Industriële fabricage
Industrieel internet der dingen | Industriële materialen | Onderhoud en reparatie van apparatuur | Industriële programmering |
home  MfgRobots >> Industriële fabricage >  >> Manufacturing Technology >> Productieproces

Beton

Achtergrond

Beton is een gehard bouwmateriaal dat wordt gemaakt door een chemisch inert mineraal aggregaat (meestal zand, grind of steenslag), een bindmiddel (natuurlijk of synthetisch cement), chemische toevoegingen en water te combineren. Hoewel mensen het woord "cement" gewoonlijk gebruiken als synoniem voor beton, duiden de termen in feite verschillende stoffen aan:cement, dat een grote verscheidenheid aan fijngemalen poeders omvat die uitharden wanneer ze met water worden gemengd, is slechts een van de vele componenten in moderne beton. Naarmate beton droogt, krijgt het een steenachtige consistentie die het ideaal maakt voor de aanleg van wegen, bruggen, watervoorziening en rioleringssystemen, fabrieken, luchthavens, spoorwegen, waterwegen, openbaarvervoersystemen en andere constructies die een aanzienlijk deel van de VS uitmaken rijkdom. Volgens het National Institute of Standards and Technology (NIST) is het bouwen van dergelijke faciliteiten op zich een van de grootste industrieën van het land en vertegenwoordigt het ongeveer 10 procent van het bruto nationaal product. Jaarlijks wordt in de Verenigde Staten voor meer dan $ 4 miljard aan hydraulisch cement, een variëteit die onder water uithardt, geproduceerd voor gebruik in $ 20 miljard aan betonconstructies. De waarde van alle op cement gebaseerde constructies in de Verenigde Staten loopt in de biljoenen dollars - ongeveer in verhouding tot de verwachte kosten voor het repareren van die constructies in de komende twintig jaar.

De woorden cement en beton zijn beide van Latijnse oorsprong, wat de waarschijnlijkheid weerspiegelt dat de oude Romeinen de eersten waren die de stoffen gebruikten. Er zijn nog veel voorbeelden van Romeinse betonconstructies in de landen rond de Middellandse Zee, waar Romeinse bouwers toegang hadden tot tal van natuurlijke cementafzettingen. Natuurlijk cement bestaat voornamelijk uit kalk, afgeleid van kalksteen en vaak gecombineerd met vulkanische as. Het vormde de basis van de meeste civiele techniek tot de achttiende eeuw, toen de eerste synthetische cementen werden ontwikkeld.

Het vroegste door de mens gemaakte cement, hydraulische kalk genaamd, werd ontwikkeld in 1756, toen een Engelse ingenieur genaamd John Smeaton sterk materiaal nodig had om de Eddystone-vuurtoren voor de kust van Devon te herbouwen. Hoewel de Romeinen hydraulisch cement hadden gebruikt, ging de formule verloren door de ineenstorting van hun rijk in de vijfde eeuw na Christus totdat Smeaton het opnieuw uitvond. Tijdens het begin van de negentiende eeuw droegen verschillende andere Engelsen bij aan de verfijning van synthetisch cement, met name Joseph Aspdin en Isaac Charles Johnson. In 1824 nam Aspdin een patent aan op een synthetisch mengsel van kalksteen en klei, dat hij Portlandcement noemde omdat het leek op kalksteen dat werd gewonnen op het Engelse eiland Portland. Het product van Aspdin was echter niet zo sterk als het product dat in 1850 werd geproduceerd door Johnson, wiens formule diende als basis voor het Portlandcement dat vandaag de dag nog steeds veel wordt gebruikt. Beton gemaakt met Portland-cement wordt als superieur beschouwd aan dat gemaakt met natuurlijk cement omdat het sterker, duurzamer en van meer consistente kwaliteit is. Volgens de American Society of Testing of Materials (ASTM) wordt Portlandcement gemaakt door kalkhoudend materiaal (voornamelijk bestaande uit calciumcarbonaat) zoals kalksteen te mengen met materialen die silica, aluminiumoxide en ijzeroxide bevatten. Deze stoffen worden vervolgens verbrand totdat ze samensmelten, en het resulterende mengsel, of klinker, wordt vermalen om Portlandcement te vormen.

