أسمنت

مصنع أسمنت لشركة لافارج في كونت، فرنسا.

الأسمنت هي مادة ناعمة، رمادية اللون تمتلك خواص تماسكية وتلاصقية بوجود الماء مما يجعلها قادرة على ربط مكونات الخرسانة بعضها ببعض وتماسكها مع حديد التسليح. ويتكون الأسمنت من 3 مواد خام أساسية هي كربونات الكالسيوم الموجودة في الحجر الكلسي، والسيليكا الموجودة في الطين والرمل، والألومينا (أكسيد الألمنيوم).

A chart comparing various cementitious materials
frame

الكيمياء

الأسمنت غير الهيدروليكي، مثل الجير المطفي (هيدروكسيد الكالسيوم المخلوط مع الماء)، يجمد بسبب تفاعل الكربنة في وجود ثاني أكسيد الكربون المتواجد طبيعياً في الهواء. أكسيد الكالسيوم يَنتـُج من كلسنة الجير عند درجات حرارة فوق 825 °س (1,517 °ف) لمدة نحو 10 ساعات عند ضغط جوي:

CaCO3 → CaO + CO2

حينئذ، أكسيد الكالسيوم يـُستهلك بخلطه بالماء ليصنع جير مطفي:

CaO + H2O → Ca(OH)2

وبمجرد أن يتبخر الماء الزائد عن حاجة الجير المطفي (هذه العملية تُسمى تقنياً الإعداد setting)، فإن عملية الكربنة تبدأ:

Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 + H2O

يستغرق هذا التفاعل وقناً لأن الضغط الجزئي لثاني أكسيد الكربون في الجو هو ضئيل. ويحتاج تفاعل الكربنة لملامسة الهواء للأسمنت الجاف، ولهذا السبب فإن الجير المطفي يعتبر أسمنت غير-هيدروليكي ولا يمكن استخدامه تحت الماء.

وبالعكس، فإن الكيمياء التي تحكم عمل الأسمنت الهيدروليكي هي التميه. فأنواع الأسمنت الهيدروليكي (مثل أسمنت پورتلاند) مصنوعة من خليط من السليكات والأكاسيد، العناصر الأربعة الرئيسية هي:
كلنك دوار
بليت Belite ‏(2CaO·SiO2);
آليت Alite ‏(3CaO·SiO2);
سليت Celite ‏(3CaO·Al2O3);
بروميلريت Brownmillerite ‏(4CaO·Al2O3·Fe2O3).

التفاعلات أثناء إعداد الأسمنت هي:

(3CaO·Al2O3)2 + (x+8) H2O → 4 CaO·Al2O3·xH2O + 2 CaO·Al2O3·8H2O
(3CaO·Al2O3) + 12 H2O + Ca(OH)2 → 4 CaO·Al2O3·13 H2O
(4CaO·Al2O3·Fe2O3) + 7 H2O → 3 CaO·Al2O3·6H2O + CaO·Fe2O3·H2O

وأثناء الشك (أي التجمد) (كيمياء تفاعل التميـُّه مازال غير مفهوم بشكل كامل):

(3CaO·SiO2)2 + (x+3) H2O → 3 CaO2·SiO2·xH2O + 3 Ca(OH)2
(2CaO·SiO2)2 + (x+1) H2O → 3 CaO2·SiO2·xH2O + Ca(OH)2

وتعتبر السليكات مسؤولة عن الخصائص الميكانيكية للأسمنت، والسليت celite والبروميلريت browmillerite هما أساسيان لاتاحة تشكل الطور السائل أثناء نضوج الأسمنت. كيمياء التفاعلات المذكورة آنفاً ليست مفهومة بشكل كامل حتى يومنا هذاـ ومازالت موضع أبحاث.

