تاریخچه سیمان پرتلند

سیمان پرتلند متداول ترین نوع سیمان است که به طور کلی در سراسر جهان به عنوان ماده اصلی بتن مقاوم، ملات، گچ محکم کننده و دوغاب چسبنده به عنوان عنصر اصلی ویژه استفاده می شود. در اوایل قرن نوزدهم توسط جوزف آسپدین از انواع دیگر آهک هیدرولیکی در انگلیس ساخته شد و معمولاً از سنگ آهک ساخته می شدند. این یک پودر واکنش گرای عالی است که با گرم شدن مواد معدنی سنگ آهک و خاک رس در کوره تولید کلینکر، آسیاب کلینکر و افزودن 2 تا 3 درصد گچ تولید می شود. انواع مختلفی از سیمان پرتلند موجود است که رایج ترین ، سیمان پرتلند معمولی به اختصار OPC هم نامیده می شود ، که به صورت رنگ خاکستری می باشد، همچنین سیمان پرتلند سفید نیز موجود است. نام آن از شباهت آن به سنگ پورتلند گرفته شده است که در جزیره پورتلند در دورست انگلیس استخراج شده است. نام آن را جوزف آسپدین سیمان پرتلند گذاشت كه در سال 1824 حق ثبت اختراع آن را بدست آورد. با این حال ، پسرش ویلیام آسپدین به دلیل پیشرفت هایش در دهه 1840 به عنوان مخترع سیمان پرتلند نوع مدرن شناخته شد.

جز اصلی قطعات بتنی پیش ساخته سیمان است.

اجزا سیمان پرتلند

سیمان پرتلند سوزاننده است ، بنابراین می تواند باعث سوختگی شیمیایی شود. این پودر می تواند باعث تحریک یا در اثر قرار گرفتن در معرض شدید این مواد خطرناک برای انسان، سرطان ریه شود که بسیار مضر است و می تواند شامل تعدادی از اجزای خطرناک از جمله سیلیس بلورین و کروم شش ظرفیتی باشد. نگرانی های زیست محیطی طبیعی که در اطراف انسان هستند عبارتند از: مصرف زیاد انرژی مورد نیاز برای استخراج ، ساخت و انتقال سیمان و آلودگی هوا مربوط به آن ، از جمله آزاد سازی گاز گلخانه ای دی اکسید کربن ، دیوکسین ، [نیاز به منبع دارد] NOx ، SO2  و ذرات معلق است. تولید سیمان پرتلند حدود 10٪ از انتشار دی اکسید کربن در جهان است. آژانس بین المللی انرژی تخمین زده است که تولید سیمان تا سال 2050 بین 12 تا 23 درصد برای تأمین نیازهای جمعیت در حال رشد جهان افزایش خواهد یافت.

تحقیقات زیادی در حال انجام است که هدف آن جایگزینی مناسب سیمان پرتلند توسط مواد سیمانی مکمل است.

کم هزینه بودن و در دسترس بودن گسترده سنگهای آهکی ، شیل ها و سایر مواد طبیعی که در سیمان پرتلند استفاده می شود ، آن را به یکی از کم هزینه ترین مواد در قرن گذشته تبدیل کرده است. بتن تولید شده از سیمان پرتلند یکی از متنوع ترین مصالح ساختمانی در جهان است.

سیمان پرتلند از سیمانهای طبیعی ساخته شده از اواسط قرن هجدهم در انگلیس ساخته شد. نام آن از شباهت آن به سنگ پورتلند ، نوعی سنگ ساختمانی استخراج شده در جزیره پورتلند در دورست انگلیس گرفته شده است.

