الشكل (7) مطحنة ذات ثلاث حجرات (دارة مفتوحة)الإسمنت البرتلنديمكونات الإسمنت البرتلندي: يتألف الكلنكر من مكونات رئيسة ومكونات ثانوية، ولكل منها أثرها في تحديد مواصفات الإسمنت وخصائصه. والمكونات الرئيسة أربعة.
الأول هو سيليكات ثلاثي الكلسيوم وتعرف بالأليت وتركيبه الكيمياوي 3CaO.SiO2. وهو المسؤول الرئيسي عن التصلب المبكر والتماسك الأول في عجينة الإسمنت والماء، ويمكن أن يكون في عدة أشكال بلورية بحسب معدل حرارة تكوُّنه وتبرُّده.
والثاني هو سيليكات ثنائي الكلسيوم وهو البليت وصيغته الكيمياوية 2CaO.SiO2 وهو بطيء التصلب وله عدة أشكال بلورية ويسهم إسهاماً كبيراً في تماسك الإسمنت، على ألا تزيد نسبته على الحدود المسموح بها.
والثالث هو ألومينات ثلاثي الكلسيوم وهو مركب غير مستقر صيغته الكيمياوية 3CaO.Al2O3 وينصهر في درجات حرارة تقارب 1539ْ، شره للماء يتفاعل معه بسهولة في حالته النقية، ويطلق كمية كبيرة من الطاقة الحرارية، ويمكن أن يوجد في أشكال بلورية متنوعة. وأهم خواص هذا المركب أنه مسؤول عن عملية الانجماد والتصلب البدئيين، وتبلغ نسبته في الكلنكر نحو 7- 15%.
أما الرابع فهو ألومينات حديدات رباعي الكلسيوم ويعرف بالسيليت celite وصيغته 4CaO.Fe2O3.Al2O3 ويوجد في الكلنكر بنسبة 8 -20%، وهو مركب سريع التميه في الدقائق الأولى من خلط الإسمنت بالماء، ويعطي الإسمنت لونه الرمادي.
أما المكونات الثانوية فتشتمل على المواد التالية:الأول هو الكلس الحر، ويعد وجوده في الكلنكر من علامات قلة الجودة ويسمح به في حدود ضيقة، فإذا فاضت نسبته عن الحد المسموح به فقد تتسبب في فساد الصبة الخرسانية (عدم ثباتها) وتمددها.
والثاني هي المغنزيا MgO وتكون موجودة في العادة في المواد الخام المستقدمة من المقالع في صيغة كربونات المغنزيوم MgCO3. وإذا زادت هذه المادة في الخليطة الأولية على 5% فإنها تؤدي بحسب نوعية التبريد، إلى تشكلات بلورية حرة لها خاصية التمدد والانجماد وهي خاصية سلبية تؤثر في نوعية الإسمنت.
والثالث هو قلويات متعددة من نوع أكسيد الصوديوم أو البوتاسيوم موجودة أصلاً في خامات المقالع بنسب متفاوتة، وهي تتداخل مع مركبات الإسمنت الأساسية في أثناء عملية الشيّ وتؤثر إيجاباً في سرعة تكون الكلنكر لأنها تخفض حرارة الشيّ كما تؤثر سلباً في معدات الأفران، وفي الصبات الخرسانية إذ تتحد بركام الحصى والرمل فتسبب تشققات في الخرسانة.
والرابع هو ثالث أكسيد الكبريت SO3 ويتكون في الكلنكر من مصدرين أساسيين أولهما الوقود المستعمل في الشيّ وهو يحوي نسبة عالية من الكبريت، وثانيهما خامات المقالع التي قد تشتمل على كبريتات الصوديوم أو البوتاسيوم أو الكلسيوم. وتأثير الكبريتات مهم جداً في الإسمنت، وكل زيادة أو نقص في نسبتها تؤدي إلى مشاكل إنشائية ذات بال.
