Hidratacija cementa
Hidratacija cementa, građevinski materijali
Hidratacija cementa, građevinski materijali
Create successful ePaper yourself
Turn your PDF publications into a flip-book with our unique Google optimized e-Paper software.
Građevinski Fakultet Univerziteta u Sarajevu<br />
Student: Džana Lukovac<br />
Građevinski materijali<br />
Prof.dr. Azra Kurtović<br />
<strong>Hidratacija</strong> <strong>cementa</strong><br />
1. Uvod<br />
Cement je jedan od glavna 3 sastojka betona i cementnog maltera. Pored <strong>cementa</strong> za spravljanje<br />
betona potrebna je voda i kameni agregat (šljunak ili drobljeni kamen), te aditivi. Mogli bismo reći da<br />
je na neki način cement „najvažniji“sastojak jer je on vezivni materijal koji betonu daje čvrstoću. Ova<br />
će čvrstoća ovisiti o vrsti i količini <strong>cementa</strong> te o „vodocementnom faktoru“, tj. odnosu količine vode i<br />
<strong>cementa</strong> u smjesi. Cement je mineralno vezivo koje se najčešće dobiva usitnjavanjem i pečenjem<br />
krečnjaka i gline (ili lapora), najčešće u odnosu 3:1. Ovim procesom dobivaju se „silikatni cementi“<br />
(pored njih značajni su i „aluminatni cementi“ kod kojih se umjesto gline koristi boksit i koji se koriste<br />
u slučajevima specijalnih termičkih zahtijeva). Ovako dobiveni građevinski materijal zove se još i<br />
„portland cementni klinker“, a u cementu se pored njega obično nalaze i manje količine sedre,<br />
anhidrita, gipsa i pepela, a koje se cementu dodaju radi reguliranja vremena vezivanja a i radi<br />
kontrole oslobađanja hidratacijske toplote. Naime, prilikom vezivanja s vodom, nastaje kemijski<br />
proces koji se naziva „hidratacija <strong>cementa</strong>“, a prilikom koga se oslobađa toplota.<br />
Prema tome, u procesu hidratacije (reakciji s vodom), Portland cement pomiješan s pijeskom,<br />
šljunkom i vodom daje sintetičku stijenu koju zovemo beton. Međutim, u tom procesu oslobađa se<br />
velika količina toplote, što predstavlja veliki problem naročito kod izvođenja velikih blokova betona<br />
(npr. kod izvođenja gravitacionih betonskih brana). Naime, u sredini bloka akumulira se veliki dio te<br />
hidratacijske toplote, dok se po rubovima ona predaje okolini, zbog čega dolazi do formiranja<br />
neželjenih naprslina i pukotina.<br />
2. Proces hidratacije: reakcije<br />
U bezvodnom stanju, četiri glavne vrste minerala su normalno prisutna u cementu i to: alit (C 3 S), belit<br />
(C 2 S), aluminat (C 3 A) i feritna faza (C 4 AF), te mala količina sulfatnog klinkera (sulfati natrija, kalija i<br />
kalcija), kao i gipsa, koji se dodaje kada se klinker melje da se dobije poznatu sivi prah:<br />
Kemijski sastav klinkera portland <strong>cementa</strong> (lijevo) i mineraloški (desno):<br />
Osnovna kemijska reakcija je : 3CaO · SiO 2 + 4H 2 O → CaO · SiO 2 · 2H 2 O + 2Ca(OH) 2<br />
1
Građevinski Fakultet Univerziteta u Sarajevu<br />
Student: Džana Lukovac<br />
Građevinski materijali<br />
Prof.dr. Azra Kurtović<br />
Kada se doda voda, reakcije koje se javljaju uglavnom su egzotermne, to jest, reakcije generiraju<br />
toplinu. Ilustrativan primjer krivulje evolucije toplina proizvedene hidratacijom prikazan je ispod:<br />
