بايندرها و بتن هاي ديروز (2)

كشف سيمان پرتلند

اين مسئله جالب است كه ساختمان سازي هاي بزرگي كه در طي دوره هاي معماري گوتيك و رومي انجام شده است، موجب نشد تا بتن به عنوان يك ماده ي ساختماني متداول مورد استفاده قرار گيرد، زيرا استفاده از آهك در كل زيان آور بود. آهك و گچ تنها بيشتر در نقاشي ها مورد استفاده قرار مي گرفت و استفاده از آن در ملات ها، متداول نبود.
وقتي يك كليسا در حال ساخت بود، مسأله ي زمان بسيار مهم بود و سنگ تراشان بسياري براي ساخت اين ساختمان ها مورد استفاده قرار مي گرفت.
تنها در پایان سده هجدهم بود كه علاقه براي استفاده از آهك دوباره ظاهر شد. همانگونه كه قبلا اشاره شد، اولين كار علمي شناخته شده بر روي ملات هاي آهكي، بوسيله ي John Smeaton (شكل 1 و 2) انجام شده است. اين فرد براي بازسازي ساختمان Eddystone Lighthouse در انگلستان به خدمت گرفته شده بود. او فهميد كه ملات هاي آهكي معمولي قبل از برخورد با موج آب و جزر و مد، داراي زمان كافي براي سخت شدن نيستند؛ بنابراين، او تصميم گرفت تا خواص سخت شدن آهك هاي مختلف توليدي در جنوب انگليس را با همديگر مقايسه كند. او فهميد كه برخي ملات ها كه از آهك هاي ناخالص و داراي رس تهيه شده اند، سريع تر سخت مي شوند و نسبت به ملات هاي داراي آهك هاي خالص،‌ مقاوم ترند.
Smeaton مي دانست كه رومي ها با مخلوط كردن مواد پزولاني با آهك، بتن هاي مقاومي توليد مي كنند. بنابراين او تصميم گرفت تا براي استحكام بخشي به ملات خود، از پزولان هاي ايتاليايي استفاده كند. تمام مشاهدات و كارهاي انجام شده بوسيله ي او در يك گزارش در سال 1791 ارائه گرديد. براي اينكه زيربناها محكم تر باشد، او اين ساختارها را مشابه با بلوط طراحي كرد. او بلوك هاي گرانيتي را براي استفاده در ديواره هاي خارجي و از آهك پرتلند براي ايجاد بخش هاي داخلي استفاده كرد. در آن زمان، آهك پرتلند معروفيت خوبي در زمينه ي مواد ساختماني انگليس پيدا كرد. از سنگ هاي آهك اين منطقه براي ساخت پل Westminster استفاده شده است.
درسال 1882، ساختمان Eddystone lighthouse با يك ساختمان مدرن تر و بزرگتر، جايگزين شد اما با توجه به قدمت اين ساختمان، تصميم گرفته شد تا تك تك سنگ هاي اين ساختمان جداسازي شود و در جايي ديگر روي هم سوار شود. اين ساختمان هم اكنون نيز وجود دارد. در جزر و مد متوسط، با نزديك شدن به اين ساختمان، مي توان مشاهده كرد كه پي اين ساختمان در داخل اقيانوس قرار داشت. Smeaton تنها اروپايي نبود كه علاقه مند به آهك بود. براي مثال، در سوئد، Bergmann نوشته است كه براي سخت شدن آهك در هنگامي كه در زير آب قرار مي گيرد، نياز است تا اندكي منگنز به آب اضافه شود. اين يافته با يافته هاي بدست آمده بوسيله ي برخي فرانسويان، تطابق نداشت. افراد مختلفي مانند Loriot، Faujas de Fond، Guyton de Morveau، General Treussart، Berthier و Chaptel، بر روي آهك مطالعاتي داشته اند. در
در سال 1796، اولين اتصال دهنده ي هيدروليك در انگليس و بوسيله ي Parker ثبت اختراع شد. اين فرد بايندر اختراع شده را سيمان رومي ناميد. اين سيمان در حقيقت يك سيمان طبيعي است كه از سوزاندن آهك هاي رسي (با 30 % رس) تشكيل شده بود. اولين كارخانه براي توليد يك چنين بايندري در سال 1810 ساخته شده است. در سال 1811 يكي ديگر از ثبت اختراع ها در اين زمينه، انجام شده است. Science Society هلند يك مسابقه به راه انداخت و هدف آن پيدا كردن يك توضيح براي اين حقيقت بود كه چرا آهك توليد شده از سنگ آهك، بسيار بهتر از آهك توليدي از كلسيناسيون صدف است. پروفسوري از دانشگاه برلين با نام John بود كه به اين سوال پاسخ داد و برنده ي مسابقه شد. او اثبات كرد كه حضور رس، سيليس و اكسيد آهن است كه موجب بهبود كيفيت آهك هاي خاص شده است.
