سنگ یا خاک 

از نقطه نظر زمین شناسی، سنگ به موادی از پوسته زمین اطلاق می‌شود که از یک یا چند کانی که با یکدیگر پیوند یافته‌اند، درست شده‌است. در مقابل خاک توده‌ای از ذرات با دانه‌های منفصل یا دارای پیوند سست است که بر اثر هوازدگی سنگ‌ها و به طور برجا تشکیل شده‌است. لیکن در مهندسی و کارهای ساختمانی قابلیت حفاری مصالح زمین‌شناسی به عنوان شاخصی در طبقه بندی آنها به دو گروه سنگ و خاک مورد استفاده قرار می‌گیرد.

سنگ‌های رسوبی 

بعضی از سنگ‌ها بر اثر ته نشین شدن مواد داخل آب به وجود می‌آیند. رودها مقدار زیادی مواد را با خود به دریاها و دریاچه‌ها می‌برند. این مواد به دلیل سنگینی به ته دریا می‌روند. روی هم قرار می‌گیرند و پس از سفت شدن سنگ‌هایی را به وجود می‌آورند که به آنها سنگ‌های رسوبی گفته می‌شود. سنگ‌های رسوبی لایه لایه‌اند که رنگ یا جنس هر لایه با لایه دیگر متفاوت است. سنگ‌های رسوبی در کوه‌های البرز و زاگرس به فراوانی یافت می‌شوند. ریگ، شن و سنگ‌های آهکی نمونه‌هایی از سنگ‌های رسوبی هستند.

سنگ‌های آذرین 

گروه دیگری از سنگ‌ها بر اثر سرد شدن مواد بسیار داغ به وجود آمده‌اند که قبلاً در زمین بوده‌اند. دمای اعماق زمین زیاد است و بعضی سنگ‌ها را ذوب می‌کند. این سنگ‌ها در زیر یا سطح زمین دوباره سرد می‌شوند و سنگ‌هایی را به وجود می‌آورند که به آنها آذرین می‌گویند. سنگ‌های کوه‌هایی مانند دماوند و الوند از نوع آذرین است. سنگ‌های آذرین از بلورهای ریز یا درشت تشکیل شده‌اند.

سنگ‌های دگرگون شده 

بعضی از سنگ‌های رسویی یا آذرین اگر مدت زیادی در اعماق زمین بمانند، باید فشار و گرمای زیادی را تحمل کنند. این سنگ‌ها مانند آجر پخته می‌شوند و شکل قبلی خود را از دست می‌دهند و به همین دلیل به آنها سنگ‌های دگرگون شده می‌گویند. 

مشخصات کلی انتخاب سنگ برای مصارف ساختمانی 

1- بافت سنگ باید ساختمانی سالم داشته باشد، یعنی بدون شیار، ترک و رگه‌های سست باشد (کرمو نباشد)

2- بدون هرگونه خلل و فرج باشد

3- پوسیدگی نداشته باشد

4- یکدست، یکنواخت و همگن باشد

5- سنگ ساختمانی نباید آب زیاد جذب کند، لذا نباید:

الف- در آب متلاشی یا حل شود

ب- تمام یا قسمتی از آن بیش از 8 درصد وزن خود آب بمکد

6- سنگ ساختمانی نباید آلوده به مواد طبیعی و مصنوعی باشد

7- سنگ باید شرایط فیزیکی و شیمیایی محیط را تحمل کند، لذا باید:

الف- در برابر باد، یخبندان، تغییرات دما و در صورت وجود جریان آب در مقابل آن و کلیه عوامل فرسایش مقاومت کند

ب- در برابر محیط‌های شیمیایی اسیدی و قلیایی و همچنین عمل آبکافت و اکسیداسیون مقاومت کند

8- مقاومت فشاری برای قطعات باربر نباید کمتر از 150 کیلوگرم بر سانتی متر مربع باشد

9- در مقابل سایش مقاوم باشد

طبقه بندی سنگ‌های طبیعی براساس BS812 

• گروه بازالت: آندزیت، بازالت، پرفیریت‌های قلیایی، دولومیت‌ها، اپیدیوریت، لامپروفیر، کوارتز-دولویت و اسپلیت
• گروه فلینت: چرت، فلینت
• گروه گابرو: دیوریت قلیایی، گنایس قلیایی، گابرو، هورن بلند، نوریت، پریدوتیت، پیکریت و سرپانتینت
• گروه گرانیت: گنایس، گرانیت، گرانودیوریت، پگناتیت، کوارتز-دیوریت و سینیت
• گروه سنگ‌های ماسه‌ای و آذرین: آرکوز، گریویک، ماسه سنگ و توف
• گروه سنگ آهک: دولومیت، سنگ آهک و مرمر

ماسه از ساحلی در ونکوور، (1 تا 2 سانتیمتر مربع).

سنگریزه خردتر از شن را ماسه گویند . ماسه معمولاً در ساحل دریا و رودخانه به راحتی یافت می‌شود. در مهندسی عمران بر اساس طبقه بندی، ASTM به سنگدانه‌های ریزتر از 4?75 میلی متر و درشت تر از 0?075 میلی متر ماسه می‌گویند. طبق استاندارد طبقه بندی متحد خاک، ماسه به سه رده ریز، متوسط و درشت طبقه بندی می‌شود.

یک منطقه خاک رس در آلمان

خاک‌ها مخلوطی از مواد معدنی و آلی هستند که از تجزیه و تخریب سنگ‌ها در نتیجه? هوازدگی بوجود می‌آیند که البته نوع و ترکیب خاک‌ها در مناطق مختلف بر حسب شرایط ناحیه فرق می‌کند. مقدار آبی که خاک‌ها می‌توانند بخود جذب کنند، از نظر کشاورزی و همچنین در کارخانه‌های راه‌سازی و ساختمانی دارای اهمیت بسیاری است که البته این مقدار در درجه? اول بستگی به اندازه دانه‌های خاک دارد.

هرچه دانه خاک ریزتر باشد، آب بیشتری را به خود جذب می‌کند که این خصوصیت برای کارهای ساختمان‌سازی مناسب نیست. بطور کلی خاک خوب و حد واسط از دانه‌های ریز و درشت تشکیل یافته‌است. تشکیل خاک‌ها به گذشت زمان، مقاومت سنگ اولیه یا سنگ مادر، آب و هوا، فعالیت موجودات زنده و بالاخره توپوگرافی ناحیه‌ای که خاک در آن تشکیل می‌شود بستگی دارد.

عوامل موثر در تشکیل خاک

سنگ‌های اولیه یا سنگ مادر

کمیت و کیفیت خاک‌های حاصل از سنگ‌های مختلف اعم از سنگهای آذرین، رسوبی و دگرگونی به کانی‌های تشکیل دهنده سنگ، آب و هوا و عوامل دیگر بستگی دارد. خاک حاصل از تخریب کامل سیلیکاتهای دارای آلومینیوم و همچنین سنگهای فسفاتی از لحاظ صنعتی و کشاورزی ارزش زیادی دارد. در صورتیکه خاک‌هایی که از تخریب سنگ‌های دارای کانی‌های مقاوم (از قبیل کوارتز و غیره) در اثر تخریب شیمیایی پدید آمده‌اند و غالبا شنی و ماسه‌ای می‌باشند فاقد ارزش کشاورزی می‌باشند.

پوشش گیاهی و فعالیت موجودات زنده

پوشش گیاهی قالب هرمنطقه و نوع و ترکیب مواد آلی حاصل از باقیمانده های گیاهی که مرتباً به خاک افزوده می شوند تأثیر به سزایی در خصوصیات فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیک خاک دارند. تمایز انواع خاک‌ها از نقطه نظر کشاورزی به نوع و مقدار مواد آلی (ازت و کربن) موجود در آن بستگی دارد. بعنوان مثال نیتروژن و کربن موجود در اتمسفر بطور مستقیم قابل استفاده برای گیاهان نمی‌باشد. بلکه ترکیبات نیتروژن‌دار و کربن دار لازم برای رشد گیاهان باید به شکل قابل حل در خاک وجود داشته باشد که این عمل در خاک‌ها بوسیله فعالیت های زیستی برخی از گیاهان و باکتری‌ها انجام می‌شود. خاک‌ها معمولاً دارای یک نوع مواد آلی کربن‌دار تیره رنگی هستند که هوموس نامیده می‌شوند و از بقایای گیاهان بوجود می‌آید. از جمله تأثیرات فیزیکی مواد آلی موجود در خاک، ذخیره رطوبت بیشتر در این خاک ها در مقایسه با خاک های با شرایط فیزیکی مشابه ولی فاقد مواد الی می باشد.

زمان

هر قدر مدت عمل فرسایش کانی‌ها و سنگ‌ها بیشتر باشد عمل تخریب فیزیکی و شیمیایی کاملتر انجام می‌گیرد. زمان فرسایش کامل بسته به نوع سنگ، ساخت و بافت سنگ‌ها و نیز ترکیب و خاصیت تورق کانی‌ها متفاوت می‌باشد ولی بطور کلی سنگهای رسوبی خیلی زودتر تجزیه شده و به خاک تبدیل می‌شوند، در صورتیکه سنگهای آذرین مدت زمان بیشتری لازم دارند تا تجزیه کامل در آنها صورت گرفته و به خاک تبدیل گردند.

آب و هوا

وفور آب‌های نفوذی و عوامل آب و هوا از قبیل حرارت، رطوبت و غیره در کیفیت خاک‌ها اثر بسزایی دارند. جریان آبهای جاری بخصوص در زمین‌های شیب‌دار موجب شستشوی خاک‌ها می‌شوند و با تکرار این عمل مقدار مواد معدنی و آلی بتدریج تقلیل می‌یابد. اثر تخریبی اتمسفر همانطور که قبلا بیان گردید روی برخی از کانی‌ها موثر و عمیق می‌باشد و هر قدر رطوبت همراه با حرارت زیادتر باشد شدت تخریب نیز بیشتر می‌گردد. عامل زمان پس از تشکیل خاک اولیه منجر به تکامل ثانوی خاک و شکل گیری لایه بندی خاک، ساختمان خاک و جابجایی و رسوب پدوژنیک مواد معدنی و آلی موجود در لایه های فوقانی خاک می شود.

توپوگرافی محل تشکیل خاک

اگر محلی که خاک‌ها تشکیل می‌شوند دارای شیب تند باشد در نتیجه مواد تخریب شده ممکن است بوسیله آبهای جاری و یا عامل دیگری خیلی زود بسادگی از محل خود بجای دیگری حمل گردند و یا شستشو بوسیله آبهای جاری و یا عامل دیگری خیلی زود بسادگی از محل خود بجای دیگری حمل گردند و یا شستشو بوسیله آبهای جاری باعث تقلیل مواد معدنی و آلی خاک‌ها شود در نتیجه این منطقه خاک‌های خوب تشکیل نخواهند شد. ولی برعکس در محل‌های صاف و مسطح که مواد تخریب شده بسادگی نمی‌توانند به جای دیگری حمل شوند فرصت کافی وجود داشته و فعل و انفعالات بصورت کامل انجام می‌پذیرد.

