Jak se vyrábí cement a beton

Pokud si myslíte, že cihly jako umělé skály, cement lze považovat za umělou lávu - tekutý kámen, který se nalije na místo, kde ztuhne na tuhost.

Mnoho lidí mluví o cementu, když myslí beton.

• Cement je jemnozrnná sloučenina, která se po smíchání s vodou mění na pevnou látku. Cement se používá k vázání směsí materiálů do složené pevné látky.
• Beton je směs cementu, písku a štěrku. To znamená, že cement je lepidlo beton.

Nyní, když je to jasné, pojďme mluvit o cementu. Cement začíná vápnem.

Vápno je látka používaná od pradávna k výrobě užitečných věcí, jako je omítka a malta. Vápno se vyrábí vypalováním nebo kalcinací vápence - a tak vápenec dostane své jméno. Chemicky je vápno oxidem vápenatým (CaO) a vyrábí se pražením kalcit (CaCO₃) k vypuštění oxidu uhličitého (CO₂). To CO₂, a skleníkový plyn, je vyráběn ve velkém množství v cementářském průmyslu.

Vápno se také nazývá pálené vápno nebo calx (z latiny, kde také dostáváme slovo vápník). Ve starých záhadných vraždách je obětem posypáno pálené vápno, aby rozpustilo jejich tělo, protože je velmi žíravé.

Po smíchání s vodou se vápno při reakci CaO + H pomalu přemění na minerální portlandit₂O = Ca (OH)₂. Vápno se obvykle hasí, to znamená, že se mísí s přebytkem vody, takže zůstává tekuté. Vápno vápno pokračuje tvrdnout po dobu několika týdnů. Ve spojení s pískem a dalšími přísadami může být hasený vápenný cement zabalen mezi kameny nebo cihly ve zdi (jako malta) nebo rozprostřen po povrchu zdi (jako omítka nebo omítka). Tam, během příštích několika týdnů nebo déle, reaguje s CO₂ ve vzduchu znovu vytvořit kalcit - umělý vápenec!

Beton vyrobený z vápenného cementu je znám z archeologických nalezišť v Novém i Starém světě, starých asi 5000 let. Funguje velmi dobře v suchých podmínkách. Má dvě nevýhody:

• Vápno cementu trvá dlouho, než se vyléčí, a zatímco starověký svět měl spoustu času, dnes čas jsou peníze.
• Vápenný cement nevytvrzuje ve vodě, ale zůstává měkký, tj. Není hydraulickým cementem. Jsou tedy situace, kdy je nelze použít.

O pyramidách Egypta se říká, že obsahují hydraulický cement vztaženo na rozpuštěný oxid křemičitý. Pokud lze tento 4500letý vzorec potvrdit a oživit, byla by to skvělá věc. Dnešní cement však má jiný rodokmen, který je stále docela starý.

Kolem 1000 BCE byli staří Řekové jako první, kteří měli nešťastnou náhodu, smíchali vápno s jemným sopečným popílkem. Popel lze považovat za přirozeně kalcinovanou horninu, takže křemík zůstává v chemicky aktivním stavu jako vápník v kalcinovaném vápenci. Když je tato směs vápna a popela hasena, vytvoří se zcela nová látka: hydrát křemičitanu vápenatého nebo cementoví chemici nazývají C-S-H (přibližně SiCa)₂Ó₄·XH₂Ó). V roce 2009 vědci používající numerické modelování přišli s přesným vzorcem: (CaO)_1.65(SiO₂) (H₂Ó)_1.75.

C-S-H je dodnes tajemnou látkou, ale víme, že se jedná o amorfní gel bez jakékoli nastavené krystalické struktury. Rychle ztvrdne i ve vodě. A je odolnější než vápenný cement.

Staří Řekové dali tento nový cement novým a cenným způsobem a stavěli konkrétní cisterny, které přežívají dodnes. Ale římští inženýři ovládli technologii a stavěli také přístavy, akvadukty a chrámy z betonu. Některé z těchto struktur jsou stejně dobré jako dnes, o dva tisíce let později. Po pádu římské říše se však vzorec pro římský cement ztratil. Moderní výzkum i nadále odkrývá užitečná tajemství starých lidí, jako je například neobvyklé složení římského betonu ve vlnolamu postaveném v roce 37 BCE, který nám slibuje, že nám pomůže šetřit energii, spotřebovávat méně vápna a produkovat méně CO₂.

Zatímco vápenný cement pokračoval v používání během temného a středověku, skutečný hydraulický cement nebyl znovu objeven až na konci 17. století. Angličtí a francouzští experimentátoři se dozvěděli, že kalcinovaná směs vápence a claystonu může být zpracována na hydraulický cement. Jedna anglická verze byla dabována “portlandskému cementu” pro jeho podobnost s bílým vápencem ostrůvka Portland, a jméno brzy se rozšířilo na celý cement vyrobený tímto procesem.

Krátce nato objevili američtí výrobci vápence nesoucí hlinky, které poskytovaly vynikající hydraulický cement s malým nebo žádným zpracováním. Tento levný přírodní cement tvořil většinu z roku 1800 americký beton a většina z něj pocházela z město Rosendale v jižním New Yorku. Rosendale byl prakticky obecný název pro přírodní cement, i když jiní výrobci byli v Pensylvánii, Indianě a Kentucky. Cement Rosendale je v Brooklynském mostě, v budově USA Capitol, ve většině vojenských budov z 19. století, základně Sochy svobody a na mnoha dalších místech. S rostoucí potřebou udržovat historické struktury pomocí historicky vhodných materiálů, Rosendale přírodní cement se obnovuje.

Pravý portlandský cement v Americe pomalu získával na popularitě s postupujícími standardy a rychlostí výstavby. Portlandský cement je dražší, ale lze jej vyrobit kdekoli, kde je možné složit ingredience namísto spoléhání se na šťastný skalní útvar. Léčí také rychleji, což je výhoda při stavbě mrakodrapů po podlaze. Dnešní výchozí cement je některá verze portlandského cementu.

Dnes jsou horniny obsahující vápenec a jíly slinovány - praženy společně při téměř teplotě tání - při 1400 ° až 1500 ° C. Produkt je hrudkovitá směs stabilních látek zvaná slínku. Slínek obsahuje železo (Fe) a hliník (Al) a také křemík a vápník ve čtyřech hlavních sloučeninách:

• Alite (Ca₃SiO₅)
• Belite (Ca₂SiO₄), geologům známým jako larnit
• Hlinitan (Ca₃Al₂Ó₆)
• Ferit (Ca₂AlFeO₅)

Slínek se rozemele na prášek a smísí se s malým množstvím sádra, což zpomaluje proces kalení. To je portlandský cement.

Cement je smíchán s vodou, pískem a štěrkem, aby vytvořil beton. Čistý cement je k ničemu, protože se zmenšuje a praská; je to také mnohem dražší než písek a štěrk. Po vytvrzení směsi se vyrábějí čtyři hlavní látky:

• C-S-H
• Portlandite
• Ettringit (Ca₆Al₂(TAK₄)₃(ACH)₁₂· 26H₂Ó; zahrnuje nějaké Fe)
• Monosulfát ([Ca₂(Al, Fe) (OH)₆] · (TAK₄, OH atd.) ·XH₂Ó)

Podrobnosti tohoto všeho jsou složitou specializací, díky které je konkrétní technologie tak složitá, jako cokoli ve vašem počítači. Přesto je základní betonová směs prakticky hloupá a dostatečně jednoduchá na to, abyste ji mohli používat.