Was ist Beton?

Die beliebtesten künstliche Material auf der Erde ist nicht Stahl, Kunststoff oder Aluminium – es ist konkret. Tausende von Jahren, wir haben es Zivilisationen zu bauen, aber dann war unser Wissen wie man es verloren. Hier ist wie wir Beton entdeckt, habe es vergessen und dann endlich das Geheimnis dessen, was es so stark macht geknackt.

Wenn wir konkrete denken, stellen wir in der Regel weiße Beläge, Schwimmbäder und Fundamente. Die meisten von uns sind sich nicht bewusst des Betons feurige vulkanischen Ursprung Geschichte, oder, dass Beton ist ein 100 Milliarden US-Dollar-Industrie. In der Tat ist es das am weitesten verbreitete Material auf unserem Planeten nach Wasser. Tonne für Tonne, verwenden Menschen konkreter heute als Stahl, Holz, Kunststoff und Aluminium kombiniert.

Flüssiger Stein

Im Gegensatz zu Aluminium, Stahl oder Kunststoff der Wort "Beton" bezieht sich nicht auf ein einzelnes Material. Es kann beliebig viele Substanzen sein, kombinieren Felsen oder Kies mit irgendeiner Art von Klebstoff.

Beton ist im Grunde nur ein Haufen Schutt und Asche mit Wasser und Zement gemischt. Zusammen bilden diese Zutaten felsigen Jello, die in eine Form gegossen und was zum Teufel Sie wollen geformt werden kann. Flüssiger Stein, wird es manchmal genannt. Wir es als selbstverständlich heute, aber in alten Zeiten, als Menschen buchstäblich Hand schnitzen Gebäuden aus riesigen Steinplatten waren, können Sie Ihre Ziegel Wetten, schien ein Material wie Beton geradezu magische haben würde.

Es gibt Hinweise, dass Menschen seit Tausenden von Jahren mit Beton geflickt haben. Aber es waren die Römer, die wirklich das Handwerk beherrschen, und sie wahrscheinlich es von Vulkanen erfuhr.

Geboren in einem feurigen Vulkan

Das Kolosseum, einer berühmten römischen Betonkonstruktion. Bild via David Iliff / Wikimedia

Vor über zweitausend Jahren war auf dem Höhepunkt des römischen Reiches, der Hafen von Pozzuoli ein pulsierenden Zentrum der militärischen Tätigkeit und Handel. Jeden Tag Schiffe linken Pozzuoli, beladen mit nützlich waren, einschließlich Getreide, Eisen, Waffen und Puzzolan, eine ashy vulkanischen Sand gebildet in den nahe gelegenen Supervulkan Campi Flegrei.

Warum waren die Römer vulkanischen speien in die entlegensten Winkel der damals bekannten Welt exportieren? So kommt es, dass dieser Sand etwas Besonderes war. Mit Wasser mischen, und es würde bilden einen Mörser stark genug, um Klumpen des Felsens zu einem undurchdringlichen, tragende Material zusammen zu binden. Wie römische Philosoph Seneca erwähnt, den "Staub bei Puteoli [lateinische Name der Stadt] wird Stein, wenn es Wasser berührt." Niemand wusste, warum.

Durch Zufall hatten die Römer eine Stadt oben auf einer natürlichen Zementfabrik errichtet. Stellt sich heraus, Puzzolan ist eine Mischung von Kieselsäure Oxide und Kalk, zwei der drei wichtigsten Zutaten in Zement (der dritte ist Wasser). Erst in diesem Jahr ein Stanford Geochemiker, wie arbeitete dieses ungewöhnliche Asche bildet.

Das tiefe innere Campi Flegreis Caldera ist gepolstert in Kalkstein, ein weicher, brüchiger Felsen bestehend aus Kalziumkarbonat (CaCO3). Wenn geothermisch beheizten Wasser über der Caldera Kalksteinwänden wäscht, löst es eine Entkohlung Reaktion, Freigabe von CO2-Gas und hinterlässt Calciumhydroxid, sonst bekannt als Löschkalk. Hier ist die Reaktion beschreibt diesen Prozess:

CaCO3 (Kalkstein) + Wärme + H2O > Ca (OH) 2 + CO2

Verteilende geothermische Flüssigkeiten innen Campi Flegrei bringen einige dieser Kalk näher an die Oberfläche, wo es kombiniert mit Kieselsäure-reiche Asche bilden eine undurchdringliche, Zement-ähnliche Caprock. Aber schließlich genügend Druck baut sich im Inneren des Vulkans, die diese Caprock beugt und bricht. Wenn das passiert, spucken die gleichen Zement bilden Zutaten himmelwärts, als Puzzolan Asche.

Geochemiker Tiziana Vanorio verdächtigen die alten Römer sahen zuerst Puzzolan Härten in Zement in das Meerwasser rund um Campi Flegrei. Sie vereinnahmt den natürlichen Prozess in kleine Stücke von Bimsstein mischen – eine poröse Vulkangestein, das schnell kühlt überhitzten Magma bildet. Und einfach so, römischer Beton war geboren. Es wurde eine ikonische Baumaterial der alten Welt, und es ist der Grund viele römische Strukturen, wie das Kolosseum und das Pantheon, bis zum heutigen Tag überlebt haben.

Nach dem Fall des römischen Reiches war die Kunst der Beton alles andere als vergessen. Es allmählich Jahrhunderte später zurückgegeben, aber nicht wieder bis 1824, als Joseph Aspdin entwickelt und patentiert von Portlandzement verbreitet.

Die wichtigste Zutat in Aspdins Zement? Kalzium-Silikate, gebildet durch Erhitzen von Kalkstein und Silica-Rich Tone in einem Ofen auf etwa 1, 100ºF. Genauso wie der Campi Flegrei seit Tausenden von Jahren getan hatte.

Moderne Sorten

Portlandzement ist heute ganz wörtlich der Leim, der die Welt zusammenhält, bilden die Grundlage für Beton, Mörtel, Stuck und Fugenmasse. Die wichtigste Neuerung für Post-römische Reich war die Zugabe von Aluminium und Eisen-Oxide, die Stärke und lassen die Kalzium-Silikate, bei niedrigeren Temperaturen zu bilden.

Hier ist eine Rezept für Portland Klinker (getrocknete, pulverförmige Version von Zement). Proportionen variieren je nach Anwendung, je nach der gewünschten Materialeigenschaften des Zements.

CCN = Zement Chemiker Notation. Über Wikipedia

Aber nicht vergessen! Beton ist nicht nur Zement. Dies ist, wo es ein wenig kompliziert wird. In der Neuzeit haben wir eine Vielzahl von Zusatzstoffen entdeckt, die je nachdem, ob Sie versuchen, eine Autobahn-Überführung, einen Damm, ein Reservoir, ein Start-und Landebahn, ein Boot oder ein Gebäude bauen nützlich sein können. Es gibt Zusätze, die des Betons elektrische Leitfähigkeit, Festigkeit, Duktilität und sauren Korrosionsbeständigkeit zu erhöhen. Es gibt chemischen Flammschutzmittel, die Bremsen des Betons Flüssigkeitszufuhr, Beschleuniger, die es beschleunigen und Weichmacher, die seinen Workability zu erhöhen. Es gibt Korrosionsinhibitoren. Es gibt Pigmente. Es gibt dekorativen Steinen und Muscheln.

Beton ist eigentlich ein ficken durcheinander. Ich erspare Ihnen die enzyklopädische Details und berühren Sie einfach auf ein paar wichtige, interessante und futuristische Sorten, die wissenswert sind.

Stahlbeton

Konkrete Pfähle mit Stahlverstärkung. Bild via Shutterstock

Beton hat eine hohe Druckfestigkeit, was bedeutet, dass es eine Menge Gewicht halten kann, ohne immer zerkleinert. Dies macht es ein ausgezeichnetes Material für Gebäude und Straße Grundlagen. Aber Beton bekommt schlechte Noten für Zugfestigkeit. Wenn es verbiegt, knackt es. Dies ist keine Bueno für Brücken, Balken und stützen. Um die Duktilität des Betons zu verbessern, fügen wir Stabstahl, Glas- oder Kunststofffasern bevor es untergeht. Dies nennt man Stahlbeton.

Die Römer heraus irgendwie diesein zu. Sie verwendet, um Beton zu halten, von Rissbildung beim Härten Pferdehaar hinzufügen.

Tie Stahlbetonbalken zwischen den Hauptstädten der Piers, Brisbane. Bild via Wikimedia

Die Philips-Pavillon, eine Weltausstellung Pavillon für die Expo 58 in Brüssel, wurde durch Stahlbeton ermöglicht. Bild via Wouter Hagens / Wikimedia

Pervious Beton

Pervious Beton Parkplatz in Chicago installiert wird. Bild via Flickr

Die meisten betone Form eine undurchlässige Oberfläche, d. h. Wasser trifft EM und läuft rechts ab. Pervious Beton, auch bekannt als poröse Bürgersteig, bewirkt das Gegenteil – die größeren Partikel erlauben Niederschlag bis hin zu Boden versickern. Dies ist eigentlich eine gute Idee, weil undurchlässige Oberflächen städtische Überschwemmungen verursachen und Regenwasser Verschmutzung beitragen. Pervious Beton wird in Zukunft ein wichtiger Bestandteil der nachhaltigen Infrastruktur-Landschaft geworden.

Nano-Beton

Beim Mischen von Zement, Sand und Wasser bei hohen Energien beginnen Teilchen herumfliegen Super schnell, Kollision mit einander und Scheren auseinander. Schließlich sind Sie mit einer Mischung aus winzigen, nanoskaligen Körner links. Dies nennt man Nanoconcrete. Dank seiner sehr geringen Partikelgröße hat Nanoconcrete eine hohe Fläche zum Volumenverhältnis, ermöglicht es, viel mehr Wasser als regelmäßige Beton aufnehmen. Mehr Wasser bedeutet eine flauschigere, leichtere Material, die verwendet werden kann, um kleine architektonische Details und Dekorationsartikel, wie diese schöne Platte zu werfen:

Dekorative Platte aus Nanoconcrete. Bild via Wikimedia

Nanoconcrete ist nicht heute weit verbreitet, aber es ist aus ökonomischer und ökologischer Sicht interessant. Feuchtigkeitsspendende das Heck aus Beton können Sie Strecken das Material weiter, was letztendlich die pro-Kopf-CO2-Emissionen reduziert (Kalzium-Silikat-Produktion beteiligt Erwärmungsprozess steht für eine satte 7 % unserer globalen CO2-Emissionen). Hey, solange es nicht auseinander bröckeln, Töne Schwellen zu mir.

Mikrobielle Beton

Diatomeen sind eines der schönsten Beispiele der Biomineralisation in Aktion, glasigen Exoskelette um ihre winzigen Körper nieder. Bild via Wikimedia

Dies ist definitiv mein Lieblings -Art von Beton, und möglicherweise eines der coolsten Materialien vorstellen. Bestimmte Bakterien, einschließlich Bacillus Pasteurii, Bacillus Pseudofirmusund Arthrobacter Crystallopoietes aktiv überstürzen sich Kristalle um ihre Zellen in einem Prozeß bekannt als Biomineralisation.

Zusammen mit Zucker und Eiweiß Sekrete bilden diese Mineralien eine starke und klebrigen Leim. Vor ein paar Jahren, habe es einige kluge Wissenschaftler in ihren Köpfen, dass Biomineralizing Mikroben uns stärker, korrosionsbeständiger zu bauen, vielleicht sogar Selbstheilung Beton helfen könnte.

So weit scheinen Forschungsergebnisse vielversprechende. Wenn diese Technologie ausziehen landet, möglicherweise die Infrastruktur der Zukunft buchstäblich lebendig.

Dieser Beitrag wurde ursprünglich am 10. August 2015 veröffentlicht.

Obere Bild über Shutterstock