Het mikroskopisch onderzoekvan cement en cementklinkerdoor ir. K. L. A. van der Leeuw en N. J. P. van EngelshovenHet gebruik van het mikroskoop als hulpmiddel bij het struktuur-onderzoek van cementklinker dateert uit het einde van de vorigeeeuw. Zowel de bekende cementonderzoeker Le Chatelier alsde zweedse onderzoekerT?rnebohm hebben hier baanbrekendwerk verricht. Vooral de laatstgenoemde heeft zich verdienstelijkgemaakt, doordat hij de eerste is geweest, die de cementmineralenidentificeerde en namen gaf. Weliswaar was hem nog weinig be-kend omtrent de chemische samenstelling van deze mineralen,doch sinds zijn onderzoekingen is het mogelijk geworden decementmineralen steeds te herkennen en zijn deze altijd voor-komende bestanddelen van de cementklinker tot concrete be-grippen geworden. Hoewel dus het mikroskopisch onderzoek vancementklinker al geruime tijd bekend was, is pas na 1920 eengrotere opbloei in dit werk gekomen. Hiertoe heeft vooral deontwikkeling van het mikroskoop zelf veel bijgedragen. Vooralin de laatste twintig jaar heeft men gebruik gemaakt van de ont-wikkeling, die in de ertsmikroskopie tot stand is gekomen enhierdoor is het mikroskopisch onderzoek van cementklinkerveel gemakkelijker geworden. Voor de meeste doeleinden isnamelijk het onderzoek bij doorvallend licht het meest aangeweze-ne en de meeste normale mikroskopen zijn dan ook uitsluitendhiervoor ingericht. Bij het mikroskopisch onderzoek van ertsenen trouwens ook bij het metallografisch onderzoek maakt menechter veel gebruik van opvallend licht en het is gebleken, dathet gebruik hiervan ook bij het cementonderzoek grote voordelenbiedt.De geschetste ontwikkeling heeft meegebracht, dat men bij hetmikroskopisch onderzoek van cementklinker gebruik maakt vanhulpmiddelen, die bij een gewoon mikroskoop niet of nauwelijksgebruikt kunnen worden. Een zeer belangrijk hulpmiddel, datoverigens niet alleen aan het cementonderzoek is voorbehouden,is de fotografie. De beste beschrijving weegt namelijk niet optegen de foto (zonodig de kleurenfoto) en slechts daarmee kanmen verschillende onderzoekingen met elkaar vergelijken. Foto Igeeft een beeld van een modern mikroskoop met aangebouwdefotografische installatie, zoals deze voor het onderzoek van ce-mentklinker geschikt is. Hoewel meestal met opvallend lichtwordt gewerkt, is in sommige gevallen ook bij het cementonder-zoek doorvallend licht gewenst. Het hier afgebeelde mikroskoopis dan ook voor beide methoden ingericht.Het voorbereiden van een stukje cementklinker voor het mi-kroskopisch onderzoek is vrij eenvoudig. Het te onderzoekenstukje wordt aan ??n kant vlakgeslepen met behulp van carbo-rundumpoeder en water op een niet te snel draaiende gietijzerenschijf. Door deze bewerking enige malen te herhalen met steedsfijner slijppoeder wordt het oppervlak steeds gladder gemaakt,totdat men met slijpen niet verder kan komen. Het oppervlak isdan echter nog te ruw om bij sterke vergroting te kunnen wordenbekeken. Daarom moet het slijpen worden gevolgd door polijsten.Dit gebeurt met een suspensie van bijv. aluminiumoxide in alko-hol op een snel draaiende viltschijf. Hiermee kan men het opper-vlak zo glad krijgen, dat het er ook bij sterke vergroting nog alseen plat vlak uitziet. Zou men echter het aldus voorbereidepreparaat onder het mikroskoop beschouwen, dan zou blijkendat er nog zeer weinig te zien is. De contrasten zijn namelijk tegering. Om hieraan tegemoet te komen, wordt het oppervlakmet een daartoe geschikte vloeistof ge?tst. De verschillendemineralen worden door de etsvloeistof niet alle even snel aan-getast, waardoor de kristalgrenzen en de struktuur van dekristallen zichtbaar worden. Nadat het ge?tste stukje is gedroogd,is het gereed voor het onderzoek. Deze hele bewerking neemtongeveer 15 minuten in beslag. Op de waarde, die dit snellewerken in vele gevallen kan hebben, komen we nog nader terug.Alvorens nader in te gaan op de resultaten van het onderzoek,zal het nodig