Bagaimana Semen dan Beton Dibuat

Jika Anda menganggap batu bata sebagai batu buatan, semen bisa dianggap lava buatan — batu cair yang dituangkan ke tempat yang mengeras menjadi padat.

Banyak orang berbicara tentang semen ketika itu berarti beton.

• Semen adalah senyawa berbutir halus yang berubah menjadi padatan bila dicampur dengan air. Semen digunakan untuk mengikat campuran bahan menjadi padatan komposit.
• Beton adalah campuran semen, pasir, dan kerikil. Artinya, semen adalah perekat beton.

Sekarang sudah jelas, mari kita bicara tentang semen. Semen dimulai dengan kapur.

Kapur adalah zat yang digunakan sejak zaman kuno untuk membuat hal-hal berguna seperti plester dan mortar. Kapur dibuat dengan membakar, atau mengapur, batu kapur — dan begitulah caranya batu gamping mendapatkan namanya. Secara kimia, jeruk nipis adalah kalsium oksida (CaO) dan dibuat dengan cara dipanggang kalsit (CaCO₃) untuk mengusir karbon dioksida (CO₂). CO itu₂, Sebuah gas rumah kaca, diproduksi dalam jumlah besar oleh industri semen.

Kapur juga disebut kapur atau kaliks (dari bahasa Latin, di mana kita juga mendapatkan kata kalsium). Dalam misteri pembunuhan tua, kapur api ditaburkan pada korban untuk membubarkan tubuh mereka karena sangat pedas.

Dicampur dengan air, jeruk nipis perlahan berubah menjadi mineral portlandit dalam reaksi CaO + H₂O = Ca (OH)₂. Jeruk nipis umumnya dibanting, yaitu dicampur dengan air yang berlebih sehingga tetap mengalir. Jeruk nipis terus mengeras selama beberapa minggu. Dicampur dengan pasir dan bahan-bahan lain, semen kapur dapat dibungkus di antara batu atau bata di dinding (sebagai mortar) atau tersebar di permukaan dinding (sebagai render atau plester). Di sana, selama beberapa minggu ke depan atau lebih lama, ia bereaksi dengan CO₂ di udara untuk membentuk kalsit lagi — batu kapur buatan!

Beton dibuat dengan semen kapur dikenal dari situs arkeologi di Dunia Baru dan Lama, beberapa berusia lebih dari 5000 tahun. Ini bekerja sangat baik dalam kondisi kering. Ini memiliki dua kelemahan:

• Semen kapur membutuhkan waktu lama untuk disembuhkan, dan sementara dunia kuno punya banyak waktu, saat ini adalah uang.
• Semen kapur tidak mengeras dalam air tetapi tetap lunak, artinya, bukan semen hidrolik. Jadi ada situasi di mana itu tidak dapat digunakan.

Piramida Mesir dikatakan berisi a semen hidrolik berdasarkan silika terlarut. Jika formula 4500 tahun itu dapat dikonfirmasi dan dihidupkan kembali, itu akan menjadi hal yang hebat. Namun semen hari ini memiliki silsilah berbeda yang masih cukup kuno.

Sekitar 1000 SM, orang-orang Yunani kuno adalah orang pertama yang mengalami kecelakaan beruntung, mencampur kapur dengan abu vulkanik yang halus. Abu dapat dianggap sebagai batu yang dikalsinasi secara alami, meninggalkan silikon dalam keadaan aktif secara kimia seperti kalsium dalam batu kapur yang dikalsinasi. Ketika campuran abu kapur ini diiris, zat baru terbentuk: kalsium silikat hidrat atau yang oleh ahli kimia semen disebut C-S-H (sekitar SiCa₂HAI₄·xH₂HAI). Pada 2009, para peneliti yang menggunakan pemodelan numerik menghasilkan rumus yang tepat: (CaO)_1.65(SiO₂) (H₂HAI)_1.75.

C-S-H masih merupakan zat misterius sampai hari ini, tetapi kita tahu itu adalah gel amorf tanpa struktur kristalin apa pun. Ini mengeras dengan cepat, bahkan di dalam air. Dan itu lebih tahan lama dari semen kapur.

