سیمان چیست؟
همه ما نام سیمان را بارها شنیده‌ایم و یا از آن استفاده کرده‌ایم اما در این مقاله، شرکت بهینه پی سازه افروز، به تاریخچه کشف سیمان و طرز تهیه آن می‌پردازد. در این مقاله با تعریف سیمان نیز آشنا می‌شویم.
نخستین بار کاری که در زمینه تهیه مخلوط مصنوعی از سنگ آهک و خاک رس برای تهیه سیمان یا به اصطلاح آهک آبی صورت گرفت، در کشور فرانسه و توسط شخصی به نام ویکات در اوایل قرن نوزدهم بود. او سنگ آهک و خاک رس را با هم ترکیب کرد و پس از آن به همراه آب این مخلوط را آسیاب نمود و دوغاب حاصل شده را پخت. اگرچه نتیجه حاصله موفقیت آمیز بود، اما در فرانسه این کار پس از آن تکرار نشد تا اینکه در انگلستان یک سازنده‌ی آجرچین به نام اسپیدین موفق شد از پختن مخلوطی از سنگ آهک و خاک رس (به میزان متفاوت و به صورت دوغاب) در درجه حرارت بالا به نوعی آهک آبی فوقالعاده جالب دست یابد. او نام این محصول بدست آمده را سیمان پرتلند گذاشت و در 21 اکتبر 1824 سیمان اختراعی خود را به ثبت رساند. 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 شبیه به هم نیستند.
کار اسپیدین توسط پسرش ویلیام پیگیری شد و او توانست در سال 1843 با دست یابی به تکنیک استفاده از حرارت بالاتر و ایجاد حالت عرق کردن در زمان 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 سیمان‌های قبلی و با مقاومت بیشتری بود. از این سیمان بتن در هنگام ساخت، ساختمان جدید پارلمان انگلستان (1840_1852) استفاده شد.
سیمان از چه موادی تشکیل شده است: سیمان پودری است که از سنگ آهک و خاک رس ساخته میشود و از مخلوط آن با مصالح سنگی دیگر خصوصا ماسه، شن و سنگ برای ساختن انواع ملات و بتن استفاده می‌گردد. مواداولیه سیمان و قسمت عمده سیمان مصرفی از نوع سیمان پرتلند است، که به آن سیمان پرتلند معمولی یا OPC13 نیز وجود ندارند که اکثرا در کارهای اجرایی در لایه‌های زیر سطحی استفاده میشود و همین طور سیمان با آلومینای بالا HAC15.
سیمان چیست؟
تاریخچه کشف سیمان
سیمان در تولید بتن استفاده میشود و وظیفه آن 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 نمونه‌ای از آن شکسته شود، دانه های سنگی آن از وسط شکاف نخورد و سیمان‌ها پاره نشوند. سیمان ها دارای ریشه آهکی می‌باشند. به عبارت دیگر ماده اصلی سیمان و مواد تشکیل دهنده سیمان آهک و 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 می‌گردد و دارای مقاومت زیادی میشود.
با توجه به مشخصه فوق، سیمان می‌تواند دارای ترکیبات متفاوتی باشد و اصولا جزو ملات‌های آبی محسوب می‌گردد. ملات‌های 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 می‌یافتند که خاصیت سخت شدن و فشار پذیری داشت. با به کار بردن این ساروج رومی‌ها توانسته‌اند ساختمان‌های عظیمی بسازند که هنوز بقایای آن‌ها پس از گذشت چندین هزار سال پا بر جا و قابل مشاهده باشد. سیمان معمولا در بسته‌های 50 کیلوگرمی به فروش می‌رسد، هر چند مصرف کنندگان بزرگ تجاری مانند کارخانه‌های ساخت بتن و کارخانه‌های قطعات بتنی پیش ساخته فله استفاده می کنند و حمل آن توسط تانکرهای خاصی صورت می‌گیرد.
سیمان چیست؟
تاریخچه کشف سیمان
سیمان به عنوان یکی از مواد تشکیل دهنده‌ی بتن، نقش بسیار مهمی در ایجاد ویژگی ها و خصوصیات مختلف برای آن دارد. امروزه سیمان انواع مختلفی دارد که هر کدام مختص یک یا چندین هدف است. بنابراین بسیار ضروری است که با انواع سیمان و کاربرد‌های آن‌ها آشنایی لازم را داشته باشیم. در این نوشتار به معرفی ۱۲ نوع از سیمان های رایج و پرکاربرد می پردازیم.
سیمان زود سخت شونده، سیمانی است که در همان روزهای اولیه ی ترکیب شدن با آب به سرعت سفت میشود و مقاومتش بالا می‌رود. این سیمان از لحاظ ویژگیهای 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 ابتدایی 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.
فرق میان سیمان تندگیر و سیمان زود سخت شونده آن است که گیرش آن نسبت به سیمان معمولی سریع تر می‌باشد. اما میزان مقاومت کسب شده توسط آن مشابه سیمان معمولی است. در حالی که سیمان زود سخت شونده، کسب مقاومتش هم سریع‌تر است. استفاده از سیمان تندگیر برای بتن ریزی در آب‌های ساکن یا جاری بسیار رایج است.
با کاهش آلومینات در سیمان به زیر شش درصد و افزایش نسبت C2S در آن، سیمان کم حرارت تولید میشود. استفاده از این سیمان برای پروژه هایی که بتن ریزی های عظیم و زیادی دارند، همانند سد های بتنی معمول است، به این دلیل که تولید حرارت در چنین پروژ‌‌‌ه‌هایی 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 هم بیشتراست.
