Sementti

Sementti on betonin tärkein, muttei määrältään suurin, raaka-aine. Puhuttaessa sementistä, tarkoitetaan yleensä Portland-sementtiä (tai Portland-seossementtejä), joka on saanut nimensä Portland -kivestä, jota kovettunut betoni muistuttaa. Portlandsementit ovat hydraulisia, eli niissä olevat aineet reagoivat kemiallisesti sementtiin lisätyn veden kanssa.  Nämä kemialliset reaktiot muodostavat hydraatteja eli sementin osa-aineet muodostavat veden kanssa kemiallisia sidoksia - sementin tapauksessa lujia mineraaleja. Sementti ei siis veden kanssa reagoidessaan "kuivu" vaan hydrautuu.

Sementin ja veden välisiä hydrataatioreaktioita käsitellään tarkemmin edellä. Sementin ja veden reaktiotuote, sementtikivi, liittää yhteen betonin muut aineosat. Sementtikiveä kutsutaan myös sementtiliimaksi. Sementtipastaksi kutsutaan vielä hydratoitumattonta veden ja sementin seosta. Muita, huomattavasti vähemmän käytettyjä sementtityyppejä ovat mm. aluminaattisementit sekä magnesiumsementit (mm. Sorelin sementti). Tässä osiossa sementillä tarkoitetaan Portland-sementtiä ja Portland-seossementtejä. Muista sementeistä lisää täällä. Yläpuolella olevassa kuvassa on Paraisten Finnsementin sementtitehdas (kuva, Finnsementti).

 

Sementin valmistus

Sementin pääraaka-aine on louhittu kalkkikivi, eli kalsiumkabonaatti (CaCO3), jonka lisäksi tarvitaan piidioksidia (SiO2), rautaa (Fe2O3) ja alumiinia (Al2O3) sisältäviä kivilajeja.  Vasemman puoleisessa kuvassa kalkkikivilouhos (kuva: Johanna Tikkanen). Sementin valmistuksen kannalta on merkittävää, että maankuoren alkuaineista happi, pii, alumiini, rauta ja kalsium ovat viisi yleisintä alkuainetta.
 
Sementin valmistuksessa tarpeellisia rauta- ja alumiiniyhdisteitä saadaan tavallisesti riittävästi kalkkivilouhinnan yhteydessä syntyvästä sivukivestä. Louhinnan jälkeen näitä kivilaatuja pyritään erottamaan toisistaan valikoivalla lastauksella. Tämän jälkeen kukin kivilaatu murskataan karkealla ja hienolla murskaimella, minkä jälkeen ne välivarastoidaan. Varsinaisen prosessin alkuvaiheessa kiviainekset syötetään halutussa suhteessa raakamyllyyn, jossa tapahtuu tämän kiviainesseoksen jauhtaus.  Raaka-aineiden syöttösuhteet määritetään kiviainesten kemiallisen koostumuksen perusteella. Jauheen tarkka kemiallinen resepti takaa oikean koostumuksen sementtiklinkkerille. Jauheen tasalaatuisuus varmistetaan homogenoinnilla. Tätä vaihetta kutsutaan raaka-jauhatukseksi.
 
Raakajauhe syötetään homogenointisiiloista uunin esilämmitysjärjestelmään, joka muodostuu sykloneista ja nousuputkista tai kalsinaattorista. Siellä jauhe sekoittuu poltosta tuleviin savukaasuihin ja kuumenee nopeasti. Reaktio on nimeltään esikalsinointi. Siinä kalkkikiven kalsiumkarbonaatti (CaCO3) hajoaa kalsiumoksidiksi (CaO,lyhenne sementtikemiassa C) ja hiilidioksidiksi (CO2).
 
Sementtiklinkkerin poltto tapahtuu kiertoilmauunissa (viereisessä kuvassa sementin polton kieroilmauuni, kuva: Finnsementti). Lämpötilan noustessa hitaasti noin 1450 °C:seen ja jauhe sulaa osittain. Tällöin kalkki, pii, alumiini ja rautayhdisteet ovat jo reagoineet kalsiumyhdisteiksi, jotka sitten sintraatuvat sementtiklinkkeriksi. Uunin loppupäässä klinkkeri jäähdytetään nopeasti noin 275 °C:seen, jolloin se muistuttaa karkeaa soraa ja se ajatetaan kuljettimella varastoon odottamaan jatkokäyttöä.
​​​​​
Klinkkeri koostuu pääosin seuraavista mineraaleista: aliitti (trikalsiumsilikaatti C3S), beliitti (dikalsiumsilikaatti C2S), aluminaatti (trikalsiumaluminaatti C3A), ja ferriitti (tetrakalsiumaluminaattiferriitti C4AF). Säätämällä näiden mineraalien keskinäisiä suhteita klinkkerissä voidaan vaikuttaa sementin ominaisuuksiin.
 

Sementti jauhetaan kuulamyllyssä haluttuun hienouteen. Jauhatuksessa sementtiin lisätään aina kipsiä. Sementin reagoidessa veden kanssa reagoivat ensin klinkkerimineraalien aluminaattiyhdisteet (C3A ja C4AF). Jotta reaktio ei tapahdu heti veden lisäyksen jälkeen, sementtiin jauhatusvaiheessa lisätty kipsi hidastaa aluminaatin reaktiota, mikä antaa betonimassalle
sopivan työstöajan.
Joko jauhatusvaiheessa tai sen jälkeen sementtiin voidaan lisätä myös erilaisia seosaineita kuten masuunikuonaa, lentotuhkaa tai kalkkikiveä - näin muodostetaan seossementtejä.

