Wykład 10
Cement portlandzki:
-podstawowe operacje techniczne
-urabianie i rozdrabnianie surowców skalnych
-odważanie i mieszanie surowców
-wypalanie w piecu obrotowym, otrzymywanie klinkieru
-mieszanie klinkieru z dodatkiem gipsu.
Piec cementowy:
- długość w metodzie suchej około 50 m,
- długość w metodzie mokrej około 150 m,
- maksymalna temperatura 1450'C
Kolejność procesów fizykochemicznych w piecu:
-odwodnienie surowców gliniastych
- wydzielanie wody wolnej i zarobowej
- rozkład gliny z wydzielaniem metakaolinitu
- reakcje metakaolinitu z wapieniem
- reakcja związków żelaza z wapniem
- rozkład wapieni i reakcji wolnego CaO z SiO2 I Al3O3 pochodzącymi z surowców lub ich rozkładów termicznych
- powstanie niskotemperaturowych (C2S i CA, C3A) i wysokotemperaturowych (C4AF, C3S) faz klinkieru cementowego.
- chłodzenie i krystalizacja, wzrost kryształów
Procesy chemiczne tworzenia faz klinkierowych są sumarycznie egzotermiczne.
Przeliczanie składu chemicznego na skład mineralogiczny.
- wzór Bogue'a. Wzory chemiczne tlenków i minerałów są tożsame z ich zawartością.
- C4AF = 3,04F
- C3A = 2,65A-1,69F
-CSH2 = 2,15S
-C3S = 4,071(C-C1) - 2,85S - 6,71A - 1,43F - 7,6S
- C2S = 8,6S - 3,07(C-C1) + 2,15S +5,07A +1,08F
Po wymieszaniu cementu z wodą następuje hydratacja przyłączenie wody przez minerały cementu, reakcje składników cement z sobą - czyli proces wiązania i twardnienia.
W czasie hydratacji cementu przebiegają procesy chemiczne bezwodne minerały cementu zamieniają się w związki uwodnione. Często połączone z rozpadem: krzemiany wapnia uwodnione krzemiany wapnia (faz C-S-H) + wodorotlenek wapnia; gliniany wapnia uwodnione gliniany wapnia, glinożelaziany wapnia uwodnione gliniany i żelaziany wapnia.
W czasie hydratacji cementu przebiegają procesy fizyczne: rozpuszczanie faz bezwodnych, połączenie z wydzielaniem ciepła, krystalizacja faz uwodnionych, rekrystalizacja faz uwodnionych.
Cement o dużej zawartości najbardziej energetycznych składników C3S, C3A, może przy braku wymiany ciepła nagrzewać masę betonową o kilkanaście stopni.
Reaktywność, szybkość wiązania: C2S < C4AF < C3S < C3A
Szybkość wiązania cementu wzrasta ze wzrostem stopnia rozdrobnienia, czyli ze wzrostem powierzchni właściwej cementu. Ziarna cementu o wymiarach > 30μm, nigdy nie ulegają całkowitemu uwodnieniu.
Klasyczny sposób zwiększania reaktywności to zwiększanie zawartości C3S i C3A oraz zwiększenie powierzchni właściwej do 4400-5000 cm2/g.
Czas wiązania może regulować stosując domieszki przyspieszacze i opóźniacze. Pierwsze powodują przyrost wytrzymałości wczesnej i zmniejszenie wytrzymałości końcowej betonu, drugie obniżają wytrzymałość początkową, lecz zwiększają wytrzymałość po dłuższym okresie twardnienia.
Na czas wiązania mają wpływ: temperatura (-10'C zupełne zahamowanie wiązania i twardnienia, 100'C przyśpieszenie i podobne produkty wiązania jak w temperaturze około 20'C), zanieczyszczenia w wodzie zarobowej ( cukry, pH, siarczany).
\składniki mineralne maja wpływ na reaktywność cementu, energetyczność procesu hydratacji cementu i na przyrost wytrzymałości końcowej cementu.
Wpływ składników mineralnych cementu na procesy hydratacji:
-alit - średnia aktywność, średnie ciepło hydratacji, duży przyrost wytrzymałości. Gdy rośnie zawartość alitu cement aktywny i ma dużą wytrzymałość wczesną 1,3,7 dniową.
- belit - zmniejszenie reaktywności zwiększenie ciepła hydratacji, powolny przyrost wytrzymałości. Cement belitowe są mało aktywne, mają niską wytrzymałość wczesną.
