(Fr.: ciment; Du.: Zement; Eng.: cement), in ruime zin een bindmiddel; in de gangbare engere betekenis verzamelnaam voor de hydraulische bindmiddelen die de basis vormen van metsel- en pleistermortels en het bindmiddel van beton. De naam ‘hydraulisch’ duidt er op dat dit produkt met water verhardt; het vormt daarbij een steenharde massa die waterbestendig is.
Alle cementen (NEN 3550; NBN 771) bestaan in hoofdzaak uit calciumsilicaten en -aluminaten; de verharding is een vrij ingewikkeld mengsel van fysische en chemische reacties: calciumaluminaten gaan door omkristallisatie over in waterhoudende produkten, terwijl de silicaten chemisch reageren met water onder afsplitsing van calciumhydroxide.
Er bestaan verschillende cementsoorten.
Portlandcement werd voor het eerst vervaardigd door de Engelsman Joseph Aspdin, in 1824. Het bestaat in hoofdzaak uit calciumsilicaten, waarbij de mineralogische samenstelling bijv. is:
tricalciumsilicaat (3CaO ⋅ SiO2) 55%,
dicalciumsilicaat (2CaO ⋅ SiO2) 24%,
tricalciumaluminaat (3CaO ⋅ Al2O3) 9%,
tetracalciumaluminaatferriet (4CaO ⋅ Al2O3 ⋅ Fe2O3) 8%,
en de overige bestanddelen, voornamelijk verbindingen van magnesium, natrium en kalium, 4%. De calciumverbindingen vormen de voornaamste grondstof, vrijwel altijd calciumcarbonaat, dat in de natuur veelvuldig voorkomt als kalksteen, krijt of (minder zuiver) kalkmergel.
In Nederland gebruikt men hiervoor het krijt van de St. Pietersberg bij Maastricht. Als tweede grondstof dient klei, leisteen e.d. die zowel het SiO2 als het Al2O3 levert en meestal ook voldoende Fe2O3. Bij het natte procédé wordt het grondstofmengsel gemengd met water, waardoor een dikke ‘pap’ ontstaat, met een watergehalte van 30 ...35%. De voordelen van dit procédé zijn de gemakkelijke maling en homogenisering, een nadeel de grote hoeveelheid water die moet worden verdampt. Bij het droge procédé worden de grondstoffen droog gemalen en gemengd en rechtstreeks aan de oven toegevoerd dan wel met water gegranuleerd.
Sinds men de homogenisering van droge stoffen beter heeft leren beheersen passen de meeste moderne cementfabrieken de droge weg toe.
Het voorbereide mengsel wordt vervolgens gebrand in roterende ovens, soms nog wel in schachtovens. De roterende oven bestaat uit een iets (ca. 5%) hellend opgestelde stalen buis die van binnen is bekleed met vuurvaste steen en die langzaam om zijn lengteas draait. De afmetingen kunnen tot 200 m lengte en 7 m diameter bedragen. Aan het hoogste einde van de oven brengt men in continue stroom het grondstofmengsel in, aan het laagste eind blaast men poederkool, olie of gas in. Het materiaal beweegt zich door het draaien van de hellende oven in tegenstroom met de vlamgassen en wordt in de eerste zone langzaam opgewarmd. In een volgende zone is de temperatuur van het grondstofmengsel zo gestegen dat het calciumcarbonaat begint te ontleden en het vrijkomende calciumoxide zich gemakkelijk verbindt met de andere bestanddelen. Dit gebeurt in hoofdzaak in het heetste gedeelte van de oven; hier bedraagt de temperatuur van de massa ca. 1450 °C, wat voldoende is om de bestanddelen te laten smelten. Door dit sinterproces kit de massa aaneen; de draaiing van de oven zorgt ervoor dat deze koek omvalt en in stukken wordt gebroken. Het materiaal verlaat de oven aan het benedeneind in de vorm van kleine, min of meer bolvormige stukjes. Men noemt dit halffabrikaat cementklinker.
De cementklinker is echter veel te grof om in een redelijk tempo met water te reageren. Door fijnmalen in kogelmolens worden het oppervlak en de reactiviteit voldoende groot. Doordat tricalciumaluminaat zeer heftig met water reageert zou bij deze fijnheid de reactie te snel verlopen, waardoor het cement te snel zou opstijven. Minder fijn malen zou wel helpen maar is om andere redenen niet gewenst. Men voegt daarom tijdens de maling ca. 5% gips (CaSO4⋅2H2O) toe, dat met calciumaluminaat calciumsulfaataluminaat vormt, dat veel rustiger reageert.
