De bestanddelen van beton: Cement

18 Maart 2019
 

Algemeen

Cement is een hydraulisch bindmiddel. Het is immers een stof die, na contact met water, zal uitharden zowel boven als onder water. De verharde cementsteen ontwikkelt een belangrijke mechanische sterkte en is niet oplosbaar in water.

Cementen die in België worden geproduceerd beantwoorden aan de eisen van de Europese norm NBN EN 197-1 (Cement : Samenstelling, specificatie en overeenkomstigheidscriteria voor gebruikelijke cementsoorten). De beoordeling van de conformiteit van cement aan deze norm wordt beschreven in de norm NBN EN 197-2 en de bijbehorende proeven worden uitgevoerd volgens de normenreeks NBN EN 196.
 

Historiek

Tot aan onze moderne tijd was cement meestal een bindmiddel op basis van kalk, gemengd met andere stoffen zoals gebakken klei onder de vorm van gemalen pannen of bakstenen. Hierdoor kreeg het bindmiddel hydraulische eigenschappen. Men voegde soms ook natuurlijke puzzolanen toe (vulkanische assen van Pozzuoli in de regio van Napels, Italië).

Het onderzoek naar de hydrauliciteit van kalk start op het einde van de 18e eeuw en leidt omstreeks 1840 tot de productie van de eerste moderne cementen.

In 1796 ontdekt James Parker, op het eiland Sheppey in Groot-Brittannië, een snelcement (een uiterst hydraulische kalk of een natuurlijk cement met snelle binding gebrand bij 900°C, zoals de traditionele kalk) dat hij "romeins cement" noemt.

In 1817 ontwikkelt Louis Vicat de theorie van de hydrauliciteit van kalk. Hij geeft daarbij precieze indicaties van de verhouding kalk op silicium die nodig is opdat het mengsel, na branden en malen, effectief een kunstmatig geproduceerd hydraulisch bindmiddel wordt. Hij publiceert zijn bevindingen zonder een patent neer te leggen.

In 1824 legt de Engelsman Joseph Aspdin een patent neer voor de productie van een hydraulische kalk met snelle binding die hij de handelsnaam "Portlandcement" geeft omdat de kleur van zijn product erg lijkt op de beroemde natuursteen van het schiereiland Portland aan het Kanaal.

In 1840 ontdekt Louis Vicat de principes van de hydrauliciteit van cement : het branden bij de fusietemperatuur van 1450°C die toelaat klinker te maken en het gebruik van calciumsulfaat als bindingsregelaar. De industriële productie van moderne cementen kan hierdoor beginnen.

Fig 1.1.1 Vue générale d'une cimenterie
Fig 1.1.1 Algemeen beeld van een cementfabriek


De bestanddelen van cement

Cement, zoals gedefinieerd in de Europese norm NBN EN 197-1, is samengesteld uit verschillende grondstoffen. De hoofdbestanddelen die in onze regio worden gebruikt zijn Portlandklinker, vliegas, hoogovenslak en kalksteen.

Klinker (K)
Bij de productie van Portlandklinker is het nodig een mengsel van grondstoffen te maken met een specifieke korrelgrootte en chemische samenstelling (CaO, SiO2, Al2O3 en Fe2O3) en dat te branden tot aan de fusietemperatuur van 1450°C. Afhankelijk van het vochtgehalte van de kalksteen zal de productie van klinker gebeuren volgens de "natte weg" of de "droge weg". In het algemeen onderscheidt men 3 etappes in de productie van klinker :

Extractie van de grondstoffen
Om in de "droge weg" 1 ton klinker te maken is ongeveer anderhalve ton aan grondstoffen nodig – kalksteen of mergel en klei – die bij het branden waterdamp en koolzuurgas (CO2) zullen vrijgeven. In de groeve wordt de grondstof ontgonnen (fig 1.1.2) en verbrijzeld tot een maximale grootte van ongeveer 60 mm. Bij de "natte weg" wordt de kalksteen (onder zijn zachtere krijtvorm) onder water ontgonnen (fig 1.1.3).

Voorbereiden van de grondstoffen
In deze fase worden de verschillende grondstoffen gemengd in verhoudingen die overeenkomen met de optimale chemische samenstelling.
Bij het proces via "droge weg" worden de verschillende grondstoffen terzelfdertijd gemengd en tot een fijn poeder gereduceerd in een maal- of kogelmolen. Na dit proces bekomt men een poeder dat men zal homogeniseren om een uniforme kwaliteit te bekomen.
Bij productie via de "natte weg" worden de grondstoffen met water gemengd om een vloeibaar deeg te bekomen dat in grote kuipen wordt gehomogeniseerd.

