Concrete is a composite material composed of fine and coarse aggregate bonded together with a fluid cement (cement paste) that hardens (cures) over time. Concrete is the second-most-used substance in the world after water,[1] and is the most widely used building material.[2] Its usage worldwide, ton for ton, is twice that of steel, wood, plastics, and aluminum combined.[citation needed] Globally, the ready-mix concrete industry, the largest segment of the concrete market, is projected to exceed $600 billion in revenue by 2025.[3] This widespread use results in a number of environmental impacts. Most notably, the production process for cement produces large volumes of greenhouse gas emissions, leading to net 8% of global emissions.[4][5] Other environmental concerns include widespread illegal sand mining, impacts on the surrounding environment such as increased surface runoff or urban heat island effect, and potential public health implications from toxic ingredients. Significant research and development is being done to try to reduce the emissions or make concrete a source of carbon sequestration, and increase recycled and secondary raw materials content into the mix to achieve a circular economy. Concrete is expected to be a key material for structures resilient to climate disasters,[6] as well as a solution to mitigate the pollution of other industries, capturing wastes such as coal fly ash or bauxite tailings and residue.
When aggregate is mixed with dry Portland cement and water, the mixture forms a fluid slurry that is easily poured and molded into shape. The cement reacts with the water through a process called concrete hydration that hardens over several hours to form a hard matrix that binds the materials together into a durable stone-like material that has many uses.[7] This time allows concrete to not only be cast in forms, but also to have a variety of tooled processes preformed. The hydration process is exothermic, which means ambient temperature plays a significant role in how long it takes concrete to set. Often, additives (such as pozzolans or superplasticizers) are included in the mixture to improve the physical properties of the wet mix, delay or accelerate the curing time, or otherwise change the finished material. Most concrete is poured with reinforcing materials (such as rebar) embedded to provide tensile strength, yielding reinforced concrete.
In the past, lime based cement binders, such as lime putty, were often used but sometimes with other hydraulic cements, (water resistant) such as a calcium aluminate cement or with Portland cement to form Portland cement concrete (named for its visual resemblance to Portland stone).[8][9] Many other non-cementitious types of concrete exist with other methods of binding aggregate together, including asphalt concrete with a bitumen binder, which is frequently used for road surfaces, and polymer concretes that use polymers as a binder. Concrete is distinct from mortar. Whereas concrete is itself a building material, mortar is a bonding agent that typically holds bricks, tiles and other masonry units together.[10]
Mayan concrete at the ruins of Uxmal (850-925 A.D.) is referenced in Incidents of Travel in the Yucatán by John L. Stephens. “The roof is flat and had been covered with cement”. “The floors were cement, in some places hard, but, by long exposure, broken, and now crumbling under the feet.” “But throughout the wall was solid, and consisting of large stones imbedded in mortar, almost as hard as rock.”
Small-scale production of concrete-like materials was pioneered by the Nabatean traders who occupied and controlled a series of oases and developed a small empire in the regions of southern Syria and northern Jordan from the 4th century BC. They discovered the advantages of hydraulic lime, with some self-cementing properties, by 700 BC. They built kilns to supply mortar for the construction of rubble masonry houses, concrete floors, and underground waterproof cisterns. They kept the cisterns secret as these enabled the Nabataeans to thrive in the desert.[12] Some of these structures survive to this day.
Zement (über älteres Cement und cementum wohl gebildet aus lateinisch caementum „Bruchstein“, „Stein“, „Baustein“, von caedere „brechen“[1]) ist ein anorganischer und nichtmetallischer Baustoff. Er ist feingemahlen und zählt daher zu den Schüttgütern. Aufgrund seiner Eigenschaften wird er in Zementwerken als Baustoff hergestellt und zum Anfertigen von Bauteilen und Bauwerken verwendet. Innerhalb der Baustoffe zählt Zement zu den Bindemitteln. Er erhärtet durch die chemische Reaktion mit Wasser (Hydratation) und bleibt danach fest. Zur Herstellung von Baustoffen wie Mörtel und Beton werden dem Zementpulver sogenanntes Zugabewasser (früher „Anmachwasser“) und andere Stoffe als Zuschlagstoffe beigemengt. Aufgrund der weltweiten Verfügbarkeit der Rohstoffe sowie der Festigkeit und Dauerhaftigkeit von Beton, ist Zement weltweit eines der wichtigsten Bindemittel. Mit einer Weltproduktion von 4,1 Milliarden Tonnen im Jahr 2017[2] ist Zement der meistverwendete Werkstoff.
