سیمان چیست؟

همه ما بارها نام سیمان یا سمنت را شنیده ایم و یا از آن استفاده کرده ایم اما در این مقاله از کلینیک فنی و تخصصی بتن ایران به تاریخچه کشف سیمان و طرز تهیه آن می پردازیم. در این مقاله با تعریف سیمان نیز آشنا می شویم.

اولین بار در تاریخ بشر کاری که در زمینه تهیه مخلوط مصنوعی از سنگ آهک و خاک رس برای تهیه سیمان (آهک آبی) صورت گرفت، در کشور فرانسه و توسط ویکات در ابتدای قرن نوزدهم بود. ویکات، سنگ آهک و خاک رس را با هم مخلوط کرد و سپس به همراه آب این مخلوط را آسیاب نمود و دوغاب حاصله را پخت. گرچه نتیجه حاصله موفقیت آمیز بود، ولی عملا در فرانسه این روش ادامه داده نشده تا اینکه در انگلستان یک بنای آجرچین موفق شد از پختن مخلوطی از سنگ آهک و خاک رس (به نسبت متفاوت و به صورت دوغاب) در درجه حرارت بالا به نوعی آهک آبی فوق العاده جالب دست یابد. وی نام این محصول بدست آمده را سیمان پرتلند گذاشت و در ۲۱ اکتبر ۱۸۲۴ سیمان اختراعی خود را به ثبت رسانید. علت این نامگذاری (سیمان پرتلند) این بود که بتن (سنگ و سیمان مصنوعی) حاصل از این آهک آبی و خرده سنگ شباهت های زیادی (خصوصا از نظر رنگ) با نوعی سنگ سیمان و آهک داشت که در جنوب انگلستان و در جزیره پرتلند یافت می شد. البته این سیمان با آنچه هم اکنون به نام سیمان پرتلند معروف است تفاوت دارد و کاملا مشابه نیست.

کار اسپیدین توسط پسرش ویلیام پیگیری شد و وی توانست در سال ۱۸۴۳ با دست یابی به تکنیک استفاده از درجات حرارت بالاتر و ایجاد حالت عرق کردن در حین پخت به محصولی دست یابد که درصد قابل توجهی از مواد سازنده سیمان و مورد استفاده به صورت گداخته شده و مابقی به صورت پخته شده در آید. منظور از گداخته شدن همان پختن در درجات حرارت بالاست، به طوری که بخشی از مواد در حال پخت به صورت گداخته (مذاب) درآیند. سیمان ساخته شده توسط ویلیام اسپیدین واقعا بهتر و عالی تر از سیمان های قبلی بوده و دارای مقاومت بیشتری بود. از این سیمان بتن در ساختمان جدید پارلمان انگلستان (۱۸۴۰_۱۸۵۲) استفاده گردید.

سیمان را از چه می سازند
مواد سیمان را از چه می سازند
سیمان چیست و اجزای تشکیل دهنده سیمان کدام است؟

سیمان از چه موادی تشکیل شده؛ سیمان پودری است که از سنگ آهک و خاک رس تولید می شود و از مخلوط آن با مصالح سنگی دیگر خصوصا ماسه، شن و سنگ برای ساخت انواع ملات و بتن استفاده می گردد. مواد اولیه سیمان و قسمت عمده سیمان مصرفی از نوع سیمان پرتلند می باشد، که به آن سیمان پرتلند معمولی یا OPC13 نیز وجود ندارند که اکثرا در کارهای اجرایی در لایه های زیر سطحی استفاده می شود و همین طور سیمان با آلومینای بالا HAC15.

کاربرد سیمان در بتن

سیمان در بتن کاربرد دارد و وظیفه آن صرفا چسباندن دانه ها به یکدیگر است و به خودی خود تاثیری در مقاومت و باربری ندارد. از این رو بتن خوب بتنی است که وقتی نمونه ای از آن شکسته شود، دانه های سنگی آن از وسط شکسته شده و سیمان ها پاره نشود. سیمان ها دارای ریشه آهکی می باشند. به عبارت دیگر ماده اصلی سیمان و مواد تشکیل دهنده سیمان آهک و ماده اولیه اصلی تولید سیمان، سنگ آهک است. بر این اساس سیمان ترکیبی است از اکسید کلسیم (آهک) با سایر اکسیدها نظیر اکسید آلومینیوم، اکسید سیلیسیم، اکسید آهن، اکسید منیزیم و اکسید های قلیایی که میل ترکیب سیمان با آب داشته و در مجاورت هوا و در زیر آب به مرور سخت می گردد و دارای مقاومت می شود.

