Paulina Magdzicka gr.5 zespół nr 7, Wydział Inżynierii Lądowej 12-10-2010

Sprawozdanie z wykonania ćwiczenia komputerowego nr 7.1

Temat: Komputerowa symulacja hydratacji cementu.

Wprowadzenie

Wraz z rozwojem technik komputerowych powstają coraz to nowe programy pomagające nam zobrazować i zrozumieć pewne zjawiska zachodzące w otaczającym nas świecie. Wykonując to ćwiczenie posługiwaliśmy się programem „iwueczka3.4”, opracowanym w Katedrze Materiałów Budowlanych Politechniki Warszawskiej. Idea programu została sformułowana w Państwowym Instytucie Standaryzacji Technologii (NIST) w Gaithersburgu w USA we współpracy z Centrum Naukowo-Technologicznym Zaawansowanych Materiałów Budowlanych.

Cel: komputerowa symulacja i analiza zmian mikrostruktury podczas hydratacji cementu przebiegającej w zaczynie cementowym z uwzględnieniem rożnych czynników wpływających na przebieg tego procesu.

Wstęp teoretyczny

Hydratacja (inaczej uwodnienie) to ogół procesów chemicznych lub fizycznych, w których związkiem chemicznym przyłączanym do innej substancji jest woda, przy czym woda ta jest przyłączana w całości (nie powstają dodatkowo produkty uboczne). Jest to podstawowy rodzaj reakcji zachodzącej w czasie wiązania cementu, dlatego też często zamiast terminu „hydratacja cementu” używa się terminu „wiązanie cementu”.

Cement jest stosowany do wytwarzania zaczynów, zapraw i betonów. Najczęściej stosowanym spoiwem jest cement portlandzki. Cement portlandzki należy do najczęściej stosowanych mineralnych spoiw hydraulicznych. Podstawowymi surowcami stosowanymi do jego produkcji są wapienie i gliny lub margle. Najbardziej reaktywnym w stosunku do wody składnikiem jest glinian trójwapniowy (C₃S). Gdyby nie obecny w cemencie gips dwuwodny, reakcje uwodnieniea glinianu zachodziłaby bardo szybko i wiązanie cementu zachodziłoby gwałtownie. W obecności gipsu C₃S reaguje z wodą znacznie wolniej.

Alit i belit ( krzemiany wapniowe) ulegają jednocześnie hydratacji i hydrolizie. Jako pierwszy reaguje C₃S.

alit: 2(3CaO* SiO₂)+6H₂O3CaO*2SiO₂*3H₂O+3Ca(OH)₂

belit: 2(2CaO* SiO₂)+4H₂O3CaO*2SiO₂*3H₂O+Ca(OH)₂

Produktem hydratacji jest uwodniony krzemian wapniowy (tworzący tzw. Żel C-S-H, który stanowi ponad 50% objętości utwardzonego zaczynu cementowego), a produktem hydrolizy (rozkład soli pod wpływem wody na jony) jest portlandyt, który tworzy kryształy.

Porowatość to procentowa zawartość porów w mieszance betonowej; mniejsza porowatość mieszanki to w ogólnym rozrachunku większa wytrzymałość betonu; na porowatość betonu ma również wpływ proces pielęgnacji.

Przebieg doświadczenia i obserwacje

Po uzgodnieniu z prowadzącym ćwiczenie składu zaczynu cementowego (zawartość cementu 100%), średnicy ziaren (4-28*10^-6m) oraz współczynnika hydratacji ( 0,7 ), przeprowadziliśmy 3 niezależne symulacje komputerowe zjawiska hydratacji cementu. W każdej próbie przyjęliśmy inny współczynnik woda/spoiwo, który w kolejnych próbach wynosił odpowiednio: 0,7, 0,65, 0,6. Ponadto przeprowadziliśmy jeszcze jedną dodatkową symulację, w której współczynnik w/s=0,9. Po każdej symulacji drukowaliśmy nasze wyniki, aby móc zaobserwować zachodzące zmiany. Poniższa tabela przedstawia obserwowane zmiany porowatości .

Numer próby	1	2	3	4
w/s	0,7	0,65	0,6	0,9
Porowatość betonu (%)	18-19	17-18	16-17	22-23
Porowatość zaczynu cementowego (%)	38	35	32	48

Jak zaobserwowaliśmy podczas symulacji w zaczynie powstaje Ca(OH)₂. Ma on duże znaczenie dla betonu, zwłaszcza w konstrukcjach żelbetonowych. Przez reakcję kwasu węglowego (CO₂ ) z wodorotlenkiem wapnia (Ca(OH)₂ ) dochodzi do powstawania węglanu wapnia, czyli wapienia (CaCO₃ ). Przez to zapobiegająca korozji zawartość wodorotlenku wapniowego w wodzie porowej kamienia cementowego spada, a w wyniku tego pierwotna wartość pH wynosząca około 13 zostaje zachowana. Gdy wartość pH betonu spadnie poniżej 9, wtedy już dla stali nie ma ochrony przed korozją, dlatego obecność Ca(OH)₂ jest korzystna i tak istotna.

Rysunek 1. wykres zależności porowatości od w/s

Wykres został sporządzony dla stopnia hydratacji 0,7

Wnioski

Na podstawie wykresu mogę stwierdzić, że im wyższy współczynnik woda/spoiwo, tym większa porowatość betonu, a co za tym idzie mniejsza wytrzymałość mechaniczna betonu. Przy w/s=0,9 porowatość wynosi niemal 50%, co sprawia, że beton jest niemal ażurowy i z pewnością nie będzie odznaczał się wysoką wytrzymałością. Wraz ze wzrostem współczynnika w/s rośnie porowatość betonu oraz zaczynu betonowego, a zatem jego wytrzymałość i trwałość maleje. Mikrostruktura betonu zmienia się pod wpływem czynników takich jak m.in. badany wpływ współczynnika w/s, ale także ma na to wpływ skład zaczynu (skład spoiwa, rodzaj uziarnienia, średnice ziaren). Niewątpliwie jednak istnieje dolna granica wartości współczynnika w/s, ponieważ im mniej wody w zaczynie tym mniej składników ulegnie hydratacji. Z kolei im więcej wody, tym zaczyn jest rzadszy, a beton z niego powstały mniej wytrzymały.

1

---