التاريخ

الإسمنت في الأصل كلمة معربة عن اللاتينية caementum، ويقصد منها مسحوق الحجارة والرخام الذي كان يستخدم رابطاً لأحجار البناء زمن الرومان. ويطلق اسم الإسمنت في اللغات الأوربية على كل رابط عضوي أو غير عضوي كالصمغ والهلام واللدائن والمعجونات وسبائك اللحام والإسفلت والإسمنت المائي إلا أن استعمال أنواع الإسمنت المائي في البناء والطرق غدا الأكثر أهمية، وأصبح مصطلح الإسمنت ـ إذا لم يحدد ـ يدل على الإسمنت العادي (البرتلندي) خاصة. أما أول مادة رابطة مصنعة عرفها الإنسان منذ القدم فهي الجص (كبريتات الكلسيوم المميّه) plaster والكلس الحيّ (أكسيد الكلسيوم CaO). وكانوا يحصلون على هاتين المادتين من شيّ الجص غير النقي والحجر الكلسي (فحمات الكلسيوم)، وقد استعملهما المصريون القدماء في إقامة منشآتهم الحجرية الضخمة ولاسيما الأهرامات، كما استعملهما الإغريق. وكانت أحجار الأبنية قبل ذلك ترضم من غير رابط، أو يربط بعضها ببعض بالغضار أو الحُمر bitume كما في بابل وأغاريت واليونان. واستعمل الرومان الكلس بكثرة في أبنيتهم، وأضافوا إليها خلطات من الپوزولان الطبيعي pouzzolane (وهو رماد بركاني نشط أساسه السليس والألومين وأكسيد الحديد) وأضاف غيرهم مسحوق الآجر ورماد الحطب لإكساب تلك المعجونات قدرة التصلب بالتميُّه والتماسك مع الحجارة المحاطة بها، وحصلوا بهذه الطريقة على رابط مائي اصطلح على تسميته «الإسمنت الروماني» وسماه العرب الملاط الذي هو بالفعل وسط بين الكلس الحي والإسمنت المعروف اليوم. وقد مكن ذلك الرابط البنائين من إقامة منشآت ضخمة مقاومة لتأثير الماء كالجسور والمرافئ. وظل يستعمل، إلى جانب المواد الرابطة الأخرى، في جميع بلدان العالم القديم إلى أواخر العصور الوسطى. وفي مطلع القرن الثامن عشر أدخلت تحسينات كبيرة على طرائق الشيّ مكنت من إنتاج أنواع محسنة من الكلس المائي. ففي عام 1756 توصل الإنكليزي سميتون Smeaton إلى إنتاج ملاط يشبه الإسمنت الأسود المعروف شبهاً كبيراً. وفي سنة 1796 حصل جون باركر الإنكليزي على ترخيص لصنع مادة رابطة عن طريق شيّ المَرْل الطبيعي (وهو خليط من الغضار والكلس) ثم طحنه، وقد جاءت هذه المادة مماثلة للإسمنت الروماني في مواصفاتها. وفي عام 1812م باشر الفرنسي لويس فيكا Louis Vicat بحوثاً منظمة في بعض الطبقات الغضارية الكلسية، ونشر في عام 1818 بحثه الأول الذي برهن فيه عملياً على أن الصفات المائية للمواد الكلسية «الهزيلة» maigres تنجم عن احتوائها نسبة من الغضار، وأوصى بأن يشوى خليط من الكلس والغضار بنسب ملائمة للحصول على أفضل مواصفات لهذا الرابط. وبذلك عُدّ فيكا مخترع «الأكلاس» المائية الطبيعية والإسمنت الأسود الصنعي في آن واحد. إلا أن الإنكليزي جوزيف أسبدين Joseph Aspdin، وهو بنّاء آجر من ليدز، هو الذي أطلق اسم «الإسمنت البرتلندي» على ذلك الرابط المائي الذي توصل إليه بتجارب مشابهة، ونال في عام 1824 براءة اختراعه، وسبب هذه التسمية الشبه الكبير في المظهر، الذي يبديه هذا الرابط عند تصلبه، مع الحجر الرمادي المنتشر في شبه جزيرة «بُرتْلند» الإنكليزية على بحر المانش، وقد شيد أسبدين أول مصنع لإنتاج هذا الإسمنت بطريقته المبتكرة التي عرفت فيما بعد باسم «الطريقة الرطبة». وتستخدم فيها الأفران البرجية، التي طرأت عليها فيما بعد تحسينات كثيرة