zijn de lezer enigermate in te wijden in de aard vande mineralen, die in de cementklinker voorkomen en in de ter-minologie, die in de cementchemie gebruikelijk is. De voor-naamste verbindingen in de cementklinker zijn :tricalciumsilicaat (3CaO.Si02),dicalciumsilicaat (2CaO.Si02),tricalciumaluminaat (3CaO.AI203) entetracalciumaluminaatferriet (4Ca0.Al203.Fe203).In verband met de ingewikkeldheid van deze verbindingen en dedaaruit voortvloeiende vrij lange scheikundige formules, heeftzich in de cementchemie een verkorte schrijfwijze ingeburgerden schrijft men de formules van bovenstaande verbindingen alsvolgt:C3S, C2S, C3A en C4AF.In een normale portlandcementklinker komen voor:40-60%C3S, 15-30% C2S, 8-ll%C3Aen7-IO%C4AF.Wij laten hier in het midden, of de genoemde verbindingen wer-kelijk volkomen aan de geschetste formule beantwoorden. Dit isvrijwel zeker niet het geval, doch de afwijkingen zijn gering enkunnen in het bestek van dit artikel gevoeglijk buiten beschou-wing worden gelaten.Juist omdat het lange tijd een strijdvraag is geweest, wat desamenstelling van de cementmineralen was, heeft men naar hulp-middelen gezocht om hiervan iets naders te weten te komen. Degewone chemische analyse kan ons hierbij niet helpen, omdatdeze alleen de totale samenstelling van het hele mengsel geeft.De zaak wordt nog moeilijker, omdat de oxiden, die de vier ge-noemde verbindingen kunnen vormen, niet de enige zijn, die inde grondstoffen voorkomen. Bij de vorming van de cementklinkerspelen MgO, K20, Na20 en S03 ook nog een, zij het bescheidenrol. Zuiver chemisch kan men dit ingewikkeld samenstel nooitgeheel overzien.foto I. modern mikroskoopingericht voor opvallend en voor doorvallend licht, metaangebouwde fotografische installatie voor onderzoek vancementklinkerCement 9 (1957) Nr. 1-249foto 2. tricalciumsilikaat (C3S) in de vorm vanmin of meer zeshoekige plaatjes = 230 ?foto 3. tricalciumsilikaat (C3S) met min of meer ronde ingeslotenlichte vlekjes doch ?n hoofdzaak met gelijke vormv = 250?Uitgaande van zuivere oxiden heeft men de cementmineralen inzuivere vorm kunnen maken en deze mikroskopisch onderzocht.Hierbij vond men dezelfde kristalvormen en dezelfde eigenschap-pen terug, die reeds aan de in normale klinker gevonden mine-ralen waren vastgesteld. Een zeer belangrijk gedeelte van ditwerk is uitgevoerd in het 'Geophysical Laboratory' te Washingtonin de jaren rond 1930. Door dit werk is niet alleen veel bekendgeworden omtrent de samenstelling van de cementklinker, dochis ook de waarde van het mikroskoop voor het fundamentelecementonderzoek eens te meer bewezen.Wat constateert men nu bij het mikroskopisch onderzoek?Bij het beschouwen van een stukje cementklinker ziet men prak-tisch altijd een mengsel van de genoemde mineralen, die zichieder door hun eigen karakteristieke vorm ?nderscheiden. Hetvoornaamste bestanddeel is het C3S. Dit komt voor in de vormvan min of meer zeshoekige plaatjes (foto 2). Hierbij kunnen vormen grootte vrij sterk afwijken van het gegeven voorbeeld, dochin hoofdzaak blijven beide toch altijd eender. Zo geeft foto 3 eeniets afwijkend beeld, waarin men echter toch dezelfde vorm kanherkennen. In deze foto is duidelijk te zien, dat zich in de kristal-len min of meer ronde lichte plekjes bevinden. Dit is materiaal,dat tijdens de vorming van de kristallen werd ingesloten.Foto 4 toont weer een iets andere vorm van C3S, waarbij tijdensde groei van het kristal de samenstelling een weinig is veranderd.Hierdoor is een opbouw in zones ontstaan.Naast de kristallen van C3S ziet men meestal enigszins afgerondekristallen met een flauw gekartelde rand. Dit is het C2S. Dezekristallen vertonen dikwijls een typische struktuur, alsof ze uiteen groot aantal plaatjes zijn opgebouwd. Dit is ook inderdaadhet geval. Foto 5 geeft een mooi voorbeeld van dit mineraal,waarop ook de plaatjesstruktuur goed te zien is. Deze struktuuris nog duidelijker waarneembaar bij sterkere vergroting, zoalsfoto 4. tricalciumsilikaat (C3S) met opbouw in zones = 700 ?foto 5. dicalciumsilikaat (C2S) ook met plaatjesstruktuurv= 150?50 Cement 9 (1957) Nr. 1-2foto 6. detail van een dicalciumsilikaat kristal (C2S) = 450 ?foto 7. C2S-kristal met plaatjesstruktuur en glasachtigtricalciumaluminaat (C3A) = 250 ?in foto 6, waarin een detail van een C2S-kristal wordt gegeven.Dat ook het C2S in verschillende vormen kan voorkomen, toontfoto 7, waarop ook wel een plaatjesstructuur zichtbaar is, dochweer van geheel andere aard dan in de voorgaande foto's.De beide tot nu toe genoemde verbindingen komen altijd goedgekristalliseerd voor. Dit ?s niet het geval met de twee anderemineralen. Deze bevinden zich altijd in de glasachtige'massa, dieop verschillende foto's tussen de kristallen zichtbaar is; o.a. opfoto 7 is dit heel duidelijk te zien. Daarnaast komt het C3A ookveelal goed gekristalliseerd voor; foto 8 geeft hiervan een mooivoorbeeld. Tussen enkele kristallen van C3S zijn hier lange grijzestrepen van C3A te zien. Hoewel zeer typisch, is dit toch niet demeest voorkomende vorm van het C3A. Op foto 9 zijn ook grijzekristallen zichtbaar, die nu echter niet langgerekt zijn, doch zichmeer als plaatjes voordoen. Het C3A en het C4AF smelten veelmakkelijker dan de beide Silikaten en blijven dientengevolge bijhet afkoelen ook langer in vloeibare toestand. Dit brengt mee,dat ze bij eventueel uitkristalliseren genoegen moeten nemenmet de plaats, die tussen de silicaatkristallen overblijft.foto 8. tricalciumaluminaat (C3A) in lange grijze strepentussen enkele kristallen van C3S en glasachtigetussenmassavan C4AF = 600 ?foto 9. tricalciumaluminaat (C3A) in plaatjesvormv = 250?Cement 9 (1957) Nr. 1-2 51foto 10. calciumoxide (CaO) v = 250 ? foto ll. cementpoeder gekit in een massa van dcorzichtig'plastic = 250 ?Het C4AF blijft nog langer in vloeibare vorm dan het C3A en komtuitsluitend als glasmassa voor. Het is te zien als lichte tussenmassain foto 8.Naast de genoemde hoofdbestanddelen komen er nog verschillen-de minder belangrijke voor. Als eerste moet hier genoemd wor-den het CaO, waarvan vrijwel altijd een kleine hoeveelheid inongebonden toestand overblijft. Een voorbeeld hiervan geeftfoto 10. Door de invloed van deze vrije kalk op het etsmiddelwordt meestal de direkte omgeving van een dergelijk kalknestjeminder sterk aangetast, waardoor juist de vrije kalk scherp af-steekt tegen de omgeving. Het MgO uit de grondstoffen verbindtzich niet met andere bestanddelen en is soms in gekristalliseerdevorm zichtbaar. Het zou echter te ver voeren op dit minderbelangrijke bestanddeel ver in te gaan.Zowel uit de inleiding als uit de beschrijving van het uiterlijk dervoornaamste cementmineralen is het wel duidelijk, dat het mi-kroskopisch onderzoek grote waarde heeft gehad voor het weten-schappelijk onderzoek en voor het herkennen van de verschillendebestanddelen. De verschillende vormen, waarin deze mineralenkunnen voorkomen, wijzen op verschil in de omstandigheden bijhet ontstaan en hierin ligt de aanleiding om ook in de praktijk vande cementvervaardiging te zoeken naar mogelijkheden voor hetgebruik van het mikroskoop als hulpmiddel bij de controle op dekwaliteit van het produkt.De verschijningsvorm van de kristallen wordt be?nvloed door deomstandigheden bij het ontstaan, m.a.w. door de situatie in decementoven. Kleine verschillen in temperatuur, samenstellingvan het materiaal in de oven en verdere omstandigheden als desamenstelling van de ovengassen, de koeling van de klinker e.d.drukken hun stempel op het ontstaan en de vorm van de ver-schillende mineralen. Men kan derhalve verwachten, dat men om-gekeerd uit de vorm en grootte van de kristallen conclusies kantrekken over de omstandigheden tijdens het ontstaan.Wij zijn in de gelegenheid geweest om talloze monsters cement -klinker zowel uit eigen bedrijf als uit andere fabrieken mikro-skopisch te onderzoeken en vonden inderdaad karakteristiekeeigenschappen van bepaalde ovens