Cement is het belangrijkste ingrediënt in cementpasta – het bindmiddel in portlandcementbeton (PCC). Het is een hydraulisch cement dat, in combinatie met water, verhardt tot een vaste massa. Afgewisseld in een aggregaat matrix vormt het PCC. Als materiaal wordt Portlandcement al meer dan 175 jaar gebruikt en vanuit empirisch oogpunt is het gedrag ervan goed begrepen. Chemisch is Portlandcement echter een complexe stof waarvan de mechanismen en interacties nog volledig moeten worden gedefinieerd. ASTM C 125 en de Portland Cement Association (PCA) geven de volgende precieze definities:

• hydraulisch cement: een anorganisch materiaal of een mengsel van anorganische materialen dat door chemische reactie sterkte met water zet en ontwikkelt door de vorming van hydraten en dat onder water kan doen.Portlandcement: een hydraulisch cement dat voornamelijk bestaat uit hydraulische calciumsilicaten.

Background

hoewel het gebruik van cement (zowel hydraulisch als niet-hydraulisch) vele duizenden jaren teruggaat (tenminste tot de Oud-Egyptische tijd), is de eerste van “Portland cement” kwam tot stand in de 19e eeuw. In 1824, Joseph Aspdin, een Leeds mason nam een patent op een hydraulische cement dat hij bedacht “Portland” cement (Mindess and Young, 1981). Hij noemde het cement omdat het een beton produceerde dat leek op de kleur van de natuurlijke kalksteen gedolven op het eiland Portland, een schiereiland in het kanaal (zie Figuur 1 en 2). Sindsdien is de naam “portland cement” is geplakt en is geschreven in alle kleine letters, omdat het nu wordt erkend als een handelsnaam voor een soort materiaal en niet een specifieke verwijzing naar Portland, Engeland.tegenwoordig is Portlandcement het meest gebruikte bouwmateriaal ter wereld met ongeveer 1,56 miljard ton (1,72 miljard ton) per jaar. De jaarlijkse wereldwijde productie van portlandcementbeton zweeft rond 3,8 miljoen kubieke meter (5 miljard kubieke yards) per jaar (Cement Association of Canada, 2002). In de VS zijn stijve trottoirs het grootste gebruik van Portlandcement en portlandcementbeton (ACPA, 2002).

vervaardiging

hoewel er verschillende variaties zijn van commercieel vervaardigd Portlandcement, delen zij elk veel van dezelfde basisgrondstoffen en chemische componenten. De belangrijkste chemische componenten van portland cement zijn calcium, silica, aluminiumoxide en ijzer. Calcium is afkomstig van kalksteen, mergel of krijt, terwijl silica, aluminiumoxide en ijzer afkomstig zijn van het zand, klei en ijzerertsbronnen. Andere grondstoffen kunnen schalie, schelpen en industriële bijproducten zoals mill scale (Ash Grove Cement Company, 2000) omvatten.

Het basisproductieproces verwarmt deze materialen in een oven tot ongeveer 1400-1600°C – 2600-3000°F) – Het temperatuurbereik waarin de twee materialen Chemisch op elkaar inwerken om calciumsilicaten te vormen (Mindess and Young, 1981). Deze verwarmde stof, genaamd “klinker” is meestal in de vorm van kleine grijs-zwarte korrels ongeveer 12.5 mm (0,5 inch) in diameter. Klinker wordt vervolgens gekoeld en verpulverd tot een fijn poeder dat bijna volledig door een zeef van 0,075 mm (nr. 200) gaat en verrijkt met een kleine hoeveelheid gips. Het resultaat is portland cement. De Portland Cement Association (PCA) heeft een uitstekende interactieve illustratie van dit proces op hun website.

chemische eigenschappen

Portlandcement kan worden gekarakteriseerd door hun chemische samenstelling, hoewel ze zelden worden gebruikt voor bestrating. Het is echter de chemische eigenschappen van een Portlandcement die de fysische eigenschappen ervan bepalen en hoe het uithardt. Daarom kan een basiskennis van portland cement chemie helpen begrijpen hoe en waarom het zich gedraagt als het doet. In deze paragraaf wordt kort de chemische basissamenstelling van een typisch Portlandcement beschreven en hoe het hydrateert.

basissamenstelling

Tabel 1 en Figuur 3 geven de belangrijkste chemische bestanddelen van Portlandcement weer.

