سیمان
سیمان
ريشه لغوي
کلمه سيمان از يک لغت لاتين به نام سيمنت ( cement ) گرفته شده است و ماده اي است که داراي خاصيت چسبانندگي مواد به يکديگر است و در حقيقت ، واسطه چسباندن است.
سيمان در صنايع ساختماني
در صنايع ساختماني ، سيمان به ماده اي گفته ميشود که براي چسباندن مصالح مختلف به يکديگر از قبيل سنگ و شن ، ماسه ، آجر و غيره بکار ميرود و ترکيبات اصلي اين سيمان از مواد آهکي است. سيمانهاي آهکي معمولا از ترکيبات سيليکات و آلوميناتهاي آهک تشکيل شدهاند که هم بهصورت طبيعي يافت ميشوند و هم قابل توليد در کارخانجات سيمانسازي هستند.
تاريخچه 
اگرچه از زمانهاي بسيار گذشته اقوام و ملل مختلف به نحوي با استفاده از سيمان در ساخت بنا سود ميجستند، ولي اولين بار در سال 1824 ، سيمان پرتلند به نام "ژوزف آسپدين" که يک معمار انگليسي بود، ثبت شد. به لحاظ شباهت ظاهري و کيفيت بتنهاي توليد شده از سيمانهاي اوليه به سنگهاي ناحيه پرتلند در دورست انگليس ، سيمان به نام سيمان پرتلند معروف شد و تا به امروز براي سيمانهايي که از مخلوط نمودن و حرارت دادن مواد آهکي و رسي و مواد حاوي سيليس ، آلومينا و اکسيد آهن و توليد کلينکر و نهايتا آسياب نمودن کلينکر بدست ميآيد، استفاده ميشود.
ساختار سيمان
اساسا سيمان با آسياب نمودن مواد خام از قبيل سنگ و آهک و آلومينا و سيليسي که به صورت خاک رس و يا سنگهاي رسي وجود دارد و مخلوط نمودن آنها با نسبتهاي معين و با حرارت دادن در کورههاي دوار تا حدود 1400درجه سانتيگراد بدست ميآيد. در اين مرحله ، مواد در کوره تبديل به گلولههاي تقريبا سياه رنگي ميشوند که کلينکر ناميده ميشود.
کلينکر پس از سرد شدن ، با مقداري سنگ گچ بهمنظور تنظيم گيرش ، مخلوط و آسياب شده و پودر خاکستري رنگي حاصل ميشود که همان سيمان پرتلند است. با توجه به نوع و کيفيت مواد خام ، سيمان با دو روش عمدهتر و خشک توليد ميشود، ضمن اينکه روشهاي ديگري نيز وجود دارد. البته امروزه عمومـا از روش خشک در توليد سيمان استفاده ميشود، مگر در مواردي که مواد خام ، روش تر را ايجاب کند، زيرا در روش خشک ، انرژي کمتري براي توليد مورد نياز است.
ترکيبات شيميايي سيمان
مواد خام مورد مصرف در توليد سيمان در هنگام پخت با هم واکنش نشان داده و ترکيبات ديگري را بوجود ميآورند. معمولا چهار ترکيب عمده بهعنوان عوامل اصلي تشکيل دهنده سيمان در نظر گرفته ميشوند که عبارتند از:
سه کلسيم سيليکات (3O2=C3S)
دو کلسيم سيليکات ( 2CaOSiO2=C2S)
سه کلسيم آلومينات (3CaOAl2O3=C3A)
چهار کلسيم آلومينو فريت (4CaOAl2O3Fe2O3)
که اختصارا اکسيدهاي CaO را با C و SiO2 را با S و Al2O3 را با A و Fe2O3 را با F نشان ميدهند. سيليکاتهاي C3S و C2S مهمترين ترکيبات سيمان در ايجاد مقاومت خمير سيمان هيدراته ميباشند. در واقع سيليکاتها در سيمان ، ترکيبات کاملا خالصي نيستند، بلکه داراي اکسيدهاي جزئي بهصورت محلول جامد نيز ميباشند. اين اکسيدها اثرات قابل ملاحظه اي در نحوه قرار گرفتن اتمها، فرم بلوري و خواص هيدروليکي سيليکاتها دارند.
ترکيبات ديگري نيز در سيمان وجود دارند که از نظر وزن قابل ملاحظه نيستند، ولي تأثيرات قابل ملاحظه اي در خواص سيمان دارند که عمدتا عبارتند از: MgO،TiO2،Mn2O3،K2O،NaO2، که اکسيدهاي سديم و پتاسيم به نام اکسيدهاي قليايي شناخته شدهاند. آزمايشها نشان داده است که اين قليائيها با بعضي از سنگدانهها واکنش نشان دادهاند و حاصل اين واکنش باعث تخريب بتن شده است. البته قليائيها در مقاومت بتن نيز اثر دارند.
وجود سه کلسيم آلو مينات (C3A) در سيمان نقش عمده اي در مقاومت سيمان به جزء در سنين اوليه ندارند و در برابر حملات سولفاتها نيز که منجر به سولفوآلومينات کلسيم ميشود، مشکلاتي به بار ميآورد، اما وجود آن در مراحل توليد ، ترکيب آهک و سيليس را تسهيل ميکند. ميزان C4AF در سيمان هم در مقايسه با سه ترکيب ديگر کمتر است و تأثير زيادي در رفتار سيمان ندارند، ولي در واکنش با گچ ، سولفو فريت کلسيم را ميسازد و وجود آن به هيدراسيون سيليکاتها شتاب ميبخشد.
مقدار و اندازه واقعي اکسيدها در ترکيبات انواع سيمان ، مختلف است. البته باقي مانده نامحلول نيز که عمدتا از ناخالصيهاي سنگ گچ حاصل ميگردد، اندازه گيري ميشود، تا حدود 1,5 درصد وزن در سيمان مجاز است. افت حرارتي نيز که دامنه کربناسيون و هيدراسيون آهک آزاد و منيزيم آزاد را در مجاورت هوا نشان ميدهد، تا حدود 3 الي 4 در صد وزن سيمان اندازه گيري ميشود.
هيدراسيون سيمان
ماده مورد نظر ما ملات يا خمير سيمان است که با اختلاط آب و پودر سيمان ماده چسباننده اي ميشود. در واقع سيليکاتها و آلوميناتهاي سيمان در مجاورت آب محصولي هيدراسيوني را تشکيل ميدهند که کمکم با گذشت زمان ، جسم سختي بوجود ميآيد.
دو ترکيب عمده سيليکاتي سيمان يعني C3S و C2S عوامل عمده سخت شدن سيمان هستند و عمل هيدراسيون روي C3S سريعتر از C2S انجام ميگيرد.
حرارت هيدراسيون
همانند هر واکنش شيميايي ، هيدراسيون ترکيبات سيمان نيز حرارتزا است و به ميزان حرارتي که در هر گرم از سيمان هيدراته در اثر هيدراسيون در دماي معيني توليد ميگردد، حرارت هيدراسيون گفته ميشود و به روشهاي مختلفي قابل اندازه گيري است. درجه حرارت و دمائي که در آن عمل هيدزاسيون انجام ميشود، تأثير قابل ملاحظه اي در نرخ حرارت توليد شده است دارد.
براي سيمانهاي پرتلند معمولي ، حدود نصف کل حرارت تا سه روز و حدود 3,4 حرارت تا حدود 7 روز و تقريبا 90 در صد حرارت در 6 ماه آزاد ميشود. در واقع حرارت هيدراسيون بستگي به ترکيب شيميايي سيمان دارد و تقريبا برابر است با مجموع حرارتهاي ايجاد شده يکايک ترکيبات خالص سيمان ، اگر به صورت جداگانه هيدراته شود.
هر گرم از سيمان تقريبا 120 کالري حرارت آزاد ميکند. چون هدايت حرارتي بتن کم است، لذا حرارت ميتواند بهعنوان يک عايق حرارتي عمل نمايد. از طرف ديگر حرارت توليد شده بوسيله هيدراسيون سيمان ميتواند از يخ زدن آب در لولههاي موئين بتن تازه ريخته شده جلوگيري نمايد. بنابراين آگاهي به خواص حرارتزايي سيمان ميتواند در انتخاب نوع مناسب سيمان براي هدف مشخصي مفيد باشد.
همانطور که گفته شد، نقش اصلي در مقاومت سيمان C3S و C2S ايفا ميکنند و C3S در 4 هفته سنين اوليه و C2S پس از آن مقاومت سيمان را ايجاد ميکنند. نقش اين دو ترکيب در مقاومت سيمان پس از يک سال تقريبا مساوي ميشود.
آزمايشهاي سيمان
به لحاظ اهميت کيفيت سيمان در ساختن بتن ، معمولا توليد کنندگان ، آزمايشهاي متعدد و استاندارد شده اي را براي کنترل کيفيت سيمان انجام ميدهند و بعضا نيز مصرفکنندگان براي اطمينان خاطر ، خواص سيمان توليد شده را از کارخانجات درخواست ميکنند و گاها نيز آزمايشهايي انجام ميدهند. خواص فيزيکي سيمان عمدتا عبارتست از نرمي سيمان ، گيرش سيمان ، سلامت سيمان و مقاومت سيمان.
نرمي سيمان
از آنجا که هيدراسيون از سطح ذرات سيمان شروع ميشود، مساحت تمامي سطح سيمان موجود در هيدراسيون شرکت دارند. بنابراين نرخ هيدراسيون بستگي به ريزي سيمان دارد و مثلا براي کسب مقاومت سريعتر نيز به سيمان نرم تر يا ريزتر ميباشد. اما بايد توجه داشت که هميشه يک سيمان نرم از نظر اقتصادي و فني مقرون به صرفه نيست، زيرا هزينه آسياب کردن و اثرات بيش از حد نرم بودن سيمان بر خواص ديگر آن مانند نياز بيشتر به گچ براي تنظيم گيرش ، کارآيي بتن تازه و ساير موارد نيز بايد مد نظر باشد.
نرمي يکي از خواص عمده سيمان است که معمولا در استانداردها با سطح مخصوص تعيين ميشود (m2/kg). روشهاي متداول و متفاوتي براي تعيين نرمي سيمان در دنيا بکار گرفته ميشود. استاندارد ملي ايران به شماره 390 تعيين نرمي سيمان را مشخص ميکند.
گيرش سيمان
کلمه گيرش براي سفت شدن خمير سيمان بکار برده ميشود، يعني تغيير وضعيت از حالت مايع به جامد. گيرش بهعلت هيدراسيون C3S و C2A با افزايش دماي خمير سيمان اتفاق ميافتد. گيرش اوليه مربوط به افزايش سريع دما و گيرش نهايي مربوط به دماي نهايي است. مدت زمان گيرش سيمان با افزايش درجه حرارت کاهش مييابد، ولي آزمايش نشان داده است که در دماي حدود 30 درجه سانتيگراد ، اثر معکوس را ميتوان مشاهده نمود. در درجات حرارت پائين ، گيرش سيمان کند ميشود.
