Berdasarkan persentase kandungan penyusunnya, semen Portland terdiri dari 5 tipe yaitu :  

1. Semen Portland tipe I 

Adalah perekat hidrolis yang dihasilkan dengan cara menggiling klinker yang kandungan utamanya kalsium silikat dan digiling bersama-sama dengan bahan tambahan berupa satu atau lebih bentuk kristal senyawa kalsium sulfat. Komposisi senyawa yang terdapat pada tipe ini adalah: 

55% (C3S); 19% (C2S); 10% (C3A); 7% (C4AF); 2,8% MgO; 2,9% (SO3); 1,0% hilang dalam pembakaran, dan 1,0% bebas CaO. 

2. Semen Portland tipe II 

Dipakai untuk keperluan konstruksi umum yang tidak memerlukan persyaratan khusus terhadap panas hidrasi dan kekuatan tekan awal, dan dapat digunakan untuk bangunan rumah pemukiman, gedung-gedung bertingkat dan lain-lain. Komposisi senyawa yang terdapat pada tipe ini adalah: 

51% (C3S); 24% (C2S); 6% (C3A); 11% (C4AF); 2,9% MgO; 2,5% (SO3); 0,8% hilang dalam pembakaran, dan 1,0% bebas CaO. 

3. Semen Portland tipe III 

Dipakai untuk konstruksi bangunan dari beton massa (tebal) yang memerlukan ketahanan sulfat dan panas hidrasi sedang, misal bangunan dipinggir laut, bangunan bekas tanah rawa, saluran irigasi , dam-dam. 

Komposisi senyawa yang terdapat pada tipe ini adalah: 

57% (C3S); 19% (C2S); 10% (C3A); 7% (C4AF); 3,0% MgO; 3,1% (SO3); 0,9% hilang dalam pembakaran, dan 1,3% bebas CaO. 

4. Semen Portland tipe IV 

Dipakai untuk konstruksi bangunan yang memerlukan kekuatan tekan tinggi pada fase permulaan setelah pengikatan terjadi, misal untuk pembuatan jalan beton, bangunan-bangunan bertingkat, bangunan-bangunan dalam air. Komposisi senyawa yang terdapat pada tipe ini adalah: 

28% (C3S); 49% (C2S); 4% (C3A); 12% (C4AF); 1,8% MgO; 1,9% (SO3); 0,9% hilang dalam pembakaran, dan 0,8% bebas CaO. 

5. Semen Portland tipe V 

Dipakai untuk instalasi pengolahan limbah pabrik, konstruksi dalam air, jembatan, terowongan, pelabuhan dan pembangkit tenaga nuklir. Komposisi senyawa yang terdapat pada tipe ini adalah: 38% (C3S); 43% (C2S); 4% (C3A); 9% (C4AF); 1,9% MgO; 1,8% (SO3); 0,9% hilang dalam pembakaran, dan 0,8% bebas CaO.

 

Semakin baik mutu semen, maka semakin lama mengeras atau membatunya jika dicampur dengan air, dengan angka-angka hidrolitas yang dapat dihitung dengan rumus: (% SiO2 + % Al2O3 + Fe2O3) : (% CaO + % MgO) 

Angka hodrolitas ini berkisar antara <1/1,5 (lemah) hingga >1/2 (keras sekali). Namun demikian dalam industri semen angka hidrolitas ini harus dijaga secara teliti untuk mendapatkan mutu yang baik dan tetap, yaitu antara 1/1,9 dan 1/2,15.

Bahan Baku Pembuatan Semen

Bahan mentah yang digunakan dalam pembuatan semen adalah batu kapur, pasir silika, tanah liat dan pasir besi. Total kebutuhan bahan mentah yang digunakan untuk memproduksi semen yaitu:

1. Batu kapur digunakan sebanyak ± 81 %.

Batu kapur merupakan sumber utama oksida yang mempumyai rumus CaCO3 (Calcium Carbonat),pada umumnya tercampur MgCO3 dan MgSO4. Batu kapur yang baik dalam penggunaan pembuatan semen memiliki kadar air ± 5%

2. Pasir silika digunakan sebanyak ± 9 %

Pasir silika memiliki rumus SiO2 (silikon dioksida). Pada umumnya pasir silika terdapat bersama oksida logam lainnya, semakin murni kadar SiO2 semakin putih warna pasir silikanya, semakin berkurang kadar SiO2 semakin berwarna merah atau coklat, disamping itu semakin mudah menggumpal karena kadar airnya yang tinggi. Pasir silika yang baik untuk pembuatan semen adalah dengan kadar SiO2 ± 90%

