تعريف وصناعة الأسمنت وانواع الاسمنت وخصائصه

تعريف الإسمنت:

ما هو الاسمنت؟

الإسمنت هو مادة ناعمة ولاصقة إذا أضيف لها الماء تتحول إلى عجينة إسمنتية طرية، ثم تتحول بعد فترة من الزمن إلى مادة صلدة، وتكتسب مع الوقت مقاومة خصوصا إذا وضعت في الماء (ولذلك يسمى بالإسمنت الهيدروليكي).

ويتكون بشكل رئيسي من أكسيد الكالسيوم (CaO) وثاني أكسيد السليكون (SiO2) وأكسيد الألمنيوم (Al2O3) وأكسيد الحديد (Fe₂O₃) ويضاف لها كبريت الكالسيوم بعد الحرق.

صناعة الإسمنت:

يصنع الاسمنت من خليط من الحجر الكلسي بنسبة ٧٥ % و ٢٥ % من الطين. ويمكن إضافة خام الحديد أو الرمل إذا كان الطين يحتوي على نسبة ضعيفة من أكسيد الحديد أو أكسيد السيليكون.

وتمر صناعة الإسمنت بالمراحل الرئيسية التالية :

1. تجهيز المواد اخام :

تستخرج المواد الخام من المحاجر القريبة من المصنع. ثم يتم تكسيرها إلى حبيبات في شكل حصى يتراوح مقاسها بين ١٠ و ٥٠ مم. ثم نحزن هذه المواد في مخازن معدة لهذا الغرض، وبعدها تسحب من المخازن وتطحن ونجهز بإحدى الطرق التالية :

♦ الطريقة الرطبة : تطحن المواد على شكل عجين Slurry تحتوي على حوالي ٣٢ – ٤٠ % من الماء. وتستعمل إذا كانت نسبة الرطوبة في المواد الخام عالية. ومن أهم مميزاتها أنها تساعد على تجانس المواد الخام قبل دخولها إلى الفرن.

♦ الطريقة النصف رطبة : للتخلص من كمية كبيرة من الماء الموجود في العجين لتخفيض استهلاك الوقود في عملية الحرق.

♦ الطريقة النصف جافة : تشكل البودرة في شكل كرات صغيرة بواسطة صحن دوار، ويضاف إلى المواد الأولية المطحونة نسبة قليلة من الماء حتى تتكون كرات صلبة قطر الواحدة منها حوالي ١٥ مم.

♦ الطريقة الجافة : وهي الطريقة الأحدث والأكثر شيوعا، حيث تجفف المواد وتطحن في شكل بودرة Powder. وهي نتاج للتطور الكبير في تكنولوجيا صناعة الإسمنت، ولا تستهلك من الطاقة سوى ٦٠ % من الوقود الذي يحتاجه الطريقة الرطبة. وسيكون التركيز على الطريقة الجافة في هذا المقال.

2. التخزين :

تخزن المواد الخام المطحونة (في شكل بودرة) في صوامع Silos خاصة. وفي هذه الفترة يتم تعديل تركيبتها الكيميائية وذلك بالتحكم في نسب العناصر الأساسية (أكسيد الكالسيوم وثاني أكسيد السليكون وأكسيد الألمنيوم وأكسيد الحديد). كما يتم العمل على تجانسها وذلك بخلطها باستعمال الهواء المضغوط.

3. الحرق :

تمر البودرة عبر ٤ أو ٥ طوابق حدث تتعرض إلى درجة حرارة تصاعدية لتصل في أسفل الطوابق إلى ٩٥٠°. ثم تدخل الفرن لتحرق عند درجة حرارة تصل إلى ١٤٨٠°. والفرن دائري و اسطواني الشكل وله ميل بسيط عن الأفق بدرجة (٢ – ٥°)، ويدور حول سوره المائل من ١ – ٢ دورة في الدقيقة. ويصل قطر الفرن إلى ٥ م وطوله إلى ٧٠ م.

وتمر المادة خلال عملية الحرق بمراحل ثلاثة :

♦ مرحلة تحول المادة الكلسية CaCO3 إلى أكسيد الكالسيوم CaO عند ٩٥٠°.

♦ ذوبان المواد الرئيسية (أكاسيد الكالسيوم والسليكون والألمنيوم والحديد) في حرارة تتراوح بين ١٢٥٠° و ١٣٥٠°.

♦ مرحلة الانصهار بين المواد المختلفة والحصول على مواد جديدة وهي :

 سيليكات ثلاثي الكالسيوم C3S

 سيليكات ثنائي الكالسيوم C2S

 ألومينات ثلاثي الكالسيوم C3A

 حديدي ألومينات رباعي الكالسيوم C4AF

ويطلق على المواد الجديدة المتكونة اسم الكلنكر Clinker الذي هو عبارة عن حبيبات صغيرة يتراوح حجمها بين ٣ – ٢٥ مم. ونخرج من منطقة الحرق إلى مبردات خاصة لتبريده إلى درجة حرارة ١٠٠ – ٢٠٠°، ثم ينقل إلى مخازن الكلنكر.

4. الطحن :

يطحن الكلنكر في مطاحن كرات مع إضافة الجبس بنسبة ٣ – ٥ % وذلك لتعديل (تأخير) زمن الشك. ويتم الطحن لدرجة نعومة معينة، فيخرج الإسمنت في شكله النهائي حيث ينقل بواسطة مضخات هوائية إلى مخازن.خاصة

ويمكن تعبئة الإسمنت في أكياس من ورق الكرافت سعة ٥٠ كجم، كما يمكن أن ينقل الإسمنت السائب بواسطة سيارات خاصة إلى الخلاطات المركزية أو المشاريع الضخمة ليفرغ في مخازن صغيرة.

أنواع الإسمنت:

هناك أنواع عديدة من الإسمنت، من أهمها وأكثرها انتشاراً في العالم الإسمنت البورتلاندي. وقد صنفت المواصفات السعودية الإسمنت إلى (٥) أصناف موضحة في الجدول التالى :

أنواع الإسمنت المختلفة حسب المواصفات السعودية

خواص الإسمنت :

الخواص الكيميائية :

تجرى عادة التحاليل والاختبارات الكيميائية لمراقبة عمليات صناعة الإسمنت وذلك للتأكد من تطابق التركيبة الكيميائية للمواد الخام لمتطلبات الإنتاج مع التركيبة النهائية للكلنكر. كما أن التحاليل تحرى على المادة النهائية المصنعة وهي الإسمنت للتأكد من جودة الإنتاج ومطابقتها للمواصفات.

والجدول التالى يوضح نسب مركبات الإسمنت لأنواعه المختلفة حسب المواصفات الأمريكية.

مركبات الأنواع المختلفة من الإسمنت طبقا للمواصفات الأمريكية

الخواص الفيزيائية :

– النعومة Fineness :

كلما كان الإسمنت أكثر نعومة كلما كانت المساحة السطحية Specific Surface أكبر. وتؤثر النعومة على العناصر التالية :

♦ نسبة التفاعل الكيميائي : كلما كان الإسمنت ناعماً كلما كان أسرع للتفاعل مع ماء الخلط. وإذا كانت الحبيبات خشنة فإن عملية التفاعل الكيميائي لا تتم بشكل كاف.

♦ تطور المقاومة : تكون عملية التصلد للإسمنت الناعم أسرع منها في الإسمنت الخشن. وتمكن النعومة العالية من الحصول على مقاومة مبكرة أكبر.

♦ كمية الإسمنت الضرورية لتغليف حبيبات الركام : فكلما كانت حبيبات الإسمنت ناعمة كلما أمكنها تغطية حبيبات الركام من حصى ورمل.

وتعين النعومة في المواصفات القياسية عن طريق تحديد المساحة السطحية النوعية للإسمنت باستخدام جهاز بلين. وتشترط المواصفات السعودية حدا أدنى لنعومة الإسمنت مقداره (٢٢٥٠) سم2/جم. ويمكن تقسيم نعومة الأسمنت إلى ثلاثة أنواع :

♦ اسمنت خشن : رقم بلين أقل من ٢٨٠٠ سم2/جم.

♦ اسمنت ناعم : رقم بلين أكبر من ٤٠٠٠ سم2/جم.

