BETONY SPECJALNE

1. Minerały klinkierowe wchodzące w skład cementu:

ALIT - C3S - krzemian trójwapniowy, (50-65% masy klinkieru) - 3CaO·SiO₂,

BELIT - C2S - krzemian dwuwapniowy, (ok. 20% masy klinkieru) - 2CaO·SiO₂,

BROWNMILLERYT - C4AF - glinożelazian czterowapniowy, (ok. 10% masy klinkieru) - 4CaO·Al₂O3·Fe₂O₃,

CELIT C3A - glinian trójwapniowy, (ok. 10% masy klinkieru) - 3CaO·Al₂O₃.

Chemia cementu (skróty):

C - CaO,

A - Al₂O₃,

H - H₂O,

S - SiO₂,

F - Fe₂O₃,

S - SO₃.

2. Podstawowe kryterium klasyfikujące CEMENT

KLASA CEMENTU - wytrzymałość na ściskanie po 28 dniach twardnienia (wyrażona w MPa) zaprawy normowej z danego cementu.

ZAPRAWA - mieszanina cementu, wody i pozostałych składników, które przechodzą przez sito kontrolne o boku oczka kwadratowego 2 mm (za PN-88/B-06250).

Obecnie norma PN-B-19701 przewiduje następujące klasy cementu: 32.5, 42.5, 52.5.

3. Hydratacja

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

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).

CA CSCSH

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.

4. Skład fazowy mieszanki betonowej. Krzemionka

Trzy podstawowe składniki mieszanki betonowej:

- cement C,

- kruszywo K,

- woda W.

KRZEMIONKA (drogi gips) - SiO₂ w miejscu wapna redukuje szybkość rozwoju wytrzymałości zaczynu (opóźniacz).

Faza żelowa lub żel CSH uwodnione krzemiany wapniowe występujące w postaci żelowej lub żelowo - krystalicznej.

Fazy krzemianowe:

• CSHI - hydrat krzemianów o stosunku molowym CaO/SiO2 = 0.8 ÷ 1.5,

• CSHII - hydrat krzemianów o stosunku molowym CaO/SiO2 = 1.5 ÷ 2.0,

• Faza allitu C3S - hydrat krzemianów o stosunku molowym CaO/SiO2 =1.4 ÷ 1.6. Przyczynia się do powstania w normalnych warunkach, przy jego szybkim twardnieniu, względnie stabilnych hydratów.

5. Partia mieszanki betonowej. Partia betonu

PARTIA MIESZANKI BETONOWEJ - jeden zarób w betoniarce lub jeden ładunek betoniarki samochodowej (dawniej zarób mieszanki betonowej).

PARTIA BETONU - ilość betonu o niezmiennym składzie, o objętości do 50 m³, wyprodukowanej w okresie nie dłuższym niż 1 miesiąc.

6. Konsystencja mieszanki betonowej. Badanie

KONSYSTENCJA mieszanki betonowej charakteryzuje podatność mieszanki na przemieszczenia przy zachowaniu jej jednorodności; konsystencja wpływa na łatwość układania mieszanki w formie, ustala się ją w zależności od miejsca i sposobu betonowania.

BADANIE klasy konsystencji dokonuje się wg metod:

- met. stożka opadowego (S),

- met. Ve-Be (V),

- met. stopnia zagęszczalności (C),

- met. stożka rozpływowego (F).

KLASA KONSYSTENCJI:

K1 - wilgotna,

K2 - gęstoplastyczna,

K3 - plastyczna,

K4 - półciekła,

K5 - ciekła,

Bardzo ciekła.

METODA STOŻKA OPDAOWEGO:

KLASA OPAD STOŻKA [mm]

S1 10 ÷ 40 → K3

S2 50 ÷ 90 → K4

S3 100 ÷ 150 → K5

S4 160 ÷ 220 → b. ciekła

S4 > 220 → b. ciekła

7. Zawartość powietrza w dobrze zagęszczonym betonie

Zawartość powietrza w dobrze zagęszczonym betonie - 1.5 ÷ 2.0 %

8. Wskaźnik W/C dla betonu BWW

BWW → W/C = 0.21 ÷ 0.38.

9. Dobór kombinacji składu mieszanki betonowej dla betonów o wysokiej wytrzymałości

Dobór kombinacji cementu i innych materiałów cementowych zależy od klasy betonu jaką chcemy uzyskać. Wytrzymałość do 100 MPa można uzyskać stosując następujące kombinacje:

1. tylko cement,

2. cement + pyły krzemionkowe,

3. cement + żużel + pyły krzemionkowe,

4. cement + popiół lotny + pyły krzemionkowe.

