کلمه Cement یعنی چسب و منظور از سیمان در مصالح ساختمانی چسبی است که در اثر ترکیب با آب سیمان قادر به چسباندن ذرات شن و ماسه (سنگدانه) است و پس از سفت و سخت شدن، در آب حل نمی شود. بهمین خاطر به این سیمان، سیمان هیدرولیک گفته می شود و اساسا از اکسید کلسیم تشکیل شده است و این اکسید با اکسیدهای سلیسیم، آلومینیوم و آهن ترکیب می شود و ترکیبات مینرالی یا فازهایی با خاصیت سیمانی را بوجود- می آورد.

آشنایی بشر با ملات ها یا مصالحی که خاصیت هیدرولیکی (میل ترکیبی با آب) دارند، یا به عبارت دیگر ملات های آبی که پس از سخت شدن در آب حل نمی شوند سابقه چند هزار ساله دارد. ولی از حدود ۲۱۰ سال پیش بود که بررسی های علمی و سیستماتیک روی اینگونه ملات ها و عوامل اصلی سیمانی بودن آنها شروع شد. در ابتدای کار از کوره هایی مشابه کوره های آهک پزی برای تولید سیمان استفاده می شد وبدلیل استقبال زیاد از این کالای معجزه گر، در اواخر قرن نوزدهم کوره های دوار ابداع شد و هم اکنون تکنولوژی بحدی رسیده است که با حداقل ممکن انرژی مصرفی و نیروی انسانی کوره هایی با ظرفیت ۱۰,۰۰۰ تن در روز عرضه می شود .

مواد اولیه سیمان

مواد اولیه سیمان پرتلند اصولا متشکل از سنگ آهک (Lime stone) یا برخی مواد حاوی آهک نظیر (Marl) مارل، (Aluvium) آلوویم، (Chalk) سنگ آهک نرم، (Shells) شل ها،  همچنین (Clay) خاک رس، (Shale) شیل، و یا دیگر مواد رسی نظیر خاکسترها و روباره (Argillaceous) هستند.

ترکیب مواد اولیه و نسبت اختلاط آنها با هم باید آنچنان باشد که ترکیباتی نظیر اکسیدکلسیم، سیلیس، آلومینا و اکسید آهن در محدوده معینی باشند و سایر اجزاء تشکیل دهنده نظیر اکسید منیزیم و قلیایی از حدود معینی کمتر باشند. وجود این محدودیت ها باعث می شود علاوه بر استفاده از مواد اولیه اصلی، ضرورتا از برخی مواد تصحیح کننده نظیر سنگ آهک خالص، ماسه سنگ و یا سنگ آهن نیز استفاده شود. در ابتدا مواد اولیه از معادن مربوطه استخراج می شوند وسپس با توجه به موقعیت معادن بطرق مختلف راهی کارخانه شده و در سنگ شکن های مناسب خرد می شوند و سپس در سالن اختلاط ضمن مخلوط شدن ذخیره می شوند. مواد مخلوط شده راهی آسیاب مواد شده و در این قسمت ضمن خشک شدن پودر هم می شوند وبعد از آسیاب شدن در سیلوهایی بتنی که نقش همگن سازی و ذخیره مواد پودر شده (سیلوهای مواد) را دارندانبار می شوند. در تمام این مراحل آزمایشگاه کنترل کیفی نظارت مستمر دارد و نمونه برداری های لازم را انجام میدهد و در نتیجه آنچه که در سیلوهای مواد ذخیره می شود آماده تغذیه به کوره است (خوراک کوره).

سیستم پخت متشکل از یک سری سیکلون (پیش گرمکن)، دستگاه (Calciner) تکلیس و یک استوانه دوار ( کوره ) و خنک کن برای بازیابی حرارتی محصول خروجی از کوره یعنی است. خوراک کوره  از سمت سیکلون ها وارد سیستم پخت می شود و از طرف دیگر شعله و گازهای داغ جاری در کوره بسوی پیش گرمکن مکیده می شود و در نهایت خوراک کوره پخته شده بصورت دانه های تیره رنگ از سیستم پخت خارج نشان دهنده تغییرات شیمیائی  حرارتی مواد در داخل سیستم پخت، می گردد. کلینکر خارج شده از سیستم پخت راهی انبار کلینکر میگردد و سپس به آسیاب سیمان فرستاده میشود و در اینقسمت همراه با حدود ۴ درصد سنگ گچ پودر می شود و بصورت سیمان در می آید که پس از دخیره درسیلوهای سیمان، در بارگیرخانه بصورت های فله یا کیسه بارگیری و از کارخانه خارج می شود.

این شکل تغییرات شیمیائی – حرارتی مواد ورودی به سیستم پخت و کلینکر خروجی از آن را نشان میدهد. بطوریکه ملاحظه میشود (Silica) سنگ سیلیس و (Clay) خاک رس، سنگ آهک که قبلا به صورت مخلوط، پودر و خوراک کوره در آمده اند. بتدریج وارد سیستم پخت میشوند و بمرور به اکسید های تبدیل می شوند. سپس این اکسید ها در اثر نزدیک شدن به حرارت بالاتر به فاز های CaO,SiO2,Al2O3,Fe2O3 تشکیل می شوند. سپس این اکسید ها در اثر نزدیک شدن به حرارت بالاتر به فاز های مختلف سیمان تبدیل می شوند.

و در حدود ۱۲۵۰ درجه سانتیگراد فاز مایع  (Liquid Phase)  تشکیل می گردد و در حضور فاز مایع , فاز  که اصلی ترین فاز مینرالی سیمان است بوجود می آید. از این مرحله به بعد مواد داخلِ کوره ، شعله را پشت سر می گذارد و بتدریج فاز های اصلی سیمان یعنی: C3S,C2S,C3A,C4AF تثبیت میشوند. در پایان دانه های تیره رنگ کلینکر متشکل از فاز ها و مقدار مختصری آهک آزاد  از کوره خارج وسپس وارد خنک کن می شود.

سنگ آهک

سنگ آهک بسیار فراوان در دوره های مختلف زمین شناسی در ایالات متحده توزیع شده است.

این عبارت است از جزء اساسی کربنات در آهک (کلسیم کربنات) و فرم خالصی از مینرال کلسیت است. ناخالصی های مهمی که در سنگ آهک یافت میشود عبارت است از: سیلیکا، اکسید آهن، آلومینا، کربنات منیزیم و قلیایی های پتاسیم و کلسیم، سنگ آهک زمانی شامل کربنات منیزیم قابل توجهی است که  آن به ۴۵ درصد برسد. مجموع کربناتهای کلسیم و منیزیم دولومیت است. مناسب است برای ساخت سیمان پرتلند، سنگ آهک باید فقط محتوی اندک کربنات منیزیم درحدود ۵ درصد در سنگ آهگ موجود باشد. هرکجا که سنگ آهک با شیل به کار برده شده است منیزیای کم ۶ درصد، مجاز است، یا در نوشته های دیگرمیزان کربنات منیزیم درسنگ آهک نباید به اندازه ای باشد که سبب به وجود آمدن منیزیا در سیمان نهایی بیش از ۴ درصد شود. این یعنی کربنات منیزیا در مخلوط  سنگ آهک و شیل نباشد. هر کجا که سنگ آهک فقط شامل درصد کمتری از سیلیکا، آلومینا و اکسید آهن، نیازی به توجه به وابستگی نسبت های اخیر نیست، اما هر کجا که سنگ آهک شامل  بخش قابل توجهی از جزء سازنده باشد ارتباط بین اینها باید نظیر سنگ آهکی باشد که با شیل یا رس مخلوط شده باشد، مخلوطی که سیلیکا و آلومینا در آن نسبت مناسبی داشته باشد. مقدار اکسید آهن ( فریک ) در سنگ آهک نباید به حدی باشد که مقدار اکسید فریک در سیمان متجاوز از ۴ درصد شود. سنگ آهک محتوی مقدار قابل توجهی سولفور، که ۵ یا ۶ درصد بیان شده است، که به طور موفقیت آمیزی برای تولیدسیمان به کار برده شده است، بیشتر این سولفورها به داخل کوره وارد شده اند. رقمی از ذخیره سنگ آهک وجود دارد که از میان یک رگه ژیپس عبور می کند، به طور برجسته صنایع Yakton ، Colo از آن استفاده می کنند. این سنگ آهک برای صنایع سیمان پرتلند کاربرد دارد و سولفوری که شامل مشخصات شرح داده شده نیست نمی شود. سیلیکای ترکیب شده با آهک، زمینه ای برای اسید سولفوریک آزاد است، که به وسیله دمای بالا از کوره خارج شده بود. سنگ آهک باید کوارتز آزاد داشته باشد

سیلیس

سیلیس در اغلب سنگهای طبیعی یافت می شود.

