ملاحظه شد که 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. خواص این گونه مواد آمورف که شیشه نامیده می شوند به میزان قابل ملاحظه ای با خواص مواد متبلور که اسم ترکیبات شیمیایی مشابهی دارند، متفاوت است. پیچیدگی دیگر در واکنش بخش مایع کلینکر با ترکیبات متبلوری که قبلا به وجود آمده است ایجاد می شود.

به هر حال می توان سیمان را در حالت تعادل منجمد در نظر گرفت؛ یعنی چنین فرض می شود که محصولات سرد شده مجددا به دمای کلینکر شدن برسند. در حقیقت چنین فرضی در محاسبه ترکیبات مرکب سیمان های تجاری صورت می گیرد: «استعداد ایجاد ترکیبات را از مقادیر اندازه گرفته شده اکسیدهای موجود در کلینکر و با این فرض که تبلور کامل محصولات در حالت تعادل رخ داده باشد محاسبه می کنند.

معمولا چهار ترکیب را به عنوان مواد عمده تشکیل دهنده سیمان در نظر میگیرند. این ترکیبات در جدول ۱-۱ همراه با علائم اختصاری ای که شیمیدانان سیمان به کار می برند، بیان می شود هر اکسید را به وسیله یک حرف نشان می دهند. یعنی Ca0 = C ، SiO₂=S ، Al₂O₃=A ، Fe₂O₃=F ، به همین صورت H₂O در سیمان هیدراته شده را به صورت H و SO₃ را با  نشان می دهند.

در واقع سیلیکات های موجود در سیمان ترکیبات خالص نبوده بلکه حاوی اکسیدهای جزیی به صورت محلول جامد می باشند. این اکسیدها اثرات چشم گیری بر ترتیب قرار گرفتن اتمها، شکل بلورها و خواص هیدرولیکی سیلیکات ها دارند.

 

جدول1-1: ترکیبات اصلی سیمان پرتلند

نام ترکیب	ترکیب اسیدی	علامت اختصاری
سه کلسیم سیلیکات	3CaO.SiO2	C3S
دو کلسیم سیلیکات	2CaO.SiO2	C2S
سه کلسیم آلومینات	4CaO.Al2O2	C3A
تترا کلسیم آلومینات فریت	4CaO.Al2O3.Fe2O3	C4AF

 

محاسبه ترکیبات بالقوه سیمان پرتلند براساس تجربیات R.H . Bogue و دیگران قرار دارد و اغلب به عنوان «ترکیبات Bogue» نامیده می شوند. معادلات Bogue ^1-2جهت تعیین درصد ترکیبات عمده در سیمان به صورت زیر بوده و علائم داخل پرانتز معرف درصد اکسید داده شده در کل جرم سیمان می باشند.

C₃S=4/07(CaO)-7/6(SiO₂)-6/72(Al₂O₃)-1/43(Fe₂O₃)-2/85(SO₃)

C₂S=2/87(SiO₂)-0/754(3CaO.SiO₂)

C₃A=2/65(Al₂O₃)-1.69(Fe_eO₃)

C₄AF=3/04(Fe₂O₃)

روش های دیگری نیز برای محاسبه ترکیبات وجود دارند^1-1، اما این موضوع در دامنه بحث کتاب حاضر نمی گنجد. البته باید در نظر گرفت که ترکیبات Bogue میزان کمک را کمتر و مقدار کم C₂S را بیشتر از مقدار واقعی آنها تخمین می زند، زیرا اکسیدهای دیگری جانشین بخشی از CaO در C₃S کم می شود، و همان طور که قبلا بیان شد C₃S  و C₂S خالص به لحاظ شیمیایی در کلینکر سیمان پرتلند وجود ندارند.

Taylor^1-84اصلاحی بر ترکیبات Bogue را ارائه نمود که در آن وجود یونهای جایگزین شونده در ترکیبات اصلی اسماً خالص را برای کلینکرهای به سرعت سرد شده در کارخانه های جدید سیمان در نظر گرفته است.

علاوه بر ترکیبات اصلی داده شده در جدول ۱-۱ ترکیبات جزیی دیگری نیز مانند MgO ، TiO₂ ، Mn₂O₃ ، K₂O و Na₂O وجود دارند که معمولا بیش از چند درصدی از جرم سیمان را تشکیل نمی دهند. از این ترکیبات جزیی در ترکیب درخور توجه اند: اکسیدهای سدیم و پتاسیم،( K₂O و Na₂O) که به اسم قلیایی ها شناخته می شوند (گر چه قلیایی های دیگری نیز در سیمان وجود دارند). نشان داده شده که این قلیایی ها با بعضی از سنگدانه ها واکنش نشان می دهند و محصولات این فعل و انفعالات سبب از هم پاشیدن بتن می گردد و همچنین مشاهده شده است که قلیایی ها بر روند کسب مقاومت سیمان اثر دارند^3-1. بنابراین لازم به تذکر است که عبارت «ترکیبات جزیی» اصولا به مقدار آنها و نه الزاما به اهمیت آنها ربط دارد. می توان مقادیر قلیایی ها و  Mn₂O₃را با استفاده از طیف سنج نوری به سرعت تعیین نمود.

