سیمان چیست و چه کاربردهایی دارد ؟

نویسنده : کلینیک بتن ایران
تاریخ ثبت : 1397/05/15

تاریخچه کشف سیمان

همه ما بارها نام سیمان 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.

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 بصورت 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 21 اکتبر 1824 سیمان اختراعی خود را به ثبت رسانید.

سیمان چیست

علت این نامگذاری ( سیمان پرتلند ) این بود که بتن ( سنگ مصنوعی ) حاصل از این آهک آبی و خرده سنگ شباهت های زیادی ( خصوصا از نظر رنگ ) با نوعی سنگ 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 1843 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 مورد استفاده به صورت گداخته شده و مابقی به صورت پخته شده درآید. منظور از گداخته شدن همان پختن در درجات حرارت بالاست ، بطوری 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 در ساختمان جدید پارلمان انگلستان (1840_1852) استفاده گردید .

سیمان چیست و اجزای تشکیل دهنده سیمان کدام است ؟

 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. 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

سیمان چیست ؟

 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 اولیه تولید سیمان و مواد تشکیل دهنده آنها 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 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 معمولاً در بسته های 50 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 ‌دهنده‌ی بتن، نقش مهم در ایجاد ویژگی‌ها و خصوصیات مختلف برای آن داراست. امروزه انواع بسیار زیادی از سیمان تولید می‌شود که هر کدام مختص یک یا چندین هدف می‌باشد. بنابراین بسیار ضروری است که با انواع سیمان و ویژگی‌های هر کدام آشنایی لازم را داشت.

انواع سیمان: در این نوشتار به معرفی ۱۲ نوع از سیمان‌های رایج و پرکاربرد می‌پردازیم 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 اولیه‌ی ترکیبش با آب به سرعت سفت می‌شود و مقاومت کسب می‌کند. این سیمان از لحاظ ویژگی‌های دیگر شبیه سیمان پرتلند معمولی است. این سیمان دارای مقدار C3S بیشتری نسبت به دیگر سیمان‌هاست 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 می‌باشد. به علاوه این که استفاده از این سیمان می‌تواند سرعت ساخت و ساز را افزایش و هزینه‌های 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 سریع‌تر است. 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 بتن‌ریزی در آب‌های 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 می‌شود. استفاده از این سیمان برای پروژه‌هایی که بتن ‌ریزی‌های عظیمی دارند، همانند سدهای بتنی معمول است، چرا که تولید حرارت در چنین پروژه‌هایی بسیار بالاست و می‌تواند مشکل ‌ساز باشد.

همچنین این سیمان نسبت به سولفات‌ها مقاومت بیشتری دارد (در مقایسه با سیمان معمولی) و زمان گیرش اولیه‌ی آن نیز طولانی‌تر است.

۴. سیمان مقاوم در برابر سولفات‌ها

با استفاده از این سیمان احتمال و خطر حملات سولفاتی تا حد زیادی کاهش می‌یابد؛ از این رو هنگامی که فنداسیون بر روی خاکی با مقدار بالای سولفات بنا می‌شود، از این نوع سیمان استفاده می‌شود. در این سیمان میزان C3A و C4AF نسبت به سیمان معمولی کاهش داشته است.

همچنین در پروژه‌هایی که بتن در آن در معرض آب دریا قرار دارد نیز از این سیمان استفاده می‌شود.

۵. سیمان تشکیل شده از سرباره کوره

این نوع سیمان با جایگزینی ۶۰ درصد از کلینکرهای سیمان با سرباره‌ی کوره تولید می‌شود و تمام ویژگی‌هایش تقریباً شبیه سیمان پرتلند معمولی است. از این سیمان برای کاهش هزینه‌ها و اهداف اقتصادی استفاده می‌شود.

۶. سیمان با آلومینای بالا

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 می‌کشد. بنابراین این سیمان جزو سیمان‌های زود سخت شونده نیز محسوب می‌شود.

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.

