Hoe cement en beton worden gemaakt

Als je denkt aan bakstenen als kunstmatige rotsen, cement kan worden beschouwd als kunstmatige lava - een vloeibare steen die op zijn plaats wordt gegoten waar het hard wordt.

Veel mensen praten over cement als ze beton bedoelen.

• Cement is een fijnkorrelige verbinding die in een vaste stof verandert wanneer deze wordt gemengd met water. Cement wordt gebruikt om mengsels van materialen te binden tot een composiet vaste stof.
• Beton is een mengsel van cement, zand en grind. Dat wil zeggen, cement is de lijm van beton.

Nu dat duidelijk is, laten we het hebben over cement. Cement begint met kalk.

Kalk is een stof die sinds de oudheid wordt gebruikt om nuttige dingen zoals gips en mortel te maken. Kalk wordt gemaakt door kalksteen te verbranden of te calcineren - en dat is hoe kalksteen krijgt zijn naam. Chemisch gezien is kalk calciumoxide (CaO) en wordt het gemaakt door roosteren calciet (CaCO₃) om kooldioxide (CO₂). Dat CO₂, een broeikasgas, wordt in grote hoeveelheden geproduceerd door de cementindustrie.

Kalk wordt ook quicklime of calx genoemd (uit het Latijn, waar we ook het woord calcium krijgen). In oude moordmysteries wordt ongebluste kalk op slachtoffers gestrooid om hun lichaam op te lossen, omdat het erg bijtend is.

Gemengd met water verandert kalk langzaam in het minerale portlandiet in de reactie CaO + H₂O = Ca (OH)₂. Kalk wordt over het algemeen gedood, dat wil zeggen gemengd met een overmaat water zodat het vloeibaar blijft. Geplakte kalk blijft gedurende een periode van weken uitharden. Gemixte kalkcement kan met zand en andere ingrediënten worden ingepakt tussen stenen of bakstenen in een muur (als mortel) of verspreid over het oppervlak van een muur (als render of gips). Daar reageert het de komende weken of langer met CO₂ in de lucht om weer calciet te vormen - kunstmatige kalksteen!

Beton gemaakt met kalkcement is bekend van archeologische vindplaatsen in zowel de Nieuwe als de Oude Wereld, sommige meer dan 5000 jaar oud. Het werkt extreem goed in droge omstandigheden. Het heeft twee nadelen:

• Kalkcement heeft een lange tijd nodig om uit te harden, en hoewel de oude wereld veel tijd had, is tijd tegenwoordig geld.
• Kalkcement hardt niet uit in water maar blijft zacht, dat wil zeggen, het is geen hydraulisch cement. Er zijn dus situaties waarin het niet kan worden gebruikt.

Van de piramides van Egypte wordt gezegd dat ze een hydraulisch cement op basis van opgeloste silica. Als die 4500-jarige formule kan worden bevestigd en nieuw leven ingeblazen, zou het geweldig zijn. Maar het cement van vandaag heeft een andere stamboom die nog steeds vrij oud is.

Rond 1000 v.Chr. Waren de oude Grieken de eersten die een ongeluk hadden gehad door kalk te mengen met fijne vulkanische as. As kan worden beschouwd als natuurlijk gecalcineerd gesteente, waardoor silicium in een chemisch actieve toestand achterblijft zoals calcium in gecalcineerde kalksteen. Wanneer dit kalk-asmengsel wordt geblust, wordt een geheel nieuwe stof gevormd: calciumsilicaathydraat of wat cementchemici C-S-H noemen (ongeveer SiCa₂O₄·XH₂O). In 2009 bedachten onderzoekers die numerieke modellering gebruikten de exacte formule: (CaO)_1.65(SiO₂) (H₂O)_1.75.

C-S-H is nog steeds een mysterieuze stof, maar we weten dat het een amorfe gel is zonder een vaste kristallijne structuur. Het hardt snel uit, zelfs in water. En het is duurzamer dan kalkcement.

