مراحل تولید سیمان

بسم الله الرحمن الرحیم

موضوع:
مراحل تولید سیمان

فهرست
مقدمه 5
سیمان در صنایع ساختمانی 6
تاریخچه 6
ساختار سیمان 6
مراحل تولید سیمان: 8
مواد اولیه سیمان پرتلند: 8
استخراج مواد اولیه: 9
مخلوط کردن اولیه و ذخیره سازى 9
خشک کردن مواد اولیه 9
تنظیم مواد خام 9
پیش گرم کن 9
روش های ساخت سیمان 10
روش نیمه خشک: 11
روش خشک: 11
مراحل تولید سیمان: 11
سیمان 13
سنگ شکن 15
دپوی مصالح 16
آسیاب گلوله ای 16
تهیه خوراک کوره 16
روش تر 17
روش نیمه تر 17
روش نیمه خشک 17
کوره 17
کوره قائم 18
کوره گردنده افقی 18
جلوگیری از اتلاف انرژی 18
پیش گرم کن 19
پیش کلسینه کن 19
کولر زنجیری 19
کولر اقماری 20
فیلترهای الکترواستاتیک 20
آسیاب نهایی کلینکر 20
انتقال سیمان به محل مصرف 21
فساد سیمان 21
عناصر و خواص سیمان 22
ضریب اشباع آهکی 23
زمان گیرش 24
انواع سیمان 26
سیمان پرتلند تیپ 1 26
سیمان پرتلند تیپ 2 26
سیمان پرتلند تیپ 3 27
سیمان پرتلند تیپ 4 28
سیمان پرتلند تیپ 5 28
بحثی پیرامون حمله سولفاتها 28
سیمان پرتلند سرباره ای 31
سیمان پرتلند بنایی 32
سیمان پرتلند آهکی 33
سیمان پرتلند سفید 33
سیمان پرتلند رنگی 34
به طور کلی مواد رنگی ساز باید دو خصوصیت عمده داشته باشند که عبارتنداز: 34
سیمان ضد آب 34
سیمان حفاری 34
سیمان گسترش یابنده 35
سیمان پرآلومین (برقی) 36
مراحل تولید 37
تاریخ علم سیمان 42
تاریخ تولید سیمان در ایران 43
انواع سیمان 44
روشهای ساخت سیمان 45
سیمان برقی 45
شیمی ترکیبات سیمان 46
معادلات بوگ 46
خواص ترکیبات اصلی سیمان 46
سلامت سیمان 47
منابع 47

مقدمه
سیمان ها مواد چسبنده اى هستند که قابلیت چسبانیدن ذرات به یکدیگر و بوجود آوردن جسم یک پارچه از ذرات متشکله را دارند. این تعریف از سیمان داراى آن چنان جامعیتى است که مى تواند شامل انواع چسب ها از جمله چسب هاى مایع که در چسبانیدن قطعات سنگ یا سنگ و فلزات به یکدیگر بکار مى روند نیز بشود.
نمونه اى از این چسب ها در صنعت سیمان در کار گذاشتن آجر نسوز در کوره سیمان مورد مصرف دارد و خاصیت اصلى آن این است که آجر نسوز (که یک جسم سرامیکى است) را به بدنه کوره (آهن) مى چسباند، همچنین انواع سیمان هاى دیگر که در دندانپزشکى مورد مصرف دارند، از جمله چسب ها مى باشد. آنچه که از کلمه سیمان در این متن مورد نظر است، آن نوع از سیمان ها است که داراى ریشه آهکى مى باشند. به عبارت دیگر سیمان هایى که ماده اصلى تشکیل دهنده آنها آهک و ماده اولیه اصلى آنها سنگ آهک است. بر این اساس سیمان ترکیبى است از اکسید کلسیم (آهک) با سایر اکسیدها نظیر اکسید آلومینیم، اکسید سیلیسیم، اکسید آهن، اکسید منیزیم و اکسیدهاى قلیایى که میل ترکیب با آب داشته و در مجاورت هوا و در زیر آب بمرور سخت مى گردد و داراى مقاومت مى شود.
با توجه به مشخصه فوق سیمان مى تواند داراى ترکیبات متفاوتى باشد و اصولا جزو ملات هاى آبى محسوب مى گردد. ملات هاى آبى از دوران گذشته شناخته شده بودند، از جمله این ملات ها آهک است که مصرى ها و یونانى ها با مخلوط کردن آن با خاکستر آتش فشانى، خاک آجر و آب به نوعى آهک آبى دست مى یافتند که خاصیت سخت شدن و فشار پذیرى داشت. با بکار بردن این ساروج رومى ها توانسته اند ساختمان هاى عظیمى بسازند که هنوز بقایاى آنها پس از گذشت چند هزار سال پا بر جا و قابل مشاهده است.

ریشه لغوی
کلمه سیمان از یک لغت لاتین به نام سیمنت ( cement ) گرفته شده است و ماده ای است که دارای خاصیت چسبانندگی مواد به یکدیگر است و در حقیقت ، واسطه چسباندن است.
سیمان در صنایع ساختمانی
در صنایع ساختمانی ، سیمان به ماده ای گفته می شود که برای چسباندن مصالح مختلف به یکدیگر از قبیل سنگ و شن ، ماسه ، آجر و غیره بکار می رود و ترکیبات اصلی این سیمان از مواد آهکی است. سیمانهای آهکی معمولا از ترکیبات سیلیکات و آلومینات های آهک تشکیل شده اند که هم به صورت طبیعی یافت می شوند و هم قابل تولید در کارخانجات سیمان سازی هستند.
تاریخچه
اگرچه از زمانهای بسیار گذشته اقوام و ملل مختلف به نحوی با استفاده از سیمان در ساخت بنا سود می جستند، ولی اولین بار در سال 1824 ، سیمان پرتلند به نام "ژوزف آسپدین" که یک معمار انگلیسی بود، ثبت شد. به لحاظ شباهت ظاهری و کیفیت بتن های تولید شده از سیمانهای اولیه به سنگهای ناحیه پرتلند در دورست انگلیس ، سیمان به نام سیمان پرتلند معروف شد و تا به امروز برای سیمانهایی که از مخلوط نمودن و حرارت دادن مواد آهکی و رسی و مواد حاوی سیلیس ، آلومینا و اکسید آهن و تولید کلینکر و نهایتا آسیاب نمودن کلینکر بدست می آید، استفاده می شود.
ساختار سیمان
اساسا سیمان با آسیاب نمودن مواد خام از قبیل سنگ و آهک و آلومینا و سیلیسی که به صورت خاک رس و یا سنگهای رسی وجود دارد و مخلوط نمودن آنها با نسبتهای معین و با حرارت دادن در کوره های دوار تا حدود 1400درجه سانتی گراد بدست می آید. در این مرحله ، مواد در کوره تبدیل به گلوله های تقریبا سیاه رنگی می شوند که کلینکر نامیده می شود.
کلینکر پس از سرد شدن ، با مقداری سنگ گچ به منظور تنظیم گیرش ، مخلوط و آسیاب شده و پودر خاکستری رنگی حاصل می شود که همان سیمان پرتلند است. با توجه به نوع و کیفیت مواد خام ، سیمان با دو روش عمده تر و خشک تولید می شود، ضمن اینکه روشهای دیگری نیز وجود دارد. البته امروزه عمومـا از روش خشک در تولید سیمان استفاده می شود، مگر در مواردی که مواد خام ، روش تر را ایجاب کند، زیرا در روش خشک ، انرژی کمتری برای تولید مورد نیاز است.
مراحل تولید سیمان
شرح کامل مراحل ساخت سیمان نیاز به حوصله و زمان زیادى دارد، براى همین منظور تنها به نام بردن آنها اکتفا مى کنیم.
1- مواد اولیه سیمان پرتلند
مواد اولیه سیمان پرتلند اساسا شامل مواد آهکى و رسى مى باشند. بدین معنى که در تهیه سیمان پرتلند از مواد خامى استفاده مى شود که حاوى کربنات کلسیم و ترکیبات آلومینیوسیلیکات ها باشند.
2-استخراج مواد اولیه
معادن مواد اولیه سیمان، خصوصا سنگ آهک، خاک رس، مارل، سنگ گچ و امثال آنها به صورت معدن رو باز مى باشد. در استخراج موادى نظیر سنگ آهک، سنگ آهن و سنگ گچ نیز به چال زنى و انجام انفجار بوسیله دینامیت مى باشد.
3-خرد کردن مود اولیه
الف) سنگ شکن هاى متحرک
ب) سنگ شکن هاى ثابت
4- مخلوط کردن اولیه و ذخیره سازى
قبل از اینکه مواد خرد شده در سنگ شکن، راهى آسیاب مواد جهت پودر شدن شوند، بداخل سالنى ریخته مى شوند تا بدینوسیله هم مقدمتا با یکدیگر مخلوط شوند و هم اینکه، این سالن نقش انبار و ذخیره سازى را دارا است.
5- خشک کردن مواد اولیه
در برخى کارخانجات سیمان، بدلیل موقعیت خاص جغرافیایى و باران خیز بودن منطقه برخى از مواد اولیه ( خصوصا خاک رس ) ، داراى رطوبتى هستند که استفاده مستقیم از آنها امکان پذیر نمى باشد.
6- پودر کردن مخلوط مواد خام
در روش خشک تولید سیمان، ضرورت دارد که مواد خام قبل از ورود به کوره به صورت پودر در آیند.
الف) آسیاب مواد خام گلوله اى
ب) آسیابهاى غلطکى
7- تنظیم مواد خام
8- سیلوهاى مواد خام
عمل عمده اى که در یکنواخت کار کردن کوره و بالا بردن کیفیت کلینکر و در نهایت سیمان موثر است، یک نواختى ترکیب خوراک کوره، خوب مخلوط شدن و همگن بودن آن مى باشد.
9- پیش گرم کن
10- کوره دوار
قسمت اصلى عمل پختن در کوره صورت مى گیرد. کوره سیمان، یک استوانه فلزى است که طول و قطر آن، متناسب با ظرفیت کارخانه مى باشد.
11- خنک کن ( کولر )
کلینکر خروجى از کوره داراى درجه حرارتى حدود 1000 تا 1200 درجه مى باشد. بازیابى این مقدار حرارت و همچنین مشکل بودن جابجا کردن کلینکر داغ، ضرورت سرد کردن آنرا ایجاب مى نماید. خاصیت اساسى دیگر سرد کردن کلینکر، تکمیل و تشکیل کریستالهاى کلینکر و بالا رفتن کیفیت آن مى باشد.
12- سیلو ( انبار ) کلینکر
کلینکر خروجى از خنک کن قبل از ورود به آسیاب سیمان، در سیلو، یا انبار، یا سالن ذخیره مى گردد.
13- آسیاب سیمان
14- سیلوهاى سیمان
15- بارگیر خانه
مراحل تولید سیمان:
شرح کامل مراحل ساخت سیمان نیاز به حوصله و زمان زیادى دارد، براى همین منظور تنها به نام بردن آنها اکتفا مى کنیم.
مواد اولیه سیمان پرتلند:
مواد اولیه سیمان پرتلند اساساً شامل مواد آهکى و رسى مى باشند. بدین معنى که در تهیه سیمان پرتلند از مواد خامى استفاده مى شود که حاوى کربنات کلسیم و ترکیبات آلومینیوسیلیکات ها باشند.
استخراج مواد اولیه:
معادن مواد اولیه سیمان، خصوصا سنگ آهک، خاک رس، مارل، سنگ گچ و امثال آنها به صورت معدن رو باز مى باشد. در استخراج موادى نظیر سنگ آهک، سنگ آهن و سنگ گچ نیز به چال زنى و انجام انفجار بوسیله دینامیت مى باشد.
خرد کردن مود اولیه: توسط سنگ شکن هاى متحرک و یا سنگ شکن هاى ثابت
مخلوط کردن اولیه و ذخیره سازى
قبل از اینکه مواد خرد شده در سنگ شکن، راهى آسیاب مواد جهت پودر شدن شوند، بداخل سالنى ریخته مى شوند تا بدین وسیله هم مقدمتاً با یکدیگر مخلوط شوند و هم اینکه، این سالن نقش انبار و ذخیره سازى را دارا است.
خشک کردن مواد اولیه
در برخى کارخانجات سیمان، بدلیل موقعیت خاص جغرافیایى و باران خیز بودن منطقه برخى از مواد اولیه (خصوصا خاک رس)، داراى رطوبتى هستند که استفاده مستقیم از آنها امکان پذیر نمى باشد.
پودر کردن مخلوط مواد خام: در روش خشک تولید سیمان، ضرورت دارد که مواد خام قبل از ورود به کوره به صورت پودر در آیند. که توسط آسیاب های مواد خام گلوله اى و یا آسیاب هاى مواد خام غلطکى صورت می پذیرد.
تنظیم مواد خام
سیلوهاى مواد خام
عمل عمده اى که در یکنواخت کار کردن کوره و بالا بردن کیفیت کلینکر و در نهایت سیمان موثر است، یک نواختى ترکیب خوراک کوره، خوب مخلوط شدن و همگن بودن آن مى باشد.
پیش گرم کن
کوره دوار
قسمت اصلى عمل پختن در کوره صورت مى گیرد. کوره سیمان، یک استوانه فلزى است که طول و قطر آن، متناسب با ظرفیت کارخانه مى باشد.
خنک کن (کولر)
کلینکر خروجى از کوره داراى درجه حرارتى حدود 1000 تا 1200 درجه مى باشد. بازیابى این مقدار حرارت و همچنین مشکل بودن جابجا کردن کلینکر داغ، ضرورت سرد کردن آن را ایجاب مى نماید. خاصیت اساسى دیگر سرد کردن کلینکر، تکمیل و تشکیل کریستال هاى کلینکر و بالا رفتن کیفیت آن مى باشد.
سیلوی (انبار) کلینکر
کلینکر خروجى از خنک کن، قبل از ورود به آسیاب سیمان، در سیلو، یا انبار، یا سالن ذخیره مى گردد.
آسیاب سیمان
سیلوهاى سیمان
بارگیر خانه
روش های ساخت سیمان
اصولاً چهار روش براى تولید سیمان وجود دارد:
روش تر
روش نیمه تر
روش نیمه خشک
روش خشک
روش تر و نیمه تر:
در روش تر و نیمه تر خاک رس مصرفى در دستگاه دوغاب ساز (Wash mill) ، تبدیل به دوغاب مى گردد. سپس دوغاب خاک رس به همراه سنگ آهک در آسیاب مواد خام مخلوط و نرم گشته و تبدیل به دوغاب با غلظت بیشترى مى شود. پس از تنظیمات لازم توسط آزمایشگاه، بعنوان خوراک کوره مورد مصرف قرار مى گیرد. در روش نیمه تر، مواد خروجى از آسیاب مواد به صورت دوغاب است و قبل از ورود به کوره بوسیله فیلتر پرس، آب آن گرفته مى شود و بصورت کیک یا آماج (حبه) به کوره تغذیه مى گردد.
روش نیمه خشک:
در روش نیمه خشک مواد اولیه بصورت خشک با یکدیگر مخلوط گشته و به آسیاب مواد خام تغذیه مى گردند. مواد خروجى از آسیاب مواد به صورت پودر است. قبل از تغذیه این پودر به کوره مقدارى آب روى آن پاشیده مى شود و آن را به صورت آماج یا حبه در آورده و به کوره تغذیه مى نمایند.
روش خشک:
در روش خشک مواد اولیه خشک وارد آسیاب مى شوند، پودر خروجى از آسیاب مواد، پس از تنظیم، به عنوان خوراک کوره مصرف مى گردد.

روش های ساخت سیمان
اصولاً چهار روش براى تولید سیمان وجود دارد:
روش تر
روش نیمه تر
روش نیمه خشک
روش خشک
روش تر و نیمه تر:
در روش تر و نیمه تر خاک رس مصرفى در دستگاه دوغاب ساز (Wash mill) ، تبدیل به دوغاب مى گردد. سپس دوغاب خاک رس به همراه سنگ آهک در آسیاب مواد خام مخلوط و نرم گشته و تبدیل به دوغاب با غلظت بیشترى مى شود. پس از تنظیمات لازم توسط آزمایشگاه، بعنوان خوراک کوره مورد مصرف قرار مى گیرد. در روش نیمه تر، مواد خروجى از آسیاب مواد به صورت دوغاب است و قبل از ورود به کوره بوسیله فیلتر پرس، آب آن گرفته مى شود و بصورت کیک یا آماج (حبه) به کوره تغذیه مى گردد.
در روش نیمه خشک مواد اولیه بصورت خشک با یکدیگر مخلوط گشته و به آسیاب مواد خام تغذیه مى گردند. مواد خروجى از آسیاب مواد به صورت پودر است. قبل از تغذیه این پودر به کوره مقدارى آب روى آن پاشیده مى شود و آن را به صورت آماج یا حبه در آورده و به کوره تغذیه مى نمایند.
در روش خشک مواد اولیه خشک وارد آسیاب مى شوند، پودر خروجى از آسیاب مواد، پس از تنظیم، به عنوان خوراک کوره مصرف مى گردد.

روش هاى مختلفى براى تولید سیمان هاى مختلف وجود دارد که عمدتا بستگى به تکنولوژى مورد استفاده و جنس سیمان دارد، تکنولوژى مورد استفاده براى تولید سیمان به مرور دستخوش تحول و پیشرفت بوده است. هم اکنون صنعت سیمان با برخوردارى از آخرین تکنیک هاى اعجاب انگیز، با استفاده از روش خشک و به کمک سیستم هاى اتوماتیک، شاهد پیشرفت هاى شگرف در طول تاریخ 160 ساله تولید صنعتى خود مى باشد. روش تولید برخى سیمان ها نظیر سیمان آلومینایى کاملا متفاوت با روش تولید سیمان پرتلند مى باشد.
سیمان
به طور کلی به هر ماده ای که خاصیت چسبانندگی داشته باشد و بتواند مواد را به یکدیگر بچسباند، سیمان گفته می شود.چسباننده ها در صنعت ساختمان بیشتر جهت چسباندن سنگدانه ها، قطعات بزرگتر سنگی، آجرها و … به یکدیگر به کار می روند. طبیعتاً اولین ماده سیمانی که به استخدام بشر درآمد، گل بود که هنوز هم بقایای ساختمانهای گلی در مناطق کویری قابل مشاهده است. در طول سالیان مختلف ، مواد گوناگونی به عنوان سیمان به کار رفت و امروزه چسباننده های بسیار متنوعی شامل انواع ملاتهای سیمانی، ملاتهای گچی، چسبهای پلیمری و… در دست است. امروزه عمده ترین سیمانی که مورد استفاده قرار می گیرد، سیمان پرتلند می باشد که به طور مشروح در ادامه مورد بحث قرار می گیرد.
2ـ1ـ تاریخچه سیمان پرتلند
یکی از مهمترین مشکلات سیمان گلی، عدم مقاومت در برابر آب بود. این مهم بشر را بر آن داشت تا تحقیقات گوناگونی جهت دسترسی به سیمان ضد آب انجام دهد و نتیجه این تحقیقات، کشف سیمانی به نام ساروج بود. ساروج ترکیبی است از آهک، خاکستر، ماسه، خاک رس و لویی که در مقایسه با گل در برابر رطوبت مقاوم است. در ایران باستان از ساروج برای ساختن آب انبارها، آبگیرها و سایر سازه هایی که می بایست خاصیت آب بندی می داشتند استفاده می شد. امروزه با ابداع سیمان پرتلند، مصرف ساروج تقریباً متوقف شده است. در قرن 18 به سال 1756 میلادی هنگامی که جان اسمیتون مامور بازسازی برج چراغ دریایی ادیستون گردید، مطالعاتی را جهت دستیابی به یک سیمان مناسب انجام داد و به این نتیجه رسید که بهترین سیمان وقتی بدست می آید که در مخلوط آن از سنگ آهک و خاک رس استفاده شود. در سال 1824، ژوزف آسپدین به این نتیجه رسید که جهت بدست آوردن سیمانی مناسب، مخلوط سنگ آهک و خاک رس باید حرارت داده شود و بالاخره در سال 1845، آیزاک جانسون سیمان پرتلند را به صورتی که امروزه شناخته می شود ، به نام خود ثبت کرد. امروره شیوه کلی تولید سیمان پرتلند بدین صورت است که پس از استخراج مواد اولیه (سنگ آهک و خاک رس) و آماده کردن آنها، مخلوط را تا دمای بیش از 1400 حرارت می دهند. حاصل این فرایند کلینکر است که آن را پس از سرد شدن با 3 الی 4 درصد وزنی سنگ گچ (CaSo4 , 2H2o) آسیاب می کنند تا پودر سیمان پرتلند بدست آید. لازم به ذکر است نام پرتلند به جهت تشابه رنگ و کیفیت سیمان سخت شده با سنگ آهکی که در اطراف شهر پرتلند در ناحیه دُرست انگلستان وجود دارد، مورد استفاده قرار گرفته است.
2ـ2ـ تولید سیمان پرتلند
به طور کلی تولید سیمان پرتلند مراحل مختلفی دارد که در ادامه به آن اشاره خواهند شد. لکن پیش از ذکر آنها بیان این مطلب ضروری است که صنعت سیمان دارای دو عیب عمده زیر است:
1ـ مصرف انرژی بسیار بالا
2ـ ایجاد آلودگی محیط زیست
و محققین و صنعتگران همواره در تلاش جهت تغییر خط تولید به گونه ای هستند که این معایب تا حد امکان مرتفع گردد.
2ـ2ـ1ـ انتخاب محل برای احداث کارخانه
انتخاب محل مناسب جهت احداث کارخانه تولید سیمان با عوامل چندی در ارتباط است که عبارتند از :
1ـ کارخانه به معادن مواد اولیه (سنگ آهک و خاک رس) نزدیک باشد.
2ـ ظرفیت معادن مواد اولیه پاسخگوی نیاز دراز مدت کارخانه باشند.
3ـ کیفیت مواد اولیه در حد قابل قبولی باشد.
4ـ کارخانه به قطبهای مصرف نزدیک باشد.
همانطور که مشاهده می شود، عوامل یک و چهار مربوط به هزینه حمل و نقل در صنعت سیمان است. از آنجا که مواد اولیه به کارخانه و سیمان تولیدی به قطبهای مصرف بسیار بالاست، محل کارخانه باید در جایی باشد که این هر دو مسافت حتی المقدور کمینه باشند. عوامل دو و سه نیز در ارتباط با انتخاب معادن مناسب جهت قرضه کارخانه است. یک معدن مناسب باید اولاً از نظر کیفیت دارای مواد قابل قبولی باشد. ثانیاً از نظر کمیت بتواند حداقل بین 100 تا 150 سال مواد اولیه کارخانه را تامین نماید. در غیر این صورت ممکن است ساخت کارخانه از نظر اقتصادی به صرفه نباشد. از آنجا که در ایران بیشتر سنگها آهکی به صورت رسوبی در قالب کوه هستند و در دشتهای مجاور این کوه ها معادن خاک رس موجود است. معمولاً حد فاصل این کوه ها و دشتها محل مناسبی جهت احداث کارخانه است.
ـ استخراج و انتقال مواد اولیه
جهت استخراج سنگ آهک معمولاً از عملیات آتش باری استفاده می شود. بدین صورت که با استفاده از مواد منفجره قسمتهای مورد نظر از کوه را منفجر می کنند و سنگ آهک را به صورت قطعات سنگی درشت بدست می آورند. همچنین در استخراج خاک رس نیز، به دلیل سختی نسبتاً پایین معادن آن ، معمولاً از لودر(بیل مکانیکی )، بیلهای مکانیکی پرقدرت و بیلهای کششی استفاده می شود. پس از استخراج مواد اولیه آنها را با استفاده از واگن، تسمه نقاله یا کامیونهای ویژه حمل مواد اولیه به کارخانه منتقل می کنند.
سنگ شکن
سنگ آهکی که از معدن بدست می آید، در بدو ورود به کارخانه ، به قسمت سنگ شکن منتقل می شود. سنگ شکنها که وظیفه خرد کردن قطعات بزرگ سنگ و ایجاد قطعات کوچکتر را بر عهده دارند، دارای انواع گوناگون همچون سنگ شکنهای فکی ، چکشی و دورانی می باشند. در زیر سنگ شکنها ، سرند اولیه وجود دارد که خرده سنگهای شکسته در سنگ شکن ، روی آن می ریزند. قطعات مناسب خرده سنگها که از سرند اولیه عبور کنند، به قسمت دپوی مصالح منتقل می شوند و قطعات درشتی که روی سرند باقی می مانند، مجدداً به سنگ شکن باز می گردند .
دپوی مصالح
مواد اولیه تا زمان مصرف در قسمتی از کارخانه انبار می شوند . از آنجا که مواد اولیه نسبتاً ناهمگن و غیر یکنواخت است و سیمان تولیدی باید کاملاً یکنواخت باشد، شیوه انباشتن و برداشت مصالح به گونه ای است که تا حدودی این هدف را تامین کند. بدین منظور از روش ًباند همگن سازً استفاده می شود. در این روش ماشین مخصوصی که دارای یک بازوی متحرک در بالاست، در طول قسمت دپو بر روی ریل حرکت می کند و مواد آماده شده را توسط تسمه نقاله به بالا منتقل کرده ، با استفاده از بازوی متحرک، در کنار مسیر حرکت خود تخلیه می کند. نتیجه این عمل در طول حرکت رفت و برگشتی ماشین، ایجاد یک خاکریز از مصالح مورد نظر در امتداد مسیر حرکت است. هر ماشین می تواند دو خاکریز در طرفین خود ایجاد کند و هر کارخانه بسته به حجم تولید، به تعدادی از این ماشینها مجهز است.
در هر صورت مواد اولیه در لایه های افقی بر روی هم ذخیره می شوند. در صورت برداشت با مقاطع عمودی، قسمت برداشتی تقریباً شامل کلیه لایه ها خواهد بود.
آسیاب گلوله ای
در فرایند آماده سازی مواد اولیه جهت تهیه سیمان، باید این مواد کاملاً به شکل پودر درآیند. بدین منظور از آسیاب گلوله ای (ساچمه ای) استفاده می شود. آسیاب گلوله ای استوانه ای است که محور آن با افق زاویه کوچکی می سازد ودارای ابعاد گوناگون همچون 10×4 متر است. داخل این آسیاب، گلوله هایی است که در قسمتهای اولیه آن بزرگترند و هرچه به انتهای آسیاب نزدیک شود، کوچکتر می گردند. شیوه کار چنین است که در حالیکه استوانه می چرخد، این مواد با گلوله ها بالا می روند و از بالاترین نقطه سقوط می کنند. توالی این صعود و سقوط ، منجر به آسیاب شدن مواد می شود. مواد اولیه از قسمت ورودی آسیاب داخل می شوند و در اثر حرکت چرخشی و شیب استوانه به سمت خروجی پیش می روند و به صورت پودر از انتهای آن خارج می شوند. سنگ آهک و خاک رس هر یک در آسیابهای جداگانه ای آسیاب می شوند و پودر آنها در سیلوهای مخصوص نگهداری می شود. تفاوت آسیاب خاک رس با سنگ آهک آنست که به دلیل مرطوب بودن نسبی خاک رس، آسیاب کردن آن با حرارت همراه است تا پودر خاک رس به صورت کاملاً خشک بدست آید.
تهیه خوراک کوره
پس از آماده شدن پودر سنگ آهک وخاک رس ، نوبت به تهیه خوراک کوره می رسد. این عمل روشهای گوناگونی دارد و بر همین اساس ، روشهای مختلف تولید سیمان را دسته بندی می کنند. بدین منظور چهار شیوه وجود دارد که در ادامه به آنها اشاره می گردد.
روش تر
داخل حوضچه هایی را از آب پر می کنند و سنگ آهک، خاک رس و دیگر ترکیبات لازم را به نسبت معین به آن می افزایند. یک بازوی مکانیکی هم زن وظیفه اختلاط مواد و جلوگیری از ته نشین شدن آنها را بر عهده دارد. البته ممکن است از دمیدن هوای فشرده از زیر حوضچه به داخل آن هم استفاده شود. از دوغاب بدست آمده نمونه بردای کرده ، در آزمایشگاه تجزیه می کنند تا نسبت مواد در آن را تشخیص دهند. بدین ترتیب کمبود مواد و ترکیبات در دوغاب را تعیین و با استفاده از سیلوهای کمکی، مواد لازم را به میزان کافی اضافه می کنند تا دوغاب (لجن) با ترکیبات مناسب بدست آید.
دوغاب آماده شده را به کوره پخت سیمان می برند.
روش نیمه تر
در این شیوه، دوغاب بدست آمده از روش تر را پیش از آنکه به کوره بفرستند، داخل فیلترهایی به شکل آکاردئون می فشارند تا آب آن گرفته شود. حاصل ، خمیر سختی خواهد بود که پس از بریدن آن به شکل استوانه های کوچک ، این قطعات بدست آمده را به کوره می فرستند.
روش نیمه خشک
در این روش، مواد اولیه را بر روی سینی های دواری به نام ًدستگاه گلوله سازً ریخته، چهار الی پنج درصد آب اضافه می کنند. حرکت دورانی سینی و رطوبت موجود باعث پیوستن پودر مواد اولیه به یکدیگر و ایجاد گلوله هایی به نام اماج می شود. این گلوله ها خوراک کوره خواهند بود.
در این روش، پودر سنگ آهک و خاک رس به صورت خشک با یکدیگر مخلوط می شوند و نمونه هایی از آن تهیه می شود. این نمونه ها در معرض تابش اشعه X قرار می گیرند و بازتاب اشعه تحلیل می شود. از آنجا که هر ماده بازتاب مخصوصی از اشعه X دارد، با تحلیل طیفهای بازتابی از نمونه می توان درصد مواد گوناگون در نمونه را تعیین و نسبت به تنظیم آنها اقدام کرد. مخلوط حاصل به همان صورت خشک خوراک کوره خواهد بود.
کوره
هنگامیکه خوراک کوره به هر یک از چهار روش فوق آماده شد، باید در دمای حدود1400 درجه سانتیگراد حرارت ببیند تا فعل و انفعالات لازم به وجود آید. بدین منظور از دو نوع کوره استفاده می شود.
کوره قائم
کوره قائم، استوانه ای است ایستاده به قطر معمولاً 2 تا 3 متر و ارتفاع 7 الی 10 متر که داخل آن با لایه ای از آجر نسوز پوشیده شده است. خوراک کوره از بالا همراه با درصدی پودر ذغال کک وارد کوره می شود که ذغال در مجاورت آتش و دمیدن هوا از پایین کوره مشتعل گشته، حرارت لازم را تامین می کند. آنچه به صورت تفاله از پایین کوره خارج می شود، کلینکر نام دارد و جهت تولید سیمان از آن استفاده می شود. در حالیکه این کوره سیستم بسیار ساده ای داشته، زود به بهره برداری می رسد، غیر یکنواختی کلینکر تولید شده ، هزینه پرسنلی زیاد ، تولید کم و مصرف ذغال کک گران قیمت از مهمترین معایب آن به حساب می آید. علت عدم یکنواختی کلینکر آنست که برخی از خوارکهای کوره بیشتر حرارت می بینند و بعضی کمتر.
کوره گردنده افقی
کوره گردنده افقی استوانه ای است فلزی به قطر حدود 3 تا 4 متر و طول کافی که گاهی تا 160 متر نیز می رسد. محور این کوره با افق زاویه کوچکی می سازد تا مواد وارد شده از بالا، در اثر حرکت دورانی و شیب کوره به سمت پایین آن منتقل شوند. حرارت لازم کوره توسط مشعلی که در قسمت انتهایی قرار گرفته و جریان های گرم و حرارت را از انتهای کوره به سمت ابتدای آن برقرار می کند تامین می شود. از آنجا که دما در داخل کوره بسیار زیاد است، جهت گیری از انتقال آن به بدنه کوره ، قسمت داخلی آنرا با یک لایه آجر نسوز و همچنین عایق حرارتی (معمولاً پشم شیشه یا پشم سنگ) می پوشانند. در صورت خاموش کردن کوره ، تغییرات دمایی بسیار زیاد حاصله (در حدود 1400 درجه)، ایجاد شوک حرارتی می کند و باعث تخریب بخشهای درونی کوره می شوند. لذا حتی المقدور بجز در موارد ضروری یا تعمیر نباید کوره را متوقف نمود.
مواد اولیه از بالا وارد کوره می شوند. در قسمت ابتدایی کوره، مواد در دمایی حدود 800 درجه کاملاً خشک می شوند. در قسمت بعدی و در دمایی حدود 1000 درجه، سنگ آهک کلسینه می شود. یعنی Co2 آن خارج می شود. در قسمت انتهایی کوره حدود 25% مواد تحت دمایی بیش از 1400 درجه ذوب می شوند که این پدیده همراه با حرکت دوارنی کوره باعث چسبیدن سایر مواد به یکدیگر و تولید کلینکر می گردد. این کلینکر به عنوان محصول نهایی کوره از قسمت انتهایی آن خارج می شود.
جلوگیری از اتلاف انرژی
همانطور که اشاره شد، در کوره های گردنده افقی دو جریان مخالف هم برقرار است: 1ـ جریان مواد از بالا به پایین.
2ـ جریان هوای گرم از پایین به بالا
خروج کلینکر از پایین کوره و هوای گرم از بالای کوره ، باعث اتلاف بخش عظیمی از حرارت کوره و انرژی می شود. لزوم مقابله با این پدیده ، به ابداع شیوه های گوناگونی منجر شد که در ادامه خواهد آمد.
پیش گرم کن
پیش گرم کن متشکل از ظروفی به شکل مخروطهای ناقص معکوس است که در بالای ورودی کوره نصب می شوند و مواد پیش از ورود به کوره، داخل آن می گردند. هوای گرم خروجی از بالای کوره داخل این ظرفهای مخروطی شده، باعث گرم شدن مواد اولیه در آن می شود. این مساله هم باعث خشک شدن نسبی مواد و هم گرم شدن آنها می گردد و لذا به همین مقدار می توان از طول کوره کاست! پیش گرم کن مجهز به یک فن دمنده و تیغه هایی در مسیر است که جریان هوا پس از تنظیم سرعت توسط فن، در برخورد با تیغه ها آشفته شده، مواد اولیه را در خود شناور نگاه می دارد و گرم می کند.
پیش کلسینه کن
پیش کلسینه کن همانند پیش گرم کن بر مبنای استفاده هرچه بیشتر از انرژی تلف شده در بالای کوره ابداع شده است. پیش کلسینه کن بین پیش گرم کن و کوره نصب می شود و درصدی از مواد در اثر حرارت آن کلسینه می شوند. لذا به همین میزان می توان از طول کوره کاست و در انرژی و هزینه آن صرفه جویی نمود!
کولر زنجیری
قبلاً اشاره شد که بخش قابل توجهی از حرارت و انرژی کوره در قسمت انتهایی به دلیل خروج کلینکر داغ صورت می پذیرد. از طرفی کلینکر بدست آمده از کوره ـ که دمایی بیش از 1400 درجه دارد ـ به همان صورت داغ قابل مصرف نیست و باید پیش از ادامه فرایند سیمان سرد شود. این دو نکته سبب بکار گیری سیستمی به نام کولر شد تا هر دو منظور را تامین کند.
کولرها انواع مختلفی دارند و سیستم عمومی آنها بدین شرح است که کلینکر داغ از کوره وارد کولر می شود و تحت اثر جریان هوای خنک قرار می گیرد. از طرفی هوایی که در مجاورت کلینکرهای داغ گرم شده است، به داخل کوره هدایت می شود و میزان انرژی لازم جهت گرم کردن را کاهش می دهد. یکی از انواع کولرها، کولر زنجیری است که در آن ، کلینکرها پس از خروج از کوره بر روی یک شبکه زنجیری ریخته می شوند و از پایین تحت دمش هوا قرار می گیرند. جریان هوا در حرکت به بالا از میان کلینکرها ، آنها را خنک کرده، خود گرم می شود به داخل کوره می رود.
کولر اقماری
کولرهای اقماری عملکردی مشابه کولرهای زنجیری دارند و به صورت استوانه هایی با طول معین در قسمت انتهایی کوره نصب می شوند. این استوانه ها از داخل به درون کوره راه دارند. هنگامیکه کوره می چرخد و کلینکر آماده شده به انتهای آن می رسد، هر بار که یکی از استوانه ها در پایین کوره قرار می گیرد، مقداری کلینکر داخل آن می ریزد. جریان هوایی که از درون هر استوانه برقرار است، پس از خنک کردن کلینکرها به مشعل کوره منتقل می شود و از این طریق باعث صرفه جویی در مصرف سوخت کوره می شود.
فیلترهای الکترواستاتیک
هوای خروجی از بالای کوره، پس از عبور از پیش گرم کن، در نهایت وارد جو می شود. این هوا دارای مقدار قابل ملاحظه ای ذرات ریز معلق است که در صورت عدم بازیافت ، باعث آلودگی محیط زیست می شود. جهت جدا کردن این ذرات از هوا، از فیلترهای گوناگون استفاده می شود. یکی از انواع این فیلترها، فیلتر الکترواستاتیک است. در این سیستم، صفحاتی فلزی با بار مثبت الکترواستاتیکی در مسیر خروجی هوا قرار می گیرند و ذرات هوا پیش از ورود به فیلتر به وسیله جریان برق فشار قوی، به بار منفی باردار می شوند. ذرات با بار منفی به سمت صفحات با بار مثبت جذب می شوند و هوای خروجی عاری از آنها می گردد. هنگامیکه ضخامت ذرات روی صفحات به حد معینی برسد، با دستگاه های لرزاننده صفحات را تمیز می کنند. ذرات بدست آمده در صورت دارا بودن قابلیت مصرف ، به قسمت خوراک کوره بازگردانده می شوند. لازم به ذکر است این صفحات در اثر رطوبت و اسیدی بودن گازهای کوره زنگ می زنند و باید هر از چندگاهی تعویض شوند.
آسیاب نهایی کلینکر
کلینکر خارج شده از کولر دمایی در حدود 300 درجه دارد که هنوز مناسب ادامه روند تولید سیمان نیست ، لذا آن را در انبارهای سرپوشیده ای به مدت 5 تا 6 روز قرار می دهند تا دمای آن در مجاورت هوا به کمتر از 100 درجه ، یعنی حدود60 درجه برسد. حال این کلینکر را همراه با حدود3% وزنی سنگ گچ (CaSo4 ,2H2O) به وسیله آسیابهای گلوله ای آسیاب می کنند و پودر حاصل را با استفاده از سرند الک می نمایند. ذرات درشت تر از اندازه الک به آسیاب بازگردانده می شوند. آنچه در نهایت بدست می آید، پودر سیمان پرتلند است که دارای 10×1 یا 10×11 ذره سیمان است. بعداً خواهیم دید که سنگ گچ در زمان گیرش سیمان موثر است.
انتقال سیمان به محل مصرف
سیمان پس از تولید در سیلوهای مخصوص ذخیره می شود تا از آنجا به کارگاه منتقل گردد. انتقال سیمان به دو شکل انجام می شود که عبارتنداز:
1ـ پاکتی
2ـ فله ای
در روش پاکتی، سیمان در پاکتهای استانداردی بسته بندی و راهی بازار مصرف می شود. مطابق استاندارد ، کیسه ها باید در وزنهای 25 یا50 کیلوگرم و حداقل دارای سه لایه کاغذی باشند که جهت جلوگیری از نفوذ رطوبت ، بین دو تا از لایه ها باید غیراندود یا یکی از جنس پلاستیک باشد. بر روی پاکتهای سیمان باید علامت تجاری کارخانه ، نام تولید کننده، نوع سیمان، وزن کیسه و تاریخ تولید با رنگ مخصوص به تیپ هر سیمان نوشته شده باشد.
در روش فله ای، ماشین مخصوص حمل سیمان در زیر سیلو بارگیری کرده، بار خود را به سیلوی کرگاه منتقل می کند. هنگام تخلیه ماشین حمل سیمان، پس از اتصال لوله رابط به سیلو، با افزایش فشار و برقراری جریان هوا در لوله ، ذارت سیمان همانند سیال به داخل سیلو منتقل می شوند.
فساد سیمان
دو عامل باعث فساد سیمان می شود که عبارتند از:
1ـ جذب رطوبت از محیط
2ـ جذب CO2 از هوا
فساد سیمان در اثر رطوبت را هیدراته شدن و در اثر جذب CO2 را کربناته شدن گویند. به منظور جلوگیری از فاسد شدن سیمان در کارگاه، نکات چندی در مورد انبار کردن و استفاده از سیمان باید مدنظر قرار گیرد که به آنها اشاره می نماییم.
1ـ در صورت انتقال سیمان از کارخانه به کارگاه به صورت کیسه ای ، حتماً سطح بارگیر تریلی با برزنت یا پلاستیک پوشیده شود.
2ـ هنگام تخلیه و انتقال کیسه ها از پاره شدن آنها جلوگیری شود.
3ـ کیسه های رسیده به کارگاه در انبارهای سرپوشیده نگهداری شوند یا روی آنها روکش پلاستیکی قرار گیرد.
4ـ به هیچ وجه کیسه ها روی زمین چیده نشوند. برای قرار دادن کیسه ها از سطوح چوبی که سطح آنها حداقل 20cmاز زمین فاصله دارد استفاده شود.
5ـ حداکثر تعداد 12 کیسه سیمان روی یکدیگر قرار داده شوند.
6ـ هیچگاه بیش از مقدار مورد نیاز و پیش از زمان لازم ملات درست نشود.
در مورد اول و سوم، جذب رطوبت در اثر بارش احتمالی مد نظر بوده است. مورد دوم مربوط به جذب رطوبت و CO2 هواست. چهارمین مورد به جذب آب از زمین در اثر عوامل مختلف همچون جاری شدن آب در کارگاه اشاره دارد. در صورت وجود فاصله مناسب بنی سطح چوب و زمین، جریان هوا زیر کیسه ها برقرار شده، از مرطوب شدن آنها جلوگیری می کند (شکل 2ـ6). عدم رعایت نکته پنجم باعث می شود سیمان در کیسه های زیرین تحت فشار قرار گیرد و در اثر جذب اندکی رطوبت کلوخه شود (شکل 2ـ6). نکته ششم نیز در این رابطه است که اگر احتمالاً یکی از محموله های رسیده به کارگاه فاسد یا دارای هر ایراد دیگری باشد، بتوان آن محموله را به راحتی شناسایی و جدا کرد . آخرین مساله به فاسد شدن سیمان و عدم کارایی ملات در اثر سپری شدن زمان گیرش آن اشاره دارد.
عناصر و خواص سیمان
در فرایندهای تولید و مصرف سیمان، به طور عمده در دو مرحله با تغییرات شیمیایی مواجه هستیم:
1ـ هنگامیکه مواد در دمای بیش از 1400 درجه کوره با یکدیگر فعل و انفعال شیمیایی انجام می دهند.
2ـ هنگام مخلوط شدن سیمان با آب و انجام واکنش هیدراتاسیون .
در سیمان عناصر گوناگونی همچون کلسیم، سیلیسیم، آلومینیوم ، آهن ، منیزیم، سدیم، پتاسیم و گوگرد وجود دارد. البته بیشتر این عناصر به صورت اکسید وجود دارند. یعنی Cao , SiO2 ،AL2O3، Fe2O3 ،MgO، Na2O، k2O، SO3 . (در شیمی سیمانCaO را با SiO2 ،C را باAL2O3 ،S را با A و Fe2O3 را با F نمایش می دهند.) به این ترکیبات،اکسیدهای ساده سیمان گویند. برخی از این ترکیبات در فرایندهای درونی کوره با یکدیگر ترکیب شده، اکسیدهای مرکب زیر را به وجود می آورند: دی کلسیم سیلیکات C2S ، تری کلسیم سیلیکاتC3S، تری کلسیم آلومینات C3A ، تتراکلسیم آلومینات فریت C4AF مقادیر اکسیدهای ساده و مرکب در آزمایشگاه تعیین می شوند . لکن سری فرمولهای تجربی باجو نیز در محاسبه مقادیر اکسیدهای مرکب کاربرد دارند. این فرمولها عبارتنداز:
1- C3S= 4.07(CaO) – 7.60 (SiO2) – 6.718 (Al2O3) – 1.430 (Fe2O3) – 6.72 (SO3)
2- C2S= 2.867 (SiO2) – 0.754 (C3S)
3- C3A= 2.65 (AL2O3) – 1.692 (Fe2O3)
4- C4A = 3.043 (Fe2O3) (1-2)
هر کدام از اکسیدهای مرکب ، مسوول بخشی از خواص سیمانند. قسمت عمده سیمان از سیلیکاتهای کلسیم (حدود 50 درصدC3Sو بین 20 تا25 درصدC2S) تشکیل می شود و کلیه خواص مفید همچون چسبندگی، ثبات، مقاومت و … مربوط به آنهاست. تفاوتC3S با C2S در آنست کهC3S با آب سریع واکنش داده، مقاومت اولیه را همراه با حرارت هیدراتاسیون زیاد تولید می کند. اما C2Sکندتر واکنش نشان داده ، با تولید حرارت هیداراتاسیون کمتر، تامین مقاومت نهایی سیمان را بر عهده دارد. به عبارتی مقاومت هفت روز اول توسطC3S و مقاومت تا 28 روز و به بعد توسط C2S تامین می شود. C3A در کوره خود به خود تولید می شود و تنها می توان میزان آن را کم کرد. C3A اکسیدی است ناپایدار که در مجاور عوامل سولفاتی فوراً به ماده دیگری به نام اترنژیت تبدیل می شود. اترنژیت در اثر جذب آب، افزایش حجم پیدا می کند که باعث ترک خوردن بتن می شود. این پدیده را اصطلاحاً حمله سولفاتها گویند. C3A با آب به سرعت واکنش داده، گیرش حاصل می کند. جهت جلوگیری از بروز این پدیده ـ که به آن گیرش آنی می گیرند ـ هنگام آسیاب نهایی کلینکر به آن بین 3 تا 4 درصد سنگ گچ (CaSO4 . 2H2O )می افزایند. سنگ گچ با C3A واکنش ایجاد می کند و سولفو آلومینات کلسیم نامحلول (3CaO, AL2O3 ,3CaSO4,31H2O) به وجود می آورد و از این طریق از ظهور گیرش آنی جلوگیری می نماید. بعداً خواهیم دید جهت تهیه سیمان ضد سولفات (تیپ5) درصد C3A را کاهش می دهند.C4AF نقش چندانی در خواص سیمان ندارد و صرفاً به عنوان کاتالیزور حرارتی ایفای نقش می کند؛ به گونه ای که اگر نباشد، دمای پخت لازم در کوره مقداری بسیار بیشتر از 1400 درجه خواهد بود.
ضریب اشباع آهکی
ضریب اشباع آهکی (L.S.F) گویای نسبت سنگ آهک به خاک رس است و از فرمول ذیل محاسبه می شود.
L.S.F= ((CAO) – 0.7(SO3))/2.08 (SiO2)+1.02(AL2O3)+ 0.65 (Fe2O3)
در آزمایشگاه پس از تجزیه سنگ آهک و خاک رس ، مقادیر ترکیبات مورد نظر در فرمول L.S.F را محاسبه کرده ،ضریب اشباع آهکی را بدست می آورند.
اگر ضریب اشباع آهکی کمتر از 66،0 باشد، بدان معناست که مقدار سنگ آهک در سیمان کم است و سیمان مقاومت کافی ندارد. اگر این ضریب از 02،1 تجاوز کند، بدان معنی است که میزان سنگ آهک بیش از مقدار لازم جهت ترکیب با خاک رس است . مازاد سنگ آهک، در اثر حرارت زیاد کوره و فعل و انفعالات پیچیده آن به "آهک سوخته شده آزاد" تبدیل می شود. تفاوت آهک سوخته شده آزاد با آهک در آنست که تغییر حجم آهک در مجاورت آب در چند لحظه انجام شده ، پایان می پذیرد؛ حال آنکه این پدیده در مورد آهک سوخته شده آزاد، بسیار آهسته و طی چند سال صورت می گیرد و اگر این سیمان در ساخت بتن بکار رود، باعث ترک خوردن آن می شود .

