Saga Sementsins

Tvö elstu gerviefnin hafa breytt sögu mannkynsins. Það gerðist með uppgötvun glersins og sements.  Hvar væri íslenskur arkitektúr staddur ef steinsteypan hefði ekki verið uppgötvuð?  Ennþá í torkofunum?  Ég fjalla hér um sögu sementsins, sem byrjar reyndar með uppfyndingunni á aðferð til að búa til kalk.   Árið 2008 var ég að vinna við rannsóknir á norður strönd eyjarinnar Krítar í Miðjarðarhafi, ásamt grískum fornleifafræðingi.  Ströndin er nokkur hundruð kílómetrar á lengd og fjölbreytt.  Öðru hvoru rakst ég á leifar af fornum byggingum frá Bronzöld við ströndina,  sem voru reistar fyrir um þjú til fjögur þúsund árum fyrir Krists burð.  Þetta voru litlir turnar eða hringlaga ker, sem líktust helst gömlum súrheysturnum á Íslandi.  Litlu turnarnir eru rústir af kalkofnum, þar sem forn-Grikkir brenndu kalkstein til að búa til kalk.   Ofnarnir voru yfirleitt um 4 metrar í þvermál, sívalir og fjórir til fimm metrar á hæð.  Þegar ég var á ferð í Indónesíu í nóvember 2009 rakst ég á nokkra kalkofna sem enn eru virkir, eins og þessi hér fyrir ofan á eynni Sumbawa.    Eins og oft gerist, þá hefur aðferðin til að búa til kalk sennilega verið hrein tilviljun eða slys. Kalksteinn er mjög alengur víða um heim, þótt hann sé ekki til í neinu magni á Íslandi.  Kalksteinn myndast aðallega úr leifum skeldýra  og kórals á hafsbotni, en efnasamsetning hans er að mestu leyti CaCO3. Stundum er töluvert af Mg í stað Ca, en þá nefnist steinninn dólómít.  Ef kalksteinn er malaður niður og  hitaður allt að 1000 stig C verða eftirfarandi efnahvörf CaCO3 + hiti  ----- CaO + CO2

Kalksteinninn hverfur við brennsluna en eftir verður kalkduft (CaO) og koldíoxíð rýkur út í loftið.  Kalkið tekur strax í sig vatnsraka úr andrúmsloftinu og myndar steindina portlandít eða Ca(OH)2.  Þegar kalkduftinu er blandað saman við vatn þá myndast leðja sem harðnar í stein vegna efnhvarfa og virkar sem ágætt steinlím.   Bæði forngrikkir á Krít og Egyptar voru byrjaðir að brenna kalk og nota sement  fyrir um 2500 fyrir Krist, en það voru rómverjar sem gerðu sement og notuðu steinsteypu í stórum stíl um og eftir 300 fyrir Krist.  Ein elsta og merkasta bygging úr steinsteypu er Pantheon musterið í Róm á Ítalíu, en mynd af steinsteyptu hvelfingunni er hér til hliðar.  Það var byggt árið 27 fyrir Krist, og loftið er steinsteypt hvelfing sem er um 43 metrar í þvermál. Þetta er enn í dag stærsta hvelfing á jörðu sem gerð var úr steinsteypu sem ekki er járnbundin. Í miðri hvelfingunni er gat sem er níu metrar í þvermál, og það er ógleymanleg tilfinning að standa inní Pantheon á rigningardegi í Róm, og leita skjóls um leið og regnið streymir niður um mitt gatið, niður á gólfið.  Steypan í hvelfingunni er um 6 metrar á þykkt á jöðrunum en um 1,2 metrar við gatið í miðri hvelfingunni.   Rómverjar uppgötvuðu að þegar eldfjallaösku var blandað út í kalkið og hrært með vatni, þá myndaðist frábær steinsteypa sem var miklu sterkari.   Öskuna fengur þeir í grennd við Vesúvíus og önnur eldfjöll nálægt Napólí, einkum nálægt bænum Puteoli, sem í dag nefnist Pozzuoli (fæðingarstaður leikkonunar  Sofíu Loren).  Af þeim sökum nefnist slík steypa pozzolana, en rómverjar gátu jafnvel beitt henni við byggingu á mannvirkjum neðansjávar, eins og höfnina í Ostia. 

Hvað gerist þegar kalk og sement mynda steinsteypu?  Algengasta sementið í dag er svokallað portland sement.  Það er einnig framleytt  við brennslu á kalksteini í blöndu við steinefni sem inniheldur kísil.  Þegar sementsdufti er blandað við vatn þá myndast steypa, sem harðnar vegna efnahvarfa í einhverskonar kalsíum sílikat hydrat: Ca –Si - OH. En það var ekki fyrr en alveg nýlega að menn uppgötvuðu hvað virkilega er að gerast við hörðnun steinsteypunnar.  Steindin sem myndast þegar sement harðnar er sýnd í myndinni til hliðar, þar sem atóm skipan eða innri bygging efnisins kemur vel fram.  Hér eru vetnisatóm sýnd hvít á lit, súrefni fjólublá,  kalsíum grá, kísilatóm gul og súrefni rauð.  Nú þegar að innri gerð sementsins er orðin þekkt, þá má gera ráð fyrir að í framtíðinni verði miklar framfarir í gerð nýrra og betri sementstegunda.  Framleiðsla sements á jörðinni er um 3 miljarðar tonna á ári og fer nær öll framleiðslan til Kína, eins og myndin fyrir ofan sýnir.  En sementsframleiðslan hefur mikil neikvæð umhverfisáhrif.  Eins og efnajafnan efst í pistlinum sýnir, þá myndast koldíoxíð þegar kalk er brennt, og rýkur  það út í andrúmsloftið.  Sementsiðnaðurinn í heiminum myndar um 5% af allri losun á koldíoxíði, bæði vegna gas myndunarinnar og vegna koldíoxíðs frá eldsneytinu sem er notað við brennsluna.  Við hvert tonn af sementi myndast um 222 kg af kolefni sem rýkur út í loftið. Þannig er sementsframleiðsla  nokkuð stór þáttur í loftslagsbreytingum. 

Kalk er til á Íslandi en er fremur sjaldgæft. Flestir kannast við silfurberg, sem er afbrigði af steindinni kalsít.  Hvítar æðar af kalsíti myndast í sprungum í blágrýtismynduninni  víða um land, vegna forns jarðhita, og geta slíkar æðar veriða allt að 50 sm á breidd.  Það mun hafa verið um 1863 að kalkæðar fundust í Esjunni hjá Mógilsá, og framkvæmdir hófust til að vinna kalksteininn og brenna hann í kalk.  Þetta var tilraun til að koma Reykvíkingum út úr torfbæjunum og í hús sem væru hlaðin úr steini sem var límdur saman með kalki.   Egill Egilsson kaupmaður  í verzluninni Glasgow  stýrði verkinu,  og lét byggja kalkofn í Reykjavík 1876. Hann var reistur nálægt ósnum á Læknum sem rann frá Tjörninni, og við Batteríið. Slóðinn sem lá að kalkofninum varð Kalkofnsvegur.  Sjö menn störfuðu í námunni í Esjunni, hestar fluttu grjótið til sjávar og bátur kom því til Reykjavíkur í kalkofninn.  Myndin til hliðar sýnir gamla kalkofninn,  við fjöruna á bak við hús Siemsens kaupmanns.  Ekki þótti íslenska kalkið samkeppnisfært og kalkvinnslan lagðist niður árið 1879.  Nú er kalkofninn horfinn fyrir löngu, en þessum merkilegu menningarminjum var sennilega rutt á brott þegar hús Seðlabanka Íslands var byggt.  Hin forna staðsetning kalkofnsins var þar sem rauði díllinn er á myndinni fyrir ofan. Hér fyrir neðan er gamalt Reykjavíkurkort frá 1876, þar sem kalkofninn er merktur inn (rauður hringur) fyrir neðan Arnarhól. 

Athugasemdir

[Jón Steinar Ragnarsson, 11.3.2010 kl. 23:28]

TAkk fyrir þessa fróðlegu og skemmtilegu grein. Já og raunar öll þín skrif hér.  Maður þarf ekki að kaupa sér glanstímarit um vísindi og sögu, með svona blogg við hendina.

[Haraldur Sigurðsson, 11.3.2010 kl. 23:56]

Kærar þakkir fyrir að kíkja inn hjá mér.

Haraldur

[Vilhjálmur Eyþórsson, 12.3.2010 kl. 03:01]

Pantheon var raunar fyrst byggt af Agrippa hershöfðingja Ágústusar um 27 f. Kr. en það brann um hundrað árum síðar svo einungis framhliðin stendur eftir. Það var hins vegar Hadríanus keisari sem lét reisa þá byggingu sem nú stendur í kringum 130 e. Kr. Sagt er að hann hafi sjálfur átt hugmyndina að hvelfingunni sem var sú stærta í heimi allt þangað til þinghús Bandaríkjanna í Washington var byggt. Hvelfing Péturskirkjunnar í nágreinninu er minni en Pantheon.

[Haraldur Sigurðsson, 12.3.2010 kl. 11:52]

Takk fyrir þessa leiðréttingu varðandi Pantheon í Róm. Hvelfing þinghússins í BNA er ekki úr steinsteypu hedur steyptu járni.

Kveðja

Haraldur