اصول کار سیمان در ساختمان

تاریخچه
اگرچه از زمانهای بسیار گذشته اقوام و ملل مختلف به نحوی با استفاده از سیمان در ساخت بنا سود می‌جستند، ولی اولین بار در سال 1824 سیمان پرتلند به نام "ژوزف آسپدین" که یک معمار انگلیسی بود، ثبت شد. به لحاظ شباهت ظاهری و کیفیت بتن‌های تولید شده از سیمانهای اولیه به سنگهای ناحیه پرتلند در دورست انگلستان، سیمان به نام سیمان پرتلند معروف شد و تا به امروز برای سیمانهایی که از مخلوط نمودن و حرارت دادن مواد آهکی و رسی و مواد حاوی سیلیس، آلومینا و اکسید آهن و تولید کلینکر و نهایتا آسیاب نمودن کلینکر بدست می‌آیند، استفاده می‌شود.

کلمه سیمان از یک لغت لاتین به نام سی‌منت (cement ) گرفته شده است و ماده ای است که دارای خاصیت چسبانندگی مواد به یکدیگر است و در حقیقت واسطه چسباندن است.

در صنایع ساختمانی سیمان به ماده ای گفته می‌شود که برای چسباندن مصالح مختلف به یکدیگر از قبیل سنگ و شن، ماسه، آجر و غیره بکار می‌رود و ترکیبات اصلی این سیمان از مواد آهکی است. سیمانهای آهکی معمولا از ترکیبات سیلیکات و آلومیناتهای آهک تشکیل شده‌اند که هم به‌صورت طبیعی یافت می‌شوند و هم قابل تولید در کارخانجات سیمان‌سازی هستند.

سیمان گردی نرم، جاذب آب و چسباننده خرده سنگ است که اساساً مرکب از ترکیب پخته شده و گداخته شده اکسید کلسیم با اکسید سیلیکون، اکسید آلومینیوم و اکسید آهن می باشد. ملات این گرد به مرور در مجاورت هوا یا در زیر آب سخت و فشرده می شود در ضمن ثبات حجم، مقاومت خود را نیز حفظ می نماید.

مواد با منشا آتشفشانی از دیر باز جهت ساخت ملات و بتن مورد استفاده قرار می گرفته است. این مواد ابتدا در منطقه ای بنام پوزولی واقع در ایتالیا مورد استفاده قرار می گرفت و به همین دلیل PULVIS – PUTEOLANUS نامیده شده است که بعدا" به پوزولان POZZOLANA تغییر نام داد. بدلیل کاریرد خاص این سیمانها و بکارگیری هر چه بهتر آنها استانداردهایی در کشورهای مختلف جهان تدوین گردیده است.

ساختار سیمان
اساسا سیمان با آسیاب نمودن مواد خام از قبیل سنگ و آهک و آلومینا و سیلیسی که به صورت خاک رس و یا سنگهای رسی وجود دارد و مخلوط نمودن آنها با نسبتهای معین و با حرارت دادن در کوره‌های دوار تا حدود 1400درجه سانتی‌گراد بدست می‌آید. در این مرحله مواد در کوره تبدیل به گلوله‌های تقریبا سیاه رنگی می‌شوند که کلینکر نامیده می‌شود.

کلینکر پس از سرد شدن با مقداری سنگ گچ به‌منظور تنظیم گیرش، مخلوط و آسیاب شده و پودر خاکستری رنگی حاصل می‌شود که همان سیمان پرتلند است. با توجه به نوع و کیفیت مواد خام، سیمان با دو روش عمده‌تر و خشک تولید می‌شود. ضمن اینکه روشهای دیگری نیز وجود دارد. البته امروزه عمومـا از روش خشک در تولید سیمان استفاده می‌شود مگر در مواردی که مواد خام، روش تر را ایجاب کند زیرا در روش خشک انرژی کمتری برای تولید مورد نیاز است.

