પૉર્ટલૅન્ડ સિમેન્ટ (Portland cement)

પૉર્ટલૅન્ડ સિમેન્ટ (Portland cement) : પથ્થર, ઈંટો, રેતી-કાંકરી વગેરે બાંધકામમાં વપરાતા માલ માટે બંધક તરીકે વપરાતો પદાર્થ. આધુનિક સમયમાં બાંધકામ માટે વપરાતા ઇજનેરી માલસામાનમાં સિમેન્ટનું સ્થાન અનોખું છે. અગાઉ સિમેન્ટની જગ્યાએ જલદૃઢ (hydraulic) ચૂનો, કુદરતી સિમેન્ટ, પૉઝોલૅનિક સિમેન્ટ, જિપ્સમ વગેરેનો ઉપયોગ થતો હતો. 2૦ % થી 4૦ % મૃણ્મય પદાર્થો (argillaceous materials) ધરાવતા ચૂનાના પથ્થરોને અત્યંત ઊંચા તાપમાને (16૦૦^o સેં.) તપાવતાં તેના ગાંગડા (clinkers) મળે છે. તેમાં 3 %થી 4 % જેટલી ચિરોડી ઉમેરી મિશ્રણને દળીને કુદરતી સિમેન્ટ બનાવવામાં આવતો. આધુનિક સિમેન્ટની શોધ જોસેફ એસ્પડીન નામના ઇંગ્લૅન્ડના ઇજનેરે કરી હતી. ઇંગ્લૅન્ડના પૉર્ટલૅન્ડ ટાપુ પર મળતા પૉર્ટલૅન્ડ ચૂનાખડકના જેવો રાખોડી રંગ ધરાવતો હોવાથી તે ‘પૉર્ટલૅન્ડ સિમેન્ટ’ તરીકે ઓળખાય છે. તે લીલાશ પડતા ભૂખરા રંગથી તપખીરિયા પડતા ભૂખરા રંગનો બારીક દળેલા લોટ જેવો પદાર્થ છે. કેટલાક દેશોમાં જ્વાળામુખીની રાખમાંથી બનેલા થરને દળીને બનાવેલો ભૂકો જલદૃઢ ચૂનામાં મેળવીને જે સિમેન્ટ બનાવવામાં આવતો તે પૉઝોલૅનિક સિમેન્ટ કહેવાતો કારણ કે આ જાતનો સિમેન્ટ ઇટાલીમાં નેપલ્સ પાસે આવેલ પૉઝોલીન શહેર પાસે મળી આવતા જ્વાળામુખીની રાખનો ઉપયોગ કરીને બનાવવામાં આવતો. રોમન સામ્રાજ્ય દરમિયાન રચાયેલ ઐતિહાસિક ઇમારતોમાં તેનો ઉપયોગ થયો છે. પૉર્ટલૅન્ડ સિમેન્ટનું આગમન થતાં આ સિમેન્ટનો ઉપયોગ ઓછો થઈ ગયો. સિમેન્ટની વિશિષ્ટ ઘનતા 3.1થી 3.2, જ્યારે તેની ઘનતા 1,44૦ કિગ્રા./ઘમી. હોય છે.

ભારતમાં પૉર્ટલૅન્ડ સિમેન્ટનું ઉત્પાદન 1913માં શરૂ થયું. ગુજરાતમાં હાલમાં પોરબંદર, દ્વારકા, સિક્કા, રાણાવાવ અને સેવાલિયામાં સિમેન્ટનાં કારખાનાં છે. સૂરત, કચ્છ, અમરેલી અને જૂનાગઢ જિલ્લામાં નવાં કારખાનાં છે. નર્મદા પ્રૉજેક્ટ માટે જરૂરી સિમેન્ટ માટે જાફરાબાદ ખાતે સિમેન્ટ ફૅક્ટરી છે. ગુજરાતમાં સિમેન્ટનું ઉત્પાદન સમગ્ર દેશની અડધી જરૂરિયાત પૂરી પાડી શકાય તેટલું થાય છે.

સિમેન્ટ બનાવવામાં મુખ્યત્વે ચૂનાનો પથ્થર અને માટીનો વપરાય છે. ચૂનાનો પથ્થર મોટે ભાગે કૅલ્શિયમ કાર્બોનેટનો બનેલો હોય છે, જ્યારે માટીના પથ્થરો મુખ્યત્વે એલ્યૂમિના (Al₂O₃), સિલિકા (SiO₂), લોખંડના ઑક્સાઇડ(Fe₂O₃)ના બનેલા હોય છે. કાચા માલનું અમુક પ્રમાણમાં મિશ્રણ કરવામાં આવે તો જ સિમેન્ટ વધુમાં વધુ ભારધારક શક્તિ આપી શકે છે. ચૂનાનું મુખ્ય કામ સિમેન્ટને બળ આપવાનું છે. પૉર્ટલૅન્ડ સિમેન્ટમાં ચૂનાનું પ્રમાણ લગભગ 6૦ %થી 65 % જેટલું હોવું જોઈએ. ચૂનાનું પ્રમાણ ઉપર દર્શાવેલ પ્રમાણથી વધારે રાખવામાં આવે તો સિમેન્ટ પૂરતી દૃઢતા પ્રાપ્ત કરી શકતો નથી. ચૂનાનું પ્રમાણ ઓછું હોય તો સિમેન્ટ પૂરતું સામર્થ્ય મેળવી શકતો નથી અને ઝડપથી સખત થઈ જાય છે. રેતી(SiO₂)નું કામ પણ સિમેન્ટને બળ આપવાનું છે. ઘણા ઊંચા તાપમાને રેતી ચૂના સાથે સંયોજિત થઈ ડાયકૅલ્શિયમ અને ટ્રાયકૅલ્શિયમ સિલિકેટ બનાવે છે, જેનાથી સિમેન્ટ સામર્થ્ય પ્રાપ્ત કરે છે. કાચા માલમાં રેતીનું પ્રમાણ 2૦ %થી 25 % હોવું જોઈએ. ઍલ્યુમિનાયુક્ત (Al₂O₃) પદાર્થો પાણી સાથે જલદીથી સંયોજનમાં ઊતરે છે તેથી સિમેન્ટ જલદીથી સખત થઈ જવાની શક્યતાઓ રહે છે. વધારે પ્રમાણના ઍલ્યુમિનાથી સિમેન્ટના ગાંગડા બનવાની ક્રિયા બરાબર થતી નથી અને નબળો સિમેન્ટ બને છે.

ઍલ્યુમિના પદાર્થોનું પ્રમાણ 3 %થી 8 % કરતાં વધુ ન હોવું જોઈએ. મૅગ્નેશિયા (Mgo) પદાર્થ ચૂનાના પથ્થરમાં ઓછાવત્તા પ્રમાણમાં હાજર હોય છે. સિમેન્ટ બનાવવામાં ચૂનાના પથ્થરોમાં મૅગ્નેશિયાનું પ્રમાણ 1.5 %થી વધુ ન હોવું જોઈએ. આયર્ન ઑક્સાઇડ (Fe₂O₃) પદાર્થ માટીના પથ્થરોમાં જોવા મળે છે. તેનું પ્રમાણ 1.૦ %થી 5.૦ % કરતાં વધુ હોવું જોઈએ નહિ. આયર્ન ઑક્સાઇડ માટી અને ચૂના સાથે સંયોજિત થઈ ટેટ્રાકૅલ્શિયમ એલ્યૂમિના ફેરાઇટ બનાવે છે. જે સિમેન્ટને સખત બનાવે છે. સિમેન્ટનો લીલાશ પડતો રંગ આ પદાર્થને લીધે હોય છે. માટીમાં ગંધક (SO₃) સામાન્ય રીતે સલ્ફર ટ્રાયઑક્સાઇડના રૂપમાં હોય છે. આનું પ્રમાણ 2 %થી વધુ ન હોવું જોઈએ. વધુ પ્રમાણથી સિમેન્ટ દૃઢતા પામી શકતો નથી. આલ્કલી (K₂O, Na₂O) પદાર્થો ઊંચા તાપમાને સિમેન્ટના ઉત્પાદન દરમિયાન ભઠ્ઠીના વાયુઓ સાથે બહાર નીકળી જાય છે. કાચા પદાર્થનું પ્રમાણ નક્કી કરવા માટે નીચેના સૂત્રનો ઉપયોગ કરી ચૂનાનો સંતૃપ્તિ-ગુણાંક નક્કી કરવામાં આવે છે, જેનું મૂલ્ય ૦.66થી 1.૦ની વચ્ચે હોવું જોઈએ.

ઉપર્યુક્ત કાચા પદાર્થોનું ઘણા ઊંચા તાપમાને ચક્રીય ભઠ્ઠીમાં દહન કરવામાં આવે છે. તૈયાર થયેલા પૉર્ટલૅન્ડ સિમેન્ટનું આખરી રાસાયણિક બંધારણ નીચે પ્રમાણે રહે છે :

ક્રમ	ઘટકનું નામ	સૂત્ર	ટૂંકું રૂપ	ટકાવારી
1.	ટ્રાયકૅલ્શિયમ સિલિકેટ	3CaO, SiO2	C3S	4૦ %
2.	ડાયકૅલ્શિયમ સિલિકેટ	2CaO, SiO2	C2S	32 %
3.	ટ્રાયકૅલ્શિયમ ઍલ્યુમિનેટ	3CaO, Al2O3	C3A	1૦ %
4.	ટેટ્રાકૅલ્શિયમ ઍલ્યુમિનેટ	4CaO, Al2O3	C4AF	1૦ %
	ફેરાઇટ	Fe2O3
5.	કૅલ્શિયમ સલ્ફેટ	CaSO4	–	૦3 %
6.	મૅગ્નેશિયા, સોડા,
	પૉટાશ, સલ્ફર	–	–	૦5 %
				1૦૦.૦ %

ઓગ નામના વૈજ્ઞાનિકે સિમેન્ટના ઘટકો શોધી કાઢ્યા હતા તેથી તેને ઓગના ઘટકો કહે છે. સિમેન્ટની મજબૂતાઈનો આધાર C₃S અને C₂S પર રહેલો છે. C₃S મુખ્યત્વે સિમેન્ટને શીઘ્ર બળગ્રાહકતા પૂરી પાડે છે. C₂S ધીમે ધીમે સખત અને મજબૂત બની સિમેન્ટના અંતિમ સામર્થ્યમાં ફાળો આપે છે. સિમેન્ટ જામતી વખતે C₂S કરતાં C₃S વધારે ગરમી ઉત્પન્ન કરે છે, જેથી સિમેન્ટમાં C₃Sનું પ્રમાણ વધુ હોય તો તે સિમેન્ટ જલદીથી સખત બને છે એટલે કે શીઘ્ર બળગ્રાહી (rapid hardening) હોય છે. પરંતુ C₂Sનું પ્રમાણ વધુ હોય તો સિમેન્ટ ધીમે ધીમે મજબૂતાઈ પકડે છે. આવો સિમેન્ટ ઉચ્ચ પરમ સામર્થ્ય (high ultimate strength) મેળવે છે અને જામતી વખતે ઓછી ગરમી ઉત્પન્ન કરે છે. C₄AF સિમેન્ટની ગુણવત્તામાં ખાસ અસર કરતો નથી.  સિમેન્ટને જામવા માટે હવાની જરૂરી પડતી નથી અને પાણીની નીચે પણ તે દૃઢ થઈ શકે છે. એક ભાગ સિમેન્ટમાં ૦.2 ભાગ પ્લાસ્ટિક લેટેક્સ ઉમેરવાથી સિમેન્ટના આસંજન (adhesion), સામર્થ્ય (strength), નમ્યતા (flexibility) અને સંસાધન (curing) જેવા ગુણધર્મોમાં સુધારો થાય છે. પાણીનું બાષ્પીભવન ઓછું કરવા સિમેન્ટમાં મિથાઇલ સેલ્યુલોઝ અને હાઇડ્રૉક્સિ ઇથાઇલ સેલ્યુલોઝ જેવા પદાર્થો ઉમેરવામાં આવે છે. કારખાનાનું સ્થળ નક્કી કરતી વખતે કાચા માલની ઉપલબ્ધતા વિપુલ પ્રમાણમાં હોય તે જોવામાં આવે છે. ઉપરાંત વાહન-વ્યવહારની સગવડ તથા કોલસાના પુરવઠાને પણ ધ્યાનમાં લેવાં પડે છે; કારણ કે સિમેન્ટના ઉત્પાદનમાં બળતણ તરીકે 4૦ % કોલસાની જરૂર રહે છે.

પૉર્ટલૅન્ડ સિમેન્ટના ઉત્પાદનમાં સૂકી પદ્ધતિ (dry process) અને ભીની પદ્ધતિ (wet process) મુખ્ય છે. સૂકી પદ્ધતિમાં કાચા માલનું પાણી વગર મિશ્રણ કરીને ચક્રીય ભઠ્ઠીમાં તપાવવામાં આવે છે, જ્યારે ભીની પદ્ધતિમાં કાચા માલનું મિશ્રણ કરતી વખતે તેમાં અમુક પ્રમાણમાં પાણી ઉમેરવામાં આવે છે. પાણી ઉમેરવાથી ઉત્પન્ન થયેલા રસને ચક્રીય ભઠ્ઠીમાં ઊંચા તાપમાને તપાવવામાં આવે છે. આથી તેના નાના ગોળાકાર ગાંગડા બને છે. આ ગાંગડાને ઠંડા પાડવામાં આવે છે અને તેમાં ચિરોડી (gypsum) ઉમેરી દળવામાં આવે છે.

ભારતીય માનક સંસ્થા (ISI) દ્વારા નક્કી કરેલાં પરીક્ષણો પ્રમાણે ઉત્પાદન કરેલા સિમેન્ટનું ચોકસાઈપૂર્વક પરીક્ષણ કરવામાં આવે છે. ISI દ્વારા આવાં પરીક્ષણો સૂચવવામાં આવેલાં છે : (1) રાસાયણિક સંયોજનપરીક્ષણ (chemical composition test); (2) સૂક્ષ્મતા-પરીક્ષણ (fineness test); (3) સાબૂતાઈ-પરીક્ષણ (soundness test); (4) જામવાના સમયનું પરીક્ષણ (setting time test); (5) સામર્થ્ય-પરીક્ષણ : (અ) તાણસામર્થ્ય-પરીક્ષણ (tensile strength test), (બ) દાબસામર્થ્ય-પરીક્ષણ (compressive strength test);

(6) જલયોજન ગરમીનું પરીક્ષણ (heat of hydration test).

નગીન મોદી