ریشه لغوی

کلمه سیمان از یک لغت لاتین به نام سی‌منت ( cement ) گرفته شده است و ماده ای است که دارای خاصیت چسبانندگی مواد به یکدیگر است و در حقیقت ، واسطه چسباندن است.

سیمان در صنایع ساختمانی

در صنایع ساختمانی ، سیمان به ماده ای گفته می‌شود که برای چسباندن مصالح مختلف به یکدیگر از قبیل سنگ و شن ، ماسه ، آجر و غیره بکار می‌رود و ترکیبات اصلی این سیمان از مواد آهکی است. سیمانهای آهکی معمولا از ترکیبات سیلیکات و آلومیناتهای آهک تشکیل شده‌اند که هم به‌صورت طبیعی یافت می‌شوند و هم قابل تولید در کارخانجات سیمان‌سازی هستند.

تاریخچه

اگرچه از زمانهای بسیار گذشته اقوام و ملل مختلف به نحوی با استفاده از سیمان در ساخت بنا سود می‌جستند، ولی اولین بار در سال 1824 ، سیمان پرتلند به نام "ژوزف آسپدین" که یک معمار انگلیسی بود، ثبت شد. به لحاظ شباهت ظاهری و کیفیت بتن‌های تولید شده از سیمانهای اولیه به سنگهای ناحیه پرتلند در دورست انگلیس ، سیمان به نام سیمان پرتلند معروف شد و تا به امروز برای سیمانهایی که از مخلوط نمودن و حرارت دادن مواد آهکی و رسی و مواد حاوی سیلیس ، آلومینا و اکسید آهن و تولید کلینکر و نهایتا آسیاب نمودن کلینکر بدست می‌آید، استفاده می‌شود.

ساختار سیمان

اساسا سیمان با آسیاب نمودن مواد خام از قبیل سنگ و آهک و آلومینا و سیلیسی که به صورت خاک رس و یا سنگهای رسی وجود دارد و مخلوط نمودن آنها با نسبتهای معین و با حرارت دادن در کوره‌های دوار تا حدود 1400درجه سانتی‌گراد بدست می‌آید. در این مرحله ، مواد در کوره تبدیل به گلوله‌های تقریبا سیاه رنگی می‌شوند که کلینکر نامیده می‌شود.

کلینکر پس از سرد شدن ، با مقداری سنگ گچ به‌منظور تنظیم گیرش ، مخلوط و آسیاب شده و پودر خاکستری رنگی حاصل می‌شود که همان سیمان پرتلند است. با توجه به نوع و کیفیت مواد خام ، سیمان با دو روش عمده‌تر و خشک تولید می‌شود، ضمن اینکه روشهای دیگری نیز وجود دارد. البته امروزه عمومـا از روش خشک در تولید سیمان استفاده می‌شود، مگر در مواردی که مواد خام ، روش تر را ایجاب کند، زیرا در روش خشک ، انرژی کمتری برای تولید مورد نیاز است.

ترکیبات شیمیایی سیمان

مواد خام مورد مصرف در تولید سیمان در هنگام پخت با هم واکنش نشان داده و ترکیبات دیگری را بوجود می‌آورند. معمولا چهار ترکیب عمده به‌عنوان عوامل اصلی تشکیل دهنده سیمان در نظر گرفته می‌شوند که عبارتند از:

• سه کلسیم سیلیکات (3O₂=C₃S)

• دو کلسیم سیلیکات ( 2CaOSiO₂=C₂S)

• سه کلسیم آلومینات (3CaOAl₂O₃=C₃A)

• چهار کلسیم آلومینو فریت (4CaOAl₂O₃Fe₂O₃)

که اختصارا اکسیدهای CaO را با C و SiO₂ را با S و Al₂O₃ را با A و Fe₂O₃ را با F نشان می‌دهند. سیلیکاتهای C₃S و C₂S مهمترین ترکیبات سیمان در ایجاد مقاومت خمیر سیمان هیدراته می‌باشند. در واقع سیلیکاتها در سیمان ، ترکیبات کاملا خالصی نیستند، بلکه دارای اکسیدهای جزئی به‌صورت محلول جامد نیز می‌باشند. این اکسیدها اثرات قابل ملاحظه ای در نحوه قرار گرفتن اتمها، فرم بلوری و خواص هیدرولیکی سیلیکاتها دارند.

