نگاهی به تاریخچه، ساختار و انواع سیمان در ایران و جهان

اشاره: وقتی صحبت از هر ماده معدنی به میان می‌آید، همواره در ابتدا این سئوال در ذهن ایجاد می‌شود که ماهیت و ساختار آن چیست؟ چه وقت و چگونه توسط بشر کشف و از چه زمان به‌کار گرفته شده؟ چه روند تکاملی را طی کرده و هم‌اکنون چه کاربردهایی دارد؟ چشم‌انداز و آینده این ماده چگونه است؟ و...
سیمان نیز مستثنی از این موارد نیست و با توجه به نقش مهم این ماده در زندگی امروز بشر، هنگامی که صحبت درباره آن به میان‌ می‌آید،‌ کنجکاوی درباره ماهیت، تاریخچه کشف و روند تکاملی و... آن دوچندان می‌شود. از این رو، در گزارشی مختصر و مفید، ویژگی‌ها، تاریخچه، سیر تکاملی و... سیمان را مورد بررسی قرار داده‌ایم که در زیر می‌خوانید.


سیمان چیست؟

کلمه سیمان از یک لغت لاتین به نام سمنت (cement) گرفته شده و ماده‌ای است که خاصیت چسبانندگی مواد به یکدیگر را دارد و در حقیقت واسطه چسباندن است. این ماده، مجموعه‌ای از مواد شیمیایی است که در انواع سازه‌های مختلف برای پیوند اجزای ساختمان مورد استفاده قرار می‌گیرد و بهم چسباندن اجزای ساختمان و ایجاد یکپارچکی و افزایش استحکام و مقاومت آن در مقابل فشارهای گوناگون مهم‌ترین کاربرد آن است.

این ماده، ترکیبی است از اکسید کلسیم (آهک) با سایر اکسیدها مانند اکسید آلومینیوم اکسید سیلیسم، اکسید آهن، اکسید منیزیم و اکسیدهای قلیایی که ترکیبی با آب دارند و در مجاورت با هوا و در زیر آب، بتدریج سخت شده و مقاومت بالایی دارد، به‌طوری که در مدت زمانی (حدود 28 روز) که در زیر آب بماند، مقاومتی حداقل 250 کیلوگرم بر سانتیمتر مربع خواهد داشت.


ساختار و ترکیبات شیمیایی سیمان:

رایج‌ترین و پرمصرف‌ترین سیمان مورد استفاده در صنعت ساختمان‌سازی، اعم از پل، تونل، راه‌سازی و یا ساختمان و... همان سیمان پرتلند است. موادی که برای پخت سیمان به کوره می‌روند از دو ماده اصلی شامل خاک رس و سنگ آهک تشکیل شده‌اند، اما اگر بخواهیم به‌طور مجزا مواد تشکیل دهنده سیمان را بیابیم، این مواد عبارتند از: آهک زنده، سیلیس، اکسید آلومینیوم، اکسید منیزیم و مواد دیگر. این مواد، براساس جنس سیمان و سایر مشخصات فنی آن، با نسبت‌های مختلف وارد کوره شده و تبدیل به سیمان مورد نظر می‌‌شود.


انواع سیمان و کاربردهای آن:

سیمان برحسب مشخصات و نوع ترکیبات مواد، انواع متفاوتی دارد و هر کدام از انواع سیمان نیز برحسب خواصی که دارند، دارای کاربرد خاصی هستند که استفاده از آن برای سدسازی و پل‌سازی و سایر کارهای عمرانی، از آن‌ جمله هستند که برخی از انواع سیمان عبارت است از:


ـ سیمان تیپ یک(پرتلند معمولی):

عموما برای مصارفی کاربرد دارد که نیازمند ویژگی‌های خاصی از بتن نباشند. از این نوع سیمان در ساختن پیاده‌روها، روسازی جاده‌ها، پل‌های بتن مسلح، راه‌آهن، مخازن، لوله‌های آب و ملات ساختمان‌های بنایی استفاده می‌شود.


ـ سیمان تیپ 2:

از این سیمان در ساختمان‌های حجیم استفاده می‌شود تا هنگام گرفتن بتن، حرارت کمتری ایجاد شود و حجم بتن نیز کمتر باشد.


