مقدمة عن الإسمنت
الإسمنت هو أحد أنواع مواد البناء، وهو مسحوق ناعم يتمتع بخصائص لاصقة عالية، يُستخدم كمادة رابطة في البناء. هذه المادة الهامة، التي يتم إنتاج ملايين الأطنان منها سنويًا في البلاد لأغراض متنوعة، تتصلب في الهواء وحتى تحت الماء، مكتسبة قوة أكبر مع مرور الزمن وتتمتع بمتانة غير محدودة.
الإسمنت بمفرده لا يمتلك مقاومة كبيرة للضغط. ومع ذلك، عندما يُمزج مع الرمل والحصى والماء لتكوين الملاط أو الخرسانة، فإنه يكتسب القوة المطلوبة بمرور الوقت. بمعنى آخر، الإسمنت هو مادة لاصقة قادرة على ربط الجزيئات ببعضها البعض، مكونة كتلة موحدة من العناصر المكونة لها.
التعريف العلمي للإسمنت
من الناحية العلمية، الإسمنت هو مزيج من أكسيد الكالسيوم (الجير) مع أكاسيد أخرى مثل أكسيد الألمنيوم، أكسيد السيليكون، وأكسيد الحديد، وله قابلية للارتباط بالماء، حيث يتصلب تدريجيًا عند تعرضه للهواء أو تحت الماء، مكتسبًا القوة. هذا التصلب ليس مثل جفاف الطين عند فقدان الماء، بل هو تفاعل كيميائي ينتج عنه تكوّن مادة جديدة. وبمجرد أن يتصلب الإسمنت، لا يمكن أن يصبح لينًا مرة أخرى عند تعرضه للماء.
معنى وأصل كلمة “الإسمنت”
غالبًا ما تُستخدم كلمة “الإسمنت” بمعنى عام لوصف جميع أنواع المواد الرابطة، ولكن بمعنى أدق، فإنها تُطلق على المواد اللزجة المستخدمة في المباني والهياكل في مجال الهندسة المدنية. يحدث التصلب وتقوية الإسمنت نتيجة الترطيب (الاندماج مع الماء)، وهو تفاعل كيميائي بين الإسمنت والماء يؤدي إلى تكوين بلورات مجهرية أو مادة شبه هلامية. وبفضل قدرته على التصلب حتى تحت الماء، يُطلق على إسمنت البناء غالبًا اسم الإسمنت الهيدروليكي. كلمة “الإسمنت” مشتقة من المصطلح اليوناني caementum، والذي يعني “تكسير الحجر إلى قطع”، كما كان يُستخدم في الملاط الروماني، على الرغم من أنه لا يرتبط مباشرة بالمادة الرابطة نفسها.
تاريخ الإسمنت
الإسمنت في العصور القديمة
عرف الإنسان الإسمنت منذ زمن بعيد، واكتسب بمرور الوقت وعيًا أكبر بدوره وأهميته، وسعى كل يوم لبناء هياكل أكثر متانة مما كانت عليه من قبل. عاش الناس في أواخر العصر الحجري على الصيد وجمع الطعام، وكانوا يتنقلون في مناطق واسعة بحثًا عن الرزق، يعيشون في مأوى مؤقت. كانت الثورة الزراعية، التي يعود تاريخها إلى حوالي 10,000 قبل الميلاد، دافعًا للاستقرار الدائم وبناء المنازل. لم يعد الإنسان يتبع فريسته أو قطعانه من مكان إلى آخر، بل بقي في مكان واحد لرعاية حقوله. في الشرق الأوسط، تم العثور على بقايا قرى كاملة تحتوي على مساكن دائرية تُعرف باسم “تولوي” (Tholoi)، بُنيت جدرانها من الطين المضغوط.
الملاط المبكر والإسمنت الهيدروليكي
كان الملاط المستخدم لربط الأحجار والفخار عبارة عن خليط من الرمل والجير والماء. وبالنسبة لأجزاء الهياكل المغمورة بالماء، كان يُضاف مادة سيليسية تُسمى “بوزولانا”، مما جعل الملاط صلبًا ومقاومًا للماء. في الواقع، يعود أصل الإسمنت الهيدروليكي (المتفاعل مع الماء) إلى اليونان والرومان القدماء. تضمنت المواد المستخدمة الجير ونوعًا من الرماد البركاني الذي يتفاعل ببطء مع الماء، مكونًا كتلة صلبة. شكّلت هذه المادة اللزجة الملاط والخرسانة المستخدمة في روما منذ أكثر من ألفي عام، وكذلك في مشاريع البناء اللاحقة في غرب أوروبا. استخدموا هذا الملاط في بناء الأبراج، والحصون، والطرق، والخزانات، والحمامات، والمعابد، والقصور، والقلاع.