 

ترکیبات مرکب سیمان عمدتا براساس مطالعات تعادل فازهای سیستم سه بعدی C-A-S و C-A-f و سیستم چهار بعدی C-C₂S-C₅A₃-C4AF و غیره روشن شده است. مراحل ذوب شدن و یا متبلور شدن پیگیری شد و ترکیبات فازهای مایع و جامد در هر دما محاسبه گردید. ترکیب واقعی کلینکر را می توان علاوه بر روش های تجزیه شیمیایی، از طریق مشاهدات میکروسکوپی پودر آماده شده از آن، و همین طور تشخیص به وسیله سنجش ضریب انکسار تعیین نمود. مقاطع پرداخت و قلم کاری شده را هم در نور منعکس شده و هم در نور عبور داده شده می توان مورد مطالعه قرار داد. روش های دیگر شامل استفاده از تفرق اشعه ایکس در پودرها، جهت تشخیص فازهای بلوری، و همچنین مطالعه ساختمان بلوری بعضی از فازها و نیز تجزیه حرارتی افتراقی (D.T.A) می باشند؛ تجزیه کمی نیز امکان پذیر است ولی نیاز به کالیبراسیون های پیچیده دارد^68-1. روشهای نوین شامل تحلیل فازها از طریق میکروسکوپ الکترونی و تجزیه تصویری از طریق میکروسکوپ نوری یا میکروسکوپ الكترونی می شوند.

تخمین ترکیبات سیمان را به کمک روش های جدید و سریع تر تعیین عناصر ترکیبی، شامل فلورسانس اشعه ایکس، طیف سنجی اشعه ایکس، جذب اتمی، فتومتری شعله و میکرو آنالیز الكترون پروب انجام می دهند. تفرق اشعه ایکس برای تعیین آهک آزاد یعنی CaO متمایز از و Ca(OH)₂ مناسب است. و این روش آسانی برای کنترل عملکرد کوره می باشد^67-1.

C₃S که معمولا بیشترین مقدار سیمان را تشکیل می دهد به صورت دانه های بی رنگ هم اندازه وجود دارد. در هنگام سرد شدن در دمای کمتر از ۱۲۵۰^OC ، C₃S که به آرامی تجزیه می شود ولی اگر سرد شدن خیلی کند نباشد، C₃S  بی تغییر باقی می ماند و در دمای معمولی نسبتا باثبات است.

C₂S به سه شکل و حتی احتمالا به چهار شکل شناخته شده است. α-C₂S که در دماهای بالا وجود دارد، در ۱۴۵۰^OC به شکل تبدیل می شود. β- C₂S در دمای ۶۷۰^OC دگرگونی بیشتری حاصل نموده و به C₂S-γ تبدیل می شود، ولی در روند سرد شدن سیمان های تجاری β- C₂S در کلینکر حفظ می شود. که β- C₂S تشکیل دانه های گردی را می دهد که معمولا به صورت دو قلو می باشند.

C₃A بلورهای چهارگوشه ای را تشکیل می دهد ولی C₃A به صورت شیشه منجمد، فاز بی شکل در بین بلورها را تشکیل می دهند.

 C₄AF در واقع محلول جامدی است که از C₂F تا C₆A₂ متغیر می باشد ولی توصیف C₄AF یک ساده سازی آسان است^4-1.

نسبت های واقعی ترکیبات مختلف به میزان قابل ملاحظه ای از سیمانی به سیمان دیگر تغییر می کند و در حقیقت انواع مختلف سیمان را از تنظیم نسبت های مناسب این مواد به دست می آورند. زمانی در ایالات متحده کوشش شد تا خواص سیمانهای لازم برای کاربردهای مختلف از طریق مشخص نمودن حدود چهار ترکیب اصلی، که از تجزیه اکسیدی محاسبه می شوند، کنترل گردد. در این روش آزمایش های فیزیکی متعددی که معمولا انجام می شوند حذف می گردد، ولی متاسفانه ترکیبات مركب محاسبه شده به اندازه کافی دقیق نبوده و کلیه خواص مربوط به سیمان نیز در نظر گرفته نمی شوند. لذا نمی توان این روش را جایگزین آزمایش های مستقیم خواص مورد نیاز سیمان نمود.

 

جدول 2-1: حدود ترکیبات معمولی سیمان پرتلند

اکسید	مقدار، درصد
CaO	60-67
SiO2	17-25
Al2O3	3-8
Fe2O3	0/5-0/6
MgO	0/5-0/4
قلیایی ها (به صورت Na2O )	0/3-1/2
SO3	2/0-3/5

 

 

جدول 3-1 : اکسیدهای ساده و ترکیب مرکب در نمونه ای از سیمان پرتلند تولید شده در دهه 1960 ^5-1

ترکیب اکسیدهای ساده شده (درصد)		بنابراین، ترکیب مرکب محاسبه شده (با استفاده از فرمول صفحه 11) درصد
CaO	63	C3A	10/8
SiO2	20	C3S	54/1
Al2O3	6	C2S	16/6
Fe2O3	3	C4AF	9/1
MgO	1/5	ترکیبات جزئی	-
SO3	2
K2O	1
Na2O
متفرقه	1
افت حرارتی	2
باقی مانده	0/5

 

 

یک ایده کلی از ترکیبات سیمان را می توان از جدول ۲-۱ که در آن حدود ترکیبات اکسیدی سیمان پرتلند آمده است، به دست آورد. در جدول ۳-۱ ترکیبات اکسیدی نمونه ای از سیمان دهه ۱۹۶۰ و ترکیبات مركب محاسبه شده، با به کار بردن معادلات Bogue از صفحات بعد داده شده اند^5-1.

دو عبارتی که در جدول ۳-۱ به کار برده شده اند به توضیح احتیاج دارند باقی مانده نامحلول که با حل نمودن سیمان در اسید کلریدریک به دست می آید سنجشی از آلوده شدن سیمان (که عمدتا در اثر ناخالصی های موجود در سنگ گچ است) خواهد بود. استاندارد بریتانیایی 12:1991 BS مقدار باقی مانده نامحلول را به 1/5 درصد جرم سیمان محدود نموده است. استاندارد اروپایی ENV 197-1:1992 که مقدار ۵ درصد از مواد پرکننده را مجاز می داند، باقی مانده نامحلول را به ۵ درصد جرم سیمان بدون پر کننده، محدود می سازد.

افت حرارتی، میزان کربناته و هیدراته شدن آهک آزاد و منیزیم آزاد در اثر مجاورت سیمان با هوا را نشان می دهد. حداکثر مقدار افت حرارتی مجاز (در ۱۰۰۰^OC) طبق آیین نامه های 12:1991 BS و ASTM C 150-94 به ۳ درصد و ۴ درصد در مناطق حاره محدود شده است. از آنجا که آهک آزاد هیدراته شده بی ضرر است، برای مقدار معینی از آهک آزاد در سیمان، یک افت حرارتی زیادتر، در واقع دارای مزیت خواهد بود. در سیمانهایی که حاوی پر کننده آهکی می باشند. حد بالاتری برای افت حرارتی لازم است. ENV 197-1:1992 پنج درصد جرم خالص هسته سیمان را مجاز دانسته است.

تاثیر زیاد تغییراتی در ترکیب اکسیدی بر ترکیبات مرکب سیمان درخور توجه است. در جدول 4-1 داده هایی از Czernin ^1-5آمده است؛ ستون (۱) نمایانگر ترکیبات نسبتا معرفی از سیمان پرتلند زودسخت شونده می باشد. اگر ضمن اینکه اکسیدهای دیگر افزایش می یابند، مقدار آهک به اندازه سه درصد کاهش داده شود، در ستون (۲) تغییر قابل ملاحظه ای نیز در نسبت C₃S به C₂S به وجود خواهد آمد. ستون (۳) نمایانگر تغییری به میزان  درصد در مقادیر آلومین و آهن در مقایسه با سیمان ستون (۱) است. مقادیر آهک و سیلیس تغییر نمی کنند، ولی با وجود این نسبت سیلیکات ها و همچنین مقادیر C₃A و C₄AF تا حدود زیادی تحت تاثیر واقع می گردند. واضح است که بیش از این  نمی توان بر اهمیت کنترل ترکیبات اکسیدی سیمان تاکید نمود. در داخل محدوده متعارف سیمانهای پرتلند معمولی و زودسخت شونده، مجموع مقادیر دو سیلیکات فقط در محدود باریکی تغییر می کنند، به طوری که تغییر در ترکیب، عمدتا به نسبت CaO و Si₂O در مواد خام بستگی خواهد داشت.

در این مرحله شاید مناسب باشد که چگونگی تشکیل و هیدراتاسیون سیمان را به طور خلاصه بیان نمود. این عمل در شکل ۲-۱ به صورت نمایش تصویری صورت گرفته است.

 

بازگشت به فهرست