مواد خام مورد مصرف در تولید سیمان در هنگام پخت با هم واکنش نشان داده و ترکیبات دیگری را بوجود می‌آورند. معمولا چهار ترکیب عمده به‌عنوان عوامل اصلی تشکیل دهنده سیمان در نظر گرفته می‌شوند که عبارتند از:
    - سه کلسیم سیلیکات (3O2=C3S )
    - دو کلسیم سیلیکات ( 2CaOSiO2=C2S )
    - سه کلسیم آلومینات (3CaOAl2O3=C3A )
    - چهار کلسیم آلومینو فریت (4CaOAl2O3Fe2O3 )

که اختصارا اکسیدهای CaO را با C و SiO2 را با S و Al2O3 را با A و Fe2O3 را با F نشان می‌دهند. سیلیکاتهای C3S و C2S مهمترین ترکیبات سیمان در ایجاد مقاومت خمیر سیمان هیدراته می‌باشند. در واقع سیلیکاتها در سیمان ترکیبات کاملا خالصی نیستند، بلکه دارای اکسیدهای جزئی به‌صورت محلول جامد نیز می‌باشند. این اکسیدها اثرات قابل ملاحظه ای در نحوه قرار گرفتن اتمها، فرم بلوری و خواص هیدرولیکی سیلیکاتها دارند.

ترکیبات دیگری نیز در سیمان وجود دارند که از نظر وزن قابل ملاحظه نیستند، ولی تأثیرات 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 شده‌اند. آزمایشها نشان داده است که این قلیائی‌ها با بعضی از سنگدانه‌ها واکنش نشان داده‌اند و حاصل این واکنش باعث تخریب بتن شده است. البته قلیائی‌ها در مقاومت بتن نیز اثر دارند.

وجود سه کلسیم آلو مینات (C3A ) در سیمان نقش عمده ای در مقاومت سیمان به جزء در سنین اولیه ندارند و در برابر حملات سولفاتها نیز که منجر به سولفوآلومینات کلسیم می‌شود، مشکلاتی به بار می‌آورد اما وجود آن در مراحل تولید، ترکیب آهک و سیلیس را تسهیل می‌کند. میزان C4AF در سیمان هم در مقایسه با سه ترکیب دیگر کمتر است و تأثیر زیادی در رفتار سیمان ندارند ولی در واکنش با گچ، سولفو فریت کلسیم را می‌سازد و وجود آن به هیدراسیون سیلیکاتها شتاب می‌بخشد.

مقدار و اندازه واقعی اکسیدها در ترکیبات انواع سیمان مختلف است. البته باقی مانده نامحلول نیز که عمدتا از ناخالصی‌های سنگ گچ حاصل می‌گردد، اندازه گیری می‌شود تا حدود 5/1 درصد وزن در سیمان مجاز است. افت حرارتی نیز که دامنه کربناسیون و هیدراسیون آهک آزاد و منیزیم آزاد را در مجاورت هوا نشان می‌دهد تا حدود 3 الی 4 در صد وزن سیمان اندازه گیری می‌شود.

ماده مورد نظر ما ملات یا خمیر سیمان است که با اختلاط آب و پودر سیمان ماده چسباننده ای می‌شود. در واقع سیلیکاتها و آلومیناتهای سیمان در مجاورت آب محصولی هیدراسیونی را تشکیل می‌دهند که کم‌کم با گذشت زمان جسم سختی بوجود می‌آید.

دو ترکیب عمده سیلیکاتی سیمان یعنی C3S و C2S عوامل عمده سخت شدن سیمان هستند و عمل هیدراسیون روی C3S سریعتر از C2S انجام می‌گیرد.

به لحاظ اهمیت کیفیت سیمان در ساختن بتن، معمولا تولید کنندگان آزمایشهای متعدد و استاندارد شده ای را برای کنترل کیفیت سیمان انجام می‌دهند و بعضا نیز مصرف‌کنندگان برای اطمینان خاطر خواص سیمان تولید شده را از کارخانجات درخواست می‌کنند و گاهی نیز آزمایشهایی انجام می‌دهند. خواص فیزیکی سیمان عمدتا عبارتست از نرمی سیمان، گیرش سیمان، سلامت سیمان و مقاومت سیمان.

از آنجا که هیدراسیون از سطح ذرات سیمان شروع می‌شود، مساحت تمامی سطح سیمان موجود در هیدراسیون شرکت دارند. بنابراین نرخ هیدراسیون بستگی به ریزی سیمان دارد و مثلا برای کسب مقاومت سریعتر نیز به سیمان نرم تر یا ریزتر می‌باشد. اما باید توجه داشت که همیشه یک سیمان نرم از نظر اقتصادی و فنی مقرون به صرفه نیست، زیرا هزینه آسیاب کردن و اثرات بیش از حد نرم بودن سیمان بر خواص دیگر آن مانند نیاز بیشتر به گچ برای تنظیم گیرش، کارآیی بتن تازه و سایر موارد نیز باید مد نظر باشد.

نرمی یکی از خواص عمده سیمان است که معمولا در استانداردها با سطح مخصوص تعیین می‌شود (m2/kg ). روشهای متداول و متفاوتی برای تعیین نرمی سیمان در دنیا بکار گرفته می‌شود. استاندارد ملی ایران به شماره 390 تعیین نرمی سیمان را مشخص می‌کند.

کلمه گیرش برای سفت شدن خمیر سیمان بکار برده می‌شود، یعنی تغییر وضعیت از حالت مایع به جامد. گیرش به‌علت هیدراسیون C3S و C2A با افزایش دمای خمیر سیمان اتفاق می‌افتد. گیرش اولیه مربوط به افزایش سریع دما و گیرش نهایی مربوط به دمای نهایی است. مدت زمان گیرش سیمان با افزایش درجه حرارت کاهش می‌یابد، ولی آزمایش نشان داده است که در دمای حدود 30 درجه سانتی‌گراد، اثر معکوس را می‌توان مشاهده نمود. در درجات حرارت پائین گیرش سیمان کند می‌شود.

پوزولان و سیمان پوزولانی
به دلیل کاربرد حساس سیمان و استفاده از این کالا در ساخت و احداث بناهایی نظیر پلها، سدها، اسکله ها و منازل مسکونی و راه ها انجام آزمایشات کنترل کیفی دارای اهمیت اساسی است. کنترل کیفی انواع مواد خام مصرفی در کارخانه و همچنین کنترل مواد خام و خوراک کوره و همچنین کلینکر و سیمان در نقاط و مراحل مختلف خط تولید انجام می شود. اصولاً تقسیم بندی سمیان در کشورهای مختلف متفاوت می باشد و مبناهای مختلفی برای تقسیم بندی انتخاب شده است از جمله اینکه ممکن است سیمان به صورت زیر طبقه بندی شود.

انواع دسته‌بندی سیمان
•دسته بندی بر اساس تاب فشاری.
•دسته بندی بر اساس نوع سیمان و اینکه از چه منبعی تهیه شده باشد، مانند سیمان پرتلند، سیمان روبار و سیمان پوزولانی.
•دسته بندی بر اساس مشخصات ویژه مانند سیمان با گرمای هیدراتاسیون پائین سیمان با مقاومت شیمیائی در مقابل سولفاتها، قلیایی ها و امثالهم، سیمان زودگیر، سیمان با مقاومت اولیه بالا.

در ایران انواع سیمان استاندارد شامل سیمان پرتلند و سیمان پرتلند پوزولانی بر اساس استاندارد ملی ایران به شماره 389 و 3432 تولید می شود. درحال حاضر شرکت سیمان ارومیه 4 نوع سیمان به شرح زیر تولید می نماید:
•       سیمان پرتلند نوع 325-1 براساس استاندارد ملی ایران به شماره 389
•       سیمان پرتلند نوع 425-1 براساس استاندارد ملی ایران به شماره 4543
•       سیمان پرتلند پوزولانی براساس استاندارد ملی ایران به شماره 3432
•       سیمان پرتلند پوزولانی ویژه براساس استاندارد ملی ایران به شماره 3432