زمان گیرش
تغییر وضعیت ژل سیمان از حالت خمیری به حالت جامد را گیرش گویند. زمان گیرش سیمان از آن جهت حائز اهمیت است که کلیه عملیات انتقال ، پمپ ، در قالب ریختن و احتمالاً پرداخت سطحی بتن فقط در این بازه زمانی ممکن است. به طور کلی دو نوع زمان گیرش در مورد سیمان لحاظ می شود که عبارتند از :
1ـ زمان گیرش اولیه
2ـ زمان گیرش نهایی
آیین نامه حداقل گیرش اولیه را یک ساعت و حداکثر زمان گیرش نهایی را 10 ساعت (برای سیمانهای معمولی) می داند.
زمان گیرش با دستگاهی به نام ویکات (به نام شیمی دان فرانسوی) مطابق شکل 2ـ12 سنجیده می شود. این دستگاه شامل یک بازوی متحرک متصل به میله ای عمودی است که تشکیلات سوزن همراه با عقربه نفوذ بر روی این بازو نصب است و در کنار آن صفحه مدرج عمودی قرار دارد. در کنار میله عمودی و زیر بازوی متحرک یک مخلوط ناقص بر روی صفحه پایه قرار دارد. تشکیلات سوزن شامل میله ای عمودی است که در یک طرف آن سوزنی با سطح مقطع دایره به قطر 10mm و در سر دیگر سوزنی به مساحت 1mm2 قرار دارد. از طرف با قطر 10mm برای تعیین میزان آب متعارف استفاده می شود(بخش 2ـ6ـ10) .
جهت تعیین زمان گیرش اولیه ، خمیری از سیمان مورد نظر با درصد آب متعارف می سازند و از لحاظ اختلاط آب و سیمان ، زمان سنج را به کار می اندازند. سپس ظرف مخروطی را از خمیر حاصل پر کرده ، سطح آن را صاف می کنند و نوک سوزن به سطح قاعده 1mm2 را بر سطح آن به صورت مماس قرار می دهند. آنگاه پیچ میله را شل می کنند تا سوزن تحت وزن خود و میله(300gr) به داخل خمیر سیمان فرو رود. میزان نفوذ سوزن در خمیر سیمان از روی صفحه مدرج قرائت می شود(ممکن است سوزن به طور کامل در خمیر فرو رود). این آزمایش در فواصل زمانی معین تکرار و هر بار میزان نفوذ سوزن در خمیر سیمان یادداشت می شود. مطابق تعریف، زمان گیرش اولیه زمانی است که سوزن با سطح مقطع 1mm2 به اندازه 2mm در خمیر سیمان نفوذ کند. با رسم نمودار میزان نفوذ ـ زمان می تواند زمان گیرش اولیه را بدست آورد(شکل 2ـ13).
جهت بدست آوردن زمان گیرش نهای ،به شیوه ای مشابه فوق و با استفاده از سوزن مخصوص به خود عمل می شود. سوزن گیرش نهایی همانند سوزن گیرش اولیه با این تفاوت است که یک کلاهک به گونه ای بر روی آن نصب شده که قاعده آن 5,0mm تا سر سوزن فاصله دارد (شکل 2ـ14).
مطابق تعریف ، زمان گیرش نهایی زمانی است که نوک سوزن مخصوص به اندازه 5,0mm در خمیر نفوذ کند یا قاعده کلاهک بر روی سطح خمیر بنشیند.
در اینجا متذکر می شویم که در زمان بتن ریزی ممکن است با دو نوع گیرش مواجه شویم که عبارتنداز : 1ـ گیرش آنی 2ـ گیرش کاذب
گیرش آنی در اثر کمبود سنگ گچ در سیمان و واکنش سریع با آب است که برگشت پذیر نمی باشد. اما گیرش کاذب به علت داغ بودن کلینکر هنگام آسیاب و تبدیل سنگ گچ به گچ در اثر تبخیر شدن دو ملکول آب سنگ گچ است که این گچ در مجاورت آب سفت می شود. لکن چون میزان گچ در مقایسه با حجم بتن اندک است، توانایی سفت کردن کل بتن را ندارد و شبکه های سفت شده در اثر هم زدن بتن با بیل یا هر وسیله دیگر گسسته شده، گیرش از بین می رود. در حقیقت گیرش کاذب برگشت پذیر است.
نرمی ذرات
نرمی ذرات پارامتری است از ریزی و درشتی ذرات سیمان. هر چه ذرات سیمان ریزتر باشد، سطح مخصوص آنها بیشتر و در نتیجه واکنش آنها با آب و کسب مقاومتشان سریعتر و حرارت هیدراتاسیون آنها بیشتر است. بنا به تعریف سطح مخصوص سیمان (با واحد cm2/gr ) عبارتست از مجموع سطوح ذارت موجود در یک گرم سیمان. در قدیم جهت بررسی اندازه ذرات سیمان از الک استفاده می شد. عمده ترین ایرادهای این روش عبارتنداز:
1ـ پودر نرم سیمان چشمه های الک را می بندد و موجب کم شدن دقت آزمایش می گردد.
2ـ چشمه های الک نمی توانند اندازه دقیق دانه ها را تعیین کنند.
انواع سیمان
به طور کلی سیمانهای ساختمانی به دو نوع پرتلند و غیر پرتلند تقسیم می شوند. در قدیم ، قیر، گچ و آهک قسمت عمده سیمانهای غیر پرتلند را تشکیل می داد. لکن امروزه انواع مواد پلیمری به عنوان سیمانهای غیر پرتلند مورد توجه قرار گرفته اند . مواد پلیمری دارای خواص بسیار گوناگون و مفیدی هستند. البته پاره ای مشکلات خاص خود مانند عدم مقاومت در برابر آتش ، تغییر خواص در دراز مدت واز همه مهمتر قیمت بسیار بالا را هم دارند.
2ـ8 ـ انواع سیمان پرتلند بر مبنای استاندارد ایران
در استاندارد ایران ـ که بر مبنای استاندارد ASTM تدوین شده ـ سیمان پرتلند به پنج تیپ (نوع) تقسیم می شود که عبارتند از :
تیپ 1ـ سیمان پرتلند معمولی
تیپ 2ـ سیمان پرتلند اصلاح شده .
تیپ3ـ سیمان پرتلند زود سخت شونده .
تیپ 4ـ سیمان پرتلند با حرارت کم .
تیپ 5ـ سیمان پرتلند ضد سولفات .
تجهیزات لازم برای تولید هر پنج نوع سیمان فوق و خط تولید آنها مشابه است و عمده اختلاف در مقدار مواد اولیه و درجه حرارت کوره می باشد.
سیمان پرتلند تیپ 1
همانطور که از نام سیمان پیداست، به طور معمول در کارها از این نوع سیمان استفاده می شود؛ مگر اینکه ویژگی خاصی مدنظر قرار گیرد. در استاندارد ایران سیمان تیپ 1 به سه دسته تقسیم می شود که عبارتند از : 325-1 ، 425-1، 525-1. این تقسیم بندی بر مبنای مقاومت 28 روزه نمونه های سیمانی است:
حداقل مقاومت 28 روزه سیمان پرتلند معمولی 325ـ1، 325 kg/cm3یا ,32.5Mpaاست.
سیمان پرتلند تیپ 2
با اصطلاحاتی که در خط تولید این نوع سیمان صورت پذیرفته ، درصد C3A در آن به حداکثر 8% محدود شده است. این امر با کاستن از میزان خاک رس در مواد اولیه امکانپذیر است. چرا که C3A حاوی اکسید آلومینیوم ( Al2O3) است که این اکسید در خاک رس وجود دارد. لذا جهت کاهش باید از میزان خاک رس کاست.
کم شدن C3A باعث کاهش حرارت هیدراتاسیون و همچنین مقاوم شدن سیمان (و بتن) در برابر حمله سولفاتهاست . زیرا همانطور که در بخش 2ـ5 گفتیم، C3A در مجاورت آب با سولفاتها ترکیب شده ، ماده ای به نام اترنژیت به وجود می آورد که در اثر جذب آب متورم می شود و ایجاد ترک می کند (به این پدیده حمله سولفاتها گویند).