Omzetting tot klinker door het branden
Het branden van het natte of droge mengsel in een oven bij 1450°C is de belangrijkste stap in de klinkerproductie (fig 1.1.4 en 1.1.5). Aan de uitgang van de draaioven is de klinker een roodgloeiende materie die snel met lucht zal moeten gekoeld worden (fig 1.1.6).

Tijdens het branden zullen de oxides (CaO, SiO2, Al2O3 en Fe2O3) van de grondstoffen zich combineren tot de vorming van nieuwe mineralen – aangeduid met C3S, C2S, C3A en C4AF (afkortingen zoals in de cementwereld gebruikt : C = CaO, S = SiO2, A = Al2O3, F = Fe2O3) – die in staat zijn om met water te reageren (zie ook hydratatie van cement).

engins a loeuvre dans une carriere
Fig 1.1.2 Zwaar materieel in actie in een kalksteengroev

 

extraction de la craie sous eau
Fig 1.1.3 Extractie van krijt onder water


Om de noodzakelijke warmte te produceren, wordt gebruik gemaakt van nobele brandstoffen (steenkool, olie of natuurlijk gas) maar ook meer en meer van vervangingsbrandstoffen (solventen, gebruikte oliën, banden, plastics of gedroogd baggerslib).

Er bestaan varianten op deze processen :

  • De "half-droge weg" : het droge poeder wordt op grote draaischijven door bevochtiging omgezet naar korrels. Deze korrels worden dan op een mobiel rooster voorverwarmd voor ze in de draaioven worden gebracht.
  • De "half-natte weg" : het deeg, zoals beschreven bij de "natte weg", wordt gedeeltelijk ontwaterd in filterpersen en vervolgens gedroogd en gemalen vóór de materie in de oven wordt gebracht.
Le four rotatif, coeur de la cimenterie
Fig 1.1.4 Draaioven, het hart van de cementfabriek

 

intérieur d'un four rotatif
Fig 1.1.5 Binnenkant van een draaioven

 

Latent hydraulische bestanddelen In aanwezigheid van water en in een basisch milieu – als gevolg van de vrijgave van kalk tijdens de hydratatie van klinker – zullen latent hydraulische stoffen reageren tot vorming van reactieproducten die vergelijkbaar zijn met de hydraten van Portlandklinker. Deze reactie zal echter trager verlopen dan die van Portlandcement. 

Hoogovenslak (S)
Hoogovenslak (fig 1.1.7) is een restproduct van de staalindustrie. De productie ervan vergt de bouw van specifieke installaties (granulator) waarbij de vloeibare slak bruusk wordt afgekoeld (afgeschrikt) tot een korrelig materiaal met latent hydraulische eigenschappen.
In de cementfabriek zal de gegranuleerde slak gedroogd worden en samen met de Portlandklinker gemalen worden in doseringen die variëren van 6 tot 95% voor de productie van Portlandslakcement (CEM II, tot 35% slak) of hoogovencement (CEM III, tot 95% slak).

Puzzolane bestanddelen
Puzzolane bestanddelen kunnen natuurlijk zijn, zoals puzzolanen, of artificieel, zoals vliegas of silica fume (ook micro-silica genoemd).
In de eerste fase van de hydratatie zijn deze componenten inactief en vertragen ze dus in meer of mindere mate de sterkte-ontwikkeling van beton. In een tweede fase reageren ze traag met het vrijgekomen calcium- hydroxide tot vorming van onoplosbare componenten, vergelijkbaar met de hydraten van Portlandklinker. Door de puzzolane reactie zullen deze bestanddelen de dichtheid en eindsterkte van de cementsteen verhogen.

le clinker a sa sortie du four et du refroidisseur
Fig 1.1.6 Klinker na het verlaten van de oven en de koeler

Vliegas  (V)

Vliegas is afkomstig van de verbranding van poederkool in thermische centrales (productie van elektriciteit). Hun kwaliteit hangt niet alleen af van de gebruikte brandstof (steenkool of bruinkool en eventuele bijstook) maar ook van het soort centrale en de exploitatie ervan. De kwaliteit van de vliegas kan daardoor sterk verschillen van de ene producent tot de andere.