Sementin jauhatuksessa syntyy suuria lämpömääriä, ja välittömästi jauhatuksen jälkeen sementin lämpötila on noin 50...100 °C. Varsinkin kesäaikana sementin menekin ollessa suuri myös säilytysaika varastosiiloissa on lyhyempi, ja tällöin sementin lämpö-
tila asiakkaan luona voi olla jonkin verran normaalia korkeampi. Sementin vaikutus betonimassan lämpötilaan on kuitenkin pieni verrattuna muihin betonin ainesosiin. Esimerkiksi betonissa, jossa on sementtiä 300 kg/m3, 10 °C:n nousu sementin lämpötilassa nostaa betonin lämpötilaa vain 1 °C.

Sementin koostumusta ja laatuvaatimuksia sekä vaatimustenmukaisuusehtoja ohjaa sementtistandardi SFS-EN 197-1 Sementti. Osa 1: Tavallisten sementtien koostumus, laatuvaatimukset ja vaatimustenmukaisuus. Betonin valmistukseen käytettävien sementtien tulee olla CE-merkittyjä ja täyttää sementtistandardin vaatimukset. CE-merkintä edellyttää sementtien tuotesertifiointia, jossa niin sanottu arviointilaitos varmentaa sementtien täyttävän standardin SFS-EN 197-1 vaatimukset. Arviointilaitos tarkastaa säännöllisesti tehtaan tuotanto-olosuhteet ja laadunvalvontaan liittyvät asiat, kuten näytteenoton, laboratoriot, laitteet ja menetelmät sekä laadunvalvontatulokset. Tuotteen tulee täyttää standardissa asetetut vaatimukset niin alkutestauksessa, jatkuvassa tuotannossa kuin pistokoenäytteissäkin.

 

Sementin koostumus ja sementtilajit

Sementtilajit poikkeavat toisistaan mm. kemialliselta ja mineralogiselta koostumukseltan. Tavanomaisen klinkkerin kemiallinen koostumus on esitetty oheisessa taulukossa, jossa on myös sementtikemiassa yleisesti käytössä olevat lyhenteet.

Sementtiklinkkerin keskimääräinen kemiallinen koostumus

Oksidikomponentti      Sementtikemian lyhenne      Paino-osuus [%]   
CaO C 60...67 
SiO2 S 17...25
Al2O3 A 3...8
Fe2O3 F 0,4...3
MgO   0,6...4,0
Na2O + K2O N, K < 1,5
TiO2, MnO, SO3 jne   pieniä määriä

Sementtiklinkkeri koostuu neljästä päämineraalista: trikalsiumsilikaatista C3S (3CaO - SiO2), dikalsiumsilikaatista C2S (2CaO -SiO2), trikalsiumaluminaatista C3A (3CaO - Al2O3) ja tetrakalsiumaluminaattiferriitistä C4AF (4CaO - Al2O3 - Fe2O3). 

Betonin lujuudesta vastaavat päämineraalit C3S ja C2S. Niille tunnusomaista on suuri loppulujuus. Ne kuitenkin eroavat toisistaan reaktionopeudessa ja lämmöntuotossa - C3S reagoi huomattavasti nopeammin ja tuottaa enemmän lämpöä.  Sementin polttolämpötilalla voidaan vaikuttaa klinkkerikoostumukseen: alhaisemmissa lämpötiloissa hitaammin reagoivan C2S:n osuus kasvaa.

C3A:lla on suuri reaktionopeus ja suuri lämmöntuotto mutta sen loppulujuus on kuitenkin mitätön. Huomattavaa on, että C3A ei kestä sulfaatteja, minkä vuoksi sen osuus on rajoitettu sulfaatin kestävissä sementeissä enintään 3,0 %:in. C4AF:n reaktionopeus on hidas ja loppulujuus todella pieni mutta lämmöntuotto on suurta.
 

Sementtien päälajit

Sementtistandardi SFS-EN 197-1 lajittelee sementit viiteen päälajiin:

CEM I Portlandsementti (korkeintaan 5 % seosaineita)
CEM II Portlandseossementti (A seosaineita 6-20 % tai B seosaineita 21-35 %)
CEM III Masuunikuonasementti (masuunikuonaa 36-80 %)
CEM IV Pozzolaanisementti
CEM V Seossementti

Päälajit jaetaan edelleen eri sementtilajeihin käytetyn seosaineen ja seosainemäärien perusteella. Standardi käsittää yhteensä 27 eri sementtilajia. Standardi tunnistaa sementin seosaineiksi masuunikuonan (S), kalkkkikiven (L tai LL), silikan (D), pozzolaanit (P tai Q), lentotuhkan (V tai W) sekä poltetun liuskeen (T).

Kaikki sementtilajit voivat sisältää seosaineita sekä tarvittavan määrän sitoutumisajan säätämisen tarkoitettua kipsiä. Seosainemäärät ilmoitetaan tavallisesti prosentteina sementin ja seosaineiden yhteisestä määrästä.

