آجر
یکی از مصالح مهم و عمده ساختمانی در ایران و جهان آجر است . هنر پختن رس برای تولید آجر ، سفال و یا لوله در واقع هنری بسیار کهن است . قطعاتی از آجر پخته متعلق به 1200 سال پیش از میلاد مسیح در مصر یافت شده است و قطعات قدیمی تری نیز از بین النهرین و هندوستان به دست آمده است . در هر حال ماده ساختمانی رایج در تمدنهای کهن با شرایط آب و هوایی گرمتر ، آجر خشک شده در نور خورشید بود که به طور معمول دارای فضولات حیوانات و یا قطعات ریز کاه بود . این محصول در ساختن بخش اعظم اهرام مصر، دیوارهای شهر جلیله در فلسطین، بخش بزرگی از دیوار عظیم چین و ساخت ارگ قدیم بم که بزرگترین بنای آجر خام جهان است به کار گرفته شده است.
تولید آجر در پنج مرحله انجام می شود که شامل استخراج رس، فرآوری رس، ساختن آجر، خشک کردن آجر و پختن آجر می باشد . کیفیت و مرغوبیت آجر به نوع مواد اولیه و نحوه پخت آن بستگی دارد.
مواد اولیه تولید آجر
مواد اولیه آجر را می توان از شیل، مارن و رسها تأمین کرد. کانیهای مهم موجود در مواد اولیه آجر عبارتند از : کائولینیت، ایلیت، اسمکتیت 2 و به مقدار کمتر کلریتهای منیزیم و آلومینیم دار، اکسیدها و هیدروکسیدهای آلومینیم، اکسیدها و هیدروکسیدهای آهن، کوارتز و مواد آلی.
خاک رس مخلوطی از کانیهای رسی، ماسه، سیلیت، ذرات سنگ آهک، اکسید آهن و ذرات فلدسپات است . جنس مواد تشکیل دهنده رسها بستگی به جنس سنگهایی ذرات ASTM دارد که خاک از تخریب و فرسایش آنها تشکیل یافته است . در استاندارد با ابعاد کمتر از 250/1 میلی متر رس نامیده می شوند . خاک رس تا هنگامی که خشک است نمی چسبد ولی در صورتی که با آب مخلوط شود، چسبناک می شود و به صورت خمیر چسبناک و شکل پذیر در می آید . ایلیت و کائولینیت که از کانیهای رسی اصلی آجر هستند قابلیت پلاستیکی دارند در صورتی که کلریت قابلیت پلاستیکی ندارد .
اسمکتیت برای ایجاد قابلیت شکل پذیری نیاز به آب زیادی دارد. پس از فراهم آوردن خاک رس مناسب برای تولید آجر و قبل از عملیات خشت زنی لازم است به وسیله غلطک فولادی و یا آسیاب گلوله ای اقدام به آسیاب کردن خاک رس نمود . پس از این مرحله نیز یا به صورت دستی و یا به صورت ماشینی اقدام به خشت زنی یا قالب زنی می شود.
ماسه که از ذرات کوارتز تشکیل می شود از عناصر تشکیل دهنده مواد اولیه آجر می باشد. در واقع ماسه نقش استخوان بندی خشت خام را دارد . در صورتی که مواد اولیه تولید آجرهای خشتی کمتر از 10 تا 15 درصد ماسه داشته باشند باید ماسه به آن اضافه شود. اگر مقدار ماسه بیش از حد استاندارد باشد از چسبندگی خشت آجر کاسته می شود. از آنجا که کوارتز آب دوست نیست حضور آن به صورت دانه های ماسه به جدا شدن خشت از قالب کمک می کند . همچنین کوارتز با ایجاد بافتی باز در آجر، به فرآیند خشک شدن آجر کمک می کند . کوارتز در برابر هوازدگی قوی و مقاوم است و حضور آن در محصول پخته شده دلیل اصلی قدرت و دوام آجر می باشد.
مقدار Al2O3 موجود در مواد اولیه آجر و به ویژه کانیهای رسی باید حدود 12 تا 17 درصد باشد.
اگر مقدار Al2O3 بیشتر از این مقدار باشد آجر توپر می شود و هنگام خشک شدن ترک بر می دارد . برای تولید آجرهای نامرغوب می توان از خاک رس با حداقل 10 درصد Al2O3 نیز استفاده نمود.
آهک از مواد ضروری و در عین حال مزاحم در داخل ماده اولیه تولید آجر است. مقدار آهک مجاز در داخل مواد اولیه تولید آجر حدود 30 درصد وزنی است. اگر سنگ آهک به صورت درشت دانه در ماده اولیه آجر وجود داشته باشد هنگام پخت آجر، تبدیل به آهک زنده Cao شده و پس از آب زدن آجر در هنگام استفاده، ، آهک شکفته شده و تبدیل به آهک هیدراته Ca(OH)2 می شود. این عمل باعث متلاشی شدن آجر خواهد شد.
در صورتی که پودر سنگ آهک در داخل ماده اولیه آجر زیاد باشد ، در هنگام پختن ذوب شده و باعث از شکل افتادن آجر می شود. همچنین Co2 آزاد شده از پودر سنگ آهک در هنگام پختن آجر باعث احیاء محیط شده و در نتیجه آجر به رنگ خاکستری در می آید. اگر میزان Co2 زیاد باشد مانع پخت آجر می شود.
مواد مزاحم در تولید آجر
پاره ای از کانیها و ترکیبات در صورت حضور در مواد اولیه آجر به صورت ماده مزاحم عمل کرده و تا حد امکان باید از فرآیند تولید آجر حذف شوند . از جمله این کانیها و ترکیبات می توان به مواد زیر اشاره نمود:
سولفاتها، کلرورها، گوگرد و آهن
مقدار مجاز سولفاتها در خاک رس آجرپزی حدود 8/0 درصد است. اگر مقدار سولفات به صورت کانی ژیپس، بیش از حد مجاز باشد در هنگام حرارت دادن و در دمای 100 تا 300 درجه سانتی گراد، ژیپس ابتدا به انیدریت CaSo4 تبدیل می شود و در حرارتهای بالاتر به Cao و So3 تبدیل می گردد. Cao تولید شده در آجر همانند Cao در تولید شده از سنگ آهک عمل می کند. SO3 به وجود آمده در آجر نیز با جذب آب به اسید سولفوریک تبدیل شده و باعث متلاشی شدن آجر می شود. وجود کلرورهای سدیم و پتاسیم (NaCl, KCl) ضمن سفیدک زدن آجر باعث کاهش مقاومت آن می شود. برای تولید آجرهای روکار، حداکثر مقدار مجاز کلرورسدیم 6/0 درصد و برای آجرهای توکار حداکثر مقدار مجاز آن 2 درصد است.
در صورت وجود پیریت در مواد اولیه آجر، در هنگام پخت آجر، پیریت به سولفات اکسید شده و سولفات با CaO به وجود آمده از آهک تشکیل ژیپس می دهد . در خصوص مضرات مقدار زیاد ژیپس در مواد اولیه آجر قبلاً توضیح داده شده است . در صورتی که میزان پیریت زیاد باشد هنگام پخت، گاز SO2 از آن خارج می شود که باعث تورم در سطح آجر می گردد.
آهن موجود در مواد اولیه آجر، باعث کاهش دمای ذوب می شود . کربن و موادآلی نیز باعث ایجاد تغییرات رنگ در آجر می گردد.
عوامل مؤثر در رنگ آجر
رنگ آجر به شرایط پخت و ترکیب مواد اولیه بستگی دارد . شرایط پخت آجر نسبت به نوع مواد اولیه متفاوت خواهد بود. کانیهای آهن، تولیدکننده بخش اعظم رنگ در آجرهای پخته است . رایجترین کانیهای آهن موجود در رس خام، هماتیت، گوتیت، لیمونیت، مگنتیت، پیریت و سیدریت (کربنات آهن) است. در شرایط پخت اکسیداسیونی تمام این کانیها به هماتیت تبدیل می شود که در تولید رنگ قرمز آجر نقش مهمی دارد . به طور کلی هر چه دمای پخت آجر بیشتر باشد رنگ آجر نیز قرمزتر خواهد شد. با نزدیک چیدن آجرها به یکدیگر در کوره آجرپزی می توان شرایط احیاء کننده به وجود آورد به طوری که عبور هوا از میان آجرها محدود شود . همین کار را با کنترل مقدار سوخت نیز می توان انجام داد به طوری که تمام اکسیژن موجود در کوره بسوزد . در اتمسفر احیاءکننده، آهن با سیلیکاتهای موجود در رس ترکیب شده و سیلیکاتهای آهن دار تولید می کند که برخلاف هماتیت در دمای کوره ذوب می شود و بنابراین هنگام سرد شدن رنگ آبی تیره ای بر روی سطح آجر تولید می کند. اگر افزایش دمای کوره به گونه ای باشد که پوسته ای شیشه ای به سرعت بر روی سطح بیرونی آجر تشکیل شده و مانع فرار گازها از درون آن شود، شرایط احیاءکننده در درون هر یک از آجرهای مجزا به وجود می آید . این امر به ایجاد هسته سیاهی در آجر منجر می شود . در برخی موارد این هسته های سیاه تا نزدیکی سطح بیرونی آجر گسترش می یابد و هدف از انجام این عمل ایجاد اثرهای رنگی است . اما حضور این هسته سیاه ممکن است به ضعیف شدن آجر بیانجامد . بنابراین با کنترل دقیق دمای کوره و اتمسفر درون آن، می توان مجموعه ای از رنگهای متنوع را در آجر تولید نمود. مقدار کلسیت موجود در مواد خام آجر نیز در رنگ آجر مؤثر است. اگر مقدار کلسیت کمتر از 12 درصد باشد در شرایط پخت اکسیداسیونی رنگ آجر قرمز می شود .
اگر مقدار کلسیت بین 12 تا 22 درصد باشد مقداری از آهن با Cao تشکیل پیروکسن داده و به جای رنگ قرمز، آجر به رنگ قهوه ای در خواهد آمد . اگر مقدار کلسیت بیش از 30 درصد باشد رنگ آجر به دلیل تشکیل دوکلسیم فریت 2Ca.Fe2O3 و ولاستونیت، زرد تا قهوه ای خواهد شد.
در صورتی که پخت در شرایط احیایی انجام شود (نزدیک به هم چیده شدنآجرها و افزایش میزان سوخت در مرحله نهایی پخت ) آهن به سیلیکاتهای آهن دو ظرفیتی تبدیل شده و در سطح آجر، رنگ آبی ایجاد می شود.
در شرایطی که مقدار CaO زیاد و بیشتر از اکسید آهن باشد و پخت در شرایط احیایی انجام شود رنگ آجر زرد می شود . در صورتی که میزان CaO بیشتر از اکسید آهن باشد و پخت در شرایط معمولی انجام شود رنگ آجر کرمی می شود.
گاهی برای رنگی نمودن آجرها مواد رنگ زا به مواد اولیه آجر اضافه می شود . مواد رنگزای به کار گرفته شده معمولاً رنگهای صنعتی ارزان قیمت مثل گل اخرا ودی اکسید منگنز است.
پخت آجر
پس از خشت زدن آجر به صورت ماشینی یا دستی، عملیات خشک کردن خشتها در هوای زیاد و یا با قرار دادن خشتها در محفظه های پیش گرمکن صورت می گیرد. پس از خشک شدن کامل خشتها عملیات پخت آجر شروع می شود. ساده ترین روش پخت آجر همان روش سنتی یعنی روش توده کردن است . در این روش خشتها بر روی هم به گونه ای چیده می شوند که اندکی هوا از میان آنها جریان یابد . سوخت در یک سر توده آتش زده شده و به آتش اجازه داده می شود تا در تمام توده نفوذ کند. روش نسبتاً پیچیده تر روش کوره محفظه ای است که از یک سری محفظه های آجری تشکیل می یابد، این محفظه ها معمولاً در دو سوی یک ساختمان چهارگوش قرار داده می شود . محفظه ها از طریق یک سری مجاری به یکدیگر مربوط هستند. سوخت از بالا تغذیه شده و به آتش اجازه داده می شود تا به ترتیب پیرامون محفظه ها حرکت کند .
آجرها در مرکز هر محفظه چیده می شود. کوره تونلی از یک تونل طولانی با پوششی از مواد دیرگداز تشکیل شده است که در شبکه حمل کننده، بسته های آجر به کندی از آن عبور می کند . در مرکز تونل، ناحیه پختن قرار دارد که سوخت از بالای آن تغذیه می شود.
نوع پختن آجر هر چه باشد، تفاوت قابل توجهی در روشهای چیدن آجر وجود دارد و از الگوهای متفاوتی استفاده می شود . چیدن فشرده با فضای اندک میان آجرها، نفوذ کم گرما به مرکز آجرها را سبب شده و آجرهای واقع در مرکز به جای پختن در اتمسفر اکسید کننده ، در محیطی احیاءکننده پخته می شود . این مطلب را می توان با کنترل تنظیم جریان هوا به کوره تنظیم کرد . همچنین روشن است که هر روش پخت به گونه ای طراحی شده است که یک دوره پیش گرم کردن و به دنبال آن پخت شدید و سپس سرد کردن تدریجی داشته باشد . تغییر این عوامل، امکان تولید انواع گوناگون آجر را فراهم می کند . چنان چه خواهیم دید مناسب بودن فرآیند پخت و اثرهای ناشی از آن به میزان زیاد از کانی شناسی اولیه رس تعیین می شود . بنابراین مطالعه مواد خام، نخستین پیش نیاز درک و فهم فرآیند تولید آجر است. پس از اتمام عملیات پخت آزمایشهای مختلفی برای بررسی کیفیت آجر صورت می گیرد، از جمله آزمایش بررسی مقاومت فشاری و مقدار جذب آب توسط آجر است.
مقدار مقاومت فشاری آجر مورد استفاده برای ساختمانهای بلند باید 80 کیلوگرم بر سانتی متر مربع و برای ساختمانهای کم طبقه باید 30 کیلوگرم بر سانتی متر مربع باشد . حداکثر مقدار جذب آب نیز پس از مرحله پخت آجر، در طی 24 ساعت قرارگیری در داخل آب 15 تا 24 درجه سانتی گراد، برای آجرهای نما باید کمتر از 16 درصد و برای آجرهای توکار باید کمتر از 28 درصد باشد.
