سیمان

250 px
سیمان ماده‌ای چسبنده است که قابلیت چسبانیدن ذرات به یکدیگر و بوجود آوردن جسم یکپارچه و محکم از ذرات متشکله را دارا می‌باشد و از ترکیب مصالح آهکی، رس، سیلیس و اکسیدهای معدنی در دمای ۱۴۰۰ تا ۱۵۰۰ درجه سانتی‌گراد ساخته می‌شود. به جسم حاصل، پس از حرارت دادن کلینکر گویند و از آسیاب کردن آن به همراه مقدار مناسبی سنگ گچ سیمان تیپ‌های مختلف بدست می‌آید و همچنین اضافه نمودن پوزولان به کلینکر و گچ سیمان پوزولانی حاصل می‌شود. اندازه دانه‌های کلینکر۲۰–۵ میلی‌متر و رنگ آن سبز تیره می‌باشد.
تاریخچه سیمان
سیمان یا سمنت واژه‌ایست که از لغت سمنتوم رومی گرفته شده و قدمت آن به پیش از میلاد می‌رسد. مصرف آن در ساختمان پانتئون شهر رم واقع در ایتالیا که مربوط به ۲۷ قبل از میلاد است، دیده شده‌است.
در ساختمان گنبد این بنا که ۴۳ متر قطر دارد، مخلوطی از خرده‌سنگ و آهک پخته به کار رفته‌است.
ولی کشف سیمان به شکل امروز مربوط است به یک نفر بنای انگلیسی بنام ژوزف اسپدین که از پختن آهک و خاک رس در حرارت بالا و آسیاب کردن آن موفق شد ابتدایی‌ترین نوع سیمان را کشف نموده و آن را در تاریخ ۲۱ اکتبر ۱۸۲۴ به نام خود در انگلستان ثبت نماید و نام محصول به دست آمده را سیمان پرتلند گذاشت. علت این نامگذاری همان‌طور که گفته شد آن است که سیمان از سمنتوم رومی گرفته شده‌است و پرتلند نام جزیره‌ایست در انگلستان که رنگ سیمان پس از سخت شدن به رنگ سنگ‌های ساحلی این جزیره در می‌آید، به همین دلیل نام پرتلند را به دنبال سیمان برای آن انتخاب نموده‌اند. البته قبل از ژوزف اسپدین، اشخاص دیگری در فرانسه و انگلستان از پختن خاک رس و سنگ آهک مصالح مشابهی به دست آوردند ولی هیچ‌کدام کار خود را دنبال نکرده و محصول خود را به ثبت نرساندند، ژوزف اسپدین نخستین شخصی بود که سیمان را در اوایل قرن نوزدهم در انگلستان به ثبت رسانده و آن را ابتدا برای ساخت فانوس دریایی مورد استفاده قرار داد.
تاریخ علم سیمان
قرون ۱۸ و ۱۹ زمان کشف بسیاری از پدیده‌ها بود و توجه زیادی به پدیده‌های علمی و طبیعی توسط دانشمندان و محققین می‌شد. یکی از پدیده‌هایی که مورد توجه زیادی بود گیرش و سخت شدن ملات‌ها بود. از جمله این مواد، خواص هیدورلیکی ملات‌ها بود که در سال ۱۷۵۶ توسط «جان اسمیتون» انگلیسی کشف گردید.
نامبرده به خواص مهم ترکیبات موجود در خاک رس، گیرش هیدرولیک و خاصیت سخت شدن این ترکیبات پی برد. این اکتشاف در پی تحقیقات او برای ربودن جایزه مسابقه‌ای بود که تحت عنوان بهترین ملات جهت تجدید بنای «فانوس دریایی ادی استون» مطرح شده بود و اسمیتون طی تحقیقات خود متوجه شد که بهترین ملات از پختن نوعی سنگ آهک به دست می‌آید که در آن مخلوط سنگ، مقداری خاک رس نیز وجود داشته باشد. دنبال کردن این کشف توسط آقایان هیگینز و پارکر سرنخ اکتشافات بعدی بود تا اینکه اولین اقدام بشر در زمینه تهیه مخلوط مصنوعی از سنگ آهک و خاک رس برای تهیه سیمان آبی به نام آقای ویکت فرانسوی ثبت شد. اما نهایتا افتخار نهایی نصیب آجرچین انگلیسی به نام جوزف اسپیدین شد. او موفق شد از پختن مخلوطی از سنگ آهک و خاک رس (به نسبت متفاوت و به صورت دوغاب) در درجه حرارت بالا به نوعی آهک آبی فوق‌العاده جالب دست یابد که نام آن را سیمان پرتلند گذاشت و در ۲۱ اکتبر ۱۸۲۴ سیمان ساخته شده خود را به ثبت رسانده و لوح تقدیر از جرج چهارم دریافت کند.
علت این نامگذاری هوشیارانه شباهت خیلی زیاد رنگ آن با نوعی سنگ آهک موجود در جزیره پرتلند انگلیس است. سیمان ساخته شده او واقعا بهتر و عالی‌تر از تمام سیمان‌های قبلی بوده و دارای مقاومت بیشتری بود. به همین علت از آن در ساخت پارلمان جدید انگلستان که از سال ۱۸۴۰ تا ۱۸۵۲ طول کشید، استفاده گردید. بدین ترتیب بشر وارد عصر تولید صنعتی سیمان شد و برای اولین بار در تاریخ صنعتی، نخستین موسسه استاندارد تولید توسط تولیدکنندگان سیمان در کشور آلمان به وجود آمد؛ لذا سیمان اولین محصول صنعتی است که دارای استاندارد تولید شده‌است.
تولید صنعتی سیمان پرتلند از اوایل قرن ۱۹ با کوره‌های دارای ۵تن ظرفیت در هفته که کاملا شبیه به کوره‌های آهک‌پزی بوده شروع و به مرور هماهنگ با افزایش تقاضا برای این کالای معجزه‌گر ابداعاتی در ساختمان کوره‌ها و نحوه تولید صورت گرفت. بالاخره با ابداع کوره‌های دوار، قدم عظیمی در جهت پاسخگویی به بازار مصرف برداشته شد. ثمره ۸۰ سال کار و استفاده از تکنولوژی دوار سیمان منتهی به ساخت کوره‌هایی با ظرفیت ۱۰۰٫۰۰۰ تن کلینکر در روز شده‌است. اکنون هزاران کوره در کلیه نقاط دنیا هر جا که معادن سنگ آهک و خاک‌رس وجود داشته باشد، مشغول به تولید سیمان است.
تاریخ تولید سیمان در ایران
اینکه از چه تاریخی مصرف سیمان در ایران باب شده است چندان مشخص نیست ولی آنچه که مسلم است ورود سیمان به ایران توسط بیگانگان بوده است که از آن برای ساختن بناهایی نظیر کلیساها و سفارتخانه‌ها و تاسیسات بندری استفاده شده است.
با شروع قرن ۱۴ هجری شمسی سرعت گسترش کارهای زیربنایی، همزمان با تحولات صنعتی جهانی آنچنان گسترده است که کیفیت و کمیت محصولات سنتی ساختمانی جواب‌گوی نیازها نبوده است و خصوصا با شروع احداث راه‌آهن سراسری ضرورت استفاده از سیمان جهت ساخت پل‌ها و تونل‌ها و ایستگاه‌ها کاملا محسوس‌تر گشت.
از آنجایی که سیمان کالایی ارزان قیمت و سنگین‌وزن است و مصرف آن وقتی مقرون به صرفه است که محل تولید و مصرف، حتی‌الامکان نزدیک به یکدیگر باشند، لذا پس از مدتی که سیمان وارد می‌شد تصمیم بر این شد که با توجه به وفور مواد اولیه سیمان در ایران، از محل عواید حاصل از قند و شکر اقدام به تاسیس یک کارخانه ۱۰۰تنی (روزانه) سیمان بشود. در سال ۱۳۱۰ این تصمیم شروع به عمل شده و مطالعات اولیه زمین‌شناسی منجر به انتخاب محلی واقع در ۷ کیلومتری جنوب تهران آن زمان و در کنار کوه بی‌بی‌شهربانو گردید. کار احداث این واحد با سرمایه ۸ میلیون ریالی در بهمن‌ماه ۱۳۱۲ به پایان رسیده و بلافاصله بهره‌برداری از آن آغاز گردید. (تقریبا ۵۰ سال پس از ژاپن، ۶۰ سال پس از آمریکا، ۷۰ سال پس از آلمان و ۱۰۰ سال بعد از انگلیس).
با گذشت زمان و فزونی تقاضا برای این محصول، نیاز به کارخانه‌های دیگر معلوم و آشکار شد؛ لذا در تاریخ ۱۳۱۴ کارخانه دیگری با ظرفیت روزانه ۲۰۰ تن خریداری و در سال ۱۳۱۵ در جوار کارخانه قبلی عملیات ساختمانی آن شروع و در سال ۱۳۱۶ بهره‌برداری از واحد دوم آغاز شد. شاید لزومی به گفتن ندارد که رکن اصلی هر بنایی سیمان و خواص معجزه آسای آن می‌باشد و هیچ سازه و بنایی بدون وجود سیمان قابل تصور هم نیست.
اجزای تشکیل دهنده سیمان
مصالح آهکی خارجی (حدود ۶۰٪ الی ۶۷٪)
رس (حدود ۳٪ الی ۷٪)
سیلیس (۱۷٪ الی ۲۷٪)
اکسیدهای معدنی
اکسید آهن (۰/۵٪ الی ۶٪)Fe2O۳
اکسید سدیم (۰/۲٪ الی ۱/۳٪)Na2O
اکسید منیزیم (۰/۱٪ الی ۴/۵٪)MgO
اکسید پتاسیم (۰/۲٪ الی ۱/۳٪)K2O
اکسید آلومینیوم (۳٪ الی ۸٪)Al2O۳
انواع سیمان
سیمان پرتلند تیپ I
سیمان پرتلند تیپ II
سیمان پرتلند تیپ III
سیمان پرتلند تیپ IV
سیمان پرتلند تیپ V
سیمان پوزولان
سیمان آمیخته
سیمان برقی (پرآلومین)
سیمان رنگی
سیمان سفید
سیمان سرباره‌ای ضد سولفات
سیمان پرتلند آهکی
سیمان بنائی
سیمان نسوز
سیمان چاه نفت
سیمان پرتلند ضدآب
سیمان گوگردی
سیمان باگیرش تنظیم شده
روشهای ساخت سیمان
روش‌تر
روش نیمه‌تر
روش نیمه خشک
روش خشک
سیمان برقی
سیمان برقی اگر در مواد اولیه سیمان درصد اکسید آلومینیم زیاد و آهک کم شود سیمان به دست آمده دارای خواصی ممتاز می‌گردد؛ از این رو، از ذوب کردن مخلوط بوکسیت و سنگ آهک در کوره برقی در حرارت۱۵۰۰ تا۱۶۰۰ درجه به دست می‌آید که مدتی آن را به حالت ذوب نگه داشته و به مرور سرد کرده‌اند. این کار جز با نیروی برق امکان‌پذیر نیست. ملات سیمان برقی باد نمی‌کند، زیرا آهک آزاد در آن وجود ندارد؛ بنابراین، در مقابل آب‌های سولفات دار و زمین‌های گچ دار مقاوم بوده برای سازه‌های دریایی نیز بسیار مناسب است. مقدار آب‌های لازم برای هیدراته شدن آن تقریبا دو برابر آبی است که برای سیمان پرتلند لازم است، چون سیمان برقی زود گیر است. این سیمان خیلی سریع مقداری گرما پس می‌دهد و در درجه گرمای ملات آن نزدیک به حد جوش آمدن آب می‌رسد و به همین دلیل سرما در آن چندان تاثیری ندارد.
شیمی ترکیبات سیمان
مواد خام تشکیل دهنده سیمان اساسا از اکسیدهای کلسیم و سیلیسیم و آهن تشکیل شده است. این مواد در کوره با هم ترکیب شده و غیر از مقداری آهک آزاد باقی مانده، که فرصت کافی برای فعل و انفعال نداشته است، ترکیبات شیمیایی جدید و پایداری نتیجه می‌شوند. در هنگام خنک کردن مصالح، براساس سرعت خنک کردن، مواد به صورت بلوری و بی‌شکل ظاهر می‌گردند. دانه‌های بی‌شکل که اکثرا شیشه‌ای هستند و دانه‌های بلوری شده، درحالی که یک فرمول شیمیایی دارند، دارای خواص متفاوتی هستند.
برای سیمان معمولی، درصد ترکیبات حاصل از فعل و انفعالات فوق با داشتن درصد اکسیدهای موجود در کلینکر و با فرض اینکه کریستاله شدن کامل انجام پذیرفته باشد قابل محاسبه‌است.
چهارترکیب اصلی سیمان عبارتند از:تری کلسیم سیلیکات، دی کلسیم سیلیکات،‌تری کلسیم آلومینات، تترا کلسیم آلومینو فریت؛ که به ترتیب با علائم اختصاری به صورت: C ۴ AF C ۳ A C ۲ S C ۳ S نامیده می‌شوند.
معادلات بوگ
محاسبه مربوط به میزان ترکیبات سیمان حاصل از اکسیدهای اصلی تشکیل دهنده آن توسط بوگ انجام شده و به نام معادلات بوگ معروف می‌باشد. این معادلات درصد ترکیبات اصلی سیمان را نمایش می‌دهد.
C ۳ S = ۴٫۰۷۱۰(CaO)-7.6024(SiO ۲ )-۱٫۴۲۹۷(Fe ۲ O ۳ )-۶٫۷۱۸۷(Al ۲ O ۳
C ۲ S = ۸٫۶۰۲۴(SiO ۲ )+۱٫۰۷۸۵(Fe ۲ O ۳ )+۵٫۰۶۸۳(Al ۲ O ۳ )-۳٫۰۷۱۰(CaO
C ۳ A = ۲٫۶۵۰۴(Al ۲ O ۳ )-۱٫۶۹۲۰(Fe ۲ O ۳
C ۴ AF = ۳٫۰۴۳۲(Fe ۲ O ۳
خواص ترکیبات اصلی سیمان
سیلیکات‌ها یعنی C ۲ S و C ۳ S ترکیبات اصلی و مهم سیمان می‌باشند و مقاومت سیمان هیدراته شده به آن‌ها بستگی دارد. اکسیدهای تشکیل دهنده این سیلیکات‌ها تاثیرات مهمی روی شکل اتمی و کریستالی و خواص هیدرولیکی آن‌ها دارند. حضور C ۳ A در سیمان سودمند نیست. این ترکیب نقشی در مقاومت سیمان، به جز کمی در سن اولیه آن، نداشته و بعد از سخت شدن سیمان در صورت حمله سولفاتی با تشکیل سولفوآلومینات کلسیم (اترینگایت) سبب خرابی بتن می‌گردد؛ ولی C ۳ A در فرایند تولید در ترکیب اکسیدکلسیم با اکسیدسیلیسیم سهولت ایجاد کرده و سودمند است. C ۴ AF که به میزان کمی به وجود می‌آید در مقابل سه ترکیب دیگر نقش عمده‌ای در خواص سیمان ندارد. به هرحال این ترکیب با سنگ گج سیمان، سولفوفریت کلسیم تشکیل می‌دهد که این ماده هیدراتاسیون سیلیکات‌ها را تسریع می‌کند.
سلامت سیمان
سلامت سیمان به توانایی خمیر سیمان سخت شده برای حفظ حجم خود پس از گیرش گفته می‌شود. برای روشن شدن موضوع سلامت سیمان بهتر است به تعریف سیمان ناسالم و عواملی که بیانگر ناسالم بودن آن هستند پرداخته شود. عدم سلامت سیمان یعنی انبساط و تغییر حجم غیرعادی آن که در اثر واکنش‌های اکسید کلسیم (آهک) آزاد، اکسید منیزیم و سولفات‌های کلسیم اتفاق می‌افتد.
اگر سیمان در مرحله تولید بیش از اندازه حرارت ببیند و در درجه حرارت بسیار بالا پخته شود سلامت آن به مخاطره می‌افتد. سیمان‌هایی که چنین انبساط‌هایی را نشان می‌دهند سیمان ناسالم هستند.
مسئله عدم انبساط خمیر سیمان از آن جهت حائز اهمیت است که چون بتنی که در قالب ریخته می‌شود معمولا توسط قیود تکیه گاهی محدود و مقید شده و چنانچه انبساط خمیر سیمان رخ دهد باعث ترک، خرابی و حتی منهدم شدن بتن خواهد شد.
ملات خشک
نمک بتن
نمک فریدل
کربوناتسیون
سنگ آهک
سنگ گچ