Простым языком о цементе, бетоне и их отличиях

Главная / О строительстве / Простым языком о цементе, бетоне и их отличиях

Есть много такого, чего обычный человек не знает о бетоне. Например, он пористый, это самый используемый материал в мире после воды, и, возможно, самое главное, — это не цемент.

Хотя многие используют слова "цемент" и "бетон" взаимозаменяемо, на самом деле они относятся к двум различным, но связанным материалам: бетон — это композит, изготовленный из нескольких материалов, одним из которых является цемент.

Производство цемента начинается с известняка, осадочной породы. После добычи он смешивается с источником кремнезема, таким как промышленные побочные продукты — шлак или летучая зола, и обжигается в печи при температуре 1500 градусов по Цельсию. То, что выходит из печи, называется клинкером. Цементные заводы измельчают клинкер до чрезвычайно мелкого порошка и смешивают с несколькими добавками. Конечный результат — цемент.

"Цемент затем доставляется на участки, где он смешивается с водой, где он становится цементной пастой”, — объясняет профессор Франц-Йозеф Ульм, директор факультета MIT Concrete Sustainability Hub (CSHub). “Если добавить в эту пасту песок,она превратится в раствор. А если добавить в раствор крупные заполнители-камни диаметром до дюйма — он становится бетонным.”

Что делает бетон таким прочным, так это химическая реакция, которая происходит, когда цемент и вода смешиваются-процесс, известный как гидратация.

Чем цемент отличается от бетона

"Гидратация происходит, когда цемент и вода вступают в реакцию", — говорит Ульм. "Во время гидратации клинкер растворяется в кальции и рекомбинируется с водой и кремнеземом, образуя гидраты кремнезема кальция.”

Гидраты кремнезема кальция, или CSH, являются ключом к прочности цемента. По мере того как они формируются, они объединяются, образуя плотные связи, которые придают прочность материалу. Эти соединения имеют удивительный побочный продукт-они делают цемент невероятно пористым.

В промежутках между связями CSH развиваются крошечные поры-в масштабе 3 нанометра. Они известны как гелевые поры. Кроме того, любая вода, которая не вступила в реакцию с образованием CSH в процессе гидратации, остается в цементе, создавая еще один набор более крупных пор, называемых капиллярными порами.

Согласно исследованиям, проведенным CSHub, французским Национальным центром научных исследований и Университетом Экс-Марселя, цементная паста настолько пористая, что 96 процентов ее пор соединены.

Несмотря на такую пористость, цемент обладает отличными прочностными и вяжущими свойствами. Конечно, уменьшая эту пористость, можно создать более плотный и даже более прочный конечный продукт.

Начиная с 1980-х годов, инженеры разработали высокоэффективный бетон (HPC), который сделал именно это.

"Высокоэффективный бетон появился в 1980-х годах, когда люди поняли, что капиллярные поры можно частично уменьшить, уменьшив соотношение воды и цемента”, — говорит Ульм. "С добавлением некоторых ингредиентов это создало больше CSH и уменьшило воду, которая осталась после гидратации. По существу, это уменьшило большие поры, заполненные водой, и повысило прочность материала.”

Конечно, отмечает Ульм, снижение соотношения воды и цемента для ГПК также требует большего количества цемента. И в зависимости от того, как этот цемент производится, это может увеличить воздействие материала на окружающую среду. Отчасти это объясняется тем, что при обжиге карбоната кальция в печи для производства обычного цемента происходит химическая реакция, в результате которой образуется углекислый газ (CO₂).

Еще одним источником выбросов CO₂ в цемент являются нагревательные печи для обжига цемента. Этот нагрев должен осуществляться с использованием ископаемого топлива из-за чрезвычайно высоких температур, требуемых в печи (1500 С). Электрификация печей изучается, но в настоящее время она не является технически или экономически целесообразной.

Поскольку бетон является самым популярным материалом в мире, а цемент-основным связующим, используемым в бетоне, эти два источника CO₂ являются основной причиной того, что цемент вносит около 8 процентов глобальных выбросов.

Однако исполнительный директор CSHub Джереми Грегори видит в масштабах бетона возможность смягчить последствия изменения климата: "Бетон — самый распространенный строительный материал в мире. И, поскольку мы используем так много его, любые сокращения, которые мы делаем в его следе, будут иметь большое влияние на глобальные выбросы.”

"Многие технологии, необходимые для уменьшения влияния бетона, существуют и сегодня", — отмечает он.

“Когда речь заходит о сокращении выбросов цемента, мы можем повысить эффективность цементных печей, увеличивая использование отходов в качестве источников энергии, а не ископаемого топлива”, — объясняет Грегори.

“Мы также можем использовать смешанные цементы, которые имеют меньше клинкера, такие как Портландцементный известняк, который смешивает неотапливаемый известняк на заключительной стадии измельчения производства цемента. Последнее, что мы можем сделать, это захватить и хранить или утилизировать углерод, выделяющийся при производстве цемента.”

Улавливание, утилизация и хранение углерода имеет значительный потенциал для снижения воздействия цемента и бетона на окружающую среду, создавая при этом большие рыночные возможности. По данным центра климатических и энергетических решений, к 2030 году мировой рынок использования углерода в бетоне составит 400 миллиардов долларов. Некоторые компании, такие как Solidia Technologies и Carbon Cure, опережают кривую, разрабатывая цемент и бетон, которые используют и последовательно секвестрируют CO₂ в процессе производства.

"Однако ясно, — говорит Грегори, — что низкоуглеродистые бетонные смеси должны будут использовать многие из этих стратегий. Это означает, что нам нужно переосмыслить, как мы проектируем наши бетонные смеси.”

В настоящее время точные технические характеристики бетонных смесей предписываются заранее. Хотя это снижает риск для разработчиков, это также препятствует инновационным смесям, которые снижают выбросы.

В качестве решения Грегори выступает за определение производительности смеси, а не ее ингредиентов.

"Многие предписывающие требования ограничивают возможность улучшения воздействия бетона на окружающую среду — например, ограничения на соотношение воды и цемента и использование отходов в смеси”, — говорит он. "Переход к спецификациям, основанным на производительности, является ключевым методом поощрения большего числа инноваций и достижения целевых показателей затрат и воздействия на окружающую среду.”

По мнению Грегори, для этого необходим культурный сдвиг. Чтобы перейти к спецификациям, основанным на производительности, многие заинтересованные стороны, такие как архитекторы, инженеры и спецификаторы, должны будут сотрудничать, чтобы разработать оптимальный набор для своего проекта, а не полагаться на заранее разработанный набор.

Чтобы стимулировать других водителей низкоуглеродистого бетона, говорит Грегори, “мы должны устранить барьеры риска и затрат. Мы можем снизить риск, попросив производителей сообщать об экологических следах своей продукции и предоставляя спецификации, основанные на производительности. Для решения проблемы издержек нам необходимо поддерживать разработку и внедрение технологий улавливания углерода и низкоуглеродистых технологий.”

Сам бетон может также уменьшить эти выбросы разными способами.

Один из способов — это его использование. Применение бетона в зданиях и инфраструктуре может позволить снизить выбросы парниковых газов с течением времени. Бетонные здания, например, могут иметь высокую энергоэффективность, в то время как поверхность и конструктивные свойства бетонных тротуаров позволяют автомобилям потреблять меньше топлива.

Бетон также может уменьшить часть своего первоначального воздействия через реакцию с воздухом.

”Уникальность бетона заключается в том, что он фактически поглощает углерод в течение своей жизни во время естественного химического процесса, называемого карбонизацией", — говорит Грегори.

Карбонизация происходит постепенно в бетоне, так как CO₂ в воздухе реагирует с цементом, образуя воду и карбонат кальция. В статье 2016 года в журнале Nature Geoscience было обнаружено, что с 1930 года карбонизация в бетоне компенсировала 43 процента выбросов от химического превращения карбоната кальция в клинкер при производстве цемента.

Карбонизация, правда, имеет один недостаток. Это может привести к коррозии стальной арматуры, часто устанавливаемой внутри бетона. В будущем инженеры могут стремиться к максимальному поглощению углерода в процессе карбонизации, а также минимизировать проблемы долговечности, которые он может представлять.

Карбонизация, а также такие технологии, как улавливание, утилизация и хранение углерода и усовершенствованные смеси, будут способствовать созданию низкоуглеродистого бетона. Но чтобы сделать это возможным, потребуется сотрудничество академических кругов, промышленности и правительства, говорит Грегори.

Он видит в этом возможность.

"Изменения не должны происходить только на основе технологии", — отмечает он. "Это также может произойти благодаря тому, как мы работаем вместе для достижения общих целей.”

Вы можете оставить сообщение

Поля обязательные для заполнения помечены *.

Обновлено 15.06.2020 00:46

Следующая статья: Бетонные лестничные марши https://scales-nn.ru/concrete-staircases.html

Предыдущая статья: Мировой рынок цемента в 2020 г. https://scales-nn.ru/world-cement.html