تاريخ الأسمنت

معنى كلمة الأسمنت

يأتي اسم «الأسمنت» من الكلمة اللاتينية «caementum» التي تعني شظية من الحجر المنحوت.

تاريخ الأسمنت وأول استخدام له

من المعروف أن أقدم مادة استُخدمت كمادة رابطة هي الجير. كان يُنتَج الجير عن طريق تسخين حجر جيري نقي إلى حد كبير، ثم يُضاف الماء ويُخلط بالرمل للحصول على ملاط الجير.

استُخدمت أول خرسانة في الإمبراطورية الرومانية. في روما، بُني «The Castel Sant' Angelo» عام 138 قبل الميلاد. واليوم، في هذا المبنى، تآكلت الحجارة بينما لا تزال الخرسانة تحتفظ بخصائصها.

أمثلة على استخدام الأسمنت

استُخدمت مواد رابطة مختلفة في العديد من المنشآت التي ترمز إلى حضارات تلك الحقبة، مثل أهرامات مصر وسور الصين العظيم والقلاع التي بُنيت في أزمنة مختلفة.

صنع الإغريق الملاط بخلط الرواسب البركانية (التوف) من جزيرة سانتوريني مع الجير، أو بنوع من الجير المائي الذي كانوا يحصلون عليه من الحجر الجيري الطيني. وفي مصر استُخدم الجبس غير النقي المكلّس بدلاً من الأسمنت.

قبل نحو 2000 عام، كان الإغريق والرومان يطحنون مع الجير رمادًا بركانيًا يُسمى «pozzolin»، ويُعرف الآن باسم البوزولان، ويضيفون هذا الخليط إلى الرمل لاستخدامه كملاط في بناء الحجارة.

على الرغم من استخدام مواد رابطة مختلفة في العصور الماضية، فإن العاملين في أعمال البناء لم تكن لديهم معرفة كافية بطريقة الحصول على المواد الرابطة التي يستخدمونها وبظروف العمل بها. فمثلاً كتب العالِم الروماني غايوس بلينيوس أنه من غير المفهوم «لماذا يشتعل الجير الناتج عن حرق الحجر بالنار من جديد عند ملامسته للماء».

في عام 27 قبل الميلاد، أُنشئت «العمارة الرومانية» باستخدام الأسمنت في «الكولوسيوم» الكبير و«الحمّام الروماني».

أنتج الرومان الأسمنت بطحن الرماد البركاني وإضافته إلى الجير، وعندما لاحظوا أن الأسمنت يمكن أن يتصلّب تحت الماء استخدموه في بناء الموانئ. وسُمّي هذا الخليط لاحقًا بـ«الأسمنت البوزولاني» استلهامًا من قرية بوتزوولي القريبة من فيزوف في روما، حيث كان يُؤخذ الرماد البركاني.

في إنجلترا، كان الرماد البركاني يُطحن ويُشكَّل على هيئة طوب وقرميد. وقد بُنيت كاتدرائيات كبرى من العصور الوسطى، مثل شارتر وريمس في فرنسا، ودورهام ولينكولن وروتشستر في إنجلترا، باستخدام التقنيات المتقدمة في ذلك العصر. ولم يكن الرومان على علم بالتقنيات التي استُخدمت قبل ألف عام.

من المرجّح جدًا أن الرومان لاحظوا خصائص الرماد البركاني واستخدموا هذا الرماد لأغراض مختلفة في المنشآت. وفي القرن الأول قبل الميلاد، تناول ماركوس فيتروفيوس بوليو، المعماري والمهندس في روما، التقنية المتعلقة بالبناء في الماضي في كتابه الذي حمل عنوان «Ten books of Architecture»، وتحدث عن «الخرسانة من أجل التمكّن من صقل الأرضية والحصول على أرضية متينة». وفي هذا الكتاب ذُكر بخصوص البوزولان أن الخليط المكوّن من الجير والحجر المكسّر يمنح المباني قوة، وأن هذه المادة تتصلّب أيضًا تحت الماء.

تخلّف سكان أوروبا عن الرومان فيما يتعلق باستخدام الأسمنت. فقد كان الملاط يُحضَّر باستخدام الجير على وجه الخصوص، ولذلك كان التصلّب يحدث في وقت متأخر. وقد أعاد الأوروبيون اكتشاف استخدام البوزولان في تحضير الملاط في العصور الوسطى.

في عام 1756، درس جون سميتون، الذي كُلّف ببناء منارة إيدي ستون، الخصائص الكيميائية للجير وتوصّل إلى نتائج مهمة تتعلق بالخاصية الرابطة للجير. ولاحقًا، على ضوء هذه الأعمال، أنتج جوزيف باركر مادة رابطة تُعرف باسم «Roman Cement»، «الأسمنت الروماني»، وكانت مادته الخام حجارة كلسية من ضواحي لندن، واستُخدم الأسمنت المنتَج في بناء القنوات والموانئ. وفي السنوات نفسها، لم يحظَ «الأسمنت الإنجليزي» الذي أنتجه الإنجليزي جيمس فروست بالرواج الذي حظي به الأسمنت الروماني.

مع عصر النهضة بدأ عصر جديد يدفع الناس إلى التفكير على نحو مختلف، وانفتحت أبواب الثورة الصناعية. وفي القرن الثامن عشر كان لا بد من بناء منارات بحرية لأساطيل السفن الحربية الإنجليزية ذات الأغراض التجارية والاستعمارية. وقد شكّل ذلك قوة دافعة لتطور قطاع الأسمنت.

في إنجلترا، كانت صخور إيدي ستون قبالة ميناء بليموث تشكّل مشكلة دائمة وتخلق خطرًا أثناء دخول السفن إلى الميناء وخروجها منه. ولتسهيل الأمر على البحّارة عبر استخدام مواد ملاط قادرة على التصلّب تحت الماء، اكتمل بناء منارة إيدي ستون التي يبلغ ارتفاعها نحو 37 مترًا بين عامي 1757 و1759، واستُخدم في بناء هذه المنارة خليط من الجير والطين وخبث الحديد يتصلّب تحت الماء. وقد ثُبّتت المنارة إلى قضبان حديدية مثبّتة بالرصاص في ثقوب حُفرت تحت الماء.

في عام 1756، حدّد المهندس الإنجليزي جون سميتون أن الحجر الجيري الطري الذي يحتوي على نسبة معينة من الطين يكوّن أفضل أسمنت. وبعد نحو 40 عامًا، أنتج جيمس باركر في إنجلترا أسمنتًا من حجر جيري ذي نسبة شوائب مرتفعة إلى حد كبير. وبدأ إنتاج الأسمنت من الطين والحجر الجيري عام 1813 في فرنسا على يد لويس فيكا، وعام 1822 في إنجلترا على يد جيمس فروست.

استُخدمت المادة الرابطة التي أنتجها الفرنسي لويس فيكا في الجسور والقنوات الخرسانية. وقد بحث فيكا في خاصية التصلّب تحت الماء للجير المائي، وللمواد الرابطة المستخلَصة من خليط الجير والبوزولان، وللأسمنت الطبيعي، وأنتج مادة رابطة مائية اصطناعية بدمج السيليكا والألومينا وأكسيد الكالسيوم بنسب محددة، وقد مهّدت أعماله لإنتاج الأسمنت البورتلاندي المستخدم اليوم. واستخدم المادة الرابطة المائية التي أنتجها في إحدى دعامات جسر سويّاك الذي اكتمل بناؤه عام 1822.

في عام 1824، في مدينة ليدز بإنجلترا، قام البنّاء جوزيف أسبدين بتسخين الطين والحجر الجيري المطحونين حتى تكلّس الحجر الجيري، ثم أعاد طحن هذا الخليط، وعندما أضاف الماء إلى المادة المطحونة وخلطها لاحظ أن الخليط يتصلّب بعد فترة. وأطلق أسبدين على الأسمنت الذي أنتجه اسم «Portland Cement» وحصل أيضًا على براءة اختراعه، لأنه كان يشبه الحجر المستخرج من المحاجر المستغَلّة في منطقة «Isle of Portland of the British Coast»، والذي كان يُستخدم على نطاق واسع في بناء المباني في إنجلترا.

من المعروف أن مبنى «Wakefield Arms»، الذي لا يزال قائمًا حتى يومنا هذا بجوار محطة كيركغيت في إنجلترا، قد بُني باستخدام مادة جوزيف أسبدين الرابطة. أما حرق المواد الخام في درجات حرارة عالية وطحنها فقد نفّذه لاحقًا، عام 1845، الإنجليزي إسحاق جونسون.

في عام 1845، أنتج إسحاق جونسون أول أسمنت بورتلاندي حديث بحرق خليط من الحجر الجيري والطين في درجة حرارة 1400 °م-1500 °م، على نحو مشابه لما هو مستخدم اليوم. وبذلك تبيّنت أهمية درجة الحرارة في إنتاج الأسمنت. ففي درجات الحرارة العالية حدثت عملية تكوّن الكلنكر وتشكّلت مكونات أسمنتية شديدة التفاعل وأكثر قوة.

في النصف الأول من القرن التاسع عشر، بدأت الحاجة إلى الأسمنت بكميات كبيرة في أمريكا. وبعد عام من بدء شق قناة إيري عام 1818، حدّد المهندس كانفاس وايت أن مادة أحد المحاجر الواقع في مقاطعة ماديسون قرب نيويورك تكتسب من تلقاء نفسها، بعملية بسيطة، خاصية مائية طبيعية. واستُخدم الأسمنت المنتَج من هذه المادة في بناء قناة إيري.

في عام 1850، حصل الأمريكي ديفيد أو. سايلور على أسمنت طبيعي بطحن صخر الأسمنت الذي وجده بعد حرقه في الفرن. غير أنه تبيّن أن متانة الأسمنت الطبيعي المنتَج في الولايات المتحدة الأمريكية وبعض البلدان الأخرى أضعف من متانة الأسمنت البورتلاندي.

بينما كان إنتاج الأسمنت قد بلغ مستوى معينًا في أوروبا في خمسينيات القرن التاسع عشر، لم يُنتَج بكميات كبيرة في أمريكا حتى سبعينياته. وقد صُدِّر أول أسمنت من أوروبا إلى أمريكا عام 1868، وارتفعت الصادرات عام 1885 إلى 3 ملايين برميل.

أُسِّس أول مصنع للأسمنت في الولايات المتحدة عام 1871 على يد ديفيد أو. سايلور. وقد اختار سايلور تشكيلات مختلفة من محاجره الخاصة وخلطها، وفي عام 1876 أنتج جون ك. شِن الأسمنت البورتلاندي في فيلادلفيا.

في أمريكا، عُثر على تشكيلات ملائمة لإنتاج الأسمنت في روزنديل (نيويورك)، وإنديانا، وكنتاكي، وفي وادي ليهاي في بنسلفانيا. وفي عام 1874 طرح روبرت و. ليسلي فكرة أن تغذية الفرن بالمادة على شكل كُتل متكتلة من شأنها خفض تكاليف اليد العاملة.

في عام 1880، أُنتِج في الولايات المتحدة 42 مليون برميل من الأسمنت سنويًا. وفي العقد التالي بلغت الكمية المنتَجة 335 مليون برميل. وكان أهم عامل وراء هذه الزيادة هو التطورات في الفرن الدوّار. فقد أفسحت الأفران العمودية، التي كانت تُبنى وتُفرَّغ ثم تُملأ من جديد بعد كل عملية إنتاج، المجال أمام الأفران الدوّارة التي يمكن فيها الإنتاج المستمر.

بدأت الأفران الدوّارة في تسعينيات القرن التاسع عشر تحل محل الأفران العمودية ذات العمود الأصلية المستخدمة في صناعة الجير. وفي الأفران الدوّارة، جرى نقل الحرارة والمعالجة الحرارية في ظروف أفضل، وتم بلوغ درجات حرارة أعلى.

في عام 1885، حصل المهندس الإنجليزي فريدريك رانسوم على براءة اختراع الفرن الدوّار قليل الميل. وفي الأفران الدوّارة المائلة، ولأن المادة الموجودة داخلها تتحرك نحو فتحة الخروج بفعل حركة دوران الفرن، ازدادت الطاقات الإنتاجية وتم الحصول على منتج أكثر تجانسًا. ونتيجة لذلك، استُبدلت الأفران العمودية القائمة بالأفران الدوّارة المائلة الجديدة.

في أواخر القرن التاسع عشر، أُضيف حجر الجبس إلى الكلنكر، وبدأ استخدام المطاحن الكروية في الطحن.

في عام 1902، أقام توماس أ. إديسون في مصنع New Jersey Portland Cement Works بالولايات المتحدة أطول فرن في ذلك العصر بطول 45 مترًا. وإلى جانب استخدام الأفران الطويلة، وبالتوازي مع التطورات في الكسّارات ومطاحن الطحن، ازدادت أيضًا طاقات منشآت الأسمنت.

كان أول تطبيق هندسي واسع للأسمنت البورتلاندي هو النفق الذي شُيّد تحت نهر التايمز عام 1928. وقد أُسِّست منشأة في ويكفيلد لإنتاج الأسمنت البورتلاندي المخصص لهذا النفق.

وباختصار؛ يأتي اسم «Portland» من نوع من حجر البناء يشبه الأسمنت البورتلاندي، عُثر عليه في ضواحي بورتلاند في إنجلترا (Taylor 1992). ورغم أنه لا يُعرف متى اكتُشف الأسمنت البورتلاندي، فقد حصل ج. أسبدين على براءة اختراعه عام 1824. وعلى الرغم من أن خصائص الأسمنت البورتلاندي الذي أنتجه لم تكن بجودة الأسمنت البورتلاندي الحالي، لأن المعالجة الحرارية لم تُطبَّق في درجة حرارة كافية، فإنه ينبغي في الأدبيات اعتبار ج. أسبدين الشخص الذي اخترع الأسمنت.

في عام 1845، استخدم إسحاق جونسون المواد الخام نفسها المستخدَمة في الأسمنت البورتلاندي الحالي.

نُفِّذ إنتاج الأسمنت البورتلاندي بانتظام في إنجلترا في سوانسكومب عام 1825 على يد جيمس فروست. وبعد ذلك، أُسِّست أول مصانع للأسمنت في بلجيكا وألمانيا عام 1855. أما في الولايات المتحدة الأمريكية، فقد بدأ العمل على الأسمنت عام 1865، ونُفِّذ إنتاج الأسمنت البورتلاندي لأول مرة عام 1871. وبعد ذلك بدأت أعمال منتظمة تتعلق بتركيب الأسمنت البورتلاندي، وفي عام 1906 أُرسي تطبيق أساليب المعالجة الحرارية والإنتاج على أسس علمية. وفي عام 1913 استُخدمت لأول مرة شاحنات الأسمنت المعروفة في عصرنا في بالتيمور بولاية ماريلاند.

اعتبارًا من عام 1926، أُجري في بلدان مختلفة عدد كبير من الدراسات العلمية حول الأسمنت البورتلاندي، واستمر تطور الأسمنت المائي.

في مطلع القرن العشرين، أتاح استخدام الفرن الدوّار للمعالجة الحرارية، والمطاحن الكروية لطحن المواد الخام والكلنكر، وإضافة مواد أخرى إلى الكلنكر وعلى رأسها حجر الجبس، تحقيق تطورات مهمة في جودة الأسمنت، ومع مرور الوقت في عملية الإنتاج. وكنتيجة لذلك؛

في عام 1928، نظام Lepol من شركة Polysius،
في عام 1930، مطحنة الأسطوانات العمودية،
في عام 1932، أعاصير التسخين المسبق قبل الفرن،
في عام 1937، مبرّد الشبكة من نوع Fuller،
في عام 1950، المصنّفات الميكانيكية،
في عام 1960، أول نظام تحويل جانبي في الفرن،
في عام 1966، نظام التكلّس المسبق،
في عام 1970، المصنّفات العالية الكفاءة،
وفي عام 1973، بدأ استخدام أنظمة التكلّس بالهواء الثالثي القادم من المبرّد في إنتاج الأسمنت.

وفي السنوات اللاحقة، اعتُمدت في قطاع الأسمنت ترتيبات جديدة تهدف على وجه الخصوص إلى خفض التكاليف عبر استخدام كامل حرارة النظام.