مواد تشکیل دهنده خاک‌ها

موادی که خاک‌ها را تشکیل می‌دهند به چهار قسمت تقسیم می‌شوند :

•مواد سخت: مواد سخت را ترکیبات معدنی تشکیل می‌دهند ولی ممکن است دارای مقداری مواد آلی نیز باشند. البته این ترکیبات معدنی از تخریب سنگ‌های اولیه یا سنگ مادر حاصل شده‌اند که گاهی اوقات همراه با مواد تازه کلوئیدی و نمک‌ها می‌باشند.

•موجودات زنده در خاک‌ها : تغییراتی که در خاک‌ها انجام می‌پذیرد بوسیله موجودات زنده در خاک انجام می‌گیرد. قبل از همه ریشه گیاهان، باکتری‌ها، قارچها، کرم‌ها و بالاخره حلزون‌ها در این تغییرات شرکت دارند.

•آب موجود در خاک‌ها : آبی که در خاک وجود دارد حمل مواد حل‌شده را به عهده دارد که البته این مواد حمل شده برای رشد و نمو گیاهان به مصرف می‌رسد. آب موجود در خاک‌ها از باران و آبهای نفوذی، آب جذب شده و بالاخره آبهای زیرزمینی تشکیل شده که در مواقع خشکی از محل خود خارج شده و بمصرف می‌رسد.

•هوای موجود در خاک : هوا همراه با آب در خوه‌های خاک‌ها وجود دارد که البته این هوا از ضروریات رشد و نمو گیاهان و ادامه حیات حیوانات می‌باشد. مقدار اکسیژنی که در این هوا وجود دارد از دی اکسید کربن کمتر است و این بدان علت است که ریشه گیاهان برای رشد و نمو اکسیژن مصرف کرده و دی اکسید کربن پس می‌دهند.

تقسیم‌بندی خاک‌ها از لحاظ سنگ‌های تشکیل دهنده

بر حسب دانه‌های تشکیل دهنده خاک و هم‌چنین شرایط میزالوژی و پتروگرافی زمین خاک‌های مختلفی وجود دارد که عبارتند از :

خاک رسی : ذرات رس (Clay) دارای قطری کوچکتر از 0?002 میلی‌متر می‌باشند و در حدود 50? خاک را تشکیل می‌دهند. خاک‌های رسی چون دارای دانه‌های بسیار ریزی هستند به خاک سرد معروفند و در مقابل رشد گیاهان مقاومت نشان داده و رشد آنها را محدود می‌کنند.

خاک‌های سیلتی : 50? این نوع خاک‌ها را ذرات سلیت تشکیل داده‌است که دارای قطری بین 0?05 تا 0?002 میلی‌متر می‌باشند و بر حسب اینکه ناخالصی مثل ماسه، رس و غیره بهمراه دارند به نام خاک‌های سیلتی ماسه‌ای و یا سیلتی رسی معروفند.

•خاک‌های ماسه‌ای : این خاک‌ها از 75? ماسه تشکیل شده‌اند. قطر دانه‌ها از 0?06 تا 2 میلیمتر است و بر حسب اندازه دانه‌های ماسه به خاک‌های ماسه‌ای درشت، متوسط و ریز تقسیم می‌گردند. مقدار کمی رس خاصیت خاک‌های ماسه‌ای را تغییر می‌دهد و این نع خاک آب را بیشتر در خود جذب می‌کند تا خاک‌های ماسه‌ای که فاقد رس هستند.

•خاک‌های اسکلتی : خاکهای اسکلتی به خاکهایی اطلاق می‌گردد ک در حدود 75? آن را دانه‌هایی بزرگتر از 2 میلی‌متر از قبیل قلوه سنگ، دیگ و شن تشکیل می‌دهند. این خاک‌ها، آب را به مقدار زیاد از خود عبور می‌دهند و لذا همیشه خشک می‌باشند.

روخاک تیره‌رنگ و زیرخاک قهوه‌ای مایل به سرخ از ویژگی‌های خاک‌های مناطق نیمه‌گرمسیری مرطوب است.

خاک از فرسایش سنگ ایجاد می‌شود. خصوصیات فیزیکی خاک در مرحله نخست تحت تأثیر کانی‌های تشکیل دهنده ذرات خاک و بنابراین تحت تأثیر سنگی قرار دارد که از آن به وجود امده‌است.

== طبقه بندی خاک == خاک بر سرت با این مقاله دادنت

از دیدگاه ژئوتکنیک خاک‌ها به دو دسته درشت‌دانه و ریزدانه تقسیم می‌شوند اما از دیدگاه علم خاکشناسی خاک‌ها به سه دسته^[] درشت بافت شامل خاکهای شنی و متوسط بافت شامل سیلت و ماسه و ریزبافت شامل خاکهای رسی طبقه بندی می‌شوند.

خاک‌های درشت‌بافت دارای منافذ کمتری نسبت به خاکهای ریزبافت هستند. در خاکهای رسی حجم خلل و فرج بیش از خاکهای ماسه‌ای و شنی می‌باشد. خاکهای ماسه‌ای نفوذ پذیری بیشتری نسبت به خاکهای رسی دارند و آب خود را به راحتی از دست می‌دهند و توانایی ذخیره سازی رطوبت در آنها کمتر از خاکهای ریز بافت است و این به سبب بزرگی قطر خلل و فرج آنهاست.

نیم‌رخ خاک‌ها معمولاً از 3 افق A,B,C تشکیل شده‌است.

•افق A : که به نام خاک بالایی نامیده می‌شود، فوقاتی‌ترین منطقه خاک است و این همان افقی است که رشد و نمو گیاهان در آن نفوذ می‌کنند. این افق از مواد خاکی نرم (رس) که غنی از مواد آلی و موجودات زنده میکروسکوپی است تشکیل یافته‌است که وجود این مواد آلی باعث رنگ خاکستری تا سیاه این افق می‌گردد. البته این زمین غالبا برای کشاورزی مناسب می‌باشند. اکسیدهای آهن و همچنین بعضی از مواد محلول ممکن است از این منطقه به افق B برده شوند و در آنجا رسوب کنند.

افق B : قشر بین افق A و C را یک قشر دیگر تشکیل می‌دهد که به نام افق B یا خاک میانی نامیده می‌گردد. در این افق عمل تخریب و تجزیه به مراتب بیشتر از افق C پیشرفت و اثر کرده‌است و از کانی‌های سنگ مادر فقط آن دسته دیده می‌شوند. که بسیار مقاومند (مثل کوارتز) ولی سایر کانی‌ها به شدت تجزیه شده‌اند. این افق معمولاً از مواد رسی، ماسه و شن‌های ریز و درشت و گاه مقادیر کمی بقایای نباتی تشکیل شده‌است. در این افق علاوه بر مواد رسی، در آب و هوای مرطوب، اکسیدهای آهن و همچنین مواد محلول‌تر که بوسیله آب‌های نفوذی از افق A به آنجا آورده شده‌اند دیده می‌شوند.

•افق C : که به آن خاک زیرین نیز گفته می‌شود، افقی است که مواد سنگی به میزان خیلی کم تخریب و تجزیه شده‌اند و در نتیجه سنگ‌های اولیه زیاد تغییر نکرده بلکه بصورت قطعات خرد شده می‌باشند. زیر این منطقه سنگ‌های تخریب نشده یعنی سنگ اولیه قرار دارد که هیچگونه تخریب و یا تجزیه‌ای در آن صورت نگرفته‌است.

آهن عنصر شیمیایی فلزی ای با نماد Fe، عدد اتمی 26 و چگالی 7.87g/cm3 است، آهن در گروه 8 و دوره? 4 عناصر است، بنابراین به عنوان فلز واسطه دسته‌بندی شده است. آهن و آلیاژهای آن از رایج‌ترین فلزات و رایج‌ترین مواد فرومغناطیسی در کاربردهای روزمره هستند. آهن دارای سطوح صاف و نقره ای براق مایل به رنگ خاکستری‌ست اما وقتی در هوا با اکسیژن ترکیب می‌شود به رنگ قرمز یا قهوه ای در می آید که به آنها اکسید درای ترکیبات آهن یا زنگ گفته می شود. کریستال‌های خالص آهن نرمه (نرم تر از آلمینیوم) و با اضافه کردن مقدار کمی ناخالصی مانند کربن مقدار قابل توجهی تقویت می شود. مقادیر مناسب و کمی (تا چند درصد) از فلزات دیگر و کربن، تولید فولاد می‌کند که می تواند 1000 بار سخت تر از آهن خالص باشد. Fe56 سنگین‌ترین ایزوتوپ پایدار (تولید شده توسط فرآیند آلفا در نکلئوسنتز استلار) است که با عناصر سنگین‌تر از آهن و نیکل برای تشکیلشان به سوپر نوا احتیاج دارند. آهن فراوان‌ترین عنصر در غول‌های قرمز است، و فراوان‌ترین فلز در شهاب‌سنگ‌ها و در هسته? فلزی متراکم در سیاراتی مثل زمین است.

ویژگی‌ها

آهن خالص فلز است، اما به ندرت در این شکل روی سطح زمین یافت می‌شود زیرا در حضور اکسیژن و رطوبت یه آسانی اکسیده می شود. به منظور به دست آوردن فلز آهن، اکسیژن باید از سنگ معدن‌های طبیعی توسط کاهش شیمیایی حذف شود – به طور عمده از سنگ آهن از سنگ Fe2O3 توسط کربن در درجه حرارت بالاست. خواص آهن را می توان با تولید آلیاژ هایی از آن با استفاده از فلزات متنوع گوناگون (و بعضی غیر فلزها به ویژه کربن و سیلیکون) اصلاح نمود و فولادها را ایجاد کرد. هسته? اتم‌های آهن دارای تقریبا بالاترین انرژی‌های اتصال در هر نکلئون است و تنها ایزوتوپ Ni62 دارای انرژی بیشتر از آن می باشد. هرچند فراوان‌ترین نوکلیدهای پایدار همان Fe56 می‌باشد، این آهن از طریق همجوشی هسته ای در ستاره‌های شکل گرفته است و اگرچه اندکی انرژی کمتر نیز از طریق سنتز کردن نیکل 62 نیز استخراج می گردد. شرایط در ستارگان برای ایجاد این فرآیند مناسب نیست. توزیع عنصر آهن بر روی زمین بسیار بیشتر از نیکل است و احتمالا در تولید عنصر از طریق سوپر نوا نیز همینطور است. آهن (آهن Fe+2، یون فروس) عنصر ردیابی لازمی‌ست که تقریبا تمام موجودات زنده از آن استفاده می کنند. تنها استثناهای این موضوع چندین موجود زنده ای هستند که در محیط‌های فقیر از نظر آهن زندگی می کنند و به گونه ای تکامل یافته اند که عناصر گوناگونی را در فرآیندهای متابولیکشان مورد استفاده قرار دهند مثل منگنز به جای آهن برای تجزیه و یا هموسیانین به جای هموگلوبین. آنزیم‌های حاوی آهن معمولاً دارای گروه‌های هموپروستاتیک هستند که در تجزیه? واکنش‌های اکسیداسیون در زیست‌شناسی و در انتقال تعدادی از گازهای حل شدنی شرکت می کنند.

خواص مکانیکی

خواص مکانیکی و آلیاژهای آن با استفاده از آزمون‌های گوناگون مانند آزمون برنیل، راکول یا آزمایش‌های مقاومت کششی ارزیابی می‌شود، نتایج این قسمت‌ها به گونه ای با یکدیگر سازگارند که قسمت‌های آهن اغلب برای مرتبط نمودن نتایج یک تست با تست دیگر به کار می رود. اندازه گیری‌ها نشان می دهد که خواص مکانیکی آهن عمدتا بستگی به خلوص دارد به گونه ای که خالص‌ترین کریستال‌های تک آهن که برای مقاصد تحقیقاتی تولید شده اند از آلمینیوم نرم ترند، افزودن تنها 10 قسمت در میلیون کربن مقاومتش را دو برابر می کند. سختی نیز به سرعت با افزایش مقدار کربن تا 0/2% و اشباع شده تقریبا در 0/6% به سرعت افزایش می یابد. خالص‌ترین آهن تولید شده? صنعتی (تقریبا 99/99% خلوص) دارای سختی 20-30 برنیل است.

شکل مختلف

آهن شاید بهترین مثال شناخته شده از دگروارگی در یک فلز باشد، سه فرم چند شکلی از آهن وجود دارد که به نام‌های α ، ϒ و δ شناخته می شود همانطور که آهن ذوب شده سرد می‌شود در دمای 1538 درجه? سانتی گراد به آلوتروپ δ کریستالیزه می‌شود که دارای یک ساختمان کریستالی مکعبی مرکزی‌ست، همانطور که بیشتر سرد می‌شود ساختمان بلوری یا کریستالی در دمای 1394 درجه? سانتی گراد به شکل مکعبی وجه مرکزی تغییر می یابد که به نام آهن ϒ یا استنیت شناخته می‌شود، در دمای 912 درجه? سانتی گراد ساختمان بلوری یا کریستالی دوباره مکعبی بدنه مرکزی یا آهن α یا فریت می‌شود و در 770 درجه? سانتی گراد (نقطه? کوری ، TC) آهن مغناطیسی می‌شود، هنگامی که آهن از دمای کوری عبور می‌کند تغییری در ساختمان کریستالی وجود ندارد اما در ساختمان حوزه تغییری رخ می دهد ( هر حوزه شامل اتم‌های آهن با یک اسپین الکترونیک خاص می باشد). در آهن غیر مغناطیسی شده همه? اسپین‌های الکترونیک اتم هادر یک حوزه در یک جهت قرار دارند هرچند در حوزه? مجاور آنها جهات متفاون و گوناگونی دارد و لذا یکدیگر را خنثی می کنند، در آهن مغناطیسی اسپین‌های الکترونیک همه? حوزه‌ها همجهت شده اند لذا اثرات مغناطیسی حوزه‌های مجاور همدیگر را تقویت می کنند اگر چه هر حوزه شامل بیلیون‌ها اتم است ولی آنها خیلی کوچک و در حدود 10 میکرون می باشند. آهن وقتی با بعضی فلزات خاص دیگر و کربن مخلوط می‌شود تا فولاد را ایجاد نماید دارای بیشترین اهمیت خواهد بود، انواع مختلفی از فولاد وجود دارد که درای خواص متفاوتی می باشند و درک خواص آلوتروپ‌های آهن کلید ساخت فولاد هایی با کیفیت خوب می باشد. آهن α یا همان فریت پایدارترین شکل آهن در دمای اتاق است. این آهن فلز نسبتا نرمی‌ست که دارای مقدار کمی کرین ( نه بیش از 0/021% از جرم در 910 درجه? سانتی گراد) می باشد. در دماهای بالای 912 درجه? سانتی گراد و تا 1400 درجه? سانتی گراد آهن α یک انتقال فاز از حالت مکعب بدن مرکزی به حالت مکعب وجه مرکزی یعنی آهن ϒ را که استانیت نیز نامیده می‌شود تجربه می کند. این آهن نیز نرم است اما می تواند مقدار بسیار بیشتری کربن (به میزان 2/4% جرمی در دمای 1146 درجه? سانتی گراد) داشته باشد، این شکل آهن در فولاد ضد زنگ که برای ساختن کارد و چنگال، تجهیزات بیمارستان‌ها و صنایع غذایی به کار می رود استفاده می شود.

پیدایش

آهن ششمین عنصر از لحاظ فراوانی در جهان است که در آخرین کنش نکلئوسنتز در ستاره‌های بزرگ از طریق سیلیکون فیوزینگ ایجاد می‌شود در حالی که آهن حدود 5% از پوسته? زمین را تشکیل می دهد، اعتقاد بر این است که هسته? زمین در حد زیادی از یک آلیاژ آهن-نیکل تشکیل شده است که 35% جرم کل زمین را تشکیل می دهد، بنابر این آهن فراوانترین عنصر روی زمین است ولی در پوسته? زمین چهارمین عنصر از لحاظ فراوانی می باشد. بیشتر آهن پوسته به شکل ترکیبی با اکسیژن به صورت سنگ‌های معدنی اکسید آهن مثل هماتیت و مگنتیت یافت می شود. حدود یکی از بیست شهاب سنگ تنها از مواد معدنی آهن-نیکل تائنیت (35-80% آهن) و کاماسیت (90-95% آهن) تشکیل شده اند. اگر چه نادر، شهاب سنگ‌های آهنی بیشترین شکل آهن فلزی طبیعی در سطح زمین می باشند. تصور بر این است که رنگ قرمز سطح مریخ ناشی از رگولیت غنی اکسید آهن است.

ایزوتوپ‌ها

آهن به طور طبیعی متشکل از 4 ایزوتوپ: 5/848% رادیواکتیو Fe54 (نیمه عمر بزرگتر از 3/1 × 22 10سال) ، 91/754% Fe56 پایدار ، 2/119% از Fe57پایدار و 0/282% از Fe58 پایدار می باشد. Fe60 یک رادیونیوکلاید منقرض شده با نیمه عمر طولانی (1/5 میلیون سال)می باشد. بیشتر کارهای قبلی در اندازه گیری ترکیب ایزوتوپیک Fe بر تعیین انواع Fe60 تولید شده از فرایندهای همراه با نکلئو سنتز (یعنی مطالعات شهاب سنگ) و تشکیل سنگ معدن متمرکز شده است. هرچند در دهه? اخیر پیشرفت تکنولوژی طیف سنجی جرمی اجازه? تشخیص و ارزیابی تغییرات طبیعی در نسبت‌های ایزوتوپ‌های پایدار آهن را داده است. بیشتر این کار به وسیله? انجمن‌های علوم زمین و سیاره ای انجام شده است، هرچند کاربردهای آن در سیستم‌های بیولوژیک و صنعتی در حال آغاز شدن می باشد. فراوان‌ترین ایزوتوپ آهن Fe56 مورد توجه ویژه? دانشمندان هسته ای می باشد. تصور غلط رایج این است که این ایزوتوپ پایدارترین هسته ممکن است و لذا انجام شکافت یا همجوشی در Fe56 و آزاد سازی انرژی از آن غیر ممکن است این مطلب درست نیست، چرا که هم Ni62 و هم Fe58 پایدار ترند و پایدارترین هسته می باشند. هرچند چون نیکل Ni56 در واکنش‌های هسته ای سوپر نوا در فرایند α از هسته‌های سبکتر به گونه ای بسیار آسانتر تولید می‌شود، نیکل 56 (ذرات آلفای 14)آخرین نقطه? زنجیره? همجوشی در ستاره‌های بسیار عظیم می‌باشد، و از آنجا که افزودن یک آلفای دیگر روی-60 را تولید می‌کند که نیاز به مقدار بسیار بیشتری انرژی دارد. این نیکل 56، که دارای نیمه عمر حدود 6 سال است به مقدار زیاد در این ستاره‌ها ساخته می‌شود اما به زودی توسط دو انتشار پزیترون پی در پی در درون محصولات تاخیری سوپر نوا در ابر گاز باقی مانده از سوپر نوا به اولین رادیو اکتیو کبالت 56، و سپس آهن 56 پایدار متلاشی می شود. این هسته? اخیر بنابر این در همه جای دنیا در مقایسه با دیگر فلزات پایدار با وزن اتمی تقریبا مشابه دارای فراوانی بیشتریست. در فازهای شهاب سنگ‌های سمارکونا و چرونیکات ارتباطی بین غلظت Na60، محصول دختر Fe60، و فراوانی ایزوتوپ‌های آهن پایدار قابل مشاهده بود که نشان از وجود Fe60 در زمان تشکیل منظومه? شمسی دارد. احتمالا انرژی رها شده از فروپاشی آهن 60 همراه با انرژی رها شده از فروپاشی رادیونیکلاید Al26 در ذوب دوباره و افتراق سیارات بعد از تشکیل آن‌ها در 4/6 بیلیون سال پیش مشارکت داشته است. فراوانی Na60 موجود در مواد فرا زمینی نیز ممکن است اطلاعات بیشتری نسبت به منشا منظومه? شمسی و تاریخ ابتدایی آن ارائه دهد. از میان ایزوتوپ‌های پایدار، تنها Fe57 یک اسپین هسته ای (-1/2) دارد.

شیمی و ترکیبات

آهن ترکیباتی را ایجاد می‌کند که عمدتا در حالت‌های اکسیداسیون +2 و +3 هستند به طور سنتی، ترکیبات آهن II فروس نامیده می شوند و ترکیبات آهن (III) فریک نامیده می شود. ترکیبات زیادی در هر یک از حالات اکسیداسیون وجود دارد که مثال هایی از آن شامل سولفات آهن (II) (FeSo4) و کلرید آهن (III) (FeCl3) می باشد. همچنین مثال‌های بیشماری از ترکیباتی که شامل اتم‌های آهن در هر دوی این حالات اکسیداسیون وجود دارد مانند مگنتیک و آبی پروسی. آنیون منفی فریت [Fe 24] شامل یک مرکز آهن، (Vi)بالاترین حالت اکسیداسیون شناخته شده? آن می‌باشد و مثلا در فریت پتاسیم (کا دو اف ای اُ 4) وجود دارد. ترکیبات اورگانومتالیک بی شماری (مثل پنتا کربنیل آهن) وجود دارند که دارای آهن زیرو ولنت (یا کمتر) هستند.

تاریخچه

اولین آهن شکل گرفته که توسط نوع بشر در دوره? پیش از تاریخ مصرف شد از شهاب سنگ‌ها آمده بود. ذوب آهن در کوره‌ها در هزاره? دوم پیش از میلاد شروع شد، آثار مکشوفه از آهن ذوب شده از 1200-1800 پیش از میلاد در هند و در مشرق از حدود 1500 پیش از میلاد بدست آمد (که گمان می رود ناشی از ذوب آهن در آناتولی یا قفقاز بوده است). چدن برای اولین بار در حدود 550 پیش از میلاد در چین تولید شد اما در اروپا تا سال‌های قرون وسطا تولید نشد، در طول دوران قرون وسطا ابزاری در اروپا کشف شد که از آهن شکل یافته از چدن (pig Iron) با استفاده از ریخته گری زیور آلات تولید شده بودند، برای تمام این فرآیندها از ذغال چوب به عنوان سوخت استفاده شد. فولاد (که با کربن کمتر از pig Iron است اما آهن شکل یافته بیشتری دارد) اولین بار در دوران باستان تولید شد. روش‌های تازه? تولید آن به وسیله? میله‌های کربنیزه کردن آهن در فرآیند سیمانی کردن در قرن هفدهم بعد از میلاد ابداع شد. در انقلاب صنعتی روش‌های جدید تولید آهن بدون ذغال چوب ابداع شد و این روش‌ها بعداً در تولید فولاد مورد استفاده قرار گرفتند . در اواخر دهه? 1850، هنری بسمر فرآیند جدیدی برای ساخت فولاد اختراع کرد که شامل دمیدن هوا از روی چدن مذاب برای تولید فولاد نرم بود. این فرآیند و دیگر فرآیندهای ابداع شده در قرن 19 و بعد از آن منجر یه آن شد که دیگر آهن شکل یافته تولید نشود.

کانی‌ها 

آهن در اغلب رسها، ماسه‌سنگها و گرانیت‌ها وجود دارد. در میان کانه‌های مهم آن می‌توان از هماتیت، مگنتیت، پیریت و کالکوپیریت را نام برد.

وظایف آهن در بدن

1- انتقال o2 در گلوبولهای قرمز
2- تولید هموگلوبین خون
3- مقاومت در برابر استرس و ناخوشی
4- عملکرد صحیح آنزیمها
5- تقویت سیستم ایمنی

آلوتروپ‌های آهن

• آهن آلفا 
• آهن گاما
• آهن دلتا
• آهن اپسیلون

اشباع آهن در سنگ آهک

سنگ آهک نوعی سنگ رسوبی است که عمدتا از کلسیت معدنی تشکیل شده‌است.

اصول تهیه و بکارگیری آهک

آرامگاه کورش بزرگ از سنگ آهک ساخته شده است.

در واقع هدف از تهیه آهک، تبدیل سنگ آن به حالت قابل مصرف و تبدیل مجدد آن به سنگ آهک، پس از مصرف می‌باشد.

بعد از تهیه سنگ آهک CaCO₃ از معادن مربوطه، آنرا درون کوره‌های مخصوص قرار داده و با قراردادن آن تحت درجه حرارت 900 درجه سانتی گراد، رطوبت همراه سنگ تبخیر شده و ترکیب CaCO₃ را در کوره‌های مکانیزه یا سنتی می‌شکنند و آنرا تبدیل به آهک زنده با فرمول CaO و گاز CO₂ می‌کنند. :گازکربنیک به همراه سایر گازها از دودکش کوره خارج می‌گردد.

آهک زنده را با آب ترکیب و تبدیل به آهک شکفته با فرمول Ca(OH)₂ می‌کنند. این ماده که از دسته قلیایی هاست میل ترکیبی فراوانی با اسیدها دارد.

در نهایت آهک شکفته را به صورت خالص، با خاک یا ماسه به عنوان شفته آهکی در اندود یا ملات به کار می‌برند.

با گذشت زمان گاز دی اکسید کربن موجود در هوا با رطوبت محیط ترکیب شده و ایجاد اسید ناپایداری می‌کند که به داخل ملات نفوذ می‌کند و با آن ترکیب شده و موجب ایجاد دوباره CaCO₃ می‌شود. این عمل بسته به مکان کاربرد، رطوبت محیط، میزان گرمای هوا، ضخامت و نوع ملات، حتی تا ماه‌ها به طول می‌انجامد.

در صورت وجود ناخالصی‌های سیلیسی یا آلومینی، ملات به صورت آبی خشک می‌شود و تشکیل سیلیکات و آلومینات کلسیم می‌دهد که سبب مشابهت خواص این ملات و سیمان می‌گردد.

خواص آهک زنده

آهک زنده ماده‌ای سفیدرنگ با درجه ذوب 2500 درجه سانتی گراد است. به دلیل بالا بودن دمای ذوب، از آن برای اندود نمودن سطح کوره‌ها استفاده می‌کنند. این ماده میل ترکیبی فراوانی با آب دارد و به همین دلیل در نگهداری آن می‌بایست دقت خاصی مبذول شود.

معادن

مرغوب‌ترین سنگ آهک ایران در استانهای لرستان، کرمان، فارس، اصفهان وجود دارند.

گَچ: سنگ گچ سولفات دوکلسیم آبدار طبیعی است و در چندین فرم بلوری یافت می شود که در تشکیلات خاکی پوسته جامد کره زمین بصورت قشرهای نسبتاً ضخیم فراوان است که آن را استخراج می‌کنند و مورد استفاده قرار می‌دهند . گچ را پس از استخراج از معدن مانند آهک بکوره می‌برند و تا دمای حدود 180 درجه سانتیگراد حرارت می‌دهند تا مقداری از مولکولهای آب تبلورش را از دست بدهد وبصورت گچ قابل استفاده به عنوان مصالح ساختمانی وقالب گیری در آید.

رنگ گچ به طور طبیعی سفید بوده و ممکن است به خاطر ناخالصی های مواد آلی رس و اکسید آهن به رنگهای خاکستری، خاکستری مایل به آبی، صورتی یا زرد دیده شود . سنگ گچ دارای سیستم تبلور منوکلینیک، وزن مخصوص 32/2 و سختی 5/1 تا 2 می باشد. ژیپس مورد مصرف بعنوان سنگ گچ به صورت توده ای متبلور و دانه ریز تا سنگ به صورت دانه های درشت است . در اسید کلریدریک و آب گرم به صورت محلول در می آید. سنگ گچ خالص دارای 9/20 درصد آب ترکیبی و 6/46 درصد So3 و 5/32 درصد Cao است. خلوص سنگ گچ بر مبنای درصد کانی ژیپس در آن تعریف می شود . طبق استاندارد ASTM حداقل خلوص لازم برای سنگ گچ در مواد صنعتی 70 درصد ژیپس است در صورتیکه اغلب سنگ گچ های تجارتی دارای 75 تا 90 درصد خلوص می باشند. نا خالصیهای موجود در سنگ گچ اغلب شیل، رسها و کربنات کلسیم است و گاهی بازمانده فعالیتهای حیاتی نیز در آن دیده می شود.

به مواد غیرآلیِ غیرمعدنیِ جامد، سرامیک گفته می‌شود.

این تعریف نه‌تنها سفالینه‌ها، پرسلان(چینی)، دیرگدازها، محصولات رسی سازه‌ای، ساینده‌ها، سیمان و شیشه را در بر می‌گیرد، بلکه شامل آهنرباهای سرامیکی، لعاب‌ها، فروالکتریک‌ها، شیشه-سرامیک‌ها، سوخت‌های هسته‌ای و ... نیز می‌شود.

پیشینه

برخی آغاز استفاده و ساخت سرامیک‌ها را در حدود 7000 سال ق.م. می‌دانند  در حالی که برخی دیگر قدمت آن را تا 15000 سال ق.م نیز دانسته‌اند. ولی در کل اکثریت تاریخ‌نگاران بر 10000 سال ق.م اتفاق نظر دارند. (بدیهی است که این تاریخ مربوط به سرامیک‌های سنتی است.)

ریشه واژه 

واژه? سرامیک از واژه? یونانی کراموس (κεραμικ?ς) گرفته شده‌است که به معنی سفال یا شیء پخته‌شده‌است.

طبقه‌بندی سرامیک‌ها

سرامیک‌ها از لحاظ کاربرد به شکل زیر طبقه‌بندی می‌شوند:

• سرامیک‌های سنتی (سیلیکاتی)
• سرامیک‌های مدرن (مهندسی)
  • سرامیک‌های اکسیدی
  • سرامیک‌های غیر اکسیدی

سرامیک‌های اکسیدی را از لحاظ ساختار فیزیکی می‌توان به شکل زیر طبقه‌بندی کرد:

• سرامیک‌های مدرن مونولیتیک (یکپارچه)
• سرامیک‌های مدرن کامپوزیتی

انواع سرامیک‌ها 

سرامیک‌های سنتی 

این سرامیک‌ها همان سرامیک‌های سیلیکاتی هستند. مثل کاشی، سفال، چینی، شیشه، گچ، سیمان و ...

سرامیک‌های مدرن 

این فرآورده‌ها عمدتاً از مواد اولیه? خالص و سنتزی ساخته می‌شوند. این نوع سرامیک‌ها اکثراً در ارتباط با صنایع دیگر مطرح شده‌اند.

سرامیک‌های اکسیدی

برخی از پرکاربردترین این نوع سرامیک‌ها عبارت‌اند از:

• برلیا (BeO)
• تیتانیا (TiO₂)
• آلومینا (Al₂O₃)
• زیرکونیا (ZrO₂)
• منیزیا (MgO)

سرامیک‌های غیراکسیدی

این نوع سرامیک‌ها با توجه به ترکیبشان طبقه‌بندی می‌شوند که برخی از پرکاربردترین آنها در زیر آمده‌اند:

1. نیتریدها
   • BN
   • TiN
   • Si₃N₄
   • GaN
2. کاربیدها
   • SiC
   • TiC
   • WC

و....

صنعت سرامیک

بازار سرامیک‌های پیشرفته در ایالات متحده آمریکا در سال 1998 نزدیک به 705 میلیون دلار بود که در سال 2003 به 11 بیلیون دلار رسید.

خواص برتر سرامیک‌ها نسبت به مواد دیگر 

• دیرگدازی بالا
• سختی زیاد
• مقاومت به خوردگی بالا
• استحکام فشاری بالا

کاربردهای مختلف مواد سرامیکی

در زیر کاربردهای رایج مواد سرامیکی به همراه چندنمونه از مواد رایج در هر کاربرد آورده شده‌است:

1. الکتریکی و مغناطیسی
   • عایق‌های ولتاژ بالا (AlN- Al₂O₃)
   • دی الکتریک (BaTiO₃)
   • پیزوالکتریک (ZnO- SiO₂)
   • پیروالکتریک (Pb(Zr_xTi_1-x)O₃))
   • مغناطیس نرم (Zn_1-xMn_xFe₂O₄)
   • مغناطیس سخت (SrO.6Fe₂O₃)
   • نیمه‌رسانا (ZnO- GaN-SnO₂)
   • رسانای یونی (β-Al₂O₃)
   • تاباننده? الکترون (LaB₆)
   • ابررسانا (Ba₂LaCu₃O_7-δ)
2. سختی بالا
   • ابزار ساینده، ابزار برشی و ابزار سنگ‌زنی (₂O₃TiN-Al)
   • مقاومت مکانیکی (SiC- Si₃N₄)
3. نوری
   • فلورسانس (Y₂O₃)
   • ترانسلوسانس(نیمه‌شفاف) (SnO₂)
   • منحرف کننده? نوری (PLZT)
   • بازتاب نوری (TiN)
   • بازتاب مادون قرمز (SnO₂)
   • انتقال دهنده? نور (SiO₂)
4. حرارتی
   • پایداری حرارتی (ThO₂)
   • عایق حرارتی (CaO.nSiO₂)
   • رسانای حرارتی (AlN - C)
5. شیمیایی و بیوشیمیایی
   • پروتزهای استخوانی P₃O₁₂(Al₂O₃.Ca₅(F,Cl))
   • سابستریت (TiO₂- SiO₂)
   • کاتالیزور (KO₂.mnAl₂O₃)
6. فناوری هسته‌ای
   • سوخت‌های هسته‌ای سرامیکی
   • مواد کاهش‌دهنده? انرژی نوترون
   • مواد کنترل کننده? فعالیت راکتور