سیمان

سیمان چیست؟ + بررسی ترکیب، کاربرد و انواع آن

سیمان

سیمان در طول تاریخ

از قدیم الایام انسان‌ها همیشه در تلاش بوده‌اند تا با به کار بردن مصالح طبیعی و غیرطبیعی، سنگ‌ها و آجرهای سازه‌هایی که می‌ساختند را بهتر به هم بچسبانند و هر بار که می‌توانستند این کار را بهتر انجام دهند، ماده‌ای جدید کشف می‌شد که خاصیت چسبانندگی بهتری داشت. چون به هر حال از زمان‌های خیلی گذشته تا به حال، انسان خطرات مختلفی را به مرور تجربه کرده است که باعث شده امروزه در ساخت سازه‌های خود از بهترین مصالح استفاده کند.

در مصر باستان مثلا از ترکیب لجن با کاه استفاده می‌کردند تا نوعی ماده چسباننده بسازند و با آن بتوانند آجرهای خشک را به هم متصل کنند. که این سبک استفاده به خاطر آب و هوای نسبتا خشک مصر بیشتر در همانجا کاربرد داشت چون از آجرهای پخته نشده رسی استفاده می‌کردند که نسبت به آب مقاومتی از خود ندارد. بابلیان و آشوریان هم گاهی از قیر طبیعی برای اتصال آجر و سنگ استفاده می‌کردند.

تاریخچه سیمان

اما ما انسان‌های عصر مدرن از سیمان‌های ارگانیک برای اتصال اجزای ساختمانی استفاده می‌کنیم. در این مقاله از پایگاه دانش آزمان قصد دارم بررسی کنم که سیمان چیست و انواع آن کدام است. بعد از خواندن این مقاله شما خواهید دانست که ملات‌های غیرهیدرولیکی و هیدرولیکی چیست، سیمان چیست، ترکیبات سیمان چیست و انواع آن کدام است، سیمان پرتلند چیست، چگونه تولید می‌شود و چه انواعی دارد.

ملات‌های غیرهیدرولیکی

سنگ گچ و سنگ آهک اولین مواد کربنات کلسیمی بودند که به عنوان سیمان در ملات‌ها به کار رفته‌اند. مصریان از ملات‌های گچی در اهرام Cheops حدود 3000 سال قبل از میلاد، استفاده کرده‌اند که از کلسینه شدن سنگ گچ غیرخالص به دست می‌آید. در آن زمان این مصالح به جای آهک به کار می‌رفت، چرا که به حرارت نسبتا کمی در حدود 130 درجه سانتی‌گراد احتیاج داشت. این ملات‌های گچی غیرهیدرولیک هستند، چون سخت شدن آن‌ها در شرایط مرطوب انجام نمی‌شود چون سنگ گچ عملا در آب انحلال پذیر نیست.

ملات‌های آهکی اما صرفا در دوره رومی‌ها به کار رفت. البته خیلی زودتر از این ملات‌ها در کرت، قبرس، یونان و خاورمیانه استفاده شده بود. چون سخت شدگی این ملات در هوا انجام می‌شود، به این نوع ملات، ملات هوایی نیز می‌گویند. بنابراین آهک‌های معمولی هیدرولیک نیستند.

ملات‌های هیدرولیکی

هم رومی‌ها و هم یونانی‌ها آهک‌های هیدرولیک را از طریق کلسینه کردن سنگ‌هایی که با ناخالصی‌های رسی (Clayey) همراه بوده است، تولید می‌کرده‌اند. آن‌ها همچنین می‌دانستند چنانچه بعضی از انباشته‌های آتشفشانی را به صورت نرم آسیاب کنند و با آهک و ماسه مخلوط کنند نه تنها ملات‌های مقاوم‌تر از ملات‌های آهکی به دست می‌آید، بلکه این ملات‌ها در برابر آب هم مقاوم هستند.

سیمان‌ پرتلند

سیمان اصطلاحا به ماده‌ای اطلاق می‌شود که با انجام واکنش شیمیایی با آب (واکنش هیدارسیون)، نقش چسباندن مصالح سنگی به یکدیگر و تولید جسم سخت بتن را ایفا می‌کند. اگرچه سیمان انواع مختلفی دارد، اما به طور کلی سیمانی که در سازه‌ها عموما مورد استفاده قرار می‌گیرند، از نوع سیمان پرتلند هستند. اما انواع دیگر سیمان را نیز در انتهای این مطلب بررسی می‌کنیم.