سیمان پرتلند تیپ 3
زمان گیرش این نوع سیمان، مشابه سیمان پرتلند معمولی است. اما مقاومت اولیه آن به سرعت زیاد می شود؛ به گونه ای که در سه روز ، به مقاومت هفت روزه تیپ 1 می رسد. یادآوری می کنیم که سیمان زود سخت شونده با سیمان زودگیر تفاوت دارد.مفهوم زودگیر یعنی زمان گیرش سریع که با مفهوم کسب مقاومت سریع متفاوت است. در این نوع سیمان، کسب مقاومت سریع با آزاد شدن گرمای هیدراتاسیون زیادی همراه است و لذا نباید از این نوع سیمان در بتن ریزیهای حجیم استفاده کرد. زیرا بتن در اثر گرمای زیاد هیدراتاسیون منبسط می شود و در همان حال گیرش حاصل می کند. اما پس از سرد شدن، پدیده انقباض بتن را تحت کشش قرار می دهد و باعث ایجاد ترکهایی در آن می شود. برای دستیابی به این نوع سیمان در مرحله تولید عمدتاً دو کار انجام می شود:
1ـ میزان C3S در سیمان را افزایش می دهند. همانطور که در بخش 2ـ5 متذکر شدیم، C3S وظیفه تامین مقاومت اولیه را بر عهده دارد.
2ـ در آسیاب نهایی آن را نرمتر از سیمان پرتلند معمولی می کنند (حدود3200cm2/gr).
در صورت عدم دسترسی به این نوع سیمان می توان از سیمان پرتلند معمولی 525-1 بهره جست.
امروزه مواد دیگری نیز به سیمان اضافه می کنند و سیمانهای خیلی زود سخت شونده و سوپر سخت شونده بدست می آورند. در مصرف این نوع سیمانها باید دقت داشت که دقیقاً مطابق روش ارائه شده در راهنمای آن عمل شود.
سیمان پرتلند تیپ 4
در این نوع سیمان از طریق کم کردن میزان C3A C3S ،حرارت هیدراتاسیون را تا حد زیادی کاسته اند و از آن در بتن ریزیهای حجیم استفاده می کنند. البته میزان تولید این نوع سیمان در دنیا کم است و سعی می شود از سیمانهای جایگزین (همچون تیپ 5) استفاده شود.
در اینجا مناسب است بگوییم جهت کاستن حرارت هیدراتاسیون در بتن ریزی روشهای دیگری نیز وجود دارد که عبارتند از :
پیش سردکن: در این روش بجای آب از پودر یخ استفاده می شود . همچنین سعی بر آنست که سنگدانه ها حتی المقدور خنک باشند. بدین جهت شن و ماسه را از درون تونلهای خنک کننده عبور می دهند. به موازات آنها از میزان مصرف سیمان در بتن نیز تا حد امکان می کاهند. پس سردکن : در این روش ، لوله های مسی یا گلوانیزه مناسبی را در لابلای محدوده بتن ریزی قرار می دهند و هنگام بتن ریزی و در طول زمان عمل آوری، از میان آنها آب یا هوای سرد عبور می دهند. این لوله ها در بتن مدفون شده ، در آن باقی می ماند.
سیمان پرتلند تیپ 5
در این نوع سیمان ـ که با هدف استفاده در جاهایی که در معرض حملات سولفاتی است ساخته می شود ـ درصد C3A به حداکثر 5% محدود شده است. از آنجا که حرارت هیدارتاسیون این نوع سیمان بسیار کمتر از حرارت هیدراتاسیون سیمان پرتلند معمولی است، می توان از آن در بتن ریزیهای حجیم استفاده کرد.
تذکر این نکته ضروری است که سرعت کسب مقاومت این نوع سیمان کمتر از تیپ 1 است؛ به طوری که در 28 روز، حدود 91% مقاومت 28 روزه سیمان تیپ 1 را بدست می آورد. لذا در برخی آیین نامه ها مقاومت 42 روزه این نوع سیمان به جای مقاومت 28 روزه آن لحاظ می شود.
بحثی پیرامون حمله سولفاتها
تا مدتها پس از بکارگیری سیمان پرتلند معمولی در بتن، در برخی مناطق بتن کم کم سفید شده ، پودر می شد و می ریخت. این معنا توسط یک مهندس سوئدی به نام شلتون کشف شد. شلتون نشان داد در مناطقی که مواد سولفاتی وجود دارد، سولفاتها پس از نفوذ به درون بتن با C3A ترکیب شده ، ماده ای به نام اترنژیت یا اترینگات به وجود می آورند . این ماده جدید در اثر جذب آب متورم و باعث ایجاد ترک در بتن می شود که به این روند، حمله سولفاتها گویند. برمبنای این کشف، کاهش میزان C3A در سیمان و تولید سیمانهایی چون سیمان پرتلند تیپ 5 به عنوان راه حل مقابله با حمله سولفاتها ارائه شد. در روند حمله سولفاتها، نکته مهم آنست که تخریب بتن در اثر پدیده شیمیایی ترکیب سولفات C3A نیست؛ بلکه به علت پدیده فیزیکی انبساط اترنژیت در اثر جذب آب است! بعدها مشخص شد که سولفاتها علاوه بر ترکیب با C3A ، به Ca(OH)2 نیز حمله کرده، در ترکیب با آن تولید سنگ گچ می کنند که این محصول هم در مجاورت آب و با جذب رطوبت، منبسط می شود و در بتن ایجاد ترک می کند. از طرفی دیده می شد که استفاده از سیمان ضد سولفات(تیپ 5) در مناطقی نظیر حاشیه خلیج فارس ـ که مواد سولفاتی به وفور وجود دارد ـ بر خلاف انتظار جوابگو نبوده، بتن تخریب می شود که نمونه این پدیده درتیرهای برق مشهود بود. با بررسیهای دقیقتر مشخص شد این تخریب در اثر حمله کلریدهاست نه سولفاتها؛ بدین شرح که با کاهش میزان ، در کنار افزایش مقاومت در برابر سولفاتها، نفوذپذیری نیز زیاد می شود و کلریدها راحت تر به داخل بتن راه می یابند. کلریدها به میلگرد حمله می کنند و در آنها خوردگی به وجود می آورند که در نهایت منجر به تخریب بتن می شود و از آنجا که در مناطق حاشیه خلیج فارس کلریدها نیز به میزان زیاد در محیط وجود دارند، این مشکل ظهور می کرد. جهت رفع این معضل، پیشنهاد شد در این مناطق از سیمانهایی استفاده شود که درصد C3A در آنها از 8% کمتر باشد؛ ولی کمتر از 5% نشود. که هم در برابر سولفاتها مقاومت کند و هم قابلیت نفوذ زیادی نداشته باشد. به طور کلی چنین نیست که هر جا مساله وجود سولفاتها در محیط مطرح باشد، از سیمان تیپ 5 استفاده شود . نوع سیمان مناسب در ارتباط با مقدار سولفات محیط مطابق جدول 2ـ1 می باشد. همچنین در مقابله با حمله سولفاتها ، علاوه بر انتخاب سیمان مناسب، باید به نکات دیگری نیز توجه داشت که در پدیده بسیار موثرند:
1ـسولفاتها تنها در حالت محلول قادر به حمله به بتن هستند. لذا یکی از راه های مقابله با حمله سولفاتها دور نگاهداشتن بتن از رطوبت است. نمونه این عملیات قلوه چینی پیرامون پی ساختمانها جهت جلوگیری از نفوذ آب به پی است. همچنین در ساخت بتن نباید از آب دارای سولفاتها استفاده کرد.
2ـ تر و خشک شدن متناوب ، حمله سولفاتها را تشدید می کند. این پدیده به ویژه در سازه های بتنی کنار دریا که تحت تاثیر جذر و مد هستند مشاهده می شود. 3ـ از آنجا که هر چه میزان آب به سیمان (W/C) در بتن بیشتر باشد، نفوذپذیری و پیرو آن حمله سولفاتها و کلریدها بیشتر است، حتی المقدور باید مقدار آب را تا حد امکان کاست و به جای آن از مواد روان کننده استفاده کرد.
اصولاً بتن در معرض دو گانه حمله است:
1ـ حمله داخلی .
2ـ حمله خارجی.
در حمله داخلی، مواد مخرب با مواد اولیه وارد بتن می شوند و گریزی از حضور آنان نیست. مثلاً سولفات از طریق سنگ گچ موجود وارد بتن می شود. ممکن است آب مصرفی خود دارای مواد واکنش زا باشد و … . تنها راه مقابله با این حملات، دقت در انتخاب مواد اولیه و خشک نگه داشتن بتن حاصله است. اینگونه حملات طی سالیان طولانی و آهسته آهسته ظاهر می شوند. در حمله خارجی، مواد مخرب از خارج به درون بتن نفوذ کرده، آن را تحت تاثیر قرار می دهند. مانند حمله کلریدها در خلیج فارس. این گونه حملات طی مدت زمان بسیار کوتاه تری (بین 6 ماه تا یک سال) ظهور می کنند و راه های مقابله با آن قبلاً شرح داده شد.
2ـ10ـ دیگر انواع سیمانهای پرتلند
2ـ10ـ1ـ سیمانهای پرتلند پزولانی
پزولانها مواد سیلیسی یا سیلیس آلومیناتی هستند که خود قابلیت چسبندگی ندارند؛ اما به صورت پودر در کنار رطوبت با آهک ترکیب می شوند و ترکیبات سیلیکات کلسیم به وجود می آورند که خاصیت چسبندگی دارند. در تهیه سیمانهای پرتلند پزولانی، درصد مشخصی از مواد پزولانی را به سیمان پرتلند می افزایند و با سیمان حاصل، خواص جدیدی را تامین می کنند. یکی از مهمترین خواص این سیمانها مقاومتشان در برابر حمله سولفاتها می باشد. پودر سیمان پرتلند در مجاورت آب ، ژل سیمان را به وجود می آورد. 2(Ca(OH ماده ای است که در ژل سیمان یافت می شود و معایبی را به همراه دارد که عبارتند از:
1ـ آب هنگام خروج از لوله های مویین بتن، مقداری 2(Ca(OH را در خود حل و به خارج منتقل می کند. 2(Ca(OH در مجاورت هوا با CO2 ترکیب می شود و CaCo2+H2O را به وجود می آورد که پس از تبخیر آب آن به صورت سفیدکهایی بر سطح بتن ظاهر می شود.
2ـ جای 2(Ca(OH هایی که به صورت فوق از بتن خارج می شوند، خالی می ماند که این خود، عاملی در جهت افزایش نفوذپذیری بتن است.
3ـ 2(Ca(OH بستر مناسبی برای حمله سولفاتها به وجودمی آورد. زیرا سولفاتها به 2(Ca(OH حمله کرده، گچ به وجود می آورند . این گچ در اثر جذب رطوبت متورم می شود و همان مساله حمله سولفاتها به وقوع می پیوندد. پزولانها با 2(Ca(OH موجود در سیمان ترکیب می شوند و سیلیکات کلسیم به وجود می آورند که ماده ای است با خاصیت چسبندگی . در حقیقت پزولانها یک ماده مضر در سیمان را به ماده ای مفید تبدیل می کنند. تا مدتها گمان بر آن بود که مقابله با حمله سولفاتها فقط از طریق کاستن میزان C3A و استفاده از سیمان تیپ 5 میسر است. اما امروزه می دانند که میزان زیاد 2(Ca(OH نیز بستر مناسبی جهت حمله سولفاتها فراهم می کند و راه مقابله با آن استفاده از سیمان پرتلند پزولانی است. بر مبنای همین اصل ، همانگونه که در جدول 2ـ1 نیز مشاهده کردید، اگر درصد سولفات محیط بیش از 2% باشد، در کنار استفاده از سیمان تیپ 5 باید از مواد پزولانی استفاده کرد. سیمانهای پزولانی بر اساس میزان پزولان موجود در آنها به صورت ًسیمان پزولانی X%ًبیان می شوند. آیین نامه حداکثر میزان مجاز پزولان در سیمان پرتلند پزولانی را 15% می داند . البته در برخی سیمانها میزان پزولان تا مقادیری بسیار بیش از این هم می باشد؛ اما چنین سیمانهایی پرتلند محسوب نمی شوند. بلکه ًسیمانهای پزولانی با خواص مربوط به خود هستند. حرارت هیدراتاسیون پرتلند پزولانی بسیار پایینتر از سیمانهای پرتلند معمولی است و لذا در بتن ریزیهای حجیم همچون سد سازیها کاربرد دارند. اما در زمستان که خطر یخ زدگی وجود دارد نباید از آنها استفاده کرد. همچنین مقاومت آنها تا پیش از یک سال کمتر از مقاومت سیمانهای عادی می باشد (نمودار شکل 2ـ21) و لذا از سیمانهای پرتلند پزولانی در قسمتهایی که نیاز به کسب مقاومت سریع است نمی توان استفاده کرد. مواد پزولانی به دو گونه در طبیعت یافت می شوند:
پزولانهای طبیعی ، شامل خاکسترهای آتشفشانی است که از دهانه کوه های آتشفشان خارج می شود و در اطراف این کوه ها به صورت پوکه جمع می شود. شاید قدیمیترین خاکستر آتشفشانی که در صنعت سیمان به کار گرفته شد، خاکسترهای موجود در دهکده پزولان در دامنه کوه آتشفشان وزوو در ایتالیا باشد ـ و نام پزولان نیز از همین جا کسب شده است ـ . استاندارد شماره 3433 ایران خواص پزولانهای طبیعی را به دقت بیان کرده است که در هر مورد، پزولان مورد نظر باید تجزیه و با استاندارد تطبیق داده شود. از مهمترین مشکلات پزولانهای طبیعی . غیر یکنواختی آنهاست که در تولید سیمان یکنواخت ایجاد مشکل می کند. امروزه پزولانهای طبیعی کاربرد چندانی ندارند. پزولانهای مصنوعی گونه دیگری از پزولانها هستند که برخلاف پزولانهای طبیعی، کاربردهای متعددی دارند. دو نوع عمده آنها عبارتنداز:
1ـ خاکستر بادی .
2ـ دوده سیلیسی .
خاکستر بادی از سوختن ذغال سنگ در کوره های نیروگاه برق ـ که از این ذغال سنگ به عنوان سوخت استفاده می کنندـ بدست می آید. این ماده بر خلاف دوده سیلیسی که در دو کارخانه ًازناً در نزدیکی خرم آباد و ًسمنانً تهیه می شود، در ایران تولید نمی شود. جهت تهیه دوده سیلیسی ، با استفاده از برق فشار قوی، جرقه ای الکتریکی در انباشته ای از ذغال سنگ سیلیس به وجود می آورند. دوده ای که بدین طریق بدست می آید، همان دوه سیلیسی است. ذرات دوده سیلیسی 100 تا 200 بار کوچکتر از ذرات سیمان است و به دلیل همین نرمی زیاد هنگام استفاده از آنها یا باید میزان آب مصرفی را افزود یا از مواد روان کننده استفاده کرد.
سیمان پرتلند سرباره ای
