در بخش قبل نشان داده شد که 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.

ولیکن این بحث در مورد کلیه خواص خمیر سیمان سخت شده، به ویژه جمع شدگی، خزش و مقاومت صحت ندارد. با این حال ترکیبات مرکب نشانه ای از خواص مورد انتظار سیمان را به دست می دهند. به ویژه آنکه ترکیبات، روند ایجاد حرارت هیدراتاسیون و مقاومت سیمان در برابر حمله سولفات ها را کنترل می کنند، به نحوی که محدودیت مقادیر اکسیدها یا ترکیبات مرکب انواع مختلف سیمان توسط بعضی مشخصات تجویز شده اند. در مقایسه با گذشته، محدودیت های ASTM C 150-94 شدت کمتری دارند. (به جدول ۹-۱ رجوع شود).

جدول 9-1: حدود ترکیبات مرکب انواع سیمان طبق آیین نامه ASTM C 150-94

مقدار	نوع سیمان
ترکیبات مرکب	I	II	III	IV	V
حداکثر C3S				35
حداکثر C2S				40
حداکثر C3A		8	15	7	5
حداکثر C4AF+2(C3A)					25

شکل ۱۸-۱: توسعه مقاومت ترکیبات مرکب خالص طبق نظرBogue ^2-1

 

اختلاف در روندهای اولیه هیدراتاسیون C₂S و C₃S (دو سیلیکاتی که عمدتا کسب مقاومت خمیر سیمان را به عهده دارند) قبلا توضیح داده شد. یک قاعده تقریبی آسان آن است که فرض شود C₃S بیشترین سهم را در توسعه مقاومت، در خلال چهار هفته اول دارد و از چهار هفته به بعد C₂S در کسب مقاومت تاثیر دارد^35-1. در عمر حدود یک سال جرم یکسانی از هر دو ترکیب تقریبا به صورت مساوی بر مقاومت نهایی تاثیر می گذارند^36-1. تحقیقات نشان داده اند که C₂S و C₃S خالص در عمر ۱۸ ماهه مقاومتی در حدود 70MPa دارند، اما در عمر ۷ روزه که هیچگونه مقاومتی ندارد در حالی که مقاومت C₃S در حدود 40MPa است. افزایش معمولا قابل قبول مقاومت ترکیبات خالص در شکل ۱۸-۱ نشان داده شده است.

شکل 19-1: افزایش مقاومت ترکیبات خالص بر طبق Beaudoin و Ramachandran (بر اساس منبع ۸۷-۱ با اجازه شرکت Kidlington ,Elsevier Science انگلستان)

 

ولیکن این مقادیر نسبی کسب مقاومت ترکیبات مختلف در سیمان پرتلند، بحث انگیز بوده اند^87-1. در آزمایش هایی که در آنها ذرات با توزیع اندازهای یکسان و نسبت ثابت آب به مواد جامد 45/0 به کار برده شده بودند، نشان داده شد که تا عمر حداقل یک سال، C₂S مقاومت کمتری را نسبت به C₃S از خود نشان می دهد. به هر صورت هر دوی این سیلیکات ها خیلی پرقدرت تر از C₃A و C₄AF می باشند، اگرچه C₃A مقاومت قابل توجهی بروز می دهد، C₄AF مقاومت ناچیزی ایجاد می نماید^87-1. (به شکل ۱۹-۱ رجوع شود).

همان طور که در صفحه ۱۷ بیان گردید، سیلیکات های کلسیم در سیمان های تجاری به شکل ناخالص وجود دارند، این ناخالصی ها می توانند بر روند واکنش و توسعه مقاومت هیدرات ها شدیدا اثر بگذارند. برای مثال افزودن یک درصد از AL₂O₃ به C₃S خالص، مقاومت اولیه خمیر را افزایش می دهد. همان طور که در شکل ۲۰-۱ نشان داده شده است، بر اساس تحقیقات Verbeck ^55-1این افزایش مقاومت، احتمالا ناشی از فعال شدن شبکه بلوری سیلیکات در اثر افزایش آلومین (یا اکسید منیزیم در آن می باشد که موجب فعال شدن اختلافات ساختاری می گردد.

روند هیدراتاسیون C₂S نیز در مجاورت دیگر ترکیبات در سیمان تسریع می یابد، اما در دامنه متداول مقادیر C₂S در سیمانهای پرتلند جدید (تا ۳۰ درصد)، این اثر زیاد نیست.

