بخشی از مقاله
مقدمه
تاريخچه سيمان
انسان از ديرباز سيمان را مي‌شناخته و با گذشت زمان بر نقش و اهميت آن وقوف و آگاهي بيشتر يافته و هر روز كوشيده است , بناها و ساخته‌هاي خود را مستحكم‌تر از گذشته احداث نمايد .انسانهاي اواخر عصر حجر كه از طريق شكار كردن و جمع‌آوري مواد غذايي ارتزاق مي‌نمودند و در پي غذا در ناحيه وسيعي در حركت بودند , در پناهگاههاي موقت زندگي مي‌كردند . وقوع انقلاب كشاورزي كه به حدود 10000 سال پيش از ميلاد مسيح باز ميگردد , انگيزه‌اي براي سكونت دائمي و ايجاد ساختمان و خانه براي انسان بود . انسان ديگر بدنبال شكار يا گله‌هاي خود از جائي به جاي ديگر نمي‌رفت , بلكه براي مراقبت از مزارع خود در يك محل مي‌ماند . در خاورميانه آثار و بقاياي دهكده‌هاي كاملي با محل سكونت مدوري بنام تولوي "Tholoi" يافت شده كه ديوارهاي آن از گل رس متراكم ساخته شده است .
ملاتي كه در اتصال سنگها و سفالها از آن استفاده مي‌شد , مخلوطي بوده از ماسه , آهك و آب و در ساختمان قسمتهايي كه در زير آب قرار مي‌گرفت ماده‌اي سيليسي بنام "پوزولانا" اضافه مي‌كردند , كه ملات را سخت و در مقابل آب مقاوم مي‌ساخت .
در واقع منشاء سيمان هيدروليك (تركيبي با آب) به يونان و روم باستان باز ميگردد . مواد مصرفي عبارت بودند از آهك و نوعي خاكستر آتشفشاني كه با آب واكنش آهسته‌اي نشان داده و تبديل به توده سفتي مي‌گرديد . اين توده ماده چسبناك ، ملات و بتون ساخته شده در روم در دو هزار سال پيش و همچنين كارهاي ساختماني بعدي در اروپاي غربي را تشكيل مي‌داد . آنها از اين ملات در ساختمان برجها , باروها , جاده‌ها , آب‌انبارها , گرمابه‌ها , معابد , كاخها و قلعه‌ها استفاده مي‌كردند
خاكستر آتشفشاني كه از معدني در نزديكي شهر "پوزولا" (ايتالياي كنوني) استخراج مي‌شد , سرشار از سيليكات آلومينيوم بود , و سيمان مشهور "پوزولانا" مربوط به دوران روم باستان نيز از اين نام برگرفته شده است . امروزه اصطلاح پوزولانا (Pozzolana) , يا پوزولان (Pozzolan) يا به خود سيمان اشاره دارد و يا به هر ماده نرم حاوي سيليكات آلومينيومي اطلاق مي‌شود كه در مجاورت آب با آهك واكنش نشان داده و تشكيل سيمان مي‌دهد . بهترين سيمان بدست آمده از دوران گذشته , ساخته دست روميان است .
تهيه سيمان به طرق علمي جديد از قرن هيجدهم آغاز شد . در سال 1756 "جان اسميتون" ماموريت يافت كه فانوس دريايي كوچك "اديستون" را كه در درياي مانش و در ساحل "كورتوال" انگلستان قرار داشت دوباره بازسازي كند , وي در آزمايشهاي خود موفق شد كه از تركيب سنگ آهك ناخالص و خاك و پختن آن دو , ماده‌اي شبيه به سنگهاي "پرتلند" بوجود آورد .
با سوزاندن مخلوطهاي گوناگون سنگ آهك و خاك رس طي سالهاي بعد تجربيات بيشتري در اين زمينه بدست آمد .
در سال 1824 "ژوزف آسپدين" با سوزاندن مخلوط 1 به 3 سنگ آهك و خاك رس به مواد بهتري دست يافت . در شيوه او , عمل سوزاندن در كوره‌ها با چنان حرارتي صورت مي‌گرفت كه مواد ذوب شده پس از سرد شدن به صورت ذرات ريزي در مي‌آمدند . ماده بدست آمده كه به صورت پودري نرم بود , وقتي با آب مخلوط مي‌شد , پس از چند ساعت سفت و سخت مي‌شد . اين محصول شباهت زيادي به سنگهاي آهكي مستخرج از معدن جزيره "پرتلند" در انگلستان داشت , از اينرو به سيمان "پرتلند" معروف گرديد و وجه تسميه سيمانهاي پرتلند امروزي نيز از اينجا آغاز مي‌شود .
اولين بناي ساخته شده با اين نوع سيمان , بناي پارلمان انگلستان است كه در فواصل سالهاي 52-1840 احداث گرديده است .
توليد سيمان پرتلند به سرعت در سرتاسر كشورهاي اروپايي و آمريكاي شمالي گسترش يافت . در حال حاضر نيز سيمان پرتلند عمده ترين سيمان توليدي در جهان است و موارد مصرف عام تري دارد .
بعدها "دكتر بوك" رئيس موسسه تحقيقات استاندارد سيمان آمريكا كه به "پدر سيمان" معروف است تركيبات اصلي سيمان را شرح داد كه مورد تاييد صاحبان صلاحيت قرار گرفت .
از آن پس در كشورهاي پيشرفته تحقيق و پژوهش پيرامون ساخت انواع جديدي از سيمان و بالا بردن كيفيت محصولات و رشد و توسعه تكنولوژي ساخت سيمان همچنان ادامه داشته است
امروزه سيمان از نظر وزن بزرگترين محصول صنعتی بشری محسوب می شود
تاريخچه صنعت سيمان در ايران
ايرانيان نيز از ديرباز با خواص خاك رس و سنگ آهك بعنوان مواد اوليه اصلي سيمان آشنايي داشته‌اند و از مخلوط آب , آهك و خاكستر و خاك رس ملاتي تهيه مي كردند كه در لهجه‌هاي محلي از آن به "ساروج" , "سارو" و اسامي ديگري ياد شده است . از اين ملات جهت استحكام و آب‌بندي در ساختمان حمامها , آب‌انبارها , حوضها و ساختمانهاي مهم استفاده مي‌شده است .
در ساختمان "سد دز" بر روي رود كارون كه در زمان شاهپور دوم ساخته شد و "بند امير" كه در زمان عضدالدوله ديلمي بنا گرديد , همچنين در ساختمان آب‌انبارهاي قديمي از تركيبات مشابه سيمان استفاده شده است .
توليد سيمان در ايران از سال 1312 با بهره برداري از كارخانه سيمان ري به ظرفيت 100 تن در روز آغاز و با گذشت زمان و در روند رشد و توسعه كشور نقش و اهميت اين صنعت و توليد و مصرف سيمان رو به فزوني نهاده است .
در حال حاضر ايران داراي 35 واحد كارخانه توليد سيمان به ظرفيت سالانه 576/32 ميليون تن مي‌باشد و 10 كارخانه توليد سيمان نيز در حال احداث مي‌باشند .
ظرفيت توليد سيمان كشور با اجراي طرحهاي مذكور تا سال 1381 به 114000 تن در روز و 6/37 ميليون تن در سال افزايش يافت .
ايران در سال 1378 با توليدي معادل 39/1 درصد توليد جهاني , مقام پانزدهم كشورهاي توليدكننده سيمان جهان و مقام هشتم را در كشورهاي توليدكننده سيمان قاره آسيا كسب كرده است
سهم توليد سيمان ايران در جهان روند رو به رشدي داشته و از 04/0 درصد در سال 1950 به 42/1 درصد در سال 1998 افزايش يافته است .
مواد اوليه سيمانهاي پرتلند
سيمان پرتلند عمدتا" از تركيبات آهك (اكسيد كلسيم) ، همراه با سيليس (اكسيد سيليس) و آلومينيوم (اكسيد آلومينيوم) تشكيل شده است . آهك مورد نظر از مواد خام آهكي و اكسيدهاي ديگر نيز از مواد رسي بدست مي‌آيد .
از مواد خام ديگري چون خاك سيليس ، اكسيد آهن و بوكسيت نيز مي‌توان در مقادير كمتر و براي بدست آوردن تركيب مورد نظر استفاده نمود . ماده خام ديگر سنگ گچ است ، كه تا حدود 5 درصد آن در طي آسياب كردن به "كلينكر" سيمان پخته شده اضافه ميگردد تا زمان گيرش سيمان را كنترل نمايد .
مواد خام بكار رفته در توليد سيمان چنانچه بصورت سنگ سخت باشد ، مانند سنگ آهك ، سنگهاي رسوبي لايه‌اي ، و بعضي سنگهاي رسي ، يا از معدن استخراج شده و يا با انفجار بدست مي‌آيند . بعضي از ذخاير را با استفاده از روشهاي زيرزميني استخراج مي‌نمايند . سنگهاي نرم‌تري چون گچ و رس مستقيما" توسط معدنچيان از ديواره معدن جدا مي‌شود . مواد استخراجي از معدن را با استفاده از كاميون ، واگنهاي حمل قطار و نوارهاي نقاله به آسيابهاي سنگ‌شكن و خردكن منتقل مي‌نمايند .
سنگ آهك و خاك رس اجزاء اصلي مواد اوليه توليد سيمان پرتلند را تشكيل مي‌دهند و از مواد ديگر بصورت افزودني و تنظيم‌كننده استفاده مي‌شود .
توليد سيمان
براساس طبقه‌بندي بين المللي ، صنعت سيمان جزء گروه صنايع كاني غير فلزي محسوب مي‌شود .
اصولا" سه روش براي توليد سيمان وجود دارد :
1- روش تر 2- روش نيمه‌تر 3- روش خشك
نوع اين روشها بستگي به مواد خام ورودي به كوره از نظر غلظت و ميزان آب اضافه شده به آنها دارد . مهمترين و پركاربردترين روش توليد سيمان در جهان روش خشك است . سيستم پخت اكثر كارخانه‌هاي سيمان كشور ما نيز بر اين روش استوار است .
در فرآيند توليد سيمان به صورت خشك ، مواد خام خشك ، آسياب شده و به صورت پودر خشك به درون كوره تغذيه مي‌شود . در فرآيند نيمه‌تر مواد خام ابتدا بصورت خشك آسياب شده و سپس گويچه‌هاي حاصله به درون كوره تغذيه مي‌شود .
در فرآيند نخست (تر) مواد خام بطور مرطوب به داخل كوره تغذيه ميگردد
خط توليد سيمان از معدن شروع و به بارگيرخانه و بسته‌بندي سيمان خاتمه مي‌يابد . در توليد سيمان به روش خشك نخست مواد خام و اوليه نظير سنگ آهك ، خاك رس ، مارل (خاك آهكدار) ، سنگ گچ ، سنگ آهن و سنگ سيليس از معادن استخراج مي‌گردند . در استخراج موادي نظير سنگ آهك ، سنگ آهن و سنگ گچ نياز به چال‌زني و ايجاد انفجار بوسيله ديناميت و مواد منفجره است . موادي نظير خاك رس و مارل (خاك آهكدار) نياز به چال‌زني و انفجار ندارند و صرفا" از بولدوزرها و يا دستگاههاي مشابه جهت دپو كردن مواد استفاده مي‌شود
چهار مرحله اصلي در توليد سيمان پرتلند وجود دارد (روش خشك):
الف- خردكردن و آسياب كردن مواد خام
ب- تركيب مواد به نسبت مناسب
ج- پخت مخلوط تهيه شده در كوره (سيستم پخت)
د- آسياب كردن (نرم‌كردن) محصول پخته شده كه به "كلينكر" معروف است
الف- خرد كردن و آسياب كردن مواد خام
در ابتدا مواد اوليه بايستي خرد شوند و به ابعادي تا حدود كمتر از ده ميليمتر برسند . براي خرد كردن سنگ آهك ، سنگ آهن ، سنگ سيليس و كلوخه‌هاي درشت و خرده سنگهاي خاك رس از دستگاههاي سنگ‌شكن يا خردكن استفاده مي‌شود . در صورت ضرورت و همچنين در صورتيكه مقدار رطوبت مواد بالا باشد ، مي‌بايستي خشك شوند .
پس از خرد شدن و خشك شدن ، در سيستمهاي مدرن ، مواد اوليه اصلي ضمن افزوده شدن مواد اوليه فرعي به نسبتهاي لازم با يكديگر مخلوط مقدماتي شده و سپس در سيلوهاي مشخص و معيني ذخيره مي‌شوند و آنگاه جهت پودر شدن راهي "آسيابهاي مواد خام" مي‌گردند . در روش خشك توليد سيمان ، ضرورت دارد كه مواد خام قبل از ورود به كوره بصورت پودر درآيند ، همچنين براي جلوگيري از كلوخه شدن و پايين آوردن چسبندگي مواد ، مي‌بايستي تا حد امكان قبل از فرستادن پودر مواد خام به سيلوهاي ذخيره ، خشك و رطوبت‌گيري شوند .
ب- تركيب مواد به نسبت مناسب
اولين تركيب شيميايي مورد نياز نوع بخصوصي از سيمان ، از طريق استخراج گزينشي و كنترل مواد خامي حاصل ميگردد كه به درون دستگاه خردكننده و آسياب وارد مي‌شوند . نظارت دقيق‌تر از طريق بدست آوردن دو يا چند دسته مواد حاوي مخلوط خامي كه تركيب شيميايي آن اندكي متفاوت است حاصل ميگردد .
در فرآيند خشك اين مخلوطها در سيلو ذخيره مي‌شود ، در فرآيند تر مخازن دوغاب بكار مي‌رود .
براي اطمينان از مخلوط شدن كامل مواد خشك در سيلو ، هواي متراكم به درون مخزن وارد شده و موجب چرخش شديد و بهم خوردن مواد ميگردد . در فرآيند تر ، مخازن دوغاب با استفاده از وسايل مكانيكي يا هواي خشك ، و يا هر دو هم زده مي‌شود .
دوغاب كه حاوي 35 الي 45 درصد آب است ، گاهي از صافي گذرانيده مي‌شود ، كه در نتيجه 20 الي 30 درصد محتوي آب آن كاهش مي‌يابد .
آنچه كه از صافي گذشته ، سپس به درون كوره تغذيه مي‌شود . اين كار موجب كاهش مصرف سوخت مورد نياز براي پخت ميگردد . در قسمت آسيابهاي مواد خام تنظيم نهايي مخلوط مواد خام كه بنام "خوراك كوره" موسوم است ، انجام شده و مخلوط حاصله كه بصورت گردي نرم و حاوي تركيبات لازم است ، آماده تغذيه به كوره مي‌باشد .
در كارخانه‌هاي سيمان آسيابهاي گلوله‌اي و غلتكي كاربرد بيشتري دارند . پس از پودر شدن مواد خام از طريق اين آسيابها ، پودر حاصله را در "سيلوهاي مواد خام" ذخيره مي‌نمايند .
عامل مهمي كه در يكنواخت كار كردن كوره و بالا بردن كيفيت كلينكر و در نتيجه سيمان موثر است ، يكنواختي تركيب خوراك كوره ، خوب مخلوط شدن و همگن بودن آن مي‌باشد . به منظور همگن يا هموژنيزه كردن مطلوب مواد خام ، از سيلوهاي ذخيره مجهز به سيستمهاي "پنوماتيك" استفاده مي‌شود . مواد خام از بالاي سيلوهاي ذخيره وارد سيلوهاي تنظيم مي‌شود و پس از تنظيمات لازم ، از پايين سيلو تخليه و به كوره تغذيه ميگردد .
ج- پخت مخلوط تهيه شده در كوره (سيستم پخت)
كوره‌هاي اوليه‌اي كه سيمان در آن پخته مي‌شد ، كوره‌هاي بطري شكل عمودي بودند . پس از آنها كوره‌هاي محفظه‌اي و سپس كوره‌هاي استوانه‌اي يكسره بكار گرفته شد . ليكن وسيله اصلي پخت سيمان در حال حاضر , كوره‌هاي استوانه‌اي دوار است .
سيستم پخت سيمان شامل سه قسمت "پيش گرمكن" ، "كوره" و "خنك كن" است . وظيفه پيش گرمكن ، گرفتن رطوبت سطحي باقيمانده در مواد خام ، آب تبلور و تجزيه كردن مقدماتي سيليكاتها و همچنين كلسينه (آهك كردن) بخشي از كربناتهاي موجود در مواد خام است .
