Beton – zgodnie z normą PN-EN 206-1 „Beton – Część 1. Wymagania, właściwości produkcja i zgodność” – materiał powstały ze zmieszania kruszywa, kruszywa drobnego i grubego, wody oraz ewentualnych domieszek i dodatków, który uzyskuje swoje właściwości w wyniku hydratacji cementu. Mieszanka betonowa – całkowicie wymieszane składniki betonu, które są jeszcze w stanie umożliwiającym zagęszczenie wybraną metodą. Beton stwardniały – beton który jest w stanie stałym i który osiągnął pewien poziom wytrzymałości. Rodzaje betonu: - beton lekki – o gęstości objętościowej od 800 do 2000 kg/m 3 - beton zwykły – o gęstości objętościowej większej niŜ 2000 kg/m 3 i nie przekraczającej 2600 kg/m 3 - beton cięŜki – o gęstości objętościowej większej niŜ 2600 kg/m 3 2. SKŁADNIKI BETONU 2.1. Cement - warunków wykonania betonu - wymaganych właściwości betonu Dobór klasy cementu w zaleŜności od wymaganej klasy betonu Klasa cementu Klasa betonu wg PN-EN 206-1 32,5 C8/10 - C35/45 42,5 C20/25 - C40/50 52,5 C35/45 i wyzej 2.2. Woda zarobowa Wymagania dotyczące wody zarobowej do produkcji betonu zawarte są w normie PN-EN 1008:2003 „Woda zarobowa do betonu. Specyfikacja pobierania próbek, badanie i ocena przydatności wody zarobowej do betonu, w tym wody uzyskiwanej z produkcji betonu.” 2.3. Kruszywo Kruszywa stosowane w produkcji mieszanek betonowych pozyskiwane są ze złóŜ skały macierzystej, która została podzielona na ziarna w skutek procesów wietrzenia i ścierania lub zamierzonego mechanicznego kruszenia. Kruszywo stanowi ok. 70-80% całkowitej objętości betonu i ma znaczący wpływ na kształtowanie cech zarówno świeŜej mieszanki betonowej jak i stwardniałego betonu. Norma PN-EN 12620:2004 „Kruszywa do betonu” wprowadziła podział kruszyw na: kruszywa naturalne kruszywo sztuczne kruszywo z recyklingu 2.4. Domieszki chemiczne Stosowanie domieszek w nowoczesnym betonie jest efektywnym sposobem uzyskania poŜądanych cech betonu uwarunkowanych technologią wykonania i przeznaczeniem konstrukcji lub elementu. Ogólną przydatność domieszek chemicznych ustala się zgodnie z wymogami normy PN-EN 934-2 „ Domieszki do betonu zaprawy i zaczynu. Domieszki do betonu. Definicje i wymagania.” Domieszki chemiczne są definiowane w normie PN-EN 934-2 jako materiały dodawane podczas wykonywania mieszanki betonowej, w ilości nie przekraczającej 5% masy cementu w celu modyfikacji właściwości mieszanki betonowej stwardniałego betonu. RozróŜniamy następujące rodzaje domieszek: domieszki uplastyczniające i upłynniające – plastyfikatory plastyfikatory superplastyfikatory domieszki napowietrzające domieszki uszczelniające domieszki opóźniające domieszki przyśpieszające domieszki zimowe domieszki spęczniające domieszki stabilizujące domieszki do betonowania pod wodą domieszki spieniające domieszki do zaczynów iniekcyjnych emulsje polimerowe 2.5. Dodatki mineralne Jako dodatki mineralne modyfikujące właściwości betonu stosowane są: popiół lotny mielony granulowany żużel wielkopiecowy pył krzemionkowy Podstawowy fizyczny mechanizm oddziaływania dodatków mineralnych dodawanych do betonu to uszczelnienie struktury. Charakteryzujące się wysokim stopniem rozdrobnienia (popiół lotny oraz pył krzemionkowy) wypełniają przestrzenie między ziarnami cementu, podobnie jak się to dzieje w przypadku cząstek cementu, które uszczelniają pustki między ziarnami piasku oraz w przypadku piasku uszczelniającego stos okruchowy kruszywa grubego. Pył krzemionkowych modyfikuje równieŜ strukturę porów w stwardniałym zaczynie cementowym. Zwiększa się równieŜ udział zamkniętych porów Ŝelowych, a