سیمان

سیمان پایه و اساس ساخت بتن است و ماده اصلی احداث بسیاری از ساختارهایی که در اطراف خود می‌بینیم. این ماده از دیرباز در تاریخ باستانی بشر مورد استفاده قرار می گرفته است و امروزه نیز به وفور در صنعت ساخت و ساز به کار گرفته می‌شود؛ اما سیمان از چه چیزی ساخته می‌شود ؟ این ماده در خود چه چیزی دارد که دنیای مدرن امروزی ما را ایجاد کرده است ؟ در این مقاله از ستوده بتن، توضیحات کاملی در مورد این ماده شگفت انگیز، به شما می دهیم.

سیمان چیست ؟

سیمان (Cement) به این صورت تعریف می‌شود : «یک ماده هیدرولیکی حاصل از سوزاندن مخلوطی از آهک و خاک رس برای تشکیل کلینکر، سپس با اعمال فرآیند پودر شدن کلینکر، ماده نهایی دارای ترکیبی از خواص شیمیایی و فیزیکی خواهد بود.»

سیمان یک پودر خاکستری مایل به سبز است که در درجه اول از سیلیکات‌ های کلسیم، آلومینات کلسیم و فریت‌ های کلسیم تشکیل شده است. هنگامی که با آب مخلوط شود (فرآیند هیدراتاسیون) به یک سنگ مصنوعی تبدیل می‌شود.

ترکیبات

مواد اصلی شیمیایی سیمان پرتلند طبق جدول زیر هستند:

مواد تشکیل دهنده فوق که مواد اولیه را تشکیل می‌دهند اما در هنگام سوزاندن و همجوشی دچار واکنش‌های شیمیایی می‌شوند و ترکیبات زیر را تشکیل می‌دهند.

نسبت چهار ترکیب فوق در سیمان‌ های مختلف متفاوت است. سیلیکات تری کلسیم و سیلیکات دی کلسیم بیشترین مقاومت را دارند. گیرش اولیه سیمان پرتلند به دلیل آلومینات تری کلسیم است.

سیلیکات تری کلسیم به سرعت هیدراته می‌شود و بیشتر به مقاومت اولیه کمک می‌کند. سهم سیلیکات دی کلسیم پس از هفت روز اتفاق میفتد و ممکن است تا یک سال ادامه یابد. آلومینات تری کلسیم به سرعت هیدراته می‌شود، گرمای زیادی تولید می‌کند و در 24 ساعت اول فقط کمک کمی به قدرت می‌کند.

تتراکلسیم آلومینو فریت نسبتاً غیر فعال است. هر چهار ترکیب در صورت مخلوط شدن با آب ، گرما تولید کرده و آلومینات حداکثر گرما و حداقل سیلیکات دی کلسیم را تولید می‌کنند. به همین دلیل، آلومینات تری کلسیم بیشترین خواص نامطلوب بتن را بر عهده دارد. سیمان با C3A ​​کمتر دارای مقاومت نهایی بالاتر، تولید گرمای کمتر و ترک خوردگی کمتری خواهد بود.

تاریخچه سیمان

یک سنگ فرش ساخته شده از سنگ آهک سوخته در حدود 7000 سال از قبل میلاد مسیح در اسرائیل کشف شد. مصری های باستان استفاده سیمان آهک را به عنوان یک ملات «بتن آهکی» را به عنوان بلوک و پایه اصلی ساخت و سازهای خود استفاده می‌کردند.

سپس استفاده از سیمان آهکی به سایر مناطق مدیترانه گسترش یافت و در حدود 500 سال قبل از میلاد مسیح در یونان باستان مورد استفاده قرار گرفت. این ملات برای پوشاندن دیوارهای آجری خشک شده استفاده می‌شد.

در ابتدا با کپی کردن از یونانیان، رومی‌ها با کشف خاکستر آتشفشانی باعث تقویت ماهیت سیمان شدند. رومی‌ها چندین سازه قابل توجه از جمله سقف پانتئون را احداث کردند. از آنجا که سنگدانه مورد استفاده در ساخت این سازه از پوکه بود، پانتئون به عنوان اولین کاربرد عمده بتن سبک غیر مسلح در تاریخ بشریت بود.

در قرون وسطی نورمن‌ها دریافتند که در صورت عدم وجود خاکستر آتشفشانی می‌توان از خُرده سنگ‌ ها نیز برای تقویت سیمان استفاده کرد. در اواخر قرن هفدهم و اوایل قرن 18 هنگامی که مهندسان شروع به آزمایش ترکیبات سیمان کردند، پیشرفت بیشتری حاصل شد. این کار منجر به اختراع سیمان پرتلند توسط «جوزف آسپدین» شد.

جوزف آسپدین سیمان جدید را در سال 1824 ثبت اختراع کرد. او نام پرتلند را انتخاب کرد زیرا وقتی در زمان سفت شدن، رنگ آن شبیه به سنگ پرتلند می‌شد که در آن زمان برای بسیاری از ساختمان‌‌ ها مورد استفاده قرار می‌گرفت. به دنبال معرفی سیمان پرتلند، به ویژه در حدود 50 سال گذشته، پیشرفت‌های عمده‌ ای در زمینه شناخت این محصول حاصل شده است.

فرآیند تولید

ساخت سیمان مانند بسیاری دیگر از مراحل تولید، در معدن آغاز می‌شود، جایی که مواد اولیه مانند سنگ آهک، سیلیس، آلومینات، مواد معدنی فریک و سایر مواد به دست می‌آیند. این مواد برحسب مواد تشکیل دهنده سیمان به شرح زیر هستند:

• برخی از مواد معمولی مورد استفاده برای کربنات کلسیم در سنگ آهک، گچ، سنگ مرمر، مارن و پوسته صدف هستند.
• برخی از مواد معمولی مورد استفاده برای آلومینا شامل شیل، رس، سرباره، خاکستر بادی، بوکسیت، ضایعات فرآیند آلومینا و گرانیت هستند.
• برخی از مواد معمول مورد استفاده برای سیلیس شامل ماسه، رس، سنگ سفال، شیل، سرباره و خاکستر بادی هستند.
• برخی از مواد معمول مورد استفاده برای آهن در سنگ معدن آهن، گرد و غبار دود کوره بلند، کلینکر پیریت، مقیاس آسیاب و خاکستر است.

روش‌های کلی استخراج، به شکل استخراج سطحی است. در حالی که برخی از سیلیکات‌ ها مانند شن و ماسه معمولاً با استفاده از لایروبی از دریاچه‌ها، رودخانه‌ها و آبراه‌ها استخراج می‌شوند. چند معدن سنگ آهک زیرزمینی وجود دارند اما بیشتر آنها چاله‌ های سطح زمین هستند.

کارخانه‌ های سیمان معمولاً در مرکز مواد معدنی مورد نیاز قرار دارند که باعث صرفه جویی در هزینه‌های حمل و نقل و کاهش قیمت سیمان می‌شود. پس از استخراج ماده معدنی مورد استفاده، آن را در کارخانه خُرد می‌کنند (غربالگری) تا اندازه ذرات مورد نظر تولید شوند.

بعضی اوقات، مواد اولیه با افزودن آب در آسیاب گلوله‌ ای مرطوب شده و دوغاب تشکیل می‌دهند. در هر صورت، پودر آسیاب شده برای پردازش گرما به کوره دوار منتقل می‌شود. در کوره دوار ابتدا دی اکسید کربن از کربنات‌های کلسیم خارج می‌شود، سپس ماده اولیه در دمای حدود 2700 درجه فارنهایت ذوب می‌شود.

کلینکر سیمان به شکل توده‌ ای است. محدوده اندازه ذرات برای کلینکر از حدود 2 اینچ تا حدود 10 اینچ است. سپس کلینکر در آسیاب گلوله‌ ای آسیاب شده و به عنوان سیمان پرتلند تهیه می‌شود. در پایان، پودر خاکستری ریز در داخل کیسه‌ های 50 کیلویی قرار می گیرند تا برای مصرف وارد بازار شوند.

ویژگی‌ های سیمان طبق جدول زیر است :

انواع سیمان

این محصول در ایران به انواع زیر تقسیم می‌شود :

سیمان تیپ یک :

سیمان معمولی نیز نامیده می‌شود و برای مواردی که به ویژگی‌های خاص نیاز نباشد استفاده می‌شود. از این نوع برای ساخت روسازی، سطح جاده‌ها، پل‌ها، راه آهن، لوله‌های آب و ملات‌های ساختمانی استفاده می‌شود. تیپ یک در تمام مواردی که با سولفات‌ها در تماس نیست و گرمای هیدراتاسیون باعث افزایش درجه حرارت بتن می‌شود، کاربرد دارد.

سیمان تیپ دو :

این نوع از کیفیت بالاتری برخوردار است و در مواردی که احتیاط می‌ شود که خطر حمله سولفات‌ها وجود دارد. این نوع معمولاً کندتر از نوع اول بوده و در حین هیدراتاسیون گرمای کمتری تولید می‌کند، بنابراین می‌توان از آن در ساختمان‌ ها و موارد دیگر استفاده کرد.

سیمان تیپ سه :

این نوع زودگیر است. مقاومت فشاری هفت روزه آن تقریباً برابر با مقاومت فشاری 28 روزه تیپ یک است. در هنگام هیدراتاسیون نسبت به نوع اول گرمای بیشتری می‌دهد. این مورد در صورت نیاز به چرخش سریع قالب و در هوای سرد برای کاهش زمان محافظت از بتن مورد استفاده قرار می‌گیرد. به این نوع سیمان، زود سخت شوند نیز می‌گویند.

سیمان تیپ چهار :

این نوع در هنگام سخت شدن مقدار بسیار کمی گرما تولید می‌کند و در مواردی که مقدار و شدت گرمای تولید شده قابل توجه باشد از آن استفاده می‌شود. مقاومت تیپ چهار به صورت آهسته انجام می‌شود. کاربرد اصلی این تیپ در ساخت ساختمان‌ های عظیم بتنی است. برای کاهش درجه حرارت، از نوع چهار استفاده می‌شود.

سیمان تیپ پنج :

نوع پنج یا سیمان ضد سولفات هنگامی استفاده می‌شود که بتن از نزدیک در معرض سولفات‌ها قرار گیرد. این ماده عمدتاً در مواردی استفاده می‌شود که خاک یا آبی که با ساختمان بتنی در تماس است حاوی مقدار زیادی مواد معدنی سولفات باشد. تیپ پنج کندتر از نوع معمولی سخت شود.

سیمان به صورت پاکتی و فله ای به فروش می رسد. صنعت هایی مانند کارخانه بتن که مصرف بسیار بالایی دارند، به صورت فله ای خریداری می کنند و در مواردی که حجم کمتری مورد نیاز است، مانند ساختمان سازی، به صورت پاکتی خریداری می شود.

نوع فله ای توسط خودرویی خاص به نام بونکر، در کارخانه تولید سیمان بارگیری شده و سپس به محل کارخانه بتن رفته و در سیلو های نگهداری سیمان، توسط فشار باد تخلیه می گردد.

کارکرد اصلی سیمان

اصل کار سیمان هیدرولیکی بر اساس فرآیند هیدراتاسیون است، به این معنا که محصول هنگام اضافه شدن آب سفت می‌شود. برخی از مواد موجود در سیمان هیدرولیکی به دلیل استفاده از آب واکنش‌ هایی را شروع می‌کنند و باعث می‌شوند تا مخلوط با کاهش زمان پخت خیلی سریع جا بیفتد و سخت شود.

ماهیت این محصولات شیمیایی باعث می‌شود سیمان هیدرولیکی در برابر صدمات ناشی از آب و حملات شیمیایی نفوذ ناپذیر باشد. از این رو، برای ساخت سازه‌هایی که در تماس نزدیک یا غوطه ور شدن در آب هستند بسیار مناسب است.

مزایا

• کار با سیمان هیدرولیک حتی برای مبتدیان نیز آسان است.
• سیمان هیدرولیک گیرش سریعی دارد و زود سخت می‌شود. بنابراین مقاومت مطلوب را می‌توان به سرعت به دست آورد.
• از آنجا که سیمان هیدرولیکی ضد آب است، می‌توان از آن برای سازه‌های زیر آب استفاده کرد.
• ماده غیر خورنده، زنگ زده و منقبض نشده است.
• فقط در عرض یک ساعت از زمان استفاده قابل رنگ آمیزی است.
• برای آب بندی زیرزمین یا سایر نشت‌ های بتن، ضد آب و ضد آتش استفاده شود.
• زمان تنظیم را می‌توان با افزودن آب گرم تسریع کرد و با آب سرد عقب انداخت.

معایب

• خیلی سریع سفت می‌شود، بنابراین باید در طی 10 تا 15 دقیقه از اختلاط استفاده شود.
• نمی‌توان از آن در سطوح منجمد یا در مناطقی که دما طی 48 ساعت به شدت کاهش می‌یابد، استفاده کرد.
• انعطاف پذیر نیست، از این رو فقط برای ارائه پشتیبانی مکانیکی مناسب است.
• توصیه نمی‌شود که درجه حرارت زیر 48 درجه فارنهایت (حدود 8.8 درجه سلسیوس) استفاده شود.
• غیر قابل نفوذ در آب است.

کاربرد

موارد استفاده از سیمان به شرح زیر هستند :

• ماده اصلی تولید انواع بتن
• ماده اصلی تولید انواع ملات
• ماده اصلی ساخت دوغاب
• استفاده در سد سازی، پل سازی، ساختمان سازی، راهسازی و غیره
• برای ترمیم و پُر کردن شکاف کف و دیواره‌ها
• به عنوان ماده پرکننده و مواد گچ کاری
• برای کاهش خطر ترک خوردگی
• بجهت تولید پست چراغ و پست تلفن
• برای ساخت لوله‌ های سیمانی، صندلی‌های باغ، گلدان
• در تولید بلوک سیمانی
• در ساخت جاده‌ها و مسیرهای پیاده روی

خواص سیمان خوب

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

• قدرت چسبندگی بالا
• قابلیت تنظیم گیرش
• انعطاف پذیری بالا
• قابلیت اجرا و ترکیب با مصالح ساختمانی دیگر
• حالت خمیری مناسب
• مقاوم در برابر رطوبت

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

قیمت سیمان

مانند هر بازار دیگری، برخی از عوامل در قیمت این ماده مؤثر هستند:

• کارخانه تولید کننده
• نرخ ارز
• قیمت مواد اولیه
• نحوه تولید
• نحوه استخراج مواد اولیه
• عرضه و تقاضای بازار
• شرایط اقتصادی کشور
• نوسانات بازار مسکن (ملک)

سیمان سفید چیست؟

سیمان سفید از همه لحاظ به سیمان پرتلند خاکستری شبیه است اما مهمترین تفاوت بین آنها در رنگشان است. به دست آوردن این رنگ نیاز به اصلاح اساسی در روش تولید دارد و به همین دلیل، این محصول کمی گران‌ تر از نوع معمولی است.

این محصول برای کارهای تزئینی به شکل دوغاب، چسب، ملات‌ های آهک سیمان، مجسمه سازی و مخلوط‌ های گچی استفاده می‌شود.

سیمان رنگی چیست؟

سیمان رنگی با استفاده از رنگدانه‌ های مخصوص به رنگ‌ های مختلف در می‌آید. این محصول بیشتر در کاربردهای تزئینی مانند نمای ساختمان و ساخت مسیرهای پیاده روی رنگی در سطح شهر استفاده می‌شود. ناگفته نماند، این محصول به دلیل خصوصیاتی که دارد اغلب در بتن  استفاده نمی‌شود مگر اینکه تحت تست‌های آزمایشگاهی قرار گیرد.

میزان رنگدانه‌های اضافه شده به محصول نهایی در حدود 0.5 تا 2 درصد وزن آن است. مواد مورد نیاز برای ایجاد رنگ‌های مختلف به شرح زیر هستند:

• برای رنگ‌های قرمز، زرد، قهوه‌ای و سیاه از اکسید آهن
• برای رنگ‌های سیاه و قهوه‌ای از اکسید منگنز
• برای رنگ سبز از اکسید کروم
• برای رنگ آبی از اکسید کبالت
• برای رنگ زرد از گل اُخرا

سیمان نسوز چیست؟

در تولید سیمان نسوز (برقی یا پر آلومین) از 40 درصد سنگ آهک، 40 درصد بوكسیت، 20 درصد مواد دارای آهن و سیلیس استفاده می‌شود. این مواد تشکیل دهنده درون كوره تحت حرارت 1600 درجه قرار می‍گیرند. سپس تمام مواد اولیه به صورت مذاب در می‌آیند و تحت فرآیندی سرد می‌شوند تا به کلینکر سیمان برقی تبدیل شوند.

این محصول رنگی تیره‌ تر از نوع پرتلند معمولی دارد. ‌هدف از تهیه این محصول، افزایش مقاومت در برابر حمله سولفات‌ ها است. کاربرد اصلی این محصول در دماهای بسیار بالا و پایین است. به طوری که این محصول تا دمای 1600 درجه سانتی‌ گراد را به خوبی تحمل می‌کند. به همین دلیل، در آجرهای نسوز درون کوره سیمان استفاده می‌شود.

کارخانه‌های تولید کننده در ایران

معروف‌ترین کارخانه های ایران عبارتند از:

• کارخانه آبیک
• کارخانه قاین
• کارخانه شاهرود
• کارخانه نهاوند
• کارخانه باقران
• کارخانه ساوه
• کارخانه دلیجان
• کارخانه نایین
• کارخانه بوکان
• کارخانه ممتازان کرمان
• کارخانه قم
• کارخانه فیروز کوه
• کارخانه شیراز
• کارخانه اصفهان

بازیافت 

بازیافت سیمان می‌تواند اثرات زیست محیطی ناشی از محل دفن زباله‌های بتن تخریب شده و تقاضای مواد اولیه برای تولید آن را کاهش دهد زیرا می‌توان از محصول بازیافتی در بتن دوباره استفاده کرد. محصول بازیافتی از طریق سوزاندن در درجه حرارت‌های مختلف (120 درجه سانتیگراد، 450 درجه سانتیگراد، 750 درجه سانتیگراد و 1150 درجه سانتیگراد) و سپس آسیاب شدن در پودر تولید می‌شود. با افزایش اندازه ذرات پودر سیمان بازیافتی می‌توان به بهبود کارآیی محصول بازیافتی بدون کاهش مقاومت فشاری امیدوار بود.

آزمایش ها

برای کنترل نرمی، مرغوبیت، زمان گیرش و مقاومت سیمان، آزمایشات مختلفی انجام می‌شوند. این آزمایشات به شرح زیر هستند :

نرمی سیمان

نرمی به مدت طولانی توسط آزمایش غربال کنترل می‌ شد اما اکنون روش‌های پیچیده‌تری استفاده می‌شوند. متداول‌ترین روش که هم برای کنترل فرآیند آسیاب و هم برای تست «تعیین سرعت عبور هوا از بستر سیمان» است. روش‌های دیگر به اندازه گیری توزیع اندازه ذرات توسط میزان رسوب سیمان در نفت سفید یا با شستشو (جداسازی) در جریان هوا انجام می‌شوند.

مرغوبیت

این ماده پس از گیرش نباید تحت انبساط قرار گیرد. این امر می‌تواند یک عملکرد ملات یا بتن را مختل کند. مرغوبیت با قرار دادن سیمان در معرض جوشیدن آب یا بخار فشار بالا آزمایش می‌شود. عدم مرغوبیت می‌تواند ناشی از آهک آزاد باشد.

زمان گیرش 

گیرش و سخت شدن سیمان یک فرآیند مداوم است اما دو نقطه برای اهداف آزمایش از یکدیگر تفکیک می‌شوند. زمان گیرش اولیه فاصله بین اختلاط سیمان با آب و زمانی است که مخلوط خاصیت خود را از دست داده و تا حدی سفت می‌شود. این مرحله تقریباً پایان دوره‌ای است که می‌توان مخلوط مرطوب را به شکل قالب درآورد.

زمان گیرش نهایی نقطه‌ای است که سیمان تنظیم شده و استحکام کافی برای مقاومت در برابر فشار را به دست آورده است. بیشتر مشخصات بتن مورد نیاز به حداقل زمان تنظیم اولیه در دمای معمولی حدود 45 دقیقه و زمان تنظیم نهایی بیش از 10 تا 12 ساعت نیاز دارند.

استحکام سیمان

آزمایشاتی که میزان مقاومت سیمان را اندازه گیری می‌کنند معمولاً بر روی هاون ساخته می‌شوند که از یک قسمت سیمان تا سه قسمت شن و ماسه تشکیل شده‌اند و از نظر وزنی مخلوط می‌شوند. مشخصات انجمن آزمایش و مواد آمریکایی (ASTM) نیاز به آزمایشات کششی روی ملات ماسه سیمان به نسبت 1: 3 و آزمایشات فشاری روی ملات با نسبت 1: 2.75 دارد.

در آزمایش اکثر سیمان حداقل مقاومت در 3 و 7 روزه و گاهی 28 روزه مشخص شده است اما برای سفت شدن سریع سیمان پرتلند نیز آزمایش 1 روزه لازم است. برای سیمان با آلومینا بالا، آزمایشات در 1 و 3 روزه مورد نیاز است. الزامات مربوط به استحکام در کشورهای مختلف به دلیل تفاوت در روش‌های آزمون، مستقیماً قابل مقایسه نیستند. در ساخت واقعی، برای بررسی مقاومت بتن، آزمایشات فشاری بر روی استوانه‌ها یا مکعب‌های ساخته شده از بتن انجام می‌شود.

کلام آخر

سیمان از زمان امپراتوری روم وجود داشته است و به معنای واقعی کلمه نحوه ساخت شهرها را دگرگون ساخته است. این ماده شگفت انگیز یکی از رایج‌ترین اجزای سازنده در هر سایت ساختمانی است، بنابراین درک ویژگی‌های این ماده هنگام تصمیم گیری مناسب برای احداث یک پروژه خاص مهم است. بنابراین، مهم است که مدیران پروژه برای افزایش کیفیت بتن و بهبود عملیات اجرایی پروژه، سیمان را به معنای واقعی بشناسند.

منابع :

https://www.designingbuildings.co.uk

https://concreteflooringsolutions.co.uk