wolniejszy niż cement portlandzki przyrost wytrzymałości w czasie i niższe ciepło hydratacji.

Wyróżnia się:

1. cement hutniczy CEM III/A - zawiera klinkier z dodatkiem 36-65% żużlu

2. cement hutniczy CEM III/B - zawiera klinkier z dodatkiem 66-80% żużlu

3. cement hutniczy CEM III/C - zawiera klinkier z dodatkiem 81-95% żużlu

- cement glinowy - cement otrzymywany przez zmielenie boksytu z wapieniem, stopienie i ponowne zmielenie mieszanki. Cechuje go szybki przyrost wytrzymałości w pierwszych dniach po użyciu, podwyższona odporność na działanie wyższych temperatur. Z uwagi na znaczne (wyższe niż dla cementu portlandzkiego) ciepło hydratacji (wydzielanie ciepła podczas reakcji wiązania) można stosować go podczas betonowania zimą (przy temperaturze do - 10°C) bez specjalnych zabezpieczeń.

- cement pucolanowy - cement otrzymywany z klinkieru portlandzkiego, pucolany i siarczanu wapnia; najczęściej jest to: klinkier portlandzki, popiół lotny (popiół będący odpadem przy spalaniu węgla w elektrowniach) i gips. Cement pucolanowy posiada własności podobne do cementu hutniczego, czyli niskie ciepło hydratacji i większa odporność na działanie wód agresywnych (zwłaszcza na agresję siarczanową).

- cement żużlowy - Cementy żużlowe mają właściwości i zastosowanie podobne do cementu hutniczego. Do grupy cementów żużlowych należą:

- cement żużlowy bezklinkierowy - produkowany przez zmielenie żużli wielkopiecowych z dodatkiem gipsu, anhydrytu, wypalonego w temperaturze ok. 900°C dolomitu oraz wapna hydratyzowanego. Cement żużlowy ma ciemnozielony kolor.

- cement żużlowo-gipsowy - produkowany przez zmielenie żużli wielkopiecowych, gipsu oraz klinkieru portlandzkiego. Odznacza się większą odpornością na działanie siarczanów i wód kwaśnych. Nie wolno stosować go do betonów zbrojonych (żelbetu), ponieważ powoduje korozję stali.

- oraz cementy specjalne np. cement kwasoodporny (otrzymywany z piasku kwarcowego z aktywną domieszką krzemionkową) - obecnie nie stosowany.

Natomiast ze względu na sposób i szybkość wiązania wyróżnia się:

- cement ekspansywny - cement, który pęcznieje w okresie twardnienia. Istnieje kilka sposobów jego otrzymania: np. zmieszanie cementu portlandzkiego lub cementu glinowego z składnikiem ekspansywnym. Jest stosowany m.in. do zalewania ubytków, otworów na śruby w konstrukcjach betonowych.
Dawniej stosowany do zalewania pęknięć. Dziś do tego typu napraw stosuje się gotowe, specjalne mieszanki modyfikowane polimerami. Ich skład jest ściśle ustalony i przeznaczenie podane na opakowaniu (np. napraw rys do 2 mm, napraw rys 2 - 5 mm itp.). Użycie jest bezpieczniejsze. Posiadają lepsze własności zczepne, większą niż beton wytrzymałość mechaniczną, przyrost objętości jest wcześniej sprawdzany w laboratoriach przygotowujących receptę składu.

- cement szybkotwardniejący - odmiana cementu portlandzkiego wysokiej wytrzymałości mechanicznej po stwardnieniu. Otrzymuje się go jak cement portlandzki, jednak dobór składników do produkcji ustala się w taki sposób, aby zawartość alitu była jak najwyższa. Beton wykonany z takiego cementu może być poddany obciążeniom nawet po 24 godzinach.
Są także inne sposoby na uzyskanie betonu o dużym przyroście wytrzymałości w pierwszych godzinach po wylaniu do deskowania:

- użycie domieszek przyśpieszających narastanie wytrzymałości

- użycie gotowych mieszanek szybkotwardniejących

- obróbka cieplna betonu - naparzanie stosowane zazwyczaj przy produkcji prefabrykatów.

- cement tamponażowy - cement portlandzki charakteryzujący się małą szybkością wiązania w podwyższonej temperaturze. Jest stosowany w przemyśle naftowym do cementowania otworów wiertniczych.

Są także inne spoiwa, które w swojej nazwie mają słowo cement:
spoiwa powietrzne:

- cement anhydrytowy (cement Keena) - powietrzne spoiwo mineralne, otrzymywane ze zmielonego kamienia gipsowego z dodatkiem katalizatorów. Stosowany do wyrobu detali architektonicznych ze względu na biały kolor i łatwość polerowania powierzchni.

