Kā tiek izgatavots cements un betons

Ja jūs domājat par ķieģeļiem kā mākslīgie ieži, cementu varētu uzskatīt par mākslīgo lavu - šķidru akmeni, ko ielej vietā, kur tas sacietē līdz cietībai.

Daudzi cilvēki runā par cementu, kad tie nozīmē betonu.

• Cements ir smalkgraudains savienojums, kas, sajaucoties ar ūdeni, pārvēršas cietā stāvoklī. Cementu izmanto, lai saistītu materiālu maisījumus saliktā cietā stāvoklī.
• Betons ir cementa, smilšu un grants maisījums. Tas ir, cements ir līme betona.

Tagad, kad tas ir skaidrs, parunāsim par cementu. Cements sākas ar kaļķi.

Kaļķi ir viela, kuru kopš seniem laikiem izmanto tādu noderīgu lietu kā ģipša un javas pagatavošanai. Kaļķi tiek izgatavoti, sadedzinot vai kalcinējot kaļķakmeni, un tieši tā kaļķakmens iegūst savu vārdu. Ķīmiski kaļķi ir kalcija oksīds (CaO), un tos iegūst, apcepot kalcīts (CaCO₃), lai izvadītu oglekļa dioksīdu (CO₂). Ka CO₂, a siltumnīcefekta gāze, lielos daudzumos ražo cementa rūpniecība.

Kaļķi sauc arī par quicklime vai calx (no latīņu valodas, kur mēs arī iegūstam vārdu kalcijs). Vecajos slepkavību noslēpumos upuriem tiek izsmidzināta nedzīstošā kaļķe, lai izšķīdinātu viņu ķermeņus, jo tā ir ļoti kodīga.

Sajaucot ar ūdeni, kaļķis reakcijā CaO + H lēnām pārvēršas par minerālu portlandītu₂O = Ca (OH)₂. Kaļķi parasti tiek nolaisti, tas ir, sajaukti ar pārmērīgu daudzumu ūdens, lai tie paliktu šķidrumā. Atslābusi kaļķi nedēļu laikā turpina sacietēt. Sajaukts ar smiltīm un citām sastāvdaļām nolauzto kaļķu cementu var iesaiņot starp akmeņiem vai ķieģeļiem sienā (kā javu) vai izplatīt pa sienas virsmu (kā apmetumu vai apmetumu). Tur nākamo vairāku nedēļu laikā vai ilgāk tas reaģē ar CO₂ gaisā, lai atkal veidotos kalcīts - mākslīgais kaļķakmens!

Betons, kas izgatavots ar kaļķa cementu, ir pazīstams no arheoloģisko izrakumu vietām gan Jaunajā, gan Vecajā pasaulē, dažām vairāk nekā 5000 gadu vecai. Tas darbojas ārkārtīgi labi sausos apstākļos. Tam ir divi trūkumi:

• Kaļķu cementa izārstēšana prasa ilgu laiku, un, lai arī senajā pasaulē bija daudz laika, šodien laiks ir nauda.
• Kaļķu cements ūdenī necietina, bet paliek mīksts, tas ir, tas nav hidraulisks cements. Tāpēc ir situācijas, kad to nevar izmantot.

Ēģiptes piramīdās mēdz būt: a hidrauliskais cements pamatojoties uz izšķīdušo silīcija dioksīdu. Ja šo 4500 gadus veco formulu var apstiprināt un atdzīvināt, tā būtu lieliska lieta. Bet mūsdienu cementam ir atšķirīga ciltsraksti, kas joprojām ir diezgan seni.

Ap 1000 pirms mūsu ēras senie grieķi bija pirmie, kuri piedzīvoja veiksmi, sajaucot kaļķi ar smalkiem vulkāniskajiem pelniem. Pelnus var uzskatīt par dabiski kalcinētu iežu, atstājot silīciju ķīmiski aktīvā stāvoklī, piemēram, kalciju kalcinētā kaļķakmenī. Kad šis kaļķa un pelnu maisījums tiek nolaists, veidojas pilnīgi jauna viela: kalcija silikāta hidrāts vai tas, ko cementa ķīmiķi sauc par C-S-H (aptuveni SiCa₂O₄·xH₂O). 2009. gadā pētnieki, izmantojot skaitlisko modelēšanu, nāca klajā ar precīzu formulu: (CaO)_1.65(SiO₂) (H₂O)_1.75.

C-S-H joprojām ir noslēpumaina viela, taču mēs zinām, ka tā ir amorfs gēls bez noteiktas kristāliskas struktūras. Tas ātri sacietē, pat ūdenī. Un tas ir izturīgāks nekā kaļķu cements.

