Πώς γίνονται τσιμέντο και σκυρόδεμα

Αν νομίζετε ότι τα τούβλα είναι τεχνητά βράχια, το τσιμέντο μπορεί να θεωρηθεί τεχνητή λάβα - μια υγρή πέτρα που χύνεται στη θέση όπου σκληραίνει στη στερεότητα.

Πολλοί άνθρωποι μιλούν για τσιμέντο όταν σημαίνουν συγκεκριμένα.

• Τσιμέντο είναι μια λεπτόκοκκη ένωση που μετατρέπεται σε στερεό όταν αναμειγνύεται με νερό. Το τσιμέντο χρησιμοποιείται για τη σύνδεση μιγμάτων υλικών σε ένα σύνθετο στερεό.
• Σκυρόδεμα είναι ένα μείγμα τσιμέντου, άμμου και χαλίκι. Δηλαδή, το τσιμέντο είναι η κόλλα του σκυρόδεμα.

Τώρα που είναι σαφές, ας μιλήσουμε για το τσιμέντο. Το τσιμέντο αρχίζει με ασβέστη.

Το ασβέστη είναι μια ουσία που χρησιμοποιείται από την αρχαιότητα για να κάνει χρήσιμα πράγματα όπως το γύψο και το κονίαμα. Το ασβέστη φτιάχνεται με καύση, ή ασβεστοποίηση, ασβεστόλιθο - και έτσι ασβεστόλιθος παίρνει το όνομά της. Χημικά, ο ασβέστης είναι οξείδιο του ασβεστίου (CaO) και παράγεται με ψήσιμο ασβεστίτης (CaCO₃) για την εξουδετέρωση του διοξειδίου του άνθρακα (CO

Το ασβέστη αποκαλείται επίσης ασβέστιο ή calx (από τη Λατινική, όπου παίρνουμε επίσης τη λέξη ασβέστιο). Στα μυστήρια των παλαιών δολοφονιών, το ασβέστιο ψεκάζεται στα θύματα για να διαλύσει το σώμα τους επειδή είναι πολύ καυστικό.

Αναμειγνύεται με νερό, ο άσβεστος μετατρέπεται αργά στον μεταλλικό πορτολάνιθο στην αντίδραση CaO + H₂Ο = Ca (ΟΗ)₂. Η ασβέστη γενικά σβήνεται, δηλαδή αναμιγνύεται με περίσσεια νερού, ώστε να παραμένει ρευστό. Ο ασβεστοποιημένος ασβέστης συνεχίζει να σκληρύνει σε μια περίοδο εβδομάδων. Ανάμεικτα με άμμο και άλλα συστατικά, το τσιμεντοειδές τσιμέντο που έχει υποστεί σβήσιμο μπορεί να τοποθετηθεί ανάμεσα σε πέτρες ή τούβλα σε τοίχο (σαν κονίαμα) ή να απλωθεί πάνω στην επιφάνεια ενός τοίχου (σαν γύψος ή γύψο). Εκεί, τις επόμενες εβδομάδες ή περισσότερο, αντιδρά με την CO₂ στον αέρα για να σχηματίσουν πάλι ασβεστίτη - τεχνητό ασβεστόλιθο!

Το σκυρόδεμα που κατασκευάζεται με ασβέστη είναι γνωστό από αρχαιολογικούς χώρους τόσο στον Νέο όσο και στον Παλαιό Κόσμο, που είναι πάνω από 5000 χρόνια. Λειτουργεί εξαιρετικά καλά σε ξηρές συνθήκες. Έχει δύο μειονεκτήματα:

• Το τσιμέντο ασβέστη παίρνει πολύ χρόνο για να θεραπεύσει, και ενώ ο αρχαίος κόσμος είχε πολύ χρόνο, σήμερα ο χρόνος είναι χρήμα.
• Το τσιμέντο ασβέστη δεν σκληραίνει στο νερό αλλά παραμένει μαλακό, δηλαδή δεν είναι υδραυλικό τσιμέντο. Έτσι, υπάρχουν περιπτώσεις στις οποίες δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί.

Οι Πυραμίδες της Αιγύπτου λέγεται ότι περιέχουν ένα υδραυλικό τσιμέντο με βάση τη διαλυμένη πυριτία. Αν αυτή η συνταγή 4500 ετών μπορεί να επιβεβαιωθεί και να αναβιώσει, θα ήταν σπουδαίο πράγμα. Αλλά το σημερινό τσιμέντο έχει μια διαφορετική γενεαλογία που είναι ακόμα αρκετά αρχαία.

Περίπου το 1000 π.Χ., οι αρχαίοι Έλληνες ήταν οι πρώτοι που είχαν ένα τυχερό ατύχημα, αναμειγνύοντας ασβέστη με ωραία ηφαιστειακή τέφρα. Η τέφρα μπορεί να θεωρηθεί ως φυσικά πεπλατυσμένο πέτρωμα, αφήνοντας πυρίτιο σε χημικά ενεργή κατάσταση όπως το ασβέστιο σε ασβεστολιθικό ασβεστόλιθο. Όταν αυτό το μίγμα ασβέστης σβήνεται, δημιουργείται μία εντελώς νέα ουσία: ένυδρο πυριτικό ασβέστιο ή τι οι χημικοί τσιμέντου ονομάζουν C-S-H (περίπου SiCa₂Ο₄·ΧH₂Ο). Το 2009, οι ερευνητές που χρησιμοποιούν αριθμητική μοντελοποίηση έρχονται με τον ακριβή τύπο: (CaO)_1.65(SiO₂) (Η₂Ο)_1.75.

Το C-S-H είναι ακόμα μια μυστηριώδης ουσία σήμερα, αλλά γνωρίζουμε ότι είναι ένα άμορφο πήκτωμα χωρίς οποιαδήποτε κρυσταλλική δομή. Σκλήρυνση γρήγορα, ακόμη και στο νερό. Και είναι πιο ανθεκτικό από το τσιμέντο ασβέστη.

Οι αρχαίοι Έλληνες έβαλαν αυτό το νέο τσιμέντο με νέους και πολύτιμους τρόπους, κατασκευάζοντας δεξαμενές σκυροδέματος που επιβιώνουν μέχρι σήμερα. Αλλά οι ρωμαϊκοί μηχανικοί κατέκτησαν την τεχνολογία και δημιούργησαν θαλάσσια λιμάνια, υδραγωγεία και ναούς σκυροδέματος. Ορισμένες από αυτές τις δομές είναι τόσο καλή όσο ποτέ, δυο χιλιάδες χρόνια αργότερα. Αλλά η φόρμουλα για το ρωμαϊκό τσιμέντο χάθηκε με την πτώση της ρωμαϊκής αυτοκρατορίας. Η σύγχρονη έρευνα συνεχίζει να αποκαλύπτει χρήσιμα μυστικά από τους αρχαίους, όπως το ασυνήθιστο σύνθεση ρωμαϊκού σκυροδέματος σε έναν κυματοθραύστη που χτίστηκε το 37 π.Χ., ο οποίος υπόσχεται να μας βοηθήσει να εξοικονομήσουμε ενέργεια, να χρησιμοποιήσουμε λιγότερο ασβέστη και να παράγουμε λιγότερα CO₂.

Ενώ το τσιμέντο ασβέστη συνέχισε να χρησιμοποιείται σε όλο το Σκοτεινό και Μεσαίωνα, το αληθινό υδραυλικό τσιμέντο δεν ανακαλύφθηκε ξανά μέχρι τα τέλη του 1700. Οι Έλληνες και οι Γάλλοι πειραματιστές έμαθαν ότι ένα πυρωμένο μίγμα ασβεστόλιθου και πηλού μπορεί να γίνει σε υδραυλικό τσιμέντο. Μια αγγλική έκδοση ονομάστηκε "τσιμέντο Portland" για την ομοιότητά της με το λευκό ασβεστόλιθο του Νήσου του Πόρτλαντ, και το όνομα επεκτάθηκε σύντομα σε όλο το τσιμέντο που γίνεται από αυτή τη διαδικασία.

Λίγο αργότερα, οι Αμερικανοί κατασκευαστές βρήκαν ασβεστόλιθους που έφεραν άργυρο και έδωσαν εξαιρετικό υδραυλικό τσιμέντο με μικρή ή καθόλου επεξεργασία. Αυτό το φτηνό φυσικό τσιμέντο αποτελούσε το μεγαλύτερο μέρος του αμερικανικού σκυροδέματος για τις περισσότερες από τις δεκαετίες του 1800 και το μεγαλύτερο μέρος του προέρχεται από το πόλη της Rosendale στη νότια Νέα Υόρκη. Η Rosendale ήταν ουσιαστικά ένα γενικό όνομα για το φυσικό τσιμέντο, αν και άλλοι κατασκευαστές ήταν στην Πενσυλβάνια, την Ιντιάνα και το Κεντάκι. Το τσιμέντο Rosendale βρίσκεται στη Γέφυρα του Μπρούκλιν, στο κτήριο Capitol των ΗΠΑ, στα περισσότερα στρατιωτικά κτήρια του 19ου αιώνα, στη βάση του Άγαλμα της Ελευθερίας και σε πολλά άλλα μέρη. Με την αυξανόμενη ανάγκη να διατηρηθούν ιστορικές δομές χρησιμοποιώντας ιστορικά κατάλληλα υλικά, Το φυσικό τσιμέντο Rosendale αναβιώνει.

Το αληθινό τσιμέντο Portland κέρδισε σιγά-σιγά τη δημοτικότητα στην Αμερική, καθώς προωθήθηκαν τα πρότυπα και ο ρυθμός της οικοδόμησης επιταχύνθηκε. Το τσιμέντο Portland είναι ακριβότερο, αλλά μπορεί να γίνει οπουδήποτε μπορούν να συναρμολογηθούν τα συστατικά, αντί να βασιστεί κανείς σε τυχερό σχηματισμό πετρωμάτων. Καλύπτει επίσης ταχύτερα, ένα πλεονέκτημα όταν κτίριο ουρανοξύστες ένα πάτωμα κάθε φορά. Το σημερινό τσιμέντο προεπιλογής είναι κάποια έκδοση τσιμέντου Portland.

Σήμερα, οι ασβεστόλιθοι και οι πηλοί που περιέχουν άργιλο είναι φρυγμένοι και φρυγμένοι μαζί σε θερμοκρασία τήξης σχεδόν στους 1400 ° έως 1500 ° C. Το προϊόν είναι ένα ογκώδες μίγμα σταθερών ενώσεων που ονομάζεται κλίνκερ. Το clinker περιέχει σίδηρο (Fe) και αλουμίνιο (Al) καθώς και πυρίτιο και ασβέστιο, σε τέσσερις κύριες ενώσεις:

• Alite (Ca₃SiO₅)
• Belite (Ca₂SiO₄), γνωστό στους γεωλόγους ως λαρνίτη
• Αλουμινικό (Ca₃Αλ₂Ο₆)
• Φερρίτης (Ca₂AlFeO₅)

Το clinker αλέθεται σε σκόνη και αναμειγνύεται με ένα μικρό ποσό γύψος, η οποία επιβραδύνει τη διαδικασία σκλήρυνσης. Αυτό είναι τσιμέντο Portland.

Το τσιμέντο αναμειγνύεται με νερό, άμμο και χαλίκι για να κάνει σκυρόδεμα. Το καθαρό τσιμέντο είναι άχρηστο επειδή συρρικνώνεται και ρωγμές. είναι επίσης πολύ πιο ακριβό από την άμμο και το χαλίκι. Καθώς το μίγμα θεραπεύει, παράγονται τέσσερις κύριες ουσίες:

• C-S-H
• Portlandite
• Ettringite (Ca₆Αλ₂(ΕΤΣΙ₄)₃(ΟΗ)₁₂· 26Η₂O; περιλαμβάνει ορισμένα Fe)
• Μονοθειικό ([Ca₂(ΑΙ, Fe) (ΟΗ)₆] · (ΕΤΣΙ₄, ΟΗ, κλπ) ·ΧH₂Ο)

Οι λεπτομέρειες όλων αυτών είναι μια περίπλοκη ειδικότητα, καθιστώντας τη σκυρόδεμα σαν μια εξελιγμένη τεχνολογία όπως οτιδήποτε στον υπολογιστή σας. Ωστόσο, το βασικό μίγμα σκυροδέματος είναι πρακτικά ανόητο, αρκετά απλό για εσάς και εμένα να το χρησιμοποιήσουμε.