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.

از طرف دیگر، حرارت تولید شده به وسیله هیدراتاسیون سیمان می تواند از یخ زدن آب در لوله های مویینه بتن تازه درجا ریخته شده، در هوای سرد جلوگیری نماید، و بنابراین در چنین موردی تولید حرارت زیاد، دارای مزیت خواهد بود. بنابراین واضح است که علم به خواص گرمازایی سیمان های مختلف در انتخاب مناسب ترین نوع آن، برای یک منظور معین، مفید خواهد بود. می توان اضافه نمود که دمای بتن تازه نیز ممکن است تحت تاثیر گرم و سرد کردن مصنوعی قرار گیرد.

حرارت هیدراتاسیون، مقدار حرارت (بر حسب ژول بر گرم) سیمان هیدراته نشده می باشد که در یک دمای معین در اثر هیدراتاسیون کامل، به وجود می آید. معمول ترین روش تعیین حرارت هیدراتاسیون به وسیله سنجش حرارت های انحلال سیمان هیدراته شده و هیدراته نشده در مخلوطی از اسیدهای نیتریک و هیدروفلوریک می باشد. اختلاف بین این دو مقدار معرف حرارت هیدراتاسیون می باشد. این روش در بخش ۸-۳ آیین نامه BS 4550:1978 که مشابه روش استانداردASTM C 186-94  می باشد، توصیف شده است. در حالی که مشکلات خاصی در این روش دیده نمی شوند، باید دقت شود که از کربناته شدن سیمان هیدراته نشده، جلوگیری به عمل آید، زیرا جذب 1 درصد CO₂، منجر به کاهش ظاهری حرارت هیدراتاسیون به مقدار 24.3J/g (5.8cal/g)  از کل حرارت هیدراتاسیون بین ۲۵۰ و کمی بیش از  ۴۲۰J/g (بین ۶۰ و  ۱۰۰cal/g)، می گردد.^29-1

 

جدول 7-1: حرارت هیدراتاسیون ایجاد شده پس از 72 ساعت در دماهای مختلف ^30-1

نوع سیمان	حرارت هیدراتاسیون ایجاد شده در:
	C°41		C°41		C°41		C°41
	J/g	Cal/g	J/g	Cal/g	J/g	Cal/g	J/g	Cal/g
I	154	36.9	258	68.0	309	73.9	335	80.0
III	221	52.9	348	83.2	357	85.3	390	93.2
IV	108	25.7	195	46.6	192	45.8	214	51.2

ساعت شکل ۱۴-۱:  افزایش دمای بتن 1:2:4 (با نسبت آب به سیمان 0.60) ساخته شده با سیمان های مختلف و عمل آمده به صورت بی دررو^31-1. كل حرارت هیدراتاسیون هر سیمان در سه روز نشان داده شده است

دمایی که هیدراتاسیون در آن رخ می دهد، شدیدا تحت تاثیر روند ایجاد حرارت قرار می گیرد و این موضوع در داده های جدول ۷-۱ با حرارت ایجاد شده در مدت ۷۲ ساعت نشان داده شده است. دما بر مقدار حرارت هیدراتاسیون درازمدت تاثیر کمی دارد.^82-1

بیان دقیق مطلب آن است که، حرارت هیدراتاسیون به صورتی که اندازه گیری می شود از حرارت شیمیایی واکنش های هیدراتاسیون و حرارت جذب آب بر روی سطح ژلی که به وسیله فرآیند هیدراتاسیون به وجود آمده، ناشی می شود. حرارت ذکر شده تقریبا معادل یک چهارم کل حرارت هیدراتاسیون می باشد. بنابراین حرارت هیدراتاسیون در واقع یک کمیت مرکب است.^24-1

برای مقاصد عملی، الزاما كل حرارت هیدراتاسیون مهم نبوده بلکه روند ایجاد حرارت حائز اهمیت می باشد. مقدار معین از کل حرارت تولید شده در زمانی طولانی تر می تواند به میزان بیشتری تلف گردد و در نتیجه سبب افزایش کمتری در دما شود. می توان روند توسعه دما را به آسانی در کالری متر بی دررو سنجید. منحنی های نمونه زمان در برابر دما که تحت شرایط بی دررو به دست آمده، در شکل ۱۴-۱ نشان داده شده اند. نسبت 1:2:4 معرف نسبت جرمی سیمان به سنگدانه ریز به سنگدانه درست است.)

 

جدول 8-1: حرارت هیدراتاسیون ترکیبات مرکب خالص^32-1

ترکیب مرکب	حرارت هیدراتاسیون
	J/g	Cal/g
C3S	502	120
C2S	260	62
C3A	867	207
C4AF	419	100

 

برای گستره متداول سیمانهای پرتلند، مشاهدات Bogue ^1-2نشان داد که حدود نیمی از کل حرارت بین ۱ تا ۳ روز، حدود سه چهارم آن در ۷ روز و ۸۳ تا ۹۱ درصد آن در شش ماه آزاد می شود. مقدار واقعی حرارت هیدراتاسیون به ترکیب شیمیایی سیمان بستگی دارد و حرارت هیدراتاسیون سیمان تقریبا برابر است با مجموع حرارتهای هیدراتاسیون ترکیبات منفرد، وقتی که به طور جداگانه هیدراته می شوند. چنین نتیجه می شود که اگر ترکیبات مرکب سیمان در دسترس باشند، می توان حرارت هیدراتاسیون آن را با دقت مناسبی محاسبه نمود. مقادیر نمونه حرارت هیدراتاسیون ترکیبات خالص در جدول 8-1 داده شده اند.

باید توجه داشت که هیچگونه رابطه ای بین حرارت هیدراتاسیون و خصوصیات چسبانندگی ترکیبات منفرد وجود ندارد. Steinour، Woods و Starke ^1-33تعدادی از سیمان های تجاری را آزمایش نمودند و با استفاده از روش حداقل مربعات، سهم ترکیبات منفرد سیمان در کل حرارت هیدراتاسیون را محاسبه کردند. آنها معادله هایی از نوع زیر به دست آوردند. حرارت هیدراتاسیون 1g سیمان برابر است با

۱۳۶C₃S +۶۲(C₂S)+۲۰۰ (C₃A) +۳۰ (C₄AF)

که در آن عبارات داخل پرانتز معرف درصد جرمی ترکیبات منفرد موجود در سیمان می باشند. تحقیقات بعدی^83-1 اغلب سهم ترکیبات مختلف بر حرارت هیدراتاسیون سیمان (به جز مورد C₂S که سهم آن حدود نصف مقادیر داده شده در رابطه فوق بود) را تایید نمودند.

از آنجا که در مراحل اولیه هیدراتاسیون، ترکیبات مختلف با روندهای متفاوتی هیدراته می شوند، روند ایجاد حرارت به همان صورت کل حرارت، به ترکیبات مرکب سیمان بستگی دارد. چنین نتیجه می شود که با کاهش نسبت های ترکیباتی که سریع تر هیدراته می شوند (C₃S و C₃A)، می توان روند زیاد حرارت ایجاد شده در عمر اولیه بتن را کم نمود. نرمی ذرات سیمان نیز بر روند ایجاد حرارت تاثیر می گذارد، افزایش نرمی ذرات سیمان، واکنش های هیدراتاسیون و در نتیجه حرارت ایجاد شده را سرعت می بخشد.

شکل ۱۵-۱: تاثیر مقدار C₃A بر ایجاد حرارت ^32-1 (مقدار C₃S تقریبا ثابت است)

 

شکل ۱۶- ۱: تاثیر مقدار C₃S بر ایجاد حرارت ^۳۲-۱ (مقدار C₃A تقریبا ثابت است)

 

منطقی است تصور شود که روند اولیه هیدراتاسیون هر ترکیب مرکب در سیمان با مساحت سطح سیمان متناسب است، اما در مراحل بعدی تاثیر مساحت سطح ناچیز است و مقدار كل حرارت آزاد شده تحت تاثیر نرمی ذرات سیمان قرار نمی گیرد.

میزان تاثیر C₃S و C₃A را می توان از شکل های ۱۵-۱ و ۱۶-۱ نتیجه گرفت. همان طور که قبلا بیان گردید، برای بسیاری از کاربردهای بتن، ایجاد حرارت کنترل شده دارای مزیت است و سیمان های مناسبی برای این منظور توسعه یافته اند. یکی از این نوع سیمانها، سیمان پرتلند با حرارت کم می باشد که با جزییات بیشتر در فصل بعد مورد بحث قرار خواهد گرفت. روند ایجاد حرارت برای این سیمان و سایر انواع سیمانها در شکل ۱۷-۱ نشان داده شده است.

 

شکل ۱۷ - ۱: توسعه حرارت هیدراتاسیون سیمان های مختلف عمل آمده در ۲۱^oC (نسبت آب به سیمان، 0.40)^34-1

مقدار سیمان موجود در مخلوط نیز بر کل حرارت ایجاد شده تاثیر می گذارد. بنابراین برای کنترل حرارت ایجاد شده می توان میزان سیمان در مخلوط بتن را تغییر داد.

 

بازگشت به فهرست