Cement er den vigtigste ingrediens i cementpasta – bindemidlet i portland cementbeton (PCC). Det er en hydraulisk cement, der, når den kombineres med vand, hærder til en fast masse. Ispedd i en samlet matrice danner den PCC. Som materiale er Portlandcement blevet brugt i godt over 175 år, og fra et empirisk perspektiv er dets adfærd godt forstået. Kemisk er Portlandcement imidlertid et komplekst stof, hvis mekanismer og interaktioner endnu ikke er fuldt defineret. ASTM C 125 og Portland Cement Association (PCA) giver følgende præcise definitioner:

• hydraulisk cement: et uorganisk materiale eller en blanding af uorganiske materialer, der sætter og udvikler styrke ved kemisk reaktion med vand ved dannelse af hydrater og er i stand til at gøre det under vand.Portland cement: en hydraulisk cement, der primært består af hydrauliske calciumsilicater.

Background

selvom brugen af cement (både hydraulisk og ikke-hydraulisk) går mange tusinder af år tilbage (til gamle egyptiske tider i det mindste), den første forekomst af “Portland Cement” opstod i det 19. århundrede. I 1824 Joseph Aspdin, en Leeds mason tog et patent på en hydraulisk cement, som han opfandt “Portland” cement (Mindess and Young, 1981). Han navngav cementen, fordi den producerede en beton, der lignede farven på den naturlige kalksten, der blev brudt på Isle of Portland, en halvø i Den Engelske Kanal (se figur 1 og 2). Siden da er navnet “portland cement” FAST og skrevet med små bogstaver, fordi det nu anerkendes som et handelsnavn for en type materiale og ikke en specifik henvisning til Portland, England.i dag er Portlandcement det mest anvendte byggemateriale i verden med omkring 1,56 milliarder tons (1,72 milliarder tons) produceret hvert år. Årlig global produktion af portland cementbeton svæver omkring 3,8 millioner kubikmeter (5 milliarder kubikmeter) om året (Cement Association of Canada, 2002). I USA er stive fortove den største enkeltanvendelse af portland cement og portland cementbeton (ACPA, 2002).

fremstilling

selvom der er flere variationer af kommercielt fremstillet Portlandcement, deler de hver især mange af de samme basale råmaterialer og kemiske komponenter. De vigtigste kemiske komponenter i portland cement er calcium, silica, alumina og jern. Calcium er afledt af kalksten, marl eller kridt, mens silica, alumina og jern kommer fra sand, ler og jernmalm kilder. Andre råvarer kan omfatte skifer, skaller og industrielle biprodukter såsom mill scale (Ash Grove Cement Company, 2000).

den grundlæggende fremstillingsproces opvarmer disse materialer i en ovn til omkring 1400 til 1600 liter C (2600 – 3000 liter F) – temperaturområdet, hvor de to materialer interagerer kemisk for at danne calciumsilicater (Mindess og Young, 1981). Dette opvarmede stof, kaldet” klinker”, er normalt i form af små grå-sorte pellets omkring 12.5 mm (0,5 tommer) i diameter. Klinker afkøles derefter og pulveriseres til et fint pulver, der næsten fuldstændigt passerer gennem en 0,075 mm (nr.200) sigte og befæstes med en lille mængde gips. Resultatet er portland cement. Portland Cement Association (PCA) har en fremragende interaktiv illustration af denne proces på deres hjemmeside.

kemiske egenskaber

Portland cement kan karakteriseres ved deres kemiske sammensætning, selvom de sjældent er til fortovsapplikationer. Det er dog en portlandcements kemiske egenskaber, der bestemmer dens fysiske egenskaber, og hvordan den hærder. Derfor kan en grundlæggende forståelse af portland cementkemi hjælpe en med at forstå, hvordan og hvorfor den opfører sig som den gør. Dette afsnit beskriver kort den grundlæggende kemiske sammensætning af en typisk Portlandcement, og hvordan den hydraterer.

basisk sammensætning

tabel 1 og figur 3 viser de vigtigste kemiske sammensatte bestanddele af Portlandcement.

