セメントは、セメントペーストの主な成分であり、ポルトランドセメントコンクリート（PCC）の結合剤である。 水と結合されたとき、固体固まりに堅くなるのは油圧セメントです。 それはPCCを形成する集約行列に散在しています。 材料として、ポルトランドセメントは175年以上にわたって使用されており、経験的な観点から、その挙動はよく理解されています。 しかし、化学的には、ポルトランドセメントは複雑な物質であり、そのメカニズムと相互作用はまだ完全に定義されていません。 ASTM C125およびPortland Cement Association(PCA)は、以下の正確な定義を提供しています。

• 油圧セメント:水和物の形成によって水との化学反応によって強度を設定し、開発し、水中でそうすることができる無機材料または無機材料の混合物。
• ポルトランドセメント：主に油圧ケイ酸カルシウムで構成される油圧セメント。

Background

セメントの使用（油圧と非油圧の両方）は何千年も前に遡りますが、”ポルトランドセメント”の最初の出現は、少なくとも古代エジプト時代にまでさかのぼります。”19世紀に起こった。 1824年、リーズ-メイソンのジョセフ-アスプディンは、彼が”ポートランド”セメントを造語した油圧セメントの特許を取得した（Mindess and Young、1981）。 このセメントは、イギリス海峡の半島であるポートランド島で採石された天然の石灰岩の色に似たコンクリートを生産したことから命名されました（図1と図2を参照）。 それ以来、”ポルトランドセメント”という名前は立ち往生しており、イングランドのポートランドへの特定の参照ではなく、材料の種類の商号として認識されているため、すべて小文字で書かれている。

今日、ポルトランドセメントは世界で最も広く使用されている建築材料であり、毎年約1.56億トン（1.72億トン）が生産されています。 ポルトランドセメントコンクリートの年間世界生産量は、年間約3.8万立方メートル（5億立方ヤード）である（カナダセメント協会、2002年）。 米国では、硬質舗装はポルトランドセメントとポルトランドセメントコンクリートの最大の単一使用である（ACPA、2002）。

製造

商業的に製造されたポルトランドセメントにはいくつかのバリエーションがありますが、それぞれ同じ基本原料と化学成分の多くを共有しています。 ポルトランドセメントの主な化学成分はカルシウム，シリカ，アルミナ，鉄である。 カルシウムは石灰岩、マールまたはチョークから、無水ケイ酸、アルミナおよび鉄は砂、粘土および鉄鉱石の源から来るが得られます。 他の原材料には、頁岩、シェル、およびミルスケール（Ash Grove Cement Company、2000）などの産業副産物が含まれてもよい。

基本的な製造プロセスは、これらの材料を約1400–1600℃（2600–3000°F）-二つの材料が化学的に相互作用してケイ酸カルシウムを形成する温度範囲（Mindess and Young、1981）にキルン “クリンカー”と呼ばれるこの加熱された物質は、通常、約12の小さな灰黒色ペレットの形態である。直径の5つのmm（0.5インチ）。 その後、クリンカーを冷却し、0.075mm（No.200）のふるいをほぼ完全に通過する微粉末に粉砕し、少量の石膏で強化する。 結果はポルトランドセメントです。 ポルトランドセメント協会（PCA）は、彼らのウェブサイト上でこのプロセスの優れたインタラクティブなイ

化学的性質

ポートランドセメントは、舗装用途ではめったにありませんが、その化学組成によって特徴付けることができます。 しかし、その物理的性質とそれがどのように硬化するかを決定するのはポルトランドセメントの化学的性質です。 したがって、ポルトランドセメント化学の基本的な理解は、それがどのように、なぜそれがそうであるように動作するかを理解するのに役立ちます。 このセクションでは、典型的なポルトランドセメントの基本的な化学組成とそれがどのように水和するかを簡単に説明します。