Betoninormien (by 65 Betoninormit) mukaan kuitenkin vain osan sementtilajeista katsotaan soveltuvan suomalaisiin olosuhteisiin ilman eri selvitystä. Normeissa esitetään eri sementtilajien soveltuvuus rasitusluokittain. Alla olevassa taulukossa  on Suomessa sallittujen sementtien koostumusvaatimukset.

Standardin mukaan rakennussementit tulee yksilöidä vähintään sementtilajin tunnuksella (sisältää seosainetunnuksen), lujuusluokkaa kuvaavalla luvulla ja varhaislujuutta kuvaavalla kirjaimella. Rakennussementit jaetaan kolmeen standardilujuusluokkaan, jossa standardilujuudella tarkoitetaan sementin puristuslujuutta 28 vuorokauden iässä. Lujuusluokat ovat 32,5, 42,5 ja 52,5. Joka standardilujuusluokalle on lisäksi otettu kaksi varhaislujuusluokkaa, joissa N tarkoittaa normaalia varhaislujuutta ja R korkeaa varhaislujuutta.

 

Erikoisominaisuudet

Sulfaatinkestävyys ja alhaislämpösementtien alhainen hydrataatiolämpö ovat sementtien lisäominaisuuksia. Tavallinen rakennussementti katsotaan alhaislämpösementiksi, jos sen hydrataatiolämpö ensimmäisten 7 vuorokauden aikana ei ylitä arvoa 270 J/g (standardi SFS-EN 196-8). Sementtistandardi SFS-EN 197-1 tuntee 7 erilaista sulfaatinkestävää sementtiä,
jotka ryhmitellään kolmeen päälajiin koostumuksen perusteella seuraavasti:

  1. Sulfaatinkestävät portlandsementit CEM I-SR 0, CEM I-SR 3 ja CEM I-SR 5, joissa klinkkerin C3A-pitoisuudet ovat 0 % ≤ 3 % ja ≤ 5 %.
  2. Sulfaatinkestävät masuunikuonasementit CEM III/B-SR ja CEM III/C-SR, joissa sulfaatinkestävyys perustuu masuunikuonan määrään sementissä ja joissa on kuonaa 66…80 % ja 81…95 %.
  3. Sulfaatinkestävät pozzolaanisementit CEM IV/A-SR ja CEM IV/B-SR, joissa klinkkerin C3A-pitoisuus ≤ 9 % ja joissa on pozzolaaneja 21…35 % ja 36…55 %.
Väri

Eri tehtaiden sementtilaatujen värit poikkeavat jonkin verran toisistaan lähinnä raakaainepohjan erilaisuudesta johtuen. Tehtaiden tuotekohtaiset värin vaihtelut ovat kuitenkin hyvin pienet. Vasta yli kahden prosenttiyksikön vaaleuserot voi käytännössä havaita silmin, ja betonissa sementin aiheuttamat värierot ovat vielä pienemmät. Sementin vaikutus lopputuotteen väriin ja ulkonäköön on erittäin pieni monien muiden tekijöiden rinnalla.

Seosaineet vaikuttavat sementin väriin, etenkin suurina määrinä. Huomattavin ero sementin värisävyssä on luonnollisesti valkosementin ja harmaiden sementtien välillä. Sementin väri eli vaaleus voidaan mitata standardin ISO 2470 mukaisesti. Valkosementin ISO-vaaleus on tällöin noin 80 ja harmailla sementeillä 24…35. SR-sementti on sementeistä tummin. Asteikossa 0 vastaa täysin mustaa ja 100 täysin valkoista.

Yli kahden prosenttiyksikön vaaleuserot ovat silmin havaittavissa. Sementtilaadun sisäiset värivaihtelun vaikutukset betonissa ovat hyvin pienet verrattuna esimerkiksi vesi-sementtisuhteen vaihtelun aiheuttamiin sävyeroihin. Sementin vaihtamista on suositeltavaa kuitenkin välttää, mikäli betonin värin tasaisuus on tärkeää.​​​​​
Valkosementtiä käyttämällä betonipinnoista saadaan vaaleita. Kuvassa vuoden betonirakenne 2016 As Oy Helsingin Viuhka, kuva Adrers Portman.

 

Sementin hienous

Jauhatuksessa sementtiklinkkeri murskautuu hienojakoiseksi pulveriksi. Sementin hienousaste eli kuinka hienojakoiseksi sementti on jauhettu, vaikuttaa sementin ominaisuuksiin. Sementin hienoutta arvioidaan sen ominaispinta-alan mukaan ilman läpäisevyyteen perustuvilla menetelmillä. Yleisimmin käytössä on R. L. Blainen kehittämä menetelmä (SFS-EN 196-6). Mitä hienommaksi sementti jauhetaan, sitä enemmän sillä on reaktiopintaa. Reaktiopinnan kasvu lyhentää sitoutumisaikaa sekä nopeuttaa sementin hydrataatiota, lujuudenkasvua ja lämmöntuottoa. Mitä hienompaa sementti on, sitä suurempi on sen vedentarve tietyn notkeuden saavuttamiseksi. Sementin ominaispinta-alan kasvaessa lisääntyvät valmiin tuotteen kutistumat ja taipumus halkeiluun. Suomalaisten rakennussementtien hienous vaihtelee ollen kaikki sementtityypit mukaan lukien 300...550 m2/kg (Blaine).
 