به موادی که در بالای کوره بلند ذوب آهن جمع می شوند و به عنوان ضایعات صنعت فولاد شناخته شده اند، سرباره گویند. سرباره اگر به آهستگی سرد شود، حالت بلوری پیدا می کند که مصرف چندانی ندارد. اما اگر آن را به سرعت سرد کنیم، به صورت آمورف یا شیشه ای در می آیند که پس از پودر شدن، در صنعت سیمان کاربرد دارند. بدین منظور از جت آب سرد استفاده می شود. هنگام آسیاب کردن سرباره باید دقت داشت از آنجا که سختی سرباره بیش از سیمان است ، باید هر یک جداگانه آسیاب و در نهایت مخلوط شوند. در صورتیکه سیمان و سرباره با هم مخلوط شوند، بنا به دلایل فوق، ذرات سیمان نرمتر از سرباره ها خواهد شد. در ترکیب شیمیایی سرباره ها، سیلیکاتها، آلومینوسیلیکاتها و کلسیم وجود دارد که مقدار آنها در سرباره کوره های مختلف، متفاوت و به جنس مواد اولیه مصرفی کوره وابسته است. در ایران استاندارد شماره 3517 مشخصات سیمانهای پرتلند سرباره ای ـ که شباهت به سیمانهای پرتلند پزولانی داردـ را بیان می کند. در این استاندارد، سیمانهای سرباره ای بر مبنای سرباره موجود در آنها به سه دسته تقسیم می شوند . جدول 2ـ2 گویای این اطلاعات است. سیمان ًپ س 5ً مقاومت بسیار خوبی، حتی بهتر از سیمان پرتلند 5 ، در برابر حمله سولفاتها از خود نشان می دهد. با توجه به مواد اولیه در تولید سیمان پرتلند سرباره ای، معمولاً در نزدیکی کارخانه های ذوب آهن، یک کارخانه تولید سیمان نیز مشاهده می شود. مانند سیمان سپاهان در نزدیکی ذوب آهن اصفهان .
سیمان پرتلند بنایی
یکی از مصارف سیمان، تهیه ملات و استفاده از آن در آجرکاری است. بدین منظور ملات مورد استفاده باید خصوصیات ذیل را دارا باشد.
1ـ باید آب خود را حفظ کند. زیرا در حالت عادی، آجر در مجاورت ملات، آب ملات را جذب می کند و اصطلاحاً ملات را می سوزاند. چنین ملاتی به علت عدم وجود آب کافی برای هیدراتاسیون سیمان، چسبندگی و مقاومت مناسبی ندارد.
2ـ خشن نبوده، راحت پخش شود.
3ـ ترک خوردگی در آن تا حد امکان کم باشد.
ملاتی که از سیمان عادی تهیه می شود، خصوصیات فوق را ندارد. اولاً در برابر آجر آب خود را از دست می دهد. یعنی آجر آب آن را می کشد. برخی بنّاها برای کاستن این اثر آجر، آجرها را پیش از آجرکاری ًزنجابً می کنند. یعنی آنها را برای مدت معین در آب غوطه ور می نمایند. ثانیاً پخش کردن ملات ماسه سیمان چندان ساده نیست. به عبارتی این ملات خشن است . استادان بنّا برای رفع این مشکل ، به ملات سیمان، خاک رس یا آهک می افزایند . این مسایل متخصصان را به فکر تولید سیمانی با خواص مطلوب جهت کار بنایی واداشت. که نتیجه آن تولید سیمان پرتلند بنایی بود. در تولید این سیمان مقداری سنگ آهکی را همراه سیمان آسیاب می کنند . با وجودیکه مقاومت این سیمان از سیمان پرتلند معمولی کمتر است (در حدود 200kg2/cm)، اما برای هدف منظور بسیار مناسب است. چرا که مقاومت خود قالبهای آجر چیزی در حدود 80kg2/cm است. لذا مقاومت زیاد ملات کارایی ندارد و در صورت رسیدن بار به این حد، آجرها خرد می شوند. لازم به ذکر است افت مقاومت سیمان به ازای افزودن تا 50% آهک ، در حدود 5% است. معمولاً جهت متمایز کردن سیمان پرتلند بنایی با سیمان پرتلند عادی. حداکثر 10% به آن پودر قرمز رنگ هماتیت ـ که در جزیره هرمز یافت می شودـ می زنند که نتیجه آن پودر صورتی رنگ سیمان خواهد بود. استاندارد شماره 3516 ایران، مشخصات سیمان پرتلند بنایی را بیان کرده است. دقت کنید از سیمان پرتلند بنایی به هیچ وجه نمی توان در صنعت بتن استفاده کرد.
سیمان پرتلند آهکی
روش تولید این سیمان ـ که در آلمان به سیمان P.K.Z معروف است ـ مشابه سیمان پرتلند بنایی است با این تفاوت که در تولید سیمان پرتلند بنایی از همان پودر سنگ آهک ـ که از مواد اولیه کارخانه است ـ استفاده می شود؛ در حالیکه در تولید سیمان پرتلند آهکی از پودر آهک ویژه که دارای خواص معین در استانداردهای مربوط است استفاده می شود.
خواص این سیمان مشابه سیمان پرتلند معمولی است . در 28 روز مقاومت 330kg2/cmمی دهد و لذا می توان آن را در تهیه بتن به کار برد. علت عمده تولید این نوع سیمان، مساله اقتصادی است.
سیمان پرتلند سفید
رنگ سیاه سیمان ناشی از ترکیبات آهن و منگنز موجود درآنست. لذا جهت از بین بردن آن ، باید ترکیبات عناصر فوق تا حد امکان محدود و کم شود (کمتر از 1%) . همچنین در آسیاب سیمان به جای استفاده از گلوله های فلزی ـ که در اثر سایش مقداری آهن وارد سیمان می کنند ـ از گلوله های سرامیکی استفاده شود. از طرفی ترکیبات آهن در سیمان نقش کاتالیزور را داشته، از افزایش دمای پخت جلوگیری می کنند. در صورت حذف این ترکیبات، دمای پخت تا حدود 1800 درجه بالا می رود که غیر اقتصادی است. به منظور مقابله، از کاتالیزور حرارتی کرایولیت (فلرورسدیم و آلومینیوم) استفاده می شود. کنترلهای مختلف در تولید این نوع سیمان سبب افزایش قیمت آن نسبت به سیمان پرتلند معمولی شده است.
با وجودیکه سیمان سفید فقط به دلیل مشخصه رنگ سفیدش (در نماسازی و اندود کاری) استفاده می شود، از لحاظ جنس باید کلیه خصوصیات سیمان پرتلند معمولی را دارا باشد. جهت تعیین میزان سفیدی این سیمان ، قرصی از آن را تهیه می کنند و در کنار قرص منیزیم زیر میکرسکوپ قرار می دهند. به هر قرص نوری یکسان می تابانند و میزان انعکاس از هر یک را محاسبه می کنند. با توجه به آنکه مبنای سنجش سفیدی سیمان، میزان بازتاب نور از سطح قرص منیزیم است، درجه سفیدی عبارتست از نسبت بازتاب نور توسط قرص سیمان سفید به بازتاب نور توسط قرص منیزیم . حداقل لازم برای این نسبت 80% در نظر گرفته شده است.
سیمان پرتلند رنگی
گاهی لازم است به دلایل نماسازی یا متمایز کردن قسمتی از سازه، بخواهیم بتن رنگی داشته باشیم. در اینصورت باید از سیمان پرتلند رنگی استفاده کرد. بدین منظور ، هنگام آسیاب نهایی سیمان ، کلینکر را با حداکثر 10% مواد رنگی (براساس جدول 2ـ3) آسیاب می کنند تا سیمان رنگ مورد نظر را پیدا کند. در صورتیکه بخواهند سیمان با رنگهای تیره تولید شود، از کلینکر سیمان پرتلند معمولی و در صورت لزوم به دستیابی به رنگهای روشن ، از کلینکر سیمان پرتلند سفید استفاده می کنند.
به طور کلی مواد رنگی ساز باید دو خصوصیت عمده داشته باشند که عبارتنداز:
1- خنثی باشند. یعنی در واکنشهای هیدراتاسیون سیمان شرکت نکنند.
2ـ پایدار باشند. یعنی رنگ حاصل از آنها در اثر تابش آفتاب ، شرایط جوی و … تغییر نکند.
سیستم صحیح دستیابی به بتن یا سیمان رنگی همان است که ذکر کردیم. یعنی رنگ باید هنگام آسیاب شدن به سیما افزوده شود . افزودن رنگ به بتن در کارگاه هنگام ساخت بتن صحیح نیست و کیفیت یکنواخت و قابل قبولی ندارد. این نوع سیمان در ایران تولید نمی شود.
سیمان ضد آب
قبلاً دیدیم که سیمان انبار شده در اثر جذب آب یا فاسد می شود. در صورتیکه بخواهند سیمانی را برای مدت طولانی یا در محیط مرطوب انبار کنند،آن را به صورت ضد آب می سازند. بدین صورت که هنگام آسیاب کلینکر، درصدی اسیدهای چرب (اسید اولئیک ، اسید استئاریک یا اسید لاکتیک) به آن می افزایند . در این صورت لایه ای از چربی دور دانه های سیمان را گرفته ، از رسیدن رطوبت CO2 یا به آنها جلوگیری می کند. لذا این سیمان در انبار فاسد نمی شود. اما هنگامیکه با شن و ماسه در میکسر می ریزد، لایه چربی به علت اصطکاک بین سنگدانه ها و ذرات سیمان از بین می رود و سیمان به صورت عادی عمل می کند. این سیمان نیز در ایران تولید نمی شود.
سیمان حفاری
کاربرد این سیمان منحصر در چاه های نفت است. در حفاریهای نفتی که عمق آن گاهی به حدود 6000 متر نیز می رسد، جهت جلوگیری از ریزش دیواره ها با قرار دادن لوله هایی درون چاه ، پشت آن را دوغاب سیمان ترزیق می کنند. سیمان مصرفی برای این منظور باید تامین کننده خصوصیات زیر باشد:
1ـ زمان گیرش اولیه آن طولانی (در حدود 3 ساعت) باشد تا فرصت کافی برای پمپ کردن آن به اعماق پایینی زمین وجود داشته باشد.
2ـ از آنجا که در دما در اعماق پایینی زمین ممکن است تا حدود نیز برسد، باید در برابر حرارت مقاوم باشد.
3ـ چون لایه ریزی آن از پایین به بالاست، مقاومت سیمان باید پس از گیرش به سرعت افزایش یابد. سیمان مناسب برای این اهداف، سیمان حفاری یا سیمان چاه های نفت است که بسیار گرانقیمت تر از سیمان پرتلند معمولی است و هرگز نباید از آن برای منظور دیگری استفاده کرد. در صورت ساخت بتن با این سیمان، این بتن تا چند روز حالت خمیری دارد و دیر سفت می شود. اما پس از سفت شدن مقاومت بسیاری بالایی خواهند داشت و تخریب آن فوق العاده دشوار است.
سیمان گسترش یابنده
جمع شدگی یکی از خصوصیات سیمان است که اگر تحت کنترل در نیاید، موجب بروز خساراتی خواهد شد. بحث جمع شدگی و راه های مقابله با آن ، مفصل و نیازمند مجال دیگری است. سیمان گسترش یابنده، نوعی سیمان است که در آن به گونه ای با مساله جمع شدگی مقابله شده است . در این سیمان ـ که اولین بار توسط دانشمند فرانسوی به نام لوزیه تهیه شد ـ به سیمان موادی می افزایند که هنگام مصرف منبسط شود و جمع شدگی سیمان را جبران کند. انبساط مذکور تحت کنترل است و یا برابر میزان جمع شدگی است که در این صورت سیمان حاصل ، بدون جمع شدگی است و یا بیش از آن است که در این صورت سیمان حاصل ، منبسط شونده یا پف کننده است. جهت تولید این نوع سیمان ، کلینکر را با درصدی مواد منبسط شونده آسیاب می کنند. لوزیه، مخلوط سنگ گچ ، گچ معمولی و سنگ بوکسیت را با هم حرارت داد و ترکیب سولفوآلومینات کلسیم را بدست آورد و از آنجا که این ماده در مجاورت با آب منبسط می شود، از آن به عنوان ماده مورد نیاز استفاده کرد. این فرایند در حقیقت حمله مصنوعی سولفاتها به حساب می آمد. ولی جهت کنترل این حمله و انبساط ، از ماده تثبیت کننده ًسرباره کوره آهن گدازی استفاده کرد. البته امروزه مواد گوناگون به عنوان ماده گسترش یابنده به کار می روند. سیمانها از لحاظ گسترش یافتن به چهار دسته به شرح جدول 2ـ4 تقسیم می شوند. نکته ای که در ارتباط با استفاده از این سیمانها باید متذکر شد، آنست که شیوه مصرف دقیقاً مطابق با آنچه تولید کننده بیان کرده باشد. در غیر این صورت ممکن است نتیجه مطلوب حاصل نشده ، خساراتی هم به بار آید .
سیمانهای گسترش یابنده کاربردهای خاصی دارند که به برخی از آنها اشاره می شود.
الف ـ ترمیم روسازیهای بتنی
در روسازیهای بتی که یکپارچگی سطح مهم است، در صورتیکه بخشی از سطح سوراخ یا کنده شود، جهت پرکردن آن باید از سیمان گسترش یابنده استفاده کرد تا پس از حاصل کردن گیرش، منبسط شده ، کاملاً به دیواره های سوراخ بچسبد و یکپارچگی سطح را حفظ کند و از ظاهر شدن شکاف و درز جلوگیری نماید.
ب ـ ترمیم مخازن سیالات
در صورت بروز ترک یا درز در دیواره های بتنی مخازن سیالات ، ترک حاصل را نمی توان با سیمان عادی ترمیم کرد. چرا که پس از حاصل کردن گیرش ، باز در اثر پدیده جمع شدگی ، درز کوچکی باقی می ماند. بدین منظور از سیمان گسترش یابده استفاده می کنند تا با فشار آوردن به دیواره های ترک ، آن را به خوبی مسدود نماید.
ج ـ ترمیم قوسها
قوسها سازه هایی هستند که نیروهای قائم را به صورت نیروهای فشاری به پی منتقل می کنند(شکل 2ـ23). لازمه این عملکرد، یکپارچه بودن عناصر سازنده قوس است. در صورت بروز انقطاع در این عناصر ، محل قطع باید به وسیله سیمان منبسط شونده ترمیم شود تا یکپارچگی فوق تامین گردد.
د ـ نصب ستونهای بلند
هنگام نصب ستونها باید در شاغولی بودن آنها بسیار دقت کرد. در غیر این صورت ستون کج نصب می شود که باعث خارج شدن بار از محور بارگذاری و تحمیل ممان خروج از مرکز می گردد. این مساله مخصوصاً در ستونهای بلند بسیار اهمیت دارد. چرا که انحرافات اندک پای ستون، در ارتفاعات به وضوح ظاهر می شود.
جهت نصب اینگونه ستونها ، آنها را بر روی صفحاتی فلزی جوش داده، به محل منتقل می کنند. بر روی صفحات سوراخهایی جهت عبور پیچ است. این پیچها قبلاً در پی تعبیه شده اند. با قرار دادن صفحات فلزی روی پیچها و تنظیم مهره های مربوط ، ستون را به صورت شاغول در می آورند. آنگاه اطراف صفحه تا روی پی را بسته ، درون آن را دوغاب سیمان گسترش یابنده تزریق می کنند تا پس از کسب مقاومت ، هم ستون شاغول باشد و هم قدرت باربری سیستم تامین شود.
سیمان پرآلومین (برقی)
در خاتمه بخش سیمان، آشنایی با یک سیمان غیر پرتلند به دلیل خواص جالب آن مناسب به نظر می رسد. به دنبال کشف مساله حمله سولفاتها، یک دانشمند فرانسوی به نام ژول برد تحقیقاتی را جهت دستیابی به سیمانی مقاوم در برابر سولفاتها آغاز کرد. نتیجه این تحقیقات ، دستیابی به سیمان پرآلومین بود. در تولید این سیمان حدود 40% سنگ آهک را با 40% بوکسیت مخلوط نموده، 20% مواد دارای آهن و سیلیس می افزاییم و مخلوط را درون کوره حرارت می دهیم. کوره تولید سیمان برقی دارای یک قسمت قائم و یک قسمت افقی است که دما در قسمت افقی به بالاترین حد یعنی حدود 1600 درجه می رسد. در این دما ـ برخلاف روند تولید سیمان پرتلند که 25% مواد ذوب می شوند ـ کلیه مواد اولیه به صورت مذاب در می آیند. مواد مذاب از انتهای کوره خارج می شوند و داخل سینیهایی می ریزند تا به سرعت سرد شوند . حاصل، ورقه های شیشه ای مانند است که به دستگاه خردکن می روند و به صورت قطعات کوچکی در می آیند. این قطعات ، کلینکر سیمان برقی می باشند. کلینکر سیمان برقی را به آسیاب می برند و بدون افزودن هیچگونه ماده ای آن را آسیاب می کنند. نتیجه فرایند ، سیمان پرآلومین است که دارای رنگی تیره تر از سیمان پرتلند معمولی (تقریباً سیاه) می باشد. همانطور که گفته شد، هدف از تهیه این سیمان، مقاومت در برابر حمله سولفاتها بود که به خوبی انجام پذیرفت. بعداً دیده شد که مقاومت این سیمان در مقایسه با سیمان پرتلند معمولی بسیار سریعتر افزایش می یابد؛ به گونه ای که در یک روز، مقاومت 28 روزه سیمان پرتلند عادی را بدست می دهد (شکل 2ـ25). با توجه به اینکه این کشف، پس از جنگ جهانی دوم و آغاز دوران بازسازی در اروپا صورت پذیرفت، سیمان پرآلومین با اقبال فراوان و مصرف گسترده ای مواجه شد. لکن برخی سازه هایی که در آن این نوع سیمان به کار رفته بود، خراب می شد. مدتها علت این امر پوشیده بود تا نهایتاً در دهه 1960 پدیده تبدیل کشف گردید. دانشمندان نشان دادند که این سیمان در دمای بین 20 تا 30 درجه مخصوصاً در محیطهای مرطوب دچار تغییرات شیمیایی شده ، چسبندگی خود را از دست می دهد که این امر باعث تخریب سازه های این نوع سیمان است. کشف پدیده تبدیل ، مصرف سیمان پرآلومین در کارهای ساختمانی را ممنوع کرد . امروزه کاربرد این سیمان در دماهای بسیار بالا یا پایین است؛ مثلاً در مناطق قطبی یا استوا. لکن مهمترین کاربرد آن ، استفاده به عنوان سیمان نسوز است. این سیمان تا دمای حدود 1600 درجه را به خوبی تحمل می کند و لذا می توان از آن در چسباندن آجرهای نسوز درون کوره سیمان بهره جست.
مراحل تولید
۱- استخراج مواد اولیه از معدن
۲- خرد کردن اولیه و مخلوط نمودن کامل مواد خام
۳- آسیاب و خرد کردن کامل مواد اولیه و انبارش مواد خام
۴- پخت مواد خام و تولید و انبارش کلینکر
۵- آسیاب و خرد کردن کامل کلینکر و تولید و انبارش سیمان سفید
۶- بسته بندی و بارگیری سیمان سفید
۷- نمونه برداری از قسمت های مختلف خط تولید و محصول نهایی و کنترل کیفی سیمان سفید
سیمان، این محصول استراتژیک و بسیار مهم دست بشر، انواع گوناگون دارد که تمامی انواع آن از آهک ساخته می شود. تاریخچه سیمان خود بیانگر سیر تکامل دانش بشری برای دستیابی به این محصول می باشد. انواع مختلف سیمان در بسیاری از موارد شبیه هم ساخته می شوند و مشترکاتی دارند و در ایران نیز انواع مختلفی از سیمان تولید می شود ولیکن منظور از بحث ما در این مقاله، نحوه ساخت و فرآوری سیمان سفید پرتلند می باشد.
خط تولید سیمان سفید کمی پیچیده تر از سیمان خاکستری است و برای سفید نمودن رنگ سیمان، مواد بسیاری را به غیر از آهک می طلبد. در اصل سیمان در حالت کلی از آهک و رس ساخته می شود. رنگ تیره سیمان به دلیل وجود سولفات آهن و سولفات منیزیم در سیمان است، همچنین دوده ناشی از سوخت نیز باعث رنگ تیره سیمان می شود. پس برای سفید شدن سیمان باید سولفات آهن و منیزیم از سیمان حذف شود و همچنین از سوخت مناسب و بدون دوده استفاده شود.
به همین جهت برای تولید سیمان سفید، از خاک رسی که میزان سولفات آهن و منیزیم آن از ۸ درصد کمتر است استفاده می کنند. از طرفی سوخت کوره را به نحوی انتخاب می کنند که تولید دوده نکند (مثلا از گاز استفاده می کنند) بنابراین با مخلوط نمودن موادی دیگر نوعی رس با رنگ سفید و بدون مواد فوق ساخته می شود. سنگ های کائولن، وست، فلدسپات و … از عناصری هستند که در سیمان سفید به جای خاک رس به کار می روند. گفتنی است در آسیاب نمودن و خرد کردن کلینکر (تا تبدیل به سیمان شود) برای سفیدتر شدن رنگ سیمان و همچنین برای کمک به استحکام، به آن مقداری پودر سنگ گچ نیز افزوده می شود.
خط تولید سیمان سفید را به طور کلی می توان به مراحل ذیل دسته بندی کرد؛
۱- استخراج مواد اولیه از معدن
۲- خرد کردن اولیه و مخلوط نمودن کامل مواد خام اولیه
۳- آسیاب و خرد کردن کامل مواد اولیه و انبارش مواد خام
۴- پخت مواد خام و تولید و انبارش کلینکر
۵- آسیاب و خرد کردن کامل کلینکر و تولید و انبارش سیمان سفید
۶- بسته بندی و بارگیری سیمان سفید
۷- نمونه برداری از قسمت های مختلف خط تولید و محصول نهایی و کنترل کیفی سیمان سفید
۱- استخراج مواد اولیه از معدن
مواد اولیه تولید سیمان سفید اعم از آهک، کائولن، وست (ضایعات کائولن)، فلدسپات و گچ ابتدا بایستی از معادن مربوطه استخراج و به محل تولید حمل شوند. در داخل کارخانه هر کدام از سنگ ها و مواد اولیه به طور جداگانه در محلی خاص دپو یا انبار می شوند تا در مرحله بعدی مورد استفاده قرار گیرند.
عموماً به دلیل اینکه از نفوذ ذرات آنها به خاک زیرین محل دپو و احیاناً آبهای زیرزمینی در اثر بارش باران و فعل و انفعالات طبیعی، جلوگیری شود، بهتر است در زیر این دپوها، سطحی بتونی جهت این هدف ساخته شود و مواد بر روی این سطح دپو شوند.
در حال حاضر ۲ معدن سنگ آهک قابل استخراج در مجاورت کارخانه واقع شده است که اولی با فاصله یک و نیم کیلومتری در نزدیکی روستای خانقاه سرخ و دیگری با فاصله شش و نیم کیلومتری نزدیکی روستای عسگرآباد کوه می باشد. معدن اولی به رغم مالکیت حقوقی آن با شرکت سیمان سفید ارومیه، به دلیل مشکلات حقوقی با اهالی و روستاهای اطراف در حال حاضر فعال نیست و به ناچار شرکت، سنگ آهک مصرفی خود را از معدن دوم که مجوز و امتیاز استخراج آن را شرکت معدنی اورکان به عهده دارد، خریداری می نماید.
سایر مواد اولیه اما به دلیل اینکه معادن مربوط، در مجاورت و نزدیکی کارخانه موجود نیست و در منطقه نیز معادن مورد نظر وجود ندارد، از جاهای دیگر مانند گچ از معدن روستای قارنی یاریق شهرستان خوی (آذربایجان غربی)، کائولن و وست از شرکت خاک چینی ایران شهرستان مرند (آذربایجان شرقی) و فلدسپات از معدن سعدل شهرستان چالدران (آذربایجان غربی) خریداری می گردد.
۲- خرد کردن اولیه و مخلوط نمودن کامل مواد خام
جهت انبارش و پختن مواد اولیه، سنگ های بزرگ می بایستی خرد شوند و همچنین به نسبت های خاص مورد نیاز مخلوط گردند؛ بنابراین سنگ ها از دو هاپر (قیف) دپارتمان سنگ شکن وارد دستگاه سنگ شکن می شوند و با نسبت های مورد نیاز ضمن شکستن و خرد شدن سنگ ها، با هم مخلوط می گردند. پس از این کار، مواد خرد شده توسط تسمه نقاله به دپارتمان نمونه گیری سنگ شکن هدایت می گردد (در این دپارتمان در هر ساعت ۶۰ کیلوگرم از مواد در جریان تولید نمونه برداری می شود تا در آزمایشگاه اشعه ایکس، از قرص تهیه شده از مواد اولیه آنالیز به عمل آمده و میزان درستی نسبت های اختلاط مواد اولیه اطلاع حاصل شود تا در مراحل بعدی، نواقص احتمالی قبل از ورود مواد به آسیاب مواد خام، رفع گردد).
بعد از دپارتمان نمونه گیری، مواد توسط تسمه نقاله مجدداً به سالن اختلاط مواد هدایت می شود. در سالن خاک یا اختلاط، مواد بایستی هموژنیزه (کاملاً مخلوط) شوند تا اختلاط مواد کاملاً با نسبت های مشخص شده توسط واحد کنترل کیفی، مطابق شود و نیز این نسبت در تمام نقاط مواد یکسان باشد. در سالن اختلاط مواد، ابتدا دستگاه "استاکر" به صورت عمودی تپه های مواد را تشکیل می دهد تا دستگاه "ریکلایمر" مواد را به صورت افقی برداشت نماید و به دپارتمان آسیاب مواد هدایت کند.
۳- آسیاب و خرد کردن کامل مواد اولیه و انبارش مواد خام
پس از اینکه ستگ های بزرگ مواد اولیه به سنگ های کوچک و سنگریزه تبدیل شدند و همچنین کاملاً به صورت کنترل شده با نسبت هایی که باید، با همدیگر مخلوط شدند، نوبت به آسیاب و خرد کردن کامل آنها می رسد، در مرحله پیش یادآور شدیم که مواد پس از خردایش و قبل از ورود به سالن اختلاط مواد، نمونه برداری می شود تا پس از آنالیز، در صورت وجود نقایص در نسبت های اختلاط مواد، قبل از ورود به دستگاه آسیاب مواد خام، برطرف شوند. بنابراین در قسمت دپارتمان آسیاب مواد خام، بونکرهایی از دیگر مواد اولیه به طور آماده تعبیه شده اند تا در صورت نیاز به موادی که درون آسیاب مواد خام ریخته می شوند، اضافه شوند. کنترل ریخته شدن این مواد توسط اتاق کنترل مرکزی صورت می گیرد.
پس از اینکه این کنترل ها انجام شد، مواد به سمت آسیاب مواد خام هدایت می شوند تا کاملاً به صورت پودری درآیند و سپس در سیلوهای مواد خام انبار و نگهداری می شوند، اما این مواد، خام است و بایستی توسط کوره پخته شود.
۴- پخت مواد خام و تولید و انبارش کلینکر
مواد خام برای تبدیل شدن به سیمان سفید می بایست پخته شود. بنابراین مواد آسیا شده، به سمت سیکلونهای پیش گرم کن (پری هیتر) هدایت می شود. سیکلونهای پری هیتر (که به شکل مخروطی با راس پایین هستند)، به وسیله گازهای خارج شده از کوره که به سمت بالا حرکت می کند و موادی که تدریجاً به سمت پایین عبور می کند، دمای مواد عبوری را به تدریج بیشتر و بیشتر کرده و برای ورود به دهانه کوره و پخت آنها کمک می کند. در صورتی که این آمادگی برای مواد خام وجود نداشته باشد، مقداری از مواد خام باقی مانده و مقداری دیگر خواهند سوخت و یا فرایند پخت مواد بسیار زمانبر خواهد بود که این آمادگی موجب می گردد تا مواد به صورت کاملاً یکدست و در پروسه ای با زمان کم و در نتیجه با صرف سوخت و هزینه کمتر پخته شود. دمای مواد در ابتدای ورود به قسمت پری هیتر بایستی تقریباً ۱۰۰ درجه سانتی گراد باشد که رفته رفته با بالاتر رفتن دمای مواد در هنگام ورود به کوره، به دمایی تقریباً ۷۰۰ درجه سانتی گراد می رسد.
دهانه ورودی کوره (اینلت) نسبت به سر انتهایی آن (آوت لت) کمی بالاتر است و نیز کوره در جریان پخت با سرعت ثابتی دارای حرکت دورانی است که این موجب می شود مواد در داخل کوره همزمان با بالاتر رفتن دمای آن و پخته شدن به سمت قسمت خروجی حرکت کند و به سمت گریت کولر پیش برود. مواد پس از پخته شدن در کوره به مواد مذابی تبدیل می شوند که با حرکت دورانی کوره نیز کمی کلوخه می شوند این کلوخه ها کلینکر نام دارند. دمای کلینکر خروجی کوره نیز تقریباً ۱۳۵۰ درجه سانتی گراد می باشد.
دمای بالای کلینکر مذاب پس از خروج از کوره توسط گریت کولر (به وسیله برخورد با آب سرد)، به یکباره پایین می آید و به تدریج رنگ آن به سفید مایل به سبز روشن مغز پسته ای تبدیل می شود. پس از این مرحله، کلینکر تولیدی به سمت سیلوهای کلینکر جهت انبارش و نگهداری آن هدایت می گردد.
۵- آسیاب و خرد کردن کامل کلینکر و تولید و انبارش سیمان سفید به کلینکر قبل از ورود به آسیاب سیمان و خرد شدن با نسبتی مشخص، پ سنگ گچ اضافه می شود که رنگ کلینکر را سفیدتر کرده و به استحکام و مقاومت آن کمک کند. سپس کلینکر توسط آسیاب به پودر نرم و سفیدی تبدیل می شود که سیمان سفید نام می گیرد و به سمت سیلوهای سیمان جهت انبارش و نگهداری آن هدایت می شود
۶-بسته بندی و بارگیری سیمان سفید
سیمان سفید تولید شده، در پایان راه خود و در زمان فروش به مشتری، در کیسه هایی از جنس پلی پروپیلن با وزنهای ۲۵ و ۵۰ کیلوگرمی (بسته به درخواست مشتری) بسته بندی شده و توسط خودروهای سنگین به سوی مقصد حمل و از کارخانه خارج می گردد.
۷- نمونه برداری از قسمت های مختلف خط تولید و محصول نهایی و کنترل کیفی سیمان سفید تمام خط تولید با نمونه گیری و نمونه برداری از مواد انبار شده، در جریان تولید و تولید شده، کیفیت محصول توسط آزمایشگاه های مجهز کارخانه، کنترل می شود و در مواقع نیاز اقدامات اصلاحی بر روی تولید انجام می گیرد تا محصول تولیدی تمام مطابقت های لازم با استانداردهای ملی و بین المللی و نیز درخواست ها و نیازهای مشتری را داشته باشد. همچنین تاریخ تولید سیمان تولید شده در هر روز بر روی بسته بندی چاپ می شود و نمونه سیمان تولید شده هر روز به مدت شش ماه در کارخانه محفوظ باقی می ماند تا شکایات احتمالی مشتریان محصول، قابل ردگیری و رهگیری باشد و در صورت ایجاد خسارت برای مشتری در صورتی که ایراد و اشکال سیمان سفید استفاده شده از حیث فرایند تولید آن باشد، مساله پیگیری و میزان خسارت آن جبران می گردد. همچنین علاوه بر کنترلهای فوق نحوه نگهداری و انبارش صحیح سیمان سفید نیز براساس استانداردهای ملی و بین المللی بر روی بسته های سیمان حک گردیده است تا مشتریان در هنگام استفاده، از سیمان سفید مرغوبی برخوردار گردند.
سیمان ماده ای چسبنده است که قابلیت چسبانیدن ذرات به یکدیگر و بوجود آوردن جسم یکپارچه از ذرات متشکله را دارا می باشد و از ترکیب مصالح آهکی، رس، سیلیس و اکسیدهای معدنی در دمای ۱۴۰۰ تا ۱۵۰۰ درجه سانتی گراد ساخته می شود. به جسم حاصل، پس از حرارت دادن کلینکرگویند و از آسیاب کردن آن به همراه مقدار مناسبی سنگ گچ سیمان تیپ های مختلف بدست می آید و همچنین اضافه نمودن پوزولان به کلینکر و گچ سیمان پوزولانی حاصل می شود. اندازه دانه های کلینکر۲۰-۵ میلی متر و رنگ آن سبز تیره می باشد.
سیمان یا سمنت واژه ایست که از لغت سمنتوم رومی گرفته شده و قدمت آن به پیش از میلاد می رسد. مصرف آن در ساختمان پانتئون شهر رم واقع در ایتالیا که مربوط به ۲۷ قبل از میلاد است، دیده شده است. در ساختمان گنبد این بنا که ۴۳ متر قطر دارد، مخلوطی از خرده سنگ و آهک پخته به کار رفته است.
ولی کشف سیمان به شکل امروز مربوط است به یک نفر بنای انگلیسی بنام ژوزف اسپدین که از پختن آهک و خاک رس در حرارت بالا و آسیاب کردن آن موفق شد ابتدایی ترین نوع سیمان را کشف نموده و آن را در تاریخ ۲۱ اکتبر ۱۸۲۴ به نام خود در انگلستان ثبت نماید و نام محصول به دست آمده را سیمان پرتلند گذاشت. علت این نامگذاری همان طور که گفته شد آن است که سیمان از سمنتوم رومی گرفته شده است و پرتلند نام جزیره ایست در انگلستان که رنگ سیمان پس از سخت شدن به رنگ سنگ های ساحلی این جزیره در می آید، به همین دلیل نام پرتلند را به دنبال سیمان برای آن انتخاب نموده اند. البته قبل از ژوزف اسپدین، اشخاص دیگری در فرانسه و انگلستان از پختن خاک رس و سنگ آهک مصالح مشابهی به دست آوردند ولی هیچ کدام 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.
تاریخ علم سیمان
قرون ۱۸ و ۱۹ زمان کشف بسیاری از پدیده ها بود و توجه زیادی به پدیده های علمی و طبیعی توسط دانشمندان و محققین می شد. یکی از پدیده هایی که مورد توجه زیادی بود گیرش و سخت شدن ملات ها بود. از جمله این مواد، خواص هیدورلیکی ملات ها بود که در سال ۱۷۵۶ توسط "جان اسمیتون" انگلیسی کشف گردید. نامبرده به خواص مهم ترکیبات موجود در خاک رس، گیرش هیدرولیک و خاصیت سخت شدن این ترکیبات پی برد. این اکتشاف در پی تحقیقات او برای ربودن جایزه مسابقه ای بود که تحت عنوان بهترین ملات جهت تجدید بنای "فانوس دریایی ادی استون" مطرح شده بود و اسمیتون طی تحقیقات خود متوجه شد که بهترین ملات از پختن نوعی سنگ آهک به دست می آید که در آن مخلوط سنگ، مقداری خاک رس نیز وجود داشته باشد. دنبال کردن این کشف توسط آقایان هیگینز و پارکر سرنخ اکتشافات بعدی بود تا اینکه اولین اقدام بشر در زمینه تهیه مخلوط مصنوعی از سنگ آهک و خاک رس برای تهیه سیمان آبی به نام آقای ویکت فرانسوی ثبت شد. اما نهایتاً افتخار نهایی نصیب آجرچین انگلیسی به نام جوزف اسپیدین شد. او موفق شد از پختن مخلوطی از سنگ آهک و خاک رس (به نسبت متفاوت و به صورت دوغاب) در درجه حرارت بالا به نوعی آهک آبی فوق العاده جالب دست یابد که نام آن را سیمان پرتلند گذاشت و در ۲۱ اکتبر ۱۸۲۴ سیمان ساخته شده خود را به ثبت رسانده و لوح تقدیر از جرج چهارم دریافت کند. علت این نامگذاری هوشیارانه شباهت خیلی زیاد رنگ آن با نوعی سنگ آهک موجود در جزیره پرتلند انگلیس است. سیمان ساخته شده او واقعاً بهتر و عالی تر از تمام سیمان های قبلی بوده و دارای مقاومت بیشتری بود. به همین علت از آن در ساخت پارلمان جدید انگلستان که از سال ۱۸۴۰ تا ۱۸۵۲ طول کشید، استفاده گردید. بدین ترتیب بشر وارد عصر تولید صنعتی سیمان شد و برای اولین بار در تاریخ صنعتی، نخستین موسسه استاندارد تولید توسط تولیدکنندگان سیمان در کشور آلمان به وجود آمد؛ لذا سیمان اولین محصول صنعتی است که دارای استاندارد تولید شده است. تولید صنعتی سیمان پرتلند از اوایل قرن ۱۹ با کوره های دارای ۵تن ظرفیت در هفته که کاملاً شبیه به کوره های آهک پزی بوده شروع و به مرور هماهنگ با افزایش تقاضا برای این کالای معجزه گر ابداعاتی در ساختمان کوره ها و نحوه تولید صورت گرفت. بالاخره با ابداع کوره های دوار، قدم عظیمی در جهت پاسخگویی به بازار مصرف برداشته شد. ثمره ۸۰ سال کار و استفاده از تکنولوژی دوار سیمان منتهی به ساخت کوره هایی با ظرفیت ۱۰۰٫۰۰۰ تن کلینکر در روز شده است. اکنون هزاران کوره در کلیه نقاط دنیا هر جا که معادن سنگ آهک و خاک رس وجود داشته باشد، مشغول به تولید سیمان است.
تاریخ تولید سیمان در ایران
اینکه از چه تاریخی مصرف سیمان در ایران باب شده است چندان مشخص نیست ولی آنچه که مسلم است ورود سیمان به ایران توسط بیگانگان بوده است که از آن برای ساختن بناهایی نظیر کلیساها و سفارتخانه ها و تاسیسات بندری استفاده شده است. با شروع قرن ۱۴ هجری شمسی سرعت گسترش کارهای زیربنایی، همزمان با تحولات صنعتی جهانی آنچنان گسترده است که کیفیت و کمیت محصولات سنتی ساختمانی جواب گوی نیازها نبوده است و خصوصاً با شروع احداث راه آهن سراسری ضرورت استفاده از سیمان جهت ساخت پل ها و تونل ها و ایستگاه ها کاملاً محسوس تر گشت. از آنجایی که سیمان کالایی ارزان قیمت و سنگین وزن است و مصرف آن وقتی مقرون به صرفه است که محل تولید و مصرف، حتی الامکان نزدیک به یکدیگر باشند، لذا پس از مدتی که سیمان وارد می شد تصمیم بر این شد که با توجه به وفور مواد اولیه سیمان در ایران، از محل عواید حاصل از قند و شکر اقدام به تاسیس یک کارخانه ۱۰۰تنی (روزانه) سیمان بشود. در سال ۱۳۱۰ این تصمیم شروع به عمل شده و مطالعات اولیه زمین شناسی منجر به انتخاب محلی واقع در ۷ کیلومتری جنوب تهران آن زمان و در کنار کوه بی بی شهربانو گردید. کار احداث این واحد با سرمایه ۸ میلیون ریالی در بهمن ماه ۱۳۱۲ به پایان رسیده و بلافاصله بهره برداری از آن آغاز گردید. (تقریباً ۵۰ سال پس از ژاپن، ۶۰ سال پس از آمریکا، ۷۰ سال پس از آلمان و ۱۰۰ سال بعد از انگلیس). با گذشت زمان و فزونی تقاضا برای این محصول، نیاز به کارخانه های دیگر معلوم و آشکار شد؛ لذا در تاریخ ۱۳۱۴ کارخانه دیگری با ظرفیت روزانه ۲۰۰ تن خریداری و در سال ۱۳۱۵ در جوار کارخانه قبلی عملیات ساختمانی آن شروع و در سال ۱۳۱۶ بهره برداری از واحد دوم آغاز شد. شاید لزومی به گفتن ندارد که رکن اصلی هر بنایی سیمان و خواص معجزه آسای آن می باشد و هیچ سازه و بنایی بدون وجود سیمان قابل تصور هم نیست.
اجزای تشکیل دهنده سیمان
مصالح آهکی خارجی حدود ۶۰٪ الی ۶۷٪
رس (حدود ۳٪ الی ۷٪)
سیلیس (۱۷٪ الی ۲۷٪)
اکسیدهای معدنی
اکسید آهن (۰/۵٪ الی ۶٪Fe2O
اکسید سدیم (۰/۲٪ الی ۱/۳٪Na2O
اکسید منیزیم (۰/۱٪ الی ۴/۵٪MgO
اکسید پتاسیم (۰/۲٪ الی ۱/۳٪K2O
اکسید آلومینیوم (۳٪ الی ۸٪Al2O
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 سرباره ای ضد سولفات
سیمان پرتلند آهکی
سیمان بنائی
سیمان نسوز
سیمان چاه نفت
سیمان پرتلند ضدآب
سیمان گوگردی
سیمان باگیرش تنظیم شده
روشهای ساخت سیمان
روش تر
روش نیمه تر
روش نیمه خشک
روش خشک
سیمان برقی
سیمان برقی اگر در مواد اولیه سیمان اکسید آلومینیم زیاد و آهک کم شود سیمان به دست آمده دارای خواصی ممتاز می گردد؛ از این رو، از ذوب کردن مخلوط بوکسیت و سنگ آهک در کورهٔ برقی در حرارت۱۵۰۰ تا۱۶۰۰ درجه به دست می آیدکه مدتی آن را به حالت ذوب نگه داشته، به مرور سرد کرده اند. این کار جز با نیروی برق امکان پذیر نیست. ملات سیمان برقی باد نمی کند، زیرا آهک آزاددر آن وجود ندارد؛ بنابراین، در مقابل آب های سولفات دار و زمین های گچ دار مقاوم بوده برای سازه های دریایی نیز بسیار مناسب است. مقدار آب های لازم برای هیدراته شدن آن تقریباً دو برابر آبی است که برای سیمان پرتلند لازم است، چون سیمان برقی زود گیر است. این سیمان خیلی سریع مقداری گرما پس می دهد و در درجه گرمای ملات آن نزدیک به حد جوش آمدن آب می رسد و به همین دلیل سرما در آن چندان تاثیری ندارد.
شیمی ترکیبات سیمان
مواد خام تشکیل دهنده سیمان اساساً از اکسیدهای کلسیم 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 اکثراً 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: C۴AF C۳A C۲S C۳S نامیده می شوند.
معادلات بوگ
محاسبه مربوط به میزان ترکیبات سیمان حاصل از اکسیدهای اصلی تشکیل دهنده آن توسط بوگ انجام شده و به نام معادلات بوگ معروف می باشد. این معادلات درصد ترکیبات اصلی سیمان را نمایش می دهد.[۶]
C۳S = ۴٫۰۷۱۰(CaO)-7.6024(SiO۲)-۱٫۴۲۹۷(Fe۲O۳)-۶٫۷۱۸۷(Al۲O۳
C۲S = ۸٫۶۰۲۴(SiO۲)+۱٫۰۷۸۵(Fe۲O۳)+۵٫۰۶۸۳(Al۲O۳)-۳٫۰۷۱۰(CaO
C۳A = ۲٫۶۵۰۴(Al۲O۳)-۱٫۶۹۲۰(Fe۲O۳
C۴AF = ۳٫۰۴۳۲(Fe۲O۳
خواص ترکیبات اصلی سیمان
سیلیکات ها یعنی C۲S و C۳S ترکیبات اصلی و مهم سیمان می باشند و مقاومت سیمان هیدراته شده به آنها بستگی دارد. اکسیدهای تشکیل دهنده این سیلیکات ها تاثیرات مهمی روی شکل اتمیو کریستالی و خواص هیدرولیکی آنها دارند. حضور C۳A 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 C۳A در فرایند تولید در ترکیب اکسیدکلسیم با اکسیدسیلیسیم سهولت ایجاد کرده و سودمند است. C۴AF 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 مادههیدراتاسیون سیلیکات ها را تسریع می کند.
سلامت سیمان
سلامت سیمان به توانایی خمیر سیمان سخت شده برای حفظ حجم خود پس از گیرش گفته می شود. برای روشن شدن موضوع سلامت سیمان بهتر است به تعریف سیمان ناسالم و عواملی که بیانگر ناسالم بودن آن هستند پرداخته شود. عدم سلامت سیمان یعنی انبساط و تغییر حجم غیرعادی آن که در اثر واکنش های اکسید کلسیم (آهک) آزاد، اکسید منیزیم و سولفات های کلسیم اتفاق می افتد.
اگر سیمان در مرحله تولید بیش از اندازه حرارت ببیند و در درجه حرارت بسیار بالا پخته شود سلامت آن به مخاطره می افتد. سیمان هایی که چنین انبساط هایی را نشان می دهند سیمان ناسالم هستند.
مسئله عدم انبساط خمیر سیمان از آن جهت حائز اهمیت است که چون بتنی که در قالب ریخته می شود معمولاً توسط قیود تکیه گاهی محدود و مقید شده و چنانچه انبساط خمیر سیمان رخ دهد باعث ترک، خرابی و حتی متهم شدن بتن خواهد شد.

منابع

مهندس مرتضی اره پناهی. مکانیک خاک و تکنولوژی بتن. چاپ پنجم. تهران: انتشارات فرا آموژش، ۱۳۸۵.
مصالح شناسی، نشر دانش و فن، سیاوش کباری، ۱۳۹۲، شابک:۹۶۴۶۴۷۱۴۴۷
http://shahroudcement.com/fa/pages/content.php
http://lootty.blogfa.com
http://arshahost.com

شیمی سیمان و مراحل تولید آن،مراحل تولید سیمان,انواع سیمان,سیمان پرتلند,سیمان پوزولان,سیمان آمیخته,سیمان سفید,روش تولید سیمان,مراحل تولید سیمان و بتن ضد آب,بتن ضد آب,سیمان سفید،فرمول سیمان؛شیمی سیمان،

مراحل تولید سیمان

تعداد صفحات : 55 | فرمت فایل : WORD

بلافاصله بعد از پرداخت لینک دانلود فعال می شود