براساس استاندارد ملی ایران به شماره 3432، پوزولانها مواد سیلیسی یا سیلیس آلومینیوم داری هستند که به خودی خودخاصیت چسبانندگی کمی داشته و یا ندارند ولی بصورت گرد نرم در مجاورت رطوبت و در دمای معمولی با هیدروکسید کلسیم واکنش نشان داده و ترکیباتی با خواص سیمانی بوجود می آورند. از نظر زمین شناسی پوزولانها حاصل انفجارات آتشفشانی با ساختار سیلیسی و آلومینی می باشند که میل ترکیبی زیادی با آهک و قلیایی ها دارند. فوران ناگهان و شدید گدازه های آتشفشانی به اتمسفر باعث تشکیل ذرات ریزی می شود که بسرعت سرد شده و حالت شیشه ای و آمورف پیدا می کنند که فرصت بلوری شدن نیافته است. مواد گازی موجود در این ذرات باعث پدید آمدن حبابهای ریزی در آنها شده که در نهایت مشخصه پوک بودن و داشتن سطح ویژه گسترده را به ذرات می دهند. قابلیت ترکیبی ذرات شیشه ای (پوزولان) در حالت پودر و شرایط خاص با آب وآهک، موجب شده تا با خواص سیمانی خود بر کیفیت محصول افزوده و با تشکیل ژل سیلیکاتی ویژه در برابر عوامل مخرب و تهاجمات و تنشهای حرارتی مقاومت بسیار خوب و مطلوبی از خود نشان دهد. مانند سایر منابع طبیعی در ایران پوزولانهای مرغوب نظیر جاجرود، آبیک، سیرجان و تفتان و... شناسایی و مورد بهره برداری قرار گرفته شده است. از مواد پوزولانی طبیعی می توان خاکستر آتشفشانی، پومیس (سنگ پا)، رس سوخته و از پوزولانهای مصنوعی خاکستر زغال سنگ یا خاکستر بادی ( fly ash ) یا همان دوده سیلیس را نام برد. خاکستر بادی یک محصول جانبی نیروگاه برق با سوخت زغال سنگ است که از دود زغال سنگ مشتعل در دمای 1500 – 2000 º C به روش الکترواستاتیکی استخراج میشود و نسبت اختلاط آن با سیمان معمولی 15 – 50 % است. سیمان پوزولانی دارای حرارت هیدراتاسیون پایین است و میتوان از آن در بتن ریزیهای حجیم استفاده کرد ولی سرعت کسب مقاومت آن کمتر از سیمان معمولی است، بطوریکه مقاومت 7 روزه و 28 روزه آن پایین خواهد بود. اثر روی مقاومت و نفوذپذیری بتن های سخت شده و مقاومت در برابر عوامل مخرب نظیر سولفاتها و نیز اسیدهای ضعیف و جلوگیری از واکنش قلیایی سنگدانه ها و مقاومت دربرابر ترکهای داخلی از ویژگیهای مثبت سیمانهای پوزولانی می باشد.

همچنین دوره بعمل آوردن و مراقبت از بتن در این سیمان باید طولانی تر از سیمان معمولی باشد.

رفتار مشابه پوزولانها را می توان در سرباره یا میکروسیلیس مشاهده نمود که امروزه در دنیا برای ساخت بتن هایی با مقاومت و دوام بیشتر در برابر تهاجمات شیمیایی و تنشهای حرارتی بصورت گسترده مورد استفاده قرار میگیرد. امروزه استفاده از سیمانهای پوزولانی - مخلوطی از سیمان پرتلند با یک پوزولان مناسب - به منظور صرفه جویی در مصرف انرژی مصرفی و افزایش دوام و پایایی بتن بسیار مورد توجه قرار گرفته است.

عملکرد پوزولان و نقش آن در کیفیت سیمان و بتن:
در فرآیند تولید سیمان مواد آهکی، سیلیسی و آلومیناتی با یکدیگر ترکیب شده و ریزساختارهای اصلی سیمان پرتلند را بوجود می آورد. این ریزساختار با اصطلاح   C3S و C2S و C3A و... نامیده می شود. ترکیبات مذکور در واکنش با آب که به اختصار H نامیده می شوند، چسب سیمان C.S.H را ایجاد نموده و درکنار آن آهک شکفته ( CH ) نیز حاصل میگردد. پوزولان نیز که با علامت S شناخته می شود قابلیت جذب تدریجی آهک شکفته ( CH ) را دارد یعنی بصورت

CH+S=C-S-H ظاهر میگردد که این همان برتری پوزولان را نشان میدهد. در این میان پوزولان (S ) که به تنهایی خنثی بوده در کنار آهک شکفته (CH ) که برای سیمان بی خاصیت و حتی مضر میباشد آنرا تبدیل به چسب سیمان (C-S-H ) میکند. این بدان معناست که پوزولان نقاط ضعف خمیر سیمان را بخودی خود مرتفع میسازد. هرچند روند رشد مقاومت بتن حاوی پوزولان کندتر از سیمان شاهد (تیپ 2) است لیکن درسن استاندارد 28 روزه، مقاومت بتن، معدل و حتی بیشتر از سیمان شاهد می گردد.

در سیمان پوزولانی ماده پوزولانی حداکثر 15 درصد وزن سیمان را تشکیل می دهد. این سیمان برای مصارف عمومی در ساخت ملات یا بتن بکار می رود و با نشانه "پ.پ" عرضه می گردد.

در سیمان پوزولانی ویژه ماده پوزولانی بین 15 تا 40 درصد وزنی سیمان پرتلند پوزولانی را تشکیل می دهد. (واحد کنترل کیفیت سیمان ارومیه افزودن پوزولان تا 25 درصد وزنی را بلامانع اعلام کرده است).

