تولید سیمان

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 ۱۴۰۰درجه 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.

ترکیبات شیمیایی سیمان

مواد خام مورد مصرف در تولید سیمان در هنگام پخت با هم واکنش نشان داده و ترکیبات دیگری را بوجود می آورند. معمولا چهار ترکیب عمده به عنوان عوامل اصلی تشکیل دهنده سیمان در نظر گرفته می شوند که عبارتند از:

سه کلسیم سیلیکات (۳O۲=C۳S)

دو کلسیم سیلیکات ( ۲CaOSiO۲=C۲S)

سه کلسیم آلومینات (۳CaOAl۲O۳=C۳A)

چهار کلسیم آلومینو فریت (۴CaOAl۲O۳Fe۲O۳)

که اختصارا اکسیدهای CaO را با C و SiO۲ را با S و Al۲O۳ را با A و Fe۲O۳ را با F نشان می دهند. سیلیکاتهای C۳S و C۲S مهمترین ترکیبات سیمان در ایجاد مقاومت خمیر سیمان هیدراته می باشند. در واقع سیلیکاتها در سیمان ، ترکیبات کاملا خالصی نیستند، بلکه دارای اکسیدهای جزیی به صورت محلول جامد نیز می باشند. این اکسیدها اثرات قابل ملاحظه ای در نحوه قرار گرفتن اتمها، فرم بلوری و خواص هیدرولیکی سیلیکاتها دارند.

ترکیبات دیگری نیز در سیمان وجود دارند که از نظر وزن قابل ملاحظه نیستند، ولی تأثیرات قابل ملاحظه ای در خواص سیمان دارند که عمدتا عبارتند از: MgO،TiO۲،Mn۲O۳،K۲O،NaO۲، که اکسیدهای سدیم و پتاسیم به نام اکسیدهای قلیایی شناخته شده اند. آزمایشها نشان داده است که این قلیایی ها با بعضی از سنگدانه ها واکنش نشان داده اند و حاصل این واکنش باعث تخریب بتن شده است. البته قلیایی ها در مقاومت بتن نیز اثر دارند.

وجود سه کلسیم آلو مینات (C۳A) در سیمان نقش عمده ای در مقاومت سیمان به جزء در سنین اولیه ندارند و در برابر حملات سولفاتها نیز که منجر به سولفوآلومینات کلسیم می شود، مشکلاتی به بار می آورد، اما وجود آن در مراحل تولید ، ترکیب آهک و سیلیس را تسهیل می کند. میزان C۴AF در سیمان هم در مقایسه با سه ترکیب دیگر کمتر است و تأثیر زیادی در رفتار سیمان ندارند، ولی در واکنش با گچ ، سولفو فریت کلسیم را می سازد و وجود آن به هیدراسیون سیلیکاتها شتاب می بخشد.

مقدار و اندازه واقعی اکسیدها در ترکیبات انواع سیمان ، مختلف است. البته باقی مانده نامحلول نیز که عمدتا از ناخالصی های سنگ گچ حاصل می گردد، اندازه گیری می شود، تا حدود ۱,۵ درصد وزن در سیمان مجاز است. افت حرارتی نیز که دامنه کربناسیون و هیدراسیون آهک آزاد و منیزیم آزاد را در مجاورت هوا نشان می دهد، تا حدود ۳ الی ۴ در صد وزن سیمان اندازه گیری می شود.

هیدراسیون سیمان

ماده مورد نظر ما ملات یا خمیر سیمان است که با اختلاط آب و پودر سیمان ماده چسباننده ای می شود. در واقع سیلیکاتها و آلومیناتهای سیمان در مجاورت آب محصولی هیدراسیونی را تشکیل می دهند که کم کم با گذشت زمان ، جسم سختی بوجود می آید.

دو ترکیب عمده سیلیکاتی سیمان یعنی C۳S و C۲S عوامل عمده سخت شدن سیمان هستند و عمل هیدراسیون روی C۳S سریعتر از C۲S انجام می گیرد.

حرارت هیدراسیون

همانند هر واکنش شیمیایی ، هیدراسیون ترکیبات سیمان نیز حرارت زا است و به میزان حرارتی که در هر گرم از سیمان هیدراته در اثر هیدراسیون در دمای معینی تولید می گردد، حرارت هیدراسیون گفته می شود و به روشهای مختلفی قابل اندازه گیری است. درجه حرارت و دمایی که در آن عمل هیدزاسیون انجام می شود، تأثیر قابل ملاحظه ای در نرخ حرارت تولید شده است دارد.

برای سیمانهای پرتلند معمولی ، حدود نصف کل حرارت تا سه روز و حدود ۳,۴ حرارت تا حدود ۷ روز و تقریبا ۹۰ در صد حرارت در ۶ ماه آزاد می شود. در واقع حرارت هیدراسیون بستگی به ترکیب شیمیایی سیمان دارد و تقریبا برابر است با مجموع حرارتهای ایجاد شده یکایک ترکیبات خالص سیمان ، اگر به صورت جداگانه هیدراته شود.

هر گرم از سیمان تقریبا ۱۲۰ کالری حرارت آزاد می کند. چون هدایت حرارتی بتن کم است، لذا حرارت می تواند به عنوان یک عایق حرارتی عمل نماید. از طرف دیگر حرارت تولید شده بوسیله هیدراسیون سیمان می تواند از یخ زدن آب در لوله های مویین بتن تازه ریخته شده جلوگیری نماید. بنابراین آگاهی به خواص حرارت زایی سیمان می تواند در انتخاب نوع مناسب سیمان برای هدف مشخصی مفید باشد.

همانطور که گفته شد، نقش اصلی در مقاومت سیمان C۳S و C۲S ایفا می کنند و C۳S در ۴ هفته سنین اولیه و C۲S پس از آن مقاومت سیمان را ایجاد می کنند. نقش این دو ترکیب در مقاومت سیمان پس از یک سال تقریبا مساوی می شود.

آزمایشهای سیمان

به لحاظ اهمیت کیفیت سیمان در ساختن بتن ، معمولا تولید کنندگان ، آزمایشهای متعدد و استاندارد شده ای را برای کنترل کیفیت سیمان انجام می دهند و بعضا نیز مصرف کنندگان برای اطمینان خاطر ، خواص سیمان تولید شده را از کارخانجات درخواست می کنند و گاها نیز آزمایشهایی انجام می دهند. خواص فیزیکی سیمان عمدتا عبارتست از نرمی سیمان ، گیرش سیمان ، سلامت سیمان و مقاومت سیمان.

نرمی سیمان

از آنجا که هیدراسیون از سطح ذرات سیمان شروع می شود، مساحت تمامی سطح سیمان موجود در هیدراسیون شرکت دارند. بنابراین نرخ هیدراسیون بستگی به ریزی سیمان دارد و مثلا برای کسب مقاومت سریعتر نیز به سیمان نرم تر یا ریزتر می باشد. اما باید توجه داشت که همیشه یک سیمان نرم از نظر اقتصادی و فنی مقرون به صرفه نیست، زیرا هزینه آسیاب کردن و اثرات بیش از حد نرم بودن سیمان بر خواص دیگر آن مانند نیاز بیشتر به گچ برای تنظیم گیرش ، کارآیی بتن تازه و سایر موارد نیز باید مد نظر باشد.

نرمی یکی از خواص عمده سیمان است که معمولا در استانداردها با سطح مخصوص تعیین می شود (m۲/kg). روشهای متداول و متفاوتی برای تعیین نرمی سیمان در دنیا بکار گرفته می شود. استاندارد ملی ایران به شماره ۳۹۰ تعیین نرمی سیمان را مشخص می کند.

گیرش سیمان

کلمه گیرش برای سفت شدن خمیر سیمان بکار برده می شود، یعنی تغییر وضعیت از حالت مایع به جامد. گیرش به علت هیدراسیون C۳S و C۲A با افزایش دمای خمیر سیمان اتفاق می افتد. گیرش اولیه مربوط به افزایش سریع دما و گیرش نهایی مربوط به دمای نهایی است. مدت زمان گیرش سیمان با افزایش درجه حرارت کاهش می یابد، ولی آزمایش نشان داده است که در دمای حدود ۳۰ درجه سانتی گراد ، اثر معکوس را می توان مشاهده نمود. در درجات حرارت پایین ، گیرش سیمان کند می شود.