قسمت اصلي عمل پخت در كوره صورت مي‌گيرد . كوره‌هاي پخت سيمان استوانه‌هاي فلزي بزرگي هستند كه طول و قطر آنها متناسب با ظرفيت كارخانه مي‌باشد . اين استوانه با شيب حدود 3 تا 4 درصد روي چند پايه مجهز به غلتك ، قرار گرفته و داراي حركت دوراني مي‌باشد . مواد خام پس از طي مسير پيش گرمكن از انتهاي كوره ، وارد كوره مي‌شوند و به دليل وجود شيب و حركت دوراني مواد به سمت خروجي كوره و منطقه پخت سرازير مي‌شوند.
در انتهاي كوره يك مشعل تعبيه شده كه با استفاده از سوختهاي مختلف ، ايجاد محيط حرارتي با درجه حرارت بالاي 1400 درجه سانتيگراد را مي‌نمايد . براي حفاظت از بدنه كوره در مقابل اين حرارت بسيار زياد ، مناطق مختلف كوره با استفاده از انواع آجرهاي نسوز ، بتون و جرمهاي نسوز پوشيده مي‌شوند . محصول سيستم پخت كه از كوره خارج ميگردد "كلينكر" نام دارد كه بصورت دانه‌هاي خاكستري يا قهوه‌اي رنگ مي‌باشد و براي پختن هر كيلوگرم آن حدود 800 كيلو كالري انرژي حرارتي صرف ميگردد .
كلينكر خروجي از كوره داراي درجه حرارتي حدود 1000 تا 1200 درجه سانتيگراد است . بازيابي اين مقدار حرارت و همچنين مشكل بودن جابجا كردن "كلينكر" داغ ، ضرورت سرد كردن آنرا ايجاب مي‌نمايد . خاصيت اساسي ديگر مربوط به سرد كردن "كلينكر" تكميل تشكيل كريستالهاي "كلينكر" و بالا رفتن كيفيت آن مي‌باشد . عمل سرد كردن كلينكر توسط دستگاه خنك كن (كولر) انجام مي‌پذيرد .
كلينكر توليدي يا محصول سيستم پخت قبل از ورود به آسياب سيمان در سيلو ، انبار و يا سالنهاي مربوطه ذخيره ميگردد .
بموازات رشد و توسعه صنعت سيمان و پيشرفت تكنولوژي ، جهان امروز شاهد فعاليت كوره‌هايي با ظرفيت توليدي 5000 تن در روز است .
د- آسياب كردن محصول سيستم پخت (كلينكر)
براي پودر كردن "كلينكر" از آسيابهاي گلوله‌اي استفاده مي‌شود . در اين قسمت از خط توليد به همراه كلينكر ورودي به آسياب سيمان ، مقداري گچ خام نيز به آسياب تغذيه ميگردد . افزايش گچ در تركيب سيمان جهت كنترل گيرش كلينكر صورت مي‌گيرد . محصولي كه از پودر شدن كلينكر و گچ خام در آسياب سيمان حاصل ميگردد "سيمان" ناميده مي‌شود .
سيمان توليدي در سيلوهاي سيمان ذخيره ميگردد و سپس بوسيله "ارسلايد" (كه با كمك نيروي فشار هوا سيمان را به سمت مورد نظر هدايت و پمپ مي‌كند) از سيلوها خارج و به داخل مخازن يا قيفهاي دستگاه بارگيري هدايت مي‌شود .
بارگيري به دو صورت انجام مي‌پذيرد : يكي بصورت پاكت و ديگري بصورت فله . قسمت بارگيرخانه در انتهاي خط توليد قرار دارد و با توجه به موقعيت جغرافيايي و محل كارخانه ممكن است داراي امكانات مختلف بارگيري نظير بارگيري در كاميون ، كشتي و واگن بصورت كيسه و يا فله باشد .
كنترل كيفي
واحد آزمايشگاه و كنترل كيفي در كليه مراحل توليد سيمان از ابتداي خط توليد تا بارگيرخانه نظارت دقيق و محاسبات مستمري را جهت توليد سيمان با كيفيت مطلوب و مطابق با استانداردهاي لازم بعمل مي‌آورد.
در اين ارتباط آزمايشهاي شيميايي و فيزيكي مختلفي از جمله تعيين مقادير اكسيدهاي مختلف , تعيين مقدار گچ , گيرش سيمان , ثبات حجم , مقاومت فشاري , مقاومت كششي , مقاومت خمشي , نرم و زبري سيمان و نظاير آن توسط كاركنان واحد كنترل كيفي صورت مي‌پذيرد . امروزه كارخانه‌هاي مدرن سيمان به وسايل پيشرفته كنترل فرآيند پخت مجهز مي‌باشند . در بعضي از كارخانه‌ها از مواد خام بطور اتوماتيك نمونه‌برداري مي‌شود و كامپيوترها تركيب مخلوط خام را كنترل و محاسبه مي‌كنند .
خواص فيزيکی سيمان عمدتا عبارتست از نرمی سيمان، گيرش سيمان، سلامت سيمان ومقاومت سيمان.
نرمی سيمان :
باید توجه داشت که هميشه يک سيمان نرم از نظر اقتصادی و فنی مقرون به صرفه نيست.زيرا هزينه آسياب کردن و اثرات بيش از حد نرم بودن سيمان بر خواص ديگر آن مانند نياز بيشتر به گچ برای تنظيم گيرش،کار آيی بتن تازه و ساير موارد نيز بايد مد نظر باشد. نرمی يکی از خواص عمده سيمان است که معمولا در استانداردها با سطح مخصوص تعيين
می شود.(m2/kg).روشهای متداول و متفاوتی برای تعيين نرمی سيمان در دنيا به کار گرفته می شود.استاندارد ملی ايران به شماره 390 تعيين نرمی سيمان را مشخص می کند.
گيرش سيمان:
کلمه گيرش،برای سفت شدن خمير سيمان به کار برده می شود،يعنی تغيير وضعيت از حالت مايع به جامد. گيرش به علت هيدراسيون C3S و C2A با افزايش دمای خمير سيمان اتفاق می افتد.گيرش اوليه مربوط به افزايش سريع دما و گيرش نهايی مربوط به دمای نهايی است. مدت زمان گيرش سيمان با افزايش درجه حرارت، کاهش می يابد ولی آزمايش نشان داده است که در دمای حدود 30 درجه سانتی گراد اثر معکوس را می توان مشاهده نمود.در درجات حرارت پائين،گيرش سيمان کند می شود.
كاربردهاي سيمان
امروزه سيمان داراي مصارف گوناگون و كاربردهاي وسيعي است و بسته به انواع مختلف آن در زمينه‌هاي گوناگون مورد استفاده قرار مي‌گيرد .
سيمان را مي‌توان تنها بكار برد ، يعني خالص بعنوان ماده دوغاب , اما استفاده معمولي و اصلي سيمان در ملات و بتون است كه در آنها سيمان با مواد بي‌اثر كه به سنگدانه معروف هستند مخلوط مي‌شود . ملات عبارت از سيماني است كه با ماسه يا سنگ خرد شده‌اي كه اندازه قطرش تقريبا" 5 ميليمتر است , مخلوط شده باشد .
بتون تركيبي از سيمان , ماسه يا ديگر سنگدانه‌هاي كوچك است , اما هنگامي كه بتون در حجم عظيمي چون ساختن سدها ريخته مي‌شود از سنگدانه‌هاي به اندازه 19 تا 25 ميليمتر نيز استفاده ميگردد . بتون براي اهداف گوناگون ساختماني مورد بهره‌برداري قرار مي‌گيرد . از سيمان پرتلند در توليد آجر , موزائيك , بلوك , تير سقف , اتصالات خط آهن , و ديگر محصولاتي كه با فشار در قالب شكل مي‌گيرند , استفاده مي‌شود . اين محصولات در كارگاههاي مربوطه تهيه شده و بصورت آماده براي نصب عرضه ميگردد .
از آنجاييكه در دنياي امروز بتون مصرف بسيار زيادي دارد , توليد سيمان از اهميت خاصي برخوردار مي‌باشد . همه ساله در كشورهاي توسعه يافته افزايش سرانه سيمان تقريبا" يك تن است . سنگدانه يا سيمان بكار رفته , كيفيت ويژه بتون , يا روش تهيه آن عواملي هستند كه نوع بتون را مشخص مي‌كنند . در بتون معمولي كه در ساختمان بكار مي‌رود , ويژگي سيمان عمدتا" از طريق نسبت آب به سيمان مشخص ميگردد . هر چه آب سيمان كمتر باشد , بتون محكمتر ميگردد . مخلوط بايستي به اندازه كافي آب داشته باشد تا از احاطه كامل هر ذره سنگدانه بوسيله چسب سيمان , پرشدن فضاي بين سنگدانه‌ها , شل‌بودن كافي بتون به منظور ريختن و پخش آن اطمينان حاصل گردد . عامل ديگر دوام بتون , ميزان سيمان به نسبت سنگدانه است . (كه به صورت نسبت يك به سه سيمان به سنگ دانه ريز و درشت بيان مي‌شود) . در جايي كه به بتون بسيار محكمي نياز باشد , ميزان سنگدانه به نسبت كمتر خواهد بود .
قدرت بتون را با استفاده از نيروي وارده به هر اينچ مربع توسط هر پوند و يا كيلوگرم بر سانتيمتر مربع كه براي خرد كردن بتوني با سختي و يا عمر مفروض مي‌سنجند .
عوامل محيطي چون درجه حرارت و رطوبت بر استحكام بتون تاثير مي‌گذارد , و چنانچه بطور كامل خشك نشود , تحمل فشارهاي كششي آن نامتعادل خواهد بود و اگر بطور ناقص سفت شده باشد نمي‌تواند اين فشارها را تحمل كند . در فرآيندي كه به عمل‌آوردن شناخته مي‌شود , بتون را بعد از ريختن تا مدتي مرطوب نگاه مي‌دارند تا انقباض حاصله به هنگام سفت شدن را كند كنند . درجه حرارت پايين نيز بر استحكام آن تاثير منفي مي‌گذارد . براي جبران اين مسئله ماده‌اي افزودني چون كلريد كلسيم به سيمان اضافه ميگردد . اين ماده موجب تسريع در فرآيند سفت شدن ميگردد كه خود باعث ايجاد گرماي كافي براي بي‌اثركردن درجه حرارت تقريبا" پايين مي‌شود . در هواي بسيار سرد از ريختن بتون در ابعاد وسيع خودداري مي‌شود .
مواد تشكيل‌دهنده بتون
سيمان:
حدود 7 الي 15 درصد از حجم بتون را تشكيل مي‌دهد .
أب:
حدود 14 الي 21 درصد از حجم بتون را تشكيل مي‌دهد .
