لازم است که در خمیر سیمان، پس از حصول گیرش، تغییرات حجمی زیادی رخ ندهد و به ویژه انبساط قابل ملاحظه ای ایجاد نگردد، زیرا تحت شرایط گیرداری ممکن است باعث از هم پاشیدن خمیر سخت شده سیمان شود. چنین انبساطی می تواند در اثر هیدراتاسیون به تاخیر افتاده یا کند شده و یا واکنش های برخی ترکیبات موجود در خمیر سخت شده سیمان، مانند آهک آزاد، اکسید منیزیم و سولفات کلسیم رخ دهد.
اگر میزان آهک مواد خام تغذیه شده به کوره بیش از حدی باشد که بتواند با اکسیدهای اسیدی ترکیب شود، یا اگر عمل پخت یا سرد کردن رضایت بخش نباشد، آهک اضافی به صورت آزاد باقی خواهد ماند. این آهک سوخته شده فقط به آهستگی هیدراته می شود و از آنجا که آهک آب دیده حجم بیشتری از اکسید کلسیم اولیه اشغال می نماید، انبساط در آنها ایجاد می شود. به سیمانی که این نوع انبساط را از خود نشان می دهد، سیمان ناسالم می گویند.
آهک افزوده شده به سیمان باعث ناسالم شدن سیمان نمی گردد، زیرا این نوع آهک قبل از آنکه خمیر گیرش حاصل نماید به سرعت هیدراته می شود. از طرف دیگر آهک آزاد موجود در کلینکر با ترکیبات دیگر تواما تبلور یافته و لذا فقط بخشی از آن در خلال مدتی که خمیر سیمان هنوز گیرش حاصل نکرده است در معرض آب قرار می گیرد.
آهک آزاد را به وسیله آنالیز شیمیایی سیمان نمی توان تشخیص داد زیرا CaO آب ندیده را نمی توان از Ca (OH)2 که در اثر هیدراتاسیون جزیی سیلیکات ها به هنگام قرار گرفتن سیمان در معرض هوا تولید می گردد، تمیز داد. از طرف دیگر آزمایش بر روی کلینکری که تازه از کوره خارج شده، مقدار آهک آزاد را نشان می دهد، زیرا در این حالت هنوز سیمان هیدراته نشده است.
سیمان همچنین می تواند در اثر وجود MgO که به نحو مشابه CaO با آب واکنش نشان می دهد، ناسالم شود. ولیکن فقط اکسید منیزیم پریکلاژ (Periclase) که اکسید منیزیم متبلور «کاملا پخته» می باشد، به صورت مخرب واکنش زا بوده و اکسید منیزیم شیشه ای بی ضرر است. تا حدود ۲ درصد پریکلاژ (برحسب جرم سیمان) با ترکیبات اصلی سیمان ترکیب می شود، اما پریکلاژ اضافی عمدتا باعث انبساط می گردد و منجر به تخریب آرام می شود.
سولفات کلسیم سومین ترکیبی است که مستعد ایجاد انبساط می باشد: در این صورت سولفو آلومینات کلسیم تشکیل می گردد. باید به خاطر آورد که سولفات کلسیم آبدار یا سنگ گچ به کلینکر سیمان افزوده می شود تا از گیرش آنی جلوگیری به عمل آورد، اما اگر سنگ گچ بیش از مقداری که می تواند در جریان گیرش با C3A ترکیب شود، وجود داشته باشد، اثر ناسالم شدن سیمان به صورت انبساط آرام نتیجه خواهد شد. به این دلیل آیین نامه ها مقدار سنگ گچی را که می توان به کلینکر افزود، به شدت محدود می نمایند. تا آنجا که به خطر ناسالم شدن مربوط است، این محدودیت ها بسیار محافظه کارانه می باشند46-1.
از آنجا که اثرات ناسالم بودن سیمان، قبل از گذشت ماه ها و یا سالها ظاهر نمی شود، ضروری است که سلامت سیمان را به نحو تسریع شدهای آزمایش نمود. در آیین نامه EN آزمایشی که توسط Le Chatelier ابداع گردیده، تجویز شده است. دستگاه آزمایش Le Chatelier که در شکل ۲۶-۱ نشان داده شده، از یک حلقه استوانه ای برنجی که در امتداد طول آن بریده شده تشکیل گردیده است. به دو طرف این بریدگی دو شاخک نوک تیز متصل گردیده است، به این صورت باز شدن بریدگی در اثر انبساط سیمان با بزرگ نمایی زیادی نشان داده شده و به آسانی قابل سنجش است. حلقه بر روی یک قطعه شیشه ای قرار داده شده و سپس با خمیر سیمانی که دارای روانی متعارف است پر می گردد و بالاخره یک قطعه شیشه ای دیگر بر روی آن قرار داده می شود و سپس کل مجموعه در داخل اتاقکی با دمای ۲۰۱oC و رطوبت نسبی بیش از ۹۸ درصد، به مدت ۲۴ ساعت قرار داده می شود.
شکل ۲۶-۱: دستگاه Le Chatelier
در پایان این مدت فاصله بین دو انتهای آزاد شاخکها سنجیده می شود. مجددا قالب در داخل آب قرار داده شده و به تدریج حرارت داده می شود تا ظرف ۳۰ دقیقه بجوش آید. پس از جوشیدن برای مدت سه ساعت مجموعه از آب خارج شده و بعد از سرد شدن فاصله بین دو انتهای آزاد شاخکها مجددا اندازه گیری می شود. افزایش حاصل در این فاصله زمانی معرف انبساط سیمان می باشد که در آیین نامه ENV 197-1:1992 برای سیمان های پرتلند به ۱۰mm محدود شده است. اگر انبساط از این مقدار تجاوز نماید آزمایش دیگری بر روی نمونه ای از سیمان که بر روی سطحی گسترده شده تا به مدت ۷ روز در مجاورت هوای آزاد قرار گیرد، انجام می شود. ممکن است در خلال این مدت، قسمتی از آهک موجود در سیمان هیدراته یا حتی کربناته شود و همچنین خرد شدن فیزیکی اندازه ذرات، رخ دهد. در پایان دوره ۷ روزه آزمایش Le Chatelier تکرار می شود و میزان انبساط سیمان هوا دیده نباید از مقدار مشخص شده بیشتر گردد، این مقدار در گذشته ۵mm بوده است. سیمانی که نتواند حداقل در یکی از این دو آزمایش نتایج قابل قبول بدهد، نباید مورد استفاده قرار گیرد.
آزمایش Le Chatelier فقط ناسالم بودن ناشی از آهک آزاد را تشخیص می دهد. در بریتانیا اکسید منیزیم به ندرت در مقدار زیاد در مواد خامی که از آنها سیمان تولید میگردد یافت می شود ولی در سایر کشورها با آن برخورد شده است. به عنوان مثال در کشور هندوستان سنگ آهک با اکسید منیزیم کم به ندرت مشاهده می گردد، و بنابراین، قسمت عمده سیمان دارای مقدار زیادی MgO می باشد ولی انبساط را می توان با افزودن مواد سیلیسی فعال مانند خاکستر بادی یا پودر بسیار نرم خاک رس پخته شده، به طور قابل ملاحظه ای کاهش داد.
برای مثال در ایالات متحده آمریکا به دلیل اهمیت اجتناب از انبساط تاخیر یافته، سلامت سیمان با آزمایش اتوکلاو که در برابر هر دو عامل اکسید منیزیم و آهک آزاد حساسیت کافی دارد، سنجیده می شود. در این آزمایش که به وسیله آیین نامه ASTM C 151 - 93a تجویز شده است، نمونه منشوری از خمیر خالص سیمان با مقطع مربع شکل به ابعاد ۲۵mm و به طول 250mm ساخته شده و سپس برای مدت ۲۴ ساعت در هوای مرطوب عمل آورده می شود. سپس نمونه منشوری در اتوکلاو (دیگ بخار با فشار زیاد) قرار داده می شود. حرارت اتوکلاو در مدت ۱۵ ± ۶۰ دقیقه به ۲۱۶oC (فشار بخار MPa 2±0.07) رسانده شده و برای مدت ۳ ساعت در این دما ثابت نگاه داشته می شود. فشار زیاد بخار، هیدراتاسیون اکسید منیزیم و آهک را سرعت می بخشد. انبساط نمونه که در اتوکلاو حاصل می شود نباید از ۰٫۸ درصد تجاوز نماید.
نتایج آزمایش اتوکلاو نه تنها تحت تاثیر ترکیباتی که عامل انبساط می باشند، قرار می گیرد، بلکه همچنین تحت تاثیر مقدار C3A و موادی که با سیمان مخلوط می شوند۷۱-۱ و نیز عوامل ناشناخته دیگر واقع می گردد. لذا این آزمایش در عمل چیزی غیر از یک نشانه کلی از خطر انبساط دراز مدت را به دست نمی دهد1-1. اما معمولا آزمایشی بسیار شدید محسوب می شود زیرا ممکن است قسمتی از MgO بدون واکنش باقی بماند ولی خطای آزمایش، محافظه کارانه است.86-1
هیچگونه آزمایشی برای پی بردن به عدم سلامت به علت سولفات کلسیم زیاد، وجود ندارد، اما مقدار سولفات را می توان به آسانی، از طریق آنالیز شیمیایی تعیین نمود.
