شناخت انواع سیمان و مقدار درست آن در مصالح

در این مقاله تولید سیمان با کیفیت را با روش های مختلف بررسی میکنیم.

یک آسیاب سیمانی 10 مگاواتی ، تولید سیمان با سرعت 270 تن در ساعت را مدیریت میکند.

انواع سیمان

برای دستیابی به کیفیت های مطلوب تنظیم در محصول نهایی ، مقداری (2 تا ،8٪ ، اما به طور معمول 5٪) سولفات کلسیم (معمولاً گچ یا انیدریت) به کلینکر اضافه می شود و مخلوط ریز خرد می شود تا سیمان نهایی تشکیل شود پودر این در آسیاب سیمان حاصل می شود. فرآیند آسیاب سازی برای بدست آوردن پودری با دامنه وسیع اندازه ذرات کنترل می شود که در آن به طور معمول 15٪ از نظر جرم از ذرات زیر قطر 5 میکرومتر و 5٪ از ذرات بالای 45 میکرومتر تشکیل شده است. اندازه گیری ظرافتی که معمولاً مورد استفاده قرار می گیرد "سطح خاص" است، که کل سطح ذرات واحد جرم سیمان است. سرعت واکنش اولیه (تا 24 ساعت) سیمان با افزودن آب مستقیماً با سطح خاص متناسب است. مقادیر معمولی 320 تا 380 مترمربع کیلوگرم در مترمربع برای سیمانهای عمومی است، و 450-650 مترمربع کیلوگرم در مترمربع برای سیمانهای «سخت شدن سریع» است. سیمان توسط تسمه یا پمپ پودر برای ذخیره در یک سیلو منتقل می شود. کارخانه های سیمان بسته به چرخه تقاضای محلی ، معمولاً فضای سیلوی کافی برای یک تا 20 هفته تولید دارند. سیمان یا به صورت کیسه ای یا به صورت پودر فله از وسیله نقلیه تحت فشار به داخل سیلوی مشتری به مصرف کنندگان تحویل داده می شود. در کشورهای صنعتی 80٪ یا بیشتر سیمان به صورت عمده تحویل می شود.

سیمان محصولات بتنی

مجموعه های سیمان وقتی از طریق مجموعه ای پیچیده از واکنش های شیمیایی با آب مخلوط می شوند، هنوز فقط تا حدی قابل درک هستند. ترکیبات مختلف به آرامی متبلور می شوند و به هم پیوستن کریستال های آنها ، مقاومت آن را به سیمان می بخشد. دی اکسید کربن به آرامی جذب می شود تا پرتلندیت (Ca (OH) 2) را به کربنات کلسیم نامحلول تبدیل کند. پس از تنظیم اولیه ، غوطه وری در آب گرم سرعت تنظیم شدن را افزایش می دهد. گچ به عنوان یک بازدارنده برای جلوگیری از تنظیم فلش (یا سریع) اضافه می شود.

بیشترین کاربرد سیمان پرتلند در تولید بتن است. بتن ماده کامپوزیتی است که از سنگ دانه (شن و ماسه) ، سیمان و آب تشکیل شده است. به عنوان یک ماده ساختمانی ، بتن تقریباً به هر شکل دلخواه ریخته می شود و پس از سخت شدن ، می تواند به یک عنصر ساختاری (تحمل بار) تبدیل شود. بتن می تواند در ساخت عناصر سازه ای مانند تابلوها ، تیرها و مبلمان خیابان مورد استفاده قرار گیرد ، یا ممکن است برای روبناهایی مانند جاده ها و سدها ریخته شود. اینها ممکن است با بتن مخلوط شده در محل تهیه شوند یا ممکن است با بتن "آماده" ساخته شده در مکانهای مخلوط دائمی تهیه شوند. سیمان پرتلند همچنین در ملات ها (فقط با شن و ماسه و آب) ، برای گچ و ماسه ، و در دوغاب ها (مخلوط سیمان / آب که برای ایجاد تحکیم پایه ها ، بسترهای جاده و غیره به داخل شکاف ها فشرده می شوند) استفاده می شود.

