گچ در صنعت سیمان

در صنایع سیمان گچ را جهت افزایش زمان گیرایی سیمان به کار می برند. ذرات گچ که با سیمان مخلوط می گردند بسیار ریز بوده، یک پوشش روی دانه های سیمان تشکیل می دهند و مانع از رشد سریع بلورهای سیمان می شوند. در نتیجه زمان گیرایی سیمان افزایش می باید. به عبارت دیگر چون ذرات گچ نسبت به سیمان آب را سریعتر جذب می کنند و آب مخلوط شده با سیمان را در مرحله اولیه گرفته، سپس به مرور و کم کم آن را باز پس می دهند، ذرات سیمان این آب را جذب نموده، بلورهایش رشد می کنند. بدین ترتیب رشد بلورهای سیمان تحت کنترل گچ در می آید. در این صنعت سولفات کلسیم طبیعی بصورت دی هیدرات و انیدریت II به مقدار زیادی به عنوان تعویق انداز برای سیمان پرتلند و سیمان کوره بلند مورد

استفاده قرار می گیرد. مقدار سولفات کلسیم در سیمان دقیقا مشخص و برابر با 3 درصد SO₃ در سیمان پرتلند و حداکثر 4 درصد SO₃ سیمان کوره بلند می باشد.

سولفات کلسیم را با ابعاد 5 الی 50 میلیمتر در هنگام آسیاب و پودر کردن به کلینکر سیمان اضافه می نمایند. در کشورهایی که کمبود سنگ گچ طبیعی دارند مانند ژاپن، گچ شیمیایی و انیدریت شیمیایی به عنوان مواد اضافه شونده به سیمان مورد مصرف قرار میگیرد. مقدار مصرف سولفات کلسیم در صنایع تولید سیمان حدود 40 درصد کل تولید سنگ گچ را تشکیل می دهد.

یکی از ناخالصی های موجود در گچ، نمک طعام است که وجود آن در سیمان مفید می باشد، چون به سیمان حالت ضدیخ می دهد. نمک طعام تحت اثر نیروی موئینه به سطح کشیده می شود و باعث تخلخل سیمان می گردد(کیفیت سیمان را پایین می آورد) لذا برای جلوگیری از این اشکال به جای نمک از کلرور سدیم CaCl₂ استفاده می شود.

بررسی استاندارد ASTM برای تیپهای مختلف سیمان نشان می دهد، هرچه مقدار C₃A(تری کلسیم آلومینات) بیشتر باشد، میزان گچ لازم برای به تعویق انداختن عمل گیرش بالا می رود زیرا پودر کلینکر خالص به سرعت در آب می گیرد. این گیرش سریع به علت ترکیب شدید C₃A با آب می باشد.

با افزایش میزان گچ، سولفات موجود در سنگ گچ با C₃A ترکیب شده و لایه ای از اترنجیت روی دانه های ریز C₃A را می پوشاند.

C₃A وAl₂O₃+ Ca(OH)₂+12H₂O 4CaO و Al₂O₃ و 13 H₂O

C₃A+ Ca(OH)₂+12H2O C₄AH₁₃

C₃A+26 H₂ O+3CaSO₄.2 H₂ O C₃A و 3CaSO₄ و 32 H₂O

اترنجیت خیلی نامحلول است و روی C₃A رسوب کرده و به صورت سدی جلوی ترکیب آب با C₃A را می گیرد، به این عمل تاخیر گیرش می گویند. فاصله زمانی که طول می کشد آب از لایه های اترنجیت عبور کرده و با C₃A ترکیب گردد زمان گیرش گویند. به طور کلی با هیدراتاسیون سیلیکات کلسیم خشک در هنگام سخت شدن خمیر سیمان CSH (ژل توبرمولیت که از ترکیب C₃S را در اولین مرحله هیدراتاسیون

تحت تاثیر قرار می دهد. میزان هیدراتاسیون C₃S در حضور گچ افزوده می شود و پس از 10 ساعت با کاهش مقدار گچ از هیدراتاسیون کاسته می شود طبق نظر الدر پیوند بین CaSO₄ و فاز CSH نسبتا ضعیف است و فرض بر این است که CaSO₄ به طور فیزیکی روی سطح وسعی از ژل جذب شده و تقریبا مقداری از آن با هیدروکسید کلسیم اشباع شده از سطح خارج می گردد. در دقایق اولیه هیدراتاسیون شکل شناسی CSH در حضور گچ و در غیاب گچ تا حدودی با هم فرق می کند. که در آن خانه خانه ای شدن رشد کمتری دارد به هر صورت در چند ساعت بعدی خانه خانه شدن CSH به حداکثر خود می رسد. به عقیده بنتور اثر گچ روی مقاومت خمیر CSH را برحسب اثری که روی کمیت و کیفیت ژل CSH تشکیل شده در خلال هیدراتاسیون می گذارد، تفسیر می کنند. با افزایش گچ، مسیر ژل CSH افزایش می یابد. ولی از مقاومت اصلی می کاهد از این رو یک رابطه خطی بین مقاومت اصلی CSH و نسبت مولی C به S وجود دارد که طبق فرمول زیر است.

F_c=5225-2032 C/S

که در آن:

C: میزان کلسیم

S: میزان سیلیسیم

Fc: مقاومت بر حسب Kg f/cm² است.

گچ اگر به میزان کافی به سیمان پرتلند افزوده شود از گیرش ناگهانی آن جلوگیری می کند. نسبت همی هیدرات کلسیم سولفات در سیمان بر روی خواص رئولوژی شفته تازه تهیه شده اثر می گذارد که این تغییر می تواند در طی فرآیند تولید، نگهداری یا انتقال سیمان اتفاق افتاده باشد و کاهش مقدار گچ همی هیدرات فشار حاصل را افزایش می دهد. برای کمترین نسبت گچ همی هیدرات یک گیرش کاذب مشاهده می شود.

به علت فساد تدریجی سیمان با گچ آزاد (GF)و سیمان پرتلند معمولی (PC) تفاوتهایی در مقاومت سیمانها دیده می شود که مکانیسم این فساد تدریجی در هر دو یکسان نبوده و به عبارت دیگر منجر به تفاوت در ریزساختارها می شود. تفاوت بین دو سیمان مذکور ناشی از سرعت کمتر این فساد در سیمان GF نسبت به سیمان PC است.

سیمان پرتلند GF یک ملات هیدرولیک کم خلل و فرج برپایه زمینه کلینکر سیمان پرتلند و افزودنی ها است. یک سیستم هم انرژی شامل یک آنیون فعال با عامل فعال سطحی (معمولا پلی الکترولیت سولفوناته) و یک نمک معدنی(معمولا سدیم کربنات) جهت تنظیم فرآیند سخت شدن به کار می رود. خواص این دو سیمان همچنین از نظر قدرت، پایداری حرارتی با یکدیگر متفاوت است. که ممکن است قدرت مکانیکی بالاتر سیمان GF به واسطه ی غیاب بلورهای پرتلندیت و تشکیل اجزای C-SH (به نسبت C/S 7/2 براساس آنالیز EDAX) به جای فازهای C-A-H در حضور Ca(OH)₂ (به صورت بلورهای کوبیک و هگزاگونال) می باشد. گچ سوخته روی زمان گیرش، قدرت فولاد و تفاله ی کوره ی هوا داده شده سیمان، اثر می کند و باعث کاهش سرعت هیدراسیون و افزایش زمان گیرش می گردد. به تبع قدرت نیز کاهش می یابد. با روشهای آنالیزی به کمک میکروسکوپ الکترونی حرارت دادن گچ دی هیدرات در دماهای مختلف 220) تا (1100 °C به دست آمده و مدیفیکاسیون آن نیز بر خواص موثر است. حرارت دادن گچ در 75 درجه سانتیگراد باعث شتاب گرفتن هیدراتاسیون می شود. به وسیله ی افزایش مقادیر کم گچ به کلینکرسیمان، سرعت هیدراتاسیون شتاب می گیرد اما مقادیر بیش از 2/0 قسمت باعث کند شدن هیدراتاسیون کلینکر سنتز شده با آمونیم سولفات و کلسیم سولفات می شود. با XRD و روشهای فیزیکی مخلوط هیدرات گچ و سیمان از نظر قدرت و گیرش مورد بررسی قرار گرفت و نتایج نشان می دهد که مخلوط فسفوژیپس و گچ یا سیتروژیپس و گچ به عنوان تنظیم کننده های گیرش محسوب می شوند و برحسب منشا، ساختار بلوری، درجه خلوص گچ، تغییرات در گیرش و قدرت سیمان متفاوت خواهند بود.

روش غیراستاندارد Rietveld Retinement دارای مزایای زیادی نسبت به روشBogue و روشهای شمارشی توسط میکروسکوپ است. جهت تعیین همزمان مقادیرآلیت، بلیت، آلومینات، فرات، آهک آزاد،

اکسید منیزیم پریکلاژ، گچ بدون آب و همی هیدرات، کلسیت و کوارتز به کار می رود. نیاز به منحنی کالیبراسیون ندارد، پس می توان به طور اتوماتیک و بسیار ساده در سیستمهای کنترل کیفیت و کنترل فرآیند صنعت سیمان به کار رود. درجه حرارت لازم جهت پخت سیمان سفید از سیمان معمولی بالاتر است. برای جلوگیری از دوب شدن و روان شدن مواد در کوره باید از دیرگذازهایی مانند کلسیم فلورید – گچ- شیشه- فلدسپات استفاده شود. که این مواد باید با خوراک به داخل کوره برود، برای تهیه سیمانهای رنگی دیگر 20% وزن سیمان، مواد رنگی اضافه می کنند. نقش سولفاتها به عنوان مینرالیزاتور به وسیله (Smith Gutt) نیز (Butt) و (Timusher) مورد بحث قرار گرفت. درجه حرارت ذوب برای کلینکرهای حاوی SO₃ حدودا 200 درجه پائین تر از حد معمول گزارش شده است. اما برخی از محققین مشاهده کردند که فعالیت هیدرولیکی کلینکر در این حالت کاهش می یابد. بر طبق مطالعات انجام شده، تاثیر سولفاتها، در کند کردن و به تاخیر انداختن تشکیل کلینکر در دمای بالاتر بیشتر است. (Melta Tewori) گچ فسفره را یک مینرالیزاتور موثر سافتند برخی محقیقین FeSO₄+Al₂(SO₄)₃,FeSO₄+SnSO₄,TiO₂,MgCO₃+CaSO₄ را که زوجهایی از نمکهای سولفاته هستند به عنوان مینرالیزاتورهای ذوب پیشنهاد کرده اند. گچ حتی می تواند جهت بهبود پایداری حجمی کلینکرهایی که دارای MgO بیشتر از 2% باشند مورد استفاده قرار بگیرد اما باید از گچ به دلیل تاثیرش بر روی میزان C₃S و پایداری آلیت وقتی قلیائیها در کلینکر موجود هستند باید با احتیاط استفاده شود.