Suomalainen sementti

Sementti maailman yleisin sideaine Sisällysluettelo Historia ja merkitys... 5 Sementin historia... 5 Parainen ja Lappeenranta... 7 Raaka-ainetta riittää... 9 Sementin merkitys rakentamisessa... 10 Sementin valmistus... 13 Portlandklinkkerin valmistus... 13 Valmistus kuivamenetelmällä... 14 Klinkkerin koostumus... 15 Ympäristövaikutukset... 19 Sementtistandardit... 21 Standardi SFS-EN 197-1... 21 Sementtien päälajit... 21 Rakennussementtien merkitseminen... 22 Lujuusluokat... 22 Muut ominaisuudet... 22 Koostumusvaatimukset... 23 Rakennussementit... 24 Sementtien kelpoisuus ja CE-merkintä... 26 CE-merkintä... 26 Muut merkinnät... 27 Valmistajan laadunvalvonta... 27 Asiakasinfo... 27 Sementin ominaisuudet... 29 Sementin reaktiot veden kanssa... 29 Sitoutuminen... 29 Valesitoutuminen... 30 Lujuuden kehitys... 30 Lämmönkehitys... 30 Hienous... 32 Kiinto- ja irtotiheys... 32 Tilavuuden pysyvyys... 32 Sulfaatinkestävyys... 32 Väri... 33 Lämpötila... 33 Kuljetus ja käsittely... 35 Varastointi/Säilyvyys... 35 Kuljetus... 35 Käsittely... 37 Betonin ominaisuudet... 39 Lujuus... 39 Säilyvyys... 40 Pakkasenkestävyys... 41 Raudoituksen korroosio... 42 Kemiallinen kestävyys... 42 Lämpökäsittely... 43 Sulfaattirasitus... 43 Happorasitus... 43 Kemiallisen rasituksen estäminen... 44 S anasto...46 3

Sementin historia On vaikea sanoa, kuka sementin keksi ja kuka sitä käytti ensimmäisenä. Englantilainen Joseph Aspdin kuitenkin patentoi kehittämänsä portlandsementin 1824. Nimensä tämä sementti sai Portlandista, Englannin rannikolta, jossa esiintyy Aspdinin kehittämän sementin väristä kiveä. Jo ennen Kristuksen syntymää etruskit käyttivät jauhettua kalkkia laastin sideaineena. Myöhemmin roomalaiset alkoivat käyttää poltettua kalkkia ja kehittivät siitä roomalaissementin. Kansanvaellusten aikana roomalaissementti katosi käytöstä, kunnes se tuli uudelleen esiin 1700-luvun puolivälissä. Tämä käynnisti myös sementin kehitysprosessin, joka johti Aspdinin portlandsementtiin. minkä jälkeen menetelmä kehittyi nopeasti. Jo 1900-luvun alussa alkoi kiertouunien teollinen valmistus. Uusi valmistustekniikka mahdollisti sementin laadun parantumisen ja alensi ratkaisevasti kustannustasoa. Suomessa sementin valmistus aloitettiin Saviolla 1869. Tuotanto oli vain 4 000 tonnia vuodessa, mutta valmistus jouduttiin lopettamaan vuonna 1894 huonon menekin takia. Englantilainen Isaac Johnson paransi 1843 Aspdinin menetelmää polttamalla raaka-aineseoksen sintrauslämpötilaan saakka. Vasta tästä voidaan katsoa nykyisen portlandsementin valmistuksen alkaneen. Ensimmäinen varsinainen portlandsementtiuuni sijaitsi Englannissa Kentissä. Nykyinen sementin tuotanto alkoi Paraisilla 1914 ja Lappeenrannassa 1938. Sementtiä valmistettiin myös Virkkalassa 1919-1994 ja Kolarissa 1968-1989. Vuonna 1885 sai englantilainen Frederick Ransome patentin raaka-aineseoksen polttamisesta kiertouunissa, 5

Parainen ja Lappeenranta Paraisten tehdas on valmistanut sementtiä kotimaan markkinoille vuodesta 1914 alkaen. Lappeenrannassa on valmistettu sementtiä vuodesta 1938. Sementin valmistuksen pääraaka-aine kalkkikivi saadaan tehtaan välittömässä läheisyydessä sijaitsevasta avolouhoksesta. Käytössä oleva uunilinja on otettu käyttöön 1975. Sementtijauhatuksessa on käytössä kolme jauhatuspiiriä. Paraisten tehtaalla voidaan tuottaa 1 000 000 tonnia sementtiä vuodessa. Suurin osa tuotetusta sementistä toimitetaan irtosementtinä omalla laivalla rannikolla sijaitseville sementtiasemille tai säiliöautoilla suoraan asiakkaiden varastosiiloihin. Lappeenrannan sementtitehdas ja kalkkikivilouhos sijaitsevat teollisuusalueella Lappeenrannan kaupungin laidalla. Tehtaan sementtituotanto lisääntyi merkittävästi, kun uusi moderni tuotantoyksikkö otettiin käyttöön vuoden 2007 alkupuolella. Uusi tuotantoyksikkö sisältää esilämmitystornin, klinkkerin polttouunin ja klinkkerin jäähdyttäjän, jotka edustavat uusinta sementin tuotannon tekniikkaa. Uuden yksikön rinnalla toimii edelleen toinen vuonna 1967 valmistuneista tehdasyksiköistä. Sementtijauhatuksessa on käytössä kolme jauhatuspiiriä. Vajaa 10 prosenttia sementtituotannosta pakataan säkkeihin ja myydään rautakauppojen kautta pienrakentajille. Henkilöstövahvuus Paraisten tehtaalla on noin 110 henkilöä. Lisäksi Paraisilla valmistetaan ja välitetään lisäaineita ja rouheita betoniteollisuuden käyttöön. Suurin osa Lappeenrannan tuotannosta kuljetetaan säiliöautoilla irtosementtinä suoraan asiakkaille. Tuotantovalikoimaan kuuluu myös sulfaatinkestävä SR-sementti. Henkilöstövahvuus Lappeenrannan tehtaalla on noin 70 henkilöä. 7

Raaka-ainetta riittää Sementti on maailman yleisin sideaine. Sementin pääraaka-ainetta, kalkkikiveä, esiintyy kaikissa maanosissa ja melkein kaikissa maissa. Sementtiklinkkeri koostuu pääasiallisesti viidestä alkuaineesta: hapesta (O), piistä (Si), alumiinista (AI), raudasta (Fe) ja kalsiumista (Ca). Ne ovat myös maankuoren viisi yleisintä alkuainetta. Suomen valkoinen tai harmaa, kiteinen kalkkikivi on niin vanhaa, että siitä ei ole löydetty eläinjäänteitä. Sen iäksi on radiometristen määritysten avulla arvioitu noin 2 000 miljoonaa vuotta. Se on kovempaa kuin esimerkiksi Keski- Euroopan maissa. Kalkkikiven kovuus vaihtelee 1,8 ja 3,0 välillä Mohsin kovuusasteikolla ja on Suomessa noin 3. Mitä kovempaa kalkkikivi on, sitä enemmän energiaa tarvitaan sen murskaamiseen. Kalkkikiveä ovat myös Kreikan ja Italian marmori, Tirolin dolomiitti, Tanskan ja Englannin liitukalliot sekä Etelämeren koralliriutat. Kaikkien näiden erilaisten kalkkikivien pääosana on kalsiitti- eli kalsiumkarbonaatti -niminen mineraali, CaCO 3. Sen lisäksi kalkkikivet voivat sisältää vaihtelevia määriä magnesiumkarbonaattia, MgCO 3. Suomen kalkkikiviesiintymät riittävät sadoiksi vuosiksi, vaikka sementin tuotanto nousisi huomattavasti tämän päivän tasosta. Eräiden mineraalien kovuudet Mohsin kovuusasteikolla (1-10) Mineraali Kovuus Mohsin naarmutuskovuus Talkki 1 kynsi naarmuttaa helposti Kivihiili 1-2 kynsi naarmuttaa Kipsi 1,5-2 kynsi naarmuttaa Kalsiitti 1,8-3 kupariraha naarmuttaa Dolomiitti 3,5-4 puukko naarmuttaa Fluoriitti 4 puukko naarmuttaa Apatiitti 5 puukko naarmuttaa Maasälpä 6 teräsviila naarmuttaa Kvartsi 7 naarmuttaa lasia Topaasi 8 naarmuttaa kvartsia Korundi 9 naarmuttaa topaasia Timantti 10 ei naarmuunnu 9

Sementin merkitys rakentamisessa Nykypäivän Miljoonaa tonnia per vuosi 3,500 3,000 2,500 2,000 1,500 1,000 rakennustekniikka perustuu pitkälti betoniteknologiaan. Betonirakennusten osuus Suomessa on noin 40 % koko rakennustuotannosta, laskettuna valmistuneiden rakennusten rakennustilavuuksista. Suomessa sekä elementtirakentamisen että valmisbe- tonin käyttö on maailman huipputasoa. Sementin tuotanto on kotimarkkinateollisuutta. Tuotanto perustuu noin 80 %:sesti kotimaisiin raaka-ainevaroihin. Sementin raaka-aineiden kotimaisuusaste on huomattavasti koko teollisuuden raaka-aineiden kotimaisuusastetta korkeampi. Semen3n kulutus maailmassa 1950-2010 Cembureau Kotimaisella sementin tuotannolla turvataan asiakaskunnan joustava palvelu. Näin sementti on luotettavasti saa- tavissa ja sen laatu on tasainen. Lisäksi asiakasneuvonta on kansainvälisestikin katsottuna korkealla tasolla. Sementti on rakennuksissa varsin näkyvä tuote. Rakennuskustannuksissa se ei taas sitä ole. Sementin osuus talonrakennustoiminnan tuotantokustannuksista on vain noin 2 %. Global Cement Report 7th Edi>on: Tonnia kg/henkilö 2500000 2500000 2000000 1500000 1000000 1000000 500000 500000 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 Semen*n kulutus Suomessa 1900 1900-2011 - 2011 0 1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 0 1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 898 Cembureau- maiden semen4n kulutus henkilöä kohden 2010 648 637 568 565 546 538 532 513 418 409 351 337 335 332 320 313 313 301 287 251 227 201 184 159 132 Luxemburg Turkki Sveitsi Itävalta Italia Portugali Belgia Espanja Slovenia KroaGa Puola Tsekki Norja Suomi Romania IrlanG Bulgaria Ranska Saksa Alankomaat Unkari Ruotsi Viro LieMua Iso- britannia Latvia Kreikan ja Tanskan Gedot puumuvat,500,0 1950 1960 1970 1980 Vuosi 1990 2000 2010 10 11

