ریشه لغوی

کلمه سیمان از یک لغت لاتین به نام سی‌منت ( cement ) گرفته شده است و ماده ای است 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 گفته می‌شود که برای چسباندن مصالح مختلف به یکدیگر از قبیل سنگ و شن ، ماسه ، آجر و غیره بکار می‌رود و ترکیبات اصلی این سیمان از مواد آهکی است. سیمانهای آهکی معمولا از ترکیبات سیلیکات و آلومیناتهای آهک تشکیل شده‌اند که هم به‌صورت طبیعی یافت می‌شوند و هم قابل تولید در کارخانجات سیمان‌سازی هستند.

تاریخچه

اگرچه از زمانهای بسیار گذشته اقوام و ملل مختلف به نحوی با استفاده از سیمان در ساخت بنا سود می‌جستند، ولی اولین بار در سال 1824 ، سیمان پرتلند به نام "ژوزف آسپدین" که یک معمار انگلیسی بود، ثبت شد. به لحاظ شباهت ظاهری و کیفیت بتن‌های تولید شده از سیمانهای اولیه به سنگهای ناحیه پرتلند در دورست انگلیس ، سیمان به نام سیمان پرتلند معروف شد و تا به امروز برای سیمانهایی 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 و آهک و آلومینا و سیلیسی که به صورت خاک رس و یا سنگهای رسی وجود دارد و مخلوط نمودن آنها با نسبتهای معین و با حرارت دادن در کوره‌های دوار تا حدود 1400درجه سانتی‌گراد بدست می‌آید. در این مرحله ، مواد در کوره تبدیل به گلوله‌های تقریبا سیاه رنگی می‌شوند که کلینکر نامیده می‌شود.
کلینکر پس از سرد شدن ، با مقداری سنگ گچ به‌منظور تنظیم گیرش ، مخلوط و آسیاب شده و پودر خاکستری رنگی حاصل می‌شود که همان سیمان پرتلند است. با توجه به نوع و کیفیت مواد خام ، سیمان با دو روش عمده‌تر و خشک تولید می‌شود، ضمن اینکه روشهای دیگری نیز وجود دارد. البته امروزه عمومـا از روش خشک در تولید سیمان استفاده می‌شود، مگر در مواردی که مواد خام ، روش تر را ایجاب 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 با هم واکنش نشان داده و ترکیبات دیگری را بوجود می‌آورند. معمولا چهار ترکیب عمده به‌عنوان عوامل اصلی تشکیل دهنده سیمان در نظر گرفته می‌شوند که عبارتند از:
سه کلسیم سیلیکات (3O₂=C₃S)

• دو کلسیم سیلیکات ( 2CaOSiO₂=C₂S)

• سه کلسیم آلومینات (3CaOAl₂O₃=C₃A)

• چهار کلسیم آلومینو فریت (4CaOAl₂O₃Fe₂O₃)

که اختصارا اکسیدهای CaO را با C و SiO₂ را با S و Al₂O₃ را با A و Fe₂O₃ را با F نشان می‌دهند. سیلیکاتهای C₃S و C₂S مهمترین ترکیبات سیمان در ایجاد مقاومت خمیر سیمان هیدراته می‌باشند. در واقع سیلیکاتها در سیمان ، ترکیبات کاملا خالصی نیستند، بلکه دارای اکسیدهای جزئی به‌صورت محلول جامد نیز می‌باشند. این اکسیدها اثرات قابل ملاحظه ای در نحوه قرار گرفتن اتمها، فرم بلوری و خواص هیدرولیکی سیلیکاتها دارند.

ترکیبات دیگری نیز در سیمان وجود دارند که از نظر وزن قابل ملاحظه نیستند، ولی تأثیرات 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 شده‌اند. آزمایشها نشان داده است که این قلیائی‌ها با بعضی از سنگدانه‌ها واکنش نشان داده‌اند و حاصل این واکنش باعث تخریب بتن شده است. البته قلیائی‌ها در مقاومت بتن نیز اثر دارند.

خواص اصلی سازنده های سیمان

سیلیکات 3 کلسیم ـ سازنده و ترکیب فعال سیمان پرتلند است که در کلنکر به کل دانه هائی بنام آلبت Alite وجود دارد (C₃S ناخالصیهائی همراه دارد که بحال معلق‌اند). خواص آلیت با C₃S خالص اندکی متفاوت است.

C₃S موجب زیاد شدن مقاومت سیمان می‌شود و حرارت آبگیری آن بالنسبه زیاد است.

در زیر میکروسکوپ دانه های آن به شکل چندضلعی است که طول متوسط هر ضلع آن m 50 می‌باشد.

C₃S در درجه حرارت بالاتر از °1900 سانتیگراد تجزیه و تبدیل به C₃S و سیلیس می‌گردد.

همچنین در حین سرد کردن کلنکر هرگاه درجه حرارتی مدتی در حوالی °1100 بماند آلیت تجزیه شده و به C₂S و آهک تبدیل می‌گردد. آهک تولید شده در این عمل را آهک ثانوی می نامند (در مقابل آهکی که از تجزیه کربنات کلسیم حاصل شده و به نام آهک اولی معروف است).

سیلیکات 2 کلسیم ـ ترکیبی است که موجب سخت شدن سیمان با مرور زمان می‌شود. این ترکیب هم ناخالصیهائی همراه دارد که خواص آن را اندکی متغیر می سازد و به نام Belite معروف است.

C₂S را حداقل به چهار شکل، در درجات مختلف حرارت تشخیص داده‌اند:

°2130ـ°1470 C₂S (a) °675 C₂S (b)

°1470ـ°675 C₂S (a) °820 C₂S (g)

وقتی که شکل b به g تبدیل می‌شود حجم آن تا 10% زیاد و در نتیجه باعث خردشدن دانه ها و تشکیل گرد می‌گردد. این پدیده را پراکندگی و شگفتگی نامند که مخصوصاً در کلنکرهائی که C₂S (b) زیاد دارد مشاهده می‌شود.

C₂S (g) عملاً خاصیت هیدرولیک ندارد.

دانه های b که تعداد آنها در کلنکر بیشتر است باشکال مختلف و اغلب کروی شکل است که قطر متوسط آنها m 30 و سطح دانه های آن مخطط و یا صاف است (مخططها از تبدیل شکل a به b حاصل شده اند).

تبدیل شکل b به g را ممکن است با افزون Mn₂O₃ و B₂O₅ و As₂O₅ و P₂O₅ جلوگیری نمود. (زیرلا که g خاصیت هیدرولیک ندارد).

درحین سرد شدن نیز هرگاه C₂S (b) بصورت دانه های درشت باشد در °500 به g تبدیل می شود، و حال انکه هرگاه دانه های آن ریز (به قطر کوچکتر از m5) باد تا درجه حرارت معمولی به شکل b باقی بماند. زیرا در اینحالت امکان تشکیل دانه اولیه g در محیطی که دانه ها ریز است کمتر می‌شود.

آلومینات 3 کلسیم C₃A : ترکیبی است که موجب گیرش سریع سیمان می‌شود و حرارت آبگیری آن بیش از سایر سازنده های سیمان است. دانه ها آن متبلور و شکل آنها برحسب کیفیت دانه ها درشت و مستطیل است.

بطور کلی اگر سد کردن کلنکر سریع باشد، دانه ها ریز، و هرگاه سرد کردن آهسته باشد، دانه ها درشت و مستطیل است.

آلومنیوفریت 4 کلسیم C₄AF : این ترکیب عملا در مقاومت سیمان مؤثر نیست و در مایع صاف کلنکر وجود دارد.

تبصره ـ مجموعه C₃A + C₄AF را اکثر بنام سیلت Celite می نامند.

همچنین مجموعه Al₂O₃+Fe₂O₃ را اکثر بصورت R₂O₃ معرفی می‌کنند.

رل سازنده های مختلف: برای آن که مقاومتهای سیمان زیاد باشد باید نسبت در آن افزایش یابد. و برعکس اگر بخواهیم که حرارت متصاعد سیمان در موقع آب زدن کم باشد (در مرود استعمال مقادیر عظیم سیمان مثل سدسازی و پل‌سازی و غیره) باید مقدار C₂S نسبت به C₃S زیاد باشد.

برای این منظور لازم است ضریب سیلیسی سیمان را زیاد و ضریب هیدرولیک و آلومینوفریت آن را کم نمود.

هرگاه بخواهیم که مقاومت سیمان را در مقابل آبهای سولفات دار زیاد نمائیم باید (در مورد سیمانهای دریائی) مقدار C₃A را در سیمان افزایش دهیم.

آزمایشهای سیمان

از آنجا که کیفیت سیمان در تولید یک بتن خوب بسیار مؤثر می باشد، لازمست که در ساخت سیمان کنترلهای دقیقی بعمل آید. در کارخانه‌های سیمان برای تولید سیمانی مطابق استانداردهای بین المللی آزمایشهای متعددی روی سیمان انجام می‌گیرد.

همچنین خریداران و آزمایشگاههای خصوصی علاقه دارند با انجام آزمایشهای لازم، سیمانی مناسب با کارهایا ختصاصی خود را انتخاب نمایند. آزمایشهای تعیین خواص شیمیائی ترکیبات سیمان در این کتاب آورده نشده است. علاقمندان می توانند به استانداردهای ASTM و BS 4550 مراجعه کنند. در این‌جا آزمایشهای ریزی، زمان گیرش، سلامت و مقاومت سیمان براساس استانداردهای ASTM و BS توضیح داده می شوند.

ریزی سیمان

هیدراتاسیون سیمان از سطح دانه های آن آغاز می‌شود. کل سطح جانبی دانه ها، نماینده مواد ترکیب شونده با آب می باشد، سرعت واکنش شیمیائی آب و سیمان، به ریزی سیمان مربوط بوده و لذا برای هیدراتاسیون سریع و افزایش مقاومت سریع، سیمانی با ریزی بالا مورد نیاز است. در مقابل باید هزینة آسیاب دانه ها تا ریزی بالا و اثراتی را که سیمانهای ریز بر روی کارآیی بتن تازه، خواص دراز مدت و میزان گچ موردنیاز می گذارد، درنظر داشت.