- spoiwo magnezjowe - materiał budowlany należący do spoiw mineralnych powietrznych. Otrzymywane jest z wapieni dolomitowych poddanych wypalaniu w temperaturze od 800°C do 900°C z dodatkiem chlorku lub siarczku magnezowego. W wyniku wypalania otrzymywany jest tlenek magnezu MgO. Tlenek magnezu w połączeniu z rozpuszczonym w wodzie chlorkiem magnezu MgCl₂ nazywany jest cementem Sorela (Stanisław Sorel, wynalazł spoiwo magnezowe w 1867 r.) stosowany był do wykonywania zapraw magnezjowych. Spoiwo magnezjowe, po związaniu tworzy twardszą i bardziej odporną na czynniki zewnętrzne powłokę niż inne spoiwa powietrzne. Stosowane było do wykonywania tynków oraz po połączeniu z trocinami lub wiórami z drewna: posadzek bezspoinowych, płytek okładzinowych, podokienników i różnych detali architektonicznych. (Materiał otrzymany z połączenia cementu Sorela z trocinami nazywano skałodrzewem lub ksylolitem.) Wadą spoiwa magnezjowego jest powodowanie korozji stali. Obecnie, w Polsce nie stosuje się spoiwa magnezjowego w budownictwie.

- oraz wapno hydrauliczne, które należy do spoiw hydraulicznych i bywa nazywane cementem romańskim. Jednak proces produkcji i skład chemiczny tych materiałów różni się od pozostałych cementów.

2.2. Teoretyczne zasady hydratacji cementu

Cement po zarobieniu z wodą ulega hydratacji, czyli uwodnieniu. Ilość wody niezbędna do hydratacji cementu waha się od 20 do 25% jego masy.

W początkowym okresie gliniany wapniowe (CA) uwadniają się bardzo szybko - zjawisko to należy hamować tak, aby nie dopuścić do przedwczesnego tężenia zaczynu. Dodatek siarczanu wapniowego (gips lub anhydryt) powoduje spowolnienie tych procesów poprzez utworzenie uwodnionych siarczano-glinianów wapniowych otaczających ziarna glinianów.

Krzemiany wapniowe (CS) ulegają wolniej uwodnieniu niż gliniany, a procesowi hydratacji towarzyszy powstawanie wodorotlenku wapniowego i bardzo trwałej struktury uwodnionych krzemianów wapniowych (CSH).

Żużel wielkopiecowy i popiół lotny wchodzą w reakcję chemiczną z utworzonym wodorotlenkiem wapniowym tworząc także uwodnione krzemiany wapniowe. Powstałe hydraty zagęszczają strukturę wpływając korzystnie na trwałość zaczynu cementowego.

W temperaturze poniżej 100°C

C3A + 6H → C3AH6 (hydrogarnet)

C3A + 3CSH2 + 26H → C6AS3H32 (etryngit)

2C3A + C6AS3H32 + 4H → 4C4ASH12 (monosiarczan)

C4AF + 3CSH2 + 30H → C6AS3H32 + CH + FH3

2C4AF + C6AS3H32 + 12H → 3C4ASH12 + 2CH + 2FH3

C4AF + 10H → C3AH6 + CH + FH3

2.3. Technologia produkowania

Uzyskiwany przez wypał w piecu cementowym w wysokiej temperaturze takich surowców jak: wapień, wapień marglisty, margiel, glina czy iłołupek, klinkier cementowy jest półproduktem do produkcji cementu.

Podstawowe tlenki, z których zbudowany jest klinkier to:
CaO, SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃ - czyli powszechnie występujące w przyrodzie.
Związki te podczas procesu wypału w piecu pod wpływem wysokiej temperatury reagują ze sobą tworząc podstawowe fazy (minerały) klinkierowe. Są nimi: krzemian trójwapniowy Ca₃SiO₅ - tzw. alit o wzorze technologicznym (C₃S), krzemian dwuwapniowy Ca₂SiO₄ - tzw. belit (C₂S), glinian trójwapniowy Ca₃Al₂O₆ - tzw. celit (C₃A), glinożelazian czterowapniowy Ca₄Al₂Fe₂O₁₀ - tzw. braunmilleryt (C₄AF) Skład chemiczny i mineralny klinkieru jest zwykłe zbliżony do przedstawionego w tabeli 1.

Tab. 1. Porównanie przykładowych składów surowców i klinkieru portlandzkiego

Skład chemiczny surowców		Skład chemiczny klinkieru		Skład (mineralny) wg metody Bogue'a
CaO	44,72	CaO	67%	C3S	51.5 - 85.2%
SiO^2	14,34	SiO2	24%	C2S	0.2 - 27.1%
Al2O3	2,29	Al2O3	4%	C3A	6.8 - 15.6%
Fe2O3	1,84	Fe2O3	3%	C4AF	4.0 - 16.2%
MgO + SO3 + Inne	0,95	MgO + SO3 + inne	2%	wolne CaO	0.08 - 5.58%
Strata prażenia	35,86

Cement portlandzki czysty uzyskuje się przez przemiał klinkieru cementowego z gipsem w młynach cementu. Dodatek gipsu reguluje czas wiązania (twardnienia) cementu, ponieważ bez obecności siarczanów podczas hydratacji (reakcje minerałów klinkierowych z wodą) twardnienie cementu odbywałoby się za szybko prawie natychmiast po zarobieniu cementu z wodą.

