تاریخچه سیمان

سیمان چیست ؟

سیمان گردی است نرم جاذب آب و چسباننده خرده سنگ که اساسا مرکب است از ترکیبات پخته شده و گداخته شده اکسید کلسیم با اکسید سیلیکون، اکسید آلومینییم و اکسید آهن. ملات این گرد قادر است بمرور در مجاورت هوا یا در زیرآب سخت شود ؛  در زیر آب ضمن داشتن ثبات حجم مقاومت خود را نیز حفظ  می نماید  و در فاصله 28 روز در زیر آب ماندن دارای حداقل مقاومت 250 کیلوگرم بر سانتیمتر مربع میشود.در رم قدیم مخلوطی از خرده سنگ و آهک پخته درست میکردند که از ترکیب این مخلوط با آب بتن حاصل می شد و از این بتن برای کارهای ساختمانی استفاده می گردید . این نوع ساختمان ها را (Opus Caementitium)می نامیدند بمرور کلمه Cementum به مخلوط های مورد استفاده در این نوع ساختمان سازی اطلاق گردید منظور از Cementum نوع خاصی خرده سنگ بوده است که وقتی پودر آنها با آهک مخلوط می شد ، مخلوط حاصله دارای خاصیت هیدرولیکی بیشتر میشد و بمرور در مجاورت هوا و در زیر آب سخت میگردید و دارای مقاومت و سختی قابل توجهی میشد . این خرده سنگها یا از باقیمانده های آتشفشان یعنی خاکستر آتشفشان بودند و یا اینکه از خرد کردن خرده آجرهای تولید شده در کوره آجرپزی ، که در واقع همان خاک رس پخته است ، بدست می آمده اند.

تاریخچه کشف سیمان:

بناهای تاریخی بسیار قدیمی همچون اهرام مصر موید این هستند که بشر از ازمنه قدیم برخی ملاتها را می شناخته است. تصور اینکه چگونه این ملاتها کشف شده اند چندان مشکل نیست : پس از کشف آتش و چگونگی تهیه آن ، بشر اولیه در اطراقگاه ها برای گرم شدن و یا پختن غذا آتش برپا می کرده است. در مواردی که این آتش روی تخته سنگ آهکی یا گچی بر افروخته می شده است باعث شده که انیدرید کربنیک سنگ آهک از آن جدا گردد ویا سنگ گچ دهیدراته شود و بصورت پودر آیند. بمحض بارش باران این پودرها بصورت دوغاب و سپس بمرور زمان سخت شده است و احتمالا خرده سنگهای اطراف خود را به یکدیگر چسبانیده اند. دقت دراین پدیده راهنمای کشف ملات آبی و چگونه ساختن مصالح هیدرولیک بوده است .منظور از مصالح هیدرولیک  آن نوع از مصالح ساختمانی است که در اثر ترکیب با آب سخت میشوند ودر مجاورت آب ، هوا ویا در زیر آب مقاومت و سختی آنها کاهش نمی یابد.

مصری ها از ملات سنگ گچ نا خالص پخته شده استفاده میکرده اند. استفاده از سنگ آهک پخته (ملات آهک) در دوران تمدن یونان و رم رواج داشته است.آنرا یا بصورت خالص و یا بصورت مخلوطی از شیره آهک با شن و ماسه, سنگ شکسته, خرده آجر و یا خاکستر آتشفشان استفاده می کرده اند . با توجه به اشاره ای که به ریشه کلمه سیمان شد و با توجه به اینکه سابقه ساخت آهک به زمان های خیلی قدیم برمیگردد. میتوان ریشه و سابقه تولید سیمان(منظور سیمان طبیعی) را چیزی درحد تاریخ تولید آهک دانست
درسیمان طبیعی از گرد حاصل از خاکستر آتشفشان و سنگهای آتشفشانی (پوزولان – تراس) و مخلوط کردن این گرد با آهک شکفته استفاده میشود. در ابتدا از مخلوط شن و ماسه و خرده سنگ و امثالهم استفاده می شد وبه مرور معلوم شد که مخلوط شیره آهک با باقیمانده های آتشفشانی ملات بهتری را بدست می دهد . بهمین خاطر یونانی ها از خاکستر آتشفشانی واقع در جزیره سانتورین که بنام خاک سانتورین معروف است استفاده می کرده اند. هم اکنون نیز از این خاک استفاده می شود.

رومی ها از جسم مشابهی که دارای رنگ تیره تر بود و بمقدار زیاد در پوزولی Pozzoli واقع در نزدیک خلیج ناپل یافت می شد استفاده می کرده اند . با استفاده از این ملات رومی ها بناهائی نظیر Roman Pantheon,  Colosseum ,Basilica of Constantine, در رم و Pont du Gard  را در جنوب فرانسه ساخته اند که بخوبی در مقابل عوامل مخرب در طول قرنها دوام آورده اند و پا بر جا می هستند.

پل و آبراه (Pont du gard)  ساخته شده توسط رومی ها در جنوب فرانسه

قرن های هیجدهم و نوزدهم , زمان کشف بسیاری از پدیده ها بود . توجه زیادی به پدیده های علمی و طبیعی توسط دانشمندان , مهندسین , هنرمندان, شیمیدان ها و دانشگاهیان می شد. یکی از پدیده های مورد توجه ، مسئله گیرش و سخت شدن ملاتها بود. در این مقطع از تمدن بشر دانشمندان بسیاری بی خبر از یکدیگر , درکشورهای مختلف روی موضوع های فراوانی تحقیق می نمودند و بسیار اتفاق می افتاد که همزمان و یا در فاصله زمانی کمی دو یا چند دانشمند بی هیچگونه رابطه ای با یکدیگر پدیده ای را کشف و رازی را بر ملا می ساختند از جمله این موارد ، خواص هیدرولیکی ملات ها بود که در سال 1756 توسط  جان اسمیتون کشف گردید و در فاصله 1756 تا 1830 حداقل شش بار کشف مجدد شده است.

معبد پانتئون واقع در رم که 1890 سال پیش با استفاده از ملات سیمان طبیعی ساخته شده است و هنوز پابرجا است .

  جان اسمیتون و شرح مختصری در باره او:

تا پایان نیمه اول قرن هیجدهم , عواملی که ایجاد خاصیت هیدرولیکی و چسبندگی در برخی مواد میکردند در پرده اسرار بود تا اینکه یک مهندس انگلیسی بنام جان اسمیتون به خواص مهم ترکیبات موجود در خاک رس ، گیرش هیدرولیکی و خاصیت سخت شدن این ترکیبات پی برد. این اکتشاف در سال 1756 و در موقعی که نامبرده بدنبال پیدا کردن مصالحی بود که دارای چسبندگی و مقاومت کافی در مقابل آب باشند ، حاصل آمد. این مصالح برای استفاده در تجدید بنای فانوس دریایی ادی استون Eddystone Lighthouse  در نزدیکی پلیموت بود.

 فانوس دریائی ادی استون و شرح مختصری در باره آن:

اسمیتون بررسی های خود را که منجر به کشف ملات هیدرولیکی مطلوب جهت ساخت فانوس دریایی شده است در کتابی بنام “داستان سخت فانوس دریائی ادی استون” آورده است. این کتاب در سال 1791 بچاپ  رسیده است.

اسمیتون در ساختن ملاتهای آزمایشی خود, چند جور آهک مصرف کرد و از هر یک نمونه هایی ساخت . پس از آنکه نمونه ها خود را گرفتند ، آنها را زیر آب گذاشت و با هم سنجید و به این نتیجه رسید که بهترین آهک از پختن نوعی سنگ آهک بنام Glamorgan بدست می آید . از تجزیه این سنگ آهک روشن شد که حاوی مقداری مواد رسی است. این نکته سر نخ اکتشاف خواص هیدرولیکی ترکیبات خاک رس بود . در حقیقت علت کشف فوق این بود که اسمیتون در ضمن تجزیه انواع آهکها متوجه شد آن نوع آهکی که دارای باقیمانده نامحلول بیشتری در اسید نیتریک است ، دارای خاصیت هیدرولیکی بیشتریست . این باقیمانده های نامحلول همان کوارتز و خاک رس موجود در سنگ آهک مورد استفاده جهتن پختن آهک هستند.

در سال 1780 Bryan Higgins انگلیسی بی خبر از کارهای اسمیتون که تا این تاریخ منتشر نشده بود ، سنگ آهک را از نقطه نظر دی اکسید کربن موجود درآن مورد بررسی قرار داده و نتیجه گرفته بود که درصورت پختن در درجه حرارت بالاتر و مخلوط کردن آهک حاصله با خاکستر چوب , ملات مرغوبتری حاصل می شود. در ضمن آهکی که دارای ناخالصی های رسی یا گچی باشد سریعتر و بهتر شیشه ای می شود. برداشت نامبرده از شیشه ای شدن همان چیزی است که امروزه ما به کلینکر شدن اطلاق می کنیم.

در سال 1796 یک نفر انگلیسی دیگر بنام جیمز پارکرآهک هیدرولیکی دیگری ساخت و نام آنرا سیمان رومی گذاشت. این سیمان (آهک آبی ) از پختن قلوه سنگهای آهکی رسی (گل آهک) بدست آمد و در همان سال در انگلستان به ثبت رسید.

اولین اقدام بشر در زمینه تهیه مخلوط مصنوعی از سنگ آهک و خاک رس برای تهیه سیمان (آهک آبی) در فرانسه و توسط ویکا (L.J.Vicat) در ابتدای قرن نوزدهم صورت گرفت. ویکا ، سنگ آهک و خاک رس را با هم مخلوط کرد, سپس بهمراه آب این مخلوط را آسیاب نمود و دوغاب حاصله را پخت . گرچه نتیجه حاصله موفقیت آمیز بود ، ولی عملاً در فرانسه این روش پیگیری نشد.

همزمان با ویکا, دانشمند آلمانی J.F.John  چیز مشابهی را کشف کرد. انجمن علوم آلمان جایزه ای برای پاسخ  به سئوال مربوط به تفاوت خواص آهک های مختلف مطرح کرده بود و نامبرده در تاریخ 1819 برنده این جایزه شد . نکته ای که وی بدان پی برده بود همان چیزی بود که 68 سال قبل اسمیتون متوجه شده بود. یعنی اینکه : وجود مقدار معینی ترکیبات رسی در سنگ آهک ملات مرغوبتری می دهد.

در انگلستان یک بنای آجرچین بنام ژوزف آسپدین (Joseph Aspdin) موفق شد از پختن مخلوطی از سنگ آهک و خاک رس (به نسبت متفاوت و بصورت دوغاب ) در درجه حرارت بالا به نوعی آهک آبی فوق العاده جالب دست یابد . وی نام این محصول بدست آمده را سیمان پرتلند (Portland Cement) گذاشت و در 21 اکتبر 1824 سیمان اختراعی خود را بثبت رسانید .

نکته قابل ذکر اینست که استفاده از کلمه پرتلند اولین بار توسط اسمیتون صورت گرفته است ولی او اقدام به ثبت این نام و یا محصول حاصله نکرده است.

علت این نام گذاری هوشیارانه این بود که بتن  (سنگ مصنوعی)  حاصل از این آهک آبی و خرده سنگ شباهت زیادی (خصوصاً از نظر رنگ) با نوعی سنگ آهک دارد که در جنوب انگلستان و در جزیره پرتلند یافتمی شود. البته این سیمان با آنچه که هم اکنون بنام سیمان پرتلند معروف است تفاوت دارد و کاملاً مشابه نیستند.

کار آسپدین توسط پسرش ویلیام آسپدین پیگیری شد . در سال 1843 نامبرده موفق گردید با دست یابی به تکنیک استفاده از درجه حرارت بالاتر و ایجاد حالت عرق کردن و نیمه ذوب شدن در حین پخت ، به محصولی  دست یابد که درصد قابل توجهی از مواد مورد استفاده بصورت گداخته شده (Sintered) درآید. منظور از گداخته شدن همان پختن در درجات حرارت بالاست, بطوریکه بخشی از مواد در حال پخت بصورت گداخته (مذاب) در آید. سیمان ساخته شده توسط ویلیام آسپدین واقعاً بهتر و عالی تر از سیمان های قبلی و دارای مقاومت بیشتری بود. از این سیمان در ساختمان جدید پارلمان انگلستان استفاده شد

 ژوزف آسپدین ثبت کننده اختراع سیمان پرتلند در حال تهیه مواد خام سیمان ، سمت راست عکس پلاک یادبود اهدائی توسط ژرژ چهارم به وی را نشان می دهد.

 اولین کوره سیمان که توسط ویلیام آسپدین (عکس زیر) در نورث فلیت انگلستان احداث شده است

لازم به توضیح است که کارهائی که تا این تاریخ , خصوصاً توسط آسپدین ها صورت می گرفت کاملاً سری بود. در سال 1845 شخصی بنام Isaac Charles Johnson نیز موفق به کشف اثرات درجه حرارت بالا ورسیدن به نقطه تعریق(زینتر شدن) گردید. در رابطه با این مطلب ذکر مفاهیم زیر از قول جانسون خالی از لطف نیست :

هیچ منبع اطلاعاتی که بتواند کمک من باشد موجود نبود. گرچه آسپدین کارهائی انجام داده بود ولی امکان دستیابی به کارهای او و جود نداشت . زیرا محل کار او بوسیله دیوارهای بارتفاع 6 متر کاملاً محصور شده بود و راه ورود به کارگاه او فقط از طریق دفترش بود. گرچه برخی از همکاران او مدعی بودند که نحوه عمل بسیار سرٌی است ولی من مطمئن بودم که اگر راه نفوذی وجودمیداشت راز مسئله را کشف می کردم . گفته می شد که برخی مواد را خود آسپدین بدست خود پودر می کرد و آنرا در سینی هائی می ریخت . پس از اینکه لایه ای از کلوخه های مواد و کک در کوره چیده می شد به سر کوره می رفت و با دست خود مقداری از این پودرهای گوناگون را روی لایه ها می پاشید. کسی از ماهیت این پودرهای اسرار آمیز اطلاعی نداشت.

از این مرحله به بعد است که از نیمه دوم قرن نوزدهم شاهد گسترش تولید سیمان به مقیاس صنعتی می باشیم . مشروح چگونگی این گسترش تحت عنوان روند ساخت سیمان از نیمه دوم قرن 19 تا ابتدای قرن 21 خواهد آمد.