انواعی که از آن اغلب بصورت کم و بیش خالص وجود دارند عبارتنداز: کوارتز، ماسه سیلیسی، سنگ سیلیسی و غیره. این نوع سیلیس ها فوق العاده پایدار هستتند و بصورت غیر محلول در آب می باشند و بجزاسید هیدروفلوریک سایر اسیدها روی آنها بی اثرند. وقتیکه سیلیس حرارت داده میشود یک سری تغییرات در ساختمان کریستالی آن بوجود می آید، فرایندی که ضمن ثابت ماندن ترکیب شیمیائی، در برخی مواقع بهمراه تغییرات حجمی قابل توجهی است.

چنانچه سیلیس تا ۱۹۰۰ درجه سانتیگراد حرارت داده شود، ذوب می شود و بصورت جسم شیشه ای در می آید که بدان شیشه سیلیسی گفته می شود. نفوذ پذیری اشعه ماوراء بنفش از شیشه سیلیسی ناچیز است و با توجه به این خاصیت از آن در ساخت لامپهای ماوراء بنفش استفاده می شود. شیشه کوارتز دارای ثبات حجم زیادی در مقابل تغییرات درجه حرارت است. بعنوان نمونه، میتوان یک بوته سرخ شده از جنس شیشه کوارتز را بدون وجود خطر خرد شدن بداخل آب سرد انداخت. دلیل این امر این است که انبساط حجمی سیلیس در ضمن گرم شدن و انقباض آن در ضمن سرد شدن، فوق العاده کم است. علیرغم اینکه سیلیس کوارتزی جسمی پایدار، غیر قابل ترکیب و سخت است، سایر اشکال سیلیس دارای اینچنین مشخصه هائی نیستند. نمونه هائی از سایر اشکال سیلیس که ریز و حاوی آب هستند عبارتند از اوپال، فلینت و بخصوص خاک دیاتومه که باقیمانده هوا زده اسکلت سیلیسی گیاهان آبزی موسوم به دیاتوم ها هستند. بدلیل ریز و نرم بودن، این نوع سیلیس ها دارای میل ترکیبی بیشتری در مقایسه با کوارتز معمولی هستند، انواع اشکال اکتیو سیلیس در بخش مواد پوزولانی مشروحاً بررسی خواهد شد. هنگامیکه انواع سیلیس، حتی کوارتز معمولی تا درجات حرارت بالا، حرارت داده شوند دارای میلپ ترکیبی شیمیائی میشوند . بعنوان نمونه، قلیائی های قوی مثل هیدروکسید پطاسیم یا هیدروکسید

سدیم در درجات بالا با کوارتز ترکیب میشوند و ترکیبی محلول در آب بوجود می آورند . از این فرایند برای تولید آب شیشه که مایعی است لزج و بی رنگ و مورد استفاده خانم خانه برای نگهداری تخم مرغ است، استفاده میشود . همچنین آب شیشه دارای موارد کاربرد صنعتی متنوعیپ است از جمله: مواد افزودنی مرطوب کننده، مواد تأخیر انداز آتش برای اجسام قابل سوختن، ترکیبات بطانه و امثالهم. آب شیشه بعنوان محلول مایع سیلیسی، وسیله خوبی برای نشان دادن واکنش فی مابین سیلیس- آهک که مهمترین واکنش معرف سخت شدن مواد هیدرولیک است، است . چون ترکیبات اکسید کلسیم و سیلیس جزو گروهی از موادند که دارای قابلیت حل شدن محدودی در آب هستند، لذا از مخلوط کردن دو محلول حاوی سیلیس و آهک رسوب تشکیل میشود. در اغلب واکنشهائی که در محیط محلول غلیظ رسوب تشکیل می دهند، تشکیل رسوب سریع صورت می گیرد و رسوب حاصله در ته ظرف ته نشین می شود. در مورد سیلیکات کلسیم اینچنین نیست، در این حالت  وقتیکه دو محلول با یکدیگر مخلوط می شوند، بلافاصله جسم جامدی حاصل می شود. اگر چه اطلاق جسم “جامد” صحیح نیست، زیرا که منظور ما در اینجا توده ای ژله ای شکل است. معذالک مقاومت برشی و چسبندگی توده ژله ای تا آن حدیست که بهنگام بیرون کشیدن میله به .( زن از بشر حاوی ژل، بشر به همراه میله بلند میشود.

آلومینا

اصطلاح شیمیائی آلومینا همان اکسید آلومینیم خالص است . خاک رس حاوی مقدار زیادی آلومیناست و خالص ترین نوع خاک رس یعنی کائولینیت متشکل از ترکیبات آلومینا،سیلیس و آب با فرمول شیمیایی Al2O3 . 2SiO2 . 2 H2O است.  درصد این ترکیبات بر مبنای وزن ملکولی عبارتست از: ۴۴.۵درصدسیلیس،۲۹.۵درصدآلومینا و۱۴درصد آب کائولینیت، جزءاصلی کائولن است که خود ازمحصولات حاصل ازهوازدگی سنگها درشرایط خاص ژئولوژیکی است. چنانچه در اثر تغییرات بیشتر ژئولوژیکی این محصولات از جای اولیه تشکیل شدن خود (“ ته نشت اولیه”)، تغییر محل دهند و مجدداً بوسیله رودخانه ها یا طوفان ها رسوب داده شوند، تشکیل خاک رس می دهند.

مشخص کردن و تعریف این ماده طبیعی یعنی خاک رس بسیار مشکل است، زیرا که با توجه به تاریخ تشکیل آن، ممکن است حاوی انواع ناخالصی ها، عمدتاً کوارتز، اکسید فریک، همچنین مقادیر جزئی از باقیمانده های حاصل از تجزیه مواد آلی و غیره باشد. از نظر صنعت سیمان، ته نشست های ژئولوژیکی مطلوب آنهائی هستند که بنام مارل نامیده میشوند و حاوی مخلوطی از کربنات کلسیم و خاک رس هستند. اینچنین مخلوط های طبیعی نه تنها برای ساخت آهک هیدرولیک بلکه برای سیمان نیز دارای اهمیت هستند.

ترکیب شیمیائی خاک رس معمولی آنچنان است که سیلیس آن معمولاً حدود دو برابر مجموع آلومینا و اکسید فریک است؛ همچنین آلومینای آن دو برابر اکسید فریک است.خاک رس معمولی چندان مناسب برای ساخت آلومینای خالص نیست. برای این منظور ارجح این است که از بوکسیت که اساساً متشکل از آلومینای هیدراته است، استفاده شود. بوکسیت خالص ماده اولیه معمول برای ساخت آلومینا، کوراندوم و مواد نسوز است. از جنبه شیمی سیمان، نقش آلومینا قابل توجه است زیرا مشابه سیلیس، با آهک و آب ترکیب می شود و ترکیب ژله ای شکل می دهد.

اکسید آهن

اکسید فریک، جزء اصلی تشکیل دهنده اغلب سنگ آهن ها است که غالباً بصورت خالص یعنی زنگ نیز یافت می شود. همچنین به مقدار کم و زیاد در اغلب کانی ها خصوصاً در خاک رس نیز وجود دارد. لذا به دلیل وجود آن در اغلب مواد اولیه بطوراجتناب ناپذیری در سیمان های هیدرولیک نیز وجود دارد. سیمان سفید فاقد اکسید آهن است و قیمت بالای آن ناشی از کمیاب بودن نسبی مواد اولیه مناسب و عاری از اکسید آهن، برای ساخت سیمان سفید است . جدا از امکان دسترسی به مواد اولیه مناسب، ساخت سیمان فاقد اکسید آهن ، همراه با مشکلاتی است. زیرا در فرایند پخت کلینکر  سنگ آهن نقش کمک ذوب را دارد و باعث سهولت تشکیل ترکیبات شیمیائی، که پایه سیمان هستند، در درجه حرارت پائین تر میشود.

سنگ سیمان

سنک آهک رسی ناخالص برای تولید سیمان در    استفاده می شود، که از نظر فنی به آن سنک سیمان گفته می شود.  این سنگ به شکل کمربندی رگه ای در شمال شرقی Lehigh District  کمتر از یک مایل در شمال از Stewartsvill توسعه یافته تا میان فرمانداری Berks وLehighValle و Northampton و فرمانداری Warren در پنسیلوانیا عبور می کند، درنیوجرسی به طول ۴۰ مایل و نه متجاوز از ۴ مایل در عرض هست. در جولای سال۱۹۱۰،  هفتاد کارخانه سیمان پرتلند با همدیگر در این ناحیه فعال بودند. کارخانه ساخته شده دراین ناحیه در سال۱۹۰۸بیش از۴۰ درصد بود.

بازده در این ناحیه به وسیله تجربه ترکیبی که شامل ۷۵ درصد کربنات کلسیم و ۱۸ تا۲۰ درصد ماده ی رسی (سیلیکا، اکسیدآهن و آلومینا) که به بهترین سیمان دست پیدا کرده بودند و سنگ آهک ناخالص یافت شده در Lehigh Valle کمی بیشتر یا کمتر نزدیک این ترکیب بود. وقتی که این سنگ سیمان شامل کمتر از ۷۵ درصد کربنات کلسیم  این تکنیک در اینجا با اضافه کردن سنگ آهک ناخالص کافی به نسبت مناسب مخلوط درست می شود. از لحاظ زمین شناسی این سنگ سیمان , سنگ آهک Trenton کمتر سن Silurian و بین شیل رودخانه Hudson و سنگ آهک منیزیایی Kittatinny قرار دارد . طبقه فوقانی بستر های سنگ سیمان، جایی که در تماس با ذغال سنگ سخت است، ترکیب آن کم و بیش شیلی، و ظاهر و شکستگی آن ذغال سنگی  است.

اغلب در اینجا سنگ شامل کمتر از ۵۰ درصد کربنات کلسیم  است و در تولید سیمان پرتلند توجیح اقتصادی ندارد . هر اندازه ما در تشکیل آن به پایین تا ساختمان پایه حرکت کنیم  آهک افزایش می یابد ذر محل تماس با سنگ آهک kitattinny شاید آن حامل ۹۵ درصد کربنات کلسیم باشد .  از این بستر های پایینی که برای بدست آوردن سنگ سیمان وجود سنگ آهک ضروری است. سنگ آهک kitattinny دارای مگنزیای زیادی است (۱۵ تا ۲۰ درصد ) که برای ساخت سیمان کاربرد دارد , اما در این ساختمان لایه هایی وجود دارند که دارای مگنزیای کمی برای استفاده موفقیت آمیز هستند. اغلب سنگ سیمان حاوی ۵ الی ۶ درصد کربنات منیزیم است، اما هرگز به درصد بالای  در سنگ آهک kitattinny نمی رسد. خالص ترین سنگ آهک در این ناحیه در حدود ۹۸ درصد کربنات کلسیم  و تقریبا ۵۰ تا ۷۰ مایل تا Annville فاصله دارد.

مارل ها

برای ساخت سیمان در ایالت میشیگان، اوهایو، نیویورک و شمال ایندیانا از مارل استفاده می کنند. مارل کم و بیش از کربنات کلسیم تشکیل شده است، پایه ی ناخالصی ها رس ها، مواد آلی و کربنات منیزیا است. بستر های مارل معمولا  لاشه های قدینی مرده ای در برکه ها را اشغال میکنند یا دیگر زیر یا کنار  همان حاضر هستند و آنها به وسیله ی رسوب کردن کربنات کلسیم از آب به وسیله ی برخی جلبکها یا گیاهاب آبی ایجاد شده اند. کیفیت بسترهای مارل معمولا به موقعیت در عمق و ناحیه و مشخصات فیزیکی بلکه نسبت به ترکیب شیمیایی بستگی خواهد داشت. مارل بایستی، شامل حداقل ۷۵ درصد از کربنات کلسیم قبل از و کم کردن مواد آلی و نباید شامل بیش از ۲ تا ۳ درصد سیلیس آزاد (سیلیکا به عنوان ماسه سیلیسی) هیچ یک بیشتر از ۵ درصد کربنات منیزیا نباشد. چیزی که گفته شد درباره ی نیازمندی سنگ آهک برای کاربرد در صنعت سیمان پرتلند گفته شد، همان مارل است. عمق زیاد لایه های بیشتر از نظر اقتصادی می توان کار کرد. اگر بستر ها خشک باشند بنابراین پروسه ی خشک کردن از صنعت می تواند به کار گرفته شود، ارزش رسوب به موجب آن خیلی کاهش میابد.

رس

رس مرکب از ترکیب کائولین با کم و بیش ماسه و دیگر ناخالصی هاست. کائولین اغلب کائولینیت نامیده می شود، که هیدرات آلومینوسیلیکات با فرمول  است. ماسه مرکب از دانه های کوارتز و دیگر مینرال هاست. رس شامل هر دوی سیلیکا از نظر ترکیب شیمیایی سیلیکا در ترکیب شیمیایی و دیگر مینرال های آن است، و به حالت آزاد به عنوان ماسه سیلیسی همچنین شامل کم و بیش اکسید آهن، آهک منیزیا و به مقدار خیلی کم سودا و پتاس. رس از تجزیه ی سنگ هایی که شامل مینرال هایی ساخته شده از آلومینا و سیلیکات سرچشمه گرفته است. بیشتر از مینرال های فلدسپات، اوژیت و هورنبلند رخ داده است. نفلینیت و سودالیت رخ داده اگر چه به مقدار خیلی کمی است. تجزیه ی جانشینی به وسیله ی سنگ شویی تدریجی به واسطه ی آب  عناصر حل می شوند، عقب ماندن حلالیت کم، سیلیکا و آلومینا با هم با کمترین تناسب از آهک منیزیا، آهن، پتاس و سودا اتفاق می افتد. این قسمت های حل نشدنی روی هم شسته شده و به وسیله ی آب در محل مناسبی ته نشین شده اند. این قبیل ته نشینی، که رس رسوبی نامیده می شود، در حالیکه رس، به جای شسته شدن به وسیله آب، از نزدیکی سنگ هایی که تجزیه آنها شکل گرفته عبور کرده اند، رس رسوبی باقی مانده نامیده می شوند.

بیشترین رسها با یافت نیازمندی های بالایی خواهند شد , معمولا باید به شرایط سیلیکا بیشتر دقت کنیم. بیشتر رسها شامل سیلیکای ترکیب نشده هستند , ماسه کوارتزی یا سنگریزه موجود است . اخیرا ممکن است از رس به روش های مکانیکی جدا کرده باشند بنابراین بسیار پر زحمت است . اگر بیشتر ( بالاتر از ۵ درصد ) حضور داشته باشد شکل گرین خا نباید از الک با مش ۱۰۰ عبور کند , رس برای صنایع سیمان نامناسب است . تحت بخش روشهای آنالیز مواد اولیه روشهایی برای تعیین کردن ماسه کوارتزی برای عبور از الک مش ۱۰۰ ارائه شده است

شیل ها

برای اهداف ساخت سیمان کاربردی ممکن است شیل به عنوان رس متبلور شده ی منحصر به فرد مورد توجه قرار گیرد , از آنجایی که ترکیب شیمیایی آن دو بسیار مشابه است و باید توجه یکسانی به عنوان حالت سیلیس آزاد فرعی داده شود . شیل نسبت به رس قابل ترجیح است برای مخلوط شدن با سنگ آهک زمانیکه افتراق احتمالا از ۲ کمتر است ,اتفاق می افتد . همچنین حمل آب کمتر و نیازمندی آن به خشک کردن قبل از خردایش نتیجه بخش بوده است.  رس ها از طرف دیگر با مارل ها مخلوط مناسبی است زیرا خواص فیزیکی بین آن دو شبیه به هم است . اگر ترکیب از رس خشک و سنگ آهک درشت دانه از دهانه به داخل توده جاری شود رس در مرکز توده باقی خواهد ماند و سنگ آهک به کناره های توده جمع می شود . حالا , اگر این توده آهسته از پایین در میان باشد . به عنوان مواد اولیه کاربرد دارد.

بهترین مخلوط مواد از نظر خواص فیزیکی شیل با سنگ آهک و رس با مارل است.