Die Zusammensetzung von Zement der Silikatreihe kann in Rohstoffe für die Herstellung von Silikatzementklinker, Gips und gemischte Materialien unterteilt werden.
(1) Zusammensetzung der Materialien für Silikatzementklinker
Zementklinker der Silikatreihe besteht aus Kalkrohstoffen, Tonrohstoffen und Eisenerzpulver.
Bei den Kalkrohstoffen handelt es sich um natürlichen Kalkstein, Tuffstein und Muscheln, die hauptsächlich CaO im Zement liefern; bei den Tonrohstoffen handelt es sich hauptsächlich um Ton (oder Schiefer, Schlammstein, Siltstein und Flussschlamm), dessen Hauptbestandteil SiO₂ ist, gefolgt von Al₂O₃ und einer kleinen Menge FezO₃; das Eisenerzpulver ist Hämatit, dessen chemische Zusammensetzung Fe₂O₃ ist, was hauptsächlich den fehlenden Eisengehalt im Ton ausgleicht. In den Zementrohstoffen muss der Gehalt an verschiedenen Bestandteilen den folgenden Anforderungen entsprechen.
CaO 62%～67%
SiO₂ 20%～24%
Al₂O₃ 4%～7%
Fe₂O₃ 2,5%～6,0%
(2) Gips
Bei der Herstellung von Zement muss eine angemessene Menge Gips zugesetzt werden, um das Abbinden des Zements zu verzögern. In Silikatzement und gewöhnlichem Silikatzement spielt Gips hauptsächlich eine verzögernde Rolle. In Zement mit einem hohen Anteil an gemischten Stoffen spielt Gips auch eine Rolle bei der Stimulierung der Aktivität der gemischten Stoffe. Bei dem dem Zement zugesetzten Gips handelt es sich hauptsächlich um wasserfreies Calciumsulfat aus Naturgips.
(3) Gemischte Stoffe
Um die Leistungsfähigkeit des Zements zu verbessern, den Festigkeitsgrad des Zements anzupassen, die Zementproduktion zu erhöhen und die Vielfalt des Zements zu erweitern, werden verschiedene mineralische Stoffe, die bei der Zementherstellung zugesetzt werden müssen, als Mischmaterialien bezeichnet. Mischmaterialien können in zwei Kategorien unterteilt werden: aktive Mischmaterialien und inaktive Mischmaterialien.
Aktive Mischmaterialien sind Mineralstoffe mit potenziellen hydraulischen oder vulkanischen Ascheeigenschaften oder sowohl vulkanischen Ascheeigenschaften als auch hydraulischen Eigenschaften. Vulkanascheeigenschaften beziehen sich auf die Eigenschaft, dass ein Material, nachdem es zu feinem Pulver gemahlen wurde, nicht allein hydraulische Eigenschaften hat, sondern nach dem Mischen mit Kalk und Wasser bei Raumtemperatur eine hydraulische Verbindung bilden kann. Zu den gebräuchlichen Arten von aktiven Mischmaterialien gehören granulierte Hochofenschlacke, Mischmaterialien aus vulkanischer Asche und Flugasche. Granulierte Hochofenschlacke ist eine Schmelze mit Silikat und Kalziumaluminat als Hauptbestandteilen. Nach dem Abschrecken mit Wasser und dem Granulieren besteht ihre chemische Zusammensetzung hauptsächlich aus CaO, Al2O2 und SiO2, die mehr als 90 % der Gesamtmasse ausmachen. Es enthält auch eine geringe Menge an MgO, Fe2O2 und einige Sulfide. Wenn sie abgeschreckt und granuliert wird, bildet die Schlacke einen instabilen Glaskörper und hat potenzielle hydraulische Eigenschaften. Langsam abgekühlte Schlacke ist nicht hydraulisch.
Gemischte Materialien aus Vulkanasche sind natürliche oder künstliche mineralische Materialien mit Merkmalen vulkanischer Asche. Sie können in drei Kategorien unterteilt werden:
·hydrous Silikatmaterialien (Kieselgur, Kieselgur)
·burnt Tonmaterialien (gebrannter Ton, Kohlenschlacke, Flugasche)
·volcanic Aschematerialien (vulkanische Asche, Tuff)
Flugasche ist ein Industrieabfall aus Wärmekraftwerken. Es handelt sich um einen feinkörnigen Abfall, der aus kohlebefeuerten Kesseln entsorgt wird. Sie besteht hauptsächlich aus SiO₂ und Al₂O₃, enthält eine geringe Menge CaO und hat die Eigenschaften von Vulkanasche.
Inaktive gemischte Materialien beziehen sich auf gemischte Materialien, die keine potenzielle hydraulische Härte aufweisen oder deren Qualitätsaktivitätsindex die festgelegten Anforderungen nicht erfüllen kann. Zu den gebräuchlichen Sorten gehören langsam abgekühlte Schlacke, gemahlener Quarzsand und Kalksteinmehl. Diese Art von Mischmaterial wird dem Zement hauptsächlich als Füllstoff zugesetzt, was die Zementproduktion erhöhen, die Hydratationswärme und den Festigkeitsgrad verringern kann und nur geringe Auswirkungen auf andere Eigenschaften des Zements hat.
(4) Mineralische Zusammensetzung und Leistungsanforderungen von Silikatzementklinker
Zementklinker der Silikatreihe ist ein hydraulischer Zement mit Kalziumsilikat als Hauptmineralbestandteil. Er wird durch das Mahlen von Rohstoffen, die hauptsächlich CaO, SiO₂, Al₂O₃ und Fe₂O₃ enthalten, zu feinem Pulver in angemessenen Anteilen und durch Brennen bis zum teilweisen Schmelzen gewonnen.
Je nach seinen Haupteigenschaften und Verwendungszwecken kann Silikatzementklinker in allgemeine Zwecke, mittlere Sulfatbeständigkeit, mittlere Hydratationswärme und hohe Sulfatbeständigkeit unterteilt werden.
Die Qualitätsstandards für Silikatzementklinker sind streng und gewährleisten seine Zuverlässigkeit und Leistungsfähigkeit. Die Abbindezeit sollte nicht früher als 45 Minuten und die Endabbindung nicht später als 6,5 Stunden sein. Die Stabilität wird mit der Siedemethode geprüft und qualifiziert. Die Druckfestigkeit sollte die Anforderungen der Tabelle 2-11 erfüllen oder übertreffen. Wichtig ist, dass alle Arten von Silikatzementklinker keine Fremdstoffe enthalten dürfen, um ihre Reinheit und Konsistenz zu gewährleisten.
Gerinnung und Erhärtung von Silikatzement
Nach Zugabe einer angemessenen Menge Wasser zum Zementstein wird dieser aufgrund seiner eigenen physikalischen und chemischen Veränderungen allmählich dicker und verliert an Plastizität, hat aber noch keine Festigkeit. Dieser Vorgang wird als “Koagulation” des Zements bezeichnet. Im Laufe der Zeit nimmt seine Festigkeit weiter zu und verwandelt sich allmählich in eine harte, steinähnliche Substanz – Zementstein. Dieser Vorgang wird als “Erhärtung” des Zements bezeichnet. Zementgerinnung und Zementerhärtung sind kontinuierliche und komplexe physikalische und chemische Veränderungsprozesse, die nicht voneinander getrennt werden können.
(1) Hydratation von Silikatzement
Bei der Zugabe von Wasser zu Zement kommt es zu einer dynamischen Reaktion. Die Klinkermineralien im Zement reagieren rasch mit Wasser, ein Prozess, der als Hydratation und Hydrolyse bekannt ist. Diese Reaktion ist nicht nur eine Umwandlung, sondern auch eine dynamische Reaktion, bei der eine Reihe neuer Verbindungen entstehen und eine erhebliche Wärmemenge freigesetzt wird. Die Reaktion läuft wie folgt ab:
2(3CaO-SiO₂)+6H₂O=-3CaO-2SiO₂-3H₂O+3Ca(OH)₂
2(2CaO-SiO₂)+4H₂O=3CaO-2SiO₂ -3H₂O+Ca(OH)₂
3CaO-Al₂O₃+6H₂O==3CaO-Al₂O₃-6H₂O
4CaO-Al₂O₃-Fe₂O₃+7H₂O
3CaO-Al₂O₃-6H₂O+CaO-Fe₂O₃-H₂O
3CaO-Al₂O₃-6H₂O+3(CaSO₄-2H₂O)+19H₂O
3CaO-Al₂O₃-3CaSO₄-31H₂O
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass nach der Reaktion von Silikatzement mit Wasser die wichtigsten Hydrate hydratisiertes Silikat, hydratisiertes Calciumferritgel, Calciumhydroxid, hydratisiertes Calciumaluminat und hydratisierte Calciumsulfoaluminatkristalle sind. Diese Hydratationsprodukte bestimmen eine Reihe von Eigenschaften des Zementsteins.
