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 Pantheon kupolája https://www.english-heritage.org.uk/content/images/propertydefaultimage/walltown_crags_hadrian's_wall.jpg 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 Al 2 O 3 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 MgCO 3 -ból nagy hőmérsékleten égetnek és MgSO 4 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 C 3 S (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 C 3 A 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 * * (American Society for Testing and Materials) Típus Osztályozás Jellemzők Alkalmazások I. típus Általános célokra Meglehetősen nagy C 3 A tartalom, nagy kezedő szilárdulás II. típus Közepes szulfátállóság Kis C 3 Atartalom (<8%) III. típus IV. típus Nagy korai szilárdulású Alacsony hidratációs hőjű (lassú reagálású) V. típus Nagy szulfátállóság Fehér Fehér színű Nagyon finomra őrölt kicsit magasabb C 3 S tartalom az átlagosnál Kis C 3 S és C 3 A tartalommal (<50%) Nagyon kicsi C 3 A tartalom (<5%) Nem tartalmaz C 4 AF-t, alacsony MgO tartalom Általános építkezés (legtöbb épület, híd alagút stb.) Szulfátos vizeknek kitett építményeknél Gyorsépítésű beton, hideg éghajlatú területeken Masszív építményeknél (pl.: duzzasztógátak), ma már ritka Koncentrált szulfát támadásnak kitett szerkezetekben Dekorációs célok, egyébként az I. típushoz hasonló célokra
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, ésolyan 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 Olvasztópernye Tengeri kagylóhéj Égetőkemence por Pelyva hamu Kohósalak
Cementgyártás Klinkergyártás 70-110 C Hőmérséklet nő 70-110 C szabad víz elpárolog 400-600 C agyagok bomlanak SiO 2, Al 2 O 3, dolomit MgO, CaO, CO 2 650-900 C CaCO 3 reagál SiO 2 -vel belit (Ca 2 SiO 4 ) képződik. 900-1050 C maradék CaCO3 lebomlik CO 2 1300-1450 C részleges (20-30%) olvadás, belit reagál a maradék CaO-al alit (Ca 3 SiO 5 ) keletkezik. 1300-1450 C 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: Si 2 Al 2 O 5 (OH) 2 2 SiO 2 + Al 2 O 3 + 2 H 2 O (gőz). A nyersanyag földpátos alkotói a savas jellegű kemencegázokkal reakcióba lépnek pl.: KAlSi 3 O 8 + 0.5 SO 2 + 0.25 O 2 3 SiO 2 + 0.5 Al 2 O 3 + 0.5 K 2 SO 4 500-650 C Dolomit bomlási zóna: dolomit összetevőire bomlik: CaMg(CO 3 ) 2 CaCO 3 + MgO + CO 2 A nem karbonátos Mg tartalmú ásványok is elreagálhatnak pl.: KMg 3 AlSi 3 O 10 (OH) 2 + 0.5 SO 2 + 0.25 O 2 0.5 K 2 SO 4 + 3 MgO + 0.5 Al 2 O 3 + 3 SiO 2 + H 2 O (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 CaCO 3 +SiO 2 Ca 2 SiO 4 (amorf belit)+2co 2 A MgO ésa nyersanyag apatit tartalma szintén fogyasztja a SiO2-t: 2 MgO+SiO 2 Mg 2 SiO 4 ; Ca 5 (PO 4 ) 3 OH+0.25SiO 2 1.5Ca 3 (PO 4 ) 2 +0.25Ca 2 SiO 4 +0.5H 2 O (gőz) 700-900 C Al- és Fe-oxid reakció zóna: kalcit reagál Al- és Fe oxidokkal: 12 CaCO 3 + 7 Al 2 O 3 Ca 12 Al 14 O 33 + 12 CO 2 (mayenit) 4 CaCO 3 + Al 2 O 3 + Fe 2 O 3 Ca 4 Al 2 Fe 2 O 10 + 4 CO 2 (tetra-ca aluminátferrit) 4 CaCO 3 + Al 2 O 3 + Mn 2 O 3 Ca 4 Al 2 Mn 2 O 10 + 4 CO 2