Zement wird in Zementwerken produziert. Zu seiner Herstellung werden die natürlichen Rohstoffe Kalkstein und Ton verwendet, die häufig als natürliches Gemisch vorliegen und dann als Mergel bezeichnet werden. Falls nötig, werden als Korrekturmaterialien auch Quarzsand und eisenoxidhaltige Stoffe für eine bessere Sinterung beigemischt. Die Rohstoffe werden zu Rohmehl gemahlen und anschließend auf etwa 1.450 °C erhitzt, bis sie an den Korngrenzen teilweise miteinander verschmelzen (Sintern) und der sogenannte Zementklinker entsteht. Das Material, mit nun kugelförmiger Struktur, wird abgekühlt und zum Endprodukt Zement gemahlen. Um Zementsorten mit bestimmten Eigenschaften zu erhalten, können vor dem Mahlen Hüttensand, Flugasche, Kalkstein und Gips in unterschiedlicher Dosierung und Mahlfeinheit zugegeben werden.
Als problematisch gilt mittlerweile der Einfluss der Zementproduktion auf die Umwelt. Die Zementindustrie gehört zu den Hauptverursachern von Treibhausgasen, die die globale Erwärmung bewirken. Anhand der weltweiten jährlichen Produktion ergibt sich durch das Freisetzen des im Kalk gebundenen Kohlenstoffdioxids ein Ausstoß von mindestens drei Milliarden Tonnen CO2, oder etwa 6 bis 8 % des jährlichen CO2-Ausstoßes, was dem Drei- bis Vierfachen der Größenordnung des gesamten Luftverkehrs entspricht.
Das deutsche Wort Zement geht auf die lateinische Bezeichnung opus caementicium zurück. Beim opus caementicium, das den Römern bereits vor über 2000 Jahren bekannt war, handelte es sich allerdings nicht um Zement in der heutigen Bedeutung, sondern um ein betonartiges Mauerwerk. Es kann als Vorläufer des heutigen Betons angesehen werden und bestand aus gebranntem Kalkstein als Bindemittel sowie Steinen, Sand und Puzzolanen als Zuschlag. Da das opus caementitium widerstandsfähig gegen Wasser war, wurde es zum Bau von Wasserleitungen und Hafenmolen verwendet, aber auch für Fundamente und für Bauwerke wie das Kolosseum und das Pantheon.
Später wurden mit cementum, cimentum, cäment und cement Zuschlagstoffe wie vulkanische Asche, Puzzolane und Ziegelmehl bezeichnet, die man dem gebrannten Kalk zusetzte, um ein hydraulisches Bindemittel (Hydraulkalk, Wasserkalk) zu erhalten. Die Bedeutung des Tongehalts für die hydraulischen Eigenschaften des Zements (Romanzement) wurde von dem Engländer John Smeaton (1724–1792) entdeckt. Seit damals steht Zement nicht mehr für den Zuschlagstoff, sondern das Bindemittel.
Der Franzose Louis-Joseph Vicat (1786–1861) legte mit der Wiederentdeckung des „römischen Zements“ und der Erfindung des künstlichen hydraulischen Kalks die Grundlagen für die Entwicklung von Zement und Kalkmörtel.
Als eigentlicher Erfinder des Portlandzements gilt der Engländer Joseph Aspdin (1778–1855). 1824 erhielt er das Patent An Improvement in the Mode of Producing an Artificial Stone; in der Patentschrift benutzte er den Ausdruck „Portland cement“. Die Bezeichnung lehnte sich an den Portland-Stein an, einen Kalkstein, der auf der Halbinsel Portland an der englischen Kanalküste als Werkstein abgebaut wurde und den aus Portlandzement gefertigten Kunstprodukten farblich ähnlich war.
Dieser „Portland cement“ war noch kein Zement im heutigen Sinne, sondern künstlicher Romanzement: Die Bedeutung des Sinterns hat anscheinend als erster Isaac Charles Johnson (1811–1911) im Jahr 1844 erkannt und mit seinem verbesserten Verfahren den „echten“, überbrannten Portlandzement in das Baugewerbe eingeführt, wo er aufgrund seiner überlegenen Härte den Romanzement schnell verdrängte.[3]
1838 wurde von dem Ulmer Apotheker Gustav Ernst Leube und seinen Brüdern in Ulm das erste deutsche Zementwerk gegründet. Der erste deutsche Portlandzement nach englischem Vorbild wurde in Uetersen produziert. Die Grundlage für die Herstellung des Portlandzements in Deutschland legte Hermann Bleibtreu (1821–1881), der auch zwei Zementwerke in Züllchow bei Stettin (1855) und in Oberkassel bei Bonn errichtete. Entscheidenden Einfluss auf die weitere Entwicklung hatte Wilhelm Michaëlis (1840–1911). In seinem 1868 erschienenen Buch mit dem Titel Die hydraulischen Mörtel machte er als Erster genaue Angaben über die günstigste Zusammensetzung des Rohstoffgemischs. Zu den ältesten bestehenden Bauwerken, die in Portland-Zement ausgeführt wurden, zählt die ab 1871 durch die Berliner Cement AG errichtete Alte Schmiede in der Spittastraße 40 in Berlin-Lichtenberg.[4]
1877 schlossen sich sämtliche 23 bestehenden deutschen Portlandzementfabrikanten zum Verein Deutscher Portland-Cement-Fabrikanten zusammen, um „alle für die Zementindustrie wichtigen technischen und wissenschaftlichen Fragen in gemeinschaftlicher Arbeit zu klären“.[5] Zusammen mit der 1876 vom Deutschen Verein für Fabrikation von Ziegeln, Tonwaren, Kalk- und Zement in Angriff genommenen Ausarbeitung eines einheitlichen Prüfverfahrens und der Aufstellung von Vorschriften für die an die Qualität des Zements zu stellenden Anforderungen und in Verbindung mit den Architektenvereinen, dem Berliner Baumarkt und der Ziegelindustrie wurden 1878 die ersten preußischen Normen zur Prüfung von Portlandzement herausgegeben, die sogleich für alle staatlichen Bauten vorgeschrieben wurden.
Le ciment est un liant hydraulique (qui durcit sous l’action de l’eau), utilisé dans la préparation du béton, et aujourd’hui le plus souvent employé dans la confection des dallages, des parpaings, des enduits et des mortiers. Les ciments sont actuellement classés sous la dénomination « CEM » suivi d’un chiffre romain allant de I à V suivi d’une lettre majuscule en fonction de leur teneur en clinker et d’autres composants (chaux, fumées de silice, pouzzolane, laitier de hauts fourneaux, etc.). Le terme « ciment Portland » est tombé en désuétude depuis la fin des années 1970, remplacé par les termes « CPA » (ciment Portland pur) et « CPJ » (ciment Portland composé), abandonnés à leur tour lors du passage à la norme européenne, mais qu’on trouve encore dans plusieurs pays. Le mortier de chaux existe depuis l’Antiquité mais le ciment et ses nombreuses applications est une invention du xixe siècle[réf. nécessaire].
Il est le résultat, à l’origine, de la réaction endothermique entre du calcaire et de l’argile qui, mélangés à de l’eau, font prise et permettent d’agglomérer entre eux des sables et des granulats. Depuis, de nombreux autres éléments sont incorporés en fonction de l’utilisation du ciment, permettant ainsi de constituer de véritables roches artificielles, les bétons et les mortiers.
En 2008, plus de deux milliards de tonnes de ciment étaient produites par an dans le monde, à 80 % produits et consommés dans les pays émergents, avec une croissance de plus de 5 % par an de 1991 à 20081.
En 2006, pour la seule Europe, ce sont 267 millions de tonnes, soit 13 % de la production mondiale2. Cette production est très énergivore, et la production du clinker, son principal constituantNote 1, est responsable d’approximativement 5 % des émissions de gaz à effet de serre (GES) anthropiques3,4, contribuant au réchauffement climatique5.
Du temps de la Rome antique, les caementa6 (du latin caementum, signifiant moellon, pierre de construction) désignaient les pierres ajoutées in situ à la chaux pour constituer l’opus caementicium. Vers le ier siècle apr. J.-C., la Rome antique améliore la technique de la chaux par l’incorporation de sable volcanique de Pouzzoles — pulvere Puteolano, la pouzzolane — ou de tuileaux broyés (testam tunsam, le mélange est appelé alors « opus signinum » dans la terminologie archéologique moderne). Comme le dit Vitruve dans son De architectura (Livre II, chap. 6), le mortier peut résister à l’eau et même faire prise en milieu très humide. Cette vertu est due à la présence d’une grande quantité de silicate d’alumine. En ajoutant à la chaux aérienne de la pouzzolane ou des tuileaux, on la transforme artificiellement en chaux hydraulique. Ce n’est qu’en 1818 que Louis Vicat expliquera les principes de cette réaction, dans sa théorie de l’hydraulicité7 ouvrant la voie à la découverte du ciment Portland.
Il y a eu par la suite confusion, puis transfert de vocable, le ciment devenant le mortier, puis le liant seul. « Comme il convient de respecter la terminologie maintenant strictement définie par la technique, il faut réserver ce mot à la désignation des ciments qui sont des mélanges artificiels de chaux avec de l’argile et des sels métalliques […] : de tels mélanges étaient évidemment inconnus des Romains »6.
Un glossaire du début xixe siècle appelle « ciment », les tuiles, briques ou carreaux cassés et réduits en poudre8. Le mortier mêle de la chaux, du sable et du ciment. En 1822, le chimiste allemand Johann Friedrich John, appelle « ciment » les parties étrangères qui donnent à la chaux la propriété de durcir dans l’eau, soit son hydraulicité. Il dit qu’il est possible d’améliorer les chaux qui ne contiennent point le ciment en l’y introduisant par voie sèche9.
Au xixe siècle, la comparaison des mortiers des anciens (et surtout ceux qui ont été faits par les Romains) aux mortiers des temps modernes, conduit à supposer que les premiers étaient meilleurs. Plusieurs constructeurs annoncent alors avoir trouvé le secret des mortiers romains mais d’autres remarquent avec raison qu’il n’a subsisté à travers le temps que les constructions faites avec de bonnes chaux dans de bons mortiers9,10. En 1796, James Parker invente le ciment naturel prompt, qui est baptisé improprement « roman cement ». La marque est traduite dans toutes les langues, ce qui donne en français le ciment romain rebaptisé par la suite ciment prompt. Le ciment Portland inventé à cette époque est de même nature.
Il cemento, in edilizia, indica una varietà di materiali da costruzione, in particolare leganti idraulici, che miscelati con acqua sviluppano proprietà adesive (proprietà idrauliche).
La Germania era, nel 2014, il primo produttore in Europa (il secondo era l’Italia).[1] Si stima che nel 2009 si siano prodotte 36 milioni di tonnellate di cemento, pari a circa 601 kg per abitante[2]. La produzione mondiale del 2008 è stata di 2,83 miliardi di tonnellate, ossia circa 450 kg pro capite.[3]
L’utilizzo del legante nelle costruzioni può essere fatta risalire al III millennio a.C., quando in Egitto era utilizzata la malta di gesso per la realizzazione di paramenti murari in conci di pietra. I Romani inizialmente impiegavano come legante prevalentemente la calce aerea. Fino a quando il legante della malta era costituito soltanto dalla calce aerea, l’indurimento del calcestruzzo avveniva con estrema lentezza, poiché il consolidamento di una malta a base di calce è dovuto alla reazione dell’idrossido di calcio con l’anidride carbonica presente nell’aria, con la successiva produzione di carbonato di calcio.
A partire dal I secolo a.C. i romani iniziarono a sostituire la sabbia costituente la malta con la pozzolana (pulvis puteolana) o con il cocciopesto. La scoperta della pozzolana segnò una rivoluzione nella realizzazione di opere murarie. Dice Vitruvio nel II libro del De Architectura che la pozzolana di Baia o di Cuma fa gagliarda non solo ogni specie di costruzione ma in particolare quelle che si fanno in mare sott’acqua. Grazie al comportamento pozzolanico della pozzolana e del cocciopesto la malta, costituita da calce aerea + pozzolana, faceva presa e induriva anche in acqua, senza contatto con l’aria, consentendo la produzione di leganti ad alta resistenza e rapido indurimento.
In epoca rinascimentale si rifanno a Vitruvio, ed al costruire romano, architetti del calibro di Leon Battista Alberti e Andrea Palladio. Quest’ultimo nel 1570 descrive nel Trattato di Architettura, Libri 4, Venezia, l’esistenza di una calce, calce nigra, ottenuta per cottura di una pietra calcarea originaria del padovano, contenente impurità argillose, con caratteristiche idrauliche. In questo continuo avvicinamento all’odierno cemento vi fu la scoperta rivoluzionaria della calce idraulica da parte dell’ingegnere britannico John Smeaton nel 1756.
Questi, nella realizzazione del faro di Eddystone utilizzò, al posto della miscela calce – pozzolana, la prima calce idraulica da lui ottenuta dalla cottura di calcare contenente una discreta quantità (circa 11%) di impurità argillose. La scoperta della calce idraulica segna il passaggio dal calcestruzzo romano a quello moderno, giacché gli sperimentatori, con l’ausilio della scienza chimica appena nata con Lavoisier, sono in grado di governare un nuovo processo di sintesi che porterà prima alla calce idraulica artificiale, poi al moderno cemento Portland. Una volta scoperto che le impurità di silice e allumina presenti nell’argilla che accompagnano alcuni calcari sono responsabili della formazione dei silicati ed alluminati di calcio, capaci di indurire sott’acqua, iniziarono le sperimentazioni nella cottura di miscele artificiali di calcare e argilla a temperatura sempre più elevata fino ad arrivare a una rudimentale scorificazione del prodotto finale.
Sementti on betonin tärkein raaka-aine ja yksi maailman käytetyimmistä rakennusaineista. Nimi sementti tulee latinan termistä opus caementicium, jolla antiikin roomalaiset tarkoittivat betonia muistuttavaa ainetta, johon oli sekoitettu poltettua kalkkia. Nykyinen sementti valmistetaan kalkkikivestä, savesta ja kipsistä.[1]
Kalsiumkarbonaattipohjaisen portlandsementin kehitti 1824 Joseph Aspdin Britannian Yorkshiresta. Sementin nimi johtuu siihen käytetystä portlandiitista, jota sen valmistuksessa alkuun käytettiin. Ranskalainen Stanislas Sorel kehitti 1867 magnesiumkloridisementin. Magnesiumpohjaisen sementin vedenkestävyys on kuitenkin huono, joten sen lajin sementit eivät ole kilpailleet portlandsementin kanssa. Vasta viime vuosina kehitettyjen magnesiumsementtien sanotaan kestävyydeltään vetävän vertoja portlandsementille ja sillä esitetään olevan myös Sorelin sementin hyvät puolet.[2]lähde tarkemmin?
Sementtiä tuotettiin vuonna 2014 yli 4 miljardia tonnia, josta Kiinan osuus on yli 60 prosenttia. Sementin tuotantoa on tilastoitu vuodesta 1926 alkaen, jolloin sitä valmistettiin 62 miljoonaa tonnia.[3]
Sementin valmistusprosessi alkaa kalkkikiven louhinnalla. Tämän jälkeen kalkkikivi jauhetaan kuulamyllyssä haluttuun karkeuteen. Jauhatuksen jälkeen jauheeseen sekoitetaan savea ja seos homogenisoidaan koostumuksen tasaamiseksi. Valmis seos kuljetetaan esilämmityksen kautta pitkään klinkkeriuuniin, jossa seos sintraantuu valmiiksi klinkkeriksi. Tässä sintrausprosessissa muodostuvat sementtimineraalit.[1]
Klinkkeri jauhetaan sementiksi kuulamyllyssä. Jauhatuksen yhteydessä klinkkeriin lisätään kipsiä sitoutumisajan säätämiseksi sekä erilaisia seosaineita haluttujen ominaisuuksien aikaansaamiseksi. Seosaineita ovat muun muassa masuunikuona ja kalkkikivi. Sementin kovettumisnopeutta säädetään lähinnä jauhatushienoudella.[4]
Sementin ominaisuuksia on pyritty parantamaan lukuisia erilaisia lisäaineita kokeilemalla. Esimerkiksi tärkkelyksen lisääminen hidastaa sementin kovettumisnopeutta ja parantaa siitä valmistettavan betonin ominaisuuksia.[5][6]
Sementin valmistus tuottaa merkittävästi CO2-päästöjä. Globaalisti sementtiä valmistetaan noin kolme miljardia tonnia vuodessa, mikä tuottaa noin viisi prosenttia ihmisen aiheuttamista CO2-päästöistä. Päästöjen vähentämiseksi tutkitaan tällä hetkellä vaihtoehtoja kalkkikiven korvaamiseksi magnesiumyhdisteillä ja dolomiitilla.[7]lähde tarkemmin?[8]
Suomen ainoa sementin valmistaja on CRH-konserniin kuuluva Finnsementti Oy. Lujabetoni Oy:n, Ruskon Betoni Oy:n ja Forssan Betoni Oy:n yhteisyritys Scandinavian Cement Oy tuo lisäksi sementtiä Saksasta.
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