آشنایی با تاریخچه سیمان

ماده اصلی سازنده سیمان آهک است. شاید اولین‌بار، زمانی که به سنگ‌های آهکی آب‌رسیده است، حالت مایع خمیری ایجاد شده است و سنگ‌های مجاور را به هم چسبانده است. انسان‌های نخستین نیز با تقلید از طبیعت، از آن برای چسباندن خرده‌سنگ‌ها به همدیگر و ساختن ظروف اولیه استفاده کرده‌اند.
در بدو شروع حیات، انسان‌ها به‌صورت ذاتی نیاز به داشتن ظروفی بودند که محکم‌تر از ظروف گلی باشد و به‌راحتی همانند ظروف گلی قابلیت شکل‌پذیری داشته باشد؛ اما با کم‌ترین ضربه‌ای شکسته نشود پس شروع به ساختن ظروفی با ملات ابتدایی کردند. بعد از مدتی نیز کاربرد این مخلوط چسباننده اولیه که ما به آن سیمان اولیه می‌گوییم را به‌عنوان ملات برای ساختن پناهگاه‌های اولیه درک کرده باشند و از آن در ساخت‌وسازهای اولیه استفاده کرده باشند.

در رم باستان، از مخلوط آهک پخته‌شده و سنگ‌ریزه همراه با آب، بتن اولیه را ساختند و از آن در ساخت‌وساز استفاده کردند. ساختمان‌هایی که به‌وسیله این ماده ساختند را Opus Caementitium نامیدند. به‌مرور به خمیری که حاصل از ترکیب آهک پخته‌شده و سنگ‌ریزه و آب به دست آمد Cementum گفته شد.

در واقع Cementum  خرده‌سنگ‌هایی بودند که از کوه‌های آتشفشانی جمع‌آوری و پودر شده و با آهک مخلوط می‌شدند. سیمانی که از گرد خاکستر سنگ‌های آتش‌فشانی به دست می‌آمد بسیار محکم‌تر از انواع دیگر سیمانی بود که با سنگ‌های غیر خاکستری ساخته می‌شد.
یونانی‌ها نیز از خاکستر آتشفشانی کوه سان تورین (پوزولان – تراس) را با آهک پخته شده که به آن آهک شکفته شده نیز گفته می‌شود ترکیب کردند و بناهای با عظمتی ایجاد کردند.
رومی‌ها از خاک مشابهی که در نزدیکی خلیج ناپل یافت می‌شده استفاده کردند و بناهایی بی‌نظیر در جنوب فرانسه نظیر Basilica ، Roman Pantheon  و Pont du Gard ساختند که در طول قرن‌ها از گزند عوامل مخرب طبیعی همچون بادوباران در امان مانده‌اند.

شاید قرن هجده و نوزده، را باید مبنا زمانی اصلی کشف سیمان به گونه امروزی دانست. در این دو قرن مجامع علمی به‌صورت رسمی شروع به تحقیق در مورد همه پدیده‌ها و مواد موجود در اطراف خود کردند. سیمان نیز جزو یکی از موارد موردعلاقه دانشمندان بود، زیرا روزبه‌روز جامعه شهری گسترده‌تر و نیاز به ساخت‌وساز و داشتن بناهایی با استحکام، بیشتر موردتوجه قرار می‌گرفت.
افراد زیادی در این زمینه شروع به تحقیق کردند؛ اما سرانجام قرعه کشف خواص هیدرولیکی سیمان در سال ۱۷۵۶ به نام جان اسمیت ون افتاد. ناگفته نماند که قبل و هم‌زمان با فعالیت او، نیز افراد زیادی این خواص را درک کرده و در مورد آن تحقیق کرده بودند. در ادامه به افراد شاخص در زمینه کشف سیمان امروزی و فعالیت آنها اشاره می‌شود.

در ۲۱ اکتبر ۱۸۲۴ یک بنای آجرچین بنام ژوزف آسپدین (Joseph Aspdin) در انگلستان از پختن مخلوط سنگ آهک و خاک رس، در درجه حرارت بالا به آهک آبی فوق‌العاده‌ای دست‌یافت. او نام این محصول را سیمان پرتلند (Portland Cement) گذاشت که امروزه نیز سیمان پرتلند به‌صورت گسترده‌ای در دنیا مورداستفاده است. مخترع سیمان پرتلند را می‌توان آسپدین دانست. هرچند که تفاوت زیادی بین سیمان پرتلند اختراع شده در سال ۱۸۳۴ و سیمان پرتلند امروزه وجود دارد.
علت نام‌گذاری این نوع سیمان این بود که بتن دست آمده از این نوع آهک، شباهت زیادی با نوعی سنگ آهک، در جزیره پرتلند، در جنوب انگلستان داشت.حال که با تاریخچه سیمان در جهان آشنا شدید، به‌صورت مختصر به تاریخچه سیمان در ایران می‌پردازیم.