۷. سیمان سفید

این سیمان از مواد خام گرفته شده از اکسید آهن تشکیل شده و ویژگی‌های آن کاملاً شبیه سیمان پرتلند معمولی است. تنها تفاوت میان آن‌ها در رنگشان است. این نوع سیمان گران‌تر است و بیشتر به خاطر اهداف معماری و زیبایی در پروژه‌ها به کار برده می‌شود. به طور مثال در ساخت کرتین وال‌های پیش ساخته، پنل‌ها و طراحی دکوراسیون داخلی و خارجی ساختمان‌ها.

۸. سیمان‌های رنگی

با اضافه کردن میزان ۵ تا ۱۰ درصد رنگدانه‌های معدنی به سیمان معمولی پرتلند، رنگ آن تغییر می‌کند. 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 دکوراتیو و زیبایی شناسی دارد.

سیمان رنگی

۹. سیمان پرتلند پوزولانی

سیمان پوزولانی سیمانی است که در رویه‌ی 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 ویژگی‌های شیمیایی‌اش، در برابر حملات شیمیایی مختلف مقاومت بسیار بالایی دارد و به همین دلیل، استفاده از آن روز به روز گسترده تر می‌شود. از این نوع سیمان در سازه‌های دریایی، فاضلاب‌ها، سد‌ها، پل‌ها و غیره استفاده می‌شود.

۱۰. سیمان هوازا

با اضافه کردن افزودنی‌های هوازا همچون رزین‌ها، چسب‌ها، نمک‌های سدیمی سولفات و غیره در هنگام تولید کلینکر، سیمان هوازا تولید می‌شود. 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 می‌شود. همان طور که احتمالاً می‌دانید، آب ویژگی خاصی دارد که بر مبنای آن هنگامی که منجمد می ‌شود، حجمش افزایش پیدا می‌کند. هوازایی در بتن باعث می‌شود تا آب در هنگام منجمد شدن جا برای افزایش حجم داشته باشد.

۱۱. سیمان منبسط شونده

این نوع سیمان با گذر زمان انبساط می‌یابد و هیچ گونه جمع شدگی در آن، چه در هنگام و چه پس از سخت شدن، رخ نمی‌دهد. از این سیمان به طور گسترده برای ساخت داکت‌های پیش‌تنیده استفاده می‌شود.

۱۲. سیمان هیدروگرافیک

سیمان هیدروگرافیک با افزودن مواد شیمیایی کاهنده‌ی آب به سیمان تولید می‌شود و کارایی و مقاومت آن نسبت به سیمان پرتلند معمولی بالاتر می‌باشد. این سیمان همچنین در برابر بارندگی و باران‌های موسمی مقاوم است و مشکلی خاصی ندارد. از این سیمان به طور گسترده برای ساخت سازه‌های آبی هم چون سدها، مخازن آب، آب‌راه‌ها، سازه‌های نگهدارنده‌ی 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 تشکیل دهنده سیمان در نظر گرفته می شوند که عبارتند از :

1- تری کلسیم سیلیکات (3O2=C3S)

 2- دی کلسیم سیلیکات  ( 2CaOSiO2=C2S)

3- تری کلسیم آلومینات  (3CaOAl2O3=C3A)

4- تترا کلسیم آلومینو فریت  (4CaOAl2O3Fe2O3)

سیلیکات های C3S و C2S مهمترین 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 اتمها، فرم بلوری و خواص هیدرولیکی سیلیکات ها دارند .                 

1) 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. (120 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.

2) دی کلسیم سیلیکات

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)

3) 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 اجزا سیمان تولید می کند (210 کالری بر گرم)

4) تترا کلسیم آلومینوفریت:

