در سال  ۱۷۵۶ میلادی بنایی به نام جان اسمیتون که کار باز سازی چراغ دریایی ادیستون در ساحل جنوب غربی انگلستان را بر عهده داشت ، به این نتیجه رسید که بهترین ملات زمانی بدست می اید که مواد پوزولانی با سنگ آهک حاوی مقدار زیادی از مواد رسی مخلوط شود. اسمیتون اولین شخصی بود که خواص شیمیایی اهک پی برد.

ترکیبات سیمان

مواد خام اصلی مورد مصرف برای ساخت سیمان عبارتند از: آهک ، سیلیس ، آلومینا و اکسید آهن ، که بیشترین مواد تشکیل دهنده مواد تشکیل دهنده آن آهک و سیلیس است. این مواد را به نسبت ها و درصدهای معین با هم مخلوط و آسیاب کرده و در کوره می پزند ، در زیر به بررسی خصوصیات و ویژگی های هر یک از اکسیدهای اصلی تشکیل دهنده مواد اولیه در ساخت سیمان می پردازیم.

آهک زنده یا اکسید کلسیم ( CaO ) : آهک از مهمترین و اصلی ترین مواد مورد استفاده در ساخت سیمان است ، اکسید کلسیم از پختن سنگ آهک یا کربنات کلسیم در حرارت حدود هزار درجه سانتی گراد به دست می آید. این عمل به طور جداگانه صورت نمی گیرد ، بلکه در فرآیند تولید سیمان ، و در موقع حرارت دادن پودر مخلوط آهک و خاک رس ابتدا ذرات آهک ( کربنات کلسیم ) در حرارت حدود ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد مطابق واکنش زیر پخته شده و تبدیل به اکسید کلسیم و یا آهک زنده می شود. در این گرما آب شیمیایی خاک رس نیز از ان جدا می شود.

در درجه حرارت بیشتر از ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد ، اکسید کلسیم ( آهک زنده ) با اکسید های سیلسیم ، آلمینیوم و آهن ترکیب شده و اکسیدهای مرکب تشکیل می شوند.

سیلیس ( SiO2 ) : این ماده که در اغلب سنگ های طبیعی یافت می شود یکی از مواد اصلی در ساخت سیمان پرتلند است. وقتی سیلیس حرارت داده می شود در ساختمان کریستالی آن یک سری تغییرات به وجود می آید. در کوره سیمان پزی بیش از ۱۲۰۰ درجه سانتیگراد سیلیس با آهک ترکیب می شود و دو کلسیم سیلیکات و سه کلسیم سیلیکات تشکیل می شود. خاک رس معمولی دارای مقادیر زیادی سیلیس است. میزان سیلیس مورد نیاز ۱۷ تا ۲۶ درصد وزن سیمان است که چنانچه نتوان این مقادیر را با استفاده از خاک رس معمولی تامین کرد می توان آن را با استفاده از سایر منابع تامین کرد.

آموینا ( Al2O3 ) : آلومینا ، همان اکسید آلمینیوم خالص است که مقادیر زیادی از آن در خاک رس وجود دارد. خالص ترین نوع خاک رس ، کائولینیت ( Al2O3 , 2SiO2 , 2H2O ) است که در آن آلومینا حدود ۴۰ درصد وزن مولکولی کل این ماده را دارد. آلومینا در سیمان پزی اثر گداز آور و در هنگام پخت سیمان ، درجه آب شدن و پخت مواد خام را کاهش می دهد. از نظر شیمی سیمان ، در اثر حرارت داخل کوره دوار با آهک ترکیب شده در تشکیل سه کلسیم آلومینات را می دهد. وجود این اکسید مرکب در داخل سیمان تولیدی باعث می شود که سیمان زودگیرتر شود و در هنگام ترکیب سیمان با آب حرارت بیشتری ایجاد شود.

ملات سیمانی که فاقد اکسید سه کلسیم آلومبنات باشد در برابر آب دریا و سایر آبهای سولفات دار مقاوم است و خراب نمی شود.

اکسید آهن ( Fe2O3 )

اکسید فریک نیز همانند آلومینا در سیمان پزی نقش گداز آور را دارد و باعث کاهش درجه آب شدن مواد خام در داخل کوره سیمان پزی می شود. این اکسید در داخل کوره و در هنگام پخت به همراه آلومینا با آهک ترکیب شده و تشکیل اکسید مرکب چهار کلسیم آلومنیوفریت را می دهند ، اکسید آهن زیاد سیمان را کندتر می کند و رنگ سیمان را نیز تیره می کند به همین دلیل برای ساخت سیمان سفید از این اکسید استفاده نمی شود.

