cimentul este ingredientul principal în pasta de ciment – agentul de legare din betonul de ciment portland (PCC). Este un ciment hidraulic care, atunci când este combinat cu apă, se întărește într-o masă solidă. Intercalat într-o matrice agregată formează PCC. Ca material, cimentul portland a fost folosit de peste 175 de ani și, dintr-o perspectivă empirică, comportamentul său este bine înțeles. Din punct de vedere chimic, cimentul portland este o substanță complexă ale cărei mecanisme și interacțiuni nu au fost încă definite pe deplin. ASTM C 125 și Asociația cimentului Portland (PCA) furnizează următoarele definiții precise:

• ciment hidraulic: un material anorganic sau un amestec de materiale anorganice care stabilește și dezvoltă rezistență prin reacția chimică cu apa prin formarea de hidrați și este capabil să facă acest lucru sub apă.
• ciment Portland: un ciment hidraulic compus în principal din silicați hidraulici de calciu.

Background

deși utilizarea cimenturilor (atât hidraulice, cât și non-hidraulice) datează de multe mii de ani (până în vremurile egiptene antice cel puțin), prima apariție a „cimentului Portland” a avut loc în secolul al 19-lea. În 1824, Joseph Aspdin, un mason Leeds a scos un brevet pe un ciment hidraulic pe care l-a inventat ciment „Portland” (Mindess și Young, 1981). El a numit cimentul deoarece a produs un beton care seamănă cu culoarea calcarului natural extras pe insula Portland, o peninsulă din Canalul Mânecii (vezi Figurile 1 și 2). De atunci, numele „ciment portland” s-a blocat și este scris cu toate minuscule, deoarece acum este recunoscut ca denumire comercială pentru un tip de material și nu ca referință specifică la Portland, Anglia.astăzi, cimentul portland este cel mai utilizat material de construcție din lume, cu aproximativ 1,56 miliarde de tone (1,72 miliarde de tone) produse în fiecare an. Producția globală anuală de beton de ciment portland se ridică la aproximativ 3,8 milioane de metri cubi (5 miliarde de metri cubi) pe an (Asociația de ciment din Canada, 2002). În SUA, pavajele rigide sunt cea mai mare utilizare unică a cimentului portland și a betonului de ciment portland (ACPA, 2002).

Manufacturing

deși există mai multe variante de ciment portland fabricate comercial, fiecare împărtășesc multe din aceleași materii prime de bază și componente chimice. Principalele componente chimice ale cimentului portland sunt calciu, silice, alumină și fier. Calciul este derivat din calcar, marnă sau cretă, în timp ce silice, alumină și fier provin din nisipuri, argile și surse de minereu de fier. Alte materii prime pot include șisturi, cochilii și produse secundare industriale, cum ar fi scara Morii (Ash Grove Cement Company, 2000).

procesul de fabricație de bază încălzește aceste materiale într – un cuptor la aproximativ 1400 până la 1600 ct (2600 – 3000 CTF) – intervalul de temperatură în care cele două materiale interacționează chimic pentru a forma silicați de calciu (Mindess și Young, 1981). Această substanță încălzită, numită „clincher”, este de obicei sub formă de pelete mici gri-negru de aproximativ 12.5 mm (0,5 inci) în diametru. Clincherul este apoi răcit și pulverizat într-o pulbere fină care trece aproape complet printr-o sită de 0,075 mm (Nr.200) și fortificată cu o cantitate mică de gips. Rezultatul este cimentul portland. Asociația cimentului Portland (PCA) are o ilustrare interactivă excelentă a acestui proces pe site-ul lor web.

proprietăți chimice

cimenturile Portland pot fi caracterizate prin compoziția lor chimică, deși rareori sunt pentru aplicații de pavaj. Cu toate acestea, proprietățile chimice ale cimentului portland sunt cele care determină proprietățile sale fizice și modul în care se vindecă. Prin urmare, o înțelegere de bază a chimiei cimentului portland vă poate ajuta să înțelegeți cum și de ce se comportă așa cum o face. Această secțiune descrie pe scurt compoziția chimică de bază a unui ciment portland tipic și modul în care se hidratează.

compoziția de bază

Tabelul 1 și Figura 3 prezintă principalii constituenți compuși chimici ai cimentului portland.

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

hidratare

când cimentul portland este amestecat cu apă, constituenții săi compuși chimici suferă o serie de reacții chimice care îl determină să se întărească (sau să se fixeze). Toate aceste reacții chimice implică adăugarea de apă la compușii chimici de bază enumerați în tabelul 1. Această reacție chimică cu apa se numește „hidratare”. Fiecare dintre aceste reacții are loc la un moment și o rată diferite. Împreună, rezultatele acestor reacții determină modul în care cimentul portland se întărește și câștigă rezistență.

• silicat tricalcic (C3S). Hidratează și se întărește rapid și este în mare măsură responsabil pentru setul inițial și rezistența timpurie. Cimenturile Portland cu procente mai mari de C3S vor prezenta o rezistență timpurie mai mare.
• silicat dicalcic (C2S). Hidratează și se întărește încet și este în mare măsură responsabil pentru creșterea rezistenței peste o săptămână.
• aluminat tricalcic (C3A). Hidratează și se întărește cel mai rapid. Eliberează o cantitate mare de căldură aproape imediat și contribuie oarecum la rezistența timpurie. Gipsul este adăugat la cimentul portland pentru a întârzia hidratarea C3A. Fără gips, hidratarea C3A ar face ca cimentul portland să se stabilească aproape imediat după adăugarea apei.
• tetracalciu aluminoferrit (C4AF). Se hidratează rapid, dar contribuie foarte puțin la rezistență. Utilizarea sa permite temperaturi mai scăzute ale cuptorului în fabricarea cimentului portland. Majoritatea efectelor de culoare ale cimentului portland se datorează C4AF.

Figura 4 prezintă ratele de evoluție a căldurii, care oferă o idee aproximativă despre timpii de hidratare și când se instalează inițial un ciment portland tipic.

Figura 2. Rata de evoluție a căldurii în timpul hidratării unui ciment portland tipic.Rezultatul celor două hidrații de silicat este formarea unui hidrat de silicat de calciu (adesea scris C-S-H din cauza stoichiometriei variabile). C-S-H reprezintă aproximativ 1/2-2/3 din volumul pastei hidratate (apă + ciment) și, prin urmare, domină comportamentul acesteia (Mindess și Young, 1981).

tipuri de ciment Portland

cunoscând caracteristicile de bază ale compușilor chimici constituenți ai cimentului portland, este posibilă modificarea proprietăților sale prin ajustarea cantităților fiecărui compus. În SUA., AASHTO M 85 și ASTM C 150, Specificații Standard pentru cimentul Portland, recunosc opt tipuri de bază de beton de ciment portland (Tabelul 2). Există, de asemenea, multe alte tipuri de cimenturi amestecate și proprietare care nu sunt menționate aici.

Tabelul 2. Tipuri ASTM de ciment Portland

proprietăți fizice

cimenturile Portland sunt caracterizate în mod obișnuit prin proprietățile lor fizice în scopuri de control al calității. Proprietățile lor fizice pot fi utilizate pentru clasificarea și compararea cimenturilor portland. Provocarea în caracterizarea proprietății fizice este de a dezvolta teste fizice care pot caracteriza în mod satisfăcător parametrii cheie. Această secțiune, preluată în mare parte din PCA (1988), enumeră cele mai frecvente proprietăți fizice ale cimentului portland din SUA care sunt testate. Valorile de specificație, în cazul în care sunt date, sunt preluate din ASTM C 150, specificație Standard pentru cimentul Portland.

rețineți că aceste proprietăți , în general, se aplică pastelor de ciment „îngrijite” – adică includ doar ciment portland și apă. Pastele de ciment îngrijite sunt de obicei dificil de manevrat și testat și, prin urmare, introduc mai multă variabilitate în rezultate. Cimenturile pot funcționa diferit atunci când sunt utilizate într-un „mortar” (ciment + apă + nisip). De-a lungul timpului, s-a constatat că testele de mortar oferă o indicație mai bună a calității cimentului și, prin urmare, testele pe paste de ciment îngrijite sunt utilizate de obicei numai în scopuri de cercetare (Mindess și Young, 1981). Cu toate acestea, dacă nisipul nu este specificat cu atenție într-un test de mortar, este posibil ca rezultatele să nu fie transferabile.

• finețe
• Soundness
• timp de setare
• puterea
• greutate specifică
• căldură de hidratare
• Pierdere la aprindere