ما هو الإسمنت وكل ما تجب معرفته بشأن هذه المادة المذهلة

يُعد الإسمنت (Cement) بلا شك أحد أهم المواد المستخدمة في صناعة البناء والتشييد. إن هذا المادة المذهلة تتكون من مادة دقيقة لينة على شكل مسحوق يستخدم كمادة رابطة ناعمة وتمتلك خواص تماسكية وتلاصقية عند إضافة الماء إليها لتتصلب وتقسى أثناء تعرضها للهواء. وبسبب أهمية الإسمنت في صناعة الخرسانة، فاننا نسلط الضوء في هذا المقال على تاريخ صناعة الإسمنت وطريقة إنتاجه من المواد الأولية وكذلك مكوناته وخصائصه.

لمحة تاريخية عن الإسمنت

وتعود بداية صنع الإسمنت إلى الحضارات الرومانية قديماً، إذ كانت صناعة الإسمنت تتم عن طريق مزج نسبة معينة من الأحجار الجيرية وبعض المواد البركانية التي كانت تتفاعل بوجود الماء وتتحول إلى كتلة صلبة. ويعود الإسمنت الروماني في قدمه إلى ما يزيد عن 2000 عام!

وقد أستخدم الإسمنت البورتلاندي للمرة الأولى على يد جون سميتون عام 1756 للميلاد، ليحل بذلك محل الجير الهيدروليكي للعصر القديم. واكتشف جون سميتون الإسمنت  البورتلاندي عندما استدعي لإنشاء فنار اديستون عند شواطئ بليموت البريطانية.

ويُنسب اختراع الإسمنت البورتلاندي عادة إلى جوزف سبيدين الذي أودع عام 1824 براءة لصناعة الجير المميه وأطلق على هذا المنتج اسم الإسمنت البورتلاندي، لانه كان يُشبه إلى حد كبير المادة التي أنتجها جون سميتون.

لكن أقرب أنواع الإسمنت إلى الإسمنت الحديث هو ذلك الذي تم تصنيعه على يد إسحاق تشارلز جونسون جنوبي شرق بريطانيا بحوالي عام 1850. ومن ثم توسع نطاق إنتاج الإسمنت البورتلاندي ليغطي سائر الدول الأوروبية وأمريكا الشمالية. وطيلة القرن العشرين، انتشرت عملية إنتاج الإسمنت حول العالم. وحتى عام 2019، تحولت الصين والهند إلى قادة العالم في إنتاج الإسمنت، ومن بعدهما حلت فيتنام والولايات المتحدة ومصر في المراكز التالية.

كيف يتم إنتاج الإسمنت؟

يتكون الإسمنت البورتلاندي أساساً من مركبات الكِلس، وهي عبارة عن أُكسيد الكالسيوم CaO مخلوطاً بالسيليكا SiO2 والألومينا Al2O3. ويتم الحصول على مادة الكلس من مادة الجير الخام، أما الأكاسيد الأُخرى فيتم اشتقاقها من المواد الطينية، وفي بعض الأحيان يتم استخدام بعض المواد الخام بكمياتٍ صغيرةٍ للحصول على التركيبة المطلوبة من الإسمنت؛ مثل رمل السيليكا، وأُكسيد الحديد Fe2O3، والبوكسيت الذي يحتوي في تركيبه على الألمنيوم المائي.

التركيب الكيميائي للإسمنت

إن الكميات النسبية لمكونات الإسمنت يمكن أن تؤثر على زمن الشكّ ومعدل سرعة الحصول على مقاومة الإسمنت وقدرته وثباته ولونه. وبشكل عام فان المكونات الرئيسية الأربعة التي تدخل في صناعة الإسمنت هي كالتالي:

• سيليكات ثلاثي الكالسيوم
• سيليكات ثنائي الكالسيوم
• ألومينات ثلاثي الكالسيوم
• حديدي ألومينات رباعي الكالسيوم

إن أكثر المواد الأولية الجيرية تداولا هي حجر الكلس والجص لكنه يمكن الإفادة أيضا من المواد الأخرى بما فيها الترسبات المرجانية والشيل ووحل الأنهار. والمادة الأولية الأخرى هي خَبَث الفرن العالي والذي يتكون عادة من الكلس والسيليس والألومينا، ويخلط بمادة جيرية تحتوي على كمية كبيرة من الكلس.

كما يستخدم الكاولين وهو صلصال أبيض يحتوي على كمية ضئيلة من أكسيد الحديد كمادة معدنية طينية لإنتاج الإسمنت الابيض. إن المواد الصناعية الإضافية مثل الرماد المتطاير وكربونات الكالسيوم الناتجة عن إنتاج المواد الكيميائية، وسائر المواد الأولية تدخل في إنتاج الإسمنت، لكن النسبة المئوية لاستخدامها ضئيلة مقارنة بالمواد الطبيعية. إن سائر الشوائب الموجودة في المواد الأولية والتي يجب تقييدها بالكامل، تشتمل على مركبات الفلور والفوسفات والأكسيدات المعدينة والكبريتيدات والقلويات.