هنگامی که آب با سیمان پرتلند مخلوط می شود، محصول در عرض چند ساعت غوطه ور می شود و در طی چند هفته سفت می شود. این فرآیند ها بسته به مخلوط استفاده شده و شرایط پخت محصول می توانند بسیار متفاوت باشند، اما یک بتن معمولی در حدود 6 ساعت تنظیم می شود و در 24 ساعت مقاومت فشاری 8 MPa ایجاد می کند. قدرت در 3 روز به 15 مگاپاسکال ، در یک هفته 23 مگاپاسکال ، در 4 هفته به 35 مگاپاسکال و در 3 ماه به 41 مگاپاسکال افزایش می یابد. در اصل ، تا زمانی که آب برای ادامه هیدراتاسیون در دسترس باشد ، مقاومت به آهستگی افزایش می یابد، اما معمولاً پس از چند هفته بتن خشک می شود و این باعث می شود رشد مقاومت متوقف شود و به حداکثر برسد.

پنج نوع سیمان پرتلند وجود دارد که با توجه به ASTM C150 سه نوع اول متفاوت است.

سیمان پرتلند نوع 1 به سیمان معمولی یا هدف عمومی معروف است. به طور کلی پیشفرض محسوب می شود مگر اینکه نوع دیگری مشخص شود. این ماده معمولاً برای ساخت عمومی استفاده می شود، خصوصاً هنگام ساخت بتن پیش ساخته و پیش تنیده که قرار نیست در تماس با خاک یا آبهای زیرزمینی باشد. ترکیبات نوع یک معمولی این نوع عبارتند از:

• 55٪ (C3S)
• 19٪ (C2S)
• 10٪ (C3A)
• 7٪ (C4AF)
• 2.8٪ MgO
• 2.9٪ (SO3)
• 1.0٪ افت اشتعال
• 1.0٪ CaO رایگان (با استفاده از نماد شیمی دان سیمان)

پ.ن: محدودیت در ترکیب این است که (C3A) نباید بیش از 15٪ باشد.

نوع 2 مقاومت متوسطی در برابر سولفات ایجاد می کند و در طی هیدراتاسیون گرمای کمتری از دست می دهد. این نوع سیمان تقریباً برابر با نوع 1 هزینه دارد. ترکیب معمول آن:

• 51٪ (C3S)
• 24٪ (C2S)
• 6٪ (C3A)
• 11٪ (C4AF)
• 2.9٪ MgO
• 2.5٪ (SO3)
• 0.8٪ افت اشتعال
• 1.0٪ CaO  آزاد.

پ.ن:محدودیت در ترکیب این است که (C3A) نباید بیش از 8٪ باشد.

مواد تولیدی سیمان بتن

 که آسیب پذیری آن در برابر سولفات ها را کاهش می دهد. این نوع برای ساخت و سازهای عمومی است که در معرض حمله سولفات متوسط ​​قرار دارد و برای استفاده در صورت تماس بتن با خاک و آب های زیرزمینی است ، به ویژه در غرب ایالات متحده به دلیل محتوای گوگرد زیاد خاک می باشد. به دلیل قیمت مشابه با نوع 1 ، از نوع 2 به عنوان سیمان عمومی استفاده می شود و بیشتر سیمان پرتلند فروخته شده در آمریکای شمالی دارای این مشخصات است.

توجه: مشخصات سیمان (در میان سایر موارد) مشخصات انواع 1 و 2 به طور معمول در بازار جهانی در دسترس است.

نوع 3 از مقاومت اولیه نسبتاً بالایی برخوردار است. ترکیب اصلی معمول آن:

1. 57٪ (C3S)
2. 19٪ (C2S)
3. 10٪ (C3A)
4. 7٪ (C4AF)
5. 3.0٪ MgO
6. 3.1٪ (SO3)
7. 0.9٪ افت اشتعال
8. 1.3٪ CaO آزاد.

این سیمان شبیه نوع 1 است اما ریزتر است. برخی از تولیدکنندگان یک کلینکر جداگانه با محتوای C3S و یا C3A ​​بالاتر تولید می کنند ، اما این به ندرت اتفاق می افتد و معمولاً از کلینکر هدف کلی استفاده می شود ، به طور معمول 50% تا 80٪ بالاتر از یک سطح خاص است. سطح گچ نیز ممکن است مقدار کمی افزایش یابد. این به بتن استفاده از این نوع سیمان مقاومت فشاری سه روزه برابر با مقاومت فشاری هفت روزه نوع 1 و 2 می دهد. مقاومت فشاری هفت روزه آن تقریبا برابر با مقاومت فشاری 28 روزه نوع 1 و 2 است. تنها نکته منفی این است که قدرت شش ماهه نوع 3 یکسان یا کمی کمتر از نوع 1 و 2 است. بنابراین ، قدرت طولانی مدت فدا می شود. این ماده معمولاً برای ساخت بتن پیش ساخته استفاده می شود ، جایی که مقاومت یک روزه بالا ، امکان چرخش سریع قالبها را فراهم می کند. همچنین ممکن است در ساخت و سازهای اضطراری و تعمیرات، همچنین ساخت پایه های ماشین آلات و تاسیسات دروازه ای، مورد استفاده قرار گیرد.

