UNIWERSYTET ZIELONOGÓRSKI

UNIWERSYTET ZIELONOGÓRSKI

WYDZIAŁ INŻYNIERII LĄDOWEJ I ŚRODOWISKA

INSTYTUT BUDOWNICTWA

CHEMIA

(BUDOWLANA)

ĆWICZENIE LABORATORYJNE NR.5

Temat: CEMENT PORTLANDZKI. OZNACZENIE SKŁADU FAZOWEGO (MINERALOGICZNEGO) NA PODSTAWIE ANALIZY CHEMICZNEJ.

GRUPA LABORATORYJNA 12

PODGRUPA B

ZESPÓŁ 2

ŁUKASZ BARTOS

TOMASZ ZASADA

ROK AKADEMICKI 2004/2005

SPIS TREŚCI: STRONA:

1. Przedmiot badania................................................................................... 3

2. Zadanie do wykonania............................................................................ 3

3. Cel ćwiczenia.......................................................................................... 3

4. Podstawowe definicje, nazwy i określenia dotyczące cementu

portlandzkiego wg normy PN-B-19701: 1997....................................... 3

5. Podstawowe wiadomości z zakresu technologii produkcji cementu....... 5

6. Oznaczenie składu chemicznego cementu............................................. 8

7. Obliczenie wartości modułów cementowych........................................ 13

8. Obliczenie składu fazowego (mineralogicznego).................................. 13

PRZEDMIOT BADANIA: Cement portlandzki.

2. ZADANIE DO WYKONANIA:

2.1 Oznaczenie zawartości podstawowych 4 tlenków cementu portlandzkiego.

2.2 Obliczenie składu fazowego na podstawie dokonanej analizy chemicznej.

CEL ĆWICZENIA:

3.1 Poznanie składu chemicznego (tlenkowego) cementu.

3.2 Poznanie składu fazowego cementu i jego wpływu na kształtowanie się podstawowych właściwości technicznych cementu t.j. wytrzymałości mechanicznej, ciepłości uwodnienia, wytrzymałości na korozję.

3.3 Poznanie podstawowych rodzajów cementu portlandzkiego.

PODSTAWOWE DEFINICJE, NAZWY I OKREŚLENIA DOTYCZĄCE CEMENTU PORTLANDZKIEGO WG NORMY PN-B-19701:1997:

Cement jest materiałem ściśle znormalizowanym; skład i właściwości podane są na każdym worku w formie znormalizowanego oznaczenia. Ponadto wszystkie cementy muszą posiadać urzędowe certyfikaty, dopuszczające je do stosowania w budownictwie. Prawo budowlane wymaga poza tym prowadzenia nadzoru jakości podczas jego produkcji.

PN-B-19701 określa oznaczenia dla różnych rodzajów cementów i klas wytrzymałości. Na podstawie tych oznaczeń można dokładnie odczytać informacje na temat rodzaju cementu. Norma rozróżnia cztery główne rodzaje cementu w zależności od jego składu:

CEM I: cement portlandzki
CEM II: cement portlandzki mieszany
CEM III: cement hutniczy
CEM IV: cement pucolanowy

CEM II dzieli się ze względu na zawartość głównych składników:

klinkier cementu portlandzkiego (K)
pył krzemionkowy (D)
żużel wielkopiecowy (S)
pucolana naturalna
popiół lotny krzemionkowy (V)
popiół lotny wapienny (W)
wapień (L)

W przypadku klinkieru obok skrótu CEM II podaje się także zawartość klinkieru:

A = minimum 80% klinkieru,
B = 65% do 79 % klinkieru.

- SKŁADNIKI GŁÓWNE CEMENTU:

Minerały nieorganiczne, których udział w stosunku do sumy wszystkich składników głównych i drugorzędnych przekracza 5%.

- SKŁADNIKI DRUGORZĘDNE:

Minerały nieorganiczne, których udział w stosunku do sumy wszystkich składników głównych i drugorzędnych nie przekracza 5%.

- KLINKIER CEMENTU PORTLANDZKIEGO:

Materiał hydrauliczny, składający się głównie z krzemianów wapnia, a także zawierający glin i żelazo związane w fazach klinkieru.

- GRANULOWANY ŻUŻEL WIELKOPIECOWY:

Materiał o utajonych właściwościach hydraulicznych, tj. wykazujący właściwości hydrauliczne przez pobudzenie, składający się głównie z tlenku wapnia, tlenku magnezu i dwutlenku krzemu, a także tlenku glinu i niewielkich ilości domieszek.

- 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.

- KLASY CEMENTU:

W zależności od wytrzymałości na ściskanie, normowanej i wczesnej, rozróżnia się sześć klas cementu; symbol R jest wyróżnikiem klasy o wysokiej wytrzymałości wczesnej.

PODSTAWOWE WIADOMOŚCI Z ZAKRESU TECHNOLOGII PRODUKCJI CEMENTU PORTLANDZKIEGO.

5.1 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.

5.2 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 1450^oC. Materiał w strefie wysokich temperatur (powyżej 800^oC) przebywa w zależności od konstrukcji pieca około 30 minut. Najwyższe temperatury podczas procesu wypału klinkieru sięgają blisko 2000^oC - 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 900^oC do około 1300^oC, Jest on następnie schładzany i po opuszczeniu chłodnika ma temperaturę około 100^oC. 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.

5.3 Skład klinkieru (przeciętny).

5.3.1 Tlenkowy.

SKŁADNIK	% WAGOWY
CaO	62-68
SiO₂	18-25
Al₂O₃	4-16
Fe₂O₃	4-10
MgO	0,5-0,6
Na₂O+K₂O	0,4-3
SO₃	0,8-4

5.3.2 Fazowy.

Rodzaj fazy	Budowa fazy		Nazwa i symbol fazy
		Krystaliczna	Nazwa i symbol fazy	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)	Brownmilleryt C₄(AF) 4÷10%
Fazy drugorzędne	- wolne wapno CaO - perykla MgO - popiół krystaliczny	Popiół zeszklony	-

5.4 Rodzaje, skład i symbol cementu:

5.4.1 Sposób budowania symbolu cementu.

5.4.2 Rodzaje i skład cementu wg PN-B-19701.

Rodzaj	Nazwa	Symbol	Składniki główne								Składniki drugorzędne
						Klinkier	Żużel wielkopiecowy	Pył krzemionkowy	pucolana			Popiół lotny		wapień
						Klinkier	Żużel wielkopiecowy	Pył krzemionkowy					naturalna	wapień	przemysłowa	krzemionkowy	wapienny
						K	S	D	P	Q	V	W	L
CEMI	Cement portlandzki	CEMI	95-100	-	-	-	-	-	-	-	0-5
CEMII	Cement portlandzki żużlowy	CEMII/A-S CEMII/B-S	80-94 65-79	6-20 21-35	- -	- -	- -	- -	- -	- -	0-5
	Cement portlandzki żużlowy	CEMII/A-S CEMII/B-S	80-94 65-79	6-20 21-35	- -	- -	- -	- -	- -	- -								0-5
		Mement portlandzki Krzemionkowy	CEMII/A-D	90-94	-	6-10	-	-	-	-	-	0-5
		Cement portlandzki pucolanowy	CEMII/A-P	80-94	-	-	6-20	-	-	-	-	0-5
				CEMII/B-P	65-79	-	-	21-35	-	-	-	-	0-5
				CEMII/A-Q	80-94	-	-		6-20	-	-	-	0-5
				CEMII/B-Q	65-79	-	-		21-35	-	-	-	0-5
			Cement portlandzki popiołowy	CEMII/A-V	80-94	-	-	-	-	6-20	-	-	0-5
				CEMII/B-V	65-79	-	-	-	-	21-35	-	-	0-5
				CEMII/A-W	80-94	-	-	-	-	-	6-20	-	0-5
				CEMII/B-W	65-79	-	-	-	-	-	21-35	-	0-5
			Cement portlandzki wapienny	CEMII/A-L	-	-	-	-	-	-	-	6-20	0-5
				CEMII/B-L	-	-	-	-	-	-	-	21-35	0-5
			Cement portlandzki żużlowo-popiołowy	CEMII/A-SV	81-94	3-10	-	-	-	3-20	-	-	0-5
				CEMII/B-SV	65-79	10-20	-	-	-	10-20	-	-	0-5
	CEMIII		Cement Hutniczy	CEMIII/A	35-64	36-65	-	-	-	-	-	-	0-5
				CEMII/B	20-34	66-80	-	-	-	-	-	-	0-5
	CEMIV		Cement pucolanowy	CEMIV/A	65-89	-	11-35 36-55				-	-	0-5
				CEMIV/B	45-64	-	11-35 36-55								-	-	0-5
1)-Wartości podane w tablicy odnoszą się do sum składników głównych i drugorzędnych. Skład określa wytwórca na podstawie stosowanej i dokumentowanej podczas wytwarzania procedury kontroli wewnętrznej 2)- Litery A i B w symbolach są przypisane różnym zakresom zawartości składników głównych 3)-Zawartość pyłu krzemionkowego nie powinna być większa niż 10%

ZNACZENIE SKŁADU CHEMICZNEGO CEMENTU

PORTLANDZKIEGO

6.1 Oznaczenie tlenku krzemu.

a) Zasada oznaczenia danego składu

Oznaczenie polegało na pobraniu próbki cementu i rożcięczeniu go w 15 cm³ kwasu chlorowego , pogrzaniu do temperatury wrzenia i utrzymaniu takiego stanu od 3 do 5 minut. Następnie dodawaliśmy 100cm³ pogrzanej wody i sączyliśmy.

b) Krótki opis sposobu oznaczenia:

- pobrano próbkę o masie 0,926g

- dodano do niej 15cm³ kwasu nadchlorowego HClO4 [60%];

- roztarto wszelkie grudki cementu;

- ogrzano do wrzenia;

- ogrzewano intensywnie około 5 minut;

- dodano 100cm³ gorącej wody;

- przesączono przez miękki sączek;

- przesącz zebrano do kolby 250cm³;

- sączek wraz z osadem wyprażono w tygielku.

c) Obliczenie miana EDTA wyrażone w gramach SiO₂ (K₁)

1) 1 dm³ wodnego roztworu EDTA 0.05 mol - 0.05 mol EDTA.

2) 1cm³ wodnego roztworu EDTA 0.05 - 0.05 mol/1000 mol = 0.00005 mol

EDTA

3) 1cm³ wodnego roztworu EDTA 0.00005 - 0.00005 mol Si

4) 1cm³ wodnego roztworu EDTA 0.00005 - 0.00005 mol SiO₂

Masa molowa Si - 28u

Masa molowa O - 16u

Masa molowa SiO₂ - 60u

1 mol - 60g

0.00005 - K₁

60 · 0.00005 = 0.003g = K₁

d) dane doświadczalne i obliczenia

Masa próbki 0,926 g

Masa osadu po prażeniu 0,178g

Obliczenia:

0,926 - 100%

0,1 78 - x %

%SiO₂19.22

6.2 Oznaczenie tlenku żelaza i glinu.

Zasada oznaczenia.

Polega na miareczkowaniu EDTA jonów żelazowych przy pH=15 wobec kwasu salicylowego jako wskaźnika a następnie po doprowadzeniu roztworu do pH=3,2 jonów glinu wobec układu wskaźnikowego PAN-kompleksomianu miedziowego.

