پیشگفتار

سیمانهای هیدرولیکی یا سیمانهای مقاوم در برابر آب، اساسا شامل سیمان پرتلند و انواع اصلاح شده آن می شوند. برای شناخت خصوصیات سیمان پرتلند، آشنایی با فرآیند تولید، ترکیبات شیمیایی و معدنی، ساختمان بلوری و واکنش زایی ترکیبات تشکیل دهنده آن مانند سیلیکاتهای کلسیم و آلومیناتهای کلسیم، مفید خواهند بود. علاوه بر این، خواص بتن حاوی سیمان پرتلند، بر اثر واکنشهای شیمیایی بین ترکیبات سیمان پرتلند و آب، گسترش می یابد زیرا واکنشهای هیدراتاسیون با تغییرات در ماده و انرژی همراه می باشند.

در این مطلب، ترکیبات و مشخصات ترکیبات اصلی سیمان پرتلند توضیح داده میشوند. واکنشهای هیدراتاسیون آلومیناتها همراه با تأثیرشان بر روی انواع مختلف رفتار گیرش، و واکنشهای هیدراتاسیون سیلیکاتها همراه با تأثیرشان بر روی گسترش مقاومت، به طور کامل بحث شده اند. روابط بین واکنشهای شیمیایی، جوانب فیزیکی گیرش و سخت شدگی سیمانهای پرتلند مفصلا توضیح داده شده اند. طبقه بندی سیمانهای پرتلند و مشخصات آنها نیز طبق استاندارد ۱۵۰ASTM C بررسی شده اند.

سیمانهای پرتلند، تمام نیازهای صنعتی ساختمانهای بتنی را بر آورده نمی سازند. برای برآورده ساختن نیازهای تأمین نشده، سیمانهای مخصوصی توسعه یافته اند. در این فصل ترکیبات، مشخصات هیدراتاسیون و خواص مهم سیمانهای پوزولانی، سیمانهای روباره آهنگدازی، سیمانهای منبسط شونده، سیمانهای زودگیر و زود سخت شونده، سیمانهای سفید و رنگی، سیمانهای چاه نفت و سیمانهای پرآلومین، نیز توضیح داده شده اند.

سیمانهای هیدرولیکی و غیر هیدرولیکی

تعاریف، شیمی گچ و سیمانهای آهکی

سیمانهای هیدرولیکی به سیمانهایی اتلاق میشوند که نه تنها بر اثر واکنش با آب سخت می شوند بلکه محصولی مقاوم در برابر آب نیز تولید می کنند. سیمانهای مشتق از تکلیس گچ یا کربناتها نظیر آهک، غیر هیدرولیکی می باشند زیرا محصولات هیدراتاسیون آنها، در مقابل مقاومت ندارند. ملاتهای آهکی ای که در ساختمانهای باستانی ساخته شده توسط یونانیها و رومیان بکار رفته اند بخاطر افزودن مواد پوزولانی ای که با آهک واکنش انجام داده و محصول سیمانی مقاوم در برابر آب تولید می کنند هیدرولیکی در نظر گرفته می شوند، اساس شیمی سیمانهای آهکی و گچی در شکل ۱-۶ نشان داده شده است.

امروزه سیمان پرتلند و انواع اصلاح شده آن، در مقایسه با گچ و سیمانهای آهکی، سیمانهای اصلی مورد استفاده در ساخت بتن سازه ای می باشند. این امر به این علت است که سیمان پرتلند به طور واقعی هیدرولیکی می باشد و نیازی به افزودن مواد پوزولانی برای توسعه خواص مقاوم در برابر آب ندارد.

سیمان پرتلند

 تعریف

استاندارد ۱۵۰ASTM C  سیمان پرتلند را سیمان هیدرولیکی ای تعریف می کند که از پودر کردن کلینکر، که اساسا حاوی سیلیکاتهای کلسیم هیدرولیکی می باشد، به دست آمده است و معمولا دارای یک یا چند شکل از سولفات کلسیم است که با هم آسیاب شده و به آن افزوده شده است. کلینکر، دانه جوشهای با قطر ۵ الی ۲۵ میلیمتر است که از ماده کلوخه شده ای به دست می آید که وقتی که مخلوط خام با ترکیب از قبل تعیین شده آن در دماهای زیاد حرارت داده میشود تولید میگردد.

فرآیند تولید

از آنجا که سیلیکاتهای کلسیم مواد متشکله اصلی سیمان پرتلند هستند، مواد خام مورد نظر برای تولید سیمان بایستی شکلها و نسبتهای مناسبی از کلسیم و سیلیس را داشته باشند. مصالح به طور طبیعی کربنات کلسیم دار مانند آهک، سنگ آهک سست فسیلی، مارن و صدف دریایی منابع صنعتی معمول کلسیم می باشند لیکن آهک و دولومیت ( 〖CaCO〗_۳∙〖MgCO〗_۳) به صورت ناخالصیهای ولی آنها موجود می باشند. خاک رس و سنگ رس، بجای کوارتز و ماسه سنگ، منابع ترجیحی سیلیس بیشتر در مخلوط مواد خام برای به دست آوردن سیلیکاتهای کلسیم می باشند زیرا سیلیس کوارتزی براحتی واکنش برقرار نمی کند. خاک رس همچنین دارای آلومین و غالباً اکسید آهن (Fe2 ) و قلیائیها می باشد. وجود  و Fe2  و MgO و قلیاییها در مخلوط مواد خام، تأثیری معدنی در تشکیل سیلیکاتهای کلسیم دارند، یعنی به تشکیل سیلیکاتهای کلسیم در دماهای بسیار کمتر از آنچه که در غیر اینصورت ممکن است، کمک میکند. بنابراین، وقتی که مقادیر کافی  و Fe2 در مصالح خام اصلی موجود نباشند، این مواد عمداً از طریق افزودن مصالح ثانوی مانند بوکسیت و سنگ آهن به مخلوط مواد خام، تأمین می شوند. در نتیجه، محصول نهایی علاوه بر سیلیکاتهای کلسیم، دارای آلومیناتها و آلومینوفریتهای کلسیم نیز می باشد.

برای تسهیل در تشکیل ترکیبات مطلوب در کلینکر سیمان پرتلند، لازم است که مخلوط مواد خام قبل از حرارت دادن خوب همگن شده باشند. این امر، انجام یک سری عملیات بر روی مصالح استخراج شده، از جمله خردکردن، آسیاب کردن و مخلوط کردن، را توجیه می نماید. از تجزیه شیمیایی مصالح انبار شده، و ترکیب شیمیایی ترکیبات مطلوب در محصول نهایی، نسبتهای جداگانه مصالح مختلف تعیین می شوند. مصالح خام به نسبت معین انتخاب شده و معمولا در آسیابهای گلوله ای یا غلتکی با هم آسیاب می شوند تا اغلب ذرات آن به ریزی کمتر از ۷۵ میکرون برسند.

در فرآیند تولید سیمان به صورت تر، آسیاب و همگن کردن مخلوط مواد خام به شکل دوغاب حاوی ۳۰ تا ۴۰ درصد آب انجام می گردد. کارخانجات سیمان مدرن، فرآیند خشک را، که از نظر انرژی، کارایی بیشتری نسبت به فرآیند به روش تر دارد ترجیح میدهند، زیرا آب مصرفی برای دوغاب کردن متعاقبا قبل از عمل کلینکر کردن باید بخار گردد. برای این کار، کوره های فرآیند خشک مجهز به پیش گرمکنهای آویزی هستند که این پیش گرمکنها اجازه مبادله حرارتی کارایی را بین گازهای داغ و مخلوط مواد خام می دهند. این کوره ها، نیاز به یک سوخت فسیلی با انرژی ورودی در حدود ۸۰۰ کیلوکالری بر کیلوگرم کلینکر، در مقایسه با حدود ۱۴۰۰ کیلوکالری بر کیلوگرم، برای کوره های فرآیندتر، دارد. در شکل ۳-۶ یک نمودار گردشی ساده شده از فرآیند خشک تولید سیمان پرتلند نشان داده شده است. یک عکس هوایی از کارخانه سیمان مدرن نیز در شکل ۲-۶ نشان داده شده است.

 

شیمی سیمانهای گچی و آهکی: (الف) تولید سیمان گچی، و واکنش هیدراتاسیون (ب) تولید سیمانهای آهکی، و واکنشهای هیدراتاسیون، هم بدون پوزولان و هم با پوزولان.
شیمی سیمانهای گچی و آهکی: (الف) تولید سیمان گچی، و واکنش هیدراتاسیون (ب) تولید سیمانهای آهکی، و واکنشهای هیدراتاسیون، هم بدون پوزولان و هم با پوزولان.

 

تبلور سوزنهای گچی حاصل از سیمان گچی هیدراته باعث گیرش و سخت شدگی می شود. با این وجود، گچ در آب پایدار نیست در نتیجه سیمان گچی، غیر هیدرولیکی است. آهک هیدراته ۲ (Ca ( OH ، نیز در آب پایدار نیست. با این وجود، آهک هیدراته میتواند به آهستگی در هوا کربناته شده و تشکیل محصول پایدار  بدهد. هنگامی که در سیستم، یک پوزولان (سیلیس واکنش زا) موجود باشد، در نتیجه واکنش بین آهک و پوزولان، هیدراتهای سیلیکات کلسیم تشکیل یافته در آب پایدار هستند.

واکنشهای شیمیایی ای که در داخل سیستم کوره سیمان انجام میگیرند می توانند تقریبا به صورت زیر نوشته شوند:

 

 

عمل نهایی فرآیند تولید سیمان پرتلند، شامل پودر کردن کلینکر به ذرات با قطر اکثر کمتر از ۷۵ میکرون می باشد. این عمل در آسیاب گلوله ای، که آسیاب نهایی نیز نامیده می شود، انجام می گیرد. معمولا به همراه کلینکر تقریبا ۵ درصد گچ یا سولفات کلسیم آسیاب می شود تا واکنشهای گیرش و سخت شدگی زود هنگام سیمان، که بعدا درباره آنها بحث می شود، کنترل گردند.

ترکیبات شیمیایی

با آنکه سیمان پرتلند ضرورتاً حاوی ترکیبات مختلف کلسیم است، ولی نتایج تجزیه های شیمیایی روزمره، بر حسب اکسیدهای عناصر موجود گزارش می شود. این امر به این خاطر است که تعیین مستقیم ترکیبات شیمیایی، نیاز به وسایل و تکنیکهای خاصی دارد. همچنین مرسوم است که اکسیدها و ترکیبات کلینکر را جداگانه با استفاده از علائم اختصاری زیر بیان کنند:

 

 

نمودار گردشی فرآیند خشک برای سیمان پرتلند.
نمودار گردشی فرآیند خشک برای سیمان پرتلند.

 

در این شکل، نمودار گردشی ساده ای از فرآیند خشک تولید سیمان پرتلند نشان داده شده است. مرحله اصلی در این فرآیند عمل کلینکر کردن در کوره چرخنده است که شامل استوانه فلزی شیب دار، که پوشش آجر نسوز دارد، می شود. مخلوط مواد خام پیش گرم شده و قدری تکلیس شده، داخل انتهای بلند تر کوره مداوماً چرخنده می شود و با سرعتی که با شیب و سرعت کوره چرخنده کنترل می شود به سمت انتهای کوتاهتر کوره حمل می شود. زغال سنگ پودر شده، نفت یا سوخت گازی در انتهای کوتاهتر ناحیه سوخت، که به دماهای حدود ۱۴۵۰ تا ۱۵۵۰ درجه سلسیوس ممکن است برسد و واکنشهای شیمیایی مشتمل بر تشکیل ترکیبات سیمان پرتلند تکمیل می شوند، تزریق می گردند.

منظره هوایی از کارخانه سیمان پرتلند اَش" گروی" غربی در دورکی، اورگان. ۱- آسیاب مخلوط مواد خام؛ ۲- مخلوط کردن مواد خام انبار؛ ۳- پیش گرمکن آویز؛ ۴- کوره چرخنده؛ ۵- انبار کلینکر؛ ۶- آسیاب سیمان.
منظره هوایی از کارخانه سیمان پرتلند اَش” گروی” غربی در دورکی، اورگان. ۱- آسیاب مخلوط مواد خام؛ ۲- مخلوط کردن مواد خام انبار؛ ۳- پیش گرمکن آویز؛ ۴- کوره چرخنده؛ ۵- انبار کلینکر؛ ۶- آسیاب سیمان.

 

در این شکل، یک عکس هوایی از کارخانه فرآیند خشک سیمان اَش گرو غربی واقع در نزدیکی دورکی، اورگان نشان داده شده است. این کارخانه  تنی در سال، که در سال ۱۹۷۹ جایگزین کارخانه فرآیند تر  تنی در سال شد، دارای یک کوره چرخنده با  متر قطر و ۶۶ متر طول است که مجهز به پیشگرمکن آویز چهار مرحله ای می باشد. گازهای خروجی پیش گرمکن به سمت رسوب ساز الکترواستاتیکی، که برای بازدهی خروجی  درصد طراحی شده است، می روند. تمامی چرخه فرآیند، با یک ریز پردازنده ۲۰۰۰ با سیستم کنترل پایه گسترده، که از منطق فازی استفاده میکند، بازرسی و کنترل می گردد.

از آنجا که خواص سیمان پرتلند بستگی به ترکیب اجزای آن دارد، نتیجه گیری از تجزیه اکسیدهای سیمان، نظیر آنهایی که در جدول ۱-۶ نشان داده شده است، مشکل می باشد. در صنعت سیمان معمول است که ترکیبات سیمان پرتلند را از روی نتایج تجزیه اسیدها، با استفاده از معادلاتی که در ابتدا توسط بوگ(R.H.Bogue (تهیه شده است، محاسبه می کنند. تعیین مستقیم ترکیب اجزای سیمان ، که نیاز به وسیله خاص و مهارت ویژه (مطابق شکل ۴-۶) دارد، برای کیفیت روزمره لازم نیست.

تجزیه اکسید های سیمان پرتلند(بر حسب%)
تجزیه اکسید های سیمان پرتلند(بر حسب%)

 

تعیین ترکیب اجرای سیمان، با استناده از تجزیه شیمیایی

معادلات بوگ، که برای تخمین مقدار تئوریک با پتانسیل ترکیب اجزای سیمان پرتلند بکار می روند به قرار زیر می باشند:

 

 

این معادلات برای سیمانهای پرتلند دارای نسبت ، به میزان ۶۴/۰ یا بیشتر، کاربرد دارند. چنانچه این نسبت کمتر از ۶۴/۰ باشد یک سری معادلات دیگر بکار گرفته می شوند که این معادلات، در استاندارد ASTM C150 داده شده اند. همچنین باید توجه نمود که در معادلات بوگ فرض می شود که واکنشهای شیمیایی تشکیل ترکیبات کلینکر کاملا تکمیل شده اند و وجود ناخالصیهایی مانند MgO و قلیائیها نادیده گرفته می شوند. هر دو فرض فوق غیر معتبر بوده و در نتیجه در بعضی موارد مشاهده گردید که مقدار ترکیب مواد محاسبه شده، خصوصا مقادیر  و  در سیمانها، به میزان زیادی با مقدار اصلی ترکیب مواد متشکله ای که مستقیما تعیین شده است، متفاوت می باشد. به همین دلیل، مقدار ترکیب مواد محاسبه شده را ترکیب بالقوه اجزاء نیز می نامند.

