Ocena jakościowa cementu a)Właściwości mech. Wytrz wczesna i normowa.

-Właśc wytrz zapraw przekładają się bezp na wytrz betonu. Określanie na podst badań wytrz na ściskanie. Ze względu na wytrz na ścisk cement dzieli się na klasy. Badanie na próbkach po 28 dniach, oraz wytrz pośr po 2 i 7 dniach. Ma na nią wpływ: skład min klinkieru, stopień rozdrobnienia cem, jakość i il dodatków, wskaźnik w/c oraz warunki dojrzewania. Wzrost temp powoduje zwiększ wytrzym wczesnej, natomiast wzrost w/c powoduje spadek obu rodzajów wytrz. Badanie na belkach 4x4x16 cm.

b) Właściwości fiz.: Wodożądność. jej miarą jest ilość wody potrzebna do otrzymania zaczynu o konsystencji normowej badanej aparatem vicata.

Gęstość właściwa i nasypowa. Gęstość właśc cementu zależy od składu, waha się pomiędzy 3 a 3,2 g/cm3. Wyznacza się za pomocą kolby Le Chaterliera albo met piknometryczną. Gęstość nasypowa może być w stanie luźnym albo utrzęsionym.

Czas wiązania. Proces w którym plastyczny zaczyn cementowy przechodzi w formę nieplastyczną, która posiada znaczną wytrzymałość.

Stałość objętości. Zaczyn po stwardnieniu powinien mieć stałą objętość. Anomalie mogą być powodowane przez hydratację CaO oraz MgO.

Stopień rozdrobnienia. Ma bezp wpływ na właśc użytkowe. Im większy stopień rozdrobnienia, tym większy przyrost wytrz oraz wzrost skurczu i ciepła twardnienia cementu. Oznacza się stosując analizę sitową albo sedymentacyjną.

Ciepło twardnienia. Procesom hydrolizy i hydratacji towarzyszy wydzielanie ciepła. Ciepło twardnienia jest zróżnicowane i zależy od stopnia rozdrobn oraz składu min. Korzystne w zimie, gdy wystepuje samogrzanie się betonu. Podczas betonowania dużych masywów niekorzystne, ponieważ może doprowadzić do zniszczenia betonu. Wyznacza się metodami kalorymetrycznymi.
Skurcz stwardniałego zaczynu, Odporność na agresję chemiczną.

c) Właściwości chemiczne.

Badania składu obejmują.: straty prażenia, ilość siarczanów, części nierozpuszczalnych w kwasie solnym i węglanie sodu,

Ocena jakościowa kruszywa. a) gęstość objętościowa.: stosunek masy do objętości ziaren. Lekkie do 2000km/m3, ciężkie powyżej 2000kg/m3
b) kształt ziaren łamany (ziarna kanciaste, o niereguralnym kształcie), naturalny (ziarna owalne), niereguralność ma wpływ na wzrost wodożądności. Ziarna płaskie powodują spadek wytrzymałości.

c) tekstura powierzchni łamane ( tekstura szorstka i chropowata), naturalne (tekstura gładka), przyczepność zaczynu do ziaren jest wieksza dla tekstury chropowatej.

d) zawartość pyłów mineralnych Pył przy zawilgoceniu tworzy glinę oblepiającą ziarna, co jest niekorzystne.

e) uziarnienie kruszywo drobne do 2mm średnicy, kruszywo grube powyżej 2mm średnicy.

f) wodożądność, oznaczana Wk- określa objętość wody na jednostkę masy kruszywa potrzebną do otoczenia warstewką wody każdego ziarna kruszywa o grubości projektowej. wodożądność wzrasta przy zapyleniu kruszywa. kruszywa mniejsze mają większy wskaźnik wodożądności od kruszyw dużych.

g) nasiąkliwość. maksymalna ilość wody jaką można wprowadzić. Nasiąkliwość jest tym większa, im większa jest kapilarnośćm, tym samym im większa kapilarność tym mniejsza mrozoodporność. Większość kruszyw posiada nasiąkliwość do jednego procenta.

h) wytrzymałość na miażdżenie. Zazwyczaj dla kruszyw lekkich wynosi 50 kN a dla kruszyw zwykłych i ciężkich 200kN. Wytrzymałość tą bada się na trzech grupach frakcji. 4-8 milimetrów, 8-16 milimetrów, 16-31 i pół milimetra. Skały magmowe i metamorficzne posiadają markę wytrzymałości na miażdżenie rzędu 20, 30, 50. Skały osadowe rzędu 10, 20, 30. Przykładowo dla betonu klasy B30 stosujemy co najmniej kruszywo marki 30.

Hydroliza i hydratacja cementu. Pierwsza zachodzi hydroliza ( czyli rozpad na jony)l, później hydratacja ( czyli uwodnienie).
Stany struktury mieszanki betonowej to.: struktura plastyczna, struktura nietrwale związana, struktura wyjściowa, struktura stabilna.

W hydratację najpierw wchodzi C3A, później C3S, następnie C4AF, na koniec C2S.

Czas początku wiązania.: Igła w aparacie Vicata nie dochodzi do dna.