وفي عام 1825م توصل العالم الروسي ي.غ. تْشِيلييف E.Geliev، وحده، إلى اختراع نوع من الإسمنت البورتلندي بشيّ مزيج صنعي من الحجر الكلسي والغضار. وقام هذا العالم بتأليف أول كتاب في صناعة الإسمنت تناول فيه تقنية هذه الصناعة والخواص الفيزيائية والكيمياوية للإسمنت المنتج. وظل الأمر كذلك إلى أن بين الإنكليزي جونسون Jonson في عام 1845 قواعد صنع الإسمنت البرتلندي بدقة، ولاسيما اقتراح أسلوب طحن العجيرات nodules المتلبدة عند شيّ الخليط، والتي كانت تؤلف كتلاً صلبة صغيرة لا ينفذ منها الماء ولا تذوب فيه. وأصبح اسم الإسمنت البرتلندي مقتصراً منذئذ على الإسمنت المنتج من طحن المواد بعد تلبدها. وقد شهدت هذه الحقبة بداية الصناعة الحقيقية للإسمنت، إذ شيد جونسون المذكور في عام 1851 مصنع يوداليت Yeudalit لإنتاج الإسمنت البورتلندي (الأسود)، وتوصل إلى رفع درجة الحرارة في أفرانه إلى 1450 درجة مئوية. وأقيم أولْ مصنع للإسمنت البورتلندي في الولايات المتحدة في عام 1876 على يد ديفيد سايلور. وكان الخليط يشوى في أتونات برجية مشابهة لتلك التي يشوى فيها الكلس. وفي عام 1885 أقام فريدريك رانسوم Frederick Ransome أول فرن دوار يعمل بالطريقة الرطبة. ويعد هذا التاريخ خطوة مهمة في تطور صناعة الإسمنت وانتشارها في العالم، وقد أدخل هذا الاختراع إلى الولايات المتحدة الأمريكية أول مرة عام .1899م وفي أواخر القرن التاسع عشر كذلك درس الفرنسي لو شاتلييه Le Chatelier التركيب الكيمياوي لمختلف مركبات الإسمنت. وتابع الأمريكي بوگ Bogue استكمال هذه البحوث وإنجازها، كما توصل الفرنسي بييه Bied سنة 1908 إلى صنع الإسمنت الألوميني. ومع تزايد الحاجة إلى الإسمنت طورت صناعته، وبذلت كل الإمكانات لتحسين نوعيته، وتحسين طرائق إنتاجه والوسائل التقنية المستخدمة لزيادة كمية الإنتاج وتقليل الكلفة. وغدت صناعة الإسمنت مؤشراً مهماً لنمو الفاعليات الإنشائية، كما أصبحت مادة الإسمنت أحد العناصر المهمة في بناء الحضارات الحديثة، وأحد المعايير الأساسية للتطور الاقتصادي.

صناعة الأسمنت حول العالم

انتاج الأسمنت حول العالم في 2010
قدرة انتاج الأسمنت العالمية في 2010

تشتمل عملية إنتاج الإسمنت اليوم على استخراج الخامات الطبيعية التي يتألف منها وخلطها ببعض المواد ونفايات الصناعة كالرماد وخبث المعادن والصخور والرمل وغيرها، ثم تكسيرها وطحنها لتصبح خلطة متجانسة بالقوام المطلوب، ثم شي الخلطة في درجات حرارة تراوح بين 1450ْ-1550ْ، ثم طحن الناتج ـ ويسمى الكلينكر ـ ليصبح ذروراً دقيقاً، مع إضافة قدر ضئيل نسبياً من مواد منشطة أو فعالة كالجص، حتى يأخذ الإسمنت صفاته المرغوب فيها. أما الطرائق المتبعة في صناعة الإسمنت فهي: الطريقة الجافة والطريقة الرطبة والطريقة نصف الجافة والطريقة نصف الرطبة. ويتوقف اختيار الطريقة أساساً على عدد من العوامل التقنية والاقتصادية كدرجة تركيز الإنتاج واستهلاك الوقود والطاقة والقوى العاملة.

أنواع الأسمنت

هناك عدة أنواع من الاسمنت تأحذ اسمها من الغرض منها ولزوم استعمالها ولكن تبقى مكوناتها الأساسية واحدة وان اختلفت نسبتها من نوع لآخر ومن أهم هذه الأنواع :

الأسمنت البورتلاندي العادي

الأسمنت البورتلاندي سريع التصلد

الأسمنت البورتلاندي المنخفض الحرارة

الأسمنت البورتلاندى الأبيض

الأسمنت المقاوم لـ الكبريتات

الأسمنت الألوميني

أسمنت خبث الحديد

تصنيعه

يصنع هذا الاسمنت بطحن كلنكر الاسمنت البورتلاندي العادي والجبصين مع خبث الحديد وللخواص الفيزيائية لخبث الحديد أهمية كبيرة في نوعية الاسمنت لذلك يصار إلى اختياره وفق مواصفات معينة إذ يفضل أن يكون الخبث مبردا تبريدا سريعا فيأخذ الشكل الزجاجي ويحمل هذا النوع من الاسمنت مسميات عدة حسب الدول الصانعة وتختلف نسبة إضافة الخبث بنسبة 30ـ80% بينما في فرنسا تقارب 50% ويمكن القول أن نسبة إضافة الخبث عالميا تتراوح مابين 25ـ80% إلى حد بعيد مواصفات اسمنت الخبث مع تلك للاسمنت البورتلاندي إلا أن اسمنت الخبث يطحن لدرجات أنعم ومعدل تطور القوة أقل قليلا كذلك الحرارة المنطلقة منه عند التميه أقل منها للأسمنت البورتلاندي العادي.

وهذا الاسمنت مقاوم للكبريتات والأملاح ولكن يصعب استعماله في المناطق الباردة نظرا لتدني حرارة التميه واعتدال تطور القوة

وعند استعمال خبث حديد مرتفع النعومة في تصنيع الاسمنت هذا يكون لذلك تأثير ايجابي على طواعية ومداولة الخرسانة

ويحوي اسمنت الخبث كمية كبيرة من أكسيد المغنسيوم ولكن بلوراته تكون متناهية الصغر الأمر الذي يؤدي إلى عدم تأثيرها في عملية التمدد بشكل واضح.

مواصفاته

مبينة في الجداول المرفقة

الاسمنت البورتلاندي البوزولاني

كلنكر الاسمنت البورتلاندي+ (5-20%) بوزولانا طبيعية أو صناعية+(4-6%) جبس الاسمنت البورتلاندي البوزولاني خليط من كلنكر الاسمنت البورتلاندي والبوزولانا والجبس وتطحن جميعها بنسب محددة حسب المواصفات الموضوعة ومعلوم أن البوزولانا تضعف القوة المبكرة لذلك يصار عند صناعة الاسمنت البورتلاندي البوزولاني إلى طحنه لنعومات مرتفعة للتعويض عن ذلك إذ ترتفع في كثير من الحالات المساحة عن 3800ـ4000سم2/جم وبشكل عام يعتمد تطور القوة في الاسمنت البورتلاندي البوزولاني على نسبة وخواص البوزولانا المضافة خاصة نشاطها وخواصها الهيدروليكية.

ويشابه الاسمنت البورتلاندي البوزولاني الاسمنت البورتلاندي في خواصه ماعدا القوة البدائية ويتفوق عليه في مجمل خواص منها:ـ

  • النفاذية:ـ Permeability

تعتبر الخرسانة المصنعة من الاسمنت البورتلاندي البوزولاني أكثر كثافة واكتنازا ذلك أن أحد نواتج تميه مركبات الاسمنت وهو هيدروكسيد الكالسيوم (ca(oh)2 ) الذي ينتج بكميات كبيرة يذوب مع الماء ويغادر القنوات الشعرية للخرسانة لدى رشها بالماء بينما في الاسمنت البورتلاندي البوزولاني تتفاعل مكونات البوزولانا مع هيدروكسيد الكالسيم مكونة مركبات كلسية سيليسية تملأ القنوات الشعرية فتجعل الصبة أكثر اكتنازا.

  • القوة النهائية:
    رغم أن معدل تطور القوة للاسمنت البورتلاندي أعلي منه للاسمنت البورتلاندي البوزولاني إلا أن القوة النهائية للثاني أعلى منها للأول خاصة إذا كانت الخواص الهيدروليكية للبوزولانا المستعملة جيدة.
    • مقاومة الاسمنت البورتلاندي البوزولاني للكبريتات (مقاومة معتدلة)
    • انخفاض حرارة التميه مما يؤهل الاسمنت البورتلاندي البوزولاني للاستعمال في الصبات الخرسانية السميكة
    • تحسين القابلية التشغيلية للصبة
    • زيادة مقاومة الخرسانة للتفاعلات القلوية مع الركام النشط ذلك أن البوزولانا تقوم بالاتحاد مع القلويات مكونة كبريتات قلوية غير فعالة
    • التقليل من اثر المغنيسيا في تمدد الاسمنت

رغم تواجد أكسيد المغنيسيا في البوزولانا إلا أن إضافتها تقلل من تركيز هذا الأكسيد في الاسمنت ذلك أن تواجده في البوزولانا يكون على الأغلب بشكله المتفاعل وليس الحر (بيركليز)

    • انخفاض الوزن النوعي للاسمنت البورتلاندي مما يسهم في تخفيف وزن الخرسانة المصنعة منه

ولا بد هذا من التبيان أن الاسمنت البورتلاندي البوزولاني يحتاج لمعدل ماء اسمنت أكبر منه للاسمنت البورتلاندي كما أن خواصه تعتمد اعتمادا كبيرا على نوع البوزولانا وخواصها وأصولها نارية أو رسوبية أو صناعية

الاسمنت البوزولاني

كلنكر الاسمنت البورتلاندي + >20% بوزولانا طبيعية أو صناعية+(4ـ6%) جبصين وقد تصل الإضافة من البوزولانا إلى أكثر من 40% في بعض الدول أو لإغراض استعمالات خاصة لهذا النوع من الاسمنت ولا يخفى على المتتبع الوفر في الكلفة خاصة الطاقة عند صناعة اسمنت خليط كهذا ، ولكن ما يجب التركيز عليه والحالة هذه هو نوعية البوزولانا المستعملة من حيث الخواص الكيميائية والفيزيائية خاصة نشاطها وخواصها الهيدروليكية وامتصاص الماء آخذين في الاعتبار أن البوزولانا مادة حاكه تؤدي إلى رفع استهلاك البطانات في الطواحين أو الكسارات عند استعمالها كمواد معدلة ورغم هذا فأن الوفر الحاصل في الكلفة يعتبر مجديا ناهيك عن تميز هذا الاسمنت على الاسمنت البورتلاندي العادي في بعض خواصه ومناسبته لبعض الاستعمالات أكثر منه.

