Rak Betonitekniikka 2 Harjoitus Rakennussementit, klinkkerimineraalikoostumus ja lämmönkehitys

Transkriptio

1 Rak Betonitekniikka 2 Harjoitus Rakennussementit, klinkkerimineraalikoostumus ja lämmönkehitys

2 Portlandsementti

3 Portlandsementin kemiallinen koostumus KOMPONENTTI LYHENNE PITOISUUS CaO C % SiO 2 S % Al 2 O 3 A 3-8 % Fe 2 O 3 F 0,5-6,0 % MgO 0,1-4,0 % Na 2 O + K 2 O 0,2-1,3 % SO 3 S 1-3 % Portlandklinkkeri Seosaineet Kipsi, lisäaineet Portlandsementin mineraloginen koostumus NIMI KEMIALLINEN KOOSTUMUS LYHENNE PITOISUUS Trikalsiumsilikaatti Aliitti 3CaO SiO 2 C 3 S % Dikalsiumsilikaatti Beliitti 2CaO SiO 2 C 2 S % Trikalsiumaluminaatti 3CaO Al 2 O 3 C 3 A 15-5 % Tetrakalsiumaluminaattiferriitti 2 O 3 Fe 2 C 4 AF 12-5 (Celiitti) 4CaO Al % Sementin mineraalikoostumus voidaan laskea kemiallisesta koostumuksesta

4 Sementin klinkkerimineraalikoostumus Kemiallisten analyysituloksien perusteella saadaan selville sementin oksidien (CaO, SiO2, Al2O3, Fe2O3 & SO3) pitoisuudet painoprosentteina O = { C, S, A, F, S } % Kun oksidipitoisuudet tunnetaan, voidaan sementin klinkkerimineraalikoostumus K = { C3S, C2S, C3A, C4AF, CS } % laskea Boguen matriisiyhtälön avulla

5 Boguen matriisiyhtälö ja standardiyhtälöryhmä O = B K (1) K = B 1 O (2) Matriisiyhtälö (2) ei ota huomioon sementin vapaan kalkin pitoisuutta. Tämän vuoksi sementin klinkkerimineraalikoostumus lasketaan tavallisesti ns. Boguen standardiyhtälöryhmän avulla.

6 Boguen standardiyhtälöryhmä: C3S C2S C3A 4,07 CaO 7,60 SiO2 6,72 Al2O3 1,43 Fe2O3-2,85 SO3 4,07 CaOvap 2,87 SiO2 0,754 C3S 2,65 Al2O3 1,69 Fe2O3 C4AF 3,04 Fe2O3 CaSO4 1,70 SO3

7 Tehtävä 1 Sementin kemiallisen analyysin perusteella saatiin sen oksidipitoisuudeksi O= {C, S, A, F, S } = {64,80, 21,08, 5,25, 2,71, 2,88} % Vapaan kalkin pitoisuudeksi on määritetty 0,96 %. Määritä sementin klinkkerimineraalikoostumus Boguen standardiyhtälöryhmän avulla.

8 Ratkaisu, tehtävä 1 C3S 4,07 64,8 7,60 21,08 6,72 5,25 1,43 2,71-2,85 2,88 4,07 0,96 = 52,3 % C2S 2,87 21,08 0,754 52,3 = 21,1% C3A 2,65 5,25 1,69 2,71 = 9,3 % C4AF 3,04 2,71 = 8,2 % CaSO4 1,70 2,88 = 4,9 %

9 Tehtävä 2 Boguen matriisi on (5,5) neliömatriisi. Mikä merkitys on alkiolla B(i,j)? Muodosta Boguen matriisi ja laske tehtävän 1 klinkkerimineraalikoostumus Boguen matriisin avulla.

