طرق صناعة الإسمنت البورتلاندي

المواد الخام وطرق التصنيع 

تتم إجراء عملية تصنيع الأسمنت البورتلاندي عن طريق مزج كمية من المواد الجيرية مع كمية من المواد الطينية بعد طحنها أولا، ثم يتم خلط المكونات بطريقة جافة أو رطبة بنسب محددة بدقة تامة لأي نوع من أنواع الأسمنت. بعد ذلك، يتم إدخال الخليط إلى الفرن وتركه حتى يتحرر منه بخار الماء وثاني أكسيد الكربون، وتحدث تفاعلات كيميائية مع المكونات أثناء عملية الحرق، مما ينتج عنه مادة تسمى الأجر (الكلينكر). بعد ذلك، يتم طحن الخليط مع كمية من الجبس حتى يصل إلى الدرجة المطلوبة من النعومة 

حساب المواد الخام 

قبل مزج المكونات، يجب معرفة التحليل الكيميائي لجميع المكونات، بما في ذلك كل من التفلون والحجر الجيري وجميع المواد الإضافية مثل الرمل وخام الحديد والجبس والرخام 

تحضير الخلطة 

يتطلب تحضير الخليط تكسير المواد الخام باستخدام كسارات مثل الطاحونة المطرقية أو السمحاق الفلكي، ثم يتم نقلها إلى طواحين متكررة أو أنابيب للحصول على أعلى درجة من الطحن والنعومة المطلوبة باستخدام الطريقة الجافة أو الرطبة 

الطريقة الجافة 

يتم استخدام طريقة الطحن الجاف لتحويل المواد إلى النعومة المطلوبة، وتعد هذه الطريقة الأفضل اقتصادياً لأنها توفر في استهلاك الطاقة 

الطريقة الرطبة

تستخدم هذه الطريقة عندما تحتوي المواد الخام على نسبة عالية من الرطوبة، على عكس المواد الجافة، وبالتالي فإنها تعتبر طريقة غير اقتصادية. حيث يتم إضافة كمية من الماء تصل إلى 40% للوصول إلى خليط متجانس، ثم يتم ضخ المكونات في مضخات العجن 

الحرق 

يتم ضخ الخليط الجاف أو العجين من خلال الفتحة العليا للفرن، ويتراوح ارتفاع الفرن بين 30 إلى 150 متر بقطر يبدأ من 5 إلى 15 متر، ويتم تثبيت الفرن على درجة ميل 2.5 بحيث يكون منحدرا بزاوية ميل قليلة من الأسفل. ويتكون الفرن من الحديد الصلب المبطن من الداخل بالطوب الحراري حتى يتحمل درجة الحرارة العالية، ويتم تقليب المكونات مع حركة الفرن في اتجاه أسفل الفرن أو عند نهايته. 

يعمل الفرن بالسولار أو الغاز الطبيعي وتصل درجة الحرارة إلى أقصى درجة ممكنة ويدخل اللهب من فتحة في أسفل الفرن وتزداد درجة الحرارة في الجزء السفلي من الفرن وتقل تدريجيا نحو الأعلى، حيث تصل درجة الحرارة في قاع الفرن إلى حوالي 1450 درجة عند ضخ المواد الخام يبدأ بخار الماء في الارتفاع نتيجة للحرارة العالية وتعتبر هذه المرحلة مرحلة التجفيف وبعدها يتصاعد كل من المواد العضوية وثاني أكسيد الكربون، ويتصاعد أيضا بخار ماء الحجر الجيري من المنطقة الوسطى للفرن أو ما يعرف بمنطقة الكلسنة، ثم يبدأ مرحلة كسر الكبريتات وتصاعد كل من ثاني أكسيد الكبريت. 

بالنسبة للمناطق ذات درجات حرارة عالية، تعرف باسم منطقة الكلينكر، حيث تتحول ما يقرب من 30% من المكونات الصلبة في الخليط إلى سوائل، مع حدوث بعض التفاعلات الكيميائية التي تؤدي إلى تكوين مواد جديدة واختفاء المكونات الأساسية. تعرف المادة الناتجة عن حرق المكونات الأساسية باسم الكلينكر، وهي عبارة عن حبيبات صغيرة الحجم بلون أسود أو رمادي 

أثبتت التجارب والأبحاث أن الكلينكر يتكون من أربعة معادن أساسية وهي الآتي: 

• يُعرف سليكات ثلاثي الكالسيوم باسم (الأليت) C3S.
• يتكون بيتا سليكات ثنائي الكالسيوم (البليت) C2S β-
• الومينات ثلاثي الكالسيوم C3A.
• الومينو فيرو رباعي الكالسيوم ( السليت ) C4AF.

تنتج المادة C3S و C2S β ماتين عن طريق عملية التماسك، أما C3A و C4AF فهما المسؤولان عن الشك 

تبريد الكلينكر 

يتعرض الكلينكر للتبريد الفوري بالماء أو الهواء بعد خروجه، ويتم الحصول على خواص الأسمنت الجيدة وفقًا لسرعة تبريده 

• سليكات ثلاثي الكالسيوم (الأليت) C3S: يتساوى هذا النوع مع الأسمنت البورتلاندي العادي في مستوى الجودة، حيث يعطي قوة وصلابة بعد أسبوع واحد فقط من الخلط بالماء، وتتراوح نسبة الأليت في الأسمنت البورتلاندي العادي بين 35 إلى 50%. 
• بيتا سليكات ثنائي الكالسيوم (البليت) C2S β-: تتميز هذه المعدن بالشك في الأيام الأولى من استخدامه، وهو أضعف في الصلابة في البداية، ثم يتحسن ويصبح أكثر صلابة بعد ذلك، كما يعد هذا المعدن غير نقي، حيث يتراوح نسبة نقائه بين 15 إلى 35%. 
•  الومينات ثلاثي الكالسيوم C3A : يتميز هذا النوع من المعدن بدرجة شدة عالية عند درجات الحرارة المرتفعة ويصل محتوى الأسمنت في هذا النوع إلى 15.7 %، لذلك يجب توخي الحذر في عدم زيادة نسبة الأسمنت فيه إلى أكثر من 3.5%.
• الومينو فيرو رباعي الكالسيوم ( السليت ) C4AF : يتميز هذا النوع من الإسمنت بمعدل شك عالٍ ولكن لا يتجاوز معدل الشك للمعدن C3A، ويتراوح نسبة هذا النوع من الإسمنت بين 5 إلى 10، ويُعد هذا النوع الأكثر مقاومة للكبريت. 

أنواع الأسمنت 

• الأسمنت البورتلاندي العادي: يستخدم هذا النوع في العديد من الأغراض، ومنهذه الأغراض، الخرسانة على وجه الخصوص.
• الأسمنت المقاوم للكبريتات: يُستخدم هذا النوع في المناطق التي تحتوي على نسبة مرتفعة من أملاح الكبريت.
• الأسمنت الأبيض: يتميز هذا النوع بسرعة الشك وتشابهه في التركيب الكيميائي مع الأسمنت البورتلاندي العادي، لذلك يعتبر نفس الكلنكر ولكن يتميز بدرجة عالية من النعومة ويستخدم في الأغراض التي تتطلب سرعة شكعالية، وخاصة في المناطق الباردة وتحت سطح الماء. 
• أسمنت منخفض الحرارة: يتألف هذا النوع من نسبة عالية من البليت، الذي لا يتسبب في تصدع المباني، ولذلك يعتبر أنسب نوع للمباني الكبيرة والعالية مثل الجسور والسدود، حيث لا يتطلب خروج كميات عالية من درجة الحرارة.
• الأسمنت التمددي: هذا النوع من الأسمنت البورتلاندي العادي يتكون من عامل تمدد وعامل مثبت وتم إنتاجه في فرنسا، ويستخدم في الأغراض التي تتطلب تغييرا في الحجم حيث يتمدد هذا النوع بعد أسبوع من الخلط 
• الأسمنت منخفض القلويات: يحتوي الركام على بعض المواد النشطة التي تقوم بحدوث تفاعلات مع القلويات ينتج سليكات الصوديوم أو البوتاسيوم مثل الاوبالين أو الشيرت جميع هذه المكونات موجودة داخل الزلط لذا يجب صنع أسمنت لا يحتوي على أكاسيد الصوديوم أو البوتاسيوم حتى لا يحدث تتفاعل مع الركام النشط.
• يتم استخدام أسمنت آبار البترول في تبطين آبار البترول والصخور ذات النفاذية العالية تحت ظروف درجة حرارة عالية وضغط عالي، ولذلك يجب أن يحتوي هذا النوع على كمية كبيرة من البليت ليصبح أخشن من الأسمنت العادي 
• أسمنت عالى الأمونيا: يتكون هذا النوع من مزيج الحجر الجيري والبوكسيت بعد حرقهما باستخدام البواتق. وتختلف قدرة تحمل هذا النوع تبعا للتركيب الأولي لكربونات الكالسيوم والبوكسيت، حيث يزداد الخواص الحرارية بزيادة نسبة البوكسيت. وينقسم الأسمنت الحراري إلى ثلاثة أنواع، وكل نوع يحتوي على نسبة مختلفة من أكسيد الألومنيوم. 
• الاسمنتات المخلوطة: يحضر هذا النوع من الأسمنت من خلال حرق الأسمنت البورتلاندى مع مجموعة من النفايات الصناعية مثل خبث الحديد،تراب السليكا، تراب سرس الأرز، الوزولانا الطبيعية أو المصنعة، ومن أهم الأمثلة على هذا النوع ما يلي: