Speciálkollégium
Dr. Fintor Krisztián
Magyary Zoltán Posztdoktori Ösztöndíj TÁMOP 4.2.4.A/2-11-1-2012-0001 Nemzeti Kiválóság Program Szeged 2014
Miért fontos a beton és a cement a földtudomány szempontjából?
Kötőanyag: ha cement akkor 100%ban földtani eredetű. Aggregátum: laza szerkezetű üledékek, Pl. sóder, más zúzott kőzettörmelék Kép forrása: http://www.neolit.hu/neolit/UserFiles/Image/Tevekenysegeink/Beremend_4.jpg
Miért fontos a beton és a cement a földtudomány szempontjából? Beton műtárgyak
Földtani környezet o időjárási viszonyok o felszín alatti fluidumok o szeizmikus aktivitás
Felszín alatti Beton létesítmények
Felszín alatti fluidumok
Ásványtan + Kőzettan + Geokémia
Cement és Beton Cement:
finomra őrölt szervetlen hidraulikus kötőanyag, amely vízzel összekeverve pépet alkot, és hidratációs folyamatok eredményeképpen levegőn vagy víz alatt megköt és megszilárdul, a szilárdulás után a víz alatt is megtartja a szilárdságát és stabilitását.
Beton (concrete): egy mesterséges építőanyag, amely
kötőanyagból (cementből), vízből és természetes vagy mesterséges adalékanyagokból (aggregátumok), esetleg adalékszerekből és egyéb kiegészítő anyagokból készül.
A cement és a beton története 2/1 Kr. e. ~3000 – Egyiptom: piramisok, meszes gipszes habarcs mint
kötőanyag Kr. e. ~3. szd.-tól – Kína: nagy fal építésénél már „igazi cement” Kr. e. 299 – Kr. u. 476 Római birodalom, ún. Római cement feltalálása Eredeti név „opus caementicium”. Pozzolanai/római cement: kőzettörmelék+égetett mész+víz keverékét jelentette, melybe vulkáni hamut és kerámia illetve téglaport is kevertek. Hadrianus fala
https://www.english-heritage.org.uk/content/images/propertydefaultimage/walltown_crags_hadrian's_wall.jpg
Pantheon kupolája
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/6/6c/Int ernal_Pantheon_Light.JPG/800px-Internal_Pantheon_Light.JPG
A cement és a beton története 2/2 Modern cementgyártás előfutára John Smeaton 1756-ban. római források alapján → hidraulikus mész (Plymouth világítótorony)
1796 James Parker római cement vagy „Parker cement”
1824 Joseph Aspdin feltalálja az ún. „portlandcementet” (Portland város
környéki mészkő színére hasonlított)
https://courses.cit.cornell.edu/arch264/notes/images/05-smeaton.jpg
Cementfajták Cementek: 1. Portlandcementek: Mészkő hevítésével készül a cement úgy, hogy
kevés ásványi anyagot adnak hozzá (pl. agyagot). A folyamat, mely során az anyagot cementégető kemencében 1450 °C-ra hevítik kalcinálásnak nevezzük. A keletkező kemény anyag a klinker, melyet kevés gipsz hozzáadásával porrá őrölnek, hogy végül elkészüljön a legelterjedtebb cement fajta, a közönséges „Portland Cement”. 2. Ca-Aluminátcementek: Ezek nyersanyaga valamilyen nagy Al2O3 tartalmú anyag, pl. bauxit vagy timföld, melyet mészkővel vagy mésszel keverve égetnek ki. A bauxitcementek rendkívül nagy kezdeti szilárdsággal rendelkeznek, ám néhány évtized alatt ez nagymértékben csökken. Az aluminátcementeket ma leginkább tűzállóanyagok gyártására használják. 3. Sorel-cement vagy magnézia-cementek: Alapanyaga lágyan égetett, nem zsugorított MgO melyet MgCO3-ból nagy hőmérsékleten égetnek és MgSO4 oldattal keverik. Főként melegpadlók készítésére vagy műanyag burkolatú padlózatokhoz használják.
Portlandcementek Modern portlandcement fajták: Nagy kezdő- és végszilárdságú portlandcementek: Csak olyan klinkerfajtákból állítható elő, melyekben a C3S (vagyis a 3:1 arányú mész/kvarc - CaO/SiO2 - kristály) tartalom legalább 60-70 tömegszázalék. Út-és pályaépítési cementek: ott alkalmazzák, ahol elsősorban a hajlító igénybevétel a döntő. A min. 45 MPa nyomószilárdság mellett a cementben a hajlító/nyomószilárdság aránya el kell hogy érje az 1:5-1:6 arányt. Közepes szilárdságú portlandcementek: Hidraulikus kiegészítőanyagként granu-lált kohósalak vagy szénpernye őrleményt tartalmaznak. Szulfátálló portlandcementek: A szulfátálló portlandcementek C3A klinkerásvány-tartalma 3-5 tömegszázalék, hogy ellenállóbb legyen a szulfátokkal szemben. Mélyfúrási cementek: Ezeket a cementeket elsősorban nagy mélységű fúrólyukak kivitelezéséhez használják fel. Legfontosabb követelményük a kötésidő és a hajlítószilárdság.
Portlandcement típusok ASTM szerinti osztályozás* Típus
Osztályozás
*(American Society for Testing and Materials)
Jellemzők
Alkalmazások
I. típus
Általános célokra
Meglehetősen nagy C3A tartalom, nagy kezedő szilárdulás
II. típus
Közepes szulfátállóság
Kis C3Atartalom (<8%)
Szulfátos vizeknek kitett építményeknél
Nagy korai szilárdulású
Nagyon finomra őrölt kicsit magasabb C3S tartalom az átlagosnál
Gyorsépítésű beton, hideg éghajlatú területeken
Alacsony hidratációs hőjű (lassú reagálású)
Kis C3S és C3A tartalommal (<50%)
Masszív építményeknél (pl.: duzzasztógátak), ma már ritka
Nagy szulfátállóság
Nagyon kicsi C3A tartalom (<5%)
Koncentrált szulfát támadásnak kitett szerkezetekben
Nem tartalmaz C4AF-t, alacsony MgO tartalom
Dekorációs célok, egyébként az I. típushoz hasonló célokra
III. típus
IV. típus
V. típus
Fehér
Fehér színű
Általános építkezés (legtöbb épület, híd alagút stb.)
Cementgyártás A mai cementek összetételét tudatosan állítják össze, szemben az egykori cementekkel, amelyek összetétele a márga természet adta összetételétől függött. A cementet mészkő és agyag hozzávetőlegesen 2:1 arányú keverékéből, esetlegesen az ezeket hordozó márga felhasználásával gyártják. A cementgyártás három műveletre osztható: 1. Nyersanyagok előkészítése 2. Klinkergyártás (égetés) 3. Cementgyártás (őrlés)
Cementgyártás Nyersanyagok előkészítése A cementkészítés nyersanyagait úgy választják meg, és olyan arányban kombinálják, hogy eredményként a kívánt kémiai összetételű cementet kapják. Ezeket malomban őrlik → „Nyersliszt” Kalcium
Szilícium
Alumínium
Vas
Mészkő
Agyag
Agyag
Agyag
Márga
Márga
Agyagpala
Vasérc
Kalcit
Homok
Szálló hamu
Vaspörk
Aragonit
Agyagpala
Alumínium érc hulladék
Agyagpala
Agyagpala
Szálló hamu
Tengeri kagylóhéj
Pelyva hamu
Égetőkemence por
Kohósalak
Olvasztópernye
Cementgyártás Klinkergyártás 70-110 °C Hőmérséklet nő
70-110 °C ⇒ szabad víz elpárolog 400-600 °C ⇒ agyagok bomlanak → SiO2, Al2O3,
dolomit→ MgO, CaO, CO2
650-900 °C ⇒ CaCO3 reagál SiO2-vel → belit (Ca2SiO4)
képződik.
