Cum se fabrică cimentul și betonul

Dacă vă gândiți la cărămizi ca roci artificialecimentul ar putea fi considerat lavă artificială - o piatră lichidă care este turnată în locul în care se întărește în soliditate.

Mulți oameni vorbesc despre ciment atunci când înseamnă beton.

• Ciment este un compus cu granulație fină care se transformă într-un solid atunci când este amestecat cu apă. Cimentul este folosit pentru a lega amestecurile de materiale într-un solid compozit.
• Beton este un amestec de ciment, nisip și pietriș. Adică, cimentul este lipiciul beton.

Acum că este clar, hai să vorbim despre ciment. Cimentul începe cu var.

Varul este o substanță folosită din cele mai vechi timpuri pentru a face lucruri utile precum tencuiala și mortarul. Varul se face prin arderea sau calcinarea calcarului - și așa calcaros își primește numele. Chimic, var este oxid de calciu (CaO) și se face prin prăjire calcit (CaCO₃) pentru a elimina dioxidul de carbon (CO₂). Că CO₂, A gaze cu efect de seră, este produs în cantități mari de industria cimentului.

Varul se mai numește rapidlime sau calx (din latină, unde obținem și cuvântul calciu). În vechile mistere ale crimelor, varul rapid este stropit pe victime pentru a-și dizolva corpul, deoarece este foarte caustic.

Amestecat cu apă, varul se transformă încet în portlanditul mineral în reacția CaO + H₂O = Ca (OH)₂. Varul este în general tăiat, adică amestecat cu un exces de apă, astfel încât să rămână fluid. Varul slabit continuă să se întărească pe o perioadă de săptămâni. Amestecat cu nisip și alte ingrediente, cimentul de var tăiat poate fi împachetat între pietre sau cărămizi dintr-un perete (ca mortar) sau răspândit pe suprafața unui perete (ca randament sau tencuială). Acolo, în următoarele câteva săptămâni sau mai mult, reacționează cu CO₂ în aer pentru a forma din nou calcită - calcar artificial!

Betonul obținut cu ciment de var este cunoscut din siturile arheologice din Lumea Nouă și Vechi, cu o vechime de peste 5000 de ani. Funcționează extrem de bine în condiții de uscare. Are două dezavantaje:

• Cimentul de var necesită mult timp pentru a se vindeca, iar în timp ce lumea antică a avut mult timp, astăzi timpul este bani.
• Cimentul de var nu se întărește în apă, dar rămâne moale, adică nu este un ciment hidraulic. Așadar, există situații în care acesta nu poate fi folosit.

Se spune că Piramidele Egiptului conțin o ciment hidraulic pe bază de silice dizolvată. Dacă această formulă veche de 4500 de ani poate fi confirmată și reînviată, ar fi un lucru minunat. Dar cimentul de astăzi are un pedigree diferit, care este încă destul de vechi.

În jurul anului 1000 î.Hr., grecii antici au fost primii care au avut un accident norocos, amestecând var cu cenușă vulcanică fină. Cenușa poate fi gândită ca o rocă calcinată natural, lăsând siliciul într-o stare activă chimic precum calciul din calcarul calcinat. Când se amestecă acest amestec var-cenușă, se formează o substanță cu totul nouă: silicatul de calciu hidratat sau ceea ce chimiștii cimentului numesc C-S-H (aproximativ SiCa₂O₄·XH₂O). În 2009, cercetătorii care folosesc modelarea numerică au venit cu formula exactă: (CaO)_1.65(SiC₂) (H₂O)_1.75.

C-S-H este încă o substanță misterioasă astăzi, dar știm că este un gel amorf, fără nicio structură cristalină. Se întărește repede, chiar și în apă. Și este mai rezistent decât cimentul de var.

Grecii antici au folosit acest nou ciment pentru a-l folosi în moduri noi și valoroase, construind cisterne din beton care supraviețuiesc până în zilele noastre. Dar inginerii romani au stăpânit tehnologia și au construit porturi maritime, apeducte și temple din beton. Unele dintre aceste structuri sunt la fel de bune ca și astăzi, două mii de ani mai târziu. Dar formula pentru cimentul roman a fost pierdută odată cu căderea imperiului roman. Cercetările moderne continuă să descopere secrete utile de la antici, cum ar fi neobișnuitul compoziția betonului roman într-un breakwater construit în anul 37 î.e.n., care promite să ne ajute să economisim energie, să utilizăm mai puțin var și să producem mai puțin CO₂.

În timp ce cimentul de var a continuat să fie utilizat pe tot parcursul Evului Mediu și al Evului Mediu, adevăratul ciment hidraulic nu a fost redescoperit până la sfârșitul anilor 1700. Experimentatorii englezi și francezi au aflat că un amestec calcinat de calcar și piatră de lut ar putea fi făcut în ciment hidraulic. O versiune engleză a fost supranumită „ciment Portland” pentru asemănarea cu calcarul alb al insulei Portland, iar denumirea s-a extins curând la toate cimenturile făcute prin acest proces.

La scurt timp după aceea, producătorii americani au găsit pietre calcare cu lut care au dat ciment hidraulic excelent, cu puțină sau deloc prelucrare. Acest ciment natural ieftin a constituit cea mai mare parte din beton american pentru cea mai mare parte a anilor 1800, iar cea mai mare parte a acestuia a provenit din orașul Rosendale în sudul New York-ului. Rosendale a fost practic un nume generic pentru cimentul natural, deși alți producători se aflau în Pennsylvania, Indiana și Kentucky. Cimentul Rosendale se află în Podul Brooklyn, clădirea Capitolului Statelor Unite, cele mai multe clădiri militare din secolul al XIX-lea, baza Statuii Libertății și multe alte locuri. Odată cu creșterea necesității de a menține structuri istorice folosind materiale adecvate din punct de vedere istoric, Cimentul natural Rosendale este reînviat.

Cimentul adevărat Portland a câștigat încet popularitate în America pe măsură ce standardele avansau și ritmul de construcție a fost accelerat. Cimentul Portland este mai scump, dar poate fi făcut oriunde ingredientele pot fi asamblate în loc să se bazeze pe o formație de roci norocoasă. De asemenea, se vindecă mai repede, un avantaj atunci când construiești zgârie-nori o podea la un moment dat. Cimentul implicit de astăzi este o versiune a cimentului Portland.

Astăzi rocile care conțin calcar și argilă sunt sinterizate - prăjite împreună la aproape temperatura de topire - la 1400 ° la 1500 ° C. Produsul este un amestec plin de compuși stabili numiți clincher. Clinker conține fier (Fe) și aluminiu (Al), precum și siliciu și calciu, în patru compuși principali:

• Alite (Ca₃dioxid de siliciu₅)
• Belite (Ca₂dioxid de siliciu₄), cunoscut geologilor ca larnit
• Aluminat (Ca₃Al₂O₆)
• Ferrita (Ca₂ALFEO₅)

Clinkerul este măcinat cu pulbere și amestecat cu o cantitate mică de gips, care încetinește procesul de întărire. Acesta este cimentul Portland.

Cimentul este amestecat cu apă, nisip și pietriș pentru a face beton. Cimentul pur este inutil, deoarece se micșorează și crăpa; este, de asemenea, mult mai scump decât nisipul și pietrișul. Pe măsură ce amestecul se vindecă, sunt produse patru substanțe principale:

• C-S-H
• Portlandite
• Ettringit (Ca₆Al₂(ASA DE₄)₃(OH)₁₂· 26H₂O; include unele Fe)
• Monosulfat ([Ca₂(Al, Fe) (OH)₆] · (ASA DE₄, OH, etc) ·XH₂O)

Detaliile despre toate acestea sunt o specialitate complexă, făcând din beton o tehnologie atât de sofisticată ca orice în computer. Cu toate acestea, amestecul de beton de bază este practic o dovadă de prostie, suficient de simplu pentru tine și pentru mine.