با توجه به مشخصه فوق سیمان می تواند دارای ترکیبات متفاوتی باشد و اصولا جزو ملات های آبی محسوب می گردد. ملات های آبی از دوران گذشته شناخته شده بودند. از جمله این ملات ها آهک است که مصری ها و یونانی ها با مخلوط کردن آن با خاکستر آتشفشانی، خاک آجر و آب به نوعی آهک آبی دست می یافتند که خاصیت سخت شدن و فشار پذیری داشت. با به کار بردن این ساروج رومی ها توانسته اند ساختمان های عظیمی بسازند که هنوز بقایای آن ها پس از گذشت چند هزار سال پا بر جا و قابل مشاهده باشد. سیمان معمولا در بسته های ۵۰ کیلوگرمی به فروش می رسد، هر چند مصرف کنندگان بزرگ تجاری مانند کارخانه های ساخت بتن و کارخانه های قطعات بتنی پیش ساخته فله استفاده می کنند و حمل آن توسط تانکرهای خاصی صورت می گیرد. جهت اطلاع از قیمت و نحوه خرید سیمان با کارشناسان کلینیک بتن ایران در تماس باشید.

خصوصیات انواع سیمان

سیمان به عنوان یکی از مواد تشکیل ‌دهنده ‌ی بتن، نقش مهم در ایجاد ویژگی ‌ها و خصوصیات مختلف برای آن داراست. امروزه انواع بسیار زیادی از سیمان تولید می‌ شود که هر کدام مختص یک یا چندین هدف می ‌باشد. بنابراین بسیار ضروری است که با انواع سیمان و کاربرد‌ های آن آشنایی لازم را داشت.
انواع سیمان

در این نوشتار به معرفی ۱۲ نوع از سیمان‌ های رایج و پرکاربرد می ‌پردازیم که عبارتند از:

سیمان زود سخت شونده
سیمان تندگیر
سیمان با تولید حرارت کم
سیمان با مقاومت سولفاتی بالا
سیمان تشکیل شده از سرباره کوره
سیمان با آلومینای بالا
سیمان سفید
سیمان رنگی
سیمان پوزولانی
سیمان هوازا
سیمان منبسط شونده
سیمان هیدروگرافیک

۱. سیمان زود سخت شونده

سیمان زود سخت شونده (Rapid Hardening Cement) سیمانی است که در همان روزهای اولیه‌ ی ترکیبش با آب به سرعت سفت می‌ شود و مقاومت کسب می‌ کند. این سیمان از لحاظ ویژگی‌ های دیگر شبیه سیمان پرتلند معمولی است. این سیمان دارای مقدار C3S بیشتری نسبت به دیگر سیمان ‌هاست که همین موضوع باعث می‌شود تا سرعت کسب مقاومت آن بالاتر باشد.
مقاومت کسب شده توسط این سیمان در ۳ روز اول مشابه مقاومت کسب شده توسط سیمان پرتلند معمولی در ۷ روز اول با نسبت آب به سیمان مشابه می ‌باشد. به علاوه این که استفاده از این سیمان می‌ تواند سرعت ساخت و ساز را افزایش و هزینه‌ های پروژه را کاهش دهد.

۲. سیمان تندگیر

فرق میان سیمان تندگیر (Quick Setting Cement) و سیمان زود سخت شونده آن است که گیرش آن نسبت به سیمان معمولی سریع‌ تر است. اما میزان مقاومت کسب شده توسط آن مشابه سیمان معمولی است. در حالی که سیمان زود سخت شونده، کسب مقاومتش هم سریع ‌تر است. استفاده از سیمان تندگیر برای بتن‌ ریزی در آب ‌های ساکن یا جاری معمول و مرسوم است.

