Kako nastanejo cement in beton

Če menite, da so opeke kot umetne kamnine, cement se lahko šteje za umetno lavo - tekoči kamen, ki se vlije na mesto, kjer se strdi.

Mnogi govorijo o cementu, ko mislijo na beton.

• Cement je drobnozrnata spojina, ki se ob mešanju z vodo spremeni v trdno snov. Cement se uporablja za vezanje zmesi materialov v kompozitno trdno snov.
• Beton je mešanica cementa, peska in gramoza. Se pravi, da je cement lepilo beton.

Zdaj, ko je to jasno, se pogovorimo o cementu. Cement se začne z apnom.

Apno je snov, ki se že od antičnih časov uporablja za izdelavo koristnih stvari, kot so omet in malta. Apno se pridobiva z žganjem ali žganjem apnenca - in tako apnenec dobi svoje ime. Kemično je apno kalcijev oksid (CaO) in nastane s praženjem kalcit (CaCO₃) za odvajanje ogljikovega dioksida (CO₂). To CO₂, a toplogrednih plinov, v velikih količinah proizvaja cementarna industrija.

Limu pravimo tudi hitra apna ali calx (iz latinščine, kjer dobimo tudi besedo kalcij). V starih skrivnostih umorov žrtev poškropijo žrtve, da raztopijo svoja telesa, ker je zelo kavstičen.

Mešanica z vodo se apno počasi spremeni v mineralni portlandit v reakciji CaO + H₂O = Ca (OH)₂. Apno se na splošno razredči, to je, pomešano s presežkom vode, tako da ostane tekočina. Lomljeno apno še naprej strdi v obdobju nekaj tednov. Mešanico s peskom in drugimi sestavinami, nasuti apneni cement lahko zložimo med kamne ali opeke v steni (kot malta) ali razporedimo po površini stene (kot omet ali omet). Tam v naslednjih nekaj tednih ali dlje reagira s CO₂ na zraku, da spet nastane kalcit - umetni apnenec!

Beton iz apnenega cementa je znan iz arheoloških najdišč v Novem in Starem svetu, starih več kot 5000 let. Izredno dobro deluje v suhih razmerah. Ima dve pomanjkljivosti:

• Apneni cement potrebuje dolgo časa, da se strdi, in medtem ko je imel stari svet veliko časa, je danes čas denar.
• Apneni cement ne strdi v vodi, ampak ostane mehak, torej ni hidravlični cement. Torej obstajajo situacije, ko jih ni mogoče uporabiti.

Egiptovske piramide naj bi vsebovale a hidravlični cement na osnovi raztopljenega kremena. Če bi lahko to 4500 let staro formulo potrdili in oživeli, bi bila to super stvar. Toda današnji cement ima drugačen rodovnik, ki je še precej starodaven.

Okoli leta 1000 pred našim štetjem so bili stari Grki prvi srečni nesreči, ki so mešali apno s finim vulkanskim pepelom. Pepel je mogoče razumeti kot naravno kalcinirano kamnino, ki pušča silicij v kemično aktivnem stanju, kot je kalcij v kalciniranem apnencu. Ko se ta mešanica apnenega pepela lomi, nastane povsem nova snov: kalcijev silikatni hidrat ali tako imenovani kemični cementi C-S-H (približno SiCa₂O₄·xH₂O). Leta 2009 so raziskovalci, ki uporabljajo numerično modeliranje, prišli do natančne formule: (CaO)_1.65(SiO₂) (H₂O)_1.75.

C-S-H je še danes skrivnostna snov, vendar vemo, da gre za amorfen gel brez določene kristalne strukture. Hitro strdi, tudi v vodi. In je bolj trpežen od apnenega cementa.

