شنبه 08 ارديبهشت 1403
‏آشنایی کامل با سیمان‏

‏آشنایی کامل با سیمان‏

1393-8-24 ( 9 سال پیش ) دسته خبری : مقالات مفید



کلمه سیمان از یک لغت لاتین به نامسی‌منت ( cement ) گرفته شده است و ماده ایاست که دارای خاصیت چسبانندگی مواد به یکدیگر است و در حقیقت ، واسطه چسباندن است. 
سیمان در صنایع ساختمانی
در صنایع ساختمانی ، سیمان به ماده ای گفتهمی‌شود که برای چسباندن مصالح مختلف به یکدیگر از قبیل سنگ و شن ، ماسه ، آجر وغیره بکار می‌رود و ترکیبات اصلی این سیمان ازمواد آهکیاست. سیمانهای آهکیمعمولا از ترکیبات سیلیکات و آلومیناتهای آهک تشکیل شده‌اند که هم به‌صورت طبیعییافت می‌شوند و هم قابل تولید در کارخانجات سیمان‌سازی هستند. 

تاریخچه
اگرچه از زمانهای بسیار گذشته اقوام و ملل مختلف به نحوی بااستفاده از سیمان در ساخت بنا سود می‌جستند، ولی اولین بار در سال 1824 ،سیمانپرتلندبه نام "ژوزف آسپدین" که یک معمار انگلیسی بود، ثبت شد. به لحاظشباهت ظاهری و کیفیت بتن‌های تولید شده از سیمانهای اولیه به سنگهای ناحیه پرتلنددر دورست انگلیس ، سیمان به نام سیمان پرتلند معروف شد و تا به امروز برایسیمانهایی که از مخلوط نمودن و حرارت دادن مواد آهکی و رسی و مواد حاوی سیلیس ،آلومینا و اکسید آهن و تولید کلینکر و نهایتا آسیاب نمودن کلینکر بدست می‌آید،استفاده می‌شود. 

ساختار سیمان
اساسا سیمان با آسیاب نمودن مواد خام از قبیل سنگ وآهکو آلومینا و سیلیسی که بهصورت خاک رس و یا سنگهای رسی وجود دارد و مخلوط نمودن آنها با نسبتهای معین و باحرارت دادن در کوره‌های دوار تا حدود 1400درجه سانتی‌گراد بدست می‌آید. در اینمرحله ، مواد در کوره تبدیل به گلوله‌های تقریبا سیاه رنگی می‌شوند کهکلینکرنامیده می‌شود.
کلینکر پس از سرد شدن ، با مقداری سنگ گچبه‌منظور تنظیم گیرش ، مخلوط و آسیاب شده و پودر خاکستری رنگی حاصل می‌شود که همانسیمان پرتلند است. با توجه به نوع و کیفیت مواد خام ، سیمان با دو روش عمده‌تر وخشک تولید می‌شود، ضمن اینکه روشهای دیگری نیز وجود دارد. البته امروزه عمومـا ازروش خشک در تولید سیمان استفاده می‌شود، مگر در مواردی که مواد خام ، روش تر راایجاب کند، زیرا در روش خشک ، انرژی کمتری برای تولید مورد نیاز است. 

ترکیبات شیمیایی سیمان
مواد خام مورد مصرف در تولید سیمان در هنگام پخت باهم واکنش نشان داده و ترکیبات دیگری را بوجود می‌آورند. معمولا چهار ترکیب عمدهبه‌عنوان عوامل اصلی تشکیل دهنده سیمان در نظر گرفته می‌شوند که عبارتنداز:

· سه کلسیم سیلیکات (3O2=C3S) 

· دو کلسیم سیلیکات ( 2CaOSiO2=C2S) 

· سه کلسیم آلومینات (3CaOAl2O3=C3A) 

· چهار کلسیم آلومینو فریت (4CaOAl2O3Fe2O3) 

کهاختصارا اکسیدهای CaO را با C و SiO2 را با S و Al2O3 را با A و Fe2O3 را با F نشانمی‌دهند. سیلیکاتهایC3S و C2S مهمترین ترکیبات سیمان درایجاد مقاومت خمیر سیمان هیدراته می‌باشند. در واقع سیلیکاتها در سیمان ، ترکیباتکاملا خالصی نیستند، بلکه دارای اکسیدهای جزئی به‌صورت محلول جامد نیز می‌باشند. این اکسیدها اثرات قابل ملاحظه ای در نحوه قرار گرفتناتمها، فرم بلوری وخواص هیدرولیکی سیلیکاتها دارند.

ترکیبات دیگری نیز در سیمان وجود دارند کهاز نظر وزن قابل ملاحظه نیستند، ولی تأثیرات قابل ملاحظه ای در خواص سیمان دارند کهعمدتا عبارتند از: MgO،TiO2،Mn2O3،K2O،NaO2،که اکسیدهایسدیموپتاسیمبهنام اکسیدهای قلیایی شناخته شده‌اند. آزمایشها نشان داده است که این قلیائی‌ها بابعضی از سنگدانه‌ها واکنش نشان داده‌اند و حاصل این واکنش باعث تخریب بتن شده است. البته قلیائی‌ها در مقاومت بتن نیز اثر دارند.

وجود سه کلسیم آلو مینات (C3A) در سیمان نقش عمده ای در مقاومت سیمان به جزء در سنین اولیهندارند و در برابر حملات سولفاتها نیز که منجر به سولفوآلومینات کلسیم می‌شود،مشکلاتی به بار می‌آورد، اما وجود آن در مراحل تولید ، ترکیب آهک و سیلیس را تسهیلمی‌کند. میزان C4AF در سیمان هم در مقایسه با سه ترکیب دیگر کمتر است وتأثیر زیادی در رفتار سیمان ندارند، ولی در واکنش با گچ ، سولفو فریت کلسیم رامی‌سازد و وجود آن به هیدراسیون سیلیکاتها شتاب می‌بخشد.

مقدار و اندازهواقعی اکسیدها در ترکیبات انواع سیمان ، مختلف است. البته باقی مانده نامحلول نیزکه عمدتا از ناخالصی‌های سنگ گچ حاصل می‌گردد، اندازه گیری می‌شود، تا حدود 1,5درصد وزن در سیمان مجاز است. افت حرارتی نیز که دامنه کربناسیون و هیدراسیون آهکآزاد ومنیزیمآزاد را در مجاورت هوا نشان می‌دهد، تا حدود 3 الی 4 در صد وزن سیمان اندازه گیریمی‌شود. 



هیدراسیون سیمان
ماده مورد نظر ما ملات یا خمیر سیمان است که با اختلاط آبو پودر سیمان ماده چسباننده ای می‌شود. در واقع سیلیکاتها و آلومیناتهای سیمان درمجاورت آب محصولی هیدراسیونی را تشکیل می‌دهند که کم‌کم با گذشت زمان ، جسم سختیبوجود می‌آید.
دو ترکیب عمده سیلیکاتی سیمان یعنی C3S و C2S عوامل عمده سخت شدن سیمان هستند و عمل هیدراسیون روی C3S سریعتر از C2S انجام می‌گیرد. 

حرارت هیدراسیون
همانند هر واکنش شیمیایی ، هیدراسیون ترکیبات سیمان نیزحرارت‌زا است و به میزان حرارتی که در هر گرم از سیمان هیدراته در اثر هیدراسیون دردمای معینی تولید می‌گردد، حرارت هیدراسیون گفته می‌شود و به روشهای مختلفی قابلاندازه گیری است. درجه حرارت و دمائی که در آن عمل هیدزاسیون انجام می‌شود، تأثیرقابل ملاحظه ای در نرخ حرارت تولید شده است دارد.

برای سیمانهای پرتلندمعمولی ، حدود نصف کل حرارت تا سه روز و حدود 3,4 حرارت تا حدود 7 روز و تقریبا 90در صد حرارت در 6 ماه آزاد می‌شود. در واقع حرارت هیدراسیون بستگی به ترکیب شیمیاییسیمان دارد و تقریبا برابر است با مجموع حرارتهای ایجاد شده یکایک ترکیبات خالصسیمان ، اگر به صورت جداگانه هیدراته شود.

