آرشا بام طوس

برای تولید سیمان پرتلند، سنگ آهک (کربنات کلسیم) و سایر مواد که حاوی نسبت‌های مناسبی از موادی حاوی اکسیدهای کلسیم، سیلیسیم، آلومینیوم و آهن باشند، خرد و آسیاب می‌شوند تا به یک پودر خام آرد مانند تبدیل شوند. این مواد در یک کوره یا کیلن (Kiln) گرم می‌شوند، تا ابتدا کربنات کلسیم با آزاد کردن دی اکسیدکربن به اکسید کلسیم تجزیه گردد و سپس اکسید کلسیم را با اجزای دیگر واکنش دهد تا سیلیکات‌های کلسیم و آلومینات‌ها تشکیل شوند که در دماهای سوزاننده‌ای تا ۱۴۵۰ درجه سلسیوس تا حدودی ذوب می‌شوند. محصولاتِ واکنش، از کوره به شکل مواد گلوله‌ای تیره‌ای خارج می‌شوند که به آنها کلینکر (clinker) می‌گویند. کلینکر در نهایت با نسبت کمی از گچ (برای کنترل سرعت هیدراتاسیون) آسیاب می‌شود و محصولی ریز به دست می‌آید که به آن سیمان می‌گویند.^[۱]

ترکیب سیمان پرتلند از کارخانه‌ای به کارخانه دیگر به دلیل مشخصات سیمان و کانی‌شناسی مواد موجود متفاوت است. با این حال، به‌طور کلی، یک مخلوط یوتکتیک به دنبال آن است که گرمای ورودی مورد نیاز برای کلینکرینگ و هزینه کل مواد خام را به حداقل برساند و در عین حال سیمانی با عملکرد قابل قبول تولید کند. تجزیه و تحلیل تقریبی برای مخلوط خام بر اساس احتراق، یا برای کلینکر، عبارت است از:^[۱]

اجزای تقریبی سیمان^[۱]

نام	نماد شیمیایی	درصد تقریبی
اکسید کلسیم	CaO	۶۵ الی ۶۸٪
سیلیسیم دی‌اکسید	SiO2	۲۰ الی ۲۳٪
اکسید آلومینیوم(III)	Al2O3	۴ الی ۶٪
اکسید آهن(III)	Fe2O3	۲ الی ۴٪
اکسید منیزیم	MgO	الی ۵۱٪
اکسید منگنز(III)	Mn2O3	۰٫۱ الی ۳٪
تیتانیوم دی‌اکسید	TiO2	۰٫۱ الی ۱٪
گوگرد تری‌ اکسید	SO3	۰٫۱ الی ۲٪
اکسید پتاسیم	K2O	۰٫۱ الی ۱٪
اکسید سدیم	Na2O	۰٫۱ الی ۰٫۵٪

ASTM International، که قبلاً به عنوان انجمن آمریکایی آزمایش و مواد شناخته می‌شد، یک سازمان استاندارد بین‌المللی است که استانداردهای فنی اجماع داوطلبانه را برای طیف گسترده‌ای از مواد، محصولات، سیستم‌ها و خدمات توسعه و منتشر می‌کند. در استاندارد فنی ASTM C150 مشخصات فنی استاندارد سیمان پرتلند آمده‌است.^[۱۴] این مشخصات هشت نوع یا تیپ سیمان پرتلند را شامل می‌شود: نوع I، نوع IA، نوع II، نوع IIA، نوع III، نوع IIIA، نوع IV و نوع V.

