ترکیبات شیمیایی سیمان
آنالیز شیمیایی: سیمان پُرتلند را نمی‌توان توسط یک فرمول شیمیایی بیان نمود، زیرا یک مخلوط پیچیده از چهار ترکیب اصلی و تعدادی ترکیبات فرعی است، که در جدول زیر ارائه شده‌اند. چهار ترکیب اصلی به نام ترکیبات بوگ[۱] وجود دارد که از آنالیز اکسیدی سیمان پُرتلند محاسبه می‌گردند. فرمول‌های شیمیایی و بیان اختصاری مربوط به‌این ترکیبات به شرح زیر است:
به ترتیب: 👇
سه کلسیم سیلیکات
دو کلسیم سیلیکات
سه کلسیم آلومینات
چهار کلسیم آلومینوفریت
این ترکیبات یا فازها از نظر شیمیایی ترکیبات حقیقی نیستند. ولی نسبت‌های مربوط به آنها اطلاعات باارزشی را برای پیش بینی خواص سیمان فراهم می‌سازد و توسعه مقاومت سیمان اساساً بستگی به مقادیر C3S و C2S دارد که حدوداً ۷۵ درصد سیمان را تشکیل می‌دهند. C3S به سرعت سخت می‌شود و تأثیر اساسی بر روی زمان گیرش و مقاومت سنین اولیه دارد. بنابراین درصد بالای C3S باعث مقاومت اولیه زیاد و حرارت هیدراتاسیون بیشتر می‌گردد. از طرف دیگر C2S کُندتر هیدراته شده و در مقاومت بعد از ۷ روز مشارکت دارد. C3A در مقاومت اولیه و حرارت هیدراتاسون بالا مؤثر بوده ولی باعث بروز خواص نامطلوبی در بتن از جمله مقاومت ضعیف در مقابل سولفات‌ها و افزایش تغییر حجم می‌گردد. استفاده از اکسید آهن بیشتر در کوره مواد خام به کاهش مقدار C3A کمک می‌کند ولی منجر به تشکیل C4AF می‌شود که به مثابه یک پُرکننده با مقاومت کم یا بدون مقاومت عمل می‌نماید. اما‌این ترکیب به عنوان روان ساز برای کاهش دمای کلینکر مورد نیاز است.
مقدار ترکیبات اصلی با استفاده از آنالیز شیمیایی بر طبق ASTM CI50 از روابط زیر به دست می‌آید:
C3S= (4/071×%CaO)-(7/600×%SiO2)-(6/718×%AI2O3)-
(۱/۴۳۰×% Fe2O3)- (2/852×%SO3)
C2S= (2/867×%SiO2)-(0/7544×%C3S)
C3A= (2/65×AI2O3)-(1/692×%Fe2O3)
C4AF=3/043×%Fe2O3
وقتی نسبت اکسید آلومینیوم به اکسیدفریک از ۰٫۶۴ کمتر باشد، محلول جامد آلومینوفریت کلسیم تشکیل می‌گردد که به صورت (C4AF+C2F) بیان می‌گردد. مقدار‌این محلول جامد و سه کلسیم سیلیکات از روابط زیر محاسبه می‌شود:
C4AF+C2F= (2/1×%AI2O3) + (1/702×%Fe2O3)
C3S= (4/071×%CaO)-(7/6×%SiO2)-(4/479×%AI2O3)-
(۲/۸۵۹×%Fe2O3)- (2/852×%SO3)
در سیمان‌هایی با چنین ترکیباتی سه کلسیم آلومیناتوجود نخواهد داشت. دو کلسیم سیلیکات از همان روابط قبلی محاسبه می‌گردد. بعضی از تولیدکنندگان C3S خالص را مورد استفاده قرار می‌دهند که از تفریق ۴٫۰۷ برابر درصد CaO آزاد از کل C3S محاسبه شده از رابطه فوق محاسبه می‌شود.
مقدار اندکی گچ تا تقریباً ۷ درصد CaSO4.2H2O در هنگام آسیاب کردن کلینکر به آن اضافه می‌شود تا زمان گیرش سیمان از طریق کُند کردن هیدراتاسیون سه کلسیم آلومینات کنترل گردد. مقدار بهینه SO3 در بتن ۰٫۵ تا ۱ درصد بالاتر از مقدار بهینه براساس ASTM C563 با استفاده از ماسه اتاوا است. به علاوه بخشی از SO3 موجود در سیمان محلول نیست. به همین سبب رویه رایج، کنترل حداکثر SO3 به منظور بهبود کاربرد سیمان در بتن براساس ASTM CI038 است. مقادیر اضافی آهک آزاد (CaO) ناشی از گداخته نشدن کلینکر در کوره را می‌توان در سیمان داشت، که ممکن است باعث انبساط و از هم پاشیدگی بتن گردد. آهک آزاد نباید از ۲ درصد تجاوز نماید. برعکس، مقادیر خیلی کم آهک آزاد راندمان سوخت را کاهش داده، کلینکر سخت آسیاب شده و کُندتر واکنش می‌نماید. اکسید منیزیم توسط استانداردها به ۶ درصد محدود شده است، زیرا باعث انبساط غیرسالم در بتن در اثر تأخیر در هیدراتاسیون به ویژه در محیط مرطوب می‌گردد. هیدراتاسیون و کربناتاسیون سیمان ناشی از جذب رطوبت و قرار گرفتن در معرض هوا که به عنوان «افت سرخ شدن» اندازه‌گیری می‌شود، نباید از ۳ درصد تجاوز کند. قلیایی‌ها Na2O)و (K2O ترکیبات فرعی مهمی‌هستند، چون طی استفاده به همراه سنگدانه‌های سیلیسی فعال در بتن می‌توانند باعث انبساط مخرب گردند. برای مناطقی که چنین سنگدانه‌هایی وجود دارد، سیمان با قلیایی کم توصیه شده است. سیمان با قلیایی کم دارای حداکثر ۰٫۶% قلیایی است که به صورت مجموع درصد Na2O و ۰٫۶۵۸ برابر درصد K2O محاسبه می‌گردد. به هر حال درصد کل قلیایی موجود در بتن باید کنترل شود، زیرا ممکن است علاوه بر سیمان سایر اجزا بتن از جمله آب، سنگدانه‌ها و مواد افزودنی نیز دارای قلیایی باشند.
گیرش کاذب یا سخت شدن زودرس پس از مدت کوتاهی از مخلوط کردن بتن قابل مشاهده است. اگر‌این پدیده ناشی از آب زدایی گچ در حین مرحله آسیاب کردن در اثر دمای اضافی آسیاب نهایی باشد، معمولاً با مخلوط کردن اضافی منتفی می‌شود. ولی اگر ناشی از اندرکنش سمان – ماده افزودنی باشد برای تعدیل نمودن آن ممکن است هم آب اضافی و هم مخلوط کردن اضافی مورد نیاز باشد.
حرارت هیدراتاسیون: واکنش سیمان با آب حرارت زا است. به طور متوسط حدود ۱۲۰cal/gr در اثر هیدراتاسیون کامل سیمان حرارت‌ایجاد می‌شود. در ساختمان‌های معمولی، اعضای سازه‌ای نسبت سطح به حجم بالایی دارند به طوری که اتلاف حرارت تولید شده مسئله‌ای‌ایجاد نمی‌کند. در هوای سرد می‌توان با عایق سازی قالب‌ها از حرارت مذکور برای حفظ دمای عمل آوری بهره برد. اما برای سدها و سازه‌های بتنی حجیم باید اندازه‌گیری‌های دقیق نموده توسط روش‌های طراحی و ساخت مناسب حرارت را کاهش داده یا از بین برد.این امر ممکن است نیاز به سیرکولاسیون آب سرد از طریق لوله‌های تعبیه شده یا سایر وسایل خنک کننده را‌ایجاب نماید. روش دیگر برای کنترل حرارت، کاهش درصد ترکیباتی که حرارت هیدراتاسیون بالایی‌ایجاد می‌کنند، مانند C3A و C3S و استفاده از سیمان درشت تر برای تولید سیمان نوع IV می‌باشد. از آنجا که سیمان نوع IV در اکثر مناطق در دسترس نیست، سیمان نوع II و پوزولان‌ها یا سرباره را می‌توان به عنوان جایگزین مصرف نمود. استفاده از سنگدانه‌های درشت (بزرگتر یا مساوی ۱۵ سانتی متر) نیز به کاهش مقدار سیمان ثابت مقدار سیمان کم می‌شود.
مرجع شماره (۱) مقادیر زیر را برحسب کالری بر گرم برای کل حرارت‌ایجاد شده در اثر هیدراتاسیون کامل سیمان اراده داده است:
سه کلسیم سیلیکات ۱۲۰
دو کلسیم سیلیکات ۶۲
سه کلسیم آلومینات ۲۰۷
چهار کلسیم آلومینوفریت ۱۰۰
اگر مقدار حرارت‌ایجاد شده در حین هیدراتاسیون ۷ روز اول سیمان نوع I را ۱۰۰% فرض کنیم، مقادیر زیر به طور نسبی مربوط به انواع دیگر سیمان‌های پُرتلند خواهد بود:
نوع II ، با مقاومت متوسط در مقابل سولفات ۹۴% – ۸۵%
نوع II ، با حرارت هیدراتاسیون متوسط ۸۵% – ۷۵%
نوع III ، زود سخت شونده ۱۵۰% ≥
نوع IV ، با حرارت هیدراتاسیون کم ۶۰% – ۴۰%
نوع V ، ضد سولفات ۹۰% – ۶۰%
[۱]– Bogue compounds