weerspiegeld in het mikro-skopische beeld. Hierin liggen mogelijkheden tot het op grond vanhet mikroskopische beeld doen van bepaalde uitspraken over hetverloop van het proc?d? in de oven en in de koeler; mogelijk-heden die nog lang niet uitgebuit zijn, doch de belofte in zichhouden van het geven van een zeer waardevolle aanvulling op dechemische analyse van de klinker en op de aanwijzingen van demeetinstrumenten aan de oven. De snelheid, waarmee men bijhet mikroskopisch onderzoek resultaten verkrijgt, verleent hethierbij een grote aantrekkelijkheid boven de altijd tamelijk lang-zame chemische analyse.Moeilijker nog dan het onderzoek van cementklinker is dat vangemalen cement. Door de zeer fijne maling, die het produktintussen heeft ondergaan, is het oorspronkelijke verband ver-broken en vindt men meestal van de kristallen maar brokstukkenterug. Zelfs om deze brokstukken zichtbaar te maken, moet mennog bizondere maatregelen nemen, omdat het cementpcederzonder meer zich niet leent voor onderzoek in opvallend licht.Men moet er hiertoe weer een geheel van maken met een opper-vlak, dat zich laat polijsten en etsen. Dit kan worden gedaan doorhet poeder te kitten in een massa van doorzichtig plastic. Foto 11laat een deel van een dergelijk preparaat zien. Tussen de grijzeplasticmassa zijn de cementkorrels te zien, waarin nog duidelijkkristallen zowel van C3S als van C2S zijn waar te nemen. De beoor-deling van deze kleine brokjes kristal is natuurlijk moeilijker danbij een ongebroken stuk klinker, doch anderzijds biedt het onder-zoek van dergelijke poederpreparaten verschillende voordelen.Tengevolge van de steeds wisselende omstandigheden in een ce-mentoven geeft een enkel klinkerbolletje niet altijd een volledigrepresentatief beeld van de omstandigheden. Het onderzoekenvan een poederpreparaat uit een gemalen monster geeft de moge-lijkheid om een beter gemiddeld monster te beschouwen en isdaardoor voor de bed rijfscontrole van belang.Tenslotte willen wij nog iets zeggen over het volgen van de hydra-tatie door middel van het mikroskopisch onderzoek. Dit is reedsvaak geprobeerd, doch de resultaten zijn tot nu toe weinig be-vredigend geweest. Hierbij doen zich namelijk twee zeer grotemoeilijkheden voor, de ene van theoretische, de andere vanpraktische aard.De eerste is deze, dat men bij het brengen van zelfs ?en kleinedruppel water op een mikroskopisch preparaat plaatselijk eenzeer grote overmaat aan water krijgt. De omstandigheden bij dehydratatie zijn dus volkomen anders dan in de praktijk; men magdaarom de resultaten zeker niet zonder meer op de praktijkoverdragen.De tweede moeilijkheid is eigenlijk nog groter en is gelegen in hetfeit, dat bij de hydratatie weliswaar gekristalliseerde produktenontstaan, doch dat de daarbij gevormde kristallen zo uiterstklein zijn, dat ze aan de grens liggen van het waarnemingsvermo-gen van zelfs het sterkste mikroskoop.Is dus het volgen van de hydratatie een zeer moeilijk probleem,uit de beschouwing van gehydrateerde cement is wel te zien, datzelfs na lange tijd de reaktie nog niet volledig is. Foto 12 geeft eenbeeld van een preparaat, dat 5 jaar lang onder water bewaard isgebleven. Te midden van een verwarde massa van gehydrateerdeprodukten zijn nog steeds kristallen van de oorspronkelijkecementmineralen te zien. Dit is overigens niets nieuws. Het ver-schijnsel, dat verhard cement na opnieuw fijnmalen zelfs na jarennog steeds opnieuw tot een verhardingsreaktie met water in staatis, mag bekend worden verondersteld.52 Cement 9 (1957) N?. 1-2In het voorgaande is getracht de lezer enig inzicht te geven in demogelijkheden van het mikroskopisch onderzoek van cement encementklinker en in de waarde, die deze wijze van onderzoekenniet alleen voor het fundamenteel wetenschappelijk onderzoekdoch ook voor de bedrijfscontrole op de cementfabriek kankrijgen. Welke betekenis de nog modernere instrumenten alselektronenmikroskoop en r?ntgendiffractie-apparaat nog kunnenkrijgen, is op het ogenblik nog niet te overzien. Voor het weten-schappelijk onderzoek van de struktuur en samenstelling van deklinker-mineralen heeft vooral het r?ntgenonderzoek reeds grotediensten bewezen. Voor de praktijk zijn echter de mogelijkhedenvan het gewone mikroskoop nog lang niet ten volle benut en ligtop dit gebied nog een ruim arbeidsveld open.Microscopic Examination of Cement and Portland Clinkerby . L A. van der Leeuw, C/v. Eng. and N. J. P. van EngelshovenThis article gives an insight into the possibilities of the microscopicexamination of cement and Portland clinker as well as into the value ofsuch examinations for science and control of technical operations. A vastfield is still open for exploration as far as the practical application isconcerned. The great significance of the electron microscope and theR?ntgen diffraction apparatus cannot as yet be fully appreciated.L'Investigation microscopique du ciment et du clinker de cimentpar fing. . L. A. van der Leeuw et Ai. N. J. P. van EngelshovenL'article donne un aper?u des possibilit?s que pr?sente l'investigationmicroscopique du ciment et du clinker de ciment en r?sumant la valeurde ces recherches pour la science et pour le contr?le industriel. Un vastechamp d'activit? s'ouvre ? la mise en oeuvre pratique. Quant aux appareils? microscope ?lectronique et ? diffraction radiolog?que, nous ne pouvonsencore de nos jours ?valuer leur grande importance.Mikroskopische Pr?fung von Zement und Zement-Klinkervon Dipf.-Ing. K. L. A. van der Leeuw und N. J. P. van EngelshovenDieser Artikel gew?hrt einen Einblick in die M?glichkeit der mikrosko-pischen Pr?fung von Zement und Zementklinker, und in die Beurteilungdes Wertes derartiger Untersuchungen f?r die Wissenschaft und dieBetriebskontrolle. F?r die Praxis liegt^noch ein-umfangreiches Arbeitsfeldoffen, D?e grosse Bedeutung des Elektronenmikroskop- und R?ntgen-d Fraktion sapparates ist im Augenblick noch nicht ganz zu ?bersehen.foto 12. gehydrateerd cement v = 250 ?Summary of p. 66Evolution in Details of Shipping Locksby J? P. Josephus Jitta, Civ. Eng.The application of details of locks, to modernbuilding methods has always proceeded at a ratherhesitant pace since there was the danger ofpossible errors creeping in where details areconcerned that have developed throughout thecenturies. This might cause costly repairs, ham-pering or even blocking shipping. Moreover, itmight take years before it is known whether a newdetail is adequate or whether it still has to beimproved.The author gives many useful particulars and hintsin this article.Sommaire de p. 66Les ?volutions dans l'?laboration d?taill?edes ?clusespar l'ing. J, P. Josephus JittaL'alignement de l'?laboration d?taill?e des ?clusessur les m?thodes modernes du b?timent est tou-jours sujet ? de longues h?sitations; en s'?cartantde d?tails sanctionn?s par une tradition s?culaireon risquerait facilement de se tromper, ce quientra?nerait des r?parations on?reuses pouvantg?ner voire m?me blocquer la navigation. Enoutre des ann?es s' ?coulent parfois avant qu'onait v?rifi? le parfait fonctionnement d'un nouveaud?tail ou qu'on ait mis au point les corrections?ventuelles. L'auteur dans cet article donne desindications et des d?tails aussi nombreux quepr?cieux.Zusammenfassung von S. 66Die Entwicklung im Detaillieren vonSchleusenvon Dipf.-Ing. j. P. Josephus JittaDie Anpassung von Schleusendetails vollzieht sichnur z?gernd, da man bei der Ab?nderung vonEinzelheiten, die im Laufe der Jahrhunderteentwickelt worden sind, fehlgreifen k?nnte. Daskann dann kostspielige Reparaturen zur Folgehaben, durch deren Ausf?hrung der Schiffahrts-verkehr beeintr?chtigt und sogar stillgelegtwerden kann. Ausserdem kann es j?hre dauernbevor man weiss, ob ein neues Detail den An-forderungen gen?gt, oder wie es verbessertwerden muss. In diesem Artikel gibt der Verfasserviele zweckm?ssige Details und n?tzliche Winke.Cernent 9 (1957) Nr. 1-2 53
Reacties