A composição do cimento da série de silicato pode ser categorizada em matérias-primas para a produção de clínquer de cimento de silicato, gesso e materiais mistos.

(1) Materiais de composição do clínquer de cimento da série de silicato

O clínquer de cimento da série silicato é composto por matérias-primas de cal, argila e pó de minério de ferro.

As matérias-primas de cal são calcário natural, tufo e conchas, que fornecem principalmente CaO no cimento; as matérias-primas de argila são principalmente argila (ou xisto, lama, siltito e lama de rio), cujo principal componente é SiO₂, seguido por Al₂O₃ e uma pequena quantidade de FezO₃; o pó de minério de ferro é hematita, cuja composição química é Fe₂O₃, que compensa principalmente a falta de teor de ferro na argila. Nas matérias-primas do cimento, o conteúdo de vários componentes deve atender aos seguintes requisitos.

CaO 62%~67%

SiO₂ 20%~24%

Al₂O₃ 4%~7%

Fe₂O₃ 2,5%~6,0%

(2) Gesso

Ao produzir cimento, é necessário adicionar uma quantidade adequada de gesso para retardar o endurecimento do cimento. No cimento de silicato e no cimento de silicato comum, o gesso desempenha principalmente um papel retardador. No cimento com uma grande quantidade de materiais misturados, o gesso também desempenha um papel na estimulação da atividade dos materiais misturados. O gesso adicionado ao cimento é principalmente sulfato de cálcio anidro de gesso natural.

(3) Materiais mistos

Para melhorar o desempenho do cimento, ajustar o grau de resistência do cimento, aumentar a produção de cimento e expandir a variedade de cimento, vários materiais minerais que devem ser adicionados durante a produção de cimento são chamados de materiais mistos. Os materiais misturados podem ser divididos em duas categorias: materiais misturados ativos e materiais misturados inativos.

Os materiais mistos ativos referem-se a materiais minerais com propriedades hidráulicas ou de cinzas vulcânicas em potencial ou com propriedades de cinzas vulcânicas e propriedades hidráulicas. As propriedades das cinzas vulcânicas referem-se à propriedade de que um material, após ser moído em pó fino, não tem propriedades hidráulicas sozinho, mas pode formar um composto hidráulico após ser misturado com cal e água em temperatura ambiente. Os tipos comuns de materiais mistos ativos incluem escória granulada de alto-forno, materiais mistos de cinzas vulcânicas e cinzas volantes. A escória granulada de alto-forno é um fundido com silicato e aluminato de cálcio como componentes principais. Após a têmpera com água e a granulação, sua composição química é principalmente CaO, Al2O2 e SiO2, representando mais de 90% da massa total. Ele também contém uma pequena quantidade de MgO, Fe2O2 e alguns sulfetos. Quando resfriada e granulada, a escória forma um corpo de vidro instável e tem propriedades hidráulicas potenciais. A escória resfriada lentamente não é hidráulica.

Materiais mistos de cinzas vulcânicas referem-se a materiais minerais naturais ou artificiais com características de cinzas vulcânicas. Eles podem ser divididos em três categorias:

·hydrous materiais de silicato (terra diatomácea, diatomita)

·burnt materiais de argila (argila queimada, escória de carvão, cinzas volantes)

·volcanic materiais de cinzas (cinzas vulcânicas, tufo)

A cinza volante é um resíduo industrial de usinas termelétricas. É um resíduo de granulação fina descarregado de caldeiras a carvão. É composta principalmente de SiO₂ e Al₂O₃, contém uma pequena quantidade de CaO e tem as características de cinzas vulcânicas.

Materiais mistos inativos referem-se a materiais mistos que não têm dureza hidráulica potencial ou cujo índice de atividade de qualidade não pode atender aos requisitos especificados. As variedades comuns incluem escória resfriada lentamente, areia de quartzo moída e pó de calcário. Esse tipo de material misto é adicionado ao cimento principalmente para desempenhar uma função de enchimento, o que pode aumentar a produção de cimento, reduzir o calor de hidratação e o grau de resistência e ter pouco efeito sobre outras propriedades do cimento.

(4) Composição mineral e requisitos de desempenho do clínquer de cimento de silicato  

O clínquer de cimento da série silicato é um material cimentício hidráulico que tem o silicato de cálcio como principal componente mineral. É obtido pela moagem de matérias-primas que contêm principalmente CaO, SiO₂, Al₂O₃ e Fe₂O₃ em pó fino, de acordo com as proporções apropriadas, e pela queima até a fusão parcial.

De acordo com suas principais características e usos, o clínquer de cimento de silicato pode ser dividido em uso geral, resistência média ao sulfato, calor de hidratação médio e alta resistência ao sulfato.

Os padrões de qualidade do clínquer de cimento de silicato são rigorosos, garantindo sua confiabilidade e desempenho. O tempo de configuração não deve ser anterior a 45 minutos e a configuração final não deve ser posterior a 6,5 horas. A estabilidade é testada e qualificada usando o método de ebulição. A resistência à compressão deve atender ou exceder os requisitos da Tabela 2-11. É importante ressaltar que todos os tipos de clínquer de cimento de silicato são estritamente proibidos de conter qualquer matéria estranha, garantindo sua pureza e consistência.

