می توان به خاطر آورد که آخرین گام در تولید سیمان آسیاب کردن کلینکر مخلوط شده با سنگ گچ است. 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. (به شکل ۵-۱ رجوع شود). مقاومت دراز مدت تحت تاثیر نرمی ذرات سیمان قرار نمی گیرد. البته روند بیشتر هیدراتاسیون اولیه به معنی روند بیشتر ایجاد حرارت اولیه است. از طرف دیگر هزینه آسیاب نمودن، برای حصول نرمی بیشتر، قابل ملاحظه است و همچنین هرچه ذرات سیمان نرم تر باشند در هنگام قرار گرفتن در معرض هوا سریع تر فاسد می شوند. سیمان با ذرات نرم تر موجب واکنش شدیدتری بین سنگدانه های واکنش زا با قلیایی ها می گردد ^44-1و سبب می شود خمیر سیمان (نه الزاما بتن) جمع شدگی بیشتری از خود نشان دهد و مستعد ترک خوردگی بیشتر گردد. اگرچه آب انداختن سیمان نرم، کمتر از سیمان درشت دانه است.

افزایش در نرمی سبب ازدياد مقدار سنگ گچ لازم برای کندگیر نمودن مناسب سیمان میگردد؛

شكل ۵-۱: رابطه بین مقاومت بتن در عمرهای مختلف و نرمی ذرات سیمان اندازه

 

زیرا در یک سیمان نرم تر، C₃A بیشتری برای هیدراتاسیون اولیه در دسترس خواهد بود. مقدار آب خمیر سیمان با روانی متعارف، در سیمان نرم تر بیشتر است ولی برعکس افزایشی در نرمی ذرات سیمان باعث می شود که کارایی مخلوط بتن قدری بهبود یابد. این تناقض می تواند تا حدی ناشی از این حقیقت باشد که آزمایش های روانی خمیر سیمان و کارآیی بتن، خواص متفاوتی از خمیر تازه را می سنجند. همچنین هوای اتفاقی بر کارآیی خمیر سیمان تاثیر دارد و سیمانهای با نرمی متفاوت ممکن است حاوی مقادیر مختلفی از هوا باشند.

می توان مشاهده نمود که نرمی ذرات یک خاصیت بسیار مهم سیمان بوده و باید به دقت کنترل شود. بخشی از سیمان که روی الک۴۵μm (نمره ۳۲۵ ASTM) باقی می ماند را می توان با روش استاندارد ASTM C 430-92 تعیین نمود. (برای اندازه چشمه های الکهای مختلف به جدول ۱۴-۳ رجوع شود.) به این ترتیب، اطمینان حاصل می شود که سیمان حاوی مقدار زیادی از ذرات درشت(که به علت سطح بر واحد جرم کم، نقش کمی در فرآیند هیدراتاسیون و ایجاد مقاومت دارند) نمی باشد.

اما از آزمایش الک هیچگونه اطلاعاتی درباره اندازه ذرات کوچک تر از الک ۴۵μm (نمره ۳۲۵ ASTM) به دست نمی آید و این ذرات ریز می باشند که بیشترین نقش را در هیدراتاسیون اولیه دارند.به این دلیل، استانداردهای جدید آزمایشی را برای تعیین نرمی ذرات از طریق تعیین سطح مخصوص سیمان بر اساس کل مساحت سطح ذرات بر حسب متر مربع بر کیلوگرم توصیه نموده اند.

 

یک روش مستقیم سنجش، توزیع اندازه ذرات از طریق ته نشین نمودن، یا جدا نمودن ذرات امکان پذیر است. این روش ها بر اساس وابستگی روند سقوط آزاد ذرات به قطر آنها قرار دارند. قانون استوکس (Stokes) سرعت نهایی سقوط تحت شتاب ثقل ذرات کروی، در یک محیط مایع را به دست می دهد (در واقع ذرات سیمان کروی شکل نمی باشند.) البته این محیط انتخابی نباید با سیمان واکنش شیمیایی نشان دهد. همچنین مهم است که ذرات سیمان به نحو رضایت بخشی پخش شده باشند زیرا به هم چسبیدن بخشی از ذرات سبب کاهش ظاهری سطح مخصوص خواهد شد.

توسعه ای بر این روش، کدر سنج Wagner است که در ایالات متحده به کار برده می شود ( آیین نامه ASTM C 115-93). در این آزمایش تمرکز ذرات معلق در سطح معینی از نفت سفید به وسیله اشعه ای از نور تعیین می گردد. درصد نور عبور کرده به وسیله دستگاه سلول نوری اندازه گیری می گردد. کدر سنج عموما نتایج ثابتی را می دهد، ولی فرض پراکندگی یکنواخت اندازه ذرات کوچک تر از 7/5μm ، خطایی به وجود می آورد. دقیقا همین ریزترین اندازه ها هستند که بیشترین سهم را در سطح مخصوص سیمان دارند. این خطا به ویژه در مورد سیمانهای نرم تری که امروزه به کار برده می شوند، بسیار با اهمیت است. ولیکن اگر فراوانی ذرات با اندازه 5μm تعیین گردد و اصلاحی در محاسبات صورت پذیرد، می توان روش استاندارد را بهبود بخشید^51-1. نمونه ای از منحنی توزیع اندازه ذرات در شکل ۶-۱ نشان داده شده است. این منحنی همچنین سهم مربوط به این ذرات در مساحت سطح كل نمونه را نشان می دهد. همان طور که در صفحه ۹ اشاره گردید توزیع اندازه ذرات به روش آسیاب نمودن بستگی داشته و بنابراین از کارخانه ای تا کارخانه دیگر متفاوت است.

شکل 6-1: مثالی از اندازه ذرات و مساحت سطح تجمعی ذرات تا هر اندازه داده شده، برای 1g سیمان

 

البته باید قبول کرد که مفهوم دانه بندی «خوب» سیمان کاملا روشن نیست. آیا باید تمام ذرات هم اندازه باشند، یا اینکه توزیع اندازه ذرات باید به نحوی باشد که به صورت کاملا متراکم در جای قرار گیرند؟ امروزه عقیده بر آن است که برای سطح مخصوص معینی از سیمان، اگر حداقل ۵۰ درصد اندازه ذرات بين 3 و  ۳۰μm باشد، (یعنی تعداد کمتری از ذرات خیلی ریز و خیلی درشت وجود داشته باشند) توسعه مقاومت اولیه بهتر خواهد بود. به همین صورت تصور می شود حتی نسبت بیشتری از ذرات در دامنه 3 تا  ۳۰μm ، (تا ۹۵ درصد) موجب بهبود مقاومت اولیه و همچنین مقاومت نهایی عالی بتن ساخته شده با این سیمان می گردد. برای حصول چنین توزیع کنترل شده اندازه ذرات، لازم است از دستگاه های طبقه بندی کننده ذرات با راندمان بیشتر در آسیاب مدار بسته استفاده نمود. این نوع دستگاه ها مقدار انرژی مصرفی لازم برای آسیاب نمودن را کاهش می دهند^80-1.

دلیل اثر مفید ذرات میان اندازه را می توان در نتایج آزمایش Aïtcin و همکاران ^91-1مشاهده نمود. آنها به این نتیجه رسیدند که آسیاب نمودن سیمان، به مقدار معینی از جداشدگی ترکیبی منجر می گردد. به ویژه ذرات کوچکتر از  ۴μm حاوی مقدار زیادی SO₄ و قلیایی ها می باشند. ذرات درشت تر از ۳۰μm حاوی نسبت زیادی از C₂S هستند؛ در حالی که ذرات بین ۴ و ۳۰μm دارای درصد زیادی از C₃S هستند.

اما لازم به ذکر است که هیچ رابطه ساده ای بین مقاومت و توزیع اندازه ذرات سیمان وجود ندارد برای مثال کلینکر هوازده که قسمتی از آن هیدراته شده، پس از آسیاب نمودن سیمانی را تولید می کند که سطح ظاهری آن به صورت گمراه کننده ای زیاد می باشد.

سطح مخصوص سیمان را می توان به روش نفوذپذیری هوا، با استفاده از دستگاهی که توسط Lea و Nurse ساخته شده است، تعیین نمود. این روش بر اساس رابطه بین جریان سیال از میان لایه دانه ای و مساحت سطح ذرات تشکیل دهنده آن لایه بنا شده است. از این روش می توان مقدار مساحت سطح بر واحد جرم مواد تشکیل دهنده لایه را با نفوذپذیری لایه ای با تخلخل معین (یعنی دارای حجم ثابتی از منافذ در حجم كل لایه) ارتباط داد.

دستگاه نفوذپذیری به صورت ترسیمی در شکل ۷-۱ نشان داده شده است. با دانستن وزن مخصوص سیمان، می توان جرم لازم برای ایجاد لایه ای با تخلخل 0/475 و ضخامت 10mm را محاسبه نمود. این مقدار سیمان را در یک ظرف استوانه ای شکل ریخته و جریانی از هوای خشک با سرعتی ثابت از میان بستر سيمان عبور داده می شود و افت فشار حاصل به وسیله دستگاه مانومتر که به انتهای بالا و زیر لایه متصل است، اندازه گیری می گردد. سرعت جریان هوا را به وسیله یک جریان سنج که خود از لوله های مویینه (که مانومتر به دو انتهای آن متصل است) تشکیل می گردد، اندازه گیری می نمایند. معادله ای که توسط Carman ارائه شده است سطح مخصوص را بر حسب سانتیمتر مربع بر گرم به صورت زیر بیان می کند:

 

شکل 7-1: دستگاه نفوذپذیری lea و Nurse

 

 

 

که در آن  = چگالی سیمان (g/cm³)

 = تخلخل لایه سیمان (مقدار آن در آزمایش ,BS 475/0 است) ،

A = سطح مقطع لایه (cm² 066/5)

L= ضخامت لایه (cm²1)

h₁ = افت فشار در امتداد ضخامت لایه،

h₂ = افت فشار در امتداد لوله های مویینه جریان سنج (بین ۲۵ تا cm ۵۵ نفت)، و

K = ضریب ثابت جریان سنج.

 برای یک دستگاه و تخلخل معین، عبارت را می توان به صورت زیر ساده نمود

 

 

که K₁ یک ضریب ثابت است.

در ایالات متحده، و امروزه در اروپا، روشی مورد استفاده قرار می گیرد که از اصلاحاتی بر روش Lea و Nurse توسط Blaine به دست آمده است. این روش در آیین نامه ASTM C 204-94 و توسط EN 196-6:1989 توصیه شده است. در اینجا هوا با روند ثابتی از لایه سیمان عبور نمی نماید، بلکه حجم معینی از هوا با فشار متوسط توصیه شده ای از میان لایه عبور می کند و روند دبی جریان هوا به تدریج به صفر می رسد. زمان لازم برای ایجاد این دبی (t) سنجیده می شود. برای یک دستگاه معین و تخلخل استاندارد 0/500 ، سطح مخصوص به وسیله فرمول زیر داده شده است:

S = K₂

که در آن K₂ ضریب ثابت است.

مقادیر سطح مخصوص به دست آمده از روش های Lea- Nurse و Blaine بسیار به یکدیگر نزدیک می باشند ولی این مقادیر خیلی بیشتر از مقادیر به دست آمده با روش Wagner هستند. این مساله ناشی از فرض Wagner در مورد توزیع اندازه ذرات کوچک تر از 7/5μm (که قبلا ذکر گردید) می باشد. توزيع واقعی اندازه ذرات در این محدوده به نحوی است که مقدار متوسط 3/75μm که توسط Wagner فرض شده است، سبب می شود که مساحت سطح این ذرات کمتر از حد واقعی خود تخمین زده شود. در روش نفوذپذیری هوا مساحت سطح کلیه ذرات مستقیما اندازه گیری می شود و مقدار منتجه سطح مخصوص در حدود 1/8 مرتبه بزرگتر از مقداری است که به وسیله روش Wagner محاسبه می گردد. دامنه واقعی ضریب تبدیل بین 1/6 و 2/2 متغیر است که به نرمی ذرات سیمان و مقدار سنگ گچ آن بستگی دارد.

هر یک از این روش ها تصویر خوبی از تغییرات نسبی در نرمی ذرات سیمان را به دست می دهند و برای مقاصد عملی همین کافی است. روش Wagner تا حدی اطلاعات بیشتری را به دست می دهد، به این معنی که توزیع اندازه ذرات را نیز مشخص می نماید. اندازه گیری مطلق سطح مخصوص را می توان از روش جذب سطحی ازت بر اساس مطالعات Emmet Brunauer و Teller به دست آورده. در حالی که در روش های نفوذپذیری هوا، فقط مسیرهای به هم پیوسته از میان لایه، سهمی در مساحت سنجیده شده دارند، در روش جذب سطحی ازت، مساحت «داخلی» نیز برای مولکولهای ازت قابل دسترس می باشد، به این دلیل مقدار سطح مخصوص سنجیده شده به میزان قابل توجهی بیشتر از مقدار تعیین شده در روش های نفوذپذیری هوا می باشد. چند مقدار نمونه در جدول ۵-۱ داده شده اند.

سطح مخصوص پودرهای خیلی نرم تر از سیمان پرتلند، مانند دوده سیلیسی و خاکستر بادی را نمی توان با روش نفوذپذیری هوا به دست آورد و لازم است با روشهای جذب سطحی گاز مانند جذب سطحی ازت به دست آورد. روش اخیر وقت گیر است و ممکن است که کاربرد روش تخلخل سنجشی با نفوذ جیوه ترجیح داده شود^69-1 ؛ این روش هنوز پذیرفته نشده است.

آیین نامه های جدید دیگر مقادیر حداقل را برای سطح مخصوص سیمان پرتلند تجویز نمیکنند.

 

جدول 5-1: سطح مخصوص سیمان اندازه گیری شده با روش های مختلف

سطح مخصوص برحسب m3/kg اندازه گیری شده با:
سیمان	روش wanger	روش Lea و Nurse	جذب سطحی ازت
A	180	260	790
B	230	415	1000

 

شکل ۸-۱: مدل ساده شده ساختمان خمير^22-1.  نقطه های بزرگ معرف ژل می باشند، فواصل بین آنها منافذ ژلی هستند؛ فضاهایی که با علامت C علامت گذاری شده اند منافذ مویینه هستند. اندازه منافذ ژلی بزرگ تر از حد واقعی نشان داده شده است.

 

این کمیت وقتی که لازم باشد، به صورت غیر مستقیم توسط الزامات مقاومت اولیه کنترل می شود. شاید ذکر این نکته مفید باشد که اگر چه مقادیر نمونه سطح مخصوص سیمان پرتلند معمولی حدود m²/kg۳۵۰ یا ۳۸۰ می باشد، سطح مخصوص سیمان زودسخت شونده نوعأ زیادتر است.

 

بازگشت به فهرست