Proces technologiczny
Proces produkcji cementu jest technologicznie dość złożony. Dla jego zobrazowania najlepiej posłużyć się rysunkiem poglądowym.(rys.1). Poszczególne fazy procesu zostały krótko omówione w kolejnych podpunktach. 
Surowce do produkcji cementu to kopaliny naturalne, takie jak: wapień, wapień marglisty, margiel, glina.
Są one pozyskiwane w zakładowych kopalniach odkrywkowych. Do korekcji składu surowcowego wykorzystuje się: łupek, pucolany, surowce żelazonośne, piasek.
Przygotowanie zestawu surowcowego do pieca cementowego jest jedną z ważniejszych operacji w całym procesie technologicznym produkcji cementu. Utrzymanie zadanego stałego składu mąki surowcowej przygotowywanej do wypału w piecu jest podstawą otrzymania dobrego półproduktu - klinkieru cementowego. Surowiec dostarczany z kopalni jest kruszony i wstępnie uśredniany. Do przemiału na mąkę składniki dozowane są w ściśle określonych proporcjach.

Tab. 2. Przykładowe zestawy surowców do wypału klinkieru

1	kreda	53,42%
		margiel	46,58%
	2	kamień wapienny	88,67%
		iłołupek	10,06%
		mułek żelazonośny	1,27%
	3	kamień wapienny	87,23%
		iłołupek	5,01%
		mułek żelazonośny	7,76%

Źródło: "Poradnik technologa przemysłu cementowego",
W. Kurdowski, Warszawa 1981

Drobny przemiał surowców odbywa się w młynach kulowych bądź coraz częściej pionowych młynach rolowo-misowych. Młyny surowca tak jak inne urządzenia w przemyśle cementowym wyposażone są w filtry w celu ograniczenia emisji. Przygotowana mąka surowcowa, bardzo drobno zmielona - zwykłe poniżej 10% pozostałości na sicie 4900 oczek/cm², gromadzona jest w silosach i poddawana korekcji składu i homogenizacji.
Do kontroli procesu przygotowania zestawu surowcowego stosowane są najnowszej generacji zautomatyzowane układy wykorzystujące metodę rentgenograficznego badania składu chemicznego.

Wypał klinkieru cementowego
Podstawowa i najbardziej energochłonna część procesu produkcji cementu przebiega w piecu cementowym, w której podczas wielu reakcji i przemian fazowych otrzymywany jest klinkier cementowy.
Aby można było "przekształcić" zestaw surowcowy w klinkier, przygotowany zestaw surowcowy jest w instalacji piecowej, podgrzewany, suszony, następuje rozkład surowców a następnie podczas przemian fizykochemicznych tworzą się minerały klinkierowe.
W strefie spiekania pieca cementowego temperatura materiału osiąga wartość 1450^oC. Materiał w strefie wysokich temperatur (powyżej 800^oC) przebywa w zależności od konstrukcji pieca około 30 minut. Najwyższe temperatury podczas procesu wypału klinkieru sięgają blisko 2000^oC - jest to temperatura płomienia i gazów w strefie spiekania, które przebywają w tej strefie ok. 10 sekund.
Klinkier cementowy wychodzący z pieca ma temperaturę od około 900^oC do około 1300^oC. Jest on następnie schładzany i po opuszczeniu chłodnika ma temperaturę około 100^oC. Gorące gazy z chłodnika klinkieru wykorzystywane są przy przemiale w młynach węgla.  

Przemiał cementu
Operacją, która prowadzi do uzyskania końcowego produktu jest mielenie. Młyny, w których odbywa się przemiał to przeważnie młyny kulowe. W tym roku została oddana do eksploatacji instalacja przemiału cementu z zastosowaniem prasy rolowej wstępnie przemielającej klinkier przed młynem cementu. Jest to pierwsza tego rodzaju instalacja w Europie Centralnej. Większość układów przemiałowych stosowanych zakładach cementowych pracuje w tzw. układach zamkniętych, z wykorzystaniem separatorów mechanicznych lub wysokiej sprawności separatorów cyklonowych. Osiąga się dzięki temu większą stabilność przemiału a zatem stabilność jakości produktu. Do operacji przemiału zużywa się najwięcej energii elektrycznej spośród wszystkich operacji jednostkowych w całym procesie produkcji cementu.
W produkcji czystego cementu portlandzkiego do przemiału klinkieru dodawany jest gips pełniący rolę regulatora czasu wiązania cementu o czym wspominano wcześniej.
Do cementów z dodatkami można stosować dodatki w ilościach od 5% do 80 %. Uzyskuje się dzięki temu asortyment cementów różniących się właściwościami w zależności od ich przeznaczenia. Tylko kilka rodzajów cementu wymaga przy produkcji specjalnych klinkierów cementowych.

2.4. Wykorzystanie w budownictwie

Cement jest podstawowym materiałem we wszystkich rodzajach budownictwa. Stosowany jest: w postaci zaprawy do łączenia elementów, jako podstawowy składnik mieszanki betonowej, do produkcji betonowych elementów prefabrykowanych, wielkogabarytowych konstrukcji monolitycznych, dachówek, pustaków, itp. Dzięki swoim właściwościom cement jest praktycznie wszechobecny - domy, biurowce, ulice, mosty, zapory, tunele, lotniska drogi, chodniki. Jest to spoiwo hydrauliczne, co oznacza, że proces jego twardnienia może przebiegać również pod wodą.