ترکیبات دیگری نیز در سیمان وجود دارند که از نظر وزن قابل ملاحظه نیستند، ولی تأثیرات قابل ملاحظه ای در خواص سیمان دارند که عمدتا عبارتند از: MgO،TiO₂،Mn₂O₃،K₂O،NaO₂، که اکسیدهای سدیم و پتاسیم به نام اکسیدهای قلیایی شناخته شده‌اند. آزمایشها نشان داده است که این قلیائی‌ها با بعضی از سنگدانه‌ها واکنش نشان داده‌اند و حاصل این واکنش باعث تخریب بتن شده است. البته قلیائی‌ها در مقاومت بتن نیز اثر دارند.

وجود سه کلسیم آلو مینات (C₃A) در سیمان نقش عمده ای در مقاومت سیمان به جزء در سنین اولیه ندارند و در برابر حملات سولفاتها نیز که منجر به سولفوآلومینات کلسیم می‌شود، مشکلاتی به بار می‌آورد، اما وجود آن در مراحل تولید ، ترکیب آهک و سیلیس را تسهیل می‌کند. میزان C₄AF در سیمان هم در مقایسه با سه ترکیب دیگر کمتر است و تأثیر زیادی در رفتار سیمان ندارند، ولی در واکنش با گچ ، سولفو فریت کلسیم را می‌سازد و وجود آن به هیدراسیون سیلیکاتها شتاب می‌بخشد.

مقدار و اندازه واقعی اکسیدها در ترکیبات انواع سیمان ، مختلف است. البته باقی مانده نامحلول نیز که عمدتا از ناخالصی‌های سنگ گچ حاصل می‌گردد، اندازه گیری می‌شود، تا حدود 1,5 درصد وزن در سیمان مجاز است. افت حرارتی نیز که دامنه کربناسیون و هیدراسیون آهک آزاد و منیزیم آزاد را در مجاورت هوا نشان می‌دهد، تا حدود 3 الی 4 در صد وزن سیمان اندازه گیری می‌شود.

هیدراسیون سیمان

ماده مورد نظر ما ملات یا خمیر سیمان است که با اختلاط آب و پودر سیمان ماده چسباننده ای می‌شود. در واقع سیلیکاتها و آلومیناتهای سیمان در مجاورت آب محصولی هیدراسیونی را تشکیل می‌دهند که کم‌کم با گذشت زمان ، جسم سختی بوجود می‌آید.

دو ترکیب عمده سیلیکاتی سیمان یعنی C₃S و C₂S عوامل عمده سخت شدن سیمان هستند و عمل هیدراسیون روی C₃S سریعتر از C₂S انجام می‌گیرد.

حرارت هیدراسیون

همانند هر واکنش شیمیایی ، هیدراسیون ترکیبات سیمان نیز حرارت‌زا است و به میزان حرارتی که در هر گرم از سیمان هیدراته در اثر هیدراسیون در دمای معینی تولید می‌گردد، حرارت هیدراسیون گفته می‌شود و به روشهای مختلفی قابل اندازه گیری است. درجه حرارت و دمائی که در آن عمل هیدزاسیون انجام می‌شود، تأثیر قابل ملاحظه ای در نرخ حرارت تولید شده است دارد.

برای سیمانهای پرتلند معمولی ، حدود نصف کل حرارت تا سه روز و حدود 3,4 حرارت تا حدود 7 روز و تقریبا 90 در صد حرارت در 6 ماه آزاد می‌شود. در واقع حرارت هیدراسیون بستگی به ترکیب شیمیایی سیمان دارد و تقریبا برابر است با مجموع حرارتهای ایجاد شده یکایک ترکیبات خالص سیمان ، اگر به صورت جداگانه هیدراته شود.

