1 / 31

Dr. Gömze A. László egyetemi docens MISKOLCI EGYETEM Műszaki Anyagtudományi Kar

Habilitációs tudományos kollokvium Miskolc, 2011. január 20. A klinkerásványok oxidjai : a klinkeroxidok szerepe a cementgyártásban és a b etontechnológiáknál a cement- hidratációban. Dr. Gömze A. László egyetemi docens MISKOLCI EGYETEM Műszaki Anyagtudományi Kar

swain
Download Presentation

Dr. Gömze A. László egyetemi docens MISKOLCI EGYETEM Műszaki Anyagtudományi Kar

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript


  1. Habilitációs tudományos kollokvium Miskolc, 2011. január 20. A klinkerásványokoxidjai: a klinkeroxidokszerepe a cementgyártásbanés a betontechnológiáknál a cement-hidratációban Dr. Gömze A. László egyetemi docens MISKOLCI EGYETEM Műszaki Anyagtudományi Kar Kerámia- és Szilikátmérnöki Tanszék http://keramia.uni-miskolc.hu femgomze@uni-miskolc.hu

  2. Habilitációs tudományos kollokvium Miskolc, 2011. január 20. KERÁMIATAN A TANTÁRGY CÉLJA A kerámiák alaptulajdonság rendszerének általános ismertetése Átfogó jellemzést adni a ma ismert kerámiákról és a hozzájuk kapcsolódó technológiákról Elősegíteni és erősíteni az anyagmérnök BSc hallgatók ismeretét a nemfémes anyagok területén A Fémtannal és a Polimertannal együtt megalapozni és elősegíteni az anyagmérnök BSc hallgatók szakirányválasztását

  3. Habilitációs tudományos kollokvium Miskolc, 2011. január 20. KERÁMIATAN • KINEK SZÓL A TANTÁRGY? • BScAnyagmérnök szak törzsanyagában szereplő kötelező tantárgy. • Azoknak a BSc anyagmérnök hallgatóknak szól, akik már sikeresen abszolválták az • Anyagszerkezettan I. és/vagy Anyagszerkezettan II., • Matematika I. és/vagy Matematika II. • Fizikai kémia • Általános és szervetlen kémia • Fizika I. • tantárgyakat.

  4. Habilitációs tudományos kollokvium Miskolc, 2011. január 20. KERÁMIATAN • A KERÁMIATANRA ÉPÜLŐ TANTÁRGYAK JEGYZÉKE • Az anyagmérnök BSc képzésben • Kerámiák alakadása I. • Portechnológiák • Szilikátipari technológiák • Tégla- és cserépipari technológiák • Üvegipari technológiák • Finomkerámia-ipari technológiák • Kerámia mázak • Tűzálló anyagok • Az anyagmérnök MSc képzésben • Kerámiatan II. • Kerámiák alakadása II. • Kerámiák anyagvizsgálata • Az anyagmérnök PhD képzésben • Építőanyagok, szilikátok, üvegek • Kerámiák mechanikája és technológiája • Kompozit technológiák

  5. Habilitációs tudományos kollokvium Miskolc, 2011. január 20. KERÁMIATAN • AJÁNLOTT IRODALOM • Könyvek és tankönyvek: • Tamás Ferenc: Szilikátipari kézikönyv, Műszaki Könyvkiadó 1982. • James S. Reed: Introduction to the Principles of Ceramic Processing (1989) • Dr. BalázsGyörgy: Barangolásom a betonkutatás területén (2001) • Dr. SzabóMiklós - Dr. Gömze A. László és mások: Kerámiaipariévkönyv 2001. • RabuhinA. I. - Savelev B. G.: Fizicheskayahimiyanemetalicheskihisilikatnihsoedinenij(2004) • C.B. Carter, M.G. Norton: Ceramicmaterials, Springer, 2007. • Azelőadáson elhangzottak, valamint a kiadottjegyzetekés kéziratok • Folyóiratok: • Beton • Építőanyag • KeramischeZeitschrift • Ziegelindustrie • Ceramic Forum International • Interceram • Tiles and Bricks • Steklo i Keramika • Stroitel’niemateriali