De oude Grieken gebruikten dit nieuwe cement op nieuwe en waardevolle manieren en bouwden betonnen reservoirs die tot op de dag van vandaag overleven. Maar Romeinse ingenieurs beheersten de technologie en bouwden ook zeehavens, aquaducten en tempels van beton. Sommige van deze structuren zijn vandaag zo goed als ooit, tweeduizend jaar later. Maar de formule voor Romeins cement was verloren met de val van het Romeinse rijk. Modern onderzoek blijft nuttige geheimen van de ouden ontdekken, zoals het ongewone samenstelling van Romeins beton in een golfbreker gebouwd in 37 BCE, die belooft ons te helpen energie te besparen, minder kalk te gebruiken en minder CO te produceren₂.

Terwijl kalkcement in gebruik bleef gedurende de Donkere en Middeleeuwen, werd echt hydraulisch cement pas in de late 1700 herontdekt. Engelse en Franse onderzoekers ontdekten dat een gecalcineerd mengsel van kalksteen en klei tot hydraulisch cement kon worden verwerkt. Eén Engelse versie werd "Portlandcement" genoemd vanwege de gelijkenis met de witte kalksteen van het eiland Portland, en de naam breidde zich al snel uit naar al het cement dat met dit proces werd gemaakt.

Kort daarna vonden Amerikaanse makers klei-dragende kalksteen die uitstekend hydraulisch cement opleverde met weinig of geen bewerking. Dit goedkope natuurlijke cement vormde het grootste deel van het Amerikaanse beton voor het grootste deel van de 19e eeuw, en het meeste kwam uit de stad Rosendale in het zuiden van New York. Rosendale was praktisch een generieke naam voor natuurlijk cement, hoewel andere fabrikanten in Pennsylvania, Indiana en Kentucky waren. Rosendale-cement bevindt zich in de Brooklyn Bridge, het gebouw van het Amerikaanse Capitool, de meeste 19e-eeuwse militaire gebouwen, de basis van het Vrijheidsbeeld en vele andere plaatsen. Met de toenemende behoefte om historische structuren te onderhouden met behulp van historisch geschikte materialen, Rosendale natuurlijk cement wordt nieuw leven ingeblazen.

Echt portlandcement werd langzaam populairder in Amerika naarmate de normen vorderden en het tempo van het bouwen versnelde. Portlandcement is duurder, maar het kan overal worden gemaakt waar de ingrediënten kunnen worden geassembleerd in plaats van te vertrouwen op een gelukkige rotsformatie. Het geneest ook sneller, een voordeel bij het bouwen van wolkenkrabbers per verdieping. Het standaardcement van vandaag is een versie van portlandcement.

Tegenwoordig worden kalksteen en klei bevattende rotsen gesinterd - samen gebrand bij bijna smelttemperatuur - bij 1400 ° tot 1500 ° C. Het product is een klonterig mengsel van stabiele verbindingen die klinker worden genoemd. Clinker bevat ijzer (Fe) en aluminium (Al) evenals silicium en calcium, in vier hoofdverbindingen:

• Alite (Ca₃SiO₅)
• Belite (Ca₂SiO₄), bij geologen bekend als larniet
• Aluminaat (Ca₃Al₂O₆)
• Ferriet (Ca₂AlFeO₅)

Klinker wordt gemalen tot poeder en gemengd met een kleine hoeveelheid gips, wat het hardingsproces vertraagt. Dat is Portlandcement.

Cement wordt gemengd met water, zand en grind om beton te maken. Zuiver cement is nutteloos omdat het krimpt en barst; het is ook veel duurder dan zand en grind. Terwijl het mengsel uithardt, worden vier hoofdstoffen geproduceerd:

• C-S-H
• Portlandite
• Ettringite (Ca₆Al₂(ZO₄)₃(OH)₁₂· 26H₂O; bevat enkele Fe)
• Monosulfaat ([Ca₂(Al, Fe) (OH)₆] · (ZO₄, OH, enz.) ·XH₂O)

De details van dit alles zijn een ingewikkelde specialiteit, waardoor beton een even geavanceerde technologie is als alles in uw computer. Maar de basisbetonmix is ​​praktisch dom, eenvoudig genoeg voor jou en mij om te gebruiken.