Teknologi Beton Lanjutan

Semen

Maksud dan tujuan dari bab ini adalah untuk :

menggambarkan sifat Portland (kalsium silikat berbasis) Semen

menguraikan proses manufaktur dan prosedur pengendalian mutu yang diterapkan

meninjau proses hidrasi semen dan pengembangan struktur terhidrasi

menguraikan pengaruh perbedaan dalam kimia semen dan komposisi senyawa pada

pengaturan dan pengembangan kekuatan beton

meninjau jenis semen (termasuk semen komposit dan batu) dan sifat semen ini alami

meninjau standar dengan mana semen harus dicampurkan dan aplikasi untuk berbagai

jenis semen yang berbeda

menjelaskan secara garis besar metode yang digunakan untuk analisis kimia dan untuk

mempelajari hidrasi semen

menguraikan secara singkat beberapa aspek kesehatan dan keselamatan yang

berhubungan dengan penggunaan semen

Sejarah pembuatan semen Portland

Semen portland pada dasarnya adalah semen kalsium silikat, yang diproduksi dengan

membakar untuk sebagian peleburan, pada suhu sekitar 1500 ° C, baik homogen dan halus

tanah campuran batu kapur atau kapur (kalsium karbonat) dan kuantitas yang tepat dari tanah

liat atau serpih. Komposisi umumnya diperbaiki dengan penambahan pasir atau besi oksida.

Berbagai semen kalsium silikat pertama diproduksi oleh orang Yunani dan Romawi,

yang menemukan bahwa abu vulkanik, jika ditumbuk halus dan dicampur dengan kapur dan air,

menghasilkan mortar yang mengeras, yang tahan terhadap cuaca. Reaksi ini dikenal sebagai

reaksi pozzolanik dan itu adalah dasar dari kontribusi yang dibuat untuk kekuatan dan kinerja

beton dengan bahan seperti abu terbang, microsilica dan metakaolin dalam beton modern.

Pada pertengahan abad kedelapan belas John Smeaton menemukan bahwa jeruk nipis

murni tertentu (tingkat-tingkat yang sesuai yang terdapat silika dan alumina) memiliki sifat

hidrolik. Dihasilkan bahwa jeruk nipis mengandung silikat reaktif dan aluminat, yang dapat

bereaksi dengan air untuk menghasilkan hidrat yang tahan lama , yang menolak tindakan air.

Smeaton menggunakan bahan ini dalam mortar, digunakan untuk membangun Eddystone

Lighthouse pada 1759.

Istilah 'semen Portland' pertama kali digunakan oleh Joseph Aspdin dalam Paten Inggris

nya Nomor 5022 (1824), yang menggambarkan suatu proses untuk membuat batu buatan

dengan mencampur kapur dengan tanah liat dalam bentuk bubur dan kalsinasi (pemanasan

untuk mengusir karbon dioksida dan air) benjolan kering bahan dalam tungku tegak. Bahan

dikalsinasi (klinker) adalah tanah untuk menghasilkan semen. Istilah 'Portland' digunakan

karena kesamaan dari produk mengeras dengan yang Portland batu dari Dorset dan juga

karena batu ini memiliki sangat baik reputasi untuk kinerja.

Joseph Aspdin bukan tokoh pertama yang menghasilkan semen kalsium silikat , namun

dengan bantuan Paten yang memberinya prioritas untuk penggunaan istilah 'semen Portland’.

Pekerja lain yang aktif pada saat yang sama atau sebelumnya, terutama Louis Vicat di

Perancis. Blezard (1998) memberikan komprehensif meninjau sejarah perkembangan berkapur

(kapur-based) semen. Berbagai semen yang diproduksi pada pertengahan abad kesembilan

belas tidak memiliki kesamaan.

Komposisi senyawa semen Portland modern sebagai suhu dicapai tidak cukup tinggi

untuk mineral alami yang utama dari semen modern, trikalsium silikat (CзS), yang akan

dibentuk. Yang ada hanya silikat adalah dikalsium kurang reaktif silikat (C2S).

Terus menerus perbaikan dalam metode produksi dan kontrol kualitas dikombinasikan

dengan tekanan pasar yang kompetitif telah menghasilkan empat kali lipat peningkatan

kekuatan 28-hari tertentu oleh semen Portland khas Eropa di 28 hari sejak akhir abad

kesembilan belas (Blezard, 1998). Di Eropa, ini eskalasi kekuatan memiliki secara efektif

dikendalikan oleh pengenalan standar semen dengan bagian atas serta menurunkan batas

kekuatan.

Kimia pembuatan klinker

Bahan baku

Pembuatan semen pada dasarnya adalah sebuah proses industri kimia dan memiliki

banyak kesamaan dengan pembuatan bahan kimia yang disebut berat seperti natrium

hidroksida dan kalsium klorida. Tutup kontrol dari produk kimia adalah penting jika semen

dengan konsisten properti yang akan diproduksi. Kontrol ini berlaku tidak hanya untuk oksida

utama yang yang hadir tetapi juga untuk kotoran, yang dapat memiliki pengaruh yang nyata

pada kedua proses manufaktur dan sifat semen.

Analisis kimia dari semen Portland klinker menunjukkan terutama terdiri dari empat

oksida: CaO (kapur), SiO2 (silika), Al2O3 (alumina) dan Fe2O3 (besioksida). Untuk

menyederhanakan deskripsi komposisi kimia, bentuk singkatan digunakan oleh ahli kimia

semen di mana empat oksida disebut masing-masing sebagai C, S, A dan F.

Mengekspresikan analisis kimia dalam bentuk oksida, bukan individu unsur silikon (Si),

kalsium (Ca), dll memiliki keuntungan bahwa total analisis harus datang dekat dengan 100, dan

ini memberikan kegunaan pemeriksaan untuk kesalahan. Kondisi oksidasi harus dipertahankan

selama proses pembakaran dan pemastian bahwa unsur-unsur logam ada secara efektif

sebagai oksida meskipun dikombinasikan dalam klinker sebagai mineral.

Sumber kapur untuk pembuatan semen biasanya batu kapur atau kapur. Seperti

biasanya 80% dari campuran baku terdiri dari batu kapur, ini disebut sebagai bahan baku

utama. Bahan baku sekunder, yang menyediakan oksida silika, alumina dan besi yang

diperlukan biasanya adalah shale atau tanah liat. Sejumlah kecil dari pasir atau oksida besi

dapat ditambahkan untuk menyesuaikan tingkat silika dan oksida besi dalam campuran. Ketika

proporsi bahan baku, sebuah tunjangan harus dilakukan untuk dimasukkan ke dalam abu

klinker dari tempat pembakaran. Kebanyakan pabrik semen di seluruh dunia menggunakan

tanah halus (bubuk) batu bara sebagai primer bahan bakar. Produk bahan bakar seperti residu

dari penyulingan minyak (petroleum coke) dan ban kendaraan yang digunakan untuk

menggantikan sebagian batubara.

Klinker semen Portland

Klinker semen Portland berisi empat senyawa kimia utama, yang biasanya disebut

sebagai mineral klinker. Ini adalah mineral kalsium dua silikat, C3S dan C2S yang sebagian

besar bertanggung jawab untuk pengembangan kekuatan dan jangka panjang sifat struktural

dan daya tahan dari semen portland. Namun, reaksi antara CaO (kapur dari batu kapur) dan

SiO2 (silika dari pasir) sangat sulit dicapai, bahkan pada suhu pembakaran yang tinggi. kimia

kombinasi sangat difasilitasi jika sejumlah kecil alumina dan oksida besi yang hadir (biasanya

5% dan 3% Al2O3 Fe2O3), karena ini membantu untuk membentuk fluks cair melalui mana kapur

dan silika dapat sebagian larut, dan kemudian bereaksi untuk menghasilkan C3S dan C2S.

Biasanya, pembentukan C3S secara efektif menyelesaikan pada bahan suhu dari

sekitar 1450 ° C, dan tingkat kapur tadak tercampur mengurangi secara perlahan dengan

tinggal lebih lanjut waktu. Kemudahan yang klinker dapat dikombinasikan sangat dipengaruhi

oleh mineralogi bahan baku dan, khususnya tingkat silika kasar (kuarsa) yang ada. Semakin

tinggi tingkat silika kasar dalam bahan baku, lebih halus campuran baku harus digiling untuk

memastikan kombinasi yang memuaskan pada temperatur kiln diterima.

Rasio Kontrol

Kontrol komposisi klinter dan optimalisasi kinerja pabrik adalah sangat dibantu oleh

penggunaan 3 rasio.

Lime saturation factor LSF = kapur saturasi factor LSF

Rasio kontrol yang paling penting adalah faktor kejenuhan kapur, yang ditentukan oleh

perbandingan kapur, untuk oksida silika, alumina dan besi, dan mengatur proporsi relatif dari

C3S dan C2S. Rumus untuk LSF telah diturunkan dari suhu tinggi kesetimbangan fasa studi.

Ketika LSF berada di atas 100% ada kelebihan kapur, yang tidak dapat dikombinasikan tidak

peduli berapa lama klinker dihentikan, dan ini tetap sebagai kapur bebas dalam klinker. Sebagai

tingkat rendah kapur tak bercampur harus dicapai ( 3% maksimal dan lebih baik di bawah 2%),

LSFs klinker biasanya terletak pada kisaran 95-98%.

Isi C3S dan C2S telah dihitung dengan metode Bogue. Biasanya, jika LSF meningkat

pada pabrik semen khusus, campuran baku harus lebih halus tanah, yaitu persentase partikel

kasar dari 90 mikron berkurang. Untuk memastikan kinerja optimal dan kualitas tempat

pembakaran semen seragam adalah bahwa LSF dari bauran baku dipertahankan di dalam

sebuah pita sempit, idealnya ± 2% atau lebih tepatnya, dengan standar deviasi lebih baik dari

1%, ditentukan pada sampel per jam. Sebagai perubahan LSF dari 1% (pada kapur bebas

konstan) sesuai dengan perubahan C3S dari - 2% yang kisaran variabilitas C3S adalah sekitar

dua kali lipat dari kisaran LSF.

Sebagai hasil dari persyaratan pasar untuk semen dari sumber yang berbeda memiliki

serupa properti dan juga untuk mengoptimalkan produksi klinker telah terjadi kecenderungan

untuk berkumpul di 'standar' kimia klinker dari

LSF 95-97%

SR 2,4-2,6

AR 1,5-1,8

Pada kebanyakan tanaman pencapaian ini kimia yang ideal akan memerlukan penggunaan

korektif bbahan seperti pasir dan oksida besi.

Perhitungan komposisi senyawa klinker

Tingkat empat mineral klinker dapat diperkirakan dengan menggunakan metode

perhitungan pertama kali diusulkan oleh Bogue pada tahun 1929 (lihat Bogue, 1955). Metode ini

melibatkan berikut asumsi:

• semua Fe2O3 tersebut digabungkan sebagai C4AF

• Al2O3 yang tersisa (yaitu setelah dikurangi yang dikombinasikan dalam C4AF)

digabungkan sebagai C3A

CaO dikombinasikan di tingkat dihitung C3A dan C4AF dan setiap kapur gratis dikurangkan dari

CaO total dan tingkat SiO2 menentukan proporsi C3S dan C2S. Prosedur ini dapat dinyatakan

secara matematis (dalam% massa) sebagai berikut:

C3S = 4,071 (CaO total - bebas kapur) - 7.600SiO2 - 6.718Al2O3 - 1.430Fe2O3

C2S = 2.867SiO2 - 0.7544C3S

C3A = 2.65Al2O3 - 1.692Fe2O3

C4AF = 3.043Fe2O3

Angka-angka dihitung mungkin tidak setuju persis dengan proporsi mineral klinker

ditentukan oleh kuantitatif difraksi sinar-X atau dengan penghitungan titik mikroskopis.

