تحقیق مقاله سیمان

1-1- مراحل ساخت سیمان پرتلند

از تعریف کلی سیمان مشخص می گردد که سیمان ماده ای متشکل از مواد آهکی نظیر سنگ آهک یا گچ و مواد شامل اکسیدهای سیلیسیم و آلومینیوم یعنی رسها و شیل‌ها می باشد. مراحل مختلف ساخت سیمان شامل آسیاب مواد خام و تبدیل آنها به پودر، مخلوط نمودن آنها با درصدهای معین و پختن آنها در یک کوره گردنده در حرارت حدود 1400 درجه سانتیگراد.

در این درجه حرارت مواد در نقطه نزدیک ذوب، با هم ترکیب شده و به کلینکر تبدیل می گردند. سپس کلینکر سرد شده و با مقداری سنگ گچ، به صورت پودری بسیار ریز آسیاب می شود. نتیجه عملیات فوق منجر به تولید سیمان معروف به پرتلند می گردد. مرحله مخلوط کردن و آسیاب نمودن مواد خام ممکن است بصورت خشک و یا تر انجام شود. مخلوط فوق به داخل کوره گردانده ای که ممکن است به قطر 7 متر و طول 250 متر ساخته شود، ریخته می شود.

کوره فوق که کمی شیبدار می باشد، از انتها و طرف بالا با مواد خام تغذیه شده و از ابتدا و طرف پایین سوخت به صورت پودر زغال یا مواد دیگر نظیر گاز با هوا به داخل آن دمیده می شود. دمای کوره به حدود 1500 درجه سانتیگراد رسیده و با مصرف 100 تا 250 کیلوگرم زغال، حدود یک تن سیمان تولید می گردد.

در طول کوره، مواد خام به درجات حرارت بالاتری رسیده و به مرور در آنها تغییرات شیمیایی یک سری فعل و انفعال شیمیایی در مواد بوجود آمده و سرانجام در داغ ترین قسمت کوره حدود 20 تا 30 درصد مواد بصورت مایع در آمده و اکسیدهای کلسیم، سیلیسیم، و آ‌لومینیوم مجدداً با یکدیگر ترکیب می شوند. مواد فوق سپس به گلوله هایی با قطر بین 2 تا 25 میلیمتر بنام کلینکر تبدیل می شوند.

کلینکر سپس سرد شده و هوای گرم شده مجدداً همراه سوخت مصرف می شود. کلینکر سرد شده که به صورت گلوله های سختی در آمده است با کمی سنگ گچ که به منظور جلوگیری از گیرش سریع سیمان به آن اضافه می شود، آسیاب می گردد. مواد حاصله معروف به سیمان حاوی 12 10*1/1 ذره در هر کیلگرم می باشد.

یک کوره گردنده جدید در روش خشک می تواند 200 تن کلینکر در یک روز تولید نماید. جهت درک این رقم باید متذکر شد که میزان تولید سیمان در سال 1984 بالغ بر 70 میلیون تن در آمریکا و 5/13 میلیون تن در انگلستان و حدود 11 میلیون تن در ایران بوده است.

با توجه به مصرف سیمان که به علت صادرات و واردات با میزان تولید شده متفاوت است، در سال 1984 مصرف سرانه سیمان در آمریکا 225 کیلوگرم و در انگلستان 244 کیلوگرم بوده است. بالاترین میزان مصرف سرانه برابر 678 کیلوگرم و در ایتالیا بوده است. در کشورهای عربستان سعودی و قطر و امارات متحده عربی این رقم کلاً به 2000 کیلوگرم رسیده است.

1-2- شیمی ترکیبات سیمان

مواد خام تشکیل دهنده سیمان اساساً از اکسیدهای کلسیم، سیلیسیم و آهن تشکیل شده اند. این مواد در کوره با هم ترکیب شده و به غیر از مقداری آهک آزاد باقیمانده، که فرصت کافی برای فعل و انفعال نداشته است، ترکیبات شیمیایی جدید و پایداری نتیجه می شوند. در هنگام خنک کردن مصالح، براساس سرعت خنک کردن، مواد به شکل بلوری و بی شکل ظاهر می گردند. دانه های بی شکل که اکثراً شیشه ای هستند و دانه های بلوری شده در حالی که یک فرمول شیمیایی دارند، دارای خواص متفاوتی می باشند. 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 محاسبه است.

جدول 2-1 چهار ترکیب اصلی سیمان با علائم اختصاری مشخصه آنها را نشان می‌دهد. علائم مختصر شده که توسط شیمی دانهای سیمان پیشنهاد گردیده است به صورت CaO=C، SiO2=S، Al2O3=A، Fe2O3=F و H2O=H می باشند.

جدول 2-1- ترکیبات اصلی سیمان پرتلند

محاسبه مربوط به میزان ترکیبات سیمان حاصل از اکسیدهای اصلی تشکیل دهنده آن، توسط “بوگ” انجام شده و بنام “معادلات بوگ” معروف می باشد. این معادلات درصد ترکیبات اصلی سیمان را نشان می دهند. مقادیر داخل پرانتزها درصد اکسیدهای تشکیل دهنده سیمان نسبت به  کل وزن سیمان را نشان می دهند.

C3S=4.07(CaO) – 7.60(SiO2) – 6.72(Al2O3) – 1.43(Fe2O3) – 2.85(SO3)

C2S=2.87(SiO2) – 0.754(3CaO.SiO2)

C3A=2.65(Al2O3) – 1.69(Fe2O3)

C4AF=3.04(Fe2O3)

سیلیکاتها یعنی C2S و C3S ترکیبات اصلی و مهم سیمان  می باشند و در حقیقت 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. در حقیقت حضور C3A در سیمان سودمند نیست. این ترکیب نقشی در مقاومت سیمان، بجز کمی در سن اولیه آن، نداشته و بعد از سخت شدن سیمان، در معرض حمله سولفاتها با تشکیل سولفوآلومینات کلسیم (اترینگایت) سبب خرابی و فساد آن می‌گردد. بهرحال در تولید سیمان C3A در ترکیب اکسید کلسیم یا اکسید سیلیسیم سهولت ایجاد کرده و سودمند می گردد. C4AF که به میزان  کمی بوجود می آید در مقابل سه ترکیب اصلی دیگر نقش عمده ای در خواص سیمان ندارد. بهرحال این ترکیب با سنگ گچ سیمان سولفوفریت کلسیم تشکیل می دهد، که این ماده هیدراتاسیون سیلیکاتها را تسریع می کند.

میزان سنگ گچی که به کلینکر سیمان اضافه می شود بسیار مهم بوده و بستگی به میزان C3A و قلیائیهای سیمان دارد. بالا رفتن ریزی سیمان باعث در دسترس قرار دادن تعداد زیادتری C3A در روزهای اولیه فعل و انفعال شده و این میزان سنگ گچ مورد نیاز را افزایش می دهد. افزایش سنگ گچ بنوبه خود سبب انبساط بیش از حد و خرابی سیمان سخت شده می گردد.

مقدار بهینه سنگ گچ، براساس حرارت ایجاد شده از فعل و انفعال سیمان تعیین می‌شود. پیشرفت مناسب فعل و انفعالات ما را مطمئن می سازد که وقتی همه سنگ گچ ترکیب شود، مقدار کمی C3A باقی می ماند. استانداردهای BS 12:1978 و ASTM C 150-84 مقدار مناسب سنگ گچ را به صورت میزان SO3 موجود، توصیه می کنند.

علاوه بر اکسیدهای اصلی ذکر شده در جدول (2-1) اکسیدهای فرعی نظیر MgO، TiO2، Mn2O3، K2O و Na2O نیز به مقدار بسیار کمی در سیمان وجود دارند. دو اکسید سدیم و پتاسیم که بنام قلیائیهای سیمان می باشند، در این بین اهمیت دارند. این اکسیدها با پاره ای از مواد سنگی در بتن ترکیب شده و سبب خرابی بتن و نیز تغییر در میزان افزایش مقاومت آن می گردند. بنابراین مقدار کم آنها در سیمان نیز می بایستی کنترل شود و به آن اهمیت داده شود.

جدول (2-2) درصد اکسیدهای موجود در سیمان پرتلند را نشان می دهند. همچنین در جدول (2-3) درصد اکسیدهای یک نوع سیمان معمولی استاندارد بهمراه ترکیبات حاصل از معادلات “بوگ” نشان داده شده است.

جدول 2-2- مقدار تقریبی اکسیدهای سیمان پرتلند

در جدول (2-3) جمله پس ماند محلول که با استفاده از اسید کلرئیدریک بدست آمده است در حقیقت ناخالصی سیمان را که به مقدار زیاد ناخالصی در سنگ گچ می‌باشد، نشان می دهد. استاندارد BS 12:1978 مقدار پس ماند نامحلول را به حداکثر 5/1 درصد وزن سیمان محدود می کند. مقدار مشابه در استاندارد ASTM C 150-84 حدود 75/0 می باشد. افت سرخ شدن در این جدول در واقع میزان کربناتاسیون و هیدراتاسیون آهک آزاد و اکسید منیزیم آزاد سیمان را در هوا نشان می دهد. هر دو استاندارد ASTM و BS مقدار افت سرخ شدن سیمان را به 3 درصد محدود می کنند. لیکن در مناطق گرمسیری تا حد 4 درصد را مجاز می دانند. از آنجا که آهک آزاد هیدراته شده در سیمان بی ضرر می باشد، لذا برای یک مقدار مشخص آهک آزاد، بالاتر بودن افت سرخ شدن سودمند می باشد