معرفی اولیه

سیمان پرتلند یکی از پرمصرف‌ترین مواد ساخته‌شده به دست بشر است. این محصول بر پایه اکسیدهای سیلیسی و آلومینیومی و آهنی ساخته و فرموله شده است. سیمان پرتلند به دلیل فراوانی مواد اولیه و قیمت پایین، عضو اصلی تمامی متریال‌های صنعت ساخت و ساز است. اگرچه سه‌چهارم حجم بتن را سنگدانه تشکیل می‌دهد اما جزء اصلی بتن، سیمان پرتلند است که تمامی خواص و  عملکرد بتن به آن وابسته است. خواصی همچون کاهش آب، زودگیری، دیرگیری، هوازایی، شکل پذیری و ... توسط افزودنی‌های مضاف در بتن ایجاد می‌شود که این افزودنی‌ها مستقیما برروی سیمان تاثیر می‌گذارند.

استفاده از سیمان به چندین هزارسال پیش باز می‌گردد ولی برای اولین بار یک معمار بریتانیایی به نام ژوزف آسپدین اولین مطالعات خود برروی آهک هیدرولیک را شروع کرد و برای اولین بار موفق به ثبت امتیاز سیمان پرتلند به نام خود شد. در این مقاله قصد داریم با نحوه تولید، سازوکار هیدراسیون و ترکیبات سیمان پرتلند آشنا شویم.

مواد اولیه سیمان پرتلند

بر اساس استاندارد ASTM C150، سیمان پرتلند یک سیمان هیدرولیکی(یعنی واکنش آن وابسته به آب است) است که از آسیاب کردن و خردکردن کلینکر به دست می‌آید. کلینکر سیمان شامل سیلیکات کلسیم هیدراته و حاوی یک یا دو نوع سولفات کلسیم است که در مرحله آسیاب کردن به آن اضافه می‌شود. مواد اولیه تولید سیمان پرتلند شامل ترکیب مناسی از اکسید سیلیسیم، اکسید آلومینیوم، اکسید کلسیم و اکسیدآهن است. منبع اکسید کلسیم(آهک) همان سنگ‌های معدنی آهکی می‌باشد و منبع سیلیکا و اکسید آلومینیوم ، شیل‌ها، رس‌ها و اسلیت‌ها(سنگ‌های دگرگونی که تحت تاثیر دما کمی دچار تغییر شده و به‌صورت ورقه‌ای و شکاف‌دار در طبیعت وجود دارد) می‌باشد.

منبع اکسیدآهن، سنگ‌آهن و پریت است. اکسیدآهن نه‌تنها به عنوان کمک ذوب عمل می‌کند، بلکه با آهک و آلومینا هم واکنش‌های موثری را می‌دهد. علاوه بر موارد فوق که مواد اولیه اصلی تولید سیمان پرتلند هستند، موارد دیگری نیز شامل اکسید منیزیم، آلکالی‌ها، فسفات‌ها، ترکیبات فلورین، اکسید روی و سولفیدها هم در دسته مواد اولیه سیمان قرار می‌گیرند. مواد اولیه ابتدا آسیاب و سرند شده سپس به داخل کوره دوّار منتقل شده و تا دمای 1300 تا 1450 درجه سانتیگراد حرارت می‌بینند و تبدیل به کلینکر می‌شوند. کلینکر حاصله به همراه 4 الی 5 درصد گچ خام آسیاب شده و سیمان پرتلند تولید می‌شود.

ترکیبات سیمان پرتلند

فازهای سیمان پرتلند عبارتند از: سه کلسیم سیلیکات(3CaO.SiO₂)، دو کلسیم سیلیکات(2CaO.SiO₂)، سه کلسیم آلومینات(3CaO.Al₂O₃) و یک فاز فریت با ترکیب متوسط(4CaO.Al₂O₃.Fe₂O₃). هیچ یک از این فازها خالص نیستند و شامل مواد دیگری نیز در ترکیبات خود هستند. فاز سه کلسیم سیلیکات که آلیت نامیده می‌شود دارای ناخالصی‌هایی نظیر منیزیم و آلومینیوم است. فاز دوکلسیم سیلیکات  که تشکیل بلیت می‌دهد، دارای مواد فرعی نظیر آلومینیوم، منیزیم و مقداری اکسید پتاسیم(K₂O) است. در یک جمع‌بندی کلی فاز آلیت و بلیت حدود 75تا80 درصد ترکیبات سیمان پرتلند را شامل می‌شود. فاز آلیت و بلیت در اصل تعیین کننده خواص و رفتار سیمان است.

با محصولات و خدمات ما آشنا شوید.

