اصولاً سه روش براي توليد سيمان وجود دارد كه عبارتند از :

1-                   روش تر ( دوغاب )

2-                   روش نيمه تر

3-                   روش خشك

روش خشك متداول ترين روش توليد سيمان در جهان و در ايران مي باشد.

مواد اوليه براي پخت كلينكر ( توليد سيمان )

مواد اصلي به منظور توليد سيمان پرتلند عبارتند از سنگ آهك و خاك رس ( سيليس و آلومين ) كه در طبيعت به وفور يافت مي شوند ولي به شكلي نيستند كه بتوان مستقيماً در توليد سيمان پرتلند از آنها استفاده كرد.

سنگ هاي آهكي بيش از 75 درصد CaCOз و سنگ هاي آهكي همراه با خاك رس بين 75- 40 درصد CaCOз و خاك هاي آهكي كمتر از 40 درصد CaCOз دارند و از مخلوط اين مواد مي توان مخلوط لازم را براي تهيه سيمان به دست آورد.

مارل ( مارن يا مرگل )

سنگ آهك و خاك رس كه مواد اوليه سيمان را تشكيل مي دهند در طبيعت به صورت مخلوط هاي گوناگون و متغير يافت مي شوند و نامگذاري آنها بر پايه تغييرات كربنات كلسيم CaCoз ) ( موجود در مخلوط ها صورت مي گيرد.

سنگ آهك با درجه مخلوط بالا

( hochprozenuger KalkStein ) 96 - 100% CaCo ( high - grade limeston 3 )

سنگ آهك با كربنات كلسيم بالا

96 - 100% CaCOз  High - grade Limestone

سنگ آهك مارلي

96 - 100% CaCOз [ Marly limestone ( mergeliger kalkstein ) ]

مارل آهكي  75 - 90% CaCoз [ Lim Marl ( kalkamergel ) ]   

مارل  40 - 75% CaCOз [ Marl ( Mergel ) ]

مارل رسي 10 - 40% CaCOз [ Clay marl ( Tonmergel ) ]

خاك رس مارلي2 - 10% CaCOз [ Marly clay ( mergeliger Ton ) ]   

خاك رس  0 - 2% CaCOз [ Clay ( Ton ) ]

از آنجايي كه مقدار سنگ آهك در خوراك كوره بين 75 الي 78 درصد محدود مي گردد، لذا به ندرت مي توان به مارلي در طبيعت دست يافت كه حاوي چنين تركيب مطلوبي باشد و شايد مارل آهكي ( Lime Marl ) براي اين منظور مناسب باشد، بنابراين چنين معدني كه به طور طبيعي هموژن ( متجانس ) شده است طبعاً آماده سازي آن به عنوان خوراك كوره به سهولت انجام مي گيرد.

سيمان چيست ؟

سيمان يك ماده چسباننده هيدروليكي است كه براي ساختن ملات و بتن به كار مي رود و تركيبي است از اكسيد كلسيم)  ( CaO، اكسيد سيليسيم( SiO2 ) ، اكسيد آلومينيوم ( Al2Oз ) و اكسيد آهن ( Fe2Oз ) كه از طريق پخت ( Sintering ) و يا ذوب حاصل مي گردد.

سيمان پس از اختلاط با آب و تشكيل خمير سيمان در هوا و در زير آب مي بندد و به مرور سخت مي گردد و به استحكام آن افزوده مي شود و از ثبات حجمي برخوردار مي باشد.

حداقل مقاومت فشاري 28 روزه سيمان، براساس استاندارد آلمان ( DIN 1164 ) برابر 25N/m² معادل 250 كيلوگرم بر سانتي متر مربع است. ضمناً مجموع اكسيد كلسيم)  ( CaO و اكسيد سيليسيم ( SiO2 ) فعال در سيمان پرتلند بايد حداقل 50% باشد.

شايان ذكر است كه كلينكر سيمان پرتلند يك ماده هيدروليكي است كه حداقل دوسوم آن از كلسيم سيليكات (CaO)3 × SiO2, (CaO)2 × SiO2) و بقيه شامل اكسيد آلومينيوم ( Al2Oз ) و اكسيد آهن ( Fe2Oз ) و ساير تركيبات مي باشد. ضمناً نسبت CaO به SiO2 بايد حداقل 2 باشد.

اكسيد منيزيم ( MgO ) در فرآيند پخت، نقش كمك ذوب را ايفا مي نمايد و هر چه قدر مقدار آن كمتر باشد، مفيدتر است، زيرا با ساير تركيبات سيمان تركيب نمي شود، بلكه به صورت آزاد در سيمان باقي مي ماند. نظر به اينكه  MgO پس از گرفتن ملات سيمان خيلي به كندي با آب تركيب گشته و شكفته مي شود و اين شكفتگي منجر به انبساط حجمي مي گردد. در نتيجه ترك هاي موئي در ملات سيمان و بتن ايجاد مي شود كه در طول زمان باعث تخريب آنها مي گردد. از اين رو ميزان MgO در سيمان نبايد بيشتر از 5% وزن آن باشد.

قليائي ها شامل : سديم ( Na ) ، پتاسيم ( K ) ، در سيمان نقش روانساز دارند، اگر مقدار آنها در سيمان زياد باشد تنظيم گيرش مختل مي گردد، بدين جهت مجموع اين دو عنصر نبايد از 1%  وزن آن بيشتر گردد.

مقدار كلر در كليه سيمان ها به جهت نقش تخريبي آن در بتن، بايستي كمتر از 10/0 درصد وزني آنها باشد.

مقدار قابل قبول انيدريد سولفوريك ( SOз ) در سيمان پرتلند و در سيمان هاي روباره اي و پوزولاني بستگي به ميزان سطح مخصوص ( بلين ) آنها دارد. اگر سطح مخصوص آنها بين 2000 الي 4000 سانتي متر مربع بر گرم باشد 5/3 درصد وزني سيمان است و اگر چنانچه سطح ويژه سيمان ها بيش از 4000 سانتي متر مربع گردد چهار درصد وزني سيمان است.

استاندارد جديد آلمان DIN 1164 (1993) ميزان SOз را براي سيمان هاي : 32/5, 42/5, 32/5R  حداكثر 5/3 درصد و براي سيمان هاي : 52/5R, 52/g, 42/5R  حداكثر 4 درصد محدود نموده است.

استاندارد اتريش B3310  مقدار مجاز So3 در سيمان هاي مختلف را به شرح ذيل مقرر داشته است :

سيمان پرتلند با مقاومت فشاري بالا با علامت 475 ، 4%  وزني سيمان روباره اي كوره آهن گدازي بلند       Hochofen zement  سيمان با علامت هاي 375 و 275 و همچنين سيمان روباره اي آهن دار كوره آهن گدازي

Eisen Portland zement ( slag cement )

5/3%  وزني

سيمان محتوي خاكستر ذغال سنگ

( fly Ash cement ) Flugaschen zement

و سيمان هاي مخلوط

سيمان هيدروليك چيست ؟

سيماني كه در عصر حاضر در ساختمان سازي و ساختن جاده هاي بتني، اسكله ها، پل ها و نظاير آنها به كار مي رود، سيماني است كه هم در هوا و هم در زير آب سخت گشته، و مقاومت فيزيكي آن افزايش مي يابد، از اين رو به آن سيمان هيدروليك مي گويند كه به سيمان پرتلند شهرت دارد.

آسياب كردن و يكنواخت ساختن مخلوط مواد اوليه

سنگ آهك و خاك رس را به نسبت معيني با يكديگر مخلوط و پس از خردايش در سنگ شكن وارد آسياب ها مي كنند. اين آسياب ها بايد مواد اوليه را به نحوي نرم كنند كه ديگر زبري دانه هاي مواد اوليه در زير انگشتان دست احساس نگردد. هر قدر اين مخلوط نرم تر و هموژه تر باشد در موقع پخت فعل و انفعال كاملتر، و در نتيجه كلينكر پخته مرغوب تر است. از اين رو مواد پودر شده جهت هموژن و متجانس تر شدن بهتر به داخل سيلوهاي مواد خام وارد، و پس از هموژن شدن آن را به عنوان خوراك كوره به داخل سيلوهاي تغذيه انتقال مي دهند و از آنجا به داخل كوره هدايت    مي شوند. به اين مواد به قدري حرارت مي دهند تا دانه ها عرق كنند و به همديگر بچسبند و به صورت دانه هاي فندوقي شكل كه اصطلاحاً كلينكر ( Clinker ) ناميده مي شود در آينده درجه حرارت پخت كلينكر بين 1200 الي 1450 درجه سانتي گراد مي باشد. آنگاه پس از سرد كردن و آسياب كردن كلينكر همراه با كمي سنگ گچ، محصولي به دست خواهد آمد كه آن را سيمان پرتلند مي نامند.

ضمناً خاطر نشان مي گردد كه سنگ آهن  ( Fe2Oз) به عنوان كمك ذوب به مواد اوليه افزوده مي گردد.

فاز مايع  Liquid phase ( schmel Zphase )

محاسبه فاز مايع در كلينكر طبق فرمول Lea  به شرح ذيل صورت مي گيرد.

فاز مايع

2.95% Al2Oз + 2/2% Fe2Oз + %Mgo(max×2%) + %Na2O +  %K2O =…% + %                ( Na2O+K2O) =…%     

فاز مايع بر حسب مقدار موجود Al2Oз در كلينكر تعيين مي گردد و نقش آن را مي توان در مثال زير ملاحظه نمود.

محاسبه فاز مايع

2.95 × 6.0Al2Oз + 2.2 * 2.5Fe2Oз + 2.0 MgO+ 0.2 Na2O + 0.2 K2O = 26%   

تذكر: در اين رابطه چنانچه مقدار فاز مايع در كلينكر كمتر از 24 درصد باشد نشانه بالا بودن درجه حرارت در منطقه پخت بوده و پخت مواد ( خوراك كوره ) به سختي انجام مي گردد و برعكس چنانچه سهم فاز مايع در كلينكر بيش از 28 درصد باشد پخت مواد كوره به سهولت صورت مي گيرد ولي كوتينگ ( Coating ) داخل كوره را مواجه با مشكلاتي خواهد نمود. به هر حال در هر دو حالت اثرات نامطلوبي در تشكيل فازهاي كلينكر و مرغوبيت سيمان توليد شده خواهد داشت.

تركيبات اصلي سيمان

تركيبات اصلي كه در سيمان پرتلند وجود دارد به نام فازهاي كلينكر يا سيمان موسوم است كه مجموعه اين كريستال ها مقاومت سيمان را به وجود مي آورند.

-                     سه كلسيم سيليكات ( تري كلسيم سيليكات )

1 - CзS = зCaO. SiO2 = 60 - 45%    

- دو كلسيم سيليكات ( دي كلسيم سيليكات )

2 - C2S = 2CaO. SiO2 = 35 - 15 %

- سه كلسيم آلومينات ( تري كلسيم آلومينات )

3 - CзA = 3CaO. Al2Oз = 14 - 4 %

- چهار كلسيم آلومينو فريت ( تتراكلسيم آلومينو فريت )

4 - C4AF = 4CaO. Al2Oз. Fe2Oз = 18 - 0 %

شايان ذكر است كه كريستال هاي فوق، به صورتي كه ذكر شده عملاً در سيمان وجود ندارد، بلكه همواره در كريستال آنها مقاديري از اكسيدهاي فرعي نظير TiO2, Na2O, K2O, MgO  آهك آزاد، سولفات ها و نظاير آن وجود دارند.

بايد افزود كه هر يك از فازهاي مورد بحث داراي خواصي مي باشند كه به اختصار بدان ها اشاره مي گردد؛ ( 2و3و4و5 )

C3S : آليت ( Alit ) بيشترين مقاومت را از نظر فشار و خمش داراست و موجب گيرش سريع سيمان مي گردد و گرماي هيدراتاسيون آن 120 كالري بر گرم است.

C2S : بليت ( Belit ) نقش اين تركيب، در مقاومت هاي 28 روزه و بالاتر نمود پيدا مي كند، موجب گيرش كند و گرماي هيدراتاسيون پايين ( 60 كالري بر گرم ) مي گردد.

C3A : وجود C3A در سيمان نامطلوب است زيرا تاثير آن در مقاومت فشاري سيمان بسيار ناچيز است. انبساط ناشي از تشكيل كلسيم سولفو آلومينات ( Kalcium Sulfo Aluminate ) و يا ( Kalcium Aluminat sulfat ) از

[ 3CaO. Al2Oз. 3CaSO4. ( 30 - 32 )H2O ]CзA  كه به آن ( Eteringit ) هم گفته مي شود كه ممكن است سبب ترك خوردن خمير سخت شده سيمان گردد، وانگهي C3A مانند يك گدازآور عمل مي كند، از اين دو درجه حرارت پخت كلينكر را پايين مي آورد و تركيب آهك با سيليس را تسهيل مي بخشد، به همين دليل CзA در توليد سيمان مفيد است، نظر به اينكه گرماي هيدراتاسيون آن بسيار بالاست ( 320 كالري بر گرم ). از اين رو  بايد براي بتن هاي با كيفيت بالا به ويژه در قبال عوامل مهاجم مقدار آن را كاهش داد.

C4AF نيز به مشابه گدازآور عمل مي كند، گرماي هيدراتاسيون آن 100 كالري بر گرم است.

گرماي هيدراتاسيون برحسب كالري بر گرم ( Cal/g)

 عمليات پخت

به طور كلي در عمليات پخت در درجه حرارت هاي مختلف موارد زير مشاهده مي شود :

1-                 در C ˚ 100 آغاز از دست دادن رطوبت مواد خام مي باشد.

2-                 در C ˚ 400- C ˚ 200كربنات منيزيم شروع به تجزيه مي نمايد.

MgCOз -----> MgO + CO2

3-                 در درجه حرارت بالاي C ˚ 400 آب كريستال خاك رس خارج مي گردد.

4-                 در C ˚ 900- C ˚ 800 كربنات كلسيم تجزيه مي شود.

CaCOз ------> CaO + CO2

5-                 از C ˚ 900 تركيب CaO و سيليس شروع مي شود و در C ˚ 1000واكنش سريع مي شود و در C ˚ 1400به حداكثر خود مي رسد.

الف )  در درجه حرارت  C ˚ 900- C ˚150 مونواكسيد سيليكات تشكيل مي گردد. ( CS ) .

ب ) در درجه حرارت  C ˚ 950- C ˚ 900 پنتا كلسيم تري آلومينات تشكيل مي شود. ( C5A3 ) .

ج ) در درجه حرارت C ˚ 1200- C ˚ 950 دي كلسيم سيليكات تشكيل مي شود. ( C2S ) .

د ) در درجه حرارت C ˚ 1300- C ˚ 1200 تري كلسيم آلومينات تشكيل مي شود. ( C3A ) .

ه ) در درجه حرارت C ˚ 1450- C ˚ 1250 تري كلسيم سيليكات تشكيل مي شود. ( C3S ) .

سيمان از نقطه نظر مشتري

به طور كلي براي مصرف كنندگان سه عامل زير از عوامل تعيين كننده به شمار مي آيد :

1-                  سلامت سيمان يعني عدم انبساط و ثابت ماندن حجم آن.

2-                  مدت گيرش

سيمان نبايد زودتر از زمان معيني بگيرد و خاتمه گيرش آن نبايد از مدتي كه در صورت مشخصات تعيين شده در آئين نامه بيان شده است تجاوز نمايد.

3-                   ميزان استحكام

حداقل مقاومت فشاري 28 روزه آن نبايد از آنچه كه در استاندارد مورد نظر آمده است كمتر باشد، بالاخره يكي از مهمترين خواصي كه سيمان با كيفيت مرغوب بايد داشته باشد و براي مصرف كننده واجد اهميت جدي است يكنواخت بودن جنس سيمان مي باشد، به خصوص در كارگاه هايي كه سيمان به مقدار زياد مصرف مي گردد و دائماً بتن ريزي مي شود، در اينگونه موارد چنانچه سيمان يك دست نباشد ميزان درصد آب و عيار سيمان و شن و ماسه نيز همواره تغيير مي كند و اين حالت قهراً براي توليد بتن اشكالات عديده اي به وجود مي آورد. براي ساختمان هاي بزرگ مانند سدهاي بتني و يا در ساختمان بنادر كه توده هاي بزرگ بتن ريخته مي شود چنانچه سيمان يكنواخت نباشد استعمال آن از نظر فني مردود خواهد بود.

انواع سيمان ها

سيمان هاي استاندارد شده به دو گروه تقسيم مي گردد :

الف ) گروه سيمان هاي اصلي شامل :

سيمان تيپ 1- سيمان معمولي جهت مصارف عادي.

سيمان تيپ 2- سيمان ضد سولفات متوسط با حرارت هيدراتاسيون متوسط جهت زمين هاي نسبتاً شوره زار و در جنب آب دريا مصرف مي شود.

سيمان تيپ 3- سيمان زودگير است.

سيمان تيپ 4- سيمان با حرارت هيدراتاسيون كم جهت حجم هاي زياد مانند سدها به كار مي رود.

سيمان تيپ 5- سيمان ضد سولفات بالا براي زمين هاي خيلي شوره زار در جنب آب دريا كاربرد دارد.

-                     سيمان پرتلند كه در حدود 95 درصد آن كلينكر پرتلند مي باشد و بالاترين رقم توليد را به خود اختصاص مي دهد.

-                     سيمان هاي مخلوط كه جزء اصلي آنها كلينكر پرتلند است و به همراه آن سازنده هاي فرعي ( مواد افزودني ) به كار رفته است.

-                     سيمان پرتلند روباره اي كه داراي بيش از 65 درصد كلينكر پرتلند و كمتر از 35 درصد روباره ذوب آهن است.

-                     سيمان پرتلند خاكستر ذغال سنگ با بيش از 65 درصد كلينكر پرتلند و كمتر از 35 درصد خاكستر حاصل از سوختن ذغال مي باشد. ( در ايزوگام )

-                     سيمان پرتلند آهكي كه به PKZ شهرت دارد و نخستين بار در ايران در كارخانه سيمان آبيك ( 1374 ) به توليد رسيده. در توليد سيمان مذكور بيش از 80 درصد كلينكر پرتلند و كمتر از 20 درصد سنگ آهك ويژه مصرف     مي گردد.

-                     سيمان پرتلند پوزولاني متشكل از 65 درصد كلينكر پرتلند و كمتر از 35 درصد باقيمانده مواد آتشفشاني است.      ( سيمان آهن گدازي كوره بلند ) ( Hochofenzement ) كه بيش از 35 درصد روباره و كمتر 65 درصد كلينكر پرتلند اجزاء تشكيل دهنده مي باشند.

-                     سيمان پوزولاني كه درصد بالائي سنگ يا خاكستر آتشفشاني در آن به كار رفته است.

ب ) گروه سيمان هاي ويژه كه اغلب آنها از خانواده سيمان پرتلند مي باشد، عبارتند از :

- سيمان سفيد

- سيمان ضد سولفات ( تيپ 2 و تيپ 5 )

- سيمان با گرماي هيدراتاسيون پايين

- سيمان سوپر سولفات

- سيمان چاه نفت

- سيمان برفي ( آلوميني )

- سيمان بنائي ( ملات )

- سيمان رنگي

- سيمان پرتلند آهكي ( PKZ ) در آبان 1375 براي نخستين بار در ايران در مجتمع صنعتي سيمان آبيك توليد انبوه رسيد.