كل ما تحتاج إلى معرفته

كما تعلم، يُعد الإسمنت المكوّن الرئيسي للملاط ويوفر القوة والثبات للمواد في البناء. إذا كنت مهتمًا بمعرفة المزيد عن هذه المادة الإنشائية، فقد وصلت إلى المكان المناسب. في هذا المقال، سنغطي جميع الجوانب المهمة المتعلقة به.

ما هو الإسمنت؟

الإسمنت عبارة عن مساحيق ناعمة تُطحن بدقة وتتصلب لتتحول إلى كتلة صلبة عند مزجها بالماء. يحدث التصلب والتجمّد نتيجة عملية الإماهة، وهي تفاعل كيميائي لمركبات الإسمنت مع الماء، مما يؤدي إلى تكوين بلورات مجهرية أو مواد هلامية ذات مساحة سطحية عالية. تُسمى أنواع الإسمنت المستخدمة في البناء، والتي تتصلب حتى تحت الماء، عادةً بالإسمنتات الهيدروليكية نظرًا لخواصها في امتصاص الماء. وأهم هذه الأنواع هو الإسمنت البورتلاندي.

تاريخ الإسمنت

يعود أصل الإسمنت الهيدروليكي إلى اليونان وروما القديمتين. كانت المواد المستخدمة في إنتاج الإسمنت تشمل الرماد البركاني والجير، واللذان كانا يتفاعلان ببطء مع الماء لتشكيل كتلة صلبة. في الواقع، هذه المادة الأسمنتية، المعروفة بالملاط والخرسانة الرومانية، استُخدمت قبل أكثر من 2000 عام في مشاريع البناء في أوروبا الغربية. أدى استخراج الرماد البركاني بالقرب من مدينة بوزولي الحالية في إيطاليا، والذي كان خاليًا من معادن الألومينوسيليكات، إلى ابتكار الإسمنت البوزولاني الروماني الكلاسيكي. وحتى اليوم، يشير مصطلح "البوزولانا" إلى الإسمنت نفسه أو أي مادة ألومينوسيليكات متحللة تتفاعل مع الجير في الماء لتشكيل هذه المادة الإنشائية.

كلمة "إسمنت" مشتقة أيضًا من الكلمة اللاتينية "cementum"، التي تشير إلى الحجارة الصغيرة المستخدمة في الملاط الروماني، وليس إلى المادة التي تسبب الالتصاق نفسها.

اختراع الإسمنت البورتلاندي

الإسمنت البورتلاندي هو بديل لنوع من الجير الهيدروليكي. تم تطوير هذا الجير لأول مرة عام 1756 على يد جون سميتون، وتم تحسينه حوالي عام 1800 في فرنسا وإنجلترا. يُنسب اختراع الإسمنت البورتلاندي إلى جوزيف أسبدين من مدينة ليدز في مقاطعة يوركشاير بإنجلترا. في عام 1824، حصل على براءة اختراع لمادة تم إنتاجها من مزيج صناعي من الطين والحجر الجيري. أطلق على هذا المنتج اسم "الإسمنت البورتلاندي" لأن المادة عند استخدامها كانت تشبه حجر بورتلاند، وهو الحجر الجيري المستخدم في البناء في إنجلترا، وهو نفس الحجر الجيري الذي كان يُستخدم في أعمال البناء هناك.

للحصول على الإسمنت البورتلاندي الحقيقي، كان يجب خبز منتج أسبدين عند درجة حرارة منخفضة جدًا. ومن المرجح أن النسخة الأولى منه كانت هي المنتج الذي صنعه إسحاق تشارلز جونسون في جنوب شرق إنجلترا حوالي عام 1850. سرعان ما انتشر إنتاج هذا الملاط الإنشائي في جميع أنحاء أمريكا الشمالية والدول الأوروبية، وخلال القرن العشرين أصبح واسع الانتشار في جميع أنحاء العالم. نعم، بحلول نهاية عام 2019، كانت الصين والهند قد تم الاعتراف بهما كقادة في إنتاج الإسمنت عالميًا، وتبعتها دول مثل فيتنام، والولايات المتحدة، ومصر التي برزت أيضًا كمنتجين مهمين للإسمنت. لقد شهدت صناعة الإسمنت نموًا هائلًا على مر السنين، خصوصًا في الاقتصادات الناشئة، مدفوعة بتطور البنية التحتية والتوسع العمراني.

استخدامات الإسمنت

بالإضافة إلى استخدامه بمفرده، يُستخدم الإسمنت أيضًا في الملاط والخرسانة مع الركام، وهي مواد خاملة. يُعتبر هذا الملاط الإنشائي مهمًا للغاية لأنه المادة التي تُستخدم في بناء أساسات العديد من الطرق. يُستخدم الملاط القائم على الإسمنت لربط مواد البناء مثل كتل الخرسانة، والبلاط واجهات الطوبوالحجارة، والأنابيب، وخطوط السكك الحديدية، ومختلف المنتجات المبثوقة. بالإضافة إلى ذلك، يستفيد بعض البنّائين من صلابته لحماية وتغطية بعض الهياكل، مثل الأسقف والجدران. علاوة على ذلك، تحظى هذه المادة الإنشائية بشعبية في صناعة الأثاث الخرساني مثل الطاولات والكراسي الخارجية، والطاولات الجذابة التي تُستخدم في تزيين المنازل من الداخل.

المواد الخام لإنتاج الإسمنت

يتكون الإسمنت البورتلاندي من أكسيد الكالسيوم (CaO) المدمج مع السيليكا (ثاني أكسيد السيليكون، SiO₂) والألومينا (أكسيد الألومنيوم، Al₂O₃). يتم الحصول على الجير من المواد الخام الجيرية، بينما تُستخلص الأكاسيد الأخرى من المواد الطينية. قد تُستخدم مواد خام إضافية مثل رمل السيليكا، وأكسيد الحديد (Fe₂O₃)، والبُوكسيت – الذي يحتوي على ألومنيوم مُرطَّب (Al(OH)₃) – بكميات أقل لمعالجة الخليط المطلوب. أكثر المواد الخام الجيرية شيوعًا هي الحجر الجيري والجبس، على الرغم من إمكانية استخدام مواد أخرى مثل رواسب الأصداف أو الشعاب المرجانية.

الاستخراج والمعالجة

تُستخرج المواد الخام المستخدمة في إنتاج الإسمنت، مثل الصخور الصلبة كالأردواز، والحجر الجيري، وبعض أنواع الطفل الصفحي، إما عن طريق التفجير أو من المصادر الجوفية عند الضرورة. أما المواد الأكثر ليونة، مثل الجبس والطين، فيمكن استخراجها مباشرة باستخدام الحفارات الميكانيكية. بعد ذلك، يتم نقلها إلى مصنع الكسارات بواسطة عربات شحن السكك الحديدية، أو الشاحنات، أو الحبال، أو السيور الناقلة. وبدلاً من ذلك، يمكن نقلها على شكل مَلاط عبر الأنابيب. في المناطق التي لا يتوفر فيها الحجر الجيري بنسبة كافية من الجير، يمكن استخدام عمليات الإثراء. تعمل عملية التعويم الرغوي على إزالة فائض السيليكا أو الألومينا، مما يؤدي إلى فصل الحجر الجيري، لكن هذه العملية مكلفة ولا تُستخدم إلا عند استحالة تجنب الاستخراج.

الإنتاج

يتم إنتاج وتصنيع هذا الملاط الإنشائي على أربع مراحل:

1. يتم سحق وطحن المواد الخام.
2. تُخلط المواد الخام بنِسَب صحيحة وبالشكل المناسب.
3. يتم حرق وصهر الخليط المُحضَّر في فرن.
4. في هذه المرحلة، يتم طحن المنتج المخبوز، المسمى بالكلنكر، مع حوالي 5% من الجبس (للتحكم في زمن تصلب الإسمنت).

• السحق والطحن

عادةً تُسحق جميع المواد، باستثناء المواد اللينة، على مرحلتين قبل عملية الطحن. غالبًا ما تتم مرحلة الطحن في مطاحن دوارة أو مطاحن كروية. وبحسب العملية المستخدمة، يمكن أن يتم الطحن إما بطريقة رطبة أو جافة. في حالة الطحن الجاف، قد يلزم أولاً تجفيف المواد الخام في مجففات دوارة. أما المواد اللينة، فيتم تفكيكها عن طريق الخلط القوي مع الماء في مطاحن الغسل، حيث يُنتَج ملاط ناعم يمر عبر منخل لإزالة الجزيئات الأكبر حجمًا.

• الخلط

يتم ضمان الخلط الكامل للمواد الجافة في الصوامع من خلال التحريك الشديد والدوران الناتج عن الهواء المضغوط. في العملية الرطبة، يتم تحريك خزانات الملاط بالوسائل الميكانيكية أو الهواء المضغوط أو كليهما.

يحتوي الملاط على نسبة ماء تتراوح بين 35 و45 في المئة، وفي بعض الأحيان يُرشَّح لتقليل محتواه المائي إلى 20–30 في المئة، ثم يُمرَّر عبر منخل قبل إدخاله إلى الفرن. يساعد ذلك أيضًا على تقليل استهلاك الوقود أثناء عملية الحرق.

• الحرق

كانت الأفران الأولى التي يُحرق فيها الإسمنت على دفعات هي أفران الزجاجات، تلتها أفران الغرف، ثم الأفران الرأسية المستمرة. ومن المثير للاهتمام أن الفرن الرأسي في شكله الحديث لا يزال يُستخدم في بعض البلدان، ولكن اليوم يُحرق الإسمنت أساسًا في الأفران الدوارة.

يمكن أن يصل طول هذه الأفران إلى 200 متر (660 قدمًا) وقطرها إلى ستة أمتار، وفي مصانع العمليات الرطبة تكون بأطوال أقصر. بالنسبة للعملية الجافة، تتكون هذه الأفران من غلاف أسطواني فولاذي مبطن بمواد مقاومة للحرارة. تدور ببطء على محور مائل قليلًا عن الوضع الأفقي. تُدخل المواد الخام من الطرف العلوي للفرن وتتحرك تدريجيًا إلى الأسفل. قد يكون وقود الفرن فحمًا مطحونًا أو زيتًا أو غازًا طبيعيًا، يُحقن عبر أنابيب. تتراوح درجة الحرارة عند طرف الحرق، تبعًا للمواد الخام المحترقة، عادة بين 1350 و1550 درجة مئوية (2460 إلى 2820 درجة فهرنهايت).

عادةً ما يتم تركيب نوع من المبادلات الحرارية في الجزء الخلفي من الفرن لزيادة نقل الحرارة إلى المواد الخام الداخلة وبالتالي تقليل فقدان الحرارة في الغازات الخارجة. يخرج المنتج المحترق من الفرن على شكل كتل صغيرة من الكلنكر. ثم تُنقل هذه الكلنكرات إلى مبردات، حيث تنتقل الحرارة إلى الهواء الداخل ويتم تبريد المنتج. يمكن طحن الكلنكر مباشرةً إلى إسمنت أو تخزينه في المستودعات للاستخدام لاحقًا.

في العملية شبه الجافة، تُغذى المواد الخام، على شكل كتل تحتوي على 10–15% ماء، إلى فرن دوار أقصر مصمم للعملية الرطبة عبر شبكة متحركة من السلاسل. تُسحب الغازات الساخنة القادمة من الفرن عبر الكتل على الشبكة لتسخينها مسبقًا.

تكون مصانع الإسمنت الحديثة مجهزة بأجهزة قياس للتحكم في عملية الحرق. في بعض المصانع، تُؤخذ عينات من المواد الخام تلقائيًا، ويقوم الحاسوب بحساب وضبط تركيبة الخليط الخام. أكبر الأفران الدوارة لديها إنتاج يزيد عن 5000 طن يوميًا.

• الطحن

يُطحن الكلنكر مع الكمية المطلوبة من الجبس في مطاحن أفقية، مشابهة لتلك المستخدمة في طحن المواد الخام إلى مسحوق ناعم. قد تمر هذه المواد مباشرة عبر المطحنة (الطحن في دائرة مفتوحة)، أو يتم فصل المواد الخشنة عن المنتج المطحون وإعادتها إلى المطحنة لمزيد من الطحن (الطحن في دائرة مغلقة). يتم ضخ الإسمنت النهائي هوائيًا إلى صوامع التخزين، حيث يُعبأ إما في أكياس ورقية أو يُرسل بكميات كبيرة في حاويات للشحن.

أنواع الإسمنت البورتلاندي

الإسمنت مادة متعددة الاستخدامات ذات تراكيب وخصائص قابلة للتبديل. هناك ستة أنواع مختلفة من الإسمنت، لكل منها سلوكيات محددة وتراكيب كيميائية فريدة. فيما يلي نظرة على كل نوع وميزاته المميزة:

• النوع الأول

إسمنت بورتلاندي عادي متعدد الأغراض دون خصائص محددة. لا يقاوم الكبريتات ويولد كمية معتدلة من الحرارة أثناء عملية الإماهة.

• النوع الثاني

هذا الإسمنت مناسب عندما تكون هناك حاجة إلى مقاومة معتدلة للكبريتات أو حرارة متوسطة من الإماهة. يُستخدم بشكل خاص في أعمال الأساسات في المناطق التي تحتوي فيها المياه الجوفية على مستويات معتدلة من الكبريتات. عادةً ما يتصلب بمعدل أبطأ قليلًا من إسمنت النوع الأول ويولد حرارة أقل أثناء عملية الإماهة.

• النوع الثالث

يصنف كإسمنت عالي المقاومة المبكرة، وهو أنعم من النوع الأول ويحتوي على نسبة أعلى من C₃S ومستوى كبريتات أعلى. يحقق القوة خلال 7 أيام. يُستخدم في الحالات التي يلزم فيها إزالة القوالب بسرعة أو حيث تكون هناك حاجة إلى استخدام مبكر لأسطح الطرق.

• النوع الرابع (SR Cement – إسمنت مقاوم للكبريتات)

يتميز هذا النوع بانخفاض كبير في حرارة الإماهة ويكتسب القوة بشكل أبطأ من النوعين الثاني والأول. يُستخدم في التربة التي تحتوي على مستويات عالية من مركبات الكبريتات/القلويات، وكذلك في المياه الجوفية، وأنظمة الصرف الصحي، والأرصفة، والمنصات الساحلية.

• إسمنت آبار النفط – الفئة G

إسمنت متخصص مصمم لصناعة النفط والغاز، يتمتع بخصائص سلوكية محددة للتطبيقات عالية الحرارة والضغط. يتميز بمقاومة عالية للكبريتات ويمكن دمجه مع إضافات متنوعة لتعديل السلوك في ظروف الآبار الخاصة.

• الإسمنت المخلوط (البوزولاني)

هو أيضًا إسمنت متعدد الأغراض، يُستخدم بشكل أساسي في صب الخرسانة وأعمال اللياسة. تشمل مزاياه: زيادة القوة على المدى الطويل، تحسين قابلية التشغيل واحتفاظ العجينة بالقوام، تقليل تأثير الركام التفاعلي، تقليل خطر التشقق نتيجة انخفاض حرارة الإماهة، إنتاج خرسانة أكثر متانة، وتقليل انبعاثات الغازات الدفيئة.

نقاط مهمة قبل الشراء

الإسمنت هو أهم مادة إنشائية جعلت من الممكن بناء المباني الحديثة. تُستخدم هذه المادة الإنشائية على نطاق واسع في عالم البناء. تعتمد قوة ومتانة أي هيكل بشكل أساسي على قوة الملاط الخاص به. وبطبيعة الحال، فإن تكلفة الإسمنت أيضًا أعلى من باقي مواد البناء الأخرى (مثل الركام الخشن، الركام الناعم، إلخ)، وهي تؤثر على التكلفة الإجمالية لمشروعك. في الوقت الحاضر، يعمل العديد من مصنعي الإسمنت في بلادنا. قبل شراء هذا الملاط الإنشائي، يجب التحقق من بعض المواصفات القياسية الأساسية. فيما يلي المعلومات التي تحدد النقاط المهمة التي يجب الانتباه إليها عند شراء الإسمنت.

• التحقق من تاريخ الإنتاج

تحقق دائمًا من تاريخ الإنتاج قبل شراء كيس الإسمنت، لأن قوته تنخفض بمرور الوقت. من المثالي أن يتم استخدام هذا الملاط الإنشائي خلال 90 يومًا من تاريخ إنتاجه.

• التحقق من العلامة التجارية، وعلامة ISI، واسم الماركة

لضمان الجودة، تذكر التحقق من وجود علامة تجارية مسجلة وعلامة ISI على كيس الإسمنت. كما يجب التأكد من شراء أعلى جودة من الإسمنت من علامة تجارية موثوقة. ومع وجود العديد من بائعي الإسمنت الجيدين في إيران، احرص على شراء إسمنتك من بائع موثوق لضمان سلامة الهيكل.

• التحقق من الوزن الصافي والمواد الخام

افحص كيس الملاط للتأكد من الكمية الصحيحة المطبوعة عليه. لتجنب فقدان الإسمنت، لا تشترِ الأكياس الممزقة. بالإضافة إلى ذلك، تحقق من المواد الخام قبل الشراء.

• التحقق من درجة الإسمنت

تتطلب أنواع مختلفة من الهياكل درجات مختلفة من الإسمنت. تحقق من درجته — سواء كان إسمنت OPC بدرجة 43، أو OPC بدرجة 53، أو أفضل إسمنت PPC — واستخدم الإسمنت الذي يناسب احتياجاتك الإنشائية.

• التحقق من حبيبات الإسمنت

يجب أن يكون الإسمنت الطازج دائمًا خاليًا من الرطوبة والتكتلات. عند فركه بين الأصابع، يجب أن يكون ملمسه ناعمًا. افحص الإسمنت جيدًا للتأكد من خلوه من أي تكتلات، ولا تشترِه إذا كان متكتلًا، لأنه قد يؤثر على قوة المبنى.

• التحقق مما إذا كان الإسمنت يطفو

سوف يطفو الإسمنت عالي الجودة على الماء لفترة قبل أن يغرق. لضمان بناء قوي ومتين، تحقق من جودة الإسمنت عن طريق سكب كمية صغيرة منه في دلو ماء قبل خلطه للخرسانة.

إذا كنت تخطط لاستخدام إسمنت OPC بدرجة 43، أو OPC بدرجة 53، أو PPC، فتأكد من أنه يطفو في الماء لفترة قبل أن يغرق.

• التحقق من الجودة

خذ كمية صغيرة من الإسمنت الجيد، وامزجها بالماء لصنع عجينة سميكة، ثم افردها على لوح زجاجي. ضع هذا اللوح تحت الماء لمدة 24 ساعة. عند إخراج الإسمنت، إذا كان بجودة جيدة، فسيكون خاليًا تمامًا من أي تشققات.

• التحقق من درجة الحرارة

عند وضع يدك داخل كيس الإسمنت، يجب أن تشعر ببرودة معينة. إذا كانت المادة الإنشائية باردة، فإن جودتها تعتبر مرضية. أما إذا شعرت يدك بالدفء، فهذا يدل على جودة منخفضة.

المصادر:

https://www.britannica.com/technology/cement-building-material/The-major-cements-composition-and-properties