2. Część teoretyczna

2.1 Rodzaje cementów wykorzystywanych w budownictwie i ich właściwości

CEM I (cement portlandzki)

Składa się głównie z klinkieru portlandzkiego (ponad 95%)

Zastosowanie:

• konstrukcje i elementy monolityczne lub prefabrykowane dojrzewające w warunkach naturalnych

• konstrukcje i elementy sprężone dojrzewające w warunkach naturalnych i podwyższonej temperatury

• drobnowymiarowe wyroby prefabrykowane dojrzewające w warunkach naturalnych

• beton komórkowy

• betonowanie w warunkach obniżonej temperatury

• zaprawy murarskie i tynkarskie

CEM II (cement portlandzki wieloskładnikowy)

Cement portlandzki żużlowy:

	Klinkier	Żużel wielkopiecowy	Pył krzemionkowy	Inne składniki
CEM II/AS	80 - 94%	6 - 20%	-	0 - 5%
CEM II/BS	65 - 79%	21 - 35%	-	0-5%
CEM II/AD	90 - 94%	-	6 - 10%	-

Zastosowanie:

• konstrukcje hydrotechniczne i hydroenergetyczne

• produkcja betonu do konstrukcji narażonych na działanie czynników agresywnych

• produkcja zapraw murarskich i tynkarskich

• produkcja galanterii betonowej

• stabilizacja gruntów

Cement portlandzki pucolanowy:

	Klinkier	Pucolana naturalna	Pucolana wypalana
CEM II/AP	80 - 94%	6 - 20%	-
CEM II/BP	65 - 79%	21 - 35%	-
CEM II/AQ	80 - 94%	-	6 - 20%
CEM II/BQ	65 - 79%	-	21 - 35%

Zastosowanie:

• konstrukcje i elementy monolityczne lub prefabrykowane dojrzewające w warunkach naturalnych

• konstrukcje i elementy sprężone dojrzewające w warunkach naturalnych i podwyższonej temperatury

• drobnowymiarowe wyroby prefabrykowane dojrzewające w warunkach naturalnych

• beton komórkowy

• betonowanie w warunkach obniżonej temperatury

• zaprawy murarskie i tynkarskie

Cement portlandzki popiołowy:

	Klinkier	Popiół lotny krzemiankowy	Popiół lotny wapienny
CEM II/AV	80 - 94%	6 - 20	-
CEM II/BV	65 - 79%	21 - 35%	-
CEM II/AW	80 - 94%	-	6 - 20%
CEM II/BW	65 - 79%	-	21 - 35%

Zastosowanie:

• wykonywanie skomplikowanych i masywnych budowli hydrotechnicznych i hydroenergetycznych

• wykonywanie konstrukcji betonowych w budownictwie morskim

• produkcja zapraw murarskich i tynkarskich

• produkcja betonu komórkowego

• stabilizacji gruntów i budowa dróg

Cement portlandzki łupkowy:

	Klinkier	Łupek palony
CEMII/AT	80 - 94%	65 - 79%
CEM II/BT	6 - 20%	21 - 35%

Cement portlandzki wapienny:

	Klinkier	Wapień L	Wapień LL
CEM II/AL	80 - 94%	6 - 20%	-
CEM II/BL	65 - 79%	21 - 35%	-
CEM II/ALL	80 - 94%	-	6 - 20%
CEM II/BLL	65 - 79%	-	21 - 35%

Zastosowanie:

• produkcja betonów samozagęszczalnych SCC

• produkcja prefabrykatów wielko- i drobnowymiarowych

• produkcja galanterii betonowej (kostka brukowa, krawężniki)

• produkcja dachówki cementowej

• wykonywanie betonów posadzkowych

• wykonywanie konstrukcji i elementów sprężonych

• betonowanie w warunkach obniżonych temperatur

• produkcja zapraw murarskich i tynkarskich

Cement portlandzki wieloskładnikowy:

Zawiera wszystkie składniki oprócz żużlu

	Klinkier	Inne składniki
CEM II/AM	80 - 94%	6 - 20%
CEM II/BM	65 - 79%	21 - 35%

Zastosowanie :

• beton komórkowy

• betonowe elementy prefabrykowane

• zaprawy murarskie, tynkarskie

• beton o podwyższonej odporności na korozję chemiczną

CEM III (cement hutniczy)

	Klinkier	Żużel wielkopiecowy
CEM III/A	36 - 64%	36 - 65%
CEM III/B	20 - 34%	66 - 80%
CEM III/C	5 - 19%	81 - 95%

Zastosowanie :

• konstrukcje masywne, zbrojone : tamy, zapory, śluzy, nabrzeża, tunele, zbiorniki

• beton narażony na działanie środowisk agresywnych: oczyszczalnie ścieków, składowiska odpadów

• elementy i konstrukcje w budownictwie mostowym i drogowym

• prefabrykaty betonowe, posadzki przemysłowe

• prefabrykaty betonowe w konstrukcjach ekologicznych i instalacjach przemysłowych

• beton komórkowy, zaprawy tynkarskie i murarskie

CEM IV (cement pucolanowy)