Sementin lämmönkehitys

Veden ja sementin reaktio (käsitellään seuraavassa kappaleessa) on lämpöä tuottava, eli eksoterminen. Lämmönkehityksen suuruuteen vaikuttaa sementin koostumus (sementtilaji). Sementin hienuosaste vaikuttaa lämmönkehityksen nopeuteen. Myös lämpötila, jossa hydrataatio tapahtuu, on merkittävä vapautuvan lämpömäärän suhteen. Tärkeää on muistaa, että lämmön- ja lujuudenkehitys ovat rinnakkaisia ilmiöitä sementin hydrataatiossa - seuraamalla lämmönkehtiystä voidaan arvioida suhteellisen tarkasti lujuudenkehitystä. 

Lämmönkehityksellä on suuri merkitys varsinkin massiivisia betonirakenteita valmistettaessa. Lämpötilan nousu lisää halkeamisriskiä, kun rakenteen sisäosat lämpenevät enemmän ja jäähtyvät hitaammin kuin rakenteen pintaosat. Lämmönkehityksestä voi olla myös hyötyä. Talvibetonoinnin yhteydessä on perusteltua käyttää nopeammin kovettuvaa sementtiä hitaamman sementin asemesta, koska rakenteen lämpötila ja lujuus kehittyvät silloin suotuisammin nimenomaan ensimmäisten, ratkaisevien vuorokausien aikana (kts. Talvibetonointi)


 

Sementin reaktiot veden kanssa

Sementin tärkein ominaisuus on sen kyky reagoida veden kanssa muodostaen sementtiliiman, jota kovettuneessa betonissa kutsutaan sementtikiveksi. Veden ja sementin seosta kutsutaan myös sementtipastaksi. Sementti on hydraulinen sideaine eli aine, joka kovettuu reagoimalla veden kanssa ja myös veden alla. Hydrataatioprosessi jaetaan neljään/viiteen eri vaiheeseen, joissa vapautuu lämpöä: alkureaktioon (SI), lepokauteen (SII), sitoutuminen (SIII), kovettuminen (SIV)  sekä mahdolliset turmelevat hydrataatioreaktiot (SV).

SI: Vaihe, jossa lyhyt ja nopea alkureaktio tapahtuu heti veden lisäyksen jälkeen.
SII: Lepovaihe, jossa reaktiotoiminta on vähäistä 
SIII: Reaktiotoiminta kiihtyy ja on erittäin aktiivista. Vaiheen aikana sementti sitoutuu ja kovettuminen pääsee alkuun,
SIV: Reaktiotoiminnan aste vähenee merkittävimpien reaktioiden vähitellen päättyessä. Betonin kovettuminen on pääosin tapahtunut.
SV: Lujuudenkehittymisreaktiot ovat (lähes) loppuneet, mutta säilyvyyden kannalta turmelevaa hydrataatiota tai laajenemista voi tapahtua.

Sementtigeelin syntyä ja sementin sitoutumisen ja kovettumisen eri vaiheiden perusperiaatteet on esitetty alla olevassa animaatiossa. Seuraavassa osiossa tarkastelemme reaktioita ja sen eri vaiheita tarkemmin.

Alkureaktio

Sementin ja veden sekoituksen yhteydessä alkavat helppoliukoiset aineet liueta sementtirakeiden pinnasta. Aluminaatit  (C3A ja C4AF) reagoivat muodostaen kalsiumaluminaattihydraatteja, jotka kipsin sulfaattien vaikutuksesta muuttuvat kuitumaiseksi ettringiitiksi eli trisulfaatiksi. Kipsin reaktio kalsiumaluminaatin kanssa riippuu kipsin määrästä. Korkeilla kipsipitoisuuksilla muodostuu trisulfaattia eli ettringiittiä ja alhaisilla pitoisuuksilla monosulfaattia.  Aluminaattiyhdisteet eivät vaikuta kovin paljon betonin lujuuteen, mutta ne ovat välttämättömiä sementin varhaisreaktioiden ja klinkkerin polton kannalta.

Sementin sisältämä trikalsiumsilikaatti C3S reagoi vapauttaen Ca(OH)2:a, jolloin seosveden pH -arvo kasvaa nopeasti (betonin huokosvedestä tulee emäksistä). Veden tullessa ylikylläiseksi kalsiumhydroksidi saostuu veteen heksagonaalisina kiteinä.

Trikalsiumsilikaatti (C3S) ja dikalsiumsilikaatti (C2S) sen sijaan vastaavat sementin lujuudesta. C3S reagoi nopeammin veden kanssa muodostaen kalsiumsilikaattihydraatteja (CSH). C2S vastaa myöhemmästä lujuudenkehityksestä. 
Sementin ja veden reaktiossa sementtihiukkasista syntyy ensin sauvamaisista ja levymäisistä kiteistä koostunutta massaa, jota kutsutaan sementtigeeliksi.

 

Lepokausi

Lepokauden aikana reaktiotoiminta hidastuu. Tämän "uinuvan vaiheen" vuoksi betoni pysyy muokattavana ja se voidaan valaa esim. muottiin. 

