بتن (اجزای تشکیل دهنده، ویژگی‌ها، طرح مخلوط، انواع، آزمایش‌ها)
بخش ۳: سیمان پرتلند (خواص و اثرات ترکیبات اصلی)
از آنجا که کیفیت ترکیبات اصلی (Main Compounds) با یکدیگر متفاوت است، تغییرات آنها در سیمان باعث تغییر در کیفیت می‌شود و سیمان‌هایی متفاوت حاصل می‌گردد.
در جدول زیر تفاوت‌های عمده ترکیبات اصلی در خمیر سیمان مشاهده می‌شود و لازم است به خواص و اثرات این ترکیبات اصلی پرداخته شود.
| نام ترکیب اصلی | C۳S | C۲S | C۳A | C۴AF |
| سرعت واکنش | متوسط | آرام | سریع | متوسط |
| سرعت گرمازایی | زیاد | کم | خیلی زیاد | متوسط |
| ارزش چسبانندگی اولیه | خوب | ضعیف | خوب | ضعیف |
| ارزش چسبانندگی نهایی | خوب | خوب | ضعیف | ضعیف |
خواص و اثرات C۲S
درگذشته با نام Belite (بلیت) شناخته می‌شد و دارای چگالی ۳.۲۸ می‌باشد. مقدار آن در اکثر سیمان‌های پرتلند رایج ۱۰±۲۵ درصد وزن سیمان است. هرچه C۲S بیشتر شود، C۳S کمتر خواهد بود.
واکنش C۲S با آب (هیدارته شدن، هیدراسیون، هیدراتاسیون، Hydration) به شکل‌های مختلفی مطرح شده است که نشانه اختلاف اختلاف نظر پژوهشگران می‌باشد.
| ۲C۲S | + | ۴H | → | C۳S۲H۳ | + | CH | |
| ۳۴۴ | ۷۲ | ۳۴۲ | ۷۴ | (جرم مولکولی) | |||
| ۱۰۰ | ۲۱ | ۹۹ | ۲۲ | (با فرض ۱۰۰ گرم C۲S در واکنش) | |||
| هیدرات سیلیکاتی تشکیل شده | هیدروکسید کلسیم (آهک شکفته) |
اغلب اعتقاد دارند که نسبت C به S در هیدرات تشکیل شده، بر اساس آزمایش بجای ۱.۵ برابر ۱.۷ می‌باشد. اینکه آیا دو هیدرات سیلیکاتی وجود دارد که میانگین C به S آنها حدود ۱.۷ می‌باشد یا یک ترکیب با این نسبت وجود دارد، مبهم است، پس بهتر است هیدرات تشکیل شده را با C-S-H یا CSH نشان داد.
رابطه احتمالی دیگر:
| ۳C۲S | + | ۱۰H | → | C۵S۳H۹ | + | CH |
گرمای حاصل از هیدراته شدن کامل ۱ گرم C۲S برابر ۶۲ کالری (معادل ۲۶۰ ژول) می‌باشد.
روند پیشرفت هیدراته‌شدن C۲S و C۳S در کنار روند هیدراته‌شدن C۳A و C۴AF (بدون حضور سنگ گچ) در شکل زیر مشاهده می‌شود.
C۲S در روز اول کمتر از ۴%، در ۳ روز در حدود ۶%، ۷ روز حدود ۸%، ۲۸ روز حدود ۱۸%، ۹۱ روز حدود ۴۲% و در سن ۶ ماهه در حدود ۵۳% هیدراته می‌شود.
بنابراین گرمای حاصل از هیدراته شدن C۲S در روز اول در حدود ۲.۵ کالری، ۳ روزه در حدود ۴، ۷ روز در حدود ۵، ۲۸ روز حدود ۱۲، ۹۱ روز حدود ۲۶ و ۶ ماهه حدود ۳۳ کالری خواهد بود. پس آهنگ گرمازایی آن به‌شدت کم است.
سهم C۲S در مقاومت‌های اولیه (Initial Strength) خمیر سیمان یا بتن بسیار کم ولی در درازمدت بیشتر است.
همانطور که در رابطه واکنش مشاهده می‌شود، C۲S، هیدروکسیدکلسیم (آهک هیدراته یا CH) کم و هیدرات سیلیکاتی (چسب یا CSH) بیشتری را در مقایسه با C۳S تولید می‌کند که نشان‌دهنده راندمان خوب این فاز سیمان است.
خواص و اثرات C۳S
با نام قدیمی Alite (آلیت) و چگالی ۳.۱۵، امروزه در اکثر سیمان‌های پرتلند (Portland Cements) از سهم زیادی برخوردار است (حدود ۱۰±۵۵ درصد).
