همه چیز در مورد سیمان

سیمان پرتلند پوزولانی

سیمان پوزولانی سیمانی است که در رویه‌ی تولید آن، پوزولان با کلینکرهای پرتلند ترکیب می‌ شود. همچنین ممکن است در این پروسه مقداری گچ یا کلسیم سولفات نیز به این ترکیب اضافه شود. این سیمان به خاطر ویژگی‌های شیمیایی‌اش، در برابر حملات شیمیایی مختلف مقاومت بسیار بالایی دارد و به همین دلیل، استفاده از آن روز به روز گسترده تر می‌شود. از این نوع سیمان در سازه‌های دریایی، فاضلاب‌ها، سد‌ها، پل‌ها و غیره استفاده می‌شود.

سیمان هوازا

با اضافه کردن افزودنی‌های هوازا همچون رزین‌ها، چسب‌ها، نمک‌های سدیمی سولفات و غیره در هنگام تولید کلینکر، سیمان هوازا تولید می‌شود. از این نوع سیمان برای افزایش کارایی بتن در مواقعی نسبت آب به سیمان در آن کم است و همچنین افزایش مقاومت در برابر یخ زدگی استفاده می‌شود. همان طور که احتمالاً می‌دانید، آب ویژگی خاصی دارد که بر مبنای آن هنگامی که منجمد می ‌شود، حجمش افزایش پیدا می‌کند. هوازایی در بتن باعث می‌شود تا آب در هنگام منجمد شدن جا برای افزایش حجم داشته باشد.

سیمان منبسط شونده

این نوع سیمان با گذر زمان انبساط می‌یابد و هیچ گونه جمع شدگی در آن، چه در هنگام و چه پس از سخت شدن، رخ نمی‌دهد. از این سیمان به طور گسترده برای ساخت داکت‌های پیش‌تنیده استفاده می‌شود.

سیمان هیدروگرافیک

سیمان هیدروگرافیک با افزودن مواد شیمیایی کاهنده‌ی آب به سیمان تولید می‌شود و کارایی و مقاومت آن نسبت به سیمان پرتلند معمولی بالاتر می‌باشد. این سیمان همچنین در برابر بارندگی و باران‌های موسمی مقاوم است و مشکلی خاصی ندارد. از این سیمان به طور گسترده برای ساخت سازه‌های آبی هم چون سدها، مخازن آب، آب‌راه‌ها، سازه‌های نگهدارنده‌ی آب و غیره استفاده می شود.

ترکیبات شیمیایی سیمان

مواد خام مورد مصرف در تولید سیمان در هنگام پخت با هم واکنش نشان داده و ترکیبات دیگری را بوجود می آورند . معمولا چهار ترکیب عمده به عنوان عوامل اصلی تشکیل دهنده سیمان در نظر گرفته می شوند که عبارتند از :

۱- تری کلسیم سیلیکات (۳O2=C3S)

 ۲- دی کلسیم سیلیکات  ( ۲CaOSiO2=C2S)

۳- تری کلسیم آلومینات  (۳CaOAl2O3=C3A)

۴- تترا کلسیم آلومینو فریت  (۴CaOAl2O3Fe2O3)

سیلیکات های C3S و C2S مهمترین ترکیبات سیمان در ایجاد مقاومت خمیر سیمان هیدراته می باشند . در واقع سیلیکات ها در سیمان، ترکیبات کاملا خالصی نیستند، بلکه دارای اکسید های جزیی به صورت محلول جامد نیز می باشند . این اکسید ها اثرات قابل ملاحظه ای در نحوه قرار گرفتن اتمها، فرم بلوری و خواص هیدرولیکی سیلیکات ها دارند .                 

۱) تری کلسیم سیلیکات

این ماده سریعا وارد واکنش های شیمیایی شده و بتن را سفت می کند. C3S در هنگام ترکیب با آب گرمای زیادی ایجاد می کند. (۱۲۰ کالری بر گرم)

این ماده نقشی در مقاومت سیمان ندارد و در برابر حمله ی سولفات ها که منجر به سولفو آلومینات کلسیم می شود نیز مشکلاتی به بار می آورد، اما وجود آن در مراحل تولید، ترکیب آهک و سیلیس را تسهیل می کند.

۲) دی کلسیم سیلیکات

خصوصیات C2S برخلاف C3S می باشد بدین معنی که گیرش اولیه دی کلسیم سیلیکات کم است و بعد از ۲ تا ۷ روز و حتی تا یک ماه به تدریج وارد عملیات شیمیایی می شود (به عبارت دیگر دیرگیر است). این ماده در هنگام گرفتن گرمای کمی تولید می کند. (حدود ۶۲ کالری بر گرم)

۳) تری کلسیم آلومینات

این ماده همان خواص C3S را دارد بدین معنی که در گیرش اولیه سیمان دخالت می کند و از طرفی مقاومت بتن را در مقابل حمله ی سولفات ها می کاهد. در هنگام گیرش گرمای بیشتری نسبت به سایر اجزا سیمان تولید می کند (۲۱۰ کالری بر گرم)

۴) تترا کلسیم آلومینوفریت

از نظر گیرش حد متوسط را دارد و حدود ۱۰۰ کالری بر گرم گرما آزاد می کند.

میزان C4AF در سیمان در مقایسه با سه ترکیب دیگر کمتر است و تاثیر زیادی در رفتار سیمان ندارد ولی در واکنش با گچ، سولفوفریت کلسیم را می سازد و وجود آن به هیدراسیون سیلیکات ها شتاب می بخشد.

 ترکیبات دیگری نیز در سیمان وجود دارند که از نظر وزن قابل ملاحظه نیستند ولی تاثیرات قابل ملاحظه ای در خواص سیمان دارند که عمدتا عبارتند از :   MgO، TiO2، Mn2O3، K2O، NaO2 که اکسیدهای سدیم و پتاسیم به نام اکسیدهای قلیایی شناخته شده اند. آزمایش ها نشان داده است که این قلیایی ها با بعضی سنگ دانه ها واکنش داده اند و حاصل این واکنش باعث تخریب بتن شده است. البته قلیایی ها در مقاومت بتن نیز اثر دارند .

ساختار مولکولی سیمان

بیش از ۲ هزار سال است که بشر با اشکال گوناگونی از سیمان آشنا شده و در این مدت طیف گسترده‌ای از سازه‌های سیمانی و بتونی را نیز با استفاده از این ماده ارزشمند ارائه کرده است، اما همواره ساختار مولکولی این ماده و چرایی استحکام خیره‌کننده آن در ترکیب با آب برای دانشمندان معمایی بزرگ بوده است. اکنون این معما حل شده است. دانشمندانی در دانشگاه MIT با انجام مطالعاتی گسترده در این خصوص متوجه حقایق تازه‌ای درباره ساختار کریستالی این ماده شده‌اند که در ابعاد اتمی و در ترکیب با ساختار مولکولی آب ، ترکیب مستحکمی را خلق می‌کند . در حقیقت استحکام سیمان در ترکیب با آب برای دانشمندان همواره عجیب و بحث برانگیز بوده است.

البته در گذشته تلاش‌هایی درخصوص رمزگشایی از این معما صورت گرفته و مشخص شده بود که در سطوح اتمی، هیدرات‌های سیمان در برگیرنده مولکول‌های سیلیکایی است که در استحکام بالای این ماده در ترکیب با آب نقش قابل توجهی را ایفا می‌کند، اما اکنون تیمی از دانشمندان دانشگاه MIT دریافته‌اند مولکول‌های سیلیکای مورد نظر به شکل کریستال نیستند و این در حالی است که تاکنون این‌گونه تصور می‌شده است .

بررسی‌های دقیق این دانشمندان نشان می‌دهد این ترکیب در حقیقت هیبریدی است که برخی از ویژگی‌های ساختار کریستالی و همچنین برخی مشخصه‌های ساختار بی‌شکل موادی نظیر شیشه یا یخ را در خود دارد. به نظر می‌رسد اکنون و با تکیه بر یافته‌هایی از این دست، راهکارهای تازه‌ای برای استفاده گسترده‌تر از این ماده در صنایع ساختمان‌سازی سراسر جهان ارائه شود و در عین حال از نقش آن در افزایش آلاینده‌های زیست ‌محیطی از جمله دی‌اکسیدکربن کاسته شود. در حال حاضر صنایع سیمان‌سازی جهان سهم ۵ درصدی در تولید آلاینده‌ای همچون دی‌اکسیدکربن اتمسفر زمین دارد .