ـ سیمان زودگیر:

این نوع سیمان در مدت کوتاهی (یک هفته یا کمتر) مقاومت زیادی بدست می‌آورد. این سیمان نسبت به سیمان نوع یک، هنگام گرفتن، حرارت بیشتری تولید می‌کند. از این سیمان زمانی استفاده می‌شود که بخواهند زودتر از معمول قالب را برداشته و از بتن استفاده کنند.


ـ سیمان دیرگیر:

این سیمان هنگام گرفتن، حرارت خیلی کمتری تولید می‌کند و موارد استفاده آن نیز زمان‌هایی است که شدت و مقدار حرارت تولید شده اهمیت دارد. بتنی که با این سیمان ساخته می‌شود آهسته‌تر افزایش مقاومت پیدا می‌کند و دیرتر می‌گیرد. کاربرد اصلی این نوع سیمان در ساختمان‌های حجیم بتنی است. سیمان‌هایی که برای درزگیری چاه‌های نفت به‌کار می‌روند و عمده آنها در برابر دماها و فشارهای بالا مقاوم هستند نیز از این نوع هستند.


ـ سیمان ضدسولفات:

این سیمان زمانی به‌کار می‌رود که بتن در تماس شدید با سولفات‌ها قرار داشته باشد.


ـ سیمان سفید:

برای استفاده در سطح ساختمان‌ها و مواقعی که استفاده از سیمان‌های بدون رنگ با مقاومت‌های بالا مورد نیاز باشد، کاربرد دارد. در سیمان سفید به جای خاک رس از کائولن استفاده می‌شود. تیتانیوم و منگنز از جمله موادی هستند که سفیدی این نوع سیمان را خراب کرده و موجب کاهش جذابیت بازار آن می‌شوند.


ـ سیمان پرتلند پوزولانی:

از این سیمان در ساختمان‌های بتنی معمولی و بیشتر در مواردی که مقاومت متوسط در مقابل سولفات‌ها و حرارت هیدراتاسیون متوسط مورد نظر باشد استفاده می‌شود.


ـ سیمان پرتلند آهکی:

در تهیه ملات و بتن در تمام مواردی که سیمان پرتلند نوع یک به‌کار می‌رود، قابل استفاده بوده و دوام بتن را در برابر یخ زدن،‌ آب شدن، املاح یخ‌زا و عوامل شیمیایی افزایش می‌دهد.


ـ سیمان بنایی:

برای استفاده در مواقعی که ملات بنایی با مقاومت‌های کمتر از سیمان پرتلند نوع یک مورد نیاز است کاربرد دارد.


ـ سیمان‌های نسوز 450، 500 و 550:

حاوی 40 تا 80 درصد AL203 با اتصال هیدروکسیلی و فازهای کلسیم آلومینات بوده و به‌منظور مصرف بعنوان ماده نسوز در صنایع حرارتی و آتمسفرهای احیای هیدروژن به‌کار برده می‌شود.


ـ سیمان‌های پرتلند ضدآب:

این سیمان که به رنگ سفید ـ خاکستری تولید می‌شود، انتقال مویینه آب را تحت فشار ناچیز یا بدون فشار،‌ کاهش می‌دهد، اما مانع انتقال بخار آب نمی‌شود.


تاریخچه سیمان:

سمنت (cement) واژه‌ای است که از لغت سمنتوم رومی گرفته شده، قدمت آن به پیش از میلاد می‌رسد و مصرف آن در ساختمان پانتئون شهر رم در ایتالیا که مربوط به 27 سال قبل از میلاد است، دیده شده، اگرچه از زمان‌های بسیار گذشته اقوام و ملل مختلف بنحوی با استفاده از سیمان در ساخت بنا سود می‌جستند، اما کشف سیمان به شکل امروز مربوط است به یک نفر بنای انگلیسی بنام ژوزف اسپدین که از پختن آهک و خاک رس در حرارت بالا و آسیاب کردن آن موفق شد، ابتدایی‌ترین نوع سیمان را کشف کرده و آن را در 21 اکتبر 1824 بنام خود در انگلستان ثبت کند و نام محصول بدست آمده را سیمان پرتلند گذاشت.