3. Metodyka oznaczania właściwości cementu

3.1. Oznaczenie gęstości

Badanie gęstości metodą kolby Le Chatelier'a (rys. 1). przeprowadzamy w celu obliczenia gęstości materiałów porowatych. Zmielenie materiału do odpowiedniej frakcji daje nam możliwość oznaczenia jego objętości absolutnej - potrzebnej do obliczenia gęstości. Do dyspozycji mamy 60 g substancji 3b.

Badanie to przeprowadzamy na próbce wysuszonej do stałej masy, i zmielonej do otrzymania frakcji 0,06mm. Do kolby Le Chatelier'a wlewamy denaturat do tego stopnia, aby ciecz osiągnęła poziom 0 cm3. Do tak wykalibrowanego objętościomierza wsypujemy sproszkowany materiał. W miarę jego wsypywania poziom cieczy podnosi się. Napełnianie kolby proszkiem odbywa się do osiągnięcia poziomu 18 cm3. Z różnicy ciężaru proszku przed wsypaniem do kolby i pozostałością (częścią nie wsypaną) określa się masę proszku wsypanego.

Rys.1

Gęstość badanego cementu obliczyliśmy ze wzoru:

m - masa całej próbki, w g (60 g)

m₁ - masa części próbki pozostałej po wsypaniu do kolby, w g

V -objętość części próbki wsypanej do kolby, odpowiadająca objętości zajmowanej przez nią cieczy, w cm³ (18 cm³)

Wykonano wg normy PN-76/B-06714/02 (w załączniku)

3.2. Oznaczenie konsystencji normowej

Oznaczenie to przeprowadzamy przy użyciu aparatu Vicata z trzonem o powierzchni przekroju 1 cm². Aby wykonać oznaczenie należy wcześniej przygotować zaczyn cementowy składający się z 500 [g] cementu oraz wstępnie przewidywalnej ilości wody w mieszarce normowej.

Po wymieszaniu składników zaczyn należy przenieść do pierścienia Vicata, ustawionego na szklanej płytce o wymiarach 100x100 mm, następnie usunąć powietrze z zaczynu przez kilkakrotne wstrząśnięcie pierścienia. Pierścień wraz z płytką należy przetrzeć cienką warstwą oleju. Górną warstwę zaczyny wyrównujemy nożem i umieszczamy na podstawie aparatu Vicata tak aby koniec trzonu dotykał powierzchnię zaczynu. Po upływie 4 minut od rozpoczęcia mieszania należy zwolnić trzon i pozwolić mu na swobodne wniknięcie w zaczyn. Badany zaczyn ma normalną konsystencję wtedy, gdy po upływie 30 s od zwolnienia trzonu, zagłębił się on na odległość 6 + 1 [mm]. W przeciwnym wypadku oznaczenie należy powtórzyć zmieniając proporcje wody do cementu.

Rys. 2.Aparat Vicata

Przygotowanie zaczyny cementowego

Odważyliśmy 500g cementu. Określoną ilość wody (158ml) odmierzyliśmy do cylindra pomiarowego. Cement ostrożnie wsypywaliśmy do wody, tak aby czas wsypywania trwał nie mniej niż 5 sekund i nie więcej niż 10 sekund. Następnie uruchomiliśmy mieszarkę na wolnych obrotach 90 sekund, po czym zatrzymaliśmy ją na 15 sekund i znów uruchomiliśmy mieszarkę na 90 sekund na wolnych obrotach.

Napełnianie pierścienia

Wymieszany zaczyn cementowy natychmiast wlaliśmy z pewnym nadmiarem do pierścienia Vicata, który uprzednio umieściliśmy na lekko natłuszczonej płytce szklanej.

Próby zanurzanie bolca

Pierścień Vicata i płytkę szklaną ustawiliśmy współśrodkowo z bolcem aparatu Vicata. Następnie bolec opuściliśmy ostrożnie do powierzchni zaczynu cementowego. Następnie szybko zwolniliśmy ruchome części tak, aby bolec zanurzał się pionowo w środku zaczynu cementowego. Próbę zanurzenia bolca przeprowadziliśmy po 4 minutach od zakończenia wsypywania cementu do mieszarki.

Wykonano wg normy PN-EN 196-3 (w załączniku)

3.3. Oznaczenie czasu wiązania

Aparat Vicata wyposażony w igłę wyregulowaliśmy przed badaniem: w tym celu opuściliśmy igłę na lezącą szklaną płytkę i ustawiliśmy wskazówkę w punkcie zerowym na skali. Następnie igłę podnieśliśmy do pozycji wyjściowej.

Do oznaczania czasu wiązania stosujemy zaczyn cementowy, o sprawdzonej normalnej konsystencji, który wraz z pierścieniem ustawia się na podstawie przyrządu Vicata wyposażonego w igłę o przekroju poprzecznym 1 [mm²]. Oznaczenie przeprowadza się analogicznie jak w oznaczaniu normowej konsystencji zaczynu cementowego.

Igłę należy zanurzyć swobodnie w różnych miejscach zaczynu co 10 minut. Głębokość zanurzenia odczytywaliśmy na skali, gdy igła nie zanurzała się już głębiej, najpóźniej po 30 sekundach po zwolnieniu blokady aparatu.

