تولید سیمان پرتلند

فهرست مطالب
عنوان صفحه
مقدمه 2
تاریخچه 2
تولید سیمان پرتلند 4
ترکیبات شیمیایی سیمان پرتلند 10
هیدراتاسیون سیمان و گرمای هیدراتاسیون 16
گیرش سیمان 17
نرمی سیمان 18
انواع سیمان 18
وزن سیمان 24
انبار کردن سیمان 25
موجودی سیمان در بازار 26

مقدمه
سیمان را میتوان درمعنی کلی کلمه ماده ای که دارای خواص چسبندگی وچسبانندگی می باشد وقادراست ذرات معدنی را بنحوی بهم بچسباند تا بصورت جسم یکپارچه ومتراکم درآیند ، توصیف نمود . البته این تعریف انواع متعددی ازمواد سیمانی رادربر میگرد . درصنعت ساختمان معنی کلنه سیمان به ماده ایکه برای بهم چسباندن سنگها ، ماسه ، آجرها، بلوکهای ساختمانی وغیره بکار میرود محدود می شود . اجزاء اصلی این نوع سیمان را ترکیبات آهکی تشکیل می دهند ولذا درمهندسی راه وساختمان سیمانهای آهکی مورد نظر می باشند . سیمانهای مورد توجه درساخت بتن دارای خاصیت گیرش وسخت شدن درزیر آب ( دراثرواکنش شیمیائی با آن ) بوده ولذا به اسم سیمانهای هیدرولیکی معروفند .
سیمانهای هیدرولیکی عمد تاً ازسیلیکا تها وآلومینها تهای آهک تشکیل شده اند وبصورت کلی میتوان آنها را به گروههای سیمانهای طبیعی ، سیمانهای پرتلند وسیمانهای برقی طبقه بندی نمود .
تاریخچه
استفاده ازمواد شیمیائی اززمان بسیار قدیم متداول بوده است . مصریان قدیم گچ تکلیس شده ناخالص رابکارمی بردند . یونانیان ورومیها سنگ آهک تکلیس شده را مصرف میکردند وبعداً آموختند که به مخلوط آهک وآب ، ماسه وسنگ خرد شده یا آجر وسفالهای شکسته نیز اضافه کنند . این اولین نوع بتن درتاریخ بود . ملات آهک درزیر آب سخت نمی شود و رومیها برای ساختمان زیر آب، سنگ آهک و خاکستر آتشنشانی یا پودر بسیار نرم سفالهای سوخته شده را تواماً آسیا می نمودند و بکار می بردند. سیلیس و آلومینای فعال موجود در خاکستر و سفال با آهک ترکیب شده و آنچه را که بعداً با سم سیمان پوزالانی شناخته شد تولید نمود. اسم سیمان پوزالانی را تا اموز برای توصیف سیمانهائی که بآسانی از آسیاب نمودن مواد طبیعی در درجه حرارت معمولی بدست میآیند بکار برده اند.
در قرون وسطی انحطاطی در کیفیت و کاربرد سیمان بوجود آمد و فقط در قرن هییجدهم بود که پیشرفتی در دانش مربوط به سیمانها حاصل شد. در سال 1756 که John Smeaton مامور بازسازی برج چراغ دریائی Eddystone در نزدیکی ساحل جنوب غربی انگلیس شده بود به این نتیجه رسید که بهترین ملات وقتی بدست می آید که مواد پوزالانی با سنگ آهک حاوی نسبت زیادی از مواد رسی مخلوط شود.
سیمانهای هیدرولیکی دیگر مانند "سیمان رومی" که James parker از کلسینه نمودن گلوله های سنگ آهک رسی آن را بدست آورد توسعه یافته و بالاخره در سال 1824، Joseph Aspdin که معماری در شهر Leeds بود سیمان پرتلند را به ثبت رساند. این سیمان را از حرارت دادن محلوطی از پودر نرم خاک رس و سنگ آهک سخت در یک کوره تا نقطه ای که CO2 آن بخارج رانده شود بدست آوردند، درجه حرارت کوره خیلی پائین تر از حد لازم برای تولید کلینگر بود نخستین نمونه از سیمانی که امروزه آن را باسم سیمان پرتلند می شناسیم در سال 1845 بوسیله Isaac Johnson با حرارت دادن مخلوط خاک رس و سنگ آهک سست تا حد کلینکر شدن و صورت پذیرفتن واکنشهای لازم برای تشکیل ترکیبات چسباننده پرقدرت تهیه گردید.
اسم سیمان پرتلند که در ابتدا بعلت تشابه رنگ و کیفیت سیمان گیرش حاصل کرده با سنگ پرتلند – سنگ آهکی که در Dorset استخراج می شود – به آن داده شد و تا امروز برای توصیف سیمانی که از کاملاً مخلوط نمودن و حرارت دادن مواد آهکی و رسی، و یا سایر مواد حاوی سیلیس – آلومینا و اکسید آهن، تا درجه حرارت کلینکر شدن و آسیا نمودن کلینکر ماصل شده، باقی مانده است. این تعریف فعلی آئین نامه بریتانیائی 1978 : 12 . BS برای رسیدن پرتلند می باشد که همچنین تصریح نموده است پس ا زپختن ماده دیگری بجز سنگ گچ و آب نباید به کلینکر افزوده شود.
تولید سیمان پرتلند
این سیمان اصولاً از مواد آهکی مانند سنگ آهک و یا سنگ آهک سست و آلومینا و سیلیسی که به صورت خاک رس و یا سنگ رسی وجود دارد ساخته می شود. سنگ آهک در بسیاری از مناطق جنوب غربی و قسمت وسط و شمال انگلستان و Wales یافت می شود و منابع رسی در سراسر این کشور وجود دارند.
