پایگاه علمی سعید سان دانلود رایگان مقالات علمی کنفرانس و ژورنال
روشهای تولید سیمان
اصولاً سه روش برای تولید سیمان وجود دارد که عبارتند از :
۱- روش تر ( دوغاب )
۲- روش نیمه تر
۳- روش خشک
روش خشک متداول ترین روش تولید سیمان در جهان و در ایران می باشد.
مواد اولیه برای پخت کلینکر ( تولید سیمان )
مواد اصلی به منظور تولید سیمان پرتلند عبارتند از سنگ آهک و خاک رس ( سیلیس و آلومین ) که در طبیعت به وفور یافت می شوند ولی به شکلی نیستند که بتوان مستقیماً در تولید سیمان پرتلند از آنها استفاده کرد.
سنگ های آهکی بیش از ۷۵ درصد CaCOз و سنگ های آهکی همراه با خاک رس بین ۷۵- ۴۰ درصد CaCOз و خاک های آهکی کمتر از ۴۰ درصد CaCOз دارند و از مخلوط این مواد می توان مخلوط لازم را برای تهیه سیمان به دست آورد.
مارل ( مارن یا مرگل )
سنگ آهک و خاک رس که مواد اولیه سیمان را تشکیل می دهند در طبیعت به صورت مخلوط های گوناگون و متغیر یافت می شوند و نامگذاری آنها بر پایه تغییرات کربنات کلسیم CaCoз ) ( موجود در مخلوط ها صورت می گیرد.
سنگ آهک با درجه مخلوط بالا
( hochprozenuger KalkStein ) 96 – 100% CaCo ( high – grade limeston 3 )
سنگ آهک با کربنات کلسیم بالا
۹۶ – ۱۰۰% CaCOз High – grade Limestone
سنگ آهک مارلی
۹۶ – ۱۰۰% CaCOз [ Marly limestone ( mergeliger kalkstein ) ]
مارل آهکی ۷۵ – ۹۰% CaCoз [ Lim Marl ( kalkamergel ) ]
مارل ۴۰ – ۷۵% CaCOз [ Marl ( Mergel ) ]
مارل رسی ۱۰ – ۴۰% CaCOз [ Clay marl ( Tonmergel ) ]
خاک رس مارلی۲ – ۱۰% CaCOз [ Marly clay ( mergeliger Ton ) ]
خاک رس ۰ – ۲% CaCOз [ Clay ( Ton ) ]
از آنجایی که مقدار سنگ آهک در خوراک کوره بین ۷۵ الی ۷۸ درصد محدود می گردد، لذا به ندرت می توان به مارلی در طبیعت دست یافت که حاوی چنین ترکیب مطلوبی باشد و شاید مارل آهکی ( Lime Marl ) برای این منظور مناسب باشد، بنابراین چنین معدنی که به طور طبیعی هموژن ( متجانس ) شده است طبعاً آماده سازی آن به عنوان خوراک کوره به سهولت انجام می گیرد.
سیمان چیست ؟
سیمان یک ماده چسباننده هیدرولیکی است که برای ساختن ملات و بتن به کار می رود و ترکیبی است از اکسید کلسیم) ( CaO، اکسید سیلیسیم( SiO2 ) ، اکسید آلومینیوم ( Al2Oз ) و اکسید آهن ( Fe2Oз ) که از طریق پخت ( Sintering ) و یا ذوب حاصل می گردد.
سیمان پس از اختلاط با آب و تشکیل خمیر سیمان در هوا و در زیر آب می بندد و به مرور سخت می گردد و به استحکام آن افزوده می شود و از ثبات حجمی برخوردار می باشد.
حداقل مقاومت فشاری ۲۸ روزه سیمان، براساس استاندارد آلمان ( DIN 1164 ) برابر ۲۵N/m� معادل ۲۵۰ کیلوگرم بر سانتی متر مربع است. ضمناً مجموع اکسید کلسیم) ( CaO و اکسید سیلیسیم ( SiO2 ) فعال در سیمان پرتلند باید حداقل ۵۰% باشد.
شایان ذکر است که کلینکر سیمان پرتلند یک ماده هیدرولیکی است که حداقل دوسوم آن از کلسیم سیلیکات (CaO)3 � SiO2, (CaO)2 � SiO2) و بقیه شامل اکسید آلومینیوم ( Al2Oз ) و اکسید آهن ( Fe2Oз ) و سایر ترکیبات می باشد. ضمناً نسبت CaO به SiO2 باید حداقل ۲ باشد.
اکسید منیزیم ( MgO ) در فرآیند پخت، نقش کمک ذوب را ایفا می نماید و هر چه قدر مقدار آن کمتر باشد، مفیدتر است، زیرا با سایر ترکیبات سیمان ترکیب نمی شود، بلکه به صورت آزاد در سیمان باقی می ماند. نظر به اینکه MgO پس از گرفتن ملات سیمان خیلی به کندی با آب ترکیب گشته و شکفته می شود و این شکفتگی منجر به انبساط حجمی می گردد. در نتیجه ترک های موئی در ملات سیمان و بتن ایجاد می شود که در طول زمان باعث تخریب آنها می گردد. از این رو میزان MgO در سیمان نباید بیشتر از ۵% وزن آن باشد.
قلیائی ها شامل : سدیم ( Na ) ، پتاسیم ( K ) ، در سیمان نقش روانساز دارند، اگر مقدار آنها در سیمان زیاد باشد تنظیم گیرش مختل می گردد، بدین جهت مجموع این دو عنصر نباید از ۱% وزن آن بیشتر گردد.
مقدار کلر در کلیه سیمان ها به جهت نقش تخریبی آن در بتن، بایستی کمتر از ۱۰/۰ درصد وزنی آنها باشد.
مقدار قابل قبول انیدرید سولفوریک ( SOз ) در سیمان پرتلند و در سیمان های روباره ای و پوزولانی بستگی به میزان سطح مخصوص ( بلین ) آنها دارد. اگر سطح مخصوص آنها بین ۲۰۰۰ الی ۴۰۰۰ سانتی متر مربع بر گرم باشد ۵/۳ درصد وزنی سیمان است و اگر چنانچه سطح ویژه سیمان ها بیش از ۴۰۰۰ سانتی متر مربع گردد چهار درصد وزنی سیمان است.
استاندارد جدید آلمان DIN 1164 (1993) میزان SOз را برای سیمان های : ۳۲/۵, ۴۲/۵, ۳۲/۵R حداکثر ۵/۳ درصد و برای سیمان های : ۵۲/۵R, 52/g, 42/5R حداکثر ۴ درصد محدود نموده است.
استاندارد اتریش B3310 مقدار مجاز So3 در سیمان های مختلف را به شرح ذیل مقرر داشته است :
سیمان پرتلند با مقاومت فشاری بالا با علامت ۴۷۵ ، ۴% وزنی سیمان روباره ای کوره آهن گدازی بلند Hochofen zement سیمان با علامت های ۳۷۵ و ۲۷۵ و همچنین سیمان روباره ای آهن دار کوره آهن گدازی
Eisen Portland zement ( slag cement )
5/3% وزنی
سیمان محتوی خاکستر ذغال سنگ
( fly Ash cement ) Flugaschen zement
و سیمان های مخلوط
سیمان هیدرولیک چیست ؟
سیمانی که در عصر حاضر در ساختمان سازی و ساختن جاده های بتنی، اسکله ها، پل ها و نظایر آنها به کار می رود، سیمانی است که هم در هوا و هم در زیر آب سخت گشته، و مقاومت فیزیکی آن افزایش می یابد، از این رو به آن سیمان هیدرولیک می گویند که به سیمان پرتلند شهرت دارد.
آسیاب کردن و یکنواخت ساختن مخلوط مواد اولیه
سنگ آهک و خاک رس را به نسبت معینی با یکدیگر مخلوط و پس از خردایش در سنگ شکن وارد آسیاب ها می کنند. این آسیاب ها باید مواد اولیه را به نحوی نرم کنند که دیگر زبری دانه های مواد اولیه در زیر انگشتان دست احساس نگردد. هر قدر این مخلوط نرم تر و هموژه تر باشد در موقع پخت فعل و انفعال کاملتر، و در نتیجه کلینکر پخته مرغوب تر است. از این رو مواد پودر شده جهت هموژن و متجانس تر شدن بهتر به داخل سیلوهای مواد خام وارد، و پس از هموژن شدن آن را به عنوان خوراک کوره به داخل سیلوهای تغذیه انتقال می دهند و از آنجا به داخل کوره هدایت می شوند. به این مواد به قدری حرارت می دهند تا دانه ها عرق کنند و به همدیگر بچسبند و به صورت دانه های فندوقی شکل که اصطلاحاً کلینکر ( Clinker ) نامیده می شود در آینده درجه حرارت پخت کلینکر بین ۱۲۰۰ الی ۱۴۵۰ درجه سانتی گراد می باشد. آنگاه پس از سرد کردن و آسیاب کردن کلینکر همراه با کمی سنگ گچ، محصولی به دست خواهد آمد که آن را سیمان پرتلند می نامند.
ضمناً خاطر نشان می گردد که سنگ آهن ( Fe2Oз) به عنوان کمک ذوب به مواد اولیه افزوده می گردد.
فاز مایع Liquid phase ( schmel Zphase )
محاسبه فاز مایع در کلینکر طبق فرمول Lea به شرح ذیل صورت می گیرد.
فاز مایع
۲٫۹۵% Al2Oз + ۲/۲% Fe2Oз + %Mgo(max�۲%) + %Na2O + %K2O =�% + % ( Na2O+K2O) =�%
فاز مایع بر حسب مقدار موجود Al2Oз در کلینکر تعیین می گردد و نقش آن را می توان در مثال زیر ملاحظه نمود.
| آنالیز کلینکر انتخابی | |
| ۲۱٫۵ % | SiO2 |
| 6.0 % | Al2Oз |
| ۲٫۵ % | Fe2Oз |
| ۶۶٫۰ % | CaO |
| 2.0 % | MgO |
| 0.3 % | SOз |
| ۰٫۲ % | Na2O |
| 0.6 % | K2O |
| 0.9 % | باقیمانده |
محاسبه فاز مایع
۲٫۹۵ � ۶٫۰Al2Oз + ۲٫۲ * ۲٫۵Fe2Oз + ۲٫۰ MgO+ 0.2 Na2O + 0.2 K2O = 26%
تذکر: در این رابطه چنانچه مقدار فاز مایع در کلینکر کمتر از ۲۴ درصد باشد نشانه بالا بودن درجه حرارت در منطقه پخت بوده و پخت مواد ( خوراک کوره ) به سختی انجام می گردد و برعکس چنانچه سهم فاز مایع در کلینکر بیش از ۲۸ درصد باشد پخت مواد کوره به سهولت صورت می گیرد ولی کوتینگ ( Coating ) داخل کوره را مواجه با مشکلاتی خواهد نمود. به هر حال در هر دو حالت اثرات نامطلوبی در تشکیل فازهای کلینکر و مرغوبیت سیمان تولید شده خواهد داشت.
ترکیبات اصلی سیمان
ترکیبات اصلی که در سیمان پرتلند وجود دارد به نام فازهای کلینکر یا سیمان موسوم است که مجموعه این کریستال ها مقاومت سیمان را به وجود می آورند.
– سه کلسیم سیلیکات ( تری کلسیم سیلیکات )
۱ – CзS = зCaO. SiO2 = 60 – 45%
– دو کلسیم سیلیکات ( دی کلسیم سیلیکات )
۲ – C2S = 2CaO. SiO2 = 35 – 15 %
– سه کلسیم آلومینات ( تری کلسیم آلومینات )
۳ – CзA = 3CaO. Al2Oз = ۱۴ – ۴ %
– چهار کلسیم آلومینو فریت ( تتراکلسیم آلومینو فریت )
۴ – C4AF = 4CaO. Al2Oз. Fe2Oз = ۱۸ – ۰ %
شایان ذکر است که کریستال های فوق، به صورتی که ذکر شده عملاً در سیمان وجود ندارد، بلکه همواره در کریستال آنها مقادیری از اکسیدهای فرعی نظیر TiO2, Na2O, K2O, MgO آهک آزاد، سولفات ها و نظایر آن وجود دارند.
باید افزود که هر یک از فازهای مورد بحث دارای خواصی می باشند که به اختصار بدان ها اشاره می گردد؛ ( ۲و۳و۴و۵ )
C3S : آلیت ( Alit ) بیشترین مقاومت را از نظر فشار و خمش داراست و موجب گیرش سریع سیمان می گردد و گرمای هیدراتاسیون آن ۱۲۰ کالری بر گرم است.
C2S : بلیت ( Belit ) نقش این ترکیب، در مقاومت های ۲۸ روزه و بالاتر نمود پیدا می کند، موجب گیرش کند و گرمای هیدراتاسیون پایین ( ۶۰ کالری بر گرم ) می گردد.
C3A : وجود C3A در سیمان نامطلوب است زیرا تاثیر آن در مقاومت فشاری سیمان بسیار ناچیز است. انبساط ناشی از تشکیل کلسیم سولفو آلومینات ( Kalcium Sulfo Aluminate ) و یا ( Kalcium Aluminat sulfat ) از
[ ۳CaO. Al2Oз. ۳CaSO4. ( 30 – 32 )H2O ]CзA که به آن ( Eteringit ) هم گفته می شود که ممکن است سبب ترک خوردن خمیر سخت شده سیمان گردد، وانگهی C3A مانند یک گدازآور عمل می کند، از این دو درجه حرارت پخت کلینکر را پایین می آورد و ترکیب آهک با سیلیس را تسهیل می بخشد، به همین دلیل CзA در تولید سیمان مفید است، نظر به اینکه گرمای هیدراتاسیون آن بسیار بالاست ( ۳۲۰ کالری بر گرم ). از این رو باید برای بتن های با کیفیت بالا به ویژه در قبال عوامل مهاجم مقدار آن را کاهش داد.C4AF نیز به مشابه گدازآور عمل می کند، گرمای هیدراتاسیون آن ۱۰۰ کالری بر گرم است.
گرمای هیدراتاسیون برحسب کالری بر گرم ( Cal/g)
| C4AF | C3A | C2S | C3S |
| 100 | 320 | 60 | 120 |
عملیات پخت
به طور کلی در عملیات پخت در درجه حرارت های مختلف موارد زیر مشاهده می شود :
۱- در C ˚ ۱۰۰ آغاز از دست دادن رطوبت مواد خام می باشد.
۲- در C ˚ ۴۰۰- C ˚ ۲۰۰کربنات منیزیم شروع به تجزیه می نماید.
MgCOз —–> MgO + CO2
3- در درجه حرارت بالای C ˚ ۴۰۰ آب کریستال خاک رس خارج می گردد.
۴- در C ˚ ۹۰۰- C ˚ ۸۰۰ کربنات کلسیم تجزیه می شود.
CaCOз ——> CaO + CO2
5- از C ˚ ۹۰۰ ترکیب CaO و سیلیس شروع می شود و در C ˚ ۱۰۰۰واکنش سریع می شود و در C ˚ ۱۴۰۰به حداکثر خود می رسد.
الف ) در درجه حرارت C ˚ ۹۰۰- C ˚۱۵۰ مونواکسید سیلیکات تشکیل می گردد. ( CS ) .
ب ) در درجه حرارت C ˚ ۹۵۰- C ˚ ۹۰۰ پنتا کلسیم تری آلومینات تشکیل می شود. ( C5A3 ) .
ج ) در درجه حرارت C ˚ ۱۲۰۰- C ˚ ۹۵۰ دی کلسیم سیلیکات تشکیل می شود. ( C2S ) .
د ) در درجه حرارت C ˚ ۱۳۰۰- C ˚ ۱۲۰۰ تری کلسیم آلومینات تشکیل می شود. ( C3A ) .
ه ) در درجه حرارت C ˚ ۱۴۵۰- C ˚ ۱۲۵۰ تری کلسیم سیلیکات تشکیل می شود. ( C3S ) .
سیمان از نقطه نظر مشتری
به طور کلی برای مصرف کنندگان سه عامل زیر از عوامل تعیین کننده به شمار می آید :
۱- سلامت سیمان یعنی عدم انبساط و ثابت ماندن حجم آن.
۲- مدت گیرش
سیمان نباید زودتر از زمان معینی بگیرد و خاتمه گیرش آن نباید از مدتی که در صورت مشخصات تعیین شده در آئین نامه بیان شده است تجاوز نماید.
۳- میزان استحکام
حداقل مقاومت فشاری ۲۸ روزه آن نباید از آنچه که در استاندارد مورد نظر آمده است کمتر باشد، بالاخره یکی از مهمترین خواصی که سیمان با کیفیت مرغوب باید داشته باشد و برای مصرف کننده واجد اهمیت جدی است یکنواخت بودن جنس سیمان می باشد، به خصوص در کارگاه هایی که سیمان به مقدار زیاد مصرف می گردد و دائماً بتن ریزی می شود، در اینگونه موارد چنانچه سیمان یک دست نباشد میزان درصد آب و عیار سیمان و شن و ماسه نیز همواره تغییر می کند و این حالت قهراً برای تولید بتن اشکالات عدیده ای به وجود می آورد. برای ساختمان های بزرگ مانند سدهای بتنی و یا در ساختمان بنادر که توده های بزرگ بتن ریخته می شود چنانچه سیمان یکنواخت نباشد استعمال آن از نظر فنی مردود خواهد بود.
انواع سیمان ها
سیمان های استاندارد شده به دو گروه تقسیم می گردد :
الف ) گروه سیمان های اصلی شامل :
سیمان تیپ ۱- سیمان معمولی جهت مصارف عادی.
سیمان تیپ ۲- سیمان ضد سولفات متوسط با حرارت هیدراتاسیون متوسط جهت زمین های نسبتاً شوره زار و در جنب آب دریا مصرف می شود.
سیمان تیپ ۳- سیمان زودگیر است.
سیمان تیپ ۴- سیمان با حرارت هیدراتاسیون کم جهت حجم های زیاد مانند سدها به کار می رود.
سیمان تیپ ۵- سیمان ضد سولفات بالا برای زمین های خیلی شوره زار در جنب آب دریا کاربرد دارد.
– سیمان پرتلند که در حدود ۹۵ درصد آن کلینکر پرتلند می باشد و بالاترین رقم تولید را به خود اختصاص می دهد.
– سیمان های مخلوط که جزء اصلی آنها کلینکر پرتلند است و به همراه آن سازنده های فرعی ( مواد افزودنی ) به کار رفته است.
– سیمان پرتلند روباره ای که دارای بیش از ۶۵ درصد کلینکر پرتلند و کمتر از ۳۵ درصد روباره ذوب آهن است.
– سیمان پرتلند خاکستر ذغال سنگ با بیش از ۶۵ درصد کلینکر پرتلند و کمتر از ۳۵ درصد خاکستر حاصل از سوختن ذغال می باشد. ( در ایزوگام )
– سیمان پرتلند آهکی که به PKZ شهرت دارد و نخستین بار در ایران در کارخانه سیمان آبیک ( ۱۳۷۴ ) به تولید رسیده. در تولید سیمان مذکور بیش از ۸۰ درصد کلینکر پرتلند و کمتر از ۲۰ درصد سنگ آهک ویژه مصرف می گردد.
– سیمان پرتلند پوزولانی متشکل از ۶۵ درصد کلینکر پرتلند و کمتر از ۳۵ درصد باقیمانده مواد آتشفشانی است. ( سیمان آهن گدازی کوره بلند ) ( Hochofenzement ) که بیش از ۳۵ درصد روباره و کمتر ۶۵ درصد کلینکر پرتلند اجزاء تشکیل دهنده می باشند.
– سیمان پوزولانی که درصد بالائی سنگ یا خاکستر آتشفشانی در آن به کار رفته است.
ب ) گروه سیمان های ویژه که اغلب آنها از خانواده سیمان پرتلند می باشد، عبارتند از :
– سیمان سفید
– سیمان ضد سولفات ( تیپ ۲ و تیپ ۵ )
– سیمان با گرمای هیدراتاسیون پایین
– سیمان سوپر سولفات
– سیمان چاه نفت
– سیمان برفی ( آلومینی )
– سیمان بنائی ( ملات )
– سیمان رنگی
– سیمان پرتلند آهکی ( PKZ ) در آبان ۱۳۷۵ برای نخستین بار در ایران در مجتمع صنعتی سیمان آبیک تولید انبوه رسید.