مجموع C۲S و C۳S در سیمان‌های رایج امروزی در حدود ۱۰±۷۰ درصد می‌باشد که این ترکیبات سیلیکاتی سیمان به لحاظ حجم و وزن بیشترین سهم را دارا هستند.
همچون C۲S، در مورد نتیجه واکنش C۳S با آب، نیز ابهاماتی وجود دارد.
| ۲C۳S | + | ۶H | → | C۳S۲H۳ | + | ۳CH | |
| ۴۵۶ | ۱۰۸ | ۳۴۲ | ۲۲۲ | (جرم مولکولی) | |||
| ۱۰۰ | ۲۴ | ۷۵ | ۴۹ | (با فرض ۱۰۰ گرم C۳S در واکنش) |
گفته می‌شود رابطه می‌تواند به‌شکل زیر باشد:
| ۳C۳S | + | ۱۳H | → | C۵S۳H۹ | + | ۴CH |
گرمای هیدراته‌شدن کامل ۱ گرم C۳S برابر ۱۲۰ کالری (۵۰۰ ژول) است.
C۳S در روز اول حدود ۳۸%، در ۳ روز حدود ۴۶%، در ۷ روز ۵۳%، در ۲۸ روز ۶۲%، در ۹۱ روز ۷۰% و در ۱۸۰ روز حدود ۷۳% هیدراته می‌گردد.
این مقادیر بویژه در سنین پایین با حضور سنگ‌گچ امکان تغییر جزیی دارد.
بنابراین گرمای حاصل از هیدراته شدن C۳S در روز اول ۴۶ کالری، در ۳ روز ۵۵، در ۷ روز حدود ۶۴، ۲۸ روز حدود ۷۵، در ۹۱ روز حدود ۸۴ و در ۱۸۰ روز حدود ۸۸ کالری گرما خواهد بود.
همانطور که دیده می‌شود، با اینکه گرمازایی کل (Total Heat Generation) C۳S در حدود دو برابر C۲S است، اما آهنگ گرمازایی (Heat Generation Rate) آن در روز اول حدود ۱۸ برابر، برای ۳ روز حدود ۱۴ برابر، برای ۷ روز حدود ۱۳ برابر و برای ۲۸ روز حدود ۶ برابر آهنگ گرمازایی C۲S است.
مقدار گرمازایی کل و بویژه آهنگ گرمازایی در ساخت قطعات بتنی حجیم (Mass Concrete Elements) اهمیت زیادی دارد و یکی از راهکارهای رایج، استفاده از سیمان‌هایی با C۳S کمتر و C۲S بیشتر است. این سیمان‌ها جزو سیمان‌های پرتلند کم حرارت (Low Heat Portland Cement) قرار می‌گیرد.
سهم C۳S در مقاومت‌های ۱، ۳ و ۷ روزه و همچنین مقاومت‌های ۲۸ روزه به بعد بسیار زیاد است و از سایر ترکیبات بیشتر می‌باشد.
C۳S مقدار زیادی هیدروکسید کلسیم و مقدار کمتری هیدرات سیلیکاتی در مقایسه با C۲S ایجاد می‌کند و راندمان کمتری دارد اما چون مقدار C۳S بیشتر است، سهم چسبانندگی آن زیادتر می‌باشد.
خواص و اثرات C۳A
فاز آلومیناتی با بلورهای چهارگوشه‌ای است اما در کلینکر معمولا بصورت شیشه‌ای (بی‌شکل یا غیربلوری) منجمد در بین بلورها است و چگالی آن ۳.۰۳ می‌باشد.
امروزه مقدار C۳A در اغلب سیمان‌های پرتلند کمتر از ۱۲ یا حتی کمتر از ۱۰ درصد است اما بدلایل مختلف اهمیت دارد.
واکنش C۳A خالص با آب بسیار شدید است و باعث می‌شود گیرش اولیه (Initial Setting) در زمانی بین ۵ تا ۱۰ دقیقه اتفاق افتد. به همین دلیل، سنگ گچ (Gypsum) به کلینکر اضافه می‌شود.
در کلینکر سیمان، واکنش C۳A با آب در حضور هیدروکسید کلسیم (CH) ناشی از هیدراته‌شدن C۳S، باعث کندی هیدراته شدن C۳A می‌شود.
در سیمان پرتلند، بدلیل وجود سنگ گچ، در ابتدا هیدرات تری‌سولفوآلومینات کلسیم (اترینگایت، Ettringite) توسط C۳A تشکیل می‌شود.
ماده اترینگایت در بتن سخت‌شده منجر به انبساط و ترک می‌گردد اما در خمیر سیمان تازه (Fresh Cement Paste) مشکلی بوجود نمی‌آورد.
اترینگایت پس از ۲ تا ۴ ساعت تجزیه می‌شود و هیدرات مونوسولفوآلومینات کلسیم و سولفات کلسیم ایجاد می‌کند.