Orang-orang Yunani kuno menggunakan semen baru ini untuk digunakan dengan cara-cara baru dan berharga, membangun tangki-tangki beton yang bertahan hingga hari ini. Tapi insinyur Romawi menguasai teknologi dan membangun pelabuhan laut, saluran air dan kuil beton juga. Beberapa dari struktur ini sebagus hari ini, dua ribu tahun kemudian. Tetapi formula untuk semen Romawi hilang dengan jatuhnya kekaisaran Romawi. Penelitian modern terus mengungkap rahasia yang berguna dari nenek moyang, seperti yang tidak biasa komposisi beton Romawi di pemecah gelombang yang dibangun pada 37 SM, yang menjanjikan untuk membantu kita menghemat energi, menggunakan lebih sedikit jeruk nipis dan menghasilkan lebih sedikit CO₂.

Sementara semen kapur terus digunakan sepanjang Abad Kegelapan dan Abad Pertengahan, semen hidraulik sejati tidak ditemukan kembali sampai akhir 1700-an. Eksperimen Inggris dan Prancis mempelajari bahwa campuran kapur dan batulempung yang dikalsinasi dapat dibuat menjadi semen hidrolik. Satu versi bahasa Inggris dijuluki "semen Portland" karena kemiripannya dengan batu kapur putih Isle of Portland, dan namanya segera diperluas ke semua semen yang dibuat dengan proses ini.

Tak lama kemudian, pembuat Amerika menemukan batu kapur yang mengandung tanah liat yang menghasilkan semen hidrolik yang sangat baik dengan sedikit atau tanpa pemrosesan. Semen alami murah ini merupakan sebagian besar beton Amerika untuk sebagian besar tahun 1800-an, dan sebagian besar berasal dari semen kota Rosendale di selatan New York. Rosendale praktis nama generik untuk semen alami, meskipun produsen lain berada di Pennsylvania, Indiana, dan Kentucky. Semen Rosendale berada di Jembatan Brooklyn, gedung Capitol AS, sebagian besar bangunan militer abad ke-19, pangkalan Patung Liberty dan banyak tempat lainnya. Dengan meningkatnya kebutuhan untuk mempertahankan struktur bersejarah menggunakan bahan yang sesuai secara historis, Semen alami Rosendale sedang dihidupkan kembali.

Semen portland sejati perlahan-lahan mendapatkan popularitas di Amerika ketika standar meningkat dan laju pembangunan dipercepat. Semen Portland lebih mahal, tetapi bisa dibuat di mana saja bahan-bahannya bisa dirakit alih-alih mengandalkan formasi batu keberuntungan. Ini juga menyembuhkan lebih cepat, suatu keuntungan ketika membangun gedung pencakar langit lantai pada suatu waktu. Semen default hari ini adalah beberapa versi semen portland.

Saat ini batu kapur dan batuan yang mengandung tanah disinter — dipanggang bersama pada suhu yang hampir mencair — pada suhu 1400 ° hingga 1500 ° C. Produk ini adalah campuran kental dari senyawa stabil yang disebut klinker. Clinker mengandung zat besi (Fe) dan aluminium (Al) serta silikon dan kalsium, dalam empat senyawa utama:

• Alite (Ca₃SiO₅)
• Belite (Ca₂SiO₄), dikenal ahli geologi sebagai larnite
• Aluminasi (Ca₃Al₂HAI₆)
• Ferit (Ca₂AlFeO₅)

Klinker digiling menjadi bubuk dan dicampur dengan sedikit gips, yang memperlambat proses pengerasan. Itu adalah semen Portland.

Semen dicampur dengan air, pasir, dan kerikil untuk membuat beton. Semen murni tidak berguna karena menyusut dan retak; itu juga jauh lebih mahal daripada pasir dan kerikil. Sebagai campuran menyembuhkan, empat zat utama diproduksi:

• C-S-H
• Portlandite
• Ettringite (Ca₆Al₂(BEGITU₄)₃(OH)₁₂· 26 jam₂HAI; termasuk beberapa Fe)
• Monosulfate ([Ca₂(Al, Fe) (OH)₆] · (BEGITU₄, OH, dll) ·xH₂HAI)

Detail dari semua ini adalah spesialisasi yang rumit, menjadikan teknologi yang konkret secanggih apa pun di komputer Anda. Namun campuran beton dasar praktis bodoh-bukti, cukup sederhana untuk Anda dan saya gunakan.