كيف يتم صناعة الاسمنت والخرسانة

إذا كنت تفكر في الطوب الصخور الاصطناعية، يمكن اعتبار الأسمنت حممًا اصطناعية - حجر سائل يسكب في مكان حيث يتجمد إلى صلابة.

كثير من الناس يتحدثون عن الاسمنت عندما يقصدون الخرسانة.

• يبني هو مركب دقيق الحبيبات يتحول إلى مادة صلبة عند خلطه بالماء. يستخدم الأسمنت لربط مخاليط المواد في مادة صلبة مركبة.
• الخرسانة هو خليط من الاسمنت والرمل والحصى. أي أن الأسمنت هو الغراء الخرسانة.

الآن بعد أن أصبح الأمر واضحًا ، دعنا نتحدث عن الأسمنت. يبدأ الاسمنت بالكلس.

الجير هو مادة تستخدم منذ العصور القديمة لصنع أشياء مفيدة مثل الجص والملاط. يتم تصنيع الجير عن طريق حرق الحجر الجيري أو تكليسه ، وهذه هي الطريقة حجر الكلس يحصل على اسمه. كيميائيا ، الجير هو أكسيد الكالسيوم (CaO) ويتم عن طريق التحميص الكالسيت (CaCO₃) للتخلص من ثاني أكسيد الكربون (CO₂). تلك CO₂، أ غازات الدفيئة، يتم إنتاجها بكميات كبيرة من قبل صناعة الأسمنت.

يسمى الجير أيضًا الجير الحي أو الكالكس (من اللاتينية ، حيث نحصل أيضًا على كلمة الكالسيوم). في أسرار القتل القديمة ، يتم رش الجير الحي على الضحايا لإذابة أجسادهم لأنه كاوي للغاية.

ممزوج بالماء ، يتحول الجير ببطء إلى البورتلانديت المعدني في تفاعل CaO + H₂O = Ca (OH)₂. عادة ما يكون الجير مطفأ ، ممزوجًا مع فائض من الماء حتى يبقى سائلاً. يستمر الجير المطفأ في التصلب على مدى أسابيع. ممزوج بالرمل والمكونات الأخرى ، يمكن تعبئة الأسمنت الجيري المطحون بين الحجارة أو الطوب في الجدار (كملاط) أو نشره على سطح الجدار (مثل الجص أو الجص). هناك ، على مدى الأسابيع القليلة القادمة أو أكثر ، يتفاعل مع CO₂ في الهواء لتشكيل الكالسيت مرة أخرى - الحجر الجيري الاصطناعي!

يعرف الاسمنت المصنوع من الاسمنت الجيري من المواقع الأثرية في كل من العالم الجديد والقديم ، ويعود تاريخ بعضها إلى أكثر من 5000 عام. يعمل بشكل جيد للغاية في الظروف الجافة. لديها عيبان:

• يستغرق علاج اسمنت الجير وقتًا طويلاً ، وبينما كان لدى العالم القديم الكثير من الوقت ، فإن الوقت اليوم هو المال.
• لا يتجمد أسمنت الجير في الماء ولكنه يبقى ناعمًا ، أي أنه ليس أسمنتًا هيدروليكيًا. لذلك هناك حالات حيث لا يمكن استخدامها.

يقال أن أهرامات مصر تحتوي على الاسمنت الهيدروليكي على أساس السيليكا المذابة. إذا كان من الممكن تأكيد وإحياء هذه الصيغة التي يبلغ عمرها 4500 عام ، فسيكون ذلك شيئًا رائعًا. لكن أسمنت اليوم له نسب مختلفة لا تزال قديمة جدًا.

حوالي عام 1000 قبل الميلاد ، كان الإغريق هم أول من تعرض لحادث محظوظ ، يمزج الجير مع الرماد البركاني الناعم. يمكن اعتبار الرماد بمثابة صخور مكلسة بشكل طبيعي ، تاركًا السيليكون في حالة نشطة كيميائيًا مثل الكالسيوم في الحجر الجيري المكلس. عندما يتم خلط هذا الخليط من الرماد الجيري ، يتم تشكيل مادة جديدة بالكامل: هيدرات سيليكات الكالسيوم أو ما يطلق عليه كيميائي الأسمنت C-S-H (تقريبًا SiCa₂يا₄·سح₂س). في عام 2009 ، توصل الباحثون الذين يستخدمون النمذجة العددية إلى الصيغة الدقيقة: (CaO)_1.65(سيو₂) (ح₂يا)_1.75.

لا يزال C-S-H مادة غامضة اليوم ، لكننا نعلم أنه هلام غير متبلور بدون أي بنية بلورية محددة. تصلب بسرعة ، حتى في الماء. وهو أكثر دواما من الاسمنت الجيري.

