طرح توجیهی احداث کارخانه تولید بتن آماده و قطعات بتنی

بتن یک نوع مصالح ساختمانی سخت شده است که با ترکیب یک سنگ دانه معدنی به لحاظ شیمیایی بی اثر (معمولاً شن، ماسه یا سنگ خرد شده)، یک چسب (سیمان طبیعی یا مصنوعی)، افزودنی های شیمیایی و آب ایجاد می شود. اگرچه معمولاً مردم از واژه «سیمان» به عنوان مترادفی برای بتن استفاده می کنند، در واقع این اصطلاحات معرف مواد متفاوتی هستند: سیمان تنها یکی از اجزای بتن مدرن است که از انواع مختلف پودرهای ریزی تشکیل می شود که وقتی با آب مخلوط شود، سخت می شود. وقت بتن خشک می شود، استحکام سنگ مانندی پیدا می کند که آن را برای ساخت جاده، پل ها، سیستم های تامین آب و فاضلاب، کارخانه ها، فرودگاه ها، راه آهن، مسیرهای آبی، سیستم های حمل و نقل جمعی، و دیگر ساختمان ها، مناسب می سازد. ساخت چنین تاسیساتی، خود یکی از صنایع بزرگ ملی است و درصد خوبی از تولید ناخالص ملی را پوشش می دهد.

هر کارآفرینی که قصد راه اندازی کارخانه تولید بتن آماده و قطعات بتنی را داشته باشد، در ابتدا و برای شروع این فعالیت اقتصادی باید اقدام به دریافت یک سری مجوزهای ضروری نماید. در این راستا باید امکان پذیر بودن و توجیه پذیری اقتصادی طرح را برای مسئولان امر توضیح دهد. این کار با استفاده از طرح توجیهی انجام می گیرد. همچنین بانک ها و موسسات مالی نیز وام ها و تسهیلاتی را برای تامین سرمایه اولیه طرح های اقتصادی در نظر گرفته اند که توجیه پذیر بودن یک طرح می تواند فرآیند اخذ تسهیلات بانکی را نیز سرعت بخشد. در این طرح توجیهی، به بررسی و امکان سنجی و همچنین محاسبات مربوط به شاخص های مالی راه اندازی یک کارخانه تولید بتن و قطعات بتنی پرداخته شده است.

در ادامه، جدول مربوط به خلاصه طرح و شاخص های تحلیلی آن قرار داده شده است:

نگاهی به تاریخچه بتن

واژه های سیمان و بتن هر دو منشاء لاتین دارند که نشان دهنده این احتمال است که اولین بار رومی های باستان از این مواد استفاده کردند. بسیاری از نمونه ساخت و سازهای بتنی رومی در کشورهای پیرامون دریای مدیترانه باقی مانده است که سازندگان رومی در آن منطقه به ذخایر متعدد سیمان طبیعی دسترسی داشتند. سیمان طبیعی عمدتاً از آهک تشکیل می شود که از سنگ آهک گرفته می شود و با خاکستر آتشفشانی ترکیب می گردد. تا قرن هجدهم که سیمان های مصنوعی توسعه داده شد، این ترکیب مبنای عمده مهندسی عمران را تشکیل می داد.