اصولاً روش تولید سیمان تشکیل شده است از آسیاب نمودن مواد خام، مخلوط نمودن کامل آنها در نسبتهای معین و حرارت دادن در یک کوره بزرگ گردنده در درجه حرارت حدود 1300 تا c 1400 که در این زمان مواد به مرز ذوب شدن میرسند و بخشی از آنها ذوب میشوند و سبب ایجاد گلوله هائی بنام کلینکر میگردند. کلینکر را سرد نموده و قدری سنگ گچ بآن میافزایند و سپس آنرا بصورت پودر نرم آسیاب می کنند. محصول بدست آمده سیمان پرتلند تجارتی است که بمیزان بسیار وسیع در سراسر جهان مصرف میشود.
مخلوط نمودن و آسیاب نمودن مواد خام را میتوان یا در آب و یا در حالت خشک انجام داد و لذا اسامی روشهای تر و خشک بوجود آمده اند. روشهای واقعی تولید همچنین به ماهیت مواد خام مصرف شده بستگی خواهد داشت.
روش تر : وقتی که از سنگ آهک سست استفاده می گردد ابتدا آنرا خرد میکنند و سپس بوسیله آسیاب شوینده در آب پخش می شود . خاک رس نیز ابتدا خرد شده و معمولاً در یک آسیاب مشابه با آب مخلوط میگردد. سپس دو مخلوط بنحوی پمپ میشوند که در نسبتهای قبلاً تعیین شده با یکدیگر مخلوط گردند و از میان یک سری صفحه مشبک عبور نمایند. دوغاب سیمان حاصل بداخل مخازنی ریخته می شود.
وقتی که از سنگ آهک استفاده می شود ابتدا کوره را منفجر می کنند و قطعات سنگی را در سنگ شکن ها خرد میکنند تا اندازه آنها تدریجاً کوچکتر شود. سپس مواد خرد شده را با خاک رسی که در آب حل شده است بداخل آسیابهای گلوله ای میریزند در اینجا سنگ آهک به نرمی آرد در میآید و دوغاب سیمان حاصل بداخل مخازن نگهداری پمپ می شود. از این مرحله به بعد بدون توجه به ماهیت اصلی مواد خام روشها یکسان خواهند بود.
دوغاب مایعی است به غلظتی مشابه خامه که مقدار آب آن بین 35 تا 50 است و فقط بخش کوچکی از مواد آن – حدود 2 درصد – بزرگتر از 90 میکرون ( اندازه الک نمره 170 ASTM) می باشند. معمولاً تعدادی از مخازن برای نگهداری دوغاب وجود دارند و بوسیله هم زنهای مکانیکی و یا دمیدن با هوای فشرده از ته نشین شدن مواد جامد معلق در دوغاب جلوگیری بعمل میآید. همانطور که قبلاً ذکر شد مقدار آهک موجود در دوغاب تابعی از نوع مواد آهکی و رسی اولیه میباشد. تنظیم نهائی جهت حصول ترکیب شیمیائی لازم را از مخلوط نمودن دوغابهای مخازن مختلف و گاهی با استفاده از سیستم پیچیده مخازن مخل.ط کننده بدست می آورند. در بعضی مواقع، برای مثال در کارخانه ای که در شمالی ترین نقطه دنیا در نروژ واقع گردیده است، مواد خام از سنگی با چنین ترکیباتی ساخته می شود که بتنهای خرد شده و بدون نیاز به مخلوط نمودن با مواد دیگر مورد مصرف قرار می گیرد.
بالاخره دوغاب حاوی مقدار آهک لازم بداخل کوره گردند ریخته می شود. دوغاب از انتهای فوقانی کوره وارد میگردد و گرد ذغال بوسیله هوای فشرده از انتهای تحتانی بداخل کوره پاشیده می شود. زیرا بین 190 تا 350 کیلوگرم زغال برای تولید یک تن سیمان مصرف می شود. و لذا در برررسی قیمت سیمان بخاطر داشتن این نکته حائز اهمیت است اغلب از مواد نفتی (در حدود 150 لیتر برای هر تن سیمان) و یا گاز طبیعی بجای ذغال سنگ استفاده می شود ولیکن اخیراً بعضی از کارخانه های با سوخت مواد نفتی به سوخت ذغال سنگ تبدیل شده اند.
دوغاب در حرکت خود به طرف پائین کوره تدریجاً با درجه حرارتهای بالاتری روبرو شده یک سری واکنش شیمیائی انجام می شود تا بالاخره در گرمترین قسمت کوره حدود 20 تا 30 درصد از مواد ذوب میشوند و آهک و سیلیس و آلومینا مجدداً با یکدیگر ترکیب می گردند. در این مرحله مواد بیکدیگر می چسبند و بصورت گلوله هائی با قطرهای 3 تا 25 میلیمتر که به آنها کلینکر می گویند در میآیند. کلینکر بداخل دستگاههای خنک کننده، که انواع مختلفی دارد و وسیله ای جهت تبادل حرارت بین کلینکر و هوائی که متعاقباً صرف احتراق پودر زغال می شود است، میریزد. بزرگترین کوره موجود در کارخانه ای که با روش تر کار می کند روزانه 3600 تن کلینکر تولید می نماید.
کلینکر سرد شده که دارای مشخصات سیاه رنگ، قدری براق و سخت می باشد با سنگ گچ تواماً آسیاب می شود تا از گیرش آنی سیمان جلوگیری بعمل آید.
پس از اینکه سیمان تا حد رضایتبخشی آسیاب شد، یعنی وقتیکه در هر کیلو گرم آن تا حد 1012 1.2 ذره وجود دارد، برای بسته بندی در کیسه های کاغذی با قیافه آشنا * یا در بشکه و یا برای حمل مخازن بروش فله ای آماده خواهد بود.
