بررسی آزمایشگاهی تولید سیمان ۴۲۵ از سیمان تیپ ۲ در آسیای گلوله‌ای

در صنعت سیمان عمدتاً از دو شاخص میزان مواد بزرگ‌تر از ۹۰um و بلین به‌عنوان معیارهای تأثیر دانه‌بندی سیمان بر مقاومت آن استفاده می‌شود. در این تحقیق تولید آزمایشگاهی سیمان ۴۲۵ با استفاده از کمک سایش‌های (Grinding Aids)، مورد بحث و بررسی قرار گرفته است. در آزمایش بلین و مقاومت، معیار تولید سیمان ۴۲۵، افزایش بلین بود. در این آزمایش، تأثیر مقدار ۲/۳ گرم از نمک سایش‌های تجاری F، E، D، C، B، A و G در زمان خردایش ثابت (۶۵ دقیقه) بر سطح بلین و مقاومت نمونه‌های سیمان مورد بررسی قرار گرفت. نتایج مقاومت‌های ۲۸ روزه نشان داد که بالا بردن بلین، دسترسی به سیمان ۴۲۵ امکان‌پذیر است، اما بیشترین مقاومت ۲۸ روزه در بیشترین بلین اتفاق نمی‌افتد بنابراین شاخص بلین، معیار کاملی برای ارزیابی اثر دانه‌بندی بر مقاومت سیمان نیست. لذا در آزمایشی دیگر، با انتخاب سه کمک سایش D،A و C که بیشترین بلین و مقاومت را در آزمایش اول ایجاد کرده بودند، تأثیر مقادیر ۱/۰، ۲/۰، ۳/۰، ۴/۰، ۵/۰ درصد، بر روی بلین و ذرات مؤثر بر مقاومت ۲۸ روزه ملات سیمان (عمدتاً ۳ تا ۳۰ میکرون)، مورد بررسی و مقایسه قرار گرفت. نتایج آزمایشات نشان داد که مقدار بهینه کمک سایش‌های D، A و C برای تولید سیمان ۴۲۵، بسته به وزن کلینکر، ۴/۰، ۳/۰ و ۴/۰ درصد در نظر گرفته شود.
● مقدمه:
تقاضای جهانی برای توسعه و نیاز برای تولید سیمان‌های مقاومت بالا (تیپ ۱ کلاس‌های ۵۲۵، ۴۲۵ و ۶۲۵) باعث بروز مشکلاتی شامل افت ظرفیت آسیاها و افزایش بیش از حد شاخص انرژی الکتریکی در صنعت سیمان شده است. بر این اساس گسترش سیمان با مقاومت بالا (۴)(HSC) در طی چهار دهه اخیر اتفاق افتاده است. در ابتدا باید اشاره کرد که HSC یک اصطلاح نسبی است، که براساس زمان، نیازها و تکنولوژی تعریف می‌گردد.
مزایای HSC زیاد است. برای مثال استفاده از HSC اجازه ساخت عناصر ساختمانی با سطح مقطع کمتر را می‌دهد که خود باعث کمتر شدن هزینه مواد اولیه و فضا می‌شود. سازندگان می‌توانند هزینه ساخت را با ساخت در فضای کمتر و یا ساخت در فضای یکسان کم نمایند. این فاکتورها به ویژه در مناطق شهری متراکم که زمین و فضا محدودند بسیار مهم است. ضمن این‌که در مهندسی عمران، HSC مدول الاستیسیته بالاتر، سختی بیشتر، کج شدن و خزش کمتری دارد که این پارامترها، همان پارامترهای مورد نظر برای مقابله با زلزله و کاهش خسارات ناشی از آن است. هم‌چنین استحکام اولیه بالای HSC یعنی ساخت در مقاطع زمانی کمتر از دیگر مزایای HSC به شمار می‌رود.