Hoewel Portlandcement het natuurlijke cement in Europa snel verving, bleef de betontechnologie in de Verenigde Staten aanzienlijk achter. In Amerika werd voor het eerst natuurlijk cementgesteente ontdekt in het begin van de 19e eeuw, toen het werd gebruikt om het Eriekanaal te bouwen. De aanleg van dergelijke binnenwateren leidde tot de oprichting van een aantal Amerikaanse bedrijven die natuurlijk cement produceren. Vanwege de grotere sterkte van Portlandcement bestelden veel bouwingenieurs het echter liever in Europa, ondanks de extra tijd en kosten die ermee gemoeid waren. Thomas Edison was erg geïnteresseerd in Portlandcement en zelfs gegoten grammofoonkasten van het materiaal. Toen de Amerikaanse industrie in het begin van de jaren 1870 ontdekte hoe Portlandcement kon worden gemaakt, begon de productie van natuurlijk cement in Amerika af te nemen.

Na de verfijning van Portlandcement vond de volgende grote innovatie in de betontechnologie plaats aan het einde van de negentiende eeuw, toen gewapend beton werd uitgevonden. Hoewel beton gemakkelijk compressie weerstaat, verdraagt ​​​​het de spanning niet goed, en deze zwakte betekende dat het niet kon worden gebruikt om constructies te bouwen - zoals bruggen of gebouwen met bogen - die onderhevig zouden zijn aan buigende actie. Franse en Engelse ingenieurs hebben dit gebrek in de jaren 1850 voor het eerst verholpen door stalen staven in te bedden in die delen van een betonconstructie die onderhevig zijn aan trekspanning. Hoewel het beton zelf niet is versterkt, zijn constructies van gewapend beton beter bestand tegen buigen en werd de techniek aan het begin van de twintigste eeuw internationaal gebruikt.

Een andere vorm van gewapend beton, voorgespannen beton, kreeg in 1888 een Amerikaans patent. Het werd echter niet veel gebruikt tot de Tweede Wereldoorlog, toen verschillende grote dokken en bruggen werden gebouwd die het gebruikten. In plaats van een sterk gespannen deel van een betonconstructie met staal te versterken, konden ingenieurs nu een deel van het beton samendrukken voordat ze het aan spanning blootstelden, waardoor het beter bestand is tegen spanning.

Tegenwoordig worden verschillende soorten beton gecategoriseerd op basis van hun installatiemethode. Stortklaar of voorgemengd beton wordt in een centrale fabriek gemengd en gemengd voordat het op een locatie wordt afgeleverd. Omdat dit type beton soms in een roerwerkwagen wordt vervoerd, wordt het ook wel doorvoerbeton genoemd. Krimpbeton wordt gedeeltelijk gemengd in de centrale fabriek en het mengen wordt vervolgens voltooid op weg naar de locatie.

Grondstoffen

Structureel beton bevat normaal gesproken één deel cement tot twee delen fijn mineraal toeslagmateriaal tot vier delen grof mineraal toeslagmateriaal, hoewel deze verhoudingen vaak worden gevarieerd om de sterkte en flexibiliteit te bereiken die in een bepaalde omgeving vereist zijn. Daarnaast bevat beton een breed scala aan chemicaliën die het doordrenken met de eigenschappen die gewenst zijn voor specifieke toepassingen. Portlandcement, het soort dat het meest wordt gebruikt in beton, is gemaakt van een combinatie van een kalkhoudend materiaal (meestal kalksteen) en van silica en aluminiumoxide dat wordt aangetroffen als klei of schalie. In kleinere hoeveelheden kan het ook ijzeroxide en magnesiumoxide bevatten. Aggregaten, die 75 volumeprocent beton uitmaken, verbeteren de vorming en vloei van cementpasta en verbeteren de structurele prestaties van beton. Fijne kwaliteit omvat deeltjes tot. 20 inch (vijf millimeter) groot, terwijl de grove kwaliteit deeltjes bevat van. 20 tot. 79 inch (20 millimeter). Voor massieve constructies kan de deeltjesgrootte van het aggregaat groter zijn dan 1,50 inch (38 millimeter).