Coagulação e endurecimento do cimento de silicato

Após adicionar uma quantidade adequada de água à pasta de cimento, devido às suas próprias alterações físicas e químicas, ela se tornará gradualmente mais espessa e perderá a plasticidade, mas ainda não terá resistência. Esse processo é chamado de “coagulação” do cimento. Com o passar do tempo, sua resistência continua a se desenvolver e aumentar, transformando-se gradualmente em uma substância dura como pedra – pedra de cimento. Esse processo é chamado de “endurecimento” do cimento. A coagulação e o endurecimento do cimento são processos de mudança física e química contínuos e complexos que não podem ser separados.

(1) Hidratação do cimento de silicato

Após a adição de água ao cimento, ocorre uma reação dinâmica. Os minerais do clínquer dentro do cimento reagem rapidamente com a água, um processo conhecido como hidratação e hidrólise. Essa reação não é apenas transformadora, mas também dinâmica, gerando uma série de novos compostos e liberando uma quantidade significativa de calor. A reação se desenrola da seguinte forma:

2(3CaO-SiO₂)+6H₂O=-3CaO-2SiO₂-3H₂O+3Ca(OH)₂

2(2CaO-SiO₂)+4H₂O=3CaO-2SiO₂ -3H₂O+Ca(OH)₂

3CaO-Al₂O₃+6H₂O==3CaO-Al₂O₃-6H₂O

4CaO-Al₂O₃-Fe₂O₃+7H₂O    

3CaO-Al₂O₃-6H₂O+CaO-Fe₂O₃-H₂O

3CaO-Al₂O₃-6H₂O+3(CaSO₄-2H₂O)+19H₂O

3CaO-Al₂O₃-3CaSO₄-31H₂O

Em resumo, depois que o cimento de silicato reage com a água, os principais hidratos são o silicato hidratado, o gel de ferrita de cálcio hidratado, o hidróxido de cálcio, o aluminato de cálcio hidratado e os cristais de sulfoaluminato de cálcio hidratado. Esses produtos de hidratação determinam uma série de propriedades da pasta de cimento.

(2) O processo de fixação e endurecimento do cimento de silicato

Quando o cimento é misturado com água, ocorre imediatamente uma reação de hidratação na superfície das partículas de cimento. Essa reação é fundamental, pois dá início ao processo. Os produtos de hidratação se dissolvem na água, um meio essencial para a reação. Em seguida, as partículas de cimento expõem uma nova camada de superfície e continuam a reagir com a água, de modo que a solução ao redor das partículas de cimento rapidamente se torna uma solução saturada de produtos de hidratação. Essa saturação é um ponto importante no processo. Depois que a solução atinge a saturação, os produtos gerados pela hidratação contínua do cimento não podem mais se dissolver, e muitas partículas finas dispersas precipitam para formar um gel. Essa formação de gel é uma etapa crítica. À medida que a reação de hidratação continua, as novas partículas coloidais continuam a aumentar e a água livre continua a diminuir, tornando o gel gradualmente mais espesso e a pasta de cimento perde gradualmente sua plasticidade, ou seja, ocorre a coagulação. Essa coagulação é uma mudança importante no processo. Depois disso, o hidróxido de cálcio e o aluminato de cálcio hidratado no gel se transformarão gradualmente em cristais, passarão pelo gel e se combinarão firmemente para formar uma pasta de cimento com certa resistência. Essa formação de cristais é um desenvolvimento significativo. À medida que o tempo de endurecimento continua, a parte não hidratada dentro das partículas de cimento continuará a se hidratar, de modo que os cristais aumentam gradualmente, o gel se torna denso e a pasta de cimento tem maior poder de ligação e resistência. Esse aumento na resistência é um resultado importante. Além disso, quando o cimento se solidifica e endurece no ar, o hidróxido de cálcio formado pela hidratação de sua superfície reage com o dióxido de carbono no ar para formar uma fina camada de carbonato de cálcio (CaCO₃), o que é chamado de carbonatação.

A partir do processo acima, pode-se observar que a reação de hidratação do cimento penetra gradualmente da superfície das partículas até a camada interna. Ela começa mais rapidamente. Mais tarde, devido à formação de uma película de gel na superfície das partículas de cimento, fica cada vez mais difícil a penetração da água, e a hidratação se torna cada vez mais lenta. A prática comprovou que são necessários vários anos ou até décadas para concluir todo o processo de hidratação e hidrólise do cimento. Esse é um período de tempo significativo. Em geral, o cimento se hidrata e hidrolisa rapidamente nos primeiros 3 a 7 dias, de modo que sua resistência aumenta mais rapidamente. Esse é o estágio inicial rápido. A parte básica desse processo pode ser concluída em 28 dias. Esse é o primeiro mês. Depois disso, ele se torna significativamente mais lento e o aumento da resistência também é extremamente lento. Esse é o estágio lento de longo prazo.