Как се правят циментът и бетонът

Ако мислите за тухли като изкуствени скали, циментът може да се счита за изкуствена лава - течен камък, който се изсипва на мястото, където се втвърдява.

Много хора говорят за цимент, когато имат предвид бетон.

• цимент е финозърнесто съединение, което се превръща в твърдо вещество, когато се смеси с вода. Циментът се използва за свързване на смеси от материали в композитно твърдо вещество.
• бетон е смес от цимент, пясък и чакъл. Тоест, циментът е лепилото на бетон.

Сега, когато това е ясно, нека поговорим за цимента. Циментът започва с вар.

Лаймът е вещество, използвано от древни времена за направата на полезни неща като мазилка и хоросан. Варовикът се получава чрез изгаряне или калциниране на варовик - и така варовик получава своето име. Химически химическият вар е калциев оксид (CaO) и се получава чрез изпичане калцит (CaCO₃) за изгонване на въглеродния диоксид (CO₂). Това СО₂, a парников газ, се произвежда в големи количества от циментовата промишленост.

Лаймът също се нарича бърза вар или calx (от латински, където също получаваме думата калций). В старите мистерии за убийствата, бързата вар се поръсва на жертвите, за да разтворят телата си, защото е много разяждаща.

Смесена с вода, вар бавно се превръща в минерален портландит в реакцията СаО + Н₂O = Ca (OH)₂. Обикновено варовикът се гаси, тоест се смесва с излишък от вода, така че да остане течност. Гасената вар продължава да се втвърдява за период от седмици. Смесен с пясък и други съставки, гасеният варов цимент може да бъде опакован между камъни или тухли в стената (като хоросан) или да се разстила по повърхността на стената (като ренде или мазилка). Там през следващите няколко седмици или повече той реагира с СО₂ във въздуха отново да образува калцит - изкуствен варовик!

Бетонът, направен с варови цимент, е известен от археологически обекти както в Новия, така и в Стария свят, някои повече от 5000 години. Действа изключително добре в сухи условия. Той има два недостатъка:

• Варовият цимент отнема много време, за да се лекува и докато древният свят е имал много време, днес времето е пари.
• Варовият цимент не се втвърдява във вода, но остава мек, тоест не е хидравличен цимент. Така че има ситуации, в които не може да се използва.

Казват, че пирамидите в Египет съдържат а хидравличен цимент на базата на разтворен силициев диоксид. Ако тази формула на възраст 4500 години може да бъде потвърдена и съживена, би било чудесно нещо. Но днешният цимент има различно родословие, което все още е доста древно.

Около 1000 г. пр. Н. Е., Древните гърци са били първите случайни неща, смесвайки вар с фина вулканична пепел. Пепелта може да се мисли като естествено калцинирана скала, оставяща силиций в химически активно състояние като калция в калцинирания варовик. Когато тази варо-пепелна смес се гаси, се образува съвсем ново вещество: калциев силикат хидрат или това, което химиците от цимент наричат ​​C-S-H (приблизително SiCa₂О₄·хН₂О). През 2009 г. изследователи, използващи цифрово моделиране, излязоха с точната формула: (CaO)_1.65(SiO₂) (Н₂О)_1.75.

C-S-H и до днес е загадъчно вещество, но знаем, че това е аморфен гел без зададена кристална структура. Втвърдява се бързо дори във вода. И е по-издръжлив от варовия цимент.

Древните гърци използват този нов цимент за използване по нови и ценни начини, изграждайки бетонни казанчета, които оцеляват до днес. Но римските инженери овладели технологията и изградили морски пристанища, акведукти и храмове от бетон. Някои от тези структури са толкова добри, колкото и до днес, две хиляди години по-късно. Но формулата за римския цимент се загубила с падането на Римската империя. Съвременните изследвания продължават да разкриват полезни тайни от древните, като необичайните композиция от римски бетон в вълнолома, построена през 37 г. пр.н.е., която обещава да ни помогне да спестим енергия, да използваме по-малко вар и да произвеждаме по-малко CO₂.

Докато варовият цимент продължава да се използва през цялото тъмно и средновековие, истинският хидравличен цимент не е преоткрит чак до края на 1700 година. Английски и френски експериментатори научиха, че калцинирана смес от варовик и глинен камък може да се превърне в хидравличен цимент. Една английска версия беше наречена "Portland cement" заради приликата си с белия варовик на остров Портланд, а името скоро се разпростира върху целия цимент, произведен от този процес.

Малко след това американските производители откриха глинести варовици, които дават отличен хидравличен цимент с малко или никаква обработка. Този евтин естествен цимент съставлява по-голямата част от американския бетон през по-голямата част от 1800-те години и по-голямата част от него идва от град Роуздейл в южен Ню Йорк. Rosendale на практика беше общо наименование за естествен цимент, въпреки че други производители бяха в Пенсилвания, Индиана и Кентъки. Циментът на Rosendale се намира в Бруклинския мост, сградата на капитолия в САЩ, повечето военни сгради от 19-ти век, основата на Статуята на свободата и много други места. С нарастващата необходимост от поддържане на исторически структури, използвайки исторически подходящи материали, Естественият цимент на Rosendale се възражда.

Истинският портланд цимент бавно придоби популярност в Америка, когато стандартите бяха напреднали и темпът на изграждане се ускори. Портланд циментът е по-скъп, но може да се направи навсякъде, където съставките могат да бъдат сглобени, вместо да се разчита на щастлива скална формация. Освен това се лекува по-бързо, предимство при изграждането на небостъргачи етаж в даден момент. Днешният цимент по подразбиране е някаква версия на портланд цимент.

Днес скалите, съдържащи варовик и глина, са спечени - изпечени заедно при температура на почти топене - от 1400 ° до 1500 ° C. Продуктът представлява бучка смес от стабилни съединения, наречена клинкер. Клинкерът съдържа желязо (Fe) и алуминий (Al), както и силиций и калций, в четири основни съединения:

• Алит (Ка₃SiO₅)
• Белите (Ка₂SiO₄), известен на геолозите като ларнит
• Алуминират (Ca₃Al₂О₆)
• Ферит (Са₂Alfeo₅)

Клинкерът се смила на прах и се смесва с малко количество гипс, което забавя процеса на втвърдяване. Това е портланд цимент.

Циментът се смесва с вода, пясък и чакъл, за да се направи бетон. Чистият цимент е безполезен, защото се свива и напуква; освен това е много по-скъп от пясък и чакъл. С втвърдяването на сместа се получават четири основни вещества:

• C-S-H
• Portlandite
• Етрингит (Ка₆Al₂(ТАКА₄)₃(ОН)₁₂· 26Н₂О; включва някои Fe)
• Моносулфат ([Ca₂(Al, Fe) (OH)₆] · (ТАКА₄, OH и т.н.) ·хН₂О)

Подробностите за всичко това са сложна специалност, което прави бетона толкова сложна технология, колкото всичко в компютъра ви. И все пак основната бетонна смес е практически глупава, достатъчно проста и за вас и мен.