أسمنت
الإسمنت أو الأسمنت هو المادة الرابطة الناعمة التي تتصلب وتقسي فتملك بذلك خواصاً تماسكية وتلاصقية بوجود الماء مما يجعله قادراً على ربط مكونات الخرسانة بعضها ببعض. وأهم استخدام للأسمنت هو الملاط والخرسانة حيث يربط المواد الاصطناعية أو الطبيعية لتشكل مواد بناء قوية مقاومة للتأثيرات البيئية العادية. يجب عدم الخلط بين الخرسانة والأسمنت، فالأسمنت يشير إلى المسحوق الجاف المستخدم في ربط المواد الكلية للخرسانة. وللأسمنت المستخدم في البناء نوعين هما الأسمنت المائي والأسمنت غير المائي.
تعتبر صناعة الأسمنت من الصناعات الإستراتجية. وهي مع ذلك صناعة بسيطة مقارنة بالصناعات الكبرى، وتعتمد على توفر المواد الخام اللازمة لذلك.
يعود تاريخ الاسمنت إلى العهد الروماني وطور من قبل حضارات أخرى حيث استعملوا الجبس، حيث أضاف يونان إيطاليا رماد البراكين الموجود بمنطقة بوزلس، ثم طوره الرومان وعمموه إلى نهاية العصر الحاضر. الاسمنت هو مزيج من الجير مثل القرميد والآجر المكسرة، مضافة إلى الطين. la pouzzolane(هي أرض بركانية لمنطقة بوزون بناحية نابولي بإيطاليا)، وهذا مستعمل كثيرا كمزيج، الاسمنت لم يعرف كما هو موجود الآن، حتى القرن 19، ثم قام العالم louis Vicat بكشف لغز الرطوبة في الجير في العام 1817 والمتعلقة بالاسمنت التي كانوا يسمونها الجير المميه. والجير المحدود في 1840.
البحوث التي أجريت في نهاية القرن 18 للوصول إلى النتائج الحالية في صناعة الأسمنت الحديث في عام 1840، كانت تتعلق بالجير المقوى (غير مميه) لا يمتزج بالماء، أما الجير المميه فيه كمية من الماء وهو مشبع بالطين، يتصلب ويجف بسرعة ولكن يتحلل إذا لم يشو إلى درجة الذوبان. وفي العام 1796 اكتشف العالم james parker على جزيرة شايبي ببريطانيا العظمى، الأسمنت السهل (وهو عبارة عن جير مميه أو أسمنت طبيعي ينصهر بسرعة عند درجة انضاجه عند 900 °C كسائر الجير الطبيعي العادي). وأعطاه اسم الأسمنت الروماني، حيث أخذ شهرة ما بين 1820- 1920 تقريبا. وفي العام 1824العالم البريطاني joseph aspalin أودع براءة لصناعة الجير المميه وأطلق عليه الأسمنت البرتلاندي نسبة إلى أعالي شبه جزيرة بورتلاند الموجودة على ضفاف بحر المانش الذي يفصل بين فرنسا وبريطانيا. إن أول مصنع للاسمنت اخترع بواسطة dupont et demarlé في سنة 1846 في منطقة boulogne-sur-mer، ولقد تطورت بعد ظهور مواد جديدة (فرن حركي الدوران حول نفسه) مكسر لكريات الكلنكر، تطورت وسائل صناعة الأسمنت دون توقف، وفي عام 1870 كان إنتاج الطن الواحد من الكلنكر (المكون الرئيسي للاسمنت) يستغرق 40 ساعة، أما الآن فيستغرق 3 دقائق فقط.
الخليط الأساسي لصناعة الأسمنت يتكون من:
والجير الطيني يملكان مواصفات تقارب 80٪ من الجير، و20٪ من الطين، ومواد علاجية:
أكاسيد الحديد (fe2o3)، والبوكسيت (Al2O3)، الرمل(SiO2) وهذه المواد تضاف للوصول إلى التركيبة المرغوبة.
يحتوي الاسمنت على مادتين أساسيتين هما الكلس والطين هذا الأخير نضيف إليه مواد أساسية هي السليس ،والألمين وأكسيد الحديد.
مادتي الكلس والطين تسحقان في آلات السحق وتمزجان مع بعضهما البعض بنسب يحددها المخبر ويطحنان في آلات الطحن ثم نمررهما عبر الفرن الذي تبلغ درجة حرارته حوالي 1430°م. فنحصل حينئذ على مادة الكلنكر.نضيف لهذه المادة مواد أخرى.وندخلها في آلة الطحن من بعدها نحصل على مادة الاسمنت التي توضع باكياس ثم تعبأ.
الاسمنت يتكون كمواد خام من مادتين أساسيتين هما الحجرالجيرى lime stone والطفله clay ومادتين اضافيتين يضافا حسب ظرف وطبيعة كل مصنع وهما الsand، iron ore الحديد والرمل ويسمى الحديد والرمل corrective materials أي مواد لتصحيح النسب المراد الوصول إليها فأحيانا تاتى الطفلة والحجر بهما نسبه عاليه من الرمل فلا تحتاج لإضافة رمل
الحجر الجير أساسا عباره عن CaCo3 كالسيوم كربونات ولكن في الطبيعة يوجد به شوائب كثيره مثل الSiO2 وAl2O3 وNa2O3 وFe2O3 وغيرها مثل البوتاسيوم والكلور وغيرها
الطفلة تتكون من 50 % SiO2 ومن 14 – 16 % Al2O3 والباقى عباره عن CaO، وNa2O وFe2O3 وغيرها البوتاسيوم والكلور وغيرها
الرمل يتكون بشكل رئيسى من ال SiO2 في حدود 70 % والباقى عباره عن Al2O3 وNa2O3 وFe2O3 وCaO وغيرها مثل البوتاسيوم والكلور وغيرها
الحديد يتكون بشكل أساسى من Fe2O3
تكلمنا عن تركيب الاسمنت من حيث المواد الخام
سنتكلم عن تركيب الاسمنت بشكل آخر من حيث التركيب الكيميائى ونربطه مع المواد الخام ولماذا اخترنا هذه المواد
يتكون الاسمنت من اربعة اكاسيد هي
الSiO2 وAl2O3 وCaO وFe2O3
المصدر الأساسى لل CaO هو الحجر الجيرى حيث يتحول CaCo3 إلى CaO في درجات الحرارة ��لعالية كما سيتبين فيما بعد
المصدر الأساسى لل Al2O3 هو الطفلة
المصدر الأساسى لل SiO2 هو الرمل
المصدر الأساسى لل Fe2O3 هو الحديد
ولكن اود ان الفت انتباهك إلى بعض النقاط
• مع ان SiO2 50 % من الطفلة الا اننا لم نضيف الطفلة لنحصل منها على ال SiO2 ولكننا اضفنا الطفلة لنحصل على ال Al2O3
• ولكن لامانع من اننا فعليا نستفيد من وجود ال SiO2 في الطفلة وكذلك بقية العناصر
• يتم إضافة هذه المواد الخام بنسب معينه وتدخل طاحونه ض��مه لتطحن حتى تصل إلى درجة نعومه عاليه وتسمى هذه الطاحونه بطاحونة الخام raw mill ولايحدث بالطاحونه أي تفاعلات كيميائيه ولكن فقط طحن المواد الخام وفائدة هذا الطحن زيادة مساحة سطح الحبيبات تجهيزا لدخولها التفاعلات الكيميائية حتى تتعرض كل الجزيئات للتفاعلات
• تكون النسب في المواد الخام تقريبا في حدود
75 % من الحجر و20 % من الطفلة و3% من الرمل و2% من الحديد وتختلف هذه النسب تبعا للنتائج والتحاليل ويراعى في هذه النسب ثلاثة معاملات هي
L S F معامل تشبع الجير وS.Mوهو معامل السيليكا ومعامل الألومينا A.M ولكل من هذة المعاملات مدلولاته وأهميتة من الناحية التشغيلية علاوة على جودة المنتج
1- تسخين المادة الخام وتمهيدها لدخول الفرن
2- تحويل ال CaCo3 إلى CaO
لاننا قد ذكرنا ان الحجر يتكون من CaCo3 ونحن نحتاج في الصناعة ل CaO ويتم ذلك التحويل وفقا للمعادله التالية
CaCo3 CaO + Co2
وذلك عند درجة حراره 850 درجه مئويه
وبذلك تكون الاكاسيد الاربعه جاهزه للتفاعل في الفرن
• تدخل المادة الخام الفرن وهو عباره عن اسطوانه ضخمه مائله بزاويه بسيطه افقيا تدور حول نفسها وفي طرفها شعله ضخمه
• وبداخل الفرن تتحد الاكاسيد الاربعه مكونا مايسمى اطوار الكلينكر وهى
• C3S, C2S, C3A، C4AF وهذه المواد الاربعه يكونوا مايسمى ب الكلينكر clinker وهو المواد الأولية في صناعة الاسمنت ويمكن ان يصدر الكلينكر أو يدخل في المرحلة التالية ليتكون الاسمنت
• جدير بالذكر ان المركبات الاربع السابقة عباره عن اختصار لما يلى
• الC اختصار ل CaO
• ال A اختصار ل Al2O3
• ال S اختصار ل SiO2
• ال F اختصار ل Fe2O3
• أي ان ال C3S عباره عن ثلاث جزيء من ال CaO متحده مع جزيء من ال SiO2 وهكذا وتصل درجات الحرارة إلى 1450 درجه عند نهاية الفرن منطقة الحريق عند الشعله
• بعد الفرن تدخل المادة المنتجة وتسمى الكلنكر إلى المبرد cooler للتبريد المفاجئ وفائدته تبريد الكلينكر ومنع التفاعل العكسى وتفكك اطوار الكلينكر الاربعه إلى الاكاسيد المكونة لها
• بعد المبرد يخرج الكلينكر وهو المنتج الأولى في صناعه الاسمنت
• يضاف بعد ذلك الجبس الخام وتركيبة كبريتات الكالسيومCaSO4.2H2Oإلى الكلينكر ويدخلا معا طاحونه تسمى طاحونة اسمنت cement mill ويكون المنتج النهائى هو الاسمنت
• يضاف الجبس في حدود 5% وفائدته تنظيم زمن الشك للاسمنت
• في اطوار الكلينكر ال C3A يشك لحظيا عند إضافة ماء ولكننا نضيف الجبس لتأخير زمن شكها
• يتكون الجبس من CaSO4.2H2O وتتحد هذه المادة مع ال C3A مكونة مادة تسمى الاترنجيت تحيط بال C3A وتاخر من زمن وصول الماء إلى ال C3A وبالتالى تاخر من زمن الشك
هناك ثلاث طرق لإيجاد المركب الكيميائي الأمثل للأسمنت.
يتم اختيار المواد الخام وتمزج بالماء لتعطي ناتج معلق، ويتشكل الكلنكر عند (1480)°م تعتمد هذه العملية على:
تكسر المواد الخام من الحجر الجيري والسيليكات، والطين والأتربة السطحية، بواسطة الكسارات، ثم تنحل وتنقل، ليتم تخزينها على هيئة أكوام في مناطق مفتوحة أو مغطات.
تنقل المواد الخام في طواحين المعلقات، حيث تخلط بالمياه ويستمر طحن المعلق حتى يصل إلى درجة النعومة المطلوبة، ينقل المعلق بعد ذلك إلى صوامع التخزين، حيث يصبح متجانساً بعد الضبط النهائي لمكوناته، وتأخذ منه عينات بشكل دوري لضمان مطابقة تركيباته المواصفات، ثم ينقل المعلق إلى أحواض المعلقات، حيث تقوم طواحين بتحويله إلى خليط متجانس.
يسحب المعلق من قاع الأحواض إلى فتحة تغذية الفرن الدوار (الفرن الأسطواني الطويل)، مبطن من الداخل بطوب حراري، ويدور ببطء يميل قليلاً عن المستوى الأفقي. ويسمح هذا الميل بدفع محتويات الفرن أثناء الدوران إلى الأمام. وتتولد عند الطرف الأمامي (الأسفل)، من الفرن غازات احتراق عالية الحرارة تتدفق إلى الجزء الأعلى (الخلفي) من الفرن في التيار المعاكس لحركة محتويات الفرن المندفعة إلى الأسفل، ويتم تبريد الكلنكر بواسطة مبرد هوائي. يكون طول الأفران في الطريقة الرطبة أطول من الطريقة الجافة وذلك حتى يكتمل فيها عملية تجفيف المعجون الممزوج بواسطة سلاسل معدنية ضخمة موجودة داخل الفرن أما هذة العملية ففي الطريقة الجافة يتم الاستعاضة عنها بالسايكلونات التي وجودها يقلص من طول الفرن بحوالي 50%.
