مقالات

سیمان پرتلند (خواص و اثرات سایر اجزای سیمان)

بتن (اجزای تشکیل دهنده، ویژگی‌ها، طرح مخلوط، انواع، آزمایش‌ها)

بخش ۴: سیمان پرتلند (خواص و اثرات سایر اجزای سیمان)

 

قلیایی‌های سیمان

قلیایی‌های سیمان اکسید سدیم (Na۲O) و اکسید پتاسیم (K۲O) می‌باشند. هر ماده‌ای که خاصیت قلیایی داشته باشد (مانند اکسید کلسیم، اکسید منیزیم، اکسید لیتیم و …) را قلیایی‌های سیمان نمی‌نامند.

قلیایی معادل (Alkali Equivalent) سیمان به‌صورت زیر تعریف می‌شود:

(Na۲O)e = Na۲O + 0.658 K۲O

ضریب ۰.۶۵۸ نسبت جرم‌مولکولی Na۲O به K۲O است (۶۲ به ۹۴).

وجود قلیایی‌های سیمان در حد کم، به افزایش مقاومت‌های اولیه (۱ تا ۳ روز) و گیرش سریع‌تر خمیر سیمان منجر می‌گردد.

وجود مقدار زیاد قلیایی‌های سیمان به کاهش مقاومت‌های نهایی خمیر سیمان می‌انجامد.

چنانچه سنگدانه‌های مصرفی در ملات و بتن با قلیایی‌های سیمان واکنش دهند ممکن است انبساط مخرب حاصل گردد. چنین سنگدانه‌هایی را واکنش‌زا با قلیایی‌ها می‌نامند.

چنانچه مقدار معادل قلیایی سیمان به کمتر از ۰.۶ درصد وزن سیمان محدود شود، سیمان را کم قلیا (Low Alkali Cement) می‌نامند.

سیمان کم قلیا به‌شرطی‌که عیار سیمان بتن یا ملات زیاد نباشد می‌تواند به‌همراه سنگدانه‌های واکنش‌زا با قلیایی‌ها بکار رود.

مقدار pH خمیر سیمان به قلیایی معادل سیمان بستگی دارد، بویژه pH اولیه خمیر سیمان عمدتا تحت تاثیر قلیایی معادل است.

قلیایی‌های خمیر سیمان تازه با چربی پوست انسان ترکیب می‌شود و صابون جامد یا مایع می‌دهد و پوست خشک می‌شود و ترک می‌خورد (پوست‌پوست می‌شود) و احساس ناراحتی و سوختگی بوجود می‌آید. در صورتی‌که خمیر سیمان یا سیمان خشک وارد چشم شود آسیب ایجاد می‌کند و باید سریعا با آب زیاد و تمیز شسته شود تا آسیب نبیند.

قلیایی‌ها کم و بیش در سیمان‌های تولیدی وجود دارند. بصورت معمول اکثر سیمان‌های تولیدی ایران از قلیایی معادل بیش از ۰.۶ درصد برخوردارند.

کارخانه‌هایی که غبار دودکش خود را جمع‌آوری می‌کنند و به چرخه تولید برمی‌گردانند، باعث افزایش قلیایی معادل سیمان خود می‌شوند.

استفاده از پیش‌گرم‌کن‌ها در کارخانه‌های امروزی باعث افزایش قلیایی‌های سیمان می‌گردد.

محدود کردن شدید قلیایی معادل سیمان، سبب افزایش مصرف انرژی می‌شود، زیرا دمای پخت و تشکیل کلینکر سیمان بالاتر می‌رود.

بخشی از قلیایی‌های سیمان بدلیل حبس شدن در مواد شیشه‌ای کلینکر سیمان، به‌سادگی با آب تماس پیدا نمی‌کنند و باعث آثار بد نمی‌شوند. به همین دلیل، روش شیمیایی اندازه‌گیری قلیایی‌ها، معمولا مقدار قلیایی‌های سیمان را کمتر از روش‌های طیفی با پرتو ایکس بدست می‌دهد.

قلیایی‌تر شدن محیط خمیر سیمان و بتن باعث تاخیر در شروع خوردگی میلگردها در مناطق خورنده کلریدی و تاخیر در کربناته‌شدن بتن می‌شود.

