Cement jest głównym składnikiem pasty cementowej – środka wiążącego w betonie cementowym portlandzkim (PCC). Jest to cement hydrauliczny, który w połączeniu z wodą twardnieje w solidną masę. Przeplatane w macierzy zbiorczej tworzy PCC. Jako materiał cement portlandzki jest używany od ponad 175 lat i z perspektywy empirycznej jego zachowanie jest dobrze zrozumiałe. Pod względem chemicznym cement portlandzki jest jednak substancją złożoną, której mechanizmy i interakcje nie zostały jeszcze w pełni zdefiniowane. ASTM C 125 i Stowarzyszenie cementu portlandzkiego (PCA) dostarczają następujących dokładnych definicji:

• cement hydrauliczny: materiał nieorganiczny lub mieszanina materiałów nieorganicznych, które ustawiają i rozwijają wytrzymałość w reakcji chemicznej z wodą przez tworzenie hydratów i jest w stanie to zrobić pod wodą.
• cement portlandzki: cement hydrauliczny składający się głównie z hydraulicznych krzemianów wapnia.

Background

chociaż stosowanie cementów (zarówno hydraulicznych, jak i niehydraulicznych) sięga wielu tysięcy lat (co najmniej do czasów starożytnego Egiptu), pierwsze występowanie „cementu portlandzkiego” nastąpiło w XIX wieku. W 1824 roku Joseph Aspdin, mason z Leeds, wynalazł patent na cement hydrauliczny, który wymyślił cement” Portland ” (Mindess and Young, 1981). Nazwał cement, ponieważ wyprodukował beton, który przypominał kolor naturalnego wapienia wydobywanego na wyspie Portland, półwyspie w kanale La Manche (patrz rysunek 1 i 2). Od tego czasu nazwa „cement portlandzki” utkwiła i jest pisana małymi literami, ponieważ jest obecnie uznawana za nazwę handlową dla rodzaju materiału, a nie konkretne odniesienie do Portland w Anglii.

dziś cement portlandzki jest najczęściej stosowanym materiałem budowlanym na świecie, z czego rocznie produkuje się około 1,56 mld ton (1,72 mld ton). Roczna globalna produkcja cementu portlandzkiego wynosi około 3,8 miliona metrów sześciennych (5 miliardów jardów sześciennych) rocznie (Cement Association of Canada, 2002). W Stanach Zjednoczonych nawierzchnie sztywne są największym jednorazowym zastosowaniem cementu portlandzkiego i betonu portlandzkiego (ACPA, 2002).

produkcja

chociaż istnieje kilka odmian cementu portlandzkiego produkowanego komercyjnie, każdy z nich ma wiele tych samych podstawowych surowców i składników chemicznych. Głównymi składnikami chemicznymi cementu portlandzkiego są wapń, krzemionka, tlenek glinu i żelazo. Wapń pochodzi z wapienia, Marlu lub kredy, podczas gdy krzemionka, tlenek glinu i żelazo pochodzą z piasków, glin i źródeł rudy żelaza. Inne surowce mogą obejmować łupki, łupki i PRZEMYSŁOWE Produkty uboczne, takie jak skala Młyńska (Ash Grove Cement Company, 2000).

podstawowy proces produkcji ogrzewa te materiały w piecu do około 1400-1600°C (2600-3000°F) – Zakres temperatur, w których oba materiały wchodzą w chemiczną interakcję, tworząc krzemiany wapnia (Mindess i Young, 1981). Ta podgrzana substancja, zwana „klinkierem”, zwykle ma postać małych szaro-czarnych granulek około 12.5 mm (0,5 cala) średnicy. Klinkier jest następnie chłodzony i sproszkowany w drobny proszek, który prawie całkowicie przechodzi przez sito 0,075 mm (Nr 200) i wzmacnia niewielką ilością gipsu. Rezultatem jest Cement portlandzki. Stowarzyszenie cementu portlandzkiego (PCA) ma doskonałą interaktywną ilustrację tego procesu na swojej stronie internetowej.

właściwości chemiczne

cementy Portlandzkie można scharakteryzować składem chemicznym, choć rzadko stosuje się je do nawierzchni. Jednak to właściwości chemiczne cementu portlandzkiego określają jego właściwości fizyczne i sposób utwardzania. Dlatego podstawowe zrozumienie chemii cementu portlandzkiego może pomóc zrozumieć, jak i dlaczego zachowuje się tak, jak to robi. W tej części krótko opisano podstawowy skład chemiczny typowego cementu portlandzkiego i sposób jego nawodnienia.

skład podstawowy

Tabela 1 i Rysunek 3 przedstawiają główne składniki związków chemicznych cementu portlandzkiego.

