Zement ist der Hauptbestandteil von Zementpaste – dem Bindemittel in Portlandzementbeton (PCC). Es ist ein hydraulischer Zement, der in Kombination mit Wasser zu einer festen Masse aushärtet. Eingestreut in eine Aggregatmatrix bildet es PCC. Als Material wird Portlandzement seit weit über 175 Jahren verwendet und sein Verhalten ist empirisch gut verstanden. Chemisch gesehen ist Portlandzement jedoch eine komplexe Substanz, deren Mechanismen und Wechselwirkungen noch nicht vollständig definiert sind. ASTM C 125 und die Portland Cement Association (PCA) liefern die folgenden genauen Definitionen:

• Hydraulischer Zement: Ein anorganisches Material oder eine Mischung anorganischer Materialien, die durch chemische Reaktion mit Wasser unter Bildung von Hydraten Festigkeit einstellen und entwickeln und dazu in der Lage sind Wasser.
• Portlandzement: Ein hydraulischer Zement, der hauptsächlich aus hydraulischen Calciumsilikaten besteht.

Background

Obwohl die Verwendung von Zementen (sowohl hydraulisch als auch nicht hydraulisch) viele tausend Jahre zurückreicht (zumindest bis in die altägyptische Zeit), ist das erste Auftreten von „Portlandzement “ entstanden im 19.Jahrhundert. Im Jahr 1824 nahm Joseph Aspdin, ein Maurer aus Leeds, ein Patent auf einen hydraulischen Zement auf, den er „Portland“ -Zement prägte (Mindess und Young, 1981). Er nannte den Zement, weil er einen Beton erzeugte, der der Farbe des natürlichen Kalksteins ähnelte, der auf der Isle of Portland, einer Halbinsel im Ärmelkanal, abgebaut wurde (siehe Abbildung 1 und 2). Seitdem ist der Name „Portlandzement“ geblieben und wird in Kleinbuchstaben geschrieben, da er jetzt als Handelsname für eine Materialart und nicht als spezifischer Hinweis auf Portland, England, anerkannt ist.

Heute ist Portlandzement mit rund 1,56 Milliarden Tonnen (1,72 Milliarden Tonnen) pro Jahr der weltweit am weitesten verbreitete Baustoff. Die jährliche weltweite Produktion von Portlandzementbeton beträgt rund 3,8 Millionen Kubikmeter (5 Milliarden Kubikmeter) pro Jahr (Cement Association of Canada, 2002). In den USA sind starre Bürgersteige die größte einmalige Verwendung von Portlandzement und Portlandzementbeton (ACPA, 2002).

Herstellung

Obwohl es mehrere Variationen von kommerziell hergestelltem Portlandzement gibt, teilen sie jeweils viele der gleichen Grundrohstoffe und chemischen Komponenten. Die chemischen Hauptbestandteile von Portlandzement sind Calcium, Siliciumdioxid, Aluminiumoxid und Eisen. Calcium wird aus Kalkstein, Mergel oder Kreide gewonnen, während Siliciumdioxid, Aluminiumoxid und Eisen aus Sanden, Tonen und Eisenerzquellen stammen. Andere Rohstoffe können Schiefer, Muscheln und industrielle Nebenprodukte wie Mühlenzunder enthalten (Ash Grove Cement Company, 2000).Der grundlegende Herstellungsprozess erwärmt diese Materialien in einem Ofen auf etwa 1400 bis 1600 ° C (2600 – 3000 ° F) – der Temperaturbereich, in dem die beiden Materialien chemisch interagieren, um Calciumsilikate zu bilden (Mindess und Young, 1981). Diese erhitzte Substanz, die als „Klinker“ bezeichnet wird, liegt normalerweise in Form kleiner grauschwarzer Pellets bei etwa 12 vor.5 mm (0,5 Zoll) im Durchmesser. Klinker wird dann abgekühlt und zu einem feinen Pulver pulverisiert, das fast vollständig ein 0,075 mm (Nr. 200) Sieb passiert und mit einer kleinen Menge Gips angereichert wird. Das Ergebnis ist Portlandzement. Die Portland Cement Association (PCA) hat eine hervorragende interaktive Darstellung dieses Prozesses auf ihrer Website.

Chemische Eigenschaften

Portlandzemente können durch ihre chemische Zusammensetzung charakterisiert werden, obwohl sie selten für Pflasteranwendungen geeignet sind. Es sind jedoch die chemischen Eigenschaften eines Portlandzements, die seine physikalischen Eigenschaften und seine Aushärtung bestimmen. Daher kann ein grundlegendes Verständnis der Portlandzementchemie helfen zu verstehen, wie und warum es sich so verhält. Dieser Abschnitt beschreibt kurz die grundlegende chemische Zusammensetzung eines typischen Portlandzements und wie es hydratisiert.

Grundzusammensetzung

Tabelle 1 und Abbildung 3 zeigen die wichtigsten chemischen Bestandteile von Portlandzement.