برخی معتقدند که در خمیر سیمان هیدراته، نهایتا بلورهای مکعبی پایدار C۳AH۶ پس از تشکیل بلورهای شش وجهی C۴AH۱۲ که ناپایدار است ایجاد می‌شود.
| C۳A | + | ۶H | → | C۳AH۶ | |
| ۲۷۰ | ۱۰۸ | ۳۷۸ | (جرم مولکولی) | ||
| ۱۰۰ | ۴۰ | ۱۴۰ | (با فرض ۱۰۰ گرم C۳A در واکنش) |
هیدرات آلومیناتی در مقایسه با هیدرات سیلیکاتی از چسبندگی کمتری برخوردار است.
گرمازایی نهایی هیدراته‌شدن کامل ۱ گرم C۳A حدود ۲۰۷ کالری (معادل ۸۶۵ ژول) می‌باشد.
آنچه احتمالا در ابتدا در هیدراته‌شدن سیمان پرتلند برای C۳A اتفاق می‌افتد عبارتست از:
| C۳A | + | ۳CS̅H۲ | + | ۲۶H | → | C۶AS̅۳H۳۲ | (هیدرات تری سولفوآلومینات کلسیم یا اترینگایت) |
| C۳A,(3CS̅),H۳۲ |
سپس از ترکیب این اترینگایت (Ettringite) با C۳A، ماده مونوسولفات تشکیل می‌شود.
| C۶AS̅۳H۳۲ | + | ۲C3A | + | ۴H | → | ۳C۴AS̅H۱۲ | (هیدرات مونوسولفوآلومینات کلسیم) |
| C۳A,CS̅,H۱۲ |
به‌نظر می‌رسد در ارتباط با مواد حاصله و فرمول آنها توافقی وجود ندارد. مثلا در اترینگایت بجای H۳۲، گاه مقدار H۳۰ یا H۳۱ دیده می‌شود. همچنین در ترکیب مونوسولفات بجای H۱۲، H۱۳ و H۱۸ آمده است.
نسبت C۳A به سنگ گچ یا SO۳ در سیمان پرتلند اهمیت زیادی در زمان گیرش و نحوه آن دارد که در شکل دیده می‌شود.
بتن (اجزای تشکیل دهنده، ویژگی‌ها، طرح مخلوط، انواع، آزمایش‌ها)
بخش ۳: سیمان پرتلند (خواص و اثرات ترکیبات اصلی)
از آنجا که کیفیت ترکیبات اصلی (Main Compounds) با یکدیگر متفاوت است، تغییرات آنها در سیمان باعث تغییر در کیفیت می‌شود و سیمان‌هایی متفاوت حاصل می‌گردد.
در جدول زیر تفاوت‌های عمده ترکیبات اصلی در خمیر سیمان مشاهده می‌شود و لازم است به خواص و اثرات این ترکیبات اصلی پرداخته شود.
| نام ترکیب اصلی | C۳S | C۲S | C۳A | C۴AF |
| سرعت واکنش | متوسط | آرام | سریع | متوسط |
| سرعت گرمازایی | زیاد | کم | خیلی زیاد | متوسط |
| ارزش چسبانندگی اولیه | خوب | ضعیف | خوب | ضعیف |
| ارزش چسبانندگی نهایی | خوب | خوب | ضعیف | ضعیف |
خواص و اثرات C۲S
درگذشته با نام Belite (بلیت) شناخته می‌شد و دارای چگالی ۳.۲۸ می‌باشد. مقدار آن در اکثر سیمان‌های پرتلند رایج ۱۰±۲۵ درصد وزن سیمان است. هرچه C۲S بیشتر شود، C۳S کمتر خواهد بود.
واکنش C۲S با آب (هیدارته شدن، هیدراسیون، هیدراتاسیون، Hydration) به شکل‌های مختلفی مطرح شده است که نشانه اختلاف اختلاف نظر پژوهشگران می‌باشد.
| ۲C۲S | + | ۴H | → | C۳S۲H۳ | + | CH | |
| ۳۴۴ | ۷۲ | ۳۴۲ | ۷۴ | (جرم مولکولی) | |||
| ۱۰۰ | ۲۱ | ۹۹ | ۲۲ | (با فرض ۱۰۰ گرم C۲S در واکنش) | |||
| هیدرات سیلیکاتی تشکیل شده | هیدروکسید کلسیم (آهک شکفته) |
اغلب اعتقاد دارند که نسبت C به S در هیدرات تشکیل شده، بر اساس آزمایش بجای ۱.۵ برابر ۱.۷ می‌باشد. اینکه آیا دو هیدرات سیلیکاتی وجود دارد که میانگین C به S آنها حدود ۱.۷ می‌باشد یا یک ترکیب با این نسبت وجود دارد، مبهم است، پس بهتر است هیدرات تشکیل شده را با C-S-H یا CSH نشان داد.