(2) Der Abbinde- und Erhärtungsprozess von Silikatzement
Wenn Zement mit Wasser gemischt wird, kommt es sofort zu einer Hydratationsreaktion an der Oberfläche der Zementpartikel. Diese Reaktion ist von entscheidender Bedeutung, da sie den Prozess in Gang setzt. Die Hydratationsprodukte lösen sich in Wasser auf, das ein wichtiges Medium für die Reaktion ist. Dann legen die Zementpartikel eine neue Oberflächenschicht frei und reagieren weiter mit Wasser, so dass die Lösung um die Zementpartikel herum schnell zu einer gesättigten Lösung von Hydratationsprodukten wird. Diese Sättigung ist ein wichtiger Punkt in dem Prozess. Nachdem die Lösung gesättigt ist, können sich die Produkte, die durch die fortgesetzte Hydratation des Zements entstehen, nicht mehr auflösen, und viele fein verteilte Partikel fallen aus und bilden ein Gel. Diese Gelbildung ist ein kritischer Schritt. Wenn die Hydratationsreaktion weitergeht, nehmen die neuen Kolloidpartikel weiter zu und das freie Wasser nimmt weiter ab, wodurch das Gel allmählich dicker wird und der Zementstein allmählich seine Plastizität verliert, d. h. es kommt zur Koagulation. Diese Koagulation ist eine wesentliche Veränderung des Prozesses. Danach verwandeln sich das Kalziumhydroxid und das hydratisierte Kalziumaluminat im Gel allmählich in Kristalle, laufen durch das Gel und verbinden sich fest zu einem Zementstein mit einer bestimmten Festigkeit. Diese Kristallbildung ist eine bedeutende Entwicklung. Mit fortschreitender Aushärtungszeit hydratisiert der nicht hydratisierte Teil im Inneren der Zementpartikel weiter, so dass die Kristalle allmählich zunehmen, das Gel allmählich dicht wird und der Zementstein eine immer höhere Bindekraft und Festigkeit aufweist. Dieser Anstieg der Festigkeit ist ein wichtiges Ergebnis. Wenn der Zement an der Luft erstarrt und aushärtet, reagiert das durch die Hydratation seiner Oberfläche gebildete Kalziumhydroxid mit dem Kohlendioxid in der Luft und bildet eine dünne Schicht aus Kalziumkarbonat (CaCO₃), was als Karbonatisierung bezeichnet wird.
Aus dem oben beschriebenen Prozess ist ersichtlich, dass die Hydratationsreaktion des Zements allmählich von der Oberfläche der Partikel in die innere Schicht eindringt. Sie beginnt schneller. Später wird das Eindringen von Wasser durch die Bildung eines Gelfilms auf der Oberfläche der Zementpartikel immer schwieriger, und die Hydratation wird immer langsamer. Die Praxis hat gezeigt, dass es mehrere Jahre oder sogar Jahrzehnte dauert, bis der gesamte Prozess der Zementhydratation und -hydrolyse abgeschlossen ist. Dies ist ein beträchtlicher Zeitrahmen. Im Allgemeinen hydratisiert und hydrolysiert Zement innerhalb der ersten 3 bis 7 Tage schnell, so dass seine Festigkeit schneller zunimmt. Dies ist die erste schnelle Phase. Der grundlegende Teil dieses Prozesses kann innerhalb von 28 Tagen abgeschlossen werden. Dies ist der erste Monat. Danach verlangsamt sich der Prozess erheblich, und auch die Festigkeit nimmt nur sehr langsam zu. Dies ist die langfristige langsame Phase.
