Spoiwa cementow.doc

SPOIWA CEMENTOWE

1.1. Wprowadzenie

Początki produkcji spoiw hydraulicznych sięgają XVIII w., kiedy zaczęto w spo­sób świadomy stosować dodatki hydrauliczne (wodotrwałe) do zapraw wapien­nych. W Anglii w 1796 r. uruchomiono produkcję naturalnego wapna hydraulicz­nego pod nazwą „cementu romańskiego”, a w 1810 r. we Francji - produkcję sztucznego wapna hydraulicznego z mieszaniny wapna i margli. Wynalezienie pierwszego cementu przypisuje się Anglikowi Josephowi Aspdinowi, który w 1824 r. uzyskał patent na jego wyrób. Spoiwo to nazwano cementem portlandzkim, jakoby dlatego, że po związaniu przybrało barwę, ja­ką mają skały w Portland. Pierwsza cementownia powstała w Anglii w 1825 r., w Niemczech i Francji w 1850 r., a na ziemiach polskich - w 1857 r., w Grodźcu koło Będzina. Była to piąta z kolei cementownia na kontynencie europejskim. Spoiwa hydrauliczne należą do podstawowych materiałów budowlanych. Charakteryzują się takimi cechami technicznymi, które umożliwiają stosowanie ich w budownictwie w bardzo szerokim zakresie.

1.2. Cementy

Cement (PN-EN 197-1:2002) jest to spoiwo hydrauliczne, drobno zmielony materiał nieorganiczny, który po zmieszaniu z wodą daje zaczyn, wiążący i twardniejący w wyniku reakcji i procesów hydratacji, który po stwardnieniu pozostaje wytrzymały i trwały także pod wodą. Cement otrzymuje się ze zmielenia klinkieru cementowego z dodatkiem kamienia gipsowego i innych surowców, których wielkości wagowe mogą wynosić 3÷55% (żużel, pył krzemionkowy, popiół lotny, wapień). Produkcja cementów obejmuje następujące etapy: przygotowanie surowców i ich dokładne wymieszanie, wypalanie, mielenie, silosowanie i pakowanie. Cement stosowany jest do przygotowywania zapraw cementowych, cementowo-wapiennych i betonów.

1.3. Klinkier cementowy

Klinkier cementowy - otrzymuje się przez wypalanie w temperaturze spieka­nia ok. 1450°C mieszaniny surowców (zmielonych), zawierających wapień i glinokrzemiany. Najczęściej stosowanym dodatkiem do klinkieru (podczas jego przemiany) jest kamień gipsowy (w ilości do 5,0% masowych) oraz żużel wielkopieco­wy (6¸80%) lub popiół lotny (6¸35%). Podstawowe składniki klinkieru cementowego to:

1.    Alit - krzemian trójwapniowy - 3CaO · SiO2; oznaczany w skrócie C3S, odznacza się najsilniejszymi właściwościami hydraulicznymi i wydziela znaczne ilości ciepła (504 kJ/kg) podczas wiązania, a jego udział w klinkierze cementowym wynosi 50¸65% masowych;

2.    Belit - krzemian dwuwapniowy - 2CaO · SiO2; oznaczany w skrócie symbo­lem C2S - jego udział w klinkierze wynosi 15¸25% masowych;

3.    Bromwnmilleryt - czterowapniowy związek tlenku glinu i tlenku żelaza (III) - 4CaO · Al2O3 · Fe2O3; ozna­czony w skrócie jako C4AF - znajduje się w części zeszkliwionej klinkieru, ma słabe właściwości hydrauliczne, wiąże szybko, lecz odznacza się na ogół małą wytrzymałością, a jego udział w klinkierze cementowym wynosi 5¸15% masowych;

4.    Glinian trójwapniowy - 3CaO · Al2O3; oznaczany w skrócie jako C3A, decyduje o szybkości hydratacji cementu i szybkości wydzielania ciepła a jego udział w klinkierze wynosi 8÷11% masowych;

5.    Inne związki glinu (5CaO · 3A12O3 - C5A3), wapnia (CaO), magnezu (MgO), żelaza (2CaO · Fe2O3 - C2F) oraz gips.

1.4. Wiązanie i twardnienie cementu

1.4.1. Proces wiązania i twardnienia cementu

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 szybkie, 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.

1.4.2. Reakcje zachodzące podczas wiązania i twardnienia cementu

Proces wiązania i twardnienia cementów jest procesem złożonym. Po zmieszaniu spoiwa z wodą po pewnym czasie gęstnieje, ziarna cementu wskutek reakcji chemicznej pokrywają się porowatą, nasiąkniętą wodą powłoką, zwaną żelem. Zwiększa się lepkość i wydzielanie się ciepła. Żel skleja poszczególne ziarna cementu i kruszywa w zaprawie. Następnie poszczególne związki, wskutek uwodnienia, wydzielają się w postaci bardzo drobnych kryształków przenikających żel. Kryształki te zrastają się ze sobą przechodząc w twardy i wytrzymały kamień. Podczas wiązania i twardnienia zachodzą następujące reakcje:

1.        Wiązanie 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;

2.        Twardnienie cementu:

1)   Hydroliza krzemianu trójwapniowego (alitu):

3CaO · SiO2 + (n+1)H2O →  2CaO · SiO2 · nH2O + Ca(OH)2;

2)   Hydroliza krzemianu dwuwapniowego (belitu):

2CaO · SiO2 + nH2O →  2CaO · SiO2 · nH2O;

3)   Reakcja wodorotlenku wapnia z CO2:

Ca(OH)2 + CO2 →  CaCO3 + H2O.

1.5. Cementy powierzchniowego użytku

Normalizacja europejska przyjęła podział cementów na dwie zasadnicze grupy: cementy powszechnego użytku uznane za „tradycyjne i wypróbowane” oraz cementy specjalne ze względu na dodatkowe cechy użytkowe.

1.5.1. Składniki cementów powierzchniowego użytku

Składniki cementów powierzchniowego użytku dzielą się na składniki główne i składniki drugorzędne. Składnik główny jest to specjalnie wybrany materiał nieorganiczny, którego udział w stosunku do sumy masy wszystkich składników głównych i składników drugorzędnych przekracza 5% masy. Składnik drugorzędny - specjalnie wybrany materiał nieorganiczny, którego udział w stosunku do sumy masy wszystkich składników głównych i składników drugorzędnych nie przekracza 5% masy.

1.5.1.1. Składniki główne cementu powierzchniowego użytku

Klinkier cementu portlandzkiego (K)

Klinkier cementu portlandzkiego jest wytwarzany przez spiekanie dokładnie zestawionej mieszaniny surow­ców (mąka surowcowa, zaczyn lub szlam) zawierających elementy przedstawiane zwykle jako tlenki - CaO, SiO2 i Al2O3, Fe2O3 i niewielkie ilości innych materiałów. Mąka surowcowa, zaczyn lub szlam są drobno zmie­lone, dokładnie wymieszane i przez to ujednorodnione. Klinkier cementu portlandzkiego jest to materiał hydrauliczny, który powinien składać się w co najmniej dwóch trzecich masy z krzemianów wapnia (3CaO · SiO2 i CaO · SiO2) i pozostałości zawierającej glin i żelazo związane w fazach klinkierowych i z innych związków. Stosunek masy (CaO)/(SiO2) powinien wynosić nie mniej niż 2,0. Zawartość tlenku magnezu (MgO) nie powinna przekraczać 5,0% masy.

Granulowany żużel wielkopiecowy (S)

Granulowany żużel wielkopiecowy jest wytwarzany przez gwałtowne chłodzenie płynnego żużla o odpowied­nim składzie, otrzymywanego przy wytapianiu rudy żelaza w wielkim piecu i który zawiera co najmniej dwie trzecie masy żużla zeszklonego oraz wykazuje właściwości hydrauliczne przy odpowiedniej aktywacji. Granulowany żużel wielkopiecowy powinien składać się co najmniej w dwóch trzecich masy z sumy tlenku wapnia (CaO), tlenku magnezu (MgO) i dwutlenku krzemu (SiO2). Pozostałość zawiera tlenek glinu (Al2O3) razem z niewielkimi ilościami innych związków. Stosunek masy (CaO + MgO)/(SiO2) powinien przekraczać 1,0.

Pucolany (P, Q)

Pucolany są to naturalne materiały krzemionkowe lub glino-krzemianowe lub kombinacja obydwu. Pucolany same nie twardnieją po zmieszaniu z wodą, lecz drobno zmielone i w obecności wody reagują w nor­malnej temperaturze otoczenia z rozpuszczonym wodorotlenkiem wapnia (Ca(OH)2), tworząc związki krze­mianów wapnia i glinianów wapnia o rosnącej wytrzymałości. Związki te są podobne do związków, które two­rzą się podczas twardnienia materiałów hydraulicznych. Pucolany zawierają, zasadniczo, reaktywny dwutlenek krzemu (SiO2)[1] i tlenek glinu (Al2O3). Pozostałość zawiera tlenek żelaza (Fe2O3) i inne tlenki. Udział reak­tywnego tlenku wapnia[2] nie jest istotny dla twardnienia. Zawartość reaktywnego dwutlenku krzemu nie powin­na być mniejsza niż 25,0% masy. Pucolany powinny być prawidłowo przygotowane, tj. wyselekcjonowane, ujednorodnione, wysuszone lub pod­dane obróbce termicznej i rozdrobnione, w zależności od stanu, w jakim są produkowane lub dostarczane. Pucolany dzielą się na:

1.      ...