مزایا و ویژگیهای سیمان پوزولانی:
1- حرارت هیدراتاسیون سیمان پرتلند پوزولانی کمتر ازسیمان شاهد بوده و دربتن های حجیم در هوای گرم از افزایش بتن تازه و بروز ترکهای حرارتی جلوگیری می کند.

2- طبق آیین نامه بتن ایران (آبا) و استاندارد ملی ایران به شماره 6044 دمای بتن تازه نباید از 32 درجه سانتی گراد برای بتن معمولی و 15 درجه سانتی گراد برای بتن حجیم تجاوز نماید لذا کابرد سیمان پوزولان مخصوصا" در مناطق گرم و فصل تابستان کارساز خواهد بود.

3- پدیده آب انداختگی بتن حاوی پوزولان کمتر از بتن شاهد بوده و از بروز ترکهای سطحی و عمقی جلوگیری میکند.

4- سیمان پرتلند پوزولانی مصرف عمومی داشته و مشابه سیمان شاهد در ساخت ملات یا بتن بکار میرود.

5- واکنش پوزولانی منجر به کاهش آهک شکفته داخل بتن شده که ضمن کاهش خلل و فرج، از نفوذپذیری این بتن کاسته و از بروز پدیده شور زدن و سفیدک بتن و کربناته شدن آن جلوگیری می نماید. این کاهش نفذ پذیری موجب دوام بتن در برابر املاح و مواد خورنده بتن و آرماتور می شود.

6- بالا بودن درجه نرمی (بلین) سیمان پرتلند پوزولانی منجر به تعدیل روند واکنش سیمان و افزایش جرم ویژه بتن و مقاومت استاندارد و نهایی آن میشود.

7- با توجه به فقدان فیلر در سنگدانه های ریز بعلت شستشوی آنها و عدم استفاده سیستم فیلرگیر درکاخانجات ماسه سازی برای افزایش کارایی بتن، سیمان بیش از اندازه مصرف می شود که منجر به بروز پدیده جمع شدگی و انقباض و ترک خوردگی میگردد. بنابراین کاربرد سیمان پرتلند پوزولانی در این زمینه ازپدیده جمع شدگی و انقباض و ترک خوردگی جلوگیری بعمل می آورد.

8- نسبت آب به سیمان نباید بیشتر از50 درصد باشد. افزایش بی رویه آب در بتن تازه سبب افت چشمگیر مقاومت آن می گردد. بطوریکه اگر مقدارآب یک درصد اضافی مصرف شود می تواند تا چهار درصد افت مقاومت بدنبال داشته باشد.

9- بعضی از خواص ویژه سیمان پرتلند پوزولانی نظیر کاهش واکنشهای قلیایی سیلیکاتی و دوام در برابر املاح مهاجم و... مواردی هستند که ضرورت دارد مصرف کننده مطالعات بیشتری در خصوص آن انجام دهند.

10- قابلیت کاربرد بیشتر با سنگدانه های مستعد برای واکنشهای قلیایی سیلیکاتی.

11- بارگذاری روی سازه های ساخته شده در زمان طولانی تری نسبت به سیمان شاهد انجام شود.

12- در جاهایی که نیاز به گیرش اولیه سریع می باشد کابرد آن دارای محدودیت است.

13- طبق آیین نامه بتن ایران (آبا) حداقل زمان عمل آوردن (مراقبت و محافظت پس از تراکم) بتن در هر دمایی بین:
الف) خوب (محیط مرطوب و محافظت شده در برابر تابش مستقیم خورشید و باد) باشد، اقدامی خاص ضرورت ندارد.
ب) متوسط (محیط نیمه مروب ونیمه محافظت شده) باشد طبق رابطه خواهد بود.
ج) ضعیف (محیط خشک و حفاظت نشده) باشد طبق رابطه خواهد بود.

14- بتن ریزی با این نوع سیمان در هوای سرد و دمای محیط کمتر از 5 درجه سانتی گراد توصیه نمیشود.

اصول کار سیمان در ساختمان

مطالب مشابه :

اصول کار سیمان در ساختمان

آشنایی با حرفه نقاش ساختمان و کاشی کاری و سیمانکاری و گچ کاری و ابزار زنی در ساختمان

گچ پلیمری پا ششی

تاريخچه سنگ گچ

اصول معماری ایرانی

عکس نمونه کار

مراحل کلی ساخت ساختمان (فصل چهارم)

تحقیق در مورد شناخت گچ

مراحل نازک کاری ساحتمان (کاربردی)

نمونه قرارداد عملیات گچ کاری