سیمان

به ماده چسباننده مصالح سنگی در بتن، سیمان هیدرولیکی و اصطلاحا سیمان گفته می شود.

سیمان چسبی است که پس از مخلوط شدن با آب به صورت دوغاب سیمان یا خمیر سیمان دور دانه ها را در برگرفته و آن ها به هم اتصال می دهد. لذا ، نقش سیمان در بتن صرفا چسباندن دانه ها به یکدیگر بوده و به خودی خود تاثیری در مقاومت و باربری ندارد . از این جهت بتن خوب بتنی است که وقتی در آزمایشگاه نمونه ای از آن را بشکنند دانه های سنگی آن از وسط شکسته شود و سیمان ها (چسب ) پاره نشود.

مواد اولیه سیمان از خاک رس و آهک تشکیل می شود که شامل مواد زیر است:

آهک : حدود 63 درصد

سیلیس: حدود 20 درصد

آلومین : حدود 6 درصد

اکسید آهن : حدود 3 درصد

اکسید منیزیم : حدود 1.5 درصد

ترکیبات شیمیایی:

آنالیزشیمیایی: سیمان پرتلند را نمی توان توسط یک فرمول شیمیایی بیان نمود، زیرا یک مخلوط پیچیده از چهار ترکیب اصلی و تعدادی ترکیبات فرعی است. چهار ترکیب اصلی به نام ترکیبات بوگ وجود دارد که از آنالیز اکسیدی سیمان پرتلند محاسبه می گردند .

ترکیبات شیمیایی به قرار زیر است : سه کلسیم سیلیکات ، دوکلسیم سیلیکات ، سه کلسیم آلومینات و چهار کلسیم آلومینوفریت

واکنش سیمان با آب حرارت زاست. به طور متوسط حدود 120 کالری بر گرم در اثر هیدراتاسیون کامل سیمان حرارت ایجاد ممی شود. در ساختمان های معمولی، اعضای سازه ای نسبت سطح به حجم بالایی دارند به طوری که اتلاف حرارت تولید شده مسئله ای ایجاد نمی کند.در هوای سرد می توان با عایق سازی قالب ها از حرارت مذکور برای حفظ دمای عمل آوری بهره برد.

مواد شیمیایی موجود در سیمان

1) تری کلسیم سیلیکات : این ماده سریعا وارد واکنش های شیمیایی شده و بتن را سفت می کند. در هنگام ترکیب با آب گرمای زیادی ایجاد می کند.

ضرر عمده این است که سبب می شود مقاومت بتن در برابر حمله سولفات ها کاهش یابد.

2) دی کلسیم سیلیکات : گیرش اولیه دی کلسیم سیلیکات کم است و بعد از 2 تا 7 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 62 کالری بر گرم)

3) تری کلسیم آلومینات : این ماده همان خواص را دارد ، بدین معنی که در گیرش اولیه سیمان دخالت می کند و از طرفی مقاومت بتن را در مقابل حمله سولفات ها کاهش می دهد. در هنگام گیرش گرمای بیش تری به سایر اجزای سیمان تولید می کند.

4) تتراکلسیم آلومینوفریت: از نظر گیرش حد متوسط را دارد و حدود 100 کالری بر گرم گرما آزاد می کند.

1) سیمان تیپ یک (1) ، سیمان معمولی

همان سیمان معمولی بوده و در شرایط آب و هوای عادی مصرف می شود. هم چنین در جایی بکار می رود که از نظر سولفات مشکلی وجود نداشته باشد.

2) سیمان تیپ دو ، سیمان متوسط

این سیمان از نظر خواص متوسط است، بدین معنی که تا حدی کندگیر بوده و نیز تا حدی در مقابل حمله سولفات ها مقاوم است .

3) سیمان تیپ 3 ، سیمان زودگیر

این سیمان تقریبا اجزای اولیه سیمان تیپ 1 را دارد. با این تفاوت که، به شدت ریزتر آسیاب شده و به همین جهت گیرش سریعتری دارد.

موارد مصرف سیمان تیپ 3:

الف) درهوای سرد، در دمای زیر صفر درجه این سیمان کاربرد ویژه ای دارد اما مصرف آن به تنهایی کفایت نمی کند و لذا در یخ بندان علاوه بر مصرف این سیمان افزودنی دیگری نیز باید رعایت شود . این سیمان در ساعات اولیه مصرف، حرارت قابل توجهی آزاد می کند و باعث گرم شدن بتن می شود.

ب) مراقبت از بتن در هوای سرد بسیار مشکل است و هزینه مراقبت در هوای سرد بالاست . مصرف سیمان زودگیر طول دوره مراقبت از بتن را کم نموده و موجب می شود بتن زودتر به مقاومت مورد نظر برسد.

ج) در تعمیرات فوری مثلا تعمیر قسمتی از سازه هایی که باید سریعا مورد بهره برداری قرار گیرند. این سیمان کاربرد زیادی دارد و موجب می شود بتن سریعا به مقاومت مورد نظر رسیده و ظرف مدت کوتاهی مورد بهره برداری قرار گیرد.

د) در مکان هایی که به دلیل محدودیت امکانات قالب، بخواهند قالب ها را زودتر باز کنند ، نیز این سیمان کاربرد دارد.

 سیمان تیپ چهار، سیمان دیرگیر

سیمان تیپ چهار کندگیر بوده و در هنگام گیرش حرارت کمی تولید می کند. مقدارC3S و C3A موجود در سیمان در مقایسه با انواع دیگر سیمان ، کمتر بوده و در مقابل C2S زیادتری بکار برده شده است.

موارد مصرف سیمان تیپ 4 :

الف) در هوای گرم و در دمای بالای 40 الی 50 درجه سانتی گراد برای تسهیل مراقبت از بتن بکار می رود.

مصرف این سیمان در هوای گرم و در جایی که تبخیر بالاست باعث می شود که لااقل دمای تولید شده توسط بتن در عملیات گیرش کمتر شود، زیرا گرمای حاصل از عملیات هیدراتاسیون در طول مدت زمان بیشتری آزاد می شود. از طرفی اجزای موجود در این سیمان در مقایسه با سایر سیمان ها این سیمان را خود بخود کم حرارت تر می کند.

ب) در بتن ریزی دیوارها ( دیوار مخزن آب و یا استخر) که طول دیوار زیاد است چون بتن ریزی لایه لایه انجام می گیرد، ممکن است فاصله زمانی حدود نیم ساعت یا بیشتر طول بکشد تا لایه بتن جدید روی بتن قبلی ریخته شود، بدین ترتیب در هنگام ریختن بتن لایه جدید، بتن لایه قبلی سفت شده و اتصال خوبی بین دو لایه برقرار نمی شود. این اتصال ضعیف بین لایه بتن قدیم و جدید را اتصال سرد می گویند که ضعف بتن ریزی به شمار می رود، به خصوص اگر سازه یک سازه آبی باشد، این اتصال نقطه ضعفی برای نشت آب خواهد بود. مصرف سیمان تیپ چهار در چنین مواردی باعث می شود که فرصت کافی برای بتن ریزی باشد و لایه های قبلی هنوز وارد واکنش نشده باشند تا بتوانند با لایه های جدید اتصال مناسبی را برقرار نمایند.

ج) در بتن ریزی های حجیم به منظور کاهش تنش های حرارتی می توان از این سیمان استفاده نمود. بتن حجیم به بتنی گفته می شود که طول، عرض و ارتفاع آن زیاد باشد مانند: بتن ریزی سدها و یا پایه های پل. از اشکالات بتن ریزی حجیم ، ایجاد تنش های حرارتی است، بدین صورت که ، به دلیل حجیم بتن ، تبادل حرارتی عمق بتن با محیط بیرونی ، کندتر صورت می گیردو هنگامی که بتن سفت شود هنوز دمای قسمت های مرکزی آن با محیط خارج، همراه با ایجاد تنش های حرارتی خواهد بود. استفاده از سیمان تیپ 4 سبب می شود که

الف) دمای قسمت های میانی بتن حجیم کم تر از بتن مشابه ساخته شده با سیمان تیپ 1 باشد( چون سیمان تیپ 4 هم کم حرارات تر است و هم دمای خود را در طول زمان بیشتری آزاد می کند) و

ب) فرایند سفت شدن بتن طولانی تر بوده و در این مدت قسمت اعظم از تبادل حرارتی بتن با محیط اطراف صورت پذیرد.قابل ذکر است که برای جبران تنش حرارتی در بتن، آرماتور هایی موسوم به آرماتورهای حرارتی مورد استفاده قرار می گیرد.

5) سیمان تیپ پنج (سیمان ضد سولفات)

برای مصرف در موقعی که مقاومت زیاد سولفاتی مورد توجه باشد مشخصات، مقدار C3A را به حداکثر 5 درصد محدود می نمایند. این محدودیت وقتی به کار می رود که آزمایش انبساط سولفات لازم نباشد.

در ساخت سیمان تیپ 5 سعی می شود حتی الامکان C3S و C3A را به حداقل برسانند و در مقابل C2S بیشتری مصرف نمایند. این سیمان برای مصرف در بتن هایی که در معرض حمله سولفات ها قراردارد، مناسب است و به همین جهت به سیمان ضدسولفات شهرت دارد.

رنگ تیره در سیمان به دلیل وجود سولفات آهن و سولفات منیزیم است، هم چنین دوده ناشی از سوخت نیز باعث رنگ تیره سیمان می شود. پس برای سفید شدن سیمان باید سولفات آهن و منیزیم از سیمان حذف شود و هم چنین از سوخت مناسب و بدون دوده استفاده شود. به همین جهت برای تولید سیمان سفید، از خاک رسی که میزان سولفات آهن و منیزیم آن از 0.8 درصد کم تر است استفده می شود و برای جبران همین مقداراندک سولفات آهن و منیزیم، مقداری نشادر نیز اضافه می شود. از طرفی سوخت کوره به نحوی انتخاب می شود که تولید دوده نکند.

سیمان هایی به رنگ قرمز، زرد، آبی و... همان سیمان های عادی هستند که در ساخت آن ها از 2 الی 15 درصد پودر سنگ های رنگی استفاده شده است. معمولا در ساخت سیمان های رنگی روشن از سیمان سفید استفاده می شود( که سبب افزایش قیمت می شود) و در ساخت سیمان های رنگی تیره از سیمان معمولی استفاده می شود.

معمولا در تهیه سیمان با رنگ سبز از سنگ های کرم دار، سیمان آبی رنگ از سنگ های کبالت دار، سیمان زرد رنگ از سیمان آنه دار( به صورت هیدروکسید آهن یا هماتیت)، سیمان قرمز رنگ از اکسید آهن به صورت فریت و سیمان سیاه از اکسید آهن دوظرفیتی استفاده می شود. در سیمان های سبز رنگ از ترکیبات کروم دار وآبی رنگ از ترکیبات کبالت دار و زرد رنگ ترکیبات آهن دار استفاده می شود.

برای تهیه این سیمان، سیمان معمولی را با 25 الی 65 درصد پودر سرباره کوره ذوب آهن مخلوط نموده و به عنوان سیمان پرتلند سرباره ای به مصرف می رسانند . مقاومت سیمان سرباره ای از سیمان معمولی کم تر بوده و در مقابل ارزان قیمت تر از سیمان معمولی است.

در آجر چینی ، در بتن ریزی کف ها و اصولا در هرجا که مقاومت های بالا مورد نیاز نباشد، می توان از این سیمان استفاده نمود. ضمنا این سیمان کمی ضدسولفات و تا حدودی کندگیر است.

سیمان پوزولانی( سیمان و خاکستر آتش فشانی)

این سیمان از مخلوط نمودن 15 الی 40 درصد پوزولان با کلینکر سیمان معمولی و آسیاب نمودن این مخلوط به دست می آید، در ایران معادل پوزولان زیادی وجود دارد که می توان از آن ها در تولید این سیمان استفاده نمود. جنس پوزولان سیلیکات و شبیه سیمان است، و واکنش های مشخص سیمان را ندارد. با توجه به ارزانی این سیمان برای مصرف کارهای عادی نظیر :آجرچینی و ساخت جدول های بتنی مناسب است این سیمان کندگیر بوده و تا حدودی نیز ضد سولفات است.

سیمان آلومینیوم

بسیار زودگیر است به صورتی که نزدیک به 80 درصد مقاومت خود را در همان 24 ساعت اول به دست می اورد

( به عبارت دیگر گیرش 24 ساعت سیمان آلومینیوم معدل گرایی حدود 10 روز سیمان معمولی است).

حتی می توان بین 6 الی 8 ساعت پس از ریختن بتن حاوی این سیمان، قالب ها را از آن باز نمود و بتن ریزی بعدی را انجام داد. مقاومت این سیمان در مقابل حمله سولفات ها و نیز در عملکرد آب های حاوی که به صورت اسید کربنیک عمل می کنند بسیار رضایت بخش است این سیمان بسیار گران قیمت بوده و برای کارهای ویژه ای به کار گرفته می شود. این سیمان از 40 درصد آلومین، 40 درصد آهک و 8 درصد سیلیکا و مقداری آهن و اکسیدهای آن تشکیل شده است که معمولا از مصالح اولیه سنگ یا گچ و بوکسیت ساخته می شود. این سیمان تا 1500 درجه سانتی گراد حرارت را تحمل می کند و مقاومت آن از دیگر سیمان های پرتلند بیشتر است.

سیمان ماده ای است که با سخت شدن از حالتی خمیری، باعث به هم پیوستن قطعات جامد(سنگدانه) می شود. این تعریف، سیمان های دارای پایه پلیمرهای آلی را نیز در بر می گیرد. علاوه براستفاده از این پلیمرها به عنوان موادچسبی، کاربردهای دیگری را نیز درمقیاس های بزرگتر در برگرفته است.

مونومرهایی نظیر: متیل متاکریلات، پلیمرهایی را تشکیل می دهند که در جا سخت می شوند.

با این حال، مصرف موادی این چنین گران در مقایسه با سیمان های غیرآلی ( که سیمان پرتلند بارزترین آن ها است) بسیارمحدود است.

عملکرد سیمان غیرآلی به این صورت است که آب مخلوط شده خمیری پلاستیک تشکیل می دهد که در ابتدا صلبیت آن زیاد می شود( می گیرد) و سپس با انجام واکنش شیمیایی با آب (هیدراته شدن) به تدریج مقاومت فشاری آن افزایش پیدا می کند( سخت می شود)، سیمانی که به این ترتیب حتی پس از قرارگرفتن زیر سطح آب افزایش مقاومت می دهد، سیمان هیدرولیکی گفته می شود.

اکسیداصلی در سیستم چهارتایی که ترکیبات سازنده سیمان بر پایه آن قراردارد، CaO است. در عمل این اکسید از کربنات کلسیم طبیعی( کلسیت) به دست می آید با توجه به این که، این مواد خام آهکی اولیه احتمال دارد حاوی مقدار قابل ملاحظه ای از دیگر اکسیدهای سیستم چهارتایی به صورت ناخالصی باشد، به طور طبیعی ماده خام ثانویه ای نیز مورد نیاز است، تا این مواد را به صورت توده ای یکپارچه گردآوری کند. برای این کار از یک رس (آرژیل) با شیل استفاده می کنند.