Bez żużlu, łupku i wapienia

	Klinkier	Inne
CEM IV/A	68 - 89%	11 - 35%
CEM IV/B	45 - 64%	35 - 55%

Zastosowanie :

• wykonywania masywnych konstrukcji betonowych

• produkcji betonu komórkowego

• produkcji zapraw murarskich i tynkarskich

• możliwość zastosowania kruszyw potencjalnie reaktywnych z alkaliami

• stabilizacja gruntów

CEM V (cement wieloskładnikowy)

	Klinkier	Żużel	Pucolana
CEM V/A	40 - 64%	16 - 30%	18 - 30%
CEM V/B	20 - 36%	31 - 50%	31 - 50%

Zastosowanie:

• wykonywanie betonów narażonych na działanie środowisk agresywnych,

• wykonywanie fundamentów,

• wykonywanie konstrukcji masywnych,

• produkcja prefabrytkatów drobnowymiarowych

• produkcja elementów poddanych niskociśnieniowej obróbce cieplnej,

• stabilizacja gruntu w budownictwie drogowym,

• produkcja zapraw murarskich i tynkarskich.

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. Procesom hydratacji towarzyszy wydzielanie ciepła. Cementy portlandzkie wysokich klas w porównaniu z cementami zawierającymi dodatki, wydzielają znacznie większe ilości ciepła. W przypadku wznoszenia dużych masywów betonowych należy stosować cementy o niskim cieple hydratacji, by nie dopuścić do powstania naprężeń termicznych prowadzących do powstania rys i mikrospękań. W warunkach obniżonej temperatury, zdolność do samonagrzewania betonu jest bardzo pożądana, gdyż prowadzi do znacznego przyspieszenia procesu wzrostu jego wytrzymałości. Natomiast stosowanie cementów o niskim cieple hydratacji w temperaturach poniżej +5°C prowadzi do bardzo wyraźnego spowolnienia procesów hydratacji, a w efekcie do niskiej dynamiki narastania wytrzymałości betonu.

2.3 Technologie produkowania cementu

Dwa sposoby :

mokry, gdy mieszanie składników(wapienie i glinokrzemiany) przed wypaleniem odbywa się na mokro i suchy, kiedy mieszanie odbywa się na sucho. Sposób mokry daje możliwość bardziej dokładnego i równomiernego wymieszania składników i dlatego stosowany jest najczęściej. Sposób suchy może mieć zastosowanie wtedy, jeżeli surowce mają jednolity skład oraz w miejscach ubogich w wodę. Do wypalania sposobem mokrym mogą być stosowane tylko piece obrotowe. Przy sposobie suchym można wypalać klinkier w piecach obrotowych i szybowych. Ilość paliwa potrzebnego do wypalenie 1t cementu wynosi 200-275 kg węgla o kaloryczności 7000 kcal/kg. Przy sposobie suchym zużywa się mniej paliwa, ponieważ nie trzeba grzać wielkiej ilości wody, natomiast traci się więcej energii na podsuszanie i mieszanie.

