Cement - sementou (English spelling) cement

Japanese: セメント - せめんと（英語表記）cement

A material that binds aggregates together to make mortar or concrete. The word cement originally meant to harden, join, or bind, but it was only in the early 19th century that it became common as the common noun "cement" as it is used today.

There are two types of cement: air-hardening cement (which cannot be used underwater once hardened), such as slaked lime (calcium hydroxide), gypsum, and magnesia cement, and hydraulic cement (which can be used underwater once hardened), such as that used in civil engineering and dental work. Today, when we normally talk about cement, we are referring to hydraulic cement used in civil engineering and construction work. In addition to Portland cement, this includes blended cements such as blast-furnace cement, silica cement, and fly ash cement, as well as special cements such as alumina cement, ultra-fast hardening cement, colloidal cement, oil well cement, geothermal cement, acid-resistant cement, and ecocement.

[Shiro Nishioka]

History of Cement

Plaster of Paris was used to seal the stone joints of the pyramids, famous ruins of Egypt from around 5000 BC. This was the first use of dry-hardening cement, and many remains that used slaked lime, made by burning limestone, as cement have been discovered in ruins from ancient Greece and Rome.

For about 2000 years from the Roman era to the mid-18th century, cement was in the age of slaked lime, and no progress was made, until 1756, when mechanical and civil engineer Smeaton used baked limestone containing clay in the construction of the stone lighthouse Eddystone in England, which is said to have been the first hydraulic cement commonly known as cement today. Later, in 1796, J. Parker of England invented Roman cement (made by baking limestone containing clay in a lime kiln and then crushing it), and in 1818, L.J. Vicat of France invented high-grade Roman cement (made by mixing limestone and clay that have been finely crushed and baked at high temperature and then crushing it), which led to the invention of modern Portland cement, made mainly from limestone and clay, by J. Aspdin of England in 1824. Portland cement began to be produced in factories from 1825, but its quality was not much different from the high-grade Roman cement produced at other cement factories at the time. It was after 1840 that Portland cement replaced Roman cement, and its heyday began around 1850. Portland cement production began in France in 1848, Germany in 1852, and America in 1871, and the technology was finally introduced to Japan, where a government-run cement factory was built in Fukagawa, Tokyo in 1873 (later sold off to become Asano Cement, now known as Taiheiyo Cement), and cement was produced for the first time in 1875. Blast-furnace cement was invented in Germany in 1882, and alumina cement in France in 1908.

[Shiro Nishioka]

Cement manufacturing

The main raw materials of Portland cement are limestone and clay, with other ingredients such as silica and iron oxide raw materials (slag) being used to adjust the composition.

The limestone and clay raw materials are mixed in a weight ratio of 4:1, finely crushed, and fired at about 1400℃ to obtain a gray-black granular material, which is cement clinker. After cooling the clinker, about 3% by weight of gypsum is added and simultaneously finely crushed to obtain cement. Gypsum is added to adjust the setting speed so that the reaction between cement and water (hydration) does not occur too suddenly in the early stages.

There are two methods for manufacturing Portland cement: the dry method and the wet method. In the dry method, the raw materials are dried, mixed, crushed, mixed, and fired, while in the wet method, water is added to the raw materials, and they are crushed in a slurry state (a thick suspension of crushed material), and then fired. The majority of cement production is carried out using the dry method, which is more economical.

Rotary kilns are used to burn cement. Currently, the majority of rotary kilns are efficient and economical, such as the latest suspension preheater kiln (SP kiln) and new suspension preheater kiln (NSP kiln). Petroleum is the main fuel used in cement burning, but coal is sometimes used. The amount of heat required to produce one ton of cement clinker is about 800,000 kilocalories. Finishing mills such as ball mills and roller mills are used to crush cement clinker. The energy used to crush cement is electricity, and about 120 kilowatts of electricity is consumed to crush one ton of cement. In the case of blended cement, blast furnace cement and silica cement are made by simultaneously mixing and grinding Portland cement clinker and granulated blast furnace slag or siliceous admixtures, while fly ash cement can be obtained by simply mixing a certain amount of fly ash (dust generated by combustion) with Portland cement.

[Shiro Nishioka]

Cement properties

When water is added to Portland cement, the cement particles react with the water and hydrate. In the early stages of hydration, a thin hydrate film forms on the surface of the cement particles, temporarily preventing hydration and allowing the cement paste to maintain its fluidity. Over time, the gypsum used to regulate setting changes to calcium aluminate, and at the same time, calcium silicate becomes more active and hydration progresses rapidly (calcium aluminate and calcium silicate are part of the compound composition of cement). The hydrates precipitated from the cement particles bond the cement particles together, making it difficult for the particles to move relative to each other even when external forces are applied, and over time the spaces between the cement particles are filled with hydrates, further promoting hardening.

Ordinary Portland cement and moderate-heat Portland cement contain a lot of dicalcium silicate, which develops strength over the long term, and little tricalcium silicate, which develops strength in the short term. When cement hydrates, it generates heat of hydration, and the more tricalcium aluminate it contains, the higher the heat of hydration becomes, so moderate-heat cement, which is said to be a low-heat cement, contains little tricalcium aluminate. Also, high-early-strength and extra-high-early-strength Portland cements develop strength in a short term, and contain more tricalcium silicate than other cements.