Pengaruh bagian kecil

Sekitar 95% dari klinker terdiri dari oksida CaO, SiO2, Al2O3 dan Fe2O3 (tetapi ada dalam

bentuk gabungan sebagai mineral klinker) dan sisanya terdiri dari apa yang disebut konstituen

minor.

Logam alkali Na2O dan K2O memiliki afinitas yang sangat kuat untuk SO3 dan fase cair

mengandung Na +, K +, Ca2 + dan SO4 2 - ion terbentuk yang bercampur dengan utama klinker

cair (C3A cair dan C4AF). Pada pendinginan ini mengkristal untuk menghasilkan alkali sulfat

seperti K2SO4, aphthitalite ( 3K2SO4 · Na2SO4 ) dan kalsium langbeinite ( K2SO4 · 2CaSO4 ).

Produk kristalisasi tergantung pada tingkat relatif dari dua oksida alkali dan tingkat SO3. Jika

ada SO3 cukup untuk menggabungkan dengan oksida logam alkali kemudian ini mungkin

masuk ke dalam larutan padat dalam aluminat silikat dan fase. C2S dapat stabil pada suhu di

atas 1250oC sehingga menghambat pembentukan C3S.

Bagian kecil juga harus dikontrol karena dampaknya terhadap semen properti dan juga

daya tahan beton. Terkait dengan ini, tingkat alkali, SO3, klorida dan MgO juga dibatasi oleh

standar semen nasional atau kode praktek.

Penggilingan Semen

Klinker ini biasanya disampaikan ke toko tertutup di mana, bahan disediakan cukup

memadai, itu akan dingin dari suhu yang lebih dingin dari debit 50-80 ° C untuk suhu mendekati

ambien. Jika bahan klinker rendah maka klinker mungkin tanah untuk semen tanpa kesempatan

untuk mendinginkan lebih lanjut selama penyimpanan. Klinker adalah tanah menjadi bubuk

halus dengan sekitar 5% kalsium sulfat, yang ditambahkan untuk mengontrol reaksi awal

aluminat fase. Standar untuk semen umum juga memungkinkan penambahan hingga 5% dari

tambahan kecil konstituen, yang, dalam prakteknya, biasanya batu gamping.

Produk akhir sehingga dapat secara signifikan lebih halus dari bahan yang keluar pabrik.

Efisiensi dari proses penggilingan klinker sangat rendah. Kurang dari 2% dari listrik energi yang

dikonsumsi digunakan dalam benar-benar patah partikel, sisanya diubah menjadi panas. Pabrik

modern dilengkapi dengan semprotan air internal, yang mendinginkan proses dengan

penguapan. Semen suhu pabrik biasanya dalam kisaran 110-130 ° C dan pada suhu ini bentuk

terhidrasi kalsium sulfat (gipsum, CaSO4 · 2H2O) ditambahkan untuk mengendalikan awal

reaksi hidrasi mengalami dehidrasi. Ini memiliki beberapa keuntungan tetapi tingkat kalsium

sulfat dehidrasi harus dikendalikan untuk mengoptimalkan sifat air permintaan semen.