Krótki opis sposobu oznaczenia.

pobrano 25ml roztworu;
rozcieńczono do 50ml wodą destylowaną;
dodano 3-5 kropli błękitu bromofenolowego (do barwy lekko żółtej);
dodano kilka kropli wody amoniakalnej 10% (do trwałej barwy niebieskiej);
dodano 10ml HCl 0,1 molowego UWAGA!!! : Powinien wrócić kolor żółty;
dolano 10ml roztworu buforowego pH-1,5 i 5-10 kropli roztworu kwasu salicylowego (wskaźnik punktu równoważnikowego miareczkowania);
ogrzano mieszaninę do ok. 40-50°C i miareczkowano roztwór wersanianem do zmiany barwy ;
odczytać ilość zużytego EDTA;
po pierwszym miareczkowaniu dodawano kroplami roztworu octanu amonowego od stanu amonowego do uzyskania trwałego niebieskiego zabarwienia., po czym szybko dodać 5 cm kwasu octowego;
dodać 5 kropli kompleksonianu miedzi, po czym 10 - 15 kropli roztworu PAN (uzyskano kolor różowy);
podgrzano wszystko do ok. 40-50°C i miareczkowano rotworem EDTA do zmiany barwy na żółtą (w okresie czasu 20 - 30 sek. od czasu zagotowania się).

Obliczenie miana EDTA

Obliczenie miana EDTA wyrażone w gramach Fe₂O₃ (K₁)

1) 1 dm³ wodnego roztworu EDTA 0.05 mol - 0.05 mol EDTA.

2) 1cm³ wodnego roztworu EDTA 0.05 - 0.05 mol/1000 mol = 0.00005 mol

EDTA

3) 1cm³ wodnego roztworu EDTA 0.00005 - 0.00005 mol Fe

4) 1cm³ wodnego roztworu EDTA 0.00005 - 0.00005 mol Fe₂O₃

Masa molowa Fe - 56u

Masa molowa O - 16u

Masa molowa Fe₂O₃- 160u

1 mol - 160g

0.00005 - K₁

(160 · 0.00005):2 = 0.004g = K₁

Obliczenie miana EDTA wyrażone w gramach Al₂O₃(K₁)

1) 1 dm³ wodnego roztworu EDTA 0.05 mol - 0.05 mol EDTA.

2) 1cm³ wodnego roztworu EDTA 0.05 - 0.05 mol/1000 mol = 0.00005 mol

EDTA

3) 1cm³ wodnego roztworu EDTA 0.00005 - 0.00005 mol Al

4) 1cm³ wodnego roztworu EDTA 0.00005 - 0.00005 mol Al₂O₃

Masa molowa Al - 27u

Masa molowa O - 16u

Masa molowa Al₂O₃- 102u

1 mol - 102g

0.00005 - K₁

(102· 0.00005):2 = 0.0025g = K₁

Dane doświadczalne i obliczenia.

Wyniki miareczkowania i obliczenie zawartości procentowej Fe₂O₃, Al₂O₃:

Dla Fe₂O₃ otrzymano V1 = 1,9ml, V1' = 1,3ml,

V1śr = 1,6 ml

Dla Al₂O₃ otrzymano V2 =1,9ml, V2' = 1,3 ml,

V2śr = 1,6 ml

%Fe₂O₃ =

%Fe₂O₃ = 6,91

%Al₂O₃ =

%Al₂O₃ = 4,32

6.3 Oznaczenie tlenku wapnia.

Zasada oznaczenia:

Oznaczenie polegało na miareczkowaniu jonów wapnia roztworem wersanianu dwusodowego przy pH = 12÷13 wobec punktu końcowego miareczkowania.

Krótki opis sposobu oznaczania.

- pobrano 25ml roztworu;

- rozcieńczono dookoło 100 cm woda destylowaną

- wkrapiano KOH 20% do uzyskania pH 3÷5;

- dodano 5-7 ml roztworu trójetanoloaminy;

- dodano jeszcze 15ml KOH 20% (pH 12,5);

dodano wskaźnik PK i miareczkowano EDTA do zmiany barwy z czerwonej na czysto niebieską. Odczytano ilość zużytego EDTA.

Obliczenie miana EDTA.

Obliczenie miana EDTA wyrażone w gramach CaO (K₁)

1) 1 dm³ wodnego roztworu EDTA 0.05 mol - 0.05 mol EDTA.