♦ اسمعت ناعم جداً : رقم بلين من ٥٠٠٠ إلى ٧٠٠٠ سم2/جم.

– الكثافة Density :

يتراوح الوزن النوعي للإسمنت البورتلاندي من 3 إلى 3.2 جم/سم3 . ويحدد باستخدام البكنوميتر. أما الوزن الحجمي للإسمنت البورتلاندي فيتراوح بين 0.9 و1.3 جم/سم3. وهذه الخاصية لها علاقة وثيقة بنعومة الإسمنت.

– القوام القياسي Normal Consistency :

الغرض منه هو تحديد نسبة الماء المثالية (الماء/الإسمنت) للحصول على عجينة قياسية باستعمال جهاز فيكات Vicat المحمل بالأسطوانة.

وتتراوح م/س للإسمنت البورتلاندي العادي بين 0.25 و 0.30.

– زمن الشك Setting Time :

عند خلط الاسمنت بالماء، يتم الحصول على عجينة تقل لدونتها تدريجيا مع الوقت. وبعد مدة يظهر نوع من التماسك الأولى في العجينة الاسمنتية يسمى هذا الوقت الشك الابتدائي Initial Setting Time. وعندما تبدأ العجينة في تصلبها لتحمل وزنا معيناً تكون قد وصلت إلى الشك النهائي Final Setting Time. وهذا الوقت المنقضي بين بداية خلط الاسمنت مع الماء والشك الابتدائي هو ما يسمى بزمن الشك، وهو مهم جدا لعملية تشغيل الخرسانة (خلطها ونقلها وصبها وهزها وتشطيبها).

وهناك عدة عوامل تؤثر على زمن الشك أبرزها نوع الإسمنت (التركيب الكيميائي) ونعومته وكمية الماء ودرجة الحرارة ونسبة المواد المضافة (مبطئات أو معجلات الشك). ويتم تحديده على عجينة قياسية في درجة حرارة محددة وباستعمال جهاز فيكات المحمل بالإبرة. وحسب المواصفات السعودية، فانه يجب ألا يقل الشك الابتدائي عن ٤٥ دقيقة و ألا يزيد الشك النهائي عن ١٠ ساعات.

– ثبات الحجم Soundness :

يقصد بثبات حجم الأسمنت عدم زيادة حجمه بعد تصلبه. فزيادة حجم تسبب تشرخ وتفتت الإسمنت المتصلب، وتنتج من تواجد بعض المركبات بالإسمنت مثل الجير الحر CaO (غير المتحد) وزيادة كمية الماغنسيوم وزيادة كمية الجبس.

وحسب المواصفات السعودية، فإن اختبار الثبات بجرى بواسطة جهاز لوشاتليه LeChatelier.

جهاز لوشاتليه المكون من قالب وابرتين

ويعتبر الاختبار بسيطا حدث يملأ القالب بعجينة إسمنتية قياسية ويغطى بلوحين من الزجاج. ثم يترك لمدة ٢٤ ساعة في ماء حرارته ٢٠ْْ°، ثم يرفع وتقاس المسافة بين طرفي مؤشري القالب م١. ثم يوضع القالب في ماء في حالة غليان لمدة ساعة. وبعد ذلك تقاس مرة ثانية المسافة بين طرفي مؤشري القالب م٢. ثم حسب الفرق بين القياسين (م٢- م١) ، فيكون ذلك معبرا عن تمدد الإسمنت. وتنص المواصفات على ألا يزيد هذا التمدد عن ١٠ مم.

الخواص الميكانيكية :

تعتبر مقاومة الإسمنت للضغط هي الخاصية الهامة في استخداماته، أما مقاومة الشد له فهي بسيطة وليست بذات أهمية. ومقاومة الإسمنت الصافي أكبر من مقاومته إذا خلط بالرمل. وتزداد المقاومة في العمر الأول (حوالي ٧ أيام) بشكل واضح وكبير، ويقل معدل الزيادة بعد ذلك مع مرور الزمن تدريجياً لانخفاض درجة التفاعل. وقد يستغرق الأمر عدة سنوات حتى تستكمل التفاعلات وتتحقق المقاومة النهائية، إلا أن الزيادة في المقاومة بعد ٢٨ يوماً تكون عادة محدودة وتعتبر المقاومة المتحققة في هذا الوقت كافية لتقاوم الخرسانة الأجمال الواقعة عليها. ولهذا اختارت المواصفات العالمية هذا الزمن (٢٨ يوماً) معيارا لجودة الخرسانة، وإن كانت بعض المواصفات تسعى مع تطور صناعة الخرسانة لاختيار أوقات مبكرة مثل (٣ و ٧ و ١٤ يوماً) وخاصة في الطقس الحار كما هو الحال في المملكة.

ويجب أن لا يقل متوسط مقاومة الضغط لأنصاف المنشورات (مقاس المنشور : ٤٠×٤٠×١٦٠ مم) عن الحد الأدنى للمتوسط المطلوب في المواصفات السعودية كما هو مبين في الجدول التالي :

مقاومة الضغط المطلوبة لكل نوع من الإسمنت (م ق س)

وبجانب تأثير النعومة على عملية التصلد، فإن درجة الحرارة والرطوبة لهما دور كبير في التأثير على تطور المقاومة مع الزمن. ولذلك فإنه لا يمكن التوصل إلى مقاومة جيدة إلا بالمعالجة في ظروف رطبة مستمرة. أما إذا تعرضت الخرسانة إلى هواء حار وجاف فإن ذلك يؤدي إلى الحصول على مقاومة أقل بكثير من تلك الي يتحصل عليها بالمعالجة الرطبة.

تخزين الإسمنت:

تخزين الإسمنت في مخازن مغلقة، مانعة لتسرب الماء، ذات تهوية بشكل جيد لمنعه من امتصاص الرطوبة. ويخزن الإسمنت السائب داخل صوامع Silos منفصلة لكل نوع صومعة. ويكون السطح الداخلي للصوامع ناعما، ويكون قعرها مائلا بما لا يقل عن ٥٠ درجة عن المستوى الأفقي للصوامع الدائرية وميل يتراوح بين ٥٥ و ٦٠ درجة للصوامع المستطيلة.

ويفضل تخزين أكياس الإسمنت في مجموعات على ألواح خشبية أو معدنية لضمان حسن التهوية. ولا يزيد ارتفاع رصة الأكياس عن ١٤ صفاً عند تخزينها لمدة لا تزيد عن ٦٠ يوماً. أما إذا زادت مدة التخزين عن ذلك، فلا يزيد ارتفاع رصة أكياس الإسمنت عن ٧ صفوف. وعند استعمال الأسمنت المعبأ داخل الأكياس، فيراعى قدر الإمكان استعمال الإسمنت الأقدم أولا.

ضبط الجودة:

1. اختبارات القبول :

تختبر جميع الشحنات الآتية من مصدر يختلف عن مصدر الشحنات السابقة المختبرة وذلك قبل توريدها إلى الموقع، وتسمي اختبارات القبول. وتشمل الاختبارات التالية :

النعومة (جهاز بلين)، زمن الشك (جهاز فيكات)، ثبات الحجم (جهاز لوشاتليه)، مقاومة الضغط، معامل التشبع بالجير والتحليل الكيميائي (المواد المتبقية غير القابلة للذوبان، أكسيد المغنيسيوم، الكبريت الكلي والفقد بالحرق).

2. الاختبارات الدورية :

إذا لم يتغير مصدر الشحنة، فيتم إجراء الاختبارات الدورية لكل ١٠٠٠ طن مورد إلى الموقع. كما يتم إجراء الاختبارات الدورية على الإسمنت الذي مضي على تخزينه أكثر من ٣ أشهر وذلك قبل استعماله. وتشمل الاختبارات الدورية اختبارات النعومة وزمن الشك ومقاومة الضغط.

وأنضحك بالإطلاع على هذة المقالة المنفصلة بعنوان الأسمنت الأبيض-تعريف وصناعة واستخدامات الأسمنت الأبيض

فى النهاية اخر نقطة انت من ستضيفها فى التعليقات، شارك غيرك ولا تقرأ وترحل.