Rendahnya efisiensi proses penggilingan telah menghasilkan banyak upaya yang

diarahkan untuk menemukan proses yang lebih efisien. Sebagai aturan umum proses

penggilingan lebih efisien, lebih curam ukuran partikel penggilingan. Rentang ukuran partikel

lebih kecil dan ini dapat mengakibatkan air meningkat permintaan semen, setidaknya dalam

pasta dan campuran beton kaya. Hal ini karena dengan ukuran sempit distribusi ada partikel

halus cukup untuk mengisi rongga antara partikel yang lebih besar dan kekosongan ini harus

diisi oleh air. Kekhawatiran atas kinerja produk di pasar dan juga mekanik / masalah perawatan

dengan beberapa penggilingan baru teknologi telah mengakibatkan pabrik bola

mempertahankan posisi dominannya. Salah satu kompromi, yang menurunkan kebutuhan daya

penggilingan tanpa mengurangi kualitas produk, adalah instalasi penggiling-pra, seperti pers

gulungan tekanan tinggi, untuk menghancurkan halus klinker menghindarkan kebutuhan untuk

media grinding besar di ruang pertama pabrik bola.

Hidrasi Semen Portland

Hidrasi semen Portland melibatkan reaksi kalsium silikat anhidrat dan aluminat fase

dengan air untuk membentuk fase terhidrasi. Ini hidrat padat menempati ruang lebih dari

partikel anhidrat dan hasilnya adalah massa saling kaku yang porositas adalah fungsi dari rasio

air untuk semen (w / c) dalam campuran asli. Diperoleh campuran tersebut memiliki plastisitas

yang cukup untuk sepenuhnya dipadatkan, semakin rendah w / c, semakin tinggi akan menjadi

kuat tekan pasta semen / mortir terhidrasi / beton dan semakin tinggi resistensi terhadap

penetrasi oleh zat yang berpotensi merusak dari lingkungan.

Hidrasi semen adalah kompleks dan tepat untuk mempertimbangkan reaksi dari silikat

fase (C3S dan C2S) dan fase aluminat (C3A dan C4AF) secara terpisah. ituproses hidrasi telah

secara komprehensif terakhir (Taylor, 1997).

Hidrasi silikat

Kedua C3S dan C2S bereaksi dengan air untuk menghasilkan hidrat kalsium silikat amorf

dikenal sebagai C-S-H gel yang merupakan 'lem' utama yang mengikat pasir dan agregat

partikel bersama-sama dalam beton. C3S jauh lebih reaktif dari C2S dan di bawah 'standar'

kondisi suhu 20 ° C sekitar setengah dari C3S hadir dalam semen khas akan terhidrasi dengan

3 hari dan 80% oleh 28 hari. Sebaliknya, hidrasi C2S biasanya tidak melanjutkan ke tingkat yang

signifikan- sampai 14 hari.

Hidrasi C2S juga menghasilkan beberapa formasi CH. Persamaan berikut sekitar

merangkum reaksi hidrasi:

C3S + 4.3H ⇒ C1.7SH3 + 1.3CH

C2S + 3.3H ⇒ C1.7SH3 + 0.3CH

Hidrasi C3A dan C4AF

Reaksi laboratorium yang disiapkan C3A dan C4AF dengan air, sendiri atau dalam

kehadiran kalsium sulfat dan kalsium hidroksida telah dipelajari secara ekstensif (Odler, 1998).

Namun, temuan harus diinterpretasikan dengan hati-hati karena komposisi aluminat fase dalam

klinker industri berbeda jauh dari yang sintetis dalam persiapan dan hidrasi semen dalam

sangat dipengaruhi oleh kuantitas jauh lebih besar dari silikat bereaksi dan juga oleh adanya

basa.

Jika ditumbuk halus gipsum (CaSO4 · 2H2O) atau hemihydrate (CaSO4 · 0.5H2O) adalah

dicampur dengan C3A sebelum pencampuran dengan air maka reaksi awal dikendalikan oleh

pembentukan lapisan pelindung ettringite pada permukaan kristal C3A. itu reaksi dapat diringkas

sebagai:

C3A + 3C + 3 S + 32h ⇒ C3A · 3C · 32h

dimana dalam semen kimiawan 'notasi S mewakili SO3 dan H merupakan H2O, yaitu

C3A + terlarut kalsium (Ca2 +)) + sulfat terlarut (SO4) 2 - + air