رابطه احتمالی دیگر:
| ۳C۲S | + | ۱۰H | → | C۵S۳H۹ | + | CH |
گرمای حاصل از هیدراته شدن کامل ۱ گرم C۲S برابر ۶۲ کالری (معادل ۲۶۰ ژول) می‌باشد.
روند پیشرفت هیدراته‌شدن C۲S و C۳S در کنار روند هیدراته‌شدن C۳A و C۴AF (بدون حضور سنگ گچ) در شکل زیر مشاهده می‌شود.
C۲S در روز اول کمتر از ۴%، در ۳ روز در حدود ۶%، ۷ روز حدود ۸%، ۲۸ روز حدود ۱۸%، ۹۱ روز حدود ۴۲% و در سن ۶ ماهه در حدود ۵۳% هیدراته می‌شود.
بنابراین گرمای حاصل از هیدراته شدن C۲S در روز اول در حدود ۲.۵ کالری، ۳ روزه در حدود ۴، ۷ روز در حدود ۵، ۲۸ روز حدود ۱۲، ۹۱ روز حدود ۲۶ و ۶ ماهه حدود ۳۳ کالری خواهد بود. پس آهنگ گرمازایی آن به‌شدت کم است.
سهم C۲S در مقاومت‌های اولیه (Initial Strength) خمیر سیمان یا بتن بسیار کم ولی در درازمدت بیشتر است.
همانطور که در رابطه واکنش مشاهده می‌شود، C۲S، هیدروکسیدکلسیم (آهک هیدراته یا CH) کم و هیدرات سیلیکاتی (چسب یا CSH) بیشتری را در مقایسه با C۳S تولید می‌کند که نشان‌دهنده راندمان خوب این فاز سیمان است.
خواص و اثرات C۳S
با نام قدیمی Alite (آلیت) و چگالی ۳.۱۵، امروزه در اکثر سیمان‌های پرتلند (Portland Cements) از سهم زیادی برخوردار است (حدود ۱۰±۵۵ درصد).
مجموع C۲S و C۳S در سیمان‌های رایج امروزی در حدود ۱۰±۷۰ درصد می‌باشد که این ترکیبات سیلیکاتی سیمان به لحاظ حجم و وزن بیشترین سهم را دارا هستند.
همچون C۲S، در مورد نتیجه واکنش C۳S با آب، نیز ابهاماتی وجود دارد.
| ۲C۳S | + | ۶H | → | C۳S۲H۳ | + | ۳CH | |
| ۴۵۶ | ۱۰۸ | ۳۴۲ | ۲۲۲ | (جرم مولکولی) | |||
| ۱۰۰ | ۲۴ | ۷۵ | ۴۹ | (با فرض ۱۰۰ گرم C۳S در واکنش) |
گفته می‌شود رابطه می‌تواند به‌شکل زیر باشد:
| ۳C۳S | + | ۱۳H | → | C۵S۳H۹ | + | ۴CH |
گرمای هیدراته‌شدن کامل ۱ گرم C۳S برابر ۱۲۰ کالری (۵۰۰ ژول) است.
C۳S در روز اول حدود ۳۸%، در ۳ روز حدود ۴۶%، در ۷ روز ۵۳%، در ۲۸ روز ۶۲%، در ۹۱ روز ۷۰% و در ۱۸۰ روز حدود ۷۳% هیدراته می‌گردد.
این مقادیر بویژه در سنین پایین با حضور سنگ‌گچ امکان تغییر جزیی دارد.
بنابراین گرمای حاصل از هیدراته شدن C۳S در روز اول ۴۶ کالری، در ۳ روز ۵۵، در ۷ روز حدود ۶۴، ۲۸ روز حدود ۷۵، در ۹۱ روز حدود ۸۴ و در ۱۸۰ روز حدود ۸۸ کالری گرما خواهد بود.
همانطور که دیده می‌شود، با اینکه گرمازایی کل (Total Heat Generation) C۳S در حدود دو برابر C۲S است، اما آهنگ گرمازایی (Heat Generation Rate) آن در روز اول حدود ۱۸ برابر، برای ۳ روز حدود ۱۴ برابر، برای ۷ روز حدود ۱۳ برابر و برای ۲۸ روز حدود ۶ برابر آهنگ گرمازایی C۲S است.
مقدار گرمازایی کل و بویژه آهنگ گرمازایی در ساخت قطعات بتنی حجیم (Mass Concrete Elements) اهمیت زیادی دارد و یکی از راهکارهای رایج، استفاده از سیمان‌هایی با C۳S کمتر و C۲S بیشتر است. این سیمان‌ها جزو سیمان‌های پرتلند کم حرارت (Low Heat Portland Cement) قرار می‌گیرد.