Dla klas betonu > 75 MPa nie należy stosować samego cementu, ale cement + pył krzemionkowy!

10. Cementy siarczanoodporne - oznaczenie: HSR

11. Wskaźnik dyspersji D

Wskaźnik dyspersji D wyraża strukturę układów kompozytowych

D = V_fc/S_fr

gdzie:

V_fc - objętość ciągłej fazy dyspersującej,

S_fr - powierzchnia rozwinięta fazy zdyspergowanej (powierzchnia międzyfazowa).

12. Rodzaje cementów

• 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 wyróżnia się:

• cement ekspansywny,

• cement szybkotwardniejący,

• cement tamponażowy.

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

• cement anhydrytowy (nazywany cementem Keena),

• spoiwo magnezjowe (nazywane cementem Morela).

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.

13. Cementy o specjalnych wymaganiach

Nowa polska norma PN-B-19707:2003 Cement. Cement specjalny. Skład, wymagania i kryteria zgodności została opublikowana w październiku 2003 roku. Cementy według tej normy są klasyfikowane w zależności od ich właściwości specjalnych, jako:
- cement o niskim cieple hydratacji - LH
- cement o wysokiej odporności na siarczany - HSR
- cement o niskiej zawartości alkaliów - NA
Klasyfikacja nie jest ograniczona do jednej tylko cechy użytkowej a zatem możliwe jest zakwalifikowanie cementu jako specjalnego ze względu na dwie lub trzy właściwości specjalne np. cement specjalny o wysokiej odporności na siarczany i o niskiej zawartości alkaliów.

BONUS (ale niekoniecznie):

Cementy specjalne muszą spełniać podstawowe wymagania normowe stawiane cementom powszechnego użytku zgodnie z normą PN-EN 197-1:2002. Podstawowe wymagania dotyczą podziału cementu na rodzaje i klasy wytrzymałości, rodzajów i właściwości składników, właściwości mechanicznych, fizycznych i chemicznych oraz kryteriów zgodności tych właściwości. Wymagany jest ten sam system oceny i certyfikacji zgodności. Nowa norma określa wymagania dodatkowe dotyczące właściwości specjalnych cementu, jego składników oraz kryteriów zgodności.

Cement o niskim cieple hydratacji - LH
Każdy z 27 cementów powszechnego żytku można uznać za cement o niskim cieple hydratacji pod jednym, dodatkowym warunkiem. Ciepło hydratacji cementu, oznaczone metodą semi-adiabatyczną po 41 godzinach lub oznaczone metodą rozpuszczania po 7 dniach nie może być większe niż 270 J/g. Obydwie metody oznaczania ciepła hydratacji, dostępne już obecnie jako normy europejskie, będą w tym roku wprowadzone do zbioru norm krajowych jako PN-EN 196-8 i 9.

Cement o wysokiej odporności na siarczany - HSR
W przypadku tej grupy cementów wymagania normy PN-B-19707 są zróżnicowane w zależności od rodzaju cementu. Najprościej można je sformułować w przypadku cementów hutniczych CEM III, którym norma stawia jedno wymaganie. Udział granulowanego żużla wielkopiecowego, w odniesieniu do sumy składników głównych i drugorzędnych, nie może być niższy niż 55 % masy.

Cementy portlandzkie CEM I można uznać za cementy o wysokiej odporności na siarczany pod warunkiem, że zawartość glinianu trójwapniowego nie jest wyższa od 3,00 % i zawartość tlenku glinu nie przekracza 5,00 % masy.

Bardziej skomplikowane są wymagania w przypadku cementu portlandzkiego popiołowego CEM II/B-V i cementów pucolanowych CEM IV. Norma dopuszcza udział jedynie trzech składników głównych: klinkieru cementu portlandzkiego (K), pyłu krzemionkowego (D) i popiołu lotnego krzemionkowego (V). Ponadto stawia tym składnikom dodatkowe wymagania: klinkier nie może zawierać więcej niż 10 % masy glinianu trójwapniowego a w popiołach straty prażenia i udział reaktywnego tlenku wapnia ograniczone są do 5,0 % masy. Zasadniczym wymaganiem jest udział popiołu lotnego krzemionkowego (lub sumy popiołu i pyłu krzemionkowego w cemencie pucolanowym) na poziomie nie mniejszym niż 25 % masy cementu.

Cement o niskiej zawartości alkaliów - NA
Utrwalony w kolejnych normach poziom 0,60 % całkowitej zawartości alkaliów w cemencie, w przeliczeniu na Na2O, znalazł swoje miejsce także w nowej normie cementowej.

