هلدینگ آسیا مواد شاهرود در زمینه فروش سیمان بر آن است تا ضمن فروش سیمان اطلاعاتی نیز در خصوص سیمان و مطالب مرتبط با آن در اختیار شما علاقه مندان قرار دهد.
سیمان ساختمانی از گروه «سیمان های هیدرولیک» یا سیمان هایی است که در نتیجه ترکیب با آب سخت می شوند و محصول حاصله در مقابل آب مقاوم است. سیمان پرتلند، سیمان آلومینایی و سیمان روباره از انواع گوناگون سیمان های هیدرولیک هستند. علیرغم ترکیب گچ با آب و سخت شدن آن، به دلیل آنکه محصول حاصله قابلیت دوام طولانی مدت در آب را ندارد و به مرور زمان حل می شود، لذا گچ جزو گروه سیمان های هیدرولیک محسوب نمی شود. آهک سخت شده در مقابل آب مقاوم است ولی از آنجائیکه سخت شدن آن در اثر جذب گاز انیدریک کربنیک است، نه آب؛ لذا از گروه سیمان های هیدرولیک جدا میشود.
مواد خام اصلی مصرفی برای ساخت سیمان های هیدرولیک عبارتند از آهک، سیلیس آلومینا و اکسید آهن در شروع دوباره این مواد بحث خواهیم کرد و سپس بحث را در مورد ترکیبات حاصل از مواد فوق که دارای نقش اصلی در گسترش خواص هیدرولیکی سیمان هستند ادامه می دهیم و در آخر به تجزیه و تحلیل روشهایی که برای تولید صنعتی این مواد بکار می روند خواهیم پرداخت.
1- اجزاء تشکیل دهنده Constituents
آهک (Lime)
آهک از جمله مصالح ساختمانی کلاسیک می باشد که قرنهاست شناخته شده است. تصور اینکه چگونه ملات آهک اختراع شده است، مشکل نیست: در یک اطراقگاه روی یک تخته سنگ آهکی آتشی برپا می شود و سپس به طور ناگهانی باران میبارد. آتش خاموش می شود و سنگ داغ شده خیس میشود، بلافاصله سنگ داغ شده خیس میشود، بلافاصله سنگ داغ متلاشی شده و تبدیل به پودر سفیدی میشود که با اختلاط با آب باران به صورت دوغاب سفید رنگ در می آید. در برگشت به اطراقگاه، پس از روزها و یا هفته ها، ملاحظه میگردد که دوغاب سخت شده است و تا حد پیشرفته ای ظاهر سنگی پیدا کرده است. کشف ملات آهک می بایستی به همین سادگی یا به طریقی مشابه آن صورت گرفته باشد. فرآیند مربوط را می توان از جنبه شیمیائی به صورت واکنش های زیر بیان کرد:
1- پخت آهک
2- شکفتن آهک
3- کربناته شدن یا سخت شدن
بیان روابط فوق به صورت کلمات بدین معنی است که در ضمن حرارت دادن، سنگ آهک(از جنبه شیمیائی: کربنات کلسیم) ابتدا به آهک(اکسید کلسیم) و دی اکسید کربن تجزیه میشود. در درجه حرارت 1000 درجه سانتیگراد یعنی حرارت سرخ شدن، واکنش مذکور به سرعت انجام میشود. از آنجائیکه هر یک کیلوگرم سنگ آهک حاوی 0/44 کیلوگرم گاز انیدرید کربنیک است، لذا مقدار گازی که بایستی خارج شود قابل توجه است.
