Cement je hlavní složkou cementové pasty-pojiva v portlandském cementovém betonu (PCC). Jedná se o hydraulický cement, který v kombinaci s vodou ztvrdne na pevnou hmotu. Rozptýlené v agregované matici tvoří PCC. Jako materiál se portlandský cement používá již více než 175 let a z empirického hlediska je jeho chování dobře pochopeno. Chemicky je však portlandský cement komplexní látkou, jejíž mechanismy a interakce musí být ještě plně definovány. ASTM C 125 a Portland Cement Asociace (PCA) poskytnout následující přesné definice:

• Hydraulické cement: anorganický materiál nebo směs anorganických materiálů, které stanovuje a rozvíjí sílu prostřednictvím chemické reakce s vodou o tvorbě hydrátů a je schopen dělat tak pod vodou.
• portlandský cement: hydraulický cement složený převážně z hydraulických křemičitanů vápenatých.

Background

i když použití cementy (oba hydraulické a non-hydraulické) sahá mnoho tisíc let (do Egyptského starověku nejméně), první výskyt „portlandský cement“ vznikl v 19.století. V roce 1824 Joseph Aspdin, zedník Leedsu, vytáhl patent na hydraulický cement, který vytvořil“ portlandský “ cement (Mindess a Young, 1981). Pojmenoval cement, protože vytvořil beton, který připomínal barvu přírodního vápence těženého na ostrově Portland, poloostrově v Lamanšském průlivu (viz Obrázek 1 a 2). Od té doby se název“ portlandský cement “ zasekl a je psán malými písmeny, protože je nyní uznáván jako obchodní název pro typ materiálu a nikoli konkrétní odkaz na Portland v Anglii.

dnes je portlandský cement nejpoužívanějším stavebním materiálem na světě s ročně vyrobeným asi 1,56 miliardy tun (1,72 miliardy tun). Roční globální produkce portlandského cementového betonu se pohybuje kolem 3,8 milionu metrů krychlových (5 miliard metrů krychlových) ročně (cementová asociace Kanady, 2002). V USA jsou tuhé chodníky největším jednorázovým použitím portlandského cementu a portlandského cementového betonu (ACPA, 2002).

Výroba

i když existuje několik variant komerčně vyráběného portlandského cementu, všichni sdílejí mnoho stejných základních surovin a chemických složek. Hlavními chemickými složkami portlandského cementu jsou vápník, oxid křemičitý, oxid hlinitý a železo. Vápník je odvozen z vápence, slínu nebo křídy, zatímco oxid křemičitý, oxid hlinitý a železo pocházejí z písků, jílů a zdrojů železné rudy. Jiné suroviny mohou zahrnovat břidlice, skořápky a průmyslové vedlejší produkty, jako je Mlýnská stupnice (Ash Grove Cement Company, 2000).

základní výrobní proces ohřívá těchto materiálů v peci na cca 1400 až 1600°C (2600 – 3000°F) – teplotní rozsah, ve kterém dva materiály interakci chemicky tvoří vápenaté křemičitany (Mindess a Young, 1981). Tato zahřátá látka, nazývaná „slínek“, je obvykle ve formě malých šedo-černých pelet asi 12.Průměr 5 mm (0,5 palce). Slínek se pak ochladí a rozemletý na jemný prášek, který téměř zcela prochází 0,075 mm (Č. 200) síto a obohacené malé množství sádry. Výsledkem je portlandský cement. Asociace portlandského cementu (PCA) má na svých webových stránkách vynikající interaktivní ilustraci tohoto procesu.

chemické vlastnosti

Portlandské cementy lze charakterizovat svým chemickým složením, i když zřídka jsou pro aplikace na chodníky. Nicméně, to je portlandský cement chemické vlastnosti, které určují jeho fyzikální vlastnosti a jak se léčí. Proto základní pochopení chemie portlandského cementu může pomoci pochopit, jak a proč se chová tak, jak se chová. Tato část stručně popisuje základní chemické složení typického portlandského cementu a jeho hydrataci.

základní složení

Tabulka 1 a obrázek 3 ukazují hlavní složky chemických sloučenin portlandského cementu.

