بتن (اجزای تشکیل دهنده، ویژگی‌ها، طرح مخلوط، انواع، آزمایش‌ها)
بخش ۱۲: سیمان پرتلند (آزمایش‌های سیمان – قسمت سوم)
ریزی سیمان (Cement Fineness)
سیمان مانند هر ماده دیگر، اگر ریزتر آسیاب شود، سریع‌تر در آب حل یا با آن ترکیب می‌شود زیرا سطح ویژه (جانبی) آن بیشتر و سطح آبخور آن زیادتر می‌گردد.
هرچه سیمان ریزتر (نرم‌تر) باشد، هیدراته‌شدن تسریع می‌گردد. انتظار می‌رود گیرش، سریع‌تر اتفاق افتد و مقاومت‌های اولیه بیشتری حاصل گردد. اما نقش چندانی در مقاومت‌های درازمدت ندارد.
بدلیل ریزی بیشتر، برای کنترل زمان گیرش، نیاز به سنگ‌گچ بیشتری می‌باشد. ضمنا باید محدودیت‌های مصرف سنگ‌گچ را رعایت نمود.
بدلیل ریزی بیشتر نیاز به آب بیشتر برای ایجاد روانی و دستیابی به خمیر نرمال (استاندارد) وجود دارد. این امر می‌تواند به ازای سیمان ثابت، نسبت آب به سیمان برای ایجاد روانی ثابت را افزایش دهد که به نوعی به کاهش مقاومت منجر می‌گردد.
با افزایش سرعت واکنش آب و سیمان، مسلما آهنگ گرمازایی سیمان افزایش می‌یابد. بدیهی است گرمازایی کل در سیمان با افزایش ریزی، تغییر محسوسی نخواهد داشت.
بهتر است در قطعات بتن حجیم که سرعت و مقدار زیاد گرمازایی می‌تواند به تنش حرارتی و ترک‌خوردگی منجر شود از سیمان‌هایی استفاده شود که حداقل ریزی را دارا باشد و ریز کردن زیاد مطلوب نیست.
ریزی زیاد سیمان می‌تواند جمع‌شدگی خمیر سیمان، ملات و بتن را افزایش دهد و احتمال ترک‌خوردگی را بیشتر نماید.
ریزی سیمان یک ویژگی کنترلی اجباری فیزیکی غیرعملکردی است.
در ابتدا اندازه‌گیری ریزی (نرمی) سیمان با الک انجام می‌شد و درصد مانده روی الک خاصی مانند ۹۰ میکرون بدست می‌آمد که نشانه میزان ریز آسیاب شدن آن بود.
بعدا مشخص شد که دانه‌بندی سیمان مهم‌تر از درصد مانده روی یک الک معین است. سپس روشن شد که سطح جانبی ذرات سیمان در ارتباط با واکنش با آب اهمیت دارد و لازم است سطح ویژه سیمان اندازه‌گیری شود.
همچنین روش‌های اندازه‌گیری سطح جانبی ذرات بر اساس دانه‌بندی به روش ته‌نشینی بوجود آمد که نوعی از آن به نام روش واگنر بود و در استاندارد ASTM C115 نیز وجود دارد.
امروزه در بیشتر استانداردهای مشخصات سیمان، اندازه‌گیری سطح جانبی ذرات به کمک نفوذ هوا به روش بلین (Blaine) وجود دارد. این روش در ASTM C204 و EN 196-6 و استاندارد ملی ۳۹۰ آمده است. مبنای این روش مقایسه نفوذ هوا در سیمان موردنظر با سیمان با ریزی مشخص می‌باشد. بنابراین نمی‌توان به سادگی و مستقیم، ریزی (سطح ویژه) را بدست آورد.
روش نفوذ هوا انواع دیگری نیز دارد که در ایران مرسوم نیست. همچنین روش جذب ازت و اندازه‌گیری ابعاد ذرات به کمک لیزر و غیره نیز وجود دارد که در ویژگی‌های استاندارد سیمان هنوز به آنها اشاره نشده است.
در استاندارد ASTM و ۳۸۹ ایران برای سیمان پرتلند، حداقل سطح ویژه، ۲۶۰۰ سانتی‌مترمربع بر هر گرم قید شده است. در استاندارد اروپا، محدودیتی برای ریزی سیمان وجود ندارد. در استاندارد ۱-۱۷۵۱۸ ایران، محدودیت نرمی برای رده‌های مختلف مقاومتی وجود دارد. حداقل مقدار ریزی سیمان در این استاندارد، ۲۸۰۰ سانتی‌مترمربع بر هر گرم تعیین شده است.
برای سیمان‌های آمیخته در ASTM و ۳۸۹ ایران، ریزی محدودیتی ندارد و فقط برای پوزولان یا سرباره مصرفی، حداکثر باقیمانده روی الک ۴۵ میکرون، محدود شده است. در استاندارد سیمان اروپا، برای خاکستر بادی و پودر سنگ، محدودیت ریزی وجود دارد.
در استاندارد ASTM C1157 که ویژگی‌های عملکردی قید شده است محدودیتی برای ریزی وجود ندارد.
مقاومت فشاری سیمان
برای تعیین مقاومت فشاری سیمان، ملات خاصی بنام ملات استاندارد با ماسه و سیمان ساخته می‌شود. ماسه مصرفی در این ملات را ماسه استاندارد می‌نامند. ماسه استاندارد آمریکایی با ماسه استاندارد اروپایی یا ISO یا ایران تفاوت فاحشی دارد. کما اینکه ملات استاندارد ASTM با ملات استاندارد ISO (اروپا و ایران) تفاوت اساسی دارد و نحوه ساخت و قالب‌گیری، نگهداری و شکل و ابعاد آزمونه‌ها و نحوه تعیین مقاومت آنها نیز متفاوت است. بنابراین مقایسه مقاومت‌ها در این دو دسته استاندارد نادرست است.
