Hur cement och betong görs

Om du tänker på tegelstenar som konstgjorda stenar, cement kan betraktas som konstgjord lava - en flytande sten som hälls på plats där den härdar till soliditet.

Många pratar om cement när de menar betong.

• Cement är en finkornig förening som förvandlas till ett fast ämne när det blandas med vatten. Cement används för att binda materialblandningar i ett sammansatt fast ämne.
• Betong är en blandning av cement, sand och grus. Det vill säga cement är limmet från betong.

Nu när det är klart, låt oss prata om cement. Cement börjar med kalk.

Kalk är ett ämne som har använts sedan forntiden för att göra användbara saker som gips och murbruk. Kalk tillverkas genom att bränna eller kalcinera kalksten - och det är så kalksten får sitt namn. Kemiskt är kalk kalciumoxid (CaO) och tillverkas genom rostning kalcit (CaCO₃) för att driva av koldioxid (CO₂). Det CO₂, a växthusgas, produceras i stora mängder av cementindustrin.

Kalk kallas också quicklime eller calx (från latin, där vi också får ordet kalcium). I gamla mordmysterier sprids quicklime på offren för att lösa upp sina kroppar eftersom det är mycket kaustiskt.

Blandat med vatten förvandlas kalk långsamt till mineralportlanditen i reaktionen CaO + H₂O = Ca (OH)₂. Kalk slak i allmänhet, det vill säga blandas med ett överskott av vatten så att det förblir flytande. Flakad kalk fortsätter att härda under en period av veckor. Blandat med sand och andra ingredienser kan slakad kalkcement packas mellan stenar eller tegelstenar i en vägg (som murbruk) eller spridas över ytan på en vägg (som render eller gips). Där reagerar det med CO under de kommande veckorna eller längre₂ i luften för att bilda kalcit igen - konstgjord kalksten!

Betong tillverkad med kalkcement är känd från arkeologiska platser i både den nya och gamla världen, några mer än 5000 år gamla. Det fungerar extremt bra under torra förhållanden. Det har två nackdelar:

• Kalkcement tar lång tid att bota, och medan den antika världen hade mycket tid, är tiden idag pengar.
• Kalkcement hårdnar inte i vatten utan förblir mjuk, det vill säga att det inte är en hydraulisk cement. Så det finns situationer där det inte kan användas.

Pyramiderna i Egypten sägs innehålla en hydrauliskt cement baserat på upplöst kiseldioxid. Om den 4500-åriga formeln kan bekräftas och återupplivas, skulle det vara en stor sak. Men dagens cement har en annan stamtavla som fortfarande är ganska gammal.

Runt 1000 fvt var de antika grekerna de första som hade en lycklig olycka och blandade kalk med fin vulkanaska. Ask kan betraktas som naturligt kalcinerat berg, vilket lämnar kisel i ett kemiskt aktivt tillstånd som kalcium i kalcinerad kalksten. När denna kalk-askblandning slakts bildas en helt ny substans: kalciumsilikathydrat eller vad cementkemiker kallar C-S-H (ungefär SiCa₂O₄·xH₂O). 2009 kom forskare med numerisk modellering med den exakta formeln: (CaO)_1.65(SiOa₂) (H₂O)_1.75.

C-S-H är fortfarande ett mystiskt ämne idag, men vi vet att det är en amorf gel utan någon fast kristallin struktur. Det härdar snabbt, även i vatten. Och det är mer hållbart än kalkcement.

De forntida grekerna använde denna nya cement för användning på nya och värdefulla sätt och byggde betongkisterner som överlever till denna dag. Men romerska ingenjörer behärskade också tekniken och konstruerade hamnar, akvedukter och tempel i betong. Vissa av dessa strukturer är lika bra som någonsin idag, två tusen år senare. Men formeln för romersk cement förlorades med det romerska imperiets fall. Modern forskning fortsätter att avslöja användbara hemligheter från de gamla, till exempel det ovanliga sammansättning av romersk betong i en vågbrytare byggd år 37 fvt, vilket lovar att hjälpa oss spara energi, använda mindre kalk och producera mindre koldioxid₂.

Medan kalkcement fortsatte att användas under hela mörkret och medeltiden, upptäcktes inte riktigt hydrauliskt cement förrän i slutet av 1700-talet. Engelska och franska experter lärde sig att en kalcinerad blandning av kalksten och lersten kunde göras till hydraulisk cement. En engelska version kallades "Portland cement" för dess likhet med den vita kalkstenen på Isle of Portland, och namnet utvidgades snart till allt cement som gjorts genom denna process.

Strax därefter fann amerikanska tillverkare lerbärande kalkstenar som gav utmärkt hydraulisk cement med liten eller ingen bearbetning. Denna billiga naturliga cement utgör huvuddelen av amerikansk betong under större delen av 1800-talet, och det mesta kom från staden Rosendale i södra New York. Rosendale var praktiskt taget ett generiskt namn för naturligt cement, även om andra tillverkare var i Pennsylvania, Indiana och Kentucky. Rosendale cement ligger i Brooklyn Bridge, den amerikanska Capitolbyggnaden, de flesta militärbyggnader från 1800-talet, basen för Frihetsgudinnan och många andra platser. Med det ökande behovet av att upprätthålla historiska strukturer med historiskt lämpliga material, Rosendale naturligt cement återupplivas.

Sann portlandcement fick långsamt popularitet i Amerika när standarderna avancerade och byggnadstakten snabbare. Portlandcement är dyrare, men det kan göras var som helst ingredienserna kan monteras i stället för att förlita sig på en lycklig bergformation. Det härdar också snabbare, en fördel när man bygger skyskrapor ett golv åt gången. Dagens standardcement är en version av portlandcement.

Idag sintras kalkstenar och lerainnehållande stenar - rostade tillsammans vid nästan smälttemperatur - vid 1400 till 1500 ° C. Produkten är en klumpig blandning av stabila föreningar som kallas klinker. Clinker innehåller järn (Fe) och aluminium (Al) samt kisel och kalcium i fyra huvudföreningar:

• Alite (Ca₃SiO₅)
• Belite (Ca₂SiO₄), känd för geologer som larnite
• Aluminat (Ca₃al₂O₆)
• Ferrit (Ca₂Alfeo₅)

Clinker slipas till pulver och blandas med en liten mängd gips, vilket bromsar härdningsprocessen. Det är Portland cement.

Cement blandas med vatten, sand och grus för att göra betong. Ren cement är värdelös eftersom den krymper och spricker; det är också mycket dyrare än sand och grus. När blandningen härdar produceras fyra huvudämnen:

• C-S-H
• portlandit
• Ettringit (Ca₆al₂(SÅ₄)₃(ÅH)₁₂· 26H₂O; inkluderar en del Fe)
• Monosulfat ([Ca₂(Al, Fe) (OH)₆] · (SÅ₄, OH, etc) ·xH₂O)

Detaljerna för allt detta är en intrikad specialitet, vilket gör betong lika sofistikerad som tekniken som allt i din dator. Ändå är grundläggande konkreta blandningar praktiskt taget dumt säkra, tillräckligt enkla för dig och mig att använda.