البوزولانا وجذور الإسمنت الحديث
كان الرماد البركاني، المستخرج من منجم بالقرب من مدينة “بوزولا” (إيطاليا الحديثة)، غنيًا بسيليكات الألمنيوم، وأُطلق على الإسمنت الشهير “بوزولانا” من عصر الرومان القدماء هذا الاسم نسبة إلى هذا المصدر. اليوم، تُطلق مصطلحات بوزولانا أو بوزولان إما على الإسمنت نفسه أو على أي مادة ناعمة تحتوي على سيليكات الألمنيوم التي تتفاعل مع الجير في وجود الماء لتكوين الإسمنت. يُعتبر أفضل إسمنت من العصور القديمة من صنع الرومان.
الإسمنت في العصر الحديث
بدأ إنتاج الإسمنت بطرق علمية حديثة في القرن الثامن عشر. في عام 1756، كُلّف جون سميتون بإعادة بناء منارة إديستون الصغيرة في بحر المانش قبالة ساحل كورنوال، إنجلترا. نجح في تجاربه في إنشاء مادة تشبه حجر بورتلاند من خلال مزج الحجر الجيري غير النقي والطين وحرقهما. تم اكتساب المزيد من الخبرة في السنوات اللاحقة من خلال حرق خلائط متنوعة من الحجر الجيري والطين.
اختراع إسمنت بورتلاند
في عام 1824، حقق جوزيف أسبدين مادة أفضل بحرق خليط من الحجر الجيري والطين بنسبة 1:3. في طريقته، كان الحرق في الأفران يصل إلى درجات حرارة عالية لدرجة أن المادة المنصهرة تتحول بعد التبريد إلى جزيئات دقيقة. هذا المسحوق الناعم، عند مزجه بالماء، كان يتصلب بعد ساعات قليلة. كان المنتج يشبه إلى حد كبير الحجر الجيري المستخرج من محجر جزيرة بورتلاند في إنجلترا، ومن هنا أُطلق عليه اسم “إسمنت بورتلاند” — وهو الاسم الذي لا يزال يُطلق على إسمنت بورتلاند الحديث اليوم.
أول هيكل بُني بإسمنت بورتلاند
كان أول مبنى تم تشييده باستخدام هذا النوع من الإسمنت هو مبنى البرلمان البريطاني، الذي تم بناؤه بين عامي 1840 و1852. انتشر إنتاج إسمنت بورتلاند بسرعة عبر الدول الأوروبية وأمريكا الشمالية. واليوم، يظل إسمنت بورتلاند النوع الأكثر إنتاجًا في العالم، مع تطبيقات أوسع.
التطور العلمي والصناعي للإسمنت
لاحقًا، قام الدكتور بوك، رئيس معهد أبحاث معايير الإسمنت الأمريكي المعروف بـ “أبو الإسمنت”، بتفصيل المكونات الأساسية للإسمنت، والتي تم التصديق عليها من قبل الخبراء. منذ ذلك الحين، واصلت الدول المتقدمة البحث والتطوير في أنواع جديدة من الإسمنت، وتحسين جودة المنتجات وتطوير تكنولوجيا إنتاج الإسمنت. اليوم، يُعتبر الإسمنت أكبر منتج صناعي من حيث الوزن في تاريخ البشرية.
تاريخ صناعة الإسمنت في إيران
الإسمنت في إيران القديمة
كان الإيرانيون أيضًا على دراية منذ زمن طويل بخصائص الطين والحجر الجيري كمواد خام أساسية للإسمنت. كانوا يُعدون ملاطًا من مزيج الماء والجير والرماد والطين، ويُعرف في اللهجات المحلية بـ “ساروج” أو “سارو” أو أسماء أخرى. كان يُستخدم هذا الملاط للقوة والعزل المائي في بناء الحمامات والخزانات والبرك والمباني الهامة. في هياكل مثل سد دز على نهر كارون، الذي بُني في عهد شابور الثاني، وسد بند أمير الذي شُيد في عهد عضد الدولة الديلمي، وكذلك في خزانات المياه القديمة، تم استخدام مركبات مشابهة للإسمنت.
