7.1Dobo.docx

Michał Doboszyński, gr. II, zespół nr 14, Wydział Inżynierii Lądowej, Rok Akademicki 2008/09.

Ćw. 7.1: Komputerowa symulacja hydratacji cementu

Data wykonania ćwiczenia: 21.11.2008r.

Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest komputerowa symulacja i analiza zmian mikrostruktury podczas hydratacji cementu przebiegającej w zaczynie cementowym, z uwzględnieniem różnych czynników wpływających na przebieg tego procesu.

Podstawy teoretyczne

Cement portlandzki należy do najczęściej stosowanych mineralnych spoiw hydraulicznych. Podstawowymi surowcami stosowanymi do produkcji cementu portlandzkiego są wapienie i gliny lub margle. Poddaje się je wspólnemu wypalaniu. W wyniku wypalania otrzymuje się półprodukt, tzw. klinkier cementu portlandzkiego, który miele się z dodatkiem 3-5% gipsu, który jest regulatorem wiązania. Klinkier w zależności od użytych surowców ma różny skład chemiczny. Skład chemiczny cementu podaje się w przeliczeniu na tlenki, które podajemy jako wynik analizy, ale bardziej złożone związki chemiczne – krzemiany, gliniany i glinożelaziany.

Zaczyn cementowy powstaje przez zmieszanie cementu z wodą. W technologii cementu hydratacja cementu jest rozumiana jako zbiór reakcji chemicznych chemicznych procesów fizycznych zachodzących po zmieszaniu cementu z wodą. W początkowej fazie zaczyn cementowy tworzy układ będący zawiesiną ziaren cementu w wodzie zarobowej. Następnie składniki cementu zawarte w zaczynie zaczynają reagować z wodą. Poszczególne składniki cementureagują z wodą z różną szybkością, przy czym procesy hydratacji jednych faz oddziałują na hydratację innych faz. Najszybciej ulega jej C3A (glinian trójwapniowy). Następnie krzemian trójwapniowy C3S, czyli tzw. alit. Im większe stężenie alitu i glinianu trójwapniowego trójwapniowego cemencie, tym proces wiązania jest szybszy. Gips dwuwodny dodany do cementu przesuwa w czasie zarówno początek jak i koniec wiązania. Niekorzystna jest natomiast obecność półhydratów, które działają odwrotnie i mogą być przyczyną tzw. fałszywego wiązania.

Do przeprowadzenia tego ćwiczenia użyliśmy komputerowej symulacji stworzonej w 1993 r. w NIST w USA. Służy on głównie do pokazania różnic w szybkości reakcji prowadzących do wiązania cementu, zmian w jego strukturze, a co za tym idzie właściwościach mechanicznych oraz odzwierciedlenia zjawisk takich jak efekt jednostronnego wzrostu, czy też efekt ściany jakie mają miejsce w strukturze hydratującego cementu w zależności od cech kruszywa, dodatków oraz domieszek modyfikujących.

Przebieg wykonywanych czynności

Po uruchomieniu programu wprowadziłem do niego następujące dane:

·         kruszywo

·         połówkowa grubość ziarna - 10

·         rodzaj - obojętny

·         cement

·         liczba ziaren (152)

·         średnica ziaren (11)

·         składnik jaki mają oznaczać

Spisałem dane o zawartości poszczególnych faz i wyliczyłem według podanego wzoru stosunek wodno cementowy.

Następnie wprowadziłem dane dotyczące przebiegu hydratacji:

·         przebieg hydratacji – do osiągnięcia zadanego stopnia hydratyzowania = 0,7

·         liczba kroków obliczeniowych w jednym cyklu – 500

·         współczynnik prawdopodobieństwa powstania zarodka krystalizacji portlandytu – 0,9

·         współczynnik skali – 10000

Te same dane wprowadziłem do drugiej symulacji, jednak dołączyłem jeszcze jeden element:

·         dodatek drobnoziarnisty

·         rodzaj – obojętny

·         współczynnik pucolanowości

Obliczenia

Końcowe wyniki

Część I

Część II

Wnioski końcowe

Na skutek fizycznych właściwości ziarna kruszywa w pobliżu jego ścianki tworzy się tzw. „efekt ściany”. Wytwarza się tam strefa o zwiększonej porowatości, a tym samym o gorszych właściwościach mechanicznych. Aby uniknąć tego niekorzystnego zjawiska możemy do zaprawy dodać dodatek mineralny o własnościach pucolanowych. Jak widać na wykresie nr 2 znacznie zmniejsza on efekt ściany, a zarazem obniża zarówno odchylenie od średniej zawartości fazy porowej, jak i samą jej średnią zawartość. Symulacja demonstruje również w jaki sposób ziarna krzemionki wiążą wodę w reakcji z CH w lukach między ziarnami cementu, tym samym uszczelniając go oraz zapobiegając efektowi jednostronnego wzrostu w miejscach otoczonych przez ziarna cementu, gdzie reakcje jego hydratacji są utrudnione. Dodanie krzemionki spowodowało również niemal zupełny zanik fazy krystalicznej CH co było spowodowane jej uczestnictwem w reakcji hydratacji, a co za tym idzie brakiem warunków do krystalizacji.

Literatura

§         „Ćwiczenia laboratoryjne z chemii budowlanej” L. Czarnecki, P. Łukowski, A. Garbacz, B. Chmielewska, Warszawa 2007

§         „Chemia w budownictwie” – L. Czarnecki, T. Broniewski, O. Henning

§         Internet