tekton bahan 1
TRANSCRIPT
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