10 Boguen matriisi Oksidit = {C, S, A, F, = Klinkkerimineraalit = {C3S, C2S, C3A, C4AF, C } =

11 Muodostettaessa Boguen matriisia, tarvitaan aineiden atomi- ja molekyylipainoja. ALKUAINEIDEN ATOMIPAINOJA Ca : 40,08 Si : 28,06 Al : 26,97 K : 39,10 Fe : 55,85 O : 16,00 S : 32,06 Na : 23,00 MOLEKYYLIPAINOJA Oksideille : C (CaO) : 56,08 A (Al 2 O 3 ) : 101,94 (SO 3 ) : 80,06 S (SiO 2 ) : 60,06 F (Fe 2 O 3 ) : 159,90 H (H 2 O) : 18,00 K (K 2 O) : 94,20 N (Na 2 O) : 62,00 Mineraaleille C 3 S : 228,30 C 3 A : 270,18 : 136,14 C 3 S : 172,22 C 4 AF : 485,96 CH : 74,08 löytyvät myös opetusmonisteesta, sivu 16, taulukko 5

12 Boguen matriisin alkion B(i,j) arvo on oksidin i = (i) pitoisuus klinkkerimineraalissa j = (j) Siis esimerkiksi: B(1,1) = Missä oksidi on CaO ja klinkkerimineraali on C3S

13 Vastaavasti saadaan muut alkiot: B(1,2) = C 2 S B(1,3) = C 3 A 2x56,08/172,22 = 0,6513 3x56,08/270,18 = 0,6227 B(1,4) = C 4 AF 4x56,08/485,96 = 0,9616 B(1,5) = c 56,08/136,14 = 0,4119 B(2,1) = C 3 S 0,2631 B(2,2) = C 2 S 0,3487 B(2,3) = B(2,4) = B(2,5) = 0, koska C 3 A, C 4 AF ja C eivät sisällä SiO 2 :a jne Boguen matriisi voidaan nyt kirjoittaa:

14 B = 0,7369 0,6513 0,6227 0,4616 0,4119 0,2631 0, ,3773 0, , ,5881 Klinkkerimineraalikoostumusta laskettaessa kaavan K = B 1 O mukaisesti, tarvitaan Boguen käänteismatriisia B 1 : B 1 = 4,0736-7,6086-6,7231-1,4299-2,8531-3,0736 8,6086 5,0727 1,0789 2, ,6504-1, , ,7004

15 Tehtävän 1 ratkaisu Boguen matriisiyhtälön mukaan Koska vapaan kalkin (CaOvap) eli klinkkerimineraaleihin sitoutumattoman kalkin pitoisuus on 0.96, täytyy se vähentää CaOpitoisuudesta ennen kuin voidaan käytää laskettua käänteismatriisia. C = 64,80 0,96 = 63,84 K = B 1 O = B 1 {63.84, 21.08, 5.25, 2.71, 2.88} K = {52.3, 21.0, 9.3, 8.2, 4.9}

16 Tehtävä 3 Mikä on tehtävän 1 sementin kokonaislämmönkehitys? Mikä on lämmönkehitys 2 ja 7 vuorokauden iässä? Mikä on klinkkerimineraalien kokonaislämmöntuotto? Oppikirjasta A.M. Neville: Properties of Concrete, s. 39

17 Sementin koostumus (tehtävistä 1 ja 2) on C3S 52,3 % C2S 21,1 % C3A 9,3 % C4AF 8,2 % sementin kokonaislämmöntuotto: 502kJ/kg* 0, kJ/kg*0, kJ/kg*0, kJ/kg*0,082 = 432,4kJ/kg

18 Klinkkerimineraalien lämmöntuotto 3 ja 7 vuorokauden iässä: Opetusmonisteen sivu 29, kuva 9 Sementin lämmöntuotto 3vrk iässä: =336J/g*0,523+42J/g*0, J/g*0,093+84J/g*0,082 =257,9J/g Sementin lämmöntuotto 7vrk iässä: =378J/g*0,523+84J/g*0, J/g*0, J/g*0,082 =296,1J/g

19 Tehtävä 4. Minkä esitetyistä lämmönkehityskäyristä voidaan olettaa vastaavan kutakin sementtiä ja miksi? Sementeillä, joiden C3A pitoisuus on tyypillisesti n %, esiintyy tässä lämpötilassa ns. C3A-piikki. Kun kipsiannos on oikea, tämä piikki tulee esille reaktiojaksoniv alussa. C3A pitoisuudet sementeissä A, B ja C ovat A: {C3A} = 7,0 % I: C3A piikki on B: {C3A} = 1,7 % II: C3A piikki on C: {C3A} = 8,1 % III: C3A piikkiä ei ole sementti III on sementtiä B

20 Sementtien A ja C koostumus on pääpiirteittäin sama. Sementti A on kuitenkin hienompaa ja siten nopeammin reagoivaa sementti I on sementtiä A A(I) B(III) C(II)