هر گرم از سیمان تقریبا 120 کالری حرارت آزاد می‌کند. چون هدایت حرارتی بتن کم است، لذا حرارت می‌تواند به‌عنوان یک عایق حرارتی عمل نماید. از طرف دیگر حرارت تولید شده بوسیله هیدراسیون سیمان می‌تواند از یخ زدن آب در لوله‌های موئین بتن تازه ریخته شده جلوگیری نماید. بنابراین آگاهی به خواص حرارت‌زایی سیمان می‌تواند در انتخاب نوع مناسب سیمان برای هدف مشخصی مفید باشد.

همانطور که گفته شد، نقش اصلی در مقاومت سیمان C₃S و C₂S ایفا می‌کنند و C₃S در 4 هفته سنین اولیه و C₂S پس از آن مقاومت سیمان را ایجاد می‌کنند. نقش این دو ترکیب در مقاومت سیمان پس از یک سال تقریبا مساوی می‌شود.

آزمایشهای سیمان

به لحاظ اهمیت کیفیت سیمان در ساختن بتن ، معمولا تولید کنندگان ، آزمایشهای متعدد و استاندارد شده ای را برای کنترل کیفیت سیمان انجام می‌دهند و بعضا نیز مصرف‌کنندگان برای اطمینان خاطر ، خواص سیمان تولید شده را از کارخانجات درخواست می‌کنند و گاها نیز آزمایشهایی انجام می‌دهند. خواص فیزیکی سیمان عمدتا عبارتست از نرمی سیمان ، گیرش سیمان ، سلامت سیمان و مقاومت سیمان.

نرمی سیمان

از آنجا که هیدراسیون از سطح ذرات سیمان شروع می‌شود، مساحت تمامی سطح سیمان موجود در هیدراسیون شرکت دارند. بنابراین نرخ هیدراسیون بستگی به ریزی سیمان دارد و مثلا برای کسب مقاومت سریعتر نیز به سیمان نرم تر یا ریزتر می‌باشد. اما باید توجه داشت که همیشه یک سیمان نرم از نظر اقتصادی و فنی مقرون به صرفه نیست، زیرا هزینه آسیاب کردن و اثرات بیش از حد نرم بودن سیمان بر خواص دیگر آن مانند نیاز بیشتر به گچ برای تنظیم گیرش ، کارآیی بتن تازه و سایر موارد نیز باید مد نظر باشد.

نرمی یکی از خواص عمده سیمان است که معمولا در استانداردها با سطح مخصوص تعیین می‌شود (m²/kg). روشهای متداول و متفاوتی برای تعیین نرمی سیمان در دنیا بکار گرفته می‌شود. استاندارد ملی ایران به شماره 390 تعیین نرمی سیمان را مشخص می‌کند.

گیرش سیمان

کلمه گیرش برای سفت شدن خمیر سیمان بکار برده می‌شود، یعنی تغییر وضعیت از حالت مایع به جامد. گیرش به‌علت هیدراسیون C₃S و C₂A با افزایش دمای خمیر سیمان اتفاق می‌افتد. گیرش اولیه مربوط به افزایش سریع دما و گیرش نهایی مربوط به دمای نهایی است. مدت زمان گیرش سیمان با افزایش درجه حرارت کاهش می‌یابد، ولی آزمایش نشان داده است که در دمای حدود 30 درجه سانتی‌گراد ، اثر معکوس را می‌توان مشاهده نمود. در درجات حرارت پائین ، گیرش سیمان کند می‌شود.

 

---

 
روشهای ساخت سیمان

 روشهاى مختلفى براى توليد سيمان وجود دارد. اصولا چهار روش براى توليد سيمان وجود دارد :

1- روش تر

2- روش نيمه تر

3- روش نيمه خشک

4- روش خشک

 

- روش تر و نيمه تر

 

در روش تر و نيمه تر خاک رس مصرفى در دستگاه دوغاب ساز ( Wash mill ) ، تبديل به دوغاب مى گردد. سپس دوغاب خاک رس به همراه سنگ آهک در آسياب مواد خام مخلوط و نرم گشته و تبديل به دوغاب با غلظت بيشترى مى شود. پس از تنظيمات لازم توسط آزمايشگاه، بعنوان خوراک کوره مورد مصرف قرار مى گيرد. در روش نيمه تر، مواد خروجى از آسياب مواد به صورت دوغاب است و قبل از ورود به کوره بوسيله فيلتر پرس آب آن گرفته مى شود و بصورت کيک يا آماج ( حبه ) به کوره تغذيه مى گردد.

 

- روش نيمه خشک

در روش نيمه خشک مواد اوليه بصورت خشک با يکديگر مخلوط گشته و به آسياب مواد خام تغذيه مى گردند. مواد خروجى از آسياب مواد به صورت پودر است. قبل از تغذيه اين پودر به کوره مقدارى آب روى آن پاشيده مى شود و آن را به صورت آماج يا حبه در آورده و به کوره تغذيه مى نمايند.

 

- روش خشک

در روش خشک مواد اوليه خشک وارد آسياب مى شود. پودر خروجى از آسياب مواد، پس از تنظيم، به عنوان خوراک کوره مصرف مى گردد.

 

روشهاى مختلفى براى توليد سيمان هاى مختلف وجود دارد که عمدتا بستگى به تکنولوژى مورد استفاده و جنس سيمان دارد، تکنولوژى مورد استفاده براى توليد سيمان به مرور دستخوش تحول و پيشرفت بوده است.

هم اکنون صنعت سيمان با برخوردارى از آخرين تکنيک هاى اعجاب انگيز، با استفاده از روش خشک و به کمک سيستم هاى اتوماتيک، شاهد پيشرفت هاى شگرف در طول تاريخ 160 ساله توليد صنعتى خود مى باشد.

 روش توليد برخى سيمان ها نظير سيمان آلومينايى کاملا متفاوت با روش توليد سيمان پرتلند مى باشد.

 

 

---

 

 

مراحل ساخت سیمان

 

شرح کامل مراحل ساخت سيمان نياز به حوصله و زمان زيادى دارد، براى همين منظور تنها به نام بردن آنها اکتفا مى کنيم.

 

1- مواد اوليه سيمان پرتلند

مواد اوليه سيمان پرتلند اساسا شامل مواد آهکى و رسى مى باشند. بدين معنى که در تهيه سيمان پرتلند از مواد خامى استفاده مى شود که حاوى کربنات کلسيم و ترکيبات آلومينيوسيليکات ها باشند.

 

2-استخراج مواد اوليه

معادن مواد اوليه سيمان، خصوصا سنگ آهک، خاک رس، مارل، سنگ گچ و امثال آنها به صورت معدن رو باز مى باشد. در استخراج موادى نظير سنگ آهک، سنگ آهن و سنگ گچ نيز به چال زنى و انجام انفجار بوسيله ديناميت مى باشد.

 

3-خرد کردن مود اوليه

  الف) سنگ شکن هاى متحرک

  ب) سنگ شکن هاى ثابت

 

4- مخلوط کردن اوليه و ذخيره سازى

قبل از اينکه مواد خرد شده در سنگ شکن، راهى آسياب مواد جهت پودر شدن شوند، بداخل سالنى ريخته مى شوند تا بدينوسيله هم مقدمتا با يکديگر مخلوط شوند و هم اينکه، اين سالن نقش انبار و ذخيره سازى را دارا است.

 

5- خشک کردن مواد اوليه

در برخى کارخانجات سيمان، بدليل موقعيت خاص جغرافيايى و باران خيز بودن منطقه برخى از مواد اوليه ( خصوصا خاک رس ) ، داراى رطوبتى هستند که استفاده مستقيم از آنها امکان پذير نمى باشد.

 

6- پودر کردن مخلوط مواد خام

در روش خشک توليد سيمان، ضرورت دارد که مواد خام قبل از ورود به کوره به صورت پودر در آيند.

