سيمان

لغت سیمان از یک لغت لاتین به نام سی منت(cement) گرفته شده است و ماده ای است که دارای خاصیت چسبانندگی مواد را به یکدیگر دارد ودر حقیقت واسطه چسباندن است. در صنایع ساختمانی سیمان به ماده ای گفته می شود که برای چسباندن مصالح مختلف به یکدیگر از قبیل سنگ و شن، ماسه آجر و غیره به کار می رود و ترکیبات اصلی این سیمان از موادآهکی است.

سیمانهای آهکی معمولا از ترکیبات سیلیکاتها و آلومیناتهای آهک تشکیل شده اند که هم به صورت طبیعی یافت می شوند و هم قابل تولید در کارخانجات سیمان سازی هستند.

اگرچه از زمانهای بسیار گذشته اقوام و ملل مختلف به نحوی با استفاده از سیمان در ساخت بنا سود می جستند ولی اولین بار در سال ۱۸۲۴ سیمان پرتلند به نام ژوزف آسپدین که یک معمار انگلیسی بود،ثبت شد.به لحاظ شباهت ظاهری و کیفیت بتن های تولید شده از سیمانهای اولیه به سنگهای ناحیه پرتلند در دورست انگلیس،سیمان به نام سیمان پرتلند معروف شد و تا به امروز برای سیمانهایی که از مخلوط نمودن و حرارت دادن مواد آهکی و رسی و مواد حاوی سیلیس، آلومینا و اکسید آهن و تولید کلینکر و نهایتا آسیاب نمودن

کلینکر به دست می آید،استفاده میشود.

اساسا سیمان با آسیاب نمودن مواد خام از قبیل:سنگ و
آهک و آلومینا و سیلیسی که به صورت خاک رس و یا سنگهای رسی وجود دارد و مخلوط نمودن آنها با نسبت های معین و با حرارت دادن در کوره های دوار تا حدود ۱۴۰۰درجه سانتی گراد بدست می آید. در این مرحله مواد در کوره تبدیل به گلوله های تقریبا سیاه رنگی می شوند که

کلینکر نامیده می شود.کلینکر پس از سرد شدن با مقداری سنگ گچ به منظور تنظیم گیرش مخلوط و آسیاب شده و پودر خاکستری رنگی حاصل می شود که همان سیمان پرتلند است. با توجه به نوع و کیفیت مواد خام،سیمان با دو روش عمده تر و خشک تولید می شود. ضمن اینکه روشهای دیگری نیز وجود دارد.البته امروزه عمومـا از روش خشک در تولید سیمان استفاده می شود مگر در مواردی که مواد خام،تولید روش تر را ایجاد نماید. زیرا در روش خشک انرژی کمتری برای تولید مورد نیاز است.

ترکیبات شیمیایی سیمان:
مواد خام مورد مصرف در تولید سیمان در هنگام پخت با هم واکنش نشان داده و ترکیبات دیگری را به وجود می آورند. معمولا چهار ترکیب عمده به عنوان عوامل اصلی تشکیل دهنده سیمان در نظر گرفته می شوند که عبارتند از:
سه کلسیم سیلیکات (۳CaO))((SiO2=C3S)

دو کلسیم سیلیکات ( ۲CaOSiO2=C2S)
سه کلسیم آلومینات (۳CaOAl2O3=C3A)
چهار کلسیم آلومینو فریت
(۴CaOAl2O3Fe2O3)

که اختصارا اکسید های CaO را با c ،SiO2 را با S ،Al2O3 را با A و Fe2O3 را با F نشان می دهند.سیلیکاتهای C3Sو C2S مهمترین ترکیبات سیمان در ایجاد مقاومت خمیر سیمان هیدراته می باشند.در واقع سیلیکاتها در سیمان، ترکیبات کاملا خالصی نیستند بلکه دارای اکسید های جزئی به صورت محلول جامد نیز می باشند.این اکسید ها اثرات قابل ملاحظه ای در نحوه قرار گرفتن اتمها، فرم بلوری و خواص هیدرولیکی سیلیکاتها دارند.

ترکیبات دیگری نیز در سیمان وجود دارند که از نظر وزن قابل ملاحظه نیستند ولی تأثیرات قابل ملاحظه ای درخواص سیمان دارند که عمدتا
عبارتند از: MgO،TiO2،Mn2O3،K))2O،((NaO2، که اکسیدهای سدیم و پتاسیم به نام اکسید های قلیایی شناخته شده اند. آزمایشها نشان داده است که این قلیائیها با بعضی از سنگدانه ها واکنش نشان داده اند و حاصل این واکنش باعث تخریب بتن شده است.البته قلیائی ها در مقاومت بتن نیز اثر دارند.

وجود سه کلسیم آلو مینات (C3A) در سیمان نقش عمده ای در مقاومت سیمان به جزء در سنین اولیه ندارند و در برابر حملات سولفاتها که منجر به سولفوآلومینات کلسیم می شود نیز مشکلاتی به بار می آورد،اما وجود آن در مراحل تولید،ترکیب آهک،و سیلیس را تسهیل می کند.

میزان C4AF در سیمان هم در مقایسه با سه ترکیب دیگر کمتر است و تأثیر زیادی در رفتار سیمان ندارند ولی در واکنش با گچ، سو لفو فریت کلسیم را می سازد و وجود آن به هیدراسیون سیلیکاتها شتاب می بخشند.

مقدار و اندازه واقعی اکسید ها در ترکیبات انواع سیمان،مختلف است.البته باقی مانده نا محلول که عمدتا از نا خالصی های سنگ گچ حاصل می گردد نیز اندازه گیری می شود.تا حدود ۵/۱ درصد وزن در سیمان مجاز است.افت حرارتی که دامنه کربناسیون و هیدراسیون آهک آزاد و منیزیم آزاد را در مجاورت هوا نشان می دهد نیز تا حدود ۳ الی ۴ در صد وزن سیمان اندازه گیری می شود.

هیدراسیون سیمان:

ماده مورد نظر ما ملات یا خمیر سیمان است که با اختلاط آب و پودر سیمان ماده چسباننده ای می شود.در واقع سیلیکاتها و آلومیناتهای سیمان در مجاورت آب محصولی

هیدراسیونی را تشکیل میدهند که کم کم با گذشت زمان جسم سختی به وجود می آید.

دو ترکیب عمده سیلیکاتی سیمان در مجاورت آب محصولی هیراسیونی را تشکیل می دهند که کم کم با گذشت زمان جسم سختی به وجود می آید.

دو ترکیب عمده سیلیکاتی سیمان یعنی C3Sو C2S عوامل عمده سخت شدن سیمان هستند و عمل هیدراسیون روی C3S سریعتر از C2S انجام می گیرد .

حرارت هیدراسیون:
همانند هر واکنش شیمیایی،هیدراسیون ترکیبات سیمان نیز حرارت زا است و به میزان حرارتی که در هر گرم از سیمان هیدراته در اثر هیدراسیون در دمای معینی تولید مگردد، حرارت هیدراسیون گفته می شودو به روشهای مختلفی قابل اندازه گیری است.درجه حرارت و دمائی که در آن عمل هیدزاسیون انجام می شود تأثیر قابل ملاحظه ای در نرخ حرارت تولید شده است،دارد.

برای سیمانهای پرتلند معمولی حدود نصف کل حرارت تا سه روز و حدود
۴/۳حرارت تا حدود ۷ روز و تقریبا ۹۰ در صد حرارت در ۶ ماه آزاد می شود . در واقع حرارت هیدراسیون بستگی به ترکیب شیمیایی سیمان دارد و تقریبا برابر است با

مجموع حرارتهای ایجادشده یکایک ترکیبات خالص سیمان اگر به صورت جداگانه هیدراته شود.

هر گرم از سیمان تقریبا ۱۲۰ کالری حرارت آزاد می کند.چون هدایت حرارتی بتن کم است لذا حرارت می تواند به عنوان یک عایق حرارتی عمل نماید.از طرف دیگر حرارت تولید شده به وسیله هیدراسیون سیمان می تواند از یخ زدن آب در لوله های موئینه بتن تازه ریخته شده جلوگیری نماید.بنابراین آگاهی به خواص حرارت زایی سیمان می تواند در انتخاب نوع مناسب سیمان برای هدف مشخصی مفید باشد.