Aggregaten kunnen ook worden geclassificeerd op basis van het type gesteente waaruit ze bestaan:onder andere basalt, vuursteen en graniet. Een ander type aggregaat is pozzolana, een siliciumhoudend en aluminiumhoudend materiaal dat vaak is afgeleid van vulkanische as. Chemisch reagerend met kalksteen en vocht, vormt het de calciumsilicaathydraten die de basis vormen van cement. Pozzolana wordt vaak toegevoegd aan Portland-cementpasta om de verdichting te verbeteren. Eén type vulkanisch mineraal, een aluminiumsilicaat, is gecombineerd met kiezelhoudende mineralen om een ​​composiet te vormen dat het gewicht vermindert en de hechting tussen betonnen en stalen oppervlakken verbetert. De toepassingen zijn onder meer prefab betonvormen en asfalt/betonverharding voor snelwegen. Vliegas, een bijproduct van kolengestookte elektriciteitscentrales dat een aluminosilicaat en kleine hoeveelheden kalk bevat, wordt ook getest als een mogelijk pozzolaanmateriaal voor cement. Door vliegas te combineren met kalk (CaO) in een hydrothermisch proces (een proces waarbij heet water onder druk wordt gebruikt) ontstaat ook cement.

Een breed scala aan chemicaliën wordt aan cement toegevoegd om te werken als weekmakers, superplastificeerders, versnellers, dispergeermiddelen en waterreducerende middelen. Deze additieven worden hulpstoffen genoemd en kunnen worden gebruikt om de verwerkbaarheid van een cementmengsel dat nog niet uitgehard is, de sterkte van het cement na het aanbrengen en de waterdichtheid van het materiaal te vergroten. Verder kunnen ze de hoeveelheid water die nodig is om verwerkbaarheid te verkrijgen en de hoeveelheid cement die nodig is om sterk beton te maken, verminderen. Versnellers, die de uithardingstijd verkorten, omvatten calciumchloride of aluminiumsulfaat en andere zure materialen. Weekmakers of superplastificeerders verhogen de vloeibaarheid van het verse cementmengsel met dezelfde water/cementverhouding, waardoor de verwerkbaarheid van het mengsel en het gemak van plaatsing worden verbeterd. Typische weekmakers omvatten polycarbonzuurmaterialen; superplastificeerders zijn gesulfaneerde melamineformaldehyde of gesulfaneerde naftaleenformaldehyde condensaten. Setretarders, een ander type hulpstof, worden gebruikt om het uitharden van beton te vertragen. Deze omvatten oplosbare zinkzouten, oplosbare boraten en op koolhydraten gebaseerde materialen. Gasvormende hulpstoffen, zinkpoeder of aluminium in combinatie met calciumhydroxide of waterstofperoxide, worden gebruikt om cellenbeton te vormen door waterstof- of zuurstofbellen te genereren die in het cementmengsel worden opgesloten.

Cement wordt als een bros materiaal beschouwd; met andere woorden, het breekt gemakkelijk. Zo zijn er veel additieven ontwikkeld om de treksterkte van beton te vergroten. Een manier is om polymere materialen zoals polyvinylalcohol, polyacrylamide of hydroxypropylmethylcellulose met het cement te combineren, waardoor wat soms bekend staat als macro-defectvrij cement wordt geproduceerd. Een andere methode is het toevoegen van vezels van roestvrij staal, glas of koolstof. Deze vezels kunnen kort zijn, in de vorm van een streng, vel, niet-geweven stof of geweven stof. Typisch vertegenwoordigt een dergelijke vezel slechts ongeveer één procent van het volume van vezelversterkt beton.

Het fabricageproces

De vervaardiging van beton is vrij eenvoudig. Eerst wordt het cement (meestal Portlandcement) bereid. Vervolgens worden de andere ingrediënten - toeslagstoffen (zoals zand of grind), hulpstoffen (chemische additieven), eventuele benodigde vezels en water - samen met het cement gemengd om beton te vormen. Het beton wordt vervolgens naar de werklocatie verscheept en geplaatst, verdicht en uitgehard.

Portlandcement voorbereiden

  • 1 De kalksteen, silica en aluminiumoxide waaruit Portlandcement bestaat, worden drooggemalen tot een zeer fijn poeder, gemengd in vooraf bepaalde verhoudingen, voorverwarmd en gecalcineerd (verwarmd tot een hoge temperatuur die onzuiverheden zal verbranden zonder de ingrediënten samen te smelten ). Vervolgens wordt het materiaal verbrand in een grote draaitrommeloven op 2.550 graden Fahrenheit (1.400 graden Celsius). Bij deze temperatuur versmelt het materiaal gedeeltelijk tot een stof die bekend staat als klinker. Een moderne oven kan tot 6.200 ton klinker per dag produceren.
  • 2 De klinker wordt vervolgens afgekoeld en in een buis- of kogelmolen gemalen tot een fijn poeder. Een kogelmolen is een roterende trommel gevuld met stalen kogels van verschillende afmetingen (afhankelijk van de gewenste fijnheid van het cement) die de klinker vermalen en vermalen. Tijdens het maalproces wordt gips toegevoegd. De uiteindelijke samenstelling bestaat uit verschillende verbindingen:tricalciumsilicaat, dicalciumsilicaat, tricalciumaluminaat en tetracalciumaluminoferriet.

Mengen

  • 3 Het cement wordt vervolgens gemengd met de andere ingrediënten:toeslagstoffen (zand, grind of steenslag), hulpstoffen, vezels en water. Aggregaten worden voorgemengd of toegevoegd in de stortklaar betoncentrale onder normale bedrijfsomstandigheden. De mengbewerking maakt gebruik van rotatie of roeren om het oppervlak van het aggregaat te coaten met cementpasta en om de andere ingrediënten uniform te mengen. Er wordt een verscheidenheid aan batch- of continue mixers gebruikt.
  • 4 Vezels kunnen, indien gewenst, op verschillende manieren worden toegevoegd, waaronder direct spuiten, voormengen, impregneren of met de hand leggen. Silicadamp wordt vaak gebruikt als dispergeer- of verdichtingsmiddel.

Transport naar werklocatie

  • 5 Als het betonmengsel klaar is, wordt het naar de bouwplaats getransporteerd. Er zijn veel manieren om beton te vervoeren, waaronder kruiwagens, emmers, transportbanden, De eerste stap bij het maken van beton is het voorbereiden van het cement. Eén type cement, Pordand-cement, wordt als superieur beschouwd aan natuurlijk cement omdat het sterker, duurzamer en van een meer constante kwaliteit is.
    Om het te maken, worden de grondstoffen geplet en vermalen tot een fijn poeder en met elkaar vermengd. Vervolgens ondergaat het materiaal twee verwarmingsstappen:calcineren en verbranden. Bij het calcineren worden de materialen tot een hoge temperatuur verhit, maar smelten niet samen. Bij het branden smelten de materialen echter gedeeltelijk samen en vormen ze een stof die bekend staat als 'klinker'. De klinker wordt vervolgens gemalen in een kogelmolen - een roterende stalen trommel gevuld met stalen kogels die het materiaal verpulveren. Nadat het Portlandcement is bereid, wordt het gemengd met toeslagstoffen zoals zand of grind, hulpstoffen, vezels en water. Vervolgens wordt het naar de werkplek gebracht en geplaatst. Tijdens het plaatsen moet segregatie van de verschillende ingrediënten worden vermeden, zodat volledige verdichting - eliminatie van luchtbellen - kan worden bereikt. speciale vrachtwagens en pompen. Pompen transporteert grote hoeveelheden beton over grote afstanden door pijpleidingen met behulp van een systeem bestaande uit een hopper, een pomp en de leidingen. Pompen zijn er in verschillende soorten:de horizontale zuigerpomp met semi-roterende kleppen en kleine draagbare pompen die knijppompen worden genoemd. Een vacuüm zorgt voor een continue stroom beton, met twee roterende rollen die in een flexibele buis knijpen om het beton in de persleiding te verplaatsen.

Plaatsen en verdichten

  • 6 Eenmaal op de werf moet het beton geplaatst en verdicht worden. Deze twee bewerkingen worden bijna gelijktijdig uitgevoerd. Het plaatsen moet zo gebeuren dat segregatie van de verschillende ingrediënten wordt vermeden en volledige verdichting - waarbij alle luchtbellen worden geëlimineerd - kan worden bereikt. Of er nu glijbanen of buggy's worden gebruikt, de positie is belangrijk om deze doelen te bereiken. De plaatsings- en verdichtingssnelheden moeten gelijk zijn; dit laatste wordt meestal bereikt met behulp van interne of externe vibrators. Een interne vibrator maakt gebruik van een pook die een motoraangedreven as huisvest. Wanneer de pook in het beton wordt gestoken, vindt gecontroleerde trilling plaats om het beton te verdichten. Trilmotoren worden gebruikt voor prefab of dunne in situ secties met een vorm of dikte die niet geschikt is voor trilmotoren. Dit type vibratoren wordt vast geklemd op de bekisting, die rust op een elastische ondersteuning. Zowel de vorm als het beton worden getrild. Triltafels worden ook gebruikt, waarbij een tafel verticale trillingen produceert door gebruik te maken van twee assen die in tegengestelde richting draaien.

Genezen

  • 7 Zodra het is geplaatst en verdicht, moet het beton uitharden voordat het klaar is om ervoor te zorgen dat het niet te snel droogt. De sterkte van beton wordt beïnvloed door het vochtgehalte tijdens het uithardingsproces:naarmate het cement stolt, krimpt het beton. Als de locatiebeperkingen voorkomen dat het beton samentrekt, zullen er trekspanningen ontstaan, waardoor het beton verzwakt. Om dit probleem tot een minimum te beperken, moet beton gedurende de dagen die nodig zijn om uit te harden en uit te harden vochtig worden gehouden.

Kwaliteitscontrole

Betonfabrikanten verwachten van hun grondstofleveranciers dat ze een consistent, uniform product leveren. In de cementfabriek moeten de verhoudingen van de verschillende grondstoffen die in cement gaan worden gecontroleerd om een ​​consistente ovenvoeding te verkrijgen, en monsters van het mengsel worden regelmatig onderzocht met behulp van röntgenfluorescentie-analyse.

De sterkte van beton is waarschijnlijk de belangrijkste eigenschap die getest moet worden om aan de specificaties te voldoen. Om de gewenste sterkte te bereiken, moeten werknemers het fabricageproces zorgvuldig controleren, wat ze normaal doen met behulp van statistische procescontrole. De American Standard of Testing Materials en andere organisaties hebben verschillende methoden ontwikkeld om de sterkte te testen. Kwaliteitscontrolekaarten worden veel gebruikt door de leveranciers van stortklaar beton en door de ingenieur ter plaatse om continu de sterkte van beton te beoordelen. Andere eigenschappen die belangrijk zijn voor de naleving zijn onder meer het cementgehalte, de water/cementverhouding en de verwerkbaarheid, en ook hiervoor zijn standaard testmethoden ontwikkeld.

De Toekomst

Hoewel de Verenigde Staten van de jaren dertig tot de jaren zestig de wereld voorgingen bij het verbeteren van de cementtechnologie, hebben Europa en Japan sindsdien vooruitgang geboekt met nieuwe producten, onderzoek en ontwikkeling. In een poging om het Amerikaanse leiderschap te herstellen, heeft de National Science Foundation een Center for Science and Technology of Advanced Cement-Based Materials opgericht aan de Northwestern University. Het ACBM-centrum zal de wetenschap ontwikkelen die nodig is om nieuwe op cement gebaseerde materialen met verbeterde eigenschappen te creëren. Deze zullen worden gebruikt bij nieuwbouw, maar ook bij restauratie en reparatie van snelwegen, bruggen, energiecentrales en afvalverwerkingssystemen.

Door de verslechtering van de Amerikaanse infrastructuur is de nadruk van de snelwegindustrie verlegd van het bouwen van nieuwe wegen en bruggen naar het onderhouden en vervangen van bestaande structuren. Omdat er betere technieken en materialen nodig zijn om de kosten te verlagen, is het Strategisch Onderzoeksprogramma Snelwegen (SHRP), een vijfjarig onderzoeksprogramma van $ 150 miljoen, werd in 1987 opgericht. De doelgebieden waren asfalt, wegdekprestaties, betonconstructies en snelwegwerkzaamheden.

Het Centrum voor Bouwtechnologie van NIST doet ook onderzoek om de betonprestaties te verbeteren. De projecten omvatten verschillende die nieuwe methoden ontwikkelen voor het in de praktijk testen van beton. Andere projecten betreffen computermodellering van eigenschappen en modellen voor het voorspellen van de levensduur. Daarnaast zijn er verschillende expertsystemen ontwikkeld voor het ontwerpen van betonmengsels en voor het diagnosticeren van oorzaken van betonaantasting.

Een andere trend in de cementindustrie is de concentratie van productie in een kleiner aantal productiesystemen met grotere capaciteit. Dit is bereikt door ofwel meerdere oudere productielijnen te vervangen door één enkele lijn met hoge capaciteit, ofwel door een bestaande lijn te upgraden en te moderniseren voor een hoger productierendement. Automatisering zal een belangrijke rol blijven spelen bij het behalen van deze hogere opbrengsten. Ook het gebruik van afvalbijproducten als grondstof zal blijven bestaan.


Productieproces

  1. Betonnen dam
  2. Betonblok
  3. Wat is bitumineus beton?
  4. Wat is metselcement?
  5. Wat is een betonnen balk?
  6. Wat is een stijve bestrating?
  7. Wat zijn de verschillende soorten cementlijm?
  8. Wat is staafbuigen?
  9. Wat is stalen bekisting?
  10. Wat is gewoon beton?
  11. Wat is poreus beton?