 

Sitoutuminen

Sementin ja veden sekoituksen jälkeen seos pysyy aluksi notkeana (lepovaiheen ajan), mutta yleensä noin parin tunnin kuluttua sementtipasta alkaa hyytelöityä ja menettää plastisuuttaan eli sementin sitoutuminen alkaa. Veden ja sementin reaktiot siis jatkuvat myös lepokauden aikana muodostaen kalsium- ja hydroksyyli-ioineita (Ca(OH)2), mutta toiminta on vaan hitaanpaa. Hiljalleen liuos kylläinen, joilloin ionit alkavat kiteytyä. Samalla kalsiumsilikaattihydraattia (CSH) alkaa muodostua. Samalla reaktion tuottama lämpö nousee.


Sementin hydrataatioprosessin eri vaiheet ja niissä tapahtuva lämmön vapautuminen.

Muodostuvan CSH -geelin kuidut ovat pitkiä, jotka toimivat yhteenliittävänä materiaalina osittain hydratoituneiden sementtihiukkasten välillä. Hyytelön kiinteys lisääntyy tämän jälkeen ajan funktiona ja alkaa  kovettuminen eli varsinaiset lujittumisreaktiot. Selvää rajaa sitoutumisen ja kovettumisen välillä ei ole, vaan sitoutuminen on kovettumisen alkutapahtuma. Sementin sitoutumisajan alku on aika vedenlisäyksestä siihen hetkeen, jolloin sementtiliima saavuttaa tietyn jäykkyyden.

Sementin sitoutumisaika on riippuu mm. sementin kemiallisesta koostumuksesta ja sen hienoudesta (jauhatusasteesta). Sitoutuminen on myös hyvin riippuvainen lämpötilasta. Kun lämpötila nousee 10 oC, sitoutumisaika lyhenee karkeasti arvioiden puoleen. Kylmä ilma hidastaa oleellisesti sementin sitoutumista ja lujuudenkehitystä. Seuraamalla betonin lämpötilaa, voidaan betonin arvioida betonin lujuudenkehitystä.
Sitoutumisajan saavuttanutta betonia ei saa enää häiritä esimerkiksi vibraamalla, sillä silloin muodostuneet CSH -geelin kuidut (hydrataatiotuotteet) rikkoutuvat ja seurauksena voi olla lujuuskato. Sitoutumisajan lopussa noin 15 % sementtistä on hydratoitunut.


Sementin sitoutumisen ja kovettumisen eri asteita valo- ja kaavakuvin esitettynä:
a) Välittömästi sekoituksen jälkeen sementtihiukkasten pinnasta liukenee veteen kalsiumia, silikaattia, alumiinia ja sulfaattia sekä alkalimetalleja.
b) Sementtirakeiden pintaan alkaa syntyä hydrataatiotuotteita (CSH-geeliä, ettringiittiä, Ca(OH)2), jotka laajenevat sementtihiukkasen pinnalta vesitilaan.
c) Muutaman tunnin kuluttua reaktiotuotteet ovat jo toisissaan kiinni ja sitoutuminen on alkanut. d) Muutaman vuorokauden kuluttua hydrataatio on jo edennyt pitkälle, mutta jatkuu edelleen niin kauan kuin reagoimatonta sementtiä ja vapaata vettä riittää.

 

Betonin valmistuksen yhteydessä voi joskus esiintyä valesitoutumiseksi kutsuttu ilmiö, mikä johtuu siitä, että kipsi on menettänyt kidevetensä sementin jauhatuksen korkean lämpötilan vuoksi. Tällöin kipsi reagoi nopeasti veden kanssa ja betonimassa jäykistyy. Jäykkyys kuitenkin häviää jo minuutin kuluttua, kun massaa sekoitetaan uudelleen. Sementin reaktiot tapahtuvat tämän jälkeen aivan normaalisti, eikä valesitoutuminen vaikuta haitallisesti lopputulokseen.
 

Kovettuminen

Varsinaiset lujittumisreaktiot eli kovettuminen alkavat sitoutumisajan päätyttyä ja jatkuvat niin käytännössä niin kauan kuin hydratoitumiseen osallistumiskykyistä vettä on saatavilla.  Selvää rajaa sitoutumisajan lopun ja kovettumisen alun välille on mahdoton määrittää. Kuitenkin noin vuorokauden kuluttua veden lisäyksestä kapillaarihuokoset ovat osittain täyttyneet sementtigeelillä (CSH) ja ainoastaan kaikkein pienimmät sementtihiukkaset ovat ehtineet hydratoitua kokonaan. Kovettumisen alussa silikaattihydraattien muodostuminen on runsasta ja myös lämmön tuotanto merkittävää. 

Jos sementissä ei ole ollut riittävästi kipsiä, sementin sisältämä trikalsiumaluminaatti (C3A) reagoi veden kanssa voimakkaasti ennen silikaattien hydrataatiota alkureaktiovaiheessa (SI). Yleensä aina kipsipitoisuus on kuitenkin sellainen, että se pystyy siirtämään tämän reaktion veden sekoittamsihetksestä yli vuorokaudella. Tällöin kipsin suhteen ylimääräinen C3A reagoi veden kanssa muodostaen aluminaattihydraatteja, joista tärkein on C4AH13. Sementtikiven ja betonin lujuuden kannalta tällä reaktiolla ei ole merkitystä.