انواع سیمان پرتلند و کاربرد آنها

نوع سیمان پرتلند	کاربرد
I	پرتلند معمولی – محصول استانداردی که مدت‌هاست بدون محدودیت در نسبت اکسیدهای اصلی (CaO, SiO2، Al2O3، Fe2O3) استفاده می‌شود که به آن سیمان پرتلند معمولی نیز گفته می‌شود.[۱۴]
II	پرتلند اصلاح‌شده (دارای حرارت آب‌بندی کمتر و مقاومت بیشتر در برابر یون کلر و مقاومت متوسط در برابر سولفات‌ها)
III	پرتلند زودگیر (دارای استحکام اولیه بالا) این نوع سیمان زودگیر بوده دارای مقاومت اولیهٔ زیادی است مقاومت سه روزهٔ آن معادل ۷ روزهٔ نوع ۱ است. در جاهایی که بخواهند به زودی از ساختمان بهره‌برداری کنند یا زودتر از موعد مقرر احتیاج به قالب برداری باشد یا برای بتن ریزی در هوای سرد از آن استفاده می‌کنند، زیرا این سیمان هنگام گرفتن گرمای بیشتری نسبت به نوع۱ پس می‌دهد.
IV	پرتلند با گرمازایی کم (دارای گرمای هیدراتاسیون پایین) این نوع سیمان به سیمان (کند گیر) معروف است. حتی از نوع۲ هم کمتر حرارت تولید می‌کند و دیر گیرتر از انواع دیگر است. این سیمان در بتن ریزی‌های حجیم مانند سدهای وزنی مصرف می‌شود.
V	پرتلند مقاوم در برابر سولفات (دارای مقاومت خوب در برابر سولفات‌ها) این نوع سیمان به سیمان ضد سولفات نیز معروف است و در سازه‌های دریایی و زمین‌های سولفات دار مصرف می‌گردد ولی در برابر یون کلر به شدت ضعیف است. مقاومت این سیمان در زمان طولانی تری نسبت به نوع۱ به دست می‌آید و گرما زایی کم تری نیز دارد.
IA	نوع ۱ به همراه عامل هوادهنده
IIA	نوع ۲ به همراه عامل هوادهنده
IIIA	نوع ۳ به همراه عامل هوادهنده

سیمان پرتلند سفید

سیمان‌های پرتلند تزئینی مانند سیمان سفید نقش زیبایی شناختی مهمی در ایجاد جذابیت بیشتر سطوح بتنی در معرض دید مانند ساختمان‌ها، پل‌ها و استخرها برای محیط دارند. پرکاربردترین سیمان تزئینی سیمان پرتلند سفید است. برای به دست آوردن بتن سفید یا روشن، به خصوص سنگدانه‌های شن و سنگ سفید یا روشن مورد نیاز است. همانند بتن معمولی، عملکرد و دوام مناسب تنها در صورتی حاصل می‌شود که بتن با استفاده از تمرین خوب محل قرار داده شود و به درستی متراکم شود. ساخت سیمان پرتلند سفید به مواد اولیه مناسب و با دقت انتخاب شده و فرآوری خاصی نیاز دارد تا از آلودگی در حین تولید جلوگیری شود که بر سفیدی محصول تأثیر منفی می‌گذارد.^[۱۵]

ساخت سیمان پرتلند سفید به مواد اولیه مناسب و با دقت انتخاب شده و فرآوری خاصی نیاز دارد تا از آلودگی در حین تولید جلوگیری شود که بر سفیدی محصول تأثیر منفی می‌گذارد. رنگ خاکستری سیمان پرتلند معمولی عمدتاً به دلیل محتوای اکسید آهن ایجاد می‌شود، بنابراین باید در سیمان پرتلند سفید تا حد امکان پایین نگه داشته شود. مواد اولیه برای تولید سیمان پرتلند سفید گچ یا سنگ آهک و خاک رس چینی است که به دلیل محتوای کم اکسید آهن آنها انتخاب می‌شوند. از چهار فاز اصلی سیمان پرتلند، معمولاً فقط فاز آلومینوفریت کلسیم (C₄AF) اساساً رنگی است و این ماده رنگ خاکستری مشخصی را به سیمان پرتلند می‌دهد. محتوای کروم و اکسید منگنز نیز ممکن است تأثیر قابل توجهی بر رنگ سیمان پرتلند داشته باشد. به‌طور کلی، هر چه محتوای C₄AF بیشتر باشد، رنگ آن خاکستری تیره‌تر است. برای سیمان پرتلند سفید لازم است که محتوای Fe₂O₃ به زیر ۰٫۴٪ کاهش یابد. کاهش بیشتر در زیر این سطح تنها تأثیر کمی در افزایش سفیدی دارد.^[۱۶]