سهم C۳S در مقاومت‌های ۱، ۳ و ۷ روزه و همچنین مقاومت‌های ۲۸ روزه به بعد بسیار زیاد است و از سایر ترکیبات بیشتر می‌باشد.
C۳S مقدار زیادی هیدروکسید کلسیم و مقدار کمتری هیدرات سیلیکاتی در مقایسه با C۲S ایجاد می‌کند و راندمان کمتری دارد اما چون مقدار C۳S بیشتر است، سهم چسبانندگی آن زیادتر می‌باشد.
خواص و اثرات C۳A
فاز آلومیناتی با بلورهای چهارگوشه‌ای است اما در کلینکر معمولا بصورت شیشه‌ای (بی‌شکل یا غیربلوری) منجمد در بین بلورها است و چگالی آن ۳.۰۳ می‌باشد.
امروزه مقدار C۳A در اغلب سیمان‌های پرتلند کمتر از ۱۲ یا حتی کمتر از ۱۰ درصد است اما بدلایل مختلف اهمیت دارد.
واکنش C۳A خالص با آب بسیار شدید است و باعث می‌شود گیرش اولیه (Initial Setting) در زمانی بین ۵ تا ۱۰ دقیقه اتفاق افتد. به همین دلیل، سنگ گچ (Gypsum) به کلینکر اضافه می‌شود.
در کلینکر سیمان، واکنش C۳A با آب در حضور هیدروکسید کلسیم (CH) ناشی از هیدراته‌شدن C۳S، باعث کندی هیدراته شدن C۳A می‌شود.
در سیمان پرتلند، بدلیل وجود سنگ گچ، در ابتدا هیدرات تری‌سولفوآلومینات کلسیم (اترینگایت، Ettringite) توسط C۳A تشکیل می‌شود.
ماده اترینگایت در بتن سخت‌شده منجر به انبساط و ترک می‌گردد اما در خمیر سیمان تازه (Fresh Cement Paste) مشکلی بوجود نمی‌آورد.
اترینگایت پس از ۲ تا ۴ ساعت تجزیه می‌شود و هیدرات مونوسولفوآلومینات کلسیم و سولفات کلسیم ایجاد می‌کند.
برخی معتقدند که در خمیر سیمان هیدراته، نهایتا بلورهای مکعبی پایدار C۳AH۶ پس از تشکیل بلورهای شش وجهی C۴AH۱۲ که ناپایدار است ایجاد می‌شود.
| C۳A | + | ۶H | → | C۳AH۶ | |
| ۲۷۰ | ۱۰۸ | ۳۷۸ | (جرم مولکولی) | ||
| ۱۰۰ | ۴۰ | ۱۴۰ | (با فرض ۱۰۰ گرم C۳A در واکنش) |
هیدرات آلومیناتی در مقایسه با هیدرات سیلیکاتی از چسبندگی کمتری برخوردار است.
گرمازایی نهایی هیدراته‌شدن کامل ۱ گرم C۳A حدود ۲۰۷ کالری (معادل ۸۶۵ ژول) می‌باشد.
آنچه احتمالا در ابتدا در هیدراته‌شدن سیمان پرتلند برای C۳A اتفاق می‌افتد عبارتست از:
| C۳A | + | ۳CS̅H۲ | + | ۲۶H | → | C۶AS̅۳H۳۲ | (هیدرات تری سولفوآلومینات کلسیم یا اترینگایت) |
| C۳A,(3CS̅),H۳۲ |
سپس از ترکیب این اترینگایت (Ettringite) با C۳A، ماده مونوسولفات تشکیل می‌شود.
| C۶AS̅۳H۳۲ | + | ۲C3A | + | ۴H | → | ۳C۴AS̅H۱۲ | (هیدرات مونوسولفوآلومینات کلسیم) |
| C۳A,CS̅,H۱۲ |
به‌نظر می‌رسد در ارتباط با مواد حاصله و فرمول آنها توافقی وجود ندارد. مثلا در اترینگایت بجای H۳۲، گاه مقدار H۳۰ یا H۳۱ دیده می‌شود. همچنین در ترکیب مونوسولفات بجای H۱۲، H۱۳ و H۱۸ آمده است.
نسبت C۳A به سنگ گچ یا SO۳ در سیمان پرتلند اهمیت زیادی در زمان گیرش و نحوه آن دارد که در شکل دیده می‌شود.