أما الخامس فيتألف من مركبات ثانوية أخرى تعتمد على طبيعة الخامات المقلعية كأكسيد التيتانيوم وأكسيد الكروم وأكسيد الفوسفور وغيرها. ولهذه المركبات تأثيرات إيجابية إذا كانت في حدود معينة، وسلبية عندما تزيد على هذه الحدود.
والسادس هو الجص، يضاف الجص (كبريتات الكلسيوم المميّه) CaSO4.2H2O في أثناء طحن الكلنكر وبعد الشيّ وتكون نسبته 4-6% من الحجم اعتماداً على نسبة ثالث أكسيد الكبريت الموجودة في الكلنكر. ويتم التحكم في كمية الجص المضاف تبعاً لنقاوة الإسمنت وخواصه المطلوبة. والغرض من إضافة الجص ضبط زمن تجمد المزيج الإسمنتي مع الماء والجبلة عند صب الخرسانة أو استعماله ملاطاً لكي يبقى هذا المزيج طرياً قابلاً للتكييف عدة ساعات قبل أن يتصلب. أما إذا كان الإسمنت خالياً من الجص فقد يتصلب المزيج فوراً قبل صبه في قوالبه، كذلك قد تؤدي زيادة نسبة الجص في الإسمنت إلى ارتفاع نسبة التمدد وحدوث تشققات في الصبات الخرسانية.
أما السابع فمواد فعالة سطحياً تضاف إلى الكلنكر والجص، في أحيان كثيرة، مثل البُزّولانات ورماد الخشب والجير المحروق والكلس والرمل وغيرها للحصول على مواصفات نوعية للإسمنت تتماشى مع متطلبات الإنشاء والاقتصاد.
خواص الإسمنت البرتلندي: هناك سلسلة من التفاعلات التي تحدث بين مركبات الإسمنت والماء والخلطة التي تضاف إليه عند صب الخرسانة. وأهم هذه التفاعلات هو تميه سيليكات الكلسيوم التي تؤلف هلاماً غروياً، يعرف باسم سيليكات الكلسيوم المائية، تحيط ذراته بكل جزيء من خلطة الخرسانة وتغلفها وتربط الكل في كتلة جلمودية صلبة. وتتحول معظم مكونات الإسمنت إلى مركبات بلورية شديدة التماسك. ويتحدد سلوكها بعوامل كثيرة منها صفات الإسمنت ونعومته ونسبة الإسمنت والماء وتكوين الصبة وطبيعتها والوقت المتاح للتصلب ودرجات الحرارة ووجود الهواء المخلخل في الصبة.
وتتحدد خواص الإسمنت الأساسية بالكثافة واللون والتصلب والميوعة وثبات الحجم والنعومة والمتانة ومقاومة الضغط.
الكثافة: وهي تراوح بين 3-3.2 أما الكثافة الظاهرية فتختلف بحسب نوعية مواد المزيج أي كمية الإسمنت بالكيلو غرام في المتر المكعب الواحد من الصبة، ومتوسط كمية الإسمنت فيها 1280-1440كغ/ م3.
اللون: يكون لون الإسمنت البرتلندي رمادياً ضارباً إلى السواد في العادة، ويعتمد اللون على كمية السيليت في الكلنكر وجودة الشي.
التصلب setting: من الصعب تحديد خاصة التصلب في الإسمنت بسبب اختلاف نسب مركباته الكثيرة التي تؤثر في تميه الإسمنت، ويمكن تمثيل عملية التصلب مع الماء بعجينة متميعة لا تلبث أن تصبح عجينة متبلورة عالقة في محلول زائد الإشباع ثم تتحول إلى كتلة متماسكة ثابتة من شبكة بلورية كثيفة ومتصلبة.
الميوعة fluidity: يأخذ الإسمنت قوام العجينة الثقيلة عندما تكون نسبة الماء المضاف25 ـ 35%، فإذا زادت هذه النسبة تزداد العجينة ميوعة، والعكس صحيح، كذلك تتأثر ميوعة العجينة بمحتوى الإسمنت من ألومينات ثلاثي الكلسيوم، إذ تزداد الميوعة إذا بلغت نسبة هذه المادة 14% أو زادت عليها.
ثبات الحجم volume stability: وهو من خواص الإسمنت المهمة إذ يجب أن يبقى الحجم ثابتاً بعد التصلب في حدود ضيقة لكي لا تحدث تشققات أو شروخ في الصبة الخرسانية. ومن أهم أسباب عدم ثبات الحجم ارتفاع نسبة الكلس الحي ونسبة المغنزيا في الإسمنت إضافة إلى سوء الشي بسبب خشونة خامات المقالع.
النعومة finesse: وهي كذلك من خواص الإسمنت المهمة، فكلما ازداد الإسمنت نعومة ازداد تماسكه البدئي وتحسنت خواصه وتحسن سلوك مواده في التفاعل، وازدادت شراهة العجينة الإسمنتية إلى الماء. وقد يتطلب ذلك زيادة كمية الجص اللازمة لضبط زمن التصلب.
المتانة strength: إن تطور تميه الإسمنت يؤدي إلى انسداد المسام في الكتلة المتصلبة. والمتانة تمنح الإسمنت ميزاته الفيزيائية والميكانيكية. وتعتمد المتانة على العوامل التالية:
ـ المسامية porosity: وهي في مقدمة العوامل التي تؤثر في متانة الإسمنت، فكلما ازدادت المسامية انخفضت متانة الإسمنت وبالعكس، وترتبط المسامية ارتباطاً وثيقاً بدرجة التميه.
ـ معدل الماء إلى الإسمنت: وهو يؤثر في القوة الرابطة وفي متانة الإسمنت، ويتعلق هذا المعدل بنوعية الإسمنت المستعمل وحجم الكتلة الإسمنتية وتركيب الإسمنت الكيمياوي والبلوري وطريقة خلطه بالماء.
ـ الحرارة: إن لدرجات الحرارة تأثيراً مهماً في القوة الرابطة ولاسيما في الأيام الأولى من الإماهة، أما في المراحل المتأخرة فيكون تأثيرها ضعيفاً. وتتناسب القوة الرابطة طرداً مع درجات الحرارة.
ـ مقاومة الضغط: يُميَّز الإسمنت بمقاومته للضغط بعد يومين وبعد سبعة أيام وبعد ثمانية وعشرين يوماً من لحظة إعداد الخلطة، ويتم ذلك على مواد اختبارية من ملاط نظامي وعينات خرسانية ذات مواصفات خاصة تنص عليها المقاييس الدولية والحكومية وتتبع في ذلك طرائق اختبار فيزيائية و ميكانيكية محددة.
أصناف الإسمنت البرتلندي ومميزاتها: للإسمنت عامة أنواع كثيرة منها البرتلندي والأبيض [ر] والملون والأمينتي [ر].
وللإسمنت البرتلندي كذلك أصناف كثيرة منها الإسمنت السريع التصلب، والإسمنت المنخفض الحرارة، والمقاوم للكبريتات، والفقاعي (ذو المسام)، والكتيم، والمقاوم للجراثيم، والألوميني، والنفطي، والمغنيزي، والحديدي، والبزولاني، والقابل للتمدد، وإسمنت الطرقات، والإسمنت المخلوط. وتميز هذه الأصناف في كل دولة بحسب مواصفاتها القياسية والأصول المرعية لديها. وقد يعطى كل نوع منها رمزاً أو رقماً يدل عليه. أما أهم أنواع الإسمنت البرتلندي فهي:
الإسمنت السريع التصلب: ويتميز بمحتواه المرتفع من الإليت والألومينات التي تزيد في سرعة التميه المبكر وفي مقاومة الإسمنت البدئية بالموازنة بينه وبين أنواع الإسمنت الأخرى، ويستعمل هذا الصنف في الصبات الخرسانية المسبقة الإجهاد وفي الأوساط المائية، وفي الصيانات الطارئة للمشروعات الصناعية.