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

hydratatie

wanneer Portlandcement met water wordt gemengd, ondergaan de chemische bestanddelen ervan een reeks chemische reacties waardoor het wordt verhard (of gezet). Deze chemische reacties omvatten alle de toevoeging van water aan de chemische basisverbindingen vermeld in Tabel 1. Deze chemische reactie met water wordt “hydratatie”genoemd. Elk van deze reacties treedt op een andere tijd en snelheid. Samen bepalen de resultaten van deze reacties hoe Portlandcement verhardt en sterker wordt.

• Tricalciumsilicaat (C3S). Hydrateert en verhardt snel en is grotendeels verantwoordelijk voor de initiële set en vroege sterkte. Portland cements met hogere percentages C3S zal een hogere vroege sterkte vertonen.
• Dicalciumsilicaat (C2S). Hydrateert en verhardt langzaam en is grotendeels verantwoordelijk voor krachtverhogingen na een week.
• Tricalciumaluminaat (C3A). Hydrateert en verhardt het snelst. Bevrijdt vrijwel onmiddellijk een grote hoeveelheid warmte en draagt enigszins bij aan vroege sterkte. Gips wordt toegevoegd aan portland cement te vertragen C3A hydratatie. Zonder gips, C3A hydratatie zou leiden tot portland cement te zetten bijna onmiddellijk na het toevoegen van water.
• Tetracalciumaluminoferriet (C4AF). Hydrateert snel maar draagt weinig bij aan kracht. Het gebruik maakt lagere oventemperaturen in portland cement productie. De meeste portland cement kleureffecten zijn te wijten aan C4AF.

Figuur 4 toont de snelheid van de warmteontwikkeling, die een benaderend idee geeft van de hydratatietijd en wanneer een typisch Portlandcement zich aanvankelijk plaatst.

Figuur 2. Snelheid van warmte evolutie tijdens hydratatie van een typische portland cement.Het resultaat van de twee silicaathydraties is de vorming van een calciumsilicaathydraat (vaak geschreven C-S-H vanwege de variabele stoichiometrie). C-S-H maakt ongeveer 1/2 – 2/3 van het volume van de gehydrateerde pasta (water + cement) en domineert daarom zijn gedrag (Mindess and Young, 1981).

soorten Portlandcement

Op basis van de basiskenmerken van de samenstellende chemische verbindingen van Portlandcement is het mogelijk de eigenschappen ervan te wijzigen door de hoeveelheden van elke verbinding aan te passen. In de VS., AASHTO m 85 en ASTM C 150, Standaardspecificatie voor Portland Cement, herkennen acht basistypen portland cement beton (Tabel 2). Er zijn ook vele andere soorten gemengde en gepatenteerde cements die hier niet worden genoemd.

Tabel 2. ASTM Soorten Portland Cement

fysische eigenschappen

Portlandcements worden gewoonlijk gekenmerkt door hun fysische eigenschappen voor kwaliteitscontroledoeleinden. Hun fysieke eigenschappen kunnen worden gebruikt om portland cement te classificeren en te vergelijken. De uitdaging in de karakterisering van fysieke eigenschappen is om fysieke tests te ontwikkelen die de belangrijkste parameters bevredigend kunnen karakteriseren. Deze sectie, grotendeels genomen uit de PCA (1988), geeft de meer voorkomende Amerikaanse portland cement fysische eigenschappen die worden getest. Specificatiewaarden, indien gegeven, zijn ontleend aan ASTM C 150, Standaardspecificatie voor Portlandcement.

Houd er rekening mee dat deze eigenschappen in het algemeen van toepassing zijn op “zuivere” cementpasta ‘ s – dat wil zeggen dat ze alleen Portlandcement en water omvatten. Nette cementpasta ‘ s zijn meestal moeilijk te hanteren en te testen en dus introduceren ze meer variabiliteit in de resultaten. Cement kan ook anders presteren wanneer gebruikt in een” mortel ” (cement + water + zand). In de loop van de tijd is gebleken dat mortelproeven een betere indicatie van de cementkwaliteit geven en daarom worden tests op nette cementpasta ‘ s meestal alleen gebruikt voor onderzoeksdoeleinden (Mindess and Young, 1981). Als het zand echter niet nauwkeurig wordt gespecificeerd in een morteltest, kunnen de resultaten niet overdraagbaar zijn.

• fijnheid
• geluid
• Insteltijd
• sterkte
• soortelijk gewicht
• Hydratatiewarmte
• verlies bij ontsteking