Czas końca wiązania.: Igla w aparacie Vicata nie wchodzi w ogóle, lub maksymalnie pół milimetra.

Umowne etapy hydratacji: Pierwsza: W wyniku hydrolizy C3S Powstaje wodorotlenek wapnia, tworząc roztwór nasycony, po czym wytrąca się w postaci stalej. Proces zachodzi bardzo szybko. Im więcej wodorotlenku, tym mniej C3S. W procesie powstają też.: etryngit z C3A oraz siarczanożelaziany wapniowe z C4AF. Produkty blokują dostęp wody do cząsteczek glinianów, co powoduje spowolnienie reakcji. Jony siarczanowe z gipsu regulują tutaj szybkość czasu wiązania.

Druga.: Etap pierwszy zachodzi nadal, początek etapu drugiego oznacza pojawienie się nowego produktu hydratacji. Faza C-S-H wypełnia wolne przestrzenie z ettringitem w zwartą strukturę.

Trzecia.: puste przestrzenie wypelniają się krótkowłóknistymi lub płytkowymi fazami C-S-H. Mikrostruktura jest uszczelniona przez opóźnioną hydratację betaC2S, czyli belit. Spada stężenie jonów siarczanowych, co powoduje powstawanie trójsiarczanowego glinaniu wapnia w monosiarczanoglinian wapniowy będący głównym produktem końcowym hydratacji C3A.

Przebieg reakcji fazy C4AF przebiega podobnie, ale wolniej.

Omówienie szczegółowe faz cementu. a) Faza C-S-H. Wynosi maksymalnie od pięćdziesięciu do sześćdziesięciu %. Ma największą wytrzymałość oraz trwałość. Ilość powstającego C-S-H w reakcjach obydwu faz cementu, alitu oraz belitu, jest taka sama, a ilość wodorotlenku wapnia jest trzy razy większa dla alitu, niż belitu. Proces hydratacji beta-C2S i rozwój C-S-H jest dwadzieścia razy mniejszy niż dla C3S. Wzmocnienie odbywa się także z powodu redukcji porowatości, bo powstaje co raz więcej C-S-H. Wzrasta szczelność. b) Portlandyt, wodorotlenek wapnia. Słabszy produkt hydratacji. Jego wytrzymałość na rozciąganie jest pięć razy mniejsza od wytrzymałości na rozciąganie zaczynu cementowego. Obszary w których występuje otaczają pęknięcia. Krystalizuje się warstwowo przy ziarnach kruszywa oraz elementach zbrojenia. Jego wadą jest też rozpuszczalność i podatność na wchodzenie w reakcje z których powstają łatwo wymywane związki albo zwiększające swoją objętość. Zaletą jest tworzenie struktury w początkowym okresie. c) inne składniki, czyli ettryngit którego jest najwięcej w okresie od trzech do pięciu dni oraz monosiarczanogliniany wapnia których może być maksymalnie 20%. d) niezhydratyzowane ziarna cementu. Z założeń teoretycznych przy wskaźniku wodożądności c przez w 0,4 nie powinno być już ziaren niezhydratyzowanego cementu. Założenia są błędne. Nie obniżają one jednak wytrzymałości. Poniżej w przez c 0,4 porowatość bardzo spada, wzrasta wytrzymałość. Wzrasta mrozoodporność, odporność na korozję, szczelność, trwałość.

Produkty hydratacji cementu. Według Powersa strukturę końcową cementu tworzą.: a) stwardniały koloidalny żel złożony głównie z fazy C-S-H. b) utwory krystaliczne, typu portlandyt czyli wodorotlenek wapnia, uwodnione gliniany czyli siarczanogliniany oraz glinianożelaziany. c) pozostałości niezhydratyzowanych ziaren cementu. d) pory o zróżnicowanej strukturze i wielkości. e) woda o różnym stopniu zaabsorbowania.

Ziarna cementu mogły zostać niezhydratyzowane, ponieważ nie miały dostępu do wody z powodu złego wymieszania mieszanki albo z powodów fizyczno-chemicznych polegających na zasłonięciu ziaren przez produkty hydratacji. Teoretycznie dla dużego wskaźnika c przez w, 100% ziaren powinno ulec hydratacji.

Przykładowo.: zaczyn cementowy o wskaźniku c przez w 0,5.; po roku skład procentowy struktury wynosi.: 37% fazy C-S-H. 11% fazy portlandytu. 1% węglanu wapnia. 15% monosiarczanoglinianu wapniowego. 5% niezhydrotyzowanego cementu. 13% mikroporów, czyli porów mniejszych niż 5 nanometrów. 18% porów kapilarnych. oraz woda chemicznie związana.

Uznaje się, że 100% hydratacji zachodzi powyżej wskaźnika 0,4. Nie jest to prawda.

Skład fazowy klinkieru portlandzkiego.

Oznaczenia symboli. C. Tlenek wapnia. A. Tlenek glinu. S. Tlenek krzemu. F. Tlenek żelaza.

