سيمانهاي پرتلند

2ـ10ـ1ـ سيمانهاي پرتلند پزولاني

پزولانها مواد سيليسي يا سيليس آلوميناتي هستند كه خود قابليت چسبندگي ندارند؛ اما به صورت پودر در كنار رطوبت با آهك تركيب مي‌شوند و تركيبات سيليكات كلسيم به وجود مي‌آورند كه خاصيت چسبندگي دارند. در تهيه سيمانهاي پرتلند پزولاني، درصد مشخصي از مواد پزولاني را به سيمان پرتلند مي‌افزايند و با سيمان حاصل، خواص جديدي را تأمين مي‌كنند. يكي از مهمترين خواص اين سيمانها مقاومتشان در برابر حمله سولفاتها مي‌باشد. پودر سيمان پرتلند در مجاورت آب ، ژل سيمان را به وجود مي‌آورد.  ماده‌اي است كه در ژل سيمان يافت مي‌شود و معايبي را به همراه دارد كه عبارتند از:

 1ـ آب هنگام خروج از لوله‌هاي مويين بتن، مقداري  را در خود حل و به خارج منتقل مي‌كند. در مجاورت هوا با   تركيب مي‌شود و را به وجود مي‌آورد كه پس از تبخير آب آن به صورت سفيدكهايي بر سطح بتن ظاهر مي‌شود.

 2ـ جاي هايي كه به صورت فوق از بتن خارج مي‌شوند، خالي مي‌ماند كه اين خود، عاملي در جهت افزايش نفوذپذيري بتن است.

 3ـ بستر مناسبي براي حمله سولفاتها به وجودمي‌آورد. زيرا سولفاتها به حمله كرده، گچ به وجود مي‌آورند . اين گچ در اثر جذب رطوبت متورم مي‌شود و همان مسأله حمله سولفاتها به وقوع مي‌پيوندد. پزولانها با موجود در سيمان تركيب مي‌شوند و سيليكات كلسيم به وجود مي‌آورند كه ماده‌اي است با خاصيت چسبندگي . در حقيقت پزولانها يك ماده مضر در سيمان را به ماده‌اي مفيد تبديل مي‌كنند. تا مدتها گمان بر آن بود كه مقابله با حمله سولفاتها فقط از طريق كاستن ميزان و استفاده از سيمان تيپ 5 ميسر است. اما امروزه مي‌دانند كه ميزان زياد نيز بستر مناسبي جهت حمله سولفاتها فراهم مي‌كند و راه مقابله با آن استفاده از سيمان پرتلند پزولاني است. بر مبناي همين اصل ، همانگونه كه در جدول 2ـ1 نيز مشاهده كرديد، اگر درصد سولفات محيط بيش از 2% باشد، در كنار استفاده از سيمان تيپ 5 بايد از مواد پزولاني استفاده كرد. سيمانهاي پزولاني بر اساس ميزان پزولان موجود در آنها به صورت ًسيمان پزولاني X%ًبيان مي‌شوند. آيين نامه حداكثر ميزان مجاز پزولان در سيمان پرتلند پزولاني را 15% مي‌داند. البته در برخي سيمانها ميزان پزولان تا مقاديري بسيار بيش از اين هم مي‌باشد؛ اما چنين سيمانهايي پرتلند محسوب نمي‌شوند. بلكه ًسيمانهاي پزولانيً با خواص مربوط به خود هستند. حرارت هيدراتاسيون پرتلند پزولاني بسيار پايينتر از سيمانهاي پرتلند معمولي است و لذا در بتن ريزيهاي حجيم همچون سد سازيها كاربرد دارند. اما در زمستان كه خطر يخ زدگي وجود دارد نبايد از آنها استفاده كرد. همچنين مقاومت آنها تا پيش از يك سال كمتر از مقاومت سيمانهاي عادي مي‌باشد (نمودار شكل 2ـ21) و لذا از سيمانهاي پرتلند پزولاني در قسمتهايي كه نياز به كسب مقاومت سريع است نمي‌توان استفاده كرد. مواد پزولاني به دو گونه در طبيعت يافت مي‌شوند:

