hrvatski

Čvrstoća i trajnost cementnih kompozita

Predgovor: Portlandski cement- moderno hidraulično vezivo je, sve do danas, jedan od najpopularnijih i široko primjenjivih građevinskih materijala, koji je i po količini proizvodnje prvi u svijetu među industrijskim proizvodima. U kvalitativnom i kvantitativnom pogledu, cement (lat. opus caementicum) prošao je buran razvoj koji najbolje karakterizira njegovo značenje u građevinskoj praksi. Iz prvobitnog veziva za povezivanje kamena ili opeke nastao je beton-samostalan građevinski materijal, na kojim je izgrađeno Rimsko Carstvo, a danas je to materijal za novu generaciju nebodera koji prkose gravitaciji. Osnovno svojstvo betona je dugotrajnost pa su napori znanstvenika i graditelja usmjereni na iznalaženje načina povećanja trajnosti, posebice, betonskih hidrotehničkih konstrukcija uz najmanji utrošak financijskih sredstava, rada i materijala. Kada se isključe one pojave u betonu do kojih dolazi uslijed skupljanja i temperaturnih promjena, a koje mogu dovesti do narušavanja njegove monolitnosti u početnom periodu očvršćivanja, onda će njegova trajnost biti određena njegovom sposobnošću da se odupre raznim vanjskim utjecajima, karakter i jačina kojih ovise o uvjetima prirodnog okoliša u kojima se objekt nalazi. U vanjske uvjete koji predstavljaju najveću opasnost za hidrotehnički beton, spadaju: (1) kemijsko djelovanje vode, sredine i tvari koje su u njoj otopljene, (2) naizmjenično djelovanje negativnih i pozitivnih temperatura, što dovodi do više puta ponovljenog smrzavanja i odmrzavanja betona, (3) naizmjenično vlaženje i sušenje betona, (4) kristalizacija soli u betonu, uslijed kapilarnog penjanja vode i isparavanja mineralizirane vode. Svi navedeni čimbenici mogu izazvati narušavanje strukture betona te se smatraju osnovnim čimbenicima procesa korozije i propadanja betona, a dijele se na procese kemijske korozije i procese fizičke korozije. Trajnost betonskih konstrukcija izloženih agresivnom djelovanju okoliša može se poboljšati upotrebom zaštitnih sredstava, čime se dobivaju betoni poboljšane kakvoće i otpornosti prema koroziji. U brojnim istraživanjima iz područja kemije i tehnologije cementa jedan od najvažnijih problema je kako postići što veću ekonomičnost manjim utroškom cementa, uz povećanje otpornosti i trajnosti betonskih konstrukcija izloženih agresivnom djelovanju okoliša. Stoga je, u rješavanju ovog složenog problema, proučavanje korozije i zaštite betona, radi veće trajnosti izgrađenih objekata, pobudilo interes velikog broja istraživača diljem svijeta. U ovoj knjizi, koja je posvećena razmatranju korozije i zaštite cementnih kompozita, morta i betona, pridržavamo se ranije usvojene definicije, podrazumijevajući pod korozijom cementnog kompozita (morta i betona) njegovo raspadanje, koje se vrši samo pod utjecajem onih procesa koji su vezani neposredno s kemijskim reakcijama između sastojaka cementnog kompozita i sredine u kojoj se nalazi. Istraživanja korozije cementa i betona započela su u drugoj polovini 19. stoljeća i od tada je izvršen veliki broj laboratorijskih istraživanja, koja su dala obilan eksperimentalni materijal o ponašanju različitih cemenata, u različitim sredinama. Vršena su i terenska promatranja ponašanja betonskih objekata u prirodnom okolišu. Međutim, broj ovakvih promatranja, u usporedbi s laboratorijskim istraživanjima, bio je, nažalost, mnogo manji. I pored velikog obima dobivenih podataka, mnoga pitanja koja se odnose na kvalitativnu i na kvantitativnu stranu korozije betona i cementnih kompozita ostala su nedovoljno razjašnjena. Proturječnosti podataka u području korozije cementa i betona te nedovoljna jasnoća u čitavom nizu pojedinih pitanja jako su otežavali uopćenje postojećeg materijala. Ovaj udžbenik, prvenstveno namijenjen studentima i prilagođen nastavnim programima više predmeta na diplomskim i poslijediplomskim doktorskim studijima koji se slušaju na Kemijsko-tehnološkom fakultetu Sveučilišta u Splitu i na Tehnološkom fakultetu Univerziteta u Tuzli (Korozija i razgradnja građevnih materijala, Kompozitni materijali, Korozija i zaštita građevnih materijala, Građevinski materijali, Cementni kompoziti ciljanih svojstava) sadrži razmatranja onog oblika kemijske agresije koji se javlja tijekom izloženosti cementnog kompozita prirodnom okolišu (agresija izluživanjem i/ili bubrenjem), a koji u krajnjoj mjeri dovodi do gubitka mehaničkih čvrstoća, odnosno do razaranja kompaktnih betonskih elemenata. Želja autora je da ova knjiga bude korisna i onima koji se bave znanstvenim radom u području cementa i betona, kao i građevinskim inženjerima, koji rade u projektantskim i izvođačkim organizacijama. Naime, poznavanje mineralnog veziva (tehnološki proces njegova dobivanja i način prerade, sastav i svojstva prije uporabe te za vrijeme obrade, ponašanje u građevnim konstrukcijama i sve promjene koje vremenom mogu nastupiti) temeljni je uvjet da vezivni materijal odgovara namjeni