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:

1. Część ogólna

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

2. Zadanie do wykonania

2.1 Oznaczenie zawartości podstawowych czterech tlenków cementu portlandzkiego.................3

2.2 Obliczenie składu fazowego na podstawie wykonanej analizy chemicznej ...............................3

3. Cel ćwiczenia

3.1 Poznanie składu chemicznego (tlenkowego) cementu................................................................3

3.2 Poznanie składu fazowego cementu i jego wpływ na kształtowanie się

podstawowych właściwości technicznych takich jak:

-wytrzymałości mechanicznej

-ciepła uwadniania

-odporności na korozję.............................................................................................................3

1. Poznanie podstawowych rodzajów cementu portlandzkiego według normy PN-EN 197-1: 2002.....................................................................................................................3

2. Część teoretyczna

4. Podstawowe definicje, nazwy i określenia dotyczące cementu portlandzkiego

według. normy PN-EN 197-1: 2002...................................................................................................3

5. Podstawowe wiadomości z zakresu technologii produkcji cementu

portlandzkiego:

1. Surowce stosowane do produkcji klinkieru...............................................................................5

2. Podstawowe procesy technologiczne. Metoda mokra i sucha produkcji cementu...................5

3. Przeciętny skład klinkieru:

5.3.1 Tlenkowy..........................................................................................................................6

5.3.2 Fazowy.............................................................................................................................6

4. Rodzaje, skład, symbol cementu;

1. Sposób budowania symboli cementu.............................................................................7

2. Rodzaje i skład cementu wg. Normy..............................................................................7

3. Część doświadczalna

6. Oznaczenie składu chemicznego cementu.

6.1 Oznaczenie tlenku krzemu...........................................................................................................8

6.2 Oznaczenie tlenku żelazowego i glinowego

6.2.1 Oznaczenie tlenku żelaza................................................................................................8

6.2.2 Oznaczenie tlenku glinu...................................................................................................9

6.3 Oznaczenie tlenku wapiennego..................................................................................................10

6.4 Tabelaryczne zestawienie wyników badań chemicznych...........................................................11

7. Obliczenie wartości modułów cementowych

7.1 Moduł hydrauliczny

7.2 Moduł krzemianowy

7.3 Moduł glinowy

7.4 Moduł wysycenia

7.5 Zestawienie tabelaryczne wartości modułów

8. Obliczenie składu fazowego cementu

8.1 Obliczenie zawartości fazy alitowej

8.2 Obliczenie zawartości fazy belitowej

8.3 Obliczenie zawartości fazy glinożelazianowej

8.4 Obliczenie zawartości fazy glinianowej

8.5 Obliczenie zawartości fazy żelazianowej

8.6 Tabelaryczne zestawienie obliczonego składu fazowego badanego cementu

I. CZĘŚĆ OGÓLNA

• Przedmiot badania:

Przedmiotem badania jest cement portlandzki CEM I

• Zadanie do wykonania:

1. Oznaczenie zawartości podstawowych 4 tlenków cementu portlandzkiego.

2. Obliczenie składu fazowego na podstawie wykonanej analizy chemicznej.

• Cel ćwiczenia:

1. Poznanie składu chemicznego (tlenkowego) cementu.

3.2. Poznanie składu fazowego cementu i jego wpływ na kształtowanie się

podstawowych właściwości technicznych takich jak:

-wytrzymałości mechanicznej

-ciepła uwadniania

-odporności na korozję

3.3 Poznanie podstawowych rodzajów cementu portlandzkiego według normy PN-EN 197-1: 2002

II. CZĘŚĆ TEORETYCZNA

4. Podstawowe definicje, nazwy i określenia dotyczące cementu portlandzkiego

według. normy PN-EN 197-1: 2002

PN-EN 197-1: 2002określa 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 V: cement wieloskładnikowy

CEM II dzieli się ze względu na zawartość głównych składników:

• cement portlandzki żużlowy (S)

• cement portlandzki krzemionkowy (D)

• cement portlandzki pucelanowy (S Q)

• cement portlandzki popiołowy (V W)

• cement portlandzki łupkowy (T)

• cement portlandzki (L LL)

• wapienny (M)

W normie PN-EN 197-1: 2002 stosuje się następujące definicje.

Tlenek wapnia reaktywny (CaO)

Część tlenku wapienia,który w normalnych warunkach twardnienia może tworzyć hydraty krzemianów wapnia.

Dwutlenek krzem reaktywny (SiO₂)

Część dwutlenku krzemu, która po działaniu kwasu chlorowego (HCl) przechodzi do roztworu we wrzącym rozrworze wodorotlenku potasu.

