مقدمه‌ای درباره سیمان
سیمان از انواع مصالح ساختمانی و گردی است نرم که دارای چسبندگی زیاد بوده و به عنوان یک چسب ساختمانی به کار می‌رود. این ماده مهم که سالانه میلیون‌ها تن از آن در کشور تولید و به مصارف گوناگون می‌رسد، در مقابل هوا و همچنین در زیر آب خود را گرفته، استحکام بیشتری پیدا نموده و مدت دوام آن نامحدود است.
سیمان به خودی خود مقاومت زیادی در مقابل فشار ندارد، لیکن پس از ترکیب با شن، ماسه و آب و تهیه ملات و بتن، با گذشت زمان مقاومت مورد نظر را ایجاد می‌نماید. به عبارت دیگر، سیمان‌ها مواد چسبنده‌ای هستند که قابلیت چسباندن ذرات به یکدیگر و به وجود آوردن جسم یکپارچه از ذرات متشکله را دارند.
تعریف علمی سیمان
از نظر علمی، سیمان ترکیبی است از اکسید کلسیم (آهک) با سایر اکسیدها نظیر اکسید آلومینیوم، اکسید سیلیسیم و اکسید آهن که میل ترکیب با آب داشته و در مجاورت هوا و در زیر آب به مرور سخت می‌گردد و دارای مقاومت می‌شود. این سخت شدن مثل بستن گل هنگام از دست دادن آب نیست، بلکه واکنشی شیمیایی است که طی آن شکل جدیدی از ماده پدیدار می‌شود و سیمان سخت‌شده قابلیت نرم شدن مجدد با آب را ندارد.
مفهوم و منشأ لغت سیمان
کلمه سیمان اغلب در مفهوم کلی برای توصیف تمامی انواع مواد چسبنده به کار می‌رود، ولی در مفهومی دقیق‌تر به مواد چسبناکی اطلاق می‌گردد که در ساختمان و بناهای ساخته‌شده در مهندسی عمران به کار می‌رود. سفت و محکم شدن سیمان در نتیجه هیدراسیون (ترکیب با آب) ایجاد می‌گردد که ترکیب شیمیایی مخلوط سیمان با آب است و موجب تشکیل بلورهای شبه میکروسکوپی یا ماده شبه ژلاتینی می‌گردد. سیمان ساخت‌وساز به خاطر خواص ترکیب با آب خود، که حتی در زیر آب نیز سفت می‌شود، اغلب سیمان هیدرولیکی نامیده می‌شود. لغت “سیمان” از کلمه یونانی caementum مشتق شده است که به معنی تکه‌تکه کردن سنگ است، یعنی همان‌گونه که در ملات رومی به کار می‌رفته، و ارتباطی با خود ماده چسبنده ندارد.
تاریخچه سیمان
شناخت سیمان از دوران باستان
انسان از دیرباز سیمان را می‌شناخته و با گذشت زمان بر نقش و اهمیت آن وقوف و آگاهی بیشتری یافته و هر روز کوشیده است بناها و ساخته‌های خود را مستحکم‌تر از گذشته احداث نماید. انسان‌های اواخر عصر حجر که از طریق شکار کردن و جمع‌آوری مواد غذایی ارتزاق می‌نمودند و در پی غذا در ناحیه وسیعی در حرکت بودند، در پناهگاه‌های موقت زندگی می‌کردند. وقوع انقلاب کشاورزی که به حدود ۱۰۰۰۰ سال پیش از میلاد مسیح باز می‌گردد، انگیزه‌ای برای سکونت دائمی و ایجاد ساختمان و خانه برای انسان بود. انسان دیگر به دنبال شکار یا گله‌های خود از جایی به جای دیگر نمی‌رفت، بلکه برای مراقبت از مزارع خود در یک محل می‌ماند. در خاورمیانه آثار و بقایای دهکده‌های کاملی با محل سکونت مدوری به نام “تولوئی” (Tholoi) یافت شده که دیوارهای آن از گل رس متراکم ساخته شده است.
ملات‌های اولیه و سیمان هیدرولیکی
ملاتی که در اتصال سنگ‌ها و سفال‌ها از آن استفاده می‌شد، مخلوطی بوده از ماسه، آهک و آب و در ساختمان قسمت‌هایی که در زیر آب قرار می‌گرفت، ماده‌ای سیلیسی به نام “پوزولانا” اضافه می‌کردند که ملات را سخت و در مقابل آب مقاوم می‌ساخت. در واقع منشأ سیمان هیدرولیکی (ترکیبی با آب) به یونان و روم باستان باز می‌گردد. مواد مصرفی عبارت بودند از آهک و نوعی خاکستر آتشفشانی که با آب واکنش آهسته‌ای نشان داده و تبدیل به توده سفتی می‌گردید. این توده ماده چسبناک، ملات و بتن ساخته‌شده در روم در دو هزار سال پیش و همچنین کارهای ساختمانی بعدی در اروپای غربی را تشکیل می‌داد. آن‌ها از این ملات در ساختمان برج‌ها، باروها، جاده‌ها، آب‌انبارها، گرمابه‌ها، معابد، کاخ‌ها و قلعه‌ها استفاده می‌کردند.
پوزولانا و ریشه‌های سیمان مدرن
خاکستر آتشفشانی که از معدنی در نزدیکی شهر “پوزولا” (ایتالیای کنونی) استخراج می‌شد، سرشار از سیلیکات آلومینیوم بود، و سیمان مشهور “پوزولانا” مربوط به دوران روم باستان نیز از این نام برگرفته شده است. امروزه اصطلاح پوزولانا (Pozzolana) یا پوزولان (Pozzolan) یا به خود سیمان اشاره دارد و یا به هر ماده نرم حاوی سیلیکات آلومینیومی اطلاق می‌شود که در مجاورت آب با آهک واکنش نشان داده و تشکیل سیمان می‌دهد. بهترین سیمان به‌دست‌آمده از دوران گذشته، ساخته دست رومیان است.
سیمان در عصر جدید
تهیه سیمان به طرق علمی جدید از قرن هجدهم آغاز شد. در سال ۱۷۵۶، “جان اسمیتون” مأموریت یافت که فانوس دریایی کوچک “ادیستون” را که در دریای مانش و در ساحل “کورتوال” انگلستان قرار داشت، دوباره بازسازی کند. وی در آزمایش‌های خود موفق شد که از ترکیب سنگ آهک ناخالص و خاک و پختن آن دو، ماده‌ای شبیه به سنگ‌های “پورتلند” به وجود آورد. با سوزاندن مخلوط‌های گوناگون سنگ آهک و خاک رس طی سال‌های بعد، تجربیات بیشتری در این زمینه به دست آمد.
اختراع سیمان پورتلند
در سال ۱۸۲۴، “ژوزف آسپدین” با سوزاندن مخلوط ۱ به ۳ سنگ آهک و خاک رس به مواد بهتری دست یافت. در شیوه او، عمل سوزاندن در کوره‌ها با چنان حرارتی صورت می‌گرفت که مواد ذوب‌شده پس از سرد شدن به صورت ذرات ریزی در می‌آمدند. ماده به‌دست‌آمده که به صورت پودری نرم بود، وقتی با آب مخلوط می‌شد، پس از چند ساعت سفت و سخت می‌شد. این محصول شباهت زیادی به سنگ‌های آهکی مستخرج از معدن جزیره “پورتلند” در انگلستان داشت، از این‌رو به سیمان “پورتلند” معروف گردید و وجه تسمیه سیمان‌های پورتلند امروزی نیز از اینجا آغاز می‌شود.
اولین بنای ساخته‌شده با سیمان پورتلند
اولین بنای ساخته‌شده با این نوع سیمان، بنای پارلمان انگلستان است که در فواصل سال‌های ۵۲-۱۸۴۰ احداث گردیده است. تولید سیمان پورتلند به سرعت در سرتاسر کشورهای اروپایی و آمریکای شمالی گسترش یافت. در حال حاضر نیز سیمان پورتلند عمده‌ترین سیمان تولیدی در جهان است و موارد مصرف عام‌تری دارد.
توسعه علمی و صنعتی سیمان
بعدها “دکتر بوک”، رئیس مؤسسه تحقیقات استاندارد سیمان آمریکا که به “پدر سیمان” معروف است، ترکیبات اصلی سیمان را شرح داد که مورد تأیید صاحبان صلاحیت قرار گرفت. از آن پس در کشورهای پیشرفته، تحقیق و پژوهش پیرامون ساخت انواع جدیدی از سیمان و بالا بردن کیفیت محصولات و رشد و توسعه تکنولوژی ساخت سیمان همچنان ادامه داشته است. امروزه سیمان از نظر وزن بزرگ‌ترین محصول صنعتی بشری محسوب می‌شود.
تاریخچه صنعت سیمان در ایران
سیمان در ایران باستان
ایرانیان نیز از دیرباز با خواص خاک رس و سنگ آهک به عنوان مواد اولیه اصلی سیمان آشنایی داشته‌اند و از مخلوط آب، آهک و خاکستر و خاک رس ملاتی تهیه می‌کردند که در لهجه‌های محلی از آن به “ساروج”، “سارو” و اسامی دیگری یاد شده است. از این ملات جهت استحکام و آب‌بندی در ساختمان حمام‌ها، آب‌انبارها، حوض‌ها و ساختمان‌های مهم استفاده می‌شده است. در ساختمان “سد دز” بر روی رود کارون که در زمان شاهپور دوم ساخته شد و “بند امیر” که در زمان عضدالدوله دیلمی بنا گردید، همچنین در ساختمان آب‌انبارهای قدیمی از ترکیبات مشابه سیمان استفاده شده است.
آغاز تولید صنعتی سیمان در ایران
تولید سیمان در ایران از سال ۱۳۱۲ با بهره‌برداری از کارخانه سیمان ری به ظرفیت ۱۰۰ تن در روز آغاز و با گذشت زمان و در روند رشد و توسعه کشور، نقش و اهمیت این صنعت و تولید و مصرف سیمان رو به فزونی نهاده است.
وضعیت کنونی صنعت سیمان در ایران
در حال حاضر، ایران دارای ۳۵ واحد کارخانه تولید سیمان به ظرفیت سالانه ۵۷۶/۳۲ میلیون تن می‌باشد و ۱۰ کارخانه تولید سیمان نیز در حال احداث می‌باشند. ظرفیت تولید سیمان کشور با اجرای طرح‌های مذکور تا سال ۱۳۸۱ به ۱۱۴۰۰۰ تن در روز و ۶/۳۷ میلیون تن در سال افزایش خواهد یافت. ایران در سال ۱۳۷۸ با تولیدی معادل ۳۹/۱ درصد تولید جهانی، مقام پانزدهم کشورهای تولیدکننده سیمان جهان و مقام هشتم را در کشورهای تولیدکننده سیمان قاره آسیا کسب کرده است. سهم تولید سیمان ایران در جهان روند رو به رشدی داشته و از ۰۴/۰ درصد در سال ۱۹۵۰ به ۴۲/۱ درصد در سال ۱۹۹۸ افزایش یافته است.
مواد اولیه سیمان‌های پورتلند
ترکیبات اصلی سیمان
سیمان پورتلند عمدتاً از ترکیبات آهک (اکسید کلسیم)، همراه با سیلیس (اکسید سیلیس) و آلومینیوم (اکسید آلومینیوم) تشکیل شده است. آهک مورد نظر از مواد خام آهکی و اکسیدهای دیگر نیز از مواد رسی به دست می‌آید.
مواد خام مکمل
از مواد خام دیگری چون خاک سیلیس، اکسید آهن و بوکسیت نیز می‌توان در مقادیر کمتر و برای به دست آوردن ترکیب مورد نظر استفاده نمود. ماده خام دیگر، سنگ گچ است که تا حدود ۵ درصد آن در طی آسیاب کردن به “کلینکر” سیمان پخته‌شده اضافه می‌گردد تا زمان گیرش سیمان را کنترل نماید.
استخراج مواد اولیه
مواد خام به کار رفته در تولید سیمان، چنانچه به صورت سنگ سخت باشد، مانند سنگ آهک، سنگ‌های رسوبی لایه‌ای، و بعضی سنگ‌های رسی، یا از معدن استخراج شده و یا با انفجار به دست می‌آیند. بعضی از ذخایر را با استفاده از روش‌های زیرزمینی استخراج می‌نمایند. سنگ‌های نرم‌تری چون گچ و رس مستقیماً توسط معدنچیان از دیواره معدن جدا می‌شود. مواد استخراجی از معدن را با استفاده از کامیون، واگن‌های حمل قطار و نوارهای نقاله به آسیاب‌های سنگ‌شکن و خردکن منتقل می‌نمایند. سنگ آهک و خاک رس اجزای اصلی مواد اولیه تولید سیمان پورتلند را تشکیل می‌دهند و از مواد دیگر به صورت افزودنی و تنظیم‌کننده استفاده می‌شود.
تولید سیمان
طبقه‌بندی صنعت سیمان
بر اساس طبقه‌بندی بین‌المللی، صنعت سیمان جزء گروه صنایع کانی غیرفلزی محسوب می‌شود.
روش‌های تولید سیمان
اصولاً سه روش برای تولید سیمان وجود دارد:
۱- روش تر
۲- روش نیمه‌تر
۳- روش خشک
نوع این روش‌ها بستگی به مواد خام ورودی به کوره از نظر غلظت و میزان آب اضافه‌شده به آن‌ها دارد. مهم‌ترین و پرکاربردترین روش تولید سیمان در جهان، روش خشک است. سیستم پخت اکثر کارخانه‌های سیمان کشور ما نیز بر این روش استوار است.
فرآیند تولید به روش خشک
در فرآیند تولید سیمان به صورت خشک، مواد خام خشک، آسیاب شده و به صورت پودر خشک به درون کوره تغذیه می‌شود. در فرآیند نیمه‌تر، مواد خام ابتدا به صورت خشک آسیاب شده و سپس گویچه‌های حاصله به درون کوره تغذیه می‌شود. در فرآیند نخست (تر)، مواد خام به طور مرطوب به داخل کوره تغذیه می‌گردد.
مراحل خط تولید سیمان
خط تولید سیمان از معدن شروع و به بارگیرخانه و بسته‌بندی سیمان خاتمه می‌یابد. در تولید سیمان به روش خشک، نخست مواد خام و اولیه نظیر سنگ آهک، خاک رس، مارل (خاک آهک‌دار)، سنگ گچ، سنگ آهن و سنگ سیلیس از معادن استخراج می‌گردند. در استخراج موادی نظیر سنگ آهک، سنگ آهن و سنگ گچ نیاز به چال‌زنی و ایجاد انفجار به وسیله دینامیت و مواد منفجره است. موادی نظیر خاک رس و مارل (خاک آهک‌دار) نیاز به چال‌زنی و انفجار ندارند و صرفاً از بولدوزرها و یا دستگاه‌های مشابه جهت دپو کردن مواد استفاده می‌شود.
چهار مرحله اصلی تولید سیمان پورتلند (روش خشک)
الف- خرد کردن و آسیاب کردن مواد خام
ب- ترکیب مواد به نسبت مناسب
ج- پخت مخلوط تهیه‌شده در کوره (سیستم پخت)
د- آسیاب کردن (نرم کردن) محصول پخته‌شده که به “کلینکر” معروف است
الف- خرد کردن و آسیاب کردن مواد خام
در ابتدا مواد اولیه بایستی خرد شوند و به ابعادی تا حدود کمتر از ده میلی‌متر برسند. برای خرد کردن سنگ آهک، سنگ آهن، سنگ سیلیس و کلوخه‌های درشت و خرده‌سنگ‌های خاک رس از دستگاه‌های سنگ‌شکن یا خردکن استفاده می‌شود. در صورت ضرورت و همچنین در صورتی که مقدار رطوبت مواد بالا باشد، می‌بایستی خشک شوند.
پس از خرد شدن و خشک شدن، در سیستم‌های مدرن، مواد اولیه اصلی ضمن افزوده شدن مواد اولیه فرعی به نسبت‌های لازم با یکدیگر مخلوط مقدماتی شده و سپس در سیلوهای مشخص و معینی ذخیره می‌شوند و آنگاه جهت پودر شدن راهی “آسیاب‌های مواد خام” می‌گردند. در روش خشک تولید سیمان، ضرورت دارد که مواد خام قبل از ورود به کوره به صورت پودر درآیند، همچنین برای جلوگیری از کلوخه شدن و پایین آوردن چسبندگی مواد، می‌بایستی تا حد امکان قبل از فرستادن پودر مواد خام به سیلوهای ذخیره، خشک و رطوبت‌گیری شوند.
ب- ترکیب مواد به نسبت مناسب
اولین ترکیب شیمیایی مورد نیاز نوع بخصوصی از سیمان، از طریق استخراج گزینشی و کنترل مواد خامی حاصل می‌گردد که به درون دستگاه خردکننده و آسیاب وارد می‌شوند. نظارت دقیق‌تر از طریق به دست آوردن دو یا چند دسته مواد حاوی مخلوط خامی که ترکیب شیمیایی آن اندکی متفاوت است، حاصل می‌گردد.
در فرآیند خشک، این مخلوط‌ها در سیلو ذخیره می‌شود، در فرآیند تر، مخازن دوغاب به کار می‌رود. برای اطمینان از مخلوط شدن کامل مواد خشک در سیلو، هوای متراکم به درون مخزن وارد شده و موجب چرخش شدید و به هم خوردن مواد می‌گردد. در فرآیند تر، مخازن دوغاب با استفاده از وسایل مکانیکی یا هوای خشک و یا هر دو هم زده می‌شود.
دوغاب که حاوی ۳۵ الی ۴۵ درصد آب است، گاهی از صافی گذرانیده می‌شود که در نتیجه ۲۰ الی ۳۰ درصد محتوای آب آن کاهش می‌یابد. آنچه که از صافی گذشته، سپس به درون کوره تغذیه می‌شود. این کار موجب کاهش مصرف سوخت مورد نیاز برای پخت می‌گردد. در قسمت آسیاب‌های مواد خام، تنظیم نهایی مخلوط مواد خام که به نام “خوراک کوره” موسوم است، انجام شده و مخلوط حاصله که به صورت گردی نرم و حاوی ترکیبات لازم است، آماده تغذیه به کوره می‌باشد.
در کارخانه‌های سیمان، آسیاب‌های گلوله‌ای و غلتکی کاربرد بیشتری دارند. پس از پودر شدن مواد خام از طریق این آسیاب‌ها، پودر حاصله را در “سیلوهای مواد خام” ذخیره می‌نمایند. عامل مهمی که در یکنواخت کار کردن کوره و بالا بردن کیفیت کلینکر و در نتیجه سیمان مؤثر است، یکنواختی ترکیب خوراک کوره، خوب مخلوط شدن و همگن بودن آن می‌باشد. به منظور همگن یا هموژنیزه کردن مطلوب مواد خام، از سیلوهای ذخیره مجهز به سیستم‌های “پنوماتیک” استفاده می‌شود. مواد خام از بالای سیلوهای ذخیره وارد سیلوهای تنظیم می‌شود و پس از تنظیمات لازم، از پایین سیلو تخلیه و به کوره تغذیه می‌گردد.
ج- پخت مخلوط تهیه‌شده در کوره (سیستم پخت)
کوره‌های اولیه‌ای که سیمان در آن پخته می‌شد، کوره‌های بطری‌شکل عمودی بودند. پس از آن‌ها، کوره‌های محفظه‌ای و سپس کوره‌های استوانه‌ای یکسره به کار گرفته شد. لیکن وسیله اصلی پخت سیمان در حال حاضر، کوره‌های استوانه‌ای دوار است.
سیستم پخت سیمان شامل سه قسمت “پیش‌گرم‌کن”، “کوره” و “خنک‌کن” است. وظیفه پیش‌گرم‌کن، گرفتن رطوبت سطحی باقیمانده در مواد خام، آب تبلور و تجزیه کردن مقدماتی سیلیکات‌ها و همچنین کلسینه (آهک کردن) بخشی از کربنات‌های موجود در مواد خام است.
قسمت اصلی عمل پخت در کوره صورت می‌گیرد. کوره‌های پخت سیمان استوانه‌های فلزی بزرگی هستند که طول و قطر آن‌ها متناسب با ظرفیت کارخانه می‌باشد. این استوانه با شیب حدود ۳ تا ۴ درصد روی چند پایه مجهز به غلتک قرار گرفته و دارای حرکت دورانی می‌باشد. مواد خام پس از طی مسیر پیش‌گرم‌کن از انتهای کوره وارد کوره می‌شوند و به دلیل وجود شیب و حرکت دورانی، مواد به سمت خروجی کوره و منطقه پخت سرازیر می‌شوند.
در انتهای کوره یک مشعل تعبیه شده که با استفاده از سوخت‌های مختلف، ایجاد محیط حرارتی با درجه حرارت بالای ۱۴۰۰ درجه سانتی‌گراد را می‌نماید. برای حفاظت از بدنه کوره در مقابل این حرارت بسیار زیاد، مناطق مختلف کوره با استفاده از انواع آجرهای نسوز، بتن و جرم‌های نسوز پوشیده می‌شوند. محصول سیستم پخت که از کوره خارج می‌گردد، “کلینکر” نام دارد که به صورت دانه‌های خاکستری یا قهوه‌ای‌رنگ می‌باشد و برای پختن هر کیلوگرم آن حدود ۸۰۰ کیلوکالری انرژی حرارتی صرف می‌گردد.
کلینکر خروجی از کوره دارای درجه حرارتی حدود ۱۰۰۰ تا ۱۲۰۰ درجه سانتی‌گراد است. بازیابی این مقدار حرارت و همچنین مشکل بودن جابجا کردن “کلینکر” داغ، ضرورت سرد کردن آن را ایجاب می‌نماید. خاصیت اساسی دیگر مربوط به سرد کردن “کلینکر”، تکمیل تشکیل کریستال‌های “کلینکر” و بالا رفتن کیفیت آن می‌باشد. عمل سرد کردن کلینکر توسط دستگاه خنک‌کن (کولر) انجام می‌پذیرد.
کلینکر تولیدی یا محصول سیستم پخت، قبل از ورود به آسیاب سیمان در سیلو، انبار و یا سالن‌های مربوطه ذخیره می‌گردد. به موازات رشد و توسعه صنعت سیمان و پیشرفت تکنولوژی، جهان امروز شاهد فعالیت کوره‌هایی با ظرفیت تولیدی ۵۰۰۰ تن در روز است.
د- آسیاب کردن محصول سیستم پخت (کلینکر)
برای پودر کردن “کلینکر” از آسیاب‌های گلوله‌ای استفاده می‌شود. در این قسمت از خط تولید، به همراه کلینکر ورودی به آسیاب سیمان، مقداری گچ خام نیز به آسیاب تغذیه می‌گردد. افزایش گچ در ترکیب سیمان جهت کنترل گیرش کلینکر صورت می‌گیرد. محصولی که از پودر شدن کلینکر و گچ خام در آسیاب سیمان حاصل می‌گردد، “سیمان” نامیده می‌شود.
سیمان تولیدی در سیلوهای سیمان ذخیره می‌گردد و سپس به وسیله “ارسلاید” (که با کمک نیروی فشار هوا، سیمان را به سمت مورد نظر هدایت و پمپ می‌کند) از سیلوها خارج و به داخل مخازن یا قیف‌های دستگاه بارگیری هدایت می‌شود.
بارگیری به دو صورت انجام می‌پذیرد: یکی به صورت پاکتی و دیگری به صورت فله. قسمت بارگیرخانه در انتهای خط تولید قرار دارد و با توجه به موقعیت جغرافیایی و محل کارخانه، ممکن است دارای امکانات مختلف بارگیری نظیر بارگیری در کامیون، کشتی و واگن به صورت کیسه و یا فله باشد.
کنترل کیفی
نقش آزمایشگاه در تولید سیمان
واحد آزمایشگاه و کنترل کیفی در کلیه مراحل تولید سیمان، از ابتدای خط تولید تا بارگیرخانه، نظارت دقیق و محاسبات مستمری را جهت تولید سیمان با کیفیت مطلوب و مطابق با استانداردهای لازم به عمل می‌آورد.
آزمایش‌های کیفی
در این ارتباط، آزمایش‌های شیمیایی و فیزیکی مختلفی از جمله تعیین مقادیر اکسیدهای مختلف، تعیین مقدار گچ، گیرش سیمان، ثبات حجم، مقاومت فشاری، مقاومت کششی، مقاومت خمشی، نرم و زبری سیمان و نظایر آن توسط کارکنان واحد کنترل کیفی صورت می‌پذیرد. امروزه کارخانه‌های مدرن سیمان به وسایل پیشرفته کنترل فرآیند پخت مجهز می‌باشند. در بعضی از کارخانه‌ها، از مواد خام به طور اتوماتیک نمونه‌برداری می‌شود و کامپیوترها ترکیب مخلوط خام را کنترل و محاسبه می‌کنند.
خواص فیزیکی سیمان
خواص فیزیکی سیمان عمدتاً عبارتند از نرمی سیمان، گیرش سیمان، سلامت سیمان و مقاومت سیمان.
نرمی سیمان
باید توجه داشت که همیشه یک سیمان نرم از نظر اقتصادی و فنی مقرون‌به‌صرفه نیست، زیرا هزینه آسیاب کردن و اثرات بیش از حد نرم بودن سیمان بر خواص دیگر آن، مانند نیاز بیشتر به گچ برای تنظیم گیرش، کارایی بتن تازه و سایر موارد نیز باید مدنظر باشد. نرمی یکی از خواص عمده سیمان است که معمولاً در استانداردها با سطح مخصوص تعیین می‌شود (m²/kg). روش‌های متداول و متفاوتی برای تعیین نرمی سیمان در دنیا به کار گرفته می‌شود. استاندارد ملی ایران به شماره ۳۹۰، تعیین نرمی سیمان را مشخص می‌کند.
گیرش سیمان
کلمه گیرش برای سفت شدن خمیر سیمان به کار برده می‌شود، یعنی تغییر وضعیت از حالت مایع به جامد. گیرش به علت هیدراسیون C3S و C2A با افزایش دمای خمیر سیمان اتفاق می‌افتد. گیرش اولیه مربوط به افزایش سریع دما و گیرش نهایی مربوط به دمای نهایی است. مدت زمان گیرش سیمان با افزایش درجه حرارت کاهش می‌یابد، ولی آزمایش نشان داده است که در دمای حدود ۳۰ درجه سانتی‌گراد، اثر معکوس را می‌توان مشاهده نمود. در درجات حرارت پایین، گیرش سیمان کند می‌شود.
کاربردهای سیمان
تنوع کاربردهای سیمان
امروزه سیمان دارای مصارف گوناگون و کاربردهای وسیعی است و بسته به انواع مختلف آن، در زمینه‌های گوناگون مورد استفاده قرار می‌گیرد. سیمان را می‌توان تنها به کار برد، یعنی خالص به عنوان ماده دوغاب، اما استفاده معمول و اصلی سیمان در ملات و بتن است که در آن‌ها سیمان با مواد بی‌اثر که به سنگدانه معروف هستند، مخلوط می‌شود.
ملات و بتن
ملات عبارت از سیمانی است که با ماسه یا سنگ خردشده‌ای که اندازه قطرش تقریباً ۵ میلی‌متر است، مخلوط شده باشد. بتن ترکیبی از سیمان، ماسه یا دیگر سنگدانه‌های کوچک است، اما هنگامی که بتن در حجم عظیمی چون ساختن سدها ریخته می‌شود، از سنگدانه‌های به اندازه ۱۹ تا ۲۵ میلی‌متر نیز استفاده می‌گردد. بتن برای اهداف گوناگون ساختمانی مورد بهره‌برداری قرار می‌گیرد.
محصولات پیش‌ساخته
از سیمان پورتلند در تولید آجر، موزائیک، بلوک، تیر سقف، اتصالات خط آهن و دیگر محصولاتی که با فشار در قالب شکل می‌گیرند، استفاده می‌شود. این محصولات در کارگاه‌های مربوطه تهیه شده و به صورت آماده برای نصب عرضه می‌گردد. به عنوان مثال، ابزارهایی مانند جک سقفی جک صلیبی و انواع داربست مدولار در فرآیندهای ساختمانی با بتن و سیمان نقش مهمی ایفا می‌کنند.
اهمیت بتن در جهان امروز
از آنجایی که در دنیای امروز بتن مصرف بسیار زیادی دارد، تولید سیمان از اهمیت خاصی برخوردار می‌باشد. همه ساله در کشورهای توسعه‌یافته، افزایش سرانه سیمان تقریباً یک تن است. سنگدانه یا سیمان به کار رفته، کیفیت ویژه بتن یا روش تهیه آن، عواملی هستند که نوع بتن را مشخص می‌کنند.
عوامل مؤثر بر کیفیت بتن
در بتن معمولی که در ساختمان به کار می‌رود، ویژگی سیمان عمدتاً از طریق نسبت آب به سیمان مشخص می‌گردد. هر چه آب سیمان کمتر باشد، بتن محکم‌تر می‌گردد. مخلوط بایستی به اندازه کافی آب داشته باشد تا از احاطه کامل هر ذره سنگدانه به وسیله چسب سیمان، پر شدن فضای بین سنگدانه‌ها، شل بودن کافی بتن به منظور ریختن و پخش آن اطمینان حاصل گردد. عامل دیگر دوام بتن، میزان سیمان به نسبت سنگدانه است (که به صورت نسبت یک به سه سیمان به سنگدانه ریز و درشت بیان می‌شود). در جایی که به بتن بسیار محکمی نیاز باشد، میزان سنگدانه به نسبت کمتر خواهد بود.
قدرت بتن را با استفاده از نیروی وارده به هر اینچ مربع توسط هر پوند و یا کیلوگرم بر سانتی‌متر مربع که برای خرد کردن بتنی با سختی و یا عمر مفروض می‌سنجند.
تأثیر محیط بر بتن
عوامل محیطی چون درجه حرارت و رطوبت بر استحکام بتن تأثیر می‌گذارد و چنانچه به طور کامل خشک نشود، تحمل فشارهای کششی آن نامتعادل خواهد بود و اگر به طور ناقص سفت شده باشد، نمی‌تواند این فشارها را تحمل کند. در فرآیندی که به عمل آوردن شناخته می‌شود، بتن را بعد از ریختن تا مدتی مرطوب نگاه می‌دارند تا انقباض حاصله به هنگام سفت شدن را کند کنند. درجه حرارت پایین نیز بر استحکام آن تأثیر منفی می‌گذارد. برای جبران این مسئله، ماده‌ای افزودنی چون کلرید کلسیم به سیمان اضافه می‌گردد. این ماده موجب تسریع در فرآیند سفت شدن می‌گردد که خود باعث ایجاد گرمای کافی برای بی‌اثر کردن درجه حرارت تقریباً پایین می‌شود. در هوای بسیار سرد، از ریختن بتن در ابعاد وسیع خودداری می‌شود.
بتن آرمه
بتنی که بر روی فلز (معمولاً فولاد) محکم سفت گردیده، “بتن آرمه” یا “بتن آهن” نامیده می‌شود. اختراع آن عموماً به “ژوزف مونیر” نسبت داده می‌شود. وی باغبانی از اهالی پاریس بود که گلدان‌ها و لوله‌هایی برای باغ درست می‌کرد که با توری فلزی تقویت می‌شدند. وی در سال ۱۸۶۷ اختراع خود را به ثبت رساند.
فولاد تقویت‌کننده، که ممکن است به شکل میله، نرده و یا توری باشد، به استحکام کششی بتن کمک می‌کند. بتن ساده نمی‌تواند به آسانی در مقابل کشش‌های ناشی از عوامل باد، زلزله، ارتعاشات و دیگر نیروهای خمشی مقاومت نماید و بنابراین برای بسیاری از عملیات ساختمانی مناسب نیست.
در بتن آرمه، نیروی کششی فولاد و قدرت تراکمی بتن، قدرتی ایجاد می‌کند که قادر است تمامی انواع تنش‌های خیلی زیاد در سطح وسیع را تحمل نماید. بتن علاوه بر توانایی بالقوه برای استحکام بسیار زیاد و امکان شکل‌گیری به هر فرمی، در مقابل آتش نیز مقاوم می‌باشد و به خاطر این ویژگی‌ها یکی از متداول‌ترین مواد ساختمانی در دنیا گشته است. سازه‌های بتنی در برابر آتش‌سوزی مقاومت خوبی دارند و حتی تا ۲۴ ساعت دوام می‌آورند.
مواد تشکیل‌دهنده بتن
اجزای اصلی بتن
- سیمان: حدود ۷ الی ۱۵ درصد از حجم بتن را تشکیل می‌دهد.
- آب: حدود ۱۴ الی ۲۱ درصد از حجم بتن را تشکیل می‌دهد.
- دانه‌های سنگی (شن و ماسه): حدود ۶۰ الی ۷۵ درصد از حجم بتن را تشکیل می‌دهد.
- هوا: در بتن بدون هوا، میزان حجم هوای موجود بین ۵/۰ تا ۳ درصد است و در بتن هوادار، میزان حجم هوای موجود بین ۴ تا ۸ درصد است.
نقش سیمان در بتن
نقش سیمان در بتن صرفاً چسباندن دانه به یکدیگر بوده و به خودی خود تأثیری در مقاومت و باربری ندارد. از این جهت، بتن خوب بتنی است که وقتی در آزمایشگاه نمونه‌ای از آن را بشکنند، دانه‌های سنگی آن از وسط شکسته شود و سیمان‌ها (چسب) پاره نشود. محصول سیمان به دو صورت فله و پاکتی به بازار عرضه شده و از آن در بسیاری از کارهای ساختمانی و زیربنایی استفاده می‌شود.
گستره کاربردهای بتن
از اتاق‌های کوچک تا آسمان‌خراش‌های عظیم، از حوض‌های کوچک تا تأسیسات عظیم بندری، از استخرهای شنا تا سدهای مستحکم و عظیم ذخیره آب، از پل‌های کوچک بر روی نهرها و جوی‌ها تا تونل‌های بسیار بزرگ زیر بستر دریاها، از پیاده‌روها تا بزرگراه‌های پیشرفته، خطوط مترو و فرودگاه‌های گسترده بین‌المللی و از سنگرها تا انبارهای عظیم جنگ‌افزارها و تسلیحات نظامی، همه و همه نقش و اهمیت سیمان را در زندگی انسان متجلی و آشکار می‌سازند.
انبار کردن سیمان
شرایط نگهداری سیمان
همواره باید سعی شود سیمان در معرض رطوبت نباشد، چون سیمان مکنده رطوبت است و حتی هوای مرطوب همه سیمان را خراب می‌کند.
انبار کردن سیمان فله‌ای
در انبار کردن سیمان به صورت فله‌ای باید شرایطی فراهم شود که کف انبار (زیر سیمان) کاملاً خشک باشد، لذا می‌توان در کف مقداری شن خشک پهن کرد تا از نفوذ رطوبت به طرف بالا جلوگیری شود. همچنین بهتر است روی سیمان پلاستیک کشیده شود.
انبار کردن سیمان پاکتی
سیمان پاکتی را روی سطوح تخته‌ای با شکل و ابعاد مشخص به نام “پالت” انبار می‌کنند. پالت‌ها از کف با زمین حداقل ۱۰ سانتی‌متر فاصله دارند و حداکثر تا ۸ ردیف سیمان پاکتی روی آن چیده می‌شود. همچنین بین پالت‌های مختلف که حدود پنجاه پاکت سیمان روی آن‌ها چیده می‌شود، حداقل ۵/۰ متر فاصله جهت عبور جریان هوا لازم است. سیمان پاکتی را تحت شرایط صحیح تا یک سال می‌توان در انبار نگهداری کرد.
آینده صنعت سیمان
پیش‌بینی‌های دانشمندان
دانشمندان، آینده خوبی را برای صنعت سیمان پیش‌بینی می‌کنند. آن‌ها بتن تهیه‌شده از سیمان را به عنوان مهم‌ترین ماده این قرن توصیف می‌کنند. در واقع، سیمان را می‌توان به عنوان ماده چسبنده‌ای توصیف کرد که ارزان‌تر از هر ماده چسبنده‌ای است که در صنعت به کار می‌رود و این ماده برای زندگی انسان ضروری است.
تحولات آینده
از آنجا که سیمان خواص ممتاز و برجسته‌ای دارد و همچنین به خاطر بی‌ضرر بودن آن برای محیط زیست، انواع سیمان همچنان افزایش پیدا خواهد نمود و در آینده تقاضای بیشتری برای محصولات سفارشی وجود خواهد داشت. همگام با این تحولات، تغییرات بیشتری نیز در ساختار صنعت سیمان به وجود خواهد آمد. حتی با فرض اینکه در میان‌مدت، تغییرات اساسی در سیستم شیمیایی و فیزیکی سیمان به وجود نیاید، با توجه به روند افزایش منطقه‌ای شدن تولید و توزیع، بایستی در اندیشه تغییرات تکنولوژیک بود.
چالش‌ها و فرصت‌ها
صنعت سیمان از آینده خوبی برخوردار است، زیرا سیمان، به عنوان متصل‌کننده مواد ساختمانی، دارای آینده روشنی است. هرچند که عواملی چون رقابت درون این صنعت و با مواد ساختمانی دیگری که راه خود را به بازار باز می‌کنند، فشار ناشی از قانون‌گذاری‌های زیست‌محیطی و همچنین جهانی شدن فزاینده، صنعت سیمان را مجبور خواهد نمود تا هزینه‌ها را کاهش دهد، کیفیت را تضمین کند و محافظت زیست‌محیطی را بهبود بخشد. دامنه تولیدات کارخانه نیاز دارد تا خود را با نوآوری‌های تکنیکی هماهنگ کند.
چنانچه بخواهیم مقایسه‌ای بین صنعت سیمان امروز و یکصد سال پیش به عمل آوریم، آمار و اطلاعات فاصله‌ای را که این صنعت از نظر فن‌آوری در طول یک قرن پیموده است، به ما نشان می‌دهد. مصرف گرما برای فرآیند پخت از ۱۹۰۰ کیلوکالری به کیلوگرم کلینکر در یکصد سال پیش به ۷۰۰ کیلوکالری بر کیلوگرم کلینکر در حال حاضر کاهش یافته است.
