1. تاریخچه

تا قبل از قرن نوزدهم محصولات مختلفی برای ساخت ملات آبی به کار برده می شد. سالهاست که ایرانیان ساروج را به عنوان ملات آبی مصرف می کنند. اجزای آن به صورت مخلوط، ترکیبات مورد نظر را به وجود می آورد. مردم روم قدیم از اختلاط یک یک نوع خاکستر و یا گرد و غبار آتش فشان های نزدیک پوتزولی با آهک شکفته، ماده ای شبیه سیمان امروزی به دست می آوردند که در برابر آب و هوا مقاوم بود. همین عمل را یونانیان با خاک سانترین و در شمال اروپا با ترای و آهک شکفته انجام می دادند.

در سال 1824م. ژوزف اسپین طرح اصلاحی خود را برای آهک آبی تحت عنوان سیمان پرتلند به ثبت رساند. این نام به علت تشابه مواد اولیه به سنگ های ناحیه پرتلند در انگلستان انتخاب شده است.

امروزه سیمان  پرتلند یکی از اصلی ترین مصالح چسبنده است که در حجم تولید و میزان مصرف همتایی ندارد. در ساختمان های مدرن، سیمان پرتلند به عنوان مصالح پایه به مصرف می رسد و از آن به طور گسترده ای در صنعت پیش ساخته استفاده می شود.

2. ساختار شیمیایی سیمان پرتلند:

سیمان پرتلند یکی از مصالح چسبنده ی آبی (هیدرولیک) است که در آب و هوا سخت می شود. این سیمان محصول آسیاب کردن مخلوطی از آهک و رس است که بر اثر حرارت به خوبی پخته شده اند. وجود رس نشان دهنده ی وفور سیلیکات کلسیم در کلنکر است که مخلوطی از مواد اولیه است که حرارت دیده و گداخته شده اند و به صورت گلوله هایی به قطر 10 تا 40 میلی متر در آمده است. کیفیت کلینکر بیان کننده مشخصات سیمان است که مقاومت های بدست آمده، دوام و تحمل شرایط مختلف، از آن جمله اند.

برای کنترل زمان خودگیری سیمان در هنگام آسیاب کردن کلینکر آن را با 5/1 تا 5/3 درصد وزنی گچ مخلوط می نمایند. بر حسب نیاز ممکن است سیمان پرتلند به همراه خود تا 15٪ وزنی افزودنی های لازم را داشته باشد. کیفیت کلینکر به خصوصیات شیمیایی و معدنی مواد اولیه و ترکیب آنها بستگی دارد. کلینکر سیمان پرتلند به وسیله مخلوطی از سنگ آهک و خاک رس تهیه می شود. سنگ آهک بیشتر از دو اکسید (CO2 + CaO) تشکیل شده است. در حالی که خاک رس متشکل از انواع مواد معدنی می باشد که سه اکسید (Fe2O3, Al2o3., SiO2)اساس آنها را تشکیل می دهد. اکسید کربن CO2 با حرارت دادن مواد اولیه از میان می رود و چهار اکسید باقیمانده Fe2O3و Al2o3و SiO2و CaO کلینکر را تشکیل می دهند.

به غیر اکسید های زنجیره ای بالا، کلینکر سیمان پرتلند اکسیدهای دیگری نیز مانند اکسید منیزیم و اکسیدهای قلیایی به همراه دارد که حضور آنها کیفیت سیمان را به شدت کاهش می دهد. اکسید منیزیم که در حرارت 1500 درجه سانتی گراد زنده می شود و در کجاورت با آب به آرامی متبلور می گردد، موجب بروز ترک در بتن یا ملات می شود. بنابر این مقدار آن نباید از 5٪ وزنی در سیمان تجاوز کند. وجود بیش از 1٪ اکسیدهای قلیایی، نقصان کیفی در سیمان به دست آمده ایجاد می کند.

اکسیدهای یاد شده به صورت آزاد در کلینکر وجود ندارند، ولی به صورت ترکیب در روند گداختن مواد اولیه به اشکال مختلف ظهور می کنند. و آنها را به صورت مختصر C3A ، C3S و C4AF نیز نمایش می دهند.

Alit                                SiO2.3CaO                      سه کلسیم سیلیکات

Belit                              SiO2.2CaO                      دو کلسیم سیلیکات

                                      Al2O3.3CaO                    سه کلسیم آلومینات

Celit                              Al2O3. Fe2O3.4CaO                   چهار کلسیم آلومینات فریت

مواد اولیه به دقت آزمایش و اندازه گیری می شود به طوری که پس از °c1500 حرارت در کوره CaO آزاد در کلینکر باقی نمی ماندزیرا پس از تماس با آب مانند  MgO منبسط گردیده و موجب بروز ترک در محصول می شود.

سیمان پرتلند با توجه به تنوع مواد اولیه و همچنین روش های تولید مختلف از دیدگاه های مختلف شیمیایی و کانی شناسی خصوصیات مختلفی را به دست می آود.

3. تولید سیمان پرتلند

مواد خام برای تولید سیمان پرتلند باید 75٪ - 78٪ کربنات کلسیم و 25٪ - 22٪ مواد رسی داشته باشد. خاکی که دارای ویژگی یاد شده باشد به ندرت در طبیعت یافت می شود. بنابر این سیمان پرتلند معمولاً از مخلوط سنگ آهک و خاک رس که به کمک میزان معینی مواد افزودنی که اکسید های مورد نظر را تأمین می کند، تهیه می شود.

روند تولید سیمان پرتلند مراحل زیر را طی می کند: تهیه مواد اولیه و تکمیل کمبودها، گداختن مخلوط،آسیاب نمودن کلینکر به دست آمده به همراه مواد افزودنی مورد نیاز.

دو راه کار اصلی برای تولید سیمان پرتلند وجود دارد. روش تر و روش خشک، که از لحاظ چگونگی اختلاط مواد اولیه متفاوتند. در روش تر مواد اولیه به کمک آب مخلوط می شوند و مواد اولیه که به صورت خمیر در آمده اند پخته می شوند. در روش خشک مصالح به روش تر به علت کیفیت بالای محصول ترجیح داده می شود.

مواد اولیه پس از جدا شدن در معدن به کارخانه حمل و سپس آسیاب می گردد. خاک رس در حوضچه های لجن به کمک آب خرد می شود. سپس خمیر به دست آمده در آسیاب های مخصوص با آهک خرد شده مخلوط و یک دست می شود. در انتها مخلوط خامه ای شکل به سیلو های مخصوص هدایت می شود و در اینجا پس از آزمایش، کمبود مشخص و به مخلوط اضافه می گردد.

از این خمیر برای تغذیه ی کوره ی دوّار خوابیده که از ورق فولادی تشکیل و با آجر نسوز آستر شده است، استفاده می کنند. این کوره ها از 150 تا 230 متر طول و از 4 تا 7 متر قطر و حدود 4 درجه شیب دارند. خمیر از انتهای فوانی به داخل کوره تزریق و از انتهای دیگر شعله ی آتش گرمای 1500 درجه ی سانتی گراد را فراهم می آورد.

دانه های کلینکر داغ که متخلخل و میل ترکیبی زیادی با آب دارند به طرف قسمت خنک کننده حرکت می کنند و در آنجا به کمک جریان هوا سرد می شوند، به صورتی که در زمان تخلیه حدود صد درجه سانتی گراد حرارت دارد. کلینکر به طرف سیلو حرکت می کند و یا در صورت اطمینان از عدم وجود اکسیدهای کلسیم و منیزیم مستقیماً به قسمت آسیاب منتقل می شود.

در آسیاب کلینکر با نسبت متناسب گرد گچ مخلوط و آسیاب می شود و سیمان به دست آمده از سیلو ها به سمت بخش بسته بندی هدایت می گردد. سیمان معمولاً در کیسه های 50 کیلویی که دارای حجم تقریبی 30 دسی متر مکعب است، بسته بندی می شود. برای کارهای بزرگ ساختمانی چون پل ها و سدها ی بتنی، سیمان را می توان به صورت فلّه با کامیون های دارای مخزن مخصوص حمل کرد و در سیلوهای سیمان انبار کرد.

4. خودگیری و سخت شدن مخلوط های سیمانی

زمانی که سیمان با آب مخلوط شود، واکنش های شیمیایی آغاز می شود. بر روی سطح هر دانه ی سیمان، لعابی که از هیدراته شدن حاصل می شود پدید می آید، که بر اثر اتصال این هیدرات ها به یکدیگر تمام دانه ها به هم ارتباط می یابند. بر اثر این ارتباط، بتن سفت و سخت می گردد و در نهایت مقاومت حاصل می شود. خودگیری مخلوط سیمانی و بتن را می توان بر اساس کاهش کارآیی آن تشخیص داد که معمولاً در حدود سه ساعت پس از جا دادن و متراکم کردن بتن انجام می شود و به نسبت های اختلاط و شرایط هوا بستگی دارد. یک یا دو ساعت بعد از تولید و به کارگیری مخلوط سیمانی گیرش انجام و مقاومت بسیار کمی دارد و به آسانی آسیب پذیر است. واکنش های شیمیایی ادامه یافته و بتن سخت تر و مقاوم تر می شود. بیشتر واکنش ها و همچنین کسب مقاومت، در ماه اول عمر بتن به عنوان یک مخلوط سیمانی صورت می پذیرد، ولی تا سالهای زیادی به کندی ادامه می یابد.

این واکنش های شیمیایی «هیدراتاسیون» نامیده می شود که با تولید حرارت همراه است. مقاومت بتن در هوای سرد به کندی و در هوای گرم با سرعت بیشتری صورت می گیرد، در نتیجه این خودگرمایی در هوای سرد مفید واقع می شود.

از مخلوط نمودن سیمان پرتلند و آب، خمیر چسبناک سیمانی حاصل می شود که به مرور غلظت یافته و شکل سنگ به خود می گیرد. این مصالح چسبنده در سه مرحله ی تحلیل و هیدراتاسیون، شکل گیری مواد کللوئیدی و تبلور سخت می شود.

وقتی سیمان با آب مخلوط می شود، حریان پیچیده ی فیزیکی شیمیایی آغاز می شود. ابتدا اکسیدهای موجود در سطح دانه سیمان شروع به حل شدن می کنند تا آنکه محلول اشباع گردد. سپس ذرّات ریز کللوئید هیدراتی به کمک آب و دانه سیمان شکل می گیرند. در همین زمان خودگیری اولیه آغاز می شود و سپس اجزای کللوئیدی که اخیراً شکل گرفته اند با تشکل بلوری بزرگتر می شوند؛ این روند با سخت شدن و کسب استحکام بیشتر همراه می شود. سرعت هیدراته شدن مواد موجود در کلینکر معیار سخت شدن آنهاست هرچه سرعت این عمل بیشتر باشد عمل سخت شدن سریعتر صورت می پذیرد.

توده های کللوئیدی هیدرات های حاصل از عمل هیدراته شدن کلینکر در خصوصیات خمیر سیمان اصطکاک بین دانه بندی را کاهش می دهد و باعث بی ثباتی و سهولت حرکت در بتن می شود. در صورتی که حالت چسبندگی آن مانع از جدا شدن دانه بندی بتن در حین انتقال و ریختن می شود. هر چند برای مدت کوتاهی خمیر به صورت پلاستیک و چسبنده باقی می ماند. انبوهی محصولات هیدراته شده موجب یک پارچگی آنها می گردد و از آن پس خمیر حالت پلاستیکی و سهولت حرکت خود را از دست می دهد. استحکام خمیر سیمان در این مرحله همان خودگیری اولیه است.

تحکیم بیشتر خمیر سیمان موجب تشکیل کریستال ها شده و باعث استحکام مخلوط سیمانی و سخت شدن آن می گردد. این تصویر عمومی الگوی تغییر سیمان از پودر کلینکر به یک سنگ ساختگی سخت است.

1.4. عوامل مؤثر در خودگیری سیمان

* ترکیبات شیمیایی: تغییر میزان موادّ تشکیل دهنده ی سیمان موجب دگرگونی در سرعت خودگیری آن می گردد.

* مقدار پخت: سیمان نپخته تاب ملاتش کم است، همچنین سیمانی که بیش از حد حرارت دیده باشد کندتر هیدراته می شود.