سیمان پرتلند نوع چهارم معمولاً به دلیل گرمای کم هیدراتاسیون شناخته می شود.

ترکیب اصلی سیمان نوع چهارم:

• 28٪ (C3S) ،
• 49٪ (C2S)
• 4٪ (C3A)
• 12٪ (C4AF)
• 1.8٪ MgO
• 1.9٪ (SO3)
• 0.9٪ افت اشتعال
• 0.8٪ CaO آزاد.

درصد (C2S) و (C4AF) نسبتاً زیاد و (C3S) و (C3A) نسبتاً کم است. محدودیت در این نوع این است که حداکثر درصد (C3A) هفت درصد و حداکثر درصد (C3S) سی و پنج درصد است. این امر باعث می شود که گرمای حاصل از واکنش هیدراتاسیون با سرعت کمتری ایجاد شود. با این حال، در نتیجه مقاومت بتن به آرامی توسعه می یابد. بعد از یک یا دو سال قدرت بعد از پخت کامل از انواع دیگر بالاتر است. از این سیمان برای سازه های بتنی بسیار بزرگ مانند سدها که نسبت سطح به حجم کمی دارند استفاده می شود. این نوع سیمان به طور کلی توسط سازندگان انتخاب نمی شود ، اما برخی ممکن است سفارش ویژه گونه ای را در نظر بگیرند. این نوع سیمان سالهاست که ساخته نمی شود، زیرا سیمانهای پرتلند - پوزولان و سرباره کوره بلند دانه کوره، جایگزین ارزان تر و قابل اطمینان تری را ارائه می دهند.

در مواردی که مقاومت سولفات مهم است از نوع پنجم استفاده می شود.

ترکیب سیمان نوع پنجم:

• 38٪ (C3S)
• 43٪ (C2S)
• 4٪ (C3A)
• 9٪ (C4AF)
• 1.9٪ MgO
• 1.8٪ (SO3)
• 0.9٪ افت اشتعال
• 0.8٪ CaO  آزاد.

این سیمان دارای ترکیبی بسیار کم (C3A) است که مقاومت سولفات بالای آن را به همراه دارد. حداکثر محتوای (C3A) مجاز برای سیمان پرتلند نوع Vبه صورت 5٪ است. محدودیت دیگر این است که ترکیب (C4AF) + 2 (C3A) نمی تواند بیش از 20٪ باشد. این نوع در بتن مورد استفاده قرار می گیرد تا در معرض خاک قلیایی و سولفاتهای آب زیرزمینی قرار گیرد که با (C3A) واکنش می دهند و باعث ایجاد انبساط مختل می شوند. این در بسیاری از مکانها در دسترس نیست ، اگرچه استفاده از آن در غرب ایالات متحده و کانادا معمول است. همانند نوع پنجم ، سیمان پرتلند نوع چهارم عمدتا با استفاده از سیمان معمولی با سرباره کوره بلند و یا سیمان مخلوط سوم حاوی سرباره و خاکستر بادی اضافه شده است.

انواع نوع یکa ، نوع دوa و نوع سه a همان ترکیب نوع 1،نوع 2  ونوع 3 را دارند. تنها تفاوت این است که در نوع یکa ، نوع دو a  و نوع سه a ، یک عامل جذب کننده هوا در مخلوط قرار می گیرد. حفره هوا باید حداقل و حداکثر مشخصات اختیاری را داشته باشد

سیمان پرتلند سفید یا سیمان پرتلند سفید معمولی (WOPC) از همه لحاظ به سیمان پرتلند معمولی ، خاکستری شبیه است به جز درجه سفید بودن زیاده  کدام که باهم متفاوت است.