پزولانهاي طبيعي ، شامل خاكسترهاي آتشفشاني است كه از دهانه كوه‌هاي آتشفشان خارج مي‌شود و در اطراف اين كوه‌ها به صورت پوكه جمع مي‌شود. شايد قديميترين خاكستر آتشفشاني كه در صنعت سيمان به كار گرفته شد، خاكسترهاي موجود در دهكده پزولان در دامنه كوه آتشفشان وزوو در ايتاليا باشد ـ و نام پزولان نيز از همين جا كسب شده است ـ . استاندارد شماره 3433 ايران خواص پزولانهاي طبيعي را به دقت بيان كرده است كه در هر مورد، پزولان مورد نظر بايد تجزيه و با استاندارد تطبيق داده شود. از مهمترين مشكلات پزولانهاي طبيعي . غير يكنواختي آنهاست كه در توليد سيمان يكنواخت ايجاد مشكل مي‌كند. امروزه پزولانهاي طبيعي كاربرد چنداني ندارند. پزولانهاي مصنوعي گونه ديگري از پزولانها هستند كه برخلاف پزولانهاي طبيعي، كاربردهاي متعددي دارند. دو نوع عمده آنها عبارتنداز:

 1ـ خاكستر بادي

2ـ دوده سيليسي.

خاكستر بادي از سوختن ذغال سنگ در كوره‌هاي نيروگاه برق ـ كه از اين ذغال سنگ به عنوان سوخت استفاده مي‌كنندـ بدست مي‌آيد. اين ماده بر خلاف دوده سيليسي كه در دو كارخانه ًازناً در نزديكي خرم آباد و ًسمنانً تهيه مي‌شود، در ايران توليد نمي‌شود. جهت تهيه دوده سيليسي ، با استفاده از برق فشار قوي، جرقه‌اي الكتريكي در انباشته‌اي از ذغال سنگ سيليس به وجود مي‌آورند. دوده‌اي كه بدين طريق بدست مي‌آيد، همان دوه سيليسي است. ذرات دوده سيليسي 100 تا 200 بار كوچكتر از ذرات سيمان است و به دليل همين نرمي زياد هنگام استفاده از آنها يا بايد ميزان آب مصرفي را افزود يا از مواد روان كننده استفاده كرد.

 2ـ10ـ2ـ سيمان پرتلند سرباره‌اي

به موادي كه در بالاي كوره بلند ذوب آهن جمع مي‌شوند و به عنوان ضايعات صنعت فولاد شناخته شده‌اند، سرباره[6] گويند. سرباره اگر به آهستگي سرد شود، حالت بلوري پيدا مي‌كند كه مصرف چنداني ندارد. اما اگر آن را به سرعت سرد كنيم، به صورت آمورف يا شيشه‌اي در مي‌آيند كه پس از پودر شدن، در صنعت سيمان كاربرد دارند. بدين منظور از جت آب سرد استفاده مي‌شود. هنگام آسياب كردن سرباره بايد دقت داشت از آنجا كه سختي سرباره بيش از سيمان است ، بايد هر يك جداگانه آسياب و در نهايت مخلوط شوند. در صورتيكه سيمان و سرباره با هم مخلوط شوند، بنا به دلايل فوق، ذرات سيمان نرمتر از سرباره‌ها خواهد شد. در تركيب شيميايي سرباره‌ها، سيليكاتها، آلومينوسيليكاتها و كلسيم وجود دارد كه مقدار آنها در سرباره كوره‌هاي مختلف، متفاوت و به جنس مواد اوليه مصرفي كوره وابسته است. در ايران استاندارد شماره 3517 مشخصات سيمانهاي پرتلند سرباره‌اي ـ كه شباهت به سيمانهاي پرتلند پزولاني داردـ را بيان مي‌كند. در اين استاندارد، سيمانهاي سرباره‌اي بر مبناي سرباره موجود در آنها به سه دسته تقسيم مي‌شوند . جدول 2ـ2 گوياي اين اطلاعات است. سيمان ًپ س 5ً مقاومت بسيار خوبي،‌ حتي بهتر از سيمان پرتلند 5 ، در برابر حمله سولفاتها از خود نشان مي‌دهد. با توجه به مواد اوليه در توليد سيمان پرتلند سرباره‌اي، معمولاً در نزديكي كارخانه‌هاي ذوب آهن، يك كارخانه توليد سيمان نيز مشاهده مي‌شود. مانند سيمان سپاهان در نزديكي ذوب آهن اصفهان .

