آشنایی با سیمان پرتلند و خواص آن

سیمان پرتلند

در معنای کلی کلمه، می توان سیمان را به عنوان ماده ای با خواص چسبندگی و چسبانندگی توصیف نمود، که قادر است ذرات معدنی را به صورت جسم یکپارچه و متراکم در آورد. البته این تعریف انواع متعددی از مواد سیمانی را در بر می گیرد.

در صنعت ساختمان معنای کلمه «سیمان» به موادی که برای به هم چسباندن سنگها، ذرات ماسه، آجرها، بلوک های ساختمانی و غیره به کار می روند، محدود می شود. اجزای اصلی این نوع سیمان را ترکیبات آهکی تشکیل می دهند، لذا در مهندسی راه و ساختمان اغلب سیمانهای آهکی مورد نظر می باشند. سیمان های مورد توجه در ساخت بتن دارای خاصیت گیرش و سخت شدن در زیر آب، در اثر واکنش شیمیایی با آن، بوده و لذا به آنها سیمان های آبی (هیدرولیکی) گفته می شود.

سیمان های آبی اغلب از سیلیکات ها و آلومینات های آهک تشکیل شده اند و به صورت کلی می توان آنها را به گروه های سیمان های طبیعی، سیمانهای پرتلند و سیمانهای برقی طبقه بندی نمود. در این فصل تولید سیمان پرتلند، ساختمان و خواص آن در حالت هیدراته نشده و پس از سخت شدن، بررسی خواهند شد.

تاریخچه

استفاده از مواد سیمانی از زمانهای بسیار دور متداول بوده است؛ مصریان قدیم گچ تکلیس شده ناخالص را به کار می بردند، یونانیان و رومی ها سنگ آهک تکلیس شده را مصرف می کردند و بعد آموختند که به مخلوط آهک و آب، ماسه و سنگ خرد شده یا آجر و سفال های شکسته نیز اضافه کنند. این اولین نوع بتن در تاریخ بود. ملات آهک در زیر آب سخت نمی شود و رومی ها برای ساختمان سازی در زیر آب، سنگ و آهک و خاکستر آتشفشانی یا پودر بسیار نرم سفال های سوخته شده را با هم آسیاب می نمودند و به کار می بردند. سیلیس و آلومین فعال موجود در خاکستر و سفال با آهک ترکیب شده و آنچه که به اسم سیمان پوزولانی (پوزولان از اسم دهکده Pozuoli که در نزدیکی آتشفشان وزو قرار دارد و برای اولین بار خاکستر آتشفشانی را در این محل پیدا نمودند، گرفته شده است) شناخته شده است را تولید می نماید. نام «سیمان پوزولانی» را تا به امروز برای توصیف سیمانهایی که به آسانی از آسیاب نمودن مواد طبیعی در دمای معمولی به دست می آیند، به کار برده اند. بعضی از ساختمانهای رومی که در آنها آجرها به وسیله ملات به یکدیگر چسبانده شده اند مانند Coliseum در روم، و Pont du Gard در نزدیکی Nimes و سازه های بتنی مانند ساختمان Pantheon در روم تا امروز باقی مانده اند و مواد سیمانی آنها هنوز سخت و محکم است. در خرابه های نزدیک Pompeii اغلب ملات به هم چسباننده سنگ ها کمتر از خود سنگها، که نسبتا سست می باشند، هوازده شده است.

در قرون وسطی انحطاطی در کیفیت و کاربرد سیمان به وجود آمد و فقط در قرن ۱۸ بود که پیشرفتی در دانش سیمانها حاصل شد. در سال ۱۷۵۶ که John Smeaton. مامور بازسازی برج چراغ دریایی Eddystone در فراساحل جنوب غربی انگلستان شده بود، به این نتیجه رسید که بهترین ملات وقتی به دست می آید که مواد پوزولانی با سنگ آهک حاوی نسبت قابل توجهی از مواد رسی مخلوط شود. با تشخیص اینکه نقش خاک رس، که قبلا نامناسب در نظر گرفته می شد، Smeaton اولین شخصی بود که به خواص شیمیایی آهک آبی ، یعنی ماده ای که از پخت مخلوطی از سنگ و خاک رس به دست می آید، پی برد.

متعاقبا سیمان های آبی دیگر مانند «سیمان رومی» که James Parker از کلسینه نمودن گلوله های سنگ آهک رسی آن را به دست آورد، به وجود آمد. بالاخره در سال ۱۸۲۴ Joseph Aspdin که معماری در شهر Leeds بود، «سیمان پرتلند» را به ثبت رساند. این سیمان را از حرارت دادن مخلوطی از پودر نرم خاک رس و سنگ آهک سخت در کوره، تا حدی که CO₂ آن به خارج رانده شود، به دست آوردند، دمای کوره خیلی پایین تر از حد لازم برای تولید کلینکر بود. نخستین نمونه از سیمانی که امروزه آن را به نام سیمان پرتلند می شناسیم، در سال ۱۸۴۵ به وسیله Isaac Johnson از حرارت دادن مخلوط خاک رس و سنگ آهک سست تا حد کلینکر شدن و صورت پذیرفتن واکنش های لازم برای تشکیل ترکیبات چسباننده پر قدرت تهیه گردید.

نام «سیمان پرتلند»، که در ابتدا به علت تشابه رنگ و کیفیت سیمان گیرش حاصل کرده با سنگ پرتلند - سنگ آهکی که در Dorset انگلستان استخراج می شود - به آن داده شد، تا امروز در سراسر دنیا برای توصیف سیمانی که از در هم آمیختن کامل و حرارت دادن مواد آهکی و رسی، یا سایر مواد حاوی سیلیس، آلومین و اکسید آهن، تا دمای کلینکر شدن و آسیاب نمودن کلینکر حاصل شده، باقی مانده است و تعریف سیمان پرتلند در استانداردهای مختلف، با توجه به اینکه بعد از پخت، سنگ گچ به آن افزوده می شود، بر این راستا قرار دارد؛ امروزه ممکن است مواد دیگری نیز افزوده یا آمیخته شوند.

	بخش اول: تولید سیمان پرتلند این سیمان اصولا از مواد آهکی مانند سنگ آهک یا سنگ آهک سست، آلومین و سیلیسی که در خاک رس یا سنگ رسی وجود دارد، ساخته می شود. گل آهک که مخلوطی از مواد آهکی و رسی است، نیز مورد استفاده قرار می گیرد. مواد خام برای تولید سیمان پرتلند تقریبا در کلیه کشورها یافت می شوند و کارخانه های سیمان در تمام دنیا مشغول تولید می باشند. اصولا روش تولید تشکیل شده است از آسیاب نمودن مواد خام، مخلوط نمودن کامل آنها در نسبت های معین و حرارت دادن در یک کوره بزرگ گردنده در دمای تا حدود ۱۴۵۰oC تا وقتی که مواد به مرز ذوب شدن می رسند و بخشی از آنها ذوب می شوند و سبب ایجاد گلوله هایی به نام کلینکر می گردند. ادامه مطلب
بخش دوم: ترکیبات شیمیایی سیمان پرتلند مواد خام مصرف شده در تولید سیمان پرتلند عمدتا از سنگ آهک، سیلیس، آلومین و اکسید آهن تشکیل شده اند. در داخل کوره این ترکیبات با یکدیگر واکنش حاصل نموده، تشکیل یک سری ترکیبات پیچیده تری می دهند، به استثنای باقی مانده کمی از آهک ترکیب نشده ای که زمان کافی برای واکنش نداشته است مواد به حالت تعادل شیمیایی می رسند. ولیکن در جریان سرد شدن تعادل حفظ نمی شود و روند سرد شدن بر درجه تبلور و مقدار مواد بی شکل (آمورف) موجود در کلینکر سرد شده تاثیر خواهد گذاشت. ادامه مطلب
	بخش سوم: هیدراتاسیون سیمان ممکن است انواع ترکیبات موجود در سیمان به دو طریق با آب واکنش نشان دهند. در نوع اول تعدادی از مولکول های آب مستقیما به مولکولهای سیمان افزوده می شوند و این واکنش حقیقی هیدراتاسیون خواهد بود. واکنش نوع دوم به صورت هیدرولیز خواهد بود. به هر حال مناسب و متداول است که عبارت هیدراتاسیون برای کلیه واکنش های با آب به کار برده شود؛ یعنی هم برای هیدراتاسیون واقعی و هم برای هیدرولیز. ادامه مطلب
بخش چهارم: گیرش این واژه ای است که برای توصیف سفت شدن خمیر سیمان به کار برده می شود. اگرچه تعریف سفت شدن برای خمیری که گیرش حاصل کرده است تا حدودی اختیاری است، به طور کلی گیرش به تغییر وضعیت از حالت مایع به حالت جامد اطلاق می شود. گرچه به هنگام گیرش، خمیر سیمان مقاومت کمی نیز حاصل می نماید، اما برای مقاصد عملی، متمایز نمودن گیرش از سخت شدن، که به معنی کسب مقاومت خمیر سیمان گیرش یافته می باشد، مهم است. ادامه مطلب
	بخش پنجم: نرمی ذرات سیمان به علت اینکه هیدراتاسیون از سطح ذرات سیمان شروع می شود لذا کل مساحت سطح سیمان است که معرف مواد قابل دسترس برای هیدراتاسیون می باشد. بنابراین روند هیدراتاسیون به نرمی ذرات سیمان بستگی دارد و برای یک توسعه سریع مقاومت، نرمی زیاد ذرات، ضروری خواهد بود. مقاومت دراز مدت تحت تاثیر نرمی ذرات سیمان قرار نمی گیرد. البته روند بیشتر هیدراتاسیون اولیه به معنی روند بیشتر ایجاد حرارت اولیه است. ادامه مطلب
بخش ششم: ساختار سیمان هیدراته شده به نظر می رسد که بسیاری از خواص مکانیکی سیمان سخت شده و بتن آنقدر که به ساختار فیزیکی محصولات هیدراتاسیون (در مقیاس کلوییدی ابعاد) بستگی دارند به ترکیب شیمیایی سیمان هیدراته شده بستگی نداشته باشند. به این دلیل داشتن تصویر واضحی از خواص فیزیکی ژل سیمان حائز اهمیت است. خمیر تازه سیمان شبکه ای است خمیری از ذرات سیمان در آب وليکن به مجرد گیرش خمیر، حجم ظاهری یا ناخالص آن تقریبا ثابت می ماند. ادامه مطلب
	بخش هفتم: حجم محصولات هیدراتاسیون فضای ناخالص موجود برای محصولات هیدراتاسيون تشکیل شده است از حجم مطلق سیمان خشک و حجم آب افزوده شده به مخلوط. در این مرحله، از افت کم آب به علت آب انداختن و جمع شدگی خمیر در حالی که هنوز دارای خاصیت خمیری است، صرف نظر می شود. برطبق گزارش ها، آبی که به صورت شیمیایی با C3S و C2S پیوند حاصل کرده است با تقریب زیاد، به ترتیب بین ۲۴ و ۲۱ درصد جرم این دو سیلیکات می باشد. ارقام متناظر برای CFA و CAF بین ۴۰ و ۳۷ درصد می باشند. ادامه مطلب
بخش نهم: مقاومت مکانیکی ژل سیمان دو نظریه کلاسیک برای سخت شدن با کسب مقاومت سیمان وجود دارد. نظریه ای که به وسیله H.LeChatelier در سال ۱۸۸۲ پیشنهاد گردید، بیانگر آن است که محصولات هیدراتاسیون سیمان نسبت به ترکیبات اصلی از قابلیت حل شدن کمتری برخوردار می باشند. به طوری که هیدرات ها از یک محلول کاملا اشباع شده رسوب می نمایند و این رسوب به شکل بلورهای دراز به هم بافته شده ای است که دارای خصوصیات چسبندگی و پیوستگی زیاد می باشد. ادامه مطلب
	بخش نهم: آب همراه خمیر هیدراته شده سیمان وجود آب در سیمان هیدراته شده مکرراً ذکر شده است. در واقع خمیر سیمان به دلیل خاصیت نمگیری پودر سیمان، همراه با وجود منافذ بی نهایت ریز در آن، جاذب الرطوبه است. مقدار واقعی آب خمیر به رطوبت هوا بستگی دارد. به ویژه به دلیل اندازه نسبتا بزرگ منافذ مویینه، موقعی که رطوبت نسبی هوا به کمتر از حدود ۴۵ درصد می رسد، آب آنها تخلیه می شود، اما حتی در رطوبت های بسیار کم محیط نیز، آب جذب سطح منافذ ژلی می گردد. به این ترتیب مشاهده می شود آب همراه خمیر سیمان درجات پایداری متفاوتی دارد. در یک طرف طيف، آب آزاد وجود دارد و در طرف دیگر، آب به صورت ترکیبی شیمیایی ظاهر می شود که قسمت معینی از ترکیبات هیدراته شده را تشکیل می دهد. در بین این دو کرانه، آب ژل با درجات پایداری متغیری وجود دارد. ادامه مطلب
بخش دهم: حرارت هیدراتاسیون سیمان هیدراتاسیون ترکیبات سیمان مانند بسیاری از واکنش های شیمیایی، گرمازا است. هر گرم از سیمان تا حدود 500J/g (120cal/g) گرما آزاد می کند. از آنجا که هدایت حرارتی بتن نسبتا کم است، به عنوان عایق حرارتی عمل می نماید و در داخل یک جرم عظیم بتنی، هیدراتاسیون می تواند به یک افزایش شدید دما منجر شود. همزمان سطح خارجی جرم بتن مقداری از گرمای خود را از دست می دهد، به طوری که شیب زیاد حرارتی ایجاد گردیده و در نتیجه ممکن است در جریان سرد شدن بعدی، در قسمت داخلی بتن، ترکهای عمیقی به وجود آیند. ولیکن این رفتار به وسیله خزش بتن یا به وسیله عایق کاری سطح جرم بتنی اصلاح می گردد. ادامه مطلب
	بخش یازدهم: تاثیر ترکیبات مرکب بر خواص سیمان حرارت هیدراتاسیون سیمان تابع تجمعی ساده از ترکیبات مرکب سیمان است. بنابراین چنین به نظر می رسد که هیدرات های مختلف، خصوصیات خود را در ژل سیمان (که می توان آن را به عنوان مخلوط فیزیکی بسیار نرم یا متشکل از پلیمرهای کمکی هیدراتها در نظر گرفت) حفظ می نمایند. می توان تایید دیگری بر این فرض را از سنجش سطح مخصوص سیمانهای حاوی مقادیر مختلف C2S و C3S به دست آورد: نتایج به دست آمده با مساحت های سطح مخصوص هیدرات های خالص C2S و C3S مطابقت دارند. به صورت مشابه آب هیدراتاسیون با حاصل جمع ترکیبات منفرد مشابه مطابقت دارد. ادامه مطلب
بخش دوازدهم: آزمایش های خواص سیمان تولید سیمان به کنترل دقیق نیاز دارد و آزمایش های متعددی در آزمایشگاه های کارخانجات سیمان انجام می شوند تا اطمینان حاصل گردد که سیمان دارای کیفیت مورد نظر بوده و با الزامات استانداردهای مربوطه مطابقت دارد. با وجود این بهتر است که خریدار و یا یک آزمایشگاه مستقل، آزمایش های پذیرش را انجام دهند، و یا اغلب بیشتر آن دسته از خواص مربوطه سیمان که برای مقاصد ویژه ای به کار برده می شوند مورد آزمایش قرار می گیرند. ادامه مطلب
	منابع ادامه مطلب