Ako sa vyrába cement a betón

Ak si myslíte, že tehly ako umelé horniny, cement by sa mohol považovať za umelú lávu - tekutý kameň, ktorý sa naleje na miesto, kde stvrdne v pevnosti.

Mnoho ľudí hovorí o cemente, keď myslia betón.

• cement je jemnozrnná zlúčenina, ktorá sa po zmiešaní s vodou zmení na pevnú látku. Cement sa používa na spájanie zmesí materiálov do kompozitnej pevnej látky.
• Betón je zmesou cementu, piesku a štrku. To znamená, že cement je lepidlom betón.

Teraz, keď je to jasné, hovorme o cemente. Cement začína vápnom.

Vápno je látka používaná od pradávna na výrobu užitočných vecí, ako sú omietky a malty. Vápno sa vyrába spaľovaním alebo kalcinovaním vápenca - a tak vápenec dostane svoje meno. Vápno je chemicky oxid vápenatý (CaO) a vyrába sa pražením kalcit (CaCO₃) na vypustenie oxidu uhličitého (CO₂). To CO₂, a skleníkový plyn, sa vyrába vo veľkom množstve v cementárskom priemysle.

Vápno sa tiež nazýva pálené vápno alebo calx (z latinčiny, kde dostávame aj slovo vápnik). V starých záhadách vraždy sa pálené vápno posypalo na obete, aby rozpustili svoje telá, pretože je veľmi žieravé.

Po zmiešaní s vodou sa vápno pri reakcii CaO + H pomaly premení na minerálny portlandit₂O = Ca (OH)₂. Vápno je spravidla hasené, to znamená, že je zmiešané s nadbytkom vody, takže zostáva tekuté. Hasené vápno tvrdne po dobu niekoľkých týždňov. Vápenatý cement s cementom, zmiešaný s pieskom a inými prísadami, sa môže baliť medzi kamene alebo tehly do steny (ako malta) alebo sa môže šíriť po povrchu steny (ako omietka alebo omietka). Tam počas nasledujúcich niekoľkých týždňov alebo dlhšie reaguje s CO₂ vo vzduchu, aby znova vytvorili kalcit - umelý vápenec!

Betón vyrobený z vápenatého cementu je známy z archeologických nálezísk v Novom aj Starom svete, starých viac ako 5 000 rokov. Funguje veľmi dobre v suchých podmienkach. Má dve nevýhody:

• Vápno cementu trvá dlho liečiť, a zatiaľ čo staroveký svet mal dosť času, dnes čas sú peniaze.
• Vápno cement nevytvrdne vo vode, ale zostáva mäkký, to znamená, že to nie je hydraulický cement. Takže existujú situácie, keď sa nedajú použiť.

Egyptské pyramídy údajne obsahujú a hydraulický cement na báze rozpusteného oxidu kremičitého. Keby sa tento 4500-ročný vzorec potvrdil a oživil, bolo by to skvelé. Dnešný cement má však iný rodokmeň, ktorý je stále dosť starý.

Okolo roku 1000 pred Kr. Mali starí Gréci prvú nehodu, ktorá miešala vápno s jemným sopečným popolom. Popol možno považovať za prírodne kalcinovanú horninu, ktorá kremík zanecháva v chemicky aktívnom stave ako vápnik v kalcinovanom vápenci. Keď sa táto zmes vápna a popola hasí, vytvára sa úplne nová látka: hydrát kremičitanu vápenatého alebo to, čo chemici cementu nazývajú C-S-H (približne SiCa)₂O₄·XH₂O). V roku 2009 vedci používajúci numerické modelovanie prišli s presným vzorcom: (CaO)_1.65(SiO₂) (H₂O)_1.75.

C-S-H je dnes stále záhadnou látkou, ale vieme, že ide o amorfný gél bez akejkoľvek nastavenej kryštalickej štruktúry. Stvrdne rýchlo aj vo vode. A je odolnejšia ako vápenatý cement.

Starí Gréci použili tento nový cement novým a cenným spôsobom a vybudovali konkrétne cisterny, ktoré prežívajú dodnes. Ale rímski inžinieri ovládali túto technológiu a stavali námorné prístavy, akvadukty a betónové chrámy. Niektoré z týchto štruktúr sú rovnako dobré ako dnes, o dva tisíce rokov neskôr. Po páde rímskej ríše sa však vzorec pre rímsky cement stratil. Moderný výskum naďalej odhaľuje užitočné tajomstvá staroveku, napríklad neobvyklé zloženie rímskeho betónu vo vlnolame postavenom v roku 37 BCE, ktorý nám sľubuje, že nám pomôže šetriť energiu, používať menej vápna a produkovať menej CO₂.

Kým vápenný cement pokračoval v používaní počas temného a stredoveku, skutočný hydraulický cement nebol objavený až na konci 17. storočia. Anglickí a francúzski experti sa dozvedeli, že kalcinovaná zmes vápenca a claystónu by sa mohla zmeniť na hydraulický cement. Jedna anglická verzia bola označená ako „portlandský cement“ pre svoju podobnosť s bielym vápencom ostrova Portland a názov sa čoskoro rozšíril na všetok cement vyrobený týmto procesom.

Krátko nato objavili americkí výrobcovia vápenca s obsahom ílu, ktorý poskytoval vynikajúci hydraulický cement s malým alebo žiadnym spracovaním. Tento lacný prírodný cement tvoril väčšinu amerického betónu pre väčšinu z 18. Storočia a väčšina z neho pochádzala z mesto Rosendale v južnom New Yorku. Rosendale bol prakticky prírodný názov prírodného cementu, hoci iní výrobcovia boli v Pensylvánii, Indiane a Kentucky. Cement Rosendale sa nachádza v Brooklynskom moste, v budove USA Capitol, vo väčšine vojenských budov z 19. storočia, základne Sochy slobody a na mnohých ďalších miestach. S rastúcou potrebou udržiavať historické štruktúry pomocou historicky vhodných materiálov, Oživuje sa prírodný cement Rosendale.

Skutočný portlandský cement v Amerike pomaly získal popularitu, keď sa štandardy vyvíjali a tempo výstavby sa zrýchľovalo. Portlandský cement je drahší, ale môže sa vyrábať kdekoľvek, kde je možné zložiť prísady namiesto spoliehania sa na šťastné skalné útvary. Liečba je rýchlejšia, čo je výhodou pri stavbe mrakodrapov súčasne po podlahe. Dnešný štandardný cement je nejaká verzia portlandského cementu.

Dnes sa horniny obsahujúce vápenec a hlinu spekajú - pražia sa spolu pri takmer teplote topenia - pri 1400 ° až 1500 ° C. Produkt je hrudkovitá zmes stabilných zlúčenín nazývaná slinok. Slinok obsahuje železo (Fe) a hliník (Al), ako aj kremík a vápnik v štyroch hlavných zlúčeninách:

• Alite (Ca₃SiO₅)
• Belite (Ca₂SiO₄), známe geológom ako larnit
• Hlinitan (Ca₃Al₂O₆)
• Ferit (Ca₂Alfeo₅)

Slínok sa melie na prášok a zmieša sa s malým množstvom sadra, čo spomaľuje proces kalenia. To je portlandský cement.

Cement sa zmieša s vodou, pieskom a štrkom, aby sa vytvoril betón. Čistý cement je k ničomu, pretože sa zmenšuje a praská; je to tiež oveľa drahšie ako piesok a štrk. Po vytvrdení zmesi sa vyrábajú štyri hlavné látky:

• C-S-H
• portlanditu
• Ettringit (Ca₆Al₂(SO₄)₃(OH)₁₂· 26H₂O; obsahuje niektoré Fe)
• Monosulfát ([Ca₂(Al, Fe) (OH)₆] · (SO₄, OH atď.) ·XH₂O)

Podrobnosti o tomto všetkom sú zložitou špecializáciou, vďaka ktorej sú sofistikované technológie ako čokoľvek vo vašom počítači. Napriek tomu je základná betónová zmes prakticky hlúpa, dostatočne jednoduchá na použitie s vami.