 

Inerte bestanddelen

Kalksteen  (L,LL)
Kalksteen wordt als een inert bestanddeel beschouwd in cement en is dus noch (latent) hydraulisch noch puzzolaan. Zijn toevoeging laat de verbetering toe van sommige fysische eigenschappen in de uiteindelijke toepassing. In functie van het gehalte organische koolstof van de kalksteen, wordt dit bestanddeel aangeduid als "L" of "LL".

Laitier granulé de haut fourneau
Fig 1.1.7 Gegranuleerde hoogovenslak

 

De productie van cement

Om een cement met de gewenste eigenschappen te bekomen, worden de bestanddelen in een specifieke installatie gemalen tot de gewenste fijnheid (fig 1.1.8). Hun doseringen vallen binnen specifieke grenzen (tab 1.1.1) en steeds wordt een zekere hoeveelheid bindingsregelaar (meestal gips of anhydriet) toegevoegd. In sommige installaties worden de verschillende bestanddelen apart gemalen en nadien gemengd.

 

Gedrag en gebruik van cement

Intérieur d'un broyeur à boulets
Fig 1.1.8 Binnenkant van een kogelmolen

Zoals eerder beschreven is cement een min of meer fijn gemalen mengsel van meerdere bestanddelen. Elk van deze zal aan het eindproduct specifieke eigenschappen geven (tab 1.1.5).

Klinker
Alle gebruikelijke cementen bevatten Portlandklinker. Is dit het enige hoofdbestanddeel, dan bekomt men een cement met grote reactiviteit en hoge sterkte. De ontwikkelde hydratatiewarmte zal meestal aanzienlijk zijn.

Hoogovenslak

Cementen die hoogovenslak bevatten zullen des te trager hun sterkte ontwikkelen naarmate het slakgehalte toeneemt. Hierdoor zijn meestal een langere bekistingstijd en nabehandeling nodig.
 
Toch hebben deze cementen een aantal kwaliteiten waardoor ze zeer geschikt zijn voor heel wat toepassingen:
  • lagere hydratatiewarmte en dus aangewezen voor massabeton en betonneren bij warm weer
  • hoge duurzaamheid waardoor het beton beter bestand is tegen zacht water, zeewater, sulfaathoudend water en tegen de indringing van chloorionen
  • verminderd risico op uitbloeiingen (bij een hoog slakgehalte)
  • goed behoud van de verwerkbaarheid
  • zeer hoge mechanische sterkte op lange termijn
  • verminderd risico op alkali-silica reactie
  • heldere betonkleur.
     

Vliegas
Vliegas bestaat uit deeltjes die door hun fijnheid - te vergelijken met die van cement - en hun sferische vorm bijdragen tot een betere verwerkbaarheid van het beton. De toevoeging van vliegas aan cement geeft het beton ook een betere duurzaamheid. De verhardingsvertraging die vliegas veroorzaakt, beïnvloedt ook de ontwikkeling van de hydratatiewarmte waardoor de temperatuurpieken in geval van massabeton worden afgezwakt.
Het gebruik van luchtbelvormers samen met vliegas wordt afgeraden. De onverbrande koolstofdeeltjes in de vliegas verstoren immers de werking van deze hulpstof.

Kalksteen
Fijn kalksteenpoeder werkt als een "smeermiddel" en verbetert de verwerkbaarheid van beton, in het bijzonder wanneer het verpompt moet worden. De toevoeging van kalksteen verleent aan het cement een goed vermogen om water vast te houden, waardoor de risico’s op bleeding worden beperkt en het verdichten wordt vergemakkelijkt.

Gebruiksgeschiktheid van cement 
Hoewel de Europese betonnorm (NBN EN 206) alle gebruikelijke cementen als algemeen geschikt beschouwt, zijn toch niet alle cementtypes aanbevolen voor alle toepassingen in België. De norm NBN B15-001 bevat een "gebruiksgeschiktheids-matrix" voor alle cementtypes in functie van de omgeving waaraan het beton zal blootgesteld worden.

Classificatie en effect van de andere  bestanddelen
Tab 1.1.5 Classificatie en effect van de andere bestanddelen
Gamme sacs Holcim (Belgique)
Fig 1.1.12 Aanbod verpakt cement van Holcim (België)