Hvordan sement og betong lages

Hvis du tenker på murstein som kunstige bergarter, sement kan betraktes som kunstig lava - en flytende stein som helles på plass der den herder til soliditet.

Mange snakker om sement når de mener betong.

• Sement er en finkornet forbindelse som blir til et fast stoff når det blandes med vann. Sement brukes til å binde blandinger av materialer til et sammensatt faststoff.
• Betong er en blanding av sement, sand og grus. Det vil si at sement er limet av betong.

Nå som det er klart, la oss snakke om sement. Sement begynner med kalk.

Kalk er et stoff brukt siden antikken til å lage nyttige ting som puss og mørtel. Kalk lages ved å brenne eller kalkinere kalkstein - og det er slik kalkstein får navnet sitt. Kjemisk er kalk kalsiumoksyd (CaO) og lages ved steking kalsitt (CaCO₃) for å drive av karbondioksid (CO₂). Det CO₂, a klimagass, produseres i store mengder av sementindustrien.

Kalk kalles også quicklime eller calx (fra latin, hvor vi også får ordet kalsium). I gamle mordmysterier sprinkles kvikk kalk på ofrene for å oppløse kroppene sine fordi det er veldig kaustisk.

Blandet med vann blir kalk sakte til mineralportlanditten i reaksjonen CaO + H₂O = Ca (OH)₂. Kalk blir vanligvis slakket, det vil si blandet med et overskudd av vann slik at det holder seg flytende. Slaked kalk fortsetter å stivne over en periode på uker. Blandet med sand og andre ingredienser, kan slaket kalksement pakkes mellom steiner eller murstein i en vegg (som mørtel) eller spres over overflaten på en vegg (som gjengivelse eller gips). Der, i løpet av de neste ukene eller lenger, reagerer det med CO₂ i luften for å danne kalsitt igjen - kunstig kalkstein!

Betong laget med kalksement er kjent fra arkeologiske steder i både den nye og gamle verden, noen mer enn 5000 år gamle. Det fungerer ekstremt bra i tørre forhold. Det har to ulemper:

• Kalksement tar lang tid å herde, og mens den antikke verden hadde mye tid, er tiden i dag penger.
• Kalksement herder ikke i vann, men forblir myk, det vil si at det ikke er en hydraulisk sement. Så det er situasjoner der det ikke kan brukes.

Pyramidene i Egypt sies å inneholde en hydraulisk sement basert på oppløst silika. Hvis den 4500 år gamle formelen kan bekreftes og gjenopplives, ville det være en flott ting. Men dagens sement har en annen stamtavle som fremdeles er ganske eldgammel.

Rundt 1000 fvt var de gamle grekerne de første som hadde en heldig ulykke, og blandet kalk med fin vulkansk aske. Ask kan tenkes som naturlig kalsinert bergart, og etterlater silisium i en kjemisk aktiv tilstand som kalsium i kalsinert kalkstein. Når denne kalk-askeblandingen slakkes, dannes et helt nytt stoff: kalsiumsilikathydrat eller det som sementkjemikere kaller C-S-H (omtrent SiCa₂O₄·xH₂O). I 2009 kom forskere som bruker numerisk modellering med den eksakte formelen: (CaO)_1.65(SiO₂) (H₂O)_1.75.

C-S-H er fortsatt et mystisk stoff i dag, men vi vet at det er en amorf gel uten noen fast krystallstruktur. Det stivner raskt, selv i vann. Og den er mer holdbar enn kalksement.

De gamle grekerne brukte denne nye sementen til å brukes på nye og verdifulle måter, og bygde betongsisterner som overlever til i dag. Men romerske ingeniører mestret teknologien og konstruerte havnehavner, akvedukter og templer av betong også. Noen av disse strukturene er like bra som noensinne i dag, to tusen år senere. Men formelen for romersk sement gikk tapt med det romerske imperiets fall. Moderne forskning fortsetter å avdekke nyttige hemmeligheter fra antikken, for eksempel det uvanlige sammensetning av romersk betong i en bølgebryter bygget i 37 f.Kr., som lover å hjelpe oss å spare energi, bruke mindre kalk og produsere mindre CO₂.

Mens kalksement fortsatte å brukes i hele mørket og middelalderen, ble sann hydraulisk sement ikke oppdaget før på slutten av 1700-tallet. Engelske og franske eksperimentører fikk vite at en kalsinert blanding av kalkstein og leirstein kunne gjøres til hydraulisk sement. En engelsk versjon ble kalt "Portland sement" for sin likhet med den hvite kalksteinen på Isle of Portland, og navnet utvidet snart til all sement laget av denne prosessen.

Rett etterpå fant amerikanske produsenter leirbærende kalkstein som ga utmerket hydraulisk sement med liten eller ingen prosessering. Denne billige naturlige sementen utgjorde hoveddelen av amerikansk betong i det meste av 1800-tallet, og det meste av det kom fra byen Rosendale i det sørlige New York. Rosendale var praktisk talt et generisk navn for naturlig sement, selv om andre produsenter var i Pennsylvania, Indiana og Kentucky. Rosendale sement ligger i Brooklyn Bridge, den amerikanske Capitol-bygningen, de fleste militærbygninger fra 1800-tallet, basen til Frihetsgudinnen og mange andre steder. Med det økende behovet for å opprettholde historiske strukturer ved hjelp av historisk passende materialer, Rosendale naturlig sement blir gjenopplivet.

Ekte Portland sement vant sakte popularitet i Amerika etter hvert som standardene avanserte og byggets tempo ble raskere. Portland sement er dyrere, men det kan lages hvor som helst ingrediensene kan settes sammen i stedet for å stole på en heldig bergart. Det herder også raskere, en fordel når du bygger skyskrapere et gulv av gangen. Dagens standard sement er en versjon av portland sement.

I dag sintres kalkstein og leirholdige bergarter - stekt sammen ved nesten smeltetemperatur - ved 1400 til 1500 ° C. Produktet er en klumpet blanding av stabile forbindelser kalt klinker. Clinker inneholder jern (Fe) og aluminium (Al) samt silisium og kalsium, i fire hovedforbindelser:

• Alite (Ca₃SiO₅)
• Belite (Ca₂SiO₄), kjent for geologer som larnitt
• Aluminat (Ca₃Al₂O₆)
• Ferrit (Ca₂Alfeo₅)

Clinker er malt til pulver og blandet med en liten mengde gips, som bremser herdeprosessen. Det er Portland sement.

Sement blandes med vann, sand og grus for å lage betong. Ren sement er ubrukelig fordi den krymper og sprekker; det er også mye dyrere enn sand og grus. Når blandingen herder, produseres fire hovedstoffer:

• C-S-H
• Portlandite
• Ettringitt (Ca₆Al₂(SÅ₄)₃(ÅH)₁₂· 26H₂O; inkluderer noen Fe)
• Monosulfat ([Ca₂(Al, Fe) (OH)₆] · (SÅ₄, OH osv.) ·xH₂O)

Detaljene i alt dette er en intrikat spesialitet, og gjør betong en så sofistikert teknologi som noe som helst på datamaskinen din. Likevel er grunnleggende konkret blanding praktisk talt tåpefast, enkel nok til at du og meg kan bruke.