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 اکسیدهای سدیم و پتاسیم به نام اکسیدهای 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 2 هزار سال است که بشر با اشکال گوناگونی از سیمان آشنا شده و در این مدت طیف گسترده‌ای از سازه‌های سیمانی و بتونی را نیز با استفاده از این ماده ارزشمند ارائه کرده است، اما همواره ساختار مولکولی این ماده و چرایی استحکام خیره‌کننده 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 مولکول‌های 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 دریافته‌اند مولکول‌های سیلیکای مورد نظر به شکل کریستال نیستند و این در حالی است که تاکنون این‌گونه تصور می‌شده است . بررسی‌های دقیق این دانشمندان نشان می‌دهد این ترکیب در حقیقت هیبریدی است که برخی از ویژگی‌های ساختار کریستالی و همچنین برخی مشخصه‌های ساختار بی‌شکل موادی نظیر شیشه یا یخ را در خود دارد. به نظر می‌رسد اکنون و با تکیه بر یافته‌هایی از این دست، راهکارهای تازه‌ای برای استفاده گسترده‌تر از این ماده در صنایع ساختمان‌سازی سراسر جهان ارائه شود و در عین حال از نقش آن در افزایش آلاینده‌های زیست ‌محیطی از جمله دی‌اکسیدکربن کاسته شود. در حال حاضر صنایع سیمان‌سازی جهان سهم 5 درصدی در تولید آلاینده‌ای همچون دی‌اکسیدکربن اتمسفر زمین دارد .

سایر مقالات
آموزش نحوه گروت ریزی و معرفی گروت پایه سیمانی و گروت اپوکسی
آموزش نحوه گروت ریزی و معرفی گروت پایه سیمانی و گروت اپوکسی
گروت ها به عنوان یک ماده مستقل و نیز به عنوان یک ماده ی تعمیر بتن کارآمد هستند. از گروت به دلیل مقاومت بالا تر از بتن معمول و همچنین خواصی نظیر توانایی کنترل بارهای دینامیکی ، قابلیت انبساط در نوع پایه سیمانی ، به عنوان پر کننده زیر صفحات و بیس پلیت های ستونهای فلزی ، پمپ ها و جک ها و دستگاههای پرس و فن ها و روترهای سانتریفیوژ استفاده می شود. ترکیب گروت و ترمیم کننده الیاف دار برای سطوح ترمیم با مساحت ها یا عمق زیاد اقتصادی بوده و صدمه ای به عملیات ترمیم وارد نمی کند. به عنوان پر کننده ی حفرات میان بولت ها ترکیب گروت و چسب بتن ایده آل است. 
ادامه مطلب
نکات حائز اهمیت در جزئیات سازه های بتنی
نکات حائز اهمیت در جزئیات سازه های بتنی
1. حداقل طول وصله در تیر ها، ستون ها و دال ها، 55 برابر قطر آرماتور رعایت گردد. در صورتی که طول وصله کمتر از این مقدار باشد، محاسبات مربوطه در دفترچه محاسبات اضافه شود.
ادامه مطلب
بررسی نقش مواد افزونی فوق روان کننده در بتن با مقاومت بالا
بررسی نقش مواد افزونی فوق روان کننده در بتن با مقاومت بالا
با توجه به مطالعات اخیر، استفاده از مواد افزودنی در تولید بتن که اثرات مطلوب آن بر ویژگی های بتن ثابت شده، غیر قابل انکار می باشد. اگرچه استفاده از مواد افزودنی اجباری نیست ولی استفاده از آن در صرفه جویی زمان و بهبود ویژگی های بتن تازه و سخت شده اجتناب ناپذیر است. با توجه به گستردگی استفاده از مواد افزودنی در بتن، دانستن اثر این موارد بر روی خواص مختلف بتن بسیار حائز اهمیت می باشد. در این مقاله اثر فوق روان کننده  بر روی خواص مکانیکی کوتاه مدت بتن های با مقاومت بالا مورد بحث قرار می گیرد. 
ادامه مطلب
انواع مصالح سنگی
انواع مصالح سنگی
سنگ بیشترین کاربرد را به صورت شن و ماسه دارد. از سنگ به صورت شکسته به عنوان پرکننده یا مصالح لایه زیر اساس یا اساس استفاده می شود؛ همین طور از آن برای قطعات روسازی می توان استفاده کرد مانند سنگفرش ها؛ یا در ساخت نمای سنگی ساختمان و دیوار به کار برد که بعضی از انواع آن مانند سنگ بادبر یا سنگ تراش می باشد. در موارد دیگر می توان آن را خرد کرده و به شکل ماسه و شن در بتن استفاده نمود.
ادامه مطلب