ترکیبات شیمیایی سیمان پرتلند

مواد خام تشکیل دهنده سیمان اساساً از اکسیدهای کلسیم، سیلیسیم، آلومین و آهن تشکیل شده اند. این مواد در کوره باهم ترکیب شده و به غیر از مقداری آهک آزاد باقی مانده، که فرصت کافی برای فعل و انفعال نداشته است، ترکیبات شیمیایی جدید و پایداری نتیجه می شوند. در هنگام خنک کردن مصالح، بر اساس سرعت خنک کردن، مواد به شکل بلوری و بی شکل ظاهر می گردند. دانه های بی شکل که اکثراً شیشه ای هستند و دانه های بلوری شده، در حالی که یک فرمول شیمیایی دارند، دارای خواص متفاوتی می باشند. 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 محاسبه است.

جدول1 چهار ترکیب اصلی سیمان با علائم اختصاری مشخصه آنها را نشان می دهد. علائم مختصر شده که توسط شیمی دان های سیمان پیشنهاد گردیده است، به صورت زیر می باشند.

محاسبه مربوط به میزان ترکیبات سیمان حاصل از اکسیدهای اصلی تشکیل دهنده آن، توسط بوگ انجام شده و به نام «معادلات بوگ» معروف می باشد. این معادلات درصد ترکیبات اصلی سیمان را نشان می دهند. مقادیر داخل پرانتزها درصد اکسیدهای تشکیل دهنده سیمان نسبت به کل وزن سیمان را نشان می دهند.

سیلیکات های کلسیم (سه کلسیم سیلیکات و دو کلسیم سیلیکات) ترکیبات اصلی و مهم سیمان می باشند و در حقیقت مقاومت سیمان هیدراته شده به آنها بستگی دارد. اکسیدهای تشکیل دهنده این سیلیکات ها تأثیرات مهمی روی شکل اتمی و کریستالی و خواص هیدرولیکی آنها دارند. در حقیقت حضور «سه کلسیم آلومینات» در سیمان سودمند نیست. این ترکیب نقشی در مقاومت سیمان، بجز کمی در سن اولیه آن، نداشته و بعد از سخت شدن سیمان، با حمله سولفات ها و تشکیل سولفو آلومینات کلسیم (اترینگایت) سبب خرابی و فساد آن می گردد. با این حال در تولید سیمان، سه کلسیم آلومینات در ترکیب اکسید کلسیم با اکسید سیلیسیم سهولت ایجاد کرده و سودمند می گردد. «چهار کلسیم آلومینو فریت» که به میزان کمی بوجود می آید، در مقابل سه ترکیب اصلی دیگر نقش عمده ای در خواص سیمان ندارد. با این حال این ترکیب با سنگ گچ سیمان سولفو فریت کلسیم تشکیل می دهد، که این ماده هیدراتاسیون سیلیکات ها را تسریع می کند.

میزان سنگ گچی که به کلینکر سیمان اضافه می شود، بسیار مهم بوده و بستگی به میزان سه کلسیم آلومینات و قلیائی های سیمان (اکسیدهای پتاسیم و سدیم) دارد. بالا رفتن ریزی سیمان باعث در دسترس قرار دادن تعداد زیادتری سه کلسیم آلومینات در روزهای اولیه فعل و انفعال شده، و این میزان سنگ گچ مورد نیاز را افزایش می دهد. افزایش سنگ گچ به نوبه خود سبب انبساط بیش از حد و خرابی سیمان سخت شده می گردد. مقدار بهینه سنگ گچ، بر اساس حرارت ایجاد شده از فعل و انفعال سیمان تعیین می شود. پیشرفت مناسب فعل و انفعالات ما را مطمئن می سازد که وقتی همه سنگ گچ ترکیب شود، مقدار کمی سه کلسیم آلومینات باقی می ماند.

علاوه بر اکسیدهای اصلی، اکسیدهای فرعی نظیر اکسیدهای منیزیم، تیتانیوم، منگنز، پتاسیم و سدیم نیز به مقدار بسیار کمی در سیمان وجود دارند. دو اکسید سدیم و پتاسیم که به نام قلیائی های سیمان می باشند، در این بین اهمیت دارند. این اکسیدها با پاره ای از سنگدانه در بتن ترکیب شده و سبب خرابی بتن و نیز تغییر در میزان افزایش مقاومت آن می گردند. بنابراین مقدار کم آنها در سیمان نیز می بایستی کنترل شود و به آن اهمیت داده شود. جدول2 درصد اکسیدهای یک نوع سیمان پرتلند را نشان می دهد. همچنین در جدول2 درصد اکسیدهای یک نوع سیمان معمولی استاندارد به همراه ترکیبات حاصل از معادلات «بوگ» نشان داده شده است.

در جدول3 جمله پس ماند نامحلول که با استفاده از اسید کلرئیدریک به دست آمده است، در حقیقت ناخالصی سیمان را که به مقدار زیاد ناخالصی در سنگ گچ می باشد، نشان می دهد. BS 12: 1978 مقدار پس ماند نامحلول را به حداکثر 1.5 درصد وزن سیمان محدود می کند. مقدار مشابه در استاندارد ASTM C150 - 84 حدود 0.75 می باشد. افت سرخ شدن در این جدول در واقع میزان کربناتاسیون و هیدراتاسیون آهک آزاد و اکسید منیزیم آزاد سیمان را در هوا نشان می دهد. هر دو استاندارد ASTM و BS مقدار افت سرخ شدن سیمان را به 3 درصد محدود می کنند. لیکن در مناطق گرمسیری تا حد 4 درصد را مجاز می دانند. از آنجا که آهک آزاد هیدراته شده در سیمان بی ضرر می باشند، لذا برای یک مقدار مشخص آهک آزاد، بالاتر بودن افت سرخ شدن سودمند می باشد.

برگرفته از کتاب تکنولوژی بتن، تألیف پروفسور نویل، ترجمه دکتر علی اکبر رمضانیانپور

منبع: تکنوبتار www.technobetar.ir