Kuidas valmistatakse tsementi ja betooni

Kui mõelda tellistele nagu tehiskivimid, tsementi võib pidada kunstlikuks laavaks - vedelaks kiviks, mis valatakse kohale, kui see tahkestub.

Paljud inimesed räägivad tsemendist, kui nad tähendavad betooni.

• Tsement "Peeneteraline ühend" on peeneteraline ühend, mis veega segamisel muutub tahkeks. Tsementi kasutatakse materjalide segu sidumiseks tahke komposiidiga.
• Betoon on segu tsemendist, liivast ja kruusast. See tähendab, et tsement on liim betoon.

Nüüd, kui see on selge, räägime tsemendist. Tsement algab lubjaga.

Lubi on aine, mida on iidsetest aegadest kasutatud selliste kasulike asjade nagu krohv ja mört valmistamiseks. Lubi valmistatakse lubjakivi põletamise või kaltsineerimise teel - ja nii see on paekivi saab selle nime. Keemiliselt on lubi kaltsiumoksiid (CaO) ja seda valmistatakse röstimise teel kaltsiit (CaCO₃) süsinikdioksiidi (CO₂). See CO₂, a kasvuhoonegaas, toodetakse suurtes kogustes tsemenditööstuses.

Lubi nimetatakse ka kustutatavaks lubjaks või kalksiks (ladina keelest, kust saame ka sõna kaltsium). Vanades mõrvamüsteeriumides piserdatakse ohvritele kustutatud lubi, et nad oma keha lahustaksid, kuna see on väga sööbiv.

Veega segatud lubja muutub reaktsioonis CaO + H aeglaselt mineraalseks portlandiidiks₂O = Ca (OH)₂. Tavaliselt on lubi kustutatud ehk segatud liigse veega, nii et see püsib vedelana. Kustutatud lubi kõveneb jätkuvalt nädalate jooksul. Liiva ja muude koostisainetega segatud lubjatsemendi võib pakendada kivide või telliste vahele seina (mördina) või seina pinnale (krohvi või krohvina). Seal reageerib see järgmise paari nädala jooksul või kauem CO-ga₂ õhus, et moodustuks uuesti kaltsiit - kunstlik lubjakivi!

Lubetsemendiga valmistatud betoon on teada nii uue kui ka vana maailma arheoloogilistest leiukohtadest, mis on umbes 5000 aastat vanad. See töötab eriti hästi kuivades tingimustes. Sellel on kaks puudust:

• Lubetsemendi kõvenemine võtab kaua aega ja kuigi muinasmaailmas oli palju aega, on täna aeg raha.
• Lubetsement ei kõvene vees, vaid jääb pehmeks, see tähendab, et see pole hüdrauliline tsement. Nii et on olukordi, kus seda ei saa kasutada.

Egiptuse püramiidid sisaldavad väidetavalt a hüdrauliline tsement põhineb lahustunud ränidioksiidil. Kui seda 4500-aastast valemit saab kinnitada ja taaselustada, oleks see suurepärane asi. Kuid tänapäeva tsemendil on erinev sugupuu, mis on endiselt üsna iidne.

Umbes 1000 eKr olid muistsed kreeklased esimesed õnnelikud õnnetused, segades lubi peene vulkaanilise tuhaga. Tuhka võib pidada looduslikult kaltsineeritud kivimiks, jättes räni keemiliselt aktiivsesse olekusse nagu kaltsineeritud lubjakivi kaltsium. Selle lubja-tuha segu leotamisel moodustub täiesti uus aine: kaltsiumsilikaathüdraat või see, mida tsemendikeemikud nimetavad C-S-H (umbes SiCa₂O₄·xH₂O). 2009. aastal tulid numbrilist modelleerimist kasutavad teadlased välja täpse valemi: (CaO)_1.65(SiO₂) (H₂O)_1.75.

C-S-H on tänapäeval veel salapärane aine, kuid me teame, et see on amorfne geel, millel puudub kindel kristalne struktuur. See kõvastub kiiresti, isegi vees. Ja see on vastupidavam kui lubjatsement.

