CEMENT (ang. Cement)

Cement - hydrauliczne spoiwo mineralne, otrzymywane przez wypalenie na klinkier i zmielenie surowców mineralnych (margiel lub wapień i glina). Stosowany jest do przygotowywania zapraw cementowych, cementowo - wapiennych i betonów. W zależności od składu klinkieru i sposobu produkcji cementy dzielimy na:

•         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.

 

Ze względu na sposób i szybkość wiązania wyróżniamy:

•         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 Sorela

 

spoiwa hydrauliczne:

•         wapno hydrauliczne bywa nazywane cementem romańskim.

Proces produkcji i skład chemiczny tych materiałów różni się od pozostałych cementów.

Spoiwo mineralne - materiał wiążący otrzymany przez wypalenie i zmielenie surowców mineralnych (najczęściej skał osadowych). W materiałach tych, po dodaniu wody, zachodzą reakcje chemiczne, w wyniku których następuje proces wiązania i twardnienia. Spoiwa mineralne dzielimy na hydrauliczne i powietrzne ze względu na sposób ich zachowania się w środowisku wodnym podczas twardnienia.

•          spoiwa powietrzne - twardnieją (uzyskują odpowiednią wytrzymałość mechaniczną) tylko na powietrzu:

•         wapno

•         gips oraz cement anhydrytowy (tzw. cement Keena),

•         spoiwo magnezjowe (tzw. cement Sorela),

•         spoiwo krzemianowe ze szkłem wodnym, otrzymywane przez zmieszanie szkła wodnego (roztwór krzemianów sodowych lub potasowych otrzymywany przez stopienie piasku z węglanem sodowym lub potasowym i rozpuszczenie stopu w wodzie pod ciśnieniem) z wypełniaczem mineralnym o uziarnieniu do 0,2 mm. Jako wypełniacza używa się np. mączki kwarcowej. Obecnie raczej nie używane;

•          spoiwa hydrauliczne - twardnieją na powietrzu i pod wodą:

•          cementy,

•          wapno hydrauliczne (cement romański).

Spoiwa powietrzne są najstarszymi spoiwami używanymi w budownictwie. Pierwsze zastosowanie gipsu stwierdzono w starożytnym Egipcie (łączenie bloków kamiennych w grobowcach, łączenia rur i wyprawiania ścian) ok. 2600 p.n.e.

Tak wczesne zastosowanie gipsu wynika z łatwości wypalenia i przemiału tego surowca. Gips znali także w Mezopotamii - i stosowali do budowy podłóg w domach, starożytni Grecy, Rzymianie i Hindusi. Ponowne odkrycie gipsu nastąpiło w Europie w IV w. w Anglii i Francji.

W Polsce pierwsze znane ślady stosowania gipsu pochodzą z XI w. (rotunda na Wawelu i kościół przedromański w Wiślicy).

Zastosowanie wapna wiąże się z zastosowanie w budownictwie cegły. Najstarsze znane ślady pochodzą z Babilonii z ok. 600 r. p.n.e. Z okresu II-III w. p.n.e. zachowały się opisy receptur produkcji wapna palonego i przygotowania zapraw wapiennych. W Polsce pierwsze ślady użycia zaprawy wapiennej znaleziono na rotundzie na Wawelu.

Spoiwa hydrauliczne znano najprawdopodobniej w starożytnym Rzymie (niektóre pucolany wulkaniczne mają cechy cementu). Po upadku Rzymu przez dłuższy okres czasu nie podejmowano prób stosowania innych spoiw niż wapno i gips. Historia spoiw hydraulicznych rozpoczęła się w XVIII w. od prób zastosowania do wapna hydraulicznych (wodotrwałych) dodatków takich jak glina, tufy wulkaniczne, pucolany. W wyniku szeregu prób, w Anglii w 1796 r. uruchomiono pierwszą wytwórnię wapna hydraulicznego nazywanego cementem romańskim.

Są też inne materiały używane do łączenia elementów budowlanych (np. glina, asfalt ponaftowy). Jednak z uwagi na to, że nie zachodzą w nich reakcje chemiczne podczas łączenia elementów, nie nazywa się ich spoiwami ale lepiszczami.

Cement portlandzki - najczęściej stosowany, szary, sypki materiał, otrzymywany ze zmielenia klinkieru z gipsem i dodatkami hydraulicznymi. Wynalezienie cementu portlandzkiego przypisywane jest Anglikowi Josephowi Aspenowi, który w 1824 roku uzyskał patent na jego wyrób. Nazwa pochodzi od koloru otrzymanego cementu, który przypominał wynalazcy kolor skał w Portland. Klinkier cementowy otrzymuje się przez wypalenie w temperaturze + 1450°C mieszaniny zmielonych surowców zawierających wapień i glinokrzemiany. Podstawowe składniki klinkieru to:

•         krzemian trójwapniowy - alit (50-65% masy klinkieru) - 3CaO·SiO₂

•         krzemian dwuwapniowy - belit (ok. 20% masy klinkieru) - 2CaO·SiO₂

•         czterowapniowy związek tlenku glinu i tlenku żelaza (ok. 10% masy klinkieru) - 4CaO·Al₂O₃·Fe₂O₃

•         glinian trójwapniowy (ok. 10% masy klinkieru) - 3CaO·Al₂O₃

•         inne związki glinu, wapnia, magnezu oraz gips.

W procesie wiązania powstają związki, które ulegając krystalizacji tworząc zwartą, twardą masę. Sam proces wiązania to reakcje chemiczne, z których dwie, najważniejsze to:

3CaO·SiO₂ + 4,5H₂O → CaO·SiO₂·2,5H₂O

3CaO·Al₂ O₃ + 12H₂O = 3CaO·Al₂ O₃·12H₂ O

 

Wapień - to skała osadowa (chemiczna lub organogeniczna) zbudowana głównie z kalcytu.

Kalcyt o wzorze chemicznym CaCO₃ (węglan wapnia) to bardzo rozpowszechniony minerał skałotwórczy. Kryształy kalcytu przybierają bardzo różne postacie i są elementem wielu różnych skał. W czystych kryształach kalcytu (irlandzki szpat) można zaobserwować zjawisko podwójnego załamania światła.

Produkowane cementy różnią się między sobą markami, tj. wytrzymałością mechaniczną określaną na normowych próbkach oraz tempem przyrostu wytrzymałości w czasie. Marka -jest to wytrzymałość cementu na ściskanie które sprawdza się po 28 dniach Rozróżnia się marki cementów portlandzkich : 25,30,35,45,50,55,60. Liczba określająca markę cementu informuje o minimalnej jego wytrzymałości na ściskanie.

Do grupy cementów portlandzkich należy także cement portlandzki biały, otrzymywany z czystych (bez domieszek związków żelaza) surowców oraz cement murarski i cement portlandzki szybko twardniejący.

Cement hutniczy - otrzymywany jest z klinkieru portlandzkiego, kamienia gipsowego i żużla wielkopiecowego. Jest on bardziej odporny na działanie siarczanów niż cement portlandzki, stosuje się go w miejscach o niewielkiej agresywności wody. Ma wolniejszy niż cement portlandzki przyrost wytrzymałości w czasie.

Cement glinowy - otrzymywany przez zmielenie boksytu z wapieniem, stopienie i ponowne zmielenie mieszanki. Cechuje go szybki przyrost wytrzymałości w pierwszych dniach po użyciu, podwyższona odporność na działanie wyższych temperatur. Z uwagi na znaczne (wyższe niż dla cementu portlandzkiego) ciepło hydratacji (wydzielanie ciepła podczas reakcji wiązania) można stosować go podczas betonowania zimą (przy temperaturze do -10^oC) bez specjalnych zabezpieczeń.

Cement pucolanowy - cement otrzymywany z klinkieru portlandzkiego, pucolany i siarczanu wapnia; najczęściej jest to: klinkier portlandzki, popiół lotny (popiół będący odpadem przy spalaniu węgla w elekrowniach) i gips. Cement pucolanowy posiada własności podobne do cementu hutniczego, czyli niskie ciepło hydratacji i większa odporność na działanie wód agresywnych (zwłaszcza na agresję siarczanową).

Cement żużlowy - cementy żużlowe mają właściwości i zastosowanie podobne do cementu hutniczego. Do grupy cementów żużlowych należą:

•         cement żużlowy bezklinkierowy - produkowany przez zmielenie żużli wielkopiecowych z dodatkiem gipsu, anhydrytu, wypalonego w temperaturze ok. 900°C dolomitu oraz wapna hydratyzowanego. Cement żużlowy ma ciemnozielony kolor.

•         cement żużlowo-gipsowy - produkowany przez zmielenie żużli wielkopiecowych, gipsu oraz klinkieru portlandzkiego. Odznacza się większą odpornością na działanie siarczanów i wód kwaśnych. Nie wolno stosować go do betonów zbrojonych (żelbetu), ponieważ powoduje korozję stali.

 

Cement ekspansywny - to cement, który pęcznieje w okresie twardnienia. Istnieje kilka sposobów jego otrzymania: np. zmieszanie cementu portlandzkiego lub cementu glinowego z składnikiem ekspansywnym. Jest stosowany m.in. do zalewania ubytków, otworów na śruby w konstrukcjach betonowych. Dawniej stosowany do zalewania pęknięć. Dziś do tego typu napraw stosuje się gotowe, specjalne mieszanki modyfikowane polimerami.

Cement szybko twardniejący - jest to odmiana cementu portlandzkiego wysokiej wytrzymałości mechanicznej po stwardnieniu. Otrzymuje się go jak cement portlandzki, jednak dobór składników do produkcji ustala się w taki sposób, aby zawartość alitu była jak najwyższa.

Cement tamponażowy - to cement portlandzki charakteryzujący się małą szybkością wiązania w podwyższonej temperaturze. Jest stosowany w przemyśle naftowym do cementowania otworów wiertniczych.

Cement anhydrytowy (cement Keena) - jest powietrznym spoiwem mineralnym, otrzymywany ze zmielonego kamienia gipsowego z dodatkiem katalizatorów. Stosowany do wyrobu detali architektonicznych ze względu na biały kolor i łatwość polerowania powierzchni.

Spoiwo magnezjowe - materiał budowlany należący do spoiw mineralnych powietrznych. Otrzymywane jest z wapieni dolomitowych poddanych wypalaniu w temperaturze od 800^oC do 900^oC z dodatkiem chlorku lub siarczku magnezowego. W wyniku wypania otrzymywany jest tlenek magnezu MgO. Tlenek magnezu w połączeniu z rozpuszczonym w wodzie chlorkiem magnezowym MgCl₂ nazywany jest cementem Sorela (Stanisław Sorel, wynalazł spoiwo magnezowe w 1867 r.) stosowany był do wykonywania zapraw magnezjowych.

Wapno hydrauliczne (cement romański) - spoiwo hydrauliczne otrzymywane przez wypalenie margli lub wapieni marglistych, zgaszenie ich na sucho (czyli dodanie niewielkiej ilości wody) i zmielenie. Zaprawy z wapna hydraulicznego mają niską wytrzymałość mechaniczną, przez to nie należą do często używanych spoiw.

 

 

Składowanie cementu ;

Cement należy zabezpieczyć prze zawilgoceniem, opadami atmosferycznymi, zanieczyszczeniem gruntem lub pyłami , uszkodzeniem opakowań.

Cement przewozi się  w specjalnych pojemnikach  na  wagonach, ciągnikami  samochodowym  i specjalnymi cementowozami. Wyładunek cementu odbywa się pneumatycznie z zastosowaniem nadciśnienia powietrza, napowietrzania lub grawitacyjnie

Cement przechowuje się w zbiornikach  stalowych , żelbetowych, lub betonowych. Cement magazynuje się również w workach po 50 kg i składowanie odbywa się w pomieszczeniach  zabezpieczonych przed  wpływami atmosferycznymi, na płaskich stosach po 12 do 18 szt.. worków w zależności od tego ilu warstwowy jest worek, Pod wiatami  nie osłoniętymi  cement przechowuje się  do 10 dni

Cechy charakteryzujące cementu: Czas wiązania i twardnienia zapraw i betonów w których użyto dany cement wytrzymałość zapraw i betonów w których użyto dany cement Szybkość i ilość ciepła wydzielanego w czasie wiązania (w reakcji z wodą tzw. hydratacja) Odporność wykonanych elementów np. betonowych na wpływ czynników agresywnych. Zmiana objętości zaprawy lub betonu po stwardnieniu.

 

 

 

 

 

 

Skład chemiczny cementu
	Składnik	Wymagania wg PN-EN-197-1	Wyniki badań laboratorium zakładowego Cementowni Górażdże [% masy cementu]
	Siarczany (jako SO^3)	≤ 3,5	2,0
	Chlorki	≤ 0,1	0,022

 

 

	Właściwości mechaniczne i fizyczne cementu
	Właściwość	Wymagania wg PN-EN-197-1	Wyniki badań laboratorium zakładowego Cementowni Górażdże
	Wytrzymałość na ściskanie [N/mm^2 = 1MPa] po 2 dniach	≥ 10 N/mm^2	13,7 N/mm^2
	Wytrzymałość na ściskanie [N/mm^2 = 1MPa] po 28 dniach	≥ 32,5 N/mm^2 ≤ 52,5 N/mm^2	40,1 N/mm^2
	Początek czasu wiązania [minuty]	≥ 75 minut	287 minut
	Stałość objętości	≤ 10 mm	0,0 mm

 

 

Wiązanie i twardnienie cementu

Opracowane teorie utrzymują, że pierwszym etapem wiązania jest uwodnienie glinianu trójwapniowego. Jeśli cement nie zawiera substancji opóźniających, proces uwodnienia glinianu trójwapniowego jest szybki. W rezultacie następuje zesztywnienie masy cementowej. Równolegle biegnie proces uwodnienia krzemianu trójwapniowego, z tym że uwodnienie glinianu jest szybki, krzemianu zaś wolne. Po zakończeniu wiązania następuje długotrwały proces twardnienia, od którego zależą właściwości wytrzymałościowe i odpornościowe cementu. Proces ten następuje na skutek powolnych reakcji uwodnienia krzemianów wapniowych (trwających zwykle kilka miesięcy). Stwierdzono, że wytrzymałość cementu zależy głównie od krzemianu trójwapniowego osiągającego połowę swej wytrzymałości po siedmiu dniach, pełną zaś po dwunastu dniach. W mniejszym stopniu wytrzymałość cementu zależy od krzemianu dwuwapniowego krystalizującego bardzo wolno. Reakcje zachodzące podczas wiązania cementu:

1. Tworzenie soli Candlota (dodanie gipsu)

3CaO*Al₂O₃ + 3CaSO₄ + 31H₂O --> 3CaO*Al₂O₃*3CaSO₄*31H₂O

2. Hydroliza glinianu trójwapniowego

3CaO*Al₂O₃ + 6H₂O --> 3CaO*Al₂O₃*6H₂O

3. Hydroliza żelazianu czterowapniowego (celitu)

4CaO*Al₂O₃*Fe₂O₃ + (n+6)H₂O --> 3CaO*Al₂O₃*6H₂O + CaO*Fe₂O₃*nH₂O

4. Hydroliza krzemianu trójwapniowego (alitu)

3CaO*SiO₂ + (n+1)H₂O --> 2CaO*SiO₂*nH₂O + Ca(OH)₂

5. Hydroliza krzemianu dwuwapniowego (balitu)

2CaO*SiO₂ + nH₂O --> 2CaO*SiO₂*nH₂O

6. Reakcja wodorotlenku wapnia z CO₂

Ca(OH)₂ + CO₂ --> CaCO₃ + H₂O

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

Sztauowanie

(worki, palety lub bębny)

Pomieszczenia czyste i suche.

Chronić przed wilgocią i zanieczyszczeniem cukrem.

0,001% cukru powoduje zniszczenie cementu

zawilgocenie - zbrylenie

Worki sztauować poziomo, ściśle obok siebie

3-warstwowe - 12-15 warstw

5-warstwowe i więcej - 20 warstw

 

Nie przeładowywać w czasie opadów

Pakiety (24-31 worków formowanych za pomocą pasów z tworzyw sztucznych będących równocześnie zawiesiami (slingi),) ściśle sztauować , wolne przestrzenie wypełniać materiałami sztauerskimi.

 

Luzem wg kodeksu BC (KOD BC)

Wsp. Sztauerski - 0,85 - 0,99 m³/t (worki), 0,94 - 1,08 (zawiesia), 0,98-1,11 (bębny), 0,72,-0,79 (pakiety), 0,61-0,64) luzem

Przewożony również w kontenerach uniwersalnych (20' i 40' stopowe)

---