الإسمنت المنخفض الحرارة: ويتميز بمحتواه المنخفض من الإليت وألومينات ثلاثي الكلسيوم من أجل الإقلال من حرارة تميه الإسمنت. أما الكتلة الأساسية في تركيب هذا الصنف فهي البليت، الذي يتميز بتميه بطيء وحرارة تميه منخفضة بالموازنة بينه وبين المركبات الأخرى. ويستعمل هذا النوع من الإسمنت البرتلندي في الصبات الخرسانية كالسدود والجسور.
الإسمنت المقاوم للكبريتات: ويتميز بمحتواه المنخفض من ألومينات ثلاثي الكلسيوم فلا تزيد نسبتها على 5%، ولا تزيد نسبتها مع نسبة السليت على 25%. ويقاوم هذا التركيب تأثيرات الوسط الكبريتي، ولذلك تصنع منه صنوف وتركيبات مختلفة تناسب الأوساط البحرية والمشبعة بالكبريت.
الإسمنت الفقاعي: وهو إسمنت برتلندي عادي يحوي إضافات معينة عند طحن الكلنكر تسمح بتخلخل الهواء في الخلطة بنسبة 3-7% من الحجم لكي تبقى في الصبة الخرسانية بعد التصلب بلايين الفقاعات الغازية بالمتر المكعب الواحد. والغاية من ذلك تحسين مقاومة الخرسانة للتأثيرات الجوية ولاسيما في حالات تناوب دورات التجمد والذوبان في المناطق المعرضة لمثل هذه العوامل.
الإسمنت الكتيم: ويتم الحصول على هذا الصنف من الإسمنت بإضافة سترات الصوديوم وسترات البوتاسيوم عند طحن الكلنكر، فتتفاعل هذه المواد مع مركبات الإسمنت عند المزج بالماء فتؤلف سترات الكلسيوم غير القابلة للذوبان في الماء، ويغدو الإسمنت كتيماً غير قابل لنفوذ الماء والسوائل فيه.
الإسمنت المقاوم للجراثيم: وينتج من إضافة مواد مقاومة للجراثيم إلى الكلنكر عند طحنه، ويستعمل هذا الصنف في صب أرضيات مصانع الأغذية وجدرانها مثل مصانع الألبان وتعبئة المأكولات، وفي حمامات السباحة.
الإسمنت النفطي: إن الغاية من وجود هذا الصنف من الإسمنت استعماله في عزل أنابيب النفط والغاز والتقليل من التأثيرات الجانبية للمياه والعوامل الأخرى المؤثرة في الأنابيب، لذا يجب أن يكون الإسمنت المستعمل كتيماً تماماً ومقاوماً للتآكل. وتستخدم في صنعه إضافات مناسبة ذات مواصفات معينة، وثمة أصناف كثيرة من هذا الإسمنت تتناسب وأحوال استعماله.
الإسمنت المغنيزي: يتميز هذا الصنف بنسبة عالية من أكسيد المغنزيوم تصل إلى 15% مع نسبة مرتفعة من أكسيد الحديد. ويتم إنتاجه بطحن الكلنكر المغنيزي مع الجص. ولهذا الإسمنت أصناف عدة تتناسب مع الأغراض الإنشائية، ويستعمل عادة في كسوة الأبنية وفي الخرسانة المسلحة وفي الصبات تحت التربة.
الإسمنت الحديدي: ويتميز بمحتوى عال من الحديد ومحتوى منخفض من الألومين. ويضاف إلى تركيبه ـ في العادة ـ فلزات الحديد وخبث الأفران العالية، ويستخدم هذا النوع من الإسمنت في الطرقات والأماكن الأخرى التي تتطلب المقاومة ومنع التآكل.