Senie grieķi šo jauno cementu izmantoja jaunos un vērtīgos veidos, būvējot betona cisternas, kas saglabājas līdz mūsdienām. Bet romiešu inženieri apguva tehnoloģiju un konstruēja arī jūras ostas, akveduktus un betona tempļus. Dažas no šīm konstrukcijām ir tikpat labas kā jebkad šodien, divus tūkstošus gadu vēlāk. Bet romiešu cementa formula tika zaudēta līdz ar Romas impērijas krišanu. Mūsdienu pētījumi turpina atklāt noderīgus noslēpumus no seniem cilvēkiem, piemēram, neparastos romiešu betona sastāvs lauzā, kas celta 37 BC pirms mūsu ēras, kas mums sola palīdzēt ietaupīt enerģiju, izmantot mazāk kaļķu un radīt mazāk CO₂.

Kamēr kaļķa cementu turpināja lietot visā tumsā un viduslaikos, īstais hidrauliskais cements netika atklāts no jauna līdz 1700. gadu beigām. Angļu un franču eksperimentētāji uzzināja, ka kalcinētu kaļķakmens un claystone maisījumu var padarīt par hidraulisko cementu. Vienu versiju angļu valodā sauca par "Portland cement" par tās līdzību ar Portlendas salas balto kaļķakmeni, un nosaukums drīz tika attiecināts uz visu cementu, kas iegūts šajā procesā.

Neilgi pēc tam amerikāņu ražotāji atrada mālus saturošus kaļķakmeņus, kas ieguva lielisku hidraulisko cementu ar nelielu pārstrādi vai bez pārstrādes. Šis lētais dabīgais cements lielāko daļu 1800. gadu veidoja lielāko daļu amerikāņu betona, un lielākoties tas nāca no Rosendale pilsēta Ņujorkas dienvidos. Rozendeila bija praktiski vispārīgs dabiskā cementa nosaukums, lai gan citi ražotāji atradās Pensilvānijā, Indiānā un Kentuki. Rozendeilas cements atrodas Bruklinas tiltā, ASV Kapitolija ēkā, lielākajā daļā 19. gadsimta militāro ēku, Brīvības statujas pamatnē un daudzās citās vietās. Pieaugot vajadzībai uzturēt vēsturiskas struktūras, izmantojot vēsturiski piemērotus materiālus, Rozendeilas dabīgais cements tiek atdzīvināts.

Īsts portlandcements lēnām ieguva popularitāti Amerikā, uzlabojoties standartiem un paātrinoties būvniecības tempam. Portlandcements ir dārgāks, taču to var izgatavot jebkur, lai sastāvdaļas varētu salikt, tā vietā lai paļautos uz laimīgu iežu veidošanos. Tas arī ātrāk izārstējas, kas ir priekšrocība, vienlaikus būvējot debesskrāpjus ar grīdu. Šodienas noklusējuma cements ir kāda portlandcementa versija.

Mūsdienās kaļķakmens un mālu saturošie ieži ir saķepināti - grauzdēti kopā gandrīz kušanas temperatūrā - 1400–1500 ° C. Produkts ir vienreizējs stabilu savienojumu maisījums, ko sauc par klinkeru. Klinkers četros galvenajos savienojumos satur dzelzi (Fe) un alumīniju (Al), kā arī silīciju un kalciju:

• Alite (Ca₃SiO₅)
• Belite (Ca₂SiO₄), kas ģeologiem pazīstams kā larnīts
• Aluminate (Ca₃Al₂O₆)
• Ferīts (Ca₂AlFeO₅)

Klinkeru samaļ līdz pulverim un sajauc ar nelielu daudzumu ģipsis, kas palēnina sacietēšanas procesu. Tas ir portlandcements.

Cementu sajauc ar ūdeni, smiltīm un grants, lai iegūtu betonu. Tīrs cements ir bezjēdzīgs, jo tas saraujas un saplaisā; tas ir arī daudz dārgāks nekā smiltis un grants. Kad maisījums sacietē, tiek ražotas četras galvenās vielas:

• C-S-H
• Portlandīts
• Ettringīts (Ca₆Al₂(SO₄)₃(OH)₁₂· 26H₂O; ietver kādu Fe)
• Monosulfāts ([Ca₂(Al, Fe) (OH)₆] · (SO₄, OH utt.) ·xH₂O)

Sīkāka informācija par to ir sarežģīta specialitāte, padarot betonu par tikpat sarežģītu tehnoloģiju kā jebkas jūsu datorā. Bet pamata betona maisījums ir praktiski stulba necaurlaidīgs, pietiekami vienkāršs, lai jūs un es varētu to izmantot.