Początek wiązania jest to czas liczonych od chwili wymieszania cementu z wodą, do chwili, gdy igła zanurzona w zaczynie zatrzyma się w 4±1 1 [mm] nad powierzchnią płytki.
Koniec wiązania jest to czas liczonych od chwili wymieszania spoiwa z wodą do chwili, gdy igła zanurzy się w zaczynie tylko na głębokość 0,5 [mm]. Przy oznaczeniu czasu końca wiązania pierścień z zaczynem (na którym uprzednio oznaczaliśmy początek wiązania) odwróciliśmy tak, aby oznaczenie końca wiązania mogło być przeprowadzone na powierzchni uprzednio przylegającej do płytki szklanej. Zastosowana do tego celu igła ma pierścieniową nasadkę, dzięki której łatwiej i dokładniej można zaobserwować znikome głębokości zanurzenia igły.

Wykonano wg normy PN-EN 196-3 (w załączniku)

3.4. Oznaczenie wytrzymałości

Metoda oznaczenia polegała na zbadaniu wytrzymałości na ściskanie i zginanie próbek w kształcie prostopadłościanów o wymiarach 40mm x 40mm x 160mm.

Przygotowanie beleczek:

Beleczki o podanych wymiarach wytworzyliśmy z zaprawy plastycznej zawierającej 1 część masy cementu i 3 części masy piasku normowego przy stosunku wodnocementowym 0,5, zatem do sporządzenia beleczek użyliśmy: 450±2g cementu, 1350±5 g piasku normowego oraz 225±1g wody. Cement piasek i woda miały temperaturę otoczenia w laboratorium i odmierzane były na wadze o dokładności ±1g.

Mieszając zaprawę w pierwszej kolejności wlaliśmy wodę do misy i dodaliśmy cement. Bezpośrednio po tym uruchomiliśmy mieszarkę normową z małą prędkością. Po 30 sekundach wsypywaliśmy piasek równomiernie w ciągu następnych 30 s. Następnie mieszarkę nastawiliśmy na duża prędkość i kontynuowaliśmy mieszanie przez dalsze 30 s. Następnie mieszarkę zatrzymaliśmy na 1,5 minuty. W czasie pierwszych 15 s zebraliśmy za pomocą gumowego skrobaka zaprawę, która przykleiła się do ścianek i dna misy oraz przenieśliśmy ją na środek misy. Po przerwie kontynuowaliśmy mieszanie jeszcze przez 60s przy dużej prędkości mieszania.

Bezpośrednio po wymieszaniu zaprawy uformowaliśmy beleczki. Do przymocowanej na wstrząsarce formy z nakładką za pomocą odpowiedniej kielni pobraliśmy kilka porcji zaprawy i ułożyliśmy pierwszą z 2 warstw (każda około 300g) w każdej przegródce formy. Zaprawę rozprowadziliśmy równomiernie dużą łopatką trzymaną prostopadle. Następnie pierwszą warstwę zagęściliśmy na wstrząsarce 60 wstrząsami i nałożyliśmy drugą warstwę zaprawy, a po rozprowadzeniu jej małą łopatką zagęściliśmy za pomocą dalszych 60 wstrząsów. Nadmiar zaprawy po zagęszczeniu niezwłocznie usunęliśmy, z pomocą metalowej linijki, trzymanej prostopadle. Formy zaopatrzyliśmy w etykiety. Każda z form następnie została umieszczona w pomieszczeniu klimatyzowanym, na pozioym podłożu. Po upływie 24 h beleczki zostały rozformowane i umieszczone w wodzie o temp. 20±1 ^oC w odpowiednim pojemniku. Podczas przechowywania w wodze powierzchnie gładzone były zwrócone ku górze. W czasie przechowywania poziom wody miedzy beleczkami nie był mniejszy niż 5 mm.

Wiek beleczek liczony był od momentu zmieszania cementu z woda do początku badania i w chwili wykonania oznaczenia był on

większy niż 28 dni.

Badanie wytrzymałość na rozciąganie:

Beleczka została ułożona w aparacie do badań powierzchnia boczną na rolkach podporowych tak, aby jej oś podłużna była prostopadła do rolek podporowych. Za pomocą rolki obciążającej przenoszone było obciążenie pionowo na przeciwległa powierzchnię boczną beleczki i równomiernie zwiększany był nacisk 50±10 N/s, aż do momentu złamania beleczki (rys. 1)

rys. 1:

Wyniki badania odczytywane były w daN, zaś wytrzymałość na rozciąganie R_r obliczyliśmy wg. wzoru:

Gdzie:

R_r - wytrzymałość na rozciąganie w MPa

F_r - obciążenie łamiące na środku beleczki w N

Badanie wytrzymałość na ściskanie:

Badaniu wytrzymałości na ściskanie poddane zostały połówki beleczek uzyskane w skutek badania beleczek na zginanie. Umieszczone zostały one w aparacie powierzchnią boczna na środku płytki z dokładnością ±0,5 mm i w kierunku wzdłużnym tak, aby czołowe powierzchnie beleczki wystawały około 10 mm poza płytki. Obciążenie przez cały czas badania zwiększane było równomiernie z przyrostem nacisku 2400±200 N/s, do momentu zgniecenia próbki (rys. 2)

rys. 2:

Sterowana komputerowo maszyna wytrzymałościowa umożliwiająca badanie wytrzymałości materiałów na ściskanie i rozciąganie zarówno na zimno jak i na gorąco i wyznaczanie ich właściwości mechanicznych.

