Трехкальциевый силикат 3CaO∙SiO₂ (C₃S) – самый важный минерал клинкера, определяющий быстроту твердения, прочность и другие свойства портландцемента; содержится в клинкере в количестве 45-60 %. Алит – твердый раствор C₃S, модифицированный ионами Mg²⁺, Al³⁺, Cr³⁺ и др.

Двухкальциевый силикат 2CaO∙SiO₂ (C₂S) – второй по важности и содержанию (20-30 %) силикатный минерал клинкера. Он медленно твердеет, но достигает высокой прочности при длительном твердении портландцемента. Белит – твердый раствор C₂S, модифицированный ионами Mg²⁺, Al³⁺, Fe³⁺, Cr³⁺ и др. Содержание минералов-силикатов в клинкере составляет в сумме около 75 %, поэтому гидратация алита и белита в основном определяет технические свойства портландцемента.

Трехкальциевый алюминат 3CaO·Al₂O₃ (С₃А) – в клинкере содержится в количестве 4-12 % – самый активный клинкерный минерал, быстро взаимодействует с водой. Является причиной сульфатной коррозии бетона, поэтому в сульфатостойком портландцементе содержание С₃А ограничено 5 %.

Четырехкалъциевый алюмоферрит 3CaO·Al₂O₃·Fe₂O₃ (C₄AF) – в клинкере содержится в количестве 10-20 %. Характеризуется умеренным теп­ловыделением и по быстроте твердения занимает промежуточное положение между C₃S и C₂S.

Клинкерное стекло присутствует в промежуточном веществе в ко­личестве 5-15 %, оно состоит в основном из СаО, А1₂О₃, Fe₂O₃, MgO, К₂О, Na₂O.

Содержание свободных СаО и MgO не должно превышать соответственно 1 % и 5 %. При более высоком их содержании снижается качество цемента и может проявиться неравномерное изменение его объема при твердении, связанное с переходом СаО в Са(ОН)₂ и MgO в Mg(OH)₂.

Щелочи (Na₂O, K₂O) входят в алюмоферритную фазу клинкера, а также присутствуют в цементе в виде сульфатов. Содержание щелочей в портландцементе ограничивается до 0,6 % в случае применения заполнителя (песка, гравия), содержащего реакционно-способные опаловидные модификации двуоксида кремния, из-за опасности растрескивания бетона в конструкции.

В зависимости от минералогического состава различают следующие виды портландцемента: высокоалитовой – C₃S > 60 %, алитовый – C₃S – 50-60 %, белитовый – C₂S > 35 %, алюмитатный – C₃A > 12 %, алюмоферритный - C₃A < 2 %, C₄AF > 18 %.

Твердение портландцемента. Твердение обусловлено комплексом химических, физико-химических и физических процессов, происходящих при взаимодействии клинкерных минералов с водой. Уже в начальной стадии процесса гидратации цемента происходит быстрое взаимодействие алита с водой с образование гидросиликата кальция и портландита Ca(OH)₂:

2(3CaO∙SiO₂) + 6Н₂О = 3CaO∙2SiO₂∙3H₂O + 3Са(ОН)₂

После затворения гидроксид кальция образуется из алита, так как белит гидратируется медленнее алита и при его взаимодействии с водой выделяется меньше Са(ОН)₂, что видно из уравнения химической реакции:

2(2CaO∙SiO₂) + 4Н₂О = 3CaO∙2SiO₂∙3H₂O + Ca(OH)₂

Взаимодействие трехкальциевого алюмината с водой приводит к образованию гидроалюмината кальция:

3СаО∙А1₂O₃ + 6Н₂О = 3СаО∙А1₂О₃∙6Н₂О

Для замедления схватывания при помоле клинкера добавляют небольшое количество природного гипса (3-5 % от массы цемента). Сульфат кальция играет роль химически активной составляющей цемента, реагирующей с трехкальциевым алюминатом и связывающей его в гидросульфоалюминат кальция (минерал эттрингит) в начале гидратации портландцемента:

3CaO∙Al₂O₃+3(CaSO₄∙2H₂O)+26H₂O = 3CaO∙Al₂O₃∙3CaSO₄∙32H₂O

В насыщенном растворе Са(ОН)₂ эттрингит сначала выделяется в коллоидном тонкодисперсном состоянии, осаждаясь на поверхности частиц 3СаО∙А1₂О₃, замедляет их гидратацию и начало схватывания цемента. Кристаллизация Са(ОН)₂ из пересыщенного раствора понижает концентрацию гидроксида кальция в растворе, и эттрингит уже образуется в виде длинных иглоподобных кристаллов. Кристаллы эттрингита и обусловливают раннюю прочность затвердевшего цемента. Эттрингит, содержащий 31-32 молекулы кристаллизационной воды, занимает примерно вдвое больший объем по сравнению с суммой объемов реагирующих веществ (С₃А и сульфата кальция). Заполняя поры цементного камня, эттрингит повышает его механическую прочность и стойкость.

Четырехкальциевьй алюмоферрит при взаимодействии с водой расщепляется на гидроалюминат и гидроферрит:

4CaO∙Al₂O₃∙Fe₂O₃ + mH₂O = 3СаО∙А1₂О₃∙6Н₂О + CaO∙Fe₂O₃∙nH₂O

Гидроалюминат связывается добавкой природного гипса, как указано выше, а гидроферрит входит в состав цементного геля.

Состав новообразований определяется не только химико-минералогическим составом портландцемента, но и условием твердения.

Структура цементного камня

В твердеющем цементном камне можно выделить три основные структурные составляющие:

- кристаллический сросток, состоящий преимущественно из кристаллогидратов гидросульфоалюмината кальция, гидроалюминатов кальция и гидроокиси кальция;

- гель, образованный волокнистыми субмикрокристаллами гидросиликатов кальция, удерживающими межплоскостную и пленочную воду;

- не до конца гидратированные зерна исходного цемента.

Прочность цементного камня определяется прочностью кристаллического сростка, и в частности степенью заполнения им объема, прочностью контактов срастания, прочностью второй структурной составляющей – геля. Начальная прочность камня определяется преимущественно прочностью кристаллического сростка; дальнейший же рост прочности обусловлен как обрастанием кристаллического каркаса и увеличением содержания гидросиликатов кальция вследствие продолжающейся гидратации цемента, так и повышением собственной прочности геля вследствие постепенного удаления адсорбционной и межплоскостной воды из гидросиликатов кальция, имеющих слоистое строение кристаллических решеток.

Особым строением цементного камня, и в частности наличием в его структуре волокнистых субмикрокристаллов гидросиликатов кальция, способных прочно удерживать пленочную и межплоскостную воду, обусловлен ряд специфических свойств цементных бетонов, таких как ползучесть, усадка и др.