[Shiro Nishioka]

Uses of cement

There are many different types of cement, but it is customary to select a cement with the appropriate characteristics depending on where and for what purpose the cement is to be used.

Ordinary Portland cement is the most common cement used in concrete construction. High-early-strength Portland cement is used for construction requiring faster strength development, such as in winter construction and construction requiring shorter construction periods, and for the manufacture of secondary concrete products, such as steam curing. Ultra-high-early-strength Portland cement is used for construction requiring faster strength development than high-early-strength Portland cement, for grouting (injecting glue into voids) using the fineness of its cement particles, for year-round construction, and for making secondary concrete products without steam curing. Moderate-heat Portland cement is used for large cross-sectional structures such as dams and nuclear power plants, and for paving, taking advantage of its low heat of hydration. Sulfate-resistant Portland cement has excellent chemical resistance, so it is used as concrete cement for marine structures, underground structures, and industrial wastewater facilities.

Other types of cement include white Portland cement for coloring and secondary concrete products, alumina cement for emergency construction and refractories, colloidal cement for rock grout, and oil well and geothermal cements for use under high temperatures and pressures. Ecocement is a type of cement developed based on social needs for waste treatment, made primarily from municipal waste incineration ash and sewage sludge, and is primarily used in unreinforced concrete structures. It was specified in the JIS standard (JIS R 5214) in 2002.

[Shiro Nishioka]

Portland cement manufacturing process
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Portland cement manufacturing process

Cement composition and quality
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Cement composition and quality

Source: Shogakukan Encyclopedia Nipponica About Encyclopedia Nipponica Information | Legend

Japanese:

モルタルまたはコンクリートをつくるために骨材を結合する材料。セメントということばは本来、固める、接合する、結合するという意味をもっているが、これが現在使われている普通名詞としての「セメント」として一般化したのは19世紀の初頭からである。

　セメントには、消石灰（水酸化カルシウム）、石膏(せっこう)、マグネシアセメントなどのような気硬性のセメント（硬化したものは水中では使用できない）と、土木建築工事用や歯科用のような水硬性のセメント（硬化したものは水中でも使用できる）とがあるが、現在、普通にセメントといえば、土木建築工事用として使用される水硬性のセメントのことである。このセメントにはポルトランドセメントのほか、高炉セメント、シリカセメント、フライアッシュセメントのような混合セメント、およびアルミナセメント、超速硬セメント、コロイドセメント、油井セメント、地熱セメント、耐酸セメント、エコセメントなどのような特殊セメントがある。

［西岡思郎］

セメントの歴史

紀元前5000年ごろのエジプトの遺跡として有名なピラミッドの石材の目地に、焼き石膏が使われている。これが気硬性セメントとして使われた最初のものであり、古代ギリシアやローマ時代の遺跡からは、石灰石を焼いてつくった消石灰をセメントとして使った遺物の数々が発見されている。

　ローマ時代から18世紀中葉までの約2000年間はセメントは消石灰の時代であり、なんらの進歩もみられなかったが、1756年に至り、イギリスの石造灯台エディストンEddystoneの建造に際して、機械・土木技術者スミートンが粘土分を含む石灰石を焼いたものをセメントとして使用し成功したのが、今日一般にセメントとよばれる水硬性セメントの最初であったといわれている。その後1796年にイギリスのパーカーJ. ParkerがローマンセメントRoman cement（粘土分を含む石灰石を石灰窯で焼いたのち粉砕してつくったセメント）を考案し、1818年にフランスのビカットL. J. Vicatが高級ローマンセメント（石灰石と粘土とを細かく粉砕して混ぜたものを高温度で焼成したのち粉砕してつくるセメント）を考案し、さらに1824年にイギリスのJ・アスプディンによって石灰石と粘土を主原料とした現在のポルトランドセメントの発明にとつながっている。このポルトランドセメントは1825年から工場で生産されるようになったが、当時ほかのセメント工場で生産されていた高級ローマンセメントと品質的には大差がなかった。ポルトランドセメントがローマンセメントを駆逐したのは1840年以後のことであり、1850年ころからポルトランドセメントの全盛時代が始まった。ポルトランドセメントは1848年にはフランス、1852年にはドイツ、1871年にはアメリカで次々と製造が開始され、ついにその技術が日本にも伝来し、1873年（明治6）東京・深川に官営のセメント工場が建設され（後に払い下げられ、浅野セメント＝現在の太平洋セメントとなる）、1875年に初めてセメントが製造された。高炉セメントは1882年にドイツで、アルミナセメントは1908年にフランスでそれぞれ発明された。

