سیمان چیست و چکونه ساخته می شود ؟
سیمان و بتن مورد استفاده قرار می‌گیرد. در این مقاله، به معرفی کامل تاریخچه، تعریف، اجزا تشکیل دهنده، مراحل تولید، کاربردها، خواص فیزیکی، خواص شیمیایی و انواع سیمان می‌پردازیم.
سیمان، یکی از مهمترین مصالح ساختمانی ساخته دست بشر است که به منظور اتصال اجزا مختلف یک سازه نظیر سنگ، آجر، کاشی و غیره مورد استفاده قرار می‌گیرد. علاوه بر این، سیمان یکی از ترکیبات اصلی بتن در ساخت سازه‌های مختلفی مانند پل، سد، ساختمان‌های مسکونی، ساختمان‌های تجاری و دیگر سازه‌های بتنی است. ساختار اصلی سیمان، از مواد معدنی نظیر سنگ آهک، رس یا ماسه، بوکسیت و کانی آهن تشکیل می‌شود.
تاریخچه سیمان
قدمت سیمان به پیش از میلاد می رسد. کشف سیمان به شکل امروز مربوط است به یک نفر بنای انگلیسی به نام ژورف آسپیدن که از پختن آهک و خاک رس در حرارت بالا و اسیاب کردن آن موفق شد ابتدایی ترین نوع سیمان را کشف نموده و آن را به نام خود در انگلستان ثبت کند و نام محصول بدست آمده را سیمان پرتلند گذاشت. اشخاص دیگری در فرانسه و انگلستان از پختن خاک رس و سنگ آهک مصالح مشابهی به دست آوردند ولی هیچ‌کدام کار خود را دنبال نکرده و محصول خود را به ثبت نرساندند، ژوزف اسپدین نخستین شخصی بود که سیمان را در اوایل قرن نوزدهم در انگلستان به ثبت رسانده و آن را ابتدا برای ساخت فانوس دریایی مورد استفاده قرار داد.
کلینکر چیست؟
با حرارت دادن به مواد خام مورد استفاده در تولید سیمان، ماده‌ای به نام «کلینکر (Clinker) به وجود می‌آید. با آسیاب کردن این ماده و افزودن ترکیباتی نظیر گچ به آن، سیمان تشکیل می‌شود. در بخش‌های بعدی، به تشریح نحوه ساخت کلینکر خواهیم پرداخت.
مواد اولیه سیمان کدام هستند؟
سیمان، از هشت ماده اصلی آهک، سیلیکا، آلومینا، مگنزیا، اکسید آهن، سولفات کلسیم، سولفور تری اکسید و آلکالین (نمک قلیایی) تشکیل می‌شود. مواد مورد استفاده برای ساخت سیمان، خواص شیمیایی و فیزکی آن را تعیین می‌کنند. از این‌رو، آشنایی با این مواد از اهمیت بالایی برخوردار است. به منظور آشنایی با ترکیبات سیمان، باید نقش و عملکرد هر ماده را به خوبی مورد بررسی قرار داد. تغییر میزان مواد اصلی و افزودنی‌ها در حین فرآیند تولید می‌تواند بر روی کیفیت مورد نظر تاثیر داشته باشد. هشت ماده اصلی تشکیل دهنده سیمان در تصویر زیر نمایش داده شده است.
جدول زیر، درصد استفاده از مواد اصلی در ترکیب سیمان‌های معمولی را نمایش می‌دهد:
|
ماده
|
درصد به کار رفته در سیمان‌های معمولی
|
|
آهک
|
60-65
|
|
سیلیکا
|
17-25
|
|
آلومینا
|
3-8
|
|
مگنزیا
|
1-3
|
|
اکسید آهن
|
0.5-6
|
|
سولفات کلسیم
|
0.-0.5
|
|
سولفور تری اکسید
|
1-3
|
|
آلکالین
|
0-1
|
عملکرد اجزا تشکیل دهنده سیمان چگونه است؟
در این بخش، به معرفی عملکردها، مزایا و معایب هر یک از اجزا اصلی سیمان می‌پردازیم.
