Hvordan cement og beton fremstilles

Hvis du tænker på mursten som kunstige sten, cement kan betragtes som kunstig lava - en flydende sten, der hældes på det sted, hvor den hærder til soliditet.

Mange mennesker taler om cement, når de mener beton.

• Cement er en finkornet forbindelse, der omdannes til et fast stof, når det blandes med vand. Cement bruges til at binde blandinger af materialer i et sammensat fast stof.
• Beton er en blanding af cement, sand og grus. Det vil sige, cement er limen fra beton.

Nu når det er klart, lad os tale om cement. Cement begynder med kalk.

Kalk er et stof, der siden oldtiden er brugt til at fremstille nyttige ting som puds og mørtel. Kalk fremstilles ved at brænde eller kalcere kalksten - og det er sådan kalksten får sit navn. Kemisk er kalk calciumoxid (CaO) og fremstilles ved ristning calcit (CaCO₃) til at fjerne kuldioxid (CO₂). CO₂, a drivhusgas, produceres i store mængder af cementindustrien.

Kalk kaldes også quicklime eller calx (fra latin, hvor vi også får ordet calcium). I gamle mordmysterier sprinkles hurtigkalk på ofrene for at opløse deres kroppe, fordi det er meget kaustisk.

Blandet med vand omdannes kalk langsomt til mineralportlanditten i reaktionen CaO + H₂O = Ca (OH)₂. Kalk er generelt smækket, det vil sige blandet med et overskud af vand, så det forbliver flydende. Skaldet kalk fortsætter med at hærde over en periode på uger. Blandet med sand og andre ingredienser kan fældet kalkcement pakkes mellem sten eller mursten i en væg (som mørtel) eller spredes over en vægs overflade (som gengivelse eller puds). Der reagerer det med CO i løbet af de næste flere uger eller længere₂ i luften for at danne kalsit igen - kunstig kalksten!

Beton fremstillet med kalkcement kendes fra arkæologiske steder i både den nye og den gamle verden, nogle mere end 5000 år gamle. Det fungerer ekstremt godt under tørre forhold. Det har to ulemper:

• Kalkcement tager lang tid at helbrede, og selvom den antikke verden havde masser af tid, er tiden i dag penge.
• Kalkcement hærder ikke i vand, men forbliver blød, det vil sige, det er ikke en hydraulisk cement. Så der er situationer, hvor det ikke kan bruges.

Det siges, at Pyramiderne i Egypten indeholder en hydraulisk cement baseret på opløst silica. Hvis den 4500-årige formel kan bekræftes og genoplives, ville det være en god ting. Men dagens cement har en anden stamtavle, der stadig er ret gammel.

Omkring 1000 fvt var de gamle grækere de første, der havde en heldig ulykke, blandet kalk med fin vulkansk aske. Ask kan betragtes som naturligt kalsineret klipper, hvilket efterlader silicium i en kemisk aktiv tilstand som kalk i kalkineret kalksten. Når denne kalk-askeblanding smækkes, dannes et helt nyt stof: calciumsilicathydrat eller hvad cementkemikere kalder C-S-H (ca. SiCa₂O₄·xH₂O). I 2009 kom forskere, der bruger numerisk modellering, med den nøjagtige formel: (CaO)_1.65(SiO₂) (H₂O)_1.75.

C-S-H er stadig et mystisk stof i dag, men vi ved, at det er en amorf gel uden nogen bestemt krystallinsk struktur. Det hærder hurtigt, selv i vand. Og det er mere holdbart end kalkcement.

De gamle grækere brugte denne nye cement til at bruges på nye og værdifulde måder og bygger beton-cisterner, der overlever til i dag. Men romerske ingeniører mestrede også teknologien og konstruerede havnehavne, akvædukter og templer af beton. Nogle af disse strukturer er lige så gode som nogensinde i dag, to tusinde år senere. Men formlen for romersk cement gik tabt med faldet af det romerske imperium. Moderne forskning afslører fortsat nyttige hemmeligheder fra de gamle, såsom det usædvanlige sammensætning af romersk beton i et bølgebryde bygget i 37 fvt., der lover at hjælpe os med at spare energi, bruge mindre kalk og producere mindre CO₂.

Mens kalkcement fortsatte i brug i hele mørket og middelalderen, blev ægte hydraulisk cement ikke genopdaget før i slutningen af ​​1700-tallet. Engelske og franske eksperimenter lærte, at en kalkineret blanding af kalksten og lersten kunne laves til hydraulisk cement. En engelsk version blev døbt "Portland cement" for sin lighed med den hvide kalksten på Isle of Portland, og navnet udvides snart til al cement fremstillet ved denne proces.

Kort derefter fandt amerikanske producenter lerbærende kalksten, der gav fremragende hydraulisk cement med ringe eller ingen forarbejdning. Denne billige naturlige cement udgjorde hovedparten af ​​amerikansk beton i det meste af 1800-tallet, og det meste kom fra byen Rosendale i det sydlige New York. Rosendale var praktisk talt et generisk navn på naturlig cement, selvom andre producenter var i Pennsylvania, Indiana og Kentucky. Rosendale cement er i Brooklyn Bridge, den amerikanske hovedbygning, de fleste militærbygninger fra det 19. århundrede, basen for Frihedsgudinden og mange andre steder. Med det stigende behov for at opretholde historiske strukturer ved hjælp af historisk passende materialer, Rosendale naturlig cement bliver genoplivet.

Ægte portland cement voksede langsomt popularitet i Amerika, efterhånden som standarderne steg, og bygningstempoet blev hurtigere. Portland cement er dyrere, men det kan fremstilles hvor som helst ingredienserne kan samles i stedet for at stole på en heldig klippeformation. Det hærder også hurtigere, en fordel, når man bygger skyskrabere et gulv ad gangen. Dagens standardcement er en eller anden version af portland cement.

I dag sintres kalksten og lerholdige klipper - stegt sammen ved næsten smeltetemperatur - ved 1400 til 1500 ° C. Produktet er en klumpet blanding af stabile forbindelser kaldet klinker. Clinker indeholder jern (Fe) og aluminium (Al) samt silicium og calcium i fire hovedforbindelser:

• Alite (Ca₃SiO₅)
• Belite (Ca₂SiO₄), kendt af geologer som larnit
• Aluminat (Ca.₃Al₂O₆)
• Ferrit (Ca₂Alfeo₅)

Clinker formales til pulver og blandes med en lille mængde gips, hvilket bremser hærderprocessen. Det er Portland cement.

Cement blandes med vand, sand og grus for at fremstille beton. Ren cement er ubrugelig, fordi den krymper og revner; det er også meget dyrere end sand og grus. Når blandingen hærder, produceres fire hovedstoffer:

• C-S-H
• portlandit
• Ettringit (Ca₆Al₂(SÅ₄)₃(OH)₁₂· 26H₂O; inkluderer nogle Fe)
• Monosulfat ([Ca₂(Al, Fe) (OH)₆] · (SÅ₄, OH osv.) ·xH₂O)

Detaljerne om alt dette er en kompliceret specialitet, der gør beton lige så sofistikeret teknologi som noget andet på din computer. Alligevel er grundlæggende konkret blanding praktisk talt dumt bevis, enkel nok til at du og mig kan bruge.