جدول 2ـ2 : انواع سيمان سرباره‌اي بر اساس استاندارد شماره 3517 ايران.

2ـ10ـ3ـ سيمان پرتلند بنايي

يكي از مصارف سيمان، تهيه ملاتو استفاده از آن در آجركاري است. بدين منظور ملات مورد استفاده بايد خصوصيات ذيل را دارا باشد.

1ـ بايد آب خود را حفظ كند. زيرا در حالت عادي، آجر در مجاورت ملات، آب ملات را جذب مي‌كند و اصطلاحاً ملات را مي‌سوزاند. چنين ملاتي به علت عدم وجود آب كافي براي هيدراتاسيون سيمان، چسبندگي و مقاومت مناسبي ندارد.

 2ـ خشن نبوده، راحت پخش شود.

 3ـ ترك خوردگيدر آن تا حد امكان كم باشد.

ملاتي كه از سيمان عادي تهيه مي‌شود، خصوصيات فوق را ندارد. اولاً در برابر آجر آب خود را از دست مي‌دهد. يعني آجر آب آن را مي‌كشد. برخي بنّاها براي كاستن اين اثر آجر، آجرها را پيش از آجركاري ًزنجابً مي‌كنند. يعني آنها را براي مدت معين در آب غوطه‌ور مي‌نمايند. ثانياً پخش كردن ملات ماسه سيمان چندان ساده نيست. به عبارتي اين ملات خشن است . استادان بنّا براي رفع اين مشكل ، به ملات سيمان، خاك رس يا آهك مي‌افزايند. اين مسايل متخصصان را به فكر توليد سيماني با خواص مطلوب جهت كار بنايي واداشت. كه نتيجه آن توليد سيمان پرتلند بنايي بود. در توليد اين سيمان مقداري سنگ‌ آهكي را همراه سيمان آسياب مي‌كنند . با وجوديكه مقاومت اين سيمان از سيمان پرتلند معمولي كمتر است (در حدود 200)، اما براي هدف منظور بسيار مناسب است. چرا كه مقاومت خود قالبهاي آجر چيزي در حدود 80 است. لذا مقاومت زياد ملات كارايي ندارد و در صورت رسيدن بار به اين حد، آجرها خرد مي‌شوند. لازم به ذكر است افت مقاومت سيمان به ازاي افزودن تا 50% آهك ، در حدود 5% است. معمولاً جهت متمايز كردن سيمان پرتلند بنايي با سيمان پرتلند عادي. حداكثر 10% به آن پودر قرمز رنگ هماتيت[11] ـ كه در جزيره هرمز يافت مي‌شودـ مي‌زنند كه نتيجه آن پودر صورتي رنگ سيمان خواهد بود. استاندارد شماره 3516 ايران، مشخصات سيمان پرتلند بنايي را بيان كرده است. دقت كنيد از سيمان پرتلند بنايي به هيچ وجه نمي‌ توان در صنعت بتن استفاده كرد.

2ـ10ـ4ـ سيمان پرتلند آهكي

روش توليد اين سيمان ـ كه در آلمان به سيمان P.K.Z معروف است ـ مشابه سيمان پرتلند بنايي است با اين تفاوت كه در توليد سيمان پرتلند بنايي از همان پودر سنگ آهك ـ كه از مواد اوليه كارخانه است ـ استفاده مي‌شود؛ در حاليكه در توليد سيمان پرتلند آهكي از پودر آهك ويژه كه داراي خواص معين در استانداردهاي مربوط است استفاده مي‌شود.

خواص اين سيمان مشابه سيمان پرتلند معمولي است . در 28 روز مقاومت 330 مي‌ دهد و لذا مي‌توان آن را در تهيه بتن به كار برد. علت عمده توليد اين نوع سيمان، مسأله اقتصادي است.

2ـ10ـ5ـ سيمان پرتلند سفيد[12]

رنگ سياه سيمان ناشي از تركيبات آهن و منگنز موجود درآنست. لذا جهت از بين بردن آن ، بايد تركيبات عناصر فوق تا حد امكان محدود و كم شود (كمتر از 1%) . همچنين در آسياب سيمان به جاي استفاده از گلوله‌هاي فلزي ـ كه در اثر سايش مقداري آهن وارد سيمان مي‌كنند ـ از گلوله‌هاي سراميكي استفاده شود. از طرفي تركيبات آهن در سيمان نقش كاتاليزور را داشته، از افزايش دماي پخت جلوگيري مي‌كنند. در صورت حذف اين تركيبات، دماي پخت تا حدود 1800 درجه بالا مي‌رود كه غير اقتصادي است. به منظور مقابله، از كاتاليزور حرارتي كرايوليت (فلرورسديم و آلومينيوم) استفاده مي‌شود. كنترلهاي مختلف در توليد اين نوع سيمان سبب افزايش قيمت آن نسبت به سيمان پرتلند معمولي شده است.

با وجوديكه سيمان سفيد فقط به دليل مشخصه رنگ سفيدش (در نماسازي و اندود كاري) استفاده مي‌شود، از لحاظ جنس بايد كليه خصوصيات سيمان پرتلند معمولي را دارا باشد. جهت تعيين ميزان سفيدي اين سيمان ، قرصي از آن را تهيه مي‌كنند و در كنار قرص منيزيم زير ميكرسكوپ قرار مي‌دهند. به هر قرص نوري يكسان مي‌تابانند و ميزان انعكاس از هر يك را محاسبه مي‌كنند. با توجه به آنكه مبناي سنجش سفيدي سيمان، ميزان بازتاب نور از سطح قرص منيزيم است، درجه سفيدي عبارتست از نسبت بازتاب نور توسط قرص سيمان سفيد به بازتاب نور توسط قرص منيزيم . حداقل لازم براي اين نسبت 80% در نظر گرفته شده است.

2ـ10ـ6ـ سيمان پرتلند رنگي

گاهي لازم است به دلايل نماسازي يا متمايز كردن قسمتي از سازه، بخواهيم بتن رنگي داشته باشيم. در اينصورت بايد از سيمان پرتلند رنگي استفاده كرد. بدين منظور ، هنگام آسياب نهايي سيمان ، كلينكر را با حداكثر 10% مواد رنگي (براساس جدول 2ـ3) آسياب مي‌كنند تا سيمان رنگ مورد نظر را پيدا كند. در صورتيكه بخواهند سيمان با رنگهاي تيره توليد شود، از كلينكر سيمان پرتلند معمولي و در صورت لزوم به دستيابي به رنگهاي روشن ، از كلينكر سيمان پرتلند سفيد استفاده مي‌كنند.

جدول 2ـ3: مواد رنگ ساز مختلف براي تهيه سيمانهاي رنگي گوناگون

به طور كلي مواد رنگي ساز بايد دو خصوصيت عمده داشته باشند كه عبارتنداز:

1- خنثي باشند. يعني در واكنشهاي هيدراتاسيون سيمان شركت نكنند.

 2ـ پايدار باشند. يعني رنگ حاصل از آنها در اثر تابش آفتاب ، شرايط جوي و … تغيير نكند.

سيستم صحيح دستيابي به بتن يا سيمان رنگي همان است كه ذكر كرديم. يعني رنگ بايد هنگام آسياب شدن به سيما افزوده شود . افزودن رنگ به بتن در كارگاه هنگام ساخت بتن صحيح نيست و كيفيت يكنواخت و قابل قبولي ندارد. اين نوع سيمان در ايران توليد نمي شود.