نقش آهک در سیمان چیست؟
ماده کلسیم اکسید (CaO) یا کلسیم هیدروکسید (Ca(OH2)) با عنوان آهک شناخته می‌شود. این ماده، یکی از اجزا اصلی مورد استفاده در ساخت سیمان‌های مختلف است. با اضافه کردن مقدار کافی آهک به درون ترکیب سیمان، سیلیکات و آلومینات کلسیم تشکیل می‌شود. در صورت کافی نبودن مقدار آهک، مقاومت و زمان گیرش کاهش می‌یابد. در طرف مقابل، آهک زیاد باعث تورم و کاهش سلامت می‌شود.
نقش سیلیکا در سیمان چیست؟
سیلیسیم دی اکسید (SiO2) یا سیلیکا، یکی دیگر از مواد مهم در ترکیب سیمان‌ها است. اضافه کردن مقدار مناسبی از این ماده به درون ترکیب باعث تشکیل سیلیکات دی کلسیم و تری کلسیم می‌شود. ویژگی استحکام سیمان، از سیلیکا موجود در آن نشات می‌گیرد.
نقش آلومینا در سیمان چیست ؟
آلومینا همان اکسید آلومینیوم با فرمول شیمیایی Al2O3 است. زمان گیرش، به میزان آلومینای موجود در ترکیب سیمان‌ها بستگی دارد. دمای تشکیل کلینکر در حضور مقدار کافی آلومینا کاهش می‌یابد. استفاده بیش از حد آلومینا باعث کاهش استحکام می‌شود.
سیمان چگونه ساخته می شود؟
سیمان، طی شش مرحله اصلی شامل استخراج مواد خام از معادن، آسیاب کردن (به همراه توزین و مخلوط کردن)، اعمال حرارت اولیه، حرارت دادن در کوره، خنک سازی (به همراه آسیاب نهایی) و بسته بندی (به همراه انتقال به انبار) ساخته می‌شود. در ادامه، تمام مراحل اصلی ساخت سیمان را توضیح می‌دهیم.
مرحله اول: استخراج مواد خام سیمان از معادن
مواد خام مورد نیاز برای تولید سیمان، شامل سنگ آهک، ماسه یا رس (سیلیسیم، آلومینیوم، آهن)، شیل، خاکستر بادی، بوکسیت و غیره است. این مواد، سنگ‌‌های معدنی هستند که پس از استخراج، توسط سنگ شکن به قطعاتی با ابعاد حدود 15 سانتی‌متر تبدیل می‌شوند. در مرحله بعدی، این قطعات برای رسیدن به ابعاد حدود 7 سانتی‌متر در فرآیند سنگ شکنی ثانویه قرار می‌گیرند. به این ترتیب، قطعات سنگی خرد شده برای مرحله بعدی آماده می‌شوند.
مرحله دوم: آسیاب، توزین و مخلوط کردن
با آسیاب کردن مواد اولیه خرد شده در مرحله قبل و اضافه کردن مواد شیمیایی و افزودنی‌های مورد نظر، یک مخلوط همگن کوچک‌تر تشکیل می‌شود. توزین ذرات در این مرحله با توجه به خواص مورد نیاز صورت می‌گیرد. معمولا 80 درصد این مخلوط از سنگ آهک و 20 درصد باقیمانده آن از رس تشکیل می‌شود. فرآیند خشک کردن مخلوط مواد خام نیز تا رسیدن رطوبت آن به زیر 1 درصد در کارخانه صورت می‌گیرد. سپس، غلتک‌های بزرگ و میزهای گردان، مخلوط مواد خام را خرد کرده و بهم می‌زنند. در نهایت، پودر ریزی به دست می‌آید که برای انتقال به کوره آماده است.
مرحله سوم: اعمال حرارت اولیه به مواد خام
برای اعمال حرارت اولیه، مواد خام به محلی با چندین سیکلون انتقال داده می‌شوند. این سیکلون‌ها با استفاده از گازهای داغ تولید شده از طرف کوره، حرارت اولیه را به مواد خام انتقال می‌دهند. هدف از این فرایند، کاهش مصرف انرژی و آلودگی محیط زیستی است. در این مرحله، مواد خام با عبور از سیکلون‌ها به مواد اکسیدی تبدیل شده و آماده پخت در کوره می‌شوند.
مرحله چهارم: پخت مواد خام در کوره (تشکیل کلینکر)
در فرآیند تولید سیمان، پخت مواد خام در کوره، اصلی‌ترین مرحله به شمار می‌رود. در این مرحله، طی انجام چندین واکنش شیمیایی بین ترکیبات کلسیم و سیلیسیم دی اکسید، ماده‌ای به نام کلینکر تشکیل می‌شود.
مرحله پنجم: خنک سازی و آسیاب نهایی
با خروج کلینکر از درون کوره و تماس با هوای آزاد، دمای آن به سرعت از 2000 درجه سانتی‌گراد به 100 تا 200 درجه سانتی‌گراد می‌رسد. در این مرحله با آسیاب کردن مجدد کلینکر، چندین ماده مختلف به ترکیب اضافه می‌شود تا محصول نهایی (سیمان) به دست آید. سنگ گچ به منظور تعدیل زمان گیرش و مقاوم سازی به کلینکر اضافه و به همراه آن آسیاب می‌شود. به علاوه، این ماده از چسبیدن ترکیب به بدنه و گلوله‌های آسیاب جلوگیری می‌کند. مواد دیگری نظیر تری اتانول آمین نیز به منظور ریز شدن بهتر مواد و جلوگیری از گوله شدن آنها مورد استفاده قرار می‌گیرند.
مرحله ششم: بسته بندی و انتقال به انبار
در این مرحله، سیمان در بسته‌های 20 تا 40 کیلوگرمی بسته‌بندی شده و از محل آسیاب به سیلوهای مخصوص انتقال داده می‌شود. البته اکثر سیمان تولید شده در مقادیر بالا توسط کامیون، قطار یا کشتی به محل‌های مورد نیاز انتقال می‌یابند و فقط مقدار کمی از آن به صورت بسته‌بندی شده به مشتریان تحویل داده می‌شود.
از کاربردهای اصلی سیمان، می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
1- ساخت ملات برای گچ کاری، بنایی، بندکشی و غیره
2- استفاده به عنوان درزگیر اتصالات زهکش‌ها و لوله‌ها
3- مقاوم‌سازی سازه در برابر آب
4- به کارگیری در بتن برای ساخت کف، سقف، نعل درگاه، تیر، پله، ستون و غیره
5- ساخت سطوح سخت به منظور جلوگیری از آثار مخرب شیمیایی و دمایی
6- ساخت لوله‌های پیش ساخته پایه‌ها و تیر حصار
7- ساخت سازه‌های مهندسی نظیر پل، آبگذر، سد، تونل، فانوس دریایی و غیره
8- اجرای فونداسیون، کف آببند، گذرگاه و غیره
9- ساخت چاه، مخزن آب، زمین بازی، تیر چراغ برق، جاده و غیره
خواص فیزیکی سیمان چه هستند؟
انواع مختلفی از سیمان در ساخت سازه‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند. وجه تمایز این سیمان‌ها، خواص فیزیکی آنها است. برخی از پارامترهای کلیدی باعث کنترل کیفیت سیمان‌های مختلف می‌شوند. خواص فیزیکی سیمان‌های مناسب عبارت هستند از:
نرمی
سلامت
روانی
استحکام
حرارت هیدراتاسیون
افت حرارتی
چگالی توده ای
وزن مخصوص ( چگالی نسبی )
ویژگی یک سیمان خوب چیست؟
هنگام اجرای یک پروژه، همیشه اولویت با استفاده از بهترین مصالح است. به همین دلیل، باید خواص سیمان‌های مورد استفاده را بررسی و کیفیت آنها را کنترل کرد. در بخش قبلی، خواص فیزیکی و شیمیایی سیمان را به طور کامل مورد بررسی قرار دادیم. ویژگی‌های یک سیمان خوب با توجه به نیازهای پروژه تغییر می‌کند. با این وجود، از خواص زیر می‌توان به عنوان معیارهای کلی سیمان‌های خوب نام برد:
استحکام کافی برای بنایی
سختی و سفت شدن سریع
پلاستیسیته (روانی) مناسب
کارایی آسان
مقاومت خوب در برابر رطوبت
کیسه گونی سیمان,گونی لمینت,گونی دولایه,کیسه والف دار,پاکت سیمان,گونی والودار,کیسه گونی سیمانی,پاکت سیمانی,گونی سبمان چاپی,پاکت ای دی استار جهت سیمان,