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

hydrering

når Portlandcement blandes med vand, gennemgår dets kemiske sammensatte bestanddele en række kemiske reaktioner, der får det til at hærde (eller sætte). Disse kemiske reaktioner involverer alle tilsætning af vand til de basiske kemiske forbindelser, der er anført i tabel 1. Denne kemiske reaktion med vand kaldes”hydrering”. Hver af disse reaktioner forekommer på et andet tidspunkt og hastighed. Sammen bestemmer resultaterne af disse reaktioner, hvordan Portlandcement hærder og får styrke.

• Tricalciumsilicat (C3S). Hydrater og hærder hurtigt og er i høj grad ansvarlig for indledende sæt og tidlig styrke. Portland cement med højere procentdele af C3S vil udvise højere tidlig styrke.
• Dicalciumsilicat (C2S). Hydrater og hærder langsomt og er stort set ansvarlig for styrkeforøgelser ud over en uge.
• Tricalciumaluminat (C3A). Hydrerer og hærder hurtigst. Frigør en stor mængde varme næsten øjeblikkeligt og bidrager noget til tidlig styrke. Gips tilsættes til Portlandcement for at forsinke C3a-hydrering. Uden gips ville C3a-hydrering få Portlandcement til at sætte sig næsten umiddelbart efter tilsætning af vand.
• Tetracalciumaluminoferrit (C4AF). Hydrater hurtigt, men bidrager meget lidt til styrke. Dens anvendelse tillader lavere ovntemperaturer i fremstilling af portland cement. De fleste portland cement farveeffekter skyldes C4AF.

figur 4 viser varmeudviklingshastigheder, som giver en omtrentlig ide om hydratiseringstider, og når en typisk Portlandcement oprindeligt sætter.

figur 2. Hastighed for varmeudvikling under hydrering af en typisk Portlandcement.Resultatet af de to silikathydrater er dannelsen af et calciumsilicathydrat (ofte skrevet C-S-H på grund af er variabel støkiometri). 1/2 – 2/3 volumenet af den hydratiserede pasta (vand + cement) og dominerer derfor dens opførsel (Mindess and Young, 1981).

typer af Portlandcement

når man kender de grundlæggende egenskaber ved portlandcementets kemiske forbindelser, er det muligt at ændre dets egenskaber ved at justere mængderne af hver forbindelse. I USA., AASHTO M 85 og ASTM C 150, Standardspecifikation for Portlandcement, genkender otte grundlæggende typer portlandcementbeton (tabel 2). Der er også mange andre typer blandede og proprietære cement, der ikke er nævnt her.

tabel 2. ASTM typer af Portland Cement

fysiske egenskaber

Portland cement er almindeligvis karakteriseret ved deres fysiske egenskaber til kvalitetskontrolformål. Deres fysiske egenskaber kan bruges til at klassificere og sammenligne portland cement. Udfordringen i karakterisering af fysisk ejendom er at udvikle fysiske tests, der tilfredsstillende kan karakterisere nøgleparametre. Dette afsnit, taget stort set fra PCA (1988), viser de mere almindelige amerikanske portland cement fysiske egenskaber, der testes. Specifikationsværdier, hvor de er givet, er taget fra ASTM C 150, Standardspecifikation for Portlandcement.

Husk , at disse egenskaber generelt gælder for “pæne” cementpastaer – det vil sige, de omfatter kun Portlandcement og vand. Pæne cementpastaer er typisk vanskelige at håndtere og teste, og dermed introducerer de mere variation i resultaterne. Cement kan også udføre forskelligt, når det anvendes i en “mørtel” (cement + vand + sand). Over tid har mørtelforsøg vist sig at give en bedre indikation af cementkvalitet, og derfor anvendes test på pæne cementpastaer typisk kun til forskningsformål (Mindess og Young, 1981). Men hvis sandet ikke er nøje specificeret i en mørtelprøve, kan resultaterne muligvis ikke overføres.

• finhed
• sundhed
• Indstilling af tid
• styrke
• specifik tyngdekraft
• Hydratiseringsvarme
• tab ved tænding