Stari Grki so ta novi cement uporabljali na nove in dragocene načine, gradili so betonske cisterne, ki obstajajo do danes. Toda rimski inženirji so obvladali tehnologijo in zgradili tudi morska pristanišča, akvadukte in templje iz betona. Nekatere od teh struktur so dobre toliko kot danes, dva tisoč let pozneje. Toda formula rimskega cementa se je s padcem rimskega cesarstva izgubila. Sodobne raziskave še vedno odkrivajo koristne skrivnosti pred starodavnimi, kot je nenavadna kompozicija rimskega betona v valovodu, zgrajenem leta 37 pred našim štetjem, ki nam obljublja, da nam bo pomagal prihraniti energijo, porabiti manj apna in proizvesti manj CO₂.

Medtem ko je apneni cement še naprej uporabljal ves temni in srednji vek, resnični hidravlični cement ni bil odkrit do poznih 1700. Angleški in francoski eksperimentatorji so izvedeli, da je mogoče v hidravlični cement narediti kalcinirano mešanico apnenca in glinenega kamna. Eno angleško različico so poimenovali "Portland cement" zaradi podobnosti z belim apnencem otoka Portland, ime pa se je kmalu razširilo na ves cement, ki je bil ustvarjen s tem postopkom.

Kmalu zatem so ameriški izdelovalci našli glinene apnence, ki so dali odličen hidravlični cement z malo ali nič predelave. Ta poceni naravni cement je večji del ameriškega betona predstavljal večino 1800-ih, večina pa je nastala iz mesto Rosendale v južnem New Yorku. Rosendale je bilo praktično splošno ime za naravni cement, čeprav so bili drugi proizvajalci v Pensilvaniji, Indijani in Kentuckyju. Rosendale cement je na Brooklynskem mostu, ameriški zgradbi Kapitola, večini vojaških zgradb 19. stoletja, podstavku Kipa svobode in mnogih drugih krajih. Z naraščajočo potrebo po vzdrževanju zgodovinskih struktur z uporabo zgodovinsko primernih materialov, Rosendale naravni cement oživlja.

Pravi portlandski cement je počasi pridobival na popularnosti v Ameriki, ko so standardi že napredovali in hitrost gradnje se je stopnjevala. Portlandski cement je dražji, vendar ga je mogoče izdelati kjer koli, da se sestavine lahko sestavijo, namesto da se zanašajo na srečno kamnino. Prav tako hitreje pozdravi, prednost pri gradnji nebotičnikov tla naenkrat. Današnji privzeti cement je neka različica portlandskega cementa.

Danes so apnenci in gline, ki vsebujejo glino, sintrani - praženi skupaj pri skoraj topljeni temperaturi - pri 1400 ° do 1500 ° C. Izdelek je grudasta zmes stabilnih spojin, imenovanih klinker. Klinker vsebuje železo (Fe) in aluminij (Al) ter silicij in kalcij v štirih glavnih spojinah:

• Alite (Ca₃SiO₅)
• Belite (Ca₂SiO₄), ki ga geologi poznajo kot larnit
• Aluminat (Ca₃Al₂O₆)
• Ferit (Ca₂AlFeO₅)

Klinker se melje v prah in zmeša z majhno količino mavec, ki upočasni postopek utrjevanja. To je Portland cement.

Cement zmešamo z vodo, peskom in gramozom, da dobimo beton. Čist cement je neuporaben, ker se skrči in razpoka; je tudi veliko dražja od peska in gramoza. Ko se mešanica strdi, nastajajo štiri glavne snovi:

• C-S-H
• Portlandit
• Ettringite (Ca₆Al₂(SO₄)₃(OH)₁₂· 26H₂O; vključuje nekaj Fe)
• Monosulfat ([Ca₂(Al, Fe) (OH)₆] · (SO₄, OH itd.) ·xH₂O)

Podrobnosti vsega tega so zapletena posebnost, zaradi česar je beton tako izpopolnjena tehnologija kot karkoli v vašem računalniku. Kljub temu je osnovna betonska mešanica praktično neumna, dovolj preprosta, da jo lahko uporabimo vi in ​​jaz.