SPOIWA
Przez spoiwo w betonie rozumie się ten składnik, który w wyniku przemian fizycznych, chemicznych bądź fizykochemicznych twardnieje, łącząc się w monolityczną całość z rozdrobnionym składnikiem stałym.
· Spoiwa powietrzne-wiążą tylko w powietrzu. Wykonane z nich betony są wrażliwe na wilgoć bądź całkowicie nieodporne na wodę przy stałym zetknięciu. Wykorzystywane są w zasadzie tylko do produkcji niektórych betonów lekkich np. komórkowych
· Spoiwa hydrauliczne-mogą wiązać w powietrzu i pod wodą. Wykonane z nich betony odporne są na działanie wody, a nawet woda powoduje stały wzrost ich wytrzymałości. Dotyczy to wody nieagresywnej w stosunku do betonu. Podstawowym spoiwem tej grupy jest cement. Do betonów zwykłych stosuje się jako spoiwo wyłącznie cement.
.
WIĄZANIE I TĘŻENIE SPOIW
Okres I – wstępnego dojrzewania. Składniki spoiwa przechodzą do wody, np jak w przypadku cementu w wyniku:
- hydratacji (uwodnienia) przyłączenia przez składniki cementu wody
- hydrolizy – rozpad składników cementu na jony.
W technologii betonu te procesy określono hydratacją.
Okres II – wiązanie. W przesyconym roztworze zaczyna się krystalizacja – powstają nowe związki, mieszanka zaczyna tężeć. W chwili tkw jest już ciałem stałym. Okres tpw – tkw nazywany jest czasem wiązania.
Okres III – dalsza krystalizacja i stopniowy wzrost wytrzymałości.
Okres IV – okres eksploatacji, a sprzyjających warunkach dalszy wzrost wytrzymałości.
Miałkość ( stopień zmielenia) określa przeciętną wielkość ziaren spoiwa ( cm2/g). Miałkość dotyczy tych spoiw, które po wypaleniu są rozdrabniane mechanicznie, a więc głównie spoiw hydraulicznych ( np. cementy). Miałkość wywiera istotny wpływ na proces dojrzewania. Im drobniejsze ziarna, tym w tej samej objętości cementu istnieje większa powierzchnia styku cementu z wodą, a więc większa powierzchnia, na której zachodzi jednocześnie reakcja. Wpływa to na zwiększenie samoocieplenia oraz przyspieszenie procesu wiązania i szybszego przyrostu wytrzymałości wyrobu. Im cementy wyższych klas, i z kolei szybkotwardniejące, tym z reguły są bardziej miałkie. Im większa jest miałkość tym więcej wydziela się ciepła i mamy skoki naprężeń termicznych (niebezpieczne w wyniku powstawania rys i pęknięć)
Kaloryczność spoiw i jej praktyczne znaczenie:
Kaloryczność polega na wydzielaniu ciepła przez spoiwo po zetknięciu z wodą, tj. w czasie hydratacji. Hydratacja ( uwodnienie ) spoiwa jest zawsze połączona z wydzielaniem ciepła ( reakcja egzotermiczna).
Kaloryczność zależy przede wszystkim od:
· miałkości cementu. Im drobniej zmielone spoiwo, tym szybciej reaguje z wodą i więcej ciepła wydziela w jednostce czasu. Ponadto cement drobniej zmielony ( o średnicy poniżej 15 mm) hydratyzuje w całej swej masie, natomiast grubiej zmielony ( np. około 30mm) tylko w 50%.
· składu chemicznego. Wraz ze wzrostem zawartości CaO, który wykazuje najwyższe ciepło hydratacji, kaloryczność spoiwa wzrasta.
· temperatury spoiwa. Wiadomo z chemii, że przy wzroście temperatury o 10°C, szybkość przebiegu reakcji chemicznej rośnie dwukrotnie. Temperatura otoczenia ma istotny wpływ na ilość ciepła wydzielanego przez spoiwo.