  6. Habilitációs tudományos kollokvium Miskolc, 2011. január 20. KERÁMIATAN • A KERÁMIA FOGALMA - DEFINÍCIÓK • A kerámia szó a görög „keramosz” szóból ered, jelentése: égetettagyagcserép. • Richerson D.V. szerint (Modern CeramicEngineering, CRC Press, 2005) minden olyan szilárdanyag, amely nem fém, műanyag, illetve nem növényi vagy állati termék, az kerámia. • Carter C.B. és Norton M.G. szerint (CeramicMaterials, Springer, 2007) a kerámiák olyan anyagok, amelyek kristályait hosszanrendezett atomok építik fel, kötésüket tekintve többnyire vegyeskötésűek – de lehetnek kovalens, ionos és atomos kötésűek is. • A kerámiák leggyakrabban oxidok (SiO2, Al2O3, CaO,…), karbidok (SiC, B4C, TiC,…), nitridek (Si3N4, AlN,…) és boridok (BN, Mg3B2, B4C,…). A kerámiák gyakran metastabilak, sok-sok módosulattal.

  7. Habilitációs tudományos kollokvium Miskolc, 2011. január 20. KERÁMIATAN • KERÁMIÁK KÖTÉSE I. • FÉMES KÖTÉS: • A fémes kötés esetén pozitív töltésű atommagokat „elektronfelhő” veszi körül. • A fémes kötés nem irányított. • A koordinációs számok 6-osak, vagy annál nagyobbak, sokszor 12-es, szoros illeszkedésűek. • VAN DER WAALS KÖTÉS: • A van der Waals kötés azonos vagy különböző molekulák és atomok között, részben a dipólus-hatás miatt jön létre. • Gyenge elektrosztatikus jellegű kötés. • A van der Waals kötés nem irányított. • A van der Waals kötést tartalmazó kristályok kis keménységűek, alacsony az olvadáspontjuk, és nem vezetik az elektromosságot.

  8. Habilitációs tudományos kollokvium Miskolc, 2011. január 20. KERÁMIATAN • KERÁMIÁK KÖTÉSE II. • IONOS KÖTÉS: • Az ionos kötés ellentétes töltésű ionok között jön létre. Erős kötéstípus. • Az ionos kötés nem irányított, a tér minden irányában hat. • A koordinációs számok az ionos kötések esetén 6-os, vagy 6-nál nagyobbak. • Az ionos kötést tartalmazó kristályok közepes keménységűek, eléggé magas olvadáspontúak, általában színtelenek, kevéssé vagy nem vezetik az elektromosságot. • KOVALENS KÖTÉS: • A kovalens kötés azonos vagy különböző atomok között jön létre párosítatlan elektronok révén. Erős kötéstípus. • A kovalens kötés erősenirányított. • A koordinációs számok kovalens kötések esetén 4-es, vagy 4-nél kisebbek. • A kovalens kötést tartalmazó kristályok legtöbbször nagy keménységűek, magas olvadáspontúak, sokszor színtelenek, és nem vezetik az elektromosságot.

  9. Habilitációs tudományos kollokvium Miskolc, 2011. január 20. KERÁMIATAN • KERÁMIÁK „TÖBBALAKÚSÁGA” (POLIMORF MÓDOSULATOK) Polimorfok azok a kerámiák, melyek azonos kémiai összetétellel, de két vagy többféle kristályszerkezettel (ennek megfelelően más-más morfológiával, fizikai tulajdonságokkal) rendelkeznek. A polimorfátalakulások legfőbb oka, hogy adott T és p viszonyok között a polimorf anyagoknak csak egy módosulata stabil. Az instabil módosulat egy idő múlva át fog alakulni a stabil módosulattá. Atmoszférikus nyomáson a SiO2 polimorf módosulatai az alábbiak: T≤573 °C  α-kvarc • 573 °C – 870 °C  β-kvarc 870 °C – 1470 °C  β-tridimit 1470°C – 1723 °C  krisztoballit • 1723 °C felett  olvadék A coesit és a sztisovit módosulat csak magas nyomáson jön létre, relatíve alacsony hőmérsékleten. Sdcsw A SiO2 polimorf módosulatai

  10. Habilitációs tudományos kollokvium Miskolc, 2011. január 20. KERÁMIATAN • KERÁMIÁK ÁLALAKÚSÁGA • (PSZEUDOMORFÓZA) • Kerámiák álalakúságáról akkor beszélünk, amikor a kerámia morfológiáját megtartja, miközben: • Kémiai összetétele és/vagy • Kristályszerkezete megváltozik • A pszeudomorf állapot lehet eredménye: • Anyagvesztésnek (pl. redukció hatására) • Anyagfelvételnek (pl. gipsz esetén CaSO4+2H2O=CaSO4*2H2O) • Helyettesítésnek (pl. egyes kerámiáknál, amikor a CaCO3 helyére SiO2 épül be, úgy mint bizonyos volasztonitCaO*SiO2 kristályok létrejöttekor)