همچنین بخوانید :مراحل تولید، ساخت و توزیع دال های بتنی

توسعه سیمان پرتلند مدرن (که گاهی اوقات آن را سیمان پرتلند معمولی یا معمولی نیز می نامند) در سال 1756 آغاز شد ، زمانی که جان اسمیتون آزمایش های مختلف سنگهای آهکی و مواد افزودنی ، از جمله trass و پوزولاناها را در رابطه با ساخت و ساز برنامه ریزی شده یک فانوس دریایی، به عنوان برج اسمیتون تجربه کرد  در اواخر قرن هجدهم ، سیمان رومی در سال 1796 توسط جیمز پارکر توسعه و ثبت شد. سیمان رومی به سرعت محبوب شد ، اما در دهه 1850 عمدتا با سیمان پرتلند جایگزین شد. در سال 1811 ، جیمز فراست سیمانی تولید کرد که آن را سیمان انگلیس می نامید. گزارش شده است كه جیمز فراست در سال 1826 كارخانه ای برای ساخت سیمان مصنوعی احداث كرده است.در سال 1811 ادگار دابز از ساوت وارک یک نوع سیمان را اختراع کرد که 7 سال بعد توسط مهندس فرانسوی لویی ویکات اختراع شد. سیمان ویکت یک آهک هیدرولیکی مصنوعی است و به گونه ای پیشگام اصلی سیمان پرتلند به حساب می آید.

نام سیمان پرتلند در دایرکتوری منتشر شده در سال 1823 مربوط به ویلیام لاک وود و احتمالاً دیگران به عنوان شرکا است. جوزف آسپدین در حق ثبت اختراع سیمان خود در سال 1824 ، اختراع خود را "سیمان پرتلند" به دلیل شباهت آن به سنگ پرتلند نامید.

با این حال ، سیمان آسپدین چیزی شبیه سیمان پرتلند مدرن نبود ، اما اولین قدم در توسعه سیمان پرتلند مدرن بود و به عنوان سیمان (پرو- پرتلند) نامیده شده است.

سیمان پرو پرتلند

ویلیام آسپدین شرکت پدر خود را در جهت پیشرفت همچنین تاسیس کسب و کارخود ترک کرد و کارخانه تولید سیمان خود را تشکیل داد. در دهه 1840 ، ظاهراً به طور تصادفی ویلیام آسپدین سیلیکات‌های کلسیم تولید کرد که گام میانی در توسعه سیمان پرتلند است. در سال 1848 ، ویلیام آسپدین سیمان خود را بیشتر بهبود بخشید. سپس، در سال 1853 او به آلمان نقل مکان کرد ، و در آنجا مشغول ساخت سیمان بود. ویلیام آسپدین چیزی را ساخت که می توان آن را سیمان meso-portland (ترکیبی از سیمان پرتلند و آهک هیدرولیک) نامید. آیزاک چارلز جانسون در ادامه تولید سیمان meso-portland (مرحله میانی توسعه) را تصفیه کرد و ادعا کرد که پدر واقعی سیمان پرتلند است.

قوانین مشخص برای تولید بتن مرغوب را جان گرانت ثبت کرد

در سال 1859 ، جان گرانت از هیئت مدیره متروپولیتن ، شرایط لازم برای استفاده از سیمان در پروژه فاضلاب لندن تعیین کرد، که جزو شرایط اصلی و جایگزین شرایط فعلی نمودند. تحول بعدی در ساخت سیمان پرتلند ، معرفی کوره دوار بود که توسط فردریک رانسوم در سال 1885 (انگلستان) و 1886 (ایالات متحده) به ثبت رسید. که مخلوط همگن قوی تر و فرآیند ساخت مداوم را امکان پذیر می سازد. کوره بی پایان هافمن که گفته می شد کنترل کامل احتراق را فراهم می کند در سال 1860 آزمایش شد و نشان داد که این فرآیند درجه سیمان بهتری تولید می کند. این سیمان در Portland Cementfabrik Stern در اشتتین ساخته شد که اولین کوره ای بود که از کوره هافمن استفاده کرد. انجمن تولید‌ کنندگان سیمان آلمان در سال 1878 استانداردی را در مورد سیمان پرتلند صادر کرد.

سیمان پرتلند مرغوب از آلمان و انگلیس به ایالات متحده رسید

سیمان پرتلند از آلمان و انگلیس به ایالات متحده وارد شده بود و در دهه های 1870 و 1880 توسط سیمان ایگل پورتلند در نزدیکی کالامازو ، میشیگان تولید می شد. در سال 1875 ، اولین سیمان پرتلند در شرکت سیمان کپلی به کارگردانی دیوید او. سیلور در کپلی ، پنسیلوانیا تولید شد. در اوایل قرن 20 ، سیمان پرتلند ساخت آمریکا بیشتر سیمان پرتلند وارداتی را جابجا کرده بود.

سیمان هیدرولیکی (سیمانی که نه تنها با واکنش با آب سخت می شود بلکه یک محصول مقاوم در برابر آب نیز تشکیل می دهد) تولید شده توسط کلینکرهای پودر کننده که اساساً از سیلیکات های کلسیم هیدرولیک تشکیل شده اند و معمولاً حاوی یک یا چند شکل از اجزا سولفات کلسیم به عنوان افزودنی قوی هستند که الزامی می باشند.

استاندارد EN 197-1

استاندارد اروپا EN 197-1 از تعریف زیر استفاده می کند:

کلینکر سیمان پرتلند ماده ای هیدرولیکی است که باید حداقل از دو سوم جرم سیلیکات های کلسیم ،  3 CaO   SiO2 و 2 CaO · SiO2  تشکیل شود ، باقی مانده شامل فازهای کلینکر حاوی آلومینیوم و آهن و سایر ترکیبات است. . نسبت CaO به SiO2 نباید کمتر از 2.0 باشد. مقدار اکسید منیزیم (MgO) نباید از جرم 5.0٪ افزایش داشته باشد.

(دو مورد آخر قبلاً در استاندارد آلمان ، صادر شده در سال 1909 ذکر شده است).

کلینکر های 90 درصد

کلینکرها بیش از 90٪ سیمان را به همراه مقدار محدودی سولفات کلسیم CaSO4 که زمان تنظیم شده را کنترل می کند و تا 5٪ مواد تشکیل دهنده جزئی (مواد پرکننده) را که طبق استانداردهای مختلف مجاز است ، تشکیل می دهند. کلینکرها گره هایی هستند (قطرها ، 0.2-1.0 اینچ [5.1-25.4 میلی متر]) از ماده پخته شده که در صورت گرم شدن مخلوط خام از ترکیب از پیش تعیین شده تا دمای بالا تولید می شود. واکنش کلیدی شیمیایی که سیمان پرتلند را از سایر آهک های هیدرولیکی تعریف می کند ، در این دمای بالا رخ می دهد.

ساخت کلینکر سیمان

کلینکر سیمان پرتلند با گرم کردن ، در یک کوره سیمان ، مخلوطی از مواد اولیه تا دمای پالایش بالاتر از 600 درجه سانتیگراد (1112 درجه فارنهایت) و سپس یک درجه حرارت همجوشی ساخته می شود، که حدود 1450 درجه سانتیگراد (2.640 درجه فارنهایت) برای سیمان های مدرن ، برای پخت مواد در کلینکر مورد استفاده قرار میگیرد.

اجزا تشکیل دهنده کلینکر سیمان

مواد موجود در کلینکر سیمان عبارتند از:

• آلیت مرغوب
• بلیت با کیفیت
• تری کلسیم آلومینات الزامی
• تتراسکلسیم آلومینو فریت مهم
• اکسیدهای آلومینیوم ترکیبی
• آهن خالص
• منیزیم عالی

 به صورت شار وجود دارند که باعث می شوند سیلیکات های کلسیم در دمای پایین تر تشکیل شوند و کمک کمی به مقاومت می کنند. برای سیمانهای خاص ، مانند انواع مقاوم در برابر گرما کم (LH) و سولفات (SR) ، لازم است مقدار آلومینات تری کلسیم 3 CaO   Al2O3تشکیل شده محدود و مقدار آن حتما تحت کنترل باشد.

سنگ آهک، ماده اصلی تولید کلینکر

ماده اصلی اصلی تولید کلینکر معمولاً سنگ آهک (CaCO3) است که با ماده دوم حاوی رس به عنوان منبع آلومینو سیلیکات مخلوط می شود. به طور معمول ، از یک سنگ آهک سخت که حاوی رس یا SiO2 است استفاده می شود. محتوای CaCO3 این سنگهای آهکی می تواند تا 80٪ پایین باشد. مواد اولیه ثانویه (مواد موجود در مخلوط خام غیر از سنگ آهک) به خصوص سنگ آهک، بستگی دارد.

برخی از مواد استفاده شده در کلینکر:

• رس
• شیل
• ماسه
• سنگ آهن
• بوکسیت
• خاکستر بادی
• سرباره

 هنگامی که کوره سیمان توسط زغال سنگ روشن می شود ، خاکستر ذغال سنگ به عنوان ماده اولیه ثانویه عمل می کند.

همچنین ببنید: طرز ساخت و تولید بتن پلیمری