3. Tanah liat digunakan sebanyak ± 9 %.

Rumus kimia tanah liat yang digunakan pada produksi semen SiO2Al2O3.2H2O. Tanah liat yang baik untuk digunakan memiliki kadar air ± 20 %, kadar SiO2 tidak terlalu tinggi ± 46 %

4. Pasir besi digunakan sebanyak ± 1%.

Pasir besi memiliki rumus kimia Fe2O3 (Ferri Oksida) yang pada umumnya selalu tercampur dengan SiO2 dan TiO2 sebagai impuritiesnya. Fe2O3 berfungsi sebagai penghantar panas dalam proses pembuatan terak semen. Kadar yang baik dalam pembuatan semen yaitu Fe3O2 ± 75% – 80%.

PEMBAGIAN SISTEM DALAM KILN

Sistem dalam kiln dapat dibagi menjadi beragam daerah berdasarkan kondisi operasi yang digunakan:

1. ZONA PEMANASAN AWAL Air bebas serta air hidrat yang terdapat pada tanah liat mengalami penguapan. Deskripsi prosesnya adalah sebagai berikut: a. Pada temperatur 100oC terjadi penguapan air

b. Pada temperatur 500oC terjadi pelepasan air hidrat clay, dengan reaksi:

Al2SiO7.xH2O → Al2O3 + 2SiO2 + xH2O

Selain itu batu kapur (CaCO3) akan terurai menjadi CaO dan CO2 (proses kalsinasi). Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut: CaCO3 + Heat ( 900oC ) → CaO + CO2

Supaya reaksi dapat berlangsung dibutuhkan temperatur sekitar 900oC. Temperatur keluar kalsiner dipertahankan pada 840-850oC. Pada titik tersebut, derajat kalsinasi berkisar antara 90-95 %.

2. ZONA KALSINASI

Pada daerah tersebut terjadi proses kalsinasi lanjutan, yaitu reaksi peruraian kalsium dan magnesium karbonat menjadi CaO, MgO dan CO2. Proses kalsinasi yang terjadi di inlet kiln, mempunyai kecepatan yang lebih lambat dibandingkan dengan kalsinasi yang terjadi di Preheater. Ini karena pengaruh dari temperatur dan tekanan parsial dari CO2 dalam atmosfer kiln. Temperatur dalam zona tersebut sekitar 800-900oC (disesuaikan temperatur kalsinasi). Partikel CaCO3 yang masih terdapat pada permukaan isi kiln akan mengalami kalsinasi, relatif lebih cepat, karena secara terus menerus dibantu oleh gerakan tumbling yang terjadi selama kiln berputar. Pada saat proses kalsinasi berlangsung akan terjadi proses pembentukan mineral C2S. Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut:

2 CaO + SiO2 → 2 CaOSiO2 atau C2S

Kristal C2S pada awalnya berbentuk lattice structur dan akan berubah membentuk struktur alpha C2S pada temperatur konstan yaitu 830oC. Pembentukan C2S merupakan proses eksotermis.

3. ZONA TRANSISI

Pada zona ini proporsi CaO akan semakin besar, sebaliknya proporsi CaCO3 semakin kecil dan sempurna habis pada temperatur bahan sekitar 900oC. Pada temperatur tersebut proporsi C2S semakin meningkat sampai temperatur bahan sekitar 1200oC, sedang oksida besi mulai mengikat campuran oksida kalsium dan oksida alumina membentuk campuran C2(A,F).Dengan meningkatnya temperatur, maka oksida kalsium (CaO) bergabung dengan kalsium alumina dan C2(A,F) masing-masing membentuk C3A dan C4AF. Pembentukan C3A dan C4AF terjadi pada temperatur ± 1000-1200oC. Reaksinya adalah sebagai berikut:

3 CaO + Al2O3 → 3 CaOAl2O3 atau C3A 4 CaO + Al2O3 + Fe2O3 → 4CaOAl2O3Fe2O3 atau C4AF

Sebagian kecil liquid akan terbentuk dalam zona transisi sebagai akibat tingginya temperatur operasi.

