WYKŁAD 3

SPOIWA HYDRAULICZNE - CEMENT

1. Spoiwami hydraulicznymi

nazywa się materiały nieorganiczne majace zdolność wiązania i twardnienia w wyniku reakcji chemicznych zarówno na powietrzu jak i pod wodą.Spoiwa te otrzymuje się poprzez obróbkę termiczną surowców mineralnych i ich zmielenie na proszek o rozmiarach 30 mikrometra.

W czasie obróbki termicznej surowców mineralnych zachodzą w nich przemiany fizykochemiczne, w wyniku których otrzymany produkt uzyskuje właściwości wiążące.

Właściwości wiążące tych substancji wynikają z aktywności chemicznej nowo powstających minerałów, a ujawniają się po dodaniu do nich wody.

Wówczas rozpoczynaja się procesy chemiczne, w wyniku których ciekła lub plastyczna mieszanina spoiwa z wodą zwiększa stopniowo swoją lepkość przechodząc w stan stały charakteryzując się właściowściami mechanicznymi i fizycznymi.

Narastanie wytrzymałości mechanicznej wiążącego spoiwa jest wynikiem reakcji, których efektem końcowym jest powstanie nowych związków krystalicznych.

2. Cement

Podstawowym spoiwem hydraulicznym jest cement, drobno zmielony materiał nieorganiczny, który po zmieszaniu z wodą tworzy zaczyn wiążący i twardniejący w wyniku reakcji i procesów hydratacji, a po stwardnieniu pozostaje wytrzymały także pod wodą.

Cement jest spoiwem hydraulicznym, wiążącym, który otrzymuje się poprzez zmielenie klinkieru cementowego z siarczanem wapnia oraz dodatkami hydraulicznymi i pucolanowymi.

3. Klinkier cementowy

Głównym składnikiem cementu jest klinkier portlandzki, którego udział w zależności od cementu wynosi od 95% zawartości. Klinkier portlandzki jest produktem spiekania w temperaturze 1450 C mieszaniny surowców składających się z wapieni i glinokrzemianów.

A- Podstawowymi składnikami klinkieru są 4 tlenki:

- tlenek wapnia CaO,

- tlenek glinu,

- tlenek żelaza,

- krzemionka

Tlenki te stanowią 95% masy klinkieru

B- Postawą produkcji klinkieru są termochemiczne reakcje w wyniku których tworzą się 4 główne fazy

- krzemian trójwapniowy - 3CaO*SiO₂ - alit C₃S,

- Krzemian dwuwapniowy - 2CaO*SiO₂ - Belit C₂S,

- glinian trójwapniowy - 3CaO*Al₂O₃ - C₃A,

- glinożelazian czterowapniowy zwany brownmillerytem.C₄AF

4. Hydratacja cementu

Reakcje zachodzące między minerałami klinkieru z wodą są reakcjami hydratacji (przyłączenia wody do związku chemicznego bez jego rozpadu) bądź dysocjacji hydrolitycznej (powodującej rozkład związku). Oba procesy przebiegają w zaczynie cementowym równolegle i są określane jako hydratacja cementu.

Wszystkie reakcje są egzotermiczne czyli zachodzą z wydzielaniem ciepła. Najwięcej ciepła się wytwarza przy hydratacji C₃A a najmniej przy C₂S, Przyjmuje się że 70% stwardziałego zaczynu stanowią produkty hydratacji a 30% pory.

1. Przebieg hydratacji jest uzalezniony od następujących czynników:

- skład chemiczny i mineralny cemetu a także jego skład ziarnowy,

- stosunek zawartości wody do cementu,

- temepratura hydratacji,

- różnego typu dodatki wprowadzane do cementu,

- sposób formowania mieszanki betonowej.

5.Rodzaje cementu powszechnego użytku

1. CEM I - cement portlandzki,

2. CEM II - cement portlandzki wieloskładnikowy,

3. CEM III - cement hutniczy,

4. CEM IV - cement pucolanowy,

5. CEM V cement wieloskładnikowy.

Głównym składnikiem cementu jest klinkier portlandzki oraz dodatki mineralne. Do najczęściej stosowanych dodatków zaliczamy:

- granulowany żużel wielkopiecowy (oznaczony w normach jako S)

- popiół lotny krzemionkowy ( Oznaczony jako V),

- kamień wapienny (oznaczony jako L lub LL)

Każdy cement może zawierać składnik drugorzędny do wartości 5% masy cementu.

W zalezności na wytrzymałość po 28 dniach dzielimy:

- klasa 32,5,

- klasa 42,5,

- klasa 52,5,

dodatkowo jeszcze oznaczamy literką N lub R, N- normalnie wiążący, R - szybkowiążący

Cementy ze względu na właściwości specjalne dzielą się na:

- cement o niskim cieple hydratacji HL,(ciepło nie przekracza 270 J/g oznaczane po 7 dniach lub po 41 godzinach.)

- cement odporny na siarczany HSR (dodatkowe zabezpieczenie przed środowiskiem agresywnym np. Przy budowie oczyszczalni ścieków)

- cement o niskiej zawartości tylenków alkicznych NA,

Zakres stosowania cementów

1. CEM I

- do zapraw murarskich i tynkarskich,

- do betonu zwykłego,

- do betonów wysokich wytrzymałości,

- do konstrukcji i elementów prefabrykowanych sprężonych,

- do betonowania w warunkach zimowych,

2. CEM II

- betonu towarowego,

- prefabrykatów drobno i wielkowymiarowych,

- elementów prefabrykowanych i sprężonych

3. CEM III hutniczy - do wykonywania dużych elementów betonowych i obiektów hydrotechnicznych. Do budowy dróg, autostrad, mostów.

4. Cemaent pucolanowy CEM IV -

- do produkcji prefabrykatów betonowych i żelbetonowych,

- jako zamiennik cementu portlandzkiego,

- do betonów monolitycznych przy obiektach hydrotechnicznych

5. Cement wiloskładnikowy CEM V - właściwości zbliżone do cementów hutniczych i pucolanowych.

6. Dodatki do cementu

a) granulowany żużel wielkopiecowy - jest to materiał o utajnionych właściwościach hydraulicznych, które można intensyfikować poprzez dodanie aktywatorów alkalicznych.

b) pucolana naturalna i sztuczna - jest to materiał który samodzielnie nie twardnieje ale drobno zmielona w obecności wody i wodorotlenku wapnia tworzy związki o właściwościach hydraulicznych czyli uwodnione krzemiany i glinokrzemiany wapnia.

c) popiół lotny krzemionkowy - powstaje na skutek elektrostatycznego lub mechanicznego osadzania pylistych cząstek spalin wywarzających się w paleniskach opalanych pyłem węglowym.

d) popiół lotny wapienny- powstaje podczas odpylania gazów z instalacji kotłowych w których spala się węgiel brunatny w paleniskach pyłowo-wirowych.

e) łupek palony- jest wypalany w temperaturze 800 C, zawiera on fazy podobne do klinkieru portlandzkiego oraz tlenki o znacznej reaktywności

f) pył krzemionkowy - składa się z bardzo drobnych kulistych cząstek o dużej zawartości krzemionki bezpostaciowej. Powstaje w procesie odpylania pieców hutniczych przy produkcji żelazokrzemu. Jest najbardziej aktywny dodatek pucolanu.

g) mąka wapienna - zwana wypełniaczem stosowana jest jako dodatek do cementu portlandzkiego wapiennego w ilości 6-35%

h) siarczan wapnia - gips lub anhydryt stosowany jest jako regulator czasu wiązania cementu

---