Kaip gaminamas cementas ir betonas

Jei manote apie plytas kaip dirbtinės uolienos, cementas gali būti laikomas dirbtine lava - skystu akmeniu, kuris pilamas į vietą, kur jis sukietėja iki kietumo.

Daugelis žmonių kalba apie cementą, kai jie reiškia betoną.

• Cementas yra smulkiagrūdis junginys, kuris sumaišomas su vandeniu tampa kietas. Cementas naudojamas medžiagų mišiniams surišti į kompozicinę kietą medžiagą.
• Betonas yra cemento, smėlio ir žvyro mišinys. Tai yra, cementas yra klijai betonas.

Dabar, kai tai aišku, pakalbėkime apie cementą. Cementas prasideda kalkėmis.

Kalkės yra medžiaga, nuo senų senovės naudojama tokioms naudingoms medžiagoms kaip tinkas ir skiedinys. Kalkės gaminamos deginant arba deginant kalkakmenis - štai kaip kalkakmenis gauna savo vardą. Chemiškai kalkės yra kalcio oksidas (CaO) ir gaunamos skrudinant kalcitas (CaCO₃) pašalinti anglies dioksidą (CO₂). Tas CO₂, a šiltnamio dujos, gamina dideliais kiekiais cemento pramonė.

Kalkės dar vadinamos gesinančiomis kalkėmis arba kalksais (iš lotynų kalbos, kur mes taip pat gauname žodį kalcis). Pagal senas žmogžudysčių paslaptis aukos purškiamos kalkėmis, kad ištirptų jų kūnai, nes jos yra labai kaustinės.

Sumaišyta su vandeniu, kalkės reakcijoje CaO + H lėtai virsta mineraliniu portlanditu₂O = Ca (OH)₂. Kalkės paprastai būna nešlifuotos, tai yra, sumaišytos su vandens pertekliumi, kad jos liktų skystos. Kalkių kalkės per kelias savaites kietėja. Sumaišytas su smėliu ir kitomis medžiagomis, nesmulkintą kalkių cementą galima supakuoti tarp akmenų ar plytų sienoje (kaip skiedinį) arba paskirstyti ant sienos paviršiaus (kaip tinką ar tinką). Ten per kelias kitas savaites ar ilgiau jis reaguoja su CO₂ ore vėl susidaro kalcitas - dirbtinis kalkakmenis!

Betonas, pagamintas iš kalkių cemento, yra žinomas iš naujojo ir senojo pasaulio archeologinių vietų, maždaug prieš 5000 metų. Itin gerai veikia sausomis sąlygomis. Tai turi du trūkumus:

• Kalkių cementas ilgai išgydomas, ir, nors senovės pasaulis turėjo daug laiko, šiandien laikas yra pinigai.
• Kalkių cementas nekietėja vandenyje, bet išlieka minkštas, tai yra, tai nėra hidraulinis cementas. Taigi yra situacijų, kai jo negalima naudoti.

Sakoma, kad Egipto piramidėse yra a hidraulinis cementas ištirpinto silicio dioksido pagrindu. Jei tą 4500 metų amžiaus formulę būtų galima patvirtinti ir atgaivinti, tai būtų puikus dalykas. Tačiau šių dienų cementas turi kitokią kilmę, kuri vis dar yra gana senovės.

Maždaug 1000 m. Pr. Kr. Senovės graikai buvo pirmieji, kuriems pasisekė, sumaišius kalkes su smulkiais vulkaniniais pelenais. Pelenai gali būti laikomi natūraliai kalcinuotomis uolienomis, paliekant silicį chemiškai aktyvia būsena, pavyzdžiui, kalcinuotame kalkakmenyje esantį kalcį. Kai šis kalkių ir pelenų mišinys nugrimzta, susidaro visiškai nauja medžiaga: kalcio silikato hidratas arba tai, ką cemento chemikai vadina C-S-H (maždaug SiCa₂O₄·xH₂O). 2009 m. Mokslininkai, naudodamiesi skaitmeniniu modeliavimu, sugalvojo tikslią formulę: (CaO)_1.65(SiO₂) (H₂O)_1.75.

C-S-H vis dar yra paslaptinga medžiaga, tačiau mes žinome, kad tai yra amorfinis gelis, neturintis jokios kristalinės struktūros. Greitai sukietėja net vandenyje. Ir jis yra patvaresnis nei kalkių cementas.

Senovės graikai šį naująjį cementą naudojo naujais ir vertingais būdais, statydami betoninius rezervuarus, išlikusius iki šių dienų. Bet Romos inžinieriai įvaldė šią technologiją ir taip pat konstravo jūrų uostus, akvedukus ir betono šventyklas. Kai kurios iš šių konstrukcijų yra tokios geros kaip ir šiandien, praėjus dviem tūkstančiams metų. Bet romėnų cemento formulė buvo prarasta žlugus Romos imperijai. Šiuolaikiniai tyrimai ir toliau atskleidžia naudingas senovės paslaptis, tokias kaip neįprastos romėnų betono kompozicija molo, pastatytame 37 m. prieš Kristų, žada padėti mums taupyti energiją, sunaudoti mažiau kalkių ir gaminti mažiau CO₂.

Nors kalkiniu cementu buvo naudojamasi dar tamsiaisiais ir viduramžiais, tikrasis hidraulinis cementas nebuvo iš naujo atrastas iki pat 1700-ųjų pabaigos. Anglų ir prancūzų eksperimentatoriai sužinojo, kad kalcinuotas kalkakmenio ir molistono mišinys gali būti pagamintas į hidraulinį cementą. Viena angliška versija buvo pavadinta „Portland cement“ dėl savo panašumo į Portlando salos baltąjį kalkakmenį, o vardas netrukus išplito ir visu cementu, pagamintu šio proceso metu.

Netrukus po to amerikiečių gamintojai rado molio turinčius kalkakmenius, iš kurių gaunamas puikus hidraulinis cementas, mažai perdirbamas arba visai neperdirbamas. Šis pigus natūralus cementas didžiąją dalį 1800-ųjų sudarė amerikietiško betono dalis, o didžioji jo dalis atsirado iš Rosendale miestelis pietiniame Niujorke. „Rosendale“ buvo praktiškai bendras natūralaus cemento pavadinimas, nors kiti gamintojai buvo Pensilvanijoje, Indijoje ir Kentukyje. „Rosendale“ cementas yra Bruklino tilte, JAV kapitulos pastate, daugumoje XIX amžiaus karinių pastatų, Laisvės statulos bazėje ir daugelyje kitų vietų. Augant poreikiui išlaikyti istorines struktūras, naudojant istoriškai tinkamas medžiagas, Natūralus „Rosendale“ cementas atgaivinamas.

Tikras portlandcementis pamažu populiarėjo Amerikoje, tobulėjant standartams ir spartėjant statybai. Portlandcementis yra brangesnis, tačiau jį galima gaminti bet kurioje vietoje, nes komponentai gali būti surinkti, užuot pasikliaujant sėkmingu uolienos formavimu. Jis taip pat išgydomas greičiau - privalumas, kai vienu metu statomi dangoraižiai grindys. Šiandien numatytasis cementas yra tam tikra portlandcemenčio versija.

Šiandien kalkakmenio ir molio turinčios uolienos yra sukepintos - skrudintos kartu beveik lydymosi temperatūroje - 1400–1500 ° C. Produktas yra purus stabilių junginių, vadinamų klinkeriu, mišinys. Klinkeryje yra keturi pagrindiniai junginiai: geležis (Fe) ir aliuminis (Al), taip pat silicis ir kalcis:

• Alite (Ca₃SiO₅)
• Belite (Ca₂SiO₄), geologams žinomas kaip larnitas
• Aliuminuoti (Ca₃Al₂O₆)
• Feritas (Ca₂„AlFeO“₅)

Klinkeris sumalamas iki miltelių ir sumaišomas su nedideliu kiekiu gipsas, kuris sulėtina kietėjimo procesą. Tai yra portlando cementas.

Betonas sumaišomas su vandeniu, smėliu ir žvyru. Grynas cementas nenaudingas, nes jis susitraukia ir įtrūksta; jis taip pat yra daug brangesnis nei smėlis ir žvyras. Kai mišinys kietėja, susidaro keturios pagrindinės medžiagos:

• C-S-H
• Portlanditas
• Ettringitas (Ca₆Al₂(SO₄)₃(OI)₁₂· 26H₂O; apima šiek tiek Fe)
• Monosulfato ([Ca₂(Al, Fe) (OH)₆] · (SO₄, OH ir kt.) ·xH₂O)

Visa tai yra sudėtinga specialybė, dėl kurios betonas tampa tokia sudėtinga technologija, kaip ir viskas jūsų kompiuteryje. Vis dėlto pagrindinis betono mišinys yra praktiškai atsparus kvailiui, pakankamai paprastas, kad galėtumėte naudoti tiek jūs, tiek aš.