te da bude jeftin, stabilan i dugotrajan. Posebice je istaknuta uloga i značenje zamjenskih dodataka cementu (filtarska SiO2 prašina iz proizvodnje ferosilicija, leteći pepeo iz termoelektrana loženih ugljenom, fino mljeveni vapnenac, metalurške troske) u pripravi cementnih kompozita povećane mehaničke čvrstoće, stabilnosti i trajnosti. Radi jasnog shvaćanja fizikalno-kemijske suštine korozijskih procesa koji nastaju u betonu, u prvom dijelu knjige izložena je kemija procesa hidratacije i očvršćivanja silikatnog, tj. portlandskog cementa, kao najzastupljenijeg cementnog veziva. Sadržaj djela prati povijesni razvoj poznavanja, dobivanja (proizvodnje) i primjene cementa od najstarijih vremena do današnjih dana, ali daje i najnovija znanstvena, teorijska i praktična saznanja o procesima, kinetici i mehanizmu hidratacije u slučaju kemijski aktivnih pucolanskih dodataka cementu. Budući da je područje država naše regije jedno od rijetkih u svijetu s golemim ležištima prirodne sirovine - lapora iz koje se izravno može proizvoditi cement najbolje kakvoće, u knjizi je dat prikaz razvoja industrije cementa na području država naše regije, posebice u razdoblju (1865. - 1926.) godine. Iako dani prilozi ne iznose sve pojedinosti o razvoju naše industrije cementa od njezina postanka do danas, oni će ipak dati čitateljima jedan opći pregled uvjeta u kojima su se pojedine tvornice razvijale i kakve su uspjehe postigle. Pri pisanju ovog udžbenika, osim niza za to područje relevantnih međunarodnih časopisa, već objavljenih stručnih knjiga i odgovarajućih normi, korištena su i osobna saznanja autora stečena dugogodišnjim nastavnim i znanstveno-istraživačkim radom u području procesa hidratacije, korozije i zaštite cementnih kompozitnih materijala. Na kraju želimo zahvaliti recenzentima rukopisa na temeljitom pregledu te na dragocjenim savjetima i korisnim prijedlozima za poboljšanje rukopisa. Njihov kritički osvrt korisno nam je poslužio za oblikovanje sadržaja i strukture udžbenika. (Autori, Split-Tuzla, ožujak 2014. godine) Preface: The Portland cement- a modern hydraulic binder is, to date, one of the most popular and widely applicable building materials, and is the first among industrial products as regards the quantity of production worldwide. In qualitative and quantitative terms, cement (Latin opus caementicum) has had a stormy development which best characterizes its importance in the building practice. From the original binder used to connect stone or brick, concrete ensued – an independent building material, on which the Roman Empire was built, and which is today the material for a new generation of skyscrapers defying gravity. The main property of concrete is its durability, so that scientists and builders focus their efforts on finding ways to increase the durability of, specifically, concrete hydrotechnical structures with the lowest consumption of financial resources, labour and materials. Excluding the phenomena that occur in concrete due to shrinkage and temperature changes, which can lead to degradation of its monolithism in the initial period of setting, the durability of concrete will be determined by its ability to resist various external factors whose nature and severity depend on the natural environmental conditions in which the structure is located. The external conditions that pose the greatest threat to the hydrotechnical concrete include: (1) Chemical action of water, its environment and substances dissolved in it. (2) Alternating effects of negative and positive temperatures, leading to repeated freezing and thawing of concrete. (3) Alternate wetting and drying of concrete. (4) Crystallization of salts in concrete due to capillary rising of water and evaporation of mineralised water. All these factors can cause the degradation of the concrete structure and are considered to be the basic factors of the concrete corrosion and degradation process ; they are divided into chemical corrosion processes and physical corrosion processes. The durability of concrete structures exposed to aggressive environmental effects can be improved by the application of the means of protection, which deliver concretes of improved quality and corrosion resistance. In numerous studies in the field of cement chemistry and technology, one of the most important problems is how to achieve the greatest possible economy with a smaller expenditure of cement, with increased resistance and durability of concrete structures exposed to aggressive environmental action. Therefore, in solving this complex problem, the study of concrete corrosion and protection with the aim of increased durability of structures built has aroused the interest of a large number of researchers worldwide. In this book, which is dedicated to the consideration of corrosion and protection of cement composites, mortar and concrete, we adhere to a previously adopted definition, implying by the corrosion of cement composites (mortar and concrete) only its decomposition under the influence of processes directly linked to chemical reactions between the cement composite constituents and the environment in which cement is located. Studies of cement and concrete corrosion began in the second half of the 19th century and a large number of laboratory studies have been carried out since, providing abundant experimental material on the behaviour of different cements, in different environments. Field observations of the behaviour of concrete structures in the natural environment have also been conducted. However, the number of such observations, as compared to laboratory studies, was, unfortunately, much smaller. Despite the large volume of data obtained, many issues concerning the qualitative and quantitative aspects of the corrosion of concrete and cement composites have remained insufficiently understood. The inconsistency of data in the field of cement and concrete corrosion and insufficient clarity in a number of specific issues have hindered the generalization of the existing material. This textbook Strength and Durability of Cement Composites primarily intended for students and adapted to curricula of a number of courses at graduate and postgraduate doctoral studies at the Faculty of Chemical Technology of the University of Split, and the Faculty of Technology of the University of Tuzla (Corrosion and degradation of building materials, Composite materials, Corrosion and protection of building materials, Building materials, Cement composites with targeted properties), contains considerations about that form of chemical aggression which occurs during the exposure of cement composites to the natural environment (aggression by leaching or swelling), and which ultimately leads to the loss of mechanical strength, i.e. to the destruction of compact concrete elements. The authors wish that this book be useful to those engaged in scientific work in the field of cement and concrete, as well as to construction engineers working in architectural and construction organizations. The knowledge of the mineral binder (the technological process of its preparation and the method of processing, composition and properties before use and during processing, behaviour in building structures and any changes that may occur over time) is the basic requirement for the binder to correspond to its intended use and to be cost-effective, stable, and durable. The role and significance of replacement additions to cement (filter SiO2 dust from ferrosilicon production, fly ash from coal fired power plants, finely ground limestone, metallurgical slags) in the preparation of cement composites of increased mechanical strength, stability and durability has been particularly accentuated. For clear understanding of the physical and chemical essence of corrosion processes occurring in concrete, the first part of the book examines the chemistry of the hydration process and of the hardening of silicate cement, i.e. Portland cement, as the most common cement binder. The content of this textbook traces the historical development of the knowledge, production and application of cement from the earliest times to the present day, but it also provides the latest scientific, theoretical and practical knowledge about the processes, kinetics and mechanism of hydration in the case of chemically active pozzolanic additions to cement. Since the area of the states of this region is one of a few in the world with huge deposits of natural raw material – marl – from which the best quality cement can be directly produced, this textbook reviews the development of the cement industry in this region, especially in the period from 1865 to 1926. Although all the details of the development of our cement industry from its beginnings to the present day have not been provided, the reader will still get an overview of the conditions in which individual plants evolved and of successes they have achieved. Beside international journals relevant to this field, already published technical books and relevant standards, the authors’ personal knowledge has been used in writing this textbook, acquired by many years of teaching and scientific research in the field of hydration, corrosion and protection of cement composite materials. Finally, we would like to thank the reviewers of the manuscript on their thorough review, valuable advice and useful suggestions for improvement. Their critical review was very useful in shaping the content and the structure of this textbook. (Authors, Split-Tuzla, March 2014)

Mehanička čvrstoća ; trajnost ; cementni kompoziti ; filtarska SiO2 prašina ; leteći pepeo iz termoelektrana loženih ugljenom ; fino mljeveni vapnenac ; troska iz proizvodnje ferokroma

Izdavanje ovog sveučilišnog udžbenika odobreno je Odlukom Senata Sveučilišta u Splitu pod brojem Klasa:003-08/14-05/0007 ; Urbroj: 2181-202-14-0003 od 22. svibnja 2014. godine.