تاریخچه سیمان

با اینکه تاریخچه استفاده از اولین سیمان به روم باستان بر می گردد اما سیمان امروزی نزدیک به ۲۰۰ سال قبل در انگلستان کشف شد و همانطور که می‌ دانیم برای اولین بار توسط «جوزف آسپدین» سنگ تراش بریتانیایی قرن نوزدهم ساخته شد. او مخلوطی از سنگ آهک و خاک رس را در اجاق گاز آشپزخانه خود گرم کرد، سپس مخلوط را به صورت پودر ریز درآورد. نتیجه نهایی اولین سیمان هیدرولیکی بود که با افزودن آب به حالت خمیری در می‌ آمد و با مجاورت هوا به مانند یک سنگ سفت می‌ شد. آسپدین به دلیل شباهت آن به سنگ استخراج شده در جزیره پورتلند در سواحل انگلیس، اختراع خود را «سیمان پورتلند» نامید. در سال ۱۸۲۴، آسپیدن حق ثبت اختراع خود را به دست آورد.

تعریف سیمان

سیمان (Cement) یک پودر ریز خاکستری است که با ترکیب با آب به یک ماده خمیری تبدیل می‌ شود که با گذشت زمان به حالت سفت در می‌ آید. مهمترین کاربرد این ماده، استفاده از آن در تولید بتن به عنوان اصلی ترین جزء در مقاومت فشاری بتن است. سیمان مورد استفاده در ساخت و ساز به انواع هیدرولیک و غیر هیدرولیک تقسیم می‌شود.نوع هیدرولیکی از ترکیب آهک، خاک رُس و گچ  در دمای بالا ساخته می‌ شود اما در نوع غیر هیدرولیکی از آهک، اندود گچی و اکسی کلراید استفاده می‌شود. سیمان‌ های هیدرولیکی فوراً شروع به سفت شدن می‌ کنند اما در نوع غیر هیدرولیکی به مدت زمان زیادی برای سفت شدن نیاز است.

ترکیبات

چهار ترکیب اصلی که در سیمان وجود دارند و درصد آن‌ ها تعیین کننده کیفیت سیمان هستند، به شرح زیر می‌ باشند:

• تری کلسیم سیلیکات (S2C)
• دی کلسیم سیلیکات (S3C)
• تری کلسیوم آلومینات (A3C)
• تترا کلسیم آلومینو فریت (AF4C)

مقادیر نسبی ترکیبات بالا بر هر یک از این مراحل تأثیر می‌گذارند :

• زمان تنظیم
• سرعت توسعه قدرت
• قدرت کلی
• دوام
• رنگ

مشخصات سیمان

سیمان با حرارت دادن مخلوط سنگ آهک و خاک رُس در دمای ۱۴۵۰ درجه سانتیگراد در کوره تولید می‌شود. در فرآیندی موسوم به کلسیمی یک مولکول دی اکسید کربن از کربنات کلسیم آزاد می‌ شود و اکسید کلسیم یا آهک زنده را تشکیل می‌ دهد و سپس با سایر مواد مخلوط می‌ شود. ماده سخت حاصل از این فرآیند، کلینکر نام دارد که سپس با مقدار کمی گچ تبدیل به پودر خاکستری می‌شود.

سیلیکات‌ها یعنی S2C و S3C ترکیبات اصلی و مهم سیمان هستند که تأثیر مستقیم در مقاومت آن دارند. اکسید های تشکیل دهنده این سیلیکات‌ ها تأثیرات مهمی روی شکل اتمی و کریستالی و خواص هیدرولیکی آنها دارند. ترکیبات دیگر در هیدراتاسیون و گیرش سیمان مؤثر هستند و در مقاومت نقشی ندارند. سیمان پرتلند به عنوان ماده اصلی سازنده بتن، ملات و دوغاب استفاده می‌ شود.

مزایای سیمان

1. یک ماده اتصال دهنده عالی است.
2. در همه جا قابل دسترس است.
3. در تولید بتن و ملات استفاده می‌ شود.
4. مقرون به صرفه است.
5. دارای تنوع گسترده ای است.
6. در بیشتر شرایط آب و هوایی قابل استفاده است.

کاربردها در ساختمان

موارد استفاده سیمان در بتن به شرح زیر هستند :

• ساخت فونداسیون‌ ها
• ساخت ستون‌ ها
• ساخت تیرها
• ساخت دیوارهای برشی
• ساخت دیوارهای پیش ساخته
• ساخت پل‌ ها
• ساخت تونل‌ های جاده‌ ای و تونل‌ های آبی
• ساخت سدهای آبی و خاکی
• ساخت و اجرای پروژه‌های مربوط به مسیرهای انتقال آب
• ساخت مسیرهای لوله‌ ای در سیستم فاضلاب شهری
• ساخت جداول خیابانی و برخی از تجهیزات کنترل ترافیک
• ساخت جاده و پیاده رو

موارد استفاده سیمان در ملات به شرح زیر هستند :

• ساخت انواع ملات
• ساخت دوغاب
• بندکشی برای درز کاشی و سرامیک
• استفاده در نمای ساختمان

مراحل تولید

سیمان به طور معمول از سنگ آهک و خاک رس یا شیل ساخته می‌ شود. این مواد اولیه از معادن سنگ استخراج می‌شوند و سپس با نسبت‌ های صحیح با یکدیگر مخلوط خواهند شد. روش‌ های عمومی ‌استخراج، استخراج سطحی است، در حالی که بعضی از سیلیکات‌ ها مانند شن و ماسه، معمولاً با استفاده از لایروبی از دریاچه‌ها، رودخانه‌ها و آبراه‌ها استخراج می‌شوند.

کارخانه‌ های سیمان معمولاً در مرکز مواد معدنی مورد نیاز برای ساخت محصول قرار دارند که این باعث صرفه جویی در هزینه‌های حمل و نقل و کاهش قیمت سیمان می‌ شود. پس از استخراج ماده معدنی مورد استفاده، آن را به کارخانه جهت خُرد کردن و غربالگری منتقل می‌ کنند.

در کارخانه مواد خُرد و غربال شده تا اندازه ذرات مورد نظر ایجاد شود. سنگ معدن از معادن معمولاً به حدود ¾ اینچ کاهش یافته و در انبار به صورت درشت ذخیره می‌ شود. از آنجا، سنگ معدن ¾ اینچی به یک پودر در یک آسیاب گلوله‌ ای بزرگ تبدیل خواهد شد.

سپس فرآیند تولید به دو صورت زیر قابل انجام است :

• خشک
• مرطوب

مواد اولیه با افزودن آب در آسیاب گلوله‌ ای مرطوب شده و دوغاب را تشکیل می‌ دهند. مرطوب یا خشک، پودر آسیاب شده برای پردازش گرما به کوره دوار منتقل می‌ شود. در کوره دوار، ابتدا دی اکسید کربن از کربنات‌ های کلسیم خارج می‌ شود، سپس ماده اولیه در دمای حدود ۲۷۰۰ درجه فارنهایت ذوب خواهد شد.

تخلیه از کوره به نام «کلینکر» مشهور است زیرا شبیه سنگ‌ های کوچک یا باقی مانده مواد از کوره بلند است. کلینکر به شکل توده ای است. محدوده اندازه ذرات برای کلینکر از حدود ۱ میلی‌متر و ۲۵ میلی‌متر است. سپس کلینکر در آسیاب گلوله‌ ای آسیاب شده و به عنوان سیمان پرتلند برای فروش به بازار عرضه می‌شود.

کوره دوار در ساده‌ ترین شکل خود لوله‌ ای به طول ۲۰۰ متر و قطر ۶ متر است که در انتهای خود شعله‌ای بلند دارد. خوراک خام در انتهای خنک وارد کوره می‌شود و به تدریج به انتهای گرم منتقل شده، سپس از کوره میفتد و سرد می‌ شود. پس از خنک شدن، کلینکر ممکن است به طور موقت در یک مخزن کلینکر ذخیره شده یا ممکن است مستقیماً به آسیاب منتقل شود. آسیاب، کلینکر را به صورت پودر ریزی خُرد می‌ کند.

انواع سیمان

انواع مختلف سیمان با ترکیب نسبت‌ های مختلف گچ، کلینکر و سایر مواد افزودنی تولید می‌ شوند. سیمان‌هایی که برای ساخت و ساز استفاده می‌ شوند، بر اساس ویژگی‌هایشان به دو دسته اصلی اعم از هیدرولیکی یا غیر هیدرولیکی تقسیم می‌ شوند. علاوه بر دو فرم اصلی، چندین شکل مختلف سیمان هیدرولیکی نیز وجود دارند که به شرح زیر هستند :

• سیمان پرتلند معمولی (تیپ ۱)
• سیمان پرتلند اصلاح شده (تیپ ۲)
• سیمان پرتلند زود سخت شونده (تیپ ۳)
• سیمان پرتلند با حرارت کم (تیپ ۴)
• سیمان پرتلند ضد سولفات (تیپ ۵)
• سیمان پوزولانی
• سیمان پر آلومین
• سیمان سفید
• سیمان رنگی
• سیمان نسوز
• سیمان برقی

آزمایشات سیمان‌

انواع تست‌ های موجود به شرح زیر هستند :

تست نرمی

آزمایش نرمی را می‌ توان با اندازه گیری اندازه ذرات سیمان یا به صورت سطح ویژه سیمان تعریف کرد. این آزمایش معمولاً با استفاده از الک شماره ۹ یا ۹۰ میکرون انجام می‌ شود. نرمی در میزان مقاومت و گیرش سیمان مؤثر است.

تست گیرش

سیمان هنگامی ‌که با آب مخلوط می‌ شود، فرآیندی را ایجاد می‌ کند که منجر به ایجاد توده سختی می‌ شود که در آن سختی با گذشت زمان به تدریج افزایش می‌ یابد. برای سیمان دو زمان گیرش از جمله زمان گیرش اولیه (IST) و زمان گیرش نهایی (FST) وجود دارند.

این آزمایش با استفاده از دستگاه Vicat’s Apparatus انجام خواهد شد. به عنوان مثال، برای سیمان پرتلند، زمان گیرش اولیه حدود 30 دقیقه و زمان گیرش نهایی یا ثانویه حدود 600 دقیقه است.

تست مقاومت

مقاومت سیمان در مگاپاسکال (MPa) یا نیوتن بر میلی‌مترمربع (N/mm2) تعریف می‌شود. برای سیمان پرتلند مقاومت باید در طی 28 روز حدود 33 مگاپاسکال باشد. تست فشار برای بررسی مقاومت سیمان انجام می‌ شود.

تست مرغوبیت

تست مرغوبیت را می‌ توان به عنوان فرآیندی تعریف کرد که در آن سیمان بعد از گیرش تغییر قابل توجهی در حجم خود نشان نمی‌دهد. آزمایشات اتوکلاو و آزمایشات لو شاتلر برای بررسی مرغوبیت سیمان انجام می‌ شوند.

تست گرما از هیدراتاسیون

گرمای هیدراتاسیون را می‌ توان گرمای حاصل از خمیر سیمان آزاد شده به عنوان واکنش آب با سیمان تعریف کرد. تست میزان گرما بسیار مهم است زیرا این موضوع در شرایط آب و هوایی مختلف اعم از گرم یا سرد در میزان گیرش بتن مؤثر است.

تست ترکیب شیمیایی

آزمایشی روی سیمان انجام می‌ شود که نسبت مواد شیمیایی موجود را آزمایش می‌ کند. استانداردها و کدهای مختلف مقدار متفاوت این نسبت‌ ها را مشخص می‌ کنند. مقدار ترکیبات شیمیایی سیمان در تمامی خصوصیات این متریال تأثیرگذار است.

جمع بندی نهایی : 

سیمان یک مواد اتصال دهنده است که در ساختمان سازی استفاده می‌ شود. این متریال پودری ریز است که با ترکیب شدن با آب، واکنش هیدراتاسیون را ایجاد می‌ کند. گیرش و سخت شدن حاصل از هیدراتاسیون به تشکیل بلورهای زیر میکروسکوپی یا ماده‌ای ژل مانند کمک می‌ کند. همین خاصیت به مهمترین ویژگی این محصول برای استفاده در کاربردهای مختلف تبدیل شده است. به طور کلی، این متریال اصلی ترین جزء تشکیل دهنده بتن است.