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 11

PODGRUPA A

ZESPÓŁ 33

Norbert Jędrysiak

Marek Iwaszkiewicz

ROK AKADEMICKI 2004/2005

SPIS TREŚCI:

I. CZĘŚĆ OGÓLNA

1. CZĘŚĆ OGÓLNA
   

• Przedmiot badania - cement portlandzki CEM I

• Zadanie do wykonania:

1. Oznaczenie zawartości podstawowych 4 tlenków cementu portlandzkiego.

2. Obliczenie składu fazowego na podstawie wykonanej analizy chemicznej.

3. Cel ćwiczenia:

1. Poznanie składu chemicznego (tlenkowego) cementu.

2. Poznanie składu fazowego cementu i jego wpływ na kształtowanie się podstawowych właściwości technicznych cementu takich jak: wytrzymałość mechaniczna, ciepło uwodnienia, odporność na korozje itp.

3. Poznanie podstawowych rodzajów cementu portlandzkiego.

2. 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.
  

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

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.

3. Skład klinkieru (przeciętny).
   

1. tlenkowy:
   - CaO - 62-68 %;
   - SiO₂ - 18-25 %;
   - Al₂O₃ - 4-16 %;
   - Fe₂O₃ - 4-10 %;
   - MgO - 0,5-6 %.
   

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

4. Rodzaje, skład i symbol cementu.
   

1. 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.
   

2. Rodzaje i skład cementu wg normy PN-B-19701




3. CZĘŚĆ DOŚWIADCZALNA
   

• Oznaczenie składu chemicznego cementu.

1. 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





2. Oznaczenie tlenku żelazowego i glinowego.

1. 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.





2. 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.




3. 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.




4. Tabelaryczne zestawienie wyników badania.

Lp.	Składnik oznaczony
		Nazwa	symbol	Zawartość(%)
1.	Sumaryczna zawartość tlenku krzemu i części nierozpuszczalnej	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.

1. moduł hydrauliczny.




2. moduł glinowy.




3. moduł krzemianowy.




4. moduł nasycenia.




5. 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.

1. Obliczanie zawartości alitu.




2. Obliczanie zawartości belitu.




3. Obliczanie zawartości fazy glinożelazianowej.




4. Obliczanie zawartości fazy glinianowej.




5. 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 -

---