در روشهای خشک و نیمه خشک مواد خام را خرد میکنند و در نسبتهای صحیح بداخل یک آسیاب سایشی که در آن مواد خشک شده و بصورت پودر بسیار نرم در میآیند میریزند و سپس پودر خشک که خوراک خام نامیده می شود بداخل سیلوی مخلوط کننده پمپ میگردد. در اینجا تنظیم نهائی در نسبتهای مواد لازم برای تولید سیمان بعمل میآید. برای بدست آوردن مخلوطی یکنواخت، معمولاً خوراک خام بوسیله هوای فشرده ایکه حرکتی بطرف بالا به پودر میدهد و وزن مخصوص ظاهری آنرا کم میکند کاملاً بهم زده میشود . در هر زمان هوا به یک چهارم سیلو دمیده می شود و این عمل سبب میگردد که مواد نسبتاً سنگین تر از یک چهارم هوا در آنها دمیده شده تقریباً شبیه مایعات عمل مینمایند و از طریق دمیدن هوا بترتیب در هر ربع سیلو برای کل مدت حدود یکساعت، مخلوطی یکنواخت بدست خواهد آمد. در بعضی از کارخانجات سیمان از روش مخلوط نمودن مداوم استفاده میکنند.
در روش نیمه خشک خوراک مخلوط شده الک میشود و بداخل سینی های گردنده ای به اسم گلوله ساز می ریزد و همزمان در حدود 12 درصد وزنی خوراک آب به آن اضافه میشود. زیرا اگر مستقیماً پودر بداخل کوره ریخته شود اجازه نخواهد داد جریان هوا در کوره برقرار شود و تبادل حرارت لازم برای واکنشهای شیمیائی ایجاد کلینکر سیمان صورت پذیرد.
گلوله ها بوسیله گازهای دائمی که از کوره خارج میشوند در دستگاههای پیش گرم کن مشبک حرارت می بینند و سخت می شوند. سپس گلوله ها وارد کوره شده و مراحل بعدی بهمان صورت روش تولید تر خواهد بود. ولیکن از آنجا که میزان رطوبت گلوله ها فقط 12 درصد است لذا طول کوره روش نیمه خشک بمیزان قابل ملاحظه ای کوتاه تر از طول کوره روش تر میباشد. همچنین در روش نیمه خشک مقدار حرارت مورد نیاز نیز خیلی کمتر است زیرا فقط حدود 12 درصد از رطوبت موجود در گلوله ها باید بخارج رانده شود، ولی قبلاً نیز حرارت اضافی صرف از بین بردن مقدار رطوبت اولیه مواد خام (معمولاً 6 تا 10 درصد) شده است. بنابراین بشرط اینکه مواد خام اولیه نسبتاً خشک باشند این روش کاملاً اقتصادی خواهد بود. در چنین حالتی کل مقدار زغال مصرف شده برای تولید هر تن سیمان به کمی 100 کیلوگرم خواهد رسید. در روش خشک مواد خام تغذیه کوره که دارای حدود 0.2 درصد رطوبت می باشند از داخل یک پیش گرم کن (معمولاً از نوع معلق9 عبور داده میشوند. در اینچا مواد خام قبل از رفتن بداخل کوره به دمای 800 درجه سانتیگراد رسانده میشوند. از آنجا که مواد خام تغذیه رطوبتی ندارد که بیرون رانده شود و بدلیل اینکه پیش گرم شده سات اندازه کوره میتواند خیلی کوچکتر از کوره روش تر باشد. قسمت عمده مواد خام تغذیه را می توان از میان یک کلسینه کننده سیمان ( با بکار بردن یک منبع حرارتی جداگانه) که بین پیش گرم کن و کوره قرار گرفته است عبور داد. این عمل باعث دی کربوناته شدن (تجزیه CaCo3) مواد خام تغذیه قبل از ورود به کوره میگردد و بمیزان زیادی بازدهی کوره را افزایش می دهد.
امروزه بجز در مواردیکه مواد خام بنحوی است که بکار گرفتن روش تر را ایجاب می نماید اغلب بمنظور کاهش انرژی لازم برای پخت سیمان از روش خشک استفاده میشود.
روشهای دیگری نیز برای تولید سیمان وجود دارند که از میان آنها شاید روشی که از گچ بجای آهک استفاده میشود قابل ذکر می باشد. گچ، خاک رس و ذغال کک با ماسه و اکسید آهن در یک کوره گردنده پخته می شوند، محصول نهائی سیمان پرتلند و دی اکسید گوگرد می باشد که بعداً به اسیدسولفوریک تبدیل می شود. در جاهائیکه فقط بمقدار کمی از سیمان مورد نیاز باشد میتوان از یک کوره قائم از نوع Gottlieb استفاده نمود . در این کوره گلوله هائی از مخلوط مواد خام و پودر نرم زغال پخته می شوند و تولید انبوه کلینکر را می نمایند که سپس خرد می شود. یک کوره بارتفاع 8.5 متر 150 تن سیمان در روز تولید می نماید.
ترکیبات شیمیایی سیمان پرتلند
مواد خام مصرف شده در تولید سیمان پرتلند عمدتاً از سنگ آهک، سیلیس، آلومینا و اکسید آهن تشکیل شده است. در داخل کوره این ترکیبات با یکدیگر واکنش حاصل نموده و تشکیل یک سری ترکیبات پیچیده تری میدهند و باستثنای باقیمانده کمی از آهک ترکیب نشده که زمان کافی برای واکنش نداشته است مواد به حالت تعادل شیمیائی میرسند. ولیکن در جریان سرد شدن تعادل حفظ نمی شود و روند سرد شدن بر درجه تبلور و مقدار مواد بی شکل (آمورف) موجود در کلینکر سرد شده تاثیر خواهد داشت. خواص این مواد آمورف که شیشه نامیده میشوند بمیزان قابل ملاحظه ای با خواص مواد متبلور که اسماً ترکیبات شیمیائی مشابهی دارند، متفاوت است. پیچیدگی دیگر در اثر واکنش بخش مایع کلینک با ترکیبات متبلوری که قبلاً بوجود آمده است ایجاد می شود.
معمولاً چهار ترکیب را بعنوان مواد عمده تشکیل دهنده سیمان در نظر میگرند. این علائم اختصاری که در شیمی سیمان بکار برده میشوند نشان دهنده هر اکسید بوسیله یک حرف میباشند یعنی Cao=C ، Sio= S ، Al2 o 3 ، Fe2o3=F ، بهمین صورت H2O در سیمان هیدراته شده را بصورت H نشان میدهند.

نام ترکیب
ترکیب اسیدی
علامت اختصاری
سه کلیسیم سیلیکات
2Sio . CaO3
S 3 C
دو کلسیم سیلیکات
2Sio . CaO3
S 2 C
سه کلسیم آلومینیات
2O2AL . CaO3
A 3 C
تتراکلسیم آلومینات فریت
3O2Fe . 2O2AL . CaO3
AF 3 C

در واقع سیلکلتهای موجود در سیمان ترکیبات خالص نبوده بلکه حاوی اکسیدهای جزئی بصورت محلول جامد میباشند. این اکسیدها اثرات چشمگیری بر ترتیب قرار گرفتن اتمها، شکل کریستالها و خواص هیدرولیکی سیلیکاتها دارند.
محاسبه استعداد ترکیبات سیمان پرتلند بر اساس کار R . H . Bogue و دیگران قرار قرار دارد و اغلب بعنوان ترکیبات Bogue نامیده میشوند. معادلات 2-1 Bogue جهت تعیین درصد ترکیبات عمده در سیمان بصورت زیر میباشند. علائم داخل پرانتزها معرف درصد اکسید معین در کل وزن میباشند.
C3S = 4.07 (CaO) – 7.60 ( SiO2) – 6.72 (Al2O3) – 1.43 ( Fe2O3) – 2.85 ( SO3)
C2S = 2.87 (SiO2) – 0.754 (3 CaO . SiO2)
C3A = 2.65 (Al2O3) – 1.69 ( Fe3o2)
C4AF = 3.04 ( Fe2o3)
علاوه بر ترکیبات اصلی داده شده ترکیبات جزئی دیگری مانند Mgo ، Tio2 ، Mn2O3 ، K2o ، و Na2O نیز وجود دارند که معمولاً جالب توجه اند : اکسیدهای سدیم و پتاسیم، Na2o نیز وجود دارند که معمولاً میشوند. نتایج آزمایشها نشان داده اند که سبب از هم پاشیدن بتن میگردد و هم چنین مشاهده شده است که قلیائی ها بر روند کسب مقدار آنها و نه الزاماً به اهمیت آنها ربط دارد. مقادیر قلیائی ها و Mn2o3 را میتوان با استفاده از اسپکتومتر بسرعت تعیین نمود.
C3S که معمولاً بیشترین مقدار از سیمان را تشکیل میدهد بصورت دانه های بی رنگ هم اندازه وجود دارد. در هنگام سرد شدن در زیر 1250 درجه سانتیگراد C3S بآرامی تجزیه میشود ولی اگر سرد شدن خیلی بطئی نباشد بی تغییر باقی می ماند و در درجات حرارت معمولی با ثبات است.
C2S به سه شکل و احتمالاً حتی چهار شکل شناخته شده است. - C2S که در درجه حرارتهای بالا وجود دارد در 1450 درجه سانتیگراد به  تبدیل میشود . C2S –  دگرگونی بیشتری حاصل نموده در درجه حرارت 675 درجه سانتیگراد به - C2S تبدیل کی شود ولی در روندهای سرد شدن موجود در سیمانهای تجاری - C2S در کلینکر حفظ می شود. - C2S تشکیل دانه های گردی را میدهد که معمولاً بصورت دوقلو می باشند.
C3A بلورهای چهار گوشه ای را تشکیل میدهد ولی C3A بصورت شیشه منجمد تشکیل فاز بی شکل بینا بینی را میدهد.
C3AF در واقع محلول جامدی است که در حدود C2F تا C6A2F میباشد ولی توصیف C4AF یک ساده سازی مناسبی است.
ایده های کلی از ترکیبات سیمان را می توان از جدول 2-1 که در آن حدود ترکیبات اکسیدی سیمان پرتلند آمده است، بدست آورد. در جدول 3 – 1 ترکیبات اسیدی نمونه ای از سیمان و ترکیبات مرکب محاسبه شده، با بکار بردن معادلات Bogue از صفحه 11 داده شده اند.