انواع سیمان پرتلند

در قسمت‌های قبلی اشاره کردیم که بیشتر خواص سیمان پرتلند مربوط به فاز آلیت و بلیت است. سیمان پرتلند در 5تیپ مختلف ارائه می‌شود که هرکدام دارای خواص متفاوتی از جمله گیرش و مقاومت اولیه، میزان گرمازایی و مقاومت در برابر سولفات‌ها می‌باشد. در این قسمت به بررسی خواص هرکدام از انواع تیپ‌های سیمان پرتلند می‌پردازیم.

سیمان پرتلند تیپ1

این نوع سیمان برای کارهای عمومی و شرایط آب و هوایی نرمال طراحی شده است. این نوع سیمان دارای سه نوع 1-325 و 1-425 و 1-525 است. اعداد بکاررفته در نام‌گذاری نشان‌دهنده مقاومت فشاری 28روزه سیمان است. بنابراین حداقل مقاومت فشاری 28روزه سیمان پرتلند تیپ 1، 325 کیلوگرم بر سانتیمتر مربع یا 32.5مگاپاسکال است. از سیمان تیپ 1-525 می‌توان در بتن‌‌های مسلح که نیاز به قالب برداری سریع و مقاومت فشاری بالا دارد، استفاده کرد. این نوع سیمان در برابر حملات سولفاتی بسیار ضعیف بوده و گرمای هیدراتاسیون آن بالاست و ممکن است در بتن‌ریزی‌های حجیم دچار ترک‌های زیادی شود.

سیمان پرتلند اصلاح شده تیپ2

سیمان تیپ 2 را می‌توان نسخه اصلاح‌شده سیمان تیپ1 دانست. در سیمان تیپ2 فاز آلیت حدودا 16درصد کاهش پیدا کرده و درعوض فاز بلیت 36درصد افزایش یافته است. نتیجه این تغییرات گرمازایی هیدراتاسیون متوسط و مقاومت بهتر در برابر سولفات‌ها است. البته مقاومت 28روزه سیمان تیپ2 نسبت به تیپ1 حدودا 10درصد کمتر است و این به دلیل کاهش فاز آلیت می‌باشد. البته این کاهش مقاومت در سن‌های بیشتر کاملا جبران خواهد شد و نگرانی بابت کاهش مقاومت وجود نخواهد داشت. در یک جمع‌بندی کلی استفاده از سیمان تیپ2 بجای تیپ1 کاملا ارجحیت داشته زیرا این سیمان به دلیل کاهش گرمازایی کمتر دچار ترک‌خوردگی شده و در برابر حملات سولفاتی مقاوم‌تر است.

سیمان پرتلند زودگیر تیپ3

سیمان پرتلند تیپ3 در دسته سیمان‌های زودگیر با کسب مقاومت سریع قرار می‌گیرد. در سیمان تیپ3 فاز آلیت 20درصد افزایش و فاز بلیت یک کاهش محسوس 60درصدی(نسبت به سیمان تیپ1) دارد. نتیجه این تغییرات کسب مقاومت سریع در سنین اولیه بتن است. مقاومت یک‌روزه سیمان تیپ3 حدود 90درصد بیشتر از سیمان تیپ1 است و این به دلیل افزایش فاز آلیت و کاهش فاز بلیت است. نکته مهم در مورد این سیمان گرمازایی هیدراتاسیون بالای آن بوده که استفاده از این نوع سیمان را در بتن‌ریزی‌های حجیم به دلیل احتمال بروز ترک‌های حرارتی کمی محدود می‌کند. در پروژه‌هایی که نیاز به قالب برداری سریع و یا خطر یخ‌زدگی وجود دارد استفاده از این نوع سیمان می‌تواند بسیار مفید باشد. سیمان تیپ3 در زمستان با گیرش سریع و گرمازایی بالا می‌تواند مقاومت خوبی در برابر سرما و یخ‌زدگی داشته باشد.

سیمان پرتلند تیپ4

سیمان تیپ4 یک سیمان با گرمازایی کم هیدراتاسیون است. در این نوع سیمان فاز آلیت 50درصد کاهش و فاز بلیت حدود 100درصد افزایش(نسبت به سیمان تیپ1) داشته است. این تغییر فاز منجر به گرمازایی پایین این سیمان شده است. در بتن‌ریزی مقاطع بزرگ نظیر سدها که میزان گرمازایی بتن بسیار حائز اهمیت است استفاده از این سیمان توصیه می‌شود. گرمازایی واکنش هیدراسیون منجر  به ایجاد تنش های حرارتی و درنهایت منجر به ترک در بتن خواهد شد. این موضوع شاید در مقاطع کوچک زیاد حائز اهمیت نباشد. ولی در مورد سازه های حیاتی نظیر سدها که فشار هیدرواستاتیکی آب را تحمل می‌کنند بسیار حائز اهمیت است و ایجاد ترک های حرارتی می‌تواند منجر به نابودی کل مقطع بتنی شود. استفاده از این سیمان به دلیل کندگیر بودن موجب جلوگیری از تشکیل اتصال سرد(درز ایجاد شده ناشی از عدم چسبیدن بتن تازه به بتن قدیمی) شده و در مقاطع بتنی مهم و حساس نظیر سد که بتن ریزی معمولا لایه لایه صورت می‌گیرد استفاده از سیمان پرتلند تیپ 4 می‌تواند بسیار مفید باشد. به دلیل کاهش محسوس فاز آلیت این سیمان بسیار کندگیر بوده و مقاومت اولیه آن حدود 50درصد کمتر از سیمان تیپ1 است. مقاومت 28روزه سیمان پرتلند تیپ 4 نسبت به سیمان تیپ1 حدود 25درصد کمتر است. میزان ترک‌های ناشی از هیدراتاسیون سیمان در این نوع بسیار کم بوده و در شرایط یخبندان استفاده از این نوع سیمان توصیه نمی‌شود.

سیمان پرتلند ضدسولفات تیپ5

سیمان تیپ5 به سیمان ضدسولفات شناخته شده است. ساختار این سیمان به ساختار سیمان تیپ1 تا حدودی شباهت داشته با این تفاوت که فاز آلیت حدود 10درصد کاهش و فاز بلیت حدود 70درصد افزایش داشته است. این تغییرات فاز باعث شده تا سیمان تیپ 5 مقاومت بالایی در شرایط سولفاتی نظیر آب دریا و یا در مجاورت با خاک‌های سولفاتی داشته باشد. طبق آیین نامه بتن آبا کلیه بتن‌هایی که در مجاورت با آب و خاک‌های سولفاتی نظیر دیوار حایل هستند ملزم به استفاده از سیمان پرتلند تیپ5 هستند. مقاومت اولیه سیمان تیپ5 نسبت به سیمان تیپ1 حدود 35درصد کمتر است ولی به مرور زمان و در سن 28روزه و بیشتر این کاهش مقاومت کاملا برطرف شده و مقاومت‌های نهایی یکسان خواهد شد.

سیمان پوزولانی

پوزولان استفاده‌شده در سیمان معمولا از جنس سیلیکات است که بسیار به فاز مواد تشکیل دهنده سیمان شبیه است. وجه تمایز مواد پوزولانی و سیمان در این است که مواد پوزولانی خاصیت هیدرولیکی یا سخت شوندگی در اثر ترکیب با آب را ندارند. مواد پوزولانی فقط از طریق ترکیب با هیدروکسید کلسیم آزادشده از واکنش هیدراسیون سیمان فعال می‌شوند. میزان پوزولان سیلیکات معمولا بین 10 تا 15 درصد است. این نوع سیمان با نشانه (پ پ ) عرضه گردیده و در مصارف عمومی مانند ملات و بتن به کار می‌رود. پایین بودن گرمازایی هیدراسیون، کاهش نفووذپذیری و ایجاد دوام خوب در مقابل مواد خورنده مانند یون سولفات و کلر از فواید این نوع سیمان به شمار می‌آید.

مزایای سیمان پوزولانی

گرمازایی هیدراسیون سیمان پوزولانی از سیمان پرتلند کمتر است که این موجب کاهش ترک‌های حرارتی در بتن و ملات خواهد شد.

میزان آب‌انداختگی سیمان پوزولانی از سیمان پرتلند کمتر است که این موجب کاهش ترک‌های سطحی و عمقی خواهد شد.

پوزولان‌های سیلیکاتی منجر به کاهش آهک آزاد داخل بتن و ملات شده که منجر به کاهش نفوذپذیری و در درازمدت از سفیدک زدن و کربناته شدن بتن جلوگیری می‌کند.

سیمان پوزولانی مقاومت بالایی در برابر عوامل خورنده نظیر یون کلر و سولفات داشته و به عمر بتن بسیار کمک خواهد کرد.

پوزولان های سیلیکاتی از واکنش قلیایی سنگدانه جلوگیری می‌کنند.

در یک جمع بندی نهایی می‌توان گفت سیمان پرتلند یک عضو مهم و اساسی در صنعت ساخت و ساز است. وجود تیپ بندی باعث شده تا این ماده با هر نوع شرایط جوی و محیطی پروژه سازگار باشد. در این مقاله سعی کردیم شما را با انواع سیمان پرتلند و آنالیز هریک بیشتر آشنا کنیم. امیدوارم مفیده بوده باشد

سیلیکا بتن

پایان

ما را در اینستاگرام دنبال کنید.