الكلنكر الإسمنتي

الكلنكر الإسمنتي مادة صلبة تُنتج كمنتج وسيط في صناعة الإسمنت البورتلاندي . يوجد الكلنكر على شكل كتل أو عقيدات، يتراوح قطرها عادةً بين 3 و 25 مليمترًا . يُنتج الكلنكر عن طريق تلبيد (صهر دون انصهار ) الحجر الجيري ومواد الألومينوسيليكات مثل الطين خلال مرحلة فرن الإسمنت . ^{[ 1 ] [ 2 ]}  

يتكون الكلنكر البورتلاندي من أربعة معادن: اثنان من سيليكات الكالسيوم ، _وهما الأليت (Ca3SiO5 ₎ والبيليت ( Ca2SiO4 ₎ ، بالإضافة إلى ألومينات ثلاثي الكالسيوم ( _Ca3Al2O6 ) وألومينوفيريت الكالسيوم (Ca2 ₍ Al,Fe) _{2O5 )} . تُنتج هذه المعادن تجاريًا عن طريق تسخين _الطين والحجر الجيري في درجات حرارة ^{عالية .} _{[ 3} ^]

المادة الخام الرئيسية عادةً ما تكون الحجر الجيري ممزوجًا بمادة ثانية تحتوي على الطين كمصدر للألومينوسيليكات. ويمكن استخدام حجر جيري غير نقي يحتوي على الطين أو ثاني أكسيد السيليكون (SiO₂ _{) . قد تصل نسبة} كربونات الكالسيوم (CaCO₃ ₎ في هذه الأحجار الجيرية إلى 80% وزنيًا. خلال عملية التكليس التي تحدث في إنتاج الكلنكر، يتحلل الحجر الجيري إلى جير ( أكسيد الكالسيوم )، الذي يُدمج في منتج الكلنكر النهائي، وثاني أكسيد الكربون .

تعتمد المادة الخام الثانية على نقاء الحجر الجيري. وتشمل المواد الخام الثانية المستخدمة الطين، والصخر الزيتي ، والرمل ، وخام الحديد ، والبوكسيت ، والرماد المتطاير ، والخبث .

يُصنع الكلنكر البورتلاندي بتسخين خليط متجانس من المواد الخام في فرن دوار عند درجة حرارة عالية. تتجمع نواتج التفاعل الكيميائي عند درجة حرارة التلبيد، حوالي 1450 درجة مئوية (2640 درجة فهرنهايت) . يُستخدم أكسيد الألومنيوم وأكسيد الحديد فقط كعامل مساعد لخفض درجة حرارة التلبيد، ولا يُساهمان إلا قليلاً في قوة الأسمنت .  

بالنسبة للأسمنتات الخاصة، مثل أنواع الأسمنتات منخفضة الحرارة (LH) والمقاومة للكبريتات (SR)، من الضروري الحد من كمية ألومينات ثلاثي الكالسيوم المتكونة.

يتم توصيف الكلنكر وتفاعلات ترطيبه ودراستها بالتفصيل باستخدام العديد من التقنيات، بما في ذلك قياس السعرات الحرارية ، وتطور القوة ، وحيود الأشعة السينية ، والمجهر الإلكتروني الماسح ، ومجهر القوة الذرية . ^{[ 4 ]}

يُطحن الكلنكر الإسمنتي البورتلاندي (يُختصر إلى k في المعايير الأوروبية) إلى مسحوق ناعم ويُستخدم كمادة رابطة في العديد من منتجات الإسمنت. يجب إضافة كمية صغيرة من الجبس (أقل من 5% وزناً) لتجنب التصلب السريع لألومينات ثلاثي الكالسيوم (Ca₃Al₂O₆ _{) ، وهي} المرحلة المعدنية الأكثر تفاعلاً (تفاعل إماهة طارد للحرارة) في الكلنكر الإسمنتي البورتلاندي. كما يمكن دمجه مع مكونات فعالة أخرى أو إضافات إسمنتية لإنتاج أنواع أخرى من الإسمنت ^، بما في ذلك، وفقًا للمعيار الأوروبي EN 197-1: ^{[ 5} _]

• CEM I: الكلنكر البورتلاندي النقي (الأسمنت البورتلاندي العادي، OPC)
• CEM II: أسمنت مركب مع إضافة محدودة من حشو الحجر الجيري أو خبث الفرن العالي (BFS)
• CEM III: أسمنت أفران الصهر BFS-OPC
• CEM IV: الأسمنت البوزولاني
• CEM V: الأسمنت المركب (مع إضافات كبيرة من خبث الأفران العالية، أو الرماد المتطاير ، أو غبار السيليكا )

يُعدّ الكلنكر أحد مكونات صخرة اصطناعية تُحاكي الحجر الجيري ، وتُسمى "بولهاميت" نسبةً إلى مخترعها جيمس بولهام (1820-1898). وتشمل المكونات الأخرى الأسمنت البورتلاندي والرمل. تتميز "بولهاميت" بمظهرها الواقعي للغاية، وقد شاع استخدامها في تصميم حدائق صخرية ذات مظهر طبيعي في القرن التاسع عشر.

يمكن حفظ الكلنكر، إذا تم تخزينه في ظروف جافة، لعدة أشهر دون فقدان ملحوظ في الجودة. ولهذا السبب، ولأنه سهل التداول باستخدام معدات مناولة المعادن العادية، يُتداول الكلنكر بكميات كبيرة على الصعيد الدولي. عادةً ما يقوم مصنّعو الأسمنت الذين يشترون الكلنكر بطحنه كإضافة إلى الكلنكر الخاص بهم في مصانعهم. كما يقوم المصنّعون بشحن الكلنكر إلى مصانع الطحن في المناطق التي لا تتوفر فيها المواد الخام اللازمة لصناعة الأسمنت.

يُضاف الجبس إلى الكلنكر بشكل أساسي كمادة مضافة لمنع التصلب السريع للأسمنت، ولكنه فعال للغاية أيضًا في تسهيل طحن الكلنكر عن طريق منع التكتل وتغطية المسحوق على سطح الكرات وجدار الطاحونة . ^{[ 6 ]}

تُضاف المركبات العضوية أيضاً في كثير من الأحيان كمواد مساعدة للطحن لتجنب تكتل المسحوق. ويُستخدم ثلاثي إيثانول أمين  (TEA) عادةً بنسبة 0.1% وزناً  ، وقد أثبت فعاليته العالية. كما تُستخدم أحياناً إضافات أخرى، مثل الإيثيلين جليكول ، وحمض الأوليك ، ودوديسيل بنزين سلفونات. ^{[ 7 ]}

عند إضافة الماء، تتفاعل معادن الكلنكر لتكوين أنواع مختلفة من الهيدرات، وتتصلب (تتبلور) عجينة الأسمنت المائية لتصبح خرسانة . تمثل هيدرات سيليكات الكالسيوم (CSH) (هيدرات معادن الأليت والبيليت ) المكونات الرئيسية الرابطة للخرسانة. بعد التصلب الأولي ، تستمر الخرسانة في التصلب واكتساب قوتها الميكانيكية .

تُعدّ الأيام الثمانية والعشرون الأولى حاسمةً لعملية التصلب. لا يجفّ الخرسانة تمامًا، بل يتصلب ويتماسك. يُعتبر الإسمنت مادة رابطة هيدروليكية، ويتطلب ترطيبه وجود الماء. ويمكنه التصلب تمامًا تحت الماء. الماء ضروري لتصلبه، ويجب تجنب فقدانه في المراحل الأولى لتفادي ظهور التشققات. تُحمى الخرسانة الطرية من الجفاف (تبخر الماء غير المتفاعل). تشمل الطرق التقليدية لمنع الجفاف تغطية المنتج بخيش مبلل أو استخدام أغطية بلاستيكية.

بالنسبة للمشاريع الأكبر حجماً، مثل الطرق السريعة، يتم رش السطح بمحلول من مركب معالج يترك طبقة غير منفذة للماء. ^{[ 8 ]}

اعتبارًا من عام 2018ساهمت صناعة الإسمنت بنحو 8% من إجمالي انبعاثات الكربون في العالم، مما ساهم بشكل كبير في ظاهرة الاحتباس الحراري . وقد نتجت معظم هذه الانبعاثات في عملية تصنيع الكلنكر. ^{[ 9 ]}

في عام 2026، قدم الباحثون عملية إنتاج بديلة لإنتاج أسمنت البليت. تعتمد عملية الإنتاج الكهروكيميائي لمركب سيليكات الكالسيوم المائي (CSH) على مرحلتين. في المرحلة الأولى، يُنتج المركب عند درجة حرارة 60 درجة مئوية (140 درجة فهرنهايت)، بينما في المرحلة الثانية، يُحوّل المركب إلى بليت عند درجة حرارة 650 درجة مئوية (1200 درجة فهرنهايت). تتطلب هذه العملية طاقة أقل بنحو 70% من العملية التقليدية. كما استُخدمت هذه العملية لإنتاج الكلنكر من مخلفات الأسمنت المُستخرجة من الخرسانة المهدمة. ^{[ 10 ]}

أدى تصنيع الكلنكر البليتي من الأسمنت المعاد تدويره إلى انبعاث حوالي 20 كجم (44 رطلاً) فقط من ثاني أكسيد الكربون لكل طن، مقارنة بحوالي 800 كجم (1764 رطلاً) من ثاني أكسيد الكربون _لكل طن، أي أقل بنسبة 98% تقريبًا من الطريقة التقليدية. ^{[ 10 ]}

كما أنتجت التفاعلات الكهروكيميائية غاز الهيدروجين كمنتج ثانوي، والذي يمكن حرقه لتوفير الطاقة الحرارية اللازمة لتحويل البليت. ^{[ 10 ]}

• الخبث (النفايات)
• الأثر البيئي للخرسانة
• محطة طحن الأسمنت
• عملية طحن الكلنكر الأسمنتي