ترکیب بالقوه اجزاء سیمانهای جدول ۱-۶، در جدول ۲-۶ نشان داده شده اند. از داده های جدولهای ۱-۶ و ۲-۶ مشاهده می شود که حتی کوچکترین تغییری در تجزیه اکسیدهای سیمانها میتواد به تغییرات بزرگی در ترکیب اجزای سیمان منجر شوند . مقایسه بین سیمانهای شماره ۱و ۲ نشان میدهد که یک درصد کاهش در مقدار  همراه با افزایش متقابل،Fe2 O3 مقادیر C3A و C2S را به ترتیب و درصد کاهش می دهد. به همین ترتیب، این تغییر همچنین باعث افزایش ۳ و  درصد به ترتیب در مقادیر C AFو C 3S می گردد. به طور مشابه مقایسه بین سیمانهای شماره ۴ و ۵ نشان می دهد که یک درصد کاهش در مقدار CaO، همراه با افزایش متقابل SiO 2 باعث کاهش مقدار C3S به میزان  درصد و افزایش مقدار C2S به همان مقدار میگردد. از آنجا که خواص سیمانهای پرتلند تحت تأثیر تناسب و نوع ترکیبات موجود می باشند، لذا معادلات بوگ، از طریق ارائه راهی ساده برای تعیین ترکیب ترکیبات سیمان پرتلند از روی تجزیه های شیمیایی آن، در خدمت هدف مقیدی قرار می گیرد.

 

(الف) عکس ذره بینی از یک نمونه کلینکر پرداخت شده، با استفاده از میکروسکوب انعکاس نوری، (ب) آنالیز شکست اشعه ایکس یک نمونه کلینکر پودر شده.
(الف) عکس ذره بینی از یک نمونه کلینکر پرداخت شده، با استفاده از میکروسکوب انعکاس نوری، (ب) آنالیز شکست اشعه ایکس یک نمونه کلینکر پودر شده.

 

عموما از دو روش برای آنالیزهای کمی مستقیم کلینکر سیمان پرتلند استفاده میشود. اولین روش، شامل نور باز تابیده میکروسکوپ نور ی از سطوح پرداخت شده و شستشو شده با مواد شیمیایی است که به دنبال آن شمارش نقطه های مساحتهای اشغال شده به وسیله ترکیبات مختلف انجام میشود. به طور متعارف، C 3S به صورت بلورهای شش ضلعی صفحه ای، C 2S به صورت دانه های گرد شده دو قلو، و C 3A و C 4AF به صورت فازهای درون حفره ای دیده می شوند. روش دوم، که برای سیمانهای پودر شده نیز عملی است شامل شکست اشعه ایکس پودر نمونه ها است. در این روش، به منحنیهای کالیبراسیون، که بر اساس ترکیبات خالص مخلوطهای شناخته شده و یک استاندارد داخلی به دست می آیند نیاز است. تخمین ترکیبات، با استفاده از این منحنیها و نسبتهای شدت بین یک نقطه اوج شکست انتخاب شده ترکیبات و استاندارد داخلی مربوطه، انجام می گردد.

ساختمانهای بلوری و واکنش زایی اجزای سیمان

ترکیب شیمیایی اجزای سیمانهای پرتلند صنعتی دقیقا مانند آنچه که در فرمولهای مورد استفاده معمول، به صورت C 3S ، C 2S ، C 3Aو  C 4AF بیان می شوند، نیستند. این امر به این خاطر است که در دماهای زیاد اعمال شده در هنگام تشکیل کلینکر، عناصر موجود در سیستم، همراه با ناخالصیهایی مانند منیزیم، سدیم، پتاسیم و گوگرد، قابلیت آن را دارند که به محلولهای جامد با هر

ترکیب ترکیبات سیمانهای پرتلند (%)
ترکیب ترکیبات سیمانهای پرتلند (%)

 

 

یک از اجزای اصلی کلینکر وارد شوند. مقادیر کم ناخالصیها در محلول جامد ممکن است طبیعت بلوری و واکنش زایی یک ترکیب با آب را زیاد تغییر ندهند ولی مقادیر زیادتر آنها می توانند طبیعت آنها را تغییر دهند.

علاوه بر عواملی مانند اندازه ذرات و دمای هیدراتاسیون، واکنش زایی اجزای سیمان پرتلند با آب نیز، تحت تأثیر ساختمان بلوری آنها است. تحت دمای زیاد و شرایط نامتعادل کوره سیمان، و با وجود یونهای مختلف فلزی، ساختمانهای بلوری تشکیل یافته، فاصله زیادی تا کامل شدن دارند. نقایص ساختمانی بلور موجب ناپایداری اجزای سیمان در محیطهای آبدار می شوند. در حقیقت، تفاوتهای بین واکنش زایی دو جزء دارای ترکیبات شیمیایی مشابه، تنها از نظر درجه ناپایداری ساختمانی آنها توجیه پذیر می باشد. بحث مفصل درباره ساختمان بلورهای بسیار پیچیده ترکیبات سیمان خارج از مبحث این کتاب می باشد. با این وجود، پارامترهای اساسی ای که باعث تفاوتهای واکنش زایی می شوند در قسمت بعد تشریح می گردند.

سیلیکاتهای کلسیم

: سه کلسیم سیلیکات (C 3 S) و بتا دو کلسیم سیلیکات ( )، دو سیلیکات هیدرولیکی متداول موجود در کلینکر سیمان پرتلند صنعتی می باشند. هر دو به طور ثابت دارای مقادیر کمی منیزیم، آلومینیم، آهن، پتاسیم، سدیم و یونهای گوگرد می باشند. شکلهای ناخالص C 3 S و به ترتیب آلیت و بلیت نامیده میشوند. با آنکه سه شکل بلوری اصلی آلیت (سه شیبی، تک شیبی و مثلثی) در سیمانهای صنعتی یافت شده اند، ولی این شکلها پیچیدگی کمی نسبت به شبه ساختار که ایده آل ساخته شده از SiO4 چهار وجهی، یونهای کلسیم و یونهای اکسیژن دارند. (شکل ۵-۶الف). طبق تحقیقات لی (Lea)، یک مشخصه قابل توجه تراکم یونی،

ساختمانهای بلوری (الف)  برش عمودی از لایه زیرین شبه ساختار ,  از درون قطر بزرگ سلول. تنها اتمهای اکسیژن در صفحه تقارن به شکل دایره ساده نشان داده شده اند. ۱، ۲ و ۳ برشهای چهار وجهی هستند. اتمهای کلسیم مشخص شده اند، (ب)  : اتمهای سیلیسیم نشان داده نشده اند، آنها در مرکز چهار وجهی ایجاد می شوند.
ساختمانهای بلوری (الف)  برش عمودی از لایه زیرین شبه ساختار ,  از درون قطر بزرگ سلول. تنها اتمهای اکسیژن در صفحه تقارن به شکل دایره ساده نشان داده شده اند. ۱، ۲ و ۳ برشهای چهار وجهی هستند. اتمهای کلسیم مشخص شده اند، (ب)  : اتمهای سیلیسیم نشان داده نشده اند، آنها در مرکز چهار وجهی ایجاد می شوند.

 

هماهنگی نامنظم بونهای اکسیژن اطراف کلسیم، حفره های بزرگی بر جای می گذارد که باعث واکنش زایی زیاد C3S می شود. از طرف دیگر، دارای ساختار هماهنگ شده منظم است و در نتیجه غیر واکنش زا می باشد.

نامنظم بودن هماهنگی یونهای اکسیژن اطراف کلسیم، می باشد به طوریکه اکسیژنها در یک طرف متمرکز  می شوند. این ارایش، حفره های ساختاری بزرگی را بجا می گذارد که باعث انرژی شبکه ای بلوری زیاد و واکنش زایی می گردد.

به طور مشابه، ساختار بلیت در سیمانهای صنعتی نامنظم است، ولی حفره های درون حفره ای نتیجا شکل یافته آن، خیلی کوچکتر از حفره های C 3S می باشند و این امر بلیت را خیلی کمتر از البیت واکنش زا می نماید. در مقایسه ، شکل دیگر ساختمان بلوری دو کلسیم سیلیکات، به نام  ساختار هماهنگ شده منظمی دارد (شکل ۵-۶ ب) که در نتیجه ترکیب را غیر واکنش را می سازد.

آلومینات کلسیم و فرو آلومینات

: چندین آلومینات کلسیم هیدرولیکی در سیستم ور CaO – Al2 O3 می تواند ایجاد شود. در هر حال، سه کلسیم آلومینات (C 3A)، جزء اصلی آلومینات در کلینکر سیمان پرتلند است. فریتهای کلسیم در کلینکر سیمان پرتلند عادی یافت نمی شوند، بجای ، فرو آلومیناتهای کلسیم که متعلق به سرى (FSS) محلول جامد فریت C 2A- C 2F هستند، تشکیل می شوند و معمول ترین جزء، تقریبا مطابق جزء ملکولی هم اندازه C 4AF است.

مشابه سیلیکاتهای کلسیم، C3A و C4AF هر دو در ساختمانهای بلوریشان در کلینکر صنعتی، دارای مقادیر قابل توجهی از ناخالصیهایی نظیر منیزیم، سدیم، پتاسیم و سیلیس هستند. ساختمان بلوری C3A ، مکعبی خالص است. با این وجود، C 4AF و C 3A حاوی مقادیر زیاد قلیاییها، هر دویشان مکعب مستطیلی هستند. ساختمانهای بلوری بسیار پیچیده هستند ولی با سوراخهای ساختاری بزرگی که باعث واکنش زایی زیاد می شوند، مشخص می گردند.

اکسید منیزیم و اکسید کلسیم

: منبع اکسید منیزیم در سیمان معمولا دولومیت است که به صورت ناخالصی در بیشتر سنگهای آهکی موجود می باشد. قسمتی از اکسید منیزیم کل در کلینکر سیمان پرتلند (یعنی تا ۲ درصد)، ممکن است با ترکیبات مختلف توضیح داده شده در بالا، وارد محلول جامد شود. با این وجود، باقیمانده اکسید منیزیم، به صورت MgO متبلور که پریکلاز هم نامیده می شود، در می آید. هیدراتاسیون پریکلاز و تبدیل آن به هیدروکسید منیزیم، یک واکنش آهسته و انبساط زا است که تحت شرایط خاص می تواند باعث ناسلامتی یا عدم ثبات حجمی (یعنی ترک خوردگی و بیرون پریدگی در بتن سخت شده) گردد.

اکسید کلسیم آزاد با ترکیب نشده، بندرت به مقادیر زیاد در سیمانهای پرتلند مدرن موجود است. تناسب نادرست مصالح خام، آسیاب و همگنی نامناسب و حرارت یا زمان توقف ناکافی درمنطقه سوخت کوره جزو عوامل اصلی ای  است که باعث وجود اکسید کلسیم متبلور یا آزاد در کلینکر سیمان پرتلند می شوند.مانند MgO، CaOمتبلوری که در معرض حرارت زیاد در کوره سیمان قرار گرفته است،به آهستگی هیدراته می شود و واکنش هیدراتاسیون،  توانایی ایجاد ناسلامتی و عدم ثبات حجمی در بتنهای سخت شده را دارد.

CaO. MgO  ، با هر یک از یونهای کلسیم یا منیزیم محاصره شده در یک هشت وجهی منظم به وسیله شش اکسیژنه تشکیل ساختمان مکعبی می دهند، اندازه یون Mg 2+ به حدی است که یونهای اکسیژن در ساختمان MgO در تماس نزدیک با Mg 2+ خوب متراکم شده در فواصل بین آنها هستند. در هر حال، در ساختمان CaO به علت اندازه خیلی بزرگتر یون Ca2+ یونهای اکسیژن از هم جدا می شوند، به طوریکه یونهای Ca2+ بخوبی متراکم نمی شوند. نتیجتاً، MgO متبلور تشکیل شده در کلینکر سیمان پرتلند، حاصل از ذوب در دمای زیاد (بیشتر از ۱۴۰۰ )، خیلی کمتر با آب تمایل به واکنش زایی دارد تا CaO متبلوری که در معرض شرایط حرارتی یکسانی بوده است. دلیل اینکه چرا در دمای عمل آوری معمولی، وجود مادیر زیاد CaO متبلور در سیمان پرتلند ممکن است باعث عدم ثبات حجمی در بتن شود، ولی مقدار مشابه MgO متبلور به طور کلی بی ضرر شناخته می شوند. این امر می باشد.

قلیائیها و ترکیبات سولفات

: قلیائیها، سدیم و پتاسیم در کلینکر سیمان پرتلند اساسا از اجزای رسی موجود در مخلوط مواد خام و ذغال سنگ حاصل می شوند. مقدار کل آنها، که به صورت Na 2 O معادل ( ( بیان می شود، ممکن است در محدوده تا  درصد باشد. سولفاتهای کوره سیمان به طور کلی از سوخت حاصل می شوند. بسته به مقدار سولفات قابل دسترس، وجود سولفاتهای دوگانه قابل حل قلیایی ها، مانند لنگبینیت (

NS ) .2CS)و افتیتالیت(۳NS , KS )، در کلینکر سیمان پرتلند، شناخته شده است. مشخص شده است که وجود آنها تاثیر به سزایی بر روی واکنشهای اولیه هیدراتاسیون سیمان دارند.

وقتی که سولفات کافی در سیستم کوره موجود نباشد، قلیائیها ترجیحا به وسیله C 3A و C 2Sکه مصرف می شوند که ممکن است سپس به ترکیبات دیگری از نوع بترتیب NC 8A3 و  KC 23S12 تغییر یابند. بعضی مواقع مقادیر زیادی سولفات به شکل گچ عمدا به مخلوط مواد خام اضافه میشوند تا یا دمای سوخت را پایین آورد و یا فاز C 3A را بهC 4A 3S تغییر دهند که این ترکیبی از مواد متشکله مهم انواع خاص سیمانهای منبسط شونده، و نیز سیمانهای زود سخت شونده (که بعدا توضیح داده خواهند شد)، می باشند.

در سیمان پرتلند معمولی، منبع اغلب سولفاتها (که به صورت SO3 بیان می شود(. گچ یا یکی از شکلهای مختلف ممکن سولفات کلسیم می باشد که به کلینکر اضافه می شوند. هدف اصلی از به کارگیری این ماده مضاف، به تأخیر انداختن تمایل به گیرش سریع کلینکر آسیاب شده سیمان پرتلند، به علت واکنش زایی بسیار زیاد C3A موجود، می باشد. سولفات کلسیم، به صورت گچ

CaSO4 , 2H2O )  (گچ نیمه هیدراته یا گچ اندود(CaSO4. 1/2H2O)، و انیدریت (CaSO4) یافت میشود. گچ، در مقایسه با اجزای کلینکر، سریعا در آب حل می شود. به هر حال، گچ نیمه هیدراته و بیشتر قابل حل است و به طور ثابت در سیمانها، به علت تجزیه گچ در حین عمل آسیاب نهایی،موجود است.

نرمی

علاوه بر ترکیب شیمیایی اجزای سیمان، نرمی سیمان نیز بر واکنش زایی آن با آب تأثیر می گذارد. به طور کلی، هر چه سیمان نرمتر باشد، سریعتر واکنش برقرار می سازد. برای یک ترکیب مشخص میزان واکنش زایی و در نتیجه کسب مقاومت سیمان، با ریزتر آسیاب کردن سیمان زیادتر میگردد. در هر حال، هزینه آسیاب و حرارت ایجاد شده در هنگام هیدراسیون، محدودیتهایی را برای نرمی بوجود می آورند.

به منظور کنترل کیفیت در صنعت سیمان، از مانده روی الکهای استانداردی نظیر توری شماره ۲۰۰ (۷۵ میکرون) و توری شماره ۳۲۵ (۴۵ میکرون)، نرمی را براحتی تعیین می نمایند. به طور کلی پذیرفته شده است که هیدراتاسیون ذرات سیمان بزرگتر از ۴۵ میکرون، مشکل است و ذرات بزرگتر از ۷۵ میکرون نیز ممکن است هرگز به طور کامل هیدراته نشوند. در هر حال، بدون دانستن کامل توزیع اندازه ذرات بروش رسوب گذاری، تخمین میزان نسبی واکنش زایی سیمانهای دارای ترکیب اجزای مشابه نمی تواند انجام گیرد. از آنجا که تعیین توزیع اندازه ذرات از طریق رسوب گذاری، یا پر زحمت است و یا نیاز وسایل گرانقیمت دارد، لذا در صنعت معمول آن است که از آنالیز مساحت سطح سیمان از طریق اندازه گیری تراوایی هوا به روش بلین(ASTM C 204) اندازه نسبی توزیع اندازه ذرات را به دست آورند. داده های متعارف توزیع اندازه ذرات و مساحت سطح به دست آمده به روش بلین، برای دو نمونه از سیمان پرتلند تولید شده صنعتی، در شکل ۶- ۶ نشان داده شده اند.