وضع اليونانيون القدماء هذا الاسمنت الجديد لاستخدامه بطرق جديدة وقيمة ، وبناء خزانات خرسانية باقية حتى يومنا هذا. لكن المهندسين الرومان أتقنوا التكنولوجيا وقاموا ببناء الموانئ البحرية وقنوات المياه ومعابد الخرسانة أيضًا. بعض هذه الهياكل جيدة كما كانت اليوم ، بعد ألفي سنة. لكن معادلة الأسمنت الرومانية فقدت مع سقوط الإمبراطورية الرومانية. تستمر الأبحاث الحديثة في الكشف عن أسرار مفيدة من القدماء ، مثل غير المعتاد تكوين الخرسانة الرومانية في حاجز أمواج بني في 37 قبل الميلاد ، والذي يعد بمساعدتنا على توفير الطاقة ، واستخدام كمية أقل من الجير وإنتاج ثاني أكسيد الكربون أقل₂.

في حين استمر استخدام الأسمنت الجيري طوال العصور المظلمة والمتوسطة ، لم يتم إعادة اكتشاف الأسمنت الهيدروليكي الحقيقي حتى أواخر القرن الثامن عشر. تعلم الباحثون الإنجليز والفرنسيون أنه يمكن تحويل خليط مكلس من الحجر الجيري والحجر الجيري إلى أسمنت هيدروليكي. أطلق على أحد إصدار اللغة الإنجليزية اسم "أسمنت بورتلاند" لأنه يشبه الحجر الجيري الأبيض في جزيرة بورتلاند ، وسرعان ما امتد الاسم إلى جميع الأسمنت الذي صنعته هذه العملية.

بعد ذلك بوقت قصير ، وجد المصنعون الأمريكيون الحجر الجيري الحامل للطين الذي أنتج أسمنتًا هيدروليكيًا ممتازًا مع معالجة قليلة أو معدومة. شكل هذا الاسمنت الطبيعي الرخيص الجزء الأكبر من الخرسانة الأمريكية لمعظم 1800s ، ومعظمه جاء من بلدة روزندال في جنوب نيويورك. كان روزندال عمليا اسمًا عامًا للأسمنت الطبيعي ، على الرغم من أن الشركات المصنعة الأخرى كانت في بنسلفانيا وإنديانا وكنتاكي. يقع اسمنت روزندال في جسر بروكلين ، ومبنى الكابيتول الأمريكي ، ومعظم المباني العسكرية في القرن التاسع عشر ، وقاعدة تمثال الحرية والعديد من الأماكن الأخرى. مع الحاجة المتزايدة للحفاظ على الهياكل التاريخية باستخدام المواد المناسبة تاريخيا ، يتم إعادة إحياء اسمنت روزندال الطبيعي.

اكتسب الأسمنت البورتلاندي الحقيقي شعبية في أمريكا ببطء مع تقدم المعايير وتسريع وتيرة البناء. أسمنت بورتلاند أكثر تكلفة ، ولكن يمكن صنعه في أي مكان يمكن تجميع المكونات فيه بدلاً من الاعتماد على تكوين صخري محظوظ. كما أنه يشفي بشكل أسرع ، وهي ميزة عند بناء ناطحات السحاب في كل مرة. الاسمنت الافتراضي اليوم هو نسخة من الاسمنت البورتلاندي.

اليوم يتم تلبيد الحجر الجيري والصخور التي تحتوي على الطين - يتم تحميصها معًا عند درجة حرارة انصهار تقريبًا - عند 1400 إلى 1500 درجة مئوية. المنتج عبارة عن خليط متكتل من مركبات مستقرة تسمى الكلنكر. يحتوي الكلنكر على الحديد (Fe) والألمنيوم (Al) بالإضافة إلى السيليكون والكالسيوم ، في أربعة مركبات رئيسية:

• Alite (Ca₃سيو₅)
• بليت (كاليفورنيا₂سيو₄) ، معروف لعلماء الجيولوجيا باسم لارنيت
• ألومينيت (كاليفورنيا₃آل₂يا₆)
• الفريت (كاليفورنيا)₂AlFeO₅)

الكلنكر مطحون للبودرة ويمزج مع كمية صغيرة من جبس، مما يبطئ عملية تصلب. هذا هو بورتلاند الاسمنت.

يتم خلط الاسمنت بالماء والرمل والحصى لصنع الخرسانة. الاسمنت النقي لا طائل منه لأنه ينكمش ويتشقق. كما أنها أغلى بكثير من الرمال والحصى. أثناء علاج الخليط ، يتم إنتاج أربع مواد رئيسية:

• C-S-H
• بورتلانديت
• إيترينجيت (كاليفورنيا)₆آل₂(وبالتالي₄)₃(يا)₁₂· 26 ساعة₂يا يتضمن بعض الحديد)
• أحادي سلفات₂(آل ، Fe) (OH)₆] · (وبالتالي₄، أوهايو ، إلخ) ·سح₂يا)

تفاصيل كل هذا هي تخصص معقد ، مما يجعل الخرسانة المتطورة تكنولوجيا مثل أي شيء في جهاز الكمبيوتر الخاص بك. ومع ذلك فإن الخليط الأساسي من الخرسانة عملياً مقاوم للغباء وبسيط بما يكفي لكي تستخدمه أنت وأنا.