آهک و گچ

آهک و گچ ، از جمله موادی هستند که کارآیی آنها از دوران باستان ، توسط بشر شناخته شده است و از آنها در ساختن انواع بناها ، استفاده می‌شد. موادی مانند آهک ، ساروج و سیمان برای اتصال محکمتر قطعات سنگ و یا چوب بکار گرفته می‌شد. 

مفاهیم آهک مرده و آب آهک

هرگاه بر روی اکسید کلسیم (آهک زنده) ، آب ریخته شود، بر اثر واکنش با آب ، گرما ایجاد می‌کند که موجب بخار شدن قسمتی از آب می‌شود. در این عمل ، آهک بر اثر جذب آب ، متورم شده ، سپس به‌صورت گرد سفیدی در می‌آید که اصطلاحا «آهک مرده» نامیده می‌شود، (زیرا در تماس با آب ، دیگر واکنشی از خود نشان نمی‌دهد) و این عمل را شکفته شدن آهک نیز می‌گویند.

هر گاه مقداری آب به آهک مرده اضافه شود، به شیر آهک تبدیل می‌شود که اگر آن را صاف کنیم، محلول زلالی که در حقیقت محلول سیرشده هیدروکسید کلسیم در آب است، حاصل می‌شود که به آب آهک موسوم است. آب آهک کاربردهای بسیاری در صنایع شیمیایی دارد. مثلا در تهیه هیدروکسید سدیم ،آمونیاک ، هیدروکسید فلزات ، پرکلرین و به‌ویژه در استخراج منیزیم از آب دریا بکار می‌رود. 

انواع آهک

معمولا از سه نوع آهک در کارهای ساختمانی استفاده می‌شود. 

آهک چرب یا پر قوه

این نوع آهک ، حدود چهار درصد ناخالصی همراه دارد و مهمترین ویژگی آن این است که در تماس با آب به‌شدت شکفته می‌شود و حجم آن تا حدود 2.5 برابر مقدار اولیه‌اش افزایش می‌یابد. مخلوط آن با شن در تماس با گاز کربنیک به‌سرعت خود را می‌گیرد و سفت می‌شود، (به مدت 15 روز در مجاورت هوا). از اینرو ، آهک چرب را آهک هوایی نیز می‌گویند. 

آهک‌های کم قوه

این نوع آهک از سنگ آهک‌هایی که 5 تا 6 درصد آهک دارند، تولید می‌شود و ناخالصی‌های عمده آن را اکسید آهن (II) (گل اُخری) ، اکسید سیلیسیم (سیلیس) و اکسید آلومینیوم (آلومین) تشکیل می‌دهد. از ویژگیهای این نوع آهک آن است که به‌کندی شکفته می‌شود و ملاط حاصل از مخلوط آن با شن ، به‌آرامی‌ در هوا سفت می‌شود. 

آهک‌های آبی

این نوع آهک ، معمولا از سنگ آهک‌هایی که حدود 6 تا 22 درصد گل رس دارند، تهیه می‌شود. از ویژگیهای مهم این نوع آهک آن است که دور از هوا و حتی در زیر آب ، به آهستگی سفت می‌شود، در تماس با آب خیلی شکفته می‌شوند و با آب خمیر کم‌چسب تولید می‌کند. بطور کلی ، می‌توان این نوع آهک‌ها را حد واسط بین آهک‌های هوایی و سیمان دانست. 

روشهای تهیه آهک‌

روش تهیه کلی آهک ، همان حرارت دادن سنگ آهک (کربنات کلسیم) تا دمای 1000 تا 1200 درجه سانتی‌گراد است. البته ، هر چه دما بالاتر باشد و گازدی‌اکسید کربن حاصل ، بهتر از محیط خارج شود، عمل تجزیه سنگ آهک بهتر صورت می‌پذیرد. اما بطور کلی ، تهیه انواع آهک متفاوت است که در اینجا به چند نمونه اشاره می‌شود. 

تهیه آهک معمولی

برای تهیه این نوع آهک ، از کوره‌های ثابت و غیره پیوسته یا از کوره‌های مکانیکی استفاده می‌شود. 

·         کوره‌های ثابت و غیر پیوسته: در این کوره‌ها که به روش سنتی کار می‌کنند، خرده‌های سنگ آهک را در اندازه‌های تقریبی 10 سانتیمتر روی هم می‌چینند و سطح آن را با کاه گل می‌پوشانند. سپس از قسمت پایین با کمک سوخت (بوته ، چوب ، زغال یا نفت سیاه) تا دمای 1000 درجه سانتی‌گراد به آن گرما می‌دهند، پس از زمان معینی گرما دادن را قطع کرده ، بعد از آنکه کوره سرد شد، آهک زنده حاصل را خارج می‌کنند (چون در زمان خالی کردن ، آهک کوره کار نمی‌کند، از اینرو ، آن را کوره ثابت و غیر پیوسته می‌گویند).

·         کوره‌های مکانیکی و پیوسته: این کوره‌ها نیز انواع مختلف دارند. کوره آلبرگ که در قسمت پایین آن ، شبکه فلزی ضخیمی ‌تعبیه شده است و بر روی آن ، مخلوط زغال (به‌عنوان سوخت) و سنگ آهک را قرار می‌دهند. گرمای سوختن زغال ، دمای کوره را بالا می‌برد و سنگ آهک را تجزیه و به آهک تبدیل می‌کند. آهک حاصل از پایین شبکه فلزی و گاز دی‌اکسید کربن نیز از بالای کوره خارج می‌شود. عیب عمده استفاده از این نوع کوره آن است که مقداری خاکستر زغال در آهک وارد می‌شود. بازدهی این روش بین 12 تا 14 تن آهک در روز است. 

·         کوره شماتولا : این کوره شبیه کوره آلبرگ است، با این تفاوت که قسمت آتشدان آن در خارج از محفظه کوره قرار دارد و از اینرو ، عیب مخلوط شدن آهک با خاکستر زغال را ندارند. 

·         کوره‌های گردان : این کوره‌ها مشابه کوره پخت سیمان هستند. بازدهی این نوع کوره‌ها از انواع دیگر بالاتر است.

مرحل تهیه آهک‌های آبی

برای تهیه این نوع آهک مراحل زیر به ترتیب انجام می‌گیرد. 

تجزیه سنگ آهک

در این مرحله ، به روشی که برای تهیه آهک گفته شد، عمل می‌شود. با این تفاوت که سنگ آهک انتخاب شده است، باید مقدار قابل ملاحظه‌ای خاک رس همراه داشته باشد. 

شکفته کردن

در این مرحله با دقت و مهارت کافی ، آن اندازه آب به آهک زنده اضافه می‌شود که فقط اکسید کلسیم هیدراته شود و سیلیکات‌ها و آلومینات کلسیم آب جذب نکنند و به صورت بلورهای هیدراته در نیایند. برای این منظور اضافه کردن آب را باید در دمای 250 تا 400 درجه سانتی‌گراد انجام داد، زیرا در این دما ، سیلیکات‌ها ، آب جذب نمی‌کنند. 

الک کردن

آهک را پس از شکفته شدن باید از الکهای ویژه‌ای عبور داد و بر اساس اندازه ذرات ، آن را به صورت زیر دسته‌بندی کرد: 

·         آهک سبک : که نرم‌ترین قسمت آن است و درجه خلوص آن نیز بالا است. 

·         آهک هیدرولیک معمولی : که از الک رد نشده است و باید آن را دوباره آسیاب و بوجاری کرد. 

·         آهک‌های سنگین : که دانه‌های آنها دارای ماهیت سیمان است و مقدار سیلیکات آن زیاد است. 

·         نخاله آهک : شامل سنگ آهک‌های نپخته است که در برابر آب شکفته نمی‌شود و حاوی مقدار زیادی سیلیکات است.

کاربردهای مهم آهک

آهک کاربردهای زیادی در کارهای ساختمان‌سازی و تهیه فرآورده‌های صنعتی و شیمیایی دارد که به بسیاری از آنها اشاره می‌کنیم: 

·         تهیه ظرفهای چینی : چینی‌ها در واقع از انواع سرامیک محسوب می‌شوند و به دو دسته چینی‌های اصل یا چینی‌های سخت و چینی‌های بدلی تقسیم می‌شوند. 

·         تهیه شیشه‌های معمولی : عمدتا شامل سیلیس ، کربنات کلسیم (یا آهک) ، کربنات سدیم و زغال کک است. 

·         تهیه سیمان : در ابتدا از سنگ آسیاب برای پودر کردن مخلوط و از کوره‌های ثابت استفاده می‌شد. 

·         تهیه ساروج : ساروج یا ملاط ، مخلوطی از آهک ، ماسه و آب است که بر خلاف سیمان در داخل آب خود را نمی‌گیرد و سفت نمی‌شود، ولی در مجاورت هوا به علت جذب گاز دی‌اکسید کربن و تشکیل سنگ آهک ، به‌تدریج سفت می‌شود. 

·         قندسازی : می‌توان از ریشه گیاه چغندر ، قند استخراج کرد. 

·         دباغی پوست : قبل از دباغی پوست باید عملیات آماده‌سازی را به منظور حذف ضایعات باقیمانده بر روی پوست ، بر روی آن انجام داد. 

·         یکی دیگر از مصارف عمده آهک در صنایع شیمیایی و در آزمایشگاه‌های شیمی ، تهیه هیدروکسید سدیم از کربنات سدیم و هیدروکسید آمونیوم از کلرید آمونیم است.

آهک:

آهک از مهمترین مصالح کلسیم دار است که در ساختمان به شکلهای گوناگون مورد استفاده قرار می گیرد. ممکن است بشر هم زمان پیدایش آتش به آهک دسترسی پیدا کرده باشد.

بدین طریق که انسانهای اولیه از سنگ اهک برای ساختن اجاقهای خود استفاده می کردند، و این سنگ در مجاورت آتش پخته شده و در اثر بارندگی شکفته شده و هیدراته گشته و موجب بهم چسبانیدن قطعات سنگی مجاور خود گردیده است. مصرف آهک در جهان مخصوصاً در ایران سابقه چند هزار ساله دارد. در ساختمانهایی که از عهد باستان و دوران قبل از اسلام در ایران به جا مانده است مصرف آهک را نشلن می دهد ، در ساختمان دیوار چین که به سیصد سال قبل از میلاد مسیح مربوط است آهک بکار رفته است.

ساختمان دیواری است که به طول تقریبی 3200کیلومتر و به ارتفاع 6تا15متر و به عرض 5/4 تا 5/7 متر که بین مغولستان و چین در زمان سلطنت شی هوانگ تی کشیده شده است.

در صنعت ساختمان سازی مصالح کلسیم دار مخصوصاً کربناتهای کلسیم که سنگهای آهکی جزء آنهاست بصورت های گوناگون مصرف می شوند، از جمله به صورت سنگهای ساختمانی مانند سنگهای تراورتن و مرمر و غیره که برای فرش کف  و پله مصرف می شود و یا به صورت اکسید کلسیم CaO که به ان آهک زنده می گویند که به عنوان مانند چسبنده ملات در ساختمان سازی از آن استفاده می شود. ولی آهک زنده بعلن میل ترکیب شدیدی که با فلزات دارد لذا با فلزات مصرف شده در ساختمان مانند لوله های آب و لوله های شوفاژ ترکیب شده و در آنها  خورندگی ایجاد کرده و موجب پوسیدگی آنها می شود.

به همبن علت رفته رفته از میزان مصرف آهک در ساختمان کاسته و با توسعه کارخانه های سیمان پزی در ایران و سراسر دنیا رفته رفته سیمان جای آهک را در صنعت ساختمان سازی گرفته بطوری که امروزه در کمتر ساختمانی از آهک به عنوان ملات استفاده می شود.

ولی در راه سازی برای افزایش تحمل فشاری و کشش خاک مخصوصاً در قشرهای پایین راه سازی برای تحکیم بخشیدن به آن و همچنین جلوگیری از هجوم روئیدن گیاه به دامنه راه و باندهای فرودگاه مصرف می شود.

در صنعت سیمان پزی هم مصرف آهک دارای نخش اساسی و مهمی می باشد. با توجه به نقش سیمان در ساختمان ملاحظه می شود که آهک هنوز از ساسی ترین مصالح مورد نیاز در صنعت ساختمان سازی است.

علاوه بر صنعت ساختمان سازی آهک در صنایع چینی سازی- شیشه گری- ذوب- آهن- صنایع غذایی در تصویه قند- آجر ماسه اهکی و غیره نیز مصرف می شود.

سنگ آهک:

سنگ آهک یا کربنات کلسیم به فرمول CaCO3  سنگی است ته نشستی که بطور وفور در طبیعت یافت می شود.

سنگ آهک اگر خالص باشد رنگ آن سفید است و اگر با مواد دیگر همراه باشد به رنگهای مختلف دیده می شود، مثلاً با اکسیدهای مختلف اهن به رنگهای قهوه ای یا زرد و یا سرخ در می آید و اگر اب کربن همراه باشد به رنگهای آبی- سیاه یا خاکستری است. اگر سنگ اهک با کربنات منیزیم همراه باشد به فرمول   MgCo3، CaCO3   به آن سنگ اهک دولومیتی می گویند.

سنگ آهک کم مایه و پر مایه:

اگر معدنی از سنگ آهک دارای 90% سنگ آهک باشد به ان معدن پر مایه و اگر کمتر از 75% سنگ اهک داشته باشد به ان معدن کم مایه می گویند.

همه نوع سنگ اهکی قابل مصرف برای آهک پزی نیست فقط سنگهای آهکی ته نشستی دریا که در اثر خشک شدن آب دریا در دسترس ما قرار گرفته اند به مصرف آهک پزی می رسند. این نوع سنگها بطور وفور در تمام نقاط زمین یافت می شود. بعضی دیگر از انواع سنگ آهک به مصرف آهک پزی می رسد ولی به علت نا خالصی هایی که دارند آهک آنها نا مرغوبتر می باشد.

آهک پزی :

آهک پزی یعنی خارج کردن CO2 از سنگ اهک که این کار بوسیله حرارت دادن به سنگ اهک سنگ انجام می شود برای آهک پزی باید به سنگ آهک آنقدر حرارت بدهیم تا CaCO3 به CO2 و CaO تجزیه شده و فشار CO2 مطابق محیط بشود (تقریباً یک اتمسفر ) و از آن جدا شده و متصاعد گردد.

اگر به سنگ آهک پر مایه  CaCO3 حرارت بدهند و گرمای کوره به حدود هزار درجه سانتیگراد برساند. CO2 متصاعد شده و CaO  باقی می ماند.

CaCO3 + حرارت         CaO  +  CO2  

سنگهای آهک کم مایه که در حدود80تا85 درصد وزن آن سنگ اهک باشد و 15 تا20 درصد بقیه وزن انرا کربنات منیزیم و یا ناخلصهای دیگر تشکیل دهند برای پختن به حرارت بیشتری نیاز دارد و از گرمای حدود1400 در جه سانتیگراد CO2 آن متصاعد می شود.

اگر گرمای کوره آهک پزی را زیاد تر کنیم و آنرا به حدود 2600 درجه سانتیگراد برسانیم بشرط آنکه فشار داخل کوره در حدود یک اتمسفر باشد آهک موجود در کوره ذوب و روان   می شود، آهک ذوب شده را به صورت پوشش بعنوان دیرگداز در کوره های دیگر به مصرف می رسانند.

اصولاً جدا شدن CO2  از سنگ آهک (اساس آهک پزی) بستگی به فشار محیط دارد همینطوریکه گفته اگر فشار یک اتمسفر باشد سنگ آهک در حرارت حدود 900 درجه سانتیگراد و به عبارت دقیقتر در حرارت 5/894 درجه می پزد. (CO2   موجود در آن آزاد  می گردد.) و اگر فشار را به یک دهم اتمسفر برسانیم حرارت لازم برای پختن سنگ اهک به حدود775 درجه می رسد و اگر فشار را بالا برده و تا 40 اتمسفر برسانیم حرارت لازم برای شختن سنگ اهک در حدود 1200 درجه سانتیگراد می باشد.

با توجه به مطلب فوق ملاحظه می شود که در فشارهای پایین تر برای خارج کردن CO2   از محیط به حرارتهای کمتری نیاز داریم. بدین لحاظ در نقاط مرتفع که فشار کم و حرارت افتاب شدیدتر است سنگ اهک در اثر تابش آفتاب رفته رفته به CO2   و CaO   تجزیه می گردد. البته این کار خیلی به کندی انجام می شود.

بطور خلاصه هر یک گرم CaCO3 در فشار یک اتمسفر391 کالری حرارت لازم دارد تا به  CO2   و CaO    تجزیه گردد.

کوره های آهک پزی:

1.       کوره های چاهی:

 قدیمی ترین نوع کوره متداول در ایران کوره هیا چاهی می باشد و کار آن بدین طریق است که در درون زمین یا در سینه کوه گودالیبه عمق حدود دو تا سه متر حفر می نمایند و درون ان یک لایه سنگ اهک که از قبل کلوخه شده است به ضخامت 50 سانتیمتر می چینند و روی ان حدود 15 سانتیمتر ذغال سنگ می ریزند و دوباره 50 سانتیمتر سنگ اهک و 15 سانتیمتر ذغال سنگ تا بهمین ترتیب کوره پر شود آنگاه کوره را از زیر آتش می کنند. در هنگام چیدن سنگ اهک و ذغال سنگ باید انرا طوری روی هم قرار دهند که هوا از بین کلوخه های اهک رد شده و در نتیجه اتش به همه جای کوره به طور یکسان برسد.

با توجه به اینکه این نوع کوره ها بصورت دودکش عمل مینماید و هوا از پایین به بالا با سرعت جریان پیدا می کند لذا سرایت اتش بطور یکنواخت در تمام کوره میسر می گردد.

بعد از حدود 48 ساعت(این مدت بستگی به نوع  ذغال سنگ، جریان هوا و بطور کلی شدت گرمای ایجاد شده دارد) قسمتهای زیر پخته شده است و آنرااز کوره خارج می نمابند و دوباره کوره را از بالا با لایه های سنگ اهک و ذغال سنگ تغذیه می کنند و آهک خارج شده را پس از سرد شدن به بازار عرضه می نمایند. کار این نوع کوره ها پیوسته است یعنی می توان همیشه کوره را از بالا تغذیه نموده و اهک پخته شده را از پایین کوره خارج نموده.در این کوره ها به علت غیر فنی بودن عمل اولاً  درجه حرارت کوره در تمام نقاط ان یکسان نیست. در نتیجه اهک بدست آمکده از این نوع کوره ها بطور یکنواخت پخته نشده است. در ثانی بعلت عدم تجهیزات جنبی مصرف سوخت در این نوع کوره های فوق العاده زیاد می باشد زیرا در این کوره ها حرارت خارج شده از دودکش و همچنین حرارتی که اهک پخته شده هنگام خارج شدن از کوره دارد هدر می رود. از طرفی گاز خارج شده از این نوع    کوره ها موجب الوده کردن محیط زیست می گردد.استفاده از این نوع کوره ها رفته رفته در ایران در حال منسوخ شدن است.

2.     کوره های ایستاده:

این نوع کوره ها دارای کار پیوسته بوده و بیشتر دارای ظرفیت تولیدی از 75 تا 300 تن آهک در روز می باشد بیشتر در کاخانه های  مواد غذایی مانند: کارخانه قند و یا       کارخانه های آجر ماسه اهکی مورد استفاده قرار می گیرند. کار این نوع کوره های تقریباً مانند کوره های چاهی می باشد و آن بدین طریق است که ابتدا سنگ اهک را بوسیله سنگ شکن یا آسیابهای فکی به کلوخه هایی تبدیل کرده آنگاه این کلوخه ها با آسانسور یا تسمه نقاله های مخصوص به بالای کوره برده شده و بدین طریق کوره تغذیه می گردد.

3.     کوره های گردنده خفته:

این نوع کوره ها را رایج ترین نوع کوره اهک پزی می باشد که شبیه کوره های سیمان پزی است. این نوع کوره که حل محوری با شیب ملایمی نسبت به افق میچرخد در ضمن چرخش محتویات خود را بهجلو هدایت می نماید و سنگ اهک کلوخه شده از یک طرف وارد کوره شده و آهک زنده از طرف دیگر کوره خارج می شود روی این آهک هوای سرد میدمنمد تا محصول خنک شده و قابل ارائه به بازار گردد و هوای گرم شده را به اول کوره هدایت می نمایند تا کلوخه های سنگ اهک را قبل از ورود به کوره به اندازه کافی گرم نموده و باعث تبخیر آب فیزیکی آن بشود.