基本組成

表1および図3は、ポルトランドセメントの主な化合物成分を示しています。

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

水和

ポルトランドセメントを水と混合すると、その化合物成分は、それが硬化（またはセット）する原因となる一連の化学反応 これらの化学反応は全て、表１に記載されている塩基性化合物への水の添加を伴う。 水とのこの化学反応は”水和”と呼ばれています。 これらの反応のそれぞれは、異なる時間および速度で起こる。 一緒に、これらの反応の結果は、ポルトランドセメントが硬化し、強度を得る方法を決定します。

• ケイ酸三カルシウム（C3S）。 急速に水和し、堅くなり、そして最初のセットおよび早い強さに主として責任があります。 C3Sの割合が高いポートランドセメントは、より高い初期強度を示すでしょう。
• ケイ酸二カルシウム（C2S）。 水和し、ゆっくりと硬化し、一週間を超えて強度の増加のために主に責任があります。
• アルミン酸三カルシウム（C3A）。 最も速いの水和させ、堅くします。 ほとんどすぐに大量の熱を解放し、早期の強さに多少貢献します。 石膏は、c3Aの水和を遅らせるためにポルトランドセメントに添加される。 石膏がなければ、c3Aの水和は、水を加えた直後にポルトランドセメントを設定する原因となります。
• テトラカルシウムアルミノフェライト（C4AF）。 急速に水和しますが、強さに少しだけ貢献します。 その使用はポルトランドセメントの製造業のより低い炉の温度を可能にする。 ほとんどのポルトランドセメントの色の効果はC4AFによるものです。

図4は、水和時間と典型的なポルトランドセメントが最初に設定されたときのおおよそのアイデアを与える熱進化の速度を示しています。

図2。 典型的なポルトランドセメントの水和中の熱進化の速度。2つのケイ酸塩水和物の結果は、ケイ酸カルシウム水和物の形成である（多くの場合、可変化学量論のためにC-S-Hと書かれている）。 C-S–Hは、水和ペースト（水+セメント）の体積の約1/2-2/3を占め、したがってその挙動を支配する（Mindess and Young、1981）。

ポルトランドセメントの種類

ポルトランドセメントの構成化合物の基本的な特性を知ることで、各化合物の量を調整することにより、その特性を変更することが可能である。 米国では、Aashto M85およびASTM C150のポルトランドセメントのための標準仕様は、ポルトランドセメントのコンクリートの八つの基本的なタイプを認識します（表2）。 ここでは言及されていない他の多くの種類のブレンドされた独自のセメントもあります。

表2. ASTMポルトランドセメントのタイプ

物理的性質

ポートランドセメントは、一般的に品質管理の目的のためにそれらの物理的性質によっ それらの物理的性質は、ポートランドセメントを分類し、比較するために使用することができます。 物理的特性評価における課題は、重要なパラメータを十分に特徴付けることができる物理的試験を開発することです。 このセクションでは、主にPCA(1988)から取られ、テストされているより一般的な米国のポルトランドセメントの物理的性質を一覧表示します。 指定の価値は、与えられて、ASTM C150のポルトランドセメントのための標準規格から取られます。

これらのプロパティは、一般的に、”きちんとした”セメントペーストに適用されることに注意してください–つまり、彼らはポルトランドセメントと水 端正なセメントののりは普通扱いにくく、テストし、こうして結果により多くの可変性をもたらす。 セメントはまた”乳鉢”（セメント+水+砂）で使用されたとき別様に行うかもしれない。 時間が経つにつれて、モルタル試験はセメント品質のより良い指標を提供することが判明しており、したがって、きちんとしたセメントペーストの試験は、典型的には研究目的のためにのみ使用される（Mindess and Young、1981）。 ただし、モルタル試験で砂が慎重に指定されていない場合、結果は譲渡できない場合があります。

• 細かさ
• 健全性
• 設定時間
• 強度
• 比重
• 水和熱
• 点火時の損失