Ettringiitti (trisulfaatti) ei ole pysyvä yhdiste, vaan se hajoaa nopeasti muodostuen nopeasti välittömästi uudelleen. Myöhemmin ettringiitti osittain hajoaa pysyvästi takaisin monosulfaatiksi, jonka osuus sementtipastasta alkaa lisääntyä noin 7 vuorokauden jälkeen. Alla olevassa kuvassa on esitetty hydraataatiotuotteiden  muodostuminen hydrataation eri vaiheissa.  Sitoutumisen alussa muodostuvat pidemmät CSH-kuidut on merkitty kuvaan roomalaisella numerolla II ja kovettumisen aikana muodostuvat lyhyemmät CSH-kuidut luvulla I. 

Sementtiliiman hydrataatioaste (α) riippuu saatavilla olevasta vesimäärästä. Sementti sitoo hydratoituessaan itseensä kemiallisesti vettä, jonka määrä on noin 25 % sementin painosta. Tämän lisäksi vettä sitoutuu fysikaalisesti geelihuokosiin noin 20 % sementin painosta, joten täydellisen hydrataation edellyttämä vesimäärä on 40...45 % sementin painosta.

Kovettuneessa sementissä eli sementtikivessä on siis vettä eri tavoin sidoksissa. Kiinteimmin vettä on kemiallisten yhdisteiden molekyyleissä ja vähemmän kiinteästi geelihuokosten pinnalle adsorboituneena. Lisäksi vettä on niin sanottuna vapaana vetenä sementtikiven kapillaarihuokosiin imeytyneenä sekä mahdollisesti muissa suurissa huokosissa ja tyhjätiloissa. Kovettuneen sementtikiven rakennetta käsitellään tarkemmin betonin huokosrakenteen yhteydessä.
 

Turmeleva hydrataatio

Turmelevaksi hydrataatioksi kutsutaan hydrataatioraktioita, jotka tapahtuvat sementtikiven kovettumisen jälkeen ja jotka aiheuttavat laajenemista. Näitä ilmiöitä ovat mm. alkali-kiviainesreaktiot sekä sulfaattirasituksen aiheuttamat reaktiot sementtikivessä. Kyseisiä reaktioita käsitellään tarkemmin Betonin säilyyden yhteydessä.

 

Sementin laadunvalvonta

Betonin laatu koostuu sen osa-aineiden laadusta ja osa-aineiden yhdistämisen onnistumisesta. Koska sementtiä voidaan pitää betonin tärkeimpänä osa-aineena, on sillä myös osa-aineista tiukin laadunvalvonta, johon sisältyvät valmistajan sisäisen laadunvalvonnan (kuva 2.1.6) lisäksi viranomaisten tekemä tuotannon ja laadunvalvonnan tarkastus sekä laboratorioiden väliset tasotarkastukset.

Laadunvalvonnan tehtävänä on valvoa, että tuote täyttää sille asetetut vaatimukset. Sementin laadulle asettavat vaatimuksia sekä viranomaiset että sementin käyttäjät. Viranomaisten vaatimusten lähtökohtana on turvallisuus eli se, että rakenteet,
joissa sementtiä käytetään, kestävät kuormitukset ja rasitukset, jotka niiden on suunniteltu kestävän. Tämän vaatimuksen lisäksi sementin laadulta vaaditaan tasaisuutta, jotta siitä valmistettavat betonit täyttäisivät omat laatuvaatimuksensa ja tuotannon taloudellisuus voitaisiin optimoida. Näiden vaatimusten pohjalta sementin valmistaja määrittelee tuotantoaan varten ohjearvot, joiden mukaan prosessia ohjataan. Sementin laadunvalvonta tai pikemminkin laadunvarmistus on kiinteä osa sementin valmistusprosessia.


Sementin laadunvalvontatoimenpiteisiin kuuluvien puristuslujuuskoekappaleiden
(laastiprismojen) valmistus. (Kuvat Finnsementti Oy).

 

Sementin laadunvalvonta alkaa kalkkikivilouhoksella, missä kivi louhitaan geologisen kartoituksen perusteella tehdyn suunnitelman mukaan. Räjäytyksen ja murskauksen jälkeen kalkkikivi lajitellaan optisen laitteen avulla sekä osittain myös käsin.

Kalkkikivestä määritetään tasaisin väliajoin kalsiumkarbonaattipitoisuus, jonka mukaan se jaotellaan eri laatuihin. Kalsiumkarbonaattipitoisuus vaikuttaa merkittävästi klinkkerin polton onnistumiseen ja klinkkerin laatuun.

Klinkkerin valmistuksessa käytetään kalkkikiven (n. 95 %) lisäksi pieniä määriä muun muassa kuonaa, hiekkaa ja valssihilsettä, joista saadaan piidioksidia, alumiinioksidia ja rautaoksidia ja jotka lisätään kalkkikiven joukkoon raakajauhatuksen yhteydessä.
Jotta klinkkerille saataisiin tavoitellut ominaisuudet, ohjataan raakajauheen koostumusta kalkkistandardin, silikaattimoduulin ja aluminaattimoduulin avulla. Raakajauheesta otetaan kerran tunnissa näyte, josta määritetään kalkkistandardi ja edellä mainitut moduulit sekä SO3-pitoisuus. Näytetulokset syötetään prosessitietokoneeseen, joka vertaa arvoja syöttötietoihin ja määrittää uudet syöttösuhteet. Raakajauhe siirtyy homogenisointisiiloon, josta se kulkee ylemmän siilon kautta
alempaan ja edelleen syklonijärjestelmän annostelusäiliöihin. Tässä vaiheessa raakajauheen nimi muuttuu uunijauheeksi. Uunijauheen koostumus tarkistetaan vielä ennen uuniin menoa. Uunijauheesta määritetään samat arvot kuin raakajauheestakin.

