Jak powstaje cement i beton

Jeśli myślisz o cegłach jako sztuczne skałycement można uznać za sztuczną lawę - płynny kamień, który wlewa się w miejsce, w którym twardnieje.

Wiele osób mówi o cemencie, gdy ma na myśli beton.

• Cement jest drobnoziarnistym związkiem, który zmienia się w ciało stałe po zmieszaniu z wodą. Cement służy do wiązania mieszanin materiałów w kompozytowe ciało stałe.
• Beton jest mieszanką cementu, piasku i żwiru. Oznacza to, że cement jest klejem beton.

Teraz, gdy jest to jasne, porozmawiajmy o cemencie. Cement zaczyna się od wapna.

Wapno jest substancją stosowaną od czasów starożytnych do wyrobu przydatnych rzeczy, takich jak gips i zaprawa. Wapno powstaje przez spalanie lub kalcynowanie wapienia - i tak właśnie jest wapień dostaje swoją nazwę. Chemicznie wapno jest tlenkiem wapnia (CaO) i powstaje w procesie prażenia kalcyt (CaCO₃) w celu usunięcia dwutlenku węgla (CO₂). Ten CO₂, a gaz cieplarniany, jest produkowany w dużych ilościach przez przemysł cementowy.

Wapno jest również nazywane wapnem palonym lub cielęcą (z łaciny, gdzie również otrzymujemy słowo wapń). W starych morderstwach wapno posypuje się ofiarami w celu rozpuszczenia ich ciał, ponieważ jest to bardzo żrące.

Zmieszane z wodą wapno powoli przekształca się w mineralny portlandyt w reakcji CaO + H₂O = Ca (OH)₂. Wapno jest na ogół gaszone, to znaczy mieszane z nadmiarem wody, dzięki czemu pozostaje płynne. Wapno gaszone w ciągu kilku tygodni twardnieje. Zmieszany z piaskiem i innymi składnikami cement wapienny gaszony można pakować między kamienie lub cegły w ścianę (jako zaprawę) lub rozprowadzać na powierzchni ściany (jako tynk lub tynk). Tam w ciągu następnych kilku tygodni lub dłużej reaguje z CO₂ w powietrzu, aby ponownie utworzyć kalcyt - sztuczny wapień!

Beton wykonany z cementu wapiennego znany jest ze stanowisk archeologicznych zarówno w Nowym, jak i Starym Świecie, z których niektóre mają ponad 5000 lat. Działa wyjątkowo dobrze w suchych warunkach. Ma dwie wady:

• Cement wapienny zajmuje dużo czasu, a chociaż świat starożytny miał dużo czasu, dziś czas to pieniądz.
• Cement wapienny nie twardnieje w wodzie, ale pozostaje miękki, to znaczy nie jest cementem hydraulicznym. Są więc sytuacje, w których nie można go użyć.

Mówi się, że piramidy w Egipcie zawierają cement hydrauliczny na bazie rozpuszczonej krzemionki. Gdyby tę 4500-letnią formułę można było potwierdzić i ożywić, byłoby to wspaniałe. Ale dzisiejszy cement ma inny rodowód, który jest wciąż dość starożytny.

Około 1000 rpne starożytni Grecy jako pierwsi mieli szczęśliwy wypadek, mieszając wapno z drobnym popiołem wulkanicznym. Popiół można uważać za naturalnie kalcynowaną skałę, pozostawiając krzem w stanie chemicznie aktywnym, takim jak wapń w kalcynowanym wapieniu. Kiedy ta mieszanina wapna i popiołu jest gaszona, powstaje zupełnie nowa substancja: hydrat krzemianu wapnia lub to, co chemicy cementu nazywają C-S-H (w przybliżeniu SiCa₂O₄·xH.₂O). W 2009 r. Naukowcy wykorzystujący modelowanie numeryczne opracowali dokładną formułę: (CaO)_1.65(SiO₂) (H₂O)_1.75.

C-S-H jest nadal tajemniczą substancją, ale wiemy, że jest to amorficzny żel bez określonej struktury krystalicznej. Szybko twardnieje, nawet w wodzie. I jest trwalszy niż cement wapienny.

