Technologie Betonów 2015.doc

(1884 KB) Pobierz
1

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.

 

Moduł krzemianowy:

Ms =SiO2 / (Al2O3+Fe2O3) =2,4 do 2,7 

Ze wzrostem wielkości tego modułu maleje szybkość wiązania.

 

Moduł glinowy:

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

Wytrzymałość na ściskanie jest najważniejszą właściwością cementu . Jest to 28-dniowa wytrzymałość normowej zaprawy, wykonanej przy użyciu tego cementu wg PN-EN-196-1 .

 Klasa wytrzymałości cementu to wyrażona w MPa gwarantowana wytrzymałość na ściskanie zaprawy normowej, dojrzewającej w określonych przez normę warunkach i zbadanej po 28 dniach. 

...

Zgłoś jeśli naruszono regulamin