Cement
een introductie

Al duizenden jaren geleden wilde men met steenachtige materialen bouwen als alternatief voor bijvoorbeeld tenten van dierenhuiden. Dat begon zo’n tienduizend jaar geleden met stenen van ongebakken gedroogde klei, genaamd adobe. Adobe wordt nog steeds toegepast in Afrika en Azië, maar het heeft een beperkte levensduur en vraagt veel onderhoud.

Zo’n zesduizend jaar geleden werd uitgevonden hoe men van kalk een bindmiddel kan maken. Door kalksteen te branden bij zo’n 1000 °C ontstaat calciumoxide, dat met water kan reageren tot het bindmiddel luchtkalk. De luchtkalk kan met de er eerder uitgestookte CO₂ weer reageren tot kalksteen. Het is een traag proces en levert lage sterktes op, maar het was een forse stap vooruit ten opzichte van adobe.

De Romeinen wisten het bindmiddel sterk te verbeteren door aan de luchtkalk gemalen vulka­nische as toe te voegen en later ook wel gemalen gebakken klei. Dit bindmiddel kon ook onder water verharden en leverde veel betere eigenschappen op. De gebakken klei en vulkanische as kennen we nu onder de soortnaam puzzolaan. Puzzolanen zijn silicarijke materialen die met calciumhydroxide kunnen reageren tot zogeheten CSH-gel, de belangrijkste compo­nent van cement­steen.

Rond 1800 werd hydraulische kalk uitgevonden, de voorloper van portlandcement. Hydrau­li­sche kalk wordt gemaakt door kalk samen met klei te branden op circa 1.100 °C en het daarna te blussen met een beperkte hoeveelheid water. Naast Ca(OH)₂ ontstaat hierbij ook het klinkermineraal beliet (2CaO·SiO₂ of afgekort C₂S). Hydraulische kalk reageert hierdoor gedeeltelijk (de C₂S) met water (waarbij CSH-gel ontstaat) en niet uitsluitend met CO₂ uit de lucht zoals luchtkalk. Hydraulische kalk levert in vergelijking met luchtkalk een sneller verhardende en sterkere mortel op. Wat betreft eigenschappen zit het tussen luchtkalk en cement in.

Ook voor 1800 werd vaak onbewust hydraulische kalk geproduceerd, door het branden van onzuivere kalksteen die naast calciumcarbonaat ook klei of andere siliciumhoudende mine­ralen bevat. Oude gebouwen die zijn gemaakt met kalkmortels bevatten dan ook naast kalksteen (CaCO₃) vaak CSH-gel.

Rond 1850 werd het moderne portlandcement geïntroduceerd, dat naast C₂S (dicalciumsilicaat of beliet) vooral het veel sneller reagerende C₃S (tricalciumsilicaat of aliet) bevat. Portlandcement bestaat uit (gemalen) portlandcement­klinker waaraan een paar procent gips als bindtijdregelaar is toegevoegd. Port­land­cement­klinker wordt net als hydraulische kalk gemaakt door hoofdzakelijk kalksteen (80 – 90 %) en klei (10 – 15 %) te branden, maar op een veel hogere tempe­ratuur: circa 1.450 °C in plaats van circa 1.100 °C (figuur 3). De klei levert naast silicium ook aluminium en ijzer. Door de aanwezigheid van aluminium en ijzer kunnen de calcium­silicaten C₂S en C₃S bij deze relatief lage temperatuur gevormd worden. Naast C₂S en C­₃S bevat port­land­cement­klinker hierdoor C₃A (tricalciumaluminaat) en C₄AF (tetracalciumaluminaatferiet), compo­nenten die nauwelijks sterkte leve­ren (figuur 4). Ook zonder aluminium en ijzer kunnen C₂S en C₃S worden gevormd, maar wel bij een nog hogere temperatuur. Zo wordt witte klinker gemaakt met ijzerarme klei, waardoor een brandtemperatuur van zo’n 1.700 °C nodig is.

Portlandcementklinker vormt de basis voor alle normale cementsoorten. Portlandcement wordt gemaakt door portlandcementklinker te malen met een paar procent gips. De gips (calciumsulfaat) wordt een bindtijdregelaar genoemd, omdat het sulfaat snel reageert met het eerder genoemde klinkermineraal C₃A en daarmee voorkomt dat C₃A gelijk gaat reageren met water. Dat laatste zou namelijk resulteren in een snelle verharding van de betonspecie. Door het toevoegen van gips blijft betonspecie minimaal een uur verwerkbaar, waardoor het kan worden getransporteerd, gestort en verdicht.

Portlandcement (in de cementnorm aangeduid als CEM I) is wereldwijd het meest toegepaste cement en bestaat voor minimaal 95 % uit portlandcementklinker. In Nederland is hoogovencement het meest toegepaste cement. We kennen hierbij twee gangbare soorten: CEM III/A en CEM III/B. Bij hoogovencement is een groot deel of zelfs het grootste deel van de portlandcementklinker vervangen door hoogovenslak. Hoogovenslak is een product dat vrijkomt bij de productie van ruwijzer. In een hoogoven drijft de slak, een soort gesmolten gesteente, bovenop de vloeibare ruwijzer. Door de slak snel af te koelen, genaamd granuleren, ontstaat een glasachtig zand dat na malen samen met gemalen portlandcementklinker kan reageren met water. Vanuit de hoogovenslak wordt bij de reactie met water dezelfde CSH-gel, de basis van cementsteen, gevormd als bij de hydratatie van portlandcementklinker. De portlandcementklinker levert in hoogovencement niet alleen sterkte, maar zorgt er door de hoge pH die ontstaat wanneer het in contact komt met water ook voor dat de slak kan oplossen en vervolgens reageren.

Hoogovencement CEM III/A bestaat voor minimaal 36 % en maximaal 65 % uit hoogovenslak en verder uit klinker; CEM III/B bestaat uit minimaal 66 % en maximaal 80 % hoogovenslak en verder uit klinker. Naast hoogovenslak kunnen ook poederkoolvliegas (afkomstig van met kolen gestookte elektriciteits­centrales), kalksteen, natuurlijke puzzolanen (lavameel), gecalcineerde (verhitte) natuurlijke puzzolanen (gecalcineerde klei), silica fume, gebrande leisteen en gerecyclede cementsteen als hoofdbestanddelen voor cement worden toegepast. Er zijn in de drie normen voor cement, EN 197-1, EN 197-5 en EN 197-6, bijna 40 verschillende cementen gedefinieerd.

In onderstaande tabel worden de samenstellingen van in Nederland gangbare cementen gegeven.