Starożytni Grecy zastosowali ten nowy cement w nowy i cenny sposób, budując betonowe cysterny, które przetrwały do ​​dziś. Ale rzymscy inżynierowie opanowali technologię i zbudowali porty morskie, akwedukty i świątynie z betonu. Niektóre z tych struktur są dziś tak dobre jak zawsze, dwa tysiące lat później. Ale formuła rzymskiego cementu zaginęła wraz z upadkiem imperium rzymskiego. Współczesne badania wciąż odkrywają przydatne tajemnice starożytnych, takie jak niezwykłe skład betonu rzymskiego w falochronie zbudowanym w 37 roku p.n.e., który obiecuje pomóc nam w oszczędzaniu energii, zużyciu mniejszej ilości wapna i wytwarzaniu mniejszej ilości CO₂.

Podczas gdy cement wapienny był w użyciu przez cały okres ciemności i średniowiecza, prawdziwy cement hydrauliczny odkryto dopiero pod koniec XVII wieku. Angielscy i francuscy eksperymentatorzy dowiedzieli się, że kalcynowana mieszanina wapienia i iłowca może zostać przekształcona w cement hydrauliczny. Jedna wersja angielska została nazwana „cementem portlandzkim” ze względu na jej podobieństwo do białego wapienia na wyspie Portland, a nazwa wkrótce rozszerzyła się na cały cement wytworzony w tym procesie.

Niedługo potem amerykańscy producenci znaleźli wapienie zawierające glinę, które dały doskonały cement hydrauliczny przy niewielkim lub zerowym przetwarzaniu. Ten tani naturalny cement stanowił większość amerykańskiego betonu przez większość XIX wieku, a większość z niego pochodziła z miasto Rosendale w południowym Nowym Jorku. Rosendale to właściwie ogólna nazwa naturalnego cementu, chociaż inni producenci znajdowali się w Pensylwanii, Indianie i Kentucky. Cement Rosendale znajduje się w Brooklyn Bridge, budynku Kapitolu USA, większości XIX-wiecznych budynków wojskowych, podstawie Statuy Wolności i wielu innych miejscach. W związku z rosnącą potrzebą utrzymania historycznych struktur przy użyciu odpowiednich materiałów, Odradza się naturalny cement Rosendale.

Prawdziwy cement portlandzki powoli zyskał popularność w Ameryce wraz z postępem standardów i przyspieszeniem tempa budowy. Cement portlandzki jest droższy, ale można go wytwarzać wszędzie tam, gdzie można złożyć składniki zamiast polegać na szczęśliwej formacji skalnej. Leczy również szybciej, co jest zaletą przy budowaniu wieżowców na piętrze. Obecnie domyślnym cementem jest jakaś wersja cementu portlandzkiego.

Dzisiaj skały zawierające wapień i glinę są spiekane - prażone razem w temperaturze prawie topnienia - w temperaturze od 1400 ° do 1500 ° C. Produkt jest grudkowatą mieszaniną stabilnych związków zwanych klinkierem. Klinkier zawiera żelazo (Fe) i aluminium (Al), a także krzem i wapń, w czterech głównych związkach:

• Alite (Ca₃SiO₅)
• Belite (Ca₂SiO₄), znany geologom jako larnit
• Glinian (Ca₃Glin₂O₆)
• Ferryt (Ca₂AlFeO₅)

Klinkier miele się na proszek i miesza z niewielką ilością gips, co spowalnia proces hartowania. To jest cement portlandzki.

Cement miesza się z wodą, piaskiem i żwirem w celu uzyskania betonu. Czysty cement jest bezużyteczny, ponieważ kurczy się i pęka; jest również znacznie droższy niż piasek i żwir. W trakcie utwardzania mieszaniny powstają cztery główne substancje:

• C-S-H
• Portlandite
• Ettringit (Ca₆Glin₂(WIĘC₄)₃(O)₁₂· 26H₂O; zawiera trochę Fe)
• Monosiarczan ([Ca₂(Al, Fe) (OH)₆] · (WIĘC₄, OH itp.) ·xH.₂O)

Szczegóły tego wszystkiego są zawiłą specjalnością, dzięki czemu beton jest tak wyrafinowaną technologią jak wszystko na twoim komputerze. Jednak podstawowa mieszanka betonowa jest praktycznie głupia, wystarczająco prosta, abyś ja i ja mogliśmy z niej korzystać.