Fazy. C3S (Alit. Krzemian trójwapniowy), C2S (Belit. Krzemian dwuwapniowy), C3A (Celit. Glinian trójwapniowy), C4AF (Brownmilleryt. Glinianożelazian czterowapniowy) Oprócz klinkieru portlandzkiego, cement zawiera zawsze gips uwodniony który jest źródłem jonów siarczanowych, które opóźniają wiązanie klinkieru.

Wodoszczelność. Symbol W. Dla betonu zwykłego do W4. Od W6 beton specjalny.

Beton do mostów min W6. Stara norma- liczba po W jest wielokrotnością ciśnienia wody, przy którym nie nastepuje przesiąkanie wody. Nowa norma ciśnienie 5 MPa oraz czas 72 h. Określa się na jaką głębokość woda przeniknęła do betonu. Metoda ta, ze względu na porowatość otwartą, jest jednak niejednoznaczna. Stara metoda jest dokładniejsza. Wodoszczelność jest powiązana z porowatością otwartą. Jest istotna dla betonów hydrotechnicznych, czyli narażonych na działanie wody pod ciśnieniem. Podnosimy ją przez uszczelnienie struktury metodami fizycznymi, przykładowo zagęszczenie fizyczne, oraz chemicznymi, przykładowo użycie pyłu krzemionkowego albo popiołów lotnych. Innym sposobem uszczelnienia jest zwiększenie ilości cementu w stosunku do wody. Wadą jest zagęstnienie konsystencji oraz zwiększenie ilości produktów hydratacji ( w fazie C-S-H). Im mniej jest wody, tym mniej jej odparuje, co przekłada się na mniejszą ilość porów. Czyli większą szczelność.

Obecnie można stosować domieszki chemiczne ( przykładowo na bazie polikarboksyladów), pozwalają zwiększyć ciekłość mieszanki nawet o 2 stopnie ciekłości. Pozwala to na maksymalne zwiększenie ilości cementu przy jak najmniejszej ilości wody. Ilość cementu rzędu 330 do 350 kilogramów na metr sześcienny dają dobrą wodoszczelność.

Porowatość betonu. Rodzaje porów w betonie. a) pory żelowe w zaczynie ( najmniejsze). Z fazy CSH. Rozmiar na poziomie nm. Występują miedzy kryształami. b) pory oraz nieciągłości na styku zaczynu i ziarna kruszywa. Powstają bez obciążenia. Związane ze skurczem przy wysychaniu i naprężeniami termicznymi. Skurcz- powoduje zarysowania na materiale ponieważ zaczyn kurczy się, a ziarna nie. Naprężenia termiczne- proces hydratacji jest egzotermiczny, w różnym stopniu dla różnych rodzajów betonu ( im masywniejszy, tym bardziej egzotermiczny). Ciepło pochodzące z hydratacji powoduje naprężenia termiczne. c) pustka powietrzna włączona w sieć kapilarną. Mają kontakt z powietrzem zewnętrznym. Decydują o nasiąkliwości, a co za tym idzie o mrozoodporności ( zamarzając woda zwiększa objętość). d) pustka powietrzna bez dostępu do sieci kapilarnej. e) pory ( kanaliki kapilarne). Włoskowate pustki powietrzne. Nie ma w nich dużo przestrzeni, jednak ich brak powoduje osłabianie materiału w trakcie cyklicznego zamarzania i rozmarzania wody. Dlatego celowo napowietrza się beton do odpowiedniego stopnia, mimo tego, że zmniejsza to jego wytrzymałość. f) pory sedymentacyjne. Powstają w wyniku zagęszczania betonu. W trakcie mechanicznego zagęszczania tuż pod ziarnem zbiera się warstewka wody, która z czasem odparowuje pozostawiając pustkę. g) zarysowania i mikrorysy powstałe w wyniku napęcznień skurczowych lub termicznych.
Porowatość całkowita to suma porowatości otwartej i porowatości zamkniętej. Porowatość otwarta to porowatość kapilarna i pustki włączone w sieć kapilarną. Porowatość otwarta decyduje o mrozoodporności i korozyjności.

Mrozoodporność. Betony zwykłe: F25, F50, F75. Betony specjalne: F125 i większe. Dla obiektów mostowych minimalnie F150. Liczba określa liczbę cykli zamarzania i rozmarzania- zamarzanie to 2h przy temp -20, rozmarzanie to 2-4h przy temp wody 20.
Po określonej liczbie cykli próbki nie mogą: ulec zniszczeniu, stracić więcej niż 5% masy, stracić więcej niż 20% wytrzymałości na ściskanie w stosunku do próbek niezamrożonych.

Produkcja zgodna z normami daje próbki co najmniej F50.Norma z 2003r nie mówi nic o mrozoodporności. O badaniu mówi norma z 88 r. Bada się ją w obecności soli odladzających oraz obserwuje powierzchnię próbki. Próbkę odladza się, by stworzyć warunki przypominające rzeczywistość, przykładowo odladzany bruk. Ten rodzaj badania ma sens nad morzem, w innych przypadkach nie daje się dodatków odladzających. Mrozoodporność zależna jest od porowatości.

Metody zapobiegania.: wprowadzenie sieci pęcherzyków by woda bezpiecznie zamarzała i rozmarzała wewnątrz struktury.