ينقل الكلنكر إلى طواحين كور، حيث يضاف إليه الجبس ويطحن، ثم يعبأ في أكياس.
لقد أخذ استخدام العمليات الجافة لصناعة الأسمنت في الانتشار ليحل تدريجياً محل العمليات الرطبة، بسبب
الوفرة في الطاقة التي تتميز بها العمليات الجافة، والدقة في عمليات التحكم وفي خلط المواد الخام، دون إضافة الماء.
عمليات التشغيل الرئيسية في هذه الطريقة هي:
تكسر المواد الخام من الحجر الجيري والسليكات، والطين والأتربة السطحية بواسطة الكسارات، ثم تنحل وتنقل،
ليتم تخزينها على هيأة أكوام في مناطق مفتوحة أو مغطاة.
يتم إدخال المواد الخام في مجفف دوار (في حالة زيادة الرطوبة عن نسبة معينة)، حيث تجفف بواسطة الهواء الساخن أو العادم الناتجة عن تشغيل الفرن، ثم تطحن المواد الخام في طواحين المواد الخام وتنقل إلى صوامع تخزين ما قبل الخلط، حيث تصبح متجانسة من خلال عمليه الرص والسحب، بعد ذلك تنقل المواد الخام المتجانسة من صوامع التخزين أو الأنواع الأخرى من أماكن التخزين ما قبل الخلط إلى أماكن الخلط. تتم عملية الخلط بنسبة 30٪ طين، و70٪ حجر جيري.
تسحب المواد الخام المتجانسة من قاع صوامع التخزين إلى فتحة التغذية برج التسخين الابتدائي ذي المراحل المتعددة، وقد يصل ارتفاع البرج 120م.
يستخدم الغاز الطبيعي أو المازوت كمصدر للطاقة الحرارية، كما يستخدم الهواء الساخن الناتج عن تبريد الكلنكر كمصدر اضافي للحرارة. يميل الفرن قليلاً على المستوى الأفقي بحيث يسمح بحركة بطيئة للمواد الصلبة إلى الأسفل، فتقطع المسافة إلى فتحة التغذية الموجودة بأعلى الفرن إلى الطرف السفلي (جهة الاحتراق) حيث تتولد غازات الاحتراق عالية الحرارة في فترة زمنية تتراوح ما بين (1-3) ساعة، بينما تتحرك غازات الاحتراق إلى الأعلى في التيار المعاكس لحركة المواد الصلبة. فتعمل غازات الاحتراق الساخنة على تسخين المواد الخام، عند فتحة تغذية الفرن وتوفر كربونات الكلسيوم.
ينقل الكلنكر إلى طواحين كور حيث يضاف إليه الجبس ويعبأ في أكياس.
الطريقة شبه الجافة هي حالة خاصة من العمليات الجافة، حيث يستخدم الفرن (ليبول كيلن) أو الفرن المزود بعمود ،وفي الحالتين تشكل المواد الخام المطحونة في العمليات الجافة، على هيئة حبيبات تتراوح قطرها بين (10-15) مم، حيث يضاف إليها 13٪ من المياه.
للإشارة إلى مراحل نستعمل عادة إشارات مختصرة ،ونرمز لها ب
هذه هي: Fe2O3)F، (Al2O3) A، (Sio2) S (chaux) Cao C)
المكونات التي نصادفها في صناعة الاسمنت، نذكرها.
التركيبة الكيميائية للاسمنت (المواد المذكورة سابقا تساعد صلابة الاسمنت وتشده لشهور
النوعية النهائية المقدرة بواسطة قيمات محسوبة انطلاقا من التركيبة.