［西岡思郎］

セメントの製造

ポルトランドセメントの主原料は石灰石と粘土で、そのほかに成分調整のため珪石(けいせき)や酸化鉄原料（鉱滓(こうさい)）が用いられる。

　石灰石原料と粘土原料を重量比で4対1の割合で混合し、微粉砕し、約1400℃で焼成し、得られた灰黒色の粒状物がセメントクリンカーcement clinkerである。クリンカーを冷却したのち、重量で約3％程度の石膏を加え、同時に微粉砕してセメントが得られる。石膏を加えるのは、セメントと水との反応（水和）が、その初期に急激におこらないように凝結速度を調節するためである。

　ポルトランドセメントの製造方式には乾式法と湿式法とがある。乾式法は、原料を乾燥して調合し、粉砕し、混合して焼成する方法であり、湿式法は、原料に水を加え、スラリーslurry（粉砕物の濃厚懸濁液）の状態で粉砕し、焼成する方法である。セメント製造の大部分が経済性に優れた乾式法によっている。

　セメントの焼成には回転窯が用いられる。回転窯も現在ではサスペンションプレヒーターsuspension preheater付きキルンkiln（SPキルン）や、ニューサスペンションプレヒーター付きキルン（NSPキルン）などの効率的で経済的な最新式の回転窯が大勢を占めている。セメント焼成に使われる燃料は石油が主であるが、ときには石炭が使われる場合もある。セメントクリンカーを1トン製造するのに必要な熱量は約80万キロカロリーである。セメントクリンカーの粉砕にはボールミルball millやローラーミルroller millなどの仕上げミルを使用する。セメント粉砕に使用されるエネルギーは電力であり、セメントを1トン粉砕するのに約120キロワットの電力が消費される。混合セメントの場合、高炉セメントやシリカセメントは、ポルトランドセメントクリンカーと高炉水砕スラグslag（鉱滓）またはシリカ質混合材を同時に混合粉砕してつくられるが、フライアッシュセメントは、ポルトランドセメントに所定量のフライアッシュfly ash（燃焼によって生成される粉塵(ふんじん)）を混合するだけで得られる。

［西岡思郎］

セメントの性質

ポルトランドセメントに水が加えられると、セメント粒子は水と反応して水和が進む。水和の初期にはセメント粒子の表面に薄い水和物の膜ができ、一時的に水和が阻止されることになり、セメントペーストは流動性を保っている。時間の経過とともに、凝結調節に用いられている石膏がアルミン酸カルシウムに変化すると同時に、ケイ酸カルシウムの水和が活発となり、急速に水和が進む（アルミン酸カルシウムやケイ酸カルシウムはセメント中の化合物組成の一部である）。セメント粒子から析出した水和物によってセメント粒子が相互に結合し、外力を加えても粒子が互いに動きにくくなり、時間の経過とともにセメント粒子間が水和物で埋められて、硬化がさらに進んでいく。

　普通ポルトランドセメントや中庸熱ポルトランドセメントは、長期に強度を発現するケイ酸二カルシウムを多く含み、反対に短期に強度を発現するケイ酸三カルシウムが少ない。セメントが水和すると水和熱を出すが、この水和熱はアルミン酸三カルシウムの多いものほど高くなるので、低発熱用セメントであるといわれている中庸熱セメントにはアルミン酸三カルシウムが少ない。また、早強および超早強ポルトランドセメントは短期に強度を発現させるセメントであり、ケイ酸三カルシウムが他のセメントに比べて多い。

［西岡思郎］

セメントの用途

セメントの種類は多岐にわたっているが、セメントが使われる場所や目的に応じて、それに見合った特性をもつセメントを選んで用いるのが常である。

　普通ポルトランドセメントは、コンクリート工事に用いられるもっとも一般的なセメントである。早強ポルトランドセメントは、早期に高強度を発現できる特性を生かして、冬期工事、工期短縮を必要とする工事をはじめ、蒸気養生することにより、さらに早期に強度発現できる特性を生かし、コンクリート二次製品の製造に用いられる。超早強ポルトランドセメントは、早強ポルトランドセメントよりもさらに早期に強度発現を要求される工事や、セメント粒子の細かさを利用したグラウトgrouting（膠泥(こうでい)物を空隙(くうげき)に注入すること）用セメント、通年施工用のセメント、蒸気養生なしでコンクリート二次製品をつくるセメントなどに用いられる。中庸熱ポルトランドセメントは、水和熱の小さい特性を利用して、ダムや原子力発電所などの大断面構造物や舗装用のセメントとして用いられる。耐硫酸塩ポルトランドセメントは、化学抵抗性に優れているので、海洋構造物、地中埋設構造物、工場排水施設などのコンクリート用セメントとして用いられる。

　その他のセメントとして、白色ポルトランドセメントは着色セメント用、コンクリート二次製品用に、アルミナセメントは緊急工事、耐火物用に、コロイドセメントは岩盤グラウト用に、油井セメントや地熱セメントは高温高圧下で使用できるセメントとして、それぞれ用いられる。また、エコセメントは廃棄物処理を目的とした社会ニーズに基づいて開発されたセメントで、都市ゴミ焼却灰や下水汚泥を主原料としてつくられ、主として無筋コンクリート構造物に使われる。2002年（平成14）にはJIS規格（JIS R 5214）に規定された。

［西岡思郎］