همانطور که گفته شد نقش اصلی در مقاومت سیمان C3S و C2S ایفا می کنند وC3S در ۴ هفته سنین اولیه و C2S پس از آن مقاومت سیمان را ایجاد می کنند. نقش این دو ترکیب در مقاومت سیمان پس از یک سال تقریبا مساوی میشود.

آزمایشهای سیمان :
به لحاظ اهمیت کیفیت سیمان در ساختن بتن،معمولا تولید کنندگان آزمایش های متعدد و استاندارد شده ای را برای کنترل کیفیت سیمان انجام میدهند و بعضا نیز مصرف کنندگان برای اطمینان خاطر،خواص سیمان تولید شده را از کارخانجات درخواست می کنند و گاها نیز آزمایشهائی انجام میدهند.

خواص فیزیکی سیمان عمدتا عبارتست از نرمی سیمان، گیرش سیمان، سلامت سیمان ومقاومت سیمان.

نرمی سیمان :
از آنجا که هیدراسیون از سطح ذرات سیمان شروع می شود،مساحت تمامی سطح سیمان موجود در هیدراسیون شرکت دارند.بنابراین نرخ هیدراسیون بستگی به ریزی سیمان دارد و مثلا برای کسب مقاومت سریعتر نیز به سیمان نرم تر یا ریزتر می باشد.اما باید توجه داشت که همیشه یک سیمان نرم از نظر اقتصادی و فنی مقرون به صرفه نیست.زیرا هزینه آسیاب کردن و اثرات بیش از حد نرم بودن سیمان بر خواص دیگر آن مانند نیاز بیشتر به گچ برای تنظیم گیرش،کار آیی بتن تازه و سایر موارد نیز باید مد نظر باشد. نرمی یکی از خواص عمده سیمان است که معمولا در استانداردها با سطح مخصوص تعیین می شود.(m2/kg).روشهای متداول و متفاوتی برای تعیین نرمی سیمان در دنیا به کار گرفته می شود.استاندارد ملی ایران به شماره ۳۹۰ تعیین نرمی سیمان را مشخص می کند.

گیرش سیمان:
کلمه گیرش،برای سفت شدن خمیر سیمان به کار برده می شود،یعنی تغییر وضعیت از حالت مایع به جامد. گیرش

به علت هیدراسیون C3S و C2A با افزایش دمای خمیر سیمان اتفاق می افتد.گیرش اولیه مربوط به افزایش سریع دما و گیرش نهایی مربوط به دمای نهایی است. مدت زمان گیرش سیمان با افزایش درجه حرارت، کاهش می یابد ولی آزمایش نشان داده است که در دمای حدود ۳۰ درجه سانتی گراد اثر معکوس را می توان مشاهده نمود.در درجات حرارت پائین،گیرش سیمان کند می شود.

سیمان ‌شدن سیلیسی
یکی از متداولترین انواع سیمانی شدن سیلیسی ، رشد ثانویه کوارتز است. سیمان سیلیسی در اطراف دانه کوارتز ته نشین شده و دارای پیوستگی نوری می‌باشد. بنابراین دانه و سیمان در زیر نور پلاریزه باهم خاموش می‌شوند.‌ در بیشتر موارد ، شکل اصلی دانه به توسط پوشش نازکی از اکسید آهن یا رس در بین دانه و رشد ثانویه مشخص می‌گردد. هرچند یک حاشیه رسی ضخیمتر در اطراف دانه کوارتز از ته نشینی یک رشد ثانویه با پیوستگی نوری جلوگیری می‌کند. منشا سیلس برای این نوع سیمانی شدن اغلب به انحلال فشاری نسبت داده می‌شود.