Uunijauhe siirtyy syklonijärjestelmän kautta uuniin, ja klinkkerin poltto alkaa. Polton aikana seurataan muun muassa uunin lämpötiloja, happimääriä ja typen oksideja. Valmiista klinkkeristä otetaan kerran kahdessa tunnissa näyte, josta analysoidaan
vapaan kalkin määrä. Vapaa kalkin määrä kertoo, ovatko raakajauheen koostumus ja poltto onnistuneet. Tämän lisäksi klinkkeristä määritetään myös litrapaino, joka omalta osaltaan kertoo polton onnistumisesta. Klinkkeristä kootaan myös vuorokauden ajalta niin sanottu kokoamanäyte, josta jälleen kerran määritetään kalkkistandardi.


Raaka-aineiden punnitus alkuainepitoisuuksien mittausta varten (kuva Finnsementti Oy)

Sementin jauhatuksessa käytetään klinkkerin lisäksi kalkkikiveä, granulikuonaa ja kipsiä. Myllykohtaiset reseptit eri sementtilaaduille määräävät aineiden annostelusuhteet ja tavoitehienouden. Jauhetusta sementistä otetaan joka toinen tunti näyte hienouden määrittämistä varten. Saadun tuloksen perusteella myllyn säätöihin tehdään tarvittaessa korjauksia. Vuorokauden aikana kerätystä jauhatusnäytteestä tehdään sitoutumisaikakoe, jonka avulla selvitetään, onko sementin joukkoon jauhetun kipsin määrä sopiva. Koe paljastaa myös mahdollisen valesitoutumisen, jonka aiheuttaa kipsin kideveden menetys jauhatuksen aikana. Koska sementti on tässä vaiheessa valmista, se siirtyy ensimmäistä kertaa myös sideainelaboratorion testattavaksi. Jauhatusnäytteistä tehdään puristuslujuusprismat ja määritetään sementin hienous. Kemianlaboratorio testaa tässä vaiheessa sementin SO3- ja CO2-pitoisuudet sekä vesiliukoisien kromaattien (ns. kromi VI) määrän. Jauhatusnäytteiden tulokset antavat käsityksen siitä, minkälaista sementtiä lastaukseen on tulossa.


Sementin sitoutumisajan määritys (kuva: Finnsementti Oy).

Sementeistä otetaan kaksi kertaa viikossa, lastauksen yhteydessä, niin kutsutut viralliset siilonäytteet. Siilonäytteistä testataan standardien edellyttämät ominaisuudet standardin määrittämin väliajoin: puristuslujuus, sitoutumisaika ja sulfaattipitoisuus määritetään joka lastausnäytteestä; kloridipitoisuus sekä portlandsementeistä (CEM I) hehkutushäviö ja liukenematon jäännös kerran kuukaudessa. Myös sementtien koostumus (seosainemäärät) määritetään kerran kuukaudessa. Edellisten lisäksi usein määritetään sementin hienous, vaaleus ja vesiliukoinen kromaatti sekä tehdään joitakin muita täydentäviä analyysejä prosessin tarkistukseksi.

Sementtien kelpoisuus osoitetaan sementtistandardin SFS-EN 197-1 mukaisen menettelyn mukaisesti, jolloin sementin CE-merkintä on osoitus standardin vaatimusten täyttymisestä. CE-merkitseminen edellyttää sementtien tuotesertifiointia, jossa arviointilaitos varmentaa sementtien täyttävän standardin SFS-EN 197-1 vaatimukset. Arviointilaitos tarkastaa säännöllisesti tehtaan tuotanto-olosuhteet ja laadunvalvontaan liittyvät asiat, kuten näytteenoton, laboratoriot, laitteet ja menetelmät sekä laadunvalvontatulokset. Tuotteen tulee täyttää standardissa asetetut vaatimukset niin alkutestauksessa, jatkuvassa tuotannossa kuin pistokoenäytteissäkin.


Tilavuuden pysyvyyden määritys Le Chatelier -kokeella. (Kuva Finnsementti Oy.)
 

Kromi VI

Vesiliukoinen kuudenarvoinen kromi (Cr+6) sementissä on haitallista, sillä sille altistuminen voi aiheuttaa muun muassa herkistymistä ja voimakasta ihoallergiaa. Sementti sisältää luotaisesti vesiliukoisessa muodossa esiintyvää kromia, mutta se voidaan sitoa lähes kokonaan liukenemattomaan muotoon sementin valmistusprosessissa.
 
Vesiliukoiset kromi VI -yhdisteet (kromihappo, kromaatit, dikromaatit), on luokiteltu muun muassa syöpää aiheuttaviksi ja herkistäviksi aineiksi CLP-asetuksen mukaisessa yhdenmukaistettujen luokitusten luettelossa, ja ne voivat aiheuttaa kivuliaan, työkyvyttömyyteen johtavan allergisen ihottuman ihmisissä, jotka altistuvat rakennusteollisuuden paljon käyttämille märille betonivalmisteille. Haitalliset vesiliukoiset kromi VI -yhdisteet passivoidaan sementin jauhatuksen yhteydessä rautasulfaatilla, vähemmän haitalliseksi kromi III:ksi. Haitalliset terveysvaikutukset ovat vähentyneet merkittävästi maissa, joissa tämä tekniikka on otettu käyttöön.
 
EU:n REACH-asetuksen (EU) N:o 1907/2006 liitteen XVII rajoitus n:o 47 kieltää käyttämästä tai saattamasta markkinoille sementtiä tai sementtiä sisältäviä seoksia, jos ne sisältävät veteen sekoitettuna enemmän kuin 2 mg/kg (0,0002 %) liukoista kromi VI:tta sementin kokonaiskuivapainosta. Jos sementin sisältämän kromi VI:n pitoisuuden alentamiseen on käytetty pelkistävää ainetta, on sementin tai sementtiä sisältävän valmisteen pakkauksessa oltava selvästi luettavat ja pysyvät merkinnät
1) pakkauspäivämäärästä sekä
2) varastointiolosuhteista ja
3) varastointiajasta,
jotka riittävät ylläpitämään pelkistävän aineen tehon ja pitämään vesiliukoisen kromi VI:n pitoisuuden säädetyn rajan alapuolella. REACH-rajoituksen kromi VI:n pitoisuusvaatimuksia ei sovelleta sementin markkinoille saattamiseen tai käyttöön valvottuja ja suljettuja ja täysin automatisoituja prosesseja varten, joissa sementtiä ja sementtiä sisältäviä seoksia käsitellään ainoastaan koneellisesti eikä ihokosketukseen ole mahdollisuutta.
 
Sementin CE-merkintä ei poista tarvetta REACH- ja CLP-asetusten mukaisiin merkintöihin.

Kemikaalilain mukaisia valvontaviranomaisia ovat Tukes, työsuojeluviranomainen sekä tulli. Tukes valvoo sementtipakkauksia kromi VI-rajoituksen osalta. Tulli valvoo rajoitusta, kun sementtiä tuodaan maahan.

 

Sementin säilytys

Sementti on hyvin hygroskooppinen aine. Se imee ilmasta kosteutta ja myös hiilidioksidia. Tämä voi aiheuttaa sementtiin paakkuuntumista ja sitoutumishäiriöitä. Sementin tarpeetonta varastointia varsinkin kosteissa olosuhteissa on syytä välttää. Ihanteellinen säkkisementin varastointipaikka on kuivassa ja tasalämpöisessä sisätilassa. Säkkisementti on lyhyeksikin varastointiajaksi suojattava sekä sateelta että ilman ja maan kosteudelta.
 

Muut sementit

Halkeamien ja reikien injektointia varten on kehitetty niin sanottuja injektointisementtejä. Niille on ominaista erittäin suuri hienous, joka parantaa sementtien ja sementtipastan reaktiivisuus- ja tunkeutuvuusominaisuuksia. Injektointisementtien, jotka
yleensä ovat tavallisia portland- tai portlandseossementtejä, ominaispinta-ala vaihtelee 600:sta jopa yli 900:aan m2/kg. Injektointisementtiä, jonka rakeista vähintään 95 % on pienempiä kuin 16 μm, kutsutaan mikrosementeiksi.

Muuraussementti on puolestaan muuraustöihin suunniteltu portlandklinkkeristä, kipsistä, kalkkikivestä ja muista lisä- ja seosaineista valmistettu hydraulinen tuote. Muuraussementti antaa laastille hyvät työstettävyysominaisuudet. Kovettunut laasti on pakkasenkestävää, ja sen loppulujuus on tarkoituksella huomattavasti muita sementtituotteita alhaisempi.

Aluminaattisementti on kalkkikivestä ja bauksiitista valmistettu, pääosin kalsiumaluminaatteja sisältävä sementti, jota ei saa käyttää kantavien rakenteiden valmistukseen. Tämä johtuu siitä, että kyseisen sementin, jossa ei ole portlandklinkkeriä, reaktiotuotteet eivät ole aikaa myöten pysyviä, vaan muuttuvat kosteissa olosuhteissa muiksi heikommiksi yhdisteiksi. Aluminaattisementistä valmistetut betonit kestävät hyvin korkeita lämpötiloja (1500...1600 °C), joten niitä käytetään muun muassa tulenkestävien laastien valmistukseen.

Sorelin sementti on magnesiumoksidista ja magnesiumkloridista valmistettu ei hydraulinen sementti, jonka käyttö on nykyisin hyvin vähäistä. Sementti saavuttaa suuren loppulujuuden, mutta se ei sovellu raudoitettujen betoirakenteiden valmistukseen korkean kloridipitoisuutensa vuoksi, eikä sen reaktiotuotteet ole pysyviä joutuessaan altistukseen veden kanssa.

Markkinoilta löytyy myös monia muita erikoissementtejä kuten värillisiä sementtejä tai paisuvia sementtejä. Suomessa niitä ei valmisteta ja niiden käyttö on varsin harvinaista.