Componenetii betonului - cimenturi pentru betoane

COMPONENETII BETONULUI - CIMENTURI PENTRU BETOANE

Cimentul este un material pulverulent, de natura bazica, hidrofil, instabil din punct de vedere chimic. Amestecat cu apa formeaza paste tixotrope, care fac priza si se intaresc in timp, formand "piatra de ciment".

Cimentul portland (silicios), reprezinta un amestec de silicati si aluminati de calciu si este obtinut prin macinarea fina a clincherului de ciment portland cu un adaos de 2.7 % ghips pentru reglarea timpului de priza.

Clincherul de ciment portland este obtinut prin arderea unui amestec de materii prime in cuptoare rotative.

Materiile prime utilizate la fabricarea clincherului de ciment portland sunt: calcare, marne, argile, leossuri, subproduse industriale (zguri, cenusi, sisturi), adaosuri de corectie (silicioase, aluminoase, ferugionase etc.), gipsuri.

Compozitia mineralogica a cimentului

In procesele de ardere a materiilor prime, oxizii existenti in compozitia acestora, reactioneaza intre ei formand compusi mineralogici. Cei mai importanti ca pondere sunt urmatorii:

• Silicatul tricalcic (alitul) - 3CaOSiO₂ - C₃S;
• Silicatul bicalcic (belitul) - 2CaOSiO₂ - C₂S;
• Feroaluminatul tetracalcic (celitul I sau brownmilleritul) - 4CaOAl₂O₃F₂O₃ - C₄AF;
• Aluminatul tricalcic (celitul II) - 3CaOAl2O₃ - C₃A.

Compozitia mineralogica a clincherului de ciment portland poate sa varieze, in functie de compozitia chimica a materiilor prime utilizate si a tehnologiilor de fabricatie.

Norma europeana SREN 197/1,2-2002 impune pentru clincherul portland urmatoarele cerinte:

minimum 2/3 din masa totala sa fie constituita de silicati (alit + belit) - cimenturi silicatice;

relatia procentuala dintre oxidul de calciu si trioxidul de siliciu din compozitie sa fie mai mare ca 2;

continutul procentual in masa de oxid de magneziu sa fie mai mic de 5%.

In cazul clincherului de ciment portland, compusii mineralogici se pot regasi, de regula, in limitele urmatoarelor procente:

C₃S                            40.73%;

C₂S                            2.35%;

C₃A                            1.18%;

C₄AF                         2.20%;

Principalele proprietati ale cimentului, legate de influenta componentilor mineralogici sunt: viteza de hidratare, caldura de hidratare, rezistentele mecanice si evolutia lor, rezistenta la agresivitati chimice, cantitatea de apa legata chimic, etc.

Variatia compozitiei mineralogice a clincherului de ciment portland, permite obtinerea unei game foarte largi de cimenturi cu proprietati diferite conferite betonului, atat in stare proaspata cat si in stare intarita.

Pentru cimenturi sunt definite urmatoarele clase de rezistenta: 32,5 , 32,5 , 42,5 , 42,5 , 52,5 , 52,5 (N sau R), unde partea cifrica (32,5, 42,5 si 52,5) reprezinta clasa de rezistenta la compresiune exprimata in N/mm², N este simbolul pentru rezistenta initiala normala si litera R este simbolul pentru rezistenta initiala ridicata.

Clasificari

Dintre principalele clasificari ale cimenturilor se pot mentiona:

a. In functie de prezenta adaosurilor in compozitia cimenturilor:

cimenturi portland unitare (fara adaosuri);

cimenturi portland cu adaosuri;

b. In functie de compozitia lor, conform Normei Europene EN 197-1:

cimenturi Portland ;

cimenturi Portland cu zgura;

cimenturi Portland cu microsilice;

cimenturi Portland cu puzzolana;

cimenturi Portland cu cenusa zburatoare;

cimenturi Portland cu sist calcinat;

cimenturi Portland cu calcar;

cimenturi Portland compozite;

cimenturi de furnal;

cimenturi puzzolanice;

cimenturi compozite;

c. Conform SR 388 /1995, cimenturile se impart astfel:

cimenturi Portland fara adaos (tip I);

cimenturi Portland compozite (tip II);

cimenturi de furnal (tip III);

cimenturi puzzolanice (tip IV);

cimenturi compozite (tip V).

d. Conform SR 1500/96, armonizat cu Norma Europeana ENV 197-1, cimenturile se impart astfel:

cimenturi Portland cu zgura (tip II);

cimenturi Portland cu cenusa(tip II);

cimenturi Portland cu puzzolana naturala(tip II);

cimenturi Portland cu calcar(tip II);

cimenturi Portland compozite(tip II);

cimenturi de furnal(tip III);

cimenturi puzzolanice(tip IV);

cimenturi compozite(tip V).

Clasificarea conventionala are un caracter orientativ, uneori putand exista deosebiri semnificative intre cimenturile de acelasi tip. Din aceste motive, parametrii tehnici, tehnologici si economici ai lucrarilor, stabilesc pe baza de analiza, incercari si conditii concrete, tipul recomandat si utilizabil de ciment.

Ponderea componentilor mineralogici, imparte cimenturile dupa denumirea si proprietatile lor astfel:

• Cimenturi alitice - au degajare mare de caldura, priza normala si intarire rapida (rezistente initiale mari, timp friguros, prefabricare, etc. - fara agresivitati chimice);
• Cimenturi belitice - au degajare mica de caldura, priza normala si viteza mica de intarire (constructii masive, zone calde - agresivitati chimice - coroziune tip I);
• Cimenturi brownmilleritice - priza normala, intarire normala (inghet - dezghet repetat - agresivitate chimica sulfatica);
• Cimenturi feritice - priza normala, intarire normala (agresivitate chimica sulfatica ridicata);
• Cimenturi normale - priza normala, intarire normala (lucrari curente de beton si beton armat - fara agresivitati chimice).

CATEGORII UZUALE DE CIMENTURI

Cimenturi portland unitare (fara adaosuri active)

Aceste cimenturi se pot utiliza la majoritatea lucrarilor de constructii din beton, beton armat si beton precomprimat, de aceea constituie un volum important in productia de ciment. Se noteaza cu clasa I si au rezistente la compresiune dupa 28 zile pe mortar standard, cu valori32,5, 42,5 si 52,5 N/mm². De asemenea, aceste cimenturi sunt caracterizate printr-o finete la macinare normala (min. 2500 cm²/g), constanta buna de volum si o priza normala.

Cimenturi portland cu adaosuri

Aceste cimenturi se pot clasifica astfel:

• Cimenturi cu adaosuri de zgura de furnal

Aceste cimenturi se fabrica prin introducerea la macinare a clincherului de ciment portland, a zgurii granulate de furnal inalt si a gipsului necesar reglarii timpului de priza.

Utilizarea zgurilor de furnal inalt impreuna, eventual cu alte adaosuri conduce la economisirea clincherului portland si se reduc preturile de cost ale cimenturilor.

In functie de combinatia de adaosuri si cantitatea de zgura continute in masa cimenturilor, acestea pot capata una din urmatoarele proprietati:

o      rezistente mecanice initiale mai mici si rezistente finale identice cu cimenturile portland unitare;

o      rezistente mecanice initiale si finale mai scazute, in raport cu cimenturile portland cu adaosuri (foarte economice pentru clase inferioare de beton);

o      caldura de hidratare a acestor cimenturi, scade odata cu cresterea proportiilor de zgura (obligatoriu pentru constructii masive din beton);

o      au tendinta de a scadea lucrabilitatea mortarelor si betoanelor, dezavantaj eliminat prin adaugarea in amestec a aditivilor plastifianti sau a silicei ultrafine (SUF).

• Cimenturi cu adaosuri de cenusa

Aceste cimenturi se obtin prin introducerea la macinare a clincherului de ciment portland, a cenusilor volante de termocentrala (puzzolane artificiale). La fel ca si zgurile de furnal, cenusiile zburatoare de termocentrala, au drept rezultat, economia de clincher portland si obtinerea unor proprietati pentru betoanele (netratate termic) preparate cu acestea:

o      imbunatatirea lucrabilitatii betoanelor proaspete (scaderea cantitatii de apa la amestecare);

o      cresterea omogenitatii betonului proaspat;

o      reducerea caldurii de hidratare a cimentului;

o      scaderea rezistentelor mecanice a betonului in primele doua saptamani de la turnare;

o      cresterea rezistentelor mecanice a betonului dupa 14 zile de le turnare;

o      scaderea usoara a gelivitatii betonului (se impune utilizarea impreuna cu un aditiv antrenor de aer);

o      rezistente superioare la soc termic si la foc;

o      cresterea rezistentelor la anumite agresivitati chimice.   

Cimenturi portland cu rezistente initiale mari

Aceste cimenturi sunt fabricate cu o finete de macinare superioara (min. 3500 cm²/g).

Clasele de rezistenta dupa 28 de zile variaza la aceste cimenturi intre 32,5 si 62,5 N/mm², iar rezistentele initiale ale acestora au valori ridicate la 1,2,3 si 7 zile, comparativ cu cimenturile normale.  Sunt utilizate la lucrari de beton pe timp friguros, industria prefabricatelor de beton etc.

