مختصری پیرامون شناخت سیمان و خواص عمومی آن

سیمان پرتلند محصولی چسباننده است که از آسیاب و پودر کردن  کلینکر با حضور سنگ گچ در یک کوره بزرگ

گردنده که دمای آن تا حدود 1500 درجه سانتیگراد می رسد، بدست می‌آید.

استفاده از سنگ گچ به منظور تنظیم زمان گیرش سیمان می باشد. به طور معمول مقدار گچ در سیمان پرتلند کمتر از

3% می باشد.

بیش از 90%  سیمان را اکسیدهای کلسیم، آلومینیوم، سیلیسیوم و آهن تشکیل می دهد.

از آنجا که خواص گیرش و سخت شدن سیمان در حضور آب اتفاق می افتد آن را محصولی هیدرولیکی می دانیم.

کلینکر

کلینکر در حکم ماده اولیه تولید سیمان است که به طور عمده ترکیبی متشکل از اکسیدهای سیلیسی، ترکیبات کلسیمی،

آلومینیومی و آهنی می‌باشد.

منبع اصلی تامین ترکیبات فوق، سنگ و خاک موجود در طبیعت است .

هیدراسیون یا آب گیری سیمان

ترکیبات سیلیکاتی و آلومیناتی در مواجهه با آب محصولاتی را بوجود می آورند که با گذشت زمان، سخت و محکم 

می شوند.

میزان پیشرفت واکنش های آب گیری سیمان را می توان با توجه به مقدار Ca(OH)2   ایجاد شده در خمیر یا میزان

حرارت آزاد شده در محیط واکنش اندازه گیری نمود. هر گرم سیمان 500 ژول یا 120 کالری گرما آزاد می کند.

بررسی های میکروسکوپی نشان می دهد که همیشه بخشی از ذرات سیمان به صورت خشک  و آبگیری نشده باقی

می مانند.

ریزتر شدن اندازه ذرات سیمان شانس آبگیری کامل را بیشتر می کند و موجب توسعه سریع مقاومت می شود. اندازه

نرمی سیمان را با سطح مخصوص (متر مربع بر کیلوگرم) نشان می دهند.

محصولات واکنش سیمان و آب

سیلیکات کلسیم هیدراته C-S-H  حدود 75 درصد خمیر سیمان را تشکیل می دهد.

آهک هیدراته  CH حدود 25 درصد خمیر سیمان را تشکیل می دهد.

مجموع قلیایی Na₂O & K₂O بایستی کمتر از0.6% باشد.

انواع سیمان

تیپ I   پرتلند معمولی

تیپ II  پرتلند اصلاح‌شده  با مقاومت متوسط در برابر سولفات‌ها

تیپ III  پرتلند زودگیر دارای استحکام اولیه بالا

تیپ IV پرتلند با گرمازایی کم 

تیپ V  پرتلند مقاوم در برابر سولفات

ترکیبات شیمیایی مهم در سیمان پرتلند

C3S    سه کلسیم سیلیکات (Alite)

C2S   دو کلسیم سیلیکات (Belite)

C4AF چهار کلسیم آلومینو فریت (Ferrite)

C3A   سه کلسیم آلومینات (Aluminate)

درصد تقریبی ترکیبات و خواص تیپ های محتلف سیمان

خواص C2S و C3S یا آلیت و بلیت

سیلیکات‌ها ترکیبات اصلی و مهم سیمان می‌باشند و مقاومت سیمان هیدراته شده به آنها بستگی  دارد.

C2S & C3S + H2O = C3S2H3 + Ca(OH)2

امروزه تولید سیمان با مقادیر بیشترC3S  به شدت مورد توجه می باشد چرا که واکنش های آبگیری و سخت شدن C3S

سریعتر از C2S می باشد.

خواصC4AF یا فریت

با سنگ گچ سیمان، سولفوفریت کلسیم تشکیل می‌دهد که این ماده هیدراتاسیون سیلیکات‌ها را تسریع می‌کند.

نقش کوچکی در توزیع مقاومت ایفا می کند.

مقادیر C4AF تا حد زیادی تعیین کننده رنگ سیمان می باشد.

فرمول کامل تر آن به این شرح 4CaO• Al₂O₃ • Fe₂O₃  است.

خواص  C3Aیا آلومینات

آلومینات خواص مثبت و منفی متعددی را شامل می شود که عمده آنها به شرح زیر است:

نکات منفی:

1- واکنش آن با آب شدید است و موجب گیرش آنی می شود. برای کنترل گیرش آنی سیمان به کلینکر سیمان سنگ گچ

(CaSo4, 2H20) افزوده می شود. البته چنانچه در ادامه توضیح داده خواهد شد، سنگ گچ خود می تواند موجب نوعی

از گیرش به نام گیرش کاذب شود.

2- تنها در سنین اولیه سهمی در ایجاد مقاومت ایفا می کند.

3- در صورت حمله سولفاتی با تشکیل سولفوآلومینات کلسیم و انبساط ناشی از آن (تا حدود 200 درصد) می تواند موجب

 آسیب به توده بتنی شود.

نکات مثبت:

1- دمای لازم برای پخت کلینکر را کاهش می دهد.

2- ترکیب شدن آهک و سیلیس را تسهیل می کند. 

3- در هنگام حملات کلریدی، یون های کلرید را به هم می چسباند و با تشکیل کلروآلومینات کلسیم سبب محافظت از

آرماتورها می شود.

در مجموع وجود C3Aیا آلومینات برای تولید سیمان مفید است.

گیرش سیمان

گیرش مهمترین خصلت سیمان است که آن حالت سیمان از مایع به جامد تغییر می یابد.

بدیهی است گیرش متفاوت از سخت شدن بوده و هنگامی از واژه سخت شدن سیمان استفاده می کنیم که کسب مقاومت

خمیر سیمانی آغاز شود. گیرش سیمان نتیجه هیدراتاسیون یا آب گیری ترکیبات  C₃S یا آلیت  وC₃A یا آلومینات است.

سه کلسیم سولفات  C₃S و سه کلسیم آلومیناتC₃Aپیش از دیگرترکیبات آغازبه آبگیری می کند.

گیرش کاذب

به سفت شدن سیمان طی چند دقیقه اول اضافه شدن آب به سیمان گفته می شود. گیرش کاذب را نتیجه نقش سنگ گچ تشنه

شده ای می دانند که در هنگام آسیاب کردن کلینکر ایجاد می شود.

به این معنی که سنگ گچ که خود برای مهار واکنش های شدید آلومینات با آب و ممانعت از گیرش آنی به کلینکر اضافه

می شود، در دمای زیاد کوره آب خود را از دست داده و به اصطلاح به گچ تشنه تبدیل می شود. در دقایق اولیه اضافه

شدن آب به سیمان، گچ تشنه می تواند به سرعت بخشی از آب را جذب کرده و در نتیجه گیرش سریع گچ باعث گیرش

کاذب سیمان خواهد شد.

گیرش کاذب با تداوم اختلاط آب و سیمان بر طرف شده و نیازی به افزودن آب مجدد نخواهد داشت.

گیرش آنی

حاصل آبگیریC₃A یا آلومینات است که واکنشی شدید بوده وچنانچه توضیح داده شد، برای مهار آن از سنگ گچ استفاده

می شود.

سخت شدن

سخت شدن سیمان به معنی کسب مقاومت خمیر سیمان پس از گیرش آن می باشد.

مقاومت بتن

از لحاظ کاربرد سازه ای، مقاومت مکانیکی سیمان سخت شده بیش از خواص دیگر سیمان مورد توجه می باشد.

مقاومت ملات یا بتن به چسبانندگی خمیر سیمان، چسبندگی سیمان به سنگدانه ها و به مقاومت ذاتی سنگدانه ها بستگی

دارد.

مقاومت خمیر سیمان هیدراته شده در فشار، بیشتر از مقاومت کششی آن می باشد.

افزوده شدن  1%  هوا در بتن حدود  6%  از مقاومت فشاری می کاهد.

در مورد بتن سخت شده مهمترین عوامل موثر در مقاومت نسبت آب به سیمان، درجه تراکم و سن بتن می باشد.

روند آزاد سازی حرارت

روند کسب مقاومت