sprawozdanie7.1.doc

Paulina Magdzicka gr.5 zespół nr 7, Wydział Inżynierii Lądowej                                                               12-10-2010

Sprawozdanie z wykonania ćwiczenia komputerowego  nr 7.1

Temat: Komputerowa symulacja hydratacji cementu.

Wprowadzenie

  Wraz z rozwojem technik komputerowych powstają coraz to nowe programy  pomagające nam zobrazować i zrozumieć pewne zjawiska zachodzące w otaczającym nas świecie.  Wykonując to ćwiczenie posługiwaliśmy się programem  „iwueczka3.4”, opracowanym w Katedrze Materiałów Budowlanych Politechniki Warszawskiej. Idea programu została sformułowana w Państwowym Instytucie Standaryzacji Technologii (NIST) w Gaithersburgu w USA we współpracy z Centrum Naukowo-Technologicznym Zaawansowanych Materiałów Budowlanych.

Cel: komputerowa symulacja i  analiza zmian mikrostruktury podczas hydratacji cementu przebiegającej w zaczynie cementowym z uwzględnieniem rożnych czynników wpływających na przebieg tego procesu.

Wstęp teoretyczny

Hydratacja (inaczej uwodnienie)  to  ogół procesów chemicznych lub fizycznych, w których związkiem chemicznym przyłączanym do innej substancji jest woda, przy czym woda ta jest przyłączana w całości (nie powstają dodatkowo produkty uboczne). Jest to podstawowy rodzaj reakcji zachodzącej w czasie wiązania cementu, dlatego też często zamiast terminu „hydratacja cementu” używa się terminu „wiązanie cementu”.

Cement jest stosowany do wytwarzania zaczynów, zapraw i betonów. Najczęściej stosowanym spoiwem  jest cement portlandzki. Cement portlandzki należy do najczęściej stosowanych mineralnych spoiw hydraulicznych. Podstawowymi surowcami stosowanymi do jego produkcji są wapienie i gliny lub margle. Najbardziej reaktywnym w stosunku do wody  składnikiem jest glinian trójwapniowy (C3S). Gdyby nie obecny w cemencie gips dwuwodny, reakcje uwodnieniea glinianu zachodziłaby bardo szybko i wiązanie cementu zachodziłoby gwałtownie. W obecności gipsu  C3S reaguje z wodą znacznie wolniej.

Alit i belit ( krzemiany wapniowe) ulegają jednocześnie hydratacji i hydrolizie. Jako pierwszy reaguje C3S.

alit: 2(3CaO* SiO2)+6H2Oà3CaO*2SiO2*3H2O+3Ca(OH)2

belit: 2(2CaO* SiO2)+4H2Oà3CaO*2SiO2*3H2O+Ca(OH)2

Produktem hydratacji jest uwodniony krzemian wapniowy (tworzący tzw. Żel C-S-H, który stanowi ponad 50% objętości utwardzonego zaczynu cementowego), a produktem hydrolizy (rozkład soli pod wpływem wody na jony) jest portlandyt, który tworzy kryształy.

Porowatość  to procentowa zawartość porów w mieszance betonowej; mniejsza porowatość mieszanki to w ogólnym rozrachunku większa wytrzymałość betonu; na porowatość betonu ma również wpływ proces pielęgnacji.

Przebieg doświadczenia i obserwacje

Po uzgodnieniu z prowadzącym ćwiczenie składu zaczynu cementowego (zawartość cementu 100%), średnicy ziaren (4-28*10-6m) oraz współczynnika hydratacji ( 0,7 ), przeprowadziliśmy 3 niezależne symulacje komputerowe zjawiska hydratacji cementu. W każdej próbie przyjęliśmy inny współczynnik woda/spoiwo, który w kolejnych próbach wynosił odpowiednio: 0,7, 0,65, 0,6. Ponadto przeprowadziliśmy jeszcze jedną dodatkową symulację, w której współczynnik w/s=0,9.  Po każdej symulacji drukowaliśmy nasze wyniki, aby móc zaobserwować zachodzące zmiany. Poniższa tabela przedstawia  obserwowane zmiany porowatości .

Jak zaobserwowaliśmy  podczas symulacji w zaczynie powstaje Ca(OH)2. Ma on duże znaczenie dla betonu, zwłaszcza w konstrukcjach  żelbetonowych.  Przez reakcję kwasu węglowego (CO2 ) z wodorotlenkiem wapnia (Ca(OH)2 ) dochodzi do powstawania węglanu wapnia, czyli wapienia (CaCO3 ). Przez to zapobiegająca korozji zawartość wodorotlenku wapniowego w wodzie porowej kamienia cementowego spada, a w wyniku tego  pierwotna wartość pH wynosząca około 13 zostaje zachowana. Gdy wartość pH betonu spadnie poniżej 9, wtedy już dla stali nie ma ochrony przed korozją, dlatego obecność Ca(OH)2 jest korzystna i tak istotna.

Rysunek 1. wykres zależności porowatości od w/s             

Wykres został sporządzony dla stopnia hydratacji 0,7

Wnioski

Na podstawie wykresu mogę stwierdzić, że im wyższy współczynnik woda/spoiwo, tym większa porowatość betonu, a co za tym idzie mniejsza wytrzymałość mechaniczna betonu. Przy w/s=0,9 porowatość wynosi niemal 50%, co sprawia,  że beton jest niemal ażurowy i z pewnością nie będzie odznaczał się wysoką wytrzymałością.  Wraz ze wzrostem współczynnika w/s rośnie porowatość betonu oraz zaczynu betonowego, a zatem jego wytrzymałość i trwałość maleje. Mikrostruktura betonu zmienia się pod wpływem czynników takich jak m.in. badany wpływ współczynnika w/s, ale także ma na to wpływ skład zaczynu (skład spoiwa, rodzaj uziarnienia, średnice ziaren). Niewątpliwie jednak istnieje dolna granica wartości współczynnika w/s, ponieważ im mniej wody w zaczynie tym mniej składników ulegnie hydratacji. Z kolei im więcej wody, tym zaczyn jest rzadszy, a beton z niego powstały mniej wytrzymały.

1