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

Hydratation

Wenn Portlandzement mit Wasser gemischt wird, durchlaufen seine chemischen Verbindungsbestandteile eine Reihe chemischer Reaktionen, die dazu führen, dass er aushärtet (oder aushärtet). Diese chemischen Reaktionen beinhalten alle die Zugabe von Wasser zu den in Tabelle 1 aufgeführten basischen chemischen Verbindungen. Diese chemische Reaktion mit Wasser wird als „Hydratation“ bezeichnet. Jede dieser Reaktionen tritt zu einer anderen Zeit und Geschwindigkeit auf. Zusammen bestimmen die Ergebnisse dieser Reaktionen, wie Portlandzement aushärtet und an Festigkeit gewinnt.

• Tricalciumsilikat (C3S). Hydrate und härtet schnell und ist weitgehend verantwortlich für anfängliche set und frühen festigkeit. Portlandzemente mit höheren Anteilen an C3S weisen eine höhere Frühfestigkeit auf.
• Dicalciumsilikat (C2S). Hydrate und härtet langsam und ist weitgehend verantwortlich für Stärke erhöht sich über eine Woche.
• Tricalciumaluminat (C3A). Hydratisiert und härtet am schnellsten. Setzt fast sofort eine große Wärmemenge frei und trägt etwas zur frühen Stärke bei. Gips wird zu Portlandzement hinzugefügt, um die C3A-Hydratation zu verzögern. Ohne Gips würde die C3A-Hydratation dazu führen, dass Portlandzement fast unmittelbar nach Zugabe von Wasser aushärtet.
• Tetracalciumaluminoferrit (C4AF). Hydrate schnell, aber trägt sehr wenig zur Stärke bei. Seine Verwendung ermöglicht niedrigere Ofentemperaturen bei der Portlandzementherstellung. Die meisten Portlandzement-Farbeffekte sind auf C4AF zurückzuführen.

Abbildung 4 zeigt die Wärmeentwicklungsraten, die eine ungefähre Vorstellung von den Hydratationszeiten und dem Abbinden eines typischen Portlandzements geben.

Abbildung 2. Geschwindigkeit der Wärmeentwicklung während der Hydratation eines typischen Portlandzements.Das Ergebnis der beiden Silikathydrationen ist die Bildung eines Calciumsilikathydrats (oft geschrieben C-S-H wegen der variablen Stöchiometrie). C-S-H macht etwa 1/2 – 2/3 des Volumens der hydratisierten Paste (Wasser + Zement) aus und dominiert daher ihr Verhalten (Mindess und Young, 1981).

Arten von Portlandzement

Wenn man die grundlegenden Eigenschaften der chemischen Verbindungen von Portlandzement kennt, ist es möglich, seine Eigenschaften zu ändern, indem man die Mengen jeder Verbindung anpasst. In den USA., AASHTO M 85 und ASTM C 150, Standardspezifikation für Portlandzement, erkennen acht Grundtypen von Portlandzementbeton (Tabelle 2). Es gibt auch viele andere Arten von gemischten und proprietären Zementen, die hier nicht erwähnt werden.

Tabelle 2. ASTM Arten von Portlandzement

Physikalische Eigenschaften

Portlandzemente werden üblicherweise durch ihre physikalischen Eigenschaften für Qualitätskontrollzwecke charakterisiert. Ihre physikalischen Eigenschaften können verwendet werden, um Portlandzemente zu klassifizieren und zu vergleichen. Die Herausforderung bei der Charakterisierung physikalischer Eigenschaften besteht darin, physikalische Tests zu entwickeln, die Schlüsselparameter zufriedenstellend charakterisieren können. Dieser Abschnitt, der größtenteils dem PCA (1988) entnommen ist, listet die üblicheren physikalischen Eigenschaften von US-Portlandzement auf, die getestet werden. Spezifikationswerte, wo angegeben, werden von ASTM C 150, Standardspezifikation für Portlandzement genommen.

Denken Sie daran, dass diese Eigenschaften im Allgemeinen für „saubere“ Zementpasten gelten – das heißt, sie enthalten nur Portlandzement und Wasser. Saubere Zementpasten sind in der Regel schwierig zu handhaben und zu testen und führen daher zu mehr Variabilität in den Ergebnissen. Zemente können auch anders funktionieren, wenn sie in einem „Mörtel“ (Zement + Wasser + Sand) verwendet werden. Im Laufe der Zeit haben sich Mörteltests als bessere Hinweise auf die Zementqualität erwiesen, und daher werden Tests an sauberen Zementpasten normalerweise nur zu Forschungszwecken verwendet (Mindess und Young, 1981). Wenn der Sand jedoch in einem Mörteltest nicht sorgfältig spezifiziert wird, sind die Ergebnisse möglicherweise nicht übertragbar.

• Feinheit
• Solidität
• Abbindezeit
• Festigkeit
• Spezifisches Gewicht
• Hydratationswärme
• Zündverlust