هر گرم از سیمان تقریبا 120 کالریحرارت آزاد می‌کند. چون هدایت حرارتی بتن کم است، لذا حرارت می‌تواند به‌عنوان یکعایق حرارتی عمل نماید. از طرف دیگر حرارت تولید شده بوسیله هیدراسیون سیمانمی‌تواند از یخ زدن آب در لوله‌های موئین بتن تازه ریخته شده جلوگیری نماید. بنابراین آگاهی به خواص حرارت‌زایی سیمان می‌تواند در انتخاب نوع مناسب سیمان برایهدف مشخصی مفید باشد.

همانطور که گفته شد، نقش اصلی در مقاومت سیمان C3S و C2S ایفا می‌کنند و C3S در 4 هفته سنیناولیه وC2S پس از آن مقاومت سیمان را ایجاد می‌کنند. نقش این دو ترکیبدر مقاومت سیمان پس از یک سال تقریبا مساوی می‌شود. 

آزمایشهای سیمان
به لحاظ اهمیت کیفیت سیمان در ساختن بتن ، معمولا تولیدکنندگان ، آزمایشهای متعدد و استاندارد شده ای را برای کنترل کیفیت سیمان انجاممی‌دهند و بعضا نیز مصرف‌کنندگان برای اطمینان خاطر ، خواص سیمان تولید شده را ازکارخانجات درخواست می‌کنند و گاها نیز آزمایشهایی انجام می‌دهند. خواص فیزیکی سیمانعمدتا عبارتست از نرمی سیمان ، گیرش سیمان ، سلامت سیمان و مقاومت سیمان. 

نرمی سیمان
از آنجا که هیدراسیون از سطح ذرات سیمان شروع می‌شود، مساحتتمامی سطح سیمان موجود در هیدراسیون شرکت دارند. بنابراین نرخ هیدراسیون بستگی بهریزی سیمان دارد و مثلا برای کسب مقاومت سریعتر نیز به سیمان نرم تر یا ریزترمی‌باشد. اما باید توجه داشت که همیشه یک سیمان نرم از نظر اقتصادی و فنی مقرون بهصرفه نیست، زیرا هزینه آسیاب کردن و اثرات بیش از حد نرم بودن سیمان بر خواص دیگرآن مانند نیاز بیشتر به گچ برای تنظیم گیرش ، کارآیی بتن تازه و سایر موارد نیزباید مد نظر باشد.
نرمی یکی از خواص عمده سیمان است که معمولا دراستانداردها با سطح مخصوص تعیین می‌شود (m2/kg).روشهای متداول ومتفاوتی برای تعیین نرمی سیمان در دنیا بکار گرفته می‌شود. استاندارد ملی ایران بهشماره 390 تعیین نرمی سیمان را مشخص می‌کند. 

گیرش سیمان
کلمه گیرش برای سفت شدن خمیر سیمان بکار برده می‌شود، یعنیتغییر وضعیت از حالت مایع به جامد. گیرش به‌علت هیدراسیون C3S و C2A با افزایش دمای خمیر سیمان اتفاق می‌افتد. گیرش اولیه مربوط بهافزایش سریع دما و گیرش نهایی مربوط به دمای نهایی است. مدت زمان گیرش سیمان باافزایش درجه حرارت کاهش می‌یابد، ولی آزمایش نشان داده است که در دمای حدود 30 درجهسانتی‌گراد ، اثر معکوس را می‌توان مشاهده نمود. در درجات حرارت پائین ، گیرش سیمانکند می‌شود. 