اگرچه هیچ استاندارد خاصی برای تولید سیمان سفید در اروپای غربی وجود ندارد، چنین سیمانی معمولاً برای مطابقت با الزامات استاندارد برای سیمان پرتلند معمولی یا سریع سخت شونده (مانند BS 12) تولید می‌شود. استانداردهایی برای سیمان پرتلند سفید در تعدادی از کشورها وجود دارد. اینها در Cembureau World Cement Directory طبقه‌بندی شده‌اند.^[۱۷]

سیمان پرتلند رنگی از آسیاب کردن رنگدانه‌های مناسب با سیمان پرتلند سفید یا خاکستری معمولی تولید می‌شود. اینکار امکان تولید بتن یکنواخت تر و بادوام تری را نسبت به اختلاط ساده بتن با رنگدانه‌ها فراهم می‌کند، زیرا روش اختلاط رنگدانه در به دست آوردن رنگ یکنواخت در بتن مشکل دارد. اکثر رنگدانه‌های سیمانی غیر آلی هستند.^[۱۸]

سیمان پرتلند رنگی (قرمز، نارنجی، زرد، سبز، آبی، سیاه و غیره) عمدتاً بر پایه سیمان پرتلند سفید با حداکثر ۱۰ درصد یا بیشتر رنگدانه افزوده شده‌است. برخی از انواع در واقع بر پایه سیمان پرتلند خاکستری معمولی هستند، اما نمی‌توان از این سیمان به‌طور رضایت بخش برای اکثر انواع سیمان رنگی استفاده کرد زیرا رنگ خاکستری همیشه نمی‌تواند به‌طور مطلوب پوشانده شود. مشخصات فنی مربوط به رنگدانه‌های مورد استفاده در سیمان در استانداردهایی مانند BS 1014 موجود می‌باشد.^[۱۸]

رنگدانه‌های مورد استفاده نباید حاوی ترکیبات یا ناخالصی‌های دیگری مانند ترکیبات سرب یا روی باشد که بتواند بر سفت شدن و استحکام سیمان پرتلند تأثیر منفی بگذارد. برای به دست آوردن کلینکر سفید مرغوب برای سیمان سفید یا به عنوان پایه تولید سیمان رنگی، بر نقش مهم سیستم سفیدکننده کلینکر و نیاز به غنی سازی مواد اولیه سنگ آهک تأکید شده‌است.^[۱۸]

اصطلاح رنگ سیمانی به رنگ‌های مبتنی بر سیمان پرتلند با افزودن رنگدانه‌ها، پرکننده‌ها، شتاب‌دهنده‌ها و مواد دفع‌کننده آب گفته می‌شود. این رنگ‌ها به صورت پودر خشک عرضه می‌شوند و قبل از استفاده با آب مخلوط می‌شوند. برای رنگ‌های روشن‌تر از سیمان پرتلند سفید استفاده می‌شود اما برای رنگ‌های تیره می‌توان از سیمان پرتلند معمولی به عنوان پایه استفاده کرد. دی‌اکسید تیتانیوم و سولفید روی برای بهبود کدورت رنگ‌های سیمانی سفید و روشن‌تر استفاده می‌شود. سایر رنگدانه‌ها باید از نوع آهک سریع و مطابق با استانداردهای مناسب مانند BS 1014 باشند. آهک هیدراته و پرکننده‌های سیلیسی نیز گنجانده شده‌اند. کلسیم یا استئارات آلومینیوم و مواد مشابه برای بهبود کیفیت ضدآب بودن رنگ‌های بیرونی و همچنین یک تسریع کننده (معمولاً کلرید کلسیم) اضافه می‌شود تا اطمینان حاصل شود که رنگ قبل از خشک شدن سفت می‌شود.^[۱۹]

رنگ‌های سیمانی برای مقاصد تزئینی برای ایجاد یک روکش مات و برای بهبود مقاومت در برابر نفوذ باران با بستن هر گونه شکاف ریز و مسدود کردن منافذ گسترده استفاده می‌شود. این رنگ‌ها برای استفاده در مصالح ساختمانی متخلخل مانند آجرکاری، سنگ کاری، بتن، سیمان، بلوک‌های ساختمانی، آجر و آزبست سیمان مناسب هستند، اما برای فلز، محصولات چوبی، تخته گچ یا ایزوگام مناسب نیستند. از آنجا که آنها در برابر قلیایی موجود در سیمان مقاوم هستند و اجازه می‌دهند رطوبت در دیوارها به راحتی خشک شود، برای تزئین فوری محصولات سیمانی مناسب هستند. توصیه‌هایی برای استفاده از رنگ‌های سیمانی پودری در استانداردهای مناسب مانند BS 4764 ارائه شده‌است.^[۱۹]

MgO در طیف وسیعی از سیمان‌ها به عنوان یکی از واکنش دهنده‌های کلیدی ظاهر می‌شود. مفهوم استفاده عمدی از MgO در بتن به دهه ۱۹۷۰ برمی‌گردد، زمانی که چینی‌ها پتانسیل این ماده را برای جبران انقباض حرارتی بتن کشف کردند. MgO برای شیمیدانان سیمان به دلیل اثرات نامطلوب آن بر پایداری ابعادی بتن شناخته شده‌است و بنابراین محتوای آن در سیمان توسط BS EN 197-1:2011 به ۵ درصد وزنی محدود شده‌است. با این حال، واکنش پذیری MgO را می‌توان طوری مهندسی کرد که به‌طور سودمندی با کاربرد نهایی پیشنهادی مطابقت داشته باشد. جزء اصلی این سیمان‌ها، یعنی MgO (یا منیزیا)، می‌تواند به تنهایی، با سایر مواد سیمانی تکمیلی (مانند خاکستر سوخت پودر شده، سرباره کوره بلند دانه بندی شده) و همچنین با سایر چسباننده‌های فعال هیدرولیکی (مانند سیمان پرتلند) استفاده شود. اگرچه MgO، به عنوان یک اکسید فلزی ساده، یک ترکیب نسبتاً ساده است، اما ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی آن چنین نیست. در دسترس بودن جهانی MgO با قیمت رقابتی تجاری چالش اصلی کل سیمان MgO است. در حال حاضر، اکثریت MgO از کلسینه کردن منیزیت در چین سرچشمه می‌گیرد که در آن ذخایر این ماده نسبت به اندازه بازار جهانی سیمان بسیار کم است.^[۲۰]

انواع مختلفی از سیمان‌های شیمیایی تولید شده‌است. بسیاری از این محصولات انحصاری هستند و جزئیات ساخت و نحوه عملکرد آنها اغلب به راحتی در دسترس نیست.^[۲۱]

اکسی کلرید منیزیم یا سیمان Sorel از مخلوط کردن پودر اکسید منیزیم (منیزیم) با محلول غلیظ کلرید منیزیم ساخته می‌شود. سیمان سورل، برای تخلخل معین، استحکام مکانیکی بهتری نسبت به سیمان پرتلند معمولی دارد. مکانیسم اتصال در این سیمان مشابه سیمان گچی است. سیمان سورل همچنین چسبندگی قابل توجهی به نمک (کلرید سدیم) دارد. سیمان سورل در مواردی در کشورهای مستقل مشترک المنافع، به ویژه با سنگدانه‌های سیلیسی و آلومینیومی، به عنوان سیمان چاه نفت نسوز تا دمای ۸۵۰ درجه سلسیوس استفاده شده‌است. سیمان سورل به دلیل خاصیت ارتجاعی و مقاومت در برابر بارهای ساکن انباشته، بیشتر برای کفپوش‌های صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرد. معایب اصلی آنها ناپایداری ابعادی، مقاومت ضعیف در برابر یخبندان و عدم مقاومت در برابر عوامل جوی است؛ آنها به‌طور قابل توجهی محلول در آب هستند و محلول‌های خورنده آزاد می‌کنند.^[۲۱]

سیمان اکسی سولفات منیزیم را می‌توان با افزودن محلول‌های کلرید منیزیم به سولفات‌های کلسیم یا مخلوط‌های فسفات کلسیم سولفات تولید کرد. سیمان‌های اکسی سولفات منیزیم تشکیل شده را می‌توان نوعی از سیمان‌های سورل در نظر گرفت. فسفات‌ها، در صورت وجود، خواص رئولوژیکی خمیر سیمان و مقاومت آنها در برابر آب را بهبود می‌بخشند.^[۲۱]