* حرارت محیط: افزایش حرارت محیط سبب خودگیری سریع سیمان می شود. مخلوطهای سیمانی نباید در مدت خودگیری در حرارت کمتر از 2 درجه ی سانتی گراد قرار گیرند. مگر اینکه پیشگیری های مربوط انجام شده باشد. حتی در این درجه ی حرارت نیز مقاومت مخلوط سیمانی پایین تر از زمانی است که حرارت معتدل می باشد. در اینگونه موارد می توان از آن دسته از سیمان هاکه از خود حرارت بیشتری نشان می دهند استفاده کرد و سعی در حفظ این حرارت کرد. باید دانست استفاده از مخلوط های سیمانی در حجم های بزرگ سبب بروز حرارت زیادی خواهد شد که زیان آور است. در اینگونه موارد از سیمان هایی که حرارت کمتری در هنگام خودگیری از خود پس می دهند، استفاده می شود.

* مدت انبار: هرچه بین زمان استفاده از سیمان و زمان پختن آن طولانی تر شود، خودگیری آن نیز کندتر است.

* آب: آب همراه با املاحی چون گچ، خودگیری سیمان را کند می کند. به همین ترتیب مواد شیمیایی موجود در آب هریک به نحوی در مشخصات محصول سیمانی مؤثرند. برای تهیه ی محصولات سیمانی باید از آب آشامیدنی بی بو و طعم و رنگ و همچنین به مقدار مناسب بهره برد.

2.4. عوامل مؤثر در سخت شدن و استحکام سیمان

گرفتن و سخت شدن محصولات سیمانی بر اثر تشکیل و توسعه بلورهای حاصل از مواد کللوئیدی است و عوامل مؤثر بر این فرآیند عبارتند از:

* مقدار آب:  آبی که برای ساختن محصولات سیمانی مصرف می شود به سه بخش تقسیم می گردد.

ـ آب به میزان 25 درصد وزن سیمان با آن ترکیب می گردد.

ـ آب به میزان 15 درصد وزن سیمان به شکل لعاب در ملات می ماند.

ـ باقی آن در فضای بین ذرّات باقی می ماند و به مرور زمان تبخیر می شود.

ـ آب و هوای به جا مانده در محصولات سیمانی آن را پوک و از تاب آن می کاهد.

از این رو نباید در ساختن ملات آب اضافی مصرف کرد. اما حفظ محصول سیمانی در محیطی مرطوب ضروری است. مقدار آب همراه با آن به عوامل مختلفی چون گرمای هوا، شکل دانه های پرکننده و زمان مصرف بستگی دارد.

* مقدار سیمان: تغییرات مقدار سیمان باعث تغییراتی در مقاومت فشاری آن می گردد.

* زمان: هرچه محصول سیمانی بیشتر در محل محفوظی باقی بماند مقاومت آن بیشتر خواهد شد. بتن حاصل از سیمان پرتلند معمولی در شرایط متعارف پس از 3 روز 30٪ و پس از 28 روز 86٪ مقومت نهایی را پیدا می کند.

* ترکیب شیمیایی: هرچه مقدار ترکیبات مواد اولیه سیمان دقیقتر باشد مقاومت بیشتری حاصل خواهد شد. در این مورد ترکیبات گوگردی، قلیایی و اکسید منیزیم تأثیر تخریبی در مقاومت محصول سیمانی دارند.

* شرایط محیطی: هرچه میزان حرارت و فشار در هنگام سخت شدن بتن بیشتر باشد مقاومت آن بیشتر خواهد شد اما افزایش بیش از حد فشار باعث سقوط مقاومت بتن خواهد شد. برای جلوگیری از این مسأله ترکیبات خاصی به آن می افزایند. افزایش حرارت باعث تبخیر آب در بتن و پوک شدن آن می شود. برای مقابله با این مسأله آن را مرطوب نگهداری می کنند.

* وزن مخصوص: هرچه هوای مخلوط سیمان بیشتر خارج شود و وزن مخصوص بیشتری داشته باشد مقاومت بالاتری به دست خواهد آمد.

5. میزان اختلاط:

مخلوط های سیمانی را به نسبت های حجمی تهیه می نمایند. گرچه اعمال نسبت های وزنی از دقت بیشتری برخوردار است. به طور مثال ملات ماسه سیمان 1:6 مخلوطی است شامل یک قسمت سیمان و شش قسمت ماسه شسته به همراه آب و یا بتن 1:2:3 شامل یک حجم سیمان، دو حجم ماسه و سه حجم شن است. کیفیت دانه های سنگی در کیفیت بتن تأثیر عمده ای را به جای می گذارد. باید دانست که تراکم سیمان در تمام نقاط بتن یکسان نیست و این مسأله باعث می شود در نقاطی از آن تراکم سیمان افزایش یابد.

