سیمان cement یک ماده اتصال دهنده است، ماده ای که برای ساخت و ساز مورد استفاده قرار می‌گیرد و برای محکم شدن، سخت شدن و چسبیدن سایر مواد به هم اضافه می‌شود. سیمان به ندرت به تنهایی مورد استفاده قرار می‌گیرد، بلکه برای اتصال ماسه و شن (سنگدانه) به یکدیگر استفاده می‌شود. سیمان مخلوط با سنگدانه ریز، ملات بنایی و یا مخلوط با شن و ماسه، بتن تولید می‌کند. بتن پرکاربردترین مصالحی است که وجود دارد و بعد از آب به عنوان پر مصرف ترین منبع کره زمین قرار دارد.
این نوع از مصالح ساختمانی از طریق ترکیب شیمیایی کنترل شده از کلسیم، سیلیکون، آلومینیوم، آهن و سایر مواد تشکیل می‌شود. مواد رایج مورد استفاده برای تولید سیمان شامل سنگ آهک و گچ یا مارن است که با شیل، خاک رس، سنگ، سرباره کوره بلند، ماسه سیلیس و سنگ آهن ترکیب می‌شود.
تعیین مقدار سیمان، ماسه و سنگدانه را برای مخلوط بتن به مقاومت مد نظر برای بتن بستگی دارد. بنابراین طرح اختلاط بتن فرآیندی است برای تعیین مصالح با کیفیت مناسب و نسبت مقدار آنها برای تهیه بتن با خواص مورد نظر مانند کارایی، استحکام، زمان گیرش و دوام. طرح اختلاط بتن نسبت سیمان، ماسه و آب وشن با توجه به حجم را به ترتیب تعیین می کند. بنابراین طرح اختلاط ۱:۲:۴ نشان دهنده (سنگدانه:ماسه: سیمان) است. به طور معمول، یک مخلوط حدود ۱۰ تا ۱۵ درصد سیمان، ۶۰ تا ۷۵ درصد سنگدانه و ۱۵ تا ۲۰ درصد آب است. هوای ورودی در بسیاری از مخلوط‌های بتن نیز ممکن است ۵ تا ۸ درصد دیگر را اشغال کند.
مکانیزم شیمیایی
از نظر شیمیایی اجزای اصلی سیمان شامل ترکیبی از سیلیکات کلیسیم و و مقدار کمی کلسیم آلومینات است که با آب واکنش داده و سخت می شود.
کلسیم به عنوان منبع سیلیس و آلومینا از سنگ آهک و رس، یا خاکستر و شیل حاصل می شود.
ترکیب این مواد با اضافه کردن ۵ درصد ژیپس برای دیرگیر کردن، سیمان را به وجود می آورد.
مواد معدنی تشکیل دهنده سیمان
سنگ آهک
اغلب تولید کننده های سیمان کارخانه خود را در نزدیکی معادن سنگ آهک بنا می کنند. معادن سنگ آهک از نظر کیفیت، ضخامت و ترکیبات شیمیایی با یکدیگر تفاوت داشته که این امر منجر به تفاوت در کیفیت سیمان های مختلف می شود. در برخی از کشور ها سنگ آهک کربنیک منبع اصلی مواد خام سیمان به شمار می رود.
منابع اصلی دیگر سنگ آهک، سنگ آهک دوران کرتاسه (دوران دوم زمین شناسی) یا همان چالک است.
چالک یا گچ یک ماده متخلل بوده و اغلب دارای رطوبت بالایی است در نتیجه استفاده از این ماده منجر به تولید نیمه خشک سیمان می گردد.
شیل
سنگ شیل یک نوع سنگ رسوبی خالص است که از ذرات ریز (اندازه ذرات کمتر از ۱.۲۷۵ میلی متر) سیلت، رس وکوارتز تشکیل شده است.
سنگ گچ (ژیپس)
ژیپس سولفات معدنی نرم است که از کلسیم کربنات آبدار تشکیل شده است.
استخراج مواد اولیه
معادن مواد اولیه سیمان ، خصوصاً سنگ آهک، خاک رس، مارل، سنگ گچ، وامثالهم بصورت روباز
می باشند. در استخراج موادی نظیر سنگ آهک، سنگ آهن و سنگ گچ نیاز به چال زنی و انجام انفجار بوسیله دینامیت وجود دارد. برای این منظور پس از خاک برداری و روبرداری و جدا کردن باطله ها، اقدام به چال زدن با دستگاههای پنوماتیک نظیر دریل واگن یا چکش دستی می شود. چال های چکش دستی به عمق ۱ تا ۳ متر و چالهای دریل واگن به عمق ۳ تا ۱۵ متر می باشد. قطر چالها بستگی به قطر مته مورد استفاده دارد و معمولاً از ۳ تا ۱۲ سانتیمتر می باشند. پس از آماده شدن چالها آنها را توسط مواد ناریه نظیر نیترات آمونیم و دینامیت ( و در مواردی باروت) پر نموده و با چاشنی گذاری و سری کردن چاشنی ها اقدام به آتش کاری و انفجار می شود. پس از آتشکاری با استفاده از وسائلی نظیر بولدوزر و اکسکاواتور اقدام به جابجا کردن و ذخیره سازی مواد استخراج شده و پاک کردن سکوی کار برای چال زدن های بعدی می شود. مواد اولیه نظیر خاک رس و مارل نیاز به چال زنی و انفجار ندارد و صرفاً از بولدوزر و یا دستگاه های مشابه جهت دپو کردن مواد استفاده می شود . بارگیری مواد اولیه سیمان بوسیله لودر یا بیل مکانیکی صورت می گیرد و حمل این مواد بوسیله کامیون ، نوار نقاله، واگن های زمینی یا هوائی انجام می شود.
استفاده از روشهای مختلف استخراج ، بارگیری و حمل مواد اولیه از معدن تا کارخانه بستگی به عوامل مختلف از جمله فاصله معدن تا کارخانه ، مسیرحمل، نوع معدن و عوامل اقتصادی نظیر سرمایه گذاری روی نیروی انسانی یا ماشین آلات دارد .
خرد کردن مواد اولیه
مواد آهکی اصلی ترین ماده اولیه مصرفی است که معمولاً در ایران بصورت سنگ آهک صخره ای ، لایه لایه و نسبتاً سخت می باشند . بدلیل صخره ای بودن این ماده اولیه و همچنین مواد اولیه دیگر (مواد کمکی) نظیر سنگ آهن و سیلیس، وجود دستگاههای سنگ شکن یا خرد کن در کارخانه سیمان ، ازضروریات است. خاک رس معمولاً به همراه مقداری کلوخه های درشت و خرده سنگ است، که برای خرد کردن آنها یا از خرد کن جداگانه و یا از خردکن مربوط به سنگ آهک استفاده می نمایند . برای خرد کردن سنگ آهک ( یا سایر مواد اولیه با ابعاد بالا) از دستگاههای خرد کن با طرح های گوناگون استفاده می شود که از جمله آنها :
الف) سنگ شکن هاى متحرک
ب.) سنگ شکن هاى ثابت
انتخاب نوع سنگ شکن بستگی به نوع و جنس سنگ مصرفی و ابعاد مورد نیاز سنگ خرد شده دارد. در مواردی جنس و سختی سنگ آنچنان است که با یکبارخرد کردن ، منظور برآورده می شود . در مواردی سنگ مصرفی آنچنان سخت است که میبایستی عمل خرد کردن در دو یا سه مرحله صورت گیرد. اندازه مواد خروجی از سنگ شکن بایستی کمتر از حد معینی باشد . از جمله اینکه در کارخانه هائی که دارای آسیاب مواد خام گلوله ای هستند، اندازه مواد ورودی به آسیاب باید در فاصله بین صفر تا سی میلیمتر باشد. برای رسیدن به این ابعاد بایستی عوامل زیر در نظر گرفته شود:
– خواص سنگ) مواد (، نظیر سختی، نیروی برشی، ساختمان کریستالی، رطوبت و چسبندگی.
– نسبت و درصد مواد فرساینده نظیر کوارتز (سنگ سیلیس) ، فلدسپات و … که روی میزان فرسایش قطعات سنگ شکن نقش تعیین کننده دارند.
– حداکثر اندازه سنگی که به سنگ شکن وارد می شود.
– اندازه مورد نیاز سنگ خرد شده خروجی از سنگ شکن.
– ظرفیت سنگ شکن
با توجه به نکات فوق اقدام به انتخاب نوع سنگ شکن و می شود. از جمله انواع مختلف سنگ شکن که در صنعت سیمان بکار میروند ، عبارتند از: سنگ شکن فکی، مخروطی ، ضربه ای ، چکشی ، استوانه ای که نوع کاربرد هر یک بستگی به جنس مواد دارد .سنگ شکن ثابت در ابتدای خط تولید سیمان قرار دارد ، مواد اولیه بوسیله کامیون در داخل قیف سنگ شکن تخلیه می گردند و پس از خرد شدن از طریق نوار نقاله راهی سالن ذخیره می شوند.
مخلوط کردن و ذخیره سازی مواد اولیه
قبل ازاینکه مواد خرد شده در سنگ شکن ، راهی آسیاب مواد جهت پودرشدن شود ، بداخل سالنی ریخته می شود تا بدینوسیله هم با یکدیگر مخلوط شوند و هم اینکه انبار و ذخیره سازی شود. سالن مواد از جمله مهمترین قسمتهای خط تولید است که دارای نقش های زیر است:
– چون معدن و سنگ شکن فقط روزها کار می کنند و معمولاً در هفته یک روز نیز تعطیل می باشند ، وجود این سالن بعنوان محلی برای ذخیره سازی و مخلوط کردن مقدماتی مواد خام ، ضرورت دارد.
– چون کوره شبانه روز کار می کند ، از اینرو لازم است آسیاب مواد ، که نیاز به گازهای کوره برای خشک کردن و جابجائی مواد دارد ، شبانه روز کار نماید. وجود این سالن، کار شبانه روزی آسیاب مواد را تضمین مینماید.
– در برخی کارخانه ها ، انواع مواد خام بصورت جداگانه ذخیره می گردند. در برخی دیگر، تعدادی از مواد اولیه نظیر سنگ آهک و خاک رس ضمن ذخیره شدن در سالن با یکدیگر مخلوط می شوند.
– در برخی موارد این مخلوط کردن اولیه آنچنان کامل است ، که عملاً در صد تنظیم مواد تا حد صد در صد است. در مواردی دیگر بخشی از تنظیم مواد در سالن مواد انجام می گیرد و سپس تنظیم کاملتر در آسیاب مواد صورت می پذیرد.
سالن ذخیره سازی و مخلوط کردن مواد .در اغلب کارخانه های سیمان سالن مواد مستطیل شکل است.
سیمان پرتلند
این محصول هنگامی که برای اولین بار در اوایل قرن ۱۹ در انگلستان ساخته شد و مورد استفاده قرار گرفت، سیمان پرتلند نامیده شد زیرا محصول هیدراتاسیون آن شبیه سنگ ساختمانی از جزیره پورتلند در سواحل بریتانیا بود. اولین اختراع برای این محصول در سال ۱۸۲۴ توسط جوزف آسپدین، یک ماسون انگلیسی به دست آمد. وزن مخصوص ذرات آن حدود ۳.۱۵ است.
در سیمان پرتلند چهار فاز اصلی وجود دارد: سیلیکات تری کلسیم(C3A)، سیلیکات دی کلسیم (C2A)، آلومینات تری کلسیم (C3A) و آلومینوفریت تترا کلسیم (C4AF). استحکام و سایر خواص بتن عمدتآ از هیدراتاسیون سیلیکات‌های تری کلسیم و دی کلسیم ناشی می‌شود.
مراحل تولید سیمان پرتلند
مراحل ساخت سیمان پرتلند در زیر شرح داده شده است:
مخلوط کردن مواد اولیه
مواد اولیه اصلی مورد استفاده در تولید این نوع از مصالح عبارتند از کلسیم، سیلیکون، آهن و آلومینیوم. این مواد معدنی با توجه به در دسترس بودن به اشکال مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرند.
روش اختلاط به ۲ روش انجام می‌شود:
فرآیند خشک: مواد اولیه آهکی و آجری ابتدا در دستگاههای سنگ شکن چرخشی خرد می‌شوند تا قطعات ۲-۵ سانتیمتر جداگانه به دست آید. مواد خرد شده مجدداً آسیاب می‌شوند تا ذرات ریز به آسیاب لوله وارد شوند. هر ماده خرد شده پس از غربالگری در قیف ذخیره می‌شود. اکنون این مواد معدنی پودر شده به نسبت مورد نیاز مخلوط می‌شوند تا مخلوط خام خشک به دست آید و سپس در سیلوها ذخیره شده و آماده ارسال به کوره دوار می‌شود. در حال حاضر مواد اولیه به نسبت‌های خاصی مخلوط می‌شوند تا ترکیب متوسط محصول نهایی به درستی حفظ شود.
فرآیند تر: مواد اولیه ابتدا خرد شده و به شکل پودر درآمده و در سیلوها ذخیره می‌شوند. سپس خاک رس شسته می‌شود تا مواد آلی چسبیده در خاک رس حذف شود. سنگ آهک پودر شده و خاک رس شسته شده برای جریان در کانال‌ها ارسال شده و به آسیاب‌ها منتقل می‌شود که در آن کاملاً مخلوط شده و خمیر تشکیل می‌شود، یعنی به عنوان دوغاب شناخته می‌شود. فرآیند سنگ زنی را می‌توان در آسیاب لوله ای انجام داد. سپس دوغاب به حوضچه جمع آوری هدایت می‌شود که در آن ترکیب را می‌توان تنظیم کرد. دوغاب حاوی حدود ۳۸-۴۰٪ آب است که در مخازن ذخیره می‌شود و برای کوره دوار آماده است.
سوزاندن
فرآیند سوزاندن در کوره دوار انجام می‌شود در حالی که مواد اولیه در محور طولی آن در ۱-۲ دور در دقیقه می‌چرخند. کوره دوار از لوله‌های فولادی با قطر۲.۵-۳ متر تشکیل شده است و طول آن بین ۹۰-۱۲۰ متر متفاوت است. قسمت داخلی کوره با آجرهای نسوز روکش شده است. کوره بر روی ستون‌های بنایی یا بتنی تکیه داده شده و بر روی غلتک در موقعیت کمی متمایل در شیب ۱ در ۲۵ تا ۱ در ۳۰ قرار گرفته است. مخلوط خام فرآیند خشک و یا دوغاب اصلاح شده مرطوب از انتهای بالایی به کوره تزریق می‌شود. کوره با کمک ذغال سنگ یا روغن یا گازهای داغ از انتهای پایین کوره گرم می‌شود تا شعله تولید شود. همانطور که موقعیت کوره متمایل است و به آرامی می‌چرخد، مواد شارژ شده از انتهای بالایی با سرعت ۱۵ متر در ساعت به سمت انتهای پایین حرکت می‌کند. در قسمت فوقانی، آب یا رطوبت مواد در دمای ۴۰۰ درجه سانتی گراد تبخیر می‌شود، بنابراین این فرایند به عنوان منطقه خشک شدن شناخته می‌شود؛ یعنی قسمت مرکزی.
نوع سیمان، ویژگی‌ها و کاربردهای آنها در ساختار بتن
انواع مختلف سیمان در ساختار بتن استفاده می‌شود. هر نوع از آن بر اساس مواد ترکیبی مورد استفاده در طول ساخت، خواص، مصارف و مزایای خود را دارد.
سیمان پرتلند معمولی (OPC): سیمان معمولی پرتلند پرکاربردترین نوع است که برای همه ساختمان‌های بتنی معمولی مناسب است. این رایج ترین نوع سیمان تولید شده و مورد استفاده در سراسر جهان است، با تولید سالانه جهانی حدود ۳.۸ میلیون متر مکعب در سال. این نوع مصالح برای انواع ساختمان‌های بتنی مناسب است.
سیمان پرتلند پوزولانی (PPC): سیمان پرتلند پوزولانی با آسیاب کردن کلینکر پوزولانی با سیمان پرتلند تهیه می‌شود. همچنین با افزودن گچ یا سولفات کلسیم یا با ترکیب کامل و یکنواخت سیمان پرتلند و پوزولانای ریز تولید می‌شود. این محصول در مقایسه با سیمان پرتلند معمولی از مقاومت بالایی در برابر حملات شیمیایی مختلف به بتن برخوردار است و بنابراین، به طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرد. در سازههای دریایی، فاضلاب، برای بتن ریزی در زیر آب، مانند پل‌ها، اسکله‌ها، سدها و غیره استفاده می‌شود.
سیمان سخت کننده سریع: سیمان سخت کننده سریع در روزهای اولیه از استحکام بالایی برخوردار است. در بتنی مورد استفاده قرار می‌گیرد که قالب‌ها در مراحل اولیه برداشته می‌شوند و شبیه پرتلند معمولی (OPC) هستند. این نوع مقدار آهک را افزایش داده و دارای محتوای c3s بالاتر و آسیاب دقیق تر است، که باعث افزایش استحکام بیشتر از OPC در مراحل اولیه می‌شود. مقاومت این محصول در سه روز مشابه مقاومت ۷ روزه OPC با نسبت آب به سیمان یکسان است. بنابراین، مزیت این محصول این است که قالب را می‌توان زودتر از بین برد که باعث افزایش سرعت ساخت و کاهش هزینه ساخت با صرفه جویی در هزینه قالب می‌شود. سیمان سخت کننده سریع در ساخت بتن پیش ساخته، کارهای جاده ای و غیره استفاده می‌شود.
سیمان زودگیر کننده: تفاوت بین سیمان زودگیر و سیمان سخت کننده سریع این است که زودتر خودش را می‌گیرد. در عین حال، میزان افزایش مقاومت مشابه سیمان پرتلند معمولی است، در حالی که سیمان سخت کننده سریع به سرعت مقاومت می‌گیرد. قالب بندی‌ها در هر دو مورد را می‌توان زودتر حذف کرد. سیمان زود گیر در مواردی که کارها باید در مدت زمان بسیار کوتاهی به پایان برسد و برای بتن ریزی در آب‌های ساکن یا جاری استفاده می‌شود.
سیمان کم حرارت: سیمان کم حرارت با حفظ درصد آلومینات تری کلسیم زیر ۶ درصد با افزایش نسبت C2S تولید می‌شود. مقدار کمی آلومینات تری کلسیم باعث می‌شود که بتن حرارت کمی از هیدراتاسیون را تولید کند. سیمان کم حرارت مناسب برای ساختارهای بتنی بزرگ مانند سدها، با حرارت کم هیدراتاسیون، از ترک خوردگی بتن در اثر حرارت جلوگیری می‌کند. این سیمان مقاومت بیشتری در برابر سولفات‌ها دارد و کمتر واکنش پذیر است و زمان گیرش اولیه بیشتر از OPC است.
سیمان مقاوم در برابر سولفات: سیمان مقاوم در برابر سولفات برای کاهش خطر حمله سولفات به بتن استفاده می‌شود و بنابراین در ساخت فونداسیون‌هایی که خاک دارای سولفات زیاد است استفاده می‌شود. این سیمان محتویات C3A و C4AF را کاهش داده است. سیمان مقاوم در برابر سولفات در ساختارهایی که در معرض سولفات شدید آب و خاک قرار دارند؛ در مکان‌هایی مانند روکش کانال‌ها ، آبگیرها، دیوارهای حائل، سیفون‌ها و غیره استفاده می‌شود.
سیمان سرباره: سیمان سرباره با آسیاب کردن کلینکرها در حدود ۶۰ درصد سرباره به دست می‌آید و از نظر خواص به سیمان پرتلند کم و بیش شباهت دارد. می توان از آن برای آثاری که ملاحظات اقتصادی در آنها غالب است استفاده کرد.
سیمان با آلومینا بالا: سیمان آلومینای بالا با ذوب مخلوط بوکسیت و آهک و آسیاب کردن با کلینکر به دست می‌آید. این یک سیمان سخت کننده سریع با زمان گیرش اولیه و نهایی به ترتیب حدود ۳.۵ و ۵ ساعت است. مقاومت فشاری این سیمان بسیار زیاد و قابل استفاده تر از سیمان پرتلند معمولی است و در کارهایی که بتن در معرض دمای بالا، یخ زدگی و عمل اسیدی قرار می‌گیرد، استفاده می‌شود.
سیمان سفید: از مواد اولیه عاری از اکسید آهن تهیه می‌شود و نوعی سیمان پرتلند معمولی است که سفید است. گرانتر است و برای اهداف معماری مانند دیوارهای پرده ای و روکشی پیش ساخته، برای تزئینات داخلی و خارجی مانند نمای خارجی ساختمان‌ها، کفپوش، محصولات بتنی زینتی، مسیرهای باغ و استخرهای شنا و غیره استفاده می‌شود.
سیمان رنگی: با مخلوط کردن ۵ تا ۱۰ درصد رنگدانه‌های معدنی با سیمان معمولی تولید می‌شود. آنها به طور گسترده ای برای کارهای تزئینی روی کف استفاده می‌شوند.
سیمان هوا زا: سیمان جذب کننده هوا با افزودن عوامل جذب کننده هوا مانند رزین ها ، چسب‌ها، نمک‌های سدیم سولفات‌ها و غیره در حین ساییدن کلینکر تولید می‌شود. این نوع سیمان به ویژه برای بهبود کارایی با نسبت آب به سیمان کمتر و بهبود مقاومت در برابر سرما برای بتن مناسب است.
سیمان انبساطی: سیمان انبساطی با گذشت زمان اندکی منبسط می شود و در طول و پس از زمان سخت شدن منقبض نمی شود. این سیمان عمدتا برای تزریق پیچ لنگر و مجاری بتنی پیش تنیده استفاده می‌شود.
سیمان ضد آب: سیمان ضد آب با مخلوط کردن مواد شیمیایی دفع آب تهیه می‌شود و از قابلیت کارکرد و استحکام بالایی برخوردار است. خاصیت دفع آب را دارد و در زمان بارندگی‌های موسمی تحت تأثیر قرار نمی‌گیرد. سیمان ضد آب عمدتا برای ساخت سازههای آبی مانند سدها، مخازن آب، سرریزها، سازههای نگهدارنده آب و غیره استفاده می‌شود.
در این قسمت با سیمان، مواد اولیه آن و فرآیند های تولید آن آشنا شدید. شما میتوانید سایر مطالب مرتبط با صنعت و معدن را در قسمت مقالات سایت مطالعه نمایید.
چنانچه در حوزه کاری خود به مشکلی برخورد کرده‌اید و در جستجوی فرد و یا شرکت‌های توانمند برای حل مشکلتان هستید می توانید با عضویت در سامانه گلوپ و ثبت مشکل خود با این افراد و شرکت ها ارتباط برقرار کنید.
برای مشاهده مطالب بیشتر به گلوپ پلاس مراجعه فرمایید.