Muistsed kreeklased panid selle uue tsemendi kasutama uutel ja väärtuslikel viisidel, ehitades betoonist tsisternid, mis säilivad tänapäevani. Kuid Rooma insenerid õppisid seda tehnoloogiat ja ehitasid ka meresadamaid, akvedukte ja betoonist templeid. Mõned neist struktuuridest on sama head kui kunagi varem, kaks tuhat aastat hiljem. Kuid Rooma tsemendi valem kaotas Rooma impeeriumi langemisega. Kaasaegsed teadusuuringud paljastavad iidsete inimeste kasulikke saladusi, näiteks ebatavalisi Rooma betooni koostis temperatuuril 37 eKr ehitatud lainemurdjas, mis lubab meil aidata säästa energiat, kasutada vähem lubi ja toota vähem süsinikku₂.

Kui lubjatsementi kasutati kogu pimeduses ja keskajal, leiti tõeline hüdrauliline tsement alles 1700. aastate lõpus. Inglise ja prantsuse eksperimenteerijad said teada, et lubjakivi ja claystone kaltsineeritud segu võib muuta hüdrauliliseks tsemendiks. Üks ingliskeelne versioon nimetati Portlandtsemendiks selle sarnasuse tõttu Portlandi saare valge lubjakiviga ja nimi laienes peagi kogu selle protsessi käigus valmistatud tsemendile.

Vahetult pärast seda leidsid Ameerika tootjad savi kandvaid lubjakivi, mis andis suurepärase hüdraulilise tsemendi, mille töötlemine oli vähene või üldse mitte. See odav naturaalne tsement moodustas enamiku 1800ndatest suurema osa Ameerika betoonist ja suurem osa sellest tuli Venemaalt Rosendale'i linn New Yorgi lõunaosas. Rosendale oli loodusliku tsemendi üldnimetus, ehkki teised tootjad olid Pennsylvanias, Indiana ja Kentucky osariigis. Rosendale'i tsement asub Brooklyni sillal, USA Kapitooliumi hoones, enamikus 19. sajandi sõjaväehoonetes, Vabadussamba aluses ja paljudes teistes kohtades. Kuna kasvab vajadus säilitada ajaloolisi struktuure, kasutades ajalooliselt sobivaid materjale, Rosendale looduslikku tsementi taaselustatakse.

Tõeline portlandtsement saavutas Ameerikas aeglaselt populaarsuse, kui standardid arenesid ja ehituse tempo kiirenes. Portlandtsement on kallim, kuid seda saab valmistada kõikjal, kus koostisosi saab kokku panna, selle asemel et loota õnnelikule kivimoodustisele. See ravib ka kiiremini, see on eelis, kui kõrghooneid korraga ehitatakse. Tänapäeva vaiketsement on portlandtsemendi mõni versioon.

Tänapäeval paekivi ja savi sisaldavad kivimid on paagutatud - röstitud koos peaaegu sulamistemperatuuril - 1400–1500 ° C. Toode on stabiilsete ühendite pontsakas segu, mida nimetatakse klinkeriks. Klinker sisaldab rauda (Fe) ja alumiiniumi (Al), samuti räni ja kaltsiumi neljas peamises ühendis:

• Alite (Ca₃SiO₅)
• Belite (Ca₂SiO₄), mida geoloogid tunnevad kui larniiti
• Alumiinium (Ca₃Al₂O₆)
• Ferriit (Ca₂AlFeO₅)

Klinker jahvatatakse pulbriks ja segatakse väikese kogusega kips, mis aeglustab kõvenemisprotsessi. See on portlandtsement.

Betooni valmistamiseks segatakse tsement vee, liiva ja kruusaga. Puhas tsement on kasutu, kuna see kahaneb ja praguneb; see on ka palju kallim kui liiv ja kruus. Segu kõvenemisel saadakse neli peamist ainet:

• C-S-H
• Portlandiit
• Ettringiit (Ca₆Al₂(Nii₄)₃(OH)₁₂· 26H₂O; sisaldab ka Fe)
• Monosulfaat ([Ca₂(Al, Fe) (OH)₆] · (Nii₄, OH jne) ·xH₂O)

Selle kõige üksikasjad on keerukas eripära, mis muudab betoonist sama keeruka tehnoloogia kui mis tahes teie arvutis. Kuid põhiline betoonisegu on praktiliselt lollikindel, nii teie kui ka minu jaoks piisavalt lihtne.