انواع سیمان و بررسی کاربردهای آن در صنعت ساختمان

انواع سیمان

پرتلند تیپ I
پرتلند تیپ II
پرتلند تیپ III
پرتلند تیپ IV
پرتلند تیپ V
سیمان پوزولان
سیمان آمیخته
سیمان برقی (پرآلومین)
سیمان رنگی
سیمان سفید
سیمان سرباره‌ای ضد سولفات
سیمان پرتلند آهکی
سیمان بنائی
سیمان نسوز
سیمان چاه نفت
سیمان پرتلند ضدآب
سیمان گوگردی
سیمان باگیرش تنظیم شده

اجزای تشکیل دهنده سیمان

مواد اولیه سیمان از مصالح زیر تشکیل شده است که این مواد به صورت طبیعی وجود دارند.

مصالح آهکی خارجی (حدود ۶۰٪ الی ۶۷٪)
رس (حدود ۳٪ الی ۷٪)
سیلیس (۱۷٪ الی ۲۷٪)
اکسیدهای معدنی[۲]
اکسید آهن (۰/۵٪ الی ۶٪)Fe2O۳
اکسید سدیم (۰/۲٪ الی ۱/۳٪)Na2O
اکسید منیزیم (۰/۱٪ الی ۴/۵٪)MgO
اکسید پتاسیم (۰/۲٪ الی ۱/۳٪)K2O
اکسید آلومینیوم (۳٪ الی ۸٪)Al2O۳

روشهای ساخت

روش تر

در روش تر، مواد اولیه شامل سنگ آهک و خاک رس ابتدا شسته شده و به صورت دوغاب در می‌آیند. این دوغاب در آسیاب‌های گلوله‌ای کاملاً مخلوط و نرم شده و سپس وارد کوره دوار می‌شود. در این روش به دلیل وجود آب در مواد اولیه، کنترل ترکیب شیمیایی و همگن‌سازی آن‌ها آسان‌تر است، اما مصرف انرژی برای تبخیر آب در کوره بیشتر خواهد بود. روش تر معمولا در مناطقی که منابع آب کافی وجود دارد و هزینهٔ سوخت چندان بالا نیست، مورد استفاده قرار می‌گیرد.

روش نیمه تر

سیمان برقی اگر در مواد اولیه سیمان درصد اکسید آلومینیم زیاد و آهک کم شود محصول به دست آمده دارای خواصی ممتاز می‌گردد؛ از این رو، از ذوب کردن مخلوط بوکسیت و سنگ آهک در کورهٔ برقی در حرارت۱۵۰۰ تا۱۶۰۰ درجه به دست می آید که مدتی آن را به حالت ذوب نگه داشته و به مرور سرد کرده‌اند. این کار جز با نیروی برق امکان‌پذیر نیست. ملات سیمان برقی باد نمی‌کند، زیرا آهک آزاد در آن وجود ندارد، بنابراین، در مقابل آب‌های سولفات دار و زمین‌ های گچ دار مقاوم بوده برای سازه‌های دریایی نیز بسیار مناسب است. مقدار آب‌های لازم برای هیدراته شدن آن تقریباً دو برابر آبی است که برای سیمان پرتلند لازم است، چون سیمان برقی زود گیر است. این سیمان خیلی سریع مقداری گرما پس می‌دهد و در درجهٔ گرمای ملات آن نزدیک به حد جوش آمدن آب می‌رسد و به همین دلیل سرما در آن چندان تأثیری ندارد. سیمان بیشترین مصرف را در اجرای سقف تیرچه بلوک سازه های فولادی و بتنی دارد.

کاربردهای سیمان

سیمان به عنوان یکی از اصلی‌ترین مصالح ساختمانی، کاربردهای گسترده‌ای در صنعت ساخت‌وساز دارد. این ماده در تولید بتن مورد استفاده قرار می‌گیرد که پایه‌ی اصلی ساخت سازه‌هایی مانند ساختمان‌های مسکونی، تجاری، پل‌ها، جاده‌ها، تونل‌ها و سدها است. سیمان همچنین در پروژه‌های زیرساختی مانند فرودگاه‌ها، اسکله‌ها و سیستم‌های فاضلاب نقش کلیدی ایفا می‌کند. علاوه بر این در ساخت مصالح پیش‌ساخته مانند بلوک‌های سیمانی، لوله‌های بتنی و عناصر تزئینی معماری کاربرد دارد. مقاومت بالا، دوام در برابر عوامل محیطی و توانایی شکل‌پذیری در حالت خمیری، سیمان را به انتخابی ایده‌آل برای تقویت سازه‌ها و ایجاد پایه‌های مستحکم تبدیل کرده است. حتی در پروژه‌های کوچک‌تر مانند تعمیرات، ساخت پیاده‌روها و یا محوطه‌سازی نیز از سیمان به‌عنوان ماده‌ای اساسی استفاده می‌شود.