۳. سیمان با تولید حرارت کم

با کاهش آلومینات در سیمان به زیر شش درصد و افزایش نسبت C2S در آن، سیمان کم حرارت Low Heat Cement)) تولید می ‌شود. استفاده از این سیمان برای پروژه‌ هایی که بتن ‌ریزی‌ های عظیمی دارند، همانند سد های بتنی معمول است، چرا که تولید حرارت در چنین پروژه ‌هایی بسیار بالاست و می تواند مشکل ‌ساز باشد. همچنین این سیمان نسبت به سولفات ‌ها مقاومت بیشتری دارد (در مقایسه با سیمان معمولی) و زمان گیرش اولیه آن نیز طولانی ‌تر است.

۴. سیمان مقاوم در برابر سولفات‌ ها

با استفاده از این سیمان احتمال و خطر حملات سولفاتی تا حد زیادی کاهش می‌ یابد؛ از این رو هنگامی که فنداسیون بر روی خاکی با مقدار بالای سولفات بنا می ‌شود، از این نوع سیمان استفاده می‌ شود. در این سیمان میزان C3A و C4AF نسبت به سیمان معمولی کاهش داشته است. همچنین در پروژه‌ هایی که بتن در آن در معرض آب دریا قرار دارد نیز از این سیمان استفاده می‌ شود.

۵. سیمان تشکیل شده از سرباره کوره

این نوع سیمان با جایگزینی ۶۰ درصد از کلینکرهای سیمان با سرباره‌ ی کوره تولید می‌ شود و تمام ویژگی‌ هایش تقریبا شبیه سیمان پرتلند معمولی است. از این سیمان برای کاهش هزینه ‌ها و اهداف اقتصادی استفاده می ‌شود.
با ترکیب و ذوب کردن مواد بوکسیت، آهک و کلینکر با یکدیگر، سیمان با آلومینای بالا تولید می ‌شود. گیرش اولیه و گیرش نهایی این نوع سیمان به ترتیب ۳٫۵ و ۵ ساعت طول می ‌کشد. بنابراین این سیمان جزو سیمان‌ های زود سخت شونده نیز محسوب می ‌شود. مقاومت فشاری این نوع سیمان بسیار بالاست و کارایی آن در مقایسه با سیمان پرتلند معمولی بیشتر می ‌باشد. در مناطقی که سازه تحت تاثیر عواملی همچون دمای بالا، یخ زدگی و حملات اسیدی قرار دارد، استفاده از این نوع سیمان توصیه می ‌شود.

۷. سیمان سفید

این سیمان از مواد خام گرفته شده از اکسید آهن تشکیل شده و ویژگی‌ های آن کاملا شبیه سیمان پرتلند معمولی است. تنها تفاوت میان آن ‌ها در رنگشان است. این نوع سیمان گران ‌تر است و بیشتر به خاطر اهداف معماری و زیبایی در پروژه‌ ها به کار برده می شود. به طور مثال در ساخت کرتین وال ‌های پیش ساخته، پنل ‌ها و طراحی دکوراسیون داخلی و خارجی ساختمان ‌ها.

۸. سیمان‌ های رنگی

با اضافه کردن میزان ۵ تا ۱۰ درصد رنگدانه ‌های معدنی به سیمان معمولی پرتلند، رنگ آن تغییر می ‌کند. ویژگی ‌های دیگر این نوع سیمان تفاوتی با سیمان پرتلند معمولی ندارد. همان طور که شاید حدس زده باشید، استفاده از این نوع سیمان بیشتر اهداف دکوراتیو و زیبایی شناسی دارد.

ماده اصلی تشکیل دهنده سیمانماده اصلی تشکیل دهنده سیمان

۹. سیمان پرتلند پوزولانی

سیمان پوزولانی سیمانی است که در رویه‌ ی تولید آن، پوزولان با کلینکرهای پرتلند ترکیب می‌ شود. همچنین ممکن است در این پروسه مقداری گچ یا کلسیم سولفات نیز به این ترکیب اضافه شود. این سیمان به خاطر ویژگی ‌های شیمیایی ‌اش، در برابر حملات شیمیایی مختلف مقاومت بسیار بالایی دارد و به همین دلیل، استفاده از آن روز به روز گسترده تر می‌ شود. از این نوع سیمان در سازه‌ های دریایی، فاضلاب ‌ها، سد‌ها، پل‌ ها و غیره استفاده می ‌شود.

۱۰. سیمان هوازا

با اضافه کردن افزودنی‌ های هوازا همچون رزین ‌ها، چسب ‌ها، نمک‌ های سدیمی سولفات و غیره در هنگام تولید کلینکر، سیمان هوازا تولید می ‌شود. از این نوع سیمان برای افزایش کارایی بتن در مواقعی نسبت آب به سیمان در آن کم است و همچنین افزایش مقاومت در برابر یخ زدگی استفاده می‌ شود. همان طور که احتمالا می ‌دانید، آب ویژگی خاصی دارد که بر مبنای آن هنگامی که منجمد می ‌شود، حجمش افزایش پیدا می ‌کند. هوازایی در بتن باعث می‌ شود تا آب در هنگام منجمد شدن جا برای افزایش حجم داشته باشد.

۱۱. سیمان منبسط شونده

این نوع سیمان با گذر زمان انبساط می ‌یابد و هیچ گونه جمع شدگی در آن، چه در هنگام و چه پس از سخت شدن، رخ نمی ‌دهد. از این سیمان به طور گسترده برای ساخت داکت‌ های پیش ‌تنیده استفاده می ‌شود.

۱۲. سیمان هیدروگرافیک

سیمان هیدروگرافیک با افزودن مواد شیمیایی کاهنده‌ ی آب به سیمان تولید می ‌شود و کارایی و مقاومت آن نسبت به سیمان پرتلند معمولی بالاتر می ‌باشد. این سیمان همچنین در برابر بارندگی و باران ‌های موسمی مقاوم است و مشکلی خاصی ندارد. از این سیمان به طور گسترده برای ساخت سازه‌ های آبی هم چون سدها، مخازن آب، آب‌ راه‌ ها، سازه‌ های نگهدارنده‌ ی آب و غیره استفاده می شود.

ترکیبات شیمیایی سیمان

مواد خام مورد مصرف در تولید سیمان در هنگام پخت با هم واکنش نشان داده و ترکیبات دیگری را بوجود می آورند. معمولا چهار ترکیب عمده به عنوان عوامل اصلی و مواد تشکیل دهنده سیمان در نظر گرفته می شوند که عبارتند از:

تری کلسیم سیلیکات (۳O2=C3S)
دی کلسیم سیلیکات ( ۲CaOSiO2=C2S)
تری کلسیم آلومینات (۳CaOAl2O3=C3A)
تترا کلسیم آلومینو فریت (۴CaOAl2O3Fe2O3)

سیلیکات های C3S و C2S مهم ترین ترکیبات سیمان در ایجاد مقاومت خمیر سیمان هیدراته می باشند. در واقع سیلیکات ها در سیمان، ترکیبات کاملا خالصی نیستند، بلکه دارای اکسید های جزیی به صورت محلول جامد نیز می باشند. این اکسید ها اثرات قابل ملاحظه ای در نحوه قرار گرفتن اتم ها، فرم بلوری و خواص هیدرولیکی سیلیکات ها دارند.

۱) تری کلسیم سیلیکات

این ماده سریعا وارد واکنش های شیمیایی شده و بتن را سفت می کند. C3S در هنگام ترکیب با آب گرمای زیادی ایجاد می کند. (۱۲۰ کالری بر گرم). این ماده نقشی در مقاومت سیمان ندارد و در برابر حمله ی سولفات ها که منجر به سولفو آلومینات کلسیم می شود نیز مشکلاتی به بار می آورد، اما وجود آن در مراحل تولید، ترکیب آهک و سیلیس را تسهیل می کند.

