Inženjerstvo mineralnih veziva

Šifra:	46959
ECTS:	7.0
Nositelji:	izv. prof. dr. sc. Vilko Mandić
Prijava ispita:	Studomat

Opterećenje:

1. komponenta

Vrsta nastave Ukupno

Predavanja 45

Laboratorijske vježbe 30

* Opterećenje je izraženo u školskim satima (1 školski sat = 45 minuta)

Opis predmeta:

Inženjerstvo mineralnih veziva

Nositelj
izv. prof. dr. sc. Vilko Mandić

ECTS bodovi 7.0

Sati nastave
Predavanja 45
Seminari 0
Laboratorijske vježbe 30

Opis predmeta
Cilj kolegija
Upoznavanje studenata s nužnim znanjima o procesima proizvodnje mineralnih veziva, procesnim uređajima i postupcima laboratorijskog ispitivanja kvalitete mineralnih veziva.
Povezivanje temeljnih tehničkih znanja i znanja o materijalima sa primjenskim svojstvima u ovisnosti o kemijskom i mineraloškom sastavu mineralnih veziva.

Izvedbeni program kolegija
PREDAVANJA: Nastavnik provodi izlaganja stručnih parametara i osnovnih koncepata u skladu s ciljevima kolegija.
1. Povijesni razvoj tehnike proizvodnje i primjene mineralnih veziva. Primjeri uporabe i razvoja materijala kroz povijest. Vrste građevnih materijala i veziva. Definiranje ključnih svojstava veziva za pripravu materijala uporabljivog u praksi.
2. Prednosti i ograničenja primjene određenog materijala/veziva, posebice s obzirom na topljivost u vodi i agresivno djelovanje okoliša. Utjecaj okoliša na trajnost materijala veziva, dugotrajnu postojanost i stabilnost dimenzija. Prijenos tvari kroz materijal (model nezasićenog poroznog materijala)
3. Gips, zračno vezivo. Fazna ravnoteža u sustavu CaSO4-H2O. Veza između strukture i sastava i svojstva različitih faza i polimorfnih modifikacija u sustavu CaSO4-H2O. Utjecaj aditiva na reološka svojstva i razvoj mehaničkih svojstava veziva na osnovi gipsa.
4. Svojstva pojedinih produkata nastalih preradom sadrenca i tehnološki procesi njihove priprave. Bilanca procesa proizvodnje određene vrste veziva na temelju gipsa. Svojstva vezanja gipsa na temelju temperaturne ovisnosti topljivosti pojedinih mineralnih faza
5. Vapno, zračno vezivo. Fazna ravnoteža u sustavu CaO-CO2. Odnos između uvjeta proizvodnje i svojstava živog vapna. Utjecaj primjesa u sirovini i gorivu na svojstva živog vapna. Hidraulično vapno.
6. Reaktivnost pucolanskih mineralnih dodataka vapnenom vezivu. Vrste prirodnih i sintetskih pucolanski aktivnih mineralnih tvari. Razumijevanje brojnih primjena vapna i gašenog vapna u industriji. Bilanca tvari i energije u procesu proizvodnje vapna. Odabir određene procesne opreme za pripravu vapna određenih svojstava, s obzirom na ciljanu primjenu. Svojstva vezanja vapna, te reaktivnost sa određenim mineralnim dodacima, primjeri primjene vapna u obradi vode, metalurgiji i građevnoj industriji.
7. Provjera znanja: 1. KOLOKVIJ-parcijalni ispit.
8. Portland cement, cement opće namjene. Moderni proces proizvodnje cementnog klinkera (kemijska analiza sirovina i goriva, zahtjevi hidrauličkog modula, silikatnog modula i aluminatnog modula). Fazna ravnoteža u trokomponentnom modelnom sustavu CaO-Al2O3-SiO2. Redoslijed kristalizacije mineralnih faza iz taline. Redoslijed taljenja pri zagrijavanju.
9. Količina i vrsta mineralnih dodataka klinkeru za proizvodnju cementa opće namjene prema propisima HR-EN 197. Prednosti procesa proizvodnje sa predkalcinatorom. Tijek materijala i plinova izgaranja u hladnjaku klinkera, rotacijskoj peći i predkalcinatoru. Bilanca procesa proizvodnje cementnog klinkera i cementa opće namjene (bilanca tvari sa pripadnom bilancom energije).
10. Kemijske reakcije pri dobivanju cementnog klinkera, utjecaj minor elemenata. Potencijalni fazni sastav cementnog klinkera. Reakcije vezanja cementa i fizikalno-kemijske transformacije cementne matrice tijekom reakcije s vodom. Vrste produkata hidratacije cementa, njihovi volumne odnose i utjecaj na strukturu čvrste cementne matrice. Noviji teoretski pristup Powersa i Brownjarda.
11. Aluminatni cement, proizvodnja i svojstva. Fazna ravnoteža pri proizvodnji aluminatnog cementa uporabom modelnog sustava CaO-Al2O3-SiO2. Nove vrste mineralnih veziva na temelju belita, kalcij-sulfoaluminata, brownmillerita, alkalno aktivirana veziva.
12. Geopolimeri.
13. Utjecaj proizvodnje mineralnih veziva na okoliš, posebice emisiju CO2, utrošak neobnovljivih resursa, emisiju buke, vibracija, prašine. Kemijske reakcije vezanja alternativnih mineralnih veziva. Izračunavanje potencijalnog mineraloškog faznog sastava na temelju zadanog sastava i udjela sirovina. Prednosti i ograničenja oporabe industrijskih nusprodukata s obzirom na vrstu i udio primjesa u sirovini, njihovu ugradnju u hidratno aktivne minerale i utjecaj na proces hidratacije. Proces proizvodnje mineralnog veziva uz procjenu svojstva mineralnog veziva i utjecaj uvjeta proizvodnje na ostvareni mineraloški sastav.
14. Provjera znanja: 2. KOLOKVIJ-parcijalni ispit.
VJEŽBE:
1. Određivanje svojstava svježeg stanja Vicatovim aparatom
2a. Određivanje konzistencije morta potresnim stolićem
2b. Određivanje udjela pora u mortu
2c. Određivanje mehaničkih svojstava
3. Ispitivanje strukture mineralnih veziva
4. Parrot-Killoh model hidratacije cementa