Wymaganie to dotyczy cementów portlandzkich CEM I, cementów pucolanowych CEM IV, cementów wieloskładnikowych CEM V i cementów portlandzkich wieloskładnikowych CEM II, z wyjątkiem CEM II/B-S. Dla tego rodzaju cementu całkowita zawartość alkaliów nie powinna przekraczać 0,70 %.

Cementy hutnicze, w zależności od udziału granulowanego żużla wielkopiecowego, mają zróżnicowane wymagania dotyczące zawartości alkaliów, aby można uznać je za cementy niskoalkaliczne. Dla cementów CEM III/A o zawartości żużla poniżej 49 % masy całkowita zawartość alkaliów nie może być większa niż 0,95 %. Norma dopuszcza dla tych cementów wyższą zawartość alkaliów do 1,10 %, lecz przy zawartości co najmniej 50 % masy żużla w cemencie. Dla cementów hutniczych CEM III/B i CEM III/C całkowita zawartość alkaliów nie może przekraczać 2,00 %, co praktycznie oznacza, że wszystkie cementy z tej grupy można uznać za cementy o niskiej zawartości alkaliów.

14. Wiązania w cemencie

Reakcje zachodzące podaczas 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 (Balitu):

2CaO*SiO₂ + nH₂O --> 2CaO*SiO₂*nH₂O

Reakcja wodorotlenku wapnia z CO2

Ca(OH)₂ + CO₂ --> CaCO₃ + H_2O

Pierwsze trzy reakcje dominują podczas wiązania cementu, zaś pozostałe podczas twardnienia masy cementowej i decydują w głównym stopniu o jej właściwościach wytrzymałościowych.

15. Optymalny dobór uziarnienia kruszywa
    

DOBÓR UZIARNIENIA kruszywa do betonu przeprowadza się w dwóch etapach:

1. Projektujemy kruszywo drobne (do 8 mm) --musi być w polu dobrego uziarnienia --należy unikać garbu frakcji piaskowej --krzywa uziarnienia musi być w miarę ciągła.

2. Projektujemy kruszywo grube 16mm --każda frakcja powinna być płukana wodą w celu usunięcia pyłów - robimy z frakcji zbliżonych do siebie.

Zalecenia: w celu uniknięcia rozdziału w czasie transportu oraz zminimalizowania wpływu odchyleń w uziarnieniu kruszywa, kruszywa > 8mm musi składać z co najmniej 2 wąskich frakcji - w celu zwiększenia odporności betonu na ścieranie oraz wodożądności kruszywa drobnego, zawartość frakcji 2mm nie powinna przekraczać 62% Przy doborze kruszyw do betonów celowe jest stosowanie mieszanek żwirowo-piaskowych do betonów klas B20. Do produkcji betonu klas wyższych zalecane jest stosowanie kruszyw łamanych ze skał magmowych i z twardych skał węglanowych. Pole między krzywymi granicznymi wskazuje na obszar dobrego uziarnienia. Podczas ustalania procentowego udziału poszczególnych frakcji w mieszance kruszywa należy mieć na uwadze ilość wolnych przestrzeni między ziarnami oraz wodożądność kruszywa. Ustala się taki skład kruszywa, aby ilość wolnych przestrzeni była minimalna, tj. aby gęstość pozorna mieszanki była możliwie duża. Dla każdego składu mieszanki kruszywa określa się jego wodożądność (tj. ilość wody, jaka jest niezbędna do zwilżenia kruszywa w celu uzyskania mieszanki betonowej o założonej konsystencji ). Do określenia wodożądności są pomocne tzw. wskaźniki wodożądności, które są zależne od wielkości ziarn kruszywa, gęstości i rodzaju kruszywa oraz od konsystencji mieszanki betonowej. Wskaźniki wodożądności ustala się na podstawie licznych badań. Dla każdej mieszanki kruszywa sumuje się wartości wodożądności i ilości wolnych przestrzeni między ziarnami. Za optymalną mieszankę kruszywa uważa się taką, dla której ta suma jest minimalna.

16. Betony specjalne/ultrawytrzymałe
    

Betony cementowe nowej generacji. Grupy:

- BWW: betony wysokiej wytrzymałości (wysokowartościowe) od B60 do B200,

- BBWW: betony bardzo wysokiej wytrzymałości (bardzo wysokowartościowe) od B100 do B150,

- BUWW: betony ultra wysokiej wytrzymałości (ultra wysokowartościowe) > B150,

- LBWW: lekkie betony wysokiej wytrzymałości (lekkie wysokowartościowe) od B60 do B200,

- FIBROBETONY betony samozagęszczalne (dodatki stanowią 20 - 30 % masy cementu)

1

---