قلیایی‌های سیمان در تماس با آب، NaOH و KOH و مقداری گرما نیز ایجاد می‌نمایند اما بدلیل مقدار کم قلیایی‌ها، نقش آن در گرمازایی سیمان زیاد نیست اما در گرمازایی در لحظات اول نقش دارد.

 

CaO آزاد و MgO

CaO آزاد، اکسید کلسیم یا آهک زنده‌ای است که در کلینکر سیمان وجود داشته باشد و در اثر ترکیب تدریجی آن با آب با گذشت زمان به انبساط خمیر سیمان سخت‌شده منجر می‌گردد که می‌تواند موجب تخریب و خردشدگی خمیرسیمان شود.

چنانچه آهک زنده به سیمان اضافه شود بدلیل هیدراته‌شدن سریع آن و انبساط قبل از سخت‌شدن خمیرسیمان، باعث تخریب نمی‌شود.

چنانچه آهک زنده موجود در سیمان (کلینکر)، قبل از ساخت خمیر سیمان بدلیل جذب رطوبت و هیدراته‌شدن شکفته شود، مشکل بوجود نمی‌آورد.

اختلاف آهک زنده آزاد و آهک هیدراته آزاد را نمی‌توان با روش شیمیایی تشخیص داد و نیاز به استفاده از روش‌هایی مانند پراش پرتو X وجود دارد.

آهک آزاد کلینکر سیمان خروجی از کوره و سرد شده می‌تواند تابع تنظیم مواد اولیه پخت سیمان، نحوه پخت سیمان و بویژه نحوه سرد کردن کلینکر سیمان باشد که آهک آزاد حالت اخیر از انبساط بسیار زیادی پس از هیدراته‌شدن برخوردار است.

در استانداردهای سیمان، محدودیتی برای آهک آزاد منظور نشده است زیرا عملکرد انبساطی همه انواع آهک‌های آزاد در خمیر سیمان یکسان نیست، لذا صرفا به محدود کردن انبساط سیمان ناشی از همه عوامل انبساط‌زا پرداخته‌اند (از جمله MgO و انواع سنگ گچ آبدار یا نیمه آبدار)

آهک زنده پس از ترکیب با آب شکفته می‌شود و گرما تولید می‌کند:

CaO + H۲O Ca(OH)۲  
C   H   CH  
۵۶   ۱۸   ۷۴ (جرم مولکولی)

 

گرمازایی ۱ گرم آهک زنده پس از هیدراته‌شدن (شکفته‌شدن) و تولید هیدروکسید کلسیم ۲۷۰ کالری (۱۱۳۰ ژول) می‌باشد.

وجود آهک آزاد سیمان می‌تواند گرمازایی سیمان را بیشتر کند اما از آنجا که آهک آزاد سیمان‌ها معمولا حدود ۱ درصد وزن سیمان است، تاثیر آن در گرمازایی ۱ گرم سیمان حدود ۳ کالری (۱۳ ژول) می‌باشد که طی هیدراته‌شدن سیمان به‌تدریج آزاد می‌شود.

مقداری از آهک آزاد در مجاورت رطوبت و CO۲ هوا می‌تواند به کربنات نیز تبدیل شود که در مقایسه با هیدراته‌شدن ناچیز بنظر می‌رسد.

افت وزنی ناشی از سرخ‌شدن سیمان علاوه بر نمایش آب تبلور باقیمانده در سنگ گچ، می‌تواند آب هیدراته‌شدن آهک آزاد و MgO سیمان پرتلند طی زمان در هوا و یا هیدراته‌شدن سیمان (ناشی از تماس با رطوبت هوا در طول انبار کردن و نگهداری سیمان) و گازهای فرار مواد کربناته‌شده را نشان دهد. البته در سیمان‌های آمیخته این پارامتر می‌تواند مواد فرار یک پوزولان (بویژه طبیعی) را به‌نمایش گذارد و یا مواد فرار و CO۲ سنگ‌آهک را در سیمان‌های پرتلند آهکی نشان دهد.

MgO (اکسید منیزیم) در کلینکر سیمان بدلیل ترکیبات منیزیم‌دار در سنگ آهک و خاک یا شیل مصرفی وجود دارد. اکسید منیزیم پریکلاژ (متبلور کاملا پخته) می‌تواند مخرب باشد اما اکسیدمنیزیم شیشه‌ای بی‌ضرر است.

MgO به‌تدریج و با کندی زیاد با آب ترکیب می‌شود و هیدروکسید منیزیم می‌دهد و مقدار کمی گرما تولید می‌کند که اهمیتی ندارد.

MgO + H۲O Mg(OH)۲  
M   H   MH  
۴۰   ۱۸   ۵۸ (جرم مولکولی)

هیدروکسید منیزیم حاصل دارای انبساط کمی است که به سایر عوامل انبساط‌زا کمک می‌کند. به این دلیل مقدار اکسید منیزیم در سیمان‌های پرتلند به ۵ یا ۶ درصد محدود می‌شود.

 

نقش سنگ گچ در سیمان

در مطالب قبلی در مورد نقش سنگ گچ در تنظیم زمان گیرش سیمان بحث شد و دلایل بکارگیری آن عنوان گردید.

سنگ گچ احتمالا سرعت هیدراته‌شدن C۳S را بیشتر می‌کند و ساختار اصلی اولیه خمیر سیمان سخت‌شده را هیدرات سیلیکاتی ایجاد می‌کند و مقاومت نهایی آنرا بالاتر می‌برد.

مقدار سنگ گچ سیمان با توجه به میزان C۳A و تا حدودی C۴AF کلینکر سیمان و تا حدی ریزی سیمان و میزان قلیایی‌ها تعیین می‌شود.

میزان بهینه سنگ گچ یا SO۳ در سیمان پرتلند طبق دستورالعمل استاندارد ASTM C563 تعیین می‌شود.

مقدار بهینه سنگ‌گچ با توجه به نقاط اوج گرمازایی نیز می‌تواند تعیین شود.

به‌هرحال میزان SO۳ نباید از حد مجاز استانداردهای سیمان پرتلند بیشتر گردد زیرا باعث انبساط زیاد و تخریب خمیر سیمان سخت‌شده می‌شود.

بجای سنگ‌گچ می‌توان از گچ ساختمان یا انیدرید سولفات کلسیم (گچ بدون آب) استفاده نمود. استفاده از گچ ساختمانی و انیدرید گچ ممکن است به گیرش کاذب بدلیل ترکیب آب با آنها و تشکیل سنگ‌گچ بوجود آید. وقتی از سنگ‌گچ نیز استفاده می‌شود، به‌دلیل گرمای ایجاد شده در آسیاب کلینکر، بخشی از آب تبلور گچ از بین می‌رود و آماده واکنش مجدد می‌گردد.

 

مواد شیشه‌ای کلینکر

در کوره پخت سیمان، مقداری از مواد ترکیب‌شده ذوب می‌شوند. برخی در اثر سرد شدن بلوری می‌شوند و برخی بصورت شیشه‌ای (بی‌شکل) باقی می‌مانند. در کلینکرهای کارخانه‌های سیمان مواد شیشه‌ای بین ۲ تا ۲۰ درصد می‌باشند (با روش گرمازایی).

روند سرد شدن بر میزان مواد شیشه‌ای تاثیر می‌گذارد. سرد کردن سریع باعث می‌شود مواد شیشه‌ای بیشتر شود و نتواند بلوری گردد.

هرچه مواد شیشه‌ای بیشتر شود، C۳A و C۴AF و بخشی از اکسیدهای فرعی مانند MgO و قلیایی‌ها را در خود حبس می‌کند و دسترسی به آب برای هیدراته شدن کاهش می‌یابد و انبساط مخرب در اثر MgO و حمله سولفاتی کمتر می‌شود و دوام در برخی موارد افزایش می‌یابد. آسیاب کردن کلینکر دشوارتر می‌شود، گرمازایی سیمان کمتر می‌گردد.

معمولا ترکیبات سیلیکاتی بصورت شیشه‌ای درنمی‌آیند. به‌هرحال، با وجود مواد شیشه‌ای بیشتر، مقاومت‌های اولیه سیمان کمتر می‌گردد.

فرض روابط بوگ برای محاسبه فازهای اصلی سیمان، تبلور کامل مواد است و مواد شیشه‌ای وجود ندارد.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *