تاریخچه سیمان

سيمان چيست ؟

سيمان گردي است نرم جاذب آب و چسباننده خرده سنگ كه اساسا مركب است از تركيبات پخته شده و گداخته شده اكسيد كلسيم با اكسيد سيليكون، اكسيد آلومينييم و اكسيد آهن. ملات اين گرد قادر است بمرور در مجاورت هوا يا در زيرآب سخت شود ؛  در زير آب ضمن داشتن ثبات حجم مقاومت خود را نيز حفظ  می نماید  و در فاصله 28 روز در زير آب ماندن داراي حداقل مقاومت 250 كيلوگرم بر سانتيمتر مربع ميشود.در رم قديم مخلوطي از خرده سنگ و آهك پخته درست ميكردند كه از تركيب اين مخلوط با آب بتن حاصل مي شد و از اين بتن براي كارهاي ساختماني استفاده مي گرديد . اين نوع ساختمان ها را (Opus Caementitium)مي ناميدند بمرور كلمه Cementum به مخلوط هاي مورد استفاده در اين نوع ساختمان سازي اطلاق گرديد منظور از Cementum نوع خاصي خرده سنگ بوده است كه وقتي پودر آنها با آهك مخلوط مي شد ، مخلوط حاصله داراي خاصيت هيدروليكي بيشتر ميشد و بمرور در مجاورت هوا و در زير آب سخت ميگرديد و داراي مقاومت و سختي قابل توجهي ميشد . اين خرده سنگها يا از باقيمانده هاي آتشفشان يعني خاكستر آتشفشان بودند و يا اينكه از خرد كردن خرده آجرهاي توليد شده در كوره آجرپزي ، كه در واقع همان خاك رس پخته است ، بدست مي آمده اند.

تاريخچه كشف سيمان:

بناهاي تاريخي بسيار قديمي همچون اهرام مصر مويد اين هستند كه بشر از ازمنه قديم برخي ملاتها را مي شناخته است. تصور اينكه چگونه اين ملاتها كشف شده اند چندان مشكل نيست : پس از كشف آتش و چگونگي تهيه آن ، بشر اوليه در اطراقگاه ها براي گرم شدن و يا پختن غذا آتش برپا مي كرده است. در مواردي كه اين آتش روي تخته سنگ آهكي يا گچي بر افروخته مي شده است باعث شده كه انيدريد كربنيك سنگ آهك از آن جدا گردد ويا سنگ گچ دهيدراته شود و بصورت پودر آيند. بمحض بارش باران اين پودرها بصورت دوغاب و سپس بمرور زمان سخت شده است و احتمالا خرده سنگهاي اطراف خود را به يكديگر چسبانيده اند. دقت دراين پديده راهنماي كشف ملات آبي و چگونه ساختن مصالح هيدروليك بوده است .منظور از مصالح هيدروليك  آن نوع از مصالح ساختماني است كه در اثر تركيب با آب سخت ميشوند ودر مجاورت آب ، هوا ويا در زير آب مقاومت و سختي آنها كاهش نمي يابد.

مصري ها از ملات سنگ گچ نا خالص پخته شده استفاده ميكرده اند. استفاده از سنگ آهك پخته (ملات آهك) در دوران تمدن يونان و رم رواج داشته است.آنرا يا بصورت خالص و يا بصورت مخلوطي از شيره آهك با شن و ماسه, سنگ شكسته, خرده آجر و يا خاكستر آتشفشان استفاده مي كرده اند . با توجه به اشاره اي كه به ريشه كلمه سيمان شد و با توجه به اينكه سابقه ساخت آهك به زمان های خيلي قديم برميگردد. ميتوان ريشه و سابقه توليد سيمان(منظور سيمان طبيعی) را چيزي درحد تاريخ توليد آهك دانست
درسيمان طبيعي از گرد حاصل از خاكستر آتشفشان و سنگهاي آتشفشاني (پوزولان – تراس) و مخلوط كردن اين گرد با آهك شكفته استفاده ميشود. در ابتدا از مخلوط شن و ماسه و خرده سنگ و امثالهم استفاده مي شد وبه مرور معلوم شد كه مخلوط شيره آهك با باقيمانده هاي آتشفشاني ملات بهتري را بدست مي دهد . بهمين خاطر يوناني ها از خاكستر آتشفشاني واقع در جزيره سانتورين كه بنام خاك سانتورين معروف است استفاده مي كرده اند. هم اكنون نيز از اين خاك استفاده مي شود.

رومي ها از جسم مشابهي كه داراي رنگ تيره تر بود و بمقدار زياد در پوزولي Pozzoli واقع در نزديك خليج ناپل يافت مي شد استفاده مي كرده اند . با استفاده از اين ملات رومي ها بناهائي نظير Roman Pantheon,  Colosseum ,Basilica of Constantine, در رم و Pont du Gard  را در جنوب فرانسه ساخته اند كه بخوبي در مقابل عوامل مخرب در طول قرنها دوام آورده اند و پا بر جا مي هستند.

 قرن هاي هيجدهم و نوزدهم , زمان كشف بسياري از پديده ها بود . توجه زيادي به پديده هاي علمي و طبيعي توسط دانشمندان , مهندسين , هنرمندان, شيميدان ها و دانشگاهيان مي شد. يكي از پديده هاي مورد توجه ، مسئله گيرش و سخت شدن ملاتها بود. در اين مقطع از تمدن بشر دانشمندان بسياري بي خبر از يكديگر , دركشورهاي مختلف روي موضوع هاي فراواني تحقيق مي نمودند و بسيار اتفاق مي افتاد كه همزمان و يا در فاصله زماني كمي دو يا چند دانشمند بي هيچگونه رابطه اي با يكديگر پديده اي را كشف و رازي را بر ملا مي ساختند از جمله اين موارد ، خواص هيدروليكي ملات ها بود كه در سال 1756 توسط  جان اسميتون كشف گرديد و در فاصله 1756 تا 1830 حداقل شش بار كشف مجدد شده است.

  جان اسميتون و شرح مختصري در باره او:

تا پايان نيمه اول قرن هيجدهم , عواملي كه ايجاد خاصيت هيدروليكي و چسبندگي در برخي مواد ميكردند در پرده اسرار بود تا اينكه يك مهندس انگليسي بنام جان اسميتون به خواص مهم تركيبات موجود در خاك رس ، گيرش هيدروليكي و خاصيت سخت شدن اين تركيبات پي برد. اين اكتشاف در سال 1756 و در موقعي كه نامبرده بدنبال پيدا كردن مصالحي بود كه داراي چسبندگي و مقاومت كافي در مقابل آب باشند ، حاصل آمد. اين مصالح براي استفاده در تجديد بناي فانوس دريايي ادي استون Eddystone Lighthouse  در نزديكي پليموت بود.

 فانوس دريائي ادي استون و شرح مختصري در باره آن:

اسميتون بررسي هاي خود را كه منجر به كشف ملات هيدروليكي مطلوب جهت ساخت فانوس دريايي شده است در كتابي بنام "داستان سخت فانوس دريائي ادي استون" آورده است. اين كتاب در سال 1791 بچاپ  رسيده است.

اسميتون در ساختن ملاتهاي آزمايشي خود, چند جور آهك مصرف كرد و از هر يك نمونه هايي ساخت . پس از آنكه نمونه ها خود را گرفتند ، آنها را زير آب گذاشت و با هم سنجيد و به اين نتيجه رسيد كه بهترين آهك از پختن نوعي سنگ آهك بنام Glamorgan بدست مي آيد . از تجزيه اين سنگ آهك روشن شد كه حاوي مقداري مواد رسي است. اين نكته سر نخ اكتشاف خواص هيدروليكي تركيبات خاك رس بود . در حقيقت علت كشف فوق اين بود كه اسميتون در ضمن تجزيه انواع آهكها متوجه شد آن نوع آهكي كه داراي باقيمانده نامحلول بيشتري در اسيد نيتريك است ، داراي خاصيت هيدروليكي بيشتريست . اين باقيمانده هاي نامحلول همان كوارتز و خاك رس موجود در سنگ آهك مورد استفاده جهتن پختن آهك هستند.

در سال 1780 Bryan Higgins انگليسي بي خبر از كارهاي اسميتون كه تا اين تاريخ منتشر نشده بود ، سنگ آهك را از نقطه نظر دي اكسيد كربن موجود درآن مورد بررسي قرار داده و نتيجه گرفته بود كه درصورت پختن در درجه حرارت بالاتر و مخلوط كردن آهك حاصله با خاكستر چوب , ملات مرغوبتري حاصل مي شود. در ضمن آهكي كه داراي ناخالصي هاي رسي يا گچي باشد سريعتر و بهتر شيشه اي مي شود. برداشت نامبرده از شيشه اي شدن همان چيزي است كه امروزه ما به كلينكر شدن اطلاق مي كنيم.

در سال 1796 يك نفر انگليسي ديگر بنام جيمز پاركرآهك هيدروليكي ديگري ساخت و نام آنرا سيمان رومي گذاشت. اين سيمان (آهك آبي ) از پختن قلوه سنگهاي آهكي رسي (گل آهك) بدست آمد و در همان سال در انگلستان به ثبت رسيد.

اولين اقدام بشر در زمينه تهيه مخلوط مصنوعي از سنگ آهك و خاك رس براي تهيه سيمان (آهك آبي) در فرانسه و توسط ويكا (L.J.Vicat) در ابتداي قرن نوزدهم صورت گرفت. ويكا ، سنگ آهك و خاك رس را با هم مخلوط كرد, سپس بهمراه آب اين مخلوط را آسياب نمود و دوغاب حاصله را پخت . گرچه نتيجه حاصله موفقيت آميز بود ، ولي عملاً در فرانسه اين روش پيگيري نشد.

همزمان با ويكا, دانشمند آلماني J.F.John  چيز مشابهي را كشف كرد. انجمن علوم آلمان جايزه اي براي پاسخ  به سئوال مربوط به تفاوت خواص آهك هاي مختلف مطرح كرده بود و نامبرده در تاريخ 1819 برنده اين جايزه شد . نكته اي كه وي بدان پي برده بود همان چيزي بود كه 68 سال قبل اسميتون متوجه شده بود. يعني اينكه : وجود مقدار معيني تركيبات رسي در سنگ آهك ملات مرغوبتري مي دهد.

در انگلستان يك بناي آجرچين بنام ژوزف آسپدين (Joseph Aspdin) موفق شد از پختن مخلوطي از سنگ آهك و خاك رس (به نسبت متفاوت و بصورت دوغاب ) در درجه حرارت بالا به نوعي آهك آبي فوق العاده جالب دست يابد . وي نام اين محصول بدست آمده را سيمان پرتلند (Portland Cement) گذاشت و در 21 اكتبر 1824 سيمان اختراعي خود را بثبت رسانيد .

نكته قابل ذكر اينست كه استفاده از كلمه پرتلند اولين بار توسط اسميتون صورت گرفته است ولي او اقدام به ثبت اين نام و يا محصول حاصله نكرده است.

علت اين نام گذاري هوشيارانه اين بود كه بتن  (سنگ مصنوعي)  حاصل از اين آهك آبي و خرده سنگ شباهت زيادي (خصوصاً از نظر رنگ) با نوعي سنگ آهك دارد كه در جنوب انگلستان و در جزيره پرتلند يافتمي شود. البته اين سيمان با آنچه كه هم اكنون بنام سيمان پرتلند معروف است تفاوت دارد و كاملاً مشابه نيستند.

كار آسپدين توسط پسرش ويليام آسپدين پيگيري شد . در سال 1843 نامبرده موفق گرديد با دست يابي به تكنيك استفاده از درجه حرارت بالاتر و ايجاد حالت عرق كردن و نيمه ذوب شدن در حين پخت ، به محصولي  دست يابد كه درصد قابل توجهي از مواد مورد استفاده بصورت گداخته شده (Sintered) درآيد. منظور از گداخته شدن همان پختن در درجات حرارت بالاست, بطوريكه بخشي از مواد در حال پخت بصورت گداخته (مذاب) در آيد. سيمان ساخته شده توسط ويليام آسپدين واقعاً بهتر و عالي تر از سيمان هاي قبلي و داراي مقاومت بيشتري بود. از اين سيمان در ساختمان جديد پارلمان انگلستان استفاده شد

 ژوزف آسپدين ثبت كننده اختراع سيمان پرتلند در حال تهيه مواد خام سيمان ، سمت راست عكس پلاك يادبود اهدائي توسط ژرژ چهارم به وي را نشان مي دهد.

 اولين كوره سيمان كه توسط ويليام آسپدين (عكس زير) در نورث فليت انگلستان احداث شده است

 لازم به توضيح است كه كارهائي كه تا اين تاريخ , خصوصاً توسط آسپدين ها صورت مي گرفت كاملاً سري بود. در سال 1845 شخصي بنام Isaac Charles Johnson نيز موفق به كشف اثرات درجه حرارت بالا ورسيدن به نقطه تعريق(زينتر شدن) گرديد. در رابطه با اين مطلب ذكر مفاهيم زير از قول جانسون خالي از لطف نيست :

هيچ منبع اطلاعاتي كه بتواند كمك من باشد موجود نبود. گرچه آسپدين كارهائي انجام داده بود ولي امكان دستيابي به كارهاي او و جود نداشت . زيرا محل كار او بوسيله ديوارهاي بارتفاع 6 متر كاملاً محصور شده بود و راه ورود به كارگاه او فقط از طريق دفترش بود. گرچه برخي از همكاران او مدعي بودند كه نحوه عمل بسيار سرٌي است ولي من مطمئن بودم كه اگر راه نفوذي وجودميداشت راز مسئله را كشف مي كردم . گفته مي شد كه برخي مواد را خود آسپدين بدست خود پودر مي كرد و آنرا در سيني هائي مي ريخت . پس از اينكه لايه اي از كلوخه هاي مواد و كك در كوره چيده مي شد به سر كوره مي رفت و با دست خود مقداري از اين پودرهاي گوناگون را روي لايه ها مي پاشيد. كسي از ماهيت اين پودرهاي اسرار آميز اطلاعي نداشت.

از اين مرحله به بعد است كه از نيمه دوم قرن نوزدهم شاهد گسترش توليد سيمان به مقياس صنعتي مي باشيم . مشروح چگونگي اين گسترش تحت عنوان روند ساخت سيمان از نيمه دوم قرن 19 تا ابتداي قرن 21 خواهد آمد.