بداية الإنتاج الصناعي للإسمنت في إيران
بدأ إنتاج الإسمنت في إيران في عام 1933 مع تشغيل مصنع إسمنت ري بسعة يومية 100 طن. ومع مرور الوقت ومع تقدم البلاد وتطورها، زادت أهمية هذه الصناعة وإنتاج الإسمنت واستهلاكه تدريجيًا.
الوضع الحالي لصناعة الإسمنت في إيران
حاليًا، تمتلك إيران 35 وحدة إنتاج إسمنت بطاقة سنوية تبلغ 32.576 مليون طن، مع وجود 10 مصانع إسمنت أخرى قيد الإنشاء. مع تنفيذ هذه المشاريع، من المتوقع أن ترتفع الطاقة الإنتاجية للإسمنت في البلاد إلى 114,000 طن يوميًا و37.6 مليون طن سنويًا بحلول عام 2002. في عام 1999، أنتجت إيران 1.39% من الإنتاج العالمي للإسمنت، محتلة المرتبة 15 بين الدول المنتجة للإسمنت عالميًا والمرتبة 8 في آسيا. شهدت حصة إيران في الإنتاج العالمي للإسمنت نموًا مطردًا، من 0.04% في عام 1950 إلى 1.42% في عام 1998.
المواد الخام لإسمنت بورتلاند
المكونات الرئيسية للإسمنت
يتكون إسمنت بورتلاند أساسًا من الجير (أكسيد الكالسيوم)، مع السيليكا (أكسيد السيليكون) والألومينا (أكسيد الألمنيوم). يتم الحصول على الجير المطلوب من المواد الخام الجيرية، بينما تأتي الأكاسيد الأخرى من المواد الطينية.
المواد الخام التكميلية
يمكن أيضًا استخدام مواد خام أخرى مثل التربة السيليسية، أكسيد الحديد، والبوكسيت بكميات أقل لتحقيق التركيب المطلوب. مادة خام أخرى هي الجبس، الذي يُضاف بنسبة تصل إلى حوالي 5% أثناء طحن “الكلنكر” المحروق للإسمنت للتحكم في زمن التصلب.
استخراج المواد الخام
المواد الخام المستخدمة في إنتاج الإسمنت، إذا كانت على شكل صخور صلبة مثل الحجر الجيري، الصخور الرسوبية الطبقية، وبعض أنواع الطين، تُستخرج إما من المناجم أو عن طريق التفجير. تُستخرج بعض الرواسب باستخدام طرق تحت الأرض. المواد الأكثر ليونة مثل الجبس والطين يتم فصلها مباشرة بواسطة عمال المناجم من جدار المحجر. تُنقل المواد المستخرجة من المنجم إلى كسارات الحجارة ومطاحن الطحن باستخدام الشاحنات أو عربات القطارات أو الأحزمة الناقلة. يشكل الحجر الجيري والطين المواد الخام الأساسية لإنتاج إسمنت بورتلاند، مع استخدام مواد أخرى كإضافات أو منظمات.
إنتاج الإسمنت
تصنيف صناعة الإسمنت
وفقًا للتصنيف الدولي، تندرج صناعة الإسمنت ضمن مجموعة الصناعات المعدنية غير المعدنية.
طرق إنتاج الإسمنت
بشكل عام، هناك ثلاث طرق لإنتاج الإسمنت:
1- الطريقة الرطبة
2- الطريقة شبه الرطبة
3- الطريقة الجافة
يعتمد نوع الطريقة على تركيز المواد الخام التي تدخل الفرن وكمية الماء المضافة إليها. الطريقة الجافة هي الأكثر أهمية واستخدامًا على نطاق واسع في العالم، وتشكل أيضًا أساس أنظمة الحرق في معظم مصانع الإسمنت في بلادنا.
عملية الإنتاج بالطريقة الجافة
في عملية إنتاج الإسمنت بالطريقة الجافة، يتم طحن المواد الخام الجافة وتغذيتها في الفرن على شكل مسحوق جاف. في العملية شبه الرطبة، يتم طحن المواد الخام أولاً بشكل جاف ثم تشكيلها إلى حبيبات قبل تغذيتها في الفرن. في العملية الرطبة، تُغذى المواد الخام إلى الفرن في حالة رطبة.
مراحل خط إنتاج الإسمنت
يبدأ خط إنتاج الإسمنت من المحجر وينتهي في محطة التعبئة والتغليف. في إنتاج الإسمنت بالطريقة الجافة، تُستخرج أولاً المواد الخام مثل الحجر الجيري، الطين، المارل (الطين الجيري)، الجبس، خام الحديد، وحجر السيليكا من المحاجر. تتطلب استخراج مواد مثل الحجر الجيري وخام الحديد والجبس الحفر والتفجير باستخدام الديناميت أو المتفجرات. لا تتطلب مواد مثل الطين والمارل الحفر أو التفجير، ويتم تخزينها باستخدام الجرافات أو المعدات المماثلة.
المراحل الأربع الرئيسية لإنتاج إسمنت بورتلاند (الطريقة الجافة)
أ- سحق وطحن المواد الخام
ب- خلط المواد بنسب مناسبة
ج- حرق الخليط المُعد في الفرن (نظام الحرق)
د- طحن (تنعيم) المنتج المحروق المعروف بـ “الكلنكر”
أ- سحق وطحن المواد الخام
في البداية، يجب سحق المواد الخام لتصل إلى أحجام أقل من حوالي عشرة مليمترات. تُستخدم كسارات الحجارة أو المطاحن لسحق الحجر الجيري، خام الحديد، حجر السيليكا، والكتل الكبيرة أو شظايا الطين. إذا لزم الأمر، وفي حال كانت نسبة الرطوبة في المواد عالية، يجب تجفيفها.
بعد السحق والتجفيف، في الأنظمة الحديثة، تُمزج المواد الخام الأساسية مع المواد الثانوية بنسب مطلوبة وتُخزن في صوامع مخصصة قبل إرسالها إلى “مطاحن المواد الخام” لتحويلها إلى مسحوق. في طريقة إنتاج الإسمنت الجافة، من الضروري تحويل المواد الخام إلى مسحوق قبل دخولها الفرن. لمنع التكتل وتقليل لزوجة المواد، يجب تجفيف مسحوق المواد الخام وإزالة الرطوبة منه قدر الإمكان قبل إرساله إلى صوامع التخزين.
ب- خلط المواد بنسب مناسبة
يتم تحقيق التركيب الكيميائي الأولي المطلوب لنوع معين من الإسمنت من خلال الاستخراج الانتقائي والتحكم في المواد الخام التي تُغذى إلى الكسارة والمطحنة. يتم الحصول على تحكم أكثر دقة من خلال إعداد دفعات متعددة من المزيج الخام بتركيبات كيميائية مختلفة قليلاً.
في العملية الجافة، تُخزن هذه الخلائط في صوامع، بينما في العملية الرطبة تُستخدم خزانات الطين. لضمان خلط المواد الجافة بشكل كامل في الصومعة، يتم إدخال هواء مضغوط إلى الخزان، مما يتسبب في دوران قوي وخلط المواد. في العملية الرطبة، يتم تحريك خزانات الطين باستخدام أجهزة ميكانيكية أو هواء جاف أو كليهما.
الطين، الذي يحتوي على 35 إلى 45 بالمئة من الماء، يُمرر أحيانًا عبر مصفاة، مما يقلل من محتوى الماء بنسبة 20 إلى 30 بالمئة. ثم يُغذى المادة المُصفاة إلى الفرن، مما يقلل من استهلاك الوقود اللازم للحرق. في قسم مطاحن المواد الخام، يتم إجراء التعديل النهائي لمزيج المواد الخام، المعروف بـ “تغذية الفرن”، وينتج عنه مسحوق ناعم يحتوي على المكونات اللازمة، جاهز للتغذية إلى الفرن.
في مصانع الإسمنت، تُستخدم مطاحن الكرات والمطاحن الأسطوانية بشكل أكبر. بعد تحويل المواد الخام إلى مسحوق بواسطة هذه المطاحن، يُخزن المسحوق الناتج في “صوامع المواد الخام”. العامل الرئيسي في ضمان عمل الفرن بشكل متسق وتحسين جودة الكلنكر وبالتالي الإسمنت هو توحيد تركيب تغذية الفرن، والخلط الجيد والتجانس. لتحقيق التجانس الأمثل للمواد الخام، تُستخدم صوامع تخزين مزودة بأنظمة “هوائية”. تدخل المواد الخام من أعلى صوامع التخزين، وتخضع للتعديلات اللازمة، ثم تُفرغ من الأسفل إلى الفرن.
ج- حرق الخليط المُعد في الفرن (نظام الحرق)
كانت الأفران الأولية التي يُحرق فيها الإسمنت عبارة عن أفران عمودية على شكل زجاجة. تلتها أفران غرفية ثم أفران أسطوانية مستمرة. ومع ذلك، فإن المعدات الرئيسية لحرق الإسمنت اليوم هي الفرن الأسطواني الدوار.
يتكون نظام حرق الإسمنت من ثلاثة أجزاء: “المدفأة المسبقة”، “الفرن”، و”المبرد”. تتمثل مهمة المدفأة المسبقة في إزالة الرطوبة السطحية المتبقية من المواد الخام، وإطلاق الماء البلوري، وتحليل السيليكات بشكل أولي، وكذلك تكليس (تحويل إلى جير) جزء من الكربونات الموجودة في المواد الخام.
يحدث الجزء الرئيسي من عملية الحرق في الفرن. أفران حرق الإسمنت عبارة عن أسطوانات معدنية كبيرة، يتناسب طولها وقطرها مع قدرة المصنع. تُوضع هذه الأسطوانة بميل حوالي 3 إلى 4 بالمئة على عدة قواعد مزودة ببكرات وتتمتع بحركة دورانية. بعد المرور عبر المدفأة المسبقة، تدخل المواد الخام إلى الفرن من أحد طرفيه، وبسبب الميل والحركة الدورانية، تتحرك المواد نحو مخرج الفرن ومنطقة الحرق.
في نهاية الفرن، يتم تركيب موقد يستخدم أنواعًا مختلفة من الوقود لخلق بيئة حرارية بدرجة حرارة تزيد عن 1400 درجة مئوية. لحماية جسم الفرن من هذه الحرارة الشديدة، تُبطن مناطق مختلفة من الفرن بأنواع من الطوب الحراري، والخرسانة، والكتل الحرارية. المنتج الخارج من نظام الحرق، المسمى “الكلنكر”، يظهر على شكل حبيبات رمادية أو بنية اللون، ويستهلك حوالي 800 كيلو كالوري من الطاقة الحرارية لكل كيلوغرام منه.
يمتلك الكلنكر الخارج من الفرن درجة حرارة تتراوح بين 1000 و1200 درجة مئوية. استرداد هذه الكمية من الحرارة وصعوبة التعامل مع الكلنكر الساخن تجعل تبريده ضروريًا. جانب آخر أساسي لتبريد الكلنكر هو استكمال تكوين بلورات الكلنكر وتحسين جودته. يتم تنفيذ عملية التبريد بواسطة جهاز تبريد.
يُخزن الكلنكر المنتج، أو منتج نظام الحرق، في صوامع أو مستودعات أو قاعات مخصصة قبل دخوله إلى مطحنة الإسمنت. جنبًا إلى جنب مع نمو وتطور صناعة الإسمنت والتقدم التكنولوجي، يشهد العالم اليوم أفرانًا بطاقة إنتاجية يومية تصل إلى 5000 طن.
د- طحن المنتج المحروق (الكلنكر)
تُستخدم مطاحن الكرات لطحن “الكلنكر”. في هذه المرحلة من خط الإنتاج، يُضاف كمية صغيرة من الجبس الخام إلى الكلنكر الذي يدخل مطحنة الإسمنت. تتم إضافة الجبس إلى خليط الإسمنت للتحكم في زمن تصلب الكلنكر. المنتج الناتج عن طحن الكلنكر والجبس الخام في مطحنة الإسمنت يُسمى “الإسمنت”.
يُخزن الإسمنت المنتج في صوامع الإسمنت، ثم يُستخرج باستخدام “الزلقة الهوائية” (التي تستخدم ضغط الهواء لتوجيه وضخ الإسمنت إلى الموقع المطلوب) من الصوامع إلى القواديس أو حاويات معدات التحميل.
يتم التحميل بطريقتين: إما في أكياس أو بشكل سائب. تقع محطة التحميل في نهاية خط الإنتاج، وقد تتمتع بقدرات تحميل متنوعة حسب الموقع الجغرافي للمصنع، مثل التحميل في الشاحنات أو السفن أو العربات، إما في أكياس أو بشكل سائب.
مراقبة الجودة
دور المختبر في إنتاج الإسمنت
تقوم وحدة المختبر ومراقبة الجودة بالإشراف على جميع مراحل إنتاج الإسمنت، من بداية خط الإنتاج إلى محطة التحميل، من خلال مراقبة دقيقة وحسابات مستمرة لضمان إنتاج إسمنت عالي الجودة يتوافق مع المعايير المطلوبة.
اختبارات الجودة
في هذا الصدد، تُجرى اختبارات كيميائية وفيزيائية متنوعة، بما في ذلك تحديد كميات الأكاسيد المختلفة، قياس كمية الجبس، تقييم زمن تصلب الإسمنت، استقرار الحجم، قوة الضغط، قوة الشد، قوة الانثناء، النعومة والخشونة، وغيرها، بواسطة موظفي وحدة مراقبة الجودة. اليوم، تُجهز مصانع الإسمنت الحديثة بمعدات متقدمة للتحكم في العمليات. في بعض المصانع، تُؤخذ عينات من المواد الخام تلقائيًا، وتتحكم الحواسيب وتحسب تركيب المزيج الخام.
الخصائص الفيزيائية للإسمنت
تشمل الخصائص الفيزيائية للإسمنت بشكل أساسي النعومة، زمن التصلب، السلامة، والقوة.
نعومة الإسمنت
يجب ملاحظة أن الإسمنت شديد النعومة ليس دائمًا اقتصاديًا أو تقنيًا مجديًا. يجب أيضًا مراعاة تكلفة الطحن وتأثير النعومة المفرطة على خصائص أخرى، مثل الحاجة إلى كمية أكبر من الجبس لضبط التصلب، وقابلية تشغيل الخرسانة الطازجة، وغيرها من العوامل. النعومة هي إحدى الخصائص الرئيسية للإسمنت، وعادةً ما تُحدد في المعايير بالمساحة السطحية المحددة (م²/كجم). تُستخدم طرق شائعة ومختلفة حول العالم لقياس نعومة الإسمنت. يحدد المعيار الوطني الإيراني رقم 390 قياس نعومة الإسمنت.
زمن تصلب الإسمنت
يُستخدم مصطلح “التصلب” للإشارة إلى تصلب عجينة الإسمنت، أي الانتقال من الحالة السائلة إلى الحالة الصلبة. يحدث التصلب نتيجة ترطيب C3S وC2A، مصحوبًا بارتفاع في درجة حرارة عجينة الإسمنت. يرتبط التصلب الأولي بارتفاع سريع في درجة الحرارة، بينما يرتبط التصلب النهائي بدرجة الحرارة النهائية. يقل زمن تصلب الإسمنت مع ارتفاع درجة الحرارة، على الرغم من أن الاختبارات أظهرت أنه عند حوالي 30 درجة مئوية، يمكن ملاحظة تأثير عكسي. عند درجات الحرارة المنخفضة، يتباطأ تصلب الإسمنت.
تطبيقات الإسمنت
تنوع استخدامات الإسمنت
اليوم، يتمتع الإسمنت بمجموعة واسعة من الاستخدامات والتطبيقات، ويُستخدم في مجالات مختلفة بناءً على أنواعه المتنوعة. يمكن استخدام الإسمنت بمفرده، كمادة حشو نقية، ولكن استخدامه الرئيسي والشائع هو في الملاط والخرسانة، حيث يُمزج مع مواد خاملة تُعرف بالركام.
الملاط والخرسانة
يتكون الملاط من الإسمنت الممزوج بالرمل أو الحجر المسحوق الذي يبلغ قطره حوالي 5 مليمترات. الخرسانة هي مزيج من الإسمنت والرمل أو الركام الصغير الآخر، ولكن عند صب الخرسانة بكميات كبيرة، مثل بناء السدود، يُستخدم ركام يصل حجمه إلى 19 إلى 25 مليمترًا. تُستخدم الخرسانة لأغراض بناء متنوعة.
المنتجات مسبقة الصنع
يُستخدم إسمنت بورتلاند في إنتاج الطوب، والفسيفساء، والكتل، وعوارض السقف، ووصلات السكك الحديدية، وغيرها من المنتجات التي تُشكل بالضغط في قوالب. تُصنع هذه المنتجات في ورش متخصصة وتُقدم جاهزة للتركيب. على سبيل المثال، تُستخدم أدوات مثل أنواعها ومكوناتها السقالات والدعامة جاك الثقيلة الصليب أجوستابل دعامة بشكل كبير في عمليات البناء التي تتضمن الخرسانة والإسمنت.
أهمية الخرسانة في العالم اليوم
نظرًا للاستخدام الواسع للخرسانة في العالم اليوم، فإن إنتاج الإسمنت يحمل أهمية خاصة. في الدول المتقدمة، يبلغ الزيادة السنوية في استهلاك الإسمنت للفرد حوالي طن واحد. الركام أو الإسمنت المستخدم، وجودة الخرسانة الخاصة، أو طريقة تحضيرها تحدد نوع الخرسانة.
العوامل المؤثرة على جودة الخرسانة
في الخرسانة العادية المستخدمة في البناء، تُحدد خصائص الإسمنت بشكل أساسي من خلال نسبة الماء إلى الإسمنت. كلما قل الماء، أصبحت الخرسانة أقوى. يجب أن تحتوي الخلطة على كمية كافية من الماء لضمان تغطية كل حبة ركام بالكامل بمعجون الإسمنت، وملء الفراغات بين الركام، وتوفير قابلية تشغيل كافية للصب والتوزيع. عامل آخر في متانة الخرسانة هو نسبة الإسمنت إلى الركام (تُعبر عنها كنسبة 1:3 من الإسمنت إلى الركام الناعم والخشن). في الأماكن التي تتطلب خرسانة قوية جدًا، ستكون نسبة الركام أقل.
تُقاس قوة الخرسانة بالقوة المطبقة لكل بوصة مربعة بالجنيه أو لكل سنتيمتر مربع بالكيلوغرام اللازمة لسحق الخرسانة ذات الصلابة أو العمر المفترض.
تأثير البيئة على الخرسانة
تؤثر العوامل البيئية مثل درجة الحرارة والرطوبة على قوة الخرسانة. إذا لم تجف بالكامل، تصبح قوتها على الشد غير متساوية، وإذا تصلبت بشكل غير كامل، لا يمكنها تحمل هذه الضغوط. في عملية تُعرف بالمعالجة، تُحفظ الخرسانة رطبة لفترة بعد الصب لإبطاء الانكماش أثناء التصلب. تؤثر درجات الحرارة المنخفضة سلبًا على قوتها أيضًا. للتعويض عن ذلك، تُضاف مادة مضافة مثل كلوريد الكالسيوم إلى الإسمنت، مما يسرع من عملية التصلب ويولد حرارة كافية لتقليل تأثير درجات الحرارة المنخفضة نسبيًا. في الطقس البارد جدًا، يُمتنع عن صب الخرسانة بكميات كبيرة.
الخرسانة المسلحة
الخرسانة التي تتصلب حول المعدن (عادةً الفولاذ) تُسمى “الخرسانة المسلحة” أو “الخرسانة الحديدية”. يُنسب اختراعها عادةً إلى جوزيف مونييه، وهو بستاني من باريس كان يصنع أواني وأنابيب للحدائق مدعومة بشبكة معدنية. سجل اختراعه في عام 1867.
يساعد الفولاذ المعزز، الذي قد يكون على شكل قضبان أو شبكات، في تعزيز قوة الشد للخرسانة. لا تستطيع الخرسانة العادية مقاومة الضغوط الناتجة عن الرياح والزلازل والاهتزازات وقوى الانحناء الأخرى بسهولة، مما يجعلها غير مناسبة للعديد من عمليات البناء.
في الخرسانة المسلحة، تجمع قوة الشد للفولاذ وقوة الضغط للخرسانة لتخلق مادة قادرة على تحمل جميع أنواع الضغوط الشديدة على مساحات واسعة. بالإضافة إلى قدرتها المحتملة على القوة العالية وإمكانية تشكيلها بأي شكل، فإن الخرسانة مقاومة للحريق أيضًا، مما يجعلها واحدة من أكثر مواد البناء شيوعًا في العالم. تظهر الهياكل الخرسانية مقاومة جيدة للحرائق، حيث تتحمل حتى 24 ساعة.
مكونات الخرسانة
المكونات الرئيسية للخرسانة
- الإسمنت: يشكل حوالي 7 إلى 15 بالمئة من حجم الخرسانة.
- الماء: يشكل حوالي 14 إلى 21 بالمئة من حجم الخرسانة.
- الركام (الرمل والحصى): يشكل حوالي 60 إلى 75 بالمئة من حجم الخرسانة.
- الهواء: في الخرسانة غير المُهواة، يتراوح حجم الهواء بين 0.5 و3 بالمئة؛ وفي الخرسانة المُهواة، يتراوح بين 4 و8 بالمئة.
دور الإسمنت في الخرسانة
دور الإسمنت في الخرسانة يكمن فقط في ربط الركام ببعضه البعض، ولا يؤثر بشكل مباشر على القوة أو القدرة على تحمل الأحمال. وبالتالي، الخرسانة الجيدة هي تلك التي، عند اختبارها في المختبر، تنكسر عبر الركام وليس عبر الإسمنت (الرابط). يُقدم الإسمنت إلى السوق بشكل سائب أو في أكياس ويُستخدم في العديد من الأعمال البنائية والبنية التحتية.
نطاق تطبيقات الخرسانة الواسع
من الغرف الصغيرة إلى ناطحات السحاب الضخمة، من البرك الصغيرة إلى المنشآت المينائية الضخمة، من حمامات السباحة إلى السدود القوية التي تخزن احتياطيات مائية هائلة، من الجسور الصغيرة فوق الجداول إلى الأنفاق الكبيرة تحت قاع البحر، من الأرصفة إلى الطرق السريعة المتقدمة، وخطوط المترو والمطارات الدولية الواسعة، ومن الملاجئ إلى مستودعات الأسلحة والمعدات العسكرية الضخمة — كل هذا يبرز دور الإسمنت وأهميته في حياة الإنسان.
تخزين الإسمنت
شروط تخزين الإسمنت
يجب دائمًا السعي لإبقاء الإسمنت بعيدًا عن الرطوبة، لأنه يمتص الماء بسهولة، وحتى الهواء الرطب يمكن أن يفسده بالكامل.
تخزين الإسمنت السائب
عند تخزين الإسمنت بشكل سائب، يجب توفير ظروف تضمن أن تكون أرضية المخزن تحت الإسمنت جافة تمامًا. يمكن نشر طبقة من الرمل الجاف على الأرض لمنع تسرب الرطوبة من الأسفل. كما يُفضل تغطية الإسمنت بالبلاستيك.
تخزين الإسمنت في أكياس
يُخزن الإسمنت في أكياس على منصات خشبية ذات أشكال وأحجام محددة تُعرف بـ “الباليتات”. تكون هذه الباليتات على مسافة لا تقل عن 10 سنتيمترات من الأرض، ويُكدس عليها ما يصل إلى ثمانية صفوف من أكياس الإسمنت كحد أقصى. كما يجب ترك مسافة لا تقل عن 0.5 متر بين الباليتات المختلفة، التي تحمل حوالي خمسين كيسًا من الإسمنت، لتدوير الهواء. يمكن تخزين الإسمنت في الأكياس في ظل الظروف الصحيحة لمدة تصل إلى عام واحد.
مستقبل صناعة الإسمنت
توقعات العلماء
يتوقع العلماء مستقبلاً مشرقًا لصناعة الإسمنت، ويصفون الخرسانة المصنوعة من الإسمنت بأنها أهم مادة في هذا القرن. في الواقع، يمكن اعتبار الإسمنت مادة رابطة أرخص من أي مادة لاصقة صناعية أخرى، وهي ضرورية لحياة الإنسان.
التطورات المستقبلية
نظرًا للخصائص المميزة والبارزة للإسمنت، وكذلك بسبب عدم ضرره على البيئة، ستستمر أنواع الإسمنت في الزيادة، وسيكون هناك طلب أكبر على المنتجات المخصصة في المستقبل. جنبًا إلى جنب مع هذه التطورات، ستظهر تغييرات إضافية في هيكل صناعة الإسمنت. حتى لو لم تحدث تغييرات جذرية في الأنظمة الكيميائية والفيزيائية للإسمنت في المدى المتوسط، فإن الاتجاه نحو التوزيع والإنتاج الإقليمي يتطلب تطورات تكنولوجية.
التحديات والفرص
تتمتع صناعة الإسمنت بمستقبل واعد كموصل لمواد البناء. ومع ذلك، فإن عوامل مثل المنافسة داخل الصناعة ومع مواد بناء أخرى تدخل السوق، والضغط الناتج عن التشريعات البيئية، والعولمة المتزايدة، ستجبر صناعة الإسمنت على تقليل التكاليف، وضمان الجودة، وتحسين الحماية البيئية. يحتاج نطاق إنتاج المصانع إلى مواكبة الابتكارات التقنية.
إذا أردنا مقارنة صناعة الإسمنت اليوم بما كانت عليه قبل قرن، فإن الإحصاءات والبيانات تُظهر المسافة التكنولوجية التي قطعتها هذه الصناعة خلال قرن. انخفض استهلاك الحرارة لعملية الحرق من 1900 كيلو كالوري لكل كيلوغرام من الكلنكر قبل مائة عام إلى 700 كيلو كالوري لكل كيلوغرام اليوم.