شاید به‌دور از انصاف باشد که ایران باستان را در زمینه ساخت‌وساز، و اختراع سیمان بعد از رومیان و ملل دیگر دانست. آنها از یک نوع سیمان ابتدایی در ساخت اولین سد قوسی جهان به نام سد ایزد خواست استفاده کردند.
اولین ملات آهکی نیز در ایران کشف شده است و این نشان می‌دهد که ایرانیان از دیرباز از خواص آهک پخته شده مطلع بودند. حتی قبل از چینیان که از یک نوع ملات سیمانی در ساخت دیوار چین استفاده کرده‌اند.
در مناطقی در اطراف خلیج‌فارس از یک ملات سیمان مانند استفاده می‌شده که به آن ساروج می‌گفتند. معروف‌ترین ساروج، معروف به ساروج خمیر است که در بندر خمیر تولید می‌شده است. هنوز برخی از تأسیسات ساخته شده با این ملات سیمانی در نقاطی از استان بوشهر و بندر لنگه وجود دارد که نشان می‌دهد ایرانیان به سبک و سیاق خود این ماده را می‌شناخته و به‌صورت گسترده در ساخت‌وساز بناهای مختلف از آن استفاده می‌کردند.

سیمان به شکل امروزی برای اولین‌بار در سال ۱۳۱۲ وارد ایران شد و اولین کارخانه سیمان ایران، کارخانه FLSmidth دانمارکی بود که در سال ۱۳۱۲ در شهرری در نزدیکی تهران افتتاح شد. ظرفیت روزانه این کارخانه ۱۰۰ تن بود. در سال ۱۳۱۴، کارخانه دیگری با ظرفیت روزانه ۲۰۰ تن در سال ۱۳۱۵ در کنار کارخانه قبلی ساخته شد و در سال ۱۳۱۶ بهره‌برداری از واحد دوم انجام گرفت.

فرآیند تولید سیمان

سیمان هم مانند تمامی مصالح ساختمانی دیگر برای تولید نیاز به مواد اولیه دارد، شاید برای‌تان جالب باشد که بدانید مواد اولیه سیمان از چه چیزی ساخته می‌شود؟ مواد تشکیل دهنده سیمان عبارت است از: سنگ آهک، ماسه یا رس ( سیلیسیم، آلومینیوم، آهن)، شیل، خاکستربادی، بوکسیت و … .
این مواد معدنی به شکل سنگ‌هایی هستند که باید پس از استخراج آن‌ها را به دستگاه‌های مخصوص سنگ‌شکن به قطعات تقریبا ۱۵ سانتی‌متر تبدیل کرد. در مرحله بعدی، قطعات خرد شده برای رسیدن به ابعاد حدود ۷سانتی‌متر  وارد مرحله سنگ شکنی می‌شوند. سپس قطعات خرد شده برای فرآوری در مرحله بعد ارسال خواهد شد.

مرحله اول (آسیاب، توزین و مخلوط کردن)

سپس برای درست کردن یک مخلوط یکدست‌تر، قطعه سنگ‌ها را آسیاب می‌کنند و یک سری از مواد شیمیایی و مواد افزودنی را به آن‌ها اضافه می‌کنند. مخلوط ذرات در این مرحله با توجه به خواص مورد نیاز است. معمولا ۸۰درصد این مخلوط از سنگ آهک و ۲۰ درصد دیگر از رس تشکیل می‌شود. سپس مخلوط به دست آمده را وارد فرایند خشک سازی می‌کنند تا رطوبت آن به زیر ۱درصد برسد. در نهایت با مخلوط پودر حاصل شده از فرایند را به سمت کوره انتقال می‌دهند.

مرحله دوم(اعمال حرارت اولیه به مواد خام)

این مرحله که یک مرحله قبل از پخت اصلی است، در واقع در این مرحله مواد خام به محلی با چندین سیکلون برای حرارت اولیه انتقال داده می‌شود. در این مرحله مواد خام تبدیل به مواد اکسیدی می‌شوند و آماده رفتن به مرحله بعد یعنی پخت مواد خام هستند.
شاید برای‌تان سوال پیش بیاد که دلیل دادن حرارت اولیه چیست؟ یکی از هدف‌های اصلی این مرحله، کاهش مصرف انرژی در مرحله بعد برای پخت و کاهش آلودگی محیط زیست است.

مرحله سوم (پخت مواد خام در کوره)

 در این مرحله چندتا از مواد تشکیل دهنده سیمان به وسیله گرمایی که به آن‌ها داده می‌شود با یکدیگر واکنش نشان می‌دهند، مانند واکنش بین ترکیبات کلسیم و سیلیسیم دی اکسید، که ماده‌ای به نام کلینکر را به وجود می آوردند.

مراحل تولید کلینکر شامل موارد زیر می باشد :

1. تبخیر آب آزاد
2. تبخیر آب موجود در ترکیبات رسی
3. تبدیل کربنات (caco3) به اکسید کلسیم (CaO) طی فرایند کلسیناسیون
4. تشکیل دی کلسیم سیلیکات بر اثر واکنش CaO با سیلیسیوم
5. تشکیل فاز مایع بر اثر واکنش CaO آلومینیوم و ترکیبات دارای آهن
6. تشکیل دانه‌های کلینکر
7. تبخیر مواد فرار (نظر سدیم، پتاسیم، کلریدها و سولفات‌ها)
8. تشکیل تری کلسیم سیلیکات بر اثر واکنش CaO اضافی با دی کلسیم سیلیکات

تمامی مراحل بالا را اگر بخواهیم بر اساس تغییر دمای درون کوره بخواهیم تقسیم کنیم، می‌توان به چهار بخش تقسیم کرد:
۱.دمای ۱۰۰ درجه سانتی گراد: بخار آب آزاد

۲. دمای ۱۰۰ تا ۴۳۰ درجه سانتی گراد: کاهش آب و تشکیل اکسیدهای سیلیسیوم، آلومینیوم و آهن

3.دمای 900 تا 982 درجه سانتی گراد: آزاد شدن CO2 و تشکیل CaO بر اثر کلسیناسیون
۴.دمای ۱۵۱۰درجه سانتی گراد: تشکیل کلینکر
واکنش‌های شیمایی بین مواد خام تشکیل دهنده سیمان، بعد از بخارآب شروع می‌شود، واکنش‌های شیمایی به ترتیب عبارت است از:

• تجزیه رس
• تجزیه دولومیت
• تجزیه کلسیت در دمای پایین
• واکنش آلومینا و اکسیژن
• واکنش کلسیت باقی مانده
• سینترینگ یا تف جوشی

مرحله آخر (خنک سازی وآسیاب نهایی)

زمانی که کلینکر از کوره خارج شود و در هوای آزاد قرار گیرد، دمای سریع از ۲۰۰۰درجه سانتی گراد به ۱۰۰تا ۲۰۰درجه سانتی گردا می رسد، در این مرحله کلینکر را آسیاب می‌کنند و چندین ماده مختلف به ترکیب اضافه می شود.

از سنگ آهک نیز در ترکیب بالا به منظور کاهش در زمان گیرش، مقاوم سازی و جلوگیری از چسبیدن ترکیب به بدنه و گلوله‌های آسیاب استفاده می شود . سپس مواد دیگری مانند تری اتانول آمین به منظور ریز شدن موا و جلوگیری از گلوله شدن آن، به ترکیب مواد اولیه سیمان اضافه می شود.
پس از فرایند خنک‌سازی وارد مرحله آسیاب نهایی می‌شوند، بعد از آسیاب پودرریزی به دست می آید که هر کیلوگرم از آن شامل ۷۵ میلیون ذره است، این پودر همان سیمان معروف است.

سیمان تولید شده به چند دسته ی متفاوت تقسیم بندی می شود که در ادامه به معرفی انواع آن می پردازیم.

انواع سیمان

سیمان هایی که طبق استاندارد شماره 1-17518 ملی ایران تولید می‌شوند، سیمان های استاندارد ملی نام دارند و به 5 دسته تقسیم می شوند:

• گروه 1: سیمان های پرتلند معمولی، ضد سولفات فراویژه، ضدسولفات ویژه، ضد سولفات، و ضد سولفات متوسط
• گروه 2: سیمان‌های پرتلند سرباره‌ای، دوده سلیسی، پـوزولانی، خاکستر بادی، شیل پخته و آهکی
• گروه 3: سیمان سرباره ای
• گروه 4: سیمان پوزولانی
• گروه 5: سیمان مرکب

در سعی داریم درمقالات دیگر به توضیح انواع آن به صورت مفصل بپردازیم ..