اولین سیمان های ساخته شده به دست بشر که آهک آبی نامیده می شد، در سال 1756 توسعه داده شد، زمانی که مهندس انگلیسی به نام جان اسمیتون برای بازسازی برج فانوس دریایی ادی استون در ساحل دوون، به یک ماده قوی نیاز داشت. اگرچه رومی ها از سیمان آبی استفاده کرده بودند، فرمول آن از زمان فروپاشی امپراطوری آنها در قرن پنجم پس از میلاد گم شد تا زمانی که اسمیتون آن را دوباره ابداع کرد. در اوایل قرن نوزدهم چند انگلیسی در ریز کردن و بهبود سیمان مصنوعی نقش داشتند که مهم ترین آنها ژوزف آسپدین و ایزاک چارلز جانسون بودند. در سال 1824، آسپدین حق امتیاز یک مخلوط مصنوعی از سنگ آهک و خاک رس را ثبت کرد که او آن را سیمان پرتلند نامید، چراکه یادآور سنگ آهک برداشت شده از معادن جزیره کوچک انگلیسی پرتلند بود. اما محصول آسپدین قوی تر از محصول تولید شده توسط جانسون در سال 1850 نبود که فرمول آن مبنای سیمان پرتلند شد که هنوز هم کاربرد گسترده ای دارد. بتن ساخته شده از سیمان پرتلند برتر از بتن تولید شده از سیمان طبیعی دانسته می شود، چون قوی تر و بادوام تر است و کیفیت یکنواخت تری دارد. سیمان پرتلند با مخلوط کردن مواد آهکی (بیشتر حاوی کربنات کلسیم) مانند سنگ آهک، با سیلیکا، و مواد حاوی آلومینا و اکسید آهن ساخته می شود. سپس این مواد حرارت داده می شوند تا با هم آمیخته شوند و مخلوط حاصل یا کلینکر آسیاب می شود تا سیمان پرتلند به دست آید.

اگرچه سیمان پرتلند در اروپا به سرعت جایگزین سیمان طبیعی شد، فناوری بتن در ایالات متحده تا حدی زیادی عقب ماند. در آمریکا سنگ سیمان طبیعی اولین بار در ابتدای دهه اول قرن هجدهم کشف شد، زمانی که برای ساخت کانال اری (Erie) استفاده شد. ساخت این مسیرهای آبی درون کشور منجر به تاسیس برخی شرکت های آمریکایی شد که سیمان طبیعی تولید می کردند. اما به دلیل استحکام بالاتر سیمان پرتلند، بسیاری از مهندسان ساختمان سازی ترجیح می دادند با وجود صرف هزینه و زمان اضافی، آن را از اروپا سفارش دهند. توماس ادیسون به شدت به سیمان پرتلند علاقمند بود و حتی کابین های فونوگراف را از این ماده ساخت. در اوایل دهه 1870 وقتی صنعت ایالات متحده دریافت چگونه سیمان پرتلند تولید کند، تولید سیمان طبیعی در آمریکا رو به کاهش گذاشت.

پس از اصلاح سیمان پرتلند، نوآوری مهم بعدی در فناوری بتن در اواخر قرن نوزدهم روی داد، زمانی که بتن تقویت شده (مسلح) ابداع شد. در حالی که بتن به سادگی در برابر فشردگی مقاومت می کند، بخوبی در برابر کشش تاب نمی آورد و این ضعف نشان می دهد که نمی تواند از آن برای ساخت ساختارهایی (مانند پل ها یا ساختمان های دارای قوس ضربی) استفاده کرد که در معرض خمش قرار می گیرند. در دهه 1850، مهندسان فرانسوی و انگلیسی ابتدا این نقص را با قرار دادن میله های فولادی در بخش های در معرض تنش کششی بتن اصلاح کردند.

شکل دیگر بتن تقویت شده، یعنی بتن پیش تنش داده شده در سال 1888 به عنوان یک حق امتیاز در ایالات متحده ثبت شد. اما تا جنگ جهانی دوم که چند بارانداز و پل بزرگ با استفاده از آن ساخته شد، کاربرد این بتن گسترش نیافت. بجای تقویت بخش به شدت تحت تنش ساختار بتنی با فولاد، مهندسان می توانستند آن بخش بتن را پیش از قرار گیری در معرض تنش فشرده کنند که بدان وسیله توان مقاومت آن در برابر کشش افزایش می یابد.

انواع مختلف بتن برابر روش نصب دسته بندی می شود. بتن آماده یا از پیش مخلوط شده در یک واحد مرکزی پیش از تحویل به محل ساخت ساخته و مخلوط می شود. چون این نوع بتن گاهی در کامیون دارای همزن جابجا می شود، آن را بتن مخلوط شده در حین جابجایی می نامند. بتن نیم ساخته به صورت جزئی در واحد مرکزی مخلوط می شود و سپس اختلاط آن حین انتقال به محل تکمیل می شود.

مواد اولیه بتن

بتن ساختمانی به طور معمول شامل یک بخش سیمان در دو بخش سنگدانه ریز معدنی و چهار بخش سنگدانه معدنی زبر است، و اینکه این نسبت ها اغلب تغییر داده می شود تا به استحکام و انعطاف پذیری لازم برای یک کاربرد خاص برسد. به علاوه، بتن حاوی انواع مواد شیمیایی است که ویژگی های مطلوب برای کاربردهای خاص را به آن می دهد. سیمان پرتلند به عنوان پر مصرف ترین سیمان برای بتن، از ترکیبی از مواد معدنی دارای کلسیم (معمولاً سنگ آهک) و سیلیس و آلومینا به صورت خاک رس ساخته می شود. سنگدانه ها که 75 درصد حجم بتن را تشکیل می دهند، شکل گیری و جریان بتن را بهبود می بخشند و عملکرد ساختاری بتن را افزایش می دهند. سنگدانه های ریز شامل ذرات تا اندازه 0.20 اینچ (5 میلیمتر) می شود، در حالی که سنگدانه های زبر شامل ذرات به اندازه 0.20 تا 0.79 اینچ (20 میلیمتر) می شود. برای ساختارهای بزرگ، اندازه ذره سنگدانه می تواند از 1.50 اینچ (38 میلیمتر) بیشتر شود.

سنگدانه ها را می توان برابر نوع سنگی که از آن ساخته شده دسته بندی کرد: بازالت، سنگ سیلیس، گرانبت و … . نوع دیگر سنگدانه ها پوزولانا (pozzolana) است، سم ماده سیلیس و آلومینیومی که اغلب از خاکستر آتشفشانی گرفته می شود. با واکنش شیمیایی با سنگ آهک و رطوبت، هیدرات کلسیوم سیلیکات تشکیل می شود که مبنای سیمان است. پوزولانا معمولاً به خمیر سیمان پرتلند افزوده می شود تا تراکم و چگالی آن افزایش یابد. یک نوع ماده معدنی آتشفشانی به نام آلومینیوم سیلیکات با مواد معدنی سیلیسی مخلوط شده است تا ترکیبی را تشکیل دهد که وزن را کاهش می دهد و چسبندگی میان بتن و سطوح فلزی را می افزاید. کاربردهای آن شامل شکل های بتنی پیش ساخته و آسفالت/بتن پیاده رو بزرگراه هاست. خاکستر بادی یک محصول پودری حاصل از سوختن ذغال سنگ است که حاوی آلومینوسیلیکات و مقدار کمی آهک است و به عنوان یک ماده احتمالی پوزولانی برای سیمان آزمایش شده است. ترکیب خاکستر بادی با آهک (CaO) در فرآیند هیدروترمال (فرآیندی که از آب داغ تحت فشار استفاده می کند) نیز سیمان تولید می کند.

انواع مواد شیمیایی مختلف به سیمان افزوده می شود تا به عنوان روان (نرم) ساز، ابر روان ساز، معلق ساز یا پخش کننده، تسریع کننده و عوامل کاهنده آب عمل کنند. می توان از این مواد افزودنی با عنوان ماده معین، برای افزایش قابلیت کار مخلوط سیمان در وضعیت بی شکل، استحکام سیمان پس از کاربرد، و ضد آب شدن مواد استفاده کرد. به علاوه آنها می توانند مقدار آب لازم برای به دست آوردن قابلیت بکارگیری و مقدار سیمان لازم برای ایجاد بتن قوی را کاهش دهند. تسریع کننده ها که زمان شکل گیری را کاهش می دهند، شامل کلرید کلسیم یا سولفات آلومینیوم و دیگر مواد اسیدی می شود. نرم ساز ها یا عوامل فوق نرم کننده با نسبت یکسان سیمان و آب، سیالیت و روانی مخلوط تازه سیمان را افزایش می دهند و بدین شکل قابلیت کار مخلوط و سادگی جای دهی آن در موقعیت را بهبود می دهد. نرم سازهای معمول شامل مواد اسیدی پلی کربوکسیلیک می شوند. فوق نرم سازها فرمالدئید ملامین سولفوناته یا مایع فرمالدئید نفتالن سولفوناته هستند. کند کننده های سفت شدن سیمان نوع دیگری از افزودنی ها هستند که برای به تاخیر انداختن سخت شدن بتن استفاده می شوند. این مواد شامل نمک های محلول روی، بورات های محلول، و مواد بر پایه کربوهیدرات هستند. افزودنی های شکل دهنده گازی، روی یا آلومینیوم پودری در ترکیب با کلسیم هیدروکسید یا پروکسید هیدروژن برای شکل دهی بتن هوادهی شده با تولید حباب های هیدروژن یا اکسیژن استفاده می شوند که در مخلوط سیکن به دام می افتند.