Neki od cementnih minerala i sastojaka su vrlo topljivi, pa zbog toga se prilikom miješanja <strong>cementa</strong> i<br />
vode javlja kratko razdoblje brze reakcije i proizvodnje topline koje traje manje od jedne minute (faza<br />
1) u kojoj se cement otopi. Faza 1 je kratka, zbog brzog formiranja amorfnog sloja produkta<br />
hidratacije oko čestica <strong>cementa</strong>, koja ih odvaja od otopine i sprječava daljnje brzo otapanje.<br />
Nakon toga slijedi period indukcije, tijekom kojeg gotovo da i nema reakcije (faza 2). Tačna priroda<br />
indukcije nije u potpunosti poznata, ili je možda bolje reći da zbog različitih mišljenja cementnih<br />
kemičara ne postoji o tome konsenzus.<br />
Tijekom faze 3, razdoblje brze reakcije, stopa reakcije brzo se povećava, dostižući maksimum u<br />
vremenu koje je obično manje od 24 sata nakon prvog miješanja, a zatim naglo pada na manje od<br />
polovine svoje maksimalne vrijednosti. Do toga dolazi gotovo u potpunosti zbog hidratacije C 3 S.<br />
Maksimalna brzina reakcije, kao i vrijeme u kojem se javlja, jako ovisi o temperaturi i o prosječnoj<br />
veličini čestica <strong>cementa</strong>. Ovu reakciju ponekad dijelimo u dvije faze (prije i nakon maksimalne brzine),<br />
ali kako je za kontrolu brzine mehanizam isti, pravilnije je tretirati kao jednu fazu.<br />
Na kraju faze 3 oko 30% inicijalnog <strong>cementa</strong> je hidratizirano, a smjesa je prošla kroz početno i završno<br />
stezanje. Faza 3 je karakterizirana pomoću kontinuiranog i relativno brzog taloženja proizvoda<br />
hidratacije (prvenstveno C-S-H gela i CH), u kapilarnu poroznost tj., je prostor koji je na početku<br />
zauzimala mješavina vode. To uzrokuje veliki pad ukupnog volumena pora i porast čvrstoće. Mikrostruktura<br />
smjese se u ovom trenutku sastoji od neizreagiranih jezgri čestica <strong>cementa</strong> okruženih<br />
kontinuiranim slojem produkta hidratacije.<br />
Da bi se nastavila hidratacija potrebno je da se otopljeni ioni iz <strong>cementa</strong> rasprše prema van i uvuku u<br />
kapilarne pore, ili da voda dopre unutra do cementnih jezgri koje još nisu reagirale. Ovi difuzijski<br />
procesi nastaju sve sporije i sporije kako sloj proizvoda hidratacije oko čestice <strong>cementa</strong> postaje deblji<br />
i deblji. Ovo posljednje razdoblje (faza 4) naziva se periodom reakcija ograničen difuzijom.<br />
2
Građevinski Fakultet Univerziteta u Sarajevu<br />
Student: Džana Lukovac<br />
Građevinski materijali<br />
Prof.dr. Azra Kurtović<br />
Prilikom hidratacije, raste i čvrstoća betona na pritisak:<br />
Karakteristični periodi za čvrstoću <strong>cementa</strong> su:<br />
• 8-10 sati (period indukcije – slabe reakcije (faza 2)<br />
• 24 sata (period brze reakcije u kome se cement „stegne“ – faza 3),<br />
• 3 dana (beton je naizgled potpuno stisnut i doseže oko 50% čvrstoće, u nekim slučajevima se<br />
može ukloniti oplata – faza 4)<br />
• 28 dana (beton dostiže 80-90% čvrstoće na pritisak i konstrukcija može početi svoj „radni<br />
vijek“)<br />
• godina dana (smatra se krajem hidratacije i dosezanjem konačne čvrstoće na pritisak, iako je<br />
moguće da se ona i nakon ovoga u manjoj mjeri nastavi)<br />
3. Kontrola hidratacije i hidratacijske toplote<br />
3.1. Gips<br />
Cementni klinker ima tendenciju gotovo trenutne kondenzacije u dodiru s vodom, u kom slučaju se<br />
dobije stegnuta smjesa s kojom se ne može raditi. Da bi se ovo spriječilo, dodaje se određena količina<br />
gipsa. Pri proizvodnji <strong>cementa</strong> gips se dodaje u maloj količini nakon hlađenja klinkera u finalnom<br />
procesu mljevenja. Gips, koji ima ulogu retardacije stvrdnjavanja smjese, ima ulogu kontrole<br />
stvrdnjavanja u ranom periodu hidratacije. Premalena količina gipsa ne bi imala gotovo nikakav<br />
utjecaj, ali prevelika količina bi oslabila smjesu i mogla čak prouzročiti uništenje cementne paste.<br />
Obično se dodaje oko 3% gipsa čime se postižu željeni efekti.<br />
3.2. Pepeo<br />
Kao nusprodukt sagorijevanja lignita u termoelektranama, nastaje šljaka i „leteći pepeo“ koji mogu,<br />
ovisno o kemijskom sastavu lignita i jalovine, imati povoljne osobine slične cementu. Ovaj materijal<br />
3
Građevinski Fakultet Univerziteta u Sarajevu<br />
Student: Džana Lukovac<br />
Građevinski materijali<br />
Prof.dr. Azra Kurtović<br />
se često naziva i zamjenskim cementoidnim materijalom (ZCM) u proizvodnji <strong>cementa</strong>. Upotreba<br />
ovog materijala datira od početka 20. stoljeća i smatra se da je dodatak 15%-25% optimalan za<br />
postizanje uštede ali i boljih osobina <strong>cementa</strong>. Upotreba preporučene količine letećeg pepela<br />
smanjuje toplotu hidratacije <strong>cementa</strong>, bez značajnog negativnog utjecaja na čvrstoću. Kod masivnih<br />
konstrukcija kao što su temelji brana, količina pepela može ići i do 50% (pa čak i do 60% npr. kod<br />
izrade brana od betona nabijenog vibrirajućim valjcima („Roller compacted concrete“), kod kojeg se<br />
mogu koristiti i niži vodocementni faktori (od uobičajenog V/C≈0,3), jer je ugradljivost smjese manji<br />
problem nego kod „konvencionalne“ ugradnje pervibratorima.<br />
3.3.<br />
Kontrola neželjenih efekata hidratacije (oslobađanje velike količine toplote), može se vršiti<br />
dodavanjem različitih kemijskih dodataka, dodavanjem leda u smjesu, postavljanjem sistema cijevi za<br />
hlađenje (cijevi kroz koje se pušta hladna voda) unutar masivnih konstrukcija, zaštitom površine<br />
betona od sunčevog zračenja, održavanjem vlažnosti i temperature okoline i sl.<br />
Stvrdnjavanje betona („curing“) definira se kao pružanje adekvatne vlage, temperature i vremena<br />
kako bi se omogućilo da beton postigne željena svojstva za namijenjenu upotrebu. To bi značilo<br />
održavanje relativne vlage u betonu iznad 80%, temperaturu veću od 10 O C, obično u vremenskom<br />
rasponu od 3 do 14 dana, ovisno o specifičnoj primjeni, čime se osigurava postizanje željenih osobina<br />
betona.<br />
4. Literatura<br />
1. Predavanja iz predmeta „Građevinski materijali“, Prof.dr. Azra Kurtović, Sarajevo 2016.<br />
2. „Građevinski materijali“, Prof.dr. Mihailo Miravljov, Beograd 2000.<br />
3. http://www.understanding-cement.com/hydration.html#<br />
4. http://iti.northwestern.edu/cement/monograph/Monograph5_1.html<br />
5. http://people.ce.gatech.edu/~kk92/hyd07.pdf<br />
6. http://e-gfos.gfos.hr/index.php/arhiva/broj-2/odredj-tijek-oslob-topl-hidr-u-bet<br />
7. https://hr.wikipedia.org/wiki/Cement<br />
4
Change language