Основное различие между бетоном и цементом заключается в том, что бетон представляет собой композитный материал, состоящий из воды, заполнителя и цемента. Цемент — это очень мелкий порошок, изготовленный из известняка и других минералы, которые поглощают воду и действуют как связующее, скрепляющее бетон. Хотя цемент сам по себе является строительным материалом, бетон не может быть изготовлен без цемента. Эти два термина часто неправильно используют как взаимозаменяемые, но бетон и цемент — совершенно разные продукты.
Цемент производится из известняка, кальция, кремний, железо и алюминий, а также другие ингредиенты. Эта смесь нагревается в больших печах примерно до 2700°F (1482°C) с образованием продукта, известного как клинкер, который примерно напоминает мрамор. Их измельчают в порошок и добавляют гипс, создавая серое похожее на муку вещество, известное как цемент. Когда к цементу добавляется вода, она запускает химический процесс, который позволяет ему затвердевать.
Существует множество различных типов цемента, но чаще всего в строительстве используется портландцемент. Джозеф Аспдин из Великобритании разработал строительный материал в 1700-х годах, когда он обнаружил, что добавление глины к известняку и перегрев смеси позволяют полученной смеси затвердевать где угодно. Портландцемент — это тип гидравлического цемента, что означает, что при добавлении воды начинается химическая реакция, не зависящая от количества воды. Это позволяет цементу затвердевать под водой и оставаться прочным даже во влажных условиях. Различные типы гидравлического цемента в основном используются в бетоне и строительных растворах.
Бетон, напротив, представляет собой кладочный материал, в котором используется цемент для соединения щебень, камень и песок, также называемый заполнителем. Цемент составляет от 10% до 15% от общей массы бетона; точные пропорции варьируются в зависимости от типа производимого бетона. Заполнитель и цемент тщательно смешиваются с водой, которая запускает химическую реакцию, в результате которой цемент затвердевает и схватывается. Перед этим бетонную смесь можно залить в форму, чтобы она затвердела в определенной форме, будь то блок или плита.
Время, необходимое для схватывания бетона, частично зависит от того, сколько гипса добавлено в смесь. Это время можно ускорить, добавив хлорид кальция, или замедлить, добавив сахар. Эти соединения действуют, влияя на развитие затвердевающих кристаллов, образующихся в виде застывшего бетона. В бетон, который подвергается воздействию условий замерзания и оттаивания, могут быть добавлены дополнительные химические вещества, чтобы предотвратить растрескивание.
Свойства бетона во многом зависят от соотношения заполнителя, цемента и воды в смеси. Соотношение воды и цемента является наиболее важным, так как слишком мало воды затруднит работу с бетонной смесью, а слишком много ослабит конечный продукт. Это соотношение рассчитывается по следующему уравнению:
В этом расчете r — это отношение, qH2O — количество воды в галлонах США, а Wc — вес цемента в фунтах. Для затвердевания бетона требуется соотношение не менее 0,25, в то время как значения от 0,35 до 0,4 типичны для большинства применений.
Заполнитель также важен, так как он составляет более 60% бетонной смеси, а в некоторых случаях до 80%. Для более крупных камней требуется меньше бетона, а значит, требуется меньше воды, и конечный продукт может быть более прочным. Заполнитель также дешевле цемента, поэтому более высокий процент может снизить стоимость. Вообще говоря, хороший заполнитель представляет собой комбинацию камней разных размеров с определенным средним и максимальным размером; эти камни должны быть чистыми и прочными и не должны содержать глину или другие минералы, способные впитывать воду.
Высокое содержание камней в бетоне делает его чрезвычайно прочным, и его часто используют для настила бассейнов, небоскребов, метро и фонарных столбов, а также для тротуаров, подъездных путей и дорог. Ингредиенты как в бетоне, так и в цементе являются одними из самых распространенных на Земле, и оба они могут быть переработаны. Однако производство цемента требует большого количества энергии из-за необходимых высоких температур, и промышленность подвергается критике за ее вклад в выбросы двуокиси углерода.