maleje udział porów kapilarnych. Dodatki mineralne powodują Ŝe beton charakteryzuje się wieloma bardzo korzystnymi właściwościami. Do właściwości tych naleŜy zaliczyć: wzrost wytrzymałości początkowej i końcowej małą przepuszczalność dla gazów i cieczy zwiększoną odporność na korozję chemiczną zwiększoną mrozoodporność SZKŁO ARTYSTYCZNE: wyroby szklane indywidualnie ukształtowane i zdobione. Szkło artystyczne kształtuje się na gorąco z masy płynnej i metoda obróbki ręcznej. Dekorowane emaliami, złoceniami, szlifowaniem. SZKŁO CZESKIE: (półkryształ), nazwa szkła o dużym współczynniku załamania światła, w skład których, oprócz tlenków krzemu, sodu i wapnia wchodzą głównie tlenki baru i potasu. Używane jako luksusowe szkło gospodarcze. SZKŁO KRYSZTAŁOWE: (kryształ, szkło ołowiowe) szkło krzemowo-ołowiowe o dużym współczynniku załamania światła i dużej gęstości, służy do wyrobu przedmiotów dekoracyjnych (wazonów, kielichów itp.) zdobi się je zazwyczaj szlifowanymi ornamentami. SZKŁO METALICZNE: stop amorficzny (bezpostaciowy) dwu lub wielo składnikowy, w którym składnikiem podstawowym jest metal. Otrzymywane przez tak szybkie schłodzenie ze stanu ciekłego by nie zdążyły się wytworzyć zarodki krystalizacji (10^10 K/s). SZKŁO ŚWIATŁOCZUŁE: (szkło fototropowe lub szkło fotochromowe) szkło, które pod wpływem określonego rodzaju promieniowania zmienia swoje właściwości np. barwę. Stosowane głownie w okularach a także w budownictwie i motoryzacji. SZKŁO WODNE: wody roztwór krzemianu sodu lub potasu, syropowata ciecz. Stosowane do impregnacji tkanin, papy, drewna, klejenia szkła, wyrobu kitów farb ognioodpornych. SZKŁO BEZPIECZNE: jest to rodzaj specjalnego szkła, które w wyniku hartowania po rozbiciu rozpada się na małe kawałki o zaokrąglonych, niekaleczących krawędziach. Jednym z rodzajów tego szkła jest szkło zbrojone. Jest ono walcowane z wtopioną siatką metalową, co zapobiega rozpryskiwaniu się szkła przy pęknięciu. Szkło to jest głównie stosowane w budownictwie i motoryzacji (szyby samochodowe). SZKŁO POTASOWE: składa się głównie z K2O (tlenku potasu), CaO (tlenku wapnia) i SiO2 (tlenku krzemu). Jest to szkło trudno topliwe, więc znalazło sobie zastosowanie w laboratoriach chemicznych. Jest ono niezastąpione, gdyż nawet na lekcjach chemii często ogrzewamy probówki do wysokich temperatur. Zwykłe szkło w tych warunkach odkształciłoby się i niemożliwe byłoby przeprowadzania doświadczeń laboratoryjnych. SZKŁO SODOWE: ma natomiast niską temperaturę topnienia. Składa się głównie z tlenku: sodu, wapnia i krzemu. Ma bardzo duże zastosowanie w życiu codziennym. Z pewnością sami nie zdajemy sobie sprawy, jak często się z nim spotykamy. Szkło to służy do wyrobu sprzętów codziennego użytku takich jak: szklanki, naczynia i szyby okienne. Również stosujemy je do produkcji opakowań szklanych; butelek i słoików. SZKŁO KWARCOWE: składa się głównie z tlenku krzemu. Jest trudno topliwe. Ma dużą odporność na zmiany temperatury. Cechuje je też dobra przepuszczalność promieni widzialnych. Szkło kwarcowe znalazło sobie zastosowanie w produkcji naczyń laboratoryjnych i elementów aparatury optycznej. Jednak głównie służy do produkcji lamp kwarcowych. Spoiwo mineralne - materiał wiążący otrzymany przez wypalenie i zmielenie surowców mineralnych (najczęściej skał osadowych). W materiałach tych, po dodaniu wody, zachodzą reakcje chemiczne, w wyniku których następuje proces wiązania i twardnienia. Spoiwa mineralne dzielimy ze względu na sposób ich zachowania się w środowisku wodnym podczas twardnienia na: - hydrauliczne: - wapno hydrauliczne - cementy: portlandzki, glinowy, hutniczy, żużlowy itp. - powietrzne - wapno - spoiwo gipsowe - spoiwo magnezjowe - spoiwo krzemianowe Spoiwo hydrauliczne zmieszane z wodą wiąże i twardnieje zarówno w wodzie jak i na powietrzu, uzyskując odpowiednie cechy wytrzymałościowe. Do tej grupy spoiw zalicza się: wapno hydrauliczne, cementy portlandzkie, hutnicze, glinowe. W skład wszystkich materiałów hydraulicznych wchodzą jako składniki elementarne następujące podstawowe tlenki: SiO2 Al2O3 Fe2O3 Cement - to hydrauliczne spoiwo mineralne, otrzymywane przez wypalenie na klinkier i zmielenie surowców mineralnych (margiel lub wapień i glina) w piecu cementowym. Stosowany jest do przygotowywania zapraw cementowych, cementowo–wapiennych i betonów. W zależności od składu klinkieru, sposobu produkcji, cementy dzielimy na: cement portlandzki, cement hutniczy, cement glinowy, cement pucolanowy, cement żużlowy 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 wyróżniamy: cement ekspansywny, cement szybkotwardniejący, cement tamponażowy. Surowcami do produkcji cementów są: wapienie (CaCO3) gliny (glinokrzemiany Al2O3*nSiO2*H2O + mH2O) surowce odpadowe (żużle hutnicze, popioły paleniskowe, szlamy odpadowe zawierające CaCO3 Produkcja cementów obejmuje następujące etapy: - przygotowanie surowców i ich dokładne wymieszanie - wypalanie - mielenie - silosowanie i pakowanie Najważniejsze związki zawarte w produkcie wypalania to: - krzemian trójwapniowy (alit) - 3 CaO*SiO2 (50-60%) - krzemian dwuwapniowy (belit) - 2 CaO*SiO2 (15-28%) - glinian trój wapniowy - 3 CaO*Al2O3 (8-11%) - żelazoglinian czterowapniowy - 4 CaO*Al2O3*Fe2O3 (8-10%) Wiązanie i twardnienie cementu: - pierwszym etapem wiązania jest uwodnienie glinianu trójwapniowego. Jeśli cement nie zawiera substancji opóźniających, proces uwodnienia glinianu trójwapniowego jest szybki. W rezultacie następuje zesztywnienie masy cementowej. - równolegle biegnie proces uwodnienia krzemianu trójwapniowego, z tym że uwodnienie glinianu jest szybkie, krzemianu zaś wolne. - po zakończeniu wiązania następuje długotrwały proces twardnienia, od którego zależą właściwości wytrzymałościowe i odpornościowe cementu. Proces ten następuje na skutek powolnych reakcji uwodnienia krzemianów wapniowych (trwających zwykle kilka miesięcy). Stwierdzono, że wytrzymałość cementu zależy głównie od krzemianu trójwapniowego osiągającego połowę swej wytrzymałości po siedmiu dniach, pełną zaś po dwunastu dniach. W mniejszym stopniu wytrzymałość cementu zależy od krzemianu dwuwapniowego krystalizującego bardzo wolno. Reakcje zachodzące podczas wiązania cementu: Tworzenie soli Candlota (dodanie gipsu) 3CaO*Al2O3 + 3CaSO4 + 31H2O --> 3CaO*Al2O3*3CaSO4*31H2O Hydroliza glinianu trójwapniowego 3CaO*Al2O3 + 6H2O --> 3CaO*Al2O3*6H2O Hydroliza żelazianu czterowapniowego (celitu) 4CaO*Al2O3*Fe2O3 + (n+6)H2O --> 3CaO*Al2O3*6H2O + CaO*Fe2O3*nH2O Hydroliza krzemianu trójwapniowego (alitu) 3CaO*SiO2 + (n+1)H2O --> 2CaO*SiO2*nH2O + Ca(OH)2 Hydroliza krzemianu dwuwapniowego 2CaO*SiO2 + nH2O --> 2CaO*SiO2*nH2O Reakcja wodorotlenku wapnia z CO2 Ca(OH)2 + CO2 --> CaCO3 + H2O Pierwsze trzy reakcje dominują podczas wiązania cementu, zaś pozostałe podczas twardnienia masy cementowej i decydują w głównym stopniu o jej właściwościach wytrzymałościowych. Cement portlandzki – najczęściej stosowany, szary, sypki materiał, otrzymywany ze zmielenia klinkieru z gipsem i dodatkami hydraulicznymi. Nazwa pochodzi od koloru otrzymanego cementu, który przypominał wynalazcy kolor skał w Portland. Klinkier cementowy otrzymuje się przez