Architecture | Building industry chemistry » Dr. Kopecskó Katalin - Építőmérnöki kémia, hidraulikus kötőanyagok

ÉPÍTİMÉRNÖKI KÉMIA Építımérnöki Kar BSc BUDAPESTI MŐSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM ÉPÍTİANYAGOK ÉS MÉRNÖKGEOLÓGIA TANSZÉK Dr. Kopecskó Katalin: Építımérnökri kémia BSc, 11ea 7. ÉPÍTİIPARI KÖTİANYAGOK 7.1 NEM HIDRAULIKUS KÖTİANYAGOK 7.2 CEMENT (HIDRAULIKUS KÖTİANYAG) 2007. 12 06 Dr. Kopecskó Katalin: Építımérnöki kémia BSc, 11 ea 2007. 12 06 7.2 CEMENT (HIDRAULIKUS KÖTİANYAG) • víz alatt is köt (szilárdul) és • tartós víz alatti tároláskor nem veszít a szilárdságából. 7.21 Szilikátcement (portlandcement) 7.22 Aluminátcement (bauxitcement) Dr. Kopecskó Katalin: Építımérnöki kémia BSc, 11 ea 2007. 12 06 7.21 Szilikátcement (portlandcement) A tiszta portlandcement alapanyagai: A klinkerégetés alapanyagai • mészkı • agyag 75-80% 20-25% ( CaO) ( SiO2, Al2O3, Fe2O3) • gipszkı max, 5% (kötés szabályozó ) A kihőlt klinkerekhez adják, majd együtt ırlik vele A heterogén

cementek alapanyagai: • mint a tiszta portlandcementeké, ezen kívül • hidraulikus pótlékok (pernye, kohósalak, trasz), • mészkıliszt. Dr. Kopecskó Katalin: Építımérnöki kémia BSc, 11 ea 2007. 12 06 7.21 Szilikátcement (portlandcement) Gyártási folyamat: nyersliszt hidraulikus pótlékok klinkerégetés klinker gipsz ırlés cement Dr. Kopecskó Katalin: Építımérnöki kémia BSc, 11 ea 2007. 12 06 7.21 Szilikátcement (portlandcement) a) Klinker elıállítása • Nyersliszt (agyag + mészkı ırlemény) égetése forgókemencében, • Hőtés, pihentetés: a szabad CaO reagál a levegıben lévı vízzel, ill. szén-dioxiddal (ennek késıbbi átalakulása káros duzzadást okozna). Dr. Kopecskó Katalin: Építımérnöki kémia BSc, 11 ea 2007. 12 06 7.21 Szilikátcement (portlandcement) a) Klinker elıállítása Nyersliszt (agyag + mészkı ırlemény) égetése forgókemencében: • szárítás: a szembeáramló füstgázokkal,

• elımelegítés: 450-550 °C-on az agyagásványok elveszítik kristályvizüket, 600-800 °C-on a MgCO3 dekarbonátosodik ( MgO). • kalcinálás: t > 900 °C-on a CaCO3 dekarbonátosodik ( CaO), 1200 °C körül megkezdıdnek a szilikátképzési reakciók. • zsugorítás: 1450 °C-ig (exoterm folyamat klinkerásványok). Dr. Kopecskó Katalin: Építımérnöki kémia BSc, 11 ea 2007. 12 06 7.21 Szilikátcement (portlandcement) b) Cement elıállítása • a lehőlt klinkert összeırlik a gipszkıvel • heterogén cementek elıállításakor hozzáırlik vagy hozzáadják a hidraulikus pótlékokat. A klinker lehőtése fontos, mert • a meleg ırlés rontja az ırlıberendezést, • a gipszkıbıl kötıképes félhidrát alakulhat ki, amely a cement felhasználásakor, vízzel gyorsan megszilárdul ún. álkötést hozna létre Dr. Kopecskó Katalin: Építımérnöki kémia BSc, 11 ea 7.21 Szilikátcement (portlandcement) A portlandcement oxidos