وجود مونوسولفات در خمیر سیمان، باعث می‌شود با افزایش سولفات کلسیم داخل خمیر سیمان سخت‌شده (Hardened Cement Paste)، مجددا اترینگایت تشکیل گردد.
| C۴AS̅H۱۲ | + | ۲CS̅ | + | ۲۰H | → | C۶AS̅۳H۳۲ | ||
| C۴AS̅H۱۲ | + | ۲CS̅ | + | ۲S̅ | + | ۱۸H | → | C۶AS̅۳H۳۲ |
یا هیدرات آلومیناتی با سولفات و آهک هیدراته و آب، اترینگایت می‌دهد.
| C۴AH۱۲ | + | ۲CH | + | ۳S̅ | + | ۱۸H | → | C۶AS̅۳H۳۲ |
| C۴AH۱۸ | + | ۲CH | + | ۳S̅ | + | ۱۲H | → | C۶AS̅۳H۳۲ |
به‌دلیل نفوذ سولفات در بتن، انبساط اترینگایت حاصله در خمیر سیمان سخت‌شده موجب می‌شود تنش در خمیر سخت‌شده ایجاد گردد و به‌تدریج با افزایش مقدار اترینگایت، ترک‌خوردگی بوجود آید که به آن خرابی ناشی از حمله سولفاتی می‌گویند.
وجود C۳A مهم‌ترین عامل در ایجاد استعداد برای تخریب ناشی از حمله سولفاتی است و کاهش آن در سیمان به دوام بیشتر خمیر سیمان (در ملات و بتن) در حملات سولفاتی منجر می‌گردد.
وجود C۳A در سیمان پرتلند زمانی‌که نفوذ یون کلرید وجود دارد باعث می‌شود نمک فریدل (Friedel’s salt) تشکیل گردد و عملا یون کلرید به‌صورت مقید شیمیایی (Chemically Bounded) در آید و به‌راحتی ادامه حرکت ندهد و با غلظت زیاد در مجاورت میلگرد قرار نگیرد.
| C۳A.CS̅H۱۲ | + | ۲Cl– | → | C۳A.CCl۲.H۱۲ | + | S̅ |
| نمک فریدل |
بنابراین کم بودن C۳A برای جلوگیری از خرابی ناشی از حمله سولفاتی و زیاد بودن آن برای کاهش غلظت یون کلرید در مناطق خورنده (Corrosive) سواحل دریایی شور و در نتیجه کاهش خوردگی میلگردها (Rebar Corrosion) مفید است.
در سیمان پرتلند و با حضور سنگ‌گچ عملا هیدراته‌شدن آن کندتر می‌شود. با این‌حال در رشد مقاومت‌های اولیه خمیر سیمان (تا حدود ۳ روز) نقش دارد اما در مقاومت درازمدت (بیشتر از یکماه) نقش ناچیزی ایفا می‌کند.
وجود C۳A به افزایش گرمازایی سیمان، بویژه در روزهای اول (تا حدود ۳ روز) کمک می‌کند. بنابراین در مواردی‌که گرمازایی اولیه مطلوب نیست (مانند بتن حجیم) مقدار C۳A باید تا حد امکان در سیمان کاهش یابد.
عدم وجود سنگ گچ در سیمان پرتلند موجب می‌شود C۳A سریع‌تر هیدراته‌شده و ترکیب پایدار بدهد و ساختار اصلی خمیر سیمان را تشکیل دهد و چون چسب ضعیفی محسوب می‌شود، مقاومت نهایی خمیر سیمان سخت‌شده به‌شدت کم می‌شود.
وجود سنگ گچ در سیمان پرتلند هر چند مقاومت ساعت‌ها و روزهای اول تا سوم را کمتر می‌کند، اما باعث می‌شود مقاومت درازمدت خمیر سیمان سخت‌شده در مقایسه با زمانی‌که سنگ گچ وجود ندارد، به‌مراتب بیشتر شود.
خواص و اثرات C۴AF
فاز C۴AF، فاز فریت نام دارد، احتمالا ترکیبی از C۲F و C۶A۲F می‌باشد که نمایش ساده آن C۴AF است. چگالی آن در حدود ۳.۷ می‌باشد.
زیاد بودن C۴AF در سیمان پرتلند و کلینکر باعث می‌شود چگالی ذرات سیمان افزایش یابد.
C۴AF در زمانی‌که خالص است و در سیمان پرتلند نیست و سنگ گچ حضور ندارد، سریعا با آب ترکیب می‌شود و مانند C۳A می‌باشد.
C۴AF در کوره پخت سیمان، نقش گدازآور (Flux) و کمک‌کننده برای تشکیل کلینکر (فاز مایع یا مذاب) را دارد و به پخت بهتر کمک می‌کند.
وجود اکسیدآهن بیشتر به افزایش C۴AF سیمان و تیرگی رنگ آن کمک می‌کند. برای تولید سیمان پرتلند سفید (White Portland Cement) باید مقدار اکسیدآهن و C۴AF بسیار کم باشد. همچنین اکسید منگنز مانند برخی اکسیدهای فرعی ایجاد رنگ می‌کنند.
سنگ گچ در سیمان پرتلند با C۴AF سولفوفریت کلسیم و سولفوآلومینات کلسیم می‌دهد.