wypalenie w temperaturze + mieszaniny zmielonych surowców zawierających wapień i glinokrzemiany. Podstawowe składniki klinkieru to: Alit krzemian trójwapniowy (50–65% masy klinkieru) – 3CaO·SiO2 Belit krzemian dwuwapniowy (ok. 20% masy klinkieru) – 2CaO·SiO2 Bromwnmilleryt czterowapniowy związek tlenku glinu i tlenku żelaza (ok. 10% masy klinkieru) – 4CaO·Al2O3·Fe2O3 Glinian trójwapniowy (ok. 10% masy klinkieru) – 3CaO·Al2O3 inne związki glinu, wapnia, magnezu oraz gips. Cement hutniczy – otrzymywany jest z klinkieru portlandzkiego, kamienia gipsowego i żużla wielkopiecowego. Cement ten jest bardziej odporny na działanie siarczanów niż cement portlandzki, stosuje się go w miejscach o niewielkiej agresywności wody. Ma wolniejszy niż cement portlandzki przyrost wytrzymałości w czasie. Wyróżniamy: - cement hutniczy 35 - zawiera klinkier z dodatkiem 35% żużla - cement hutniczy 35/80 - zawiera klinkier z dodatkiem 35-80% żużla - cement hutniczy 85 - zawiera klinkier z dodatkiem 85% żużla Cement glinowy - 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^oC) 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 elekrowniach) 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. 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. Wapno hydrauliczne – spoiwo hydrauliczne otrzymywane przez wypalenie margli lub wapieni marglistych, zgaszenie ich na sucho (czyli dodanie niewielkiej ilości wody) i zmielenie. Zaprawy z wapna hydraulicznego mają niską wytrzymałość mechaniczną, przez to nie należą do często używanych spoiw. jest to spoiwo, które po związaniu i stwardnieniu przez pewien czas na powietrzu ma zdolność do dalszego utwardzania się pod wodą. Ta właściwość wynika z obecności krzemianów i glinianów wapniowych Spoiwa powietrzne po zmieszaniu z wodą ulegają wiązaniu i stwardnieniu jedynie na powietrzu. Zalicza się do nich: wapno, spoiwo gipsowe, magnezjowe oraz spoiwa krzemianowe. Spoiwo wapienne należy do grupy spoiw powietrznych i oparte jest na tlenku wapnia CaO. Wapno palone (CaO) otrzymuje się przez wypalanie kamienia wapiennego (CaCO3) w piecach szybowych, bądź obrotowych w temperaturze 950 – 1050^oC. Proces wypalania zachodzi wg reakcji: CaCO3 <=> CaO + CO2 + 165,5 kJ/mol W czasie wypalania wapienia temperatura nie może być zbyt wysoka, ponieważ może wystąpić proces powlekania (oblepiania) ziarenek wapna palonego nieprzepuszczalnymi dla wody stopionymi tlenkami zanieczyszczeń. Najczęściej tymi zanieczyszczeniami są: krzemionka, tlenki żelaza, tlenki glinu lub węglan magnezu. Zbyt wysoka temperatura wypalania daje nam tzw. wapno martwe, nie podatne na proces gaszenia. Wapno palone poddaje się procesowi gaszenia wg reakcji: CaO + H2O → Ca(OH)2 – 63,5 kJ/mol W zależności od sposobu prowadzenia procesu gaszenia wapno dzieli się na: ciasto wapienne, wapno hydratyzowane, mleko wapienne. Ciasto wapienne otrzymywane jest w dołach do gaszenia i stanowi układ koloidalny wodorotlenku wapnia w nasyconym wodnym roztworze tegoż wodorotlenku. Zawartość wody wynosi ok. 50% masy ciasta wapiennego. Wapno hydratyzowane (sucho gaszone) jest sproszkowanym wodorotlenkiem wapnia, który otrzymuje się metodą przemysłową przez gaszenie wapna palonego małą ilością wody (ok. 25%). Mleko wapienne charakteryzuje się znacznym nadmiarem wody w układzie koloidalnym wodorotlenku wapnia. Zaprawę murarską (wapienną) otrzymuje się poprzez zmieszanie np.: 1 części objętościowej wapna gaszonego z 3-5 częściami piasku oraz wodą. Proces wiązania i twardnienia spoiwa wapiennego (zaprawy) zachodzi w dwóch etapach: - pierwszy etap (kilka godzin) to czas, w którym następuje proces wiązania i krzepnięcia spoiwa. - drugi etap trwający bardzo długo (do kilku lat) to okres twardnienia spoiwa. Powyższe procesy polegają na odparowaniu wody przy równoczesnej reakcji wodorotlenku wapnia z dwutlenkiem węgla znajdującym się w powietrzu: Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 + H2O + 38 kJ/mol Proces krystalizacji i wzrostu kryształów węglanu wapnia prowadzi do powstania dużych wzajemnie poprzerastanych kryształów tworzących szkielet, od którego zależy stwardnienie spoiwa. Wiązanie zapraw wapiennych w pomieszczeniach zamkniętych można przyśpieszyć przez spalanie koksu (wzrost temperatury i wzrost stężenia CO2 w powietrzu). Piasek jest biernym pod względem chemicznym składnikiem (nie bierze udziału w procesie wiązania), jednakże ułatwia penetrację CO2 z powietrzem w głąb zaprawy, przyspieszając w ten sposób tworzenie się CaCO3. Spoiwo wapienne ulega stwardnieniu tylko na powietrzu. Tak otrzymane spoiwo z czasem ulega osłabieniu w wyniku reakcji chemicznej: CaCO3 + CO2 + H2 → Ca(HCO3)2 Z przebiegu reakcji widzimy, że z czasem w wyniku oddziaływania wody i dwutlenku węgla z powietrza, nierozpuszczalny CaCO3 przekształca się w rozpuszczalny Ca(HCO3)2. Z twardej zaprawy zostaje więc wypłukany najbardziej istotny składnik – węglan wapnia. Spoiwa gipsowe i anhydrytowe są to materiały wiążące, otrzymywane z naturalnych siarczanów wapniowych występujących w przyrodzie w postaci kamienia gipsowego (CaSO4·2H2O) i anhydrytu (CaSO4). Produkcja tych spoiw polega głównie na obróbce termicznej kamienia gipsowego lub anhydrytu. Spoiwa gipsowe szybko wiążące otrzymuje się w prażarkach w niskich temperaturach (135 – 230) ^oC. Surowcem jest mączka gipsowa. Podczas wypalania zachodzi proces odwodnienia według reakcji: CaSO4·2H2O → CaSO4·½H2O + 3/2H2O Produkt tej reakcji CaSO4·½H2O występuje w dwóch odmianach (alfa) i (beta). Odmiany te wykazują istotne różnice rozpuszczalności, czasu wiązania i wytrzymałości. Spoiwa tej grupy należą do spoiw powietrznych szybko wiążących, o początku wiązania od 3 do 12 minut, a końcu wiązania 15 do 20 minut. Spoiwa gipsowe wolno wiążące produkowane są w wysokich temperaturach. Dzielą się one na: spoiwa anhydrytowe, gips hydrauliczny. Spoiwa anhydrytowe należą do grupy spoiw gipsowych powietrznych. Podstawowym składnikiem jest bezwodny siarczan wapnia (CaSO4). Sam siarczan wapniowy nie wykazuje właściwości wiążących, staje się spoiwem dopiero po zmieleniu i zaktywizowaniu pewnymi dodatkami (tlenki alkaliczne, tlenek magnezowy, wapno palone i hydratyzowane, siarczany, cement portlandzki). Spoiwo anhydrytowe otrzymuje się w wyniku wypalania kamienia gipsowego lub anhydrytu naturalnego w temperaturze 600 – 700ºC i zmieleniu go z aktywatorami. Gips hydrauliczny jest spoiwem powietrznym wykazującym właściwości hydrauliczne. Spoiwo to, obok podstawowego składnika jakim jest CaSO4, zawiera pewien niewielki procent tlenku wapniowego CaO. Gips hydrauliczny otrzymuje się przez wypalanie kamienia gipsowego w temperaturze 800 – 1000ºC. W takiej temperaturze gips dwuwodny przechodzi w siarczan bezwodny, ulegając częściowemu rozkładowi w/g reakcji: CaSO4 → CaO + SO2 + ½O2 Początek wiązania gipsu hydraulicznego zachodzi po upływie 2-6 godzin, koniec wiązania po 6-30 godzin. Zaletą tak otrzymanego spoiwa jest większa odporność na działanie wody i czynników atmosferycznych (mrozu). Wiązanie spoiw gipsowych polega w zasadzie na reakcji odwrotnej do reakcji odwodnienia surowców stosowanych do produkcji gipsu. CaSO4·½H2O + 3/2H2O → CaSO4·2H2O +14,2 kJ/mol