اکسید
مقدار بر حسب درصد
CaO
60 تا 67
2SiO
17 تا 25
3O2Al
3 تا 8
3O2Fe
0.5 تا 6.0
MgO
1/0 تا 0/4
Aklais
2/0 تا 3/1
3SO
1 تا 3

جدول3 – 1 اکسیدهای ساده و ترکیبات مرکب نمونه ای از سیمان پرتلند
اکسید
مقدار بر حسب درصد
Cao
63
A3C
10.8
2Sio
20
S3C
54.1
3o2 AL
6
S2C
16.6
3O2Fe
3
AF3C
9.1
Mgo
1.2
ترکیبات جزئی

2So
2

O2K
1

O2Na
1

متفرقه
2

افت حرارتی
1.2

باقیمانده نامحلول

"باقیمانده نامحلول" که با حل نمودن سیمان در اسید کلریدریک بدست میآید سنجشی از آلوده شدن سیمان (که عمدتاً در اثر ناخالصیهای موجود در سنگ گچ است) خواهد بود. آئین نامه 1978 : 12 BS مقدار "باقیمانده نامحلول" را به 1.5 درصد وزن سیمان محدود نموده است.
افت حرارتی نشانگر میزان کربوتاته و هیدراته شدن آهک آزاد و منیزیم آزاد در اثر مجاورت سیمان با هوا میباشد. حداکثر مقدار افت حرارتی (در 1000 درجه سانتیگراد) مجاز طبق آئین نامه 1978 : 12 BS به سه درصد وزن سیمان در مناطق معتدله و چهار درصد وزن آن در مناطق حاره محدود شده است. از آنجا که آهک آزاد هیدراته شده بی ضرر است ، لذا برای مقدار معینی از آهک آزاد در سیمان، یک افت حرارتی زیادتر در واقع دارای مزیت خواهد بود.

چگونگی تشکیل و هیدراسیون سیمان
عناصر تشکیل دهنده

اکسیدهای تشکیل دهنده

ترکیبات مرکب سیمان

سیمانهای پرتلند

محصولات هیدراسیون

هیدراتاسیون سیمان و گرمای هیدراتاسیون
در هنگام ساخت بتن یا ملات، پس از اینکه به سیمان اضافه می گردد، فعل و انفعالات شیمیائی سیمان ماده چسبنده ای به نام ژل ایجاد میشود که بتدریج افزایش حجم حاصل نموده و سخت می شود به طوری که پس از چند ساعت مقاومت قابل ملاحظه ای ایجاد می شود و افزایش مقاومت با مرور زمان ادامه می یابد. از نظر شیمیائی برای هیدراتاسیون کامل سیمان مقدار معینی آب لازم می باشد. لیکن برای روان تر شدن بتن و افزایش کارآئی آن، مقدار بیشتری آب مورد استفاده قرار می گیرد. باید توجه داشت که آب مازاد بر نیاز هیدارتاسیون به صورت ترکیب نشده در بتن باقی می ماند که پس از سخت شدن آن بتدریج خارج شده و سبب ایجاد حفراتی می گردد که مقاومت بتن را کاهش می دهند. عمل هیدراتاسیون با تولید مقداری حرارت نیز همراه است که به آن حرارت هیدراتاسیون می گویند. این حرارت در بتن ریزی ها حجیم مثل کارهای سد سازی باعث افزایش درجه حرارت و در نتیجه افزایش حجم بتن می گردد و می تواند پس از سرد شدن بتن سبب ایجاد ترک در آن گردد. از سوی دیگر افزایش دمای بتن که در اثر حرارت هیدراتاسیون ایجاد می شود، معمولاً در هوای سرد سودمند است زیرا این گرما به حفظ دمای بتن کمک می کند و از یخ زدگی جلوگیری می نماید.
گیرش سیمان
گیرش واژه ایست که برای بیان سفت شدن خمیر سیمان به کار می رود. به عبارت دیگر به طور کلی به تغییر وضعیت خمیر سیمان از حالت خمیری به حالت جامد، گیرش گفته می شود. اگر چه به هنگام گیرش، خمیر سیمان کمی مقاومت نیز کسب می کند لیکن برای مقاصد عملی بهتر است که گیرش از سخت شدن که به معنی کسب مقاومت در خمیر سیمان گیرش یافته می باشد، باز شناخته شود. معمولاً زمان گیرش به دو مرحله گیرش اولیه و گیرش نهائی تقسیم می شود.
نرمی ذرات سیمان
آخرین مرحله تولید سیمان آسیاب کردن کلینکر مخلوط شده با سنگ گچ است . از آنجا که هیدراتاسیون از سطح ذرات سیمان شروع می شود، لذا کل مساحت سطح خارجی ذرات سیمان عامل موثری بر واکشنهای هیدراتاسیون می باشد. با افزایش نرمی سیمان سرعت انجام واکنشهای هیدراتاسیون و در نتیجه سرعت افزایش مقاومت سیمان بیشتر خواهد شد. از سوی دیگر هزینه آسیاب نمودن کلینکر تا رسیدن به نرمی زیاد، قابل ملاحظه است.
انواع سیمان پرتلند
سیمان هایی که با ترکیبات شیمیائی مختلف ساخته می شوند، دارای خواص متفاوتی خواهند بود. بنابراین با نحوه انتخاب مواد خام اولیه، نوع خاصی از سیمان با خواص ویژه تولید می شود. امروزه چندین نوع سیمان پرتلند برای کاربردهای خاص در جهان ساخته می شود. البته خواص فیزیکی و مکانیکی بتن سخت شده مثل مقاومت و نفوذپذیری، علاوه بر نوع سیمان و ترکیبات آن به عوامل دیگری مثل مقاومت و نفوذپذیری ، علاوه بر نوع سیمان و غیره نیز بستگی دارد. ولیکن سیمان نقش عمده ای را در ایجاد مقاومت ایفا می کند.

سیمان پرتلند معمولی (نوع 1)
این نوع سیمان معمولی ترین سیمانی است که در همه موارد، به غیر از مواردی که خواص ویژه ای در بتن مانند مقاومت در برابر سولفات ها، مقاومت زودرس، حرارت زایی کم و غیره مورد نظر باشد، به کار می رود. طی سالهای گذشته تغییراتی در خصوصیات سیمان پرتلند معمولی ایجاد شده است و خواص سیمانهای جدید بهبود یافته و بطور کلی این سیمانها دارای نرمی بیشتری می باشند. در اغلب سازه های بتنی مانند ساختمانهای بتن آرمه، پلها، جاده ها و پیاده روها ، مخازن آب، آبروها و لوله های آب که شرایط محیطی خواص ویژه ای را برای بتن نمی طلبد، از این نوع سیمان استفاده می شود.
سیمان پرتلند اصلاح شده (نوع 2)
سیمان پرتلند نوع 2 جهت مصرف در کارهای عمومی ساختمان های بتنی که در معرض اثرات ملایم حمله سولفاتها قرار می گیرد با حرارت هیدراتاسیون کم مورد نیاز باشد به کار می رود. به عنوان مثال در سازه های مجاور آبهای زیرزمینی که غلظت سولفات در آنها بیشتر از آبهای معمولی است ولی خیلی شدید نیست؛ از سیمان پرتلند نوع 2 استفاده می شود. سیمان نوع 2 معمولاً گرمای کمتری را با سرعت کمتری نسبت به سیمان نوع 1 آزاد می سازد. با چنین گرمای هیدراتاسیون متوسط، سیمان نوع 2 در سازه های نسبتاً حجیم مانند پایه پلهای بزرگ و دیوارهای حائل سنگین به کار می رود. از مزایای این نوع سیمان جلوگیری از افزایش دما بتن در بتن ریزی در هوای گرم می باشد.
سیمان پرتلند زود سخت شونده (نوع 3)
این نوع سیمان در زمان کوتاهی در حدود یک هفته یا کمتر مقاومت زیادی کسب می کند و به همین دلیل به آن سیمان با مقاومت زودرس نیز گفته می شود. وجه تمایز این سیمان با سیمان نوع 1 در نرمی بیشتر ذرات آن می باشد. این نوع سیمان تقریباً پس از سه روز معادل مقاومت 7 روزه سیمان معمولی را ایجاد می کند. در مواقعی که لازم است قالبها برای بتن ریزی مجدد سریعتر باز شوند، یا زمانی که برای پیشرفت سریعتر کار به مقاومت زودرس نیاز می باشد، از این نوع سیمان استفاده می شود. این نوع سیمان به علت ایجاد حرارت خیلی زیاد نباید در بتن ریزیهای حجیم و یا در قطعات بزرگ بتنی به کار رود. از طرف دیگر در بتن ریزی در هوای سرد به علت حرارت زایی بالا، این سیمان می تواند از یخ زدگی سریع جلوگیری نماید. در حال حاضر این نوع سیمان در ایران تولید نمی شود.
سیمان پرتلند با حرارت کم (نوع 4)
این نوع سیمان که نخستین بار جهت مصرف در سدهای وزن بتنی ساخته شد، در واکنش با آب حرارت کمی تولید می کند. آهنگ افزایش مقاومت این سیمان کندتر از سیمان پرتلند معمولی است لیکن مقاومت نهایی آن با مقاومت نهایی سیمان معمولی تقریباً یکی می باشد. این سیمان به طور معمول در ایران تولید نمی شود. و در صورت نیاز به صورت سفارشی قابل تولید می باشد. در حال حاضر در سد سازهای بتنی اکثراً از سیمان نوع 5 به جای این سیمان استفاده می کنند.
سیمان پرتلند ضد سولفات (نوع 5)
چنانچه سولفات های منیزیم و سدیم و یا سایر سولفاتهای قابل حل در آب در مجاورت بتن قرار گرفته و به داخل آن نفوذ نمایند، در اثر واکنش با سیمان ماده ای تشکیل می گردد که با انبساط همراه است و سبب ایجاد ترک در بتن می شود. تاثیر سولفاتها بر بتن در هوای گرم و در اثر تر و خشک شدن بتن تشدید می گردد. سیمان پرتلند ضد سولفات (نوع 5) به منظور ساخت بتن پایدار در مقابل حمله سولفاتها، تولید می گردد. این نوع سیمان در موارد معمولی استفاده نمی شود و تنها باید در موارد لزوم به کار رود.
همان گونه که ملاحظه می شود در سیمان نوع (1) می باشد. به طور کلی سیمان نوع 5 پس از 42 روز می تواند مقاومت 28 روز سیمان نوع 1 را ایجاد نماید. در مواردی مانند سواحل خلیج فارس که بتن همزمان تحت اثر سولفاتها و کلرورها قرار خواهد گرفت، استفاده از سیمان نوع 2 به جای سیمان نوع 5 توصیه می گردد.
سیمان پرتلند معمولی (تیپ I) ، سیمان اصلاح شده (نوع II) ، سیمان زود سخت شونده (نوع III) ، سیمان با حرارت زایی کم (نوع IV) و سیمان ضد سولفات (نوع V)
سیمان سرباره آهنگدازی
این نوع سیمان از آسیاب و مخلوط کردن سیمان پرتلند و سرباره کوره های آهنگدازی به دست می آید. سرباره ها که عموماً دارای اکسید کلسیم، سیلیسیم و آلومینیوم می باشند، خصوصیات متغیری دارند. به این نوع سیمان، سیمان سرباره نیز گفته می شود. درصد سرباره در مخلوط بین 10 تا 70 درصد متغیر می باشد. در مقایسه با سیمان پرتلند معمولی مقاومت اولیه سیمان سرباره معمولاً کمتر از سیمان پرتلند معمولی می باشد ولی مقاومت نهایی آنها حتی می تواند بیش از مقاومت سیمان معمولی باشد. موارد استفاده مهم این سیمان در بتن های حجیم (به علت خاصیت حرارت زایی کم) و در سازه های دریایی و اسکله ها ( به علت مقاومت در برابر سولفاتها) می باشد.
سیمان پرتلند سفید
سیمان پرتلند سفید نوعی سیمان پرتلند است که تفاوت آن با سیمان پرتلند معمولی رنگ آن می باشد. روش تولید این سیمان به نحوی کنترل می شود که محصول نهایی سفید باشد. بدین منظور مواد انتخاب شده نباید دارای ترکیباتی مانند اکسید آهن و اکسید منگنز باشند یا حتی الامکان مقدار آنها کم باشد زیرا این ترکیبات سیمان را به رنگ خاکستری در می آورند. سیمان پرتلند سفید اصولاً به منظور نماسازی برای تهیه دیوارها و قطعات پیش ساخته نما، سطوح موزائیکی، اندود سیمان، دوغاب کاشی ها و بتن تزئینی به کار می رود. به منظور ساخت بتن های رنگی لازم است از سیمانهای رنگی استفاده نمود. در کارخانه های تولید سیمان 2 تا 10 درصد از مواد رنگی به همراه سیمان سفید آسیاب می گردند و سیمان رنگی تولید می گردد. حتی الامکان نباید مواد رنگ در کارگاه به بتن افزوده شوند.
سیمان پرتلند پوزالانی
پوزالان به مواد سیلیسی یا سیلیسی آلومینی گفته می شود که به تنهایی خاصیت گیرش و سیمانی شدن را ندارند ولی به صورت ذرات ریز و در مجاورت رطوبت با آهک ترکیب شده و ترکیباتی با خاصیت سیمانی تشکیل می دهند. سیمانهای پرتلند پوزالانی از آسیاب و مخلوط کردن پوزالانها با سیمان پرتلند ساخته می شوند. در انواع سیمانهای پرتلند پوزالانی درصد جایگزینی سیمان توسط پوزالان بین 15 تا 40 درصد می باشد. اکثر پوزالانها ارزانتر از سیمانی هستند که با آن جایگزین می شوند. از مزایی سیمانهای پرتلند پوزالانی هیدراتاسیون آرام و حرارت زایی کم آنها می باشد. بنابراین کاربرد مهم آنها در بتن ریزی های حجیم می باشد که باید حرارت تولید شده کنترل گردد. از سوی دیگر سیمانهای پوزالانی به آرامی مقاومت پیدا می کنند ولی مقاومت دراز مدت آنها می تواند از سیمان پرتلند معمولی بیشتر باشد. همچنین دوام این نوع سیمان در مقابل حمله سولفاتها بهتر از سیمانهای معمولی می باشد.
سیمان بنایی
سیمان بنایی چسباننده ای است که در تهیه ملات های مختلف رایج در کارهای بنایی از آن استفاده می شود. این سیمان از آسیاب نمودن مخلوط کلینکر سیمان پرتلند و سنگ آهک طبیعی و یا مخلوط نمودن سیمان پرتلند و پودر نرم شده سنگ آهک یا پوزوالان طبیعی و مصنوعی و یا سرباره به نسبت های تعیین شده، به دست می آید. برای متمایز نمودن ظاهری این نوع سیمان ین 2 تا 4 درصد پودر هماتیت به آن اضافه می نمایند که سیمان را به رنگ قرمز در می آورد. سیمان بنایی ، سیمان با روانی، کارآئی؛ چسبندگ و خاصیت نگهداری آن بیشتر نسبت به سیمان پرتلند معمولی می باشد. استفاده از این نوع سیمان در سایر امور ساختمانی مانند بتن و بتن آرمه مجاز نمی باشد.
وزن سیمان
توزیع سیمان به دو صورت کیسه ای و فله انجام می شود. در جابجائی مقادیر زیاد سیمان معمولاً از بونکرهای حمل سیمان فله استفاده می شود. همچنین سیمان در کیسه های بسته بندی شده نیز توزیع می گردد. کیسه های سیمان 50 کیلوگرنم وزن دارند و حجم آنها تقریباً 0.033 مترمکعب است. وزن مخصوص انبوهی سیمان پرتلند فله بر حسب اینکه چگونه حمل و انبار شود، متغیر می باشد. سیمان پرتلندی که به آرامی در ظرف ریخته شود، حدود 850 کیلوگرم بر متر مکعب وزن خواهد داشت. در حالی که اگر مرتعش و متراکم شود، وزن مخصوص انبوهی تقریباً 1650 کیلوگرم بر متر مکعب خواهد بود. لذا توصیه می گردد در مواردی که از سیمان فله برای ساخت بتن استفاده می شود، اندازه گیری سیمان به صورت وزنی انجام شود.
انبار کردن سیمان
سیمان پرتلند نسبت به رطوبت و دی اکسید کربن حساس می باشد و در صورت جذب رطوبت و دی اکسید کربن موجود در هوا هیدراته و کربناته می شود و کیفیت خود را از دست خواهد داد. از سوی دیگر چنانچه به دور از عوامل فوق نگهداری شود به مدت نامحدود کیفیت خود را حفظ می کند. رطوبت نسبی محل نگهداری سیمان باید تا حد الامکان پایین باشد. سیمان پرتلندی که در تماس با هوا انبار شده باشد، در صورت استفاده، آهسته تر می گیرد و مقاومت کمتری خواهد داشت. حتی ممکن است در اثر جذب رطوبت، سیمان به صورت گلوله ای با یکپارچه در آمده باشد که در این صورت غیرقابل استفاده خواهد بود. کیسه های سیمان نباید روی کف های مرطوب انبار شوند و بهتر است روی تخته های چوبی و نزدیک به یکدیگر قرار گیرند. کیسه های سیمان هرگز نباید در مجاورت دیوارهای خارجی قرار گیرند. کیسه هایی که برای مدتن طولانی انبار می شوند باید با نایلون یا سایر روکش های ضد آب پوشانده شوند و در هر ردیف بیش از 10 کیسه سیمان روی هم قرار نگیرند. سیمان فله باید در سیلوهای فلزی یا بتنی که آب در آنها نفوذ نمی کند، انبار شود.
موجودی سیمان در بازار (Availability of Cement)
بعضی از سیمانهایی که ذکر آنها رفت ممکن است از نظر اقتصادی در تمام نقاط آمریکا یا کانادا موجود نباشد قبل از آنکه نوع سیمان مصرفی تعیین شود بایستی از موجودی آن اطمینان حاصل کرد برای مثال سیمان نوع 5 یا ضد سولفات در نقاط غربی مصرف زیاد دارد و بندرت در نقاط دیگر مصرف می شود. سیمان نوع 1 معمولی همیشه در انبارها موجود است در صورتی که نوع سیمان مشخص نشده باشد عرضه می شود در صورتیکه سیمان نوع مورد نظر موجود نباشد. معمولاً با استفاهد از انواع دیگر می توان نتیجه مناسب گرفت برای مثال بجای سیمان نوع III یا زودگیر می توان از سیمان نوع I معمولی با مقدار بیشتر استفاده کرد. اثر گرمای آبگیری (هیدراتاسیون) سیمان را می توان با استفاده از سیمان کمتر، بتن ریزی در مقادیر کم یا سرد کردن مصنوعی به حداقل رساند.

موضوع :
سیمان و انواع آن
زیر نظر استاد گرامی :
جناب آقای امینی

گرد آورندگان :
ابوالفضل امانی، امید صدر السادات ، محمد خنان یوسفی،
امین عابدیان ، مسلم آهی ، حسن دادزن

منابع و ماخذ
1- بتن شناسی تالیف : پرفسور نویل ترجمه : هرمز فامیلی
آشنایی با بتن نوشته : هرمز فامیلی

1