بیشتر بخوانید  مشخصات سنگدانه های بتن
نمودارهای متعارف داده های آنالیز توزیع اندازه ذرات نمونه های سیمان پرتلند نوعهای او ا) (ASTM ) IIداده ها با مجوز رسمی شرکت سیمان پرتلند Victoruille ,South Western کالیفرنیا اعلام می شوند(
نمودارهای متعارف داده های آنالیز توزیع اندازه ذرات نمونه های سیمان پرتلند نوعهای او ا) (ASTM ) IIداده ها با مجوز رسمی شرکت سیمان پرتلند Victoruille ,South Western کالیفرنیا اعلام می شوند(

 

هیدراتاسیون سیمان پرتلند اهمیت

سیمان پرتلند بی آب، ماسه و شن را به هم نمی چسباند، بلکه خاصیت چسبندگی را فقط وقتی که با آب مخلوط می شود، به دست می آورد. این امر، بدین علت است که واکنش شیمیایی سیمان با آب، که معمولا به آن هیدراتاسیون سیمان گفته می شود، محصولاتی را تولید میکند که دارای مشخصات گیرش و سخت شدگی هستند. بروناور (Brunauer) و کوپلند (Copeland)، اهمیت هیدراتاسیون سیمان پرتلند در تکنولوژی بتن را به صورت زیر تشریح می نماید:

شیمی بتن، اساسا شیمی واکنش بین سیمان پرتلند و آب است… در هر واکنش شیمیابی ویژگیهای اصلی مورد توجه، تغییرات در ماده، تغییرات در انرژی و سرعت واکنش می باشند. این سه جنبه در یک واکنش، اهمیت کاربردی عمده ای برای مصرف کننده سیمان پرتلند دارد. وقتی که سیمان پرتلند واکنش انجام می دهد، دانستن مواد تشکیل یافته مهم است، زیرا خود سیمان یک ماده چسباننده نیست، بلکه محصولات هیدراتاسیون آن ویژگی چسبانندگی دارند. دانستن مقدار حرارت آزاد شده نیز مهم می باشد، زیرا حرارت بعضی مواقع کمک کننده کار و بعضی مواقع مانع کار است. دانستن سرعت واکنش نیز مهم است، زیرا زمان گیرش و زمان سخت شدگی را تعیین سازد. واکنش اولیه باید به حد کافی کند باشد تا بتن را برای ریخته شدن در محل توانا سازد. از طرف دیگر، سخت شدگی سریع، بعد از آنکه بتن جا داده شد، اغلب مطلوب می باشد.

مکانیزم هیدراتاسیون

دو نوع مکانیزم برای هیدراتاسیون سیمان پرتلند عنوان شده اند. هیدراتاسیون درون محلولی، شامل تجزیه ترکیبات بی آب به یونهای تشکیل دهنده شان، تشکیل هیدراتها در محلول، و به علت حلالیت کم شان رسوب نهایی هیدراتها از محلول فوق اشباع، می شود. بنابراین مکانیزم هیدراتاسیون درون محلولی، با تنظیم مجدد کامل مواد متشکله ترکیبات اولیه در حین هیدراتاسیون سیمان مواجه می شود. طبق مکانیزم دیگر که هیدراتاسیون توپوشیمیایی یا هیدراتاسیون حالت جامد سیمان نامیده می شود، واکنشها مستقیما بدون وارد شدن در محلول در سطح ترکیبات سیمان بدون آب تبلور انجام می پذیرند. با توجه به مطالعات انجام شده بر روی خمیرهای سیمان در حال هیدراتاسیون، با میکروسکوپ الکترونی (شکل ۷-۶) به نظر می آید که مکانیزم هیدراتاسیون درون محلولی، در مراحل اولیه هیدراسیون سیمان، غالب است. در مراحل بعدی، وقتی که تحرک یونی محدود می گردد، هیدراتاسیون ذرات سیمانی باقی مانده ممکن است از طریق واکنشهای حالت جامد صورت گیرد.

از آنجا که سیمان پرتلند، متشکل از مخلوط نامتجانس چندین جزء است، لذا فرآیند هیدراتاسیون حاوی واکنشهای همزمان انجام شونده ترکیبات بدون تبلور با آب می باشد. با این وجود، تمام ترکیبات، به یک میزان هیدراته نمی شوند. مشخص شده است که آلومیناتها با سرعت خیلی زیادتری نسبت به سیلیکاتها هیدراته می شوند. در واقع، سفت شدگی (از دست دادن روانی) و گیرش (جامد شدن)، که از مشخصه های خمیر سیمان پرتلند هستند، به طور عمده ای به وسیله واکنشهای هیدراتاسیون شامل آلومیناتها تعیین می شوند.

عکس ذره بینی پویش الکترونی از یک مقطع شکسته شده نمونه خمیر سیمان پرتلند۳ روزه.
عکس ذره بینی پویش الکترونی از یک مقطع شکسته شده نمونه خمیر سیمان پرتلند۳ روزه.

 

بلورهای عظیم، هیدروکسید کلسیم می باشند، در حالی که بلورهای C-S-H،به میزان کمی متبلور شده اند و شکل الیافی دارند.

سیلیکاتها که حدود ۷۵ درصد سیمان پرتلند معمولی را تشکیل میدهند، نقش اصلی را در تعیین مشخصه های سخت شدگی (روند توسعه مقاومت( ایفا می کنند. بمنظور به دست آوردن درک واضحی از تغییرات شیمیایی و فیزیکی در زمان هیدراتاسیون سیمان پرتلند، مطلوب آن است که واکنشهای هیدراتاسیون آلومیناتها و سیلیکاتها به طور جداگانه مورد بحث قرار گیرند.

هیدراتاسیون آلومیناتها

واکنش C3A با آب آنی است. هیدراتهای متبلور، مانند , C 3AH6، C4AH19 و C2AH8 سریعا، با آزاد کردن مقدار زیادی حرارت هیدراتاسیون، تشکیل می یابند. اگر واکنش سریع هیدراتاسیون C 3A بطریقی کند نشود، سیمان پرتلند برای اغلب مقاصد ساختمانی بی استفاده خواهد بود. این امر به طور کلی با افزودن گچ عملی میگردد. بنابراین، برای مقاصد کاربردی، تنها واکنشهای هیدراتاسیون C3A نیست که مهم است بلکه هیدراتاسیون C3A در حضور گچ نیز مهم می باشد.

از نقطه نظر واکنشهای هیدراتاسیون سیمان پرتلند، راحت تر آن است که C3A و فروآلومینات با همدیگر مورد بحث قرار گیرند، زیرا هنگامی که فروآلومینات در حضور سولفات با آب واکنش می نماید، محصولات تشکیل شده، به طور ساختاری مشابه محصولاتی است که از C3A تشکیل می شوند. برای مثال، بسته به غلظت سولفات، هیدراتاسیون C4AF ممکن است C 6 A(F) S 3H32 یا C 4 A(F) SH18  را تولید نماید که این دو، به ترتیب ترکیبات شیمیایی متغیر ولی ساختارهایی مشابه با اترینگایت و سولفات کم، دارند. با این وجود، نقشی که فرو آلومینات سیمان پرتلند در واکنشهای گیرش و سخت شدگی اولیه خمیر سیمان بازی میکند اساسا بستگی به ترکیبات شیمیایی آن و دمای تشکیل دارد. به طور کلی واکنش زایی فاز فریت کندتر از C 3A است ولی با افزایش مقدار آلومین و کاهش دمای تشکیل در حین فرایند تولید سیمان، سرعت این واکنش افزایش می یابد. در هر صورت، نکته قابل توجه آن است که واکنش هیدراتاسیون آلومیناتها که در زیر توضیح داده شده اند برای هر دوی C 3A و Fss در سیمان پرتلند قابلیت کاربرد دارند. هر چند که برای سادگی، تنها C 3A  توضیح داده می شود.

چندین تئوری برای توضیح مکانیزم کندگیر کردن C 3A   توسط گچ فرض شده اند. طبق یکی از این تئوری ها، از آنجا که گچ و قلیائیها سریعا وارد محلول می شوند، از حلالیت C 3A   در حضور یونهای هیدروکسیل، قلیایی و سولفات، کاسته می شود. بسته به غلظت آلومینات و یونهای سولفات در محلول، محصول متبلور رسوب کرده، یا هیدرات سه سولفات آلومینات کلسیم یا هیدرات منوسولفات آلومینات کلسیم می باشد. در محلولهای اشباع شده با یونهای کلسیم و هیدروکسیل، کلسیم بشکل منشور سوزنی کوتاه متبلور می شود و آن را به نام پُرسولفات یا بنام کانی شناسی اترینگایت می خوانند.

منو سولفات هم، که به نام کم سولفات خوانده می شود، به صورت صفحه های شش وجهی نازک، متبلور می شود. واکنشهای شیمیایی مربوطه ممکن است به صورت زیر نشان داده شوند:

 

 

 

به علت نسبت زیاد سولفات به آلومینات در فاز محلول در مدت چهار ساعت اول هیدراتاسیون، اترینگایت معمولا اولین هیدراتی است که متبلور می شود. در سیمانهای پرتلند دیرگیر معمولی، که دارای ۵ تا ۶ درصد گچ می باشند، رسوب اترینگایت به سفت شدگی (از دست دادن روانی). گیرش (جامد شدن خمیر) و توسعه مقاومت اولیه کمک میکند. سپس، بعد از تهی شدن محلول از سولفات ، یعنی وقتی که به علت هیدراتاسیون مجدد C 3A   و C4AF غلظت آلومینات دوباره زیاد می شود، اترینگایت ناپایدار شده و به تدریج به منوسولفات تبدیل می شود و محصول نهایی هیدراتاسیون سیمانهای پرتلند، دارای بیشتر از ۵ درصد C 3A    می باشد:

 

C_6 A S_3 H_32+3C_3 A→C_4 A SH_18

 

از آنجا که موازنه آلومینات به سولفات در فاز محلول خمیر سیمان پرتلند هیدراته مقدمتا تعیین کننده این است که رفتار گیرش، معمولی است یا خیر، لذا پدیده های مختلف گیرش که تحت تأثیر ناموازن بودن نسبت A/S قرار می گیرند و اهمیت کاربردی در تکنولوژی بتن دارند، در شکل ۶-۸ به تصویر درآمده، و در ذیل مورد بحث قرار گرفته اند:

حالت ا: هنگامی که میزان دسترسی یونهای آلومینات و یونهای سولفات به فاز محلول، کم باشد، خمیر سیمان برای حدود ۴۵ دقیقه کارا باقی می ماند. بعد از آن، در عین حال که فضاهای پرشده با آب شروع به پرشدن با بلورهای اترینگایت می کنند، خمیر شروع به سفت شدگی می کند. اکثر سیمانهای پرتلند که به نام سیمانهای با گیرش عادی نامیده می شوند در این دسته قرار می گیرند. خمیر، بین ۱ تا ۲ ساعت بعد از افزودن آب به آن، کارآیی اش کمتر می شود و ممکن است در عرض ۲ تا ۳ ساعت شروع به جامد شدن بنماید. حالت II: وقتی که میزان دسترسی یونهای آلومینات و یونهای سولفات به فاز محلول، زیاد باشد، مقادیر زیادی اترینگایت بسرعت شکل میگیرند و باعث از دست رفتن مقدار قابل توجهی از بتن در مدت ۱۰ تا ۴۵ دقیقه، و جامد شدن خمیر بین ۱ تا ۲ ساعت می گردد. سیمانهای تازه تولید شده دارای C 3A     زیاد و دارای مقادیر بیشتر از معمول سولفاتهای قلیایی یا سولفات کلسیم نیم

هیدراته، به طور کلی با این نوع رفتار مشخص می گردند.

حالتIII: وقتی که مقدار C 3A     واکنش زا زیاد باشد ولی سولفات قابل حل موجود کمتر از مقدار مورد نیاز برای تأخیر عادی باشد، بلورهای صفحه ای شش وجهی منو سولفات و هیدراتهای آلومینات کلسیم ،بسرعت و در مقادیر زیاد شکل می گیرند. گیرش خمیر سیمان در مدت کمتر از ۴۵ دقیقه بعد از افزودن آب انجام میگیرد. این پدیده بنام گیرش سریع خوانده می شود.

حالت IV : وقتی که هیج مقدار گچ به کلینکر سیمان پرتلند آسیاب شده اضافه نشده، و یا مقدار کمی از آن اضافه شده باشد، هیدراتاسیون C 3A    سریع است و هیدراتهای آلومینات کلسیم صفحه ای شش ولی در مقادیر زیاد، بعد از افزودن آب، شروع به تشکیل شدن می کنند و باعث گیرش تقریباً فوری می شوند. این پدیده که گیرش آنی نامیده می شود همراه با حرارت زایی زیاد و مقاومتهای نهایی ضعیف است.

حالت V :هنگامی که C 3A  سیمان واکنش زایی کمی دارد، مانند مواردی که سیمان به علت انبار کردن نامناسب قدری هیدراته یا کربناته شده است، و در عین حال مقدار زیادی نیم هیدراتهای کلسیم در سیمان موجودند، فاز محلول دارای غلظت کمی از یونهای آلومینات خواهد بود ولی سریعاً ، از یونهای کلسیم و سولفات، فوق اشباع خواهد شد. این موقعیت منجر به تشکیل سریع بلورهای بزرگ گچ، و متقابلاً از دست رفتن روانی می شود. این پدیده که گیرش کاذب نامیده می شود همراه با حرارت زایی زیاد نمی باشد و می توان با همزدن شدید خمیر سیمان همراه با یا بدون آب اضافی آن را برطرف نمود.

اگر چه گچ، به عنوان دیرگیر کننده به سیمان افزوده می گردد، ولی آنچه که به عنوان مقدار گچ بهینه سیمان شناخته می شود، به طور کلی از آزمایشهای استانداردی تعیین می گردد که حداکثر مقاومت سیمان و حداقل جمع شدگی در سنین مشخص هیدراتاسیون را نشان می دهند. یونهای سولفات از طریق تجزیه گچ، به محلول کمک کرده، تأثیر دیرگیر کننده ای بر روی آنومیناتها ولی تأثیر زود گیر کننده ای بر روی هیدراتاسیون سیلیکاتها (فصل ۸ مطالعه شود)، که ترکیبات اصلی سیمان پرتلند می باشند، می گذارند.

بنابراین، بسته به ترکیب سیمان، یک مقدار گچ معین، برای عملکرد بهینه سیمان، مشخص می گردد.

تأثیر نسبت آلومینات به سولفات در فاز محلول، بر روی مشخصه های گیرش خمیرهای سیمان پرتلند.
تأثیر نسبت آلومینات به سولفات در فاز محلول، بر روی مشخصه های گیرش خمیرهای سیمان پرتلند.

 

هیدراتاسیون سیلیکاتها

هیدراتاسیون C 3S     و  در سیمان پرتلند تولید یک خانواده از هیدراتهای سیلیکات کلسیم میکند که از نظر ساختاری مشابه اند ولی از نظر نسبت کلسیم به سیلیکا، و نیز از نظر مقدار آب ترکیب شده شیمیایی، تفاوت عمده ای با هم دارند. از آنجا که ساختار، تعیین کننده خواص است لذا تفاوتهای ترکیبات در بین هیدراتهای سیلیکات کلسیم،تاثیر کمی بر روی مشخصه های فیزیکی آنها دارند.

ساختمان و خواص بین هیدراتهای سیلیکات کلسیم، تأثیر کمی بر روی مشخصه های فیزیکی آنها دارند.