  11. Habilitációs tudományos kollokvium Miskolc, 2011. január 20. KERÁMIATAN • KERÁMIÁK HASONLÓ ALAKÚSÁGA • (IZOMORF KERÁMIÁK) • Az izomorfia azaz a kristályszerkezet hasonlósága elsősorban a kerámiák karbonátos alapanyagaira jellemző. A cementgyártás legfontosabb alapanyaga a CaCO3 és annak polimorf módosulatai kristályszerkezeti felépítésüket tekintve hasonló, vagy azonos (izomorf) számos, más karbonát struktúrával. • Így például: • a rombos szerkezetű aragonit (CaCO3) kristályszerkezete izomorf a witherit (BaCO3) kristályszerkezetével. • a trigonális szerkezetű kalcit (CaCO3) kristályszerkezete izomorf a sziderit (FeCO3), a magnezit (MgCO3) és a rodokrozit (MnCO3) kristályszerkezetével. • Többek között a hasonló alakúságnak (izomorfiának) köszönhető, hogy a hagyományos anyag-összetételű cementek mellett jó minőségben állíthatók elő a magnézium- és a mangáncementek is.

  12. Habilitációs tudományos kollokvium Miskolc, 2011. január 20. KERÁMIATAN • A CEMENTGYÁRTÁS LEGFONTOSABB ALAPANYAGAI • (Mészkő, agyag, márga, homok, lösz) • MÉSZKŐ: • Az üledékes kőzetek sorába tartozik, amely a természetes, vízben oldott CaCO3-ból kiválva kőzetté szilárdult, • Több polimorf változata is ismert (kalcit, aragonit, vaterit) de cementgyártásra leggyakrabban a kristályszerkezetileg stabilabb, trigonális módosulatát, a kalcitot használják. • Hőközlés hatására endoterm folyamatként 890°C-on mészre és szén-dioxidra disszociál a következő kémiai reakció szerint: • CaCO3 CaO+CO2 • Amennyiben a kristályok kellően nagyok és szabad szemmel láthatók, a CaCO3 ásványt márványnak nevezzük, ami önmagában is fontos díszítőépítőanyag, építőelem.

  13. Habilitációs tudományos kollokvium Miskolc, 2011. január 20. KERÁMIATAN • A CEMENTGYÁRTÁS LEGFONTOSABB ALAPANYAGAI • AGYAG ÉS MÁRGA: • Az agyagok olyan laza, törmelékes kőzetek, amelyek agyagásványokat és egyéb (nagyobb szemcséjű) ásványtörmeléket tartalmaznak. • A márgák a CaCO3 és az agyag együttes leülepedésével jöttek létre. A két alkotó olyan egyenletesen keveredett el, és szemcséi olyan finomak, hogy iszapolással sem választhatóak el egymástól. • HOMOK ÉS LÖSZ: • A homok olyan 70% fölött SiO2 kristályokat tartalmazó laza törmelékes kőzet, amelyet víz, vagy szél hordott össze és szemcsemérete: 0,02 mm ≤ d ≤ 2,0 mm • A lösz sárga színű, laza, meszeskőzet, amely a levegő finompor leülepedésével jött létre, a SiO2 tartalma általában eléri a 40-50 %-ot, míg szemcseméretének tartománya: 0,02 mm ≤ d ≤ 0,2 mm • A klinkerásványok képződéséhez szükséges SiO2, Al2O3, és FeO tartalom az agyag, a márga, a homok és a lösz bekeverésével kerül a cementbe.

  14. Habilitációs tudományos kollokvium Miskolc, 2011. január 20. KERÁMIATAN • A KLINKERÁSVÁNYOK • A cementnek, mint hidraulikus kötőanyagnak a hidratációstulajdonságai; valamint a létrejövő cementkő mechanikaiszilárdságaszempontjából a legfontosabb cementalkotó vegyületek (szilárd oldatok) az alit, belit, celités felit, melyet gyűjtőnéven klinkerásványoknak nevezünk. Ezek a cementalkotó vegyületek (elegykristályok) metastabilak; a hőmérséklet függvényében számos polimorf módosulatuk létezik. • SZILÁRD OLDATOK (ELEGYKRISTÁLYOK) • Az elegykristály képződés szempontjából az ionok (atomok) méretének, az ionok töltésének, illetve a kémiai kötéseknek van nagy szerepe. • Csak a hasonló méretű atomok/ionok helyettesítik egymást korlátlanul. • Magasabb hőmérsékleten nagyobb az elegyedési hajlam és az elegykristályok létrejöttének lehetősége. • Elegykristály képződhet: • Egyszerű helyettesítéssel (A+*X- A+-t helyettesíti B+  B+*X-) • Kapcsolt helyettesítéssel: az egymást helyettesítő ionok töltése nemegyezik meg.

  15. Habilitációs tudományos kollokvium Miskolc, 2011. január 20. KERÁMIATAN • A KLINKERÁSVÁNYOK • ELEGYKRISTÁLY KÉPZŐDÉS KAPCSOLT HELYETTESÍTÉSSEL • Mivel az egymást helyettesítő ionok töltése nem egyezik meg, ezért további helyettesítések szükségesek ahhoz, hogy az elegykristályaink – szilárd oldataink – semlegesek maradhassanak. Így megy végbe a plagioklászoknál az albit (NAS6) és az anortit (CAS2) közötti elegyedés. Amilyen mértékben helyettesíti a Na+ a Ca2+ kationt, olyan mértékben helyettesíti az Al3+ a Si4+-t. Eközben az alkáliföldpátok és a plagioklászok számos új, szobahőmérsékleten stabil vegyülete – szilárd oldata – jön létre.

  16. Habilitációs tudományos kollokvium Miskolc, 2011. január 20. KERÁMIATAN • A KLINKERÁSVÁNYOK • ALIT: C3S  3CaO*SiO2 • A portlandcement legfontosabb és egyúttal a legnagyobb mennyiségben (>50%) jelenlévő ásványa. • Neki köszönhető a hidratáció során a cementkő nagy kezdeti szilárdsága. • Hidratációját intenzív hőképződés kíséri (exoterm folyamat). • BELIT: C2S 2CaO*SiO2 • A cement minősége szempontjából a 4módosulata közül aβ-C2Sa legfontosabb. • Lassú kezdeti és jelentős utószilárdulás jellemzi. • Hidratációját alacsony hidratációs hő kíséri (enyhén exoterm). • CELIT: C4AF  4CaO*Al2O3*Fe2O3 • Hidratáció során lassan köt, a legkisebb szilárdságú cementalkotó ásvány. • FELIT: C3A  3CaO*Al2O3 • Hidratáció során ő köt a leggyorsabban, a legnagyobb hidratációs hőtermelés mellett (erősen exoterm). • Gipszkő (CaSO4*2H2O) hozzáadásával jelentősen lassítható a felit túl gyors kötése.

  17. Habilitációs tudományos kollokvium Miskolc, 2011. január 20. KERÁMIATAN A KLINKERÁSVÁNYOK HELYE A CaO – Al2O3 – SiO2HÁROMALKOTÓS ANYAGRENDSZERBEN

  18. Habilitációs tudományos kollokvium Miskolc, 2011. január 20. KERÁMIATAN A KLINKERÁSVÁNYOK HELYE A CaO – Al2O3 – SiO2RENDSZERBEN

  19. Habilitációs tudományos kollokvium Miskolc, 2011. január 20. KERÁMIATAN ALIT, BELIT KLINKERÁSVÁNYOK A CaO – SiO2RENDSZERBEN

  20. Habilitációs tudományos kollokvium Miskolc, 2011. január 20. KERÁMIATAN AZ AGYAG, MINT CEMENTALAPANYAG TERMOANALITIKAI VIZSGÁLATA

  21. Habilitációs tudományos kollokvium Miskolc, 2011. január 20. KERÁMIATAN A MÉSZKŐ, MINT CEMENTALAPANYAG TERMOANALITIKAI VIZSGÁLATA

  22. Habilitációs tudományos kollokvium Miskolc, 2011. január 20. KERÁMIATAN CEMENTKLINKERT ALKOTÓ ELEGYKRISTÁLYOK KÉPZŐDÉSE A CaO+SiO2 KEVERÉKBŐL 1200 °C-ON - C2S -C3S2 - CS (átvéve: Rabuhin A.I, Savalev V.G.: Phizitseskajahimiyatugoplavkihnemetallitseskih i silikatnihsoedinenii; Moscow,INFRA-M, 2004 )

  23. Habilitációs tudományos kollokvium Miskolc, 2011. január 20. KERÁMIATAN ALIT, BELIT KLINKERÁSVÁNYOK A CaO – SiO2RENDSZERBEN

  24. Habilitációs tudományos kollokvium Miskolc, 2011. január 20. KERÁMIATAN A FELIT KLINKERÁSVÁNY ÉS ALUMINÁTCEMENTEK AZ Al2O3 – CaO ANYAGRENDSZERBEN

  25. Habilitációs tudományos kollokvium Miskolc, 2011. január 20. KERÁMIATAN • KLINKERÁSVÁNYOK HIDRATÁCIÓJA • Az alit (C3S), a belit (C2S), a celit (C4AF) és a felit (C3A) hidratációjának köszönhető: • A cementpép megszilárdulása, • A cementkő létrejötte (mint a szemcsés adalékokat összefogó és egyben tartó mátrix anyag a betonban) , • A beton és vasbeton szerkezetek névleges mechanikai szilárdsága (Rp,Rb, Rt) • Skalny J.P. és Young J.F. szerint (Mechanism of portland cement hydration, CementCongressein Paris, 1980), az alit (C3S) hidratációja az alábbi 3 szakaszon keresztül valósul meg: • C3S kezdeti hydrolízise • Kristályképződés és kristálynövekedés az indukciós szakasz végén • CSH belső termék képződése

  26. Habilitációs tudományos kollokvium Miskolc, 2011. január 20. KERÁMIATAN A C3S KLINKERÁSVÁNY HIDRATÁCIÓ-MECHANIZMUSA SKALNY J.P. ÉS YOUNG J.F. SZERINT a., Kezdeti szakasz anion és kation képződés b., Indukciós szakasz vége kristálycsíra képződés és növekedés c., CSH „belső” termék képződés és a szabad mész hidratációja CaO+H2OCa(OH)2

  27. Habilitációs tudományos kollokvium Miskolc, 2011. január 20. KERÁMIATAN A CELIT (C4AF) ÉS A FELIT (C3A) HIDRATÁCIÓJA CELIT C4AF + 7H  C3AFH6 + CH 22C4AF + 166H  20C3AFH6 + 2C3AFCHH12 + 20CH 6C4AF + 48H  5C3AFH6 + C4AFH13 + 5CH FELIT C3A + 6H  C3AH6 C3AH6 + CH + 6H  C4AH13 36C3A + 234H  30C3AH6 + 3C4AH13 + 6CH + 3AH3 3C4AH13  3C3AH6 + 3CH + 18H C3A + CH + 18H  C4AH19

  28. Habilitációs tudományos kollokvium Miskolc, 2011. január 20. KERÁMIATAN AZ ALIT ÉS A BELIT HIDRATÁCIÓJA BRUNAUER ÉS TAYLOR SZERINT BRUNAUER 2C3S + 6H  C3S2H3+ 3CH 2β-C2S + 4H  C3S2H3 + CH 3CH = 3Ca(OH)2 + 3CO2 = 3CaCO3 + 3H2O ↑ CH = Ca(OH)2 + CO2  CaCO3 + H2O TAYLOR 6 C3S + 18H  C5S6H5 + 13CH 7β-C2S + 10H  C5S6H5 + C2SH2 + 3CH + 4C 13CH = 13Ca(OH)2 + 13CO2  13CaCO3 + 13H2O 3CH = 3Ca(OH)2 + 3CO2 = 3 CaCO3 + 3H2O 4C = 4 CaO + 4H2O  4C(OH)2 = 4CH 4Ca(OH)2+ 4CO2  4CaCO3 + 4H2O

  29. Habilitációs tudományos kollokvium Miskolc, 2011. január 20. KERÁMIATAN KLINKERÁSVÁNYOK HIDRATÁCIÓJÁNAK HATÁSA AZ ANYAGSZERKEZETRE 1 napos 3 napos

  30. Habilitációs tudományos kollokvium Miskolc, 2011. január 20. KERÁMIATAN KLINKERÁSVÁNYOK HIDRATÁCIÓJÁNAK HATÁSA AZ ANYAGSZERKEZETRE 3 napos 28 napos

  31. Habilitációs tudományos kollokvium Miskolc, 2011. január 20. KERÁMIATAN KÖSZÖNÖM A FIGYELMET!

More Related