Preduvjeti za upis predmeta
Položeni ispiti: Opća i anorganska kemija, Struktura i svojstva materijala, Anorganski nemetalni materijali, Termodinamika i kinetika materijala, Mehaničke i Toplinske operacije, Kemijsko reakcijsko inženjerstvo

Preduvjeti za polaganje predmeta

Razvijanje općih i specifičnih kompetencija studenata
Poticanje studenata na samostalno učenje te razvijanje kritičkog mišljenja.
Razumijevanje veze između strukture i svojstva materijala.
Specifične kompetencije uključuju primjenu stečenih znanja i sposobnost samostalnog planiranja istraživanja vezanih uz inženjerstvo materijala.

Obveze studenata u nastavi i načini njihova izvršavanja
Obvezno pohađanje predavanja i vježbi.

Način izvođenja nastave
Auditorni za predavanja i praktični rad u praktikumu.

Način provjere znanja i polaganja ispita
Ulazni kolokviji za vježbe. Ocjenjivanje referata po završenim vježbama. Završni kolokvij za vježbe. Dva parcijalna kolokvija za gradivo predavanja i vježbi. Komunikacija na nastavi. Oslobađanje od ispita uspješnim polaganjem navedenih elemenata.
Pismeni ispit. Usmeni ispit.

Način praćenja kvalitete i uspješnosti kolegija
Studentska anketa

Ishodi učenja kolegija
1. Upoznavanje s vrstama, procesima proizvodnje i svojstvima mineralnih veziva.
2. Razumijevanje odnosa između kemijskog i mineraloškog sastava mineralnih veziva.
3. Razumijevanje odnosa između mineraloškog sastava i primjenskih svojstava mineralnih veziva.
4. Stjecanje svijesti o utjecaju procesa proizvodnje na okoliš, te o mogućnosti oporabe otpada drugih industrijskih procesa u proizvodnji mineralnih veziva.
5. Upoznavanje s novim vrstama veziva kao alternativi cementu opće namjene.