وی این ماده را ابتدا برای ساخت فانوس دریایی مورد استفاده قرارداد. علت این نام‌گذاری، شباهت ظاهری و کیفیت بتن‌های تولید شده از سیمان‌های اولیه به سنگ‌های جزیره پرتلند در دورست انگلیس بوده و تا به امروز برای سیمان‌هایی که از مخلوط کردن و حرارت دادن مواد آهکی و رسی و مواد حاوی سیلیس، آلومینا و اکسید آهن و تولید کلینکر و در نهایت آسیاب کردن کلینکر بدست می‌آید، استفاده می‌شود، البته قبل از ژوزف اسپدین اشخاص دیگری در فرانسه و انگلستان از پختن خاک رس و سنگ آهک محصولات مشابهی بدست آوردند، اما هیچ‌کدام کار خود را دنبال نکرده و محصول خود را به ثبت نرساندند.


تاریخ علم سیمان:

قرون 18 و 19 زمان کشف بسیاری از پدیده‌ها بود و توجه زیادی به پدیده‌های علمی و طبیعی توسط دانشمندان و محققان می‌شد. یکی از پدیده‌هایی که مورد توجه زیادی بود، گیرایش و سخت شدن ملات‌ها بود. از جمله این مواد، خواص هیدرولیکی ملات‌ها بود. در اواخر قرن 18 به‌منظور آشنایی با خواص هیدرولیکی ملات‌های ساختمانی، گام‌های موثری توسط انگلیسی جوانی به نام جان اسمیتون برداشته شد و در سال 1769 میلادی نیز مطالعاتی در زمینه خواص ترکیبی موجود در خاک رس، گیرایش هیدرولیکی و خاصیت سخت شدن این ترکیبات بعمل آمد که در نتیجه مواد جدید حاصله، سیمان نام‌گذاری شد.

پس از نتایج بدست آمده، در سال 1802 میلادی، اولین کارخانه سیمان در انگلیس احداث شد که با تلاش یک شیمیدان معروف بنام فردریچ جان، با افزایش کیفیت پخت سیمان و همچنین ازدیاد درجه حرارت دمای کوره و خردایش بهتر مواد، سیمان مرغوب‌تری حاصل شد، اما در نهایت این ژوزف آسپدین بود که 22 سال بعد، یعنی در سال 1824، موفق شد از پخت مخلوط سنگ آهک و خاک رس در درجه حرارت بالا، به نوعی آهک آبی بی‌نظیر دست یابد.


تاریخچه سیمان در ایران:

مطالعات تاریخی نشان می‌دهد که ایرانیان نیز همانند فینیقی‌ها و یونانی‌ها و رومی‌ها، قادر به تهیه ملات‌های آبی بوده‌اند که توانایی تحمل فشار و انسجام خود را در مجاورت آب نیز حفظ می‌کرده است، آثار باقیمانده‌ای مانند سدها و پل‌های عظیم در مناطق مختلف ایران همچون سد ایزدخواست که اولین سد قوسی جهان به‌شمار می‌رود، سد کرخه و سد شادروان، مسلم می‌سازد که ایرانی‌ها از دیرباز خواص هیدرولیک آهک را می‌شناخته‌اند، حتی پختن آهک را رومی‌ها از یونانی‌ها و یونانی‌ها از ایرانیان فرا گرفتند، زیرا قدیمی‌ترین ملات آهکی در ایران کشف شده، چینی‌ها هم پختن سنگ آهک را می‌دانستند و 2000 سال پیش در ساختن برج‌های دیوار چین، از ملات آهکی استفاده می‌کرده‌اند، اما ملات‌های ایران خیلی قدیمی‌تر از این زمان‌هاست.

اقوام ساکن در مناطق شمالی خلیج‌فارس از نوعی ساروج استفاده می‌کردند که خواص هیدرولیکی جالب و مقاومت بالایی دارد. معروف‌ترین این ساروج‌ها، ساروج خمیر است که در بندر خمیر تهیه می‌شد و هنوز تاسیسات بندری ساخته شده با این نوع ملات در نقاطی از بندر لنگه و بندر بوشهر پابرجا هستند.

در عصر حاضر نیز، اولین کارخانه سیمان کشور در سال 1312 در شهر ری در نزدیکی تهران با ظرفیت روزانه 100 تن احداث شد. با گذشت زمان و افزایش تقاضا برای این محصول، نیاز به کارخانه‌های دیگر آشکار شد. بر این اساس در سال 1314، کارخانه دیگری با ظرفیت روزانه 200 تن خریداری و در سال 1315 در جوار کارخانه قبلی عملیات ساختمانی آن شروع و در سال 1316 بهره‌برداری از واحد دوم آغاز شد.


مواد و نحوه تولید سیمان:

ـ مواد اولیه:

سیمان گردی نرم، جاذب آب و چسباننده خرده سنگ که متشکل از ترکیب پخته شده و گداخته شده اکسید کلسیم با اکسیدهای سیلیکون و آلومینیوم و آهن است. ملات این گرد به مرور در مجاورت هوا یا زیر آب سخت، فشرده می‌شود و همزمان، ثبات حجم داشته و مقاومت خود را نیز حفظ می‌کند. ترکیبات اصلی سیمان مورد استفاده در صنایع ساختمانی، مواد آهکی است. سیمان‌های آهکی معمولا از ترکیبات سیلیکات و آلومینات‌های آهک تشکیل شده‌اند که هم بصورت طبیعی وجود دارند و هم قابل تولید در کارخانه‌های سیمان‌سازی هستند. به‌طور معمول، 4 ترکیب عمده بعنوان عوامل اصلی تشکیل‌ دهنده سیمان در نظر گرفته می‌شوند که عبارتند از: 3 کلسیم سیلیکات، 2 کلسیم سیلیکات، 3 کلسیم آلومینات و 4 کلسیم آلومینوفریت که 2 ترکیب عمده سیلیکاتی سیمان یعنی C3S و C2S عوامل عمده سخت شدن سیمان محسوب می‌شوند. ترکیبات دیگری نیز در سیمان وجود دارند که از نظر وزن قابل ملاحظه نیستند، اما تاثیرات قابل‌ملاحظه‌ای در خواص سیمان دارند که عمدتا عبارتند از: MgO، TiO2، Mn2O3، K2O و NaO2. مقدار و اندازه واقعی اکسیدها در ترکیبات انواع سیمان متفاوت است.


ـ مراحل تولید:

سیمان با آسیاب کردن مواد خام از قبیل سنگ و آهک و آلومینا و سیلیسی که بصورت خاک رس یا سنگ‌های رسی وجود دارد و مخلوط کردن آنها با نسبت‌های معین و با حرارت دادن در کوره‌های دوار تا حدود 1400 درجه سانتیگراد حاصل می‌شود. در این مرحله، مواد در کوره تبدیل به گلوله‌های تقریبا سیاه رنگی می‌شوند که کلینکر نامیده می‌شود.کلینکر پس از سرد شدن، با مقداری سنگ گچ به‌منظور تنظیم گیرایش، مخلوط و آسیاب شده و پودر خاکستری رنگی بدست می‌آید که همان سیمان پرتلند است. با توجه به نوع و کیفیت مواد خام، سیمان با دو روش عمده‌‌‌ «تر و خشک» تولید می‌شود، ضمن این‌که روش‌های دیگری نیز وجود دارد، البته امروزه عمومـا از روش خشک در تولید سیمان استفاده می‌شود، مگر در مواردی که مواد خام، روش‌ تر را ایجاب کند، زیرا در روش خشک، انرژی کمتری برای تولید مورد نیاز است.


ـ آزمایش‌های کنترل کیفی:

بعلت کاربرد حساس سیمان و استفاده از این محصول در احداث بناهایی نظیر پل‌ها، سدها، اسکله‌ها، منازل، راه‌ها و... انجام آزمایشات کنترل کیفی در تولید محصول اهمیت اساسی دارد. این آزمایش‌های کنترل کیفی در مراحل مختلف تولید، اعم از تست مواد خام مصرفی در کارخانه و همچنین کنترل مواد خام و خوراک کوره و نیز کلینکر و سیمان در مناطق و مراحل مختلف خط تولید انجام می‌شود.


روند تولید، فروش و صادرات سیمان کشور:

ـ ظرفیت تولید سیمان کشور:

در حال حاضر، تعداد واحدهای سیمانی در داخل کشور 63 کارخانه است که 94 کوره پخت در آنها فعال و 6 واحد دیگر هم در سال جاری افتتاح می‌شود که 5/9 میلیون تن به ظرفیت قبلی کشور اضافه خواهد کرد. براساس اعلام اداره کل صنایع معدنی وزارت صنایع و معادن، تولید سیمان کشور در سال گذشته نسبت به سال 88 بالغ بر 3/18 درصد افزایش داشته و در مقایسه با هدف برنامه پیش‌بینی شده نیز 5 درصد بیشتر بوده است.

به گفته فاطمیان مدیرکل صنایع معدن، در حال حاضر ظرفیت تولید سیمان کشور 72 میلیون تن است که قرار است با راه‌اندازی طرح‌های جدید سیمانی در سال جاری، 5/9 میلیون تن دیگر به این ظرفیت افزوده ‌شده و این میزان به 5/81 میلیون تن برسد. براساس این اعلام، امسال نیز بین 68 تا 70 میلیون تن تولید سیمان در کشور انجام می‌شود.


ـ صادرات سیمان کشور:

بنابر اعلام اداره کل صنایع معدنی وزارت صنایع و معادن، در حالی‌که در سال 89 میزان صادرات سیمان کشور به دیگر کشورها بین 8 تا 9 میلیون تن بوده، پیش‌بینی ‌می‌شود، صادرات این محصول امسال به 15 میلیون تن افزایش یابد. بر این اساس، تاکنون بیشترین میزان صادرات سیمان ایران به کشورهای همسایه مانند عراق، جمهوری آذربایجان ‌و حوزه خلیج‌فارس انجام می‌شد، اما با تاسیس شرکت صادرات سیمان کشور طی دو سال اخیر، با هماهنگی و همکاری مسئولان وزارت صنایع و معادن و انجمن صنفی صنعت سیمان، امسال واحدهای سیمانی، ورود به بازارهای منطقه آفریقا را در دستور کار قرار داده‌اند.

دبیر انجمن صنفی کارفرمایان صنعت سیمان نیز در این خصوص اظهار می‌دارد: میزان صادرات مجموع سیمان و کلینکر طی 3 ماهه نخست سال جاری بالغ بر 2 میلیون و 576 هزار و 632 تن بود که این میزان نسبت بمدت مشابه سال 89 رشد 12 درصدی داشته است.

به گفته پورخلیل، کشورهای آسیای میانه (ترکمنستان، تاجیکستان، آذربایجان)، افغانستان، عراق، قطر، کویت، یمن و عمان، کشورهای هدف صادراتی محصول سیمان و کلینکر تولیدی ایران بوده‌اند.


ـ مصارف داخلی سیمان:

سال گذشته میزان مصرف داخلی سیمان حدود 50 میلیون تن اعلام شد که این میزان، از مصرف سرانه بالای این محصول در مقایسه با کشورهای همسایه و رقم پایین آن در مقایسه با کشورهای اروپایی و آمریکایی حکایت دارد. این امر نشان می‌دهد، با وجود سرمایه‌گذاری گسترده دولت و بخش خصوصی در این صنعت، همچنان پتانسیل زیادی جهت سرمایه‌گذاری در راستای تامین بازار سیمان ایران و کشورهای همسایه وجود دارد.


جایگاه تولید سیمان ایران در جهان:

آمارهای جهانی حاکی است، سهم ایران از کل تولید جهانی سیمان در سال گذشته میلادی به حدود 7/1 درصد رسید.

به گزارش سازمان زمین‌شناسی آمریکا، ایران از نظر تولید سیمان در منطقه خاورمیانه بعد از ترکیه در رده دوم قرار دارد. تولید سیمان ترکیه در سال قبل به 60 میلیون تن رسید، همچنین در رده‌بندی جهانی، ایران از نظر تولید سیمان در رده هفتم قرار گرفته که نسبت به رده کشورمان در سال 2009 میلادی، 2 درجه ارتقا یافته و از آنجا که هزینه تولید سیمان در ایران در مقایسه با کشورهای همسایه و کشورهای اروپایی بسیار پایین بوده و کشورمان بعلت در اختیار داشتن منابع ارزان انرژی و فراوانی نیروی کار ماهر، از مزیت نسبی در کاهش هزینه تولید سیمان برخوردار است، پیش‌بینی می‌شود، در آینده نزدیک بخصوص در زمینه تجارت جهانی، ایران بعنوان مرکز تولید و صادرات این محصول در منطقه مطرح شود.

نمودار آمار تولید، مصرف، واردات و صادرات سیمان خاکستری کشور را طی 10 ساله 1377 تا 1388، بر مبنای هزار تن نشان می‌دهد.


تولید سیمان در جهان:

هم‌اکنون بیشترین میزان تولید سیمان جهان در کشورهای چین، هند، آمریکا و ژاپن انجام می‌شود. کشورهای مذکور همراه با اعضای اتحادیه اروپا 80 درصد سیمان تولیدی دنیا را تولید و برای تولید این محصول معدنی نیز برنامه‌های دقیق و سیاست‌های مشخصی را پیگیری می‌کنند. کشورهای چین، هند و ترکیه، همچنین عمده‌ترین صادرکنندگان سیمان به کشورهای منطقه به‌شمار می‌روند و پاکستان نیز پتانسیل‌های لازم برای صدور سیمان به منطقه را دارد.

براساس پیش‌بینی سازمان‌های بین‌المللی معتبر، از جمله آژانس بین‌المللی انرژی (IEA)، به نظر می‌رسد ظرفیت تولید و تقاضای سیمان در جهان تا سال 2012 با رشدی ملایم افزایش یابد.

برآورد می‌شود تا سال 2012 میلادی، تولید سیمان در جهان به حدود 3 میلیارد و 370 میلیون تن برسد. براساس این پیش‌بینی تا سال 2050 نیز میزان تولید و مصرف سیمان در جهان به 2 برابر مقادیر فعلی خواهد رسید.


نکته پایانی:

با توجه به این‌که رشد روز افزون جمعیت و افزایش نیاز به فضاهای مسکونی، اداری، ورزشی، آموزشی و امری عادی و اجتناب‌ناپذیر است،‌ ساخت و سازها، عملیات ساختمانی که بصورت‌ ساخت اولیه بناها، مرمت، بازسازی موقت، بازسازی کامل و... انجام می‌گیرد، نیازمند علم و دانش فنی، مصالح استاندارد، گروه اجرایی ماهر و نیز تخصص، آگاهی و شناخت بروز افراد شاغل در بخش ساختمان است. از این رو، بعلت آنکه بتن، از مصالح مناسبی برای امر ساخت و ساز بوده و اهمیت بسیار بالایی دارد،‌ لازم است شرایط تولید، مواد اولیه و ثانویه و مهم‌تر از همه سیمان و جایگزین‌های مناسب برای آن در تولید بتن، به‌طور کامل مورد مطالعه علمی، فنی و مهندسی قرار گیرد تا هم از نظر بهبود مشخصات بتن و افزایش مقاومت آن پیشرفت‌های خوبی حاصل شود و هم از نظر اقتصادی، در هزینه‌ها صرفه‌جویی انجام شود. تولید سیمان با شرایط یاد شده، گامی در جهت پیشرفت جامعه محسوب می‌شود، لذا استفاده و به‌کارگیری آگاهانه و بجا از آن توسط مهندسان و دست‌اندرکاران بخش ساخت و ساز کشور، نتایج مطلوب‌تری بدست می‌دهد که این مهم،‌ نیازمند نظارت‌های بیشتر و اصولی‌تر دستگاه‌های نظارتی و متولیان امر بر این حوزه است و برنامه‌ریزی‌ها و هدف‌گذاری‌های مناسب همه جانبه، در تمام مراحل تولید و توزیع این محصول را می‌طلبد.



نویسنده: زهرا اولادی