Bij de reactie van cement met water onderscheidt men als eerste fase de bindingsperiode, gedurende welke de cementmassa opstijft, maar slechts een geringe sterkte bereikt. Men beschouwt de binding als geëindigd wanneer een naald (met een bepaalde belasting daarop uitgeoefend) niet meer in de pasta doordringt. Hierna begint de tweede fase van de hydratatie, de verhardingsperiode, waarin de cementpasta of de met cement gebonden massa haar grote sterkte krijgt. Binding en verharding zijn, ook theoretisch, niet scherp te scheiden. Een snelle binding betekent dan ook niet altijd een snelle verharding.
Een snelle binding is van belang in gevallen zoals het dichten van lekken. Met bepaalde chemische toevoegingen kan snelle binding van een ‘normaal’ cement worden opgewekt. De uiteindelijke sterkte is dan meestal vrij laag. Snelle verharding wordt hoofdzakelijk verkregen door een fijne maling. Na een normale bindtijd ontwikkelen dergelijke cementen reeds binnen enkele dagen een hoge sterkte. In de industrie van geprefabriceerde betonelementen maakt men van deze cementen bij voorkeur gebruik.
Hoogovencement bestaat uit een mengsel van hoogovenslak (35...85%) en portlandcementklinker; ligt het slakgehalte tussen 10% en 35% dan spreekt men van ijzerportlandcement.
In de hoogoven voegt men kalksteen toe om het ganggesteente uit het ijzererts te binden. Ten gevolge van de hoge temperatuur smelt dit steenmengsel en drijft op het eveneens gesmolten ijzer; het wordt afzonderlijk afgetapt en vervolgens zeer snel met water gekoeld. Hierdoor springt de smelt in kleine glasachtige korrels uiteen. Deze gegranuleerde hoogovenslak heeft een samenstelling die veel op die van portlandcement lijkt, maar de reactie met water blijkt niet of maar zeer moeilijk uit zichzelf plaats te hebben. Het hydraulische karakter is latent aanwezig en moet door een toevoeging op gang worden gebracht. Hoogovencement is in het begin van de verharding gewoonlijk iets trager dan portlandcement maar bereikt na enkele dagen toch dezelfde of zelfs grotere sterkten. Een groot voordeel van het hoogovencement is het lagere kalkgehalte dat het beter bestand maakt tegen de invloed van een zure omgeving. Ook tegen zeewater is het beter bestand.
Aluminiumcement (ciment fondu of Smelzzement) wordt niet door een sinterproces doch door smelten van het grondstofmengsel verkregen (chemische samenstelling: ca. 40% CaO, ca. 40% Al2O3, niet meer dan 10% SiO2). De grondstoffen zijn kalksteen en bauxiet.
De hydratie verloopt vrijwel geheel binnen 24 uur, waarbij het sterkten bereikt die hoger zijn dan die van portlandcement na 28 dagen. Daarvoor heeft het ca. tweemaal zoveel water nodig, zodat het hoge sterkten kan bereiken met een sterk waterhoudende en dus makkelijk verwerkbare specie. Aluminiumcement is tegen chemische invloeden beter bestand dan portlandcement. Nadelen zijn de veel hogere prijs en het feit dat bij temperaturen boven 30 °C de sterkte achteruit gaat. Aantrekkelijk is dat het bij temperaturen boven 1000 °C opnieuw een grote sterkte krijgt, zodat het de basis kan vormen voor een vuurvast bouwmateriaal.
Toepassingen van cement.
De belangrijkste toepassing van cement is die voor de vervaardiging van beton; waarin een mengsel van fijn en grof gesteente, bijv. zand en grind door het bindmiddel cement tot één vaste massa wordt verbonden. Een tweede toepassing is die voor metselmortel, bestaande uit een mengsel van cement, eventueel kalk, zand en water.
Kwaliteitsklassen.
Cementen worden onderscheiden in kwaliteitsklassen, gebaseerd op de onder gestandaardiseerde condities bereikte sterkte. In Nederland en België volgt men daarbij, evenals trouwens in vele andere landen, in hoofdzaak de aanbevelingen van de ISO (International Standards Organisation). Deze schrijven voor dat uit een mortel van nauwkeurig voorgeschreven hoeveelheden cement, zand en water prisma's worden vervaardigd met de afmetingen 40, 40 en 160 mm. Het zand moet daarbij een in de normen vastgelegde korrelverdeling hebben. Na bewaren onder geconditioneerde omstandigheden worden van de prisma’s de buigtreksterkte en de druksterkte bepaald. Gebruikelijk zijn hierbij verhardingstijden van 1, 3, 7 en 28 dagen. In Nederland werden tot nu toe de kwaliteitsklassen onderscheiden als A, B en C. In NEN 3550 heeft men, in navolging van vele andere landen, de klassen benoemd naar de vereiste minimumdruksterkte na 28 dagen.