الإسمنت هو مادة رابطة تتصلب وتقسى فتملك بذلك خواصاً تماسكية وتلاصقية بوجود الماء مما يجعله قادراً على ربط مكونات الخرسانة بعضها ببعض، يعد الإسمنت البورتلاندي الأكثر استعمالا في البناء كصناعة الخرسانة و تغطية الحوائط. لنتعرف في هذا المقال على الإسمنت البورتلاندي و مراحل تصنيعه.
يعتبر الأسمنت البورتلاندي أهم رابط هيدروليكي ، على الرغم من أنه معروف منذ ما يزيد عن 150 عامًا. ويعود اسم الإسمنت البورتلاندي إلى لونه الرمادي المائل للخضرة ، نسبة إلى الصخور الموجودة في مدينة بورتلاند الإنجليزية.
في الأساس يتم الحصول على الإسمنت البورتلاندي عن طريق حرق خليط من الحجر الجيري مع الطين بنسب مناسبة عند درجة حرارة 1500 درجة مئوية ويتم طحن المواد الناتجة إلى أن تصبح دقيقة. الناتج المحروق يسمّى "الكلنكر" يتم طحنه بعد أن يبرد مع إضافة القليل من الجبص (لضبط سرعة التصلب) للحصول على الإسمنت.
الخصائص الأساسية للإسمنت هي مقاومته الميكانيكية (الضغط ، الشد ، و الإنحناء) ولكن هناك خصائص أخرى تسهل أو تعيق الحفاظ على هذه الروابط أو تطبيقها ، مثل المقاومة الكيميائية (لمياه البحر ، المياه الكربونية) ، وسرعة التفاعل مع الماء (الترطيب) ، خلط الإسمنت و الماء ينتج عنه تفاعل ناشر للحرارة. الحرارة الناتجة إذا كانت عالية يمكن أن تجعل الإنشاءات الخرسانية في الكتل الكبيرة صعبة كالسدود مثلا، إذ يمكن أن ينتج عن حرارة التفاعل شقوق عند التصلب . يتكون الكلنكر في الإسمنت البورتلاندي من 60٪ إلى 80٪ من السيليكات. كلما سادت مادة ثلاثي الكالسيوم ، كلما أعطت الخرسانة قوتها بشكل أسرع. في الجدول أسفله نعرض خصائص مكونات الإسمنت البورتلاندي:
وفقًا لما ذكر فإن اكثر ما يهم في الاسمنت كمادة للبناء ، هو مقاومته الميكانيكية، لذا فالمكونات المرغوبة ستكون S3C و S2C. المنتج الذي يعتمد فقط على سيليكات الكالسيوم يعني استخدام SiO2 و CaO (الرمل والحجر الجيري) كمواد خام سيكون من الصعب الحصول على الكلنكر المرغوب نظرًا لانخفاض قابلية هذه المواد للانصهار وبطء التفاعلات بين المواد الصلبة. لذا، عندما يكون Fe2O3 و Al2O3 متواجدًا ، فإنه يسمح بتكوين ألومينات الحديد و الألومينات عند درجة حرارة منخفضة (حوالي 1300 درجة مئوية) فإنصهار هاتين المادتين يسمح بظهور مرحلة سائلة أثناء الحرق ، الذي يساهم في إذابة الجير والسيليكا لتسهيل عملية الحرق و الحصول على الكلنكر. لهذا السبب ، يُطلق على Fe2O3 و Al2O3 اسم "مواد صاهرة"، إذا كانت المواد الخام لا تحتوي عليها بنسب كافية ، فيجب إضافة رماد البيريت (Fe2O3) أو البوكسيت.
للحصول على الكلنكر يجب توفيرالمواد الخام الكافية: الحجر الجيري والطين. في بعض الأحيان لا تكفي مادتا خام فقط ومن الضروري اللجوء إلى مادة أو اثنتين أخريين: السيليكا (الرمل) لتقوية نسبة السيليكونات ، والبوكسيت أو خام الحديد (رماد البيريت ، على سبيل المثال)كمواد صاهرة. يتم طحن المواد بدقة لتسهيل عملية الحرق وخلطها وفقًا للمقاييس المطلوبة. من الضروري أن يكون الخام الذي يصل إلى الفرن مطحونًا بشكل كافٍ ، بمقاييس مضبوطة بالإضافة إلى خلطه بشكل جيد. يمكن إجراء الطحن والجرعات والخلط في وقت واحد عن طريق إرسال المواد الخام إلى المطحنة في نفس الوقت. ويمكن في هذه المرحلة إضافة الماء أم لا، هذا يعني ان هناك طريقتين لتصنيع الكلنكر الطريقة الرطبة و الطريقة الجافة. تتميز الطريقة الرطبة بأن الطين الذي يتم الحصول عليه يسمح بتجانس أفضل ، على الرغم من أنه يكون على حساب الحاجة إلى تبخير ذلك الماء في الفرن ، أي أنه سيحتاج إلى كمية طاقة إضافية لتحقيق ذلك. وإضافة إلى ذلك، يمكن اللجوء إلى الطريقة الرطبة على وجه الخصوص عندما يكون للطين رطوبة عالية لدرجة أنه لا يمكن طحنها دون التجفيف المسبق. يمكننا القول أن اختيار الطريقة يتوقف أساساً على عدد من العوامل التقنية والاقتصادية كدرجة تركيز الإنتاج واستهلاك الطاقة.
بعد الطحن و الخلط الجيد للمواد الخام يتم حرق الخليط، في أفران رأسية أو في أفران دوارة ، والتي نظرًا لقدرتها الإنتاجية الكبيرة ، فهي مناسبة بشكل خاص في صناعة حمولة كبيرة.
ينتج عن حرق الحجر الجيري مع الطين التفاعلات التالية:
1. يجف الطين ويصبح ميتاكولين ، عند حوالي C° 900 درجة مئوية. عادة ما تبقى تركيبات الحديد الموجودة في الطين على شكل أكسيد.
2. يتفكك الحجر الجيري CaCO3 إلى أكسيد الكالسيوم CaO وثنائي أكسيد الكاربون CO2 ، أيضًا عند حوالي °C 900 درجة مئوية.3
3. عند بلوغ درجة حرارة تفوق C° 1000 درجة مئوية ، تبدأ تفاعلات لتكوين مواد جديدة وهي كالأتي:
أ) يأخذ كل مول من أكسيد الحديد (Fe2O3) مولًا آخر من أكسيد الألومنيوم (Al2O3) و 4 مولات من أكسيد الكالسيوم (CaO) للحصول على ألومینات حدید رباعي الكالسیوم (Al2O3 · Fe2O3 · 4 CaO).
ب) إذا كانت نسبة Al2O3/ Fe2O3أكبر من واحد (وهو الأكثر شيوعا) ، فإن المتبقّى من Al2O3 يندمج مع CaO بنسبة 1:3 للحصول على ألومينات ثلاثي الكالسيوم Al2O3 · 3 CaO
ب) إذا كانت نسبة Al2O3 / Fe2O3 أقل من 1 (الأقل شيوعا)، فإن المتبقّى من Fe2O3 يأخذ مولين من CaO للحصول على ثالث أكسيد حديد ثنائي الكالسيوم Fe2O3 · 2 CaO.
ج)بمجرد تغطية التشبع الكلسي لأكسيدات الحديد والألومينا ، يأخذ SiO2 الجير اللازم لتكوين سيليكات ثنائي الكالسيوم SiO2 · 2 CaO
د) يتحد الجير المتبقي مع SiO2 · 2 CaO للحصول على سيليكات ثلاثي الكالسيوم SiO2 · 3 CaO. إذا كان هناك فائض من الجير ، فإنه يظل كالجير الحر CaO ؛ في حالة نقصانه ، يتم تكوين نسب مختلفة من كل من سيليكات ثنائي الكالسيوم و ثلاثي الكالسيوم.
المكونات الرئيسية لكلنكر الإسمنت هي:
یبرد الكلنكر عند الخروج من الفرن عن طريق التبريد السريع. خلاف ذلك ، يتحلل S3C إلى S2C والجير الحر ، وبصرف النظر عن فقدان مكون S3C ، فإن الجير الحر ضار لأنه يرطب ببطء - بعد أن يتماسك الأسمنت - ويسبب التمدد والتشقق. يتم التبريد في تيار من الهواء ، في أسطوانات دوارة. بمجرد أن يبرد ، يطحن الكلنكر مع إضافة الجبس (كبريتات الكالسيوم) بنسبة لا تتعدّى 4٪ في مطاحن أنبوبية لإنتاج مسحوق ناعم يمكن ترطيبه بسهولة عند مزجه مع الماء. المنتج المطحون يتم تخزينه في صوامع وشحنه في أكياس أو سوائب. في الصورتين أدناه نجد رسم تخطيطي لسلسلة عمليات تصنيع الأسمنت البورتلاندي بالطريقتين الرطبة و الجافة.
تسلسل عمليات تصنيع الأسمنت البورتلاندي بالطريقة الرطبة
تسلسل عمليات تصنيع الأسمنت البورتلاندي بالطريقة الجافة
في جميع البلدان تقريبًا ، يتم توحيد تركيبات الأسمنت البورتلاندي لضمان توافر أنواع مختلفة وفقًا للاحتياجات: الإسمنت المنخفض الحرارة ، المقاوم للكبريتات ، السريع ، العادي ، عالي القوة .يعتمد معيار تصنيفها وتقييمها على نسبة مكونات الأسمنت البورتلاندي.
تعرّف على الكاتب: سهام أمصري
