Zement und Beton

Wenn Sie sich Ziegel als künstliches Gestein vorstellen, kann Zement als künstliche Lava betrachtet werden - ein flüssiger Stein, der dort eingegossen wird, wo er fest wird.

Zement und Beton

Viele Leute sprechen von Zement, wenn sie Beton meinen.

• Zement ist eine feinkörnige Verbindung, die sich beim Mischen mit Wasser in einen Feststoff verwandelt. Zement wird verwendet, um Materialmischungen zu einem zusammengesetzten Feststoff zu verbinden.
• Beton ist eine Mischung aus Zement, Sand und Kies. Das heißt, Zement ist der Klebstoff von Beton.

Lassen Sie uns nun, da das klar ist, über Zement sprechen. Zement beginnt mit Kalk.

Kalk, der erste Zement

Kalk ist eine Substanz, die seit der Antike verwendet wird, um nützliche Dinge wie Gips und Mörtel herzustellen. Kalk wird durch Brennen oder Kalzinieren von Kalkstein hergestellt - und so erhält Kalkstein seinen Namen. Chemisch gesehen ist Kalk Calciumoxid (CaO) und wird durch Rösten von Calcit (CaCO) hergestellt₃), um Kohlendioxid (CO₂). Dieser CO₂, Ein Treibhausgas, das von der Zementindustrie in großen Mengen produziert wird.

Kalk wird auch als Branntkalk oder Calx bezeichnet (aus dem Lateinischen, wo wir auch das Wort Kalzium erhalten). In alten Krimisprachen wird den Opfern gebrannter Kalk aufgetragen, um ihre Körper aufzulösen, weil er sehr ätzend ist.

Mit Wasser versetzt, verwandelt sich Kalk in der Reaktion CaO + H langsam in das Mineral Portlandit₂O = Ca (OH)₂. Kalk wird in der Regel gelöscht, dh mit einem Überschuss an Wasser gemischt, damit er flüssig bleibt. Gelöschter Kalk härtet über Wochen weiter aus. Mit Sand und anderen Zutaten vermischt, kann gelöschter Kalkzement zwischen Steinen oder Ziegeln in einer Wand (als Mörtel) oder auf der Oberfläche einer Wand (als Putz oder Putz) verteilt werden. Dort reagiert es in den nächsten Wochen oder länger mit CO₂ In der Luft bildet sich wieder Calcit-Kunstkalkstein!

Aus Kalkzement hergestellter Beton ist aus archäologischen Stätten in der Neuen und Alten Welt bekannt, von denen einige mehr als 5000 Jahre alt sind. Es funktioniert sehr gut bei trockenen Bedingungen. Es hat zwei Nachteile:

• Die Aushärtung von Kalkzement dauert lange, und während die Antike viel Zeit hatte, ist Zeit heute Geld.
• Kalkzement härtet nicht in Wasser aus, sondern bleibt weich, dh es ist kein hydraulischer Zement. Es gibt also Situationen, in denen es nicht verwendet werden kann.

Alter hydraulischer Zement

Die Pyramiden von Ägypten sollen einen hydraulischen Zement auf der Basis von gelöstem Siliciumdioxid enthalten. Wenn diese 4500 Jahre alte Formel bestätigt und wiederbelebt werden kann, wäre das eine großartige Sache. Aber der heutige Zement hat einen anderen Stammbaum, der noch ziemlich alt ist.

Um 1000 v. Chr. Hatten die alten Griechen als erste einen Glücksfall, bei dem Kalk mit feiner Vulkanasche vermischt wurde. Asche kann als natürlich kalziniertes Gestein angesehen werden, bei dem Silizium in einem chemisch aktiven Zustand verbleibt, wie das Kalzium in kalziniertem Kalkstein. Beim Löschen dieser Kalk-Asche-Mischung entsteht eine völlig neue Substanz: Calciumsilicathydrat oder das, was Zementchemiker als C-S-H (ungefähr SiCa) bezeichnen₂Ö₄· xH₂Ö). Forscher, die numerische Modelle verwendeten, kamen 2009 auf die genaue Formel: (CaO)_1,65(SiO₂) (H₂Ö)_1,75.

C-S-H ist noch heute eine mysteriöse Substanz, aber wir wissen, dass es sich um ein amorphes Gel ohne festgelegte kristalline Struktur handelt. Es härtet auch in Wasser schnell aus. Und es ist haltbarer als Kalkzement.

Die alten Griechen setzten diesen neuen Zement auf neue und wertvolle Weise ein und bauten Betonzisternen, die bis heute überleben. Aber römische Ingenieure beherrschten die Technologie und bauten auch Seehäfen, Aquädukte und Tempel aus Beton. Einige dieser Strukturen sind heute, zweitausend Jahre später, so gut wie nie zuvor. Aber die Formel für römischen Zement ging mit dem Fall des Römischen Reiches verloren. Die moderne Forschung deckt nach wie vor nützliche Geheimnisse der Antike auf, wie zum Beispiel die ungewöhnliche Zusammensetzung von römischem Beton in einem Wellenbrecher aus dem Jahr 37 v. Chr., Der uns helfen soll, Energie zu sparen, weniger Kalk zu verbrauchen und weniger CO zu produzieren₂.

Moderner hydraulischer Zement

Während im Dunkel- und Mittelalter weiterhin Kalkzement verwendet wurde, wurde der wahre hydraulische Zement erst Ende des 18. Jahrhunderts wiederentdeckt. Englische und französische Experimentatoren lernten, dass eine kalzinierte Mischung aus Kalkstein und Tonstein zu hydraulischem Zement verarbeitet werden kann. Eine englische Version wurde wegen ihrer Ähnlichkeit mit dem weißen Kalkstein der Isle of Portland "Portland Cement" genannt, und der Name wurde bald auf alle nach diesem Verfahren hergestellten Zemente ausgedehnt.

Kurz danach fanden amerikanische Hersteller tonhaltige Kalksteine, die mit wenig oder gar keiner Verarbeitung einen ausgezeichneten hydraulischen Zement ergaben. Dieser billige Naturzement machte den größten Teil des amerikanischen Betons im 19. Jahrhundert aus und stammte größtenteils aus der Stadt Rosendale im Süden New Yorks. Rosendale war praktisch eine Gattungsbezeichnung für Naturzement, obwohl andere Hersteller in Pennsylvania, Indiana und Kentucky ansässig waren. Rosendale Zement befindet sich in der Brooklyn Bridge, dem US-Kapitol, den meisten Militärgebäuden aus dem 19. Jahrhundert, der Basis der Freiheitsstatue und vielen anderen Orten. Mit dem wachsenden Bedürfnis, historische Strukturen mit historisch geeigneten Materialien zu erhalten, wird Rosendale Naturzement wiederbelebt.

Echter Portlandzement gewann in Amerika langsam an Beliebtheit, als die Standards zunahmen und sich das Bautempo beschleunigte. Portlandzement ist teurer, kann jedoch überall dort hergestellt werden, wo die Zutaten zusammengesetzt werden können, anstatt sich auf eine glückliche Gesteinsformation zu verlassen. Es härtet auch schneller aus, ein Vorteil, wenn Wolkenkratzer auf einmal gebaut werden. Der heutige Standardzement ist eine Version von Portlandzement.

Moderner Portlandzement

Heute werden kalk- und tonhaltige Gesteine ​​bei nahezu Schmelztemperaturen von 1400 bis 1500 ° C zusammengesintert und geröstet. Das Produkt ist eine stückige Mischung stabiler Verbindungen, die als Klinker bezeichnet wird. Klinker enthält Eisen (Fe) und Aluminium (Al) sowie Silicium und Calcium in vier Hauptverbindungen:

• Alite (Ca₃SiO₅)
• Belite (Ca₂SiO₄), den Geologen als Larnit bekannt
• Aluminat (Ca₃Al₂Ö₆)
• Ferrit (Ca₂AlFeO₅)

Klinker wird zu Pulver gemahlen und mit etwas Gips vermischt, was den Aushärtungsprozess verlangsamt. Das ist Portlandzement.

Beton machen

Zement wird mit Wasser, Sand und Kies gemischt, um Beton herzustellen. Reiner Zement ist nutzlos, weil er schrumpft und reißt. Es ist auch viel teurer als Sand und Kies. Während die Mischung aushärtet, entstehen vier Hauptsubstanzen:

• C-S-H
• Portlandit
• Ettringit (Ca₆Al₂(SO₄)₃(OH)₁₂· 26H₂Ö; enthält etwas Fe)
• Monosulfat ([Ca₂(Al, Fe) (OH)₆] · (SO₄,OH, etc) · xH₂Ö)

Die Details all dessen sind eine komplizierte Spezialität, die Beton zu einer Technologie macht, die so hoch entwickelt ist wie alles in Ihrem Computer. Grundlegende Betonmischung ist praktisch dumm und für Sie und mich einfach zu verwenden.