العوامل المؤثرة في مقاومة الاسمنت البوزولاني للأملاح:ـ

  • مقدار فعالية البوزولانا ونسبة السيليكا النشطة فيها مقارنة بمحتوى البوزولانا من الالومينا (كلما ارتفع محتواها من السيليكا).
  • التركيب الكيميائي للكلنكر.
  • نسبة البوزولانا في الكلنكر.
  • كلما انخفض محتوى الكلنكر من (C3S,C3A ) بحدود (50%و8% على التوالي).

الاسمنت السيليسي

يتم تصنيع هذا النوع من الاسمنت بطحن كلنكر الاسمنت العادي مع نسبة معينة من الرمل السيليسي والجبص ودور الرمل هنا غير فعال من الناحية الكيميائية بل يرتبط عند خلط الاسمنت بالماء بحبيبات الاسمنت ميكانيكيا وله دور فعال في تحسين عملية طحن الكلنكر . والشائع كنسبة مضافة للكلنكر من الرمل تقارب(10%-15%) ويأتي دور الرمل الطاحن رغم انه مادة حاكه في أنه يمنع تكون بطانة من المواد على الكرات الحديدية لكونه مادة صلدة. ويتطلب إنتاج الاسمنت السيليسي توفر طاقات طحن زائدة في المصنع وتوفر الرمل السيليسي بنوعية ملائمة وكمية وافرة قريبة من المصنع لضمان اقتصادية المنتج والتي هي أحد أهم أهداف أنتاج هذا النوع من الاسمنت.

وكغيره من أنواع الاسمنت المخلوط تحتاج خلطات الاسمنت في الصبة الخرسانية لمعدل ماء/أسمنت أعلى منها للاسمنت البورتلاندي العادي مما يؤثر سلبيا على القوة (البدائية بالذات). كذلك يزيد زمن الانجماد قليلا للاسمنت السيليسي عنه للاسمنت البورتلاندي ويزداد بزيادة نسبة الرمل المضاف. وهنالك دول عربية عديدة منتجة لهذا الاسمنت منها: المغرب العربي وجمهورية مصر العربية، والجمهورية العربية السورية. ولهم في ذلك تجربة ناجحة. وللتبيان فقط والمقارنة نورد جدولين يبين أحدهما نتائج التحليل الكيميائي للكلنكر وخلطات الاسمنت السيليسي (من تجارب الشركة السورية/حماة). التحليل الكيميائي لكلنكر الاسمنت البورتلاندي وخلطات الاسمنت السيليسي

تأثيره على البيئة

انبعاثات CO2

انبعاثات الفلزات الثقيلة في الجو

الفلزات الثقيلة المتواجدة في الكلنكر

استخدام أنواع وقود بديلة والمواد الناتجة عن ذلك

A cement plant consumes 3 to 6 GJ of fuel per tonne of clinker produced, depending on the raw materials and the process used. Most cement kilns today use coal and petroleum coke as primary fuels, and to a lesser extent natural gas and fuel oil. Selected waste and by-products with recoverable calorific value can be used as fuels in a cement kiln (referred to as co-processing), replacing a portion of conventional fossil fuels, like coal, if they meet strict specifications. Selected waste and by-products containing useful minerals such as calcium, silica, alumina, and iron can be used as raw materials in the kiln, replacing raw materials such as clay, shale, and limestone. Because some materials have both useful mineral content and recoverable calorific value, the distinction between alternative fuels and raw materials is not always clear. For example, sewage sludge has a low but significant calorific value, and burns to give ash containing minerals useful in the clinker matrix.[1]


انظر أيضا

قراءات اخرى

  • Neville, A.M. (1996). Properties of concrete. Fourth and final edition standards. Pearson, Prentice Hall. ISBN 0-582-23070-5. OCLC 33837400. 
  • Taylor, H.F.W. (1990). Cement Chemistry. Academic Press. p. 475. ISBN 0-12-683900-X. 

المصادر

وصلات خارجية

قالب:ConcreteNavigationBox