بر اساس كار Vicat در سال 1812، كارهاي عملي براي تعيين خواص بهينه ي رس و سنگ آهك در توليد آهك هيدروليكي، مورد ارزيابي قرار گرفت. نتايج كار او در سال 1818 و 1828 انتشار يافت. Vicat قادر به تعيين درصد دقيق و بهينه ي سيليس، آلومينا و اكسيد آهن در آهك هيدروليك نبود. او تنها حد بالايي و پاييني اين مواد را تعيين نمود. او همچنين اين يافته Smeaton را مورد تأييد قرار داد كه مي گفت: بهترين سنگ آهك‌ها آنهايي هستند كه داراي رس هستند. اولين كارخانه ي آهك هيدروليك در Nemours فرانسه و در سال 1818، تأسيس شد.
َبه همراه اين كارهاي اوليه در زمينه ي آهك، Parker در انگلستان و Lasage در فرانسه، شروع به پخت ماسه هاي ساحل كردند تا بدين وسيله كلوخه هاي سخت توليد كنند. اين كلوخه ها را آسياب مي كردند و از پودر حاصله به عنوان يك بايندر استفاده مي شده است. در سال 1812، Frost يك ثبت اختراع در زمينه ي سيمان انجام داد كه سيمان بريتانيايي ناميده مي شد. اين ماده بسيار شبيه به بايندر توليد شده بوسيله ي Parker و Lasage است.
Vicat علاقه ي زيادي در زمينه ي استفاده از خاك هاي آهك دار (limestone marls) و شناسايي آنها داشت. علت اين علاقه مندي به خاطر انديس هيدورليكي بالاي اين ماده است. او فهميد كه وقتي آهك بيش از 27 تا 30 % رس داشته باشد، كلسيناسيون و تبديل آن به آهك، واقعا مشكل است. او فهميد كه اين ماده به جاي اينكه به صورت يك سيميان طبيعي كار كند، مانند كلسيم همي هيدرات،‌سريع سخت مي شود.
علارغم اين حقيقت كه آهك هاي هيدروليك و سيمان هاي طبيعي اوليه، داراي خواص غير يكنواختي بودند (به دليل فقدان اطلاعات در زمينه ي كنترل تركيب آنها، بهينه سازي دماي پخت و آسياب كاري آنها)، استفاده از آهك هاي هيدروليك و سيمان هاي طبيعي در اروپا، روسيه و آمريكا، شروع شد. مخصوصا سيمان طبيعي براي ساخت كانال Lake Erie در سال 1818، مورد استفاده قرار گرفته است.
در اكتبر 1824، joseph Aspdin يك بناي اهل انگليس، اولين ثبت اختراع در زمينه ي بهبود خواص سيمان را منتشر كرد و آن را سيمان پرتلند، ناميد. علت اين نامگذاري اين بود كه وقتي اين ماده سخت مي شد، رنگ آن مشابه آهكي مي شد كه در جزيره ي پرتلند، وجود داشت. مطالعات دقيق بر روي ثبت اختراع Aspdin نشان داده است كه او هيچگاه چيزي را توليد نكرده بود كه اكنون ما به آن سيمان پرتلند مي گوييم. در سال 1911، Johnson مقاله اي در مورد سيمان پرتلند توليدي بوسيله ي Aspdin ارائه نمود و اين نكته را متذكر شد كه اين سيمان شبيه سيمان هاي مدرن نمي باشد. تنها در سال 1850 بود كه William Aspdin فرزند joseph Aspdin موفق به توليد سيماني شد كه Blezard آن را سيمان شبه پرتلند ناميد. اين سيمان وقتي توليد شد كه يك مخلوط از آهك و رس در دماي بالا پخت شد و بدين وسيله، تري كلسيم سيليكات، توليد گرديد.
در فرانسه، اولين كارخانه ي توليد آهك هيدورليك در سال 1830 در Le Teil افتتاح شد. اين كارخانه در جنوب فرانسه و بوسيله ي Pavin de Lafarge ساخته شد. در ابتداي كار، اين كارخانه تنها دو كوره ي عمودي 5 متري داشت كه تنها 3000 تن آهك توليد مي كرد. در سال 1865، توان توليد اين كارخانه به منظور ساخت كانال سوئز، افزايش يافت و به 120000 تن رسيد.
در حدود سال 1860، با افزودن مواد افزودني، زمان سخت شدن اين سيمان ها اصلاح گرديد. با استفاده از اين افزودني ها، زمان گيرش آهسته تر گرديد.
بايندرهاي مورد استفاده در اين زمينه، موجب تكامل اين سيمان و در نهايت توليد سيمان پرتلند كنوني شده است. اين پيشرفت ها، نتيجه اي از همراه شدن كارهاي علمي، كشفيات اتفاقي، شانس و دريافت هاي ناگهاني بوده است (جدول 1). اين مسئله كه Joseph Aspdin به عنوان كاشف سيمان پرتلند در نظر گرفته شود، مسئله اي كه كم و بيش مورد قبول قرار گرفته است. Blezard به استفاده از نام پرتلند اعتراض دارد، زيرا با توجه به تحقيقات او، Higgins و Smeaton قبلا آهك هاي هيدروليك سخت شده خود را با آهك جزيره ي پرتلند مقايسه كرده اند. از اين رو، به نظر اين كارشناس نبايد Joseph Aspdin را به عنوان كاشف سيمان پرتلند، در نظر گرفت. به هر حال، Joseph Aspdin براي اولين بار واژه ي سيمان پرتلند را مورد استفاده قرار داد.
اولين كارخانه ي سيمان پرتلند در سال 1840 در Boulogne-sur-Mer ساخته شد. درسال 1871، 85 تن سيمان پرتلند به آمريكا صادر شد. در سال 1896، صادرات سيمان پرتلند انگليس، به 3 ميليون تن افزايش يافت. بعد از اين زمان، با افزايش توليد سيمان طبيعي در آمريكا، اين ميزان از صادرات كاهش يافت.
درسال 1898، توليد سيمان پرتلند در فرانسه به حدود 400000 تن رسيد. اين مقدار توليد از 16 كارخانه انجام مي شد. در سال 1905، اين مقدار توليد به 550000 تن افزايش يافت كه اين مقدار توليد با توليد 400000 تن سيمان طبيعي و 60000 تن سرباره، همراه بوده است.
در آمريكا، اولين كارخانه ي سيمان در سال 1865 در Copley پنسيلوانيا، ساخته شده است. به هر حال، در بين سال هاي 1890 و 1899 بود كه براي اولين بار، توليد سيمان پرتلند در آمريكا، بيشتر از سيمان طبيعي شد.
در سال 1900، توليد جهاني سيمان پرتلند در حدود 10 ميليون تن بود و ميزان توليد سيمان طبيعي در اين سال ها به مقدار قابل توجهي كاهش يافته بود.
تنها در سال 1900 بود كه اولين كوره ي دار سيمان، جايگزين كوره هاي عمودي شد و اولين بال ميل نيز در سال 1901، مورد استفاده قرار گرفت. شركت سيمان اطلس در پنسيلوانيا، از 51 كوره ي دوار با قطر 2 متر و طول 20 متر استفاده مي كرد. هر كوره 25 تن كلينكر در روز توليد مي كرد. اين مقدار بسيار كمتر از ميزان توليدي است كه امروزه در يك كوره ي دوار (10000 تن در روز) انجام مي شود. در واقع استفاده از كوره هاي دوار، ميزان توليد سيمان پرتلند را به طور قابل توجهي افزايش مي دهد.
در حدود سال 1900، شيميدان فرانسوي Giron كه سرپرست كارخانه ي سيمان اطلس در آمريكا بود، ايده اي افزودن گچ به كلينكر در حال سايش را مطرح كرد. با افزودن گچ به اين سيمان، سخت شدن و گيرش آن تنظيم مي شد. اين آخرين پيشرفت بزرگ در زمينه ي فرايند توليد سيمان پرتلند است. از نقطه نظر فني و بازاريابي، اين كار بهبود قابل توجهي در كيفيت سيمان پرتلند، ايجاد كرده است. علت اين مسئله اين است كه افزودن مقادير اندك از گچ امكان كنترل رئولوژي ملات حاصله فراهم مي شود. و فرايند گيرش و سخت شدن آن نيز تنظيم مي گردد.
البته، بسياري ديگر از ابداعات فني و مكانيكي در فرايند توليد سيمان پرتلند بوجود آمده و اين فرايند، به فرايندي اقتصادي و با بازده بيشتر تبديل شده است. براي مثال، در حدود سال 1950، فرآيند توليد خشك سيمان نيز ابداع شد و بدين وسيله ميزان مصرف انرژي در بخش سيمان كاهش يافت. به هر حال، توليد سيمان پرتلند يك فرايند ساده ي گرماگير است كه در آن، مخلوطي از آهك، سيليس، آلومينا و اكسيد آهن در دمايي در حدود ℃ 1450 پخت مي شود و با ايجاد استحاله در داخل اين مخلوط، 4 فاز اصلي سيمان كه بايد در سيمان پرتلند وجود داشته باشند، بوجود مي آيد.
براي اولين بار در تاريخ مواد ساختماني، امكان توليد يك اتصال دهنده ي مصنوعي بوجود آمد كه اين اتصال دهنده، زير آب سخت مي شد. با استفاده از اين اتصال دهنده، امكان توليد سنگ مصنوعي و اشكال مختلف بوجود آمد. اين اشكال در صورتي كه به درستي آماده سازي شده باشند، از سنگ طبيعي نيز سخت تر مي شوند. به هر حال، وقتي به توليد سيمان پرتلند نگاه مي كنيم، اين مي تواند ديده شود كه اين فرايند توليد مشابه فرايندهاي مورد استفاده براي گچ و آهك نيست. اين فرايند، يك فرايند خطي است كه در آن مخلوط هاي معيني از رس و سنگ آهك، با هم تركيب شده و طي انجام استحاله، ماده ي چند فازي تشكيل مي شود (شكل 3). اين ماده بعد از واكنش با آب، به حالت اوليه ي خود بر نمي گردد. به هر حال، همانگونه كه در شكل 4 نشان داده شده است، اگر بخواهيم به درستي به بتن نگاه كنيم. اين ماده زماني مخلوطي از سنگ آهك، رس و گچ بوده است كه اشكال پايداري از اكسيدهاي معدني مختلف در آن وجود دارد.

توسعه ي بتن هاي مدرن

Isambard Brunel يكي از اولين مهندساني بود كه از در سال 1828، از بتن مسلح براي ساخت تونلي در زير رودخانه ي تايمز استفاده كرد. در سال 1875، Lambot يك قايق كوچك از بتن ساخت كه در نمايشگاه پاريس به نمايش گذاشته شد (شكل 5). درسال 1865، Joseph Monier گلدان هاي بتني تقويت شده با شبكه هاي فولادي را ثبت اختراع كرد. به هر حال، Coignet را مي توان به عنوان پدر بتن مدرن در نظر گرفته شود. علارغم اين حقيقت كه Coignet از اين حقيقت آگاه بود كه بتن مي تواند بواسطه ي استفاده از آهك اشباع شده، توليد شود، او همواره از سيمان طبيعي يا سيمان پرتلند براي توليد بتن هاي خود استفاده مي كرد و بر اين نكته تأكيد داشت كه از كمترين مقدار ممكنه ي آب براي توليد يك خمير ويسكوز استفاده شود و دوره ي زماني مخلوط سازي طولاني باشد. جادهي بتن آگلومره شده، نيازمند اعمال نيروي فشاري بيشتري است. يعني در اين حالت، براي حصول دانستيه ي بالا، بايد پيش از سخت شدن كامل، نيروي مناسبي اعمال گردد.
Coignet علاقه ي زيادي به تميزكردن ماسه داشت. او توصيه مي كرد كه از ماسه هايي استفاده شود كه داراي درصد رسي كمتر از 5 تا 6 % باشند. در صورتي كه ميزان رس در اين ماسه ها بيش از اين مقدار بود، او توصيه مي كرد تا از فرايند شستشو استفاده شود. علاوه بر اين، او فهميده بود كه نيازي نيست شن هاي مورد استفاده براي توليد بتن آگلومره شده، بزرگتر از يك نخود فرنگي باشند و همچنين نبايد شامل ذراتي باشند كه از يك فندق بزرگتر باشند. با توجه به توصيه هاي بالا،‌ ميزان حفره هاي ايجاد شده در بتن، كاهش مي يابد.
Coignet يك ميكسر حلزوني خاص ابداع كرد كه خميرگير (Malaxator) ناميده مي شد. با استفاده از اين دستگاه، بتن آماده سازي مي شد. در نهايت، Coignet پيشنهاد ساخت پلي از جنس بتن مسلح را بر روي Seine (دومين رودخانه ي بزرگ فرانسه) داد اما پيشنهاد او پذيرفته نشد.
استفاده از ساختارهاي بتني مسلح يا تقويت شده، تحت فشار مهندسيني مانند Hennebique، Coignet و Tedesco در فرانسه و Koenen و Wayss در آلمان، متداول شد. استحكام كششي بتن در محاسبات، ناچيز است. همراه با محاسبات تئوري انجام شده، برخي كارهاي عملي در زمينه ي بررسي استحكام كششي بتن در فرانسه، آلمان و آمريكا، آغاز شد به نحوي كه در سال 1879، اولين پل قوسي تقويت شده، دردانمارك ساخته شد و يكي از اولين پل هاي بتني تقويت شده بوسيله ي Monier ساخته شد (شكل 6).
درسال 1966 Freyssinet در اين فكر بود كه بتن را مستحكم كند. اين تكنولوژي ساده در واقع تركيب كردن مزيت هاي ساختاري بتن و فولاد است. اگرچه بالندگي اين تكنولوژي زمان بر بود، اين مسئله را بايد تأييد كرد كه استفاده ازاين تكنولوژي اثر قابل توجهي بر روي استفاده ها از بتن داشته است.

نتيجه گيري

اين مقاله با ديدي خاص به بررسي تاريخچه ي اتصال دهنده هاي هيدروليك و سيمان ها، پرداخته است. به هر حال، هدف اين مقاله،‌ ارائه ي تاريخچه ي بسيار مدوني در زمينه ي اين مواد نبوده است و هدف تنها نشان دادن توسعه ي ساده ي اين مواد بوده است.
كشف سيمان پرتلند يك حادثه ي كاملا اتفاقي نبوده است، بلكه نتايج بررسي ها نشان مي دهد كه اين فرايند، فرايند تحت كنترل است. به هر حال، همانند ساير فعاليت هاي انسان، اثرات تطابقي و محيط زيستي سيمان پرتلند يكي از دغدغه هاي مهم مي باشد. تحقيقات در زمينه ي بهبود فرايند توليد، يكي از چالش هايي است كه در سال هاي آينده، پيش روي صنعت سيمان است.
استفاده از مطالب اين مقاله با ذكر منبع راسخون بلامانع مي باشد.