W praktyce budowlanej kaloryczność może mieć pozytywny bądź negatywny wpływ na beton.
Wpływ pozytywny to pożądane w okresie chłodów lub zimy samoocieplenie się m.b. lub zaprawy, ponieważ proces wiązania i początkowego twardnienia muszą zachodzić w temperaturze dodatniej.
Wpływ negatywny to możliwość powstania rys i pęknięć masywu betonowego, wywołanych różnicą temperatur pomiędzy warstwą zewnętrzną betonu, a znacznie wolniej stygnącą warstwą wewnętrzną ( gradient temperaturowy może wywołać rysy termiczne.
Zmiany objętości spoiw to:
· skurcz -skurczem nazywamy zmniejszenie się objętości zaprawy czy betonu w wyniku ubytku wody W zależności od przyczyn występowania skurczu rozrużnia się:
a) - skurcz fizyczny powodowany wyparowaniem części wody zarobowej. (częściowo odwracalny).
b) - skurcz chemiczny (kontrakcja) powstaje w wyniku związania przez składniki cementu pewnej ilości wody
Skurcz powoduje występowanie naprężeń skurczowych. Jeżeli te naprężenia osiągną wytrzymałość betonu na rozciąganie to wystąpią zarysowania lub spękania.
W zależności od czasu w jakim wystąpi skurcz rozróżnia się:
a) - skurcz plastyczny, występujący w czasie wiązania i pierwszych godzin twardnienia (po około 7-8 godz. po ułożeniu betonu);
b) - skurcz efektywny : sumaryczny skurcz fizyczny i chemiczny określony w umownym okresie czasu;
c) - skurcz końcowy – skurcz po 2-3 latach od momentu ułożenia mieszanki betonowej.
W zależności od rodzaju odkształceń:
· pęcznienie ( wywoływane jest głównie przyczynami natury chemicznej)
Pęcznienie w betonie lub zaprawie wywołuje obecność tlenku wapnia (CaO), tlenku magnezu ( MgO) lub siarczanu wapnia (CaSO4). Pod wpływem wilgoci z powietrza zarówno CaO jak i MgO uwadniają się na Ca(OH)2 i Mg(OH)2 jednocześnie zwiększając swoją objętość.
Natomiast gips (CaSO4) w obecności glinianu trójwapniowego (3CaO ×Al2O3) wiąże chemicznie wodę, tworząc sól Candlota, czyli tzw. bakcyl cementowy o wzorze 3CaO × Al2O3 × 3 CaSO4 × 31H2O, który krystalizując znacznie zwiększa swoją objętość.
W każdym z wymienionych przypadków zaprawa lub beton ulega spękaniu a niekiedy nawet rozpada się.
WAPNO
Rodzaje spoiw wapiennych:
àwapno wapniowe L-zawiera tlenek lub wodorotlenek wapnia
àwapno dolomitowe DL
àwapno hydrauliczne HL
Otrzymywanie wapna: wypala się w piecach obrotowych na gaz, węgiel lub paliwa płynne. Proces wypalania się nazywa się prażeniem. Wypala się w 900-1000 C
Wiązanie wapna
Wiązanie wapna następuje na skutek reakcji chemicznej z dwutlenkiem węgla zawartym w powietrzu i proces ten trwa długo (3 - 4 tygodnie). Jednocześnie zachodzi reakcja z kruszywem dzięki czemu może powstać twarda powłoka. Jednak grubsza warstwa wapna niestykająca się bezpośrednio z piaskiem ma znikomą wytrzymałość, a zatem tworzy powłokę o małej przyczepności.
RODZAJE WAPNA POWIETRZNEGO:
1. - wapno hydratyzowane
a) mokrogaszone
b) suchogaszone
2. - wapno palone mielone
Zalety wapna palonego mielonego:
- Nie wymagana jest czynność gaszenia na budowie i sezonowania;
- dzięki wysokiemu ciepłu hydratacji wapno to szybko wiąże i twardnieje
- można stosować zimą
Wady wapna palonego mielonego:
- wskutek wchłaniania wilgoci z powietrza po 2-3 tygodniach traci swoje właściwości;
- szkodliwe dla zdrowia
Gaszenie (lasowanie) wapna palonego polega na ręcznym lub mechanicznym mieszaniu z wodą.
WAPNO HYDRAULICZNE Wapno to charakteryzuje się tym, że po początkowym twardnieniu na powietrzu może dalej twardnieć i pod wodą.
GIPS
Prażenie gipsu:
Po rozdrobnieniu CaSO4*2H2O jest prażony w piecach obrotowych. W temperaturze 120-150°C następuje dehydratyzacja, kamień gipsowy traci 2/3 wody i przechodzi w gips półwodny. CaSO4*2H2O CaSO4*0,5H2O + 1,5H2O
W zależności od warunków prażenia otrzymuje się jedną z dwóch odmian:
- odmianę α – otrzymuje się, gdy dehydratyzacja zachodzi w atmosferze pary wodnej. Odmiana α ma budowę grubokrystaliczną, wytrzymałość na ściskanie rzędu 40MPa, charakteryzuje się wysokim ciepłem hydratacji;
- odmianę β –gips budowlany -powstaje w warunkach odprowadzania z prażarki pary wodnej. Odmiana ta ma budowę drobnokrystaliczną, jest łatwo rozpuszczalna w wodzie, ma wytrzymałość rzędu 12 Mpa, charakteryzuje się małym ciepłem hydratacji (9 razy Mniejszym od odmiany α).
· Gips budowlany (gips odmiany β) wiąże w czasie 5-40 min.
W celu opóźnienia wiązania stosuje się:
- cukry proste: sacharozę, glukozę, fruktozę;
- związki nieorganiczne, np: boraks, wapno, kwas trójnitrylooctowy.
Domieszki te umożliwiają przesunięcie początku wiązania od 30 minut do 2 godzin.
Podnosząc temperaturę prażenia otrzymuje się kolejne rodzaje gipsu:
· Anhydryt
Anhydryt jest solą występującą w kolorach niebieskim, białym oraz przeźroczystym. Zastosowanie: przemysł chemiczny, produkcja cementu, tynki, okładziny, posadzki; wykorzystywany do płuczek wiertniczych.
· Estrichgips
Otrzymuje się przez wypalanie CaSO4*2H2O w temperaturze przekraczającej 800 C. Głównym składnikiem mineralnym jest anhydryt I. Estrichgips ma pewne właściwości hydrauliczne oraz wykazuje większą wodoodporność niż gips zwykły. Wytrzymałość wyrobów z estrichgipsu na ściskanie po 28 dniach wynosi 18 MPa. Spoiwo z estrichgipsu z uwagi na swoje właściwości może być stosowane do wykonywania podkładów pod posadzki wylewane, prefabrykowanych elementów budowalnych, płytek posadzkowych itp. Ponadto wykonuje się z niego sztuczny marmur.
CEMENTY
Głównym składnikiem cementów powszechnego użytku jest klinkier
Skład chemiczny klinkieru: CaO 60 - 68 %; MgO 0,3 - 5 % ; SiO2 18 - 26 % ; Al2O3 4 - 9 % Fe2O3 1 - 6 % .Dobierając surowce o różnych procentowych zawartościach tych związków można uzyskać cementy o wymaganych właściwościach. Wpływ stosunków ilościowych składników chemicznych cementu na jego właściwości opisano modułami:
Moduł hydrauliczny czyli stosunek składników zasadowych do hydraulicznych:
Mh = (CaO+MgO) / ( SiO2+Al2O3+Fe2O3) = 1,7 do 2,3
Ze wzrostem tego modułu:
· wzrasta wytrzymałość na ściskanie,
· wzrasta skurcz
· maleje odporność na działanie siarczanów.
Ms =SiO2 / (Al2O3+Fe2O3) =2,4 do 2,7
Ma=Al2O3 / Fe2O3 =1 do 4
Ze wzrostem wielkości tego modułu:
· wzrasta skurcz;
· maleje odporność na siarczany.
W trakcie wypalania i studzenia klinkieru związki chemiczne występujące w surowcach (CaO, SiO2, Al2O3, Fe2O3) reagując pomiędzy sobą tworzą nowe związki.
Ostudzony klinkier zawiera cztery podstawowe związki (stałe fazowe – minerały). Stanowią one ponad 95% objętości cementu portlandzkiego.
Wiązanie i twardnienie cementu portlandzkiego.
Po zarobieniu cementu wodą (w/c=0,35-0,7) ziarna cementu są zawieszone w wodzie. Proces wiązania i stopniowego twardnienia przebiega w dwóch fazach:
I HYDRATACJA
Woda stykająca się z powierzchnią ziaren cementu wnika do ziaren. Przypowierzchniowe strefy ziaren pękają i składniki fazowe przechodzą do wody w wyniku zachodzenia dwóch procesów chemicznych:
- hydrolizy (rozpuszczania)– rozpuszczaniu ulegają krzemiany C3S i C2S
- hydratacji – rozpadowi na jony ulegają gliniany C3A i CuAF.
W technologii betonu oba te procesy nazwano hydratacją.
II KRYSTALIZACJA
W wodzie otaczającej ziarna cementu (woda żelowa) stopniowo następuje krystalizacja stałych fazowych, tworzą się ich uwodnione związki o średnicach 1-100μm, które z czasem twardnieją.
Rola gipsu
Klinkier cementowy wykazuje błyskawiczne wiązanie i nieodwracalne obniżenie wytrzymałości związane z gwałtowną hydratacją C3A. Ta stała fazowa tworzy sieć kryształów o bardzo małych parametrach wytrzymałościowych.. Dodatek CaSO4*2H2O hamuje hydratację C3A.
Cementy powszechnego użytku
Są to cementy klinkierowe – 5 grup. Pierwsza – CEM I zawiera 95% klinkieru. Jest to czysty cement klinkierowy – cement portlandzki. W pozostałych 4 grupach część klinkieru zastępuje sie różnymi domieszkami mineralnymi dodawanymi w czasie mielenia klinkieru.
Są to tak zwane składniki główne nieklinkierowe.
SKŁADNIKI GŁÓWNE:
1. klinkier
2. składniki nieklinkierowe:
- granulowany żużel wielkopiecowy S
- pucolana naturalna P
- pucolana sztuczna Q
- popiół lotny krzemionkowy V
- popiół lotny wapienny W
- łupek palony T
- wapień L
- pył krzemionkowy D
SKŁADNIKI DRUGORZĘDNE (m < 5% mC)
CEM I (cement portlandzki) charakteryzuje się:
- wysoką dynamiką przyrostów wytrzymałości wczesnej
- niewielką dynamiką przyrostów wytrzymałości po długich okresach dojrzewania
- wysokim ciepłem hydratacji (uwodnienia)
- dużym skurczem - małą odpornością na agresję chemiczną
- małą odpornością na wysokie temperatury
CEM III (cement hutniczy)
- wolniejszym procesem twardnienia i wiązania od CEM I
- opóźnionym o ok. 30% czasem początku i końca wiązania
- małym ciepłem hydratacji
- małą dynamiką wzrostu wytrzymałości wczesnej
- dużą dynamiką przyrostu wytrzymałości późniejszych 28-90 dni
- małym skurczem, ale większą od CEM I podatnością na zarysowania skurczowe ( małe wytrzymałości początkowe)
- większą od CEM I odpornością na agresję chemiczną i wysoką temperaturę
- bardzo małymi przyrostami wytrzymałości w niskich temperaturach.
Wytrzymałość na ściskanie
Klasa wytrzymałości cementu to wyrażona w MPa gwarantowana wytrzymałość na ściskanie zaprawy normowej, dojrzewającej w określonych przez normę warunkach i zbadanej po 28 dniach.
...
Patryczek688