  الف) آسياب مواد خام گلوله اى

  ب) آسيابهاى غلطکى

 

7- تنظيم مواد خام

8- سيلوهاى مواد خام

عمل عمده اى که در يکنواخت کار کردن کوره و بالا بردن کيفيت کلينکر و در نهايت سيمان موثر است، يک نواختى ترکيب خوراک کوره، خوب مخلوط شدن و همگن بودن آن مى باشد.

 

9- پيش گرم کن

10- کوره دوار

قسمت اصلى عمل پختن در کوره صورت مى گيرد. کوره سيمان، يک استوانه فلزى است که طول و قطر آن، متناسب با ظرفيت کارخانه مى باشد.

 

11- خنک کن ( کولر )

کلينکر خروجى از کوره داراى درجه حرارتى حدود 1000 تا 1200 درجه مى باشد. بازيابى اين مقدار حرارت و همچنين مشکل بودن جابجا کردن کلينکر داغ، ضرورت سرد کردن آنرا ايجاب مى نمايد. خاصيت اساسى ديگر سرد کردن کلينکر، تکميل و تشکيل کريستالهاى کلينکر و بالا رفتن کيفيت آن مى باشد.

 

12- سيلو ( انبار ) کلينکر

کلينکر خروجى از خنک کن قبل از ورود به آسياب سيمان، در سيلو، يا انبار، يا سالن ذخيره مى گردد.

 

13- آسياب سيمان

14- سيلوهاى سيمان

15- بارگير خانه

16- نماى کلى خط توليد سيمان

 

 

 

 

 

 

 

---

 

انواع سیمان

 

1 - سيمان پرتلند نوع 1 ( سيمان پرتلند معمولى ) - ( P.C-type I )

در مواردى به کار مى رود که هيچ گونه خواص ويژه مانند ساير انواع سيمان مورد نظر نيست.
 

2 - سيمان پرتلند نوع 2 - ( P.C-type II )

براى استفاده عمومى و نيز استفاده ويژه در مواردى که گرماى هيدراتاسيون متوسط مورد نظر است.
 

3 - سيمان پرتلند نوع 3 - ( P.C-type III )

براى استفاده در مواقعى که مقاومت هاى بالا در کوتاه مدت مورد نظر است.
 

4 - سيمان پرتلند نوع 5 - (P.C-type V)

در مواقعى که مقاومت زياد در مقابل سولفات ها مورد نظر باشد استفاده مى شود.
 

5 - سيمان سفيد - ( White Cement )

براى استفاده در سطح ساختمان ها و مواقعى که استفاده از سيمان هاى بدون رنگ با مقاومت هاى بالا مورد نياز باشد از اين سيمان در توليد انوع سيمان هاى رنگى استفاده مى شود.
 

6 - سيمان سرباره اى ضد سولفات - ( SR.slag Cement )

در مواقعى که مقاومت متوسط در مقابل سولفات ها و يا حرارت هيدراتاسيون متوسط مورد نظر است استفاده مى گردد.
 

7 - سيمان پرتلند - پوزولانى - ( P.P. Cement )
در ساختمان هاى بتنى معمولى و بيشتر در مواردى که مقاومت متوسط در مقابل سولفات ها و حرارت هيدراتاسيون متوسط مورد نظر باشد استفاده مى شود.
 

8 - سيمان پرتلند - آهکى - ( P.K.Z. Cement )

اين نوع سيمان در تهيه ملات و بتن در کليه مواردى که سيمان پرتلند نوع 1 بکار مى رود قابل استفاده است . دوام بتن را در برابر يخ زدن ، آب شدن و املاح يخ زا و عوامل شيميايى بهبود مى دهد.
 

9 - سيمان بنائى - ( Masonry Cement )

براى استفاده در مواقعى که ملات بنائى با مقاومت هاى کمتر از سيمان پرتلند نوع 1 مورد نياز است.
 

10 - سيمان نسوز 450 - ( Rf Cement 450 )

 حاوى بيش از %40 Al₂O₃ با اتصال هيدروکسيلى و فازهاى کلسيم آلومينات ، براى مصرف به عنوان ماده نسوز در
صنايع حرارتى استفاده مى شود .
 

 11 - سيمان نسوز 500 - ( Rf Cement 500 )

حاوى بيش از %70 Al₂O₃ با اتصال هيدروکسيلى و فازهاى CA₂ ، CA براى مصرف به عنوان ماده نسوز با درصد خلوص بالا در صنايع حرارتى و اتمسفرهاى  CO.H₂  به کار مى رود .
 

12 - سيمان نسوز 550 - ( Rf Cement 550 )

حاوى بيش از %80 Al₂O₃ با اتصال هيدروکسيلى و آلومينات کلسيم به عنوان ترکيب اصلى، داراى نسوزندگى و خواص 
ترمومکانيکى بالا و کاربردهاى ويژه نسوز مانند اتمسفرهاى احياى هيدروژن .
 

13 - سيمان هاى چاه نفت

اين سيمان ها براى درزگيرى چاه هاى نفت به کار مى روند . عمده اين نوع سيمان ها ديرگير بوده و در برابر دماها و فشارهاى بالا مقاوم مى باشند . اين سيمان ممکن است در حفر چاه هاى آب و فاضلاب نيز به مصرف برسد .
 

14 - سيمان هاى پرتلند ضد آب

اين سيمان به رنگ سفيد ، خاکسترى توليد مى شود . اين نوع سيمان ، انتقال مويينه آب را تحت فشار ناچيز يا بدون فشار ، کاهش مى دهد ولى جلوى انتقال بخار آب را نمى گيرد.
 

15 - سيمان هاى با گيرش تنظيم شده

سيمان با گيرش تنظيم شده به گونه اى کنترل و ساخته مى شود که مى تواند بتنى با زمان هاى گيرش از چند دقيقه تا يک ساعت توليد کند.
 

16 - سيمان هاى رنگى

اين سيمان ها بيشتر جنبه تزئينى و آرايشى دارند و در نماسازى سيمانى و توليد بتن نمادار به مصرف مى رسند.

 

 

---

 

سوابق استفاده سیمان در ایران

 

در ايران از زمانه قديم در مناطق مرطوب، خصوصا مناطق شمالى خليج فارس از نوعى ساروج استفاده مى گرديد که داراى خواص هيدروليکى جالب و مقاومت فشارى بالايى بود. معروف ترين اين ساروج ها، ساروج خمير است که در بندر خمير تهيه مى گرديد. هنوز تاسيسات بندرى ساخته شده توسط اين نوع ملات در نقاطى مانند بندر لنگه و بندر بوشهر پا بر جا مى باشد.

 اينکه از چه موقع مصرف سيمان در ايران باب شده است چندان مشخص نيست. ولى آنچه که مسلم است ورود سيمان به ايران توسط بيگانگان بوده است که از آن براى ساختن بناهايى نظير کليساها و سفارتخانه ها و تاسيسات بندرى استفاده شده است.

 

با شروع قرن چهاردهم هجرى شمسى، سرعت گسترش کارهاى زيربنايى آنچنان بود که کيفيت و کميت محصولات سنتى ساختمانى جواب گوى نيازها نبود. خصوصا با فکر احداث راه آهن دولتى، ضرورت کاربرد سيمان جهت ساختن پلها و تونلها و ايستگاه ها محسوس تر گرديد.

 

در ساختمان سد دز روى رود کارون که در زمان شاهپور دوم ساخته شد و بند مير که در زمان عضدالدوله ديلمى بنا گرديد، همچنين در ساختمان آب انبارهاى قديمى از ترکيبات مشابه سيمان استفاده هايى شده است.

 

توليد سيمان از سال 1313 آغاز شد و هر سال بيشتر مورد استقبال قرار گرفت بطوريکه در ده سال اخير مصرف سيمان ايران بيش از پنج برابر شده است.