Sögu sementsins má rekja allt aftur til þess að menn fundu upp aðferð til þess að búa til kalk. Eins og oft gerist, þá hefur aðferðin til að búa til kalk sennilega verið hrein tilviljun eða slys. Kalksteinn er mjög algengur víða um heim, þótt hann sé ekki til í neinu magni á Íslandi. Kalksteinn myndast aðallega úr leifum skeldýra og kórals á hafsbotni, en efnasamsetning hans er að mestu leyti CaCO3. Stundum er töluvert af magnín (Mg) í stað kalsín (Ca), en þá nefnist steinninn dólómít. Ef kalksteinn er malaður niður og hitaður allt að 1000°C verða eftirfarandi efnahvörf:
CaCO3 + hiti → CaO + CO2
Kalksteinninn hverfur við brennsluna en eftir verður kalkduft (CaO) og koldíoxíð rýkur út í loftið. Kalkið tekur strax í sig vatnsraka úr andrúmsloftinu og myndar steindina portlandít eða Ca(OH)2. Þegar kalkduftinu er blandað saman við vatn þá myndast leðja sem harðnar í stein vegna efnahvarfa og virkar sem ágætt steinlím.
Bæði Forngrikkir á Krít og Egyptar voru byrjaðir að brenna kalk og nota sement fyrir um 2500 fyrir Krist, en það voru Rómverjar sem gerðu sement og notuðu steinsteypu í stórum stíl um og eftir 300 fyrir Krist. Ein elsta og merkasta bygging úr steinsteypu er Pantheon musterið í Róm á Ítalíu, en mynd af steinsteyptu hvelfingunni er hér til hliðar. Það var byggt árið 27 fyrir Krist, og loftið er steinsteypt hvelfing sem er um 43 metrar í þvermál. Þetta er enn í dag stærsta hvelfing á jörðu sem gerð er úr steinsteypu sem ekki er járnbundin. Í miðri hvelfingunni er gat sem er níu metrar í þvermál, og það er ógleymanleg tilfinning að standa inni í Pantheon á rigningardegi í Róm, og leita skjóls um leið og regnið streymir niður um mitt gatið, niður á gólfið. Steypan í hvelfingunni er um 6 metrar á þykkt á jöðrunum en um 1,2 metrar við gatið í miðri hvelfingunni.
Rómverjar uppgötvuðu að þegar eldfjallaösku var blandað út í kalkið og hrært með vatni, þá myndaðist frábær steinsteypa sem var miklu sterkari. Öskuna fengur þeir í grennd við Vesúvíus og önnur eldfjöll nálægt Napólí, einkum nálægt bænum Puteoli, sem í dag nefnist Pozzuoli. Af þeim sökum nefnist slík steypa pozzolana, en Rómverjar gátu jafnvel beitt henni við byggingu á mannvirkjum neðansjávar, eins og höfnina í Ostia.
Hvað gerist þegar kalk og sement mynda steinsteypu? Algengasta sementið í dag er svokallað portland sement. Það er einnig framleitt við brennslu á kalksteini í blöndu við steinefni sem inniheldur kísil. Þegar sementsdufti er blandað við vatn þá myndast steypa, sem harðnar vegna efnahvarfa í einhvers konar kalsín sílikat hydrat: Ca–Si-OH. En það var ekki fyrr en alveg nýlega að menn uppgötvuðu hvað virkilega er að gerast við hörðnun steinsteypunnar. Steindin sem myndast þegar sement harðnar er sýnd á myndinni til hliðar, þar sem atómskipan eða innri bygging efnisins kemur vel fram. Hér eru vetnisatóm sýnd hvít á lit, súrefni fjólublá, kalsín grá, kísilatóm gul og súrefni rauð. Nú þegar að innri gerð sementsins er orðin þekkt, þá má gera ráð fyrir að í framtíðinni verði miklar framfarir í gerð nýrra og betri sementstegunda.
Framleiðsla sements á jörðinni er um þrír miljarðar tonna á ári og fer nær öll framleiðslan til Kína. En sementsframleiðslan hefur mikil neikvæð umhverfisáhrif. Eins og efnajafnan efst í pistlinum sýnir, þá myndast koldíoxíð þegar kalk er brennt, og rýkur það út í andrúmsloftið. Sementsiðnaðurinn í heiminum myndar um 5% af allri losun á koldíoxíði, bæði vegna gasmyndunarinnar og vegna koldíoxíðs frá eldsneytinu sem er notað við brennsluna. Við hvert tonn af sementi myndast um 222 kg af kolefni sem rýkur út í loftið. Þannig er sementsframleiðsla nokkuð stór þáttur í loftslagsbreytingum.
Frekara lesefni af Vísindavefnum:
Haraldur Sigurðsson. „Hvað er sement og hvenær var farið að nota það sem byggingarefni?“ Vísindavefurinn, 20. ágúst 2010. Sótt 27. apríl 2024. http://visindavefur.is/svar.php?id=29951.