هیدراتهای سیلیکات کلسیم تشکیل یافته در خمیرهای سیمان پرتلند، در فصل۲ مورد بحث قرار گرفت. به طور کلی، ماده مزبور، ماده بلورین ضعیفی است که جامد متخلخلی را تشکیل می دهد که مشخصه های یک ژل صلب را از خود نشان می دهد. بعضی مواقع، در مقالات ای از این ژلی بنام ژل توبر موریت نام می برند، که این نام مطابق با یک ماده معدنی موجود طبیعی است که دارای ساختمان ظاهرا مشابهی است. استفاده از این نام دیگر مطلوب نیست، زیرا شباهت ساختمانهای بلوری آنها نسبتاً ضعیف است. همچنین، از آنجا که ترکیب شیمیایی هیدراتهای سیلیکات کلسیم در هیدراتاسیون خمیرهای سیمان پرتلند، با نسبت آب به سیمان، دما و سن هیدراتاسیون تغییر می یابد، لذا تا حدی مرسوم گشته است که این هیدراتها به طور ساده نامیده شود ، واین نشان دهنده آن است که فرمول مزبور دلالت بر ترکیب ثابتی نمی کند.هیدراتاسیون کامل، ترکیب تقریبی ماده با C 3 S 2 H مطابقت می نماید. این ترکیب بنابراین برای محاسبات موازنه ماده و انرژی مورد استفاده قرار می گیرد.

 

 

واکنشهای موازنه ماده و انرژی برای خمیرهای که C 3S    و C 2S کاملا هیدراته شده، ممکن است به صورت زیر نشان داده شوند:

علاوه بر این واقعیت که بر اثر هیدراتاسیون هر دوی سیلیکاتهای کلسیم موجود در سیمان پرتلند، محصولات مشابهی تشکیل می شوند، چندین نکته دیگر هم لازم است که مورد توجه قرار گیرند:

اول اینکه، محاسبات موازنه ماده و انرژی نشان میدهد که هیدراتاسیون C 3S، ۶۱ درصد C 3 S 2 H  و ۳۹ درصد هیدروکسید کلسیم تولید می کند، در صورتی که هیدراتاسیون C 2S ، ۸۲ درصد C 3 S 2 H  و ۱۸ درصد هیدروکسید کلسیم تولید می کند. در صورتی که مساحت سطحی و در نتیجه خاصیت چسبندگی خمیر سیمان هیدراته اساسا بخاطر تشکیل هیدرات سیلیکات کلسیم باشد، انتظار میرود که مقاومت نهایی سیمان پرتلند دارای C 3S زیاد، کمتراز سیمان دارای C 2S زیاد باشد.

این امر در واقع به وسیله داده های اخذ شده از تحقیقات زیادی تایید گردیده است.

دوم اینکه، چنانچه دوام خمیر سیمان سخت شده در مقابل آبهای اسیدی و سولفاتی به علت وجود هیدروکسید کلسیم کاهش یابد. ممکن است که انتظار رود که سیمان دارای نسبت زیادتر C 2S که در مقابل محیطهای اسیدی و سولفاتی خواهد بود، این مشاهده نیز به طور کلی به وسیله تجربیات آزمایشگاهی و صحرایی تایید شده است. از نقطه نظر دوام در برابر حملات شیمیایی، مشخصات استانداردهای زیادی سعی در محدود کردن حداکثر C 3S مجاز در سیمانها دارند؛ بعضی از آنها، استفاده از پوزولان را بمنظور رفع هیدروکسید کلسیم اضافی از خمیر سیمان هیدراته، توصیه کرده اند.

سوم اینکه، از معادلات بالا می توان محاسبه نمود که برای هیدراتاسیون کامل CPS و CS، به ترتیب به ۲۴ درصد و ۲۱ درصد آب نیاز است.

معادلات موازنه ماده و انرژی هیدراتاسیون C 3S و C 2S ، چیزی درباره سرعت واکنش نمی گویند از نقطه نظر ناپایداری ساختاری که قبلا بحث شد و داده های حرارت هیدراتاسیون داده شده در ذیل، معلوم میشود که C 3S با سرعت بیشتری از C 2S هیدراته می شود. در حضور گچ، C 3S در ذرات ریز در عرض یک ساعت پس از زمان افزودن آب به سیمان شروع به هیدراتاسیون میکند و به احتمال زیاد به زمان گیرش نهایی و مقاومت اولیه خمیر سیمان کمک می نماید. در حقیقت، هیدراتاسیون نسبتا سریع C 3S ، یک عامل مهم در طراحی سیمان پرتلند با مقاومت اولیه زیاد، همانطور که بعداً بحث خواهد شد، می باشد.

واکنشهای هیدراتاسیون الیت و بلیت، در حضور یونهای سولفات در محلول تسریع می شوند. محققین متعددی دریافته اند که برخلاف کاهش حلالیت ترکیبات آلومینات، در حقیقت حلالیت هر دوی ترکیبات سیلیکات کلسیم یعنی که C 3S و C 2S ، در محلول سولفات افزایش می یابد، که این امر، تسریع هیدراتاسیون را توجیه میکند. داده های متعارف در مورد تأثیر افزودن گچ بر روی میزان هیدراتاسیون الیت در جدول ۳-۶ نشان داده شده اند. در نتیجه، با آنکه هدف اصلی از گچ در سیمان پرتلند بتاخیر انداختن هیدراتاسیون الومیناتها است، ولی یک تاثیر جانبی آن تسریع هیدراتاسیون الیت است که بدون آن سیمان صنعتی با سرعت کمتری سخت خواهد گردید.

 

تاثیر تسریع کنندگی گچ بر روی زمان گیرش، حرارت هیدراتاسیون و مقاومت آلیت
تاثیر تسریع کنندگی گچ بر روی زمان گیرش، حرارت هیدراتاسیون و مقاومت آلیت

 

 

الف) سیمان آلیت، ساخته شده به وسیله آسیاب آلیت تک شیب (منوکلینیک)، با خلوص زیاد، درست شده در آزمایشگاه، به نرمی بلین ۳۳۰ (m 2 /Kg). یک سیمان پرتلند صنعتی که دارای مشخصات هر دو نوع ا و ASTM II و نرمی بلین ۳۳۰ (m 2 /Kg) بود به عنوان مرجع افزوده شد.

ب) روشهای ASTM   ۲C266 ، C 186 و ۱۰۹C بترتیب برای تعیین زمان گیرش، حرارت هیدراتاسیون و مقاومت فشاری، مورد استفاده قرار گرفت.

حرارت هیدراتاسیون

ترکیبات سیمان پرتلند محصولات غیر متعادلی از واکنشهای با دمای زیاد هستند، و بنابراین در  حالت پر انرژی هستند. وقتی که سیمان هیدراته می شود، این ترکیبات با آب واکنش برقرار می تا در وضعیت انرژی پایینی قرار بگیرند و این فرایند با آزاد کردن انرژی به شکل حرارت هما میباشد. بعبارت دیگر، واکنشهای هیدراتاسیون ترکیبات سیمان پرتلند گرمازا هستند.

اهمیت حرارت هیدراتاسیون سیمان در تکنولوژی بتن چند جهته می باشد. حرارت هیدراتاسیون بعضی مواقع می تواند مضر باشد (برای مثال در سازه های حجیم بتنی) و در مواقع دیگر کمک باشد)مثلا برای بتن ریزی در زمستان، یعنی هنگامی که دمای محیط ممکن است برای تامین انرژی فعالسازی واکنشهای هیدراتاسیون خیلی کم باشد). مقدار کل حرارت آزاد شده و میزان آزادی حرارت ناشی از هیدراتاسیون ترکیبات، هر یک به طور جداگانه می تواند به عنوان شاخصهای واکنش زایی آنها استفاده شود. همانطور که در زیر بحث گردیده است، داده های مطالعات حرارت هیدراتاسیون می توانند برای مشخص کردن رفتار گیرش و سخت شدگی سیمان و برای پیش بینی افزایش دما بکار بروند.

لِرچ (Lerch) ، با استفاده از گرماسنج رسانشی، میزان حرارت ایجاد شده حاصل از خمیرهای سیمان را در حین گیرش و مدت زمان سخت شدگی اولیه ثبت نمود. نمودار متعارف داده ها در شکل۹-۶نشان داده شده است. به طور کلی، موقع مخلوط کردن سیمان با آب، یک حرارت زایی سریع (نقطه اوج صعودی A)، که چندین دقیقه طول می انجامد، رخ می دهد. این امر به احتمال زیاد نشانگر حرارت محلول آلومیناتها و سولفاتها است. این حرارت زایی اولیه، وقتی که با حضور سولفاتها در محلول از حلالیت آلومیناتها کاسته می شود، به سرعت متوقف می گردد (نقطه اوج نزولی A ).دوره بعدی حرارت زایی که منجر به ایجاد نقطه اوج دوم برای اغلب سیمانهای پرتلند پس از گذشت حدود ۴ تا ۸ ساعت می شود، نشانگر حرارت ناشی از شکل گیری اترینگایت می باشد (نقطه اوج صعودیB ). پژوهشگران زیادی بر این عقیده اند که دوره زمانی اوجگیری حرارت زایی، شامل حرارت محلول به خاطر C3S و حرارت شکل

C-S – H نیز می شود. خمیر حاوی یک سیمان کندگیر، قبل از شروع این چرخه حرارتی، بیشتر حالت خمیری خود را نگه خواهد داشت، و سفت شدگی و گیرش و اولیه (شروع جامد شدن) را قبل از رسیدن به نقطه اوج B ،که متناظر بگیرش نهایی (جامد شدن کامل شروع سخت شدگی) است، نشان خواهد داد.

میزان حرارت آزاد شده یک خمیر سیمان پرتلند در حین گوش ومدت زمان سخت شدگی اولیه - حرارتهای هیدراتاسیون ترکیبات سیمان پرتلند
میزان حرارت آزاد شده یک خمیر سیمان پرتلند در حین گوش ومدت زمان سخت شدگی اولیه – حرارتهای هیدراتاسیون ترکیبات سیمان پرتلند

از آنالیز داده های اخذ شده از حرارت هیدراتاسیون تعداد زیادی سیمان، وربک و فاستر ( Verbeck & Foster ) مقادیر جداگانه حرارت زایی چهار ترکیب اصلی سیمان پرتلند را محاسبه نمودند (جدول ۴-۶). از آنجا که حرارت هیدراتاسیون سیمان یک خاصیت افزودنی است. میتواند از روی یک عبارت از نوع زیر پیش بینی گردد:

H=aA +bB+cC+dD                                              (۶-۶)

که در آن، H  معرف حرارت هیدراتاسیون در سن مشخص و تحت شرایط مشخص می باشد ؛A،D,C,B درصد مقادیر C3A C3S C2S و C4AF  موجود در سیمان می باشند؛ و  d,c,b,aضرایب معرف کمک ۱ درصد ترکیبات متناظر به حرارت هیدراتاسیون است. مقادیر ضرایب برای سنین مختلف هیدراتاسیون مختلف خواهد بود.

برای یک سیمان پرتلند متعارف، به نظر می رسد که حدود ۵۰ درصد حرارت پتانسیل تا ۳ روز اول هیدراتاسیون و ۹۰ درصد آن تا ۳ ماه اول هیدراتاسیون، آزاد می شود. برای سیمانهای پرتلند با حرارت زایی کمASTM ) نوع IV) ، استاندارد ASTM C 150 حرارت هیدراتاسیون ۷ و ۲۸ روزه  بترتیب به ۶۰ و ۷۰ کالری بر گرم محدود می کند. سیمانهای پرتند معمولی،  ASTM نوع I، در حالت کلی، ۸۰ تا ۹۰ کالری برگرم در ۷ روز و ۹۰ تا ۱۰۰ کالری بر گرم در ۲۸ روزه حرارت تولید می نمایند.

جنبه های فیزیکی فرایندهای گیرش و سخت شدگی

تا به حال، در مورد جنبه های شیمیایی واکنشهای هیدراتاسیون ترکیبات سیمان پرتلند بحث گردید. برای کاربرد در تکنولوژی بتن، بررسی جنبه های فیزیکی، مانند سفت شدگی، گیرش و سخت شدگی، که علائم و نشانه های موقعیتهای مختلف فرایندهای شیمیایی در حال انجام هستند مطلوب می باشد.

سفت شدگی، از دست رفتن روی خمیر سیمان خمیری میباشد و مرتبط با پدیده کاهش اسلامپ در بتن است. این، آب آزاد در خمیر سیمان است که مسئول حالت خمیری آن است. کاهش تدریجی آب آزاد از سیستم، به علت واکنشهای اولیه هیدراتاسیون، جذب سطحی فیزیکی در سطح محصولات هیدراتاسیون به طور ضعیف متبلور شده مانند اترینگایت و C- S -H ، و تبخیر، باعث می شوند که خمیر سفت شده و نهایتا گیرش یافته و سخت گردد.

عبارت گیرش، دلالت بر جامد شدن خمیر سیمان خمیری دارد. زمان شروع جامد شدن، که گیرش اولیه نامیده می شود، نقطه زمانی ای را مشخص می سازد که خمیر، کارایی خود را از دست داده است. از اینرو، جای دادن. متراکم کردن و پرداختن بتن بعد از این مرحله بسیار سخت خواهد بود. خمیر به طور ناگهانی جامد نمی شود، بلکه به زمان قابل توجهی نیاز دارد تا کاملا صلب گردد. زمانی که طول می کشد تا خمیر کاملا جامد شود. گیرش نهایی را مشخص می سازد که این کار نبایستی خیلی طول بکشد

تا فعالیت ساختمان سازی بتواند در زمان قابل قبولی پس از جای دادن بتن از سر گرفته شود بوسیله دستگاه ویکا (Vicat) تعیین  میگردند.این دستگاه، مقاومت خمیر سیمان دارای روانی استاندارد را در مقابل نفوذ سوزن تحت کل بار ۳۰۰ گرم اندازه می گیرد. گیرش اولیه، یک زمان اختیاری در فرایند گیرش است و به زمانی گفته می شود که در آن زمان، سوزن تا حدود ۵ تا ۷ میلیمتر از کف قالب خمیر سیمان دارای ۴۰ میلیمتر می گذارد ولی در سطح خمیرنفوذ نمی کند.  گیرش نهایی به زمانی گفته می شود که سوزن نقشی بر روی سطح خمیربجا میگذارد ولی در سطح خمیرنفوذ نمی کند. استاندارد ۱۵۰ASTM C تحت عنوان مشخصات استاندارد برای سیمان پرتلند، لازم می داند که وقتی که زمان به وسیله سوزن ویکا (۱۹۱ASTM C )تعیین می شود، زمان گیرش اولیه کمتر از ۴۵ دقیقه نباشد و زمان گیرش نهایی بیشتر از ۳۷۵ دقیقه نباشد.

یک خمیر سیمان پرتلند تازه گیرش یافته، کمی مقاومت داشته یا هیچ مقاومتی ندارد زیرا تنها نشاندهنده شروع هیدراتاسیون C3S است که ترکیب اصلی موجود در سیمان میباشد. وقتی که هیدراتاسیون C3S شروع شود، واکنش به سرعت برای چندین هفته ادامه پیدا میکند. فرایند پیوسته پرشدن فضاهای خالی خمیر با محصولات حاصل از واکنش، منجر به کاهش تخلخل و تراوایی و افزایش مقاومت می گردد. در تکنولوژی بتن، پدیده کسب مقاومت با زمان، سخت شدگی نامیده می شود. شکل ۱۰-۶ نمودار رابطه بین فرایند شیمی هیدراتاسیون خمیر سیمان پرتلند معمولی و پدیده های فیزیکی سفت شدگی، گیرش و سخت شدگی تدریجی همراه با کاهش متناظر تخلخل و تراوایی را نشان میدهد.

بیشتر بخوانید  میکروسیلیس : از سیر تا پیاز پودر میکروسیلیس و کاربرد و تاثیر آن در بتن
(الف) میزانهای شاخص شکل گیری محصولات هیدراتاسیون در یک خمیر سیمان پرتلند معمولی؛  (ب) تأثیر شکل گیری محصولات هیدراتاسیون بر روی زمان گیرش، تخلخل، تراوایی و مقاومت خمیر سیمان.
(الف) میزانهای شاخص شکل گیری محصولات هیدراتاسیون در یک خمیر سیمان پرتلند معمولی؛  (ب) تأثیر شکل گیری محصولات هیدراتاسیون بر روی زمان گیرش، تخلخل، تراوایی و مقاومت خمیر سیمان.

 

تأثیر مشخصات سیمان بر مقاومت و حرارت هیدراتاسیون

از آنجا که سرعت واکنش زایی هر یک از اجزای مختلف سیمان پرتلند با آب، به طور قابل توجهی با یکدیگر تفاوت دارند، لذا ممکن است که مشخصات افزایش مقاومت سیمان را به سادگی از طریق تغییر ترکیب اجزای سیمان تغییر داد. برای مثال، اگر سیمان دارای مقادیر نسبتا زیادی از C3S و C2S باشد، مقاومتهای اولیه ۷ . ۳ و ۲۸ روزه زیاد خواهند بود؛ و اگر سیمان دارای نسبت زیادتری C2S باشد، مقاومت اولیه کم خواهد بود همچنین، با توجه به مطالب تئوریکی که تاکنون به آنها اشاره شده است (صفحه ۲۳۴)، مقاومت نهایی سیمانی با C2S زیاد، بایستی بیشتر از مقاومت نهایی سیمانی با C2S کم باشد. مطالعات آزمایشگاهی نیز این انتظارات را تایید می کنند (شکل ۱۱-۶- الف).

همچنین از آنجا که ترکیب اجزای سیمان بر حرارت هیدراتاسیون تأثیر می گذارد، انتظار می رود که سیمانهای دارای C2S زیاد،نه تنها کند سخت شوند بلکه همچنین حرارت کمتری هم تولید کنند. (شکل ۱۱-۶-ب)

علاوه بر ترکیب اجزای سیمان، سرعت افزایش مقاومت و حرارت ایجاد شده می توانند به سهولت بوسیله تنظیم نرمی سیمان کنترل گردند. برای مثال، بسته به ترکیب اجزای مشخص، به وسیله تغییر مساحت سطحی سیمان از بلین ۳۲۰ به ۴۵۰ متر مربع بر کیلوگرم، ممکن است مقاومتهای فشاری ۱، ۳ و ۷ روز ملات سیمان را بترتیب تا حدود ۵۰ تا ۱۰۰، ۳۰ تا ۶۰ و ۱۵ تا ۴۰ درصد افزایش داد.

داده های متعارف تأثیر نرمی بر مقاومت در شکل ۱۱-۶- ج نشان داده شده است. داده های اضافی تأثیر ترکیب اجزای سیمان، نرمی و حرارت هیدراتاسیون بر توسعه حرارت، در شکل ۱۲-۶ نشان داده شده است.

انواع سیمانهای پرتلند

خلاصه ای از مشخصات عمده ترکیب اجزای سیمان پرتلند در جدول ۶-۵ نشان داده شده است. با دانستن میزانهای نسبی واکنش زایی و محصولات هیدراتاسیون ترکیبات جداگانه، طراحی سیمانهای با مشخصات ویژه مانند مقاومت اولیه زیاد، حرارت هیدراتاسیون کم، مقاومت سولفاتی زیاد و حرارت هیدراتاسیون متوسط یا مقاومت سولفاتی متوسط، امکان پذیر می باشد. از این رو

(الف) تأثیر ترکیب سیمان بر مقاومت؛ (ب) تأثیر ترکیب سیمان بر حرارت هیدراتاسیون؛ (ج) تأثیر نرمی سیمان بر مقاومت (داده های (الف) و (ب) و داده (ج))
(الف) تأثیر ترکیب سیمان بر مقاومت؛ (ب) تأثیر ترکیب سیمان بر حرارت هیدراتاسیون؛ (ج) تأثیر نرمی سیمان بر مقاومت (داده های (الف) و (ب) و داده (ج))

 

در کاربرد صنعتی، اصلاح ترکیب اجزاء و نرمی سیمان پرتلند، روشهای موثری برای کنترل میزان توسعه مقاومت اولیه و حرارت هیدراتاسیون، ایجاد می نماید.

 

تاثیر ترکیب اجزاء، نرمی و حرارت هیدراتاسیون بر روی ایجاد حرارت در خمیر های سیمان (نسبت آب به سیمان )
تاثیر ترکیب اجزاء، نرمی و حرارت هیدراتاسیون بر روی ایجاد حرارت در خمیر های سیمان (نسبت آب به سیمان )

 

هم سرعت ایجاد حرارت. و هم مقدار کل حرارت ایجاد شده بر اثر هیدراتاسیون سیمان تحت تاثیر ترکیب ترکیبات، نرمی و حرارت هیدراتاسیون می باشد.

استاندارد ۱۵۰ASTM C، تحت عنوان مشخصات استاندارد برای سیمان پرتلند، ۸ نوع سیمان پرتلند به صورت زیر را تحت پوشش قرار داده است:

  • نوع I: برای مصرف در موقعی که به خواص ویژه ای که برای انواع دیگر سیمانها مشخص شده است نیاز نمی باشد. هیچ محدودیتی برای هیچکدام از چهار ترکیب اصلی تحمیل نگشته است.
  • نوع:IA سیمان نوع I دارای مواد حباب هوازا، در جایی که هوازایی مطلوب است (مثلا ،برای ساخت بتن دارای مقاومت در برابر یخ زدگی).
  • نوع II: برای مصرف عمومی، مخصوصا در مواقعی که مقاومت متوسط در برابر سولفات یا حرارت هیدراتاسیون متوسط مطلوب است. از آنجا که C3S و C3A تولید حرارتهای زیاد هیدراتاسیون کنند، لذا مشخصات، مقدار C3A سیمان را به حداکثر ۸ درصد محدود می کند و حد اختیاری حداکثر ۵۸ درصد برای مجموع C3A و C3S را دارد (این حد وقتی بکار می رود که حرارت هیدراتاسیون متوسط مورد نیاز است و داده های آزمایش برای حرارت هیدراتاسیون در دسترس نیست).
  • نوع: IIA سیمان نوع II دارای مواد هوازا، در جایی که هوازایی مطلوب است.
  • نوع :III برای مصرف در موقعی که مقاومت اولیه زیاد مطلوب باشد. برای اطمینان از اینکه مقاومت زیاد عمدتا بخاطر محصولات هیدراتاسیون C3A نباشد، مشخصات مقدار C3A سیمان را به حداکثر ۱۵ درصد محدود می کند.

از شکل ۱۱-۶ در می یابیم که به طور کلی مقاومت اولیه زیاد سیمان پرتلند نوع III به علت سطح ویژه زیادتر آن، تقریبا بلین ۵۰۰m2/ kg  بجای m2 / kg ۳۳۰تا ۴۰۰ برای سیمان پرتلند نوعI، می باشد.

  • نوع: IIIA سیمان نوع III دارای مواد هوازا، در جایی که هوازایی مطلوب است.
  • نوع: IV برای مصرف در موقعیکه حرارت هیدراتاسیون کم مطلوب باشد. از آنجا که C3S و C3A تولید حرارتهای هیدراتاسیون زیاد می کنند، ولی C2S حرارت خیلی کمتری تولید میکند، لذا مشخصات، C3S و C3A را به ترتیب به حداکثر ۳۵ و ۷ درصد محدود می کنند و حداقل ۴۰ درصد C2S در سیمان را لازم می داند.
  • نوع V: برای مصرف در موقعی که مقاومت زیاد سولفاتی مطلوب باشد. مشخصات، مقدار C3A را به حداکثر ۵ درصد محدود می کنند. این محدودیت وقتی بکار می رود که آزمایش انبساط سولفات لازم نباشد.

بایستی توجه گردد که در سیمانهای دارای بیش از ۵ درصد C3A پتانسیل، محصول نهایی هیدراتاسیون همانطور که با معادلات بوگ محاسبه می شود، هیدرات منوسولفات است که وقتی که در معرض محلول سولفاتی قرار میگیرد ناپایدار است؛ اترینگایت در محیطهای سولفاتی محصول پایداری است، و تبدیل منوسولفات به اترینگایت به طور کلی همراه با انبساط و ترک خوردگی می باشد.

ترکیبات اصلی سیمان پرتلند
ترکیبات اصلی سیمان پرتلند

 

با آنکه استاندارد۱۵۰ASTM C ،تولید و مصرف سیمانهای پرتلند دارای مواد هوازا شده راشامل میگردد،با این حال تولید کنندگان بتن، استفاده از سیمانهای بدون مواد حباب هوازا را ترجیح می دهند زیرا کاربرد مواد افزودنی حباب هوازا در حین تولید بتن، کنترل بهتری را برای به دست آوردن مقدار و توزیع مطلوب هوا در محصول، ارائه می دهد. نتیجتاً، تقاضای کمی برای سیمانهای هوازا وجود دارد. همینطور، سیمان با حرارت زایی کم، دیگر در ایالات متحده تولید نمی شود زیرا مصرف مواد افزودنی معدنی در بتن، به طور کلی، راه ارزانتری را برای کنترل افزایش دما ارائه می دهد. قابل توجه است که بیش از ۹۰ درصد سیمانهای هیدرولیکی تولید شده در ایالات متحده، مربوط به سیمانهای پرتلند نوع او ASTM II، می شوند؛ تقریبا ۳ درصد به ASTM نوع III و باقی آن مربوط به سیمانهای مخصوص مانند سیمان چاه نفت، که شامل تقریبا ۵ درصد کل تولید سیمان است، می شوند.

ترکیبهای شیمیایی اجزای متعارف سیمانهای پرتلندی که به طور معمول در ایالات متحده قابل دسترس اند، در جدول ۶-۶ نشان داده شده اند. مشخصات فیزیکی مهم سیمانها بر طبق استاندارد ۱۵۰ASTM C همراه با اشاره ای به روشهای آزمایشی مربوطه، در جدول ۷-۶ خلاصه شده اند. روشهای آزمایش و مشخصات، عمدتا برای مقاصد کنترل کیفیت سیمان مفید می باشند و نباید از آنها برای پیش بینی خواص بتن، استفاده کرد. خواص بتن، بیش از عوامل دیگر، تحت تأثیر نسبت آب به سیمان، دمای عمل آوری و اندرکنش سیمان – ماده افزودنی، در صورت کاربردی می باشد. برای مثال، در مقایسه با شرایط آزمایش استاندارد، زمان گیرش یک سیمان، با افزایش نسبت آب به سیمان افزایش و با افزایش دمای عمل آوری کاهش پیدا می کند.

استانداردهای سیمان در دنیا به طور کلی در اصول مشابه یکدیگرند، ولی در جزئیات فرعی با یکدیگر متفاوتند. به هر حال، به استثناهایی نیز ممکن است توجه شود. برای مثال، استانداردهای سیمان، بین سیمانهای پرتلند نوع ASTM I و ASTM II تفاوتی قایل نمی شوند. همچنین اغلب استانداردهای سیمان، استانداردهای ۱۵۱ ASTM C (آزمایش انبساط اتوکلاو) و ۱۵۰C )مشخصات سلامتی، یا ثبات حجمی) را ترجیح نمی دهند، زیرا رفتار هیدراتاسیون سیمان پرتلند به میزان زیادی تحت شرایط اتوکلاو به گونه ای نامناسب عمل می کند، دلیل این امر هم آن است که هیچ گاه بین انبساط مجاز حداکثر طی آزمایش، و سلامتی سیمان در عمل، یک همبستگی نشان داده نشده است. لذا بجای آن آزمایشها، آزمایش لوشاتلیه (Le Chatelier)که شامل قرار دادن خمیر سیمان در معرض آب در حال جوشیدن (نه در شرایط اتوکلاو) است. ترجیح داده میشود.

ترکیب اجزای متعارف انواع مختلف سیمان پرتلند قابل دسترسی، در ایالات متحده
ترکیب اجزای متعارف انواع مختلف سیمان پرتلند قابل دسترسی، در ایالات متحده

 

سیمانهای هیدرولیکی مخصوص

 طبقه بندی و نامگذاری

سیمانهای پرتلند، تمام نیازهای صنعت بتن را برآورده نمی سازند. بنابراین، برای برآورده کردن نیازهای خاص، سیمانهای مخصوص درست شده اند. این سیمانها، در مقایسه با سیمان پرتلند، به طور کلی، مقدار و حجم مصرفشان کمتر و قیمتشان بیشتر است، اما بخاطر مشخصات منحصر بفرد این نوع سیمانها، شایسته آن است که سیمانهای مخصوص برای مهندسان سازه بهتر شناخته شوند.

با یک استثناء قابل توجه، سیمانهای هیدرولیکی مخصوص ممکن است به صورت سیمانهای پرتلند اصلاح شده در نظر گرفته شوند، به این صورت که با تغییر ترکیب ترکیبات کلینکر سیمان

ضوابط و الزامات فیزیکی اصلی و نکات و رئوس اساسی روشهای آزمایشی ASTM برای سیمانهای پرتلند
ضوابط و الزامات فیزیکی اصلی و نکات و رئوس اساسی روشهای آزمایشی ASTM برای سیمانهای پرتلند

 

پرتلند، یا به وسیله مخلوط کردن مواد مضاف خاصی با سیمان پرتلند، و یا به هر دو صورت ساخته شوند. تدوین یک طبقه بندی واضح از سیمانهای مخصوص دشوار است؛ با این وجود استانداردهای آمریکا استفاده از عبارت سیمانهای پرتلند آمیخته، منحصر شده است به مخلوطهای سیمانهای پرتلند با روباره آهنگدازې سریعا سرد شده و یا مواد پوزولانی مانند خاکستر بادی، سیمانهای مخصوص دیگر، به طور کلی تحت عنوان سیمانهای پرتلند اصلاح شده طبقه بندی شده اند زیرا آنها به وسیله اصلاح ترکیب ترکیبات کلینکر سیمان پرتلند شناخته شده اند. سیلیکاتهای کلسیم هیدرولیکی، C 3S و ، مواد متشکله سیمانی اصلی خواهند بود؛ ولی فقط فازهای آلومیناتها و فریت به طور مناسبی تغییر می یابند تا خواص مطلوب را در سیمان ایجاد نمایند.

یک مورد استثنایی از سیمانهای پرتلند آمیخته و اصلاح شده، سیمان آلومینات کلسیم است که خواص سیمانی کننده اش از وجود سیلیکات کلسیم هیدرولیکی سرچشمه نمی گیرد. سیمانهای مخصوص قابل ذکر، و ترکیبها و کاربردهای اصلیشان در جدول ۸-۶ خلاصه شده است. ویژگیهای مهم، مشخصات هیدراتاسیون و خواص سیمانهای فهرست شده در جدول مزبور، در قسمت بعدی مورد بحث قرار می گیرند.

سیمانهای پرتلند آمیخته

به احتمال زیاد، دلیل ابتدایی توسعه سیمانهای پرتلند آمیخته، صرفه جویی در قیمت بوده است. با این وجود، نیروی محرک رشد سریع در تولید سیمانهای آمیخته در بسیاری از کشورهای اروپایی و آسیایی، پتانسیل صرفه جویی انرژی بوده است. همچنین در موارد خاص، سیمانهای آمیخته بهتر از سیمان پرتلند عمل می کنند. در حال حاضر، تولید سیمانهای روباره نزدیک به یک چهارم کل تولید سیمان آلمان می باشد. در ایالات متحده، تولید سیمانهای آمیخته هنوز در آغاز راه است؛ بهر حال، علاقه فزاینده ای برای مصرف مواد پوزولانی (مثلا خاکستر بادی) و سیمانی (مثلا روباره آهنگدازی اسیاب شده) به عنوان مواد افزودنی معدنی در بتن، وجود دارد. ترکیب و خواص مواد پوزولانی و سیمانی در فصل ۸ توضیح داده شده اند.

سیمانهای هیدرولیکی مخصوص؛ترکیبها و کاربردهایشان
سیمانهای هیدرولیکی مخصوص؛ترکیبها و کاربردهایشان
سیمانهای هیدرولیکی مخصوص؛ترکیبها و کاربردهایشان
سیمانهای هیدرولیکی مخصوص؛ترکیبها و کاربردهایشان

 

استاندارد ۵۹۵ASTM C، تحت عنوان مشخصات استاندارد برای سیمانهای هیدرولیکی آمیخته، پنج طبقه سیمان آمیخته را در بر گرفته است، اما تولید تجاری آنها محدود به سیمان پرتلند رویاره آهنگدازی (نوع IS)، و سیمان پرتلند پوزولانی (نوع (IP می شود. طبق مشخصات، سیمان نوع IS حاوی مخلوط کامل و یکنواخت سیمان پرتلند و روباره آهنگدازی دان شده نرم می باشد که در آن روباره شامل ۲۵ تا ۷۰ درصد وزن سیمان پرتلند روباره آهنگدازی می شود. روباره آهنگدازی یک محصول غیر فلزی است که حاوی ضرورتاً سیلیکاتها و آلومینوسیلیکاتهای کلسیم و پایه های دیگر می باشد؛ روباره دان شده محصول شیشه ای یا غیر متبلوری است که وقتی روباره آهنگدازی مذاب سریعاً سرد می شود، مانند غوطه ور نمودن در آب، تشکیل می گردد. سیمان نوع IP حاوی مخلوط کامل و یکنواخت سیمان پرتلند (یا سیمان پرتلند روباره آهنگدازی) و پوزولان نرم می باشد که در آن مقدار پوزولانی بین ۱۵ تا ۴۰ درصد وزن کل سیمان می باشد. پوزولان چنین تعریف می شود که یک ماده سیلیسی یا سیلیسی آلومینی است که بخودی خود دارای کمی یا بدون خاصیت سیمانی شدن می باشد ولی به صورت ذرات نرم و در حضور رطوبت به طور شیمیایی با هیدروکسیدکلسیم در دمای معمولی واکنش برقرار می سازد و تشکیل ترکیباتی را میدهد که دارای خواص سیمانی می باشند.

در مقایسه با پوزولانها، روباره آهنگدازی دان شده نرم آسیاب شده، خاصیت خود سیمان شدن دارد؛ یعنی برای تشکیل محصولات سیمانی مانند C- S -H ، نیازی به هیدروکسید کلسیم ندارد. با این وجود وقتی که روباره آهنگدازی دان شده هیدراته می شود، مقدار محصولات سیمانی تشکیل یافته و سرعت تشکیل آنها برای کاربرد مصالح در مقاصد سازه ای ناکافی می باشند. این مواد، وقتی در ترکیب با سیمان پرتلند بکار می روند، هیدراتاسیون روباره در حضور هیدروکسید کلسیم و گچ تسریع می گردد. در حین هیدراتاسیون سیمان نوع IS، مقداری هیدروکسید کلسیم تولید شده توسط سیمان پرتلند، به وسیله روباره موجود در سیمان مصرف می شوند. از این نظر و همچنین بدلیل شباهت کلی بین ساختمان ذره بینی خمیرهای سیمان هیدراته شده نوع IS و IP، شایسته است که خواص و مشخصات هیدراتاسیون این دو نوع سیمان با همدیگر بحث شود.

واکنش پوزولانی و اهمیت آن

. در رابطه با واکنش تشکیل C- S – H اصلی، مقایسه بین سیمان پرتلند و سیمان پرتلند پوزولانی بمنظور درک دلایل تفاوت در رفتار آنها، مفید می باشد:

 

 

واکنش بین یک پوزولان و هیدروکسید کلسیم، واکنش پوزولانی نامیده می شود. اهمیت فنی سیمانهای پوزولانی (و همچنین سیمانهای روباره) اساساً از سه ویژگی واکنش پوزولانی سرچشمه می گیرد. اول اینکه، این واکنش کند است؛ بنابراین سرعتهای حرارت آزاد شده و توسعه مقاومت مطابقاً کند خواهند بود. دوم اینکه، این واکنش بجای تولید آهک، آهک مصرف می نماید که تأثیر مهمی بر روی دوام خمیر هیدراته در برابر محیطهای اسیدی دارد. سوم اینکه، مطالعه و بررسی توزیع اندازه منافذ سیمانهای IP و IS هیدراته نشان داده اند که محصولات واکنش در پر کردن فضاهای بزرگ مویین بسیار مؤثرند، در نتیجه، مقاومت و نفوذ ناپذیری سیستم را بهبود میدهند. داده های توزیع اندازه منافذ سیمانهای پرتلند پوزولانی دارای یک پوزولان یونانی (خاک سانتورین) در شکل نشان داده شده اند. نمودار فرآیند اصلاح منفذی همراه با واکنش پوزولانی نیز در شکل ۶-۱۴ نشان داده شده اند.

روباره و پوزولان علاوه بر واکنش سیلیس، به آلومین واکنش زا نیز کمک می کنند. آلومین واکنش زا در حضور هیدروکسید کلسیم و یونهای سولفات در سیستم، نیز تشکیل محصولات سیمانی مانند AH13 C4 ، AFt  و  AFm را می دهند. خواص انواع IP و IS بسته به شرایط عمل آوری و نسبت و همچنین مشخصات فیزیکی – شیمیایی مواد متشکله موجود به طور وسیعی تغییر می کنند. بنابراین، خواص داده شده در زیر، ممکن است به عنوان نشانه روند کلی در نظر گرفته شوند.

 حرارت هیدراتاسیون

. شکل  تأثیر افزایش مقادیر پوزولان را بر حرارت هیدراتاسیون سیمان پرتلند پوزولانی نشان میدهد. سیمانهای نوع IS دارای ۵۰ درصد روباره نتایج قابل مقایسه ای را نشان میدهند (یعنی، Cal/ g۴۵ تا ۵۰ حرارت هیدراتاسیون در ۷ روز).

افزایش مقاومت

. شکل ۶-۱۶ – الف میزانهای افزایش مقاومت را تا یک سال برای سیمانهای دارای ۱۰، ۲۰ یا ۳۰ درصد پوزولان نشان می دهد و شکل ۶-۱۶- ب داده های مشابه برای سیمانهای دارای ۴۰، ۵۰ یا ۶۰ درصد روباره دان شده را نشان می دهد. به طور کلی، سیمانهای پوزولانی، از نظر افزایش مقاومت تا اندازه ای کندتر از سیمانهای روباره ای هستند؛ در صورتی که

تغییرات در توزیع اندازه منافذ خمیرهای سیمان با مقادیر مختلف پوزولان.
تغییرات در توزیع اندازه منافذ خمیرهای سیمان با مقادیر مختلف پوزولان.

 

 

در بررسی آزمایشگاهی، سیمانهای پرتلند پوزولانی دارای ۱۰، ۲۰ یا ۳۰ درصد وزنی پوزولان معدنی طبیعی یونان با نسبت آب به سیمان معین هیدراته شده و توزیع اندازه منافذ در ۲۸، ۹۰ و ۳۶۵ روز به وسیله تخلخل سنج نفوذی جیوه، تعیین شد. با مقدار ۲۰ یا ۳۰ درصد پوزولان، هیچ منفذ بزرگی (بزرگتر از  میکرون) در خمیرهای عمل آوری شده به مدت یک سال پیدا نشد. آزمایشهای نفوذ پذیری آب نشان دادند که این خمیرهای سیمان خیلی بیشتر از خمیر سیمان پرتلند مرجع نفوذناپذیر هستند.

سیمانهای نوع IS معمولا کمک زیادی به مقاومت ۷ روزه می کنند. سیمان نوع IP دارای پوزولان معمولی، کسب مقاومت قابل توجهی را بین مدت زمان آزمایش ۷ و ۲۸ روز نشان میدهد. وقتی که مواد واکنش زای کافی با نسبت متعادل (مثلا ۱۵ تا ۳۰ درصد پوزولان یا ۲۵ تا ۵۰ درصد روباره) بکار می روند و عمل آوری مرطوب برای مدت زیادی قابل دسترس باشد، مقاومتهای نهایی سیمانهای نوع IP و IS از مقاومت سیمان پرتلندی که این سیمانها از آن ساخته شده اند، زیادتر هستند. این امر به علت اصلاح منافذ همراه با واکنشهای پوزولانی و افزایش C- S -H و محصولات دیگر هیدراتاسیون، به هزینه هیدروکسیدکلسیم می باشد.

نمایش شماتیکی خمیرهای سیمان خوب هیدراته شده ساخته شده با سیمان به جان پوزولانی، در مقایسه با خمیر سیمان پرتلند (شکل 2-6 را برای شناسایی فازهای موجود نگاه کنید) در اینجا نشان داده شده است که، در نتیجه واکنش پوزولانی، حفره های مویین یا از بین رفته اند با اندازه شان کاهش یافته است و بلورهای متراکم هیدروکسید کلسیم با C- S -H اضافی دارای چگالی کمتر جایگزین گشته اند.
نمایش شماتیکی خمیرهای سیمان خوب هیدراته شده ساخته شده با سیمان به جان پوزولانی، در مقایسه با خمیر سیمان پرتلند (شکل ۲-۶ را برای شناسایی فازهای موجود نگاه کنید) در اینجا نشان داده شده است که، در نتیجه واکنش پوزولانی، حفره های مویین یا از بین رفته اند با اندازه شان کاهش یافته است و بلورهای متراکم هیدروکسید کلسیم با C- S -H اضافی دارای چگالی کمتر جایگزین گشته اند.

 

براساس مطالعات به دست آمده از تصویر میکروسکوپ پویش الکترونی و توزیع اندازه منافذ خمیرهای سیمان هیدراته هم با و هم بدون پوزولان، می توان نتیجه گرفت که دو تأثیر فیزیکی برای واکنش شیمیایی بین ذرات پوزولانی و هیدروکسید کلسیم وجود دارد: (۱) اصلاح اندازه منافذ و (۲) اصلاح اندازه دانه ها. تشکیل محصولات ثانوی هیدراتاسیون (اساساً هیدراتهای سیلیکات کلسیم) در اطراف ذرات پوزولان تمایل به پر کردن حفره های مویین بزرگ با یک ماده ریز متخلخل و بنابراین کم چگالی دارند. فرایند تغییر شکل یک سیستم دارای حفره های مویین بزرگ به محصول ریز متخلخل دارای منافذ ریز متعدد اصلاح اندازه منافذ” نامیده میشود. همچنین، جمع شدگی هیدروکسید کلسیم در اطراف ذرات ریز و خوب توزیع شده پوزولان تأثیر جایگزینی بلورهای بزرگ و جهت یافته هیدروکسید کلسیم را با بلورهای متعدد، کوچک و کم جهت یافته بعلاوه محصولات واکنش متبلور ضعیف به همراه دارد. فرایند تغییر شکل یک سیستم دارای دانه های بزرگ یک جزء به محصول دارای دانه های کوچکتر “اصلاح اندازه دانه ها” نامیده میشود. هر دو فرایند اصلاح اندازه منافذ و اندازه دانه ها، خمیر سیمان را تقویت می نمایند.

از نقطه نظر نفوذ ناپذیری و دوام، تأثیرات واکنش پوزولانی به احتمال زیاد در بتن مهمتر است تا در خمیر سیمان هیدراته. همانطور که در فصل ۵ بحث گردید به علت ترکهای ذره بینی در ناحیه انتقالی، تراوایی بتن به طور کلی خیلی از تراوایی خمیر سیمان بیشتر است. اظهار شده فرایندهای اصلاح اندازه منافذ و اندازه دانه، ناحیه انتقالی را تقویت می نمایند، و در نتیجه خوردگی ذره بینی را کاهش و نفوذ ناپذیری بتن را افزایش میدهند.

مقاومت سیمان پرتلند آمیخته دارای یک پوزولان با یک روباره آهنگدازی
مقاومت سیمان پرتلند آمیخته دارای یک پوزولان با یک روباره آهنگدازی

 

منحنیهای بالایی، مقاومت فشاری سیمانهای پرتلند (بلین>  m 2/kg۴۰۰) ساخته شده با یک پوزولان معدنی طبیعی یونانی را نشان می دهند. منحنیهای پایین، مقاومتهای فشاری سیمانهای دوباره آهنگدازی (بلین>  m 2/kg50۰) ساخته شده با روباره آهنگدازی دان شده آمریکایی را نشان می دهند.

دوام

.دوام برتر سیمان نوع IP در مقابل محیطهای سولفاتی و اسیدی، در مقایسه با سیمان پورتلند،به علت اثر ترکیبی بهتر نفوذ ناپذیری با نسبت آب به سیمان و درجه هیدراتاسیون معین و مقدار هیدروکسید کلسیم کاهش یافته

در خمیر سیمان هیدراته می باشد. (شکل ۶- ۱۷ – الف ).

در یک  بررسی مشخص شد که عمق نفوذ آب در خمیرهای یک ساله سیمانهای دارای ۳۰ درصد وزنی خاکستر آتشفشانی یونان، ۵۰ درصد، در مقایسه با خمیر سیمان پرتلند، کاهش یافته اند. همچنین مقایسه با ۲۰ درصد هیدروکسید کلسیم در خمیرهای یک ساله سیمان پرتلند مرجع، فقط ۴/۸ هیدروکسیدکلسیم در خمیر بلور مشابه هیدراته شده دارای ۳۰ درصد وزنی از پوزولان یونان، موجود بود. می توان توجه نمود که بخاطر تأثیر رقیق شدگی در مورد سیمان دارای پوزولان، مقدار هیدروکسید کلسیم بدون واکنش پوزولاتی بایستی در حدود ۱۴ درصد می شد.

سیمانهای نوع IS، به طور مشابه رفتار می نمایند. شکل ۱۷-۶-ب تاثیر افزایش مقدار روباره بر مقدار هیدروکسید کلسیم در سیمانهای پرتلند روباره آهنگدازی را در ۳ و ۲۸ روز بعد از هیدراتاسیون نشان میدهد. برای حدود ۶۰ درصد مقدار روباره مصرف شده، مقدار هیدروکسید کلسیم آنقدر کم میشود که حتی روباره های دارای مقادیر زیادی آلومین واکنش زا برای ساخت سیمانهای مقاوم در برابر سولفات می توانند بکار روند. می توان بخاطر آورد (فصل ۵ را ملاحظه نمایید) که میزان حمله سولفاتی بستگی به تراوایی و مقدار هیدروکسید کلسیم و فازهای آلومین واکنش زای موجود دارد. بعضی از روباره های با آلومین زیاد و خاکسترهای بادی، تمایل به افزایش مقادیر C- A – H و منوسولفات، که در مقابل حمله سولفاتی آسیب پذیرند، در خمیر سیمان هیدراته، دارند. از آنجا که مقادیر زیادی هیدروکسید کلسیم برای تشکیل اترینگایت منبسط شونده در سیستم مورد نیاز است، هر دوی تجربه های آزمایشگاهی و کارگاهی نشان میدهند که سیمانهای IS دارای ۶۰ تا ۷۰ درصد روباره یا بیشتر، بدون توجه به مقدار C 3A در سیمان پرتلند و مقدار آلومین واکنش زا در روباره، در مقابل حمله سولفاتی بسیار مقاومند.

در رابطه با انبساط زیان آور وابسته به واکنش قلیایی سنگدانه ها، ترکیبهایی از سیمان پرتلند با قلیایی زیاد و پوزولان یا روباره به طور کلی شناخته شده اند که تولید محصولات بادوام می کنند. (شکل۱۸-۶) بعضی مواقع مقدار قلیایی پوزولان یا روباره زیادند ولی چنانچه ماده معدنی حاوی قلیایی، در محیط با pH زیاد بتن سیمان پرتلندی قابل حل نباشند، مقدار زیاد قلیایی سیمان آمیخته نباید مشکلی بوجود بیاورد.

تأثیر سن عمل آوری و مقدار پوزولان با روباره بر هیدروکسید کلسیم در خمیر سیمان.
تأثیر سن عمل آوری و مقدار پوزولان با روباره بر هیدروکسید کلسیم در خمیر سیمان.