سیمان یک ماده شکننده به حساب می آید؛ به عبارت دیگر به آسانی ترک بر می دارد و می شکند. بنابراین بسیاری از مواد افزودنی برای افزایش استحکام کششی بتن توسعه داده شده است. یک راه ترکیب مواد پلیمری مانند پلی وینیل الکل، پلی اکریل آمید یا هیدروکسی پروپیل متیل سلولز با سیمان است که آنچه سیمان بدون عیوب بزرگ نامیده می شود. روش دیگر شامل افزودن الیاف ساخته شده از فولاد ضدزنگ، شیشه یا کربن است. این الیاف می توانند کوتاه، لایه لایه، ورقه ای، الیاف بی بافت یا الیاف بافته شده باشند. معمولاً این الیاف تنها یک درصد حجم بتن تقویت شده با الیاف را تشکیل می دهند.

فرآیند ساخت بتن

ساخت بتن نسبتاً ساده است. اول، سیمان (معمولاً سیمان پرتلند) تهیه می شود. سپس مواد اولیه دیگر (سنگدانه ها (مانند شن یا ماسه)، افزودنی ها (افزودنی های شیمیایی)، هر الیاف لازم و آب) با هم مخلوط می شوند تا بتن را تشکیل دهند. سپس بتن به محل کار حمل شده و جایگذاری، فشرده و اصلاح می شود.

تهیه سیمان پرتلند

• سنگ آهک، سیلیس، و آلومینا که سیمان پرتلند را تشکیل می دهند به طور خشک به صورت پودر بسیار ریز آسیاب می شوند، با نسبت های از پیش تعیین شده با هم مخلوط می شوند، پیش گرم می شوند و کلسینه می شوند (تا دمای بالایی حرارت داده می شوند که ناخالصی ها بدون آمیخته شدن با مواد تشکیل دهنده بسوزند). سپس مواد در یک کوره بزرگ گردان در دمای 2550 درجه فارنهایت (1400 درجه سلسیوس) حرارت داده می شوند. در این دما مواد به طور جزئی ترکیب می شوند تا یک ماده به نام کلینکر تولید کنند. یک کوره مدرن می تواند در روز 6200 تن کلینکر تولید کند.
• سپس کلینکر، سرد شده و در یک آسیاب لوله ای یا آسیاب گلوله ای به صورت پودر ریز آسیاب می شود. آسیاب گلوله ای یک استوانه پر شده از گلوله های فولادی به اندازه های مختلف (بسته به ریزی مطلوب سیمان) است. در طول فرآیند آسیاب، گچ هم اضافه می شود. ترکیب نهایی شامل چند ماده می شود: تری کلسیم سیلیکات، دی کلسیم سیلیکات، تری کلسیم آلومینات، و تتراکلسیم آلومینوفریت.

مخلوط کردن

• سپس سیمان با مواد دیگر ترکیب می شود: سنگدانه ها (شن، ماسه، یا سنگ خرد شده)، افزودنی ها، الیاف، و آب. سنگدانه ها از پیش آسیاب شده یا در واحد اختلاط بتن آماده تحت شرایط کاری عادی افزوده می شوند. عملیات اختلاط از چرخش یا هم زدن برای پوشش دهی سطح سنگدانه با خمیر سیمان و مخلوط کردن یکنواخت مواد دیگر استفاده می کند. از انواع مخلوط کننده های بچ یا پیوسته استفاده می شود.
• الیاف، اگر لازم باشد، را می توان با انواع روش ها مانند پاشش مستقیم، پیش اختلاط، اشباع کردن، یا مخلوط کردن لایه ای دستی افزود. اغلب از فوم سیلیکا به عنوان عامل پخش کننده یا متراکم ساز استفاده می شود.

حمل به محل کار

• وقتی مخلوط بتن آماده شده، به محل کار حمل می شود. روش های مختلفی برای حمل بتن وجود دارد، مانند فرغون، باکت، کانوایر تسمه ای، کامیون های مخصوص و پمپ کردن. پمپ کردن مقادیر زیاد بتن را در طول فواصل بزرگ از طریق خط لوله با استفاده از یک سیستم شامل هاپر (قیف)، یک پمپ، و لوله ها منتقل می کند. پمپ ها انواع مختلفی دارد، پمپ پیستونی افقی با شیرهای نیمه چرخشی، و پمپ های کوچک قابل حمل فشاری. یک پمپ خلاء با دو غلتک چرخنده که یک لوله انعطاف پذیر را فشار می دهند تا بتن را در لوله تحویل حرکت دهند، جریان پیوسته­ بتن را فراهم می کنند.

جای دهی و متراکم سازی

• در محل ساخت، بتن باید جای دهی و متراکم شود. این دو عملیات تقریباً همزمان انجام می شود. جای دهی باید چنان انجام شود که از جدایش مواد ترکیب شونده مختلف دوری شود و متراکم سازی کامل (با حذف کامل حباب های هوا) حاصل شود. چه از ناودان یا از باگی (گاری) استفاده شود، جای دهی در دستیابی به این اهداف اهمیت دارد. سرعت جای دهی و متراکم سازی باید برابر باشد. دومی معمولاً با استفاده از لرزاننده های داخلی یا بیرونی (ویبراتور) انجام می شود. یک ویبراتور داخلی از یک میله احاطه کننده یک شفت متحرک استفاده می کند. وقتی محفظه میله ای در بتن قرار داده می شود، ارتعاش کنترل شده ای اتفاق می افتد که بتن را متراکم می کند. ویبراتورهای بیرونی برای پیش قالب گیری یا بخش های نازک دارای شکل یا ضخامت نامناسب برای ویبراتورهای داخلی استفاده می شوند. این نوع ویبراتورها به طور محکم به چارچوب متصل می شوند که روی یک پشتیبان کشسان قرار دارد. در این حالت قالب و بتن لرزانده می شوند. از میزهای لرزاننده در جاهایی استفاده می شود که با استفاده از دو شفت خلافگرد، ارتعاش عمودی ایجاد می شود.

اولین گام در تهیه بتن، آماده سازی سیمان است. یک نوع سیمان یعنی سیمان پرتلند به دلیل استحکام بیشتر، دوام بیشتر و کیفیت یکنواخت تر نسبت به سیمان طبیعی، برتر شناخته می شود. برای تهیه آن، مواد اولیه خرد شده و به صورت پودر ریز آسیاب و با هم مخلوط می شود. سپس مواد در معرض مراحل حرارت دهی (کلسینه کردن و حرارت دادن) قرار می گیرند. در کلسینه کردن مواد تا دمای بالایی حرارت داده می شوند اما با هم آمیخته نمی شوند. در کوره، مواد با هم آمیخته شده و یک ماده به نام کلیتکر تشکیل می دهند. سپس کلینکر در یک آسیاب گلوله ای (استوانه حاوی گلوله های فولادی خرد کننده مواد) پودر می شود.

پس از تهیه سیمان پرتلند، این سیمان با سنگدانه هایی مانند شن و ماسه، افزودنی ها، الیاف، و آب مخلوط می شود. سپس به محل حمل شده و جایدهی می شود. در طول جای دهی، باید از جدایش مواد اولیه مختلف دوری کرد تا تراکم کامل (حذف حباب های هوا) حاصل شود.

عمل آوری

• وقتی بتن، جای دهی و متراکم شد، باید پیش از پایان، عمل آوری شود تا اطمینان حاصل شود که با سرعت بیش از حد خشک نشود. استحکام بتن تحت تاثیر سطح رطوبت در طول فرآیند سخت شدن قرار دارد: وقتی سیمان جامد می شود، بتن منقبض می گردد. اگر محدودیت های محلی مانع انقباض نشود، تنش های کشش توسعه خواهد یافت، و بتن را ضعیف خواهد کرد. برای به حداقل رساندن این مشکل، باید بتن در طول چند روزی که سخت شدن آن طول می کشد، مرطوب نگه داشته شود.

کنترل کیفیت بتن

سازندگان بتن از تامین کنندگان مواد اولیه انتظار دارند که محصول یکنواخت و یک شکل برای آنها تامین کنند. در کارخانه تولید بتن، باید نسبت های مواد اولیه مختلفی که وارد سیمان می شود، بررسی شود تا یک خوراک کوره یکنواخت به دست آید، و نمونه مخلوط ها به طور مرتب با استفاده از تحلیل فلورسانس اشعه ایکس بررسی گردد.

استحکام بتن شاید مهم ترین ویژگی است که باید آزمایش شود تا مطابق مشخصه ها باشد. برای دستیابی به استحکام مطلوب، کارکنان باید به طور دقیق فرآیند ساخت را کنترل کنند که معمولاً این کار را با کنترل فرآیند آماری انجام می دهند. فعالان حوزه آزمایش مواد، انواع روش های آزمایش استحکام را توسعه داده اند. نمودارهای کنترل کیفیت به طور گسترده توسط تامین کنندگان بتن مخلوط شده آماده، استفاده می شود و مهندسان در محل به طور پیوسته استحکام بتن را ارزیابی می کنند. دیگر مشخصه مهم برای مطابقت عبارتند از محتوای بتن، نسبت آب/سیمان، قابلیت کار که روش های آزمون استاندارد برای این موارد توسعه داده شده است.

سرمایه اولیه لازم برای راه اندازی کارخانه تولید بتن آماده

قبل از احداث هر واحد صنعتی، باید میزان دقیق سرمایه اولیه مورد نیاز آن طرح، مشخص گردد. در مورد کارخانه تولید بتن، بخشی از سرمایه اولیه صرف خریداری تجهیزات تولید بتن، حمل و نقل، و پمپاژ آن می گردد. مابقی هزینه نیز مربوط به احداث زیرساخت هایی همچون کارگاه های آرماتور بندی، قالب سازی، بتن ریزی می شود.

در این طرح توجیهی، تمامی هزینه ها و پیش نیازهای ضروری، به صورت دقیق در نظر گرفته شده اند. این هزینه ها شامل هزینه های عملیاتی طرح، هزینه های مربوط به استخدام منابع انسانی، هزینه های حامل های انرژی، هزینه های استهلاک، و هزینه های اداری می باشند.

میزان سودآوری کارخانه بتن آماده

همانطور که ذکر شد، بتن آماده کاربردهای فراوانی در صنایع ساختمان سازی، راه سازی و … دارد. در نتیجه می توان عنوان کرد که بازار خوبی در انتظار این محصول می باشد و تولید کنندگان این محصول، همواره با درآمدی پیوسته روبرو هستند. البته که برآورد سودآوری نهایی هر طرح صنعتی، وابسته به فاکتورهای متعددی مانند محل کارخانه، بازار آن منطقه، میزان سرمایه گذاری اولیه و در نتیجه ظرفیت تولیدی نهایی می باشد.

برآورد سود نهایی در این طرح توجیهی با در نظر گرفتن سرمایه گذاری اولیه و همچنین تحقیقات بازار، انجام شده است.