บทที่ 2

1. บทที่ 2 ปูนซีเมนต์

2. ความหมาย • Cement • ตามความหมายของการใช้งานทางวิศวกรรม แบ่งออกเป็น ๒ ชนิด1.บิทูมินัส (bitu-minous) 2.นอนบิทูมินัส (nonbituminous) สารานุกรมไทยสำหรับเยาวชนฯ เล่มที่ 2

3. บิทูมินัสซีเมนต์ • บิทูมินัสซีเมนต์ ได้แก่ มะตอย (asphalts) และน้ำมันยาง (tars) เราใช้มะตอยหรือน้ำมันยางเป็นตัวประสานหินหรือกรวดในการทำผิวถนน นอกจากนี้ ยังใช้บิทูมินัสซีเมนต์ผสมกับหิน ทราย ราดทำผิวถนน และเรียกว่า แอสฟัลต์คอนกรีต ( asphalt concrete) สารานุกรมไทยสำหรับเยาวชนฯ เล่มที่ 2

4. นอนบิทูมินัสซีเมนต์ ได้แก่ • อะลูมินาซีเมนต์ (alumina cement) • ปอร์ตแลนด์ซีเมนต์ (portland cement)

5. ลักษณะของนอนบิทูมินัสซีเมนต์เป็นผงสีเทาอ่อน ผสมน้ำในปริมาณมากพอสมควร แล้วทิ้งไว้ให้แห้งจึงจะแข็งตัว เรียกซีเมนต์ชนิดนี้ว่า ไฮดรอลิกซีเมนต์(Hydraulic Cement) ต่อไปนี้จะขอกล่าวถึงปูนซีเมนต์ปอร์ตแลนด์เพราะนิยมใช้โดยทั่วไปในวงกว้างทางวิศวกรรม

6. ประวัติศาสตร์ปูนซีเมนต์ประวัติศาสตร์ปูนซีเมนต์ จากหลักฐานสิ่งก่อสร้างที่ปรากฏ มนุษย์รู้จักประดิษฐ์ปูนซีเมนต์เพื่อใช้งานมาหลายพันปีแล้ว เช่น กำแพงเมืองจีนปิรามิดอียิปต์ วิหารกรีก โคลีเซียม ปูนที่ผลิตสมัยก่อนมีคุณภาพต่ำ ใช้สำหรับการก่ออิฐหรือฉาบผิว ปูนซีเมนต์สมัยใหม่เริ่มผลิตขึ้นในปี พ.ศ. 2367 Joseph Aspdinชาวอังกฤษ จดลิขสิทธ์เป็นคนแรก และได้ตั้งชื่อผลิตภัณฑ์นี้ว่า Portland Cement

7. ประวัติศาสตร์ปูนซีเมนต์ (ต่อ) • ซีเมนต์นี้เมื่อแข็งตัวจะมีสีเหลืองปนเทา เหมือนกับหินที่ใช้ก่อสร้างบริเวณเมืองปอร์ตแลนด์ ในประเทศอังกฤษ เรียกวัตถุนี้ว่า ปูนซีเมนต์ปอร์ตแลนด์ (Portland cement )

8. ประวัติปูนซีเมนต์ในประเทศไทยประวัติปูนซีเมนต์ในประเทศไทย • ในปีพุทธศักราช 2456 พระบาทสมเด็จพระมงกุฏเกล้าเจ้าอยู่หัว(รัชกาลที่ 6) ทรงมีพระบรมราชโองการ โปรดเกล้าฯ ให้ก่อตั้ง บริษัท ปูนซีเมนต์ไทย จำกัด ขึ้น ด้วยพระราชประสงค์ที่จะให้ประเทศไทยผลิตปูนซีเมนต์ใช้เอง ลดการพึ่งพาการนำเข้าจากต่างประเทศ และเพื่อจัดสรรการใช้ทรัพยากรภายในประเทศอย่างคุ้มค่า http://th.wikipedia.org

9. วัตถุดิบที่ใช้ในการผลิตปูนซีเมนต์วัตถุดิบที่ใช้ในการผลิตปูนซีเมนต์ วัตถุดิบในการผลิตปูนซีเมนต์ ประกอบด้วยแร่ธาตุสำคัญ 5 ชนิด • แคลเซียมออกไซด์ (CaO) • ซิลิกอนไดออกไซด์ (SiO2) • อลูมิเนียมออกไซด์ (Al2O3) • เหล็กออกไซด์ (FeO2, Fe2O3) • แคลเซียมซัลเฟต(CaSO4)