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: Ca 2 SiO 4 + CaO Ca 3 SiO 5 (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 C Kémiai formula CaO S SiO 2 A Al 2 O 3 F Fe 2 O 3 T TiO 2 M K N H MgO K 2 O Na 2 O H 2 O Ĉ CO 2 Ŝ SO 3 P P 2 O 5 Pl.: alit: Ca 3 SiO 5 3CaO*SiO 2 C 3 S tricalcium aluminát: Ca 3 Al 2 O 6 3CaO*Al 2 O 3 C 3 A tetrakalcium aluminoferrit: Ca 4 (AlFe) 4 O 10 4CaO*Al 2 O 3 *Fe 2 O 3 C 4 AF
Klinkerásványok CaO-SiO 2 -Al 2 O 3 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% Alacsony hőmérsékletű fázisok: Spurrit: Ca 5 (SiO 4 ) 2 (CO 3 ) Ternezit: Ca 5 (SiO 4 ) 2 (SO 4 ) Ellesztadit: Ca 10 (SiO 4 ) 3 (SO 4 ) 3 (OH) 2 Ye elimit: Ca 4 (AlO 2 ) 6 (SO 4 ) Fő ásványfázisok: alit: Ca 3 SiO 5 hatrurit belit: Ca 2 SiO 4 larnit tri-ca aluminát: Ca 3 Al 2 O 6 mayenit tetra-ca aluminoferrit: Ca 2 (AlFe) 2 O 5 brownmillerit-srebrodolszkit Oxidok: Periklász: MgO Mész: CaO Járulékos fázisok: < ~1% Sófázisok: Arcanit: K2SO4 Ca-Langbeinit: K 2 Ca 2 (SO 4 ) 3 Aphthitalit: K 3 Na(SO 4 ) 2 Szilvit: KCl
Portlandcementek klinkerásványai Szöveti jellemzők
Klinkerásványok Alit Ca 3 SiO 5 Mikroszövet Polimorf módosulatok: Szennyezők: MgO: max 1,5% Al 2 O 3 : max 1% Fe 2 O 3 : 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 Ca 2 SiO 4 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: Polimorf módosulatok: I típus egymást metsző lamellák Ia típus diszkrét részek a lamellák között II típus párhuzamos lamellák III típus nincsenek lamellák, továbbnövekedésként jelenkezik az Ia típuson Szennyezők: MgO -
Klinkerásványok Belit Ca 2 SiO 4 IA típus Hűlés közbeni szételegyedés, egymást keresztező α és β lamellákkal. Lassú hűtésre a sárgás borostyánszerű szín utal IB típus Hűtés során bekövetkező átkristályosodás eredménye Gyorsabb hűtés során alakul ki IC típus Átmeneti típus, kezdetben lassú majd gyors hűlési ráta során alakul ki
Klinkerásványok Tri-Ca aluminát Ca 3 Al 2 O 6 Trikalcium aluminát rombos rendszerben kristályosodik A szennyezők mennyisége: Na 2 O: akár 4wt% is lehet Fe 2 O 3 +SiO 2 : akár 16 wt% Alkáli tartalmú aluminát: NaCa 4 Al 3 O 9 magas Na tartalom hatására jelentkezik kis mennyiségben. Szilárd oldatot alkot a rombos aluminát és a monoklin Caaluminát között.
Klinkerásványok Tetra-Ca aluminoferrit Ca 2 (AlFe) 2 O 5 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 vagy négyszögletű krisályokból álló halmazok Nagy Mg tartalmú szilikát nyersanyagra utal (diopszid, hornblende stb.) Szabad mész: főleg kerekded izometrikus testek Gyakori az ún. epezitesedése Ekkor Ca(OH) 2 képződik belőle