2ـ10ـ7ـ سيمان ضد آب

قبلاً ديديم كه سيمان انبار شده در اثر جذب آب يا فاسد مي‌شود. در صورتيكه بخواهند سيماني را براي مدت طولاني يا در محيط مرطوب انبار كنند،آن را به صورت ضد آب مي‌سازند. بدين صورت كه هنگام آسياب كلينكر، درصدي اسيدهاي چرب (اسيد اولئيك ، اسيد استئاريك يا اسيد لاكتيك) به آن مي‌افزايند . در اين صورت لايه‌اي از چربي دور دانه‌هاي سيمان را گرفته ، از رسيدن رطوبت يا به آنها جلوگيري مي‌كند. لذا اين سيمان در انبار فاسد نمي‌شود. اما هنگاميكه با شن و ماسه در ميكسر مي‌ريزد، لايه چربي به علت اصطكاك بين سنگدانه‌ها و ذرات سيمان از بين مي‌رود و سيمان به صورت عادي عمل مي‌‌كند. اين سيمان نيز در ايران توليد نمي‌شود.

2ـ10ـ8 ـ سيمان حفاري

كاربرد اين سيمان منحصر در چاه‌هاي نفت است. در حفاريهاي نفتي كه عمق آن گاهي به حدود 6000 متر نيز مي‌رسد، جهت جلوگيري از ريزش ديواره‌ها با قرار دادن لوله‌هايي درون چاه ، پشت آن را دوغاب سيمان ترزيق مي‌كنند. سيمان مصرفي براي اين منظور بايد تأمين كننده خصوصيات زير باشد:

 1ـ زمان گيرش اوليه آن طولاني (در حدود 3 ساعت) باشد تا فرصت كافي براي پمپ كردن آن به اعماق پاييني زمين وجود داشته باشد.

 2ـ از آنجا كه در دما در اعماق پاييني زمين ممكن است تا حدود  نيز برسد، بايد در برابر حرارت مقاوم باشد.

 3ـ چون لايه ريزي آن از پايين به بالاست، مقاومت سيمان بايد پس از گيرش به سرعت افزايش يابد. سيمان مناسب براي اين اهداف، سيمان حفاري يا سيمان چاه‌هاي نفت است كه بسيار گرانقيمت تر از سيمان پرتلند معمولي است و هرگز نبايد از آن براي منظور ديگري استفاده كرد. در صورت ساخت بتن با اين سيمان، اين بتن تا چند روز حالت خميري دارد و دير سفت مي‌شود. اما پس از سفت شدن مقاومت بسياري بالايي خواهند داشت و تخريب آن فوق‌العاده دشوار است.

2ـ10ـ9ـ سيمان گسترش يابنده

جمع شدگي يكي از خصوصيات سيمان است كه اگر تحت كنترل در نيايد، موجب بروز خساراتي خواهد شد. بحث جمع شدگي و راه‌هاي مقابله با آن ، مفصل و نيازمند مجال ديگري است. سيمان گسترش يابنده، نوعي سيمان است كه در آن به گونه‌اي با مسأله جمع شدگي مقابله شده است . در اين سيمان ـ كه اولين بار توسط دانشمند فرانسوي به نام لوزيه[18] تهيه شد ـ به سيمان موادي مي‌افزايند كه هنگام مصرف منبسط شود و جمع شدگي سيمان را جبران كند. انبساط مذكور تحت كنترل است و يا برابر ميزان جمع شدگي است كه در اين صورت سيمان حاصل ، بدون جمع شدگي است و يا بيش از آن است كه در اين صورت سيمان حاصل ، منبسط شونده يا پف كننده است. جهت توليد اين نوع سيمان ، كلينكر را با درصدي مواد منبسط شونده آسياب مي‌كنند. لوزيه، مخلوط سنگ گچ ، گچ معمولي و سنگ بوكسيت را با هم حرارت داد و تركيب سولفوآلومينات كلسيم را بدست آورد و از آنجا كه اين ماده در مجاورت با آب منبسط مي‌شود، از آن به عنوان ماده مورد نياز استفاده كرد. اين فرايند در حقيقت حمله مصنوعي سولفاتها به حساب مي‌آمد. ولي جهت كنترل اين حمله و انبساط ، از ماده تثبيت كننده ًسرباره كوره آهن گدازيً استفاده كرد. البته امروزه مواد گوناگون به عنوان ماده گسترش يابنده به كار مي‌روند. سيمانها از لحاظ گسترش يافتن به چهار دسته به شرح جدول 2ـ4 تقسيم مي‌شوند. نكته‌اي كه در ارتباط با استفاده از اين سيمانها بايد متذكر شد، آنست كه شيوه مصرف دقيقاً مطابق با آنچه توليد كننده بيان كرده باشد. در غير اين صورت ممكن است نتيجه مطلوب حاصل نشده ، خساراتي هم به بار آيد .