10. วัตถุดิบในการผลิตปูนซีเมนต์จากธรรมชาติวัตถุดิบในการผลิตปูนซีเมนต์จากธรรมชาติ • วัตถุดิบที่ให้ CaO: - หินปูน (Limestone) ดินสอพอง (Chalk) ดินขาว (Marl) • วัตถุดิบที่ให้ SiO2 และ Al2O3: - หินดินดาน/หินเชล (Shale) หินชนวน (Slate) ดินเหนียว (Clay) • วัตถุดิบที่ให้ FeO2, Fe2O3: - ดินลูกรัง (Laterite) และดินศิลาแลง • วัตถุดิบที่ให้ CaSO4: - แร่ยิปซัม

11. กรรมวิธีการผลิตปูนซีเมนต์ปอร์ตแลนด์กรรมวิธีการผลิตปูนซีเมนต์ปอร์ตแลนด์ ประกอบด้วย 3 ขั้นตอน 1) การเตรียมวัตถุดิบ (Preparation of Raw Materials) 2) การเผาวัตถุดิบ (Calcining) 3) การบดปูนเม็ด (Cement Milling)

12. การเตรียมวัตถุดิบ กรรมวิธีการเตรียมวัตถุดิบสำหรับการผลิตปูนซีเมนต์ มี 2 วิธี ขึ้นอยู่กับชนิดของวัตถุดิบที่นำมาใช้และการลดต้นทุนการผลิต 1. การเตรียมแบบเปียก (Wet Process) 2. การเตรียมแบบแห้ง(Dry Process)

13. การเตรียมแบบเปียก (Wet Process) ดินสอพอง+ ดินลูกรัง +ดินเหนียว บดให้ละเอียด +น้ำ น้ำโคลน บรรจุถังไซโล เผา

14. การผลิตแบบแห้ง (Dry Process) หินปูน ดินลูกรัง และดินดาน อบจนแห้ง บดให้ละเอียด ผสมในอัตราส่วนที่เหมาะสม เตาเผา

15. ปัจจุบัน โรงงานผลิตปูนซีเมนต์ในประเทศไทย • นิยมใช้กรรมวิธีการเตรียมวัตถุดิบแบบแห้ง (Dry Process) • เนื่องจากใช้พลังงานในการเตรียมและเผาวัตถุดิบน้อยกว่าวิธีเปียก (Wet Process) • ทำให้ต้นทุนในการผลิตลดลง

16. การเผาวัตถุดิบ (Calcining) วัตถุดิบ เตาเผาปูน ในลักษณะหมุน ปูนเหลว เย็นตัวลง ปูนเม็ด

17. หม้อเผาทรงกระบอกยาว

18. การเผาวัตถุดิบ(Calcining) หม้อเผาเป็นทรงกระบอกยาว ขนาดเล็กสุด Φ ~2 ม. ยาว ~50 ม. ทำด้วยเหล็กกล้า ภายในบุด้วยอิฐทนไฟ วางเอียงเล็กน้อยกับแนวระดับ หมุนรอบตัวช้าๆ ขณะหม้อเผาหมุน ส่วนผสมจะไหลช้าๆ ลงสู่ปลายล่างของหม้อเผา ส่วนผสมจะได้รับความร้อนเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ จนถึงอุณหภูมิที่จะก่อปฏิกิริยาเคมี เกิดเป็นปูนเหลว ไหลลงสู่ด้านล่าง ต่อมาอุณหภูมิจะค่อยๆ ลดลง ปูนเหลวจะแข็งตัวจับกันเป็นก้อน เรียกว่าปูนเม็ด (Clinker) ไหลออกจากหม้อเผาทางปลายล่างสุด ปูนเม็ดนี้จะถูกเก็บไว้จนเย็นในที่แห้ง และจะถูกส่งไปบดในหม้อบดปูน

19. การเปลี่ยนแปลงตามอุณหภูมิในหม้อเผาการเปลี่ยนแปลงตามอุณหภูมิในหม้อเผา 1) ที่ 100oC น้ำในวัตถุดิบระเหยออกหมด 2) ที่ 150 - 500oC น้ำในโมเลกุลของวัตถุดิบถูกขับออก 3) ที่ 600 - 900oC CO2ใน CaCO3และ MgCO3ถูกไล่ออกมา ขณะเดียวกัน CaO, SiO2, Al2O3เริ่มหลอมละลายและทำปฎิกิริยากัน 4) ที่ 1,250 – 1,500oC ปฏิกิริยาเกิดขึ้นสมบูรณ์ หลอมรวมกันเป็นสารประกอบหลักของปูนซีเมนต์ เมื่ออุณหภูมิลดลง สารประกอบหลักนี้จะจับกันเป็นก้อนขนาด ~1.5-2.5 ซม เรียกว่า ปูนเม็ด (Clinker)

20. อุณหภูมิในการเผาวัตถุดิบอุณหภูมิในการเผาวัตถุดิบ ควบคุมอย่างใกล้ชิดทุกช่วงที่วัตถุดิบที่ไหลผ่าน • เผาได้สุกพอดี ปูนเม็ดที่ได้จะมีสีดำปนเขียวแวววาว • เผาไม่ได้ที่ ปูนเม็ดจะมีสีน้ำตาลเป็นหย่อมๆ ไม่เป็นมัน • เผาสุกเกินไป ปูนเม็ดจะมีสีน้ำตาลไหม้

21. Cement Clinker

22. หลังจากการเผา • ปูนเม็ดที่ออกจากหม้อเผาจะร้อนมาก การลดอุณหภูมิทำโดยเครื่องทำให้เย็น การทำให้ปูนเม็ดเย็นลงนั้นต้องมีการควบคุมเช่นกัน ถ้าปูนเม็ดเย็นตัวเร็วจะบดง่ายและทำให้คอนกรีตได้กำลังระยะต้นดี ถ้าปูนเม็ดเย็นลงช้าๆ จะให้กำลังคอนกรีตระยะต้นไม่ดี แต่กำลังระยะหลังจะสูงขึ้น

23. การบดปูนเม็ด ปูนเม็ดที่เย็นตัวแล้วจะถูกนำไปบดละเอียดในหม้อบดปูน โดยใช้ลูกเหล็กทรงกลมหลายพันลูกเป็นตัวบด เติมยิปซั่ม (Gypsum) ลงไปบดผสมกัน ยิปซั่มเป็นตัวหน่วงปฏิกิริยาระหว่างปูนซีเมนต์กับน้ำ ทำให้คอนกรีตไม่แข็งตัวเร็วเกินไป สะดวกต่อการนำไปใช้งาน

24. ปูนผง หลังจากปูนซีเมนต์ถูกบดละเอียดได้มาตรฐานแล้ว จะถูกลำเลียงไปเก็บใน ถังเก็บปูน (Silo) เพื่อรอการบรรจุใส่ถุง หรือลำเลียงใส่รถบรรทุกปูนในรูปของปูนผงส่งให้ลูกค้าต่อไป มาตรฐานไทยกำหนดให้บรรจุใส่ถุง น้ำหนักสุทธิถุงละ 50 กก .

25. ผึ่งแห้ง & โม่ ขุดแร่ ลำเลียง โม่แร่ดิบ เครื่องบด แหล่งแร่ โรงเก็บแร่ดิบ ถังเก็บแร่บด ขนส่งปูนผง ให้ความร้อน เติมยิปซั่ม ถังเก็บปูนเม็ด เตาเผา แบบหมุน บรรจุ ถังเก็บปูนผง โม่ปูน ขนส่งปูนถุง ผึ่งเย็นปูนเม็ด เข้าเตาเผา & ผึ่งเย็นปูนเม็ด โม่ครั้งสุดท้าย บรรจุพรรณ

26. สารประกอบหลักในปูนซีเมนต์สารประกอบหลักในปูนซีเมนต์ ส่วนใหญ่เป็นพวกออกไซด์ CaO, SiO2, Al2O3, Fe2O3 ออกไซด์เหล่านี้ประกอบกันขึ้นเป็นสารประกอบที่ซับซ้อน เป็นสารประกอบหลัก 4 ตัว รวมปริมาณมากกว่า 90%ของปูนซีเมนต์

27. ชื่อสารประกอบหลัก • ไตรแคลเซียม ซิลิเกต(Tricalcium Silicate) • ไดแคลเซียม ซิลิเกต(Dicalcium Silicate) • ไตรแคลเซียม อลูมิเนต(TricalciumAluminate) • เตตราแคลเซียมอลูมิโนเฟอร์ไรท์ (TetracalciumAluminoferrite)

29. สารประกอบหลัก • ไตรแคลเซียมซิลิเกต (C3S) • เป็นตัวที่ให้กำลังมากที่สุดของปูน • ทำปฏิกิริยากับน้ำเร็ว • แข็งตัวภายใน 2 - 3 ชม. • กำลังอัดเพิ่มขึ้นมากในหนึ่งอาทิตย์ • ปูนซีเมนต์จะมีสารประกอบนี้มากที่สุด 35-55%

30. คุณสมบัติของสารประกอบหลัก(ต่อ)คุณสมบัติของสารประกอบหลัก(ต่อ) • ไดแคลเซียมซิลิเกต (C2S) • ให้กำลังเช่นเดียวกับ C3S • แต่ทำปฏิกิริยากับน้ำช้า แต่จะให้กำลังสูงในระยะปลาย ได้กำลังอัดใกล้เคียงกับ C3S • ความร้อนจากปฏิกิริยา Hydration ต่ำ โดยปล่อยความร้อนออกมาประมาณ 250 จูลต่อกรัม • ปูนซีเมนต์จะมีสารประกอบนี้ 15 - 35%

31. คุณสมบัติของสารประกอบหลัก(ต่อ)คุณสมบัติของสารประกอบหลัก(ต่อ) • ไตรแคลเซียมอลูมิเนต(C3A) • ทำปฏิกิริยากับน้ำเร็ว ปล่อยความร้อนมาก (~850 จูลต่อกรัม) • หลังปฏิกิริยา สารประกอบที่จะถูกกัดกร่อนได้ง่ายจากสารซัลเฟตในน้ำทะเล ให้กำลังน้อยมาก • มีประโยชน์ในการช่วยให้ปฏิกิริยาการรวมตัวระหว่าง CaO และ SiO2ในขั้นตอนการผลิตปูนซีเมนต์ เร็วขึ้น • ปูนซีเมนต์มีสารประกอบนี้ 7 - 15%

32. คุณสมบัติของสารประกอบหลัก(ต่อ)คุณสมบัติของสารประกอบหลัก(ต่อ) • เตทตราแคลเซียมอลูมิโนเฟอร์ไรท์(C4AF) • มีอยู่ในปูนในปริมาณน้อยที่สุด (~5 - 10 %) • ทำปฏิกิริยากับน้ำเร็วปานกลาง • ปล่อยความร้อนออกมา ~420 จูลต่อกรัม • ให้กำลังน้อยที่สุดในบรรดาสารประกอบหลักของปูนซีเมนต์

33. คุณสมบัติทางกายภาพของสารประกอบหลักคุณสมบัติทางกายภาพของสารประกอบหลัก

34. C3S C3A C4AF R.H. BOGUE, Chemistry of Cement, 1955 การพัฒนากำลังของสารประกอบหลัก 80 C3S 70 C2S 60 50 Compressive Strength , MPa 40 30 C3A 20 C4AF 10 7 28 90 180 360 Age, days

35. ปฏิกิริยาไฮเดรชั่น ปฏิกิริยาไฮเดรชั่นเกิดขึ้นทันทีที่เติมน้ำลงไปในปูนซีเมนต์ แต่ปฏิกิริยานี้จะยังไม่สมบูรณ์ในเวลาอันสั้น สารประกอบหลักแต่ละตัวต้องใช้เวลาแตกต่างกัน กำลังของสารประกอบหลักจะเพิ่มขึ้นตามความสมบูรณ์ปฏิกิริยาไฮเดรชั่น สารประกอบหลักแต่ละตัวเมื่อทำปฏิกิริยากับน้ำจะเกิดเป็นสารประกอบใหม่ที่มีคุณสมบัติแตกต่างกัน ดังนี้

36. 1.ปฏิกิริยาไฮเดรชั่นของ C3S และ C2S แคลเซียมซิลิเกตทำปฏิกิริยากับน้ำ จะได้สาร Calcium Silicate Hydrate (CSH) และ Ca(OH)2ดังสมการดังนี้ 2((CaO)3.SiO2) + 6H2O 3CaO.2SiO2.2H2O + 3Ca(OH)2 + Heat หรือ 2C3S + 6H2O C3S2H + 3Ca(OH)2 [100] [24] [75] [49]

37. 1.ไฮเดรชั่นของ C3S และ C2S(ต่อ) และ 2((CaO)2.SiO2) + 4H2O3CaO.2SiO2.3H2O + Ca(OH)2 + Heat หรือ 2C2S + 4H2O C3S2H + 3Ca(OH)2 [100] [21] [99] [22]

38. 2 .ปฏิกิริยาไฮเดรชั่นของC3A ปฏิกิริยาไฮเดรชั่นของ C3A เกิดขี้นรวดเร็ว โดยจะแข็งตัวสูงสุดทันทีและปล่อยความร้อนออกมามาก ดังสมการ (CaO)3.Al2O2 + 6H2O 3CaO.Al2O2.H2O หรือ C3A + 6H2O 3C3AH6 [100] [40] [140]

39. 2.ปฏิกิริยาไฮเดรชั่นของC3A ต่อ การแข็งตัวอย่างรวดเร็วของ Calcium Aluminate Hydrate (CAH) ทำให้เกิดปัญหาในทางปฏิบัติ • ขั้นตอนการผสมและการเทคอนกรีตต้องใช้เวลา • จึงจำเป็นต้องหน่วงปฏิกิริยาC3Aด้วยการเติมยิปซั่ม ก่อให้เกิดชั้นของ Ettringiteบนผิวของอนุภาค C3A ดังสมการ C3A + 3CaSO4.2H2O 3CaO.Al2O3.3CaSO4.31H2O (Ettringite)

40. 2. ปฏิกิริยาไฮเดรชั่นของC3A ต่อ ชั้นEttringite จะหน่วงการก่อตัวของC3Aระยะเวลาหนึ่ง แล้วC3A จึงจะทำปฏิกิริยากับน้ำ แล้วซีเมนต์เพสต์ถึงจะเริ่มก่อตัว

41. Structure of ettringite

43. 3. ปฏิกิริยาไฮเดรชั่นของC4AF ปฏิกิริยาไฮเดรชั่นของ C4AF เกิดสารประกอบที่ให้กำลังด้านการเชื่อมประสานน้อยมาก แต่จะช่วยเร่งปฏิกิริยาไฮเดรชั่นของ C3S และ C2S (CaO)4.Al2O2.Fe2O3 + CaSO2.2H2O + Ca(OH)2 3CaO(Al2O3.Fe2O3).3CaSO2

44. เวลาที่สารประกอบหลักทำปฏิกิริยาไฮเดรชั่นสมบูรณ์ 80 %

45. ชนิดของ ปูนซีเมนต์ปอร์ตแลนด์

46. ประเภทของปูนซีเมนต์ปอร์ตแลนด์ประเภทของปูนซีเมนต์ปอร์ตแลนด์ ปูนซีเมนต์ปอร์ตแลนด์ แบ่งเป็น 5 ประเภท ดังนี้ • Type 1(Ordinary Portland Cement) เหมาะสำหรับงานก่อสร้างทั่วไป ใช้กับงานคอนกรีตเสริมเหล็ก เช่น ทำผิวถนน สะพาน ท่อระบายน้ำ เป็นต้น ข้อเสียคือ ไม่ทนต่อสารที่เป็นด่าง จึงไม่เหมาะสมกับงานที่ต้องสัมผัสกับด่างจากดินหรือน้ำ เช่น โรงงานอุตสาหกรรมเคมี

47. ปูนซีเมนต์ปอร์ตแลนด์ประเภทที่หนึ่งปูนซีเมนต์ปอร์ตแลนด์ประเภทที่หนึ่ง

48. Type 2(Modified Portland Cement)ผสมกับน้ำจะคายความร้อนออกมาน้อยกว่าประเภทธรรมดา มีความต้านทานต่อสารที่เป็นด่างได้บ้าง เหมาะสำหรับงานโครงสร้างขนาดใหญ่ เช่น ตอม่อขนาดใหญ่ สะพานเทียบเรือ เขื่อนหรือกำแพงกันดินในบริเวณที่ถูกน้ำเค็มเป็นครั้งคราว

49. Type 3 (High Early Strength Portland Cement) มีความละเอียดมากกว่า เป็นผลทำให้แข็งตัวและรับแรง ได้เร็วกว่าปูนซีเมนต์ประเภทที่หนึ่ง จึงนิยมนำไปใช้กับงานเร่งด่วนที่ต้องแข่งกับเวลา หรือในกรณี ที่ต้องการถอดหรือรื้อแบบเร็วกว่าปกติ

50. ปูนซีเมนต์ปอร์ตแลนด์Type 3 (High Early Strength Portland Cement)