- رنگ سیمان چطور تعیین می شود؟

 بدست آوردن این رنگ نیاز به مواد خام با خلوص بالا (محتوای کم Fe2O3) و برخی اصلاحات در روش تولید دارد ، از جمله دمای کوره بالاتر مورد نیاز برای پخت کلینکر در غیاب اکسیدهای فریک که به عنوان شار در کلینکر طبیعی عمل می کنند. از آنجا که Fe2O3 به کاهش نقطه ذوب کلینکر کمک می کند (به طور معمول 1450 درجه سانتیگراد) ، سیمان سفید به دمای پخت بالاتر (حدود 1600 درجه سانتیگراد) نیاز دارد. به همین دلیل ، تا حدودی گرانتر از محصول خاکستری است. نیاز اصلی داشتن محتوای آهن کم است که باید کمتر از 0.5 درصد وزنی باشد که برای سیمان سفید به عنوان Fe2O3 بیان می شود و برای سیمان سفید رنگ کمتر از 0.9 درصد وزنی است. همچنین به داشتن اکسید آهن به عنوان اکسید آهن (FeO) کمک می کند که از طریق شرایط کمی کاهش در کوره بدست می آید ، یعنی با اکسیژن اضافی صفر در خروجی کوره کار می کند. این به کلینکر و سیمان رنگ سبز می بخشد. اکسیدهای فلزی دیگر مانند Cr2O3 (MnO  سبز و صورتی) ، TiO2 (سفید) و غیره ، در محتوای کمیاب ، همچنین می توانند رنگ ایجاد کنند ، بنابراین برای یک پروژه خاص بهتر است از سیمان یک دسته استفاده کنید.

انواع سیمان نوع 2 (MH) و سیمان نوع 2 (MH) a ترکیبی مشابه انواع نوع 2 و نوع 2a  دارند اما با گرمای ملایم که در درجه سوزاننده پخت نمی شوند.

- مضررات سیمان برای انسان

کیسه های سیمان به طور معمول بر روی آنها هشدارهای بهداشتی و ایمنی چاپ شده است، زیرا نه تنها سیمان بسیار قلیایی است ، بلکه روند گیراییش نیز گرمازا است. در نتیجه ، سیمان مرطوب به شدت سوزاننده است و اگر به سرعت با آب شسته نشود ، می تواند به راحتی باعث سوختگی شدید پوست شود. به همین ترتیب ، پودر سیمان خشک در تماس با غشاهای مخاطی می تواند باعث تحریک شدید چشم یا تنفس شود. واکنش گرد و غبار سیمان با رطوبت در سینوس ها و ریه ها همچنین می تواند باعث سوختگی شیمیایی ، همچنین سردرد ، خستگی ،  و سرطان ریه شود.

تولید سیمان های نسبتاً کم قلیایی (pH <11) منطقه ای است که در حال بررسی است.(این منطق هنوز در حال بررسی و امتحان است)

در اسکاندیناوی ، فرانسه و انگلستان ، سطح کروم (نوع پنجم) که سمی و محرک اصلی پوست تلقی می شود، ممکن است از 2 قسمت در میلیون (ppm) فراتر نرود.

- شرایط قرارگیری انسان در معرض تولید سیمان

در ایالات متحده ، سازمان ایمنی و بهداشت شغلی (OSHA) محدودیت قانونی (حد مجاز مواجهه) برای قرار گرفتن در معرض سیمان پرتلند در محل کار را 50 مگاپیکسل (میلیون ذره در هر فوت مکعب) در یک روز کاری 8 ساعته تعیین کرده است. انستیتوی ملی ایمنی و بهداشت شغلی (NIOSH) حد مجاز قرارگیری (REL) در معرض 10 میلی گرم در متر مکعب و در معرض تنفس 5 میلی گرم در متر مکعب را برای یک روز کاری 8 ساعته تعیین کرده است. در سطح 5000 میلی گرم در متر مکعب ، سیمان پرتلند بلافاصله برای زندگی و سلامتی خطرناک است.