روش‌های تولید سیمان کلاس ۴۲۵ را در ایران می‌توان به دو دسته کلی شیمیائی و فیزیک و شیمیائی تقسیم کرد. در روش شیمیائی به پارامترهای شیمیائی و مدول‌های مواد خام توجه می‌شود. در روش فیزیک و شیمیائی، معیار تولید سیمان ۴۲۵، افزایش سطح بلین با استفاده از مواد شیمیائی کمک سایش است.
افزایش بلین در آسیاهای سیمان متضمن کاهش ظرفیت است. به منظور جبران کاهش ظرفیت و افزایش مصرف انرژی در صنعت سیمان از کمک سایش‌ها استفاده می‌شود. J.Kolacz و K. L. Sandvic در سال ۱۹۷۷ در تحقیقاتشان به این نتیجه رسیدند که کمک سایش‌های گوناگون به شیوه‌های متفاوتی در فرایند خردایش عمل می‌کنند. به هر حال انتخاب میزان صحیح این افزودنی‌ها، برای دست‌یابی به بیشترین تأثیر یا به گونه‌ای که تأثیر منفی در فرایند خردایش را سبب نشوند، لازم به نظر می‌رسد. لذا، آزمایش‌های ناپیوسته به منظور تعیین نوع و میزان مصرف کمک سایش در مدار بسته می‌تواند مفید و مؤثر واقع شود.
M.Yasar، A.T.Albayrak و M.A.Gurakynak در سال ۲۰۰۵ به بررسی تأثیر اسیدهای چرب بر روی مقاومت فشاری بتن و قابلیت خردایش سیمان پرداختند و به این نتیجه رسیدند که همیشه از راه افزایش سطح بلین نمی‌توان به مقاومت‌های بالا رسید، چراکه دو نمونه با سطح بلین یکسان ممکن است دارای دانه‌بندی و مقاومت‌های متفاوت باشند.
بنابراین می‌توان عنوان کرد که لزوماً شاخص بلین نمی‌تواند ملاک مناسبی برای ارزیابی اثر دانه‌بندی بر مقاومت سیمان باشد. امروزه بررسی‌های تحقیقاتی در دنیا نشان می‌دهد که ذرات درشت‌تر از ۳۰ میکرون نقش قابل ملاحظه‌ای بر روی مقاومت ۲۸ روزه ملات سیمان ندارند و ذرات ریز ۳ میکرون اثر عمده در مقاومت سنین زودرس سیمان دارند. لذا جهت‌گیری ما در تولید سیمان با مقاومت بالاتر از طریق سیستم خردایش باید در جهت تأمین ذرات ۳ تا ۳۰ میکرون باشد.
● روش تحقیق
به منظور تولید سیمان ۴۲۵ به روش آزمایشگاهی و تأثیر کمک سایش و روان‌سازها بر نحوه تولید آن پس از انتخاب ۷ کمک سایش با نام‌های تجاری که شرکت‌های سازنده آنها ادعای کاهش نسبت w/c و بالتبع افزایش مقاومت سیمان را داشتند، در مرکز تحقیق و توسعه صنعت سیمان آزمایشی انجام شد که تولید آزمایشی سیمان ۴۲۵ از دو جنبه افزایش سطح بلین (به منظور افزایش مقاومت) و کاهش نسبت آب به سیمان مدنظر قرار گیرد. شکل آزمایش به‌صورتی بود که اولاً در زمان ثابت و با حضور کمک سایش‌ها سطح بلین به چه میزان افزایش می‌یابد و ثانیاً در یک روانی ثابت، کمک سایش‌ها به چه میزان نسبت w/c را کاهش می‌دهند. برای انجام آزمایش ۵۰ کیلوگرم کلینکر از خط تولید نمونه برداشته شد. آنالیز شیمیائی کلینکر در جدول (۱) آمده است.
سپس در آزمایشگاه با استفاده از یک سنگ‌شکن فکی نمونه اخذ شده به ۱۰۰% زیر ۲mm رسانده شد. برای انجام آزمایش نمونه شاخص، ۹۷% کلینکر را با ۳% افزودنی (سنگ گچ) مخلوط کرده و در یک آسیای آزمایشگاهی با شارژ سیلپبس زمان به نحوی تنظیم شد که به سطح بلین ۳۰۰۰cm۲/gr ـ ۲۸۰۰ (سطح بلین سیمان تیپ ۲ کارخانه) برسد. برای رسیدن به هدف فوق به‌صورت تجربی طی چهار آزمایش، زمان مورد نظر را ۶۵ دقیقه به‌دست آمد. پس از افزودن مقدار ۳/۲ گرم از هر یک از افزودنی‌ها، در آزمایش‌های جداگانه خردایش را در زمان ۶۵ دقیقه انجام داده و در پایان زمان معین شده از خروجی آسیا نمونه گرفته شد. بلین نمونه‌های اخذ شده در جدول (۲) آمده است.
Blain Surface= √t * ۴۴۴.۹۸
پس از انجام آزمایش بلین به منظور تعیین مقاومت‌های فشاری ۲، ۷ و ۲۸ روزه، ملاتی متشکل از ۴۵۰ گرم سیمان با ۱۳۵۰ گرم ماسه دین (Din) و ۲۵۰cc آب را در دستگاه‌ میکسر مخلوط گردید و در قالب‌های فلزی با ابعاد ۱۶۰cm٭۴۰٭۴۰ قرار داده شد. نمونه‌ها را پس از یک روز به اتاق رطوبت منتقل شدند و پس از مدت زمان‌های لازم، نمونه‌ها از قالب خارج شدند و پس از شکستن مقاومت‌های فشاری ۲، ۷ و ۲۸ روزه اندازه‌گیری شد. نتایج مقاومت در جدول (۳) ارائه شده است.
همان‌گونه که از نتایج مشخص است برای نمونه شاهد با بلین ۲۹۵۲gr/cm۲ مقاومت ۴۹۹kg/cm۲ به‌دست آمده است و این در حالی است که نمونه‌های تهیه شده با کمک سایش‌های E و F علی‌رغم افزایش بلین دارای مقاومت‌های ۲۸ روزه به مراتب کمتری نسبت به نمونه شاهد هستند. جهت رفع نواقص آزمایش اول، در آزمایش دوم، سه کمک سایش B،A و C که بلین و مقاومت‌های ۲۸ روزه بیشتری نسبت به بقیه نمونه‌ها داشتند، انتخاب شده و نمونه‌هائی با میزان‌های ۱/۰، ۲/۰، ۰/۳، ۰/۴ و ۵/۰ درصد از هر یک از کمک سایش‌ها تهیه گردید و تأثیر مقادیر مختلف کمک سایش بر بلین و ذرات مؤثر بر مقاومت ۲۸ روزه سنجیده شد. در این آزمایش کمک سایش ( در مقادیر مختلف) و کلینکر را اضافه نموده و آزمایش‌های جداگانه خردایش را در زمان ۶۵ دقیقه انجام می‌دهیم. نتایج آزمایش بلین و دامنه ذرات مؤثر بر مقاومت ۲۸ روزه در جداول (۴) و (۵) ارائه شده است.
بنابراین با داشتن معیارهای بلین و درصد ذرات مؤثر بر مقاومت ۲۸ روزه ملات سیمان می‌توان گفت که برای سیمان تهیه شده با کمک سایش A که در مقدار ۴/۰ درصد به بیشترین میزان بلین و ذرات مؤثر بر مقاومت رسیده است، می‌توان مقدار بهینه ۴/۰ درصد را انتخاب کرد. برای سیمان تهیه شده با کمک سایش D که در مقدار ۳/۰ درصد بیشترین میزان بلین و درصد ذرات مؤثر بر مقاومت رسیده است، می‌توان مقدار ۳/۰ را انتخاب کرد. اما نمونه تهیه شده با افزودنی C که در مقدار ۴/۰ درصد به بلین بیشینه خود رسیده است در مقدار ۵/۰ درصد دارای حداکثر ذرات تأثیرگذار بر مقاومت است. در مورد کمک سایش C با توجه به قیمت و صرفه‌ اقتصادی سیمان تهیه شده می‌توان یکی از مقادیر ۴/۰ و ۵/۰ درصد را انتخاب کرد.
● بحث
انجام آزمایش سطح بلین و مقاومت از چند جهت قابل بحث است. سیمان شاهد با فرض چشم‌پوشی از خطای آزمایش در زمان ۶۵ دقیقه و سطح بلین ۳۰۰۰cm۲/gr در زمان ۲۸ روز به مقاومت ۴۹۹kg/cm۲ رسیده، و این در حالی است که در مقیاس صنعتی، سیمان به‌دست آمده با این سطح بلین، حداکثر به مقاومت ۳۸۰kg/cm۲ می‌رسد. مورد مذکور، خود نشان‌دهنده کارائی پائین طبقه‌بندی کننده‌های دینامیکی کارخانه است. در صنعت سیمان برای این‌که چنین فاصله‌ای کمتر شود، از طبقه‌بندی کننده‌های راندمان‌ بالا (High Efficiency Separator) استفاده می‌کنند. کارائی پائین طبقه‌بندی ذراتی است که نقش اساسی را در مقاومت ۲۸ روزه سیمان (عمدتاً ذرات بین ۳ تا ۳۰ میکرون) برعهده دارند. هدف از آزمایش سطح بلین و مقاومت برای دست‌یابی به سیمان ۴۲۵، افزایش سطح بلین تا ۳۳۰۰cm۲/gr بود. با افزایش سطح بلین تا مقادیر نزدیک به ۳۳۰۰cm۲/gr، مقاومت ۲۸ روزه ملات‌های تهیه شده به حداقل ۴۲۵kg/cm۲ رسید. اما همان‌طور که از نتایج سطح بلین و مقاومت‌های ۲۸ روزه مشخص است با این‌که سطح بلین نمونه‌های درست شده با کمک سایش‌های A و D دارای مقادیر به مراتب بیشتری نسبت به بقیه نمونه‌ها است اما در نمونه تهیه شده با کمک سایش G برای سیمان با سطح بلین ۳۱۱۵cm۲/gr مقاومت ۲۸ روزه ۵۴۷kg/cm۲ به‌دست آمده است. بنابراین در آزمایش بلین و مقاومت، با توجه به این‌که در همه موارد حتی نمونه شاهد با سطح بلین ۲۹۵۲cm۲/gr مقاومت ۲۸ روزه حداقل ۴۲۵kg/cm۲ به‌دست آمد، اما نتایج سطح بلین و مقاومت برای نمونه G نشان داد که افزایش سطح بلین بیشتر به معنای افزایش بیشتر سطح بلین اتفاق نمی‌افتد. می‌توان نتیجه گرفت که همیشه از راه افزایش سطح بلین نمی‌توان به مقاومت‌های بالا رسید، چراکه دو نمونه با سطح بلین یکسان ممکن است دارای دانه‌بندی و مقاومت‌های متفاومت باشند. به عبارت دیگر می‌توان گفت که همیشه بیشترین مقاومت (مقاومت ۲۸ روزه) در بیشترین سطح بلین اتفاق نمی‌افتد از دیگر موارد قابل توجه کاهش مقاومت ۲۸ روزه E و F نسبت به نمونه شاهد است که علی‌رغم مصرف کمک سایش و افزایش بلین کاهش یافته است. این مورد با توجه به مکانیزم کمک سایش‌ها توجیه می‌شود که مصرف مقادیر بالا از افزودنی می‌تواند اصطکاک را نه فقط بین دانه‌ها، بلکه بین دانه و واسطه‌های نرم‌کننده کاهش دهد. این مورد سبب پائین آمدن کارائی خردایش خواهد شد. بنابراین در کنار تمامی شاخص‌هائی که برای بررسی ارزیابی کمک سایش‌ها به کار می‌رود، می‌توان گفت که ”ارزیابی اثر دانه‌بندی“ و مخصوصاً ذرات مؤثر بر مقاومت، شاخص مناسبی برای ارزیابی مقاومت به حساب می‌آید.
زمانی که از مقادیر مختلف کمک سایش در آسیای سیمان استفاده می‌شود، بلین سیمان تا مقدار مشخصی افزایش یافته و از یک مقدار مشخص به بعد روند کاهشی را دنبال می‌کند. این مورد برای کمک سایش‌های C،A و D در مقادیر ۴/۰ و ۰/۳ (جدول ۴) درصد اتفاق افتاده است و نشان‌دهنده آن است که مصرف مقادیر بالا ممکن است که نتیجه معکوس داشته باشد و لزوم انجام آزمایش‌های آزمایشگاهی برای تعیین مقدار بهینه احساس می‌شود.
جدول (۴) صفحهٔ ۴
● نتیجه بحث
۱) در آزمایش اول سیمان ۴۲۵ از جنبه افزایش بلین بررسی شد. نتایج مقاومت‌های ۲۸ روزه برای نمونه شاهد و بقیه نمونه‌ها، مقاومت حداقل ۴۲۵kg/cm۲ را نشان داد.
۲) مقاومت ۴۹۹kg/cm۲ برای نمونه شاهد (نسبت به مقاومت ۳۸۰kg/cm۲ سیمان تیپ ۲ صنعتی) نشان‌دهنده راندمان پائین سپراتورهای دینامیکی کارخانه است. در صورت استفاده از سپراتورهای راندمان بالا و لحاظ کردن مصرف کمک سایش در طرح توسعه کارخانه، می‌توان به سیمان ۴۲۵ رسید.
۳) معیار افزایش بلین، معیار کاملی برای ارزیابی دانه‌بندی بر مقاومت سیمان نیست.
۴) برای بررسی تأثیر دانه‌بندی، تلفیق معیارهای بلین و درصد ذرات مؤثر بر مقاومت ۲۸ روزه (عمدتاً ۳ تا ۳۰ میکرون) می‌توان مفید واقع شود.
۵) بهترین روش برای تعیین مقدار بهینه کمک سایش در آسیای سیمان، استفاده از آزمایش‌های آزمایشگاهی در مقادیر مختلف و تأثیر آن بر روی دانه‌بندی و بلین سیمان است.

محسن یعقوبی (۱)، حسن حاجی امین شیرازی (۲)، محمود رفیعی (۳)
▪ منابع:
۱) محمودی کهن، سعید. خطیبی طالقانی، جاوید. پورداود، فرهاد. ”بررسی امکان تولید سیمان پرتلند مطابق EN با کلاس مقاومتی ۵/۴۲، ۵/۵۲، ۵/۶۲“، شرکت سهامی عام سیمان فارس و خوزستان، مرکز تحقیق و توسعه صنعت سیمان، بهار ۸۱.
۲) H. E.EL-Shal, "Grinding aids". Department of metallurgy and Mineral Processing Engineering, Montana College of Mineral Science and Technology, Butte, Montana. No ۵(۱۹۸۸), PP(۱۵۹-۱۷۷)
۳) J. Kolacz, K.L.Sandvik, "The effect of grinding aids on fine grinding" , SINTEF-Rock and Mineral Engineering, No ۲(۱۹۷۷), PP (۲۵۱ - ۲۶۰
۴) A.T.Albayrak, M. Yasar, M.A.Gurkaynak, I.Gurgey, "Investigation of fatty acids on the compressive strength of the concrete and grindability of the cement", Cement and Concrete Researchm No ۳۵ (۲۰۰۵), pp (۴۰۰-۴۰۴
۵) رفیعی، محمود. ”دانه‌بندی، علم و کاربرد آن در صنعت سیمان“، مجتمع سیمان آبیک، مرکز تحقیق و توسعه شرکت سهامی عام سیمان فارس و خوزستان، شهریور ۱۳۸۱.
▪ زیرنویس
۱) دانشجوی کارشناسی ارشد فراوری مواد معدنی دانشگاه شهید باهنر کرمان
۲) عضو هیئت علمی دانشگاه شهید باهنر کرمان
۳) عضو واحد پژوهشی مجتمع صنعتی سیمان آبیک
۴) High Strength Portland Cement

منبع : ماهنامه صنعت سیمان