مقاومت فشاری سیمان یک ویژگی کنترلی اجباری فیزیکی مکانیکی عملکردی است و مهم‌ترین ویژگی مکانیکی سیمان می‌باشد و باید حداقل لازم را در سنین مشخص تامین نماید.
در استاندارد ASTM C109، از ماسه استاندارد طبق ASTM C778 استفاده می‌شود که ماسه سیلیسی کوارتزی نسبتا خالص عمدتا گردگوشه رودخانه‌ای است و ماسه استاندارد اتاوا نیز نام دارد.
دانه‌بندی ماسه اتاوا برای مقاومت فشاری سیمان
| الک (م.م.) | ۱.۱۸ | ۰.۶ | ۰.۴۲۵ | ۰.۳ | ۰.۱۵ |
| درصد گذرنده تجمعی | ۱۰۰ | ۹۶-۱۰۰ | ۶۵-۷۵ | ۲۰-۳۰ | ۰-۴ |
طبق این استاندارد، برای تهیه ۶ و ۹ قالب مکعبی ۵ سانتی‌متری، مقادیر زیر بکار می‌رود و برای سیمان‌های خاص مقدار آب به میزانی است که روانی ۵±۱۱۰ میلی‌متر با میز روانی (سیلان) بدست آید.
| سیمان (گرم) | ماسه (گرم) | آب (گرم) | ||
| سیمان پرتلند | سیمان حبابزا | |||
| ۶ قالب | ۵۰۰ | ۱۳۷۵ | ۲۴۲ | ۲۳۰ |
| ۹ قالب | ۷۴۰ | ۲۰۳۵ | ۳۵۹ | ۳۴۰ |
بنابراین نسبت آب به سیمان برای سیمان پرتلند ۰.۴۸۵ و برای سیمان حبابزا ۰.۴۶ و برای سایر سیمان‌ها نامشخص است!
طبق دستور استاندارد، ملات مخلوط می‌شود و در قالب‌ها با یک کوبه خاص بصورت دستی در دو لایه متراکم می‌شود و یک روز در اتاق مرطوب و سپس در آب اشباع از آهک با دمای ۲۳ درجه نگهداری می‌گردد و سپس از طرفی که با قالب در تماس بوده است زیر صفحه‌های جک قرار می‌گیرد و با سرعت خاصی بارگذاری و شکسته می‌شود و مقاومت متوسط سه آزمونه آن در هر سن مشخص با دقت MPa 0.1 گزارش می‌گردد.
حداقل مقاومت فشاری ملات ماسه سیمان استاندارد در استاندارد ASTM C150 برای انواع سیمان پرتلند و در استاندارد ASTM C595 برای سیمان‌های آمیخته و در استاندارد مشخصات عملکردی سیمان‌های هیدرولیکی ASTM C1157 داده شده است که قابل مقایسه با استاندارد ایران نیست.
در استاندارد ۳۹۳ ایران، دستور تهیه و ساخت ملات استاندارد و قالب‌گیری و نگهداری و آزمایش مقاومت فشاری آن ارائه شده است. در این دستور از ماسه استاندارد ۳۰۴۰ ایران استفاده می‌گردد.
ماسه استاندارد مرجع، ماسه طبیعی سیلیسی گردگوشه با حداقل ۹۸% سیلیس و کمتر از ۰.۲ درصد رطوبت است که دانه‌بندی آن بصورت زیر است.
| الک (م.م.) | ۲.۰۰ | ۱.۶۰ | ۱.۰۰ | ۰.۵ | ۰.۱۶ | ۰.۰۸ |
| درصد گذرنده تجمعی | ۱۰۰ | ۹۳±۵ | ۶۷±۵ | ۳۳±۵ | ۱۳±۵ | ۱±۱ |
برای تهیه سه منشور ۱۶۰×۴۰×۴۰ میلی‌متر، مقادیر زیر بکار می‌رود و نسبت آب به سیمان همواره ۰.۵ است.
| سیمان (گرم) | ماسه (گرم) | آب (گرم) | |
| ۳ منشور | ۴۵۰±۲ | ۱۳۵۰±۵ | ۲۲۵±۱ |
ملات طبق دستور استاندارد مخلوط می‌شود و سپس در قالب منشوری با دستگاه تقه‌زن خاص متراکم می‌گردد. قالب‌ها ۲۴ یا ۴۸ ساعت در اتاق مرطوب نگهداری و سپس در آب با دمای ۱±۲۰ درجه نگهداری می‌شود.
در سن موردنظر، آزمونه‌ها (۳ عدد) بصورت خمشی شکسته می‌شود و روی ۶ قسمت حاصله، آزمایش مقاومت فشاری به کمک صفحاتی به ابعاد ۴۰×۴۰ میلی‌متر انجام می‌گیرد و میانگین گزارش می‌گردد.
سرعت (نرخ یا آهنگ) بارگذاری برای شکستن ملات در استاندارد ایران نیز با استاندارد ASTM متفاوت است.
معمولا مقاومت‌های فشاری ملات استاندارد ایران بیشتر از مقاومت فشاری ملات استاندارد ASTM می‌باشد.
از آنجا که در ساخت ملات ماسه سیمان استاندارد، همه اجزا و کیفیت آن بجز کیفیت سیمان ثابت است، تغییر مقاومت نشانه تغییر کیفیت سیمان از نظر مقاومتی می‌باشد و مقایسه آن با حداقل مجاز، انطباق کیفیت مقاومتی سیمان با ویژگی‌های استاندارد را نشان می‌دهد.