۲) دی کلسیم سیلیکات

خصوصیات C2S برخلاف C3S می باشد بدین معنی که گیرش اولیه دی کلسیم سیلیکات کم است و بعد از ۲ تا ۷ روز و حتی تا یک ماه به تدریج وارد عملیات شیمیایی می شود (به عبارت دیگر دیرگیر است). این ماده در هنگام گرفتن گرمای کمی تولید می کند. (حدود ۶۲ کالری بر گرم)

۳) تری کلسیم آلومینات:

این ماده همان خواص C3S را دارد بدین معنی که در گیرش اولیه سیمان دخالت می کند و از طرفی مقاومت بتن را در مقابل حمله ی سولفات ها می کاهد. در هنگام گیرش گرمای بیشتری نسبت به سایر اجزای سیمان تولید می کند (۲۱۰ کالری بر گرم)

۴) تترا کلسیم آلومینوفریت:

از نظر گیرش حد متوسط را دارد و حدود ۱۰۰ کالری بر گرم گرما آزاد می کند. میزان C4AF در سیمان در مقایسه با سه ترکیب دیگر کمتر است و تاثیر زیادی در رفتار سیمان ندارد ولی در واکنش با گچ، سولفوفریت کلسیم را می سازد و وجود آن به هیدراسیون سیلیکات ها شتاب می بخشد. ترکیبات دیگری نیز در سیمان وجود دارند که از نظر وزن قابل ملاحظه نیستند ولی تاثیرات قابل ملاحظه ای در خواص سیمان دارند که عمدتا عبارتند از: MgO، TiO2، Mn2O3، K2O ،NaO2 که اکسید های سدیم و پتاسیم به نام اکسید های قلیایی شناخته شده اند. آزمایش ها نشان داده است که این قلیایی ها با بعضی سنگ دانه ها واکنش داده اند و حاصل این واکنش باعث تخریب بتن شده است. البته قلیایی ها در مقاومت بتن نیز اثر دارند.

ساختار مولکولی سیمان

بیش از ۲ هزار سال است که بشر با اشکال گوناگونی از سیمان آشنا شده و در این مدت طیف گسترده ‌ای از سازه‌ های سیمانی و بتونی را نیز با استفاده از این ماده ارزشمند ارائه کرده است، اما همواره ساختار سیمان و چرایی استحکام خیره‌ کننده آن در ترکیب با آب برای دانشمندان معمایی بزرگ بوده است. اکنون این معما حل شده است. دانشمندانی در دانشگاه MIT با انجام مطالعاتی گسترده در این خصوص متوجه حقایق تازه ای درباره ساختار کریستالی این ماده شده ‌اند که در ابعاد اتمی و در ترکیب با ساختار مولکولی آب، ترکیب مستحکمی را خلق می‌کند. در حقیقت استحکام سیمان در ترکیب با آب برای دانشمندان همواره عجیب و بحث برانگیز بوده است.
البته در گذشته تلاش ‌هایی درخصوص رمزگشایی از این معما صورت گرفته و مشخص شده بود که در سطوح اتمی، هیدرات‌ های سیمان در برگیرنده مولکول‌ های سیلیکایی است که در استحکام بالای این ماده در ترکیب با آب نقش قابل توجهی را ایفا می‌کند، اما اکنون تیمی از دانشمندان دانشگاه MIT دریافته ‌اند مولکول ‌های سیلیکای مورد نظر به شکل کریستال نیستند و این در حالی است که تاکنون اینگونه تصور می ‌شد است. بررسی ‌های دقیق این دانشمندان نشان می ‌دهد این ترکیب در حقیقت هیبریدی است که برخی از ویژگی ‌های ساختار کریستالی و همچنین برخی مشخصه ‌های ساختار بی ‌شکل موادی نظیر شیشه یا یخ را در خود دارد. به نظر می ‌رسد اکنون و با تکیه بر یافته‌ هایی از این دست، راهکارهای تازه‌ ای برای استفاده گسترده ‌تر از این ماده در صنایع ساختمان‌ سازی سراسر جهان ارائه شود و در عین حال از نقش آن در افزایش آلاینده‌ های زیست ‌محیطی از جمله دی ‌اکسید کربن کاسته شود. در حال حاضر صنایع سیمان ‌سازی جهان سهم ۵ درصدی در تولید آلاینده ‌ای همچون دی ‌اکسید کربن اتمسفر زمین دارد.