セメントとコンクリートは、建設における基本的な材料であり、その汎用性、強度、耐久性で知られています。その化学は非常に複雑で、いくつかの主要な成分とプロセスが関与しています。以下に、セメントとコンクリートの化学について概説します。
セメントの化学
セメントは、コンクリートのバインダーとして機能する微粉末です。最も一般的なセメントの種類は、主に以下の化合物からなります。
1. 三カルシウム珪酸塩（C₃S）:
- 化学式：3CaO·SiO₂
- 水と迅速に反応し、コンクリートの早期強度発現をもたらします。
2. 二カルシウム珪酸塩（C₂S）:
- 化学式：2CaO·SiO₂
- よりゆっくりと反応し、コンクリートの長期的な強度に寄与します。
3. 三カルシウムアルミネート（C₃A）:
- 化学式：3CaO·Al₂O₃
- 水と迅速に反応し、セメントの初期設定に寄与します。
4. 四カルシウムアルミノフェライト（C₄AF）:
- 化学式：4CaO·Al₂O₃·Fe₂O₃
- 色に寄与し、水と反応することができますが、C₃SやC₂Sと比較して強度にはあまり影響しません。
水和プロセス
セメントが水と混合されると、水和として知られる一連の化学反応が起こります。このプロセスは発熱性であり、以下の段階で発生します。
1. 初期混合:
- C₃Aは水と反応してカルシウムアルミネート水和物と熱を生成します。
- セット時間を制御するために添加される石膏がC₃Aと反応してエトリンジット（硫酸カルシウムアルミネート水和物）を形成します。
2. 開始期間:
- コンクリートが加工可能な休眠期間であり、配置や形成を可能にします。
3. 加速段階:
- C₃Sが大きく反応し、カルシウム珪酸水和物（C-S-H）と水酸化カルシウム（Ca(OH)₂）を形成します。この段階は初期設定と強度の増加に貢献します。
4. 減速段階:
- 水和生成物が未反応のセメント粒子の周囲に保護層を形成し、さらなる水和を制御するため、反応速度が低下します。
5. 長期水和:
- C₂Sはよりゆっくりと反応し、時間の経過とともにC-S-Hを形成し続け、コンクリートの強度と耐久性に貢献します。
コンクリートの化学
コンクリートは、セメント、水、骨材（砂、砂利、または砕石）、そして時には添加剤（特性を変更するために添加される化学物質）からなる複合材料です。コンクリートの主要な反応と成分は次のとおりです。
1. 骨材:
- 体積と安定性を提供します。コンクリートの体積の約60-80%を占めます。
- 細かい（砂）または粗い（砂利または砕石）になります。
2. 水:
- セメントの水和に必要です。
- 水セメント比は、コンクリートの強度と耐久性を決定するために重要です。比率が低いほど強度が高くなりますが、加工性が低下します。
3. 添加剤:
- セット時間、加工性、耐久性などの特性を変更するために使用されます。
- 一般的なタイプには、プラスチャイザー（加工性を向上させる）、アクセラレーター（セットを早める）、遅延剤（セットを遅らせる）、および気泡生成剤（凍結と解凍の抵抗性を向上させる）が含まれます。
特性と性能
コンクリートの性能はいくつかの要因に依存します：
- 強度：水セメント比とセメント組成によって主に影響を受けます。
- 耐久性：原材料の品質、硬化プロセス、環境条件に影響されます。
- 加工性：コンクリートの配置と圧縮に重要であり、ミックスデザインと使用される添加剤に影響されます。
要するに、セメントとコンクリートの化学は、セメント、水、骨材の混合物を強くて耐久性のある建築材料に変える一連の複雑な反応から成り立ちます。コンクリートの特性と性能は、ミックスデザインの注意深い制御と様々な添加剤の使用によって調整することができます。