4. ZONA PEMBAKARAN

Di daerah ini terjadi pelelehan pada temperatur tinggi ( ± 1200-1350oC) dimana campuran kalsium alumina ferrit (C4AF) mengalami perubahan fase menjadi fase cair. Pada zona tersebut, temperatur operasi terus meningkat sampai mencapai 1400oC dengan memperbesar fase cair sekitar 20-30 %. Jumlah fase cair tersebut tergantung pada komposisi kimia pada raw mix design-nya, dimana pada silika modulus tinggi akan menyebabkan fase cairnya berkurang. Viskositas dari fase cair ini bergantung pada alumina rasio, alkali, SiO3, sedangkan MgO alkali akan menyebabkan kenaikan viskositas cairan. Partikel padat dalam kiln terdiri dari C2S dan CaO bebas. Tidak ada lagi SiO2 sisa yang terpisah dari oversize partikel (lebih besar dari 44 mikron) karena telah habis digunakan untuk pembentukan C2S. Bagian CaO yang tidak bereaksi dengan oksida-oksida alumina, besi dan silika atau free lime dibatasi kadarnya sampai dibawah 1,5 %. Pada temperatur tinggi ini sisa unsur CaO akan mengikat C2S untuk membuat campuran kristal C3S. Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut:

2CaO.SiO2 + CaO → 3CaO. SiO2 atau C3S

5. ZONA PENDINGINAN

Pendinginan dimulai segera setelah klinker melewati flame. Reaksi kimia juga terjadi di sini yaitu di akhir kiln. Senyawa C2A yang tidak stabil dan terdapat di dalam klinker akan berubah menjadi C3A. Selain itu, juga ada yang bergabung dengan CaO bebas yang tidak membentuk C2S dan ada juga yang bergabung dengan CaO dari mineral C3S yang cenderung melepaskan CaO selama pendinginan dan kembali menjadi C2S. Sehingga sebanyak 28 % mineral C3A terbentuk di dalam zona pendinginan kiln dan di dalam cooler. Selain itu, di daerah ini campuran kalsium alumina ferrit yang berbentuk cairan, mengalami perubahan fisis menjadi kristal. Tujuan dari pendinginan adalah untuk mendinginkan klinker. Hal ini penting untuk beberapa alasan:

a. Dari sudut pandang teknik, pendinginan diperlukan untuk mencegah kerusakan pada penanganan peralatan klinker seperti conveyor.

b. Dari sudut pandang proses dan kimia, sangat bermanfaat untuk meminimalkan suhu klinker karena memasuki klinker silo.

c. Dari sudut pandang lingkungan dan biaya, pendingin mengurangi konsumsi energi dengan mengambil panas dari klinker, memungkinkan untuk digunakan untuk memanaskan bahan baku.

d. Dari sudut pandang kinerja semen, pendinginan klinker secara cepat meningkatkan reaktivitas silikat.

REAKSI PADA PROSES PEMBAKARAN TERAK

Suhu o C Reaksi

110 Penguapan kandungan air pada tepung baku 100-400 Penguapan kandungan air terikat 450-800 Dehidrasi tanah liat / kaolin

Al2O3.2SiO2.2H2O Al2O3.2SiO2 + 2H2O -231 cal/g 700-730 Dissosiasi Magnesium Karbonat

MgCO3 MgO + CO2 -275 cal/g 700-800 Pembentukan CaO.Al2O3 750-900 Dissosiasi Kalsium Karbonat

CaCO3 CaO + CO2 -420 cal/g 800-900 Pembentukan 2CaO.SiO2 900-950 Pembentukan 5CaO.3Al2O3 950-1200 Pembentukan 2CaO.SiO2 (C2S) dan 2CaO.Fe2O3

1200-1300 Pembentukan 3CaO.Al2O3 (C3A) dan 4CaO.Al2O3.Fe2O3 (C4AF)

1260-1450 Pembentukan 3CaO.SiO2 (C3S) Pembentukan fase cair

1200-1350 Pendinginan ( kristalisasi aluminat dan ferit ) 80-150 Pedinginan di dalam cooler

ALITE

Alite adalah nama untuk trikalsium silikat, Ca 3 SiO 5, kadang-kadang dirumuskan sebagai 3CaO · SiO 2 (C 3 S dalam notasi kimia semen , KKN). Ini adalah, dan karakteristik, fase mineral utama dalam semen Portland . Nama itu diberikan oleh Törneborn pada tahun 1897 untuk sebuah kristal mikroskopis yang diidentifikasi dalam penyelidikan semen Portland.  Alite adalah nama umum digunakan dalam industri semen, meskipun bukan nama mineral yang diakui. Komposisi dan struktur

Struktur sederhana kristal alite.