900-1050 °C ⇒ maradék CaCO3 lebomlik → CO2 ↑ 1300-1450 °C ⇒ részleges (20-30%) olvadás, belit reagál a
1300-1450 °C
maradék CaO-al → alit (Ca3SiO5) keletkezik.
A részleges olvadástól az anyag összecsomósodik és darabos lesz. A darabok átmérője átlagban 1–10 mm közötti. Ezt nevezik. Klinkernek. A klinkert lehűtik majd száraz helyen tárolják.
Cementgyártás Klinkergyártás – Kalcinálási zóna 400-900 °C 400-650 °C Agyag bomlási zóna: a legfontosabb agyag a kaolinit,
ennek bomlása: Si2Al2O5(OH)2 → 2 SiO2 + Al2O3 + 2 H2O (gőz).
A nyersanyag földpátos alkotói a savas jellegű kemencegázokkal reakcióba lépnek pl.: KAlSi3O8 + 0.5 SO2 + 0.25 O2 → 3 SiO2 + 0.5 Al2O3 + 0.5 K2SO4 500-650 °C Dolomit bomlási zóna: dolomit összetevőire bomlik:
CaMg(CO3)2 → CaCO3 + MgO + CO2 A nem karbonátos Mg tartalmú ásványok is elreagálhatnak pl.: KMg3AlSi3O10(OH)2 + 0.5 SO2 + 0.25 O2 → 0.5 K2SO4 + 3 MgO + 0.5 Al2O3 + 3 SiO2 + H2O (gőz)
Cementgyártás Klinkergyártás – Kalcinálási zóna 400-900 °C 650-900 °C Kalcit bomlási zóna: a magas (~35%) CO2 tartalom miatta a kalcit bomlása csak ~830 °C-on következik be, ezért a következő reakció a jellemző folyamat:
2 CaCO3+SiO2 → Ca2SiO4 (amorf belit)+2CO2 A MgO és a nyersanyag apatit tartalma szintén fogyasztja a SiO2-t: 2 MgO+SiO2 → Mg2SiO4; Ca5(PO4)3OH+0.25SiO2 → 1.5Ca3(PO4)2+0.25Ca2SiO4+0.5H2O (gőz) 700-900 °C Al- és Fe-oxid reakció zóna: kalcit reagál Al- és Fe oxidokkal:
12 CaCO3 + 7 Al2O3 → Ca12Al14O33 + 12 CO2 (mayenit) 4 CaCO3 + Al2O3 + Fe2O3 → Ca4Al2Fe2O10 + 4 CO2
4 CaCO3 + Al2O3 + Mn2O3 → Ca4Al2Mn2O10 + 4 CO2
(tetra-Ca aluminátferrit)
Cementgyártás Klinkergyártás – Szinterezés 1300-1425 °C ~1300 °C körül van a ferrit-aluminát-szilikát keverék eutektikus
hőmérséklete ⇒ részleges olvadás A liquid fázis megjelenésekor indul meg az alit képződése belit-ből CaO felvétel hatására: Ca2SiO4 + CaO → Ca3SiO5 (alit)
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/8/8e/Hot_Clinker_2.jpg
http://www.gulfgategeneraltrading.com/images/products/ceme nt/clinker/clinker%20photo%202.jpg
Cementgyártás Fázisok térfogatarányainak változása
Cementkémiai rövidítések Cementkémiai rövidítés
Kémiai formula
C
CaO
S
SiO2
A
Al2O3
F
Fe2O3
T
TiO2
M
MgO
K
K2O
N
Na2O
H
H2O
Ĉ
CO2
Ŝ
SO3
P
P2O5
Pl.: alit: Ca3SiO5 → 3CaO*SiO2 → C3S tricalcium aluminát: Ca3Al2O6 → 3CaO*Al2O3 → C3A tetrakalcium aluminoferrit: Ca4(AlFe)4O10→ 4CaO*Al2O3*Fe2O3 → C4AF
Klinkerásványok CaO-SiO2-Al2O3 rendszer fázisdiagramja Portland cementek
Ca-aluminátcementek
Portlandcementek klinkerásványai Egy jó minőségű általános felhasználású klinker a következő anyagokból áll: Fázis
Mennyiség
alit
~72%
belit
~9%
aluminát
~7%
ferrit
~10%
sófázisok
~1%
szabad mész
~1%
Fő ásványfázisok: • alit: Ca3SiO5 → hatrurit
• belit: Ca2SiO4 → larnit • tri-Ca aluminát: Ca3Al2O6 → mayenit
• tetra-Ca aluminoferrit: Ca2(AlFe)2O5→ brownmillerit-srebrodolszkit Járulékos fázisok: < ~1% Oxidok:
Sófázisok:
Alacsony hőmérsékletű fázisok: • Periklász: MgO
• Arcanit: K2SO4
• Spurrit: Ca5(SiO4)2(CO3)
• Ca-Langbeinit: K2Ca2(SO4)3
• Mész: CaO
• Ternezit: Ca5(SiO4)2(SO4)
• Aphthitalit: K3Na(SO4)2
• Ellesztadit: Ca10(SiO4)3(SO4)3(OH)2
• Szilvit: KCl
• Ye’ elimit: Ca4(AlO2)6(SO4)
Portlandcementek klinkerásványai Szöveti jellemzők
Klinkerásványok Alit – Ca3SiO5 Mikroszövet
Polimorf módosulatok:
Szennyezők: MgO: max 1,5% Al2O3: max 1%
Fe2O3: max 1,2% A szennyezők képesek stabilizálni az M1 és M2 módosulatokat.
T: triklin M: monoklin R: rombos
Hexagonális kristályokat alkot 1250 °C alatti módosulatai instabilak, és hamar visszaalakulnak belitté
Klinkerásványok Belit – Ca2SiO4 Mikroszövet
A β- és az α-fázisok amik uralkodó mennyiségben vannak a portland cementben. • 1300 °C alatt 1-4 μm-es szemcsék • ~1500 °C körül 20-40 μm-es szemcsék
Insley-féle klasszifikáció: • I típus –egymást metsző lamellák • Ia típus – diszkrét részek a lamellák között
Polimorf módosulatok:
Szennyezők: MgO -
• II típus – párhuzamos lamellák • III típus – nincsenek lamellák, továbbnövekedésként jelenkezik az Ia típuson
Klinkerásványok Belit – Ca2SiO4
IA típus
IB típus
IC típus
Hűlés közbeni szételegyedés, egymást keresztező α és β lamellákkal. Lassú hűtésre a sárgás borostyánszerű szín utal
Hűtés során bekövetkező átkristályosodás eredménye Gyorsabb hűtés során alakul ki
Átmeneti típus, kezdetben lassú majd gyors hűlési ráta során alakul ki
Klinkerásványok Tri-Ca aluminát – Ca3Al2O6
Trikalcium aluminát rombos rendszerben kristályosodik A szennyezők mennyisége: Na2O: akár 4wt% is lehet Fe2O3+SiO2: akár 16 wt%
Alkáli tartalmú aluminát: NaCa4Al3O9 magas Na tartalom hatására jelentkezik kis mennyiségben. Szilárd oldatot alkot a rombos aluminát és a monoklin Caaluminát között.
Klinkerásványok Tetra-Ca aluminoferrit – Ca2(AlFe)2O5 • Rombos • Tetragonális • Monoklin Lassan hűlő típus: penge alakú Közepesen gyorsan hűlő: prizmás Gyorsan hűlő: dendrites
Klinkerásványok Periklász és mész– MgO, CaO
Periklász: főleg háromszög átmetszetű
Szabad mész: főleg kerekded
vagy négyszögletű krisályokból álló
izometrikus testek
halmazok
Gyakori az ún. epezitesedése
Nagy Mg tartalmú szilikát nyersanyagra
Ekkor Ca(OH)2 képződik belőle
utal (diopszid, hornblende stb.)
