سیمان چیست و هر آنچه باید در این ماده شگفت انگیز بدانید

سیمان (Cement) بدون شک یکی از مهمترین متریال در صنعت ساخت و ساز است. این ماده شگفت انگیز از پودر بسیار ریزی تشکیل شده است که در حین ترکیب با آب به حالت خمیری چسبناک در می‌آید و بعد از قرار گرفتن در مجاورت هوا مانند یک سنگ، سفت و سخت می‌شود. به دلیل اهمیت وجود سیمان در تولید بتن، ما در این مقاله به بررسی پیشرفت تاریخی سیمان، نحوه تولید آن از مواد اولیه، ترکیبات و خصوصیاتش می‌پردازیم.

تاریخچه سیمان

منشا سیمان به یونان باستان و روم باز می‌گردد. نوع ماده‌ای که در گذشته‌های دور استفاده می‌شد، آهک و یک خاکستر آتشفشانی بود که در حضور آب واکنش نشان می‌داد و به یک توده سخت تبدیل می‌شد. سیمان رومی بیش از 2000 سال قدمت دارد!

سیمان پرتلند برای اولین بار توسط «جان اسماتون» در سال 1756 جای آهک هیدرولیکی دوران باستان را گرفت. جان اسماتون هنگامی که برای احداث فانوس دریایی ادیستون در سواحل پلیموتانگلیس فراخوانده شد، سیمان پرتلند را کشف کرد.

اختراع سیمان پرتلند معمولاً به «جوزف آسپدین» از لیدز انگلستان نسبت داده می‌شود که در سال 1824 حق ثبت ماده‌ای را که از مخلوط مصنوعی سنگ آهک و خاک رس تولید می شد را به دست آورد. او این محصول را «سیمان پرتلند» نامید زیرا شباهت زیادی به ماده تولید شده توسط اسماتون داشت.

اما نزدیک‌ترین نوع سیمان به سیمان امروزی توسط «ایزاک چارلز جانسون» در جنوب شرقی انگلیس در حدود سال 1850 تولید شد. سپس تولید سیمان پرتلند به سرعت به سایر کشورهای اروپایی و آمریکای شمالی گسترش یافت. در طول قرن 20، تولید سیمان در سراسر جهان گسترش یافت. تا سال 2019 چین و هند به رهبران جهانی در تولید سیمان تبدیل شده‌اند و پس از آن ویتنام، ایالات متحده و مصر در رتبه‌های دیگر قرار دارند.

سیمان چگونه ساخته می‌شود ؟

سیمان پرتلند اساساً از ترکیبات آهک (اکسید کلسیم، CaO)، سیلیس (دی اکسید سیلیسیم، SiO2) و آلومینا (اکسید آلومینیوم، Al2O3) تشکیل شده است. آهک از مواد اولیه آهک به دست می آید و سایر اکسیدها از ماده معدنی آرگلی مانند خاک رس حاصل می‌شوند. مواد اولیه اضافی مانند ماسه سیلیس، اکسید آهن (Fe2O3) و بوکسیت (حاوی آلومینیوم هیدراته) ممکن است در مقادیر کمتری استفاده شود تا ترکیب مورد نظر حاصل شود.

ترکیب شیمیایی سیمان

آهک 60 تا 66 درصد
سیلیس 17 تا 25 درصد
آلومینا 3 تا 8 درصد
اکسید آهن 0.5 تا 6 درصد
اکسید منیزیم 0.5 تا 4 درصد
تری اکسید گوگرد 1 تا 2 درصد
مواد قلیایی 0.5 تا 1.3 درصد

 

مقادیر نسبی مواد تشکیل دهنده سیمان می‌توانند بر زمان گیرش، نرخ سرعت به دست آوردن مقاومت، قدرت، دوام و رنگ سیمان تأثیر می گذارند. به طور کلی، چهار ترکیب اصلی که در سیمان وجود دارند به شرح زیر هستند:

  • تری کلسیم سیلکات
  • سیلیکات دی کلسیم
  • تری کلسیوم آلومینات
  • فریت تترا کلسیم آلومینو

متداول‌ترین مواد اولیه آهکی سنگ آهک و گچ هستند اما از موارد دیگر مانند رسوبات مرجانی، شیل و گل و لای رودخانه‌ها نیز می‌توان استفاده کرد. ماده اولیه دیگر، سرباره کوره بلند است که عمدتاً از آهک، سیلیس و آلومینا تشکیل شده است و با ماده آهکی با محتوای آهک زیاد مخلوط می‌شود.

از کائولن، رس سفیدی که حاوی اکسید آهن کمی است به عنوان ماده معندی آرگلی جهت تولید سیمان سفید استفاده می‌شود. مواد زائد صنعتی مانند خاکستر بادی و کربنات کلسیم حاصل از تولید مواد شیمیایی، سایر مواد اولیه در تولید سیمان هستند اما درصد استفاده از آنها در مقایسه با مواد طبیعی اندک است. سایر ناخالصی‌های موجود در مواد اولیه که باید کاملاً محدود شوند شامل ترکیبات فلوئور، فسفات‌ها، اکسیدهای فلز و سولفیدها و قلیاهای بیش از حد است.

مواد اولیه‌ای که در ساخت سیمان به کار می‌روند از معادن سنگ آهک با کمک انفجار و روش‌های دیگر استخراج می‌شوند. سنگ‌های نرمتر مانند گچ و خاک رُس مستقیماً توسط ماشین آلات استخراج می‌شوند. مواد استخراج شده توسط کامیون‌ها، واگن‌های باری راه آهن، تسمه‌های نقاله یا طناب به کارخانه سنگ شکن منتقل می‌شوند.

فرآیند تولید سیمان

در ساخت سیمان پرتلند چهار مرحله زیرا انجام می‌شود:

  • خُرد کردن و آسیاب کردن مواد اولیه
  • مخلوط کردن مواد به نسبت صحیح
  • حرارت دادن مخلوط آماده شده در کوره
  • آسیاب کردن دانه‌های حرارت دیده، معروف به «کلینکر»، همراه با حدود 5 درصد گچ (برای کنترل زمان تنظیم سیمان)

فرآیند تولید سیمان به مرطوب، خشک و نیمه خشک تقسیم می‌شوند. در حدود 4 تا 8 درصد از انتشار دی اکسید کربن (CO2) در جهان از تولید سیمان حاصل می‎شود و این یک سهم عمده در گرم شدن کره زمین است.

برخی از مشکلات ناشی از انتشار گازهای گلخانه‌ای در دیگر بخش‌های مربوط به سیمان از جمله افزایش بازده انرژی کارخانه‌های سیمان، جایگزینی سوخت‌های فسیلی با انرژی تجدید پذیر و جذب و ذخیره CO2 ساطع شده مشترک هستند. علاوه بر این، با توجه به اینکه بخش قابل توجهی از انتشار گازهای گلخانه‌ای به تولید کلینکر مربوط می‌شود.

برخی از پارامترهای کلیدی در کیفیت سیمان تآثیرگذار هستند. خصوصیات فیزیکی سیمان خوب بر اساس موارد زیر تعیین می‌شوند:

  • نرمی
  • تست سلامت
  • ثبات
  • استحکام – قدرت
  • زمان گیرش
  • حرارت هیدراتاسیون
  • افت حرارتی
  • چگالی توده
  • وزن مخصوص (چگالی نسبی)

انواع سیمان

انواع مختلف سیمان با ترکیب نسبت‌های مختلف گچ، کلینکر و سایر مواد افزودنی امکان پذیر است. سیمان‌هایی که برای ساخت و ساز استفاده می‌شوند بر اساس ویژگی‌های مختلف به  هیدرولیکی یا غیر هیدرولیکی تقسیم می‌شوند.

سیمان غیر هیدرولیکی

سیمان غیر هیدرولیکی سیمانی است که در اثر تماس با آب نمی‌تواند سفت شود. سیمان‌های غیر هیدرولیکی با استفاده از موادی مانند آهکهای غیر هیدرولیکی و گچ و کلرید اکسی ایجاد می‌شود به صورت مایع است. پس از استفاده از سیمان غیرهیدرولیکی در ساخت، برای استحکام و نگهداری سازه باید آن را خشک نگه داشت.

هنگامی که از سیمان غیر هیدرولیکی در ملات استفاده می‌شود، این ملات فقط با خشک شدن می‌تواند تنظیم شود و بنابراین مقاومت خود را بسیار آهسته به دست می‌آورد. به دلیل دشواری‌های مربوط به انتظار طولانی مدت برای تنظیم و خشک شدن، سیمان غیر هیدرولیکی به ندرت امروزه استفاده می‌شود.

سیمان هیدرولیکی

سیمان هیدرولیکی به سیمانی گفته می‌شود که پس از ترکیب شدن با آب سفت می‌شود. در نتیجه واکنش‌های شیمیایی، مخلوط‌های سیمان هیدرولیکی مقاومت و پایداری خود را تا همیشه حفظ می‌کنند. سیمان هیدرولیک در درجه اول از سنگ آهک، برخی مواد معدنی رسی و گچ ساخته می‌شود که در یک فرآیند دمای بالا با هم می‌سوزند.

گیرش و سخت شدن سیمان‌های هیدرولیکی در اثر تشکیل ترکیبات حاوی آب ایجاد می‌شود که در اثر واکنش بین اجزای سیمان و تماس اولیه با آب ایجاد می‌شوند. این مهم «واکنش هیدراتاسیون» نام دارد که مقاومت و پایداری سیمان هیدرولیکی را ایجاد می‌کند. سیمان هیدرولیکی به دلیل خصوصیاتی که دارد به عنوان متریال اصلی در ساخت و سازهای امروزی استفاده می‌شود.

انواع دیگر سیمان به شرح زیر هستند:

  • سیمان پرتلند معمولی (OPC)
  • سیمان پورتلند پوزولانی (PPC)
  • سیمان سریع سخت شونده
  • سیمان تنظیم سریع
  • سیمان کم حرارت
  • سیمان مقاوم در برابر سولفات
  • سیمان کوره بلند
  • سیمان آلومینا بالا
  • سیمان سفید
  • سیمان رنگی
  • سیمان هوازا
  • سیمان انبساطی
  • سیمان آبگریز

انواع تیپ سیمان

سیمان به تیپ‌های زیر تقسیم می‌شوند:

1- سیمان پرتلند تیپ یک (سیمان معمولی)

پُرمصرف‌ترین نوع سیمان به شمار می‌رود. این سیمان در شرایط جوی معمولی مصرف می‌شود و استفاده از آن در کارهای مختلف ساختمانی مانند پُل، تونل و سایر ساختمان‌های متعارف مجاز است.

2- سیمان پرتلند تیپ دو (سیمان اصلاح شده)

این سیمان کندگیر است و در مقابل حملۀ سولفات‌ها مقاوم بالایی از خود نشان می‌دهد. این سیمان برای بتن ریزی در آب و هوای گرم مناسب است. استفاده از این سیمان در سازه‌هایی که مورد حمله شدید سولفات‌ها قرار دارند مجاز نیست.

3- سیمان پرتلند تیپ سه (سیمان زودگیر)

این سیمان خیلی ریز است و به همین جهت زمان گیرش آن سریع‌تر است. سیمان تیپ سه برای آب و هوای سرد مناسب است و به عمل آوری دقیق و اصولی نیاز دارد

4- سیمان پرتلند تیپ چهار (سیمان دیرگیر یا پرتلند کم حرارت)

سیمان تیپ چهار در هنگام گیرش حرارت کمی تولید می‌کند. این سیمان برای بتن ریزی‌های حجیم مانند سدها و پایه پل‌های بزرگ، جهت کاهش تنش‌های حرارتی به کار گرفته می‌شود.

5-  سیمان پرتلند تیپ 5 (سیمان ضد سولفات)

از این سیمان برای مقابل با حمله شدید سولفات‌ها استفاده می‌شود و برای ساخت سازه‌های دریایی به کار گرفته می‌شود.

خواص سیمان خوب

همیشه استفاده از بهترین نوع سیمان در ساخت و سازها توصیه می‌شود. بنابراین، خصوصیات یک سیمان باید بررسی شود. اگرچه خصوصیات مطلوب سیمان بسته به نوع ساخت و ساز ممکن است متفاوت باشد اما به طور کلی سیمان خوب دارای خواص زیر است:

  • قدرت سنگ تراشی را فراهم می‌کند.
  • زود سفت می‌شود.
  • از انعطاف پذیری خوبی برخوردار است.
  • یک ماده ساختمانی عالی است.
  • به راحتی قابل اجرا است.
  • در برابر رطوبت مقاوم است.

برای اطمینان از کیفیت سیمان باید تست‌ های صحرایی و آزمایشگاهی انجام شود.

کاربرد سیمان

سیمان ممکن است به تنهایی برای دوغات استفاده شود اما استفاده معمول از آن در ملات و بتن است. بتن مخلوطی از سیمان، آب، سنگدانه ریز (ماسه) و سنگدانه درشت (شن) است. اندازه ذارت ماسه برای بیشتر کاربردهای از 19 تا 25 میلی‌متر (0.75 تا 1 اینچ) است اما شن ممکن است به اندازه 150 میلی‌متر ( 6 اینچ) باشد. بتن برای طیف وسیعی از اهداف ساختمانی اعم از پل، سد، تونل زیر زمینی، مخازن آب، راهسازی و موارد دیگر استفاده می‌شود.

از مخلوط خاک و سیمان پرتلند به عنوان پایه‌ای برای ساخت جاده‌ها به کار گرفته می‌شود. از سیمان پرتلند همچنین در ساخت آجر، کاشی، لوله، تیر، اتصالات راه آهن و محصولات مختلف اکسترود شده استفاده می‌شود. محصولات به صورت پیش ساخته در کارخانه تهیه و در محل آماده اجرا هستند. امروزه سیمان در مقیاس گسترده‌ای تولید می‌شود زیرا بتن بیشترین کاربرد را در بین سایر مصالح ساختمانی در جهان دارد.

کلام آخر

سیمان بخشی جدایی ناپذیر از زیرساخت‌های شهری است. این ماده به دلیل خصوصیات بسیار متفاوتی که دارد به عنوان متریال اصلی در حوزه ساخت و ساز به کار گرفته می‌شود. به ویژه در ساخت بتن، سیمان نقش کلیدی ایفا می‌کند. به هر روی، دست اندرکاران صنعت عمران برای استفاده بهینه و کاربردی، مهم است خصوصیات سیمان و رفتار این ماده را در کاربردهای مختلف بررسی کنند تا نتایج حاصله موفقیت آمیز باشند.

منابع :

basiccivilengineering.com

www.britannica.com