Sementin valmistus Sementin jauhatus Rakennussementit valmistetaan jauhamalla klinkkeriä, seosaineita ja kipsiä kuulamyllyllä hienoksi jauheeksi. Seosaineina käytetään kalkkikiveä ja granuloitua masuunikuonaa. Sementin sitomisajan säätämiseksi siihen lisätään kipsiä. Rakennussementtien ominaisuuksia säädetään klinkkerin koostumuksella, jauhatushienoudella ja seosaineiden suhteilla. Portlandklinkkerin valmistus Klinkkerin pääraaka-aine on kalkkikivi, jonka pääosana on kalsiumkarbonaatti, CaCO3. Kalkkikivilouhoksen sivukivistä ja muun teollisuuden sivutuotteista saadaan sementin valmistuksessa tarvittavia muita komponentteja: piioksidia (SiO2), rautaoksidia (Fe2O3) ja alumiinioksidia (AI2O3). Raaka-aineeksi louhittu kivi murskataan ja lajitellaan ja siirretään raakaainesiiloihin. Kiviainesten kemiallisten koostumusten perusteella määritetään raakaaineiden syöttösuhteet ja raaka-aineet syötetään raakajauhemyllyyn, jossa ne jauhetaan hienoksi. Valmis raakajauhe syötetään esilämmitysjärjestelmään, jossa jauhe kuumenee nopeasti savukaasujen ansiosta, joita se kohtaa pudotessaan alaspäin kiertouuniin. Kiertouunissa, jonka pituus on noin 100 metriä, tapahtuu sementtiklinkkerin poltto. Kalkki-, pii-, alumiini- ja rautayhdisteet reagoivat kalsiumyhdisteiksi ja sintraantuvat sementtiklinkkeriksi, kun materiaalin lämpötila nousee noin 1400 C:seen. Uunin loppupäässä sementtiklinkkeri jäähdytetään ilmajäähdyttimissä nopeasti noin 200 C:seen. Klinkkeri muistuttaa tässä vaiheessa karkeaa soraa. 13

Kaaviokuva sementin valmistamisesta kuivamenetelmällä. n Klinkkerin koostumus Suurin osa sementin ominaisuuksista riippuu klinkkerin koostumuksesta (sementin komponentit ja niiden ominaisuudet on esitetty alla olevassa taulukossa). Klinkkerin päämineraalit ovat aliitti (C 3 S), beliitti (C 2 S), aluminaatti (C 3 A) ja ferriitti (C 4 AF), joilla kullakin on erityispiirteensä. Säätelemällä näiden neljän mineraalin keskinäisiä suhteita voidaan vaikuttaa sementin ominaisuuksiin. Sementin komponentit ja niiden ominaisuudet Klinkkeri Trikalsiumsilikaatti (C 3 S) Nopea lujuudenkehitys, suuri loppulujuus, korkea 3 CaO. SiO 2 hydrataatiolämpö (500 kj/kg), sulfaatinkestävä Dikalsiumsilikaatti (C 2 S) Hidas lujuudenkehitys, suuri loppulujuus, alhainen 2 CaO. SiO 2 hydrataatiolämpö (250 kj/kg), sulfaatinkestävä Trikalsiumaluminaatti (C 3 A) Suuri reagointinopeus ja vedentarve, pieni loppulujuus 3 CaO. Al 2 O 3 ja erittäin korkea hydrataatiolämpö (1340 kj/kg), ei sulfaatinkestävä Tetrakalsiumaluminaatti- Hidas lujuudenkehitys, pieni loppulujuus, korkea ferriitti (C 4 AF) 4 CaO. Al 2 O 3.Fe 2 O 3 hydrataatiolämpö (420 kj/kg), sulfaatinkestävä Vapaa kalkki Reagoi nopeasti veden kanssa kalsiumhydroksidiksi, CaO v Ca(OH) 2. Korkea pitoisuus voi aiheuttaa nopeamman sitoutumisen ja tuotteen paisumisen Magnesiumoksidi Reagoi hitaasti veden kanssa magnesiumhydroksidiksi, MgO Mg(OH) 2. Korkea pitoisuus voi tällöin ajan mittaan aiheuttaa lopputuotteessa paisumista ja halkeamista Alkaliyhdisteitä Alkaliyhdisteet nopeuttavat hydrataatioreaktioita, nostavat hieman alkulujuustasoa ja laskevat vastaavasti loppulujuustasoa Lisätään jauhatuksessa Kipsi Kipsi hidastaa C 3 A:n reaktioita antaen sementille sopivan CaSO 4. 2 H 2 O sitoutumisajan Seosaineet: kalkkikivi, granuloitu Seosaineiden suhteilla ja sementin jauhatushienoudella masuunikuona säädellään sementin lujuustasoa ym. ominaisuuksia Rautasulfaatti Pelkistää vesiliukoisen kromaatin FeSO 4. 7H 2 O Käytetyt lyhenteet: CaO=C SiO 2 =S AI 2 O 3 =A Fe 2 O 3 =F 14 15

Klinkkerimineraalien muodostuminen Esilämmitys Kalsinointi Polttovyöhyke Jäähdytys C 1400 1200 1000 800 600 400 200 1. 2. 3. 4. Raakajauhe Raakajauhe SiO 2 CaCO 3 CaO vap C 2 S C 3 S Klinkkerikomponentit Al 2 O 3 + Fe 2 O 3 1. Kalsiumkarbonaatti hajoaa kalsiumoksidiksi ja hiilidioksidiksi noin +900 C:ssa. 2. Lämpötilan noustessa kalsiumoksidi reagoi edelleen m uiden komponenttien kanssa m uodostaen ensin silikaatti- ja aluminaattiyhdisteitä. C 2 A+C 2 AF 3. Prosessin jatkuessa polttovyöhykkeessä faasireaktiot etenevät j a klinkkerimineraalit muodostuvat. 4. Jäähdytyksen aikana nämä mineraalit saavuttavat lopullisen muotonsa. 16 17