محصول نهایی ترکیب آب با C۴AF سیمان احتمالا به‌شکل زیر است:
| C۴AF | + | ۲CH | + | ۱۰H | → | C۳AH۶ | + | C۳FH۳ | |
| ۴۸۶ | ۱۴۸ | ۱۸۰ | ۳۷۸ | ۴۳۶ | (جرم مولکولی) | ||||
| ۱۰۰ | ۳۱ | ۳۷ | ۷۸ | ۹۰ | (با فرض ۱۰۰ گرم C۴AF در واکنش) |
محصول نهایی می‌تواند به‌صورت C۶AFH۱۲ نیز نوشته شود.
گرمازایی هر ۱ گرم C۴AF پس از هیدراته‌شدن برابر ۱۰۰ کالری (معادل ۴۱۸ ژول) می‌باشد.
در سیمان‌پرتلند با توجه به حضور سنگ‌گچ و نیاز به CH برای هیدراته‌شدن C۴AF عملا این هیدراته‌شدن به‌مراتب کندتر از هیدراته‌شدن C۴AF خالص است.
سهم C۴AF در ایجاد مقاومت در روز اول تا سوم می‌تواند محسوس باشد اما برای سنین بیشتر از یک ماه عملا سهم محسوسی ندارد.
بدلایل عنوان شده، سهم C۴AF در گرمازایی روزهای اول چندان چشمگیر نمی‌باشد و محدودیت خاصی برای آن در مورد سیمان‌های مصرفی در بتن حجیم قید نمی‌شود.
گفته می‌شود وجود C۴AF در سیمان پرتلند می‌تواند تا حدودی مانند C۳A باعث ضعف در برابر حمله سولفاتی شود. لذا محدودیتی به‌صورت حاصل‌جمع دو برابر C۳A و C۴AF در سیمان‌های پرتلند ضد سولفات (Sulfate Resistant Portland Cement) مشاهده می‌شود.
برای C۴AF نحوه ترکیب با سنگ‌گچ در کتب عادی ارائه نمی‌شود و از بحث در مورد این فاز به‌دلیل عدم شناخت کافی پرهیز می‌گردد.
وجود مونوسولفات در خمیر سیمان، باعث می‌شود با افزایش سولفات کلسیم داخل خمیر سیمان سخت‌شده (Hardened Cement Paste)، مجددا اترینگایت تشکیل گردد.
| C۴AS̅H۱۲ | + | ۲CS̅ | + | ۲۰H | → | C۶AS̅۳H۳۲ | ||
| C۴AS̅H۱۲ | + | ۲CS̅ | + | ۲S̅ | + | ۱۸H | → | C۶AS̅۳H۳۲ |
یا هیدرات آلومیناتی با سولفات و آهک هیدراته و آب، اترینگایت می‌دهد.
| C۴AH۱۲ | + | ۲CH | + | ۳S̅ | + | ۱۸H | → | C۶AS̅۳H۳۲ |
| C۴AH۱۸ | + | ۲CH | + | ۳S̅ | + | ۱۲H | → | C۶AS̅۳H۳۲ |
به‌دلیل نفوذ سولفات در بتن، انبساط اترینگایت حاصله در خمیر سیمان سخت‌شده موجب می‌شود تنش در خمیر سخت‌شده ایجاد گردد و به‌تدریج با افزایش مقدار اترینگایت، ترک‌خوردگی بوجود آید که به آن خرابی ناشی از حمله سولفاتی می‌گویند.
وجود C۳A مهم‌ترین عامل در ایجاد استعداد برای تخریب ناشی از حمله سولفاتی است و کاهش آن در سیمان به دوام بیشتر خمیر سیمان (در ملات و بتن) در حملات سولفاتی منجر می‌گردد.
وجود C۳A در سیمان پرتلند زمانی‌که نفوذ یون کلرید وجود دارد باعث می‌شود نمک فریدل (Friedel’s salt) تشکیل گردد و عملا یون کلرید به‌صورت مقید شیمیایی (Chemically Bounded) در آید و به‌راحتی ادامه حرکت ندهد و با غلظت زیاد در مجاورت میلگرد قرار نگیرد.
| C۳A.CS̅H۱۲ | + | ۲Cl– | → | C۳A.CCl۲.H۱۲ | + | S̅ |
| نمک فریدل |
بنابراین کم بودن C۳A برای جلوگیری از خرابی ناشی از حمله سولفاتی و زیاد بودن آن برای کاهش غلظت یون کلرید در مناطق خورنده (Corrosive) سواحل دریایی شور و در نتیجه کاهش خوردگی میلگردها (Rebar Corrosion) مفید است.