إن المواد الأولية المستخدمة في صناعة الإسمنت، تستخرج من مناجم الحجر الجيري بواسطة التفجير أو الأساليب الأخرى. وتستخرج الأحجار الأكثر نعومة مثل الجص والصلصال مباشرة بواسطة الآلات والمكائن. ويتم نقل المواد المستخرجة على متن الشاحنات وعربات الشحن للسكك الحديدية وناقلات بالسير أو الحبال إلى مصنع تكسير الصخور.

عملية إنتاج الإسمنت

وهناك أربع مراحل تُعتمد في عملية صناعة الإسمنت البورتلاندي وهي:

• طحن المواد الأولية
• خلط المواد بنسب صحيحة
• حرق الخلطة الجاهزة في الفرن
• طحن الحبيبات المحترقة والمعروفة بـ كلنكر مع نحو 5 بالمائة من الجص (للتحكم بزمان ضبط الإسمنت)

وتُعتمد عدة طرق في عملية إنتاج الإسمنت وهي الطريقة الرطبة والطريقة الجافة والطريقة نصف الجافة. إن ما نسبته 4 إلى 8 بالمائة من غاز ثاني أكسيد الكاربون المنتشر في العالم، يأتي من صناعة الإسمنت، وهذا له نصيب كبير في احترار الأرض.

إن بعض المشكلات الناجمة عن انبعاث غازات الدفيئة في الأقسام الأخرى من صناعة الإسمنت، بما فيها زيادة مردود الطاقة بمصانع الإسمنت وإحلال الطاقة المتجددة محل الوقود الأحفوري وامتصاص وتخزين ثاني أكسيد الكاربون المنبعث، هي مشتركة. وفضلا عن ذلك، فإن قسما ملفتا من انبعاث غازات الدفيئة، متعلق بإنتاج الكلنكر.

إن بعض العوامل المفتاحية، لها وقع وأثر في جودة الإسمنت. إن الخواص الفيزيائية للإسمنت الجيد، يتم تحديدها على أساس الحالات التالية:

• النعومة
• اختبار السلامة
• ثبات الحجم
• المتانة – القوة
• زمن الشكّ
• حرارة التميؤ
• الانخفاض الحراري
• كثافة الكتلة
• الوزن النوعي (الكثافة النسبية)

أنواع الإسمنت

إن الأنواع المختلفة من الإسمنت تتحصل من خلال تركيب نسب مختلفة من الجص والكلنكر وسائر المضافات. والإسمنت الذي يستخدم في الإنشاءات، يقسم على أساس الخصائص المختلفة إلى هيدروليكي وغير هيدروليكي.

الإسمنت غير الهيدروليكي

الإسمنت غير الهيدروليكي لا يبدأ بالتصلب على الفور أثناء ملامسته للماء. وتشتمل المواد المستخدمة في صناعة الإسمنت غير الهيدروليكي على الجير غير الهيدروليكي ولصقات الجبس وأوكسي كلوريد، وهو على شكل سائل. وبعد استخدام الإسمنت غير الهيدروليكي في البناء والتشييد، فانه لا بد من تجفيفه من أجل متانة وقوة الهياكل والبناء.

وعندما يُستخدم الإسمنت غير الهيدروليكي في الملاط، فانه يمكن ضبط وتنظيم هذا الملاط من خلال تجفيفه فقط. لذلك فانه يكتسب مقاومته بشكل بطئ ومتدرج جدا. وبسبب الصعوبات المتعلقة بالانتظار لمدد طويلة حتى يتصلب الإسمنت غير الهيدروليكي ويجف، فانه قلما يُستخدم في الوقت الحاضر في عمليات البناء والإنشاء.

الإسمنت الهيدروليكي

الإسمنت الهيدروليكي هو الإسمنت الذي يتصلب بالماء. ويصبح الإسمنت الهيدروليكي مادة لاصقة بسبب التفاعل الكيميائي بين المكونات الجافة والماء، وبالتالي فانه يحتفظ بمقاومته وثباته إلى الأبد. ويتم صنع الإسمنت الهيدروليكي من مزيج من الحجر الجيري وبعض المواد المعدنية الطينية والجبس والتي يتم حرقها معًا تحت درجات حرارة شديدة.

ويحصل شك وتصلب الإسمنت الهيدروليكي على إثر تشكل المركبات الحاوية للماء، والتي تُستحدث بفعل التفاعل بين أجزاء الإسمنت والملامسة الأولية للماء. ويطلق على هذه العملية “تفاعل التميؤ” التي تستحدث مقاومة وثبات الإسمنت الهيدروليكي. إن الإسمنت الهيدروليكي وبسبب خصائصه التي يتمتع بها، يُستخدم اليوم كمادة رئيسية في البناء والإنشاءات.

الأنواع الأخرى للإسمنت هي كالتالي:

• الإسمنت البورتلاندي العادي   (OPC)
• الإسمنت البورتلاندي البوزلاني (PPC)
• الإسمنت سريع التصلب
• الإسمنت سريع التحضير
• الإسمنت منخفض الحرارة
• الإسمنت المقاوم للكبريتات
• إسمنت الفرن العالي
• إسمنت عالي الألومينا
• الإسمنت الأبيض
• الإسمنت الملون
• الإسمنت المغلق في الهواء
• الإسمنت الموسع
• الإسمنت المقاوم للماء

أصناف الإسمنت

ينقسم الإسمنت إلى الأصناف التالية:

1.الإسمنت البورتلاندي العادي  Type I

هو الأكثر شيوعا وانتشار. إذ يستخدم في الظروف الجوية العادية، ويُسمح بتطبيقه في الأعمال الإنشائية المختلفة بما فيها الجسور والأنفاق وسائر المباني المألوفة.

2- الإسمنت البورتلاندي المعدل II Type

وهو إسمنت بطئ الشك، وصامد بشكل كبير للكبريتات. وهذا الإسمنت ملائم لصب الخرسانة في الطقس الحار. ولا يُسمح باستخدام هذا الإسمنت في الهياكل المعرضة لهجمات الكبريتات.

3- الإسمنت البورتلاندي سريع التصلب III Type

ويتصف هذا الصنف من الإسمنت بدرجة نعومة كبيرة مما يؤدى إلى سرعة التصلب. وهذا الصنف من الإسمنت مناسب للاستعمال في الطقس البارد، وهو بحاجة إلى عملية إنضاج بالترطيب دقيقة وصحيحة.

4- الإسمنت البورتلاندي منخفض الحرارة  IV Type

إن هذا الإسمنت، ينتج حرارة منخفضة أثناء الشك، ولذلك فهو يستخدم للصب الكثيف للخرسانة في مشروعات مثل السدود وأعمدة الجسور الكبيرة وذلك لخفض الإجهاد الحراري.

5- الإسمنت البورتلاندي المقاوم للكبريتات Type V

ويستخدم هذا الإسمنت لمواجهة هجوم الكبريتات الشديد، وهو مناسب للإنشاءات البحرية.

مواصفات الإسمنت الجيد

ويُنصح دائما بالإفادة من أجود أنواع الإسمنت في الإنشاءات. لذلك يجب دراسة خواص إسمنت ما. وعلى الرغم من أن المواصفات المرجوة للإسمنت قد تختلف حسب نوعية البناء والإنشاء، لكن وبشكل عام، فان الإسمنت الجيد، ينطوي على المواصفات التالية:

• يوفر قدرة لطحن الصخور
• يتصلب سريعا
• يتمتع بمرونة جيدة
• يشكل مادة إنشائية جيدة
• يتم تنفيذه بسهولة
• مقاوم للرطوبة

وللتأكد من جودة الإسمنت، يجب إجراء فحوص ميدانية ومخبرية

تطبيقات الإسمنت

وقد يستخدم الإسمنت بمفرده لصنع لبن الإسمنت، لكنه يستخدم بشكل طبيعي في الملاط والخرسانة. إن الخرسانة هي خليط من الإسمنت والماء والركام الناعم والركام الخشن. إن أحجام حبيبات الحصى والزلط، يجب أن تتراوح بين 19 و 25 مليمترا لمعظم الاستخدامات (0.75 إلى 1 إنش)، لكن الرمل قد يكون مقاسه 150 مليمترا (6 إنشات). وتستخدم الخرسانة في مجالات واسعة من أعمال البناء والإنشاء بما فيها الجسور والسدود والأنفاق تحت الأرض وصهاريج المياه وشق الطرق وما إلى ذلك.

وتستخدم خلطة الصلصال والإسمنت البورتلاندي كقاعدة لشق الطرق. كما يستخدم الإسمنت البورتلاندي في صناعة الطوب والبلاط والمواسير والأعمدة ووصلات السكك الحديدية والمنتجات المختلفة المشكلة بالبثق. ويتم تحضير المنتجات بصورة مسبقة الصنع في المصنع وتكون جاهزة للتنفيذ في الموقع. ويتم في الوقت  الحاضر إنتاج الإسمنت على نطاق واسع، لان الخرسانة تحظى بأكثر التطبيقات والاستخدامات من بين سائر مواد البناء والإنشاء.

وأخيرا

ويشكل الإسمنت جزء لا يتجزأ من البنى التحتية الحضرية. إن هذه المادة وبسبب خصائصها المختلفة للغاية، تستخدم كمادة رئيسية في الإنشاءات. لا سيما وأن الإسمنت يشغل حيزا مفتاحيا في صناعة الخرسانة. وعلى أي حال، فان القائمين على صناعة الإنماء والإعمار ومن أجل الإستخدام الأمثل والتطبيقي، لا بد لهم من دراسة خصائص الإسمنت وسلوك هذه المادة في التطبيقات المختلفة لكي تكون النتائج المتأتية، ناجعة.

مصادر:

basiccivilengineering.com

www.britannica.com