الإسمنت الألوميني: ويتميز بمحتواه العالي من الألمنيوم، ويقرن بأعمال الفرنسي «بييه» الذي توصل إلى تركيبه في الربع الأول من القرن العشرين في بحثه عن إسمنت سريع التصلب مقاوم لتأثير المياه الجوفية، ويتكون هذا الإسمنت من مزيج من المواد الكلسية والبوكسيت (صخر رسوبي يحوي نسبة عالية من الألومين المميه مع نسب مختلفة من أكاسيد الحديد، وهو الفلز الأساسي للألمنيوم) تسخن حتى الانصهار ثم تبرد ويطحن الناتج من دون إضافات على أن تكون نسبة الألومينات 35-45%، ومن خواص هذا الصنف سرعة تصلبه العالية التي تمنحه مقاومة كبيرة منذ اليوم الأول للصب. وهو يستعمل في بناء الطرق التي لا يمكن تحويل المرور عنها إلا لمدة قصيرة، وفي المشروعات السريعة الإنشاء، وفي الأوساط الملحية والكبريتية، وفي الخرسانة المسبقة الإجهاد والطرق التي تتعرض للصقيع والثلج، وفي الأفران ذات الحرارة العالية. إلا أن تكاليف إنتاجه مرتفعة ويعادل سعر هذا الإسمنت 3 إلى 4 أضعاف الإسمنت العادي.
الإسمنت البزولاني: ينتج هذا الصنف من الإسمنت بإضافة البزولان إلى الكلنكر والجص بنسب مختلفة بحسب الغرض منه. وتراوح نسبة البزولان في الإسمنت بين 15و50%، ويستعمل هذا الإسمنت في المناطق الحارة والأوساط الكبريتية وأرضيات المشروعات الكبيرة.
إسمنت الطرقات: وهو إسمنت برتلندي عالي المقاومة (500كغ/ سم2 بعد 28 يوم)، ونسبة ألومينات ثلاثي الكلسيوم فيه 10%، ولا يقل الزمن البدئي للتصلب فيه عن ساعتين، ويستعمل هذا النوع في خرسانة الطرق.
الإسمنت القابل للتمدد: وله أصناف مختلفة بحسب نوعية المواد الأولية وطريقة الاستخدام، وقد كان إنتاجه رداً على عيوب الصبات الخرسانية سابقاً، ويعد إنتاجه ثورة نوعية في صناعة الإسمنت. ومن مجالات استعماله المهمة المطارات والسكك الحديدية والأنفاق والمجموعات الإنشائية الضخمة، ومنها كذلك الخرسانة المسبقة الإجهاد كالأنابيب والجدران المسبقة الصنع وغيرها.
الإسمنت المخلوط: وهو إسمنت من الأصناف السابقة مضاف إليه مواد مالئة أو فعالة سطحياً يُنتج تبعاً للطلب وله أصناف عدة مختلفة الاستخدام كالإسمنت السيليسي والإسمنت البازلتي وغيرهما.
تطور تقنيات صناعة الإسمنتظلت صناعة الإسمنت زمناً طويلاً تعتمد على تقنية بدائية يدوية، وهذا ما جعلها تتطلب الكثير من الأيدي العاملة. ومنذ الحرب العالمية الثانية أدى التطور الشديد في صناعة الإسمنت إلى مكننة المعامل وأتمتة أكثرها حداثة. وفي هذه الأخيرة أخذت العمليات اليدوية وضبط الأفران والمطاحن وكل أجزاء المعمل تتم آلياً. ويتم التحكم فيها أتماتياً بوساطة معدات إلكترونية. وقد وصل التطور في بعض معامل الإسمنت إلى قيام الحواسيب بضبط تشغيل الأجهزة بدلالة البرامج المحددة اللاقطة المثبتة في نقاط من المكنات والتي تقيس درجات الحرارة والضغوط والصبيب والتركيبات الكيمياوية. وقد أدى هذا التطور في اتجاه الأتمتة إلى تحسين نوعية الإسمنت وانتظام إنتاجه. وسبّب أيضاً تزايداً مهماً في الإنتاجية. وتستخدم مصانع الإسمنت المؤتمتة القليل من الأفراد ولكنهم من ذوي الاختصاصات الرفيعة.
منقول
حسان العش، عبد الفتاح الخطيب
شكرا لك