Ympäristövaikutukset Portlandklinkkerin poltto vaatii korkean lämpötilan, jopa 1400 1450 C, joten sen energian tarve on suuri. Lisäksi klinkkerin poltossa syntyy huomattava määrä hiilidioksidia. Suurin osa tästä hiilidioksidista on peräisin kalkkikiven hajoamisesta kemiallisessa reaktiossa, joka on välttämätön osa sementin valmistusprosessia. Vain noin 40 % hiilidioksidipäästöistä on peräisin lämmitykseen tarvittavasta kivihiilestä. Suomessa sementin valmistuksen ympäristövaikutuksia on jo pitkään voitu vähentää polttoprosessia kehittämällä. Uudenaikaiset sementtiuunit ovat vähentäneet sementin valmistuksen vaatimaa energiamäärää, sen aiheuttamaa hiilidioksidikuormitusta ja hiukkaspäästöjä entiseen verrattuna merkittävästi. Merkittävä askel sementtiteollisuudessa otettiin jo 1970-luvulla, jolloin sementin valmistuksessa siirryttiin märkämenetelmästä kuivamenetelmään. Lappeenrannan uusi uuni edustaa tässä suhteessakin aivan maailman huippua. Myös Paraisten tehtaan tekniikkaa on modernisoitu. Finnsementti ottaa ympäristövastuunsa vakavasti ja kaikissa toiminnoissa otetaan huomioon myös ympäristövaikutukset. Materiaalit valitsemme mahdollisuuksien mukaan energiaa ja luonnonvaroja säästävistä vaihtoehdoista. Tuotantoprosesseja pyrimme kehittämään myös vanhojen uunien kohdalla siten, että niistä olisi mahdollisimman vähän haittaa luonnolle. Vaihtoehtoisia polttoaineita, esimerkiksi autonrenkaista valmistettua kumisilppua ja lihaluujauhoa, olemme jo muutaman vuoden ajan käyttäneet sementtituotannon lisäpolttoaineena ja työ vaihtoehtoisten polttoaineiden hyödyntämiseksi jatkuu edelleen. Finnsementti käyttää sementissä seosaineita. Seosaineiden käytöllä voidaan vähentää klinkkerin määrää sementissä ja näin osaltaan pienentää sementin valmistuksen hiilidioksidipäästöjä. Vaihtoehtoisten polttoaineiden ja seosaineiden käytön edellytyksenä on kuitenkin aina se, ettei tuotteen laatu kärsi. 19

Sementtistandardit Sementtistandardi SFS-EN 197-1 määrittelee tavallisten sementtien koostumus- ja laatuvaatimukset sekä vaatimustenmukaisuuden ehdot. Standardin mukaan sementti on hydraulinen sideaine, jolla tarkoitetaan hienoksi jauhettua epäorgaanista materiaalia, joka veden kanssa sekoitettaessa muodostaa pastan, joka sitoutuu ja kovettuu hydrataatioreaktioiden kautta ja joka kovettumisen jälkeen pitää lujuutensa ja pysyvyytensä jopa veden alla. Tavallisten sementtien valmistuksessa käytetään portlandklinkkeriä ja seosaineita. Standardi ryhmittelee sementit viiteen päälajiin niiden koostumuksen perusteella: CEM I Portlandsementti CEM II Portlandseossementti CEM III Masuunikuonasementti CEM IV Pozzolaanisementti CEM V Seossementti Päälajit jaetaan edelleen eri sementtilajeihin käytetyn seosaineen ja seosainemäärien perusteella. Standardi käsittää yhteensä 27 erilaista sementtilajia. Standardi tuntee sementin seosaineena masuunikuonan (S), kalkkikiven (L tai LL), silikan (D), pozzolaanit (P tai Q), lentotuhkan (V tai W) ja poltetun liuskeen (T). Portlandsementti CEM I sisältää portlandklinkkeriä ja enintään 5 % sivuosa-aineita laskettuna klinkkerin ja sivuosa-aineiden yhteisestä määrästä. Portlandseossementit CEM II, joiden tunnus on CEM II/A sisältävät portlandklinkkeriä ja pääsääntöisesti 6-20 % seosaineita laskettuna klinkkerin ja seosaineiden yhteisestä määrästä. Poikkeuksen tekee portlandsilikasementti CEM II/A-D, jossa silikan määrä on 6-10 %. Portlandseossementit CEM II, joiden tunnus on CEM II/B sisältävät portlandklinkkeriä ja 21-35 % seosaineita laskettuna klinkkerin ja seosaineiden yhteisestä määrästä. 21

Joka standardilujuusluokalle on lisäksi otettu kaksi varhaislujuusluokkaa, joissa N tarkoittaa normaalia varhaislujuutta ja R korkeaa varhaislujuutta. Standardilujuudelle ja varhaislujuudelle asetetut vaatimukset ovat sivun 23 taulukossa 2. Muut ominaisuudet Tavallinen rakennussementti katsotaan alhaislämpösementiksi, jos sen hydrataatiolämpö ensimmäisten 7 vuorokauden aikana ei ylitä 270 J/g (testausstandardi EN 196-8). Muiden sementtilajien kohdalla samanlaista muistisääntöä ei voi antaa, koska seosainemääristä riippuvat merkinnät A, B ja C vaihtelevat sementtilajikohtai-sesti. Sementtien merkitseminen Uuden standardin mukaan rakennussementit tulee yksilöidä vähintään sementtilajin tunnuksella (sisältää seosainetunnuksen), lujuusluokkaa kuvaavalla luvulla ja varhaislujuutta kuvaavalla kirjaimella. Rakennussementti luokitellaan sementti-standardin (SFS-EN 197-1) mukaan sulfaatinkestäväksi, kun portlandsementin (CEM I) klinkkerin trikalsiumaluminaattipitoisuus (C3A) on korkeintaan joko 0%, 3% tai 5%, tai masuunikuonasementin (CEM III) kuonapitoisuus on vähintään 66% tai pozzolaanisementissä (CEM IV) on luonnon pozzolaaneja tai silikaattipitoista lentotuhkaa 11 55 % ja klinkkerin trikalsiumaluminaattipitoisuus (C3A) on korkeintaan 9%. Lujuusluokat ja varhaislujuus Rakennussementit jaetaan kolmeen standardilujuusluokkaan, jossa standardilujuudella tarkoitetaan sementin puristuslujuutta 28 vuorokauden iässä. Lujuusluokat ovat 32,5, 42,5 ja 52,5. 22 23

Finnsementti Oy:n rakennussementit SEMENTIT Tyypillinen arvo Plussementti CEM II/B-M(S -LL) 42,5 N Lujuus 1d Lujuus 2d Lujuus 28d 10...14 MPa 21...26 MPa 46...52 MPa Sitomisaika Hienous (Blaine) 160...220 min 430...470 m2/kg Yleissementti CEM II/A-M (S-LL) 42,5 N Lujuus 1d Lujuus 2d Lujuus 28d 11...17 MPa 22...29 MPa 46...52 MPa Kaikki Sementit Tyypillinen arvo Vaatimus 0,1% 2 ppm Kloridit 0,08% Kromi (VI) 2 ppm* Kiintotiheys 3100 kg/m 3 Irtotiheys 1000...1100 kg/m 3 Sitomisaika Hienous (Blaine) * kun säilyvyysaika on 3 kk 160...200 min 370...440 m2/kg Rapidsementti CEM II/A-LL 42,5 R Lujuus 1d Lujuus 2d Lujuus 28d 17...23 MPa 31...37 MPa 50...60 MPa Sitomisaika Hienous (Blaine) 160...200 min 450...520 m2/kg Pikasementti CEM I 52,5 R Lujuus 1d Lujuus 2d Lujuus 28d 27...33 MPa 41...46 MPa 58...68 MPa Sitomisaika Hienous (Blaine) 140...180 min 560...590 m2/kg SR-sementti CEM I 42,5 N Lujuus 1d Lujuus 2d Lujuus 28d 12...16 MPa 24...29 MPa 51...57 MPa Sitomisaika Hienous (Blaine) 160...200 min 360...400 m2/kg Megasementti CEM I 42,5 R Lujuus 1d Lujuus 2d Lujuus 28d 17...20 MPa 30...33 MPa 57...63 MPa Sitomisaika Hienous (Blaine) 170...240 min 390...410 m2/kg Valkosementti CEM I 52,5 R Lujuus 1d Lujuus 2d Lujuus 28d 18...24 MPa 36...44 MPa 68...78 MPa Sitomisaika Hienous (Blaine) 90...140 min 380...410 m2/kg Standardin vaatimus (SFS-EN 197-1) 10,0 MPa 42,5 MPa ja 62, 5 MPa 60 min 20,0 MPa 42,5 MPa ja 62, 5 MPa 60 min 20,0 MPa 42,5 MPa ja 62, 5 MPa 60 min 30,0 MPa 52,5 MPa 45 min 10,0 MPa 42,5 MPa ja 62, 5 MPa 60 min 20,0 MPa 42,5 MPa ja 62, 5 MPa 60 min 30,0 MPa 52,5 MPa 45 min Kuvaus Plussementti on taloudellinen ja monikäyttöinen sementti. Parhaimmillaan sen ominaisuudet ovat valmisbetonissa, mutta sille löytyy käyttökohteita myös erilaisissa betonituote- ja elementtisovelluksissa. Stabilointi on yksi erityiskäyttökohteista. Ympäristöystävällisempi sementtivaihtoehto. Yleissementti on edullinen sementti, joka soveltuu sekä valmisbetoniin että betonielementteihin. Saatavana vain irtosementtinä Rapidsementti soveltuu valmisbetoniin, erilaisten betonituotteiden valmistukseen sekä nopean lujuudenkehityksen ansiosta erityisesti elementtituotantoon sekä talvibetonointiin. Pikasementti soveltuu nopean lujuudenkehityksen ansiosta erittäin nopeaa muottikiertoa vaativaan elementti- ja betonituotantoon. Erityiskäyttökohteita ovat korkealujuus- ja jännebetonit. SR-sementti on sulfaatinkestävä sementti, joka soveltuu erityisesti kemiallisesti rasitettuihin kohteisiin. SR-sementti valmistetaan erikoisklinkkeristä, jonka C3A-pitoisuus on 3,0 %. Megasementti soveltuu valmisbetoniin, elementteihin ja erilaisten betonituotteiden valmistukseen. Saatavana vain irtosementtinä. Valkosementti soveltuu valkoisten ja värillisten elementti- ja betonituotteiden valmistukseen. 24 25

Sementin ominaisuudet Sementeillä on lujuuden lisäksi useita ominaisuuksia, joilla on merkitystä betonituotteiden valmistuksessa. Tällaisia tekijöitä ovat: kemiallinen koostumus sekä seos- ja lisäaineet sementin reaktiot veden kanssa sitoutuminen lujuudenkehitys hienous/veden tarve kiinto- ja irtotiheys lämmönkehitys tilavuuden pysyvyys kemiallinen kestävyys väri lämpötila säilyvyys Sementin reaktiot veden kanssa Sementin tärkein ominaisuus on sen kyky reagoida veden kanssa liimaksi, josta muodostuu veteen liukenematon materiaali. Betonissa tätä kovettunutta sementtiliiman osuutta kutsutaan usein sementtikiveksi. Sementin reagoidessa veden kanssa reagoivat klinkkerimineraalien aluminaattiyhdisteet ensin. Jotta reaktio ei tapahdu heti veden lisäyksen jälkeen, on sementtiin lisätty kipsiä, mikä hidastaa aluminaatin reaktioita antaen massalle sopivan työstöajan. Aluminaattiyhdisteillä ei ole suurtakaan merkitystä lujuuteen, mutta ne ovat välttämättömiä sementin varhaisreaktioiden ja klinkkerin polton kannalta. C 3 S ja C 2 S sen sijaan vastaavat sementin lujuudesta. C 3 S reagoi nopeammin veden kanssa muodostaen kalsiumsilikaattihydraatteja. C 2 S vastaa myöhemmästä lujuuden kehityksestä. Sitoutuminen Kipsilisäyksellä varmistetaan sementille sopiva sitoutumisaika. Lujuusluokan 52,5 sementtien alkusitoutumisajan tulee olla vähintään 45 min, lujuusluokan 42,5 vähintään 60 min ja lujuusluokan 32,5 vähintään 75 min määritettynä standardin SFS-EN 196-3 mukaisesti. Sementin sitoutumisaika riippuu myös lämpötilasta. Nyrkkisääntönä voidaan sanoa, että reaktionopeus kaksinkertaistuu eli sitoutumisaika lyhenee puoleen, mikäli lämpötila kohoaa 10 C:tta. Sitoutumisvaiheessa olevaa betonia ei saa enää täryttää, sillä silloin jo muodostunut heikko sementtikivi rikkoutuu ja seurauksena voi olla huomattava lujuuden kato. Kovettuminen eli varsinaiset lujittumisreaktiot alkavat sitoutumisen päätyttyä eli 29

Sementtien sitomisaika Valko SR Pika Mega Rapid Yleis Plus 0 50 100 150 200 250 80 Semen6en lujuudenkehitys SFS EN 196-1 Pika Rapid Mega Yleis Plus SR Valko 70 60 Puristuslujuus (MPa) 50 40 30 20 10 0 1d 2d 7d 28d 91d Ikä (d) 30 31

Sementtien vaaleus Valko SR Pika Mega Rapid Suomessa portlandsementti katsotaan sulfaatinkestäväksi, mikäli se on valmistettu klinkkeristä, jonka C3A-pitoisuus on korkeintaan 0%, 3% tai 5%. (Ks lisäksi s. 22). Mitä pienempi pitoisuus, sitä kestävämpi tuote. Yleis Plus 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 32 33

koinen kromaatti aiheuttaa yliherkille ihmisille allergiaoireita. Vuonna 2005 voimaan tulleen asetuksen (514/2004) mukaan sementin kromaattipitoisuus (Kromi VI) ei saa ylittää 2 ppm. Rajan ylittävää sementtiä ei saa myydä eikä käyttää. Haitalliset vesiliukoiset kromivi-yhdisteet passivoidaan sementin jauhatuksen yhteydessä rautasulfaatilla, joka pelkistää vesiliukoisen kromaatin veteenliukenemattomaksi yhdisteeksi. Siten tehtaalta lähtevän sementin kromaattipitoisuus on alle 2 ppm. Rautasulfaatin pelkistyskyky säilyy säkkisementissä vähintään 6 kuukauden ajan pakkauspäivämäärästä, kun säkit varastoidaan kuivassa ja tasalämpöisessä tilassa. 36 37

Puristuslujuus 28 d (MPa) Vesisemen5suhteen vaikutus betonin lujuuteen Plus Yleis Rapid Pika Mega SR Valko 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Vesisemen5suhde 39

Säilyvyys Betonin ja betonirakenteiden kyky vastustaa ympäristörasituksia on normaalisti erittäin hyvä eli niiden säilyvyys on hyvä. On kuitenkin kolme rasitusta, jotka pitää ottaa huomioon: pakkasrasitus Betonissa olevan veden jäätyessä sen tilavuus kasvaa 9 %, mikä saattaa aiheuttaa sisäistä halkeilua. korroosio Raudoitukset ruostuvat, jolloin raudoituksen poikkipinta-ala pienenee ja paisuvat korroosiotuotteet aiheuttavat usein ympäröivän betonikerroksen halkeamista ja rapautumista. kemiallinen rasitus Erilaiset kemikaalit tunkeutuvat betoniin aiheuttaen rapautumista liuottamalla sementtikiveä tai betoniin tunkeutuvat aineet aiheuttavat sellaisia tilavuudenmuutoksia, että materiaali rapautuu. Yleisesti ottaen voidaan sanoa, että mitä tiiviimpää betoni on, sitä parempi on sen säilyvyys. Hyvän tiiviyden saavuttamiseksi tarvitaan: alhainen vesisementtisuhde riittävä sementtimäärä hyvä tiivistystyö hyvä jälkihoito rakenteen suunnittelu siten, että halkeilu estetään Pakkasenkestävyys Kostean betonin jäätyessä laajenee kapillaarihuokosissa oleva vesi noin 9 %. Tällöin syntyy hydraulinen paine, jonka vaikutuksesta jäätyvä vesi tunkeutuu ilmatäytteisiin suojahuokosiin. Jotta betoni ei vaurioidu jäätyessään, tulee suojahuokosia olla riittävän paljon ottamaan vastaan laajenevan vesimäärän paine. Suojahuokoset aikaan saadaan huokostavaa lisäainetta käyttämällä. Normaalisti tarvittava ilmamäärä on 3,5-7 %, mutta siihen vaikuttavat useat tekijät, kuten esimerkiksi: käytettävä huokostin sementtiliimamäärä betonin lujuus betonin notkeus massan lämpötila massan kuljetus ja tiivistys seosaineet jälkihoito pakkasrasituksen ankaruus Eri vaihtoehdot betonin huokosveden jäätyessä Betonin korkea lujuus ei aina takaa hyvää säilyvyyttä. Riittävästi ilmahuokosia Ilmakupla Ilmakupla Jäätä Liian vähän ilmahuokosia Etäisyys ilmakuplaan liian suuri. Jäätä Molemmissa kuvissa betonin ilmapitoisuus on sama. Mitä pienempiä ilmakuplat ovat, sitä lyhyemmäksi tulee niiden etäisyys. Ei lainkaan ilmahuokosia Jäätä 40 41

Raudoituksen korroosio Sementin reagoidessa veden kanssa syntyy mm. kalsiumhydroksidia ja betonin huokosveden ph nousee yli 13. Tämä emäksinen ympäristö antaa raudalle ja teräkselle erittäin hyvän korroosiosuojan ruostumista vastaan. Kupari säilyy myös hyvin. Alumiinimetalli ei kestä suoraa kosketusta tuoreen tai kostean betonin kanssa. Samoin lyijyn ja sinkin kestävyys on heikko. Mikäli näitä metalleja sijoitetaan betoniin, ne olisi ensin suojattava suoralta kosketukselta. Terästen korroosion eteneminen betonissa Korroosioaste CO 2 Cl - Alkuvaihe Teräkset saavutetaan Rakenteen elinikä Max. sallittu korroosio Etenemisvaihe Aika Betonin sisällä olevat teräkset on erittäin hyvin suojattu korroosiolta betonin korkean ph:n johdosta. Korroosiota voi kuitenkin tapahtua silloin, kun betoni on karbonatisoitunut raudoitukseen asti tai kun klorideja on tunkeutunut aina teräkseen saakka. Teräskorroosio riippuu voimak- kaasti betonin tiiviydestä ja suojakerroksen paksuudesta. Kemiallinen kestävyys Betonirakenteen kyky vastustaa kemiallista rasitusta riippuu lähinnä: betonin tiiviydestä, jolla oleellisesti voidaan hidastaa rasituksen etenemistä betonin kemiallisesta koostumuksesta ts. sementin ja runkoaineen koostumuksesta betonin lämpökäsittelyn oikeasta suorituksesta. Eräässä sulfaatinkestävyyskokeessa betonipalkkeja pidettiin 10 %:n natriumsulfaattiliuoksessa. Kuvanottohetkellä palkkeja oli pidetty liuoksessa kaksi vuotta. Yleisportlandsementistä tehdyt palkit hajosivat täysin, kun sen sijaan sulfaatinkestävästä sementistä tehdyt palkit säilyivät vahingoittumattomina. Betonin tiiviydellä on usein paljon suurempi merkitys betonin kemialliseen kestävyyteen kuin sementin koostumuksella. Aggressiivisissa olosuhteissa kestävältä betonilta edellytetään aina alhaista vesisementtisuhdetta, hyvää tiivistystyötä ja erittäin huolellista jälkihoitoa. Lämpökäsittely Betonin liian korkean lämpökäsittelylämpötilan seurauksena saattaa betoniin muodostua hydrataatiotuotteita, jotka eivät ole pysyviä. Tällaisia ovat monosulfaatit, jotka myöhemmin muodostavat ettringiittiä, jolloin tilavuuskasvu on erittäin voimakas. Syntyvä vaurio näyttää samanlaiselta kuin pakkasvaurio. Vaurioita ei synny, mikäli betonin lämpötilaa ei nosteta yli 60 C:n. Sulfaattirasitus Vakavin kemiallisen rasituksen aiheuttaja betonille Suomessa lienee sulfaattiioni. Pohjavesien keskimääräinen sulfaattipitoisuus SO 4 2- (mg/l) Sulfaatit reagoivat kalkin ja aluminaattien kanssa ja muodostavat tällä tavoin uusia, tilavuudeltaan suurempia tuotteita aiheuttaen betoniin sisäisiä jännityksiä. Reaktiotuotteiden tilavuuskasvu on noin 330 %. Sen takia sulfaatinkestävältä sementiltä vaaditaan alhainen trikalsiumaluminaatti (C 3 A) -pitoisuus. Sulfaattipitoista maata tavataan kaikkialla missä ollaan tekemisissä vanhan merenpohjan ja kiisupitoisen maan kanssa. Happorasitus Epäorgaaniset hapot, kuten suola- ja rikkihappo vahvoina liuoksina (alhainen ph), liuottavat kaikki sementtikiven komponentit. Betonia vaurioittavista orgaanisista hapoista voidaan mainita maitohappo. Tätä esiintyy meijerien ja viherrehuvalmistuksen jätevesissä. Happohyökkäys voidaan parhaiten torjua käyttämällä niin tiivistä betonia, ettei happo pääse tunkeutumaan betonin sisään vaan rasittaa ainoastaan betonin pintaa. Sivun 45 taulukossa selvitetään eriasteisia kemiallisia rasituksia sekä niiden vaatimia toimenpiteitä betonin valmistuksessa. Vaikeimmissa olosuhteissa on välttämätöntä suojata betoni jonkin tyyppisellä tiheällä päällysteellä. Kuva: Betoninormit 2004, by50 s. 92 42 43

Sanasto KÄYTETYT LYHENTEET CaO = C, SiO 2 = S, AI 2 O 3 = A, Fe 2 O 3 = F A ALIITTI Trikalsiumsilikaatti, 3CaO. SiO 2, (C 3 S), yksi portlandklinkkerin pääkomponenteista B BELIITTI Dikalsiumsilikaatti, 2CaO. SiO 2, (C 2 S), yksi portlandklinkkerin pääkomponenteista. BETONI Betonimassasta syntyvä kivikova materiaali, jossa rakennussementtiä on käytetty liittämään kiviainesrakeet toisiinsa. BETONIMASSA Sementin, kiviaineksen, veden ja mahdollisten lisäaineiden seos ennen kovettumistaan. D DOLOMIITTI Sekä mineraali CaMg (CO 3 ) 2 että sen muodostama kivilaji. Esiintyy usein kalsiitin (kalkkikiven) kanssa. E ETTRINGIITTI Neulamaisia kalsiumsulfoaluminaattikiteitä (3CaO. AI 2 O. 3 3 CaSO. 4 32H 2 O), jotka muodostuvat sementtipastan C 3 A:sta ja kipsistä. Muodostuvat myös ympäristön sulfaatin vaikutuksesta. Aiheuttaa tilavuuden kasvua. On myös kutsuttu sementtibasilliksi. G GEELIHUOKONEN Sementtigeeliin muodostuneet huokoset, joiden suuruusluokka on 10-7 - 10-5 mm = 1Å - 100Å. H HAPPORASITUS Hapot liuottavat lähinnä sementtikiven kalsiumhydroksidin. Korkeina pitoisuuksina myös muut komponentit. HIENOUS Sementin hienous voidaan arvioida sen ominaispinta-alan mukaan. Tämä on sementtipartikkelien pinta-ala yksikössä m 2 /kg. Määritetään yleensä Blainen menetelmän mukaan. HUOKOSTUS Huokostettu betoni on betoni, johon sekoitusvaiheessa on lisätty huokostava lisäaine. Tämän avulla saadaan pyöreitä, halkaisijaltaan 0,01-1 mm, tasaisesti jakautuneita ilmakuplia betoniin. Näin saadaan mm. parempi pakkasenkestävyys, työstettävyys ja tiiviys. HYDRATAATIO Sementin ja veden välinen reaktio, jolloin muodostuu sementtikivi, joka sitoo runkoaineen rakeet toisiinsa. HYDRATAATIOLÄMPÖ Sementin hydrataatiossa kehittyvä lämpö. HYDRAULINEN OMINAISUUS Aineen kyky reagoida veden kanssa siten, että kiinteätä vedenkestävää reaktiotuotetta muodostuu sekä vedessä että ilmassa. I IRTOTIHEYS Materiaalin (esim. sementin) massan ja irtotilavuuden (tilavuus tyhjätila mukaan luettuna) suhde yksikössä kg/m 3. K KALKKIKIVI Kivilaji, jonka pääkomponentti on kalsiumkarbonaatti CaCO 3. KALSIITTI Kalsiumkarbonaatti CaCO 3, mineraali. Kalkkikiven pääkomponentti. KALSINOINTI Kalsiitin hajoaminen kalkiksi CaO (poltettu kalkki) ja hiilidioksidiksi CO 2. KALSIUMHYDROKSIDI Ca(OH) 2. C 3 S:n ja C 2 S:n eräs hydrataatiotuote. KALSIUMSILIKAATTIHYDRAATTI CSH Hydrataatiotuote, joka syntyy sementin reagoidessa veden kanssa. KAPILLAARIHUOKONEN Sementtikiveen muodostuneet mikroskooppiset kanavat halkaisijaltaan 10-5 - 10-3 mm = 0,01-1 μm, jotka voivat sisältää vettä. KARBONATISOITUMINEN Ca(OH) 2 reagoi ilman hiilidioksidin CO 2 :n kanssa kalsiumkarbonaatiksi CaCO 3, jolloin sementtikiven korkea ph laskee. Ca(OH) 2 + CO 2 > CaCO 3 + H 2 O. KIINTOTIHEYS Materiaalin (esim. sementin) massan ja kiintotilavuuden (tilavuus ilman tyhjätilaa) suhde yksikössä kg/m 3. KIPSI Kalsiumsulfaatti, joka sisältää kidevettä,. CaSO 4 2H 2 O. Käytetään sementin sitoutumisen säätämiseen. KLINKKERIMINERAALIT Klinkkeri koostuu neljästä päämineraalista C 3 S, C 2 S, C 3 A ja C 4 AF. L LISÄAINE (SEMENTIN) Rakennussementtiin yleensä jauhatuksen yhteydessä pienissä määrin lisätty aine, jonka tarkoituksena on parantaa sementin jauhatusominaisuuksia. LISÄAINE (BETONIN) Betoniin sekoituksen yhteydessä pienissä määrin lisätty aine, jonka avulla voidaan vaikuttaa betonimassan tai kovettuneen betonin ominaisuuksiin. Esim. notkistin tai huokostin. M MASUUNIKUONA Raudan valmistuksen alkuvaiheessa masuunissa muodostuneesta emäksisestä silikaattisulatteesta nopeasti jäähdyttämällä saatu tuote, jolla on piilevät hydrauliset ominaisuudet ja jota voidaan käyttää rakennussementin seosaineena. P PAKKASENKESTÄVYYS Kovettuneen betonin kyky kestää toistuvan jäätymisen ja sulamisen aiheuttamat rasitukset. PIILEVÄ HYDRAULINEN OMINAISUUS Aineen kyky muuttua hydrauliseksi heräteaineiden esimerkiksi portlandsementin vaikutuksesta. POZZOLAANI Aine, joka muodostaa esimerkiksi portlandsementin hydrataatiossa vapautuvan Ca(OH) 2 :n kanssa sementtikiven kaltaisia pysyviä reaktiotuotteita. S SEMENTTI Rakennussementti, hienojakoinen, portlandklinkkerin sekä seosaineiden hydrauliseen aktiivisuuteen perustuva sideaine, joka veden kanssa sementtikiveksi muuttuneena liittää yhteen betonin aineosat. SEMENTTIKIVI Sementtiliimasta kovettumalla syntyvä mineraalinen aine, joka yhdessä runkoaineen kanssa muodostaa betonin. SEMENTTILIIMA Sementin ja veden seos ennen kovettumista. SEOSAINE Rakennussementin osaksi soveltuva aine, kuten masuunikuona, pozzolaani, kalkkikivi tai muu mineraalinen epäorgaaninen aine, joka lisätään sementtiin jauhatuksen yhteydessä. SINTRAANTUMINEN Tietyssä lämpötilassa materiaali kiteytyy uudelleen, jolloin partikkelit sitoutuvat toisiinsa. Sementtiklinkkerin sintraantumislämpötila on 1280-1450 C. SITOUTUMISAIKA Aika veden lisäyksestä siihen hetkeen, jolloin standardipasta saavuttaa tietyn jäykkyyden (standardin SFS-EN 196-3 mukaan määriteltynä). jatkuu... 46 47

SUOJAHUOKONEN Huokostavan lisäaineen avulla betoniin muodostuneet huokoset (0,01...1 mm), jotka pysyvät ilmatäytteisinä ja parantavat betonin pakkasenkestävyyttä. T TIIVISTYSHUOKONEN Sementtikiveen epätäydellisen tiivistyksen seurauksena jäänyt ilmakupla. 48 49

Finnsementti Oy, 21600 Parainen, puh. 0201 206 200, fax 0201 206 311 52