مقدار آب با میزان رطوبت محیط، رطوبت دانه های سنگی و شکل آنها، حرارت هوا، نوع سیمان و مکان مصرف و نوع مصرف متناسب است.

6. انواع سیمان

سیمان پرتلند معمولی (نوع 1)

این نوع سیمان بیشترین کاربرد را دارد و برای ساخت بتن جهت ساختمانها، جاده ها و کلیه کارهایی که نیاز به خواص ویژه ای نیست مصرف می گردد. کسب مقاومت این نوع سیمان برای تمام کارهای بتنی به اندازه کافی سریع است.

ملات ها و بتن هایی که با سیمان پرتلند معمولی ساخته می شوند، در هنگام تهاجم اسید ها و سولفات ها صدمه می بینند، سولفات ها ممکن است در خاک ها و آجر های رسی و آب های زیر زمینی و آب دریا وجود داشته باشند. اسیدها ممکن است در خاک ها و آب های زیر زمینی که نتیجه تجزیه فضولات صنعتی یا مواد آلی در خاک هستند، مشاهده شوند. در چنین مواقعی باید از انواع دیگر سیمان ها استفاده نمود تا از خرابی بتن، ناشی از وجود عناصر فوق جلوگیری شود.

سیمان پرتلند ممتاز (نوع 2)

این نوع سیمان همانند سیمان پرتلند معمولی است با این تفاوت که مواد اولیه آن را با دقت بیشتری تهیه و تولید می کنند و بیشتر آسیاب می کنند. اینگونه سیمان ها خیلی سریع خود را می گیرند و به سرعت هم سخت می شوند و مقاومت افزون تری در برابر هجوم سولفات ها از خود نشان می دهند.

سیمان پرتلند زودگیر (نوع3)

از لحاظ  شیمیایی این نوع سیمان مشابه سیمان پرتلند معمولی است؛ ریز بودن ذرّات آن، باعث کسب سریع مقاومت در اوایل عمر بتن می شود. واژه ی زودگیر نباید با خودگیری سریع اشتباه گردد. در بتنی که با سیمان پرتلند زودگیر ساخته می شود خودگیری اولیه مشابه سیمان پرتلند معمولی است، ولی پس از خودگیری اولیه، سرعت کسب مقاومت بتن بیشتر می شود. این سرعت کسب مقاومت، باعث می گردد که قالب برداری در زمان کوتاه تری انجام پذیرد. به همین دلیل این نوع سیمان بیشتر در کارخانه های قطعات پیش ساخته یا زمانی که در کارگاه کار باید با سرعت انجام پذیرد، مصرف می گردد.

به دلیل آنکه این نوع سیمان نسبت به سیمان پرتلند معمولی تولید حرارت بیشتری می کند مصرف آن در هوای سرد توصیه می شود و اثر منفی دمای پایین در بتن را خنثی می کند. روش انبار کردن و مصرف سیمان زودگیر مشابه سیمان پرتلند معمولی است.

سیمان پرتلند کم حرارت (نوع 4)

روند کسب مقاومت این نوع سیمان به آهستگی صورت می گیرد و همان طور که از نام آن مشخص است، مقدار حرارت تولید شده توسط آن نسبت به سیمان پرتلند معمولی کمتر است. به دلیل مصرف آن برای بتن ریزی های با حجم زیاد مانند سد ها یعنی در جایی که کم شدن حرارت بتن امری حیاتی است، الزامی می شود.

سیمان پرتلند ضد سولفات (نوع 5)

هرچند روش تولید این نوع سیمان مانند سیمان پرتلند معمولی است، اصطلاح مواد اولیه و کاهش آلومینات کلسیم باعث می گردد تا از لحاظ ترکیب های شیمیایی کمی با یکدیگر تفاوت پیدا کنند. به نحوی که مقاومت بهتری در مقابل تهاجم شیمیایی ناشی از سولفات ها در شرایط مرطوب در پس آب های صنعتی، آجر های رسی و همچنین شرایط قلیایی از خود نشان دهد.

معمولاً رنگ این نوع سیمان نسبت انواع دیگر، کمی تیره تر است. به طور کلی سیمان ضد سولفات برای بتن هایی که در معرض سولفات قرار دارند، مانند آب دریا،‌خاک یا آب زیرزمینی دارای سولفات، مصرف می شود. دوام بتن و مقاومت آن در مقابل تهاجم عوامل شیمیایی بیشتر به نحوه تهیه و نفوذ ناپذیری و تراکم مناسب آن بستگی دارد. نفوذ پذیری بتن کم عیار بیشتر از بتن پرمایه است و چنانچه از سیمان پرتلند ضد سولفات استفاده شود، مقدار آن نباید کمتر از 280 کیلو گرم در متر مکعب بتن باشد (برای بتن با حداکثر اندازه سنگدانه 20 میلیمتر) و نسبت آب به سیمان نباید بیش از 55٪ در نظر گرفته شود. گاهی لازم است که مقدار سیمان مصرفی بیش از مقدار فوق باشد، بدون آنکه نسبت آب به سیمان تغییر کند، این افزایش مقدار سیمان به علت بیشتر شدن مقاومت محصول انجام می پذیرد.

مقومت سیمان ضد سولفات مانند سیمان پرتلند معمولی است گرچه کمی کند تر به سختی نهایی می رسد. همچنین این نوع سیمان مقداری کمتر از سیمان پرتلند معمولی حرارت تولید می کند، که برای بتن ریزی حجیم و مقاطع ضخیم به علتتولید حرارت کمتر، مصرف این نوع سیمان مناسب است.

از مصرف کلرور کلسیم یا مواد مضافی که دارای کلرور کلسیم هستند همراه با این نوع سیمان، باید اجتناب گردد، زیرا مقاومت سیمان در مقابل سلفات ها کاهش می یابد.

سیمان پرتلند روباره آهن گدازی (سرباره)

این نوع سیمان از آسیاب شدن مخلوطی از کلینکر سیمان پرتلند معمولی و روباره کوره ی آهن گدازی ساخته می شود.

این نوع سیمان برای کلیه ی مواردی که سیمان پرتلند معمولی استفاده می شود، قابل مصرف است، اما کسب مقاومت اولیه آن کندتر صورت می گیرد، بخصوص اگر هوا سرد باشد، بنابر این در مواقعی که قالب برداری در زمان کوتاهتری انجام می پذیرد، ممکن است مصرف این نوع سیمان مناسب نباشد.

سیمان پرتلند سرباره یک سیمان کم حرارت است و مانند سیمان پرتلند ضدسولفات برای کاهش حرارت در قطعات ضخیم به عنوان یک مزیت، می توان آن را مصرف نمود. مقاومت سیمان روباره ای در مقابل تهاجم مواد شیمیایی به خصوص در آب دریا، بیشتر از مقاومت سیمان پرتلند معمولی است.

سیمان پرتلند سفید

سیمان پرتلند سفید از مواد خاصی ساخته می شود که دارای آهن و منگنز بسیار کمی است.

مصرف این نوع سیمان محدود به جایی است که نیاز به نما با رنگ سفید یا روشن باشد، و معمولاً همراه با سنگدانه های مخصوصی استفاده می گردد. از آنجا که قیمت سیمان پرتلند سفید حدود دو برابر سیمان پرتلند معمولی است، بنابر این در تمام طول مراحل کار، انتقال، مخلوط کردن، باید رعایت احتیاط به عمل آید تا از آلودگی جلوگیری شود و تمام وسایل نیز باید تمیز باشند.

خواص گیرش و کسب مقاومت این نوع سیمان مشابه سیمان پرتلند معمولی است و جدا از لزوم دقت بیشتر، فرقی از لحاظ روش انبار کردن و مصرف با سیمان پرتلند معمولی ندارد.

عمل آوردن ملات با سیمان سفید نیاز به دقت کافی دارد، زیرا به راحتی در اوایل کار کثیف می شود و تقریباً تمییز کردن آن غیر ممکن است. استفاده از ورقه های پلاستیک برای به عمل آوردن آن و دوری از گرد و غبار، روش مناسبی برای نگهداری ملات در اوایل کار است.

 مجتمع مصالح و لوازم ساختمانی بعثت اقدم