دانه‌هاي سنگي (شن و ماسه):
حدود 60 الي 75 درصد از حجم بتون را تشكيل مي‌دهد .
هوا:
در بتون بدون هوا ميزان حجم هواي موجود بين 5/0 تا 3 درصد است و در بتون هوادار ميزان حجم هواي موجود بين 4 تا 8 درصد است .
نقش سيمان در بتون صرفا" چسباندن دانه به يكديگر بوده و بخودي خود تاثيري در مقاومت و باربري ندارد , از اين جهت بتون خوب بتوني است كه وقتي در آزمايشگاه نمونه‌اي از آن را بشكنند , دانه‌هاي سنگي آن از وسط شكسته شود و سيمانها (چسب) پاره نشود .
محصول سيمان به دو صورت فله و پاكتي به بازار عرضه شده و از آن در بسياري از كارهاي ساختماني و زيربنايي استفاده مي‌شود .
از اتاقهاي كوچك تا آسمانخراشهاي عظيم , از حوض‌هاي كوچك تا تاسيسات عظيم بندري , از استخرهاي شنا تا سدهاي مستحكم و عظيم ذخيره آب , از پلهاي كوچك بر روي نهرها و جويها تا تونلهاي بسيار بزرگ زير بستر درياها , از پياده‌روها تا بزرگراههاي پيشرفته , خطوط مترو و فرودگاههاي گسترده بين‌المللي و از سنگرها تا انبارهاي عظيم جنگ‌افزارها و تسليحات نظامي , همه و همه نقش و اهميت سيمان را در زندگي انسان متجلي و آشكار مي‌سازند
انباركردن سيمان
همواره بايد سعي شود سيمان در معرض رطوبت نباشد چون سيمان مكنده رطوبت است و حتي هواي مرطوب همه سيمان را خراب مي‌كند .
در انباركردن سيمان به صورت فله‌اي بايد شرايطي فراهم شود كه كف انبار (زير سيمان) كاملا" خشك باشد , لذا مي‌توان در كف مقداري شن خشك پهن كرد تا از نفوذ رطوبت به طرف بالا جلوگيري شود . همچنين بهتر است روي سيمان پلاستيك كشيده شود .
سيمان پاكتي را روي سطوح تخته‌اي با شكل و ابعاد مشخص بنام "پالت" انبار مي‌كنند . پالتها از كف با زمين حداقل 10 سانتيمتر فاصله دارند و حداكثر تا 8 رديف سيمان پاكتي روي آن چيده مي‌شود . همچنين بين پالتهاي مختلف كه حدود پنجاه پاكت سيمان روي آنها چيده مي‌شود , حداقل 5/0 متر فاصله جهت عبور جريان هوا لازم است . سيمان پاكتي را تحت شرايط صحيح تا يكسال مي‌توان در انبار نگهداري كرد .
آينده صنعت سيمان
دانشمندان ، آينده خوبي را براي صنعت سيمان پيش‌بيني مي‌كنند . آنها بتون تهيه شده از سيمان را بعنوان مهمترين ماده اين قرن توصيف مي‌كنند . در واقع سيمان را مي‌توان بعنوان ماده چسبنده‌اي توصيف كرد كه ارزانتر از هر ماده چسبنده‌اي است كه در صنعت بكار مي‌رود و اين ماده براي زندگي انسان ضروري است .
از آنجا كه سيمان خواص ممتاز و برجسته‌اي دارد , و همچنين بخاطر بي‌ضرربودن آن براي محيط زيست , انواع سيمان همچنان افزايش پيدا خواهد نمود , و در آينده تقاضاي بيشتري براي محصولات سفارشي وجود خواهد داشت . همگام با اين تحولات تغييرات بيشتري نيز در ساختار صنعت سيمان بوجود خواهد آمد .
حتي با فرض اينكه در ميان مدت , تغييرات اساسي در سيستم شيميايي و فيزيكي سيمان بوجود نيايد , با توجه به روند افزايش منطقه‌اي شدن توليد و توزيع , بايستي در انديشه تغييرات تكنولوژيكي بود .
صنعت سيمان از آينده خوبي برخوردار است زيرا سيمان , بعنوان متصل‌كننده مواد ساختماني , داراي آينده روشني است . هرچند كه عواملي چون رقابت درون اين صنعت و با مواد ساختماني ديگري كه راه خود را به بازار باز مي‌كنند , فشار ناشي از قانونگذاريهاي زيست محيطي , و همچنين جهاني شدن فزاينده , صنعت سيمان را مجبور خواهد نمود تا هزينه‌ها را كاهش دهد , كيفيت را تضمين كند و محافظت زيست محيطي را بهبود بخشد . دامنه توليدات كارخانه نياز دارد تا خود را با نوآوريهاي تكنيكي هماهنگ كند .
چنانچه بخواهيم مقايسه‌اي بين صنعت سيمان امروز و يكصد سال پيش بعمل آوريم , آمار و اطلاعات فاصله‌اي را كه اين صنعت از نظر فن‌آوري در طول يك قرن پيموده است , به ما نشان مي‌دهد . مصرف گرما براي فرآيند پخت از 1900 كيلوكالري به كيلوگرم كلينكر در يكصد سال پيش به 700 كيلوكالري بر كيلوگرم كلينكر در حال حاضر كاهش يافته است .