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

uwodnienie

gdy cement portlandzki miesza się z wodą, jego składniki związków chemicznych ulegają serii reakcji chemicznych, które powodują jego stwardnienie (lub osadzenie). Wszystkie te reakcje chemiczne obejmują dodanie wody do podstawowych związków chemicznych wymienionych w tabeli 1. Ta reakcja chemiczna z wodą nazywana jest”uwodnieniem”. Każda z tych reakcji zachodzi w innym czasie i tempie. Łącznie wyniki tych reakcji określają, w jaki sposób cement portlandzki twardnieje i zyskuje siłę.

• krzemian trójwapniowy (C3S). Szybko nawilża i twardnieje i jest w dużej mierze odpowiedzialny za początkowy zestaw i wczesną siłę. Cementy Portland z wyższym odsetkiem C3 będą wykazywały wyższą wczesną siłę.
• krzemian dwuwapniowy (C2S). Nawilża i twardnieje powoli i jest w dużej mierze odpowiedzialny za wzrost siły powyżej jednego tygodnia.
• tlenek glinu Trójwapniowego (C3A). Najszybciej nawilża i twardnieje. Uwalnia dużą ilość ciepła niemal natychmiast i przyczynia się nieco do wczesnej siły. Do cementu portlandzkiego dodaje się gips, aby opóźnić nawodnienie C3A. Bez gipsu nawodnienie C3A spowodowałoby osadzanie się cementu portlandzkiego niemal natychmiast po dodaniu wody.
• Glinoferryt Tetrakalcynowy (C4AF). Szybko nawilża, ale bardzo mało przyczynia się do siły. Jego zastosowanie pozwala na obniżenie temperatury pieca w produkcji cementu portlandzkiego. Większość efektów kolorystycznych cementu portlandzkiego wynika z C4AF.

Rysunek 4 pokazuje tempo ewolucji ciepła, które dają przybliżony obraz czasów nawodnienia i kiedy typowy cement portlandzki początkowo ustawia się.

Rysunek 2. Szybkość ewolucji ciepła podczas nawodnienia typowego cementu portlandzkiego.W wyniku dwóch uwodnień krzemianowych powstaje uwodniony krzemian wapnia (często zapisywany C-S-H ze względu na zmienną stechiometrię). C-S-H stanowi około 1/2 – 2/3 objętości uwodnionej pasty (woda + cement ) i dlatego dominuje nad jej zachowaniem (Mindess and Young, 1981).

rodzaje cementu portlandzkiego

znając podstawowe cechy cementu portlandzkiego składowych związków chemicznych, można modyfikować jego właściwości poprzez dostosowanie ilości każdego związku. W USA, AASHTO M 85 i ASTM C 150, Standardowa specyfikacja cementu portlandzkiego, rozpoznają osiem podstawowych rodzajów betonu portlandzkiego (Tabela 2). Istnieje również wiele innych rodzajów mieszanych i zastrzeżonych cementów, które nie są tutaj wymienione.

Tabela 2. ASTM rodzaje cementu portlandzkiego

Właściwości fizyczne

cementy Portlandzkie charakteryzują się powszechnie swoimi właściwościami fizycznymi do celów kontroli jakości. Ich właściwości fizyczne można wykorzystać do klasyfikacji i porównania cementów portlandzkich. Wyzwaniem w charakteryzacji właściwości fizycznych jest opracowanie testów fizycznych, które mogą zadowalająco scharakteryzować kluczowe parametry. Ta sekcja, zaczerpnięta w dużej mierze z PCA (1988), wymienia bardziej powszechne właściwości fizyczne cementu portlandzkiego w USA, które są testowane. Wartości specyfikacji, jeśli podano, są pobierane z ASTM C 150, standardowej specyfikacji cementu portlandzkiego.

należy pamiętać , że te właściwości na ogół odnoszą się do „czystych” Past cementowych – to znaczy, że obejmują one tylko cement portlandzki i wodę. Czyste pasty cementowe są zazwyczaj trudne w obsłudze i testowaniu, a tym samym wprowadzają większą zmienność wyników. Cementy mogą również działać inaczej, gdy są stosowane w „zaprawie” (cement + woda + piasek). Z biegiem czasu stwierdzono, że testy zaprawy zapewniają lepsze wskazanie jakości cementu, a zatem testy czystych Past cementowych są zwykle używane tylko do celów badawczych (Mindess and Young, 1981). Jeśli jednak piasek nie jest dokładnie określony w badaniu zaprawy, wyniki mogą nie być przenoszone.

• próba
• solidność
• czas wiązania
• Siła
• ciężar właściwy
• ciepło hydratacji
• Strata przy zapłonie