علیرغم 44 درصد کسر وزن، آهک پخته(آهک زنده) باقیمانده تغییر ظاهری مختصری می نماید. بسته به ناخالصی های اصلی موجود در سنگ آهک، رنگ پخته آن ممکن است به مقدار جزئی تغییر نماید: یا کمی روشنتر شود، یا تیره تر گردد و یا ته رنگی از زردی پیدا کند. سنگ پخته شده مختصری چروک میشود، ولی به دلیل خارج شدن مقادیر قابل توجهی گاز کربنیک، حفره های زیادی در داخل آن باقی میماند که باعث افزایش چشم گیر تخلخل آن میشوند. هنگامیک یک کلوخه آهک در آب قرار داده می شود، حفره های موئین مذکور مشابه یک اسفنج به راحتی آب را جذب می نمایند و واکنش انفجار گونه ای صورت می گیرد. در نتیجه هیدرات کلسیم تشکیل می شود. این فرآیند از جنبه تکنیکی به نام شکفته شدن آهک و از جنبه شیمیائی به نام هیدراته شدن اکسید کلسیم موسوم است.
این هیدراته شدن شیمیائی نمونه کاملی از فرآیند گسیخته شدن است. زیرا که حجم آهک هیدراته حاصله حدود 20 درصد بیشتر از حجم اولیه اکسید کلسیم(آهک زنده) است. نیروی انبساطی پدید آمده آنچنان است که بر نیروهای سخت کننده فیمابین هر ملکول فائق می آید. (مجدداً در مورد «انبساط حجمی ناشی از آهک آزاد» که دارای نیروی انبساط است بحث خواهد شد). از اینرو در فاصله چند دقیقه، کلوخه سخت آهک گسیخته می گردد و تبدیل به پودر بسیار نرمی می شود و یا در صورت زیاد بودن مقدار آب مصرفی جهت شکوفا شدن آهک، خمیر یکدست و همگنی بدست می آید که به «شیر آهک» موسوم است.
همانطوریکه می دانیم فرآیند شکفته شدن همراه با آزاد شدن مقدار قابل توجهی حرارت است. گرمای هیدراته شدن اکسید کلسیم حدود 280 کالری به ازاء هر گرم آهک است لذا هر یک گرم آهک قادر است در ضمن شکفته شدن، درجه حرارت 280 گرم آب را به مقدار یک درجه سانتیگراد بالا ببر. از اینرو روشن میشود که در ضمن شکفتن آهک، درجه حرارت می تواند تا حد زیادی بالا برود. همانطور که در گذشته مکررا پیش آمده است، ممکن است نامناسب انبار کردن آهک باعث آتش سوزی شود.
ذرات اکسید کلسیم هیدراته شده موجود در آهک شکفته، فوق العاده ریز هستند و اندازه این ذرات در حدود 2 میکرون(0/002 میلیمتر) است. اینچنین ذرات ریز و پراکنده ای قادرند در ضمن خشک شدن آرام، نیروی چسبنده گسترده ای ایجاد نمایند. کافی است به مثال مربوط به مقاومت بالای حاصل از کلوخه شدن یک خاک آهکی پخته اشاره شود. ملات خشک شده حاصل از مخلوط یک به یک آهک و ماسه، مقاومتی در حدود 30 کیلوگرم بر سانتیمتر مربع را نشان می دهد. این رقم بیش از مقدار لازم برای خوب چسباندن لایه های آجر است.
بایستی این نکته را یادآوری نمود که در واقع سخت شدن ملات آهک بخاطر وجود دی اکسید کربن در هواست. لذا آنچه که ضمن عمل پختن از سنگ آهک خارج شده است در موقع خشک شدن ملات به آهستگی در داخل ریزه سوراخ ها، نفوذ می کند و مجدداً آهک را تبدیل به کربنات کلسیم شبیه سنگ آهک می نماید. سرعت این فرآیند بستگی به تخلخل ملات و مقدار انیدرید کربنیک موجود در محیط دارد. در شرایط خشک کردن مصنوعی ساختمانها به وسیله گرم کن های متحرک، به دلیل انتقال سریع آب اضافی موجود در ملات و وجود گاز کربنیک فراوان حاصل از سوختن ذغال سنگ(نفت)، تشکیل ریزه سوراخ ها شدن می یابد.
از سوی دیگر، در ساختمان های ساخته شده در قرون وسطی که در آنها مقادیر حجیمی ملات های پر آهک به کار رفته است، این ملات ها تاکنون تغییر چندانی نکرده اند. علت این امر این است که نفوذ انیدرید کربنیک از محیط به داخل این ملاتها فوق العاده مشکل بوده است. به صورتیکه ملات سخت شده آهک، به عنوان یک مصالح ساختمانی معدنی در ساختمان سازی، بکار میرود دارای مقاومت نسبتاً پائینی است. به همین دلیل الاستیسیته آن بالا و ثبات حجم آن در سیکل های خشک شدن و مرطوب شدن عالی است. اجزاء تشکیل دهنده ملات سخت شده آهک، خصوصاً کریستالهای کوچک کربنات کلسیم و حفره هایی که این کریستالها را احاطه کرده اند را میتوان به راحتی زیر میکروسکوپ مشاهده کرد.
اگر کسی ترکیبات حاصل از ترکیب شدن آهک و سیلیس را زیر میکروسکوپ بررسی نماید شکل هایی را مشاهده خواهد کرد که کاملاً متفاوت با آهک سخت شده است. در اینجا گذرمان به حیطه کلوئیدهائی که عهده دار مقاومت های بالای سیمان ها هستند، میافتد.
سیلیس (Silica)
سیلیس(دی اکسید سیلیکون، SiO2) در اغلب سنگهای طبیعی یافت می شود. انواعی از آن که اغلب به صورت کم و بیش خالص وجود دارند عبارتند از: کوارتز، ماسه سیلیسی، سنگ سیلیسی و غیره. این نوع سیلیس ها فوق العاده پایدار هستند و به صورت غیر محلول در آب می باشند و به جز اسید هیدروفلوریک سایر اسیدها روی آنها بی اثرند. وقتیکه سیلیس حرارت داده میشود یک سری تغییرات در ساختمان کریستالی آن به وجود می آید، فرآیندی که ضمن ثابت ماندن ترکیب شیمیائی، در برخی مواقع به همراه تغییرات حجمی قابل توجهی است. چنانچه سیلیس تا 1900 درجه سانتیگراد حرارت داده شود، ذوب می شود و به صورت جسم شیشه ای در می آید که بدان شیشه سیلیسی گفته می شود. نفوذپذیری اشعه ماوراء بنفش از شیشه سیلیسی ناچیز است و با توجه به این خاصیت از آن در ساخت لامپهای ماوراء بنفش استفاده می شود. شیشه کوارتز دارای ثبات حجم زیادی در مقابل تغییرات درجه حرارت است. به عنوان نمونه، میتوان یک بوته سرخ شده از جنس شیشه کوارتز را بدون وجود خطر شدن به داخل آب سرد انداخت. دلیل این امر این است که انبساط حجمی سیلیس در ضمن گرم شدن و انقباض آن در ضمن سرد شدن، فوق العاده کم است.
علیرغم اینکه سیلیس کوارتزی جسمی پایدار، غیرقابل ترکیب و سخت است، سایر اشکال سیلیس دارای اینچنین مشخصه هائی نیستند. نمونه هائی از سایر اشکال سیلیس که ریز و حاوی آب هستند عبارتند از اوپال، فلینت و به خصوص خاک دیاتومه که باقیمانده هوا زده اسکلت سیلیسی گیاهان آبزی موسوم به دیاتوم ها هستند. به دلیل ریز و نرم بودن، این نوع سیلیس ها دارای میل ترکیبی بیشتری در مقایسه با کوارتز معمولی هستند، انواع اشکال اکتیو سیلیس در بخش مواد پوزولانی مشروحاً بررسی خواهد شد.
هنگامیک انواع سیلیس، حتی کوارتز معمولی تا درجات حرارت بالا، حرارت داده شوند دارای میل ترکیبی شیمیائی میشوند. به عنوان نمونه، قلیائی های قوی مثل هیدروکسید پطاسیم یا هیدروکسید سدیم در درجات بالا با کوارتز ترکیب میشوند و ترکیبی محلول در آب به وجود می آورند. از این فرآیند برای تولید آب شیشه که مایعی است لزج و بی رنگ و مورد استفاده خانم خانه برای نگهداری تخم مرغ است، استفاده میشود. همچنین آب شیشه دارای موارد کاربرد صنعتی متنوعی است از جمله: مواد افزودنی مرطوب کننده، مواد تأخیر انداز آتش برای اجسام قابل سوختن، ترکیبات بطانه و امثالهم.
آب شیشه به عنوان محلول مایع سیلیسی، وسیله خوبی برای نشان دادن واکنش فی مابین سیلیس – آهک که مهمترین واکنش معرف سخت شدن مواد هیدرولیک است، است. چون ترکیبات اکسید کلسیم و سیلیس جزو گروهی از موادند که دارای قابلیت حل شدن محدودی در آب هستند، لذا از مخلوط کردن دو محلول حاوی سیلیس و آهک رسوب تشکیل میشود. در اغلب واکنشهائی که در محیط محلول غلیظ رسوب تشکیل می دهند، تشکیل رسوب سریع صورت می گیرد و رسوب حاصله در ته ظرف ته نشین می شود. در مورد سیلیکات کلسیم اینچنین نیست، در این حالت وقتیکه دو محلول با یدکریگر مخلوط می شوند، بلافاصله جسم جامدی حاصل می شود. اگر چه اطلاق جسم «جامد» صحیح نیست، زیرا که منظور ما در اینجا توده ای ژله ای شکل است. معذالک مقاومت برشی و چسبندگی توده ژله ای تا آن حدیست که به هنگام بیرون کشیدن میله بهم زن از بشر حاوی ژل، بشر به همراه میله بلند میشود.
شکل یک: دو محلول آب شیشه و کلروز کلسیم تشکیل توده ای ژله ای شکل: هیدرات کلسیم سیلیکات میدهند.
این فرآیند از نظر شیمیست ها به نام تشکیل «ژل» موسوم است و منظور از ژل جسم چسبنده ایست که متشکل از ذرات مجزای کلوئیدی است. نام ژل از کلمه ژلاتین گرفته شده و ژلاتین یکی از مشتقات خالص شده چسب استخوان است. کلمه «کلوئید» مشتق از کلمه یونانی «کولا» است که این هم به معنی چسب است. از اینرو کلوئیدها اجسام چسبواره می باشند، و از آنجائیکه سخت شدن هیدرولیکی بستگی به تشکیل یک «چسب مینرالی» دارد، لذا بررسی حالت کلوئیدی از این نقطه نظر ارزشمند است.
چنین مرسوم است که کلوئید معرف آنچنان موادی باشد که: اندازه ذرات آن در فاصله بین ابعاد یک ملکول و ذرات قابل رؤیت توسط میکروسکوپ نوری باشد. از اینرو در مورد کلوئیدها مواجه با ذرات جدا و ریزی هستیم که قادرند برای مدت نامحدودی به صورت شناور در محلول باقی بمانند. خواص مشخص کلوئیدها ناشی از سطوح جانبی فوق العاده زیاد آنها است. هرچقدر ذرات یک مقدار معین از جسمی ریزتر باشند سطوح جانبی نیز بیشتر خواهد بود. مثلاً یک گرم ماسه به ابعاد 2 میلیمتر دارای سطح 10 سانتیمتر مربع است. اگر همین یک گرم ماسه دارای ابعاد 1 میکرون باشد، سطح جانبی آن هزاران برابر خواهد شد.
در شکل (2) رابطه بین سطح مخصوص(سطح جانبی یک گرم از یک جسم) و اندازه ذرات و با فرض کروی بودن ذرات، نشان داده شده است. به منظور دادن پوشش کافی برای نمایش اندازه تمام ذرات موجود در ملات هیدرولیک حاوی ماسه دارای سطح مخصوص 10 سانتیمتر مربع بر گرم و ذرات موجود در یک ژل دارای سطح مخصوص 3-2 میلیون سانتیمتر مربع بر گرم که معادل اندازه ذرات 10 سانتیمتر تا 100 انگستروم است(یک انگسترم برابر 0/1 میلی میکرون و یک میلی میکرون برابر 0/001 میکرون)، ضرورت دارد که نمایش منحنی روی محور مختصات محدوده وسیعی از ذرات شامل ماسه، سیمان، آهک شکفته و همچنین ذرات ریزی که در ژل کلوئیدی یافت می شوند صورت گیرد. هر یک از این منحنی ها به صورت خط مستقیمی است که به دلیل تفاوت وزن مخصوص، به مقدار جزئی نسبت به سایر منحنی ها جابجا گشته است. در واقع، این فرض مرسوم که تمام ذرات کروی شکل هستند درست نمی باشد، لذا منحنی شکل مذکور فقط مقادیر متوسط تئوریک سطوح مختلفه را می دهد.
شکل(2) – اندازه ذرات و سطح مخصوص اجزاء تشکیل دهنده ملات.
معذالک، سطوح فوق العاده زیاد کلوئیدها، به تنهائی بیانگر نحوه سخت شدن محلول حاصله از مخلوط آب شیشه با محلول حاوی نمک کلسیم نیست. فهم این فرآیند نیاز به بررسی نیروهای سطحی دارد. ثبات و پایداری هر جسم جامدی ناشی از وجود نیروهای جاذبه ملکولی فی مابین اجزاء تشکیل دهنده آن است. این نیروها در داخل ذرات جامد در تمام جهات عمل می نمایند. نیروهای حذف شده و نامتوازنی در سطح ذرات وجود دارند که باعث جذب سایر ذرات مجاور می گردند. مشابه آزمایش آب شیشه، چنانچه جسمی کلوئیدی در یک محلول ایجاد شود، سطوح جانبی فوق العاده زیاد آن وارد عمل شده و نتیجه این خواهد شد که ملکوهای آب به سمت سطوح ذرات کشیده شوند و محکم نگه داشته شوند. (جذب شوند) و باعث کاهش قابل توجه تحرک ملکولهای آب گردند. به علاوه، اثر فوق همراه با اتصالات بینابینی و ضربدری، اجزاء تشکیل دهنده جسم جامد است و در نتیجه شبکه ای شکل می گیرد که نهایتاً کمک به سخت تر شدن ژل می نماید. اینگونه نیروهای جذب کننده باعث نزدیکتر شدن لایه های آب می گردند و نه تنها ایجاد شکل ظاهراً جامد برای آب می نمایند(حالت شبه جامد)، بلکه در خواص فیزیکی آب جذب شده، مثل نقطه جوش و نقطه انجماد آن تغییراتی ایجاد می کنند.
نقطه جوش آب آنچنان تغییر می یابد که حتی با حرارت دادن ژل تا 100 درجه سانتی گراد نمی توان آب آن را آزاد کرد و درجه حرارت بالاتری برای این منظور لازم است. همچنین نقطه انجماد آب جذب شده نیز تغییر می کند، به طوریکه تبدیل آن به یخ در درجه پائین تر از صفر درجه سانتیگراد صورت می گیرد. اطلاعات عددی درستی برای این چنین تغییراتی در خواص فیزیکی آب جذب شده قابل دستیابی نیست. زیرا که نمی توان آن را به عنوان یک جسم همگن موردنظر قرار داد، بلکه آب جذب شده را باید به صورت لایه هایی در نظر گرفت. نزدیکترین لایه آب به سطح جامد محکم تر جذب شده است: یعنی دارای فشار بخار کمتر، نقطه جوش بالاتر و پایئین ترین نقطه انجماد است. از سوی دیگر دورترین لایه آب جذب شده، به علت دور بودن نسبتاً زیاد از نیروهای جذب سطحی، دارای تفاوت جزئی خواص فیزیکی در مقایسه با آب آزاد است.
آلومینا (Alumina)
اصطلاح شیمیائی آلومینا همان اکسید آلومینیوم خالص(Al2 O3) است. خاک رس حاوی مقدار زیادی آلومیناست و خالص ترین نوع خاک رس یعنی کائولینیت متشکل از ترکیبات آلومینا، سیلیس و آب با فرمول شیمیائی Al2O3 . 2SiO2 . 2H2O است. درصد این ترکیبات بر مبنای وزن ملکولی عبارتست از: 46/5 درصد سیلیس SiO2 و 39/5 درصد آلومینا Al2O3 و 14/0 درصد آب H2O کائولینیت، جزء اصلی کائولن است که خود از محصولات حاصل از هوازدگی سنگها در شرایط خاص ژئولوژیکی است. چنانچه در اثر تغییرات بیشتر ژئولوژیکی این محصولات از جای اولیه تشکیل شدن خود(«ته نشت اولیه»)، تغییر محل دهند و مجدداً به وسیله رودخانه ها یا طوفان ها رسوب داده شوند، تشکیل خاک رس می دهند. مشخص کردن و تعریف این ماده طبیعی یعنی خاک رس بسیار مشکل است، زیرا که با توجه به تاریخ تشکیل آن، ممگن است حاوی انواع نناخالصی ها، عدمتاً کوارتز، اکسید فریک، همچنین مقادیر جزئی از باقیمانده های حاصل از تجزیه مواد آلی و غیره باشد.
از نظر صنعت سیمان، ته نشست های ژئولوژیکی مطلوب آنهائی هستند که بنام مارل نامیده میشوند و حاوی مخلوطی از کربنات کلسیم و خاک رس هستند. اینچنین مخلوط های طبیعی نه تنها برای ساخت آهک هیدرولیک بلکه برای سیمان نیز دارای اهمیت هستند. ترکیب شیمیائی خاک رس معمولی آنچنان است که سیلیس آن معمولاً حدود دو برابر مجموع آلومینا و اکسید فریک است؛ همچنین آلومینای آن دو برابر اکسید فریک است. خاک رس معمولی چندان مناسب برای ساخت آلومینای خالص نیست. برای این منظور ارجح این است که از بوکسیت که اساساً متشکل از آلومینای هیدراته است، استفاده شود. بوکسیت خالص ماده اولیه معمول برای ساخت آلومینا، کوراندوم و مواد نسوز است.
از جنبه شیمی سیمان، نقش آلومینا قابل توجه است زیرا مشابه سیلیس، با آهک و آب ترکیب می شود و ترکیب ژله ای شکل می دهد.
اکسید آهن (Ferric Oxide)
اکسید فریک، جزء اصلی تشکیل دهنده اغلب سنگ آهن ها است که غالباً به صورت خالص یعنی زنگ نیز یافت می شود. همچنین به مقدار کم و زیاد در اغلب کانی ها خصوصاً در خاک رس نیز وجود دارد. لذا به دلیل وجود آن در اغلب مواد اولیه به طور اجتناب ناپذیری در سیمان های هیدرولیک نیز وجود دارد. سیمان سفید فاقد اکسید آهن است و قیمت بالای آن ناشی از کمیاب بودن نسبی مواد اولیه مناسب و عاری از اکسید آهن، برای ساخت سیمان سفید است. جدا از امکان دسترسی به مواد اولیه مناسب، ساخت سیمان فاقد اکسید آهن، همراه با مشکلاتی است. زیرا که در فرآیند پخت کلینکر(Clinker)، سنگ آهن نقش کمک ذوب را دارد و باعث سهولت تشکیل ترکیبات شیمیائی، که پایه سیمان هستند، در درجه حرارت پائین تر میشود.