összetétele: CaO 63-68% SiO2 19-24% 2-8% Al2O3 Fe2O3 2-6% MgO 1-5% szabad CaO 0-4% egyéb alkotók 0-3% (Na2O, K2O, TiO2, SO3, stb.) 2007. 12 06 Dr. Kopecskó Katalin: Építımérnöki kémia BSc, 11 ea 2007. 12 06 7.21 Szilikátcement (portlandcement) Klinkerásványok fajtái, jellemzése: Szilikátkémiai rövidítések C = CaO A = Al2O3 H = H 2O CH = Ca(OH)2 S = SiO2 F = Fe2O3 Cs = CaSO4 Dr. Kopecskó Katalin: Építımérnöki kémia BSc, 11 ea 7.21 Szilikátcement (portlandcement) Klinkerásványok fajtái, jellemzése: • 3CaO·SiO2 alit: trikalcium-szilikát, C3S • 2 CaO·SiO2 belit: dikalcium-szilikát, β-C2S celit: • 3CaO·Al2O3 trikalcium-aluminát, C3A • 4CaO· Al2O3 ·Fe2O3, brownmillerit: tetrakalcium-aluminát-ferrit, C4AF 2007. 12 06 Dr. Kopecskó Katalin: Építımérnöki kémia BSc, 11 ea 7.21 Szilikátcement (portlandcement) Klinkerásványok fajtái, jellemzése: alit 3CaO·SiO2 trikalcium-szilikát, C3S a legfontosabb klinkerásvány

Valódi összetétele: 54CaO·16SiO2·MgO·Al2O3 • nagy kezdıszilárdság, • nagy kötési hı, • mennyisége a cementben: 37-60%. 2007. 12 06 Dr. Kopecskó Katalin: Építımérnöki kémia BSc, 11 ea 7.21 Szilikátcement (portlandcement) Klinkerásványok fajtái, jellemzése: belit 2 CaO·SiO2 dikalcium-szilikát, β-C2S (égetési hımérsékleten: α-C2S ) • lassú kezdeti szilárdulás, • kis kötési hı, • kedvezı (nagy mértékő) utószilárdulás, • mennyisége: 15-37% 2007. 12 06 Dr. Kopecskó Katalin: Építımérnöki kémia BSc, 11 ea 7.21 Szilikátcement (portlandcement) Klinkerásványok fajtái, jellemzése: celit: 4CaO·Al2O3·Fe2O3, brownmillerit: tetrakalcium-aluminát-ferrit, C4AF 3CaO· Al2O3 : trikalcium-aluminát, C3A 2CaO·Fe2O3: dikalcium-ferrit, C2F 2007. 12 06 Dr. Kopecskó Katalin: Építımérnöki kémia BSc, 11 ea 7.21 Szilikátcement (portlandcement) Klinkerásványok fajtái, jellemzése: 3CaO · Al2O3 :

trikalcium-aluminát, C3A • a leggyorsabban kötı, • legtöbb hıt fejlesztı klinkerásvány, • szulfátállósága rossz • kötésének lassításához gipszkövet adagolnak, • mennyisége: 7-15% 2007. 12 06 Dr. Kopecskó Katalin: Építımérnöki kémia BSc, 11 ea 7.21 Szilikátcement (portlandcement) Klinkerásványok fajtái, jellemzése: 4CaO · Al2O3 · Fe2O3 tetrakalcium-aluminát-ferrit, C4AF brownmillerit • kis szilárdság, • kedvezı szulfátállóság. 2007. 12 06 Dr. Kopecskó Katalin: Építımérnöki kémia BSc, 11 ea 7.21 Szilikátcement (portlandcement) Klinkerásványok elıállítása mellett keletkezik még: • szabad mész CaO, • szabad MgO (periklász). Nagyobb mennyiségben veszélyeztetik a lekötött cement térfogat-állandóságát! (duzzadás) 2007. 12 06 Dr. Kopecskó Katalin: Építımérnöki kémia BSc, 11 ea 7.21 Szilikátcement (portlandcement) Jellemzı modulusok (az oxidos összetétel alapján) Hidraulikus

modulus (HM): HM = CaO % - 0,7 SO3 % SiO2 % + Al2O3 % + Fe2O3 % értéke portlandcement esetén 1,7 - 2,3. 2007. 12 06 Dr. Kopecskó Katalin: Építımérnöki kémia BSc, 11 ea 7.21 Szilikátcement (portlandcement) Jellemzı modulusok (az oxidos összetétel alapján) Szilikátmodulus (SM): SM = SiO2 % Al2O3 % + Fe2O3 % értéke 1,6 - 3,2. 2007. 12 06 Dr. Kopecskó Katalin: Építımérnöki kémia BSc, 11 ea 7.21 Szilikátcement (portlandcement) Jellemzı modulusok (az oxidos összetétel alapján) Aluminátmodulus (AM): AM = Al2O3 % Fe2O3 % értéke 0,6 - 2,5 között: • szulfátálló cementek esetén max. 0,7%, • mérsékelten szulfátálló cementeknél max. 1,0% 2007. 12 06 Dr. Kopecskó Katalin: Építımérnöki kémia BSc, 11 ea 7.21 Szilikátcement (portlandcement) Jellemzı modulusok (az oxidos összetétel alapján) Aluminátmodulus (AM): AM = Al2O3 % Fe2O3 % értéke < 0,64 akkor C4AF és C2F keletkezhet az aluminátok közül. 2007.

12 06 Dr. Kopecskó Katalin: Építımérnöki kémia BSc, 11 ea 7.21 Szilikátcement (portlandcement) Jellemzı modulusok (az oxidos összetétel alapján) Aluminátmodulus (AM): AM = Al2O3 % Fe2O3 % értéke > 0,64 akkor C3A és C4AF keletkezhet az aluminátok közül. 2007. 12 06 Dr. Kopecskó Katalin: Építımérnöki kémia BSc, 11 ea 2007. 12 06 7.21 Szilikátcement (portlandcement) A cement kötése, szilárdulása A cementhez vizet adva klinkerásványok hidratálódnak. A vizet • kalcium-szilikát hidrátok, illetve • kalcium-aluminát hidrátok alakjában megkötik. Elıbb géles, késıbb kristályos anyag (cementkı) keletkezik. Dr. Kopecskó Katalin: Építımérnöki kémia BSc, 11 ea 2007. 12 06 7.21 Szilikátcement (portlandcement) A cement kötése, szilárdulása A kötés, szilárdulás alatt végbemenı folyamatok: 2 (3CaO·SiO2) + 6H2O = 3CaO·2SiO2·3H2O + 3 Ca(OH)2 Rövid jelöléssel: 2 C3S + 6 H = C3S2H3 + 3 CH 2 (2CaO·SiO2) +

4H2O = 3CaO·2SiO2·3H2O + Ca(OH)2 Rövid jelöléssel: 2 C2S + 4H = C3S2H3 + CH Dr. Kopecskó Katalin: Építımérnöki kémia BSc, 11 ea 2007. 12 06 7.21 Szilikátcement (portlandcement) Egyszerősített kötési, ill. szilárdulási folyamat Cement (fı klinkerásványok) + víz CSH + CH CSH fázisok: kalcium-szilikát hidrátok, szilárdsághordozó fázisok! CH: mész, kalcium-hidroxid, lúgos (pH ~ 12,3) közeg a CSH fázisok stabilak és Fontos szerepe van! az acélbetét passzívitását biztosítja. Dr. Kopecskó Katalin: Építımérnöki kémia BSc, 11 ea 2007. 12 06 7.21 Szilikátcement (portlandcement) A heterogén cementekben lévı hidraulikus pótlékok kötésük során fogyasztják a cement kötésekor keletkezett meszet, emiatt adagolási arányuk korlátozott. Kohósalak: • a nyersvasgyártáskor keletkezett salakoIvadék hideg vízzel hőtve kellıen sok amorf, gerjesztı anyaggal (SO3 és mész) kötni képes alkotót tartalmaz. • SO3 tartalma

miatt önmagában is köt. • maximálisan adagolható mennyisége: 80%. Dr. Kopecskó Katalin: Építımérnöki kémia BSc, 11 ea 7.21 Szilikátcement (portlandcement) További hidraulikus pótlékok Pernye: • a porszéntüzeléső erımővek hamuja, • kalcium-hidroxiddal köt, • max. mennyisége: 35% Trasz: • természetes tufa, • kalcium-hidroxiddal köt, • max. mennyisége: 20% 2007. 12 06 Dr. Kopecskó Katalin: Építımérnöki kémia BSc, 11 ea 2007. 12 06 7.21 Szilikátcement (portlandcement) A gipszkı kötésszabályozó szerepe Gipszkı távollétében a 3CaO·Al2O3 (C3A) és a víz reakciójából gyors reakcióban kalcium-aluminát-hidrátok (CAH) keletkeznek: 3CaO· Al2O3 + Ca(OH)2 + 12H20 = 4CaO· Al2O3·13H20 Rövid jelölésseI: C3A + CH + 12H = C4AH13 Hexagonális hidrát, instabil, továbbalakul! (a Ca(OH)2 a szilikátok hidratációja során keletkezik) Dr. Kopecskó Katalin: Építımérnöki kémia BSc, 11 ea 2007. 12 06 A gipszkı

kötésszabályozó szerepe Gipszkı távollétében 3CaO·Al2O3 + 6H20 = 3CaO·Al2O3·6H20 Rövid jelölésseI: C3A + 6H = C3AH6 hidrogránát, stabil CAH Egyszerősítve leírva a folyamatot: C3A + víz CAH CAH = kalcium-aluminát-hidrátok, • nagy hıfejlesztés közben, • gyorsan szilárdulnak. Fenti folyamat miatt a cement gyorsan megkötne, ami a felhasználást sok esetben lehetetlenné tenné. Dr. Kopecskó Katalin: Építımérnöki kémia BSc, 11 ea 2007. 12 06 A gipszkı kötésszabályozó szerepe Gipszkı jelenlétében 3CaO·Al2O3 + 3CaSO4·2H2O + 26H2O = = 3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O ettringit, (más néven triszulfát) Rövid jelölésseI: Nem szilárdsághordozó! C3A + 3Cs = C3A·3Cs·H32 ELSİDLEGES • gyors és ettringit képzıdés! • duzzadással jár, de a pépben még van hely a nagy hidrátvíztartalmú ettringit kialakulására (még nem szilárdult meg). 2C3A + C3A·3Cs·H32 + H4 3 C3A·Cs·H12 monoszulfát Dr. Kopecskó Katalin:

Építımérnöki kémia BSc, 11 ea 2007. 12 06 Mi történik a monoszulfáttal, ha a megszilárdult cementkıbe szulfátionok (SO42-) jutnak (pl. szulfátos a talajvíz) ? „cementbacillus” = MÁSODLAGOS ettringit képzıdés (káros) C3A·Cs·H12 monoszulfát SO42- C3A·3Cs·H32 ettringit, triszulfát Duzzadással jár feszültségek keletkeznek a szilárd cementkıben mikrorepedések keletkeznek tartóssági problémák, tönkremenetel. Dr. Kopecskó Katalin: Építımérnöki kémia BSc, 11 ea 2007. 12 06 A különbözı klinkerásványokból képzıdött hidrátfázisok nyomószilárdságának fejlıdése a pép korának függvényében (Balázs: Építıanyagok és kémia, 1983) Dr. Kopecskó Katalin: Építımérnöki kémia BSc, 11 ea Hidráttermékek kialakulása a cement kötése és szilárdulása során (Balázs: Építıanyagok és kémia, 1983) 2007. 12 06 Dr. Kopecskó Katalin: Építımérnöki kémia BSc, 11 ea 2007. 12 06 Dr.

Kopecskó Katalin: Építımérnöki kémia BSc, 11 ea A cement kötési, szilárdulási sebességét befolyásoló tényezık: 1. Szemcsefinomság Minél kisebb a szemcse • annál nagyobb a fajlagos felület, • annál gyorsabb a vízzel való reakció. A kisebb szemcsék, d < 20 µm belseje is hidratál, míg a nagyobb szemcséknek csak a felületi rétege (a hidrátréteg gátolja a további víz behatolását). A finomabb cement végszilárdsága is nagyobb. 2007. 12 06 Dr. Kopecskó Katalin: Építımérnöki kémia BSc, 11 ea 2007. 12 06 A cement kötési, szilárdulási sebességét befolyásoló tényezık: 2. Hımérséklet A hımérséklet emelése többnyire növeli a kémiai reakciók, így a cement hidratációjának sebességét is. A Saul-képlet (betonokra): k = ∑ ∆ti (Ti + 10) k: az érettség foka ( szilárdság), Ti : a ∆ ti idıkor átlaghımérséklete, ºC. (A szilárdulás T= -10°C hımérsékleten megszőnik.) amelyben Dr. Kopecskó

Katalin: Építımérnöki kémia BSc, 11 ea 2007. 12 06 A cement kötési, szilárdulási sebességét befolyásoló tényezık: 3. Adalékszerek Kötésgyorsítók katalizátorként gyorsítják a hidratációt, de rövid rostú CSH-ok keletkeznek kisebb lesz a végszilárdság (hasonlóan a magasabb hımérsékleten végzett, ún. gızérleléses szilárdításhoz) Kötéslassítók lassítják a hidratációt, viszont megnı a hosszú rostú CSH-ok aránya nı a végszilárdság. Dr. Kopecskó Katalin: Építımérnöki kémia BSc, 11 ea Átalakulási folyamatok a megszilárdult cementben (cementkıben) • Karbonátosodás • Cserebomlási korrózió • Savak hatása • Térfogat növekedést okozó kémiai reakciók 2007. 12 06 Dr. Kopecskó Katalin: Építımérnöki kémia BSc, 11 ea 2007. 12 06 Átalakulási folyamatok a megszilárdult cementben (cementkıben) 1. Karbonátosodás Karbonátosodási folyamat a levegı CO2 tartalma hatására: Ca(OH) 2 + CO2 ~

CaCO3 + H2O A folyamat során a pH fokozatosan csökken, csökken az acélbetét passziválása is. pH < 9 az acélbetét depassziválódik! Dr. Kopecskó Katalin: Építımérnöki kémia BSc, 11 ea Átalakulási folyamatok a megszilárdult cementben (cementkıben) 2. Cserebomlási korrózió Fıként a Mg2+ és NH4+ ion tartalmú vizek hatására cserebomlási reakció játszódik le: MgCl2 + Ca(OH) 2 = CaCl2 + Mg(OH) 2 A folyamat során csökken a kalcium-hidroxid fázis mennyisége, helyette jól oldódó kalcium-klorid és kimosódó magnézium-hidroxid keletkezik. (Az ammóniumsók jobb oldhatóságuk miatt még veszélyesebbek.) 2007. 12 06 Dr. Kopecskó Katalin: Építımérnöki kémia BSc, 11 ea 2007. 12 06 Átalakulási folyamatok a megszilárdult cementben (cementkıben) 3. Savak hatása Az erıs és gyenge, illetve szerves és szervetlen savak (sósav, kénsav, salétromsav, szénsav, ecetsav, tejsav, hangyasav) a Ca(OH)2 fázis mellett a karbonátosodás

során keletkezı kalcium-karbonátot is kioldják. Reakció sósav hatására: Ca(OH)2 + 2HCl = CaCl2 + 2H2O CaCO3 + 2HCl = CaCl2 + H2CO3 Dr. Kopecskó Katalin: Építımérnöki kémia BSc, 11 ea 2007. 12 06 Átalakulási folyamatok a megszilárdult cementben (cementkıben) 3. Savak hatása A reakció szénsavval: CaCO3 + H2CO3 Ca(HCO3) 2 CaCO3(por) és H2CO3 melynek során vízben jól oldódó kalcium-hidrogén-karbonát keletkezik, ami szénsav vesztéssel kalcium-karbonáttá alakul ("karsztosodási" folyamat) Dr. Kopecskó Katalin: Építımérnöki kémia BSc, 11 ea 2007. 12 06 Átalakulási folyamatok a megszilárdult cementben (cementkıben) 4. Térfogat növekedést okozó kémiai reakciók Szulfátiont tartalmazó ipari és talajvizek hatására a megkötött cement C3A fázisával is keletkezhet ettringit, ami jelentıs térfogat növekedést és repedést okoz: Na2SO4 + Ca(OH)2 = 2NaOH + CaSO4 CaSO4 + 2H2O = CaSO4·2H2O C3A + 3 CaSO4·2H2O + 30H2O

= C3A·3Cs·H32 Másodlagos ettringit képzıdés Dr. Kopecskó Katalin: Építımérnöki kémia BSc, 11 ea 7.22 Aluminátcement (bauxitcement) Alapanyag: • mészkı és • alumíniumtartalmú kızet (pl. bauxit) A klinkerégetés során fıként gyorsan kötı kalcium-aluminátok (pl. C3A) keletkeznek 2007. 12 06 Dr. Kopecskó Katalin: Építımérnöki kémia BSc, 11 ea 2007. 12 06 7.22 Aluminátcement (bauxitcement) Az aluminátcement kalcium-aluminát-hidrátok képzıdése közben • gyorsan és • nagy hıfejlıdéssel szilárdul (hidratálódik). A hidrátok jó része instabil és idıvel átalakul • alumínium-hidroxiddá és • kalcium-karbonáttá, miközben a szilárdság jelentısen csökken. Fıként tőzálló betonok kötıanyagául használják. Köszönöm a figyelmet!