اکسید آهن جزء اصلی تشکیل دهنده اغلب سنگ آهنها است ، از این رو اکسید فریک کم و بیش در اغلب کانیها خصوصا خاک رس وجود آن در اغلب مواد اولیه ساخت سیمان به طور اجتناب ناپذیر در سیمان پرتلند تولیدی نیز اکسید مرکب آن به وجود می آید که رنگ سیمان را تیره می کند. سیمان سفید فاقد اکسید آهن است. به علاوه در فرایند پخت کلینکر سیمان اکسید سیمان به سهولت تشکیل شود. لذا از این نظر نیز ساخت سیمان فاقد اکسید آهن ( سیمان سفید ) مشکلاتی را به وجود آورده و هزینه تولید افزایش می یابد.

مراحل ساخت سیمان پرتلند

سیمان ماده ای است که از ترکیب و پختن مواد آهکی نظیر سنک آهک و مواد دیگر شامل اکسیدهای سیلسیم ، آلمنیوم و آهن به وجود می آید. مراحل مختلف ساخت سیمان شامل تهیه مواد اولیه ، آسیاب و پودر کردن مواد اولیه ، مخلوط کردن کامل آن ها به نسبت های معین و حرارت دادن و پختن مخلوط در یک کوره بزرگ گردنده در حرارت حدود ۱۴۰۰ درجه سانتی گراد است. در این درجه حرارت مواد در نقطه نزدیک ذوب با هم ترکیب شده و به شکل گویهای جوشی به نام کلینکر در می ایند. کلینکر بعد از خروج از کوره سرد می شود. کلینکر سرد شده با مقدار کمی سنگ گچ آسیاب شده و به پودر بسیار ریزی تبدیل می شود که به آن سیمان پرتلند می گویند. مراحل مختلف ساخت سیمان پرتلند عبارت است از:

آماده کردن مواد خام

مواد اولیه تولید سیمان اکسید های کلسیم ، سیلیسیم ، آلمینیوم ، و آهن است که عمدتا در سنگ آهک و خاک رس وجود دارد ، برای تهیه سیمان پرتلند ، ابتدا سنگ آهک از معدن استخراج شده و آن را توسط کامیون به محل کارخانه حمل و با استفاده از اسیاب مخصوص به قطعات حدود ۲۵ میلیمتر تبدیل می کنند. این مواد با توجه به شرایط و امکانات موجود به محل کارخانه حمل می شود. با این حال ، چنانچه مقدار یک یا چند اکسید از میزان مورد نیاز کمتر باشد ، با اضافه کردن مقدار لازم از ان اکسید نسبت ها اصطلاح می شود. این مواد همراه آهک آسیاب شده و به صورت پودر در می آیند. انتخاب روش واقعی تولید سیمان متناسب با نوع مواد اولیه موجود و شرایط کار عملی است.

نرم کردن به روش تر نیاز به قدرت کمی دارد و به آسانی مخلوط کامل و یکنواختی از اجزای تشکیل دهنده حاصل می شود ، اما از سوی دیگر آب مصرفی برای نرم کردن و ساخت دوغاب باید ضمن عمل پخت کلینکر از مواد جدا می شود. در روش خشک بعکس ، هزینه نرم کردن و مخلوط کردن مواد خام بیشتر از روش تر است ولی مصرف انرژی برای پخت کلینکر کاهش می یابد.

در سال های اخیر با توجه به پیشرفت های در تکنولوژی آماده مواد اولیه به صورت خشک ، این روش ساخت سیمان به مقدار زیادی جایگزین روش تر شده است.

پختن سیمان

پس از اینکه مواد خام با روش خشک و یا تر ، خرد و مخلوط گردیدند ، گرد و یا لجن مواد خام را در سیلوهای مخصوص انبار می کنند ، نسبت مواد خام قبل از ورود به کوه سیمان پزی کنترل و تنظیم می شود. مواد خام در روش خشک به صورت گرد و در روش تر به صورت لجن و در روش نیمه تر و نیمه خشک به صورت گندله وارد کوره گردنده سیمان پزی می شود. در درجه حرارت زیر ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد عمل تکلیس مطابق واکنش صورت می گیرد.

در داخل کوره با حرکت مواد به سمت پایین درجه حرارت مواد افزایش یافته و در گرمای بالای ۱۲۰۰ درجه سانتیگراد ، آهک با سیلیس و سایر اکسید های موجد ترکیب می شود. مواد در حرکت به سمت پایین کوره و در گرمترین قسمت آن کاملا با یکدیگر ترکیب شده و به گلوله هایی به قطر ۲ تا ۲۵ میلیمتر کلینکر تبدیل می شوند.

کلینکر تولیدی ، که به صورت گلوله های سختی در آمده است ، با استفاده از خنک کننده های مخصوص ، سرد می شود. کلینکر سرد شده به همراه حدود ۵ درصد سنگ گچ در آسیاب مخصوص به صورت پودر بسیار ریزی آسیاب می شود ، که نتیجه عملیات فوق منجر به تولید سیمان معروف به پرتلند می شود. سیمان تولیدی در کیسه های ۵۰ کیلویی و یا به صورت فله ، به بازار عرضه می شود.