مقدمه

سیمان چیست ؟
سیمان گردی است نرم جاذب آب و چسباننده خرده سنگ که اساساً مرکب است از ترکیبات پخته شده و گداخته شده اکسید کلسیم با اکسید سیلیکون، اکسید آلومینییم و اکسید آهن. ملات این گرد قادر است به مرور در مجاورت هوا یا در زیر آب سخت شود، در زیر آب ضمن داشتن ثبات حجم مقاومت خود را نیز حفظ می نماید و در فاصله ۲۸ روز در زیر آب ماندن دارای حداقل مقاومت ۲۵۰ کیلوگرم بر سانتیمتر مربع می شود.

ریشه لغوی سیمان
در رم قدیم مخلوطی از خرده سنگ و آهک پخته درست می کردند که از ترکیب مخلوط با آب ، بتن حاصل می شد و از این بتن برای کارهای ساختمانی استفاده می گردید. این نوع ساختمان را opus Caementitium)) می نامیدند. به مرور کلمه Cementum به مخلوط های مورد استفاده در این نوع ساختمان سازی اطلاق گردید. منظور از Cementum نوع خاصی خرده سنگ بوده است که وقتی پودر آنها با آهک مخلوط می شد، مخلوط حاصله دارای خاصیت هیدرولیکی بیشتر میشد و به مرور در مجاورت هوا و در زیر آب سخت میگردید و دارای مقاومت و سختی قابل توجهی میشد. این خرده سنگها یا از باقیمانده های آتشفشان یعنی خاکستر آتشفشان بودند و یا اینکه از خرد کردن خرده آجرهای تولید شده در کوره آجرپزی ، که در واقع همان خاک رس پخته است، بدست می آمده اند.
تاریخچه کشف سیمان
بناهای تاریخی بسیار قدیمی همچون اهرام مصر موید این هستند که بشر از ازمنه قدیم برخی ملاتها را می شناخته است. تصور اینکه چگونه این ملاتها کشف شده اند چندان مشکل نیست : پس از کشف آتش و چگونگی تهیه آن، بشر اولیه در اطراقگاه ها برای گرم شدن و یا پختن غذا آتش برپا می کرده است. در مواردی که این آتش روی تخته سنگ آهکی یا گچی بر افروخته می شده است باعث شده که انیدرید کربنیک سنگ آهک از آن جدا گردد و یا سنگ گچ دهیدراته شود و بصورت پودر در آیند. به محض بارش باران این پودرها بصورت دوغاب و سپس بمرور زمان سخت شده است و احتمالاً خرده سنگهای اطراف خود را به یکدیگر چسبانیده اند. دقت در این پدیده راهنمای کشف ملات آبی و چگونه ساختن مصالح هیدرولیک بوده است منظور از مصالح هیدرولیک آن نوع از مصالح ساختمانی است که در اثر ترکیب با آب سخت میشوند و در مجاورت آب، هوا و یا در زیر آب مقاومت و سختی آنها کاهش نمی یابد.
مصری ها از ملات سنگ گچ ناخالص پخته شده استفاده میکرده اند. استفاده از سنگ آهک پخته (ملات آهک) در دوران تمدن یونان و رم رواج داشته است. آنرا یا بصورت خالص و یا بصورت مخلوطی از شیره آهک با شن و ماسه، سنگ شکسته، خرده آجر و یا خاکستر آتشفشان استفاده می کرده اند.
با توجه به اشاره ای که به ریشه کلمه سیمان شد و با توجه به اینکه سابقه ساخت آهک به ازمنه خیلی قدیم برمیگردد. میتوان ریشه و سابقه تولید سیمان (منظور سیمان طبیعی) را چیزی درحد تاریخ تولید آهک دانست. در سیمان طبیعی از گرد حاصل از خاکستر آتشفشان و سنگهای آتشفشانی (پوزولان – تراس) و مخلوط کردن این گرد با آهک شکفته استفاده میشود. در ابتدا از مخلوط شن و ماسه و خرده سنگ و امثالهم استفاده می شد و بمرور معلوم شد که مخلوط شیره آهک با باقیمانده آتشفشانی ملات بهتری را بدست می دهد. بهمین خاطر یونانی ها از خاکستر آتشفشانی واقع در جزیزه سانتورین که بنام خاک سانتورین معروف است استفاده می کرده اند. هم اکنون نیز از این خاک استفاده می شود.
رومی ها از جسم مشابهی که دارای رنگ تیره تر بود و بمقدار زیاد در پوزولی Pozzoli واقع در نزدیک خلیج ناپل یافت می شد استفاده می کرده اند. با استفاده از این ملات رومی ها بناهائی نظیر Roman Pantheon ، Colosseun ، Basilica of Constantine در رم و Pont du Gard را در جنوب فرانسه ساخته اند که بخوبی در مقابل عوامل مخرب در طول قرنها دوام آورده اند و پابرجا هستند.
با توجه به معلوم بودن محل تأمین این مواد، بیان این مطلب که اسرار مواد اولیه مطرفی در پیش رومیان مکتوم مانده است چندان صحیح نیست، بلکه باید گفت که رموز آماده سازی مخلوط و کوبیدن آن بوده است که باعث شده است تا حدود قرن هیجدهم توفیقی در جهت ساخت بناهای مشابه حاصل نشود. رومی ها بخوبی فوت و فن تهیه این مخلوط را می شناخته اند و واقعاً استفاده های جالب و درخشانی از این ترکیبات کرده اند. شاید مهمترین و بارزترین بنایی که با مقیاس وسیع در ساختن آن از این مخلوط استفاده شده است، بنای معبد پانتئون (معبد خدایان) است که در زمان امپراتور هادریان در سالهای ۱۲۰ میلادی ساخته شده است.

معبد پانتئون واقع در رم که ۱۸۹۰ سال پیش با استفاده از ملات سیمان طبیعی ساخته شده است و هنوز پا برجا است.
این بنای دایره ای شکل دارای قطر ۴۳ متر و سقف گنبدی شکل است که در انتهای گنبد دریچه دایره ای شکلی وجود دارد . ضخامت دیوارها و گنبد به چند متر میرسد و تماماً از بتن متشکل از شیره آهک و مواد پوزولانی ساخته شده است و روکار دیوارها از آجر است.
هنوز هم این بنا بعنوان بزرگترین گنبد دنیا در قلب روم خودنمائی می کند و از جمله آثار تاریخی ارزشمند است. ناگفته نماند که تکنیک بکار رفته در این گنبد بسیار ساده است و همانند یک فنجان وارونه میباشد و قابل رقابت با هنرنمائی های بکار رفته در گنبد سلطانیه نزدیک زنجان، که بزرگترین گنبد آجری دنیاست، نمی باشد.
قرن های هجدهم و نوزدهم ، زمان کشف بسیاری از پدیده ها بود و توجه زیادی به پدیده های علمی و طبیعی توسط دانشمندان، مهندسین، هنرمندان، شیمیدان ها و دانشگاهیان می شد. یکی از پدیده های مورد توجه، مسئله گیرش و سخت شدن ملاتها بود. در این مقطع از تمدن بشر دانشمندان بسیاری بی خبر از یکدیگر، در کشورهای مختلف روی موضوع های فراوانی تحقیق می نمودند و بسیار اتفاق می افتاد که همزمان و یا در فاصله زمانی کمی دو یا چند دانشمند بی هیچگونه رابطه ای با یکدیگر پدیده ای را کشف و رازی را بر ملا می ساختند. از جمله این موارد، خواص هیدرولیکی ملات ها بود که در سال ۱۷۵۶ توسط جان اسمتون کشف گردید و در فاصله ۱۷۶۵ تا ۱۸۳۰ حداقل شش بار کشف مجدد شده است.

تا پایان نیمه اول قرن هیجدهم، عواملی که ایجاد خاصیت هیدرولیکی و چسبندگی در برخی مواد میکردند در پرده اسرار بود تا اینکه یک مهندس انگلیسی بنام جان اسمتون (۱۷۹۲ – ۱۷۲۴ ، Jom Smeaton ) به خواص مهم ترکیبات موجود در خاک رس، گیرش هیدرولیکی و خاصیت سخت شدن این ترکیبات پی برد. این اکتشاف در سال ۱۷۵۶ و در موقعی که نامبرده بدنبال پیدا کردن مصالحی بود که دارای چسبندگی و مقاومت کافی در مقابل آب باشند، حاصل آمد. این مصالح برای استفاده در تجدید بنای فانوس دریایی ادی استون Eddystone Lighouse در نزدیکی پلیموت بود.

جاسمیتون بررسی های خود را که منجر به کشف ملات هیدرولیکی مطلوب جهت ساخت فانوس دریایی شده است در کتابی بنام «داستان ساخت فانوس دریائی ادی استون» آورده است. این کتاب در سال ۱۷۹۱ به چاپ رسیده است.
اسمیتون در ساختن ملاتهای آزمایشی خود، چند جور آهک مصرف کرد و از هریک نمونه هایی ساخت. پس از آنکه نمونه ها خود را گرفتند، آنها را زیر آب گذاشت و با هم سنجید و به این نتیجه رسید که بهترین آهک از پختن نوعی سنگ آهک بنام Glamorgan بدست می آید. از تجریه این سنگ آهک روشن شد که حاوی مقداری مواد رسی است. این نکته سر نخ اکتشاف خواص هیدرولیکی ترکیبات خاک رس بود. در حقیقت علت کشف فوق این بود که اسمیتون در ضمن تجزیه انواع آهکها متوجه شد آن نوع آهکی که دارای باقیمانده نامحلول بیشتری در اسید نیتریک است، دارای خواص هیدرولیکی بیشتریست. این باقیمانده های نامحلول همان کوارتز و خاک رس موجود در سنگ آهک مورد استفاده جهت پختن آهک هستند.
در سال ۱۷۸۰ Bryan Higgins انگلیسی بی خبر از کارهای اسمیتون که تا این تاریخ منتشر نشده بود، سنگ آهک را از نقطه نظر دی اکسید کربن موجود در آن مورد بررسی قرار داده و نتیجه گرفته بود که در صورت پختن در درجه حرارت بالاتر و مخلوط کردن آهک حاصله با خاکستر چوب، ملات مرغوبتری حاصل می شود. در ضمن آهکی که دارای ناخالصی های رسی یا گچی باشد سریعتر و بهتر شیشه ای می شود. برداشت نامبرده از شیشه ای شدن همان چیزی است که امروزه ما به کلینکر شدن اطلاق می کنیم.
در سال ۱۷۹۶ یک نفر انگلیسی دیگر بنام جیمز پارکر (James Parker) آهک هیدرولیکی دیگری ساخت و نام آنرا سیمان رومی گذاشت. این سیمان (آهک آبی) از پختن قلوه سنگهای آهکی رسی (گل آهک) بدست آمد و در همان سال در انگلستان به ثبت رسید.

اولین اقدام بشر در زمینه تهیه مخلوط مصنوعی از سنگ آهک و خاک رس برای تهیه سیمان (آهک آبی) در فرانسه و توسط ویکا (L.J.Vicat) در ابتدای قرن نوزدهم صورت گرفت. ویکا، سنگ آهک و خاک رس را با هم مخلوط کرد، سپس بهمراه آب این مخلوط را آسیاب نمود و دوغاب حاصله را پخت. گرچه نتیجه حاصله موفقیت آمیز بود، ولی عملاً در فرانسه این روش پیگیری نشد.

همزمان با ویکا، دانشمند آلمانی J.F.John چیز مشابهی را کشف کرد. انجمن علوم آلمان جایزه ای برای پاسخ به سئوال مربوط به تفاوت خواص آهک های مختلف مطرح کرده بود و نامبرده در تاریخ ۱۸۱۹ برنده این جایزه شد. نکته ای که وی بدان پی برده بود همان چیزی بود که ۶۸ سال قبل اسمیتون متوجه شده بود. یعنی اینکه : وجود مقدار معینی ترکیبات رسی در سنگ آهک ملات مرغوبتری می دهد.

در انگلستان شخصی بنام ژوف آسپدین (Joseph Aspdin) موفق شد از پختن مخلوطی از سنگ آهک و خاک رس (به نسبت متفاوت و به صورت دوغاب)، در درجه حرارت بالا به نوعی آهک آبی فوق العاده جالب دست یابد. وی نام این محصول بدست آمده را سیمان پرتلند (Portland Cement) گذاشت و در ۲۱ اکتبر ۱۸۲۴سیمان اختراعی خود را به ثبت رسانید.

نکته قابل ذکر اینست که استفاده از کلمه پرتلند اولین بار توسط اسمتون صورت گرفته است ولی او اقدام به ثبت این نام و یا محصول حاصله نکرده است.

علت این نام گذاری هوشیارانه این بود که بتن (سنگ مصنوعی) حاصل از این آهک آبی و خرده سنگ شباهت زیادی (خصوصاً از نظر رنگ) با نوعی سنگ آهک دارد که در جنوب انگلستان و در جزیزه پرتلند یافت می شود. البته این سیمان با آنچه که هم اکنون بنام سیمان پرتلند معروف است تفاوت دارد و کاملاً مشابه نیستند. کار آسپدین توسط پسرش ویلیام آسپدین پیگیری شد. در سال ۱۸۴۳ نامبرده موفق گردید با دست یابی به تکنیک استفاده از درجه حرارت بالاتر و ایجاد حالت عرق کردن و نیمه ذوب شدن در حین پخت، به محصولی دست یابد که درصد قابل توجهی از مواد مورد استفاده بصورت گداخته شده (Sintered) در آید. منظور از گداخته شدن همان پختن در درجات

حرارت بالاست، بطوریکه بخشی از مواد در حال پخت بصورت گداخته (مذاب) در آید. سیمان ساخته شده توسط ویلیام آسپدین واقعاً بهتر و عالی تر از سیمان های قبلی و دارای مقاومت بیشتری بود. از این سیمان در ساختمان جدید پارلمان انگلستان (۱۸۵۲ – ۱۸۴۰) استفاده شد.
لازم به توضیح است که کارهائی که تا این تاریخ، خصوصاً توسط آسپدین ها صورت می گرفت کاملاً سری بود. در سال ۱۸۴۵ شخصی بنام Isaac Charles Johnson نیز موفق به کشف اثرات درجه حرارت بالا و رسیدن به نقطه تعریق (زینتر شدن) گردید. در رابطه با این مطلب ذکر مفاهیم زیر از قول جانسون خالی از لطف نیست: «هیچ منبع اطلاعاتی که بتواند کمک من باشد موجود نبود. گر چه آسپدین کارهائی انجام داده بود ولی امکان دستیابی به کارهای او وجود نداشت. زیرا محل کار او بوسیله دیوارهای بارتفاع ۶ متر کاملاً محصور شده بود و راه ورود به کارگاه او فقط از طریق

دفترش بود. گرچه برخی از همکاران او مدعی بودند که نحوه عمل بسیار سری است ولی من مطمئن بودم که اگر راه نفوذی وجود میداشت راز مسئله را کشف می کردم. گفته می شد که برخی مواد را خود آسپدین بدست خود پودر می کرد و آنرا در سینی هائی می ریخت. پس از اینکه لایه از کلوخه های مواد و کک در کوره چیده می شد به سر کوره می رفت و با دست خود مقداری از این پودرهای گوناگون را روی لایه ها می پاشید. کسی از ماهیت این پودرها ی اسرار آمیز اطلاعی نداشت.»

از این مرحله به بعد است که از نیمه دوم قرن نوزدهم شاهد گسترش تولید سیمان به مقیاس صنعتی می باشیم.
سابقه تاریخی سیمان در ایران
اصولاً با توجه به تعریفی که از سیمان و ریشه تاریخی وجه تسمیه آن شد، میتوان بدین نتیجه رسید که سیمان نوعی ملات آبی دارای ریشه آهکی است. به تعبیر دیگر سیمان نوعی از ترکیبات آهکی رسی است که در زیر آب و در هوا سخت می شود. با قبول چنین تعریف و خاصیتی و با شناختی که از ماهیت سیمان طبیعی، سیمان رومی و سیمان پوزولانی داریم براحتی می توانیم

به این نتیجه برسیم که آنچه ایرانی ها از ازمنه بسیار قدیم بعنوان ملات آبی استفاده می کرده اند و بناهائی همچون فانوس های دریایی در خلیج فارس یا سدها و تأسیسات بندری مجاور آب می ساخته اند ترکیبی از آهک و مواد رسی (سیلیسی) بوده است: مخلوطی که ایرانی ها برای کاربرد در آب می ساخته اند، ترکیبی از آهک و خاکستر یا لجن پخته بوده است. در حقیقت با وارد کردن خاکستر یا لجن پخته در مخلوط اولیه تهیه مصالح، عامل سیلیس را وارد عمل و واکنش سخت شدن می کرده اند.

آثارباقیمانده، سدها و پل های عظیم در نقاط مختلف ایران همچون سد ایزد خواست که اولین سد قوسی جهان است، سد کرخه و سد شادروان مسلم می سازد که ایرانی ها از خیلی قدیم خواص آهک آبی را می شناخته اند و طروق تهیه ملات آبی را میدانسته اند. خصوصاً ذکر این نکته قابل توجه است که بسیاری از سدهائی که پس از اسلام ساخته شده اند در محل و روی پی های باقیمانده از سدهای ویران شده قبل از اسلام بنا گردیده اند.

در ساختمان سد دز روی رودکارون که در زمان شاپور دوم ساخته شد و بند میر که در زمان عضد الدوله دیلمی بنا گردید، همچنین در ساختمان آب انبارهای قدیمی از ترکیبات مشابه سیمان استفاده هایی شده است.