Wyniki badania odczytywane były w dN, zaś wytrzymałość na ściskanie R_c obliczyliśmy wg. wzoru:

R_c -wytrzymałość na ściskanie w N/mm²,

F_c -najwyższe obciążenie przy zgnieceniu próbki w N,

1600 -powierzchnia płytek w mm²

Wykonano wg normy PN-EN 196-1 (w załączniku)

3.5. Oznaczenie stopnia zmielenia

Przesiewanie wykonano poprzez zastosowanie tzw. metody sitowej. Polega ona na przesiewaniu cementu przez znormalizowane sita. Metoda ta pozwoliła na zbadanie zawartości frakcji cementu.

Aparaturę do badań stanowił zestaw sit o grubości kolejno: 0,250mm, 0,075mm.

Odważoną próbkę 20g cementu na samym początku wstrząsaliśmy w zamkniętym naczyniu w celu rozdrobnienia zbryleń. Naczynie odstawiliśmy. Następnie próbkę cementu ostrożnie wymieszaliśmy czystym, suchym pręcikiem, w celu równomiernego rozprowadzenia drobnych frakcji cementu, a następnie bez wstrząsania przenieśliśmy na sito. Na sicie umieściliśmy pokrywę, zaś samo sito było poruszane ruchem kołowym, tak długo, dopóki cząstki cementu nie przestały przez nie przechodzić. Pozostałości na kolejnych sitach były ważone na wadze z dokładnością do 0,01 g.

Wykonano wg normy PN-EN 196-6 (w załączniku)

3.6. Oznaczenie straty prażenia

Zasada metody:

Stratę prażenia oznacza się po wyprażeniu w atmosferze utleniającej (powietrze). Podczas prażenia w powietrzu w temperaturze (975
25)^oC zostają wydalone dwutlenek węgla i woda oraz w określonym przypadku zostają utlenione składniki ulegające utlenieniu. Wówczas przeprowadza się korektę, uwzględniając wpływ zużycia tlenu w procesie utleniania na stratę prażenia.

Przeprowadzenie oznaczania

W uprzednio wyprażonym i zważonym tyglu odważyć 1g cementu. Tygiel zamknąć przykrywką i umieścić w piecu elektrycznym nagrzanym do temperatury (975
25)^oC. Po 5 minutach zdjąć przykrywkę i otwarty tygiel prażyć przez dalsze 10 minut. Następnie tygiel ochłodzić do temperatury pokojowej, zważyć i ustalić masę.

Obliczanie wyniku

Nieskorygowaną stratę prażenia należy obliczyć ze wzoru:

Strata prażenia nieskorygowana

w którym:

m₇ - odważka w gramach

m₈ - masa wyprażonej próbki, w gramach.

Wynik podajemy w %

Wykonano wg normy PN-EN 196-2 (w załączniku)

3.7. Oznaczenie wytrzymałości i ścieralności zaprawy M15

Konsystencje normową badaliśmy za pomocą stożka pomiarowego -analogicznie jak przy oznaczeniu konsystencji normowej. Po uzyskaniu

zanurzeniu stożka na głębokość 7 cm uformowaliśmy walec oraz sześcian i sezonowaliśmy analogicznie jak przy oznaczeniu wytrzymałości zaprawy z piaskiem normowym. Badanie na zginanie zostało wykonane na walcu i przebiegało w ten sam sposób jak w przypadku zaprawy z piaskiem normowym, natomiast badanie ścieralności zostało wykonane na sześcianie.

Rys. urządzenie pomiarowe do oznaczania konsystencji zapraw

Oznaczenie wytrzymałości na rozciąganie

Wytrzymałość na zginanie przy rozciąganiu obliczyliśmy ze wzoru:

R_r - wytrzymałość na zginanie przy rozciąganiu w MPa

- pole powierzchni walca

F_r - obciążenie łamiące na środku beleczki w N

Oznaczenie ścieralności

Straty wysokościowe sześcianu obliczyliśmy ze wzoru:

Gdzie:

S - średnia wysokość sześcianu podana z dokładnością do 0,1 mm

K₁,K₂,K₃,K₄- różnice wysokości próbki, mierzone wzdłuż prostych prostopadłych po przyjętej podstawie

Wykonano wg normy PN-90/ B-14501 (w załączniku)

4. Część eksperymentalna

4.1. Badanie wizualne obiektu pod mikroskopem

Zaobserwowaliśmy, iż badana substancja to szara, jednolita, masa. Po obserwacji struktury piachu pod mikroskopem stwierdziliśmy iż niema go w naszej substancji. Pozwoliło nam to wywnioskować, że badaną substancją jest cement.

4.2. Oznaczenie gęstości

Po wykonaniu doświadczenia pozostało 3g cementu, zatem do kolby wsypaliśmy 57 cm³.

Gęstość badanego cementu obliczyliśmy ze wzoru:

Gdzie:

m- masa całej próbki, w g

m₁-masa części próbki pozostałej po wsypaniu do kolby, w g

V -objętość części próbki wsypanej do kolby, odpowiadająca objętości zajmowanej przez nią cieczy, w cm³

4.3. Oznaczenie konsystencji normowej

Nr	Ilość cementu [g]	Ilość wody [g]	Wynik
1	500	158	Konsystencja tak przygotowanej mieszanki była za gęsta, igła zatrzymała się w odległości 5mm od góry.
2	500	163	Konsystencja tak przygotowanej mieszanki była za gęsta, igła zatrzymała się w odległości 10mm od góry.
3	500	172	Konsystencja tak przygotowanej mieszanki była poprawna, igła zatrzymała się 5mm od płytki szklanej.

Wniosek: prawidłową konsystencję osiągnęliśmy dla 172 g wody na 500g cementu - 34,4% objętościowo.

4.4. Oznaczenie czasu wiązania

czas [min]	zanurzenie [mm]
0	0
60	0
90	0
120	0
140	0
170	2 początek wiązania
200	10
230	38
240	39
310	Koniec wiązania

Początek wiązania nastąpił po upływie 2 godzin i 50 minut (170 minut)

Koniec wiązania nastąpił po upływie 5 godzin 10 minut (310 minut)

Czas wiązania: 2 godzina i 20 minut (140 minut)

4.5. Oznaczenie wytrzymałości na ściskanie i rozciąganie zaprawy z piaskiem normowym

- Oznaczenie wytrzymałości na rozciąganie.

Wytrzymałość na zginanie obliczyliśmy ze wzoru:

Gdzie:

R_r - wytrzymałość na rozciąganie w MPa

F_r - obciążenie łamiące na środku beleczki w N

1)

2)

3)

Obróbka wyników:

R_śr*10% = 4,50*10% = 0,45

Wartość dopuszczalna: R_śr ± 0,45 = od 4,05 do 4,95 [MPa]

Nr	Rr [MPa]	Wartość dopuszczalna 4,05 - 4,95 [MPa]
1	4,3	Wynik prawidłowy
2	4,8	Wynik prawidłowy
3	4,4	Wynik prawidłowy

Po dokonaniu obróbki(±10%) wyników, wszystkie wyniki zostały przyjęte. Jako, że wszystkie wyniki są prawidłowe, za wartość średnią przyjmujemy : 4,50 MPa

Tabela zestawiająca wyniki:

Nr	Fr [daN]	Fr [N]	Rr [MPa]
1	320	3200	4,3
2	360	3600	4,8
3	330	3300	4,4
		Wartość średnia=	4,50

-Oznaczenie wytrzymałości na ściskanie

Wytrzymałość na ściskanie obliczyliśmy według wzoru:

Gdzie:

R_c - wytrzymałość na ściskanie w MPa

F_r - maksymalne obciążenie przy zgnieceniu próbki w N

1)

2)

3)

4)

5)

6)

Obróbka wyników:

R_śr*10% = 27,92*10% = 2,79

Wartość dopuszczalna: R_śr ± 2,79 = od 25,13 do 30,71 [MPa]

Nr	Rr [MPa]	Wartość dopuszczalna 25,13 - 30,71
1	25,6	Wynik prawidłowy
2	28,3	Wynik prawidłowy
3	31,5	Wynik odrzucony
4	28,5	Wynik prawidłowy
5	25,5	Wynik prawidłowy
6	28,1	Wynik prawidłowy

Po dokonaniu obróbki(±10%) wyników, tylko jeden wynik został odrzucony. Za wartość średnią przyjmujemy: 27,92 MPa

Tabela zestawiająca wyniki:

Nr	Fr [daN]	Fr [N]	Rr [MPa]
1	4090	40900	25,6
2	4520	45200	28,3
3	5040	50400	31,5
4	4560	45600	28,5
5	4080	40800	25,5
6	4500	45000	28,1
		Wartość średnia=	27,92

4.6. Oznaczenie stopnia zmielenia

Nr	Frakcja 0,125	Frakcja 0,075	Wynik
1	Pozostały ilości śladowe	0,3960g	Straty cementu w czasie przesiewania wyniosły nie całe 0,4g.
2	Pozostały ilości śladowe	0,3089	Straty cementu w czasie przesiewania wyniosły 0,3g.

m₁ - zważona masa cementu

m₂ - pozostałości cementu na sitku 0,075

Pozostałości na sitku 0,075 w wyniki pierwszego przesiewu wyniosły 3,68%, natomiast w wyniku drugiego przesiewu wyniosły 3,09%. Wartość średnia przesiewów wynosi 3,39%.

4.7. Oznaczenie straty prażenia

Stratę prażenia obliczyliśmy z następującej proporcji:

m₁ - 100%

m₂ - x

w którym:

m₁ masa próbki przed prażeniem, w gramach

m₂ masa wyprażonej próbki, w gramach.

1,4084 - 100%

0,0496 - x

X= 3,5%

4.8. Badanie zaprawy M15 z piaskiem wiślanym. (zaprawa M15 została wybrana z polecenia prowadzącego)

- Przygotowanie zaprawy według normy PN-85/B-04500 i Pn-90/B-14501.

Nr próby	Ilość cementu [g]	Ilość wody [ml]	Ilość piasku [g]	Wynik
1	375	360	1125	Konsystencja nie odpowiednia, stożek zatrzymał się na głębokość 6,1 mm
2	375	375	1125	Konsystencja nie odpowiednia, stożek zatrzymał się na głębokość 5,8 mm
3	375	385	1125	Konsystencja nie odpowiednia, stożek zatrzymał się na głębokości 5,9 mm
4	375	405	1125	Konsystencja prawidłowa, stożek zatrzymał się na głębokości 7,2 mm

Odpowiednią konsystencję (zanurzenie stożka na 7mm) uzyskaliśmy dla ilości wody 405ml.

Po dokładnym wymieszaniu składników, uformowaliśmy walec i sześcian, wstrząsnęliśmy form po czym przechowywaliśmy przez okres 28 dni w środowisku suchym.

Po 28 dniach przystąpiliśmy do badania wytrzymałości walca na ściskanie, a sześcian był ścierany.

- Ścieralność sześcianu

Lp.	I pomiar	II pomiar
1	70,9 mm	61,1 mm
2	70,7 mm	61,2 mm
3	70,9 mm	61,4 mm
4	70,1 mm	59,5 mm
5	71,0 mm	58,1 mm
6	70,9 mm	57,7 mm
7	70,8 mm	57,1 mm
8	70,8 mm	59,2 mm

Obliczenie wyników oznaczania ścieralności na podstawie straty wysokości:

Różnica wysokości: 70,9 - 59,4 = 11,5 mm

Sześcian po wykonaniu ścieralności stracił 11,5 mm

-Badanie wytrzymałości na ściskanie :

Badanie zostało przeprowadzone na walcu

I . 2500 daN = 25000 N

II . 2660 daN = 26600 N

Wartość średnia 5,16 MPa

5. Tabela porównawcza i wnioski

Właściwość	Wyniki	Wymaganie normowe dla CEM II/B-V 32,5R
Gęstość	3,2 g/cm^3	-
Przesiewanie	Dodatki-3,39% Cement-96,61%	< 10%
Konsystencja normowa	Dla 172 g wody	-
Początek wiązania	170 min	≥75 min
Koniec wiązania	320 min	-
Czas wiązania	140 min	-
Wytrzymałość na zginanie przy rozciąganiu	4,50 MPa	-
Wytrzymałość na ściskanie	27,92 MPa	≥32,5 MPa ≤52,5 MPa
Straty prażenia	3,5 %	≤ 5%
Starta wysokości sześcianu	11,5 mm	-
Wytrzymałość walca na ściskanie	5,16 MPa	-

Wynik przeprowadzonego doświadczenia wytrzymałości beleczek normowych na ściskanie - 27,92 MPa, nie pozwala nam na sklasyfikowanie badanego cementu jako cement klasy 32,5 wg normy PN-B-197- 1, którego wytrzymałość na ściskanie po 28 dniach mieści się w granicach 32,5MPa - 52,5MPa ( w tablicy w normie). Po przeanalizowaniu wyniku wykonanego przesiewania - skład badanego cementu określiliśmy jako 96,61% klinkieru i 3,39% dodatków, co po porównaniu z wartościami zamieszczonymi w tablicy 1 normy PN-B-197-1pozwoliło nam na sklasyfikowanie rodzaju cementu jako cement portlandzki CEM II Czas wiązania zgadza się z danymi z tablicy z normy PN-B-197-1dla cementu klasy 32,5 - początek wiązania nie wcześniej, niż po upływie 75 minut. My osiągnęliśmy początek wiązania po upływie 170 min.

Również wynik przeprowadzonego doświadczenia w celu określenia straty prażenia, jest zgodny z tablicą zamieszczoną w normie PN-B 197-1i nie przekracza 5%.

Ponadto wyniki przeprowadzonych oznaczeń wytrzymałości zapraw murarskich M15 nie były zgodne z wartościami zamieszczonymi w normie PN-90/B-14501. Wytrzymałość zaprawy M15 na ściskanie jest Niższa od wartości normowej 5,16 MPa przy wartości normowej 15MPa, może to wynikać z nieprawidłowego przeprowadzenia badania.

Zatem na podstawie wyżej opisanych doświadczeń, badana substancja to najprawdopodobniej cement portlandzki popiołowy CEM II/B- V klasy 32,5.

6. Bibliografia

- PN-85/B-04500 Zaprawy budowlane. Badanie cech fizycznych i wytrzymałościowych.

- PN-76/B-06714/02 Oznaczanie gęstości w kolbie le Chateliera

- PN-EN 196-1 Metody badania cementu. Oznaczanie wytrzymałości.

- PN-EN 196-3 Metody badania cementu. Oznaczanie czasów wiązania i stałości objętości

- PN-EN 196-6 Metody badania cementu. Oznaczanie stopnia zmielenia.

- PN-90/B-14501 Zaprawy budowlane zwykłe

- PN-B-19701:1997 Cement powszechnego użycia.

- PN-B-197-1:1997 Cement. Cementy powszechnego użytku. Skład, wymagania i ocena zgodności.

- PN-B-19705:1998 Cement specjalny. Cement portlandzki siarczanoodporny.

- PN-90/B-30010 Cement portlandzki biały (+ zmiany w PN).

- PN-89/B-30016 Cementy specjalne. Cement hydrotechniczny (+ zmiany w PN).

- L. Czarnecki, T. Broniewski, O. Henning: Chemia w budownictwie. Arkady, Warszawa 1995.

7. Załączniki

31

---