Tại sao bột xi măng trở nên cứng khi gặp nước?

Xi măng là vật liệu hữu dụng nhất trong ngành xây dựng. Bản thân nó là một dạng bột mềm, nhưng khi hòa nước thì đông cứng lại. Nó có thể kết hợp với cát, sỏi hoặc đá vụn để trở thành vật thể rắn rất kiên cố.

Tại sao bột xi măng trở nên cứng khi gặp nước?

Khi pha nước vào bột xi măng, một phản ứng hóa học cực kỳ phức tạp sẽ xảy ra và kết quả là sự hình thành loại đá nhân tạo không hòa tan trong nước.

Xi măng tác dụng với nước tạo ra các hợp chất như canxi xilicat hydrat, E-tring-git, canxi alumonat xilicat mono-hydrat. Các hợp chất này là chất rắn, có cấu trúc tinh thể. Chúng liên kết với nhau  làm xi măng đông cứng.

Xi măng được Joseph Asputin (người Anh) tạo ra vào năm 1824. Trước đó, con người chưa có khái niệm về xi măng, các công trình thường được xây dựng bằng gỗ hoặc bùn. 

Trong thời kỳ La Mã cổ đại, người ta từng sử dụng tro núi lửa và vôi trộn với nước để làm chất kết dính, giúp các tòa nhà vững chắc hơn. Tuy nhiên ở thời đó, con người không biết tại sao hỗn hợp lại có tác dụng này. Thuật ngữ xi măng (tiếng Anh là cement) xuất phát từ tiếng La Mã với tên gọi “opus caementicium” (tức chất kết dính của người La Mã).

Đến đầu thế kỷ 19, qua nghiên cứu, Joseph Asputin mới phát hiện ra rằng khi vôi, đất sét và xỉ được trộn và nung theo một tỷ lệ nhất định thì sản phẩm nung có thể được làm cứng trực tiếp bằng cách thêm nước sau khi nghiền, tạo ra kết cấu rất chắc chắn. Ông gọi sản phẩm này là “xi măng portland” vì sự tương đồng kỳ lạ của vật liệu với đá portland, một loại đá vôi được sử dụng để xây dựng ở Anh. 

Sau khi Joseph Asputin xin cấp bằng sáng chế, xi măng bắt đầu được sản xuất và sử dụng với số lượng lớn. Đây có thể coi là một trong những sáng chế quan trọng nhất, có đóng góp lớn nhất cho nhân loại.

Xi măng được sản xuất thế nào?

Xi măng thông thường nói chung là xi măng portland, nguyên liệu sản xuất chủ yếu là đá vôi, đất sét và cát mịn. Đá vôi chủ yếu cung cấp canxi cacbonat, còn đất sét và cát mịn cung cấp silic. Để tiết kiệm thời gian và chi phí vận chuyển, nhà máy xi măng thường được xây dựng ngay cạnh các mỏ đá vôi lộ thiên.

Đá vôi được khai thác bằng công nghệ nổ mìn. Những viên đá được khai thác rất lớn nên cần có máy nghiền để nghiền. Nước vôi sau khi nghiền sẽ được trộn với đất sét, cát và các chất khác theo một tỷ lệ nhất định rồi nghiền nhỏ với nhau và nung. Nhiệt độ bên trong lò nung có thể lên tới 1500°C. Quá trình nung là chìa khóa của sự hình thành xi măng. Thông qua quá trình nung, các nguyên liệu thô sẽ trải qua một loạt phản ứng hóa học để tạo thành loại vật liệu kết dính có thể được làm cứng bằng cách thêm nước.

Vào năm 2010, sản lượng xi măng của thế giới là 3,3 tỷ tấn. ba nước sản xuất xi măng nhiều nhất thế giới cũng chính là 3 quốc gia đông dân nhất hành tinh: Trung Quốc, Ấn Độ và Mỹ, chiếm hơn nửa tổng sản lượng xi măng thế giới. Ba nước này cũng đứng đầu thế giới về trữ lượng xi măng, chiếm gần một nửa tổng trữ lượng trên thế giới.