 

در مورد سیمانهای پرتلند پوزولانی و روباره آهنگدازی، کاهش هیدروکسید کلسیم در خمیر سیمان هیدراته، که بخاطر هم تأثیر رقیق سازی و هم واکنش پوزولانی است، یک دلیل برای تمایل به نشان دادن مقاومت برتر بتنهای ساخته شده از این سیمانها در محیط های سولفاتی و اسیدی است. در ابتدا با عمل آوری، مقدار هیدروکسید کلسیم سیمان بخاطر هیدراتاسیون سیمان پرتلند موجود افزایش می یابد. اما بعداً با پیشرفت واکنش پوزولانی، شروع به کاهش می کنند. بسته به شرایط عمل آوری، سیمانهای پرتلند روباره آهنگدازی با ۶۰ درصد روباره یا بیشتر ممکن است دارای مقادیر کمی ۲ تا ۳ درصد هیدروکسید کلسیم باشند؛ محصولات سیمان پرتلند پووزلانی دارای هیدروکسید کلسیم زیادتری هستند زیرا مقدار پوزولان به طور کلی در محدوده ۲۰ تا ۴۰ درصد محدود می گردد.

سیمانهای منبسط شونده

سیمانهای منبسط شونده سیمانهای هیدرولیکی ای هستند که، برخلاف سیمان پرتلند، در حین مدت زمان هیدراتاسیون اولیه، بعد از گیرش منبسط می شوند. رخ دادن انبساط زیاد در یک خمیر سیمان مهار نشده می تواند باعث ترک خوردگی گردد؛ با این وجود، اگر انبساط به درستی مهار شده باشد  خواهد یافت و یک پیش تنیدگی یا خود تنیدگی بوجود خواهد آمد. وقتی که مقدار انبساط کم باشد به طوریکه پیش تنیدگی بوجود آمده در بتن در حد ۲۵ تا ۱۰۰psi(2/0تا۷/۰(MPa باشد، که معمولا برای جبران تنش کششی ایجاد شده به علت جمع شدگی خشک شدن کافی است، سیمان به عنوان سیمان بدون جمع شدگی شناخته می شود. این نوع سیمانها برای ساخت روسازیها و دالهای بدون ترک بسیار مفید شناخته شده اند. وقتی که مقدار انبساط، برای تولید پیش

بیشتر بخوانید  ترکیبات سیمان
تأثیر افزودن پوزولان یا روباره بر انبساط قلیایی سنگدانه ها
تأثیر افزودن پوزولان یا روباره بر انبساط قلیایی سنگدانه ها

 

پوزولان و روباره به طور کلی در کاهش انبساط وابسته به واکنش قلیابی سنگدانه ها مؤثرند. خاک سنتورین یونان برای داده های آزمایش نشان داده شده در قسمت در قسمت (الف) مورد  استفاده قرار گرفت؛ روباره آهنگدازی دان شده ایالات متحده برای داده های آزمایش نشان داده شده در قسمت (ب) مورد استفاده قرار گرفت. از آنجا که روشهای آزمایش مختلفی مورد استفاده قرار گرفته است، لذا داده های دو شکل فوق به طور مستقیم با یکدیگر قابل مقایسه نیستند؛ اما روند در هر دو مورد مشابه می باشد.

تنیدگیهای در حد(۶/۹MPa)100Psiبه حد کافی زیاد باشد، سیمان بنام سیمان خود تنیده نامیده میشود و می تواند برای تولید اعضای بتنی به طور شیمیایی پیش تنیده شده، مصرف شود.

تشکیل اترینگایت و هیدراتاسیون CaO بسیار پخته، دو پدیده شناخته شده نزد شیمیدانهای سیمان می باشند که می توانند باعث انبساط مخرب در بتن گردند (فصل ۵). این دو پدیده برای تولید سیمانهای انبساطی بکار گرفته می شوند. کلینکر نوع سولفو آلومینات (که به طور عموم در صنعت آمریکا مصرف می شود( و اصلا توسط آلکساندر کلین از دانشگاه کالیفرنیا در دهه ۱۹۶۰ توسعه یافت کلینکر سیمان پرتلند اصلاح شده است که دارای مقادیر زیادی که C 4A3 Sو CS، علاوه بر ترکیبات سیمانی(C 4A F, C 2S, C 3S) ، می باشد. سیمانی که از آسیاب کردن این کلینکر تولید می شود را سیمان منبسط شونده نوع K مینامند. برای به دست آوردن کنترل بهتری از انبساط پتانسیل در سیمانهای منبسط شونده صنعتی مرسوم است که نسبت مناسبی از کلینکر سولفوآلومینات را با کلینکر سیمان پرتلند معمولی مخلوط نمایند.

 

 

استاندارد ۸۴۵ASTM C دو نوع دیگر سیمانهای هیدرولیکی منبسط شونده را شامل می شود مشخصات انبساطیشان نیز از اترینگایت سرچشمه می گیرد ولی دیگر به طور تجاری در آمریکا تولید نمی شوند، این دو سیمان با سیمان نوع K و با یکدیگر، از نظر منبع یونهای آلومینات برای تشکیل اترینگایت، فرق دارند. سیمان منبسط شونده نوع M مخلوطی از سیمان پرتلند، سیمان آلومینات کلسیم (با CA به عنوان ترکیب اصلی) و سولفات کلسیم است. سیمان منبسط شونده نوع S متشکل از سیمان پرتلند با C 3A خیلی زیاد )تقریباً ۲۰ درصد C 3A )و مقادیر زیادی سولفات کلسیم است. موازنه ماده و انرژی واکنشهای انبساطی در این سه سیمان را می توان به این صورت نشان داد:

CH در واکنش نشان داده شده بالا به وسیله هیدراتاسیون سیمان پرتلند تهیه می گردد، هر چند که کلینکر نوع K به طور کلی دارای مقداری CaO ترکیب نشده می باشد. سیمان پرتلند منبسط شونده، که در ابتدا توسط شرکت سیمان اُنودا ژاپن توسعه یافت، و انبساطش از CaO خوب پخته شده سرچشمه می گیرد سیمان منبسط شونده نوع Oخوانده می شود

سیمانهای منبسط شونده تشکیل یافته از اترینگایت، در مقایسه با سیمانهای پرتلند، زودگیر و مستعد از دست دادن سریع اسلامپ هستند. با این وجود، این سیمانها کارایی عالی ای از خود نشان می دهند. این خواص می توانند از مقادیر زیاد اترینگایت تشکیل یافته و مشخصه جذب آب اترینگایت، پیش بینی گردند. خواص دیگر بتنهای حاوی سیمان انبساطی مشابه بتنهای سیمان پرتلندی می باشد. به جز دوام آنها در برابر حمله سولفاتی، که متفاوت است. سیمانهای بدون جمع شدگی نوع K ساخته شده از مخلوط سیمان پرتلند نوع II یا نوع ASTM V دوام عالی ای در برابر حمله سولفاتی از خود نشان می دهند، زیرا آنها دارای آلومین واکنش زا یا مونوسولفات کمی، بعد از هیدراتاسیون می باشند. محصولات سیمان از انواع M و S ، معمولا دارای مقادیر زیادی از ترکیباتی که در برابر حمله سولفاتی آسیب پذیرند، می باشند و بنابراین کاربردشان در محیطهای سولفاتی توصیه نمی گردد. مروری بر خواص و کاربردهای بتن حاوی سیمان منبسط شونده در فصل ۱۱ آمده است.

سیمانهای زودگیر و زود سخت شونده

قابل توجه لمن که سیمان نوع ASTM III ، زود سخت شونده (مقاومت اولیه زیاد) است اما زودگیر نیست زیرا زمانهای گیرش اولیه و نهایی این سیمان به طور کلی مشابه سیمان پرتلند نوع I می باشند. برای کاربردهایی مانند تعمیر اضطراری نشتی درزها و بتن پاشی هیدرولیکی ای مورد نیازند که نه تنها زود سخت شونده، بلکه زودگیر هم باشند. این نیاز غالباً به وسیله استفاده از مخلوطهای سیمان پرتلند و گچ نیمه هیدراته (CaSO4 . H 2O) یا سیمان پرتلند و سیمان آلومینات کلسیم، که زمانهای گیرش کم، به میزان ۱۰ دقیقه دارد، برطرف می گردند مقاومتهای نهایی محصولات سخت شده آنها کمی ضعیف می باشند.

در دهه ۱۹۷۰، نسل جدیدی از سیمانها توسعه یافتند که مشخصات گیرش و سخت شدگی سریعشان از تشکیل اترینگابت، سرچشمه می گیرد. بعد از مدت زمان سخت شدگی سریع اولیه،این سیمانها به سخت شدگی با سرعت معمول، بخاطر تشکیل C- S – H از سیلیکاتهای کلسیم هیدرولیکی، ادامه می دهند.

سیمان با گیرش تنظیم شده، که در ژاپن سیمان جت نیز نامیده می شود، تحت حق اختراع ثبت شده به نام انجمن سیمان پرتلند ایالات متحده تولید می شود. کلینکر سیمان پرتلند اصلاح شده دارای عمدتاً آلیت و فلوئورور آلومینات کلسیم (۱۱CaO.7AL2 O.CaF2) ساخته می شود. نسبت مناسبی از کلینکر فلوئورور آلومینات با کلینکر سیمان پرتلند معمولی و سولفات کلسیم به طوری مخلوط می شوند که سیمان نهایی دارای ۲۰ تا ۲۵ درصد ترکیب فلوئورور آلومینات و حدود ۱۰ تا ۱۵ درصد سولفات کلسیم باشد. این سیمان به طور کلی خیلی زودگیر (زمان گیرش ۳ تا ۵ دقیقه) است ولی گیرش آن را می توان به زمان مطلوب، به وسیله استفاده از اسید سیتریک، سولفات سدیم هیدروکسید کلسیم و دیرگیرکننده های دیگر، تاخیر انداخت.

واکنش زایی زیاد این سیمان به وسیله حرارت هیدراتاسیون زیاد( ۱۰۰Cal/gتا۱۱۰در۳ روز)و مقاومت فشاری (ملات ۱۰۹( ASTM C بیشتر از(۶/۹MPa)1000Psi و (۲۸MPa)4000Psi به ترتیب در یک ساعت و ۳ روز بعد از هیدراتاسیون، تایید می گردد. مقاومت نهایی و خواص دیگر این سیمان، قابل مقایسه با سیمان پرتلند است به غیر از اینکه به علت مقدار زیاد آلومین واکنش زا،مقاومت سولفاتی آن ضعیف تر است. مطالعات در آزمایشگاه بتن مرکز آزمایشهای راههای آبی مهندسی ارتش ایالات متحده  نشان داده اند که حرارت هیدراتاسیون زیاد سیمان با گیرش تنظیم شده می تواند به تولید بتنهای با مقاومت کافی کمک نماید و این، حتی در صورتی است که بتن در دماهایی به کمی جاداده و عمل آوری شود.

سیمانهای با مقاومت اولیه خیلی زیاد و سیمانهای پرآهن

. علاوه بر سیمانهای با گیرش تنظیم شده، دو نوع سیمان پرتلند اصلاح شده دیگر، یعنی سیمان با مقاومت اولیه خیلی زیاد (VHE) و سیمان پرآهن (HIC)، مشخصات گیرش و سخت شدگی سریعشان، از تشکیل مقادیر زیادی اترینگایت در حین مدت زمان هیدراتاسیون اولیه، سرچشمه می گیرد. در سیمان VHE ، C 4A 3S منبع اصلی آلومینات برای تشکیل اترینگایت می باشد، در صورتی که در سیمان HIC، هم C 4SA و هم C 4AF یونهای آلومینات را ایجاد می کنند. این دو نوع سیمان، با آنکه اختلاف اساسی خاصی در ترکیبشان وجود دارد، ولی سرعت افزایش مقاومتی از خود نشان می دهند که برای کاربرد در محصولات بتنی پیش ساخته و پیش تنیده مناسب است. در صنعت بتن پیش ساخته و پیش تنیده گردش سریع قالبها یک ضرورت اقتصادی است. سیمانهای VHE و HIC هنوز در حال توسعه هستند ولی این سیمانها بایستی تقاضای قابل توجهی در صنعت ساختمان داشته باشند، زیرا تحت دماهای عمل آوری معمولی (یعنی، بدون عمل آوری با بخار) این سیمانها قادر به افزایش مقاومت فشاری، به میزان و  به ترتیب در مدت ۸ و ۲۴ ساعت، با مقاومت نهایی حدود MPa ۵۰هستند.

سیمانهای چاه نفت

همانطور که در زیر تشریح گردیده است، سیمانهای چاه نفت برای ساخت بتنهای سازه ای مصرف نمی شوند. از آنجا که تقریبا ۵ درصد کل سیمان پرتلند تولید شده در ایالات متحده به وسیله صنعت نفت مصرف می شود، شایسته است که کاربردهایی که در آنها از این سیمان استفاده می شود شناخته شده و شناختی از ترکیب و خواص مورد نیاز آنها به دست آید.

وقتی که یک چاه نفت (یا چاه گاز) تا یک عمق مطلوب حفاری می شود، سیمانی کردن یک لوله فولادی حفاظتی به شکل سنگی اقتصادی ترین روش را برای به دست آوردن مقاصد ذیل ارائه می دهد:

  • برای جلوگیری از جابه جایی ناخواسته مایعات از یک مقطع به مقطع دیگر.
  • و برای جلوگیری از آلودگی مناطق نفتی ارزشمند
  • برای محافظت کردن لوله حفاظتی از فشارهای خارجی که ممکن است قادر به فروریختگی آن باشند.
  • برای محافظت کردن لوله حفاظتی از خسارت ممکن بر اثر آبها و گازهای خورنده.

بمنظور سیمانی کردن یک لوله حفاظتی، یک ملات با نسبت آب به سیمان زیاد یا دوغاب سیمان، به اعماقی که در بعضی از مواقع ممکن است به زیر ۶۱۰۰ متر نیز برسد و دوغاب در معرض دماهای بیشتر از ۲۰۴  و فشار بیشتر از (۱۴۰Mpa)20/000Psi  باشد،پمپ می شود.در ناحیه ساحل خیلج، دمای استاتیک ته برای هر ۱۰۰ فوت (۳۰ متر) عمق چاه، افزایش می یابد. شایسته است که دوغاب حتماً تحت شرایط کاری، برای چندین ساعت که نیاز به پمپ کردن به محل داخل چاه می باشد، بقدر کافی مایع بماند و بعد سریعاً سخت شود. سیمانهای چاه نفت، سیمانهای پرتلند اصلاح شده ای اند که برای برآورده کردن این نیازها طراحی شده اند.

نُه طبقه سیمانهای چاه نفت (طبقه های A تا J در جدول (۶-۸، که قابل کاربرد در عمقهای مختلف چاه هستند، در استاندارد API 10A  (انستیتوی نفت آمریکا )ارائه گردیده اند. کشف اینکه زمان تغلیظ دوغابهای سیمان در دماهای زیاد می تواند با کاهش مقدار C3A و نرمی سیمان پرتلند معمولی (یعنی، با استفاده از سیمان درشت آسیاب شده) افزایش یابد، منجر به توسعه اولیه سیمانهای چاه نفت گردید. بعدها مشخص شد که برای کاربردهای زیادتر از ۸۲، سیمان بایستی به وسیله افزودن لیگنوسولفاتها، محصولات سلولزی یا نمکها و اسیدهای دارای یک یا چند گروه هیدروکسیل (شکل ۴-۸)، دیرگیر تر گردد. متعاقباً، همچنین کشف گردید که در مورد دماهای زیادتر از۱۱۰  چاه نفت، نسبت CaO به SiO2 محصول هیدراتاسیون سیمان بایستی به وسیله افزودن گرد سیلیس به کمتر از ۳/۱ کاهش یابد تا مقاومت زیاد بعد از سخت شدگی بدست آید .این یافته ها اساس توسعه تعداد زیادی مواد مضاف سیمانی برای کاربرد در صنعت سیمان چاه نفت، گردید.

به طور کلی صنعت نفت، سیمانهای پرتلند اصلی درشت آسیاب شده با C3A کم )طبقه های G، H و( API را ترجیح میدهد، که به آنها یک یا چند نوع ماده افزودنی، از انواع فهرست شده در ذیل، در محل افزوده میگردند:

١- کندگیر کننده های سیمان: برای افزایش زمان گیرش سیمان و فراهم آوردن فرصت کافی برای جای دادن دوغاب.

۲ – زودگیر کننده های سیمان: برای کاهش زمان گیرش سیمان و افزایش مقاومت اولیه آن، در هنگامی که نیاز است (یعنی در مناطق همیشه یخ بسته). ۳  –مواد مضاف سبک وزن یا سنگین وزن: برای کاهش یا افزایش وزن ستون دوغاب سیمان، در زمان نیاز.

۴– مواد کاهش دهنده اصطکاک: بمنظور جای دادن دوغاب با فشار اصطکاک کمتر )عموماً، ۲ تا ۳ درصد خاک رس بنتونیت برای این منظور بکار می رود). ۵- مواد مضاف کاهش دهنده میزان از دست رفتن آب: برای نگهداشتن آب در دوغاب، در زمان عبور از مناطق قابل نفوذ داخل چاه (یعنی مواد مضاف لاتکس)

۶- مواد کاهش دهنده افت مقاومت: برای کاهش نسبت CaO به ,SiO2 محصول هیدراتاسیون در دماهای زیادتر از ۱۱۰ (یعنی، گرد سیلیس یا پوزولانها).

از آنجا که دیرگیرکننده های آلی در دماهای زیاد نامناسبند، سیمان طبقه API J معرف توسعه نسبتاً جدید در صنعت سیمانهای پرتلند اصلاح شده می باشد که می تواند برای سیمانی کردن لوله حفاظتی در دماهای بیشتر از  ۳۰۰ (۱۵۰ ) بدون افزودن هیچگونه دیرگیر کننده ای بکار رود. این سیمان اساساً حاوی  است که به نرمی حدود m2 /kg۲۰۰ بلین آسیاب می شود و دارای ۴۰ درصد وزنی گرد سیلیس می باشد. قابل توجه است که زمانهای تغلیظ دوغاب و مقدار مقاومت سیمانهای چاه نفت، طبق دستورالعمل خاص ذکر شده در API RP- 10B ، روش توصیه شده برای آزمایش سیمانها و مواد مضاف سیمانی چاه نفت، تعیین می گردند.

سیمانهای سفید یا رنگی

رنگ خاکستری یکنواخت محصولات سیمان پرتلند، مجال معماران را برای خلق نماهایی با جاذبه زیبا، محدود می کند. سیمان سفید همراه با سطوح با سنگدانه های نمایان می تواند برای خلق اثرات زیبای مطلوب بکار برده شود. علاوه بر این، سیمانهای سفید به وسیله افزودن مواد رنگی مناسب به عنوان اساس تولید سیمانهای با رنگهای متفاوت بکار برده می شوند.

سیمان سفید، به وسیله پودر کردن کلینکر سیمان پرتلند سفید تولید می شود، رنگ خاکستری کلینکر سیمان پرتلند معمولی، به طور کلی به علت وجود آهن می باشد. بنابراین، با کاهش مقدار آهر در کلینکر، سیمانهای با رنگ روشن را می توان تولید نمود. وقتی که آهن کل در کلینکر کمتر از۵/۰ درصدFe2 O3 باشد و آهن در حالت کاهش یافته (احیا شده) Fe2+ باشد، کلینکر معمولاً سفید خواهد بود. این شرایط به وسیله استفاده از خاک رس بدون آهن و سنگ

کربناتیبه عنوان مصالح خام، آسیاب گلوله ای مخصوص با روکشها و گلوله های سرامیکی برای آسیاب کردن مخلوط مواد خام،و سوخت تمیز مانند نفت یا گاز برای تولید کلینکر تحت محیط کاهش یافته در منطقه دمای زیاد کوره دوار سیمان به دست می آید. نتیجتاً سیمانهای سفید تقریبا سه برابر گرانتر از سیمان پرتلند معمولی هستند.

سیمانهای رنگی به دو گروه تقسیم می شوند؛ اغلب آنها از افزودن ماده رنگی به سیمان سفید به دست می آیند، ولی بعضی از کلینکرهای دارای رنگهای مترادف نیز تولید می شوند. یک نوع سیمان نخودی رنگ در ایالات متحده تحت نام سیمان با رنگ مایه گرم به بازار آمده است که از کلینکر ساخته شده از مخلوط مواد خام سیمان پرتلند دارای مقدار آهن زیادتر از معمول (تقریبا ۵ درصد  Fe2 O3 ) و تحت شرایط کاهشی فرآیند یافته، تولید می گردد.

باید توجه گردد که برای تولید سیمانهای رنگی از طریق افزودن مواد رنگی به سیمان سفید، همه مواد رنگی مورد مصرف در صنعت رنگ برای ساخت سیمانهای رنگی مناسب نیستند. برای مناسب بودن، ماده رنگی نباید برای گیرش، سخت شدگی و مشخصات دوام سیمان، زیان آور باشد و باید هنگامی که در معرض نور و آب و هوا قرار می گیرد، رنگ مزبور دوام داشته باشد. سیمانهای قرمز، زرد، قهوه ای یا سیاه می توانند از طریق مخلوط کردن ۵ تا ۱۰ درصد وزنی اکسید آهن دارای رنگ مزبور با کلینکر سفید، تولید گردند. رنگهای سبز و آبی در سیمان بترتیب می توانند از طریق استفاده از اکسید کرم و کبالت به دست آیند.

سیمان آلومیناتی

سیمان آلومیناتی (CAC) (یا سیمان برقی با سیمان پر آلومین)، در مقایسه با سیمان پرتلند دارای خواص منحصر بفرد زیادی مانند مقاومت اولیه زیاد، سخت شدگی حتی در شرایط دمای کم، و دوام برتر در مقابل حمله سولفاتی، است. در هر حال چندین قصور سازه ای ناشی از کاهش مقاومت تدریجی مربوط به بتن دارای CAC، موجب محدودکردن مصرف این سیمان در کاربردهای سازه ای گشته است. هم اکنون در اکثر کشورها، CAC  اساسا برای ساخت روکش نسوز کوره های با دمای زیاد مصرف می شود.

طبق تعریفهای ۲۱۹ACTM C، سیمان آلومیناتی محصولی است که از پودر کردن کلینکر سیمان آلومیناتی به دست می آید؛ این کلینکر محصولی جزئا گداخته یا تماماً گداخته و حاوی آلومیناتهای کلسیم هیدرولیکی است. بنابراین، برخلاف سیمانهای پرتلند و پرتلند اصلاح شده که C3S و C2S ترکیبات سیمانی کننده اصلی هستند، در CAC، آلومینات منوکلسیم )به اختصار( CA ترکیب سیمانی کننده اصلی است و C12 A7 و CA و C 2AS یا C 2S و Fss ترکیبات جزیی هستند. به طور متعارف، تجزیه شیمیایی CAC معمولی شامل تقریبا ۴۰ درصد Al2O3 است و بعضی از سیمانها دارای مقدار آلومین حتی زیادتر (۵۰ تا ۸۰ درصد) می باشند؛ بنابراین، این سیمان سیمان پر آلومین (HAC) نیز نامیده می شود.

بوکسیت، که یک آلومین هیدراته معدنی است، منبع مصرفی عمومی آلومین در مواد خام مصرفی برای تولید CAC است. اغلب سنگهای معدنی بوکسیت دارای مقادیر قابل توجهی آهن به صورت ناخالصی هستند که علت ۱۰ تا ۱۷ درصد آهنی )بیان شده به صورت Fe2 O3) است که معمولا در CAC معمولی موجود می باشد. علت اینکه برخلاف کلینکر سیمان پرتلند، کلینکر CAC دارای آهن زیاد بشکل گداخته های کاملا ذوب شده می باشد، در کوره های طراحی شده ویژه ساخته میشوند، همین امر می باشد. همچنین علت اینکه چرا در فرانسه و آلمان این سیمان به ترتیب به نامهای سیمان فوندو و سیمان تانردش ملتس خوانده می شود نیز همین امر می باشد. محصولاتی که بمنظور کاربرد در بتنهای با دمای خیلی زیاد بکار می روند دارای آهن و سیلیس خیلی کم هستند و می توانند به وسیله کلوخه سازی در کوره های دوار ساخته شوند.

همانند سیمان پرتلند،خواص CAC نیز وابسته به مشخصات هیدراتاسیون سیمان و ساختمان ذره بینی خمیر سیمان هیدراته است. ترکیب اصلی سیمان، CA است که معمولا شامل ۵۰ تا ۶۰ درصد وزنی آن می شود. با آنکه زمان گیرش محصولات CAC قابل مقایسه با سیمان پرتلند معمولی می باشد، روند کسب مقاومت در سنین اولیه اساساً بخاطر واکنش زایی زیاد CA، خیلی زیاد است. در عرض ۲۴ ساعت هیدراتاسیون، مقاومت بتن CACای که به طور معمولی عمل آوری شده باشد می تواند مساوی یا بیشتر از مقاومت ۷ روزه سیمان پرتلند معمولی باشد (شکل ۱۹-۶ – الف)

همچنین مشخصه کسب مقاومت، تحت شرایط عمل آوری زیر صفر درجه (شکل ۱۹-۶ بهتر از سیمانهای پرتلند می باشد؛ پس این سیمان برای کاربردهای در آب و هوای سرد بسیار جذاب می باشد. قابل توجه است که میزان آزاد سازی حرارت از یک CAC تازه هیدراته می تواند به میزان ۹کالری بر گرم در ساعت باشد که این مقدار حدود سه برابر میزان ازاد سازی حرارت سیمان پرتلند مقاومت اولیه خیلی زیاد است.

ترکیب محصولات هیدراتاسیون، وابستگی زمان – دما را نشان می دهد؛ محصول هیدراتاسیون کم دما (CAH10) به طور ترمودینامیکی ناپایدار است، مخصوصا در شرایط نگهداری  گرم و مرطوب که تحت آن شرایط، ترکیب پایدارتر ,CAH10 تشکیل می گردد. (قسمت سمت چپ کادر زیر را مشاهده نمایید) تجربیات آزمایشگاهی و صحرایی با بتنهای حاوی CAC نشان میدهند در نگهداری دراز مدت، فازهای شش وجهی CAH10 و C 2AH10 تمایل به تبدیل به C 3AH6مکعبی دارند. در نتیجه تبدیل  CAH10 به , C 3AH خمیر CAC سخت شده بیش از ۵۰ درصد کاهش در حجم جامد از خود نشان می دهد (قسمت سمت راست کادر معادلات)، که باعث افزایش در تخلخل (شکل ۲۰-۶ – الف) و کاهش در مقاومت (شکل ۲۰-۶-ب) همراه با این پدیده می گردد.

 

 

سابقاً، فرض می شد که مشکل از دست دادن مقاومت در بتن می تواند هنگامی که نسبتهای آب به سیمان مصرفی کم باشند، نادیده گرفته شود و ارتفاع قالب را برای کم کردن افزایش دما بر اثر حرارت هیدراتاسیون، محدود می کردند. داده های شکل ۲۰-۶- الف نشان میدهند که این فرض ممکن است درست نباشد. نگرانی واقعی این نیست که مقاومت باقیمانده برای مقاصد سازه ای ناکافی باشد بلکه این است که در نتیجه افزایش تخلخل، مقاومت در برابر کربناسیون جو و خوردگی فولاد مدفون شده در بتن کاهش یابد.

از واکنش هیدراتاسیون  CAC، ممکن است دریابیم که در محصول هیدراتاسیون هیچ و هیدروکسید کلسیمی موجود نمی باشد. این ویژگی نیز CAC را از سیمانهای پرتلند متمایز می کند و دلیل اصلی کسب مقاومت عالی این سیمان در محیطهای اسیدی (اسیدهای رقیق، pH۴ تا ۶)، آب دریا و آبهای سولفاتی بتنهای CAC، همین امر می باشد. همانطور که در زیر توضیح داده شده است، فقدان هیدروکسید کلسیم در CAC هیدراته شده همچنین برای استفاده این ماده در ساخت بتن با دمای زیاد، مفید می باشد.

(الف) روند افزایش مقاومت سیمانهای مختلف در دمای معمولی؛ (ب) تأثیردماهای عمل آوری کم بر مقاومت بتنهای حاوی سیمان پر آلومین.
(الف) روند افزایش مقاومت سیمانهای مختلف در دمای معمولی؛ (ب) تأثیردماهای عمل آوری کم بر مقاومت بتنهای حاوی سیمان پر آلومین.

 

سیمانهای آلومیناتی یا پر آلومین قادر به افزایش مقاومت به میزان خیلی زیاد، در مدت زمان نسبتا کوتاهی هستند. برخلاف سیمانهای پرتلند، این سیمانها می توانند مقاومتهای زیاد را، حتى در دماهای کمتر از معمول، به دست آورند.

در عمل، مصرف سیمان پرتلند، برای بتن در معرض دمای زیاد تا دمای حدود ۵۰۰ ، نسبتا محدود شده است زیرا در دماهای زیادتر، CaO حاصل از تجزیه هیدروکسیدکلسیم، در معرض هوای مرطوب یا آب باعث ناسلامتی (یا عدم ثبات حجمی) بستن حرارت دیده، می گرددCAC.، نه

(الف) عکس ذره بینی پویش الکترونی از سیستم به طور نسبی تبدیل شده سیمان آلومیناتی [۱۷]؛ (ب) تأثیر نسبت آب به سیمان بر مقاومت بلند مدت بتنهای سیمان آلومیناتی.
(الف) عکس ذره بینی پویش الکترونی از سیستم به طور نسبی تبدیل شده سیمان آلومیناتی [۱۷]؛ (ب) تأثیر نسبت آب به سیمان بر مقاومت بلند مدت بتنهای سیمان آلومیناتی.

بتنهای حاوی سیمان آلومیناتی، به طور کلی برای مصرف سازه ای توصیه نمی شوند. این امر بدین علت است که محصول اصلی هیدراتاسیون،  CAH10 تحت شرایط معمولی ناپایدار است و تدریج به فاز پایدار ,C 3AH6، که ساختمان مکعبی و متراکم تری دارد، تغییر شکل می یابد. تبدیل . CAH10 به C 3AH6همراه با افزایش زیاد در تخلخل و بنابراین متقابلاً، کاهش درمقاومت است.

تأثیر افزایش دما بر مقاومت بتنهای حاوی سیمان آلومیناتی.
تأثیر افزایش دما بر مقاومت بتنهای حاوی سیمان آلومیناتی.

 

بتن با سیمان آلومیناتی، اغلب در روکش نسوز یکپارچه کوره های با دمای زیاد بکار می رود. با افزایش دما، محصولات هیدراتاسیون سیمان تجزیه می شوند و این باعث از دست رفتن مقاومت می شود. با این وجود، در دماهای زیاد، بر اثر تشکیل ماده کلوخه شده پایدار (پیوند سرامیکی) مقاومت آن افزایش می یابد.

تنها هیچ هیدروکسیدکلسیمی در هنگام هیدراتاسیون تولید نمی کند، بلکه در دماهای عمل آوری معمولی، زود سخت شونده نیز می باشد. همچنین در دماهای زیادتر از ۱۰۰۰ ، CAC  قادر به افزایش پیوند سرامیکی خود، که به محکمی پیوند هیدرولیکی اصلی است، می باشد. مقاومت اولیه بتن CAC، یعنی مقاومت بتن CAC آتش ندیده، در حین اولین دوره حرارت دادن بر اثر پدیده تبدیل ب CAH10 به ,C 3AH6، به میزان زیادی کاهش می یابد. با این وجود، با مصرف مقدار زیادی سیمان در بتن، مقاومت اولیه بتن می تواند برای جلوگیری از صدمه دیدن بتن کافی باشد، و این امر تا زمانی صادق است که با افزایش پیوند سرامیکی، مقاومت بتن مجددا افزایش یابد (شکل ۲۱-۶).

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

Share via
Copy link
Powered by Social Snap