Ishodi učenja na razini programa kojima predmet pridonosi
1. Povezati temeljne elemente kemije i inženjerstva materijala: strukturu, svojstva, proizvodnju i uporabu materijala.
2. Koristiti laboratorijsku opremu i uređaje pri karakterizaciji materijala.
3. Povezati rezultate dobivene raznovrsnim metodama s literaturnim spoznajama radi njihove što potpunije interpretacije.
4. Riješiti složene probleme u području kemije i inženjerstva materijala, samostalno ili kao dio multidisciplinarnog tima.
5. Razviti procese proizvodnje i ispitivanja kvalitete materijala.
objasniti rezultate svoga rada nestručnjacima, stručnjacima drugih područja te međunarodnim partnerima.
6. Razviti radnu etiku, osobnu odgovornost i težnju za daljnjim usavršavanjem.

Obvezna literatura
OSNOVNA LITERATURA:
H.F.W. Taylor, Cement chemistry, 2nd Ed., Thomas Telford, London, 1998.
J. Skalny and S. Mindess, Material Science of Concrete IV, The American Ceramic Society, Westerville, OH, 1995.
F. M. Lea, The chemistry of cement and concrete, 3rd Ed., Chemical Publishing Company, 1971.
DOPUNSKA LITERATURA:
Robert S. Boynton, Chemistry and Technology of Lime and Limestone, 2nd Ed., John Wiley and Sons, New York, 1981.

Ishodi učenja:

Literatura:

, LITERATURA POTREBNA ZA POLAGANJE ISPITA (izdavač i godina izdanja, voditi računa da obavezna literatura mora biti dostupna studentima i što je moguće novijeg datuma):
1. H.F.W. Taylor, Cement chemistry, 2nd Ed., Thomas Telford, London, 1998.
2. J. Skalny and S. Mindess, Material Science of Concrete IV, The American Ceramic Society, Westerville, OH, 1995.
3. F. M. Lea, The chemistry of cement and concrete, 3rd Ed., Chemical Publishing Company, 1971.
DOPUNSKA LITERATURA:
1. Robert S. Boynton, Chemistry and Technology of Lime and Limestone, 2nd Ed., John Wiley and Sons, New York, 1981., , , .

1. semestar

Obavezni predmet - Redovni studij - Kemija i inženjerstvo materijala

Termini konzultacija:

Pitanja za provjeru znanja

1. Objasnite razliku između zračnog i hidrauličnog veziva (3 boda). Navedite primjere pojedine vrste veziva (2 boda)?

2. Objasnite kemijske reakcije pri proizvodnji živog vapna, te gašenog vapna (3+2 boda)?

2a. Objasnite što je to tzv. "ciklus vapna" ?

2b. Poznato je da proizvodnja živog vapna prema: CaCO3 --> CaO + CO2 ima deltaH=+178 kJ/mol, a reakcija gašenja vapna CaO + H2O --> Ca(OH)2 deltaH=-65,3 kJ/mol. Obrazložite kako ćete izračunati deltaH(298K) reakcije: Ca(OH)2 + CO2 --> CaCO3 + H2O.

3. Objasnite odabir vrste/tipa peći za proizvodnju živog vapna i kriterije na temelju kojih se odabire vrsta peći i goriva (4+4 boda)?

3a. Kakva mora biti sirovina da se koristi rotacijska peć, a kakva da se koristi šahtna/vertikalna peć? Kakav je potrošak energije ?

3b. Objasnite razliku između drobljenja i mljevenja, te utrošak energije?

4. Koliki je teoretski utrošak energije pri proizvodnji 1 tone živog vapna, te koliko se CO2 (g) oslobodi ako se koristi ugljen ogrijevne vrijednsti 30 MJ/kg. entalpija kemijske reakcije -178.2 kJ/mol, a ugljen sadrži 95% mas. ugljika, ostatak je pepeo koji reagira sa vapnom. (12 bodova)?

5. Detaljno objasnite tijek gašenja živog vapna (tri koraka/faze)(4 boda)?

6. Objasnite što je to tzv. izdašnost vapna (3 boda)?

7. Objasnite utjecaj temperature i parcijalnog tlaka CO2 na raspad vapnenca, skicirajte graf i označite osi (12 bodova) ?

7a. Objasnite tijek termodinamičkog proračuna deltaG(T) za reakciju: CaCO3 --> CaO (s) + CO2(g), ulazni podaci, proračun, izračunavanje p(ravnotežni)=p(T).

8. Objasnite da li je moguće pripraviti živo vapno (kako?) pri temperaturama nižim od 898 °C (5 bodova)?

8a. Objasnite rezultat TGA analize žarenja vapnenca uz protok sintetskog zraka kroz TGA ćeliju? Što je na osima, koliki je ostatak žarenjem, koje su temperature?

9. Objasnite razliku između vapna, hidrauličnog vapna i Portland cementa (6 bodova),te što je to 'indeks cementacije' (sa pripadnom formulom) (6 bodova) ?

9a. Objasnite reakcije minerala primjesa sa živim vapnom (tijekom pečenja u šahtnoj peći) ?

10. Što su to pucolanski materijali i koja je osnovna kemijska reakcija s vapnom (5 bodova)?

11. Objasnite utjecaj temperature (i trajanja pečenja) na reaktivnost vapna. Navedite primjere uporabe živog vapna male i velike reaktivnosti (3+2 boda)?

12. Opišite ispitivanje reaktivnosti vapna i rezultat ispitivanja (3+3 boda)? Što je na osima, kakav je rezultat t60 i pripadna reaktivnost vapna?

13. Kemijska reakcija pri vezanju/očvršćavanju vapnenog veziva? Izračunajte entalpiju kemijske reakcije ako je poznato da proizvodnja živog vapna ima H=+178.2 kJ/mol, a proizvodnja gašenog vapna ima H=-65.3 kJ/mol (3+4 boda)?

14. Objasnite utjecaj temperature (i trajanja pečenja) na poroznost, nasipnu gustoću, raspodjelu veličina pora i veličinu kristalita živog vapna (3+3+3+3 boda)?

15. Prikažite tijek promjene električne vodljivosti suspenzije živog vapna male, srednje i velike reaktivnosti, te objašnjenje (4+6 bodova)?

16. Prikažite ovisnost ravnotežnog parcijalnog tlaka CO2 tijekom kalciniranja karbonata zemnoalkalijskih kovina (4 boda)?

17. Prikažite utjecaj veličine čestica na vrijeme trajanja pečenja vapna (6 bodova)? Obrazložite kvadratnu ovisnost trajanja pečenja i veličine čestica (6 bodova) ?

18. Objasnite rad vertikalne peći za proizvodnju vapna, detaljno (profili temperatura, ulaz i izlaz tvari)(9 bodova)?

19. Objasnite utjecaj predgrijavnja zraka za izgaranje goriva na temperaturu plamena i uštedu toplinske energije (6+5 bodova)?

20. Objasnite rad paralelne regenerativne peći za proizvodnju vapna, detaljno (smjer strujanja zraka za gorenje i zraka za hlađenje, ciklusi paljenja/gašenja) (12 bodova)?

21. Opišite postupak određivanja gustoće tvari piknometrom, formula, preciznost, na što treba obratiti pozornost (3+3+3+3 boda) ?

22. Što je polimorfija/primjer relevantan za ovaj kolegij (2+2 boda)?

26. Obrazložite tzv. 'model jezgre' kojim opisujemo tijek pečenja vapnenca, slike profila temperature i tlaka (+objašnjenje) (4+5+5 bodova)?

27. Izračunajte maseni udio CaO u spoju Ca3SiO5 (5 bodova)?

28. Pečenjem smjese CaCO3 i SiO2 nastaje smjesa Ca2SiO4 i Ca3SiO5. Izračunajte potrebni omjer mase sirovina za pripravu smjese koja sadrži 70% mas. Ca3SiO5 (8 bodova)?

29. Obrazložite proračun pH vodene otopine Ca(OH)2 ? Koje jednadžbe koristimo, kako rješavamo sustav jednadžbi ?

30. Objasnite zašto je živo vapno nastalo pečenjem vapnenca porozno (kemijska reakcija, gustoće vapnenca i živog vapna) ?

14. 11. 2022.

Uređeno: 11. 1. 2023. u 12:35

Autor: Juraj Šipušić

Popis obavijesti

Forum

Sortiraj prema: naslovu | vremenu zadnjeg odgovora | vremenu otvaranja teme

Naslov	Odgovori	Zadnji odg.

Česta pitanja