Alite ditemukan di semen Portland berbeda dalam komposisi dari yang sederhana trikalsium

silikat . Ini adalah solusi yang solid dan mengandung sejumlah kecil oksida lainnya selain

CaO dan SiO 2. Sebuah komposisi khas  adalah:

Oksida % Massa

CaO 71.6

SiO 2 25.2

Al 2 O 3 1.0

Fe 2 O 3 0.7

MgO 1.1

Na 2 O 0.1

K 2 O 0.1

P 2 O 5 0.2

Berdasarkan hal ini, rumus dapat dinyatakan sebagai Ca Mg 2,90 0,06 0,01 Na Fe 0,03 Al 0,04

0,95 Si 0,01 O P 5. Dalam prakteknya, komposisi bervariasi dengan komposisi sebagian besar

klinker , sesuai dengan batas-batas tertentu. Pergantian kalsium ion atau ion ortosilikat

mensyaratkan bahwa muatan listrik disimpan dalam keseimbangan. Misalnya, dalam jumlah

terbatas ortosilikat (SiO 4 4 -) ion bisa diganti dengan sulfat (SO 4 2 -) ion, dengan ketentuan

bahwa untuk setiap ion sulfat, dua aluminat (Alo 4 5 -) ion juga diganti.

Polimorf Trikalsium silikat secara termodinamika tidak stabil di bawah 1250 ° C, tetapi dapat

dipertahankan dalam keadaan metastabil pada suhu kamar secara pendinginan cepat : pada

pendinginan lambat cenderung untuk kembali ke belite (Ca 2 SiO 4)  dan CaO. Karena

perubahan suhu, melewati beberapa negara polimorfik:

Polimorf berbeda secara struktural deformasi kecil dari struktur heksagonal dasar.

BELITE

Belite adalah mineral industri yang penting dalam pembuatan semen Portland, nama untuk

dikalsium silikat, Ca 2 SiO 4, kadang-kadang dirumuskan sebagai 2 CaO · SiO 2 (C 2 S

dalam notasi kimia semen ).

Nama itu diberikan oleh Törneborn pada tahun 1897 untuk sebuah kristal yang diidentifikasi

dalam pemeriksaan mikroskopis dari Portland Semen.. Belite adalah nama umum digunakan

dalam industri semen, dan bukan nama mineral yang diakui. Belite terjadi secara alami

sebagai mineral larnite .

Temp ° Nama Kristal

> 1070 R Rombohedral

1060-1070 M 3 Monoklinik

990-1060 M 2 Monoklinik

980-990 M 1 Monoklinik

920-980 T 3 Triklinik

620-920 T 2 Triklinik

<620 T 1 Triklinik

Komposisi dan struktur

Struktur sederhana kristal belite.

Para belite ditemukan di semen Portland berbeda dalam komposisi dari murni di kalsium

silikat . Ini adalah larutan padat dan berisi sejumlah kecil lainnya oksida selain CaO dan

SiO 2. Sebuah komposisi khas:

Berdasarkan hal ini, rumus dapat dinyatakan sebagai Ca Mg 1,94 0,02 K 0,03 0,01 Na Fe 0,02 Al 0,07

0,90 Si 0,01 O P 3,93. Dalam prakteknya, komposisi bervariasi dengan komposisi sebagian

besar klinker , sesuai dengan batas-batas tertentu. Substitusi ion kalsium atau ion ortosilikat

mensyaratkan bahwa muatan listrik disimpan dalam keseimbangan. Misalnya, dalam jumlah

Oksida % Massa

CaO 63.5

SiO 2 31.5

Al 2 O 3 2.1

Fe 2 O 3 0.9

MgO 0.5

SO 3 0.1

Na 2 O 0.1

K 2 O 0.9

TiO 2 0.2

P 2 O 5 0.2

terbatas ortosilikat (SiO4 4-) ion bisa diganti dengan sulfat (SO4 2-) ion, dengan ketentuan

bahwa untuk setiap ion sulfat, dua aluminat (AlO 4 5 -) ion juga diganti.

Polimorf dikalsium silikat stabil, dan mudah dibuat dari CaO reaktif dan SiO 2 pada 300 °

C. Bentuk suhu rendah adalah γ-belite, atau kapur olivin . Formulir ini tidak hidrat, dan

dihindari dalam pembuatan semen.

