1. Wymienić i scharakteryzować kolejne etapy produkcji cementu.

2. Skład chemiczny i mineralogiczny klinkieru cementowego, charakterystyka cementu.

3. Podział cementów powszechnego użytku.

4. Klasyfikacja betonów.

5. Hydratacja cementu - kolejne etapy dojrzewania zaczynu cementowego (rysunki).

6. Wpływ wielkości ziaren cementu na procesy hydratacji, stopień hydratacji.

7. Wysokie ciepło hydratacji - wada czy zaleta cementu?

8. Co to jest gęstość, szczelność, jamistość? - metody badania.

9. Krzywe uziarnienia jako informacja o kruszywie. Punkty charakterystyczne krzywej uziarnienia.

10. Różnica między wodożądnością, nasiąkliwością i wilgotnością kruszywa.

11. Urabialność a konsystencja mieszanki betonowej. Na co wpływa urabialność mieszanki betonowej i jak ją poprawić.

12. Ograniczenia metod badania konsystencji mieszanki betonowej.

13. Wytrzymałość średnia charakterystyczna i gwarantowana. Zależności między nimi.

14. Wzór Bolomeya i Fereta. Założenia i zakres stosowania.

15. Ocena zgodności betonu - kryteria zgodności.

16. Dodatki i domieszki do betonu oraz ich rola w betonie w kszałtowaniu struktury.

17. Metoda projektowania betonów. Projektowanie betonów różnych klas.

18. Wyjaśnić równania projektowania betonów.

1. Wymienić i scharakteryzować kolejne etapy produkcji cementu.
Podstawowym półproduktem przemysłu cementowego jest klinkier portlandzki. Surowcami używanymi do produkcji klinkieru są wapień, margle oraz glina. Są to surowce zasobne w CaO, SiO₂ oraz zawierające znaczne ilości Al₂O₃ i Fe₂O₃.
Mieszanina surowców jest mielona, a następnie wypalana w piecu obrotowym w temperaturze ok. 1450°C.

Proces produkcyjny może być prowadzony dwoma podstawowymi metodami: mokrą i suchą. W pierwszej metodzie surowce wprowadzane są do pieca w postaci szlamu. Zaletą tej metody jest łatwość mieszania i korygowania mieszaniny surowcowej natomiast wadą - duże zużycie energii. Zaletą metody suchej jest niskie zużycie energii, a co za tym idzie wyraźnie niższe koszty produkcji.
Istotną sprawą jest to, że jakość produktu (klinkieru portlandzkiego) nie zależy od stosowanej metody produkcji (sucha, mokra). W jednej i drugiej metodzie uzyskuje się porównywalne parametry jakościowe klinkieru.

Po wypaleniu mieszaniny surowcowej uzyskuje się produkt (klinkier), zawierający cztery podstawowe minerały klinkierowe:
Alit - C₃S - krzemian trójwapniowy
Belit - C₂S - krzemian dwuwapniowy
C₃A - glinian trójwapniowy
Brownmilleryt - C₄AF - glinożelazian czterowapniowy

2. Skład chemiczny i mineralogiczny klinkieru cementowego, charakterystyka cementu.

Skład chemiczny klinkieru:
CaO, SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃ - czyli powszechnie występujące w przyrodzie.

Skład mineralogiczny:

- krzemian trójwapniowy Ca₃SiO₅ - tzw. alit (C₃S),

- krzemian dwuwapniowy Ca₂SiO₄ - tzw. belit (C₂S),

- glinian trójwapniowy Ca₃Al₂O₆ - tzw. celit (C₃A),

- glinożelazian czterowapniowy Ca₄Al₂Fe₂O₁₀ - tzw. braunmilleryt (C₄AF).

Cement - to hydrauliczne spoiwo mineralne (twardnieje zarówno na powietrzu jak i pod wodą), otrzymywane z surowców mineralnych (margiel lub wapień i glina) wypalonych na klinkier w piecu cementowym, a następnie zmielenie otrzymanego spieku z gipsem, spełniającym rolę regulatora czasu wiązania. Stosowany jest do przygotowywania zapraw cementowych, cementowo-wapiennych i betonów. Wykorzystywany jest do łączenia materiałów budowlanych.

Cement jest to spoiwo hydrauliczne, który po zmieszaniu z wodą daje zaczyn wiążący i twardniejący w wyniku reakcji i procesów hydratacji, który po stwardnieniu pozostaje wytrzymały i trwały także pod wodą.

3. Podział cementów powszechnego użytku.

- CEM I Cement portlandzki

- CEM II Cement portlandzki wieloskładnikowy

- cement portlandzki żużlowy

- cement portlandzki krzemionkowy

- cement portlandzki pucolanowy

- cement portlandzki popiołowy

- cement portlandzki łupkowy

- cement portlandzki wapienny

- cement portlandzki wieloskładnikowy

- CEM III Cement hutniczy

- CEM IV Cement pucolanowy

- CEM V Cement wieloskładnikowy

4. Klasyfikacja betonów.

Podział betonów:

- ze względu na gęstość objętościową (pozorną) ρ_o

Beton lekki ρ_o < 2000 kg/m²

Beton zwykły ρ_o ≥ 2000 kg/m²

Beton cieżki ρ_o > 2600 kg/m²

- ze względu na przeznaczenie konstrukcji

Beton konstrukcyjny

Beton konstrukcyjny - izolacyjny

Beton izolacyjny

Beton architektoniczny

- ze względu na technologiczne warunki pracy

Beton hydrotechniczny

Beton żaroodporny

Beton wodoszczelny

-ze względu na miejsce urabiania mieszanki

Beton wykonywany na placu budowy

Beton towarowy

- ze względu na klasy wytrzymałości

- ze względu na rodzaj użytego kruszywa

- ze względu na rodzaj domieszki

- ze względu na główną cechę technologiczną

- ze względu na sposób zagęszczenia

- ze względu na sposób transportu

- ze względu na strukturę

5. Hydratacja cementu - kolejne etapy dojrzewania zaczynu cementowego (rysunki)

Uwodnienie - ogół procesów fizycznych i chemicznych (obejmujący rozpuszczanie, reakcje hydratacji i hydrolizy) przebiegający na skutek łączenia wody z cementem z utworzeniem produktów reakcji. Niezbędna ilość wody do pełnej hydratacji cementu waha się od 20 do 25% jego masy.

Natychmiast po dodaniu wody do cementu i pozostałych składników, mieszanka betonowa zaczyna twardnieć. Wszystkie cementy posiadają właściwości hydrauliczne, co oznacza, że wiążą i twardnieją pod wpływem wody i w wodzie. Dzięki reakcji chemicznej zachodzącej przy udziale wody powstają między innymi z ziaren cementu uwodnione krzemiany i glinokrzemiany wapnia, traktowane ogólnie przez literaturę fachową jako fazy C-S-H, które zapewniają połączenie wszystkich składników. Produktów hydratacji cementu, w zależności od jego rodzaju powstaje znacznie więcej. Niemniej jednak główną fazą modelującą cechy zarówno wytrzymałościowe jak i wpływającą na trwałość betonu jest bezsprzecznie faza C-S-H.

Produkty hydratacji cementu wchodzą w reakcję fizyko-chemiczną z pozostałymi składnikami mieszanki betonowej tworząc zwięzłą całość. Postępujący proces hydratacji cementu jest procesem egzotermicznym - oznacza to iż podczas hydratacji wydzielane jest ciepło.

Etapy dojrzewania zaczynu cementowego

Na procesy wiązania i twardnienia składają się:

- rozpuszczanie się niektórych minerałów w wodzie

- reakcja chemiczna minerałów z wodą (hydroliza)

- chemiczne połączenie wody przez minerał zwane uwodnieniem lub hydratacją

Wyżej wymienione procesy zwane są hydratacją.

Możemy wyróżnić 4 etapy:

- etap I - od wymieszania do początku wiązania - wstępne dojrzewanie, pojawia się CSH (żel), Ca(OH)2, przedział indukcyjny pierwsze 10 min

- etap II - od początku do końca wiązania cementu, mamy do czynienia ze strukturą glinianową, koniec wiązania - dochodzi do mostkowania - łączą się kryształy etryngitu

- etap III - tężenie i nabieranie wytrzymałości mechanicznej

pierwsze gliniany trójwapniowe potem krzemiany trójwapniowe C3S (allit), tworzą się nam żel oraz portlantyd, przy hydratacji allitu kryształów jest więcej nawet o ok. 200%, pojawiają się pory żelowe - pustki wypełnione w procesie hydratacji, zajmują ok. 28% objętości

- etap IV - okres po 28 dniach twardnienia - istotną rolę odgrywa tutaj skład cementu

Stopnień hydratacji cementu

- miarą ilości zhydratyzowanego cementu jest stopień hydratacji cementu h

- po 28 dniach H2O wnika do ziaren cementu portlandzkiego na głębokość 4 do 5 mikrometrów, po roku do 8, max po wielu latach do 12

- stopień hydratacji osiąga wartość 50 do 60%, a w szczególnych przypadkach do 70%

Ciepło hydratacji

- zależy od rodzaju cementu

- jego wydzielanie trwa do momentu zakończenia hydratacji cementu

- największe znaczenie ma ciepło wydzielane w okresie pierwszych kilku, killkudziesięciu godzin, wpływa ono bowiem na przyspieszenie procesu wiązania

- może być groźne zwłaszcza w konstrukcjach masywnych (jeżeli mamy różnicę temp. to ciało zmienia swoje rozmiary)

- proces hydratacji sięga w głąb ziarna cementu tylko do pewnej głębokości

6. Wpływ wielkości ziaren cementu na procesy hydratacji, stopień hydratacji.

7. Procesom hydratacji towarzyszy wydzielanie ciepła. Cementy portlandzkie wysokich klas w porównaniu z cementami zawierającymi dodatki, wydzielają znacznie większe ilości ciepła. W przypadku wznoszenia dużych masywów betonowych należy stosować cementy o niskim cieple hydratacji, by nie dopuścić do powstania naprężeń termicznych prowadzących do powstania rys i mikrospękań. W warunkach obniżonej temperatury, zdolność do samonagrzewania betonu jest bardzo pożądana, gdyż prowadzi do znacznego przyspieszenia procesu wzrostu jego wytrzymałości. Natomiast stosowanie cementów o niskim cieple hydratacji w temperaturach poniżej +5°C prowadzi do bardzo wyraźnego spowolnienia procesów hydratacji, a w efekcie do niskiej dynamiki narastania wytrzymałości betonu.

8.Gestość jamistość szczelność - metody badania

gęstość (samych ziaren, z wyłączeniem porów) - około 2500 [kg/m³], nie wykazująca większych różnic dla poszczególnych kruszyw

q=m/Va

m - masa suchej sproszkowanej próbki [g]
v_a - objętość próbki bez porów [cm³]

2.      gęstość objętościowa ziaren, uwzględniająca porowatość ziaren - bardziej zróżnicowana, zależna też od metody wytwarzania kruszywa, wynosi średnio  850 - 1600 [kg/m³]. Ziarna

większe mają z reguły strukturę bardziej porowatą i mniejszą gęstość objętościową niż ziarna drobne

q=m/v

m - masa próbki [g]
v - objętość próbki [cm³]

3.      gęstość objętościowa całego kruszywa, czyli gęstość nasypowa, uwzględniająca porowatość wewnętrzną ziaren oraz pustki między nimi - jest najbardziej zróżnicowana, zależy od gęstości objętościowej ziaren (frakcji kruszywa), w przybliżeniu jest równa połowie gęstości objętościowej ziaren.

Szczelność ziarn kruszywa jest to stosunek gęstości objętościowej do ich gęstości. Im mniejsze ziarna tym większa szczelność.

S=q0/q

q0- gęstość objętościowa ziarn [g/cm³]

 -q- gęstość ziarn [g/cm³]

Jamistość jest to procentowa zawartość wolnych przestrzeni między ziarnami kruszywa. Dużą jamistością odznaczają się kruszywa o ziarnach z grupy III ze względu na ich nieregularną budowę.

J=(1-(qn/q0)*100 [%]

-qn- gęstość nasypowa kruszywa [kg/m³]
-q0- gęstość objętościowa kruszywa [kg/m³]

9.Krzywa uziarnienia

Punkty charakterystyczne:

- 0,0063mm zawartość pyłów. Pyły mogą być luźle lub oblepiające zaiarna kruszywa grubego (kruszywo zaglinione) albo w postaci grudek gliny. Najgorsze jest kruszywo zaglinione, gdzie pyły ograniczają kontakt cementu z kruszywem, co powoduje spadek wytrzymałości betonu. Grudki gliny działają podobnie jak pęcherze powietrzne. Luźne pyły mogą być korzystne dla betonów z małą ilością cementu.

- 0,125mm zawartość frakcji najdrobniejszych frakcje te decydują o urabialności mieszanki betonowej. Przy małej ilości frakcji najdrobniejszych zaczyn wycieka z betonu oraz na powierzchniach mogą się tworzyć złuszczenia powierzchni.

-2mm punkt piaskowy. Dla betonów zaleca się PP 33%. Ważna jest stałość uziarnienia kruszywa. Przy dużych wahaniach PP występują duże rozrzuty wytrzymałości betonu (wodożądność piasku)

Im grubsze kruszywo tym większy wskaźnik uziarnienia.

10. Różnica między wodożądnością, nasiąkliwością i wilgotnością kruszywa

Wodożądność kruszywa określa ilość wody jaką należy dodać do 1kg suchego kruszywa, aby mieszanka betonowa z tym kruszywem uzyskała założoną konsystencję. Zależy od: kształtu, chropowatości i wielkości ziaren, proporcji w stosie oraz wymaganej konsystencji.

Nasiąkliwość to zdolność wchłaniania wody. Określana jest w % masy jako stosunek masy wody, jaką może wchłonąć dane kruszywo, do masy suchego kruszywa.

Wilgotność kruszywa to procentowa zawartość wody w kruszywie.

11. Urabialność a konsystencja mieszanki betonowej. Na co wpływa urabialność mieszanki i jak ją poprawić?

Konsystencja to stan ciekłości świeżo zarobionego zaczynu. Określa się ja jedną z 4 metod:

I stożek opadowy

II Vebe

III oznaczenia stopnia zagęszczalności

IV stolik rozpływowy

Urabialność to zdolność do wypełniania formy jednolitą mieszanką. Oceniamy ją po:

- długości czasu zagęszczania

- równej powierzchni

- dokładności otulenia zbrojenia.

Można ja poprawić poprzez:

- zwiększenie ilości zaczynu lub zaczynu,

- zmianę kruszywa

- dodanie cementu i ziaren do 0,125mm

- domieszki i upłynniacze.

12. Ograniczenia metod badania konsystencji mieszanki betonowej.

I Stożek opadowy: stosujemy do najpłynniejszych mieszanek, wysokość stożka wynosi 300mm, średnica dolna 200mm, górna 100mm, jej wyniki bierzemy pod uwagę gdy mieszczą się w przedziale 10-200mm

II Vebe: mieszanki mniej płynne, czas rozpłynięcia się mieszanki na drgającym stoliku 5-30s, forma jak do stożka opadowego

III Oznaczenia stopnia zagęszczalności: napełniony pojemnik (bez ubijania) zagęszczamy na stoliku wibracyjnym, wynik liczymy ze wzoru:

C=h/(h-s)

h - wysokość początkowa mieszanki w pojemniku

s - różnica poziomów wysokości mieszanki

wyniki muszą mieścić się w przedziale 1,04 do 1,46

IV Stolik rozpływowy: mieszanki najmniej płynne, pojemnik napełniany w 2 warstwach, po 15 uderzeniach stolika rozpływ w granicach 340-600mm, mieszanka się nie rozsegregowuje

13. Wytrzymałość średnia, charakterystyczna i gwarantowana - zależności.

Wytrzymałość gwarantowana betonu - wytrzymałość betonu na ściskanie

oznaczona na kostkach sześciennych o krawędzi 15 cm, gwarantowana

przez producenta zgodnie z PN-88/B-06250

Wytrzymałość średnia - średnia arytmetyczna wytrzymałości na ściskanie badanych próbek, (sześciennych o boku 15cm lub walcowych o średnicy 15cm i wysokości 30cm)

Wytrzymałość charakterystyczna - 5% kwantyl

rozkładu statystycznego wytrzymałości betonu na ściskanie,

oznaczonej na walcach o średnicy 15 cm i wysokości 30 cm

14 Wzór Bolomeya Fereta

fcm=A(C/W-a) po podstawieniu <dla C/W <2,5 fcm=A1(C/W-0,5) <dla C/W>=2,5 fcm=A2(C/W+0,5) fcm- wytrzymałość normowa na ściskanie, czyli po 28 dniach; C/W-współczynnik cementowo wodny; A-współczynnik zależny od wytrzymałości cementu i rodzaju kruszywa; a-współczynnik zależny od jakości cementu.

Wzór jet aktualny tylko dla: *próbek dojrzewających w warunkach laboratoryjnych *betonów nie zawierających dodatków przy C/W=od 1,2 do 3,2. * porowatości mieszanki betonowej przy zagęszczeniu<=2% *zastosowanego kruszywa skalnego *betonów nie podlegających żadnej dodatkowej obróbce technologicznej. Wzór Fereta(wytrzymałościowy) fc28=A(C/(W+P)-a); P- objętość porów w mieszance betonowej po zagęszczeniu w dm3/m3 mieszanki. Wzór fereta był podstawą do wzoru Bolomeya.

15.OCENA ZGODNOSCI BETONU: KRYTERIA
badanie techniczne betonu:
-badanie wytrzymałości na ściskanie,
-badanie skurczu,
-badanie modułu spreżystości E,
-badanie pełzania,
-badanie wodoszczelnosci
-badanie nasiąkliwości
KRYTERIA:
a)wytrzymałsc na ściskanie-ocenę zgodności należy przeprowadzic na podstawie wyników badań uzyskanych podczas okresu oceny, który nie powinien przekroczyc ostatnich 12 miesiecy produkcji. Zgodnośc wytrzymałości betonu na ściskanie ocienia się na próbkach badanych w 28 dniu dojrzewania dla:
- zbioru „n” pokrywających się lub nie pokrywajacych kolejnych wyników badan fcm
- każdego pojedynczego wyniku badania fci
b)wytrzymałość na rozciąganie przy rozłupywaniu- gdy wytrzymałość betonu na rozciąganie przy rozłupywaniu jest wyspecyfikowana, ocenę zgodności należy przeprowadzic na podstawie wyników badań uzyskanych w okresie oceny zgodnosci, którynie powinien przekraczac ostatnich 12 miesiecy.
Zgodnośc wytrzymałości betonu na rozciaganie przy rozłupywaniu ocenia się na probkach badanych w 28 dniu dojerzewania chyba ze okreslono inny wiek badania dla:
-zbioru”n” niepokrywajacych się lub pokrywajacyhc się kolejnych wynikow ftm
-kazdego pojedynczego wyniku badania fti
c)właściwości inne niż wytrzymałość:
gdy są wyspecyfikowane inne niż wytrzymałść właściwosci betonu, ocenę ich zgodności należy przeprowadzic na podstawie produkcji bieżącej w okresie oceny , który nie powiniene przektoczyc 12 miesiecy
Zgodność jest potwierdzona gdy:
-liczba wyników badań spoza określonych wartości granicznych, granic klas lub tolerancji dla złożonej wartości, nie jest większa niż liczba kwalifikująca podana w normie
-wszystkie pojedyncze wyniki badania zawierają się w granicach maksymalnych dopuszczalnych odchyleń podanych w tablicach w normie,

16. DOMIESZKI CHEMICZNE
Domieszki chemiczne stosuje się w celu polepszenia właściwości mieszanki betonowej i stwardniałego betonu. Substancje te dozowane są w ilościach nie przekraczających 0,2-5,0% masy cementu.

Istnieje wiele domieszek chemicznych - do najważniejszych należą:
• domieszki uplastyczniające,
• domieszki napowietrzające,
• domieszki przyspieszające lub opóźniające wiązanie i twardnienie,
• domieszki uszczelniające.

Domieszki uplastyczniające

Działanie domieszek uplastyczniających można porównać z utworzeniem się śliskiej otoczki na ziarnach kruszywa i cementu. Otoczki te, zmniejszając tarcie, ułatwiają przemieszczanie się ziaren powodując w efekcie zwiększenie ciekłości mieszanki betonowej.

Zalety stosowania domieszek uplastyczniających:
• zwiększenie ciekłości (konsystencja może się zmienić nawet o dwie jednostki)
• ograniczenie ilości wody przy stałej konsystencji - obniżenie w/c, czyli zwiększenie wytrzymałości lub zmniejszenie zużycia cementu

Domieszki napowietrzające
Wprowadzenie domieszek napowietrzających powoduje zmianę struktury betonu przez co uzyskuje się znaczną poprawę mrozoodporności.

W masie betonu powstają równomiernie rozłożone niewielkie pęcherzyki powietrza, które „przerywają” pory kapilarne (patrz struktura zaczynu cementowego). Woda zamarzając w kapilarach zwiększa swoją objętość, a powstający lód zamiast rozsadzać beton wciska się w powstałe pory powietrzne.
Domieszki uszczelniające
Domieszki uszczelniające stosuje się w celu poprawy wodoszczelności i zmniejszenia nasiąkliwości betonu. Prowadzi to do znacznego zwiększenia trwałości betonu.

Aby zrozumieć istotę działania domieszek uszczelniających należy pamiętać o istnieniu porów (kapilar)
w zaczynie cementowym (patrz struktura zaczynu). Pory kapilarne tworzą „sieć mikrokanalików”, którymi woda lub czynniki agresywne wnikają w beton. Wyższą szczelność betonu wynikającą z działania domieszek chemicznych można uzyskać kilkoma sposobami:
• wypełnienie porów przez pyły mineralne,
• wprowadzenie substancji reagujących z Ca(OH)₂ (produkt hydratacji cementu), w wyniku, którego powstają trudno rozpuszczalne związki chemiczne wypełniające pory,
• zmniejszenie zwilżalności - hydrofobizacja - utrudniona penetracja czynników agresywnych,
• zmniejszenie ilości wody zarobowej - korzystne obniżenie wskaźnika w/c.

17.Metody projektowania.
Metody obliczeniowe charatkeryzują się głównie tym ,że oblicza się poszukane niewiadome wrtości C,K,W przez rozwiązanie układu trzech równań określajacyh właściwości technologiczne betonu.

RÓWNANIE WYTRZYMAŁOŚCI:
fcm=A₁(C/W -+0,5) dla c/w <2,5 to minus >plus
RÓWNANIE SZCZELNOŚCI
C/p_c+K/p_k+W=1000
RÓWNANIE WODOŻĄDNOŚCI
W=C x w_c+P x w_p+k x w_k
Betody doświadczalne opierają się głównie na ustaleniu mieszanki na drodze badań laboratoryjnych
a) z grupy 3 równan
-metona trzech równań ( B.Bukowski, T. Klucza)
-jednostoponiowego otulenia ( W. Paszkowskiego)
-jednostopniowego przepełniena(B. Kopcińskiego)
b)z grupy 4 równań
-punktu piaskowego
-dwustopniowego otulenia
-dustopniowego przepełnienia
c)z grupy doświadczalnej
-znanego zaczynu
-metody iteriacji
-zaczynużądności
d)z grupy szczególnych beton
-z grafików opracowanych przez T. Kluza
z tablic podających przybliżone wartości
PROJEKTOWANIE BETONÓW
a)betony niskiej wytrzymałości:
-wykonane z kruszywa naturalnego o wielkości ziaren do 32 mm,
-stosowac tylko cement klasy 32,5
-wysztkie współczynniki i wskazniki z literatury
-projektowac sład metodą doświadczalna
-wykonac z domieszka napowietrzająca
b)betony średniej klasy
-wyk. Z piasku naturalnego i kruszywa grubego
-cement klasy 32,5 i 42,5
-skłąd projektowac o przyjety z góry wskaznik C/W
-wykonywac z domieszka upłynniająca
-składniki dozować wagowo
c)betony wysokiej klasy
-wyk. Tylko z kruszywa łamanego klasy 50 z ziarnami do 16 mm i piaskem
-wyk tylko z domieszkami uplunniającymi
-projektowac skład z góry ustalona ilościa cementu,

18. WYJAŚNIC RÓWNANIA PROJEKTOWANA BETONOW
1. równanie bolonney'a
fcm=Ai(C/W -+ 0,5)
2 równianie ciekłości
W=C x w_c +K x w_k
3. równanie szczelości
C/p_c + K/p_k + W = 1000

---