- glinian trójwapnia - bardzo aktywny, dlatego do spowolnienia reakcji stosowany jest gips, duże ciepło hydratacji, lecz wytrzymałość wczesna jest mała.
- gips dodawany do częściowego związania C3A. Szybkość reakcji gipsu z C3A jest bardzo duża. Produkt reakcji zapewnia małą wytrzymałość.
- braunmilleryt - bardziej aktywny od belitu, działanie na wytrzymałość podobne.
Hydratacje cementu portlandzkiego:
Reakcje i procesy chemiczne:
- reakcje C3A z gipsem C3A+3CSH2 +26H C3A*3CSH*H32 (etringit)
- reakcje C3A z wodą C3A+SH C3AH6 (hydrogarnet, sześciowodny glinian trójwapnia)
- reakcje C3S z wodą C3S + nH C-S-H +2H (żelowa faza C-S-H + krystoniczny Ca(OH)2)
- reakcje C4AF z odą C4AF + 7H C3AH6 + CFH (hydrogarnet + uwodniony żelaźnian wapnia)
Procesy fizyczne:
Rozpuszczanie faz bezwodnych, wydzielanie ciepła, parowanie wody, krystalizacja faz uwodnionych i Ca(OH)2, rekrystalizacja faz krystalicznych fazy żelazowej CSH.
Struktura i właściwości kamienia cementowego, zaprawy i betonu cementowego.
- faza żelowa C-S-H (50%) pory żelowe o średnicy rzędu μm (25% fazy)
- fazy krystaliczne uwodnione soli wodorotlenki wapania (30%)
-relikty krystalicznych bezwodnyh faz pochodzących z cementu
- pory kapilarne o średnicy rzędu μm powstające po odparowaniu wody (15%)
- pustki powietrzne powstające w wyniku wiązania w niecałkowicie zagęszczonym kamieniu
- w zaprawie i betonie oprócz kamienia cementowego, które scala materiał znajduje się kruszywo drobne i grube. Na granicy kamienia cementowego kruszyno znajdują się duże skupiska Ca(OH)2
- w porach materiałów cementowych znajduje się roztwór porowy, zawierający nasycony roztwór Ca(OH)2 oraz roztwór KOH i NaOH.
- materiał cementowy jest zasadowy, reaguje z dwutlenkiem węgla w procesie karbonatyzacji, czyli koroduje stal zbrojeniową jest wrażliwy na korozję w kwasach.
Pucolany (popioły)
- pucolany naturalne ( popioły wulkaniczne) , pucolany sztuczne ( wypalone i rozdrobnione gliny, rozdrobniona ceramika, szkło, odpady przemysłowe, np. popioły lotne, mikrokrzeminay)
- są silnie rozdrabniane materiały (do wielkości ziarna o średnicy poniżej 80 μm, mające zdolności do reagowania z Ca(OH)2 i tworzenia faz podobnych do utworzenia uwodnionym cemencie. Są to materiały kwaśne, zawierające SiO2, Al2O3, reagują z Ca(OH)2 zawartym w porach batonu i na powierzchni kruszywo, rozdrabniając kryształy Ca(OH)2 uszczelniając materiał, zwiększając odporność na korozję, nie pogarszają zdolności do pasywacji stali.
- stosowany jest jako składniki cementu lub betonu.
Domieszki stosowane do betonów:
-domieszki to dodatki wprowadzone do betonu w ilościach do 5% masy cementu. Dzieli się je w zależności od mechanizmu działania i składniku chemicznego lub podstawowego efektu uzyskanego przez ich zastosowanie.
- wyróżnia się domieszki wpływające na reaolgię mieszanki betonowej
- modyfikatory czasu wiązania
- domieszki napowietrzające
- domieszki przeciwmrozowe
- domieszki uszczelniające
- domieszki barwiące
- inhibitory korozji stali.
Korozja materiałów z cementu portlandzkiego:
- definicje korozji: ogół niekorzystnych procesów fizykochemicznych i biologicznych pogarszających cechy użytkowe materiału cementowego
- rodzaj korozji: fizyczne, biologiczne, chemiczne
- czynniki wywołujące korozję:
-fizyczną
- biologiczną
- chemiczną (wody miękkie, zanieczyszczenia powietrza, wody i gleby), korozja ługowania, kwasowa, siarczanowa, magnezowa, węglanowa.
- metody zapobiegania korozji