Tabulka 1. Main Constituents in a Typical Portland Cement (Mindess and Young, 1981)

Hydrataci

Když portlandský cement se smísí s vodou, její chemické sloučeniny složek podstoupit řadu chemických reakcí, které způsobují, že harden (nebo nastavit). Všechny tyto chemické reakce zahrnují přidání vody k základním chemickým sloučeninám uvedeným v tabulce 1. Tato chemická reakce s vodou se nazývá „hydratace“. Každá z těchto reakcí se vyskytuje v jiném čase a rychlosti. Výsledky těchto reakcí společně určují, jak portlandský cement ztvrdne a získá sílu.

• křemičitan trikalcium (C3S). Hydratuje a rychle ztvrdne a je do značné míry zodpovědný za počáteční nastavení a časnou sílu. Portlandské cementy s vyšším procentem C3S budou vykazovat vyšší časnou sílu.
• křemičitan vápenatý (C2S). Hydratuje a ztvrdne pomalu a je do značné míry zodpovědný za zvýšení síly po dobu jednoho týdne.
• hlinitan vápenatý (C3A). Hydratuje a vytvrzuje nejrychleji. Uvolňuje velké množství tepla téměř okamžitě a poněkud přispívá k časné síle. Sádra se přidává do portlandského cementu, aby se zpomalila hydratace C3A. Bez sádry by hydratace C3A způsobila, že portlandský cement se usadí téměř okamžitě po přidání vody.
• tetrakalcium aluminoferit (C4AF). Hydratuje rychle, ale přispívá jen velmi málo k síle. Jeho použití umožňuje nižší teploty pece při výrobě portlandského cementu. Většina barevných efektů portlandského cementu je způsobena C4AF.

Obrázek 4 ukazuje míru tepelné evoluce, které dávají přibližnou představu o hydrataci krát a když běžný portlandský cement původně sad.

Obrázek 2. Rychlost vývoje tepla během hydratace typického portlandského cementu.Výsledkem dvou silikátových hydratací je tvorba hydrátu křemičitanu vápenatého (často psaný C-S-H kvůli je variabilní stechiometrie). C-S-H tvoří asi 1/2-2/3 objemu hydratované pasty (voda + cement), a proto dominuje jejímu chování (Mindess a Young, 1981).

Typy Portlandského Cementu

Znát základní vlastnosti portlandského cementu je složka chemické sloučeniny, je možné upravit jeho vlastnosti po úpravě množství každé sloučeniny. V USA, AASHTO M 85 a ASTM C 150, Standardní Specifikace pro Portlandský Cement, osm základní typy portlandského cementu betonu (Tabulka 2). Existuje také mnoho dalších typů smíšených a proprietárních cementů, které zde nejsou zmíněny.

Tabulka 2. ASTM Typy Portlandského Cementu

Fyzikální Vlastnosti

Portlandské cementy jsou běžně charakterizovány jejich fyzikální vlastnosti, pro účely kontroly kvality. Jejich fyzikální vlastnosti lze použít ke klasifikaci a porovnání portlandských cementů. Výzvou při charakterizaci fyzických vlastností je vyvinout fyzikální testy, které mohou uspokojivě charakterizovat klíčové parametry. Tato část, převzatá převážně z PCA (1988), uvádí běžnější fyzikální vlastnosti portlandského cementu v USA, které jsou testovány. Hodnoty SPECIFIKACE, pokud jsou uvedeny, jsou převzaty z ASTM C 150, standardní specifikace pro Portlandský Cement.

mějte na paměti, že tyto vlastnosti se obecně vztahují na „čisté“ cementové pasty-to znamená, že obsahují pouze portlandský cement a vodu. Čisté cementové pasty se obvykle obtížně manipulují a testují, a proto do výsledků zavádějí větší variabilitu. Cementy mohou také fungovat odlišně, pokud jsou použity v „maltě“ (cement + voda + písek). V průběhu doby, malta testy bylo zjištěno, že poskytují lepší označení cementu kvality, a tím, testy na čisté cementové pasty jsou obvykle používány pouze pro výzkumné účely (Mindess a Young, 1981). Pokud však písek není v maltové zkoušce pečlivě specifikován, výsledky nemusí být přenosné.

• Jemnost
• Spolehlivost
• Nastavení Času
• Pevnost
• Specifická hmotnost
• Hydratačního Tepla
• Ztráta žíháním