Haraldur Sigurðsson. (2010, 20. ágúst). Hvað er sement og hvenær var farið að nota það sem byggingarefni? Vísindavefurinn. Sótt af http://visindavefur.is/svar.php?id=29951
Haraldur Sigurðsson. „Hvað er sement og hvenær var farið að nota það sem byggingarefni?“ Vísindavefurinn. 20. ágú. 2010. Vefsíða. 27. apr. 2024. <http://visindavefur.is/svar.php?id=29951>.
Hér getur þú sent okkur nýjar spurningar um vísindaleg efni.
Hafðu spurninguna stutta og hnitmiðaða og sendu aðeins eina í einu. Einlægar og vandaðar spurningar
um mikilvæg efni eru líklegastar til að kalla fram vönduð og greið svör. Ekki er víst að tími vinnist til að
svara öllum spurningum.
Persónulegar upplýsingar um spyrjendur eru eingöngu notaðar í starfsemi vefsins, til dæmis til að
svör verði við hæfi spyrjenda. Spurningum er ekki sinnt ef spyrjandi villir á sér heimildir eða segir ekki
nægileg deili á sér.
Spurningum sem eru ekki á verksviði vefsins er eytt.
Að öðru leyti er hægt að spyrja Vísindavefinn um allt milli himins og jarðar!
Sólin
Rís 05:12 • sest 21:41
Tunglið
Rís 00:00 • Sest 00:00
Flóð
Árdegis: 08:09 • Síðdegis: 20:27
Fjara
Árdegis: 02:12 • Síðdegis: 14:14
Bæði Forngrikkir á Krít og Egyptar voru byrjaðir að brenna kalk og nota sement fyrir um 2500 fyrir Krist, en það voru Rómverjar sem gerðu sement og notuðu steinsteypu í stórum stíl um og eftir 300 fyrir Krist. Ein elsta og merkasta bygging úr steinsteypu er Pantheon musterið í Róm á Ítalíu, en mynd af steinsteyptu hvelfingunni er hér til hliðar. Það var byggt árið 27 fyrir Krist, og loftið er steinsteypt hvelfing sem er um 43 metrar í þvermál. Þetta er enn í dag stærsta hvelfing á jörðu sem gerð er úr steinsteypu sem ekki er járnbundin. Í miðri hvelfingunni er gat sem er níu metrar í þvermál, og það er ógleymanleg tilfinning að standa inni í Pantheon á rigningardegi í Róm, og leita skjóls um leið og regnið streymir niður um mitt gatið, niður á gólfið. Steypan í hvelfingunni er um 6 metrar á þykkt á jöðrunum en um 1,2 metrar við gatið í miðri hvelfingunni.
Rómverjar uppgötvuðu að þegar eldfjallaösku var blandað út í kalkið og hrært með vatni, þá myndaðist frábær steinsteypa sem var miklu sterkari. Öskuna fengur þeir í grennd við Vesúvíus og önnur eldfjöll nálægt Napólí, einkum nálægt bænum Puteoli, sem í dag nefnist Pozzuoli. Af þeim sökum nefnist slík steypa pozzolana, en Rómverjar gátu jafnvel beitt henni við byggingu á mannvirkjum neðansjávar, eins og höfnina í Ostia.
Hvað gerist þegar kalk og sement mynda steinsteypu? Algengasta sementið í dag er svokallað portland sement. Það er einnig framleitt við brennslu á kalksteini í blöndu við steinefni sem inniheldur kísil. Þegar sementsdufti er blandað við vatn þá myndast steypa, sem harðnar vegna efnahvarfa í einhvers konar kalsín sílikat hydrat: Ca–Si-OH. En það var ekki fyrr en alveg nýlega að menn uppgötvuðu hvað virkilega er að gerast við hörðnun steinsteypunnar. Steindin sem myndast þegar sement harðnar er sýnd á myndinni til hliðar, þar sem atómskipan eða innri bygging efnisins kemur vel fram. Hér eru vetnisatóm sýnd hvít á lit, súrefni fjólublá, kalsín grá, kísilatóm gul og súrefni rauð. Nú þegar að innri gerð sementsins er orðin þekkt, þá má gera ráð fyrir að í framtíðinni verði miklar framfarir í gerð nýrra og betri sementstegunda.
Framleiðsla sements á jörðinni er um þrír miljarðar tonna á ári og fer nær öll framleiðslan til Kína. En sementsframleiðslan hefur mikil neikvæð umhverfisáhrif. Eins og efnajafnan efst í pistlinum sýnir, þá myndast koldíoxíð þegar kalk er brennt, og rýkur það út í andrúmsloftið. Sementsiðnaðurinn í heiminum myndar um 5% af allri losun á koldíoxíði, bæði vegna gasmyndunarinnar og vegna koldíoxíðs frá eldsneytinu sem er notað við brennsluna. Við hvert tonn af sementi myndast um 222 kg af kolefni sem rýkur út í loftið. Þannig er sementsframleiðsla nokkuð stór þáttur í loftslagsbreytingum.
Frekara lesefni af Vísindavefnum: