Cement är den viktigaste ingrediensen i cementpasta-bindemedlet i portlandcementbetong (PCC). Det är en hydraulisk cement som i kombination med vatten hårdnar till en fast massa. Interspersed i en aggregerad matris bildar den PCC. Som material har Portlandcement använts i över 175 år och ur ett empiriskt perspektiv är dess beteende väl förstått. Kemiskt är Portlandcement emellertid en komplex substans vars mekanismer och interaktioner ännu inte har definierats fullständigt. ASTM C 125 och Portland Cement Association (PCA) ger följande exakta definitioner:

• hydraulisk cement: ett oorganiskt material eller en blandning av oorganiska material som sätter och utvecklar styrka genom kemisk reaktion med vatten genom bildning av hydrater och kan göra det under vatten.
• Portlandcement: en hydraulisk cement som huvudsakligen består av hydrauliska kalciumsilikater.

Background

även om användningen av cement (både hydrauliska och icke-hydrauliska) går tillbaka många tusen år (till forntida egyptiska tider åtminstone), den första förekomsten av ”Portlandcement” kom på 19-talet. År 1824 tog Joseph Aspdin, en Leeds mason patent på en hydraulisk cement som han myntade ”Portland” cement (Mindess and Young, 1981). Han namngav cementet eftersom det producerade en betong som liknade färgen på den naturliga kalkstenen som bröts på Isle of Portland, en halvö i Engelska kanalen (se Figur 1 och 2). Sedan dess har namnet” Portlandcement ” fastnat och är skrivet i alla gemener eftersom det nu erkänns som ett handelsnamn för en typ av material och inte en specifik hänvisning till Portland, England.

idag är Portlandcement det mest använda byggmaterialet i världen med cirka 1,56 miljarder ton (1,72 miljarder ton) som produceras varje år. Årlig global produktion av portlandcementbetong svävar cirka 3,8 miljoner kubikmeter (5 miljarder kubikmeter) per år (Cement Association of Canada, 2002). I USA är styva trottoarer den största enskilda användningen av Portlandcement och portlandcementbetong (ACPA, 2002).

tillverkning

Även om det finns flera varianter av kommersiellt tillverkad Portlandcement, delar de var och en många av samma grundläggande råmaterial och kemiska komponenter. De viktigaste kemiska komponenterna i Portlandcement är kalcium, kiseldioxid, aluminiumoxid och järn. Kalcium härrör från kalksten, marl eller krita, medan kiseldioxid, aluminiumoxid och järn kommer från sand, leror och järnmalmskällor. Andra råvaror kan inkludera skiffer, skal och industriella biprodukter som mill scale (Ash Grove Cement Company, 2000).

den grundläggande tillverkningsprocessen värmer dessa material i en ugn till cirka 1400 till 1600 C (2600 – 3000 F) – temperaturområdet där de två materialen interagerar kemiskt för att bilda kalciumsilikater (Mindess och Young, 1981). Denna uppvärmda substans, kallad” klinker ” är vanligtvis i form av små gråsvarta pellets ca 12.5 mm (0,5 tum) i diameter. Klinker kyls sedan och pulveriseras till ett fint pulver som nästan helt passerar genom en 0,075 mm (nr 200) sikt och berikas med en liten mängd gips. Resultatet är Portlandcement. Portland Cement Association (PCA) har en utmärkt interaktiv illustration av denna process på deras hemsida.

kemiska egenskaper

Portland cement kan karakteriseras av deras kemiska sammansättning även om de sällan är för trottoarapplikationer. Det är dock en portlandcements kemiska egenskaper som bestämmer dess fysikaliska egenskaper och hur det botar. Därför kan en grundläggande förståelse för portlandcementkemi hjälpa en att förstå hur och varför den beter sig som den gör. Detta avsnitt beskriver kortfattat den grundläggande kemiska sammansättningen av en typisk Portlandcement och hur den hydrerar.

baskomposition

tabell 1 och figur 3 visar de viktigaste kemiska beståndsdelarna i Portlandcement.

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

hydrering

När Portlandcement blandas med vatten genomgår dess kemiska sammansatta beståndsdelar en serie kemiska reaktioner som får den att härda (eller ställa in). Dessa kemiska reaktioner involverar alla tillsats av vatten till de grundläggande kemiska föreningarna som anges i Tabell 1. Denna kemiska reaktion med vatten kallas”hydrering”. Var och en av dessa reaktioner sker vid en annan tid och hastighet. Tillsammans bestämmer resultaten av dessa reaktioner hur Portlandcement hårdnar och får styrka.

• Trikalciumsilikat (C3S). Hydrerar och härdar snabbt och är till stor del ansvarig för initial uppsättning och tidig styrka. Portland cement med högre procentsatser av C3S kommer att uppvisa högre tidig styrka.
• Dikalciumsilikat (C2S). Återfuktar och hårdnar långsamt och är till stor del ansvarig för styrka ökar mer än en vecka.
• Tricalciumaluminat (C3A). Återfuktar och hårdnar snabbast. Frigör en stor mängd värme nästan omedelbart och bidrar något till tidig styrka. Gips läggs till Portlandcement för att fördröja C3A-hydrering. Utan gips skulle C3A-hydrering få Portlandcement att ställa in nästan omedelbart efter tillsats av vatten.
• Tetrakalciumaluminoferrit (C4AF). Återfuktar snabbt men bidrar väldigt lite till styrka. Dess användning möjliggör lägre ugnstemperaturer vid tillverkning av Portlandcement. De flesta portlandcementfärgeffekter beror på C4AF.

Figur 4 visar värmeutvecklingen, vilket ger en ungefärlig uppfattning om hydratiseringstider och när en typisk Portlandcement initialt sätter.

Figur 2. Hastighet av värmeutveckling under hydrering av en typisk Portlandcement.Resultatet av de två silikathydrationerna är bildandet av ett kalciumsilikathydrat (ofta skrivet C-S-H på grund av is variabel stökiometri). C-S-H utgör cirka 1/2-2/3 volymen av den hydratiserade pastan (vatten + cement) och dominerar därför sitt beteende (Mindess and Young, 1981).

typer av Portlandcement

att veta de grundläggande egenskaperna hos portlandcementens kemiska föreningar är det möjligt att modifiera dess egenskaper genom att justera mängderna av varje förening. I USA., AASHTO M 85 och ASTM C 150, standardspecifikation för Portlandcement, känner igen åtta grundläggande typer av portlandcementbetong (Tabell 2). Det finns också många andra typer av blandade och proprietära cement som inte nämns här.

tabell 2. ASTM typer av Portlandcement

fysiska egenskaper

Portland cement kännetecknas vanligtvis av deras fysikaliska egenskaper för kvalitetskontrolländamål. Deras fysikaliska egenskaper kan användas för att klassificera och jämföra Portlandcement. Utmaningen i fysisk egenskapskarakterisering är att utveckla fysiska tester som på ett tillfredsställande sätt kan karakterisera nyckelparametrar. Detta avsnitt, som till stor del tas från PCA (1988), listar de vanligaste amerikanska portland cement fysiska egenskaper som testas. Specifikationsvärden, där de ges, tas från ASTM C 150, standardspecifikation för Portlandcement.

tänk på att dessa egenskaper i allmänhet gäller för ”snygga” cementpasta – det vill säga de innehåller bara Portlandcement och vatten. Snygga cementpasta är vanligtvis svåra att hantera och testa och därmed introducerar de mer variation i resultaten. Cement kan också fungera annorlunda när de används i en” murbruk ” (cement + vatten + sand). Med tiden har morteltester visat sig ge en bättre indikation på cementkvalitet och därmed används tester på snygga cementpasta vanligtvis endast för forskningsändamål (Mindess and Young, 1981). Om sanden inte specificeras noggrant i ett morteltest kan resultaten dock inte överföras.

• finhet
• Ljudhet
• inställningstid
• styrka
• specifik gravitation
• värme av hydratisering
• förlust vid tändning