2) 1cm³ wodnego roztworu EDTA 0.05 - 0.05 mol/1000 mol = 0.00005 mol

EDTA

3) 1cm³ wodnego roztworu EDTA 0.00005 - 0.00005 mol Ca²⁺

4) 1cm³ wodnego roztworu EDTA 0.00005 - 0.00005 mol CaO

Masa molowa Ca - 40u

Masa molowa O - 16u

Masa molowa CaO - 56u

1 mol - 56g

0.00005 - K₁

56 · 0.00005 = 0.0028g = K₁

Dane doświadczalne i obliczenia.

Wyniki miareczkowania i obliczenie zawartości procentowej CaO

Dla CaO otrzymano V₁= 20,9 ml, V₂ = 20,5ml, V₃=20,7ml

V_3śr = 20,7ml

%CaO =

V - średni wynik miareczkowania

w - współczynnik przeliczeniowy

K₁ - miano EDTA wyrażone w gramach CaO/cm³

m - masa próbki badanego materiału wzięta do analizy wyrażona w gramach

% CaO = 62,59

6.4 Tabelaryczne zestawienie wyników badań chemicznych.

SKŁADNIK OZNACZANY
Lp.	Nazwa	Symbol oznacz.	Zawartość w % wag.
1	SUMARYCZNA ZAWARTOŚĆ TLENKU KRZEMU I CZĘŚCI NIEROZPUSZCZ.	SiO₂ + CN	20,32
2	CZĘŚĆ NIEROZPUSZCZ. W CEM.	CN	1,1
3	TLENEK KRZEMU SiO₂	S	19,22
4	TLENEK ŻELAZOWY Fe₂O₃	F	6,91
5	TLENEK GLINU Al₂O₃	A	4,32
6	TLENEK WAPNIA CaO	C	62,59

7.OBLICZENIE WARTOŚCI MODUŁÓW CEMENTOWYCH.

7.1 Moduł hydrauliczny.

MH=C : ( S + A + F ) = 62,59 : 30,45 = 2,05

7.2 Moduł krzemianowy.

MK = S : ( A + F ) = 19,22 : 11,23= 1,71

7.3 Moduł glinowy.

MG = A : F = 4,32 : 6,91 = 0,62

7.4 Moduł wysycenia.

MW =[ C - ( 1,65A + 0,35F)] : 2,80S = 53,04 : 53,82 = 0,98

7.5 Zestawienie tabelaryczne wartości modułów.

Lp.	Nazwa modułu	Wartość
1	Moduł hydrauliczny	2,05
2	Moduł krzemianowy	1,71
3	Moduł glinowy	0,62
4	Moduł wysycenia	0,98

OBLICZANIE SKŁADU FAZOWEGO ( MINERALOGICZNEGO ).

a) Symbolika faz cementowych

C₃S - faza alitowa

C₂S - faza belitowa

C₃A -faza glinianowa

C₂ (AF) - faza ferrytowa

b) symbolika tlenków

C - CaO

S - SiO₂

F - Fe₂O₃

A - Al₂O₃

Obliczanie zawartości alitu.

C₃S = 3,80(3 x MW - 2) S = 3,8 x ( 3 x 0,98 - 2) x 19,22 = 68,65%

Obliczanie zawartości belitu.

C₂S = 8,6(1 - MW)S = 8,6 X ( 1 - 0,98) x 19,22 = 0,38%

Obliczanie fazy glino-żelazianowej jako C₄AF.

MG<0,64

C₄AF = 4,77 x A = 4,77 x 4,32 = 20,61%

Obliczenie fazy glinianowej.

MG<0,64 - POMIJAMY

Obliczanie fazy żelazianowej.

MG<0,64

C₂F = 1,7 x (F - 1,57 x A ) = 1,7 x (6,91 - 1,57 x 4,32) = 0,22%

Tabelaryczne zestawienie obliczonego składu fazowego.

Lp.	Nazwa fazy	Symbol nazwy	%zawartość
1	Faza alitowa	C₃S	68,65
2	Faza belitowa	C₂S	0,38
3	Faza krzemianowa	C₃S+C₂S	69,03
4	Faza glino-żelazianowa	C₄AF	20,61
6	Faza żelazianowa	C₂F	0,22