در سیمان پرتلند و با حضور سنگ‌گچ عملا هیدراته‌شدن آن کندتر می‌شود. با این‌حال در رشد مقاومت‌های اولیه خمیر سیمان (تا حدود ۳ روز) نقش دارد اما در مقاومت درازمدت (بیشتر از یکماه) نقش ناچیزی ایفا می‌کند.
وجود C۳A به افزایش گرمازایی سیمان، بویژه در روزهای اول (تا حدود ۳ روز) کمک می‌کند. بنابراین در مواردی‌که گرمازایی اولیه مطلوب نیست (مانند بتن حجیم) مقدار C۳A باید تا حد امکان در سیمان کاهش یابد.
عدم وجود سنگ گچ در سیمان پرتلند موجب می‌شود C۳A سریع‌تر هیدراته‌شده و ترکیب پایدار بدهد و ساختار اصلی خمیر سیمان را تشکیل دهد و چون چسب ضعیفی محسوب می‌شود، مقاومت نهایی خمیر سیمان سخت‌شده به‌شدت کم می‌شود.
وجود سنگ گچ در سیمان پرتلند هر چند مقاومت ساعت‌ها و روزهای اول تا سوم را کمتر می‌کند، اما باعث می‌شود مقاومت درازمدت خمیر سیمان سخت‌شده در مقایسه با زمانی‌که سنگ گچ وجود ندارد، به‌مراتب بیشتر شود.
خواص و اثرات C۴AF
فاز C۴AF، فاز فریت نام دارد، احتمالا ترکیبی از C۲F و C۶A۲F می‌باشد که نمایش ساده آن C۴AF است. چگالی آن در حدود ۳.۷ می‌باشد.
زیاد بودن C۴AF در سیمان پرتلند و کلینکر باعث می‌شود چگالی ذرات سیمان افزایش یابد.
C۴AF در زمانی‌که خالص است و در سیمان پرتلند نیست و سنگ گچ حضور ندارد، سریعا با آب ترکیب می‌شود و مانند C۳A می‌باشد.
C۴AF در کوره پخت سیمان، نقش گدازآور (Flux) و کمک‌کننده برای تشکیل کلینکر (فاز مایع یا مذاب) را دارد و به پخت بهتر کمک می‌کند.
وجود اکسیدآهن بیشتر به افزایش C۴AF سیمان و تیرگی رنگ آن کمک می‌کند. برای تولید سیمان پرتلند سفید (White Portland Cement) باید مقدار اکسیدآهن و C۴AF بسیار کم باشد. همچنین اکسید منگنز مانند برخی اکسیدهای فرعی ایجاد رنگ می‌کنند.
سنگ گچ در سیمان پرتلند با C۴AF سولفوفریت کلسیم و سولفوآلومینات کلسیم می‌دهد.
محصول نهایی ترکیب آب با C۴AF سیمان احتمالا به‌شکل زیر است:
| C۴AF | + | ۲CH | + | ۱۰H | → | C۳AH۶ | + | C۳FH۳ | |
| ۴۸۶ | ۱۴۸ | ۱۸۰ | ۳۷۸ | ۴۳۶ | (جرم مولکولی) | ||||
| ۱۰۰ | ۳۱ | ۳۷ | ۷۸ | ۹۰ | (با فرض ۱۰۰ گرم C۴AF در واکنش) |
محصول نهایی می‌تواند به‌صورت C۶AFH۱۲ نیز نوشته شود.
گرمازایی هر ۱ گرم C۴AF پس از هیدراته‌شدن برابر ۱۰۰ کالری (معادل ۴۱۸ ژول) می‌باشد.
در سیمان‌پرتلند با توجه به حضور سنگ‌گچ و نیاز به CH برای هیدراته‌شدن C۴AF عملا این هیدراته‌شدن به‌مراتب کندتر از هیدراته‌شدن C۴AF خالص است.
سهم C۴AF در ایجاد مقاومت در روز اول تا سوم می‌تواند محسوس باشد اما برای سنین بیشتر از یک ماه عملا سهم محسوسی ندارد.
بدلایل عنوان شده، سهم C۴AF در گرمازایی روزهای اول چندان چشمگیر نمی‌باشد و محدودیت خاصی برای آن در مورد سیمان‌های مصرفی در بتن حجیم قید نمی‌شود.
گفته می‌شود وجود C۴AF در سیمان پرتلند می‌تواند تا حدودی مانند C۳A باعث ضعف در برابر حمله سولفاتی شود. لذا محدودیتی به‌صورت حاصل‌جمع دو برابر C۳A و C۴AF در سیمان‌های پرتلند ضد سولفات (Sulfate Resistant Portland Cement) مشاهده می‌شود.
برای C۴AF نحوه ترکیب با سنگ‌گچ در کتب عادی ارائه نمی‌شود و از بحث در مورد این فاز به‌دلیل عدم شناخت کافی پرهیز می‌گردد.