امروزه ميزان توليد سالانه هر كوره بين 5/1 الي 2 ميليون تن است , كه 70 تا 80 برابر بيشتر از توليد كوره‌هاي دواري است كه در سال 1899 به كار گرفته مي‌شد . انتشار گرد و غبار مربوط به توليد كلينكر از 200000 ميلي‌گرم غبار در هر كيلوگرم كلينكر به 50ميلي‌گرم غبار در هر كيلوگرم كلينكر رسيده است . در واقع در يكصد سال پيش هيچگونه غبارگيري صورت نمي‌گرفت
ميانگين توليد سالانه كلينكر به ازاي هر كارگر (معيار سنجش بهره وري) در يكصد سال پيش 700 تا 800 تن براي هر نفر شاغل در اين بخش بود كه امروزه اين مقدار به 2000 تن رسيده است .
هزينه سرمايه براي كارخانه توليد سيمان در سال 1899 يكصد درصد بيشتر از زمان حال بوده است . امروزه پيشرفتهاي فني نه تنها توليد مطلوب‌تري را امكان‌پذير نموده است , بلكه هزينه سرمايه‌گذاري و شرايط تجاري مساعدتري نيز بوجود آورده است .
انواع سيمانهاي استاندارد (پرتلند)
1- (سيمان تيپ يك (I , (سيمان معمولي)
همان سيمان معمولي بوده و در شرايط آب و هواي عادي مصرف مي‌شود . همچنين در جايي بكار مي‌رود كه از نظر سولفات مشكلي وجود نداشته باشد
2- (سيمان تيپ دو (II , (سيمان متوسط)اين سيمان از نظر خواص متوسط است , بدين معني كه تا حدي كندگير بوده و نيز تا حدي در مقابل حمله سولفاتها مقاوم است .
براي ساخت اين سيمان سعي مي‌شود تا حد ممكن از مقدار) (C3A ,C3S كاسته و ( (C2S را افزايش دهند .
3- (سيمان تيپ سه (III , (سيمان زودگير)
اين سيمان تقريبا" اجزاء اوليه سيمان تيپ (I) را دارد , با اين تفاوت كه به شدت ريزتر آسياب شده و به همين جهت گيرش سريعتري دارد .
موارد مصرف سيمان تيپ (III):
الف- در هواي سرد (حدود 4 درجه سانتيگراد) , در دماي زير صفر درجه كاربرد اين سيمان به تنهايي كفايت نمي‌كند و لذا در يخبندان علاوه بر مصرف اين سيمان مسائل ديگري نيز بايد رعايت شود (مثلا" مصرف ضد يخ) . سيمان تيپ ( (III در ساعات اوليه مصرف , حرارت قابل توجهي آزاد مي‌كند و باعث گرم شدن بتن مي‌شود .
ب- مراقبت از بتن در هواي سرد بسيار مشكل است و هزينه مراقبت در هواي سرد بالاست . سيمان زودگير طول دوره مراقبت را كم كرده و موجب مي‌شود بتن زودتر به مقاومت مورد نظر برسد .
ج- در تعميرات فوري , مثلا" تعمير قسمتي از سازه‌هايي كه بايد سريعا" مورد بهره‌برداري قرار گيرند , اين سيمان كاربرد زيادي دارد و موجب مي‌شود بتن سريعا" به مقاومت مورد نظر رسيده و ظرف مدت كوتاهي مورد بهره برداري قرار گيرد .
د- در مكانهايي كه به دليل محدوديت امكانات قالب , بخواهند قالبها را زودتر باز كنند , نيز اين سيمان كاربرد دارد .
4- سيمان تيپ چهار ( (IV , (سيمان دير گير)سيمان تيپ چهار دير گير بوده و در هنگام گيرش حرارت كمي توليد مي‌كند . مقدار C3S و C3A موجود در اين سيمان در مقايسه با انواع ديگر سيمان , كمتر بوده و در مقابل C2S زيادتري بكار برده شده است
موارد مصرف سيمان تيپ (IV) :الف- در هواي گرم و در دماي بالاي 40 الي 50 درجه سانتيگراد براي تسهيل مراقبت از بتن بكار مي‌رود . مصرف اين سيمان در هواي گرم و در جايي كه تبخير بالاست باعث مي‌شود كه لااقل دماي توليد شده توسط بتن در عمليات گيرش كمتر شود , زيرا گرماي حاصل از عمليات هيدراسيون در طول مدت زمان بيشتري آزاد مي‌شود .
از طرفي اجزاء موجود در اين سيمان در مقايسه با ساير سيمانها ( C3A و C3S كمتر و C2S بيشتر) اين سيمان را خودبخود كم حرارت‌تر مي‌كند .
ب- مصرف اين سيمان در هواي گرم باعث جلوگيري از اتصال سرد مي‌شود
توضيح :
در بتن‌ريزي ديوارها (ديوار مخزن آب و يا استخر) كه طول ديوار زياد است چون بتن‌ريزي لايه لايه انجام مي‌گيرد , ممكن است فاصله زماني حدود نيم ساعت يا بيشتر طول بكشد تا لايه بتن جديد روي بتن قبلي ريخته شود , بدين ترتيب در هنگام ريختن بتن لايه جديد , بتن لايه قبلي سفت شده و اتصال خوبي بين دو لايه برقرار نمي‌شود . اين اتصال ضعيف بين لايه‌هاي بتن قديم و جديد را اتصال سرد مي‌گويند كه ضعف بتن‌ريزي به شمار مي‌رود , بخصوص اگر سازه يك سازه آبي باشد , اين اتصال نقطه ضعفي براي نشت آب خواهد بود
مصرف سيمان تيپ چهار در چنين مواردي باعث مي‌شود كه فرصت كافي براي بتن‌ريزي باشد و لايه‌هاي قبلي هنوز وارد واكنش نشده باشند تا بتوانند با لايه‌هاي جديد اتصال مناسبي را برقرار نمايند
ج- در بتن‌ريزي‌هاي حجيم به منظور كاهش تنش‌هاي حرارتي مي‌توان از اين سيمان استفاده كرد . بتن حجيم بتني را گويند كه طول و عرض و ارتفاع آن زياد باشد مانند بتن‌ريزي سدها و يا پايه‌هاي پل از اشكالات بتن‌ريزي حجيم , ايجاد تنش‌هاي حرارتي است , بدين صورت كه به دليل حجيم بودن بتن , تبادل حرارتي عمق بتن با محيط بيروني , كندتر صورت مي‌گيرد , و بنابراين هنگامي كه بتن سفت شده , هنوز دماي قسمتهاي مركزي آن با محيط اطراف , يكنواخت نشده است از اين لحظه به بعد تغيير دماي بتن در راستاي تبادل حرارتي با محيط خارج , همراه با ايجاد تنش‌هاي حرارتي خواهد بود
استفاده از سيمان تيپ (IV) سبب مي‌شود كه اولا" دماي قسمتهاي مياني بتن حجيم كمتر از بتن مشابه ساخته شده با سيمان تيپ (I) باشد (چون سيمان تيپ (IV) هم كم حرارت‌تر است و هم دماي خود را در طول زمان بيشتري آزاد مي‌كند) و ثانيا" فرايند سفت شدن بتن طولاني‌تر بوده و در اين مدت قسمت اعظم تبادل حرارتي بتن با محيط اطراف صورت پذيرد . قابل ذكر است كه براي جبران تنش حرارتي در بتن , گاهي آرماتورهايي موسوم به آرماتورهاي حرارتي مورد استفاده قرار مي‌گيرند .
5- سيمان تيپ پنج (V) , (سيمان ضد سولفات)
در ساخت اين سيمان سعي مي‌شود حتي‌الا مكان C3S و C3A را به حداقل برسانند و در مقابل C2S بيشتري مصرف نمايند
اين سيمان براي مصرف در بتن‌هايي كه در معرض حمله سولفاتها قرار دارد , مناسب است و به همين جهت به سيمان ضد سولفات شهرت دارد .
سيمان سفيد
رنگ تيره سيمان به دليل وجود سولفات آهن و سولفات منيزيم در سيمان است , همچنين دوده ناشي از سوخت نيز باعث رنگ تيره سيمان مي‌شود . پس براي سفيد شدن سيمان بايد سولفات آهن و منيزيم از سيمان حذف شود و همچنين از سوخت مناسب و بدون دوده استفاده شود .
به همين جهت براي توليد سيمان سفيد , از خاك رسي كه ميزان سولفات آهن و منيزيم آن از 8/0 درصد كمتر است استفاده مي‌كنند و براي جبران همين مقدار اندك سولفات آهن و منيزيم , مقداري نشادر اضافه مي‌نمايند . از طرفي سوخت كوره را به نحوي انتخاب مي‌كنند كه توليد دوده نكند (مثلا" از گاز استفاده مي‌كنند).
سيمانهاي رنگي
سيمانهايي به رنگهاي قرمز - زرد - آبي و ... همان سيمانهاي عادي هستند كه در ساخت آنها از 2 الي 15 درصد پودر سنگهاي رنگي استفاده شده است .
معمولا" در ساخت سيمانهاي رنگي روشن از سيمان سفيد استفاده مي‌شود (كه سبب افزايش قيمت مي‌شود) و در ساخت سيمانهاي رنگي تيره از سيمان معمولي استفاده مي‌شود .
معمولا" در تهيه سيمان با رنگ سبز از سنگهاي كرم‌دار , سيمان آبي رنگ از سنگهاي كبالت‌دار , سيمان زرد رنگ از سنگهاي آهن‌دار (به صورت هيدروكسيد آهن يا هماتيت) , سيمان قرمز رنگ از اكسيد آهن به صورت فريت (Fe2O3) و سيمان سياه از اكسيد آهن دو ظرفيتي (FeO) استفاده مي‌شود .
سيمان پرتلند سرباره‌اي
براي تهيه اين سيمان , سيمان معمولي را با 25 الي 65 درصد پودر سرباره كوره ذوب آهن مخلوط مي‌كنند و به عنوان سيمان پرتلند سرباره‌اي به مصرف مي‌رسانند .
مقاومت سيمان سرباره‌اي از سيمان معمولي كمتر بوده و در مقابل ارزان قيمت‌تر از سيمان معمولي است .
در آجرچيني , در بتن‌ريزي كف‌ها و اصولا" در هر جا كه مقاومت‌هاي بالا مورد نياز نباشد , مي‌توان از اين سيمان استفاده كرد . ضمنا" اين سيمان كمي ضد سولفات و تا حدودي كندگير است (در حد سيمان تيپ II (
سيمان پوزولاني (سيمان خاكستر آتشفشاني)
اين سيمان را از مخلوط كردن 15 الي 40 درصد پوزولان با كلينكر سيمان معمولي و آسياب‌كردن اين مخلوط بدست مي‌آورند , در ايران معادن پوزولان زيادي وجود دارد كه مي‌توان از آنها در توليد اين سيمان استفاده كرد . جنس پوزولان سيليكات و تقريبا" شبيه سيمان است , منتهي واكنش‌هاي مشخص سيمان را ندارد .
با توجه به ارزاني اين سيمان , براي مصرف كارهاي عادي نظير آجرچيني مناسب است . اين سيمان كندگير بوده و تا حدودي نيز ضد سولفات است .