 ترکیبات سیمان

مواد خام تشکیل دهنده اساساً از اکسیدهای کلسیم و سیلیسیم و آهن تشکیل شده‌ است. این مواد در کوره با هم ترکیب شده و غیر از مقداری آهک آزاد باقی مانده، که فرصت کافی برای فعل و انفعال نداشته‌ است، ترکیبات شیمیایی جدید و پایداری نتیجه می‌شوند. در هنگام خنک کردن مصالح، براساس سرعت خنک کردن، مواد به صورت بلوری و بی‌شکل ظاهر می‌گردند. دانه‌های بی‌شکل که اکثراً شیشه‌ای هستند و دانه‌های بلوری شده، درحالی که یک فرمول شیمیایی دارند، دارای خواص متفاوتی هستند. برای سیمان معمولی، درصد ترکیبات حاصل از فعل و انفعالات فوق با داشتن درصد اکسیدهای موجود در کلینکر و با فرض اینکه کریستاله شدن کامل انجام پذیرفته باشد قابل محاسبه‌است. چهارترکیب اصلی سیمان عبارتند از:تری کلسیم سیلیکات، دی کلسیم سیلیکات، تری کلسیم آلومینات، تترا کلسیم آلومینو فریت، که به ترتیب با علائم اختصاری به صورت: C۴AF C۳A C۲S C۳S نامیده می‌شوند.

معادلات بوگ

محاسبه مربوط به میزان ترکیبات حاصل از اکسیدهای اصلی تشکیل دهنده آن توسط بوگ انجام شده و به نام معادلات بوگ معروف می‌باشد. این معادلات درصد ترکیبات اصلی سیمان را نمایش می‌دهد.

C۳S = ۴٫۰۷۱۰(CaO)-7.6024(SiO۲)-۱٫۴۲۹۷(Fe۲O۳)-۶٫۷۱۸۷(Al۲O۳

C۲S = ۸٫۶۰۲۴(SiO۲)+۱٫۰۷۸۵(Fe۲O۳)+۵٫۰۶۸۳(Al۲O۳)-۳٫۰۷۱۰(CaO

C۳A = ۲٫۶۵۰۴(Al۲O۳)-۱٫۶۹۲۰(Fe۲O۳

C۴AF = ۳٫۰۴۳۲(Fe۲O۳

ترکیبات اصلی سیمان

سیلیکات‌ها یعنی C۲S و C۳S ترکیبات اصلی و مهم سیمان می‌باشند و مقاومت سیمان هیدراته شده به آنها بستگی دارد. اکسیدهای تشکیل دهنده این سیلیکات‌ها تأثیرات مهمی روی شکل اتمی و کریستالی و خواص هیدرولیکی آنها دارند. حضور C۳A در سیمان سودمند نیست. این ترکیب نقشی در مقاومت سیمان، به جز کمی در سن اولیه آن، نداشته و بعد از سخت شدن سیمان در صورت حمله سولفاتی با تشکیل سولفوآلومینات کلسیم (اترینگایت) سبب خرابی بتن می‌گردد؛ ولی C۳A در فرایند تولید در ترکیب اکسیدکلسیم با اکسیدسیلیسیم سهولت ایجاد کرده و سودمند است. C۴AF که به میزان کمی به وجود می‌آید در مقابل سه ترکیب دیگر نقش عمده‌ای در خواص سیمان ندارد. به هرحال این ترکیب با سنگ گج سیمان، سولفوفریت کلسیم تشکیل می‌دهد که این ماده هیدراتاسیون سیلیکات‌ها را تسریع می‌کند.

سلامت سیمان

سلامت  به توانایی خمیر سخت شده برای حفظ حجم خود پس از گیرش گفته می‌شود. برای روشن شدن موضوع سلامت بهتر است به تعریف سیمان ناسالم و عواملی که بیانگر ناسالم بودن آن هستند پرداخته شود. عدم سلامت  یعنی انبساط و تغییر حجم غیرعادی آن که در اثر واکنش‌های اکسید کلسیم (آهک) آزاد، اکسید منیزیم و سولفات‌های کلسیم اتفاق می‌افتد.

اگر سیمان در مرحله تولید بیش از اندازه حرارت ببیند و در درجه حرارت بسیار بالا پخته شود سلامت آن به مخاطره می‌افتد. سیمان‌هایی که چنین انبساط‌ هایی را نشان می‌دهند سیمان ناسالم هستند.

مسئله عدم انبساط خمیر سیمان از آن جهت حائز اهمیت است که چون بتنی که در قالب ریخته می‌شود معمولاً توسط قیود تکیه گاهی محدود و مقید شده و چنانچه انبساط خمیر سیمان رخ دهد باعث ترک، خرابی و حتی منهدم شدن بتن خواهد شد.