تاثیر سایر ترکیبات اصلی بر توسعه مقاومت با وضوح کمتری روشن شده است. C₃A در عمرهای ۱ تا ۳ روزه و احتمالا طولانی تر به مقاومت خمیر سیمان کمک می نماید، ولیکن در عمرهای طولانی تر به ویژه در سیمانهایی که حاوی مقادیر زیادی C₃A یا (C₃A+C₄AF) هستند سبب کاهش مقاومت می گردد.

شکل ۲۰ - ۱: افزایش مقاومت C₃S خالص و C₃S با یک درصد – Al₂O₅^55-1

نقش C₃A هنوز بحث انگیز است، اما به لحاظ مقاومت، نقش آن عملا مهم نیست.

نقش C₄AF در افزایش مقاومت سیمان نیز قابل بحث است، اما بدون شک هیچ گونه سهم چشمگیری ندارد. به احتمال زیاد ذرات کلوییدی هیدراته شده Fe₂O₃CaO روی دانه های سیمان رسوب کرده، در نتیجه پیشرفت هیدراتاسیون سایر ترکیبات را به تاخیر می اندازد.^7-1

از اطلاعات مربوط به سهم هر یک از ترکیبات موجود در سیمان بر مقاومت آن، امکان دارد که بتوان مقاومت سیمان را بر اساس ترکیبات مرکب آن تخمین زد. چنین تخمینی به صورت فرمولی مشابه زیر خواهد بود:

 a(C₃S)+b(C₂S)+c(C₃A)+d(C₄AF)=مقاومت

در حالی که علائم داخل پرانتز معرف درصد جرمی ماده مرکب و b, a و غیره ضرایب ثابتی هستند که معرف سهم یک درصد از ترکیب مربوطه در مقاومت خمیر هیدراته شده سیمان می باشند.

کاربرد چنین عبارتی تخمین مقاومت در هنگام تولید سیمان را آسان تر نموده و ضرورت آزمایش های متعارف را کاهش می دهد. در واقع چنین رابطه ای در آزمایش های آزمایشگاهی با به کار گرفتن سیمان های آماده شده از چهار ترکیب اصلی خالص وجود دارد. البته در عمل تاثیر ترکیبات مختلف همیشه به صورت تجمعی ساده نبوده و نشان داده شده است که به عمر و شرایط عمل آوری بستگی دارند.

آنچه می توان بیان نمود، آن است که به طور کلی افزایش مقدار C₃S سبب ازدیاد مقاومت تا ۲۸ روز میگردد^56-1؛ شکل ۲۱-۱ نمایانگر مقاومت ۷ روزه ملات استاندارد حاوی سیمانهای با ترکیبات متفاوت است که در کارخانه های مختلف تولید شده اند^37-1. مقدار C₂S فقط در عمرهای ۵ تا ۱۰ سال تاثیر مثبتی بر مقاومت دارد، و مقدار C₃A در عمرهای ۷ یا ۲۸ روز تاثیری مثبت داشته، ولیکن در عمرهای بعدی تاثیر منفی می گذارد.

شکل ۲۱-۱: رابطه بین مقاومت ۷ روزه خمیر سیمان و مقدار C₃S در سیمان^37-1. هر نقطه معرف سیمان یک کارخانه می باشد

قرار خواهد گرفت. تخمین اثرات ترکیباتی به جز سیلیکات ها بر مقاومت قابل اطمینان نمی باشد. طبق نظر Lea^1-38، این ناهماهنگی ها ممکن است ناشی از وجود شیشه در کلینکر باشد که در بخش های آینده به صورت مفصل تری مورد بحث قرار خواهد گرفت.

به علاوه در بررسی جامعی که توسط Odler ^1-79صورت گرفت، نشان داده شد که به چندین دلیل امکان برقراری معادله ای که به صورت جامع بتواند مقاومت سیمان های تجاری را تخمین زند وجود ندارد. این دلایل عبارت اند از: واکنش متقابل بین ترکیبات، تاثير قلیایی ها و سنگ گچ و تاثیر توزیع اندازه ذرات سیمان. وجود شیشه که حاوی کلیه ترکیبات به همان نسبت های بقیه کلینکر نبوده اما بر واکنش زایی موثر است و مقدار آهک آزاد همچنین پارامترهایی هستند که بین سیمان های با چهار ترکیب اصلی اسما یکسان، تغییر می نمایند.

کوشش هایی ^93-1به عمل آمده است تا معادلاتی برای تخمین مقاومت ملات بر اساس پارامترهایی که علاوه بر ترکیبات مرکب اصلی شامل عباراتی برای MgO , CaO ,SO₃ و نسبت آب به سیمان نیز می گردد، برقرار شود، اما این تخمین از قابلیت اطمینان کمی برخوردار است.

از آنچه که قبلا گفته شد می توان نتیجه گرفت که روابط مشاهده شده بین مقاومت و ترکیبات مرکب سیمانهای پرتلند ماهیت اتفاقی دارند. انحرافات از این واقعیت ناشی می شوند که پاره ای از متغیرهای مربوط در نظر گرفته نشده اند^14-1. به هر حال می توان بحث نمود که کلیه مواد تشکیل دهنده سیمان پرتلند هیدراته شده تا حدی در مقاومت (حداقل تا آن اندازه که کلیه محصولات هیدراتاسیون باعث پر شدن فضا و لذا کاهش تخلخل می گردند)، سهیم هستند.

به علاوه نشانه هایی وجود دارند مبنی بر آنکه عملکرد تجمعی به صورت کامل تحقق نمی یابد به ویژه  Powers ^1-22پیشنهاد نموده است که در کلیه مراحل هیدراتاسیون خمیر سیمان، محصولات یکسانی تشکیل می گردند.

شکل ۲۲-۱: رابطه بین حرارت هیدراتاسیون و مقدار آب غیرقابل تبخیر برای سیمان پرتلند معمولی^22-1

این نتیجه از آن واقعیت ناشی می شود که برای یک سیمان معین، مساحت سطح سیمان هیدراته شده متناسب با مقدار آب هیدراتاسیون است و به نسبت آب به سیمان و عمر بستگی ندارد. در نتیجه برای یک سیمان معین، روند هیدراتاسیون جزء به جزء کل ترکیبات، یکسان خواهد بود. احتمالا این امر فقط پس از آنکه روند پخش از میان لایه پوششی ژل عامل تعیین کننده می گردد صحت دارد ولی در عمرهای اولیه ، به فرض تا ۷ روز چنین نمی باشد. تایید نظریه روند هیدراتاسیون متساوی اجزا به وسیله Khalil و Ward ^1-70صورت گرفته است، اما امروزه پذیرفته شده است که هیدراتاسیون اولیه ترکیبات مختلف با روندهای متفاوتی ادامه می یابند و بعد روندها یکسان می گردند.

پارامتر دیگری بر روند هیدراتاسیون تاثیر می گذارد و آن از این حقیقت ناشی می شود که ترکیبات در نقاط مختلف فضا یکسان نیستند. این امر در اثر این واقعیت است که برای رخ دادن پخش از سطح قسمت هنوز هیدراته نشده ذرات سیمان به فضای بیرون، باید اختلافی در غلظت یونها وجود داشته باشد: فضای خارجی اشباع شده می باشد، اما فضای داخلی از حد اشباع گذشته است. این نوع انتشار، روند هیدراتاسیون را تغییر می دهد.

بنابراین، احتمال دارد که نه نظریه مساوی بودن روندهای هیدراتاسیون اجزا، و نه آن فرضیه که هر یک از ترکیبات با روندی مستقل از سایر ترکیبات هیدراته می شوند، صادق باشد. در واقع باید پذیرفت که درک امروزی از روندهای هیدراتاسیون هنوز رضایت بخش نیست. برای مثال تحقیقات نشان داده است که مقدار حرارت هیدراتاسیون بر واحد جرم مواد هیدراته شده در تمامی مراحل ثابت می باشد ^34-1(رجوع شود به شکل ۲۲-۱)، در نتیجه پیشنهاد شده است که ماهیت محصولات هیدراتاسیون با مرور زمان تغییر نمی نماید.

شکل ۲۳ - ۱: رابطه بین مقاومت فشاری و مقدار آب ترکیب شده^1-1

بنابراین، منطقی است که فرضیه تساوی روندهای هیدراتاسیون اجزا در دامنه محدود ترکیبات سیمان های پرتلند معمولی و زودسخت شونده به کار برده شود. ولیکن سیمان های دیگری که مقدار C₂S آنها بیش از سیمان های معمولی و زودسخت شونده است، چنین رفتاری را ندارند. سنجش حرارت هیدراتاسیون نشان داده است که C₃S زودتر هیدراته شده و قدری C₂S باقی می ماند که بعدا هیدراته می شود.

به علاوه چهارچوب اولیه خمیر که در موقع گیرش تثبیت گردیده است با شدت بیشتری بر ساختار بعدی محصولات هیدراتاسیون تاثیر می گذارد. این چهارچوب به ویژه بر جمع شدگی و توسعه مقاومت تاثیر دارد^14-1. بنابراین تعجب آور نیست که رابطه معینی بین درجه هیدراتاسیون و مقاومت وجود داشته باشد. به عنوان مثال، شکل ۲۳-۱ نشانگر یک رابطه تجربی بین مقاومت فشاری بتن و آب ترکیبی در یک خمیر سیمان با نسبت آب به سیمان 0.25 می باشد. این داده ها با مشاهدات Powers در مورد نسبت ژل به فضا، که بر اساس آن افزایش مقاومت خمیر سیمان تابعی از افزایش حجم نسبی ژل بدون توجه به عمر، نسبت آب به سیمان، یا ترکیبات مرکب سیمان است، مطابقت دارد. ولیکن کل مساحت سطح فاز جامد به ترکیبات مرکب، که بر مقدار واقعی مقاومت نهایی اثر می گذارد ، بستگی دارد.^22-1

 

اثرات قلیایی ها

اثرات ترکیبات جزیی بر مقاومت خمیر سیمان پیچیده بوده و هنوز کاملا روشن نشده اند. آزمایش ها^3-1 بر روی تاثیر قلیایی ها نشان داده اند که افزایش مقاومت پس از عمر ۲۸ روز بشدت تحت تاثیر مقدار قلیایی ها قرار می گیرد: هرچه مقدار قلیایی های موجود بیشتر باشد به همان نسبت کسب مقاومت کمتر می شود. این امر با دو روش ارزشیابی آماری مقاومت که بر روی چند صد نمونه سیمان تجاری انجام گرفته، تایید گردیده است^{56-1 ،57-1} . افزایش ناچیز مقاومت بين عمرهای ۳ و ۲۸ روز را می توان به صورت مشخص تری به K₂O قابل حل در آب که در سیمان موجود است، نسبت داد. از طرف دیگر، در صورت عدم وجود قلیایی ها، مقاومت اولیه خمیر سیمان به طور غیر طبیعی کم خواهد بود^58-1. آزمایش های مقاومت تسریع شده نشان داده اند که تا حد 0.4 درصد Na₂O ، با افزایش میزان قلیایی ها، مقاومت افزایش می یابد^75-1 (شکل 24-1).

تاثیر قلیایی ها بر مقاومت پیچیده است، زیرا ممکن است آنها در هیدرات های سیلیکات کلسیم و یا به صورت سولفات های محلول وجود داشته باشند و اثر آنها در این دو مورد یکسان نیست. چنین تصور می شود که K₂O یک مولکول از CaO را در C₂S جایگزین می کند و در نتیجه مقدار کم به بیش از آنچه که محاسبه شده است افزایش می یابد^6-1. ولیکن می توان بیان نمود که عموما قلیایی ها توسعه مقاومت اولیه را افزایش داده و مقاومت درازمدت را کاهش می دهند. Osback ^1-95 تایید نمود که مقدار بیشتری از قلیایی ها در سیمان پرتلند، سبب افزایش مقاومت اولیه می گردد و مقاومت دراز مدت را کاهش می دهد.

شکل 24-1: تاثیر مقدار قلیایی ها بر مقاومت تسریع شده^75-1

مشخص شده است که قلیایی ها با سنگدانه هایی که واکنش زا نامیده شده اند، واکنش حاصل می نمایند . اغلب مقدار قلیایی های سیمانهایی که تحت چنین شرایطی به کار برده می شوند به 0.6 درصد (سنجیده شده به صورت معادل Na₂O)، محدود می گردد. این سیمان ها را سیمان های با قلیایی کم می نامند.

لازم است پیامد دیگری از وجود قلیایی ها در سیمان تذکر داده شود. خمیر تازه سیمان پرتلند درجه قلیایی خیلی زیادی دارد (pH بیش از 12.5)، اما در یک سیمان با مقدار قلیایی زیاد عدد pH حتی از این مقدار هم زیادتر است. در نتیجه پوست بدن انسان مورد حمله قرار گرفته و ناراحتی پوستی یا سوختگی سطحی ایجاد می نماید و به علاوه می تواند ناراحتی چشمی نیز به وجود آورد. به این دلیل کاربرد لباس ایمنی ضروری است.

مشاهده می شود که قلیایی ها جزء مهمی از سیمان بوده ولیکن هنوز لازم است اطلاعات جامع تری در مورد آنها به دست آید. قابل ذکر است که کاربرد پیش گرمکن ها در کارخانجات مدرن سیمان با روش خشک، منجر به افزایش میزان قلیایی های سیمان تولید شده با مواد خام معین گردیده است. بنابراین مقدار قلیایی را باید کنترل نمود، اما محدود کردن خیلی شدید مقدار قلیایی سبب افزایش مصرف انرژی می شود.^76-1 بالا بردن راندمان جمع آوری گرد و غبار خروجی از دودکش کارخانجات سیمان نیز سبب افزایش میزان قلیایی های سیمان می گردد، زیرا گرد و غبار حاوی مقدار زیادی قلیایی می باشد که میزان آن به حد زیاد ۱۵ درصد می رسد. در چنین صورتی نباید گرد و غبار یا بخشی از آن مجددا به داخل کوره برگردانده شود.

 

اثرات وجود شیشه در کلینکر

می توان به خاطر آورد که در جریان تشکیل کلینکر سیمان در داخل کوره، مقدار ۲۰ تا ۳۰ درصد مواد به مایع تبدیل می گردند، که در اثر سرد شدن بعدی متبلور می شوند، اما همیشه مقداری از مواد وجود دارند که در اثر سرد شدن به صورت شیشه در می آیند. در واقع روند سرد شدن کلینکر تاثیر زیادی بر خواص سیمان دارد: اگر سرد شدن آنقدر آهسته باشد که بتواند تبلور کامل حاصل نماید (برای مثال در آزمایشگاه)، در این صورت β-C₂S می تواند به γ-C₂S تبدیل گردد. این تبدیل با انبساط و پودر شدن همراه است و گرد شدن نامیده می شود. به علاوه γ-C₂S به قدری آهسته هیدراته می شود که نمی تواند خاصیت چسبندگی مفیدی داشته باشد. ولیکن MgO AIO و قلیایی ها حتی می توانند β-C₂S را در شرایط سرد شدن خیلی آهسته در تمامی موارد عملی، تثبیت نمایند.

دلیل دیگری برای مطلوب بودن مقدار مواد شیشه ای، تاثیر این مواد بر فازهای تبلور است. آلومین و اکسید فریک، در دماهای کلینکر شدن کاملا به صورت مایع در می آیند و در اثر سرد شدن، C₃A و C₄AF را تولید می نمایند. بنابراین میزان تشکیل مواد شیشه ای تا حد زیادی بر این ترکیبات اثر می گذارد. در حالی که سیلیکات ها که عمدتا به صورت جامد تشکیل می شوند، نسبتا بدون تغییر باقی می مانند. همچنین قابل ذکر است که مواد شیشه ای می توانند بخش عمده ای از ترکیبات جزیی مانند قلیایی ها و MgO را در بر گیرند. ترکیبات ذکر شده برای هیدراتاسیون منبسط کننده موجود نخواهند بود. بنابراین سرد شدن سریع کلینکر حاوی اکسید منیزیم مزیت دارد. از آنجا که آلومیناتها به وسیله سولفاتها مورد حمله قرار می گیرند، وجود آنها در مواد شیشه ای نیز مفید خواهد بود. C₃A و C₄AF شیشه ای، می توانند در اثر هیدراتاسیون به محلول جامد ,C₃AH₆ و C₃FH₆، که در برابر سولفاتها مقاوم می باشند، تبدیل گردند. وليكن مقدار زیاد شیشه، بر خاصیت آسیاب شدن کلینکر اثر نامطلوب دارد.

از طرف دیگر مقدار کمتر شیشه مزایایی را در بر دارد. در بعضی از سیمانها درجه زیاد تبلور منتهی به افزایشی در مقدار C₃S تولید شده می گردد. بنابراین دیده می شود که کنترل شدید در روند سرد شدن کلینکر به نحوی که درجه مطلوبی از تبلور به دست آید، اهمیت فراوان دارد. دامنه مقدار شیشه در کلینکرهای تجاری، که با استفاده از روش حرارت انحلال به دست می آید بین ۲ و ۲۱ درصد می باشد^41-1. میکروسکوپ چشمی مقادیر بسیار کمتری را نشان می دهد.

می توان به خاطر آورد که در ترکیبات مرکب Bogue فرض شده است که کلینکر به طور کامل تبلور یافته تا محصولات حالت تعادل به دست آیند و همان طور که دیده شده است، درجه واکنش زایی شیشه با بلورهای با ترکیبات مشابه تفاوت دارد.

مشاهده می شود که روند سرد شدن کلینکر، احتمالا به همان اندازه مشخصه های دیگر روش تولید سیمان، بر مقاومت آن تاثیر دارد و سبب می شود که نتوان فرمولی از نوع ذکر شده در بخش قبل، به دست آورد. به هر حال اگر یک روش تولید به کار برده شود و روند سرد شدن کلینکر ثابت باشد، رابطه مشخصی بین ترکیبات مرکب و مقاومت وجود خواهد داشت.

 

بازگشت به فهرست