جدول 2ـ4 : انواع سيمان از لحاظ ميزان گسترش يافتن

سيمانهاي گسترش يابنده كاربردهاي خاصي دارند كه به برخي از آنها اشاره مي‌شود.

الف ـ ترميم روسازيهاي بتني

در روسازيهاي بتي كه يكپارچگي سطح مهم است، در صورتيكه بخشي از سطح سوراخ يا كنده شود، جهت پركردن آن بايد از سيمان گسترش يابنده استفاده كرد تا پس از حاصل كردن گيرش، منبسط شده ، كاملاً به ديواره‌هاي سوراخ بچسبد و يكپارچگي سطح را حفظ كند و از ظاهر شدن شكاف و درز جلوگيري نمايد.

ب ـ ترميم مخازن سيالات

در صورت بروز ترك يا درز در ديواره‌هاي بتني مخازن سيالات ، ترك حاصل را نمي‌توان با سيمان عادي ترميم كرد. چرا كه پس از حاصل كردن گيرش ، باز در اثر پديده جمع شدگي ، درز كوچكي باقي مي‌ماند. بدين منظور از سيمان گسترش يابده استفاده مي‌كنند تا با فشار آوردن به ديواره‌هاي ترك ، آن را به خوبي مسدود نمايد.

ج ـ ترميم قوسها

قوسها سازه‌هايي هستند كه نيروهاي قائم را به صورت نيروهاي فشاري به پي منتقل مي‌كنند(شكل 2ـ23). لازمه اين عملكرد، يكپارچه بودن عناصر سازنده قوس است. در صورت بروز انقطاع در اين عناصر ، محل قطع بايد به وسيله سيمان منبسط شونده ترميم شود تا يكپارچگي فوق تأمين گردد.

د ـ نصب ستونهاي بلند

هنگام نصب ستونها بايد در شاغولي بودن آنها بسيار دقت كرد. در غير اين صورت ستون كج نصب مي‌شود كه باعث خارج شدن بار از محور بارگذاري و تحميل ممان خروج از مركز مي‌گردد. اين مسأله مخصوصاً در ستونهاي بلند بسيار اهميت دارد. چرا كه انحرافات اندك پاي ستون، در ارتفاعات به وضوح ظاهر مي‌شود.

 جهت نصب اينگونه ستونها ، آنها را بر روي صفحاتي فلزي[19]جوش داده، به محل منتقل مي‌كنند. بر روي صفحات سوراخهايي جهت عبور پيچ است. اين پيچها قبلاً در پي تعبيه شده‌اند. با قرار دادن صفحات فلزي روي پيچها و تنظيم مهره‌هاي مربوط ، ستون را به صورت شاغول در مي‌آورند.  آنگاه اطراف صفحه تا روي پي را بسته ، درون آن را دوغاب سيمان گسترش يابنده تزريق مي‌كنند تا پس از كسب مقاومت ، هم ستون شاغول باشد و هم قدرت باربري سيستم تأمين شