UNIWERSYTET ZIELONOGÓRSKI
WYDZIAŁ INŻYNIERII LĄDOWEJ I ŚRODOWISKA
INSTYTUT BUDOWNICTWA
CHEMIA
Ćwiczenia laboratoryjne
Ćwiczenie nr 5
TEMAT: CEMENT PORTLANDZKI - OZNACZENIE SKŁADU FAZOWEGO CEMENTU NA PODSTAWIE ANALIZY CHEMICZNEJ.
GRUPA LABOLATORYJNA 10
PODGRUPA B
ZESPÓŁ 29
Maciej Boguś
Marcin Dobucki
ROK AKADEMICKI 2005/06
SPIS TREŚCI:
I. CZĘŚĆ OGÓLNA
CZĘŚĆ OGÓLNA
Przedmiot badania - cement portlandzki CEM I
Zadanie do wykonania:
Oznaczenie zawartości podstawowych 4 tlenków cementu portlandzkiego.
Obliczenie składu fazowego na podstawie wykonanej analizy chemicznej.
Cel ćwiczenia:
Poznanie składu chemicznego (tlenkowego) cementu.
Poznanie składu fazowego cementu i jego wpływ na kształtowanie się podstawowych właściwości technicznych cementu takich jak: wytrzymałość mechaniczna, ciepło uwodnienia, odporność na korozje itp.
Poznanie podstawowych rodzajów cementu portlandzkiego.
CZĘŚĆ TEORETYCZNA
Podstawowe definicje, nazwy i określenia dotyczące cementu portlandzkiego wg normy PN-B-9701.
PUCOLANA: materiały naturalne lub przemysłowe, odpowiednio przygotowane, krzemionkowe lub glinokrzemianowe, lub mieszanina obydwu, składające się głównie z reaktywowanego dwutlenku krzemu i tlenku glinu, a także tlenków żelaza i innych metali.
POPIÓŁ LOTNY: materiał otrzymywany przez elektrostatyczne lub mechaniczne osadzanie pylistych cząstek spalin z palenisk opalanych pyłem węglowym.
WAPIEŃ: skała pochodzenia osadowego, składająca się głównie z węglanu wapnia, a także krzemionki, tlenku glinu, tlenku żelaza i domieszek.
PYŁ KRZEMIONKOWY: materiał pylisty składający się z bardzo drobnych kulistych cząstek o dużej zawartości krzemionki bezpostaciowej.
SIARCZAN (VI) WAPNIA: materiał dodawany w małych ilościach do składników cementu podczas jego wytwarzania w celu regulacji czasu wiązania.
DODATKI: składniki stosowane w celu ulepszenia wytwarzania lub właściwości cementu, np. wspomagające mielenie.
WYTRZYMAŁOŚĆ NORMOWA: wytrzymałość znormalizowanej zaprawy na ściskanie, oznaczana po 28 dniach twardnienia.
WYTRZYMAŁOŚĆ WCZESNA: wytrzymałość znormalizowanej zaprawy na ściskanie, oznaczana po dwóch lub siedmiu dniach twardnienia.
Podstawowe wiadomości z zakresu technologii produkcji cementu portlandzkiego.
Surowce stosowane do produkcji klinkieru.
Surowce do produkcji cementu to kopaliny naturalne, takie
jak: wapień, wapień marglisty, margiel, glina. Są one pozyskiwane w zakładowych kopalniach odkrywkowych. Do korekcji składu surowcowego wykorzystuje się: łupek, pucolany, surowce żelazonośne, piasek. Przygotowanie zestawu surowcowego do pieca cementowego jest jedną z ważniejszych operacji w całym procesie technologicznym produkcji cementu. Utrzymanie zadanego stałego składu mąki surowcowej przygotowywanej do wypału w piecu jest podstawą otrzymania dobrego półproduktu - klinkieru cementowego. Surowiec dostarczany z kopalni jest kruszony i wstępnie uśredniany. Do przemiału na mąkę składniki dozowane są w ściśle określonych proporcjach
Metody produkcji, podstawowe procesy technologiczne.
Podstawowa i najbardziej energochłonna część procesu produkcji cementu przebiega w piecu cementowym, w której podczas wielu reakcji i przemian fazowych otrzymywany jest klinkier cementowy. Aby można było przekształcić zestaw surowcowy w klinkier, przygotowany zestaw surowcowy jest w instalacji piecowej, podgrzewany, suszony, następuje rozkład surowców a następnie podczas przemian fizykochemicznych tworzą się minerały klinkierowe. W strefie spiekania pieca cementowego temperatura materiału osiąga wartość 1450oC. Materiał w strefie wysokich temperatur (powyżej 800oC) przebywa w zależności od konstrukcji pieca około 30 minut. Najwyższe temperatury podczas procesu wypału klinkieru sięgają blisko 2000oC - jest to temperatura płomienia i gazów w strefie spiekania, które przebywają w tej strefie ok. 10 sekund. Klinkier cementowy wychodzący z pieca ma temperaturę od około 900oC do około 1300oC, Jest on następnie schładzany i po opuszczeniu chłodnika ma temperaturę około 100oC. Gorące gazy z chłodnika klinkieru wykorzystywane są przy przemiale w młynach węgla.
Operacją, która prowadzi do uzyskania końcowego produktu jest mielenie. Młyny, w których odbywa się przemiał w to przeważnie młyny kulowe. Większość układów przemiałowych stosowanych zakładach cementowych pracuje w tzw. układach zamkniętych, z wykorzystaniem separatorów mechanicznych lub wysokiej sprawności separatorów cyklonowych. Osiąga się dzięki temu większą stabilność przemiału a zatem stabilność jakości produktu. Do operacji przemiału zużywa się najwięcej energii elektrycznej z pośród wszystkich operacji jednostkowych w całym procesie produkcji cementu.
W produkcji czystego cementu portlandzkiego do przemiału klinkieru dodawany jest gips pełniący rolę regulatora czasu wiązania cementu. Do cementów z dodatkami można stosować dodatki w ilościach od 5% do 80 %. Uzyskuje się dzięki temu asortyment cementów różniących się właściwościami w zależności od ich przeznaczenia. Tylko kilka rodzajów cementu wymaga przy produkcji specjalnych klinkierów cementowych.
Skład klinkieru (przeciętny).
tlenkowy:
- CaO - 62-68 %;
- SiO2 - 18-25 %;
- Al2O3 - 4-16 %;
- Fe2O3 - 4-10 %;
- MgO - 0,5-6 %.
fazowy:
Rodzaj fazy |
Budowa fazy |
Nazwa i symbol fazy |
|
|
Krystaliczna |
Izotropowa |
|
Faza krzemianowa |
3CaO·SiO2 Krzemian trójwapniowy |
- |
ALIT (C3S) 50 ÷ 65% |
|
2CaO·SiO2 Krzemian dwuwapniowy |
- |
BELIT (C2S) 15 ÷ 20% |
Faza glinianowa |
3CaO·Al2O3 Glinian trójwapniowy |
Szkło glinianowe |
C3A 10 ÷16% |
Faza ferrytowa (glinianożelazianowa) |
Krystaliczny rozwój ferrytowy (glinożelazianowy) |
Szkło ferrytowe (glinożelazianowe) |
C4(AF) 4 ÷10% |
Fazy drugorzędne |
- wolne wapno CaO - perykla MgO - popiół krystaliczny |
Popiół zeszklony |
- |
Rodzaje, skład i symbol cementu.
Sposób budowania symbolu cementu.
Symbole od CEM I do CEM IV Oznaczają 4 główne grupy cementów. Litery A i B są przypisane różnym zakresom zawartości składników głównych. Kolejne litery, czyli K, S, D, P, Q, V, W, L oznaczają jakie składniki główne zostały dodane do danego cementu.
Rodzaje i skład cementu wg normy PN-B-19701
CZĘŚĆ DOŚWIADCZALNA
Oznaczenie składu chemicznego cementu.
Oznaczenie tlenku krzemu.
a) zasady oznaczania danego składnika.
b) krótki opis oznaczenia
c) dane doświadczalne i obliczenia.
masa pobranej próbki: 1,004 g
masa osadu: ≈0,26 g
Oznaczenie tlenku żelazowego i glinowego.
Oznaczenie tlenku żelazowego.
a) zasady oznaczania danego składnika - polega na miareczkowaniu EDTA jonów żelazowych przy pH=1,5 wobec kwasu salicylowego jako wskaźnika pkm.
b) krótki opis oznaczenia
- odmierzyć 25 ml roztworu badanego;
- rozcieńczyć go do ok. 50 ml;
- dodać 3-5 kropel błękitu bronofenolowego;
- kroplami dodać wody amoniakalnej do pierwszego trwałego niebieskiego zabarwienia roztworu;
- dodać 5 ml 0,1 molowego roztworu HCl;
- dodać 5 ml roztworu buforowego o pH=1,5;
- dodać 3-5 kropli kwasy salicylowego (wskaźnik pkm)
- próbkę podgrzać do temp. 40-50°C i miareczkować EDTA do zmiany barwy.
c) obliczenie miana EDTA.
1dm3 w roz. EDTA 0,05 m - 0,05 m EDTA
1cm3 w roz. EDTA 0,05 m - 0,00005/2 mola Fe2O3
masa atomowa Fe = 55,85 u
masa atomowa O = 16,00 u
1 mol Fe2O3 = 159,7 g
0,00005/2 m = x = K1 K1=0,003993g
d) dane doświadczalne i obliczenia.
m - masa próbki wziętej do badania (1,004 g);
- średni wynik miareczkowania (0,75);
W - współczynnik przeliczeniowy (10);
- miano EDTA.
Oznaczenie tlenku glinowego.
a) zasada oznaczania danego składnika - polega na miareczkowaniu EDTA jonów glinu przy ph=3,2 wobec układu wskaźnikowego pkm kompleksonian miedzi i PAN
b) krótki opis oznaczenia
- do zlewki dodawać kroplami octanu amonowego do uzyskania trwałego niebieskiego koloru;
- dodać 5ml kwasu octowego;
- dodać wskaźnika pkm w postaci 5 kropel kompleksonian miedzi i 10-15 kropel odczynnika PAN,
- roztwór podgrzać do wrzenia, powinien uzyskać barwę różową;
- miareczkować EDTA.
c) obliczenie miana EDTA.
1dm3 w roz. EDTA 0,05 m - 0,05 m EDTA
1cm3 w roz. EDTA 0,05 m - 0,00005/2 mola Al2O3
masa atomowa Fe = 26,98 u
masa atomowa O = 16,00 u
1 mol Al2O3 = 101,96 g
0,00005/2 m = x = K1 K1=0,002549g
d) dane doświadczalne i obliczenia.
m - masa próbki wziętej do badania (1,004 g);
- średni wynik miareczkowania (1,35);
W - współczynnik przeliczeniowy (10);
- miano EDTA.
Oznaczenie tlenku wapniowego.
a) zasady oznaczania danego składnika - polega na miareczkowaniu jonów wapnia roztworem EDTA przy pH równym 12-13 wobec kalcesu jako wskaźnika pkm
b) krótki opis oznaczenia
- odmierzyć 25ml roztworu badanego;
- próbkę rozcieńczyć do ok. 100 ml;
- dodawać KOH lub NaOH do uzyskania pH równego 4-6;
- dodać ok. 6 ml trójetanolaminy;
- dodać 15 ml 20% KOH lub NaOH;
- dodać szczyptę kalcesu;
- miareczkować EDTA.
c) obliczenie miana EDTA.
1dm3 w roz. EDTA 0,05 m - 0,05 m EDTA
1cm3 w roz. EDTA 0,05 m - 0,00005 mola CaO
masa atomowa Ca = 40.08 u
masa atomowa O = 16,00 u
1 mol Al2O3 = 56,08 g
0,00005 m = x = K1 K1=0,002804g
d) dane doświadczalne i obliczenia.
m - masa próbki wziętej do badania (1,014 g);
- średni wynik miareczkowania (18,9);
W - współczynnik przeliczeniowy (10);
- miano EDTA.
Tabelaryczne zestawienie wyników badania.
Lp. |
Składnik oznaczony |
||
|
Nazwa |
symbol |
Zawartość(%) |
1. |
Sumaryczna zawartość tlenku krzemu |
SCN |
25,9 |
2. |
Część nierozpuszczalna w cemencie |
CE |
1,15 |
3. |
Tlenek krzemu |
S |
24,75 |
4. |
Tlenek żelazowy |
F |
2,99 |
5. |
Tlenek glinu |
A |
3,43 |
6. |
Tlenek wapnia |
C |
52,78 |
7. |
Wolne wapno |
CW |
|
8. |
Bezwodnik kwasu siarkowego SO3 |
SO3 |
0,55 |
Obliczanie wartości modułów cementowych.
moduł hydrauliczny.
moduł glinowy.
moduł krzemianowy.
moduł nasycenia.
Zestawienie tabelaryczne wartości modułów.
Lp. |
Nazwa modułu |
Wartość |
1. |
moduł hydrauliczny (MH |
1,69 |
2. |
moduł glinowy (MG) |
1,15 |
3. |
moduł krzemianowy (MK) |
3,86 |
4. |
moduł nasycenia (MW) |
0,66 |
Obliczanie składu fazowego cementu.
Obliczanie zawartości alitu.
Obliczanie zawartości belitu.
Obliczanie zawartości fazy glinożelazianowej.
Obliczanie zawartości fazy glinianowej.
Tabelaryczne zestawienie obliczonego składu fazowego badanego cementu.
Lp. |
Nazwa |
Symbol |
Zawartość (%) |
1. |
Faza alitowa |
C3S |
-1,88 |
2. |
Faza belitowa |
C2S |
72,37 |
3. |
Sumaryczna zawartość faz krzemianowych |
C3S + C2S |
70,49 |
4. |
Faza glinożelazianowa |
C2(AF) |
9,09 |
5. |
Faza glinianowa |
C3A |
4,02 |
6. |
Siarczan wapnia |
SC |
1,96 |
7. |
Wolne wapno |
CW |
|
2