تولید سیمان پرتلند می تواند در تمام مراحل فرآیند اثرات زیست محیطی ایجاد کند. اینها شامل انتشار آلودگی هوا به صورت گرد و غبار است. گازها صدا و ارتعاش هنگام کار با ماشین آلات و هنگام انفجار در معادن ، مصرف مقادیر زیاد سوخت در طول تولید، انتشار CO2 از مواد اولیه در حین ساخت و آسیب به حومه از معدن است که تجهیزات برای کاهش انتشار گرد و غبار در هنگام استخراج و تولید سیمان به طور گسترده ای مورد استفاده قرار می گیرد و تجهیزات برای به دام انداختن و جدا کردن گازهای خروجی بیشتر در حال استفاده است. حفاظت از محیط زیست همچنین شامل ادغام مجدد معادن در حومه پس از بسته شدن آنها با بازگشت آنها به طبیعت یا کشت مجدد آنها است.

یادداشت ها و گزارش های اپیدمیولوژیک قرار گرفتن در معرض دی اکسید گوگرد در کارخانه های سیمان پرتلند ، از مراکز کنترل بیماری ، اظهار می دارد:

کارگران در تاسیسات سیمان پرتلند ، به ویژه افرادی که در حال سوزاندن سوخت حاوی گوگرد هستند ، باید از اثرات حاد و مزمن قرار گرفتن در معرض SO2 (دی اکسید گوگرد)آگاه باشند و غلظت اوج و تمام تغییر SO2 باید به طور دوره ای اندازه گیری شود.

یک تلاش تحقیقاتی مستقل از AEA Technology برای شناسایی مسائل مهم صنعت سیمان امروز نتیجه گرفت مهمترین مسائل مربوط به عملکرد محیط زیست ، بهداشت و ایمنی صنعت سیمان انتشارات جوی است (از جمله انتشار گازهای گلخانه ای، دیوکسین ، NOx ، SO2 و ذرات معلق) ، حوادث و کارگران در معرض گرد و غبار قرار دارند.

به طور کلی، با استفاده از انرژی هسته ای یا برق آبی و تولید کارآمد ، تولید CO2 می تواند به 0.7 کیلوگرم در هر کیلوگرم سیمان کاهش یابد ، اما می تواند دو برابر بیشتر باشد. محور نوآوری در آینده کاهش منابع 1 و 2 با اصلاح شیمی سیمان ، استفاده از مواد زائد و اتخاذ فرآیندهای کارآمدتر است . اگرچه ساخت سیمان به طور واضح یک ساطع کننده CO2 بسیار بزرگ است ، بتن (که سیمان حدود 15٪ آن را تشکیل می دهد) در این زمینه با سایر سیستم های ساختمانی کاملاً مطلوب است.

برای سوخت در کارخانه سیمان از چه چیز هایی استفاده می شود؟

لاستیک های غیر قابل استفاده و فرسوده با شعله های سوزناک بالا و تموم شدن سوخت دیرتر.

با توجه به درجه حرارت بالا در داخل کوره های سیمان ، همراه با جو اکسید کننده (غنی از اکسیژن) و مدت زمان اقامت طولانی ، کوره های سیمان به عنوان یک گزینه پردازش برای انواع جریان های زباله استفاده می شود. در واقع ، آنها به طور موثر بسیاری از ترکیبات آلی خطرناک را از بین می برند. جریان های زباله نیز اغلب حاوی مواد قابل احتراق هستند که امکان جایگزینی بخشی از سوخت فسیلی را که به طور معمول در این فرآیند استفاده می شود، می دهند.

مواد زائد مورد استفاده در کوره های سیمان به عنوان مکمل سوخت:

• لاستیک اتومبیل و کامیون - تسمه های استیل به راحتی در کوره ها قابل تحمل هستند
• مخزن رنگ صنایع خودرو سازی
• حلالها و روان کننده های غیر قابل استفاده
• کنجاله گوشت و استخوان - ضایعات کشتارگاه به دلیل نگرانی های مربوط به آلودگی انسفالوپاتی اسفنجی گاو
• پلاستیک های غیرقابل بازیافت
• لجن فاضلاب
• پوسته برنج
• ضایعات نیشکر
• ریل  راه آهن
• آستر غیرقابل استفادع صنعت ذوب آلومینیوم (بوش گلدان بدون استفاده نیز نامیده می شود)

تولید سیمان پرتلند همچنین امکان استفاده از محصولات جانبی صنعتی حاصل از زباله را دارد.

 این موارد به طور خاص شامل موارد زیر است:

• سرباره
• خاکستر پرواز (از نیروگاه ها)
• بخار سیلیس (از کارخانه های تولید فولاد)
• گچ مصنوعی (از گوگرد زدایی)