Exista si cimenturi portland cu intarire extrarapida, obtinute prin macinarea la o finete foarte mare (min. 7000 cm²/g) si adaosuri de 1.2% clorura de calciu. Cimenturile cu intarire extrarapida fac priza in 5.30 min. de la contactul cu apa si sunt utilizate la lucrari de betoane in climat rece, zone cu infiltratii puternice de apa, etc.

Cimenturi portland cu caldura de hidratare limitata

Aceste cimenturi au compozitii chimico - mineralogice care asigura cresteri reduse de temperaturi, incat cea mai mare parte a caldurii de hidratare sa s poata disipa. Cimenturile de acest tip au viteze de hidratare reduse, astfel incat clasa acestora este garantata la 28 zile, iar clasa betoanelor fabricate cu astfel de cimenturi este garantata prin caietele de sarcini la 28.90 zile de la preparare.

Cimenturile portland cu caldura de hidratare limitata sunt folosite la prepararea betoanelor puse in lucrare in elemente masive (baraje de greutate, blocuri mari de fundatii), a betoanelor puse in lucrare in zone cu climat cald, etc.

Cimenturile portland rezistente la suflati

Aceste cimenturi constituie unul din remediile impotriva coroziunii sulfatice. Ele sunt caracterizate printr-o caldura de hidratare si o viteza de intarire mai reduse. In ceea ce priveste rezistentele la compresiune dupa 28 zile, acestea ating valori minime de la 32,5 N/mm².

Cimenturi  albe sau colorate

Pentru cimentul portland alb se utilizeaza materii prime cu continut redus de oxizi de fier (calcar de foarte buna calitate sau creta si caolin). Aceste cimenturi au pret de cost ridicat si se utilizeaza pentru lucrari monumentale, lucrari decorative, finisaje deosebite etc.

Pentru cimenturi portland colorate, se utilizeaza materii prime pentru cimenturi albe, la care se adauga oxizi fondanti, mineralizatori, coloranti si oxizi necesari.

PROPRIETATI ALE CIMENTURILOR

Cele mai importante proprietati ale cimenturilor care intereseaza pe constructori sunt priza, finetea de macinare, viteza de hidratare si respectiv cantitatea de apa legata chimic, caldura de hidratare, etc.

Priza cimenturilor

Imediat dupa introducerea apei, amestecul devine activ, pasta de ciment avand unele proprietati reologice (procese evolutive ale vascozitatii, fluiditatii, rgiditatii. coeziunii si altele). In acest stadiu, asupra pastei de ciment se poate interveni mecanic, legaturile interne rupte, putandu-se. Inceputul prizei cimentului marcheaza si cresterea temperaturii amestecului, iar sfarsitul prizei este insotit de un varf de temperatura, dupa care este interzisa orice actiune mecanica asupra pastei de ciment (pasta se rigidizeaza si legaturile rupte nu se mai refac).

Intarirea reprezinta un fenomen foarte complex, constand in principal dintr-o suita de reactii fizico - chimice datorate hidratarii cimentului si care conduc la formarea pietrei de ciment, care inglobeaza si leaga intre ele restul componentilor solizi. Ea parcurge deci trei etape foarte importante si anume:

etapa initiala - care are durata cuprinsa intre momentul "0", reprezentand terminarea amestecarii componentilor si timpul de incepere a prizei( aceasta se poatea determina experimental sau se poate aprecia in functie de mai multi parametrii care vor fi prezentati ulerior) . In acest interval de timp reactiile de hidratare sunt foarte lente, practic betonul putand fi transportat, manipulat, compactat, nivelat etc. fara ca proprietatile lui sa fie practic influentate negativ. Durata acestei etape depinde de compozitia betonului (in special de clasa, dozajul si tipul cimentului, de cantitatea de apa si de tipul aditivilor folositi) si de temperatura lui;

priza - durata cuprinsa intre timpul de inceperea a prizei si timpul de terminare a prizei (momentul in care betonul trece din faza fluida in cea solida). Ea dureaza cateva ore si depinde in principal de tipul cimentului si de temperatura amestecului. In acest interval este interzisa orice actiune asupra betonului, intrucat s-au format legaturile intre microcristale, iar distrugerea acestora conduce la diminuarea proprietatilor betonului intarit;

intarirea propriu-zisa - se intinde pe o durata de cateva zeci de ani, incepand de terminarea timpului de priza si prezentand interes deosebit numai in primele 28 de zile.

Un fenomen ce poate fi intalnit este priza falsa a cimentului,caracterizata prin lipsa temperaturii ridicate in masa betonului, imediat dupa amestecarea cimentului cu apa. Acest fenomen are cauze provenite din macinarea cimenturilor, depozitarea lui precum si din tehnologia de preparare a betoanelor. Reamestecarea betonului fara adaugare da apa suplimentara, restabileste calitatile acestuia.

