تاریخچه کشف سیمان

اولین جرقه ها برای کشف سیمان

ساخت و ساز های اعجاب انگیزی و عظیمی مانند اهرام مصر قبل از کشف سیمان انجام شده اند. وجود این بناها نشان دهنده استفاده انسان از برخی انواع مصالح و ملات ها در زمان های بسیار دور می باشد. این سوال وجود دارد که ایده ساخت ملات و استفاده از آن چگونه در آن زمان به ذهن انسانها خطور کرده است؟ شاید استفاده از آتش، جرقه ای برای به وجود آمدن این ایده در ذهن بشر بوده است. معمولاً برای افروختن آتش از بستری از سنگ های آهکی و گچی استفاده شده است. حرارت، سبب جدا شدن انيدريد كربنيك از سنگ آهک و هیدراته شدن سنگ گچ شده و در نتیجه این مواد به صورت پودر درآمده اند. احتمالاً این پودر با باران ترکیب گردیده و سبب به وجود آمدن دوغاب شده است. در نهایت ممکن است چند قطعه سنگ توسط این دوغابها به همدیگر چسبیده شده باشند.

ساخت اهرام مصر قبل از کشف سیمان

انسان در آن زمان با مشاهده این فرایند، ایده تهیه ملات و استفاده از آن برای چسباندن مصالح هیدرولیک را به دست آورده است. منظور از مصالح هیدرولیک، گروهی از مصالح است که پس از ترکیب شدن با آب، سخت می‌شوند و میزان سختی آنها در مجاورت با آب، هوا و یا حتی در زیر آب کم نمی شود.

استفاده از سنگ های آتشفشانی در تولید ملات

پل ساخته شده در جنوب فرانسه توسط رومی ها

پوزولان یا تراس همان گرده‌های ناشی از خاکستر آتشفشان و سنگ‌های آتشفشانی می‌باشد؛ با مخلوط کردن این گرد با آهک، سیمان طبیعی ساخته می شود. در ابتدا شن، ماسه، ریزه سنگ و سایر مواد مشابه اینها با باقیمانده‌های آتشفشانی ترکیب می شدند. سپس انسان متوجه شد که ملات به دست آمده از ترکیب شیره آهک و بقایای آتشفشان، کیفیت بالاتری دارد. استفاده یونانی ها از خاکستر آتشفشانی جزیره سانتورین یا همان خاک سانتورین، برای ساخت ملات به این دلیل بوده است. هنوز هم از خاک سانتورین به عنوان مواد اولیه در ساخت سیمان استفاده می شود. مردم روم در منطقه پوزولی که حوالی جزیره ناپل قرار دارد؛ ماده مشابهی با رنگ تیره تر را شناسایی کرده و از آن استفاده می کردند.

استفاده از سیمان طبیعی در ساخت معبد پانتئون در رم

کشف خواص هیدرولیکی ملات برای اولین بار

در قرون هجدهم و نوزدهم پدیده های زیادی کشف شدند و زمینه مورد نیاز برای کشف سیمان مساعد تر بود. در آن زمان دانشمندان، مهندسان، شیمیدان ها و حتی هنرمندان به پدیده های علمی و طبیعی توجه زیادی داشتند. یکی از پدیده هایی که توجه گروه زیادی از اندیشمندان را در آن زمان به خود جلب کرده بود، مسئله گیرش و سفت شدن ملات ها بود. در آن زمان دانشمندان کشورهای مختلف با همدیگر ارتباط نداشتند و ممکن بود به طور همزمان در نقاط مختلف دنیا، چندین دانشمند بر روی موضوعات یکسانی تحقیق کنند. جان اسمیتون در سال 1756 خواص هیدرولیکی ملات را کشف نمود. همین خاصیت در سال های 1756 تا 1830 حدود 6 بار دیگر توسط دانشمندان دیگری مجدداً کشف گردید.

آشنایی با جان اسمیتون کاشف خواص هیدرولیکی ملات ها

تا اواسط قرن هجدهم کسی درباره عوامل ایجاد کننده خاصیت هیدرولیکی و چسبندگی در مواد و همینطور درباره خواص هیدرولیکی ملات ها اطلاعاتی نداشت. سرانجام، جان اسمیتون انگلیسی متوجه شد که در خاک رس ترکیباتی وجود دارند که دارای خاصیت گیرش هیدرولیکی و سخت شدن می باشند. او می خواست مصالحی را پیدا کند که دارای چسبندگی خوبی بوده و بتوانند در مقابل آب مقاومت کنند. در حین انجام این تحقیقات در سال 1756 اسمیتون موفق به کشف خواص هیدرولیکی ملات ها گردید.

اسمیتون با استفاده از چند نوع آهک، ملات های آزمایشی را ایجاد نمود. سپس با هر یک از ملات های خود نمونه‌هایی را ایجاد نمود و پس از سفت شدن، برای سنجش مقاومت نمونه ها آنها را زیر آب قرار داد. اسمیتون پس از انجام این آزمایش متوجه شد که آهک تولید شده با سنگ Glamorgan از بقیه بهتر است. او سپس این سنگ آهک را تجزیه کرد و متوجه وجود مقداری مواد رسی در آن شد. این نقطه آغازی برای کشف خواص هیدرولیکی خاک رس بود که بعد ها منجر به کشف سیمان گردید.  اسمیتون هنگام تجزیه انواع آهک متوجه شد خاصیت هیدرولیکی در آهکی که باقیمانده نامحلول بیشتری در اسید نیتریک دارد؛ بیشتر است. کوارتز و خاک رس موجود در سنگ آهک این باقیمانده های نامحلول را تشکیل می دهند.

کشف آهک با خاصیت شیشه ای بهتر

برایان هیگینز در سال 1780، که از کشف اسمیتون اطلاعی نداشت؛ سنگ آهک را از لحاظ دی اکسید کربن موجود در آن بررسی کرد. او دریافت که اگر برای ایجاد ملات از خاکستر چوب و آهکی که در دمای بالاتری پخته شده است استفاده شود؛ کیفیت ملات بالاتر خواهد بود. در ضمن اگر میزان ناخالصی های رسی یا گچی در آهک بیشتر باشد؛ آهک بهتر شیشه ای می گردد. منظور او از شیشه ای شدن آهک در آن زمان، همان کلینکر شدن بود.

سیمان رومی

جیمز پارکر انگلیسی در سال 1796، نوع دیگری از آهک هیدرولیکی را تولید نموده و آن را با نام سیمان رومی ثبت کرد. کشف سیمان رومی (آهک آبی) او نتیجه پختن قلوه سنگ های آهکی رسی یا همان گل آهک بود.

کشف سیمان در فرانسه و آلمان

در آغاز قرن نوزدهم فردی به نام ویکا در فرانسه مخلوط مصنوعی سنگ آهک و خاک رس را برای تهیه سیمان (آهک آبی) به کار برد. ویکا، سنگ آهک و خاک رس را با هم ترکیب نموده و پس از اضافه کردن آب، آن را آسیاب نمود. سپس دوغاب به دست آمده را پخت. روش ویکا با این که با موفقیت همراه بود؛ در فرانسه به دست فراموشی سپرده شد.

در آلمان نیز در همان سالها، دانشمندی به نام J.F.John کشف مشابهی را انجام داد. او با این کشف، جایزه مربوط به پاسخ سوال تفاوت خواص انواع آهک ها را در سال 1819 دریافت نمود. او متوجه شده بود که وجود ترکیبات رسی در سنگ آهک، سبب بهبود کیفیت ملات می گردد و این همان کشف اسمیتون در 68 سال قبل بود.

کشف سیمان پرتلند

ژوزف آسپیدن در حال تهیه مواد خام سیمان

در سال 1824 فردی به نام ژوزف اسپین، نوعی آهک آبی فوق‌العاده را کشف نمود و آن را با نام سیمان پرتلند به ثبت رساند. این بنای آجر چین انگلیسی، نسبت های متفاوتی از سنگ آهک و خاک رس را مخلوط نمود. سپس دوغاب به دست آمده را با پختن در درجه حرارت بالا، به سیمان تبدیل نمود. نکته قابل تامل در اینجا این است که اسمیتون برای اولین بار از کلمه پرتلند استفاده کرده بود؛ اما این نام را ثبت ننمود.

این سیمان، با سیمان پرتلند امروزی تفاوت دارد. نوعی سنگ آهک در جزیره پرتلند واقع در جنوب انگلستان وجود دارد که بسیار شبیه آهک آبی ژوزف بود. به همین دلیل در نامگذاری آن سنگ آهک، از کلمه پرتلند استفاده گردید.

پسر ژوزف اسپین به نام ویلیام اسپین، کار پدرش را دنبال نمود و در سال 1843 سیمان بسیار مقاوم تر و بهتری را ابداع کرد. او در کشف سیمان خود از درجه حرارت بالاتر که منجر به نیمه مذاب شدن مواد در حین پخت می‌گردید؛ استفاده کرد. این سیمان برای ساختن ساختمان جدید پارلمان انگلستان استفاده شد.

ذکر این نکته ضروری است که فعالیت های انجام شده برای کشف سیمان، بویژه توسط اسپین ها تا این زمان به صورت سری حفظ می شدند. از این زمان به بعد یعنی از نیمه دوم قرن نوزدهم، تولید سیمان در مقیاس گسترده و به صورت صنعتی آغاز گردید. تلاش های مستمر این دانشمندان در نقاط مختلف جهان، سبب گردید که ما امروز بتوانیم به راحتی خرید سیمان را از شرکت های معتبری مانند پتروکیمیا انجام دهیم.