مقدمه
سیمان را میتوان درمعنی کلی کلمه ماده ای که دارای خواص چسبندگی وچسبانندگی می باشد وقادراست ذرات معدنی را بنحوی بهم بچسباند تا بصورت جسم یکپارچه ومتراکم درآیند ، توصیف نمود . البته این تعریف انواع متعددی ازمواد سیمانی رادربر میگرد . درصنعت ساختمان معنی کلنه سیمان به ماده ایکه برای بهم چسباندن سنگها ، ماسه ، آجرها،

بلوکهای ساختمانی وغیره بکار میرود محدود می شود . اجزاء اصلی این نوع سیمان را ترکیبات آهکی تشکیل می دهند ولذا درمهندسی راه وساختمان سیمانهای آهکی مورد نظر می باشند . سیمانهای مورد توجه درساخت بتن دارای خاصیت گیرش وسخت شدن درزیر آب ( دراثرواکنش شیمیائی با آن ) بوده ولذا به اسم سیمانهای هیدرولیکی معروفند .
سیمانهای هیدرولیکی عمد تاً ازسیلیکا تها وآلومینها تهای آهک تشکیل شده اند وبصورت کلی میتوان آنها را به گروههای سیمانهای طبیعی ، سیمانهای پرتلند وسیمانهای برقی طبقه بندی نمود .

تاریخچه
استفاده ازمواد شیمیائی اززمان بسیار قدیم متداول بوده است . مصریان قدیم گچ تکلیس شده ناخالص رابکارمی بردند . یونانیان ورومیها سنگ آهک تکلیس شده را مصرف میکردند وبعداً آموختند که به مخلوط آهک وآب ، ماسه وسنگ خرد شده یا آجر وسفالهای شکسته نیز اضافه کنند . این اولین نوع بتن درتاریخ بود . ملات آهک درزیر آب سخت نمی شود و رومیها برای ساختمان زیر آب، سنگ آهک و خاکستر آتشنشانی یا پودر بسیار نرم سفالهای سوخته شده را تواماً آسیا می نمودند و بکار می بردند. سیلیس و آلومینای فعال موجود در خاکستر و سفال با آهک ترکیب شده و آنچه را که بعداً با سم سیمان پوزالانی شناخته شد تولید نمود. اسم سیمان پوزالانی را تا اموز برای توصیف سیمانهائی که بآسانی از آسیاب نمودن مواد طبیعی در درجه حرارت معمولی بدست میآیند بکار برده اند.

در قرون وسطی انحطاطی در کیفیت و کاربرد سیمان بوجود آمد و فقط در قرن هییجدهم بود که پیشرفتی در دانش مربوط به سیمانها حاصل شد. در سال ۱۷۵۶ که John Smeaton مامور بازسازی برج چراغ دریائی Eddystone در نزدیکی ساحل جنوب غربی انگلیس شده بود به این نتیجه رسید که بهترین ملات وقتی بدست می آید که مواد پوزالانی با سنگ آهک حاوی نسبت زیادی از مواد رسی مخلوط شود.

سیمانهای هیدرولیکی دیگر مانند «سیمان رومی» که James parker از کلسینه نمودن گلوله های سنگ آهک رسی آن را بدست آورد توسعه یافته و بالاخره در سال ۱۸۲۴، Joseph Aspdin که معماری در شهر Leeds بود سیمان پرتلند را به ثبت رساند. این سیمان را از حرارت دادن محلوطی از پودر نرم خاک رس و سنگ آهک سخت در یک کوره تا نقطه ای که CO2 آن بخارج رانده شود بدست آوردند، درجه حرارت کوره خیلی پائین تر از حد لازم برای تولید کلینگر بود نخستین نمونه از سیمانی که امروزه آن را باسم سیمان پرتلند می شناسیم در سال ۱۸۴۵ بوسیله Isaac Johnson با حرارت دادن مخلوط خاک رس و سنگ آهک سست تا حد کلینکر شدن و صورت پذیرفتن واکنشهای لازم برای تشکیل ترکیبات چسباننده پرقدرت تهیه گردید.

اسم سیمان پرتلند که در ابتدا بعلت تشابه رنگ و کیفیت سیمان گیرش حاصل کرده با سنگ پرتلند – سنگ آهکی که در Dorset استخراج می شود – به آن داده شد و تا امروز برای توصیف سیمانی که از کاملاً مخلوط نمودن و حرارت دادن مواد آهکی و رسی، و یا سایر مواد حاوی سیلیس – آلومینا و اکسید آهن، تا درجه حرارت کلینکر شدن و آسیا نمودن کلینکر ماصل شده، باقی مانده است. این تعریف فعلی آئین نامه بریتانیائی ۱۹۷۸ : ۱۲ . BS برای رسیدن پرتلند می باشد که همچنین تصریح نموده است پس ا زپختن ماده دیگری بجز سنگ گچ و آب نباید به کلینکر افزوده شود.

تولید سیمان پرتلند
این سیمان اصولاً از مواد آهکی مانند سنگ آهک و یا سنگ آهک سست و آلومینا و سیلیسی که به صورت خاک رس و یا سنگ رسی وجود دارد ساخته می شود. سنگ آهک در بسیاری از مناطق جنوب غربی و قسمت وسط و شمال انگلستان و Wales یافت می شود و منابع رسی در سراسر این کشور وجود دارند.

اصولاً روش تولید سیمان تشکیل شده است از آسیاب نمودن مواد خام، مخلوط نمودن کامل آنها در نسبتهای معین و حرارت دادن در یک کوره بزرگ گردنده در درجه حرارت حدود ۱۳۰۰ تا c 1400 که در این زمان مواد به مرز ذوب شدن میرسند و بخشی از آنها ذوب میشوند و سبب ایجاد گلوله هائی بنام کلینکر میگردند. کلینکر را سرد نموده و قدری سنگ گچ بآن میافزایند و سپس آنرا بصورت پودر نرم آسیاب می کنند. محصول بدست آمده سیمان پرتلند تجارتی است که بمیزان بسیار وسیع در سراسر جهان مصرف میشود.

مخلوط نمودن و آسیاب نمودن مواد خام را میتوان یا در آب و یا در حالت خشک انجام داد و لذا اسامی روشهای تر و خشک بوجود آمده اند. روشهای واقعی تولید همچنین به ماهیت مواد خام مصرف شده بستگی خواهد داشت.

روش تر : وقتی که از سنگ آهک سست استفاده می گردد ابتدا آنرا خرد میکنند و سپس بوسیله آسیاب شوینده در آب پخش می شود . خاک رس نیز ابتدا خرد شده و معمولاً در یک آسیاب مشابه با آب مخلوط میگردد. سپس دو مخلوط بنحوی پمپ میشوند که در نسبتهای قبلاً تعیین شده با یکدیگر مخلوط گردند و از میان یک سری صفحه مشبک عبور نمایند. دوغاب سیمان حاصل بداخل مخازنی ریخته می شود.

وقتی که از سنگ آهک استفاده می شود ابتدا کوره را منفجر می کنند و قطعات سنگی را در سنگ شکن ها خرد میکنند تا اندازه آنها تدریجاً کوچکتر شود. سپس مواد خرد شده را با خاک رسی که در آب حل شده است بداخل آسیابهای گلوله ای میریزند در اینجا سنگ آهک به نرمی آرد در میآید و دوغاب سیمان حاصل بداخل مخازن نگهداری پمپ می شود. از این مرحله به بعد بدون توجه به ماهیت اصلی مواد خام روشها یکسان خواهند بود.

دوغاب مایعی است به غلظتی مشابه خامه که مقدار آب آن بین ۳۵ تا ۵۰ است و فقط بخش کوچکی از مواد آن – حدود ۲ درصد – بزرگتر از ۹۰ میکرون ( اندازه الک نمره ۱۷۰ ASTM) می باشند. معمولاً تعدادی از مخازن برای نگهداری دوغاب وجود دارند و بوسیله هم زنهای مکانیکی و یا دمیدن با هوای فشرده از ته نشین شدن مواد جامد معلق در دوغاب جلوگیری بعمل میآید. همانطور که قبلاً ذکر شد مقدار آهک موجود در دوغاب تابعی از نوع مواد آهکی و رسی اولیه میباشد. تنظیم نهائی جهت حصول ترکیب شیمیائی لازم را از مخلوط نمودن دوغابهای مخازن مختلف و گاهی با استفاده از سیستم پیچیده مخازن مخل.ط کننده بدست می آورند. در بعضی مواقع، برای مثال در کارخانه ای که در شمالی ترین نقطه دنیا در نروژ واقع گردیده است، مواد خام از سنگی با چنین ترکیباتی ساخته می شود که بتنهای خرد شده و بدون نیاز به مخلوط نمودن با مواد دیگر مورد مصرف قرار می گیرد.

بالاخره دوغاب حاوی مقدار آهک لازم بداخل کوره گردند ریخته می شود. دوغاب از انتهای فوقانی کوره وارد میگردد و گرد ذغال بوسیله هوای فشرده از انتهای تحتانی بداخل کوره پاشیده می شود. زیرا بین ۱۹۰ تا ۳۵۰ کیلوگرم زغال برای تولید یک تن سیمان مصرف می شود. و لذا در برررسی قیمت سیمان بخاطر داشتن این نکته حائز اهمیت است اغلب از مواد نفتی (در حدود ۱۵۰ لیتر برای هر تن سیمان) و یا گاز طبیعی بجای ذغال سنگ استفاده می شود ولیکن اخیراً بعضی از کارخانه های با سوخت مواد نفتی به سوخت ذغال سنگ تبدیل شده اند.

دوغاب در حرکت خود به طرف پائین کوره تدریجاً با درجه حرارتهای بالاتری روبرو شده یک سری واکنش شیمیائی انجام می شود تا بالاخره در گرمترین قسمت کوره حدود ۲۰ تا ۳۰ درصد از مواد ذوب میشوند و آهک و سیلیس و آلومینا مجدداً با یکدیگر ترکیب می گردند. در این مرحله مواد بیکدیگر می چسبند و بصورت گلوله هائی با قطرهای ۳ تا ۲۵ میلیمتر که به آنها کلینکر می گویند در میآیند. کلینکر بداخل دستگاههای خنک کننده، که انواع مختلفی دارد و وسیله ای جهت تبادل حرارت بین کلینکر و هوائی که متعاقباً صرف احتراق پودر زغال می شود است، میریزد. بزرگترین کوره موجود در کارخانه ای که با روش تر کار می کند روزانه ۳۶۰۰ تن کلینکر تولید می نماید.

کلینکر سرد شده که دارای مشخصات سیاه رنگ، قدری براق و سخت می باشد با سنگ گچ تواماً آسیاب می شود تا از گیرش آنی سیمان جلوگیری بعمل آید.
پس از اینکه سیمان تا حد رضایتبخشی آسیاب شد، یعنی وقتیکه در هر کیلو گرم آن تا حد ۱۰۱۲ ۱٫۲ ذره وجود دارد، برای بسته بندی در کیسه های کاغذی با قیافه آشنا * یا در بشکه و یا برای حمل مخازن بروش فله ای آماده خواهد بود.

در روشهای خشک و نیمه خشک مواد خام را خرد میکنند و در نسبتهای صحیح بداخل یک آسیاب سایشی که در آن مواد خشک شده و بصورت پودر بسیار نرم در میآیند میریزند و سپس پودر خشک که خوراک خام نامیده می شود بداخل سیلوی مخلوط کننده پمپ میگردد. در اینجا تنظیم نهائی در نسبتهای مواد لازم برای تولید سیمان بعمل میآید. برای بدست آوردن مخلوطی یکنواخت، معمولاً خوراک خام بوسیله هوای فشرده ایکه حرکتی بطرف بالا به پودر میدهد و وزن مخصوص ظاهری آنرا کم میکند کاملاً بهم زده میشود . در هر زمان هوا به یک چهارم سیلو دمیده می شود و این عمل سبب میگردد که مواد نسبتاً سنگین تر از یک چهارم هوا در آنها دمیده شده تقریباً شبیه مایعات عمل مینمایند و از طریق دمیدن هوا بترتیب در هر ربع سیلو برای کل مدت حدود یکساعت، مخلوطی یکنواخت بدست خواهد آمد. در بعضی از کارخانجات سیمان از روش مخلوط نمودن مداوم استفاده میکنند.

در روش نیمه خشک خوراک مخلوط شده الک میشود و بداخل سینی های گردنده ای به اسم گلوله ساز می ریزد و همزمان در حدود ۱۲ درصد وزنی خوراک آب به آن اضافه میشود. زیرا اگر مستقیماً پودر بداخل کوره ریخته شود اجازه نخواهد داد جریان هوا در کوره برقرار شود و تبادل حرارت لازم برای واکنشهای شیمیائی ایجاد کلینکر سیمان صورت پذیرد.

گلوله ها بوسیله گازهای دائمی که از کوره خارج میشوند در دستگاههای پیش گرم کن مشبک حرارت می بینند و سخت می شوند. سپس گلوله ها وارد کوره شده و مراحل بعدی بهمان صورت روش تولید تر خواهد بود. ولیکن از آنجا که میزان رطوبت گلوله ها فقط ۱۲ درصد است لذا طول کوره روش نیمه خشک بمیزان قابل ملاحظه ای کوتاه تر از طول کوره روش تر میباشد. همچنین در روش نیمه خشک مقدار حرارت مورد نیاز نیز خیلی کمتر است زیرا فقط حدود ۱۲ درصد از رطوبت موجود در گلوله ها باید بخارج رانده شود، ولی قبلاً نیز حرارت

اضافی صرف از بین بردن مقدار رطوبت اولیه مواد خام (معمولاً ۶ تا ۱۰ درصد) شده است. بنابراین بشرط اینکه مواد خام اولیه نسبتاً خشک باشند این روش کاملاً اقتصادی خواهد بود. در چنین حالتی کل مقدار زغال مصرف شده برای تولید هر تن سیمان به کمی ۱۰۰ کیلوگرم خواهد رسید. در روش خشک مواد خام تغذیه کوره که دارای حدود ۰٫۲ درصد رطوبت می باشند از داخل یک پیش گرم کن (معمولاً از نوع معلق۹ عبور داده میشوند. در اینچا مواد خام قبل از رفتن بداخل کوره به دمای ۸۰۰ درجه سانتیگراد رسانده میشوند. از آنجا که مواد خام تغذیه رطوبتی ندارد که بیرون رانده شود و بدلیل اینکه پیش گرم شده سات اندازه کوره میتواند خیلی کوچکتر از کوره روش تر باشد. قسمت عمده مواد خام تغذیه را می توان از میان یک کلسینه کننده سیمان ( با بکار بردن یک منبع حرارتی جداگانه) که بین پیش گرم کن و کوره قرار گرفته است عبور داد. این عمل باعث دی کربوناته شدن (تجزیه CaCo3) مواد خام تغذیه قبل از ورود به کوره میگردد و بمیزان زیادی بازدهی کوره را افزایش می دهد.

امروزه بجز در مواردیکه مواد خام بنحوی است که بکار گرفتن روش تر را ایجاب می نماید اغلب بمنظور کاهش انرژی لازم برای پخت سیمان از روش خشک استفاده میشود.
روشهای دیگری نیز برای تولید سیمان وجود دارند که از میان آنها شاید روشی که از گچ بجای آهک استفاده میشود قابل ذکر می باشد. گچ، خاک رس و ذغال کک با ماسه و اکسید آهن در یک کوره گردنده پخته می شوند، محصول نهائی سیمان پرتلند و دی اکسید گوگرد می باشد که بعداً به اسیدسولفوریک تبدیل می شود. در جاهائیکه فقط بمقدار کمی از سیمان مورد نیاز باشد میتوان از یک کوره قائم از نوع Gottlieb استفاده نمود . در این کوره گلوله هائی از مخلوط مواد خام و پودر نرم زغال پخته می شوند و تولید انبوه کلینکر را می نمایند که سپس خرد می شود. یک کوره بارتفاع ۸٫۵ متر ۱۵۰ تن سیمان در روز تولید می نماید.
ترکیبات شیمیایی سیمان پرتلند

مواد خام مصرف شده در تولید سیمان پرتلند عمدتاً از سنگ آهک، سیلیس، آلومینا و اکسید آهن تشکیل شده است. در داخل کوره این ترکیبات با یکدیگر واکنش حاصل نموده و تشکیل یک سری ترکیبات پیچیده تری میدهند و باستثنای باقیمانده کمی از آهک ترکیب نشده که زمان کافی برای واکنش نداشته است مواد به حالت تعادل شیمیائی میرسند. ولیکن در جریان سرد شدن تعادل حفظ نمی شود و روند سرد شدن بر درجه تبلور و مقدار مواد بی شکل (آمورف) موجود در کلینکر سرد شده تأثیر خواهد داشت. خواص این مواد آمورف که شیشه نامیده میشوند بمیزان قابل ملاحظه ای با خواص مواد متبلور که اسماً ترکیبات شیمیائی مشابهی دارند، متفاوت است. پیچیدگی دیگر در اثر واکنش بخش مایع کلینک با ترکیبات متبلوری که قبلاً بوجود آمده است ایجاد می شود.

معمولاً چهار ترکیب را بعنوان مواد عمده تشکیل دهنده سیمان در نظر میگرند. این علائم اختصاری که در شیمی سیمان بکار برده میشوند نشان دهنده هر اکسید بوسیله یک حرف میباشند یعنی Cao=C ، Sio= S ، Al2 o 3 ، Fe2o¬۳=F ، بهمین صورت H2O در سیمان هیدراته شده را بصورت H نشان میدهند.

نام ترکیب ترکیب اسیدی علامت اختصاری
سه کلیسیم سیلیکات ۲Sio . CaO3 S 3 C
دو کلسیم سیلیکات ۲Sio . CaO3 S 2 C
سه کلسیم آلومینیات ۲O2AL . CaO3 A 3 C
تتراکلسیم آلومینات فریت ۳O2Fe . 2O2AL . CaO3 AF 3 C

در واقع سیلکلتهای موجود در سیمان ترکیبات خالص نبوده بلکه حاوی اکسیدهای جزئی بصورت محلول جامد میباشند. این اکسیدها اثرات چشمگیری بر ترتیب قرار گرفتن اتمها، شکل کریستالها و خواص هیدرولیکی سیلیکاتها دارند.

محاسبه استعداد ترکیبات سیمان پرتلند بر اساس کار R . H . Bogue و دیگران قرار قرار دارد و اغلب بعنوان ترکیبات Bogue نامیده میشوند. معادلات ۲-۱ Bogue جهت تعیین درصد ترکیبات عمده در سیمان بصورت زیر میباشند. علائم داخل پرانتزها معرف درصد اکسید معین در کل وزن میباشند.
C3S = 4.07 (CaO) – ۷٫۶۰ ( SiO2) – ۶٫۷۲ (Al2O3) – ۱٫۴۳ ( Fe2O3) – ۲٫۸۵ ( SO3)
C2S = 2.87 (SiO2) – ۰٫۷۵۴ (۳ CaO . SiO2)
C3A = 2.65 (Al2O3) – ۱٫۶۹ ( Fe3o2)
C4AF = 3.04 ( Fe2o3)
علاوه بر ترکیبات اصلی داده شده ترکیبات جزئی دیگری مانند Mgo ، Tio2 ، Mn2O3 ، K2o ، و Na2O نیز وجود دارند که معمولاً جالب توجه اند : اکسیدهای سدیم و پتاسیم، Na2o نیز وجود دارند که معمولاً میشوند. نتایج آزمایشها نشان داده اند که سبب از هم پاشیدن بتن میگردد و هم چنین مشاهده شده است که قلیائی ها بر روند کسب مقدار آنها و نه الزاماً به اهمیت آنها ربط دارد. مقادیر قلیائی ها و Mn2o3 را میتوان با استفاده از اسپکتومتر بسرعت تعیین نمود.

C3S که معمولاً بیشترین مقدار از سیمان را تشکیل میدهد بصورت دانه های بی رنگ هم اندازه وجود دارد. در هنگام سرد شدن در زیر ۱۲۵۰ درجه سانتیگراد C3S بآرامی تجزیه میشود ولی اگر سرد شدن خیلی بطئی نباشد بی تغییر باقی می ماند و در درجات حرارت معمولی با ثبات است.

C2S به سه شکل و احتمالاً حتی چهار شکل شناخته شده است. - C2S که در درجه حرارتهای بالا وجود دارد در ۱۴۵۰ درجه سانتیگراد به  تبدیل میشود . C2S –  دگرگونی بیشتری حاصل نموده در درجه حرارت ۶۷۵ درجه سانتیگراد به - C2S تبدیل کی شود ولی در روندهای سرد شدن موجود در سیمانهای تجاری - C2S در کلینکر حفظ می شود. - C2S تشکیل دانه های گردی را میدهد که معمولاً بصورت دوقلو می باشند.

C3A بلورهای چهار گوشه ای را تشکیل میدهد ولی C3A بصورت شیشه منجمد تشکیل فاز بی شکل بینا بینی را میدهد.
C3AF در واقع محلول جامدی است که در حدود C2F تا C6A2F میباشد ولی توصیف C4AF یک ساده سازی مناسبی است.
ایده های کلی از ترکیبات سیمان را می توان از جدول ۲-۱ که در آن حدود ترکیبات اکسیدی سیمان پرتلند آمده است، بدست آورد. در جدول ۳ – ۱ ترکیبات اسیدی نمونه ای از سیمان و ترکیبات مرکب محاسبه شده، با بکار بردن معادلات Bogue از صفحه ۱۱ داده شده اند.

اکسید مقدار بر حسب درصد
CaO 60 تا ۶۷
۲SiO 17 تا ۲۵
۳O2Al 3 تا ۸
۳O2Fe 0.5 تا ۶٫۰
MgO 1/0 تا ۰/۴
Aklais 2/0 تا ۳/۱
۳SO 1 تا ۳

جدول۳ – ۱ اکسیدهای ساده و ترکیبات مرکب نمونه ای از سیمان پرتلند
اکسید مقدار بر حسب درصد
Cao 63 A3C 10.8
2Sio 20 S3C 54.1
3o2 AL 6 S2C 16.6
3O2Fe 3 AF3C 9.1
Mgo 1.2 ترکیبات جزئی
۲So 2
O2K 1
O2Na 1
متفرقه ۲
افت حرارتی ۱٫۲
باقیمانده نامحلول
«باقیمانده نامحلول» که با حل نمودن سیمان در اسید کلریدریک بدست میآید سنجشی از آلوده شدن سیمان (که عمدتاً در اثر ناخالصیهای موجود در سنگ گچ است) خواهد بود. آئین نامه ۱۹۷۸ : ۱۲ BS مقدار «باقیمانده نامحلول» را به ۱٫۵ درصد وزن سیمان محدود نموده است.