CEMENT PORTLANDZKI
Historia
Pierwsze materiały podobne do cementu uzyskano w drugiej
połowie XVIII w.
Patent na  cement portlandzki" przyznano w 1824 Josephowi
Aspdinowi, murarzowi z Leeds.
Cement rzeczywiście odpowiadający dzisiejszemu
cementowi portlandzkiemu uzyskał w 1845 Isaac Johnson,
który ustalił właściwą temperaturę wypalania surowców.
P.A
ukowski, 2
Historia
Jedne z pierwszych pieców
cementowych
Cementownia w
Grodz
cu (1857) 
pierwsza na
ziemiach polskich,
piąta na świecie!
P.A
ukowski, 3
Otrzymywanie
wypał przemiał
surowce klinkier cementu cement
portlandzkiego portlandzki
+ gips surowy
skała wapienna  z
ródło CaCO3
glina  z
ródło Al2O3
ruda żelaza  z
ródło Fe2O3
piasek  z
ródło SiO2
P.A
ukowski, 4
Symbole stosowane w chemii cementu
Zapis tlenkowy:
CaSiO3 a" CaO Å" SiO2 krzemian wapnia
Ca3SiO5 a" 3CaO Å" SiO2 krzemian trójwapnia
Notacja skrócona:
C a" CaO S a" SiO2 A a" Al2O3
F a" Fe2O3 H a" H2O \
a" SO3
Zapis tlenkowy za pomocą notacji skróconej:
C3S a" 3CaO Å" SiO2
C3A a" 3CaO Å" Al2O3
C\
H2 a" CaO Å" SO3 Å" H2O a" CaSO4 Å" H2O (gips dwuwodny)
P.A
ukowski, 5
Otrzymywanie
Temperatura w kolejnych strefach pieca obrotowego wzrasta
do 1450°C. Kolejnymi fazami produkcji klinkieru sÄ…:
- do 450°
°C  dehydratacja; odparowanie zawartej w
°
°
surowcach wody swobodnej, kapilarnej i krystalizacyjnej,
- 450÷ °C
÷1300°  kalcynacja; rozkÅ‚ad surowców na proste
÷ °
÷ °
tlenki: CaO, SiO2, Al2O3, Fe2O3,
- 1300-1450°
°C  klinkieryzacja; synteza minerałów klinkieru
°
°
(następuje w fazie ciekłej):
2CaO + SiO2 2CaO Å" SiO2
2CaO Å" SiO2 + CaO 3CaO Å" SiO2
3CaO + Al2O3 3CaO Å" Al2O3 itd.
- schÅ‚odzenie do 1200° i krystalizacja produktów.
°C
°
°
P.A
ukowski, 6
Otrzymywanie
wypał przemiał
surowce klinkier cementu cement
portlandzkiego portlandzki
+ gips surowy
P.A
ukowski, 7
Otrzymywanie: metoda mokra i sucha
Metoda mokra: surowce dostarczane do pieca w postaci szlamu.
Metoda sucha: surowce dostarczane do pieca bez użycia wody.
P.A
ukowski, 8
Otrzymywanie: metoda mokra i sucha
Metoda mokra:
Zaleta: łatwość przygotowania i transportu mieszaniny
surowcowej.
Wada: duże zużycie energii, ok. 9 MJ/t (konieczność
odparowania dużej ilości wody).
Metoda sucha:
Zaleta: małe zużycie energii, ok. 3,5 MJ/t (niższy koszt
produkcji).
Wada: otrzymywany cement zawiera więcej alkaliów
(podatność na korozję alkaliczną).
P.A
ukowski, 9
Produkcja cementu portlandzkiego na świecie
(w mln ton)
600,0
600,0
500,0
500,0
400,0
400,0
2000 rok
2000 rok
581,0
581,0
300,0
300,0
200,0
200,0
100,0
100,0
109,5
109,5
99,6 14,3
99,6 14,3
72,3
72,3
48,0
48,0
0,0
0,0
Chiny USA Indie Japonia Korea Polska
Chiny USA Indie Japonia Korea Polska
P.A
ukowski, 10
Skład chemiczny
Symbol Zawartość, % mas.
CaO 62 ÷ 68
SiO2 18 ÷ 25
Al2O3 4 ÷ 8
Fe2O3 3 ÷ 4
MgO 0,5 ÷ 2,5
Na2O + K2O 0,4 ÷ 3
SO3 0,8 ÷ 3
P.A
ukowski, 11
Skład mineralogiczny
Wzór chemiczny w Wzór Nazwa związku Nazwa Zawartość,
zapisie tlenkowym skrócony chemicznego zwyczajowa % mas.
minerału
3CaOÅ"SiO2 C3S krzemian alit 30 ÷ 65
trójwapnia
2CaOÅ"SiO2 C2S krzemian belit 15 ÷ 45
dwuwapnia
3CaOÅ"Al2O3 C3A glinian celit 5 ÷ 15
trójwapnia
4CaOÅ"Al2O3Å"Fe2O3 C4AF żelazoglinian braunmilleryt 5 ÷ 15
czterowapnia
CaOÅ"SO3Å"2H2O C\
H2 siarczan wapnia gips surowy
dwuwodny
3 ÷ 5
siarczan wapnia anhydryt
lub CaOÅ"SO3 C\

P.A
ukowski, 12
Składniki drugorzędne
NiezwiÄ…zane (wolne) wapno, CaO: korzystne w niewielkiej
ilości (poprawia urabialność mieszanki betonowej), szkodliwe
w nadmiarze  w wyniku reakcji z wodÄ… prawie dwukrotnie
zwiększa swoją objętość.
MgO: przy uwodnieniu zwiększa swoją objętość.
Siarczany (jony SO32- i SO42-): mogą zapoczątkować korozję
siarczanowÄ… betonu.
Alkalia: mogą wchodzić w szkodliwe reakcje z niektórymi
kruszywami (korozja wewnętrzna betonu).
Chlorki (jony Cl-): zagrożenie korozją stali zbrojeniowej.
P.A
ukowski, 13
WiÄ…zanie
Wiązanie spoiwa cementowego a" zbiór reakcji chemicznych
i procesów fizycznych zachodzących po zmieszaniu cementu
z wodÄ….
PoczÄ…tkowo zaczyn cementowy jest zawiesinÄ… ziaren
cementu w wodzie zarobowej, następnie składniki cementu
zaczynają reagować z wodą.
Reakcje zachodzÄ…ce w czasie wiÄ…zania cementu to
hydratacja i hydroliza (czasem następujące jednocześnie).
P.A
ukowski, 14
WiÄ…zanie
Najbardziej reaktywny w stosunku do wody jest glinian
trójwapnia. Gdyby nie obecny w cemencie gips dwuwodny,
reakcja uwodnienia glinianu zachodziłaby bardzo szybko i
wiązanie cementu przebiegałoby gwałtownie. W obecności
gipsu glinian trójwapnia reaguje z wodą znacznie wolniej:
3CaOÅ"Al2O3 + 3(CaSO4Å"2H2O) + 26H2O
6CaOÅ"Al2O3Å"3SO3Å"32H2O (etryngit, sól Candlota)
P.A
ukowski, 15
WiÄ…zanie
Dopiero po wyczerpaniu gipsu lub anhydrytu zachodzi
szybka reakcja powstawania hydrogarnetu
(sześciowodnego glinianu trójwapnia):
3CaOÅ"Al2O3 + 6H2O 3CaOÅ"Al2O3Å"6H2O.
P.A
ukowski, 16
WiÄ…zanie
Gips dwuwodny (lub anhydryt) pełni więc w cemencie
rolę regulatora  opóz
niacza wiÄ…zania.
szybko powstające, duże
kryształy uwodnionego
glinianu C3AH6
Żelazoglinian czterowapnia reaguje z wodą podobnie jak
glinian trójwapnia, z utworzeniem etryngitu i hydrogarnetu
oraz tzw. fazy ferrytowej, zawierajÄ…cej m.in. uwodniony
żelazian wapnia CaOÅ"Fe2O3Å"H2O.
P.A
ukowski, 17
WiÄ…zanie
Krzemiany wapnia  alit i belit  ulegajÄ… hydratacji i hydrolizie.
Jako pierwszy reaguje krzemian trójwapnia, bardziej reaktywny
w stosunku do wody:
alit: 2(3CaOÅ"SiO2) + 6H2O 3CaOÅ"2SiO2Å"3H2O + 3Ca(OH)2
belit: 2(2CaOÅ"SiO2) + 4H2O 3CaOÅ"2SiO2Å"3H2O + Ca(OH)2
Produktami sÄ… uwodniony krzemian wapnia i wodorotlenek
wapnia (portlandyt).
W zapisie skróconym: 2C3S +6H C3S2H3 + 3CH
2C2S +4H C3S2H3 + CH
P.A
ukowski, 18
WiÄ…zanie
Portlandyt tworzy kryształy,
natomiast uwodnione
krzemiany wapnia tworzÄ… fazÄ™
amorficzną, tzw. żel C-S-H, który
objętościowo dominuje w
stwardniałym zaczynie
cementowym (> 50 % objętości)
i który jest najważniejszym
składnikiem zaczynu   klejem
spajającym pozostałe składniki
betonu.
P.A
ukowski, 19
Wiązanie  rozwój fazy CSH
30 minut 6 godzin
7 dni
3 miesiÄ…ce
zdjęcia dzięki uprzejmości prof. W. Kurdowskiego, AGH
P.A
ukowski, 20
Wiązanie  rozwój fazy CSH
Ostatecznie powstaje stabilny układ, w którym stwardniały
zaczyn cementowy spaja ziarna kruszywa w  sztuczny kamień
 beton lub zaprawę o odpowiedniej wytrzymałości
mechanicznej.
struktura struktura struktura struktura
nietrwała
plastyczna wyjściowa stabilna
zwiÄ…zana
P.A
ukowski, 21