Składnik główny

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%.

Klasa wytrzymałości cementu

Klasa wytrzymałości na ściskanie

Badania autokontrolne

Wykonywane przez producenta ciągłe badania próbek punktowych.

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.

5. 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. Podstawowe procesy technologiczne. Metoda mokra i sucha produkcji cementu

Najważniejszymi procesami podczas produkcji cementu portlandzkiego. jest mielenie i ujednolicanie surowców a następnie ich spiekanie w bardzo wysokiej temperaturze.

Pierwszy proces można wykonać na dwa sposoby:

Metoda mokra - polega na mieszaniu surowców z wodą i powstały w ten sposób szlam poddaje się dalszemu rozdrabnianiu. Jest to metoda nie ekonomiczna ponieważ w następnym etapie obróbki czyli w fazie spiekania, duża część energii poświęcana jest na osuszanie mieszanki.

Nadmiar wody w szlamie (dochodzi do 50%) starano się usuwać stosując prasy filtracyjne i filtry ciśnieniowe. Kolejnym problemem było odzyskiwanie ze szlamy większych grudek nie przemielonych surowców. Poradzono sobie z tym problemem stosując Hydrocyklony i Hydroklasyfikatory. Przy stosowaniu tej metody 70% całkowitej energii zużytej podczas produkcji cementu portlandzkiego pochłaniał etap mieszania.

Metoda such. - Ta metod jest o wiele ekonomiczniejsza i mniej skomplikowana. Do mielenia składników używa się młynów. Wadą tej metody jest to że surowce których używa się do produkcji cementu wykazują różną podatność na rozdrabnianie co przysparza niekiedy problemy. Mieszanina minerałów powstałych przy tym sposobie produkcji jest mniej jednorodna.

Końcowym etapem produkcji cementu portlandzkiego jest poddanie go obróbce termicznej czyli procesowi spiekania. Proces ten zachodzi w piecu obrotowym w którym mieszanka przemieszcza się do stref o coraz wyższej temperaturze. Wyróżnia się sześć Stref pieca:

1. strefa odparowywania( nie występuje przy metodzie suchej)

2. strefa podgrzewania i odwadniania.

3. Strefa dekarbonizacji

4. Strefa reakcji egzotermicznych.

5. Strefa spiekania (klinkieryzacji)

6. Strefa studzenia

1. Przeciętny skład klinkieru

1. Tlenkowy:

Tlenek	% 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

2. 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)	Brownmilleryt C4(AF) 4÷10%
Fazy drugorzędne	- wolne wapno CaO - perykla MgO - popiół krystaliczny	Popiół zeszklony	-

2. Rodzaje, skład, symbol cementu

5.4.1 Sposób budowania symboli 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.

5.4.2. Rodzaje i skład cementu wg. Normy

Główne rodzaje	Nazwa	Symbol	Składniki główne										Składniki drugorzęne
						klinkier	żużel wielkopiecowy	pył krzemianowy	pucolana		Popiół lotny			łupek palony	wapień
												naturalna					naturalna wypalana	krzemionowy	wapienny
						K	S	D	P	Q	V	W		T	L	LL
CEM I	cement portlandzki	CEM I	95-100	-	-	-	-	-	-	-	-	-	0-5
CEM II	cement portlandzki żużlowy	CEM II / A-S	80-94	6 20	-	-	-	-	-	-	-	-	0-5
				CEM II / B-S	65-79	12-35	-	-	-	-	-	-	-	-	0-5
		cement portlandzki krzemionkowy	CEM II / A-D	90-94	-	6 10	-	-	-	-	-	-	-	0-5
		cement portlandzki pucelanowy	CEM II / A-P	80-94	-	-	6 20	-	-	-	-	-	-	0-5
				CEM II / B-P	65-79	-	-	21-35	-	-	-	-	-	-	0-5
				CEM II / A-Q	80-94	-	-	-	6 20	-	-	-	-	-	0-5
				CEM II / B-Q	65-79	-	-	-	21-35	-	-	-	-	-	0-5
			cement portlandzki popiołowy	CEM II / A-V	80-94	-	-	-	-	6 20	-	-	-	-	0-5
				CEM II / B-V	65-79	-	-	-	-	21-35	-	-	-	-	0-5
				CEM II / A-W	80-94	-	-	-	-	-	6 20	-	-	-	0-5
				CEM II / B-W	65-79	-	-	-	-	-	21-35	-	-	-	0-5
			cement portlandzki łupkowy	CEM II / A-T	80-94	-	-	-	-	-	-	6 20	-	-	0-5
				CEM II / B-T	65-79	-	-	-	-	-	-	21-35	-	-	0-5
			cement portlandzki wapienny	CEM II / A-L	80-94	-	-	-	-	-	-	-	6 20	-	0-5
				CEM II / B-L	65-79	-	-	-	-	-	-	-	21-35	-	0-5
				CEM II / A-LL	80-94	-	-	-	-	-	-	-	-	6 20	0-5
				CEM II / B-LL	65-79	-	-	-	-	-	-	-	-	21-35	0-5
			cement portlandzki wieloskładnikowy	CEM II / A-M	80-94	6 20									0-5
				CEM II / B-M	65-79	21-35									0-5
	CEM III		cement hutniczy	CEM III / A	35-65	36-65	-	-	-	-	-	-	-	-	0-5
				CEM III / B	20-34	66-80	-	-	-	-	-	-	-	-	0-5
				CEM III / C	5 10	81-95	-	-	-	-	-	-	-	-	0-5
	CEM IV		cement pucelanowy	CEM IV / A	65-89	-	11-35					-	-	-	0-5
				CEM IV / B	45-64	-	36-55					-	-	-	0-5
	CEM V		cement wieloskładnikowy	CEM V / A	40-64	15-30	-	18-30			-	-	-	-	0-5
				CEM V / B	20-38	31-50	-	31-50			-	-	-	-	0-5

III. CZĘŚĆ DOŚWIADCZALNA

6. Oznaczenie składu chemicznego cementu.

6.1 Oznaczenie tlenku krzemu

1. Oznaczenie polega na rozpuszczeniu próbki cementu w kwasie nadchlorowym, wydzieleniu bezwodnika kwasu krzemowego przez ogrzewanie z wrzącym monohydratem kwasu nadchlorowego, oraz wyprażeniu bezwodnika kwasu krzemowego (SiO₂)i części nierozpuszczalnych.

2. Skrucony opis wykonanego oznaczenia:

• pobrano próbkę o masie 1,0 g;

• dodano do niej 15cm³ kwasu nadchlorowego

• roztarto wszelkie grudki cementu

• ogrzewano intensywnie około 5 minut

• dodano 150cm³ gorącej wody

• przesączono przez miękki sączek

• przesącz zebrano do kolby 250cm³

• sączek wraz z osadem wyprażono

c) obliczenie miana EDTA wyrażone w g/1cm³

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

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

1cm³ wodnego roztworu EDTA 0.00005 - 0.00005 mol Si

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

K₁=60 · 0.00005 = 0.003g

1. Dane doświadczalne i obliczenia:




m - masa osadu.............44.3 - 39,9 = 0.4g

a - masa próbki.............1g




6.2 Oznaczenie tlenku żelazowego i glinowego

6.2.1 Oznaczenie tlenku żelaza

1. Oznaczenie polegało na miareczkowaniu EDTA jonów żelazowych przy pH = 1,5 wobec kwasu salicylowego jako wskaźnika, a następnie, po doprowadzeniu roztworu do pH - 3,2 jonów glinu wobec układu wskaźnikowego PAN kompleksonianu miedziowego.

2. Skrucony opis oznaczenia

OZNACZENIE ZAWARTOŚCI Fe₂O₃:

• odmierzyć 25 cm³ roztworu badawczego

• rozcienczyć wodą destylowana do 50 cm³

• dodać 3-5 kropli błękitu bromofenolowego do uzyskania żółtego zabarwienia

• dodać kroplami wody amoniakalnej w takiej ilości, aby uzyskać trwale niebieskie zabarwienie

• do badanego roztworu dodać 10 ml 0,1 molowego roztworu kw.solnego ( powinna wrócić barwa żółta );

• odmierzamy 5 roztworu buforowego wartości pH = 1,5

• dodać 3 - 5 kropli kwasu salicylowego 5%

• podgrzać roztwór do temp. 40-50 °C

• miareczkować roztworem EDTA do zmiany barwy na żółta

• odczytać ilość zużytego EDTA i oznaczyć jako V₁

OZNACZENIE ZAWARTOŚCI Al₂O₃

• dodawać kroplami octanu amonowego do uzyskania stałej niebieskiej barwy ( minimalna ilością octanu amonowego

• dodac 5 kw.octowego

• dodać wskaźnik pkm w postaci 5 kropli kompleksionanu miedzi

• dodać 10-15 kropli roztworu PAN do uzyskania różowego zabarwienia

• roztwór zagrzać do wrzenia

• miareczkować EDTA do osiągnięcia barwy żółtej

• odczytać ilość zużytego EDTA i oznaczyć jako V₂

3. oznaczenie miana

oznaczenie miana EDTA wyrażone w g/1cm³

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

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

1cm³ wodnego roztworu EDTA 0.00005 - 0.00005 mol Fe

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

K₁ = (160 · 0.00005):2 = 0.004g/cm³

Obliczenie miana EDTA wyrażone w gramach Al₂O₃(K₂)

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

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

1cm³ wodnego roztworu EDTA 0.00005 - 0.00005 mol Al

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 - K₂

K₂ = (102· 0.00005):2 = 0.0025 g/cm³

4. Dane doświadczalne i obliczenia:

Wyniki miareczkowania i obliczenie zawartości procentowej Fe₂O₃:

V₁ = 1,0 cm³

%Fe₂O₃ =


m - masa próbki wziętej do badania .......1,0 g
V₁ - średni wynik miareczkowania ...........1.0cm³
W - współczynnik przeliczeniowy ............10

- miano EDTA. ....................................0.004g/cm³

%Fe₂O₃ = 4.0

Wynik miareczkowania i obliczenie procentowej zawartości Al₂O₃

V₂ = 1.6 cm³

%Al₂O₃ =


m - masa próbki wziętej do badania ..........1.0 g
V₂ - średni wynik miareczkowania ..............1.6 cm³
W - współczynnik przeliczeniowy ................10
K₂ - miano EDTA....................................... 0.0025 g/cm³

%Al₂O₃ = 4.0

3. Oznaczenie tlenku wapiennego

1. Zasada oznaczenia

Oznaczenie polegało na miareczkowaniu jonów wapnia roztworem KOH , /NaOH/ przy pH = 12÷13 wobec kalcesu jako punktu końcowego miareczkowania.

2. skrócony opis oznaczenia

• pobrano 25cm³ roztworu

• wkrapiano KOH 20% do uzyskania pH 5

• dodano 5 cm³ roztworu trójetanoloaminy

• dodano 20cm³ KOH 20% (pH 12,5)

• dodano „szczyptę” kalcesu jako wskaźnik PKN i miareczkowano EDTA do zmiany barwy z czerwonej na czysto niebieską. Odczytano ilość zużytego EDTA.

3. Obliczenie miana EDTA.

Obliczenie miana EDTA wyrażone w gramach CaO (K₁)

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

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

1cm³ wodnego roztworu EDTA 0.00005 - 0.00005 mol Ca²⁺

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

K₁ = 56 · 0.00005 = 0.0028g

d) dane doświadczalne i obliczenia

Wyniki miareczkowania i obliczenie zawartości procentowej CaO

V₁ - 28.2 cm³

V₂ - 27.0 cm³

V_śr - 27.6 cm³

%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 = 77,28

3. Tabelaryczne zestawienie wyników badań chemicznych

Lp.	Składnik oznaczony
		nazwa	symbol	Zawartość %
1	Sumaryczna zawartość krzemianu i części nierozpuszczalnych	SCN	40
2	Części nie rozpuszczalne w cemencie	CN	0.68
3	Tlenek krzemu	S	39.32
4	Tlenek żelaza	F	4.0
5	Tlenek glinu	A	4.0
6	Tlenek wapniowy	C	77,28
7	Wolne wapno	Cw

7. Obliczenie wartości modułów cementowych

7.1 Moduł hydrauliczny

M_H = C : ( S + A + F ) =77,28 / (39.32 + 4.0 + 4.0) = 1,63

7.2 Moduł krzemianowy

M_k = S / ( A + F ) = 39,32 / ( 4.0 + 4.0) = 4,9

7.3 Moduł glinowy

M_g = A / F = 4.0 / 4.0 = 1

7.4 Moduł wysycenia

M_W = [C - (1.65 x A + 0.35 x F)] / ( 2.8 x S ) = 0,59

7.5 Zestawienie tabelaryczne wartości modułów

Lp.	NAZWA MODUŁU	WARTOŚĆ
1	Moduł hydrauliczny	1,59
2	Moduł krzemianowy	4,23
3	Moduł glinowy	0,94
4	Moduł wysycenia	0,58

8.Obliczenie składu fazowego cementu

8.1 Obliczenie zawartości fazy alitowej

C₃S = 3,80(3 x M_W - 2) S = 3,8 x ( 3 x 0,77 - 2) x 29,32 = 34,5%

---