مقالات

بتن (اجزای تشکیل دهنده، ویژگی‌ها، طرح مخلوط، انواع، آزمایش‌ها)، سیمان پرتلند (تاریخچه و تولید)

در ادامه تولید آهک‌های آبی مرغوب در انگلیس و به‌ویژه در لیدز توسط John Smeaton در سال ۱۷۵۶ و James Parker در سال ۱۷۹۶، Joseph Aspdin در سال ۱۸۲۴ سعی داشت یک آهک آبی خاص و مرغوب تولید کند که چیزی شبیه سیمان‌های امروزی حاصل شد.

وی دوغاب سنگ آهک و رس آسیاب شده را وارد کوره پخت با دمای احتمالا متجاوز از °C 1200 نمود و در پایان کلوخه‌هایی تولید شد که آنرا کلینکر (Clinker) نامید.

پودر کلینکر با آب واکنش می‌داد و ظرف مدت ده دقیقه دچار گیرش (Setting) می‌شد که برای ساخت ملات‌های مورد نیاز آن روزها کاملا مناسب بود و با آهک آبی تفاوت جدی داشت. خمیر سخت شده به رنگ صخره‌های منطقه بندری پرتلند (Portland) بود و در نتیجه وی این چسب جدید را، چسب پرتلند (Portland Cement) نامید. پس از مدتی کارکردن با ملات موردنظر، به دلیل زودگیری در حجم زیاد مشکل ایجاد می‌شد. برای دیرگیر کردن این چسب سعی نمودند ماده ارزان دیرگیرکننده‌ای را به خدمت گیرند. این ماده، سنگ گچ (Gypsum) بود که مقدار کمی از آن به همراه کلینکر آسیاب می‌شد که امروزه سیمان پرتلند نامیده می‌شود. از آن سال‌ها تاکنون تغییرات زیادی در تولید سیمان پرتلند ایجاد شده است.

تولید سیمان به روش خشک بجای روش تر، کنترل بهتر در مواد اولیه با توجه به شناخت فرآیندهای کوره و سیمان یا کلینکر مطلوب، استفاده از پیش‌گرم‌کن‌ها (Preheaters) و پس از آن پیش‌کلسینه کننده‌ها (Precalciners) و در نتیجه کاهش طول کوره (kiln) و افزایش قطر آن، بالا بردن دمای بیشینه کوره تا حد بیش از °C1500، کاهش مصرف انرژی، تسریع در خنک کردن کلینکر و ریزتر آسیاب کردن سیمان، از جمله تغییرات مهم محسوب می‌شود.

در نیمه اول قرن بیستم علل تغییر کیفیت سیمان‌ها و تاثیر آنها بر کیفیت خمیر سیمان سخت شده و بتن، شناخته‌تر شد. طبقه‌بندی سیمان‌ها در اروپا و آمریکا در نیمه اول قرن بیستم آغاز گشت و نامگذاری آنها میسر شد.

تولید سیمان‌های آمیخته (Blended Cement) که در آنها از یک پوزولان (Pozzolan) یا سرباره (Slag) یا پودر سنگ در کنار کلینکر و سنگ گچ وجود داشت در این سالها آغاز شد، هرچند در گذشته دورتر نیز سابقه داشت.

امروزه مواد اولیه کارخانه‌های سیمان (به جز سنگ گچ) می‌تواند یک یا چند ماده زیر باشد:

سنگ آهک: سنگ آهک کربناتی (Limestone) / سنگ آهک خالص (Chalk) / سنگ آهک مارنی یا سنگ مارن (Marl)

خاک رس: سنگ یا خاک شیل‌دار (Shale) / خاک‌های رسی (Clay) / مارن رسی (Clay Marl) / سنگ لوح (Slate)

مواد تکمیلی: سنگ آهن  یا اکسید آهن (Iron Oxide) / سنگ سیلیس (Silica) یا کوارتزی (Quartz) / خاک و سنگ بوکسیت (Bauxite)

ساختار کلی یک کارخانه تولید سیمان (Cement Plant) در تصویر زیر نشان داده شده است:

در کوره (Kiln) یا پیش کلسینه‌کننده (Precalciner)، همه سنگ آهک (Limestone) به آهک زنده (Quicklime) و دی اکسید کربن (CO2) تبدیل می‌شود. در پیش‌گرم‌کن‌ها (Preheaters) بخشی از عمل تکلیس (Calcination) انجام می‌شود.

CaCO3 (100) → CaO (56) + CO2 (44)

تکلیس کامل در صورتی‌که فرصت کافی نیز موجود باشد در دمای °C850 اتفاق می‌افتد. به هر حال در این تجزیه مقدار قابل توجهی دی‌اکسیدکربن تولید می‌شود که مشکل بزرگ زیست‌محیطی تولید سیمان می‌باشد. سوختن مواد سوختی عامل دیگر تولید این گاز است (تولید ۱ تن کلینکر حدود ۱ تن گاز CO2 در معدن، کارخانه تولید سیمان و برق، به جو زمین وارد می‌کند).

برخی مواد دیگر نیز تجزیه می‌شوند و از کوره خارج می‌گردند. درنهایت مجموعه‌ای از اکسیدها باقی می‌ماند و از دمای حدود °C950 به بالا، برخی اکسیدها با یکدیگر ترکیب می‌شوند. اکسیدهایی را که با یکدیگر ترکیب می‌شوند اکسیدهای اصلی سیمان (Main Oxides) و بقیه را اکسیدهای فرعی سیمان (Minor Oxides) می‌نامند و برخلاف گفته برخی منابع، مقدار آنها در سیمان، در این تقسیم‌بندی تاثیر ندارد.

نام مخفف H2O در شیمی سیمان H، و نام مخفف SO3 در شیمی سیمان S̅ می‌باشد که بعدا مکرر مورد استفاده قرار می‌گیرد. CO2 نیز با C̅ نمایش داده می‌شود.

در سیمان بدلیل افزودن سنگ گچ عملا SO3 خواهیم داشت و مقداری CaO در ترکیب با SO3 وجود خواهد داشت.

 

نام مخفف اکسید اصلی حدود موجود در

کلینکر سیمان پرتلند (%)

نام مخفف اکسید فرعی حدود موجود در

کلینکر سیمان پرتلند (%)

C CaO ۶۰-۶۷ M MgO ۰.۲-۶
S SiO2 ۱۷-۲۵ N Na2O ۰.۲-۱
A Al2O3 ۳-۷ K K2O ۰.۲-۱
F Fe2O3 ۰.۵-۶ Mn2O3 کمتر از ۰.۲
این محدوده‌ها تقریبی می‌باشد P P2O5 کمتر از ۰.۲
T TiO2 کمتر از ۰.۳
CrO کمتر از ۰.۱
CuO کمتر از ۰.۱
یون کلرید کمتر از ۰.۱

 

از دمای ۹۵۰ تا ۱۴۵۰ درجه در کوره، اکسیدهای اصلی با یکدیگر ترکیب می‌شوند و ترکیبات (فازهای) اصلی سیمان (Main Compounds) ایجاد می‌گردد.

 

علامت اختصاری

ترکیبات اصلی سیمان

ترکیب گسترده

فاز اصلی

نام ترکیب حداقل دمای لازم برای

شروع جدی واکنش (°C)

C۳S ۳CaO.SiO۲ سه کلسیم سیلیکات ۱۲۵۰
C۲S ۲CaO.SiO۲ دو کلسیم سیلیکات ۹۵۰
C۳A ۳CaO.Al۲O۳ سه کلسیم آلومینات ۱۲۰۰
C۴AF ۴CaO.Al۲O۳.Fe۲O۳ چهارکلسیم آلومینات‌فریت ۱۱۵۰

 

در طی این فرآیند، مقداری از مواد نیز بصورت مذاب درمی‌آیند و تشکیل کلینکر (Clinker) می‌دهند.

ذرات کلینکر سیمان

برای تعیین مقدار ترکیبات اصلی سیمان (Cement Main Compounds) راه‌های مختلفی وجود دارد:

– روش اندازه‌گیری فازهای اصلی در کلینکر بصورت میکروسکوپی (ASTM C1356)

– روش اندازه‌گیری به‌کمک پراش پرتو X (XRD or X-Ray Diffraction)

– روش اندازه‌گیری به‌کمک میکروسکوپ الکترونی

– روش محاسباتی با رابطه بوگ (Bouge) یا بوگ اصلاح شده برای سیمان پرتلند طبق ASTM C150 یا EN 197-1 یا ISIRI 389:

%C3S = 4.071(%CaO) – 7.6(%SiO2) – 6.718(%Al2O3) – 1.43(%Fe2O3) – 2.852(%SO3)

%C2S = 2.867(%SiO2) – 0.7544(%C3S)

%C3A = 2.650(%Al2O3) – 1.692(%Fe2O3)

%C4AF = 3.043(%Fe2O3)

رابطه بوگ در سال ۱۹۲۹ تدوین و در سال ۱۹۵۵ تجدید یا اصلاح شده است. در این رابطه CaO آزاد نباید در رابطه وارد شود.

چنانچه به سیمان پرتلند مقداری پوزولان یا سرباره یا پودرسنگ اضافه شود، روابط بوگ جواب‌های نادرستی بدست می‌دهد.

روابط بوگ با توجه به تجربیات موجود و نحوه تولید سیمان و دمای خاصی از کوره تدوین شده است و اشکالات زیادی به آن وارد می‌شود.

لازم است کلینکر سیمان که هنگام خروج از کوره دمای بیش از ۱۴۰۰ درجه دارد، سریع سرد شود زیرا C3S بویژه در دمای ۱۱۵۰ تا ۱۲۵۰ درجه ناپایدار می‌باشد و تجزیه می‌شود.

C3S → C2S + C

آهک زنده آزاد (Free Quicklime) حاصله به‌شدت هنگام تماس با آب، هیدراته و شکفته و منبسط می‌شود و انبساط زیادی در خمیر سیمان بوجود می‌آورد که به عدم سلامت سیمان منجر می‌گردد. میزان انبساط این آهک آزاد، از آهکی که در مواد اولیه باقیمانده است بمراتب بیشتر می‌باشد.

در قرن ۱۹، مهم‌ترین اشکال سیمان‌های تولیدی، پکیدن ملات‌ها و بتن‌ها در اثر تجزیه C3S بود و پس از تشخیص علت مزبور، سعی شد که دمای کلینکر سیمان با دمیدن هوا در زمان کوتاهی به کمتر از ۶۰۰ درجه برسد.

به‌همین دلیل نام آزمایش انبساط سیمان از ابتدا سلامت سیمان (Cement Soundness Test) بوده است و شاید اولین آزمایش جدی کنترلی برای سیمان به شمار آید.

کارخانه‌های سیمان با توجه به روابط بوگ و روابط دیگر، و با توجه به نوع سیمان و مقادیر تقریبی ترکیبات اصلی موردنظر و ترکیبات مواد اولیه موجود، نسبت سنگ آهک و خاک رس یا سایر مواد اولیه را محاسبه می‌کنند.

در ادامه تصاویری از معادن و اجزای کارخانه سیمان مشاهده می‌شود.

تصاویر معادن مواد اولیه سیمان (سنگ آهک و خاک رس)

بارگیری و تخلیه مواد اولیه به داخل کارخانه سیمان

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

سیزده − ده =