Inceputul si sfarsitul prizei cimenturilor este legat de compoziyiile mineralogice, finetea de macinare, adaosuri rapoarte A/C, etc.

Finetea de macinare

Se exprima ca fiind raportul intre aria suprafetei specifice totale a granulelor pe unitatea de masa deoarece hidratarea cimentului incepe la suprafata granulei,gradul de finite devine principalul factor care influenteaza viteza de hidratare,deci mareste sau micsoreaza durata intaririi betonului.Din punct de vedere al finetei, cimenturile pot fi fine, medii sau grosiere. Un ciment fin are viteza mai mare de hidratare si de intarire, atingand rapid rezistentele minime pentru decofrare.In acelasi timp un ciment fin este mult mai usor degradabil in atmosfera si necesita o cantitate mai mare de apa pentru hidratare si hidroliza, in urma careia va rezulta o contractie si o fisurare mai accentuate, deci un beton mai putin compact. De aceease prefera si se recomanda cimenturile cu grad mediu de macinare.

In concluzie alegerea unui ciment din punct de vedere al finetei este stabilita din rationamente tehnice si economice.

Influenta dozajului de ciment asupra proprietatilor betonului

Pentru un amestec in care se pastreaza constante, cantitatea de apa de granulozitatea agregatului, dozarea diferita cu ciment a amestecului conduce la urmatoarele aspecte:

• coeziunea si lucrabilitatea se amelioreaza odata cu cresterea dozajului de ciment;
• densitatea amestecului se modifica astfel:
• pana la 300-400kg ciment/mc, se realizeaza o densitate maxima a betonului;
• peste 500kg ciment/mc, cimentul devine predominant si prin densitatea sa mai scazuta ca valoare decat cea agregatului va impune o scadere a valorii totale a densitatii amestecului.

• rezistenta la compresiune creste semnificativ pana la 400kg/mc, moderat pana la 600-700kg/mc si nesemnificativ,peste 800kg/mc.

Concluzie

Tipul si clasa cimentului se aleg si se coreleaza cu clasa betonului si in functie de caracteristicile tuturor mijloacelor si tehnologiilor ce actioneaza asupra betonului proaspat precum si in functie de mediul de exploatare al betonului intarit.

TRANSPORTUL SI DEPOZITAREA CIMENTULUI

Deoarece cimenturile sunt materiale hidrofile, trebuie indeplinite urmatoarele aspecte:

• asigurarea protectiei cimentului fata de umiditate;
• aprovizionarea cu cantitati care se vor consuma in cel mult o luna (pentru cimenturile unitare) si cel mult 3 luni (pentru cimenturile obisnuite);
• mecanizarea completa a tuturor operatiilor de incarcare-descarcare si depozitare;
• evitarea amestecarii sorturilor de ciment;
• reducerea la minimum a manipularii  cimentului;

Cimentul se poate altera in contact cu umezeala si din acest punct de vedere este caracterizat astfel:

• STADIUL I. de alterare se caracterizeaza printr-o aglomerare a particulelor de ciment care se pot sfarma intergral la strangerea in palma. Inainte de folosirea cimentului se va determina domeniul de utilizare si corectia necesara la dozare;
• STADIUL II. de alterare se caracterizeaza printr-o sfarmare partiala aglomerarilor particulelor de ciment. Acest ciment necesita o cernere atenta si nu poate fi utilizat decat pentru betoane de slaba rezistenta;
• STADIUL III. de alterare se caracterizeaza prin pietrificarea cimentului, deci acesta nu se mai poate utiliza.

Transportul se poate realiza:

• in recipienti metalici acoperiti, in vrac, pentru cantitati mici si distante scurte;
• cu mijloace auto sau CF, specifice, dotate cu buncare si sisteme pneumatice de incarcare - descarcare;
• in saci multistrat din hartie cerata pe interior, inscriptionati cu toate caracteristicile cimentului, producatorului si datei de fabricatie;
• pneumatic, prin conducte metalice, la distante scurte, in cadrul platformelor industriale utilizatoare sau in santiere;
• mecanic, cu snecuri, jgheaburi vibrante sau benzi transportoare capsulate, in cadrul platformelor industriale utilizatoare sau in santiere.

Depozitarea se face numai in spatii inchise, aerisite periodic, ferite de umezeala si de lumina solara directa, pe perioade scurte (max. 3 luni) pentru cantitati mici sau in buncare speciale, metalice, prevazute cu sisteme pneumatice pentru incarcare - descarcare.