Karena kenaikan suhu, melewati beberapa polimorfik menyatakan:

TRIKALSIUM ALUMINAT

Trikalsium aluminat Ca3 Al2 O6, sering diformulasikan sebagai 3CaO·Al2O3 untuk menyorot proporsi oksida dari yang dibuat, adalah yang paling dasar dari kalsium aluminat . Ini tidak terjadi di alam, tetapi merupakan fase mineral penting dalam semen Portland .

trikalsium Murni aluminat terbentuk ketika proporsi yang tepat halus-dibagi kalsium

oksida dan aluminium oksida yang dipanaskan bersama-sama di atas 1300°C. Bentuk murni

kubik, dengan unit dimensi sel 1,5263 nm dan memiliki kerapatan 3064 kg·M3. Meleleh

dengan dekomposisi pada 1542°C. Sel satuan berisi 8 siklik Al6O1818 -, yang dapat dianggap

terdiri dari 6 sudut Alo berbagi  tetrahedral Anion

Dalam Portland semen klinker , trikalsium aluminat terjadi sebagai "fase interstisial",

mengkristal dari meleleh. Keberadaannya di klinker semata-mata karena kebutuhan untuk

mendapatkan fase cair pada suhu pengolahan kiln puncak (1400-1450°C), memfasilitasi

pembentukan fase silikat yang diinginkan. Selain manfaat ini, dampaknya pada sifat semen

kebanyakan tidak diinginkan. Ini membentuk fasa larutan padat tidak murni, dengan

persentasi 15-20% dari atom aluminium digantikan oleh silikon dan besi, dan dengan jumlah

variabel atom logam alkali menggantikan kalsium, tergantung pada ketersediaan oksida alkali

dalam meleleh. Bentuk murni memiliki setidaknya empat polimorf:

Temp ° C Nama Kristal

> 1425 α Bersegi enam

1160-1425 α 'H Monoklinik

680-1160 α 'L Monoklinik

500-680 β Monoklinik

<500 γ Ortorombik

Komposisi kimia yang khas adalah:

KALSIUM ALUMINOFERRITE

Kalsium aluminoferrite (2.Ca (Al, Fe)2 O5)  adalah fase kristal coklat tua umum ditemukan di semen . Dalam industri semen itu disebut ferit.Hal ini juga ada di alam sebagai mineral langka brownmillerite .

Dalam Portland semen klinker , aluminoferrite kalsium terjadi sebagai "fase

interstisial", mengkristal dari meleleh. Keberadaannya di klinker semata-mata karena

Alkali % m/m Penunjukan Kristal

0-1.0 C I Kubik

1.0-2.4 C II Kubik

3.7-4.6 O Ortorombik

4.6-5.7 M Monoklinik

Oksida % Massa Cubic % Massa Ortorombik

SiO 2 3.7 4.3

Al 2 O 3 31.3 28.9

Fe 2 O 3 5.1 6.6

CaO 56.6 53.9

MgO 1.4 1.2

Na 2 O 1.0 0.6

K 2 O 0.7 4.0

TiO 2 0.2 0.5

kebutuhan untuk mendapatkan cairan pada puncak kiln suhu pengolahan (1400-1450 ° C),

memfasilitasi pembentukan fase silikat yang diinginkan. Selain manfaat ini, dampaknya pada

sifat semen lebih sedikit daripada sebuah pengencer . Its membentuk solusi padat murni yang

menyimpang mencolok dalam komposisi dari yang sederhana rumus kimia . Fase

aluminoferrite kalsium bertindak sebagai repositori untuk banyak elemen kecil dalam

klinker. Sebagian besar unsur-unsur transisi dalam semen ditemukan pada fase ferit,

terutama titanium , mangan dan seng. Ada juga sejumlah besar magnesium dan silikon , dan

karena itu, selain oksida CaO, Al 2 O 3 dan Fe 2 O 3 sering membuat naik 15% dari massa

aluminoferrite kalsium. Penggantian ini mengurangi titik leleh sekitar 1350 ° C.

Komposisi kimia yang khas

untuk curah berbagai klinker

Fe 2 O 3 isi [2] :Oksida % Massa % Massa % Massa

Fe 2 O 3 dalam Klinker 0.29 2.88 4.87

SiO 2 4.0 2.6 6.1

Al 2 O 3 20.2 20.8 17.0

Fe 2 O 3 24.5 23.9 27.7

CaO 44.6 46.4 40.2

MgO 3.7 3.1 4.9

Na 2 O 0.1 0.1 0.1

K 2 O 0.1 0.1 0.1

TiO 2 1.9 2.7 1.7

Mn 2 O 3 0.1 0.3 1.5

ZnO 1.1 0.1 0.9