مواد خام سیمان پرتلند

برای تولید سیمان‌هایی باکیفیت بالا، نیاز به مصالح خام با خلوص کافی و ترکیبات یکنواختی است. سنگ آهک (کربنات کلسیم) منبع متداول اکسید کلسیم است، اگرچه شکل‌های دیگر کربنات کلسیم نظیر گچ، انباشته‌های شیل و گل‌های آهکی نیز به کار برده می‌شوند.

محل کارخانه‌های سیمان اغلب در محل دسترسی مطلوب به سنگ آهک خالص مناسب قرار می‌گیرد، زیرا باید سیلیس مورد نیاز به عنوان یکی از مواد اولیه سیمان تامین شود. آلومینوسیلیکات‌های دارای آهن، اغلب به عنوان منابع اولیه تهیه سیلیس استفاده می‌شوند. رس‌ها و یا سیلت‌ها به علت موجود بودن در حالت ریزدانه ترجیح داده می‌شوند، اما شیل‌ها و شیست‌ها و سایر توده‌های رسی نیز کاربرد دارد.

اجزایی که به صورت ترکیبات آهن و آلومین از مواد خام سیلیسی وارد ترکیبات سیمان می‌شوند در مقاومت سیمان پرتلند، تاثیر کمی دارند ولی در مسائل دوام و گیرش‌های غیرطبیعی تاثیرگذارند. بنابراین می‌توان تصور کرد که مصرف سیلیس خالص منجر به تولید سیمان مرغوب‌تری می‌شود.

ترکیبات سیمان پرتلند

در جدول زیر ترکیبات شیمیایی موجود در سیمان پرتلند آورده شده است که شامل سه کلسیم سیلیکات، دو کلسیم سیلیکات، سه کلسیم آلومینات، چهار کلسیم آلومینوفریت و سولفات کلسیم هیدراته (گچ) می‌شود. نکته‌ای که باید به آن توجه داشت این است که جمع مقادیر وزنی این ترکیبات شیمیایی صد در صد نمی‌شود و افت‌ها نشان دهنده ناخالصی‌ها است.

ترکیبات سیمان

چون سیلیکات‌های کلسیم حدود سه چهارم ترکیبات سیمان پرتلند را تشکیل داده و خاصیت اصلی سیمانی از آن‌ها است و منطقا نام این سیمان را باید سیمان سیلیکاتی گذاشت. تفاوت اصلی سیمان‌های طبیعی با ترکیبات مشابه که در قرن 19 تولید شده‌اند با سیمان‌های پرتلند، وجود سه کلسیم سیلیکات است که نیاز به رسیدن دما در کوره تا 1400 درجه سانتیگراد را دارد.

انواع سیمان پرتلند

استاندارد ASTM 5 نوع سیمان پرتلند معرفی می‌کند:

  1. سیمان پرتلند نوع I: یک سیمان معمولی است که برای مصارف عمومی ساختمانی مناسب است.
  2. سیمان پرتلند نوع II: یک سیمان اصلاح شده با خصوصیات متوسط است که نسبت به سیمان نوع I حرارت کمتری آزاد کرده و برای مصرف در محیط هایی که حمله ضعیفی از سولفات وجود خواهد داشت، مناسب است.
  3. سیمان پرتلند نوع III: یک سیمان زودگیر است؛ به صورتی که در 24 ساعت اول، بتنی با مقاومت حدود 2 برابر مقاومت بتن ساخته شده با سیمان نوع I تولید می‌کند. این سیمان همچنین یک سیمان پرحرارت محسوب می‌شود. مصرف سیمان نوع III برای ساخت بتن در هوای سرد به جهت آزاد کردن گرمای بیشتر و نیز کم کردن دوره مراقبت، مناسب است. همچنین در تعمیرات فوری و نیز مواردی که در نظر باشد قالب‌ها سریع‌تر باز شوند، استفاده از سیمان نوع III توصیه می‌شود.
  4. سیمان پرتلند نوع IV: یک سیمان کندگیر و کم حرارت محسوب می‌شود. این سیمان معمولا در هوای گرم به دلیل تولید حرارت کمتر و تسهیل در امر مراقبت از بتن، به کار می‌رود. همچنین می‌توان از این سیمان برای جلوگیری از اتصالات سرد در بتن ریزی‌های پیوسته استفاده کرد. از طرفی کاربرد سیمان نوع IV در بتن ریزی‌های حجیم، باعث کاهش تنش‌های حرارتی خواهد شد.
  5. سیمان پرتلند نوع V: یک سیمان ضد سولفات و یا مقاوم در مقابل حمله سولفات‌ها محسوب می‌شود. این سیمان همچنین تا حدودی خصوصیات دیرگیری داشته و نسبت به سیمان نوع I حرارت کمتری تولید می‌کند.

سیمان پرتلند پوزولانی

یکی از انواع سیمان های پرتلند، سیمان پرتلند پوزولانی است که مقررات ملی ساختمان مبحث شماره 9 آن را چسباننده‌ای آبی معرفی می‌کند که مخلوط کامل، یکنواخت و همگنی از سیمان پرتلند و پوزولان و سنگ گچ آسیاب شده است. این نوع سیمان پرتلند آمیخته‌ای با پوزولان طبیعی، به دو گروه سیمان پرتلند پوزولانی معمولی و سیمان پرتلند پوزولانی ویژه تقسیم می‌شود.

سیمان پرتلند پوزولانی معمولی

دارای پوزولان به میزان حداقل 5 و حداکثر 15 درصد وزنی است. این سیمان با نماد (پ پ) نشان داده می‌شود و برای مصارف عمومی در ساخت ملات یا بتن به کار می‌رود.

سیمان پرتلند پوزولانی ویژه

دارای پوزولان به میزان بیش از 15 تا 40 درصد وزنی است. این سیمان با نماد (پ پ و) نشان داده می‌شود و برای ساخت بتن‌های حجیم و نیز در مواردی که بتن تحت تهاجم شیمیایی قرار می‌گیرد به کار می‌رود. این نوع سیمان، گرمای آبگیری کمی دارد، در برابر املاح شیمیایی مقاوم است و مقاومت فشاری آن در روزهای اولیه تا سه روز کم است.

اگر مقاومت زیاد در روزهای اولیه مورد نظر نباشد می‌توان از سیمان‌های پوزولانی در اجرای سازه‌هایی نظیر شالوده‌های حجیم سدها، پایه‌‎های پل‌ها و … استفاده کرد.

انواع سیمان

البته انواع سیمان پرتلند دیگری هم وجود دارد که از جمله آن‌ها می‌توان به سیمان‌های حباب‌زا با انواع I-A، II-A و III-A اشاره کرد. همچنین سیمان سفید، سیمان‌های رنگی، سیمان سرباره‌ای، سیمان پوزولانی، سیمان بنایی، سیمان چاه نفت، سیمان انبساطی و سیمان آلومینیوم، از انواع دیگر سیمان محسوب می‌شوند.

وزن مخصوص سیمان

یکی از دلایلی که ما وزن مخصوص (Specific Gravity) را محاسبه می‌کنیم این است که رفتار آن ماده را در آب بررسی کنیم و ببینیم که آیا آن ماده در آب غرق می‌شود یا بر روی آن شناور می‌ماند. تمامی مواد در طبیعت دارای وزن مخصوص هستند که بین 1 تا 100 است. اگر بیشتر از 1 باشد در آب فرو می‌روند و اگر کمتر از 1 باشد بر روی آب شناور می‌مانند.

اساسا وزن مخصوص سیمان مشخص می‌کند که سیمان چقدر از آب سنگین‌تر است. وزن مخصوص سیمان معمولا بین 3.1 تا 3.16 گرم بر سی سی متغیر است. این عدد به این معناست که سیمان 3.1 الی 3.16 برابر سنگینتر از آب است و در آب غرق می‌شود.

وزن مخصوص سیمان پرتلند معمولا حدود 3.15 است که این مقدار برای سیمان های پرتلند پوزولانی حدود 2.9 است.

انواع سیمان و کاربرد آن‌ها

انواع سیمان و کاربرد آن‌ها

در این مقاله سعی کردم بررسی کنم که سیمان چیست و انواع آن کدام است. البته که سیمان انواع دیگری نیز دارد که به خاطر کاربرد کمتری که دارند، در این مطلب به آنها اشاره نشده است.

 

منابع:

بتن سیدنی میندس ترجمه دکتر محمد شکرچی زاده

تکنولوژی بتن و آزمایشگاه تالیف فرهاد ایراندوست

سازه های بتن آرمه جلد اول تالیف دکتر داود مستوفی نژاد

بازگشت به لیست

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.

2 × 4 =