sposób mokry

Wapniaki i margle dostarczane są z kopalni wagonikami do łamarni, gdzie w łamaczach większe bryły ulegają kruszeniu. Następnie skruszony materiał dostarczany jest na podnośnikach do zbiornika surowca,a stąd do młyna surowego. Równocześnie glina z kopalni transportowana jest do basenów, tzw. Szlamiarni, gdzie ulega rozmieszaniu w wodzie, a później rurami przechodzi do młyna surowego. Jeżeli w produkcji stosowana jest kreda, to zostaje ona doprowadzona do tych samych szlamiarni i rozmieszana wraz z gliną. W młynie surowym następuje stopniowy dokładny przemiał. Nad młynem znajduje się zbiornik na wodę napełniany samoczynnie pompą, z którego woda dochodzi do młyna.
Z młyna wychodzi gęsty szlam o zawartości ok. 40% wody, który zostaje przepompowany do zbiorników szlamowych W zbiornikach szlam ulega dalszemu przemieszaniu za pomocą sprężonego powietrza wtłaczanego od dołu do kompresorów; powietrze to silnie przedmuchuje i wzrusza znajdujący się w zbiornikach szlam. Jeżeli okaże się, że w danym zbiorniku pewien składnik, np. CaCO3, jest w nadmiarze, to następuje skorygowanie składu przez mieszanie z zawartością innego zbiornika, gdzie dany składnik jest w niedoborze.
Gotowy szlam dostarczany jest za pomocą pomp do aparatu rozdzielczego znajdującego się nad wlotem do pieca obrotowego; jest to aparat zsynchronizowany z ruchem i ilością obrotów pieca, który normuje odpowiedni dopływ szlamy do pieca.
Piec obrotowy jest stalową rurą wyłożoną cegłą szamotową w części, w której panuje wysoka temperatura.. Pochyłość rury wynosi 4-6%, szybkość obrotów 0,25-0,66 na minutę. Długość rury wynosi 50-120 m, średnica 2,5- 3,5 m. Im dłuższa rura i im większa średnica, tym wydajność pieca jest większa.
Szlam dostając się do wyższego końca pieca, posuwa się stale naprzód w kierunku drugiego końca, gdzie znajduje się palenisko.
Piec opala się mączką węglową odpowiednio przygotowaną z miału węglowego wysuszonego i zmielonego w młynie węglowym. Dmuchawa (wentylator) wysokoprężna wdmuchuje mączkę w niższym końcu pieca, gdzie ulega ona zapaleniu i przeobraża się w gaz. Gorący gaz idzie w kierunku wyższego końca pieca, gdzie stopniowa ochładza się, szlam natomiast posuwając się ku dolnemu końcowi najpierw rozgrzewa się, później traci wilgoć, dalej pozbywa się dwutlenku węgla i wreszcie w strefie największego żaru spieka się na klinkier w postaci zeszklonych drobnych bryłek barwy ciemnej.
Temperatura w piecach doprowadzona jest do spiekania, lecz nie do stopienia masy(ok.14500C).
Świeżo wypalony jeszcze żarzący się klinkier wysypuje się do chłodnika. Chłodnik urządzony jest w postaci bębna umieszczonego pod piecem. Nowoczesny typ chłodnika składa się z szeregu rur walcowych o niewielkich średnicach otaczających wylot pieca i obracających się łącznie z nim. Rury te wyłożone są w środku okładziną kamionkową. Wewnątrz rur znajdują się łańcuchy, które poruszając się powodują ochładzanie klinkieru.
Z chłodnika klinkier spada na przenośnik, który za pośrednictwem wagi automatycznej dostarcza klinkier do hali klinkierowej, gdzie musi przeleżeć klika tygodni w celu dogaszenia cząstek wolnego wapna, jakie mogą się trafić w klinkierze. Dogaszanie odbywa się pod wpływem wilgoci powietrza lub skraplania wodą. Ze zbiorników klinkier jest transportowany do młynów, gdzie ulega zmieleniu na cement; bezpośrednio przed zmieleniem klinkieru dodaje się 1-3 % gipsu wagowo w celu opóźnienia wiązania.
Z młynów cement transportowany jest za pomocą podnośników do zbiorników tzw. silosów, gdzie przechowywany jest i skąd w miarę zapotrzebowania ładowany jest maszynowo w worki papierowe(ok.50 kg).

sposób suchy:

Przy sposobie tym poszczególne surowce podlegają wysuszeniu i dokładnemu zmieleniu, po czym w stanie sproszkowanym są dozowane za pomocą wag automatycznych, odważone w określonych stosunkach składniki wsypywane są do zbiorników, gdzie następuje mieszanie. Zbiorników takich jest co najmniej 6. Jeżeli analiza chemiczna mieszanki z pierwszego zbiornika wykaże nadmiar jednego za składników(np. CaCO3), to do drugiego zbiornika dostarczają składniki z odpowiednio mniejszą ilością CaCO3. Następnie mączkę z 1i 2 zbiornika przesypują do 3; jeżeli skład mączki w tym zbiorniku wykaże brak lub nadmiar pewnego składnika, to do zbiornika 4 dostarczają składniki w odpowiednio uwzględnionym stosunku, a następnie w 5 zbiorniku mieszają mączkę ze zbiornika 3 i 4 itd. Ten sposób mieszania jest uciążliwy; ostatnio zmodyfikowano go przez sporządzenie dna w zbiorniku, dna z porowatych płytek, przez które od dołu przepuszcza się pod ciśnieniem powietrze poruszające mączkę i ułatwiające dzięki temu mieszanie.
Suchej mieszanki nie można bezpośrednio transportować do pieca; w piecu obrotowym znaczna jej ilość mogłaby być uniesiona w strumieniu uchodzących gazów; w piecu szybowym nasypana mieszanka ułożyłaby się tak ściśle, że utrudniłaby ciąg gazów.
Z tych powodów mieszanka poddawana jest nawilżaniu, zazwyczaj w korycie z wałem ślimakowym przesuwającym mączkę od góry skrapianą. Po nawilżeniu mieszanina jest wypalana w piecach na klinkier. Dalszy przebieg fabrykacji jak przy sposobie mokrym.

2.3 Wykorzystywanie cementu w budownictwie:

• wykonywanie betonów,

• wykonywanie fundamentów,

• produkcja prefabrytkatów

• stabilizacja gruntu w budownictwie drogowym,

• produkcja zapraw murarskich i tynkarskich.

• konstrukcje masywne, zbrojone : tamy, zapory, śluzy, nabrzeża, tunele, zbiorniki

• elementy i konstrukcje w budownictwie mostowym i drogowym

• prefabrykaty betonowe, posadzki przemysłowe

• produkcja galanterii betonowej (kostka brukowa, krawężniki)

• produkcja dachówki cementowej

• wykonywanie betonów posadzkowych

• wykonywanie skomplikowanych i masywnych budowli hydrotechnicznych i hydroenergetycznych

• wykonywanie konstrukcji betonowych w budownictwie morskim

---