مقدمه
سیمان را میتوان درمعنی کلی کلمه ماده ای که دارای خواص چسبندگی وچسبانندگی می باشد وقادراست ذرات معدنی را بنحوی بهم بچسباند تا بصورت جسم یکپارچه ومتراکم درآیند ، توصیف نمود . البته این تعریف انواع متعددی ازمواد سیمانی رادربر میگرد . درصنعت ساختمان معنی کلنه سیمان به ماده ایکه برای بهم چسباندن سنگها ، ماسه ، آجرها، بلوکهای ساختمانی وغیره بکار میرود محدود می شود . اجزاء اصلی این نوع سیمان را ترکیبات آهکی تشکیل می دهند ولذا درمهندسی راه و ساختمان سیمانهای آهکی مورد نظر می باشند . سیمانهای مورد توجه درساخت بتن دارای خاصیت گیرش وسخت شدن درزیر آب ( دراثرواکنش شیمیائی با آن ) بوده ولذا به اسم سیمانهای هیدرولیکی معروفند .
سیمانهای هیدرولیکی عمد تاً ازسیلیکا تها وآلومینها تهای آهک تشکیل شده اند وبصورت کلی میتوان آنها را به گروههای سیمانهای طبیعی ، سیمانهای پرتلند وسیمانهای برقی طبقه بندی نمود .
تاریخچه
استفاده ازمواد شیمیائی اززمان بسیار قدیم متداول بوده است . مصریان قدیم گچ تکلیس شده ناخالص رابکارمی بردند . یونانیان ورومیها سنگ آهک تکلیس شده را مصرف میکردند وبعداً آموختند که به مخلوط آهک وآب ، ماسه وسنگ خرد شده یا آجر وسفالهای شکسته نیز اضافه کنند . این اولین نوع بتن درتاریخ بود . ملات آهک درزیر آب سخت نمی شود و رومیها برای ساختمان زیر آب، سنگ آهک و خاکستر آتشنشانی یا پودر بسیار نرم سفالهای سوخته شده را تواماً آسیا می نمودند و بکار می بردند. سیلیس و آلومینای فعال موجود در خاکستر و سفال با آهک ترکیب شده و آنچه را که بعداً با سم سیمان پوزالانی شناخته شد تولید نمود. اسم سیمان پوزالانی را تا اموز برای توصیف سیمانهائی که بآسانی از آسیاب نمودن مواد طبیعی در درجه حرارت معمولی بدست میآیند بکار برده اند.
در قرون وسطی انحطاطی در کیفیت و کاربرد سیمان بوجود آمد و فقط در قرن هییجدهم بود که پیشرفتی در دانش مربوط به سیمانها حاصل شد. در سال 1756 که John Smeaton مامور بازسازی برج چراغ دریائی Eddystone در نزدیکی ساحل جنوب غربی انگلیس شده بود به این نتیجه رسید که بهترین ملات وقتی بدست می آید که مواد پوزالانی با سنگ آهک حاوی نسبت زیادی از مواد رسی مخلوط شود.
سیمان های هیدرولیکی دیگر مانند «سیمان رومی» که James parker از کلسینه نمودن گلوله های سنگ آهک رسی آن را بدست آورد توسعه یافته و بالاخره در سال 1824، Joseph Aspdin که معماری در شهر Leeds بود سیمان پرتلند را به ثبت رساند. این سیمان را از حرارت دادن محلوطی از پودر نرم خاک رس و سنگ آهک سخت در یک کوره تا نقطه ای که CO2 آن بخارج رانده شود بدست آوردند، درجه حرارت کوره خیلی پائین تر از حد لازم برای تولید کلینگر بود نخستین نمونه از سیمانی که امروزه آن را باسم سیمان پرتلند می شناسیم در سال 1845 بوسیله Isaac Johnson با حرارت دادن مخلوط خاک رس و سنگ آهک سست تا حد کلینکر شدن و صورت پذیرفتن واکنشهای لازم برای تشکیل ترکیبات چسباننده پرقدرت تهیه گردید.
اسم سیمان پرتلند که در ابتدا بعلت تشابه رنگ و کیفیت سیمان گیرش حاصل کرده با سنگ پرتلند – سنگ آهکی که در Dorset استخراج می شود – به آن داده شد و تا امروز برای توصیف سیمانی که از کاملاً مخلوط نمودن و حرارت دادن مواد آهکی و رسی، و یا سایر مواد حاوی سیلیس – آلومینا و اکسید آهن، تا درجه حرارت کلینکر شدن و آسیا نمودن کلینکر ماصل شده، باقی مانده است. این تعریف فعلی آئین نامه بریتانیائی 1978 : 12 . BS برای رسیدن پرتلند می باشد که همچنین تصریح نموده است پس ا زپختن ماده دیگری بجز سنگ گچ و آب نباید به کلینکر افزوده شود.
تولید سیمان پرتلند
این سیمان اصولاً از مواد آهکی مانند سنگ آهک و یا سنگ آهک سست و آلومینا و سیلیسی که به صورت خاک رس و یا سنگ رسی وجود دارد ساخته می شود. سنگ آهک در بسیاری از مناطق جنوب غربی و قسمت وسط و شمال انگلستان و Wales یافت می شود و منابع رسی در سراسر این کشور وجود دارند.
اصولاً روش تولید سیمان تشکیل شده است از آسیاب نمودن مواد خام، مخلوط نمودن کامل آنها در نسبتهای معین و حرارت دادن در یک کوره بزرگ گردنده در درجه حرارت حدود 1300 تا c 1400 که در این زمان مواد به مرز ذوب شدن میرسند و بخشی از آنها ذوب میشوند و سبب ایجاد گلوله هائی بنام کلینکر میگردند. کلینکر را سرد نموده و قدری سنگ گچ بآن میافزایند و سپس آنرا بصورت پودر نرم آسیاب می کنند. محصول بدست آمده سیمان پرتلند تجارتی است که بمیزان بسیار وسیع در سراسر جهان مصرف میشود.
مخلوط نمودن و آسیاب نمودن مواد خام را میتوان یا در آب و یا در حالت خشک انجام داد و لذا اسامی روشهای تر و خشک بوجود آمده اند. روشهای واقعی تولید همچنین به ماهیت مواد خام مصرف شده بستگی خواهد داشت.
روش تر : وقتی که از سنگ آهک سست استفاده می گردد ابتدا آنرا خرد میکنند و سپس بوسیله آسیاب شوینده در آب پخش می شود . خاک رس نیز ابتدا خرد شده و معمولاً در یک آسیاب مشابه با آب مخلوط میگردد. سپس دو مخلوط بنحوی پمپ میشوند که در نسبتهای قبلاً تعیین شده با یکدیگر مخلوط گردند و از میان یک سری صفحه مشبک عبور نمایند. دوغاب سیمان حاصل بداخل مخازنی ریخته می شود.
وقتی که از سنگ آهک استفاده می شود ابتدا کوره را منفجر می کنند و قطعات سنگی را در سنگ شکن ها خرد میکنند تا اندازه آنها تدریجاً کوچکتر شود. سپس مواد خرد شده را با خاک رسی که در آب حل شده است بداخل آسیابهای گلوله ای میریزند در اینجا سنگ آهک به نرمی آرد در میآید و دوغاب سیمان حاصل بداخل مخازن نگهداری پمپ می شود. از این مرحله به بعد بدون توجه به ماهیت اصلی مواد خام روشها یکسان خواهند بود.
دوغاب مایعی است به غلظتی مشابه خامه که مقدار آب آن بین 35 تا 50 است و فقط بخش کوچکی از مواد آن – حدود 2 درصد – بزرگتر از 90 میکرون ( اندازه الک نمره 170 ASTM) می باشند. معمولاً تعدادی از مخازن برای نگهداری دوغاب وجود دارند و بوسیله هم زنهای مکانیکی و یا دمیدن با هوای فشرده از ته نشین شدن مواد جامد معلق در دوغاب جلوگیری بعمل میآید. همانطور که قبلاً ذکر شد مقدار آهک موجود در دوغاب تابعی از نوع مواد آهکی و رسی اولیه میباشد. تنظیم نهائی جهت حصول ترکیب شیمیائی لازم را از مخلوط نمودن دوغابهای مخازن مختلف و گاهی با استفاده از سیستم پیچیده مخازن مخل.ط کننده بدست می آورند. در بعضی مواقع، برای مثال در کارخانه ای که در شمالی ترین نقطه دنیا در نروژ واقع گردیده است، مواد خام از سنگی با چنین ترکیباتی ساخته می شود که بتنهای خرد شده و بدون نیاز به مخلوط نمودن با مواد دیگر مورد مصرف قرار می گیرد.
بالاخره دوغاب حاوی مقدار آهک لازم بداخل کوره گردند ریخته می شود. دوغاب از انتهای فوقانی کوره وارد میگردد و گرد ذغال بوسیله هوای فشرده از انتهای تحتانی بداخل کوره پاشیده می شود. زیرا بین 190 تا 350 کیلوگرم زغال برای تولید یک تن سیمان مصرف می شود. و لذا در برررسی قیمت سیمان بخاطر داشتن این نکته حائز اهمیت است اغلب از مواد نفتی (در حدود 150 لیتر برای هر تن سیمان) و یا گاز طبیعی بجای ذغال سنگ استفاده می شود ولیکن اخیراً بعضی از کارخانه های با سوخت مواد نفتی به سوخت ذغال سنگ تبدیل شده اند.
دوغاب در حرکت خود به طرف پائین کوره تدریجاً با درجه حرارتهای بالاتری روبرو شده یک سری واکنش شیمیائی انجام می شود تا بالاخره در گرمترین قسمت کوره حدود 20 تا 30 درصد از مواد ذوب میشوند و آهک و سیلیس و آلومینا مجدداً با یکدیگر ترکیب می گردند. در این مرحله مواد بیکدیگر می چسبند و بصورت گلوله هائی با قطرهای 3 تا 25 میلیمتر که به آنها کلینکر می گویند در میآیند. کلینکر بداخل دستگاههای خنک کننده، که انواع مختلفی دارد و وسیله ای جهت تبادل حرارت بین کلینکر و هوائی که متعاقباً صرف احتراق پودر زغال می شود است، میریزد. بزرگترین کوره موجود در کارخانه ای که با روش تر کار می کند روزانه 3600 تن کلینکر تولید می نماید.