سیمان

[.::MOBIN::.]

سيمان ماده‌ای چسبنده است که قابليت چسبانيدن ذرات به يکديگر و بوجود آوردن جسم يک پارچه از ذرات متشکله را دارند و از ترکیب مصالح آهکی، رس، سيمان داراى آن چنان جامعيتى است که مى تواند شامل انواع چسبها از جمله چسبهاى مايع که در چسبانيدن قطعات سنگ يا سنگ و فلزات به يکديگر بکار مى روند نيز بشود.
نمونه اى از اين چسبها در صنعت سيمان در کار گذاشتن آجر نسوز در کوره سيمان مورد مصرف دارد و خاصيت اصلى آن اين است که آجر نسوز ( که يک جسم سراميکى است ) را به بدنه کوره ( آهن ) مى چسباند، همچنين انواع سيمان هاى ديگر که در دندانپزشکى مورد مصرف دارند، از جمله چسب ها مى باشد. آنچه که از کلمه سيمان در اين متن مورد نظر است، آن نوع از سيمان ها است که داراى ريشه آهکى مى باشند. به عبارت ديگر سيمان هايى که ماده اصلى تشکيل دهنده آنها آهک و ماده اوليه اصلى آنها سنگ آهک است. بر اين اساس سيمان ترکيبى است از اکسيد کلسيم ( آهک ) با ساير اکسيدها نظير اکسيد آلومينيم، اکسيد سيليسيم، اکسيد آهن، اکسيد منيزيم و اکسيدهاى قليايى که ميل ترکيب با آب داشته و در مجاورت هوا و در زير آب بمرور سخت مى گردد و داراى مقاومت مى شود.
با توجه به مشخصه فوق سيمان مى تواند داراى ترکيبات متفاوتى باشد و اصولا جزوملاتهاى آبى محسوب مى گردد. ملاتهاى آبى از دوران گذشته شناخته شده بودند، از جمله اين ملاتها آهک است که مصرى ها و يونانى ها با مخلوط کردن آن با خاکستر آتش فشانى، خاک آجر و آب به نوعى آهک آبى دست مى يافتند که خاصيت سخت شدن و فشار پذيرى داشت. با بکار بردن اين ساروج رومى ها توانسته اند ساختمانهاى عظيمى بسازند که هنوز بقاياى آنها پس از گذشت چند هزار سال پا بر جا و قابل مشاهده است.

1- مواد اوليه سيمان پرتلند
مواد اوليه سيمان پرتلند اساسا شامل مواد آهکى و رسى مى باشند. بدين معنى که در تهيه سيمان پرتلند از مواد خامى استفاده مى شود که حاوى کربنات کلسيم و ترکيبات آلومينيوسيليکات ها باشند.

2-استخراج مواد اوليه

معادن مواد اوليه سيمان، خصوصا سنگ آهک، خاک رس، مارل، سنگ گچ و امثال آنها به صورت معدن رو
شده و به نام معادلات بوگ معروف می باشد. این معادلات درصد ترکیبات اصلی سیمان را نمایش می دهد.
C 3 S = 4.0710( CaO)-7.6024(SiO 2)-1.4297( Fe 2 O 3)-6.7187( Al 2 O 3
C 2 S = 8.6024( SiO 2)+1.0785( Fe 2 O 3)+5.0683( Al 2 O 3)-3.0710( CaO
C 3 A = 2.6504( Al 2 O 3)-1.6920( Fe 2 O 3
C 4 AF = 3.0432(Fe 2 O 3

خواص ترکیبات اصلی سیمان

سیلیکات ها یعنی C 2 S و C 3 S ترکیبات اصلی و مهم سیمان می باشند و در حقیقت مقاومت سیمان هیدراته شده به آنها بستگی دارد. اکسیدهای تشکیل دهنده این سیلیکات ها تاثیرات مهمی روی شکل اتمی و کریستالی و خواص هیدرولیکی انها دارند. در حقیقت حضور C 3 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 می گردد. ولی C 3 A در فرایند تولید در ترکیب اکسیدکلسیم با اکسیدسیلیسیم سهولت ایجاد کرده و سودمند است. C 4 AF که به میزان کمی به وجود می آید در مقابل سه ترکیب دیگر نقش عمده ای در خواص سیمان ندارد. به هرحال این ترکیب با سنگ گج سیمان، سولفوفریت کلسیم تشکیل می دهد که این ماده هیدراتاسیون سیلیکات ها را تسریع می کند.

مراحل تولید سیمان

سيمان ها مواد چسبنده اى هستند که قابليت چسبانيدن ذرات به يکديگر و بوجود آوردن جسم يک پارچه از ذرات متشکله را دارند. اين تعريف از سیمان باگیرش تنظیم شده .

روشهای ساخت سیمان

1. روش تر
2. روش نيمه تر
3. روش نيمه خشک
4. روش خشک

شیمی ترکیبات سیمان

مواد خام تشکیل دهنده سیمان اساسا از اکسیدهایکلسیم 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 می شوند. در هنگام خنک کردن مصالح، براساس سرعت خنک کردن، مواد به صورت بلوری و بی شکل ظاهر می گردند. دانه های بی شکل که اکثرا شیشه ای هستند و دانه های 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 محاسبه است.[۵] 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 4 AF C 3 A C 2 S C 3 S نامیده می شوند.

معادلات بوگ

محاسبه مربوط به میزان ترکیبات سیمان حاصل از اکسیدهای اصلی تشکیل دهنده آن توسط «بوگ» انجام سیلیس و اکسید‌های معدنی در دمای ۱۴۰۰ درجه تا ۱۵۰۰ درجه ٔ سانتی‌گراد ساخته می‌شود. به جسم حاصل، پس از حرارت دیدن کلینگر می‌گویند و از آسیاب کردن آن سیمان بدست آید. اندازه ٔ دانه‌های کلینگر ۲۰ میلی‌متر می‌باشد.
اجزای تشکیل دهنده سیمان
مصالح آهکی (حدود ۶۰ ٪ الی ۶۷ ٪ )
رس (حدود ۳ ٪ الی ۷ ٪ )
سیلیس (۱۷ ٪ الی ۲۷ ٪ )
اکسید‌های معدنی[۲]
اکسید آهن (۰/۵ ٪ الی ۶ ٪ ) Fe2O3
اکسید سدیم (۰/۲ ٪ الی ۱/۳ ٪ ) Na2O
اکسید منیزیم (۰/۱ ٪ الی ۴/۵ ٪ ) MnO
اکسید پتاسیم (۰/۲ ٪ الی ۱/۳ ٪ ) K2O
اکسید آلومینیوم (۳ ٪ الی ۸ ٪ ) Al2O3

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
باز مى باشد. در استخراج موادى نظير سنگ آهک، سنگ آهن و سنگ گچ نيز به چال زنى و انجام انفجار بوسيله ديناميت مى باشد.

3-خرد کردن مود اوليه

الف) سنگ شکن هاى متحرک
ب) سنگ شکن هاى ثابت

4- مخلوط کردن اوليه و ذخيره سازى

قبل از اينکه مواد خرد شده در سنگ شکن، راهى آسياب مواد جهت پودر شدن شوند، بداخل سالنى ريخته مى شوند تا بدينوسيله هم مقدمتا با يکديگر مخلوط شوند و هم اينکه، اين سالن نقش انبار و ذخيره سازى را دارا است.

5- خشک کردن مواد اوليه

در برخى کارخانجات سيمان، بدليل موقعيت خاص جغرافيايى و باران خيز بودن منطقه برخى از مواد اوليه ( خصوصا خاک رس ) ، داراى رطوبتى هستند که استفاده مستقيم از آنها امکان پذير نمى باشد.

6- پودر کردن مخلوط مواد خام

در روش خشک توليد سيمان، ضرورت دارد که مواد خام قبل از ورود به کوره به صورت پودر در آيند.
الف) آسياب مواد خام گلوله اى
ب) آسيابهاى غلطکى

7- تنظيم مواد خام
8- سيلوهاى مواد خام

عمل عمده اى که در يکنواخت کار کردن کوره و بالا بردن کيفيت کلينکر و در نهايت سيمان موثر است، يک نواختى ترکيب خوراک کوره، خوب مخلوط شدن و همگن بودن آن مى باشد.

9- پيش گرم کن
10- کوره دوار

قسمت اصلى عمل پختن در کوره صورت مى گيرد. کوره سيمان، يک استوانه فلزى است که طول و قطر آن، متناسب با ظرفيت کارخانه مى باشد.

11- خنک کن ( کولر )

کلينکر خروجى از کوره داراى درجه حرارتى حدود 1000 تا 1200 درجه مى باشد. بازيابى اين مقدار حرارت و همچنين مشکل بودن جابجا کردن کلينکر داغ،
ضرورت سرد کردن آنرا ايجاب مى نمايد. خاصيت اساسى ديگر سرد کردن کلينکر، تکميل و تشکيل کريستالهاى کلينکر و بالا رفتن کيفيت آن مى باشد.

12- سيلو ( انبار ) کلينکر

کلينکر خروجى از خنک کن قبل از ورود به آسياب سيمان، در سيلو، يا انبار، يا سالن ذخيره مى گردد.

13- آسياب سيمان
14- سيلوهاى سيمان
15- بارگير خانه

روشهای ساخت سیمان

روشهاى مختلفى براى توليد سيمان وجود دارد. اصولا چهار روش براى توليد سيمان وجود دارد :
1- روش تر
2- روش نيمه تر
3- روش نيمه خشک
4- روش خشک

روش تر و نيمه تر

در روش تر و نيمه تر خاک رس مصرفى در دستگاه دوغاب ساز ( Wash mill ) ، تبديل به دوغاب مى گردد. سپس دوغاب خاک رس به همراه سنگ آهک در آسياب مواد خام مخلوط و نرم گشته و تبديل به دوغاب با غلظت بيشترى مى شود. پس از تنظيمات لازم توسط آزمايشگاه، بعنوان خوراک کوره مورد مصرف قرار مى گيرد. در روش نيمه تر، مواد خروجى از آسياب مواد به صورت دوغاب است و قبل از ورود به کوره بوسيله ***** پرس آب آن گرفته مى شود و بصورت کيک يا آماج ( حبه ) به کوره تغذيه مى گردد.

روش نيمه خشک

در روش نيمه خشک مواد اوليه بصورت خشک با يکديگر مخلوط گشته و به آسياب مواد خام تغذيه مى گردند. مواد خروجى از آسياب مواد به صورت پودر است. قبل از تغذيه اين پودر به کوره مقدارى آب روى آن پاشيده مى شود و آن را به صورت آماج يا حبه در آورده و به کوره تغذيه مى نمايند.
در روش خشک مواد اوليه خشک وارد آسياب مى شود.
پودر خروجى از آسياب مواد، پس از تنظيم، به عنوان خوراک کوره مصرف مى گردد.
روش هاى مختلفى براى توليد سيمان هاى مختلف وجود دارد که عمدتا بستگى به تکنولوژى مورد استفاده و جنس سيمان دارد، تکنولوژى مورد استفاده براى توليد سيمان به مرور دستخوش تحول و پيشرفت بوده است. هم اکنون صنعت سيمان با برخوردارى از آخرين تکنيک هاى اعجاب انگيز، با استفاده از روش خشک و به کمک سيستم هاى اتوماتيک، شاهد پيشرفت هاى شگرف در طول تاريخ 160 ساله توليد صنعتى خود مى باشد. روش توليد برخى سيمان ها نظير سيمان آلومينايى کاملا متفاوت با روش توليد سيمان پرتلند مى با شد

سیمان پرتلند

سیمان پرتلند طبق تعریف ‎ ASTM C 150 ‎ ، نوعی سیمانهیدرولیک است که از پودر کردن کلینکری که عمدتاً از اکسیدهای سیلیسی، آلومینیومی و آهنی که عامل تشکیل ترکیبات سیلیکاتی و آلومیناتی سیمان پرتلند می باشند، بدست می‌آید.

انواع سیمان پرتلند و کاربرد آنها

نوع سیمان پرتلند
کاربرد


پرتلند معمولی


پرتلند اصلاح‌شده (دارای مقاومت متوسط در برابر سولفات‌ها)


پرتلند زودگیر (دارای استحکام اولیه بالا)


پرتلند با گرمازایی کم
(دارای گرمای هیدراتاسیون پایین)


پرتلند مقاوم در برابر سولفات (دارای مقاومت خوب در برابر سولفات‌ها)


نوع ۱ به همراه عامل هوادهنده


نوع ۲ به همراه عامل هوادهنده


نوع ۳ به همراه عامل هوادهنده


ترکیب شیمیایی

تصویر شماتیک سطح‌مقطع یک دانه سیمان
فازهای اصلی تشکیل دهنده ٔ سیمان پرتلند
تری‌کلسیم سیلیکات (آلیت) ‎ [۵] ( C 3 S )‏ ۲۰-۷۵ درصد
دی‌کلسیم سیلیکات (بلیت)[۶] ( C 2 S) ۱۵-۴۶ درصد
تری‌کلسیم آلومینات[۷] ( C 3 A) ۴-۱۳ درصد
تتراکلسیم آلومینوفریت[۸] ( C 4 AF) ۸-۱۲ درصد است.
نسبت این فازها بسته به نوع و کاربرد سیمان متغیر است.

اکسیدهای تشکیل دهنده سیمان پرتلند

اکسید کلسیم شصت تا شصت و هفت درصد ترکیبات سیمان را تشکیل می دهد.
اکسید سیلیسیم ، اکسید آلومینیوم ، اکسید آهن ، اکسید منیزیم
اکسید گوگرد که معمولا به جای سنگ گچ، سولفات مورد نیاز تترا کلسیم آلومینو فریت را برای تشکیل سولفو فریت کلسیم به منظور تسهیل هیدراتاسیون سیمان، تامین می کند. (برای پایین آوردن میزان پسماند نامحلول که توسط اسید کلریدریک مشخص می شود از این ترکیب به جای سنگ گچ استفاده می شود.)

قلیایی های سیمان:

شامل اکسید پتاسیم و اکسید سدیم می باشد که با پاره ای از مواد سنگی در بتن ترکیب شده و سبب خرابی بتن و تغییر در میزان افزایش مقاومت آن می شوند. در نتیجه مقدار کم این ترکیبات نیز بایستی کنترل و به آن اهمیت داده شود.
افزودنی‌ ها (که بعد از تولید کلینکر سیمان به آن اضافه می‌شود)

سولفات کلسیم :

این ترکیب حداکثر به میزان ۳ درصد وزنی در سیمان پرتلند استفاده می‌شود، این ماده با تتراکلسیم آلومینوفریت ترکیب شده و مقدار کمی سولفوفریت کلسیم ایجاد می کند که این ماده هیدراتاسیون سیلیکات ها را تسریع می کند. ضمنا تماس این سولفات با ترکیب تری آلومینات کلسیم موجب ایجاد سولفو آلومینات کلسیم (اترینگایت) می شود که موجب افزایش حجم ملات می گردد. این افزایش حجم در هنگامی که ملات در حالت خمیری است بی ضرر است، اما در صورتی که پس از گیرش ملات ایجاد شود باعث ایجاد سلسله ترک های متوالی و تخریب بتن می گردد.
در نتیجه میزان سنگ گچی که به سیمان اضافه می شود بسیار مهم بوده و بستگی به میزان تری آلومینات کلسیم و قلیایی های سیمان دارد. بالا رفتن ریزی سیمان باعث افزایش میزان سنگ گچ مورد نیاز می شود و افزایش سنگ گچ بنوبه خود سبب انبساط بیش از حد و خرابی سیمان سخت شده می گردد. میزان بهینه سنگ گچ بر اساس حرارت ایجاد شده از فعل و انفعالات سیمان تعیین می شود، و پیشرفت مناسب فعل و انفعالات ما را مطمئن می سازد که وقتی همه سنگ گچ ترکیب می شود مقدار کمی تری آلومینات کلسیم باقی می ماند. آزمایش مشخصی جهت نشان دادن عدم سلامت سیمان به علت وجود سولفات کلسیم اضافی وجود ندارد ولی مقدار آن با روش تجزیه شیمیایی به آسانی قابل محاسبه است. استاندارد BS12 مقدار مناسب سنگ گچ را به صورت میزان SO 3 موجود توصیه می کند
انواع افزودنی های شیمیایی که به سه گروه اصلی زیر تقسیم می شوند:
۱- تندگیر کننده ها که ترکیباتی هستند مانند: کلرور کلسیم، کربنات سدیم، کلرور آلومینیوم، کربنات پتاسیم، فلوئورور سدیم، آلومینات سدیم و نمک های آهن می باشند.
۲- کندگیر کننده ها: نظیر مشتقات هیدروکربنی نمک های محلول روی، شکر و براتهای محلول
۳-تقلیل دهندگان آب: نظیر اسید هیدروکسی کربوکسیلیک و اسید لیگنوسولفونیک

ایمنی

سیمان پرتلند خورنده است. تماس آن با چشم، پوست و دستگاه تنفسی باعث ایجاد ناراحتی می‌شود. در مورد چشم این امر ممکن است موجب سوزش شیمیایی و حتی در موارد شدیدتر منجر به کوری شود. تماس مکرر و دراز مدت آن با پوست موجب آماس می‌شود

سیمان های پرتلند ضد آب:

این سیمان به رنگ سفید، خاکستری تولید می شود. این نوع سیمان، انتقال مویینه آب را تحت فشار ناچیز یا بدون فشار، کاهش می دهد ولی جلوی انتقال بخار آب را نمی گیرد.

سیمان های با گیرش تنظیم شده:

سیمان با گیرش تنظیم شده به گونه ای کنترل و ساخته می شود که می تواند بتنی با زمان های گیرش از چند دقیقه تا یک ساعت تولید کند.

سیمان های رنگی:

این سیمان ها بیشتر جنبه تزئینی و آرایشی دارند و در نماسازی سیمانی و تولید بتن نمادار به مصرف می رسند.