با استفاده از سیمان مقاوم در برابر سولفاتها احتمال و خطر حملات سولفاتی تا حد بسیار زیادی کاهش می یابد؛ بنابراین هنگامی که فنداسیون بر روی خاکی با مقدار بالای سولفات بنا می شود، از این نوع سیمان استفاده می‌‌کنند. در این سیمان میزان C3A و C4AF نسبت به سیمان معمولی کاهش داشته است. همچنین در پروژه هایی که بتن در آن در مجاورت آب دریا قرار دارد نیز از این سیمان استفاده می شود.
این نوع سیمان تمام ویژگی هایش تقریبا شبیه سیمان پرتلند معمولی است. از این سیمان برای کاهش هزینه‌ها 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.3 و ۵ ساعت طول می کشد. بنابراین این سیمان جزو سیمان های زود سخت شونده حساب می شود. مقاومت فشاری این نوع سیمان بسیار بالاست و کارایی آن در مقایسه با سیمان پرتلند معمولی بیشتر می‌باشد. در مناطقی که سازه تحت تاثیر عواملی همچون دمای بالا، یخ زدگی و حملات اسیدی قرار دارد، استفاده از این نوع سیمان توصیه میشود.
این سیمان از مواد خام گرفته شده از اکسید آهن ساخته شده است و ویژگیهای آن کاملا شبیه سیمان پرتلند معمولی است. تنها تفاوت میان این دو سیمان در رنگشان است. این نوع سیمان گران تر است و بیشتر به خاطر اهداف معماری و زیبایی در پروژه ها به کار می‌رود. به طور مثال در ساخت کرتین وال های پیش ساخته، پنل‌ها و طراحی دکوراسیون داخلی و خارجی ساختمان‌ها.
با اضافه نمودن میزان ۵ تا ۱۰ درصد رنگدانه‌های معدنی به سیمان معمولی، رنگ آن تغییر خواهد کرد. ویژگیهای دیگر این نوع سیمان تفاوتی با سیمان پرتلند معمولی ندارد. همان طور که شاید حدس زده باشید، استفاده از این نوع سیمان بیشتر اهداف زیبا سازی و دکوراتیو دارد.
در فرایند تولید این نوع سیمان، پوزولان با کلینکرهای پرتلند ترکیب میشود و همچنین ممکن است در این پروسه مقداری گچ یا کلسیم سولفات نیز به این ترکیب اضافه شود. این سیمان به خاطر ویژگی های شیمیایی که دارد، در برابر حملات شیمیایی مختلف مقاومت بسیار بالایی دارد و به همین دلیل، استفاده از آن روز به روز بیشترمی شود. از این نوع سیمان در سازه های دریایی، فاضلاب ها، سدها، پل ها و … استفاده می شود.
با اضافه کردن افزودنی‌های هوازا همچون رزین ها، چسب ها، نمک های سدیمی سولفات و … در هنگام تولید کلینکر، سیمان هوازا تولید می شود. از سیمان هوازا برای افزایش کارایی بتن در مواقعی که نسبت آب به سیمان در آن کم است و همچنین برای 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.
سیمان منبسط شونده با گذر زمان انبساط می یابد و هیچ گونه جمع شدگی، چه در هنگام و چه پس از سخت شدن، در آن رخ نمی دهد. از این سیمان به طور گسترده برای ساخت داکت‌های پیش تنیده استفاده می شود.
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.
سیمان چیست؟
تاریخچه کشف سیمان
مواد خام مورد مصرف در تولید سیمان در هنگام پخت با هم واکنش نشان میدهند و ترکیبات جدیدی را بوجود می آورند. معمولا چهار ترکیب عمده به عنوان عوامل اصلی و مواد تشکیل دهنده سیمان در نظر گرفته می شوند که در زیر آن‌ها را به همراه توضیحات نام می‌بریم:
این ماده سریعا وارد واکنش های شیمیایی شده و بتن را سفت می‌کند. C3S در هنگام ترکیب با آب گرمای زیادی ایجاد می کند. این ماده نقشی در مقاومت سیمان ندارد و در برابر حمله‌ی سولفاتها 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.
خصوصیات C2S برخلاف C3S می باشد بدین معنی که گیرش اولیه دی کلسیم سیلیکات کم است و بعد از 2 تا 7 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 62 کالری بر گرم).
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 (210 کالری بر گرم)
از نظر گیرش حد متوسط را دارد و حدود 100 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. آزمایش‌ها نشان داده است که این قلیایی ها با بعضی سنگ دانه ها واکنش داده‌اند و حاصل این واکنش باعث تخریب بتن شده است. البته قلیایی ها در مقاومت بتن نیز اثر دارند.
سیمان چیست؟
تاریخچه کشف سیمان
بیش از 2000 سال است که بشر با شکل‌های گوناگونی از سیمان آشنا شده و در این میان طیف گسترده ای از سازه‌های سیمانی و بتونی را با استفاده از این ماده ارزشمند ساخته است، اما همواره ساختار سیمان و دلیل 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 تازه‌ای درباره ساختار کریستالی این ماده شده‌اند 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 تلاش‌هایی درخصوص رمزگشایی از این معما صورت گرفته و مشخص شده بود که در سطوح اتمی، هیدرات‌های 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 مولکول‌های سیلیکای مورد نظر به شکل کریستال نیستند و این در حالی است که تاکنون اینگونه تصور شده 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 5 درصدی در تولید آلاینده ای همچون دی اکسید کربن اتمسفر زمین دارد.
تاریخچه کشف سیمان
سیمان چیست؟