هناك 27 نوع للأسمنت:
تختلف أصناف الأسمنت سريع التصلب او التصلد عن الأسمنت العادي من عدة نواحي، منها أن نسبة الحجر الجيري إلى السيليكات ونسبة سيليكات ثلاثي الكالسيوم في الأسمنت سريع التصلب تكون أكبر من مثيلاتها في الأسمنت العادي. كما يتصف هذا النوع بدرجة نعومة أكبر من الأسمنت العادي، مما يؤدى إلى سرعة التصلب وتولد سريع للحرارة.
يستخدم الأسمنت سريع التصلب في إنشاء الطرق.
تستهلك طاقة كبيرة ولا تحتاج إلى يد عاملة، وعملية نقله وتسويقه عن طريق البر باهظة الثمن، أما عن طريق المحيطات فهي سهلة. لذلك يفضل أن تكون المصانع قربية من الساحل لكي يسهل نقلها عن طريق البحر مع شرط توفر شرط آخر ألا وهو قرب المحاجر الكلسية من المصنع وذلك الأفضل.
إنتاج الأسمنت وخاصة في المصانع القديمة ينتج كميات كبيرة من ثاني أكسيد الكربون، إذ أن 5% من مجموع الانبعاثات الناجمة عن النشاطات البشرية هو من الأسمنت.
الأمراض الناتجة من جراء صنع الأسمنت والتعامل مع مادة الأمينت، التي هي بمثابة أمراض خطيرة تؤدي إلى الموت ومن بينها:
هو عبارة عن تليف خطي يصيب الشعيبات التنفسية والرئة، ينتج عن استنشاق غبار الأمينت وهذا باختلاف حجمه، إذ أن الجزيئات ذات الحجم المتوسط والكبير أكبر من (10 ميكرو) هي أكثر سبباً في حدوث عملية التليف.هذا المرض ناتج عن استنشاق غبار أكسيد السليسيوم أو السليس الحر(sio)، وهذا الأخير هو الوحيد الذي يسبب مرض تصون الرئة، إذ أن الأعمال التي تعطي أغبرة تحتوي عليه، وهو عبارة عن جزيئة قطرها أقل من (5 ميكرو)، ويبدأ الخطر عندما تفوق عدد الجزيئات 3000-4000 جزيئة في (السنتميتر المكعب) من الهواء.
الوقاية من هذا المرض لا يوجد أي علاج بإمكانه أن يوقف من عملية التليف الرئوي. إلا بإبعاد العامل عن المغبرة.
هذا المرض هو أكثر الأمراض المهنية ويسبب الالتهابات الجلدية والأشخاص المعرضون لهذه الإصابات هم الذين يتعاملون مع الأسمنت والحاملين لها في مصنع الأسمنت.
حيث تلاحظ هذه الالتهابات على مستوى الرقبة والكتفين للأشخاص الذين يقومون بنقل الاسمنت وخاصة في أيام الجو الحار. للأسمنت شدة قاعدية ph>10) (لذلك لها دور حارق والتهابي على مستوى المسالك التنفسية مسبباً التهاب مخاطية الأنف الذي يمكن أن يتطور إلى ثقب في حاجز الأنفي والتهاب التشعيبات الهوائية وان كان هذا التعرض للغبار شديد وطويل المدى يؤدي إلى التهابات الشعيبات الهوائية المزمنة (bronchite).الضجيج يشكل مشكل صحي لعمال المصنع والسكان المجاورين ويستطيع أن يشكل لهم أمراض كارتفاع ضغط الدم.لغبار الأسمنت تأثير كبير على صحة الحيوانات، حيث يكون غذائها مزيج بين العشب والأسمنت، وبالتالي يقضي على الدورة الوراثية.
إن من أخطر سلبيات صناعة الأسمنت هو التأثير السيء على البيئة وتهديد المجال المحيط به من خلال الإفرازات التي تطرحها الوحدات الصناعية من فضلات غازية وسائلة التي لها تأثير سلبي على الغطاء النباتي كتراكم طبقة سميكة من غبار الأسمنت على أوراق الأشجار فيؤدي هذا إلى إنتاج رديء للخضر والفواكه، إضافة إلى خطر تسمم الإنسان عند تناولها، وكذلك الحيوان عند تناول الأعشاب.
ترتيب شركات صناعة الأسمنت عالمياً في نهاية 2005 كما يلي: