علم سرامیک

آزمایش شماره 2 ساخت جرم ریختنی

مواد اولیه:

مواد اولیه/گروه ها
   

1
   

2
   

3
   

4

بوکسیت
   

95%
   

90%
   

85%
   

80%

سیمان
   

5
   

10
   

15
   

20

آب
   

15
   

15
   

15
   

15

  

تذکر:سیمان آزمایشگاه دیرگداز است زیرا آلومینای زیادی دارد. در واقع همان آلومینا می باشد .

 

دانه بندی بوکسیت :

مش                     10-20                  40%

مش                     20-50             20  %

مش                    50-140           20%

مش                   140-325          20%

مش                    زیر 325              10%

 

برای 400 گرم بدنه مواد را مخلوط می کنیم و دو نمونه استکام خمشی می سازیم.

 

تئوری:

بوکسیت سنگ معدن فلز آلومینیوم بوده و متشکل از کانیهای دیاسپور، بوهمیت ، کیبسیت و کانیهای آهن، تیتان و سیلیس می‌باشد. این کانسنگ از نوع ذخایر بر جای مانده است . کانسارهای بوکسیت در دورانهای مختلف زمین‌شناسی تشکیل شده، در ایران نیز در دورانهای پرمین، تریاس و کرتاسه بوکسیت کشف شده است . کانسارهای بوکسیت بسته به نوع سنگ بستر آنها به انواع کارستی و لاتریتی تقسیم‌بندی می‌شوند و کانسارهای ایران از نوع کارستی می‌باشند. کانسارهای بوکسیت یزد در شمال و غرب یزد رخنمون دارند. در شمال یزد بین رسوبات پرمین و ژوراسیک در مناطق دشت ده و چک چک و در غرب یزد بین رسوبات تریاس و ژوراسیک در مناطق نصرآباد تا صدرآباد بوکسیت مشاهده می‌شود. کارهای اکتشاف مقدماتی در شمال و غرب یزد قبلا" انجام شده است . در این مرحله یزد نشان داد که در منطقه شمال یزد تنها بخشی از کانسارهای پلیت 2B و چک چک و بطور جزئی در سایر کانسارها بوکسیت با کیفیت خوب مشاهده می‌شود. میانگین درصد Al203 و Sio2 در منطقه شمال یزد بترتیب 2ˆ43 و 6ˆ13 می‌باشد. از طرفی سایر عوامل از جمله صعوبت استخراج بدلیل شیب زیاد لایه‌ها و نامناسب بودن افراز ماده معدنی باعث شد که کار اکتشاف این کانسارها متوقف گردد و جهت اکتشاف نیمه تفصیلی توجیه‌پذیر نباشد. در منطقه غرب یزد از پنج کانسار تنها کانسارهای صدرآباد و گدارزرد دارای کیفیت و موقعیت مناسبی بودند. میانگین عیار Al203 و Sio2 در منطقه غرب یزد بترتیب 7ˆ46 و 8 درصد می‌باشد. لذا بررسی‌های انجام شده نشان داد که تنها در منطقه غرب یزد برای کانسارهای صدرآباد و گدارزرد اکتشاف نیمه تفصیلی توجیه‌پذیر باشد. با مشخص شدن مناسبترین محل‌ها برای ادامه اکتشاف طراحی عملیات اکتشافی برای آنها انجام گردید. شواهد زمین‌شناسی و رخنمون کانسار در منطقه صدرآباد نشان می‌داد که کانسار با شیب کم در وسعت تقریبا" زیادی وجود داشته و با گمانه‌های کم عمق قابل اکتشاف می‌باشد، لذا با بدست آمدن تعداد نقاط حفاری با روشهای آماری و مشخص بودن وسعت تقریبی محدود، شبکه مربعی با ابعاد 50×50 متر برای حفاری بدست آمد و یک نقشه برای آن تهیه شد و تعداد 202 نقطه حفاری شد که 174 نقطه آن تا کمر پایین ماده معدنی حفاری گردید و در بخش اعظمی از منطقه‌ای که پیش‌بینی می‌شد کانسار وجود داشته باشد تا عمق مناسب برای استخراج روباز بوکسیت کشف گردید. برای منطقه گدارزرد نیز تعداد نقاط لازم جهت حفاری و نمونه‌برداری مشخص شد و در طول رخنمون کانسار محل‌های آن تعیین و حفاری گردید. پس از انجام عملیات اکتشاف نیمه تفصیلی، اطلاعات بدست آمده از آنها تجزیه و تحلیل گردید و مشخص گردید در منطقه صدرآباد کانسار به صورت تقریبا" لایه‌ای به وسعت حدود 35 هکتار به ضخامت تا حداکثر 8 متر، بوکسیت وجود دارد و مقاطع اکتشافی از پروفیل‌های حفاری تهیه گردید. مطالعات آماری و زمین آماری نیز برای پارامترهای مختلف کمی و کیفی کانسار انجام شد و مشخص گردید در کانسار ساختار وجود دارد و روند خاصی در آن مشاهده نشد. تخمین‌های لازم برای عیار و ذخیره کانسار انجام شد و مشخص گردید در منطقه صدرآباد حدود 5ˆ2 میلیون تن بوکسیت با عیار 48 درصد Al203 و 9 درصد Sio2 با نسبت باطله به کانه حدود 6 وجود دارد. در منطقه گدارزرد بدلیل تکتونیک شدید و نفوذ توده‌های آذرین متعدد، کیفیت و پیوستگی ماده معدنی در عمق چندان مطلوب نبود.

بوکسیت سنگی غنی از آلومینیوم است که عمدتاً از هیدروکسیدهای آلومینیوم و مقدار ناچیزی کانیهای رسی و کوارتز تشکیل شده است. ترکیب کانی‌شناسی بوکسیت تا حدودی متغیر بوده و تابع سنگ مادراولیه آن است. حدود 96% آلومینیوم جهان از ذخایر بوکسیتی این عنصر تأمین می‌شود. میانگین آلومینیوم سنگهای پوسته زمین 8/13% است در حالی که برای یک ذخیره اقتصادی آلومینیوم حداقل عیار قابل استخراج 30% Al2o3 است. در میان سنگهای آذرین نفلین سینیت با 21/3% Al2o3 و در بین سنگهای رسوبی شیل‌ها با 14/7% Al2o3 بالاترین مقدار آلومینیوم را در سنگهای پوسته دارا هستند، که به مراتب کمتر از حداقل عیار قابل‌ بهره‌برداری آلومینیوم می‌باشند. در صورتی که سنگهای دارای محتوای Al بالا و Sio2 پایین تحت هوازدگی شیمیایی حاصل از بارندگی متناوب و اصطلاحاً هیدرولیز (آب‌شویی) قرار گیرند عناصر k، Na ، Mg ، Ca ، Si سنگ به صورت محلول درآمده و توسط آبهای سطحی و زیرزمین از منطقه خارج می‌شوند. آنچه باقی می‌ماند Al2O3 و اندکی Fe2O3است که موجب می‌شود تا لایه ضخیم خاک حاصل از هوازدگی که روی سنگ مادراولیه تشکیل شده سرخ رنگ دیده شود. فاکتورهای مهمی که در تشکیل ذخایز بوکسیت نقش اساسی دارند عبارتند از : 1- ترکیب شیمیایی و کانی شناختی سنگ مادر. 2- نفوذپذیری بالا. 3- میزان نزولات جوی و دما. 4- توپوگرافی مناسب و زهکشی بالا. نفلین سینیت، شیل، آهک‌های رسی و بازالت سنگهایی هستند که از نظر محتوای کافی جهت تشکیل بوکسیت برخوردارند. سنگ‌های مناسب برای تبدیل شدن به بوکسیت باید در آب‌وهوای گرم و مرطوب مناطق حاره قرار بگیرند. میزان بارش سالیانه 1200 الی 1400 میلیمتر و دمای متوسط 26 درجه سانتیگراد همراه با توپوگرافی ملایم و کم‌شیب موجب حداکثر فرسایش شیمیایی و حداقل فرسایش مکانیکی می‌شود. در شرایط PH بین 7 تا 8 آبهای سطحی این نواحی سیلیکاتها تجزیه شده و تمامی عناصر آنها شسته شده و به صورت محلول حمل می‌شوند. تنها هیدروکسیدهای آلومینیوم هستند که به شکل کانی‌هایی نظیر گیبسیت، بوهمیت و دیاسپور نامحلول باقی مانده و رسوب می‌کنند. کانسارهای مهم بوکسیت در برزیل، استرالیا،

 گینه بیسائو و جامائیکا واقع شده‌اند. عیار Al2O3 در ذخایر بوکسیت بین 35 الی 55 درصد و ذخیره آنها بین 1 الی 700 میلیون تن می‌باشد.


بوکسیت سنگی غنی از آلومینیوم است که عمدتاً از هیدروکسیدهای آلومینیوم و مقدار ناچیزی کانیهای رسی و کوارتز تشکیل شده است. ترکیب کانی‌شناسی بوکسیت تا حدودی متغیر بوده و تابع سنگ مادراولیه آن است. حدود 96% آلومینیوم جهان از ذخایر بوکسیتی این عنصر تأمین می‌شود.

سیمان ماده‌ای چسبنده‌است که قابلیت چسبانیدن ذرات به یکدیگر و بوجود آوردن جسم یک پارچه از ذرات متشکله را دارند و از ترکیب مصالح آهکی، رس، سیلیس و اکسیدهای معدنی در دمای ۱۴۰۰ درجه تا ۱۵۰۰ درجهٔ سانتی‌گراد ساخته می‌شود. به جسم حاصل، پس از حرارت دیدن کلینکر می‌گویند و از آسیاب کردن آن سیمان بدست آید. اندازهٔ دانه‌های کلینکر ۲۰ میلی‌متر می‌باشد[۱]                                        

اجزای تشکیل دهنده سیمان

مصالح آهکی (حدود ۶۰٪ الی ۶۷٪)

رس (حدود ۳٪ الی ۷٪)

سیلیس (۱۷٪ الی ۲۷٪)

اکسیدهای معدنی[۲]

    

اکسید آهن (۰/۵٪ الی ۶٪)Fe۲O۳

اکسید سدیم (۰/۲٪ الی ۱/۳٪)Na۲O

اکسید منیزیم (۰/۱٪ الی ۴/۵٪)MnO

اکسید پتاسیم (۰/۲٪ الی ۱/۳٪)K۲O

اکسید آلومینیوم (۳٪ الی ۸٪)Al۲O۳

انواع سیمان

سیمان پرتلند تیپ I

سیمان پرتلند تیپ II

سیمان پرتلند تیپ III

سیمان پرتلند تیپ IV

سیمان پرتلند تیپ V

سیمان پوزولان

سیمان آمیخته

سیمان برقی (پرآلومین)

سیمان رنگی

سیمان سفید

سیمان سرباره‌ای ضد سولفات

سیمان پرتلند آهکی

سیمان بنائی

سیمان نسوز

سیمان چاه نفت

سیمان پرتلند ضدآب

سیمان باگیرش تنظیم شده[۳]

روشهای ساخت سیمان

روش تر

روش نیمه تر

روش نیمه خشک

روش خشک[۴]

شیمی ترکیبات سیمان

مواد خام تشکیل دهنده سیمان اساسا از اکسیدهای کلسیم و سیلیسیم و آهن تشکیل شده‌است. این مواد در کوره با هم ترکیب شده و غیر از مقداری آهک آزاد باقی مانده، که فرصت کافی برای فعل و انفعال نداشته‌است، ترکیبات شیمیایی جدید و پایداری نتیجه می‌شوند. در هنگام خنک کردن مصالح، براساس سرعت خنک کردن، مواد به صورت بلوری و بی شکل ظاهر می‌گردند. دانه‌های بی شکل که اکثرا شیشه‌ای هستند و دانه‌های بلوری شده، درحالی که یک فرمول شیمیایی دارند، دارای خواص متفاوتی هستند. برای سیمان معمولی، درصد ترکیبات حاصل از فعل و انفعالات فوق با داشتن درصد اکسیدهای موجود در کلینکر و با فرض اینکه کریستاله شدن کامل انجام پذیرفته باشد قابل محاسبه‌است.[۵] چهارترکیب اصلی سیمان عبارتند از:تری کلسیم سیلیکات، دی کلسیم سیلیکات، تری کلسیم آلومینات، تترا کلسیم آلومینو فریت؛ که به ترتیب با علائم اختصاری به صورت: C۴AF C۳A C۲S C۳S نامیده می‌شوند.[۶]

معادلات بوگ

محاسبه مربوط به میزان ترکیبات سیمان حاصل از اکسیدهای اصلی تشکیل دهنده آن توسط بوگ انجام شده و به نام معادلات بوگ معروف می‌باشد. این معادلات درصد ترکیبات اصلی سیمان را نمایش می‌دهد.[۷]

C۳S = ۴٫۰۷۱۰(CaO)-۷٫۶۰۲۴(SiO۲)-۱٫۴۲۹۷(Fe۲O۳)-۶٫۷۱۸۷(Al۲O۳

C۲S = ۸٫۶۰۲۴(SiO۲)+۱٫۰۷۸۵(Fe۲O۳)+۵٫۰۶۸۳(Al۲O۳)-۳٫۰۷۱۰(CaO

C۳A = ۲٫۶۵۰۴(Al۲O۳)-۱٫۶۹۲۰(Fe۲O۳

C۴AF = ۳٫۰۴۳۲(Fe۲O۳

خواص ترکیبات اصلی سیمان

سیلیکات‌ها یعنی C۲S و C۳S ترکیبات اصلی و مهم سیمان می‌باشند و مقاومت سیمان هیدراته شده به آنها بستگی دارد. اکسیدهای تشکیل دهنده این سیلیکات‌ها تاثیرات مهمی روی شکل اتمی و کریستالی و خواص هیدرولیکی انها دارند. حضور C۳A در سیمان سودمند نیست. این ترکیب نقشی در مقاومت سیمان، به جز کمی در سن اولیه آن، نداشته و بعد از سخت شدن سیمان در صورت حمله سولفاتی با تشکیل سولفوآلومینات کلسیم (اترینگایت) سبب خرابی بتن می‌گردد. ولی C۳A در فرایند تولید در ترکیب اکسیدکلسیم با اکسیدسیلیسیم سهولت ایجاد کرده و سودمند است. C۴AF که به میزان کمی به وجود می‌آید در مقابل سه ترکیب دیگر نقش عمده‌ای در خواص سیمان ندارد. به هرحال این ترکیب با سنگ گج سیمان، سولفوفریت کلسیم تشکیل می‌دهد که این ماده هیدراتاسیون سیلیکات‌ها را تسریع می‌کند.[۸]

روند آزمایش :

- استحکام خمشی : عرض(b) و ضخامت(h) نمونه های مکعب مستطیل نمونه خام وپخت  را با کولیس اندازه گرفته و با توجه به نیروی شکستی که دستگاه می دهد استحکام را به دست می آوریم.بین سه نمونه میانگین می گیریم.   

3 pl/2bh2 =δ

 P: نیروی شکست(N)  و  L:فاصله دو تکیه گاه

σ (N/mm2)
   

P(N)
   

L(mm)
   

h (mm)
   

b(mm)
   

نمونه

0.52
   

49.19
   

50
   

17
   

24.3
   

خام

1.645
   

261.03
   

40
   

16.65
   

22.9
   

پخت

 

 

 

دانسیته و تخلخل : نمونه های ترک خورده یا شکسته را با ترازو وزن خشک وسپس داخل سبد زیر ترازو گذاشته و وزن غوطه وری را اندازه می گیریم  سپس نمونه ها را در ظرف در حال جوش به مدت 20 دقیقه گذاشته پس از خروج از آب آنها را در تشت آب گذاشته با ابر آب روی نمونه ها را گرفته و وزن اشباع را از این طریق بدست می آوریم.

W1
   

وزن خشک

W2
   

وزن اشباع

W3
   

وزن غوطه وری

W1. ρ liq / W2- W3 b =ρ

a = W1.ρ liq /W1 – W3                                                         ρ

=W2-W1/ W2- W3×100  % تخلخل باز

 
   

وزن خشک
   

وزن اشباع
   

وزن غوطه وری
   

نتایج حاصله

ρa
   

ρb
   

% تخلخل باز

نمونه پخت
   

36.57
   

41.14
   

26.33
   

3.57
   

1.34
   

30.85

 

نکته : زمان استاندارد جوشیدن 2 ساعت است که به دلیل کمبود وقت در ساعت درس آزمایشگاه 20 دقیقه می جوشانیم .

4
   

3
   

2
   

1
   

گروه

1.027
   

0.52
   

0.57
   

0.327
   

استحکام خام

23.88
   

1.645
   

18.24
   

18.85
   

استحکام پخت

3.428
   

3.57
   

3.38
   

3.35
   

دانسیته ظاهری

2.828
   

2.46
   

2.83
   

2.73
   

دانسیته بالک

17.5
   

30.85
   

16
   

18.15
   

% تخلخل باز

بحث و نتیجه گیری :

با توجه به اعداد به دست آمده می بینیم همانطور که انتظار می رود با افزایش سیمان که همان آلومینا است استحکام خام و پخت قطعه افزایش می یابد و این مورد را می توان اینگونه توجیه کرد که چون ایتحکام قطعات آلومینایی به طور کلی بسیار بالا می باشد پس با افزایش سیمان ( آلومینا ) استحکام قطعه افزایش می یابد .

نکته: گروه ما به دلیل اینکه هنگام خروج قطعه  از قالب دچار آسیب زیادی گردید دارای استحکام پایینی شده است که این بخشی از خطای آزمایش است و باعث ایجاد ترک در قطعه شد است .

در مورد دانسیته ها هر چه میزان بوکسیت کاهش یافته دانسیته نیز افزایش می یابد . و این نیز رابطه ی مستقیمی با دانسیته ی آلومینا دارد که هر چه میزان بوکسیت کاهش یافته ، میزان آلومینا افزایش یافته و از آنجایی که دانسیته  ی آلومینا بیشتر از بوکسیت است دانسیته  ی کل را افزایش می دهد .

البته لازم به ذکر است که در این بین خطاهای آزمایش باعث شده که یکسری اعداد  با نتیجه گیری همخوانی نداشته باشند .

خطاهای آزمایش :

 

-         خطا ی دستگاه های اندازه گیری

-         خطای توزین مواد

-         خطا در هنگام اندازه گیری ابعاد و اندازه گیری استحکام

-         خطا در هنگام خروج قطعه دیر گداز از قالب ( اگر با ضربه همراه باشد ممکن است باعث ایجاد ترک شده و استحکام واقعی را به ما ندهد . )

منابع :

مواد دیرگداز – نوشته جرالد روتشکا – ترجمه / بهمن میر هادی

www.wikipedia.com

www.googlescholar.com