 

محلول‌های درون حفره‌ای از نظر سیلیس غنی می‌شود، هنگامی که بصورت فوق اشباع در آیند سپس به فرم رشد ثانویه مجددا ته‌نشین می‌کنند. رشد ثانویه کوارتز در ماسه سنگهای فاقد آثار ، انحلال فشاری ، ممکن است

منعکس کننده مهاجرت قابل توجهی محلول غنی از سیلیس ، از مسافت دورتر از محل انحلال فشاری به طرف بالا باشد یا نشان دهنده منشا دیگری از سیلیس است. منابع احتمالی شامل انحلال ذرات ریز سیلیسی ، سیلیکاتهای دیگر و سیلیس بیوژنتیکی و آبهای زیرزمینی می‌باشد.

ذرات ریز سیلیسی می‌توانند از سایش دانه‌ها بویژه اگر یک ماسه سنگ بادی باشد، سرچشمه گرفته باشند. انحلال فلدسپاتها ، آمفیبولها و پیروکسن‌ها و همچنین تبدیل مونتموریونیت به ایلیت و فلدسپات به کائولینیت نیز می‌تواند سیلیس تولید کند. یکی از خواص مهمی که از سیمانی شدن ماسه سنگها به توسط کوارتز ناشی می‌شود این است که خواهند توانست بعد او در طی بعدی در مقابل اثرات فشردگی و انحلال فشاری مقاومت و پایداری نمایند.

سیمانی شدن کربناته
کلسیت یکی از متداول‌ترین سیمانهای موجود در ماسه سنگهاست و لیکن سایر سیمانهای کربناته‌ای که بیشتر بطور موضعی اهمیت دارند، دولومیت و سیدریت است. سیمان ممکن است به صورتهای توزیع یکنواخت تا لکه‌ای ، تا تفکیک موضعی و کنکرسیون در تغییر باشد. دو نوع سیمان کلسیتی اصلی شامل بلورهای تویکیلوتوپیک و کلسیت اسپاری دروزی می‌باشد. بلورهای

تویکیلوتوپیک به صورت بلورهای منفرد بزرگ ، تاچندین سانتیمتر عرض هستند، که بسیاری از دانه‌های ماسه‌ای را دربر می‌گیرند. موزائیک‌های کلسیت دروزی از بلورهای یک اندازه‌ای تشکیل شده‌اند که حفرات بین دانه‌ها را پر می‌کنند و بطور تیپیک افزایشی در اندازه بلورها به طرف مرکز حفره اصلی را نشان می‌دهند.

بر اثر ته نشینی کلسیت ، معمولا یک جابجایی در دانه‌ها صورت می‌گیرد بطوری که به نظر می‌رسد آنها در سیمان شناورند. همچنین ممکن است کلسیت در ترک‌های درون دانه‌ها ته نشین شود و بنابراین باعث جدا شدن آنها می‌گردد. سیمانهای کلسیتی در ماسه سنگهایی که دارای مقدار زیادی دانه هستند، نظیر کوارتز آرنایت‌ها ، آرکوزها ولیت آرنیتها فراوان است. سیمانهای دولومیتی از بلورهای ریز رومبوئدری پر کننده حفرات تا موزائیک‌های درشت بی‌شکل و بلورهای پویکیلوتوپیک بزگ در تغییر است.
سیمانی شدن و رنگیزه شدن هماتیتی
بشتر رسوبات تخریبی آواری به علت وجود هماتیت دارای رنگ قرمز هستند و در بیشتر موارد این سنگها در محیط‌های قاره‌ای رسوب کرده‌اند. هماتیت بطور تیپیک به فرم یک پوشش خیلی نازکی در اطراف دانه‌ها وجود دارد و لیکن کانیهای رسی نفوذی یا درجازا و کوارتز درجازا و فلدسپات را نیز به رنگ قرمز آغشته می‌کند. سایر کانیهای دیاژنتیکی که بصورت موضعی در ماسه سنگها اهمیت

دارند، سولفاتها و سولفیدها هستند. ژیپس و انیدریت در جایی که در توالی طبقات تبخیری وجود داشته باشد، به فرم سیمان یافت می‌شوند، وگر نه این حالت به ندرت وجود دارد. سیمان‌های سولفاته معمولا در بیرون زدگیهای ماسه سنگی باقی نمی‌ماند.