سیمان چیست و چگونه ساخته می شود؟ | هر آنچه باید بدانید

«سیمان» (Cement)، یکی از مهمترین مواد مورد استفاده در مصالح ساختمانی است. این ماده برای ساخت دوغاب، ملات و بتن مورد استفاده قرار می‌گیرد. در این مقاله، به معرفی کامل تاریخچه، تعریف، اجزا تشکیل دهنده، مراحل تولید، کاربردها، خواص فیزیکی، خواص شیمیایی و انواع سیمان می‌پردازیم.

تاریخچه استفاده از سیمان به چه دورانی باز می گردد؟

از زمان ظهور تمدن بشری تا به امروز، سیمان به شکل‌های مختلفی مورد استفاده قرار گرفته است. توسعه سیمان از خاکسترهای آتشفشانی، ژیپس (سنگ گچ) سوخته، آهک آبدار و اولین سیمان هیدرولیکی مورد استفاده توسط رومیان در قرون وسطی تا قرن 18 میلادی (قرن 11 شمسی) ادامه داشت. در این قرن، «جیمز پارکر» (James Parker)، حق اختراع سیمان رومی را به نام خود ثبت کرد. این سیمان در آن دوران از شهرت بالایی برخوردار بود. با این وجود، در دهه 1850 میلادی (دهه 1230 شمسی)، محصول جدیدی با نام «سیمان پرتلند» (Portland Cement) جای سیمان رومی را گرفت.

در قرن 19 میلادی (قرن 12 شمسی)، تحقیقات و نوآوری‌های زیادی بر روی نحوه ساخت و کاربرد سیمان پرتلند انجام شد. در این دوران، «ویلیام اسپدین» (William Aspdin)، سیمان پرتلند جدیدی را گسترش داد که خیلی زود مورد توجه قرار گرفت. با این وجود، «ایزاک چارلز جانسون»  (Isaac Charles Johnson) به عنوان پدر سیمان پرتلند شناخته می‌شود. این فرد با معرفی روشی برای ساخت سیمان پرتلند در کوره، مشارکت بزرگی در تاریخ سیمان داشته است.

در قرن 19 میلادی، «سیمان رزندیل» (Rosendale Cement) در شهر نیویورک ساخته شد. به دلیل سختی مناسب این سیمان رزندیل، این نوع سیمان در اوایل عرضه با تقاضای بالا مواجه بود اما به دلیل طولانی بودن زمان گیرش آن، سیمان پرتلند بار دیگر به گزینه اول مصرف کنندگان تبدیل شد. امروزه برای ساخت بزرگراه و پل، از ترکیب سیمان رزندیل-پرتلند استفاده می‌شود. این ترکیب دارای دوام بالا و زمان گیرش پایین است.

سیمانی که اکنون در ساخت سازه‌های مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرد، نتیجه آزمایش‌ها، تغییرها و پیشرفت‌های قابل توجهی است. هدف از تغییر ترکیب سیمان در سال‌های گذشته، دستیابی به محصولی مستحکم و بادوام برای ساخت جاده، آزاد، پل و دیگر سازه‌ها بوده است. اکثر سیمان‌های امروزی از سیمان پرتلند به عنوان ترکیب اصلی یا یکی از ترکیبات اصلی خود استفاده می‌کنند.

سیمان چیست؟

سیمان، یکی از مهمترین مصالح ساختمانی ساخته دست بشر است که به منظور اتصال اجزا مختلف یک سازه نظیر سنگ، آجر، کاشی و غیره مورد استفاده قرار می‌گیرد. علاوه بر این، سیمان یکی از ترکیبات اصلی بتن در ساخت سازه‌های مختلفی مانند پل، سد، ساختمان‌های مسکونی، ساختمان‌های تجاری و دیگر سازه‌های بتنی است. ساختار اصلی سیمان، از مواد معدنی نظیر سنگ آهک، رس یا ماسه، بوکسیت و کانی آهن تشکیل می‌شود.

فیلم آموزش آشنایی با مصالح ساختمانی در فرادرس

کلیک کنید

کلینکر چیست؟

با حرارت دادن به مواد خام مورد استفاده در تولید سیمان، ماده‌ای به نام «کلینکر» (Clinker) به وجود می‌آید. با آسیاب کردن این ماده و افزودن ترکیباتی نظیر گچ به آن، سیمان تشکیل می‌شود. در بخش‌های بعدی، به تشریح نحوه ساخت کلینکر خواهیم پرداخت.

مواد اولیه سیمان کدام هستند؟

سیمان، از هشت ماده اصلی آهک، سیلیکا، آلومینا، مگنزیا، اکسید آهن، سولفات کلسیم، سولفور تری اکسید و آلکالین (نمک قلیایی) تشکیل می‌شود. مواد مورد استفاده برای ساخت سیمان، خواص شیمیایی و فیزکی آن را تعیین می‌کنند.

فیلم آموزش تکنولوژی بتن و اختلاط آن در فرادرس

کلیک کنید

از این‌رو، آشنایی با این مواد از اهمیت بالایی برخوردار است. به منظور آشنایی با ترکیبات سیمان، باید نقش و عملکرد هر ماده را به خوبی مورد بررسی قرار داد. تغییر میزان مواد اصلی و افزودنی‌ها در حین فرآیند تولید می‌تواند بر روی کیفیت مورد نظر تاثیر داشته باشد. هشت ماده اصلی تشکیل دهنده سیمان در تصویر زیر نمایش داده شده است.

جدول زیر، درصد استفاده از مواد اصلی در ترکیب سیمان‌های معمولی را نمایش می‌دهد:

عملکرد اجزا تشکیل دهنده سیمان چگونه است؟

در این بخش، به معرفی عملکردها، مزایا و معایب هر یک از اجزا اصلی سیمان می‌پردازیم.

نقش آهک در سیمان چیست؟

ماده کلسیم اکسید (CaO) یا کلسیم هیدروکسید (Ca(OH₂)) با عنوان آهک شناخته می‌شود. این ماده، یکی از اجزا اصلی مورد استفاده در ساخت سیمان‌های مختلف است. با اضافه کردن مقدار کافی آهک به درون ترکیب سیمان، سیلیکات و آلومینات کلسیم تشکیل می‌شود. در صورت کافی نبودن مقدار آهک، مقاومت و زمان گیرش کاهش می‌یابد. در طرف مقابل، آهک زیاد باعث تورم و کاهش سلامت می‌شود.

نقش سیلیکا در سیمان چیست؟

سیلیسیم دی اکسید (SiO₂) یا سیلیکا، یکی دیگر از مواد مهم در ترکیب سیمان‌ها است. اضافه کردن مقدار مناسبی از این ماده به درون ترکیب باعث تشکیل سیلیکات دی کلسیم و تری کلسیم می‌شود. ویژگی استحکام سیمان، از سیلیکا موجود در آن نشات می‌گیرد.

نقش آلومینا در سیمان چیست؟

آلومینا همان اکسید آلومینیوم با فرمول شیمیایی Al₂O₃ است. زمان گیرش، به میزان آلومینای موجود در ترکیب سیمان‌ها بستگی دارد. دمای تشکیل کلینکر در حضور مقدار کافی آلومینا کاهش می‌یابد. استفاده بیش از حد آلومینا باعث کاهش استحکام می‌شود.

نقش مگنزیا در سیمان چیست؟

اکسید منیزیوم (MgO) با عنوان مگنزیا شناخته می‌شود. این ماده نیز بر روی استحکام تاثیرگذار است. استفاده بیش از 2 درصد مگزنیا در ترکیب سیمان، کاهش استحکام را به همراه خواهد داشت.

نقش اکسید آهن در سیمان چیست؟

اکسید آهن (Fe₂O₃) به سیمان رنگ می‌دهد. این ماده به عنوان یک کمک ذوب در ترکیب سیمان‌‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد. در دماهای خیلی بالا، اکسید آهن در واکنش بین کلسیم و آلومینیوم شرکت می‌کند و باعث تشکیل تری کلسیم آلومینو فریت می‌شود. محصول این واکنش، بر روی سختی و استحکام تاثیر می‌گذارد.

نقش سولفات کلسیم در سیمان چیست؟

سولفات کلسیم (CaSO₄)، به شکل ژیپس (سنگ گچ) با فرمول شیمیایی CaSO₄.2H₂O در ترکیب سیمان‌ها ظاهر می‌شود. تاثیر اصلی سولفات کلسیم بر روی کاهش زمان گیرش است.

نقش سولفور تری اکسید در سیمان چیست؟

سولفور تری اکسید (SO₃) با مقادیر کمتر از 2 درصد در ساخت سیمان‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد. این ماده بر روی مقاومت در برابر اثرات مخرب شیمیایی سولفات‌ها و همچنین میزان جمع شدگی تاثیر می‌گذارد. استفاده بیشتر از 2 درصد سولفور تری اکسید می‌تواند باعث کاهش سلامت سیمان شود.

نقش آلکالین در سیمان چیست؟

آلکالین یا قلیا (نمک‌هایی مانند Na₂O یا K₂O)، به منظور کنترل فرآیندهای شیمیایی و همچنین کاهش میزان نفوذیری سیمان‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد. استفاده بیش از اندازه (بیش از 1 درصد) آلکالین می‌تواند باعث شوره زدن سطح ملات شود.

سیمان چگونه ساخته می شود؟

سیمان، طی شش مرحله اصلی شامل استخراج مواد خام از معادن، آسیاب کردن (به همراه توزین و مخلوط کردن)، اعمال حرارت اولیه، حرارت دادن در کوره، خنک سازی (به همراه آسیاب نهایی) و بسته بندی (به همراه انتقال به انبار) ساخته می‌شود. در ادامه، تمام مراحل اصلی ساخت سیمان را توضیح می‌دهیم.

فیلم آموزش روش های اجرای سازه های بتنی و فولادی و مدیریت مصالح ساختمانی در فرادرس

کلیک کنید

مرحله اول: استخراج مواد خام سیمان از معادن

مواد خام مورد نیاز برای تولید سیمان، شامل سنگ آهک، ماسه یا رس (سیلیسیم، آلومینیوم، آهن)، شیل، خاکستر بادی، بوکسیت و غیره است. این مواد، سنگ‌‌های معدنی هستند که پس از استخراج، توسط سنگ شکن به قطعاتی با ابعاد حدود 15 سانتی‌متر تبدیل می‌شوند. در مرحله بعدی، این قطعات برای رسیدن به ابعاد حدود 7 سانتی‌متر در فرآیند سنگ شکنی ثانویه قرار می‌گیرند. به این ترتیب، قطعات سنگی خرد شده برای مرحله بعدی آماده می‌شوند.

مرحله دوم: آسیاب، توزین و مخلوط کردن