پیش بینی مقاومت سیمان 
خلاصه مقاومت سیمان در سنین مختلف، ملاک مهم کیفیت سیمان تلقی شده و برای ثبات و دوام ساختار آن در دراز مدت بسیار حیاتی است. معمولاً مقاومت سیمان در سنین مختلف توسط نمونه‌گیری‌های انجام شده و براساس روش‌های تعریف شده در هنگام تولید، اندازه‌گیری می‌شود. به هر حال کاملاً محتمل است که محصول وارد شده به بازار و مصرف آن توسط مشتری، قبل از تعیین مقاومت نهائی در آزمایشگاه عرضه شده باشد. 
این مقاله به بحث پیرامون راه‌های موجود برای پیش‌بینی مقاومت سیمان می‌پردازد به طوری‌که اقدامات تصحیحی و پیشگیرانه را در همان مراحل اولیه برای کاهش خسارت‌های احتمالی فراهم می‌کند. یک نمونه از عمر واقعی براساس مدل‌سازی‌های آماری ارائه شده است تا سودمندی مدل و نتایج آن را براساس اصول شیمی سیمان نشان دهد.



● مقدمه 
سیمان ماده اصلی ساختمانی است که عمدتاً به‌صورت بتن، ملات و یا اندود به‌کار برده می‌شود. ویژگی‌های کیفیت سیمان عبارت است از مشخصات فیزیکی و شیمیائی انواع سیمان که برای کاربرد نهائی آن بسیار حائز اهمیت است. این ویژگی‌ها به‌خوبی در استانداردهای ملی و بین‌المللی تعریف شده‌اند. 
با این حال یک یا چند مشخصه آن به سایر خصوصیات دیگر ارجحیت دارد. برای مثال در هنگام استفاده سیمان به‌صورت بتن، مقاومت مهمترین پارامتر کیفیت محسوب می‌ود تا آنکه به‌صورت روکش و یا اندود استفاده شود. در عین حال برای استفاده کننده سیمان هم بسیار مهم است تا بر آورد قابل اعتمادی از این پارامترهائی که توسط نتایج واقعی نمونه‌برداری و آزمایش و یا سایر روش‌های دیگر به‌دست می‌آید، داشته باشد. مهمترین جزء سیمان پرتلند، کلینکر است و بنابراین کیفیت سیمان همواره تحت تأثیر کلینکر و همچنین سایر افزودنی‌هائی است که در هنگام همسایشی با یکدیگر مخلوط می‌شوند. اما مهمترین قسمت مواردی که ذکر شد خواص شیمیائی و مینرالوژی کلینکر است که بستکی به ترکیبات شیمیائی و فاز تشکیل کلینکر در هنگام پخت و خنک شدن دارد. پس از تولید سیمان، خواص شیمیائی آن را می‌توان به سرعت با استفاده از آنالیزهای شیمیائی یا تجهیزاتی نظیر XRF یا XRD تعیین کرد. همچنین خواص فیزیکی اصلی سیمان را نیز می‌توان اندازه‌گیری کرد. مقاومت نهائی تنها بعد از گذشت ۲۸ روز تعیین می‌شود. برای انجام اقدامات تصحیحی و پیشگیرانه در مرحله اولیه باید پیشاپیش از داشتن بر آوردهای خوب غافل نماند. 


● تعیین مقاومت هیدرولیکی سیمان 
در روش موجود، نمونه‌های سیمان در فواصل زمانی معین گرفته شده و سپس به‌صورت مکعب و یا منشورهائی درآورده می‌شوند تا براساس استانداردهای ملی مورد آزمایش قرار گیرند. در استادارد هندوستان مقاومت مورد نیاز در سنین ۳، ۷ و ۲۸ روزه تعریف شده‌اند. در بعضی موارد مقاومت سیمان پس از یک روز نیز تعریف و مشخص شده است. نتایج به‌دست آمده از مقاومت ۱ روزه سیمان نسبتاً زود است اما می‌تواند بیانگر رفتار آن بعد از ۲۸ روز باشد زیرا برای استفاده کننده سیمان مهم است که از قبل بتواند بر آوردی از مقاومت۲۸ روزه سیمان داشته باشد. از این‌رو تلاش‌هائی در این زمینه انجام شده است.

Bentz و دیگران، روشی را برای برآرود و پیش‌بینی خواص فیزیکی و همچنین مقاومت سیمان ارائه کرده‌اند. این نظریه براساس ثبت خواص فیزیکی، مینرالوژی و شیمیائی سیمان با استفاده از آنالایزر توزیع ذرات و میکروسکوپ الکترونی شکل گرفته است. تصویر سپس با استفاده از مدل‌های ریاضی برای پیش‌بینی سینتیک هیدراسیون، انقباض، زمان گیرش، مقاومت فشاری و غیره مورد تحلیل قرار می‌گیرد. 
نتایج برآورد شده کاملاً نزدیک به اندازه‌گیری‌های واقعی است. با این حال پیشگوئی‌ها با استفاده از این متدولوژی، مستلزم استفاده از میکروسکوپ الکترونی است که معمولاً در آزمایشگاه کارخانجات سیمان به‌ندرت پیدا می‌شود لذا باید به‌دنبال راه‌های ارزانتر بود. 

Tsivilis به تشریح مدلی براساس رگرسیون پیش‌بینی مقاومت می‌پردازد. در مقاله حاضر برای پیش‌بینی مقاومت از مشابه همین روش استفاده شده است. از روش رگرسیون در یک کارخانه سیمان و برای پیش‌بینی یک نوع سیمان استفاده شده است. 
خاطر نشان می‌شود که این نظریه به‌صورت ژنریک است اما مدل آن تنها برای یک کوره و آسیاب سیمان طراحی شده است. از طرفی نیازمند پالایش‌های مستمر بوده تا شرایط عملیاتی غالب را نشان دهد.



●یک نمونه 
به‌منظور استقرا مدل پیش‌بینی مقاومت، ۲۰ نمونه از سیمان پرتلند معمولی در طی ۲۰ روز از قسمت بارگیر خانه یک کارخانه سیمان گرفته شد. این نمونه‌ها سپس برای تعیین خواص شیمیائی و فیزیکی در یک آزمایشگاه استاندارد، مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفتند. همه این تحلیل‌ها براساس استاندارد سیمان هندوستان انجام شد. جزئیات در جدول خواص فیزیکی و شیمیائی نمونه‌های سیمان نشان داده شده است. 

آنالیز اندازه ذرات با استفاده از آنالایزر لیزری ذرات Cilas انجام شد. از آنجائی‌که ذرات نرمتر خصوصاً ذراتی که کوچکتر از ۳۲ میکرون هستند تأثیر قابل توجهی بر مقاومت سیمان می‌گذارند، گروه‌های فرعی دیگری نیز از۳-۰، ۱۶-۳، ۲۴ -۱۶ و ۳۲ -۳ میکرون تشکیل شد. پارامتر موقعیت براساس توزیع Sperling - Bennet (RRSB) - Rosin -Remmler یعنی اندازه ذره با عبور ۲/۶۳% بوده و بیانگر جرم عبوری در سیستم سایش و در نتیجه ویژگی‌ مهم سیمان از نظر خواص فیزیکی آن است. 

عامل مهم دیگر تأثیر گذار بر تشکیل مقاومت سیمان، فاز ترکیب آن است.

در مقاله حاضر به چهار فاز مختلف توجه شده است. یعنی C۴,AF,C۳A,C۲S,C۳S و یک روش قابل اعتماد برآورد دقیق و قابل تولید مجدد فازهای سیمان و یا کلینکر، استفاده از روش XRD به همراه آنالیز Rietveld است.

در این روش نیازمند آنالیز ثابت نرم‌افزار Rietveld و XED هستیم. روش دیگر می‌تواند براساس آزایشات میکروسکوپی باشد. به‌دلیل کمبود این امکانات در آزمایشگاه سیمان، امکان اندازه‌گیری دقیق فازەهای معدنی دیگر فراهم نگردید. با اینحال برای اندازه‌گیری‌ها از فرمول بوگ (Bogue) برای تحلیل‌های عنصری استفاده گردید.

گزارش‌هائی که توسط سایر محققان ارائه شد است بیانگر ارائه نتایج بسیار دقیق تعیین فازها با استفاده از روش XRD و Rietveld است. گزارش آزمایشگاه Brucker با دستگاه پیشرفته X-Ray نشان داده است که بین نتایج بدست آمده به‌روش XRD و فرمول بوگ ۱۰% اختلاف و بین روش XRD و نتایج میکروسکوپی حداکثر ۳%اختلاف است. بنابراین دقت پیش‌بینی را می‌توان با استفاده از XRD و تحلیل Rietveld که امروزه به‌طور فزاینده‌ای در آزمایشگاه کارخانه سیمان برای تعیین فازها استفاده می‌شود، بهبود بخشید. 

اطلاعات فوق با استفاده از تکنیک رگرسیون برای تعیین مقاومت ۷،۳ و ۲۸ روزه مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت. در تمام تحلیل‌های رگرسیون، سطح مورد اعتماد ۹۵% بود. جزئیات در قسمت‌های دیگر نشان داده شده است. 

الف) مقاومت ۳ روزه 
از رگرسیون برای تعیین مقاومت ۳ روزه به‌عنوان متغیر وابسته و از خواص مختلف نام برده شده در جدول خواص فیزیکی و شیمیائی نمونه‌های سیمان به‌عنوان متغیرهای مستقل استفاده گردید. مناسب بودن روش رگرسیون با استفاده از روش تحلیل‌های واریانس (ANOVA) مورد ارزیابی قرار گرفت. مدل نهائی و جدولANOVA در جدول آمار رگرسیون و تحلیل واریانس (سه روزه (ANOVA) نشان داده شده است. براسا انجام T-Test می‌توان مشاهده کرد که متغیرهای مستقل انتخاب شده، در سطح اعتماد ۵% قرار دارند.
F -Test
می‌توان مشاهده کرد که متغیرهای مستقل انتخاب شده، در سطح اعتماد ۵% قرار دارند. 
F-Test رابطه محکم میان متغیرها را نشان می‌دهد. 
همچنین می‌توان مشاهده کرد که نرمی ذرات (کوچکتر از ۳ میکرون) رابط منفی با مقاومت سیمان دارند حال ‌آنکه نرمی و اندازه ذراتی که در محدوده ۳ تا ۱۶ میکرون قرار دارند ارتباط مثبت با مقاومت اولیه پیدا می‌کنند. به هر حال، نسبت آلیت به بلیت به‌نظر می‌رسد که تائید منفی بر مقاومت اولیه دارند. همه می‌دانیم که نقش عمده آلیت در مقاومت تولید سیمان است و این مورد می‌تواند نقش گمراه کننده آماری داشته باشد. همچنین فازها از تحلیل عناصر برآورد می‌شوند و در نتیجه نمی‌توانند به دقت XRD و آنالیز Rietveld باشند. 

ب) مقاومت ۷ روزه 
تحلیل واریانس (Anova) برای تعیین مقاومت ۷ روزه در جدول آمار گرسیون و تحلیل واریانس (هفت روزه) ANOVA نشان داده شده است. T-Test نشان می‌دهد که متغیرهای انتخاب شده بسیار مهم بوده و ارتباط قطعی میان متغیرهائی که توسط Test -F انجام شده، دارند.

ج) مقاومت ۲۸ روزه
F -Test
نشان می‌دهد که رابطه میان متغیرها بسیار محکم است و تصادفی نیستند. همچنین T-test نشان می‌دهد که متغیرهای انتخابی مستقل، کاملاً دراین امر دخالت دارند.
پارامترهائی که بر مقاومت ۲۸ تأثیر می‌گذارند عمدتاً نرمی و مینرالوژی آن است. می‌توان مشاهده کرد کهC۲S، نرمی و محدوده ذرات بین ۳ تا ۳۲ میکرون به‌طور واضحی بر گسترش مقاومت تأثیر می‌گذارند در حالی‌که ذرات بسیار نرم (کوچکتر از ۳ میکرون) کاملاً تأثیر منفی دارند. با توجه به مدل‌های بالا که برای مقاومت ۷،۳
منبع / نویسنده : noandishaan.com

بازگشت

  • بحث و نظرات

    نظری برای این مطلب ثبت نشده است. شما می توانید به عنوان اولین نفر نظر خود را ثبت نمایید
جهت ارسال نظر شما باید وارد حساب کاربری خود شوید و یا ثبت نام نمایید