sementti on sementtitahnan pääainesosa – portlandsementtibetonin sidosaine (PCC). Se on hydraulista sementtiä, joka yhdistettynä veteen kovettuu kiinteäksi massaksi. Yhdistetyssä matriisissa se muodostaa PCC: n. Materiaalina portlandsementtiä on käytetty reilusti yli 175 vuotta, ja empiirisestä näkökulmasta sen käyttäytyminen on hyvin ymmärrettävää. Kemiallisesti Portlandsementti on kuitenkin monimutkainen aine, jonka mekanismeja ja vuorovaikutuksia ei ole vielä täysin määritelty. ASTM C 125 ja Portland Cement Association (PCA) antavat seuraavat tarkat määritelmät:

• hydraulinen sementti: epäorgaaninen materiaali tai epäorgaanisten aineiden seos, joka muodostaa ja kehittää lujuutta kemiallisella reaktiolla veden kanssa muodostamalla hydraatteja ja pystyy siihen veden alla.
• Portlandsementti: hydraulinen sementti, joka koostuu pääasiassa hydraulisista kalsiumsilikaateista.

Background

vaikka sementtien (sekä hydraulisten että ei-hydraulisten) käyttö ulottuu monen tuhannen vuoden taakse (ainakin muinaisegyptiläiseen aikaan), ensimmäinen esiintyminen ”portland cement” syntyi 1800-luvulla. Vuonna 1824 Joseph Aspdin, Leeds mason otti patentin hydraulinen sementti, että hän keksi ”Portland” sementti (Mindess and Young, 1981). Hän nimesi sementin, koska se tuotti betonia, joka muistutti Englannin kanaalin niemimaalla sijaitsevalla Portlandinsaarella louhitun luonnollisen kalkkikiven väriä (KS.Kuvat 1 ja 2). Sittemmin nimi ”portland cement” on pysynyt paikallaan ja se kirjoitetaan kaikissa pienaakkosin, koska se nykyään tunnustetaan jonkin materiaalityypin kauppanimeksi eikä erityiseksi viittaukseksi Portlandiin, Englantiin.

nykyään Portlandsementti on maailman käytetyin rakennusmateriaali noin 1,56 miljardin tonnin (1,72 miljardin tonnin) vuosituotannollaan. Portlandsementtibetonin vuotuinen maailmanlaajuinen tuotanto on noin 3,8 miljoonaa kuutiometriä (5 miljardia kuutiometriä) vuodessa (Cement Association of Canada, 2002). Yhdysvalloissa jäykät jalkakäytävät ovat portlandsementin ja portlandsementtibetonin suurin yksittäinen käyttökohde (ACPA, 2002).

valmistus

vaikka kaupallisesti valmistetusta portlandsementistä on olemassa useita muunnelmia, niillä on kullakin monia samoja perusraaka-aineita ja kemiallisia komponentteja. Portlandsementin tärkeimmät kemialliset komponentit ovat kalsium, piidioksidi, alumiinioksidi ja rauta. Kalsium saadaan kalkkikivestä, marlista tai liidusta, kun taas piidioksidi, alumiinioksidi ja rauta tulevat hiekasta, savesta ja rautamalmin lähteistä. Muita raaka-aineita voivat olla liuskekivi, kuoret ja teollisuuden sivutuotteet, kuten mill scale (Ash Grove Cement Company, 2000).

perusvalmistusprosessi kuumentaa nämä materiaalit uunissa noin 1400-1600°C: seen (2600-3000°F) – lämpötila – alueeseen, jossa nämä kaksi ainetta vuorovaikuttavat kemiallisesti muodostaen kalsiumsilikaatteja (Mindess and Young, 1981). Tämä Lämmitetty aine, jota kutsutaan ”klinkkeriksi”, on yleensä pieninä harmaamustina pelletteinä noin 12.Halkaisijaltaan 5 mm (0,5 tuumaa). Klinkkeri jäähdytetään ja jauhetaan hienoksi jauheeksi, joka lähes kokonaan läpäisee 0,075 mm (nro 200) seulan ja väkevöidään pienellä määrällä kipsiä. Tuloksena on portlandsementtiä. Portland Cement Association (PCA) on erinomainen interaktiivinen esimerkki tästä prosessista verkkosivuillaan.

kemialliset ominaisuudet

Portlandin sementeille voidaan luonnehtia niiden kemiallista koostumusta, vaikka niitä harvoin käytetään jalkakäytäväkäyttöön. Portlandsementin kemialliset ominaisuudet kuitenkin määräävät sen fysikaaliset ominaisuudet ja sen kovettumistavan. Siksi portlandsementtikemian peruskäsitys voi auttaa ymmärtämään, miten ja miksi se käyttäytyy niin kuin käyttäytyy. Tässä jaksossa kuvataan lyhyesti tyypillisen portlandsementin kemiallinen peruskoostumus ja sen hydratoituminen.

peruskoostumus

taulukossa 1 ja Kuvassa 3 esitetään portlandsementin tärkeimmät kemialliset yhdiste-aineosat.

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

hydraatio

kun portlandsementtiä sekoitetaan veteen, sen kemialliset yhdiste-ainesosat käyvät läpi sarjan kemiallisia reaktioita, jotka saavat sen kovettumaan (tai asettumaan). Kaikissa näissä kemiallisissa reaktioissa lisätään vettä taulukossa 1 lueteltuihin kemiallisiin perusyhdisteisiin. Tätä kemiallista reaktiota veden kanssa kutsutaan ”hydraatioksi”. Jokainen näistä reaktioista tapahtuu eri aikaan ja nopeudella. Yhdessä näiden reaktioiden tulokset määräävät, miten Portlandsementti kovettuu ja vahvistuu.

• Trikalsiumsilikaatti (C3S). Hydrates ja kovettuu nopeasti ja on suurelta osin vastuussa alkuasetuksesta ja varhaisesta vahvuudesta. Portland sementit, joilla on korkeammat C3: t, ovat vahvempia.
• Dikalsiumsilikaatti (C2S). Hydrates ja kovettuu hitaasti ja on suurelta osin vastuussa vahvuus kasvaa yli viikon.
• Trikalsiumaluminaatti (C3A). Kosteuttaa ja kovettuu nopeimmin. Vapauttaa suuren määrän lämpöä lähes välittömästi ja edistää jonkin verran varhaista voimaa. Kipsiä lisätään portlandsementtiin hidastamaan C3A-hydraatiota. Ilman kipsiä C3A-nesteytys saisi portlandsementin asettumaan lähes välittömästi veden lisäämisen jälkeen.
• Tetracalcium aluminoferriitti (C4AF). Hydrates nopeasti, mutta edistää hyvin vähän voimaa. Sen käyttö mahdollistaa alhaisemmat uunilämpötilat portlandsementin valmistuksessa. Useimmat Portlandsementti väri vaikutukset johtuvat C4AF.

kuva 4 esittää lämmön evoluutionopeudet, jotka antavat likimääräisen käsityksen hydraatioajoista ja siitä, milloin tyypillinen Portlandsementti aluksi asettuu.

kuva 2. Lämmön kehitysnopeus tyypillisen portlandsementin nesteytyksen aikana.Kahden silikaattihydraatin tuloksena muodostuu kalsiumsilikaattihydraatti (kirjoitetaan usein C-S-H, koska on muuttuva Stoikiometria). C-S-H muodostaa noin 1/2-2/3 hydratoidun tahnan tilavuudesta (vesi + sementti) ja hallitsee siten sen käyttäytymistä (Mindess and Young, 1981).

portlandsementin tyypit

tietäen portlandsementin kemiallisten yhdisteiden perusominaisuudet on mahdollista muuttaa sen ominaisuuksia säätämällä kunkin yhdisteen määriä. Yhdysvalloissa., AASHTO m 85 ja ASTM C 150, portlandsementin Standardimääritys, tunnistaa kahdeksan portlandsementtibetonin perustyyppiä (Taulukko 2). On myös monia muita sekoitettuja ja patentoituja sementtejä, joita ei mainita tässä.

Taulukko 2. Portlandsementin ASTM-tyypit

fysikaaliset ominaisuudet

Portlandin sementeille on yleisesti ominaista niiden fysikaaliset ominaisuudet laadunvalvontaa varten. Niiden fysikaalisia ominaisuuksia voidaan käyttää Portlandin sementtien luokitteluun ja vertailuun. Fyysisen omaisuuden karakterisoinnin haasteena on kehittää fyysisiä testejä, joilla voidaan tyydyttävästi luonnehtia keskeisiä parametreja. Tämä osio, joka on otettu suurelta osin PCA: sta (1988), luettelee yleisempiä Yhdysvaltain portlandsementin fysikaalisia ominaisuuksia, joita testataan. Mahdolliset erittelyarvot on otettu portlandsementin Standardieritelmästä ASTM C 150.

muista , että nämä ominaisuudet pätevät yleensä ”siisteihin” sementtipastoihin – eli niihin kuuluvat vain Portlandsementti ja vesi. Siistit sementtipastat ovat tyypillisesti vaikeasti käsiteltäviä ja testattavia, joten ne tuovat enemmän vaihtelua tuloksiin. Sementit voivat myös toimia eri tavalla, kun niitä käytetään ”laastissa” (sementti + vesi + hiekka). Laastitestien on aikojen saatossa todettu osoittavan paremmin sementin laatua, ja siksi siisteillä sementtipastoilla tehtäviä testejä käytetään tyypillisesti vain tutkimustarkoituksiin (Mindess and Young, 1981). Jos hiekkaa ei kuitenkaan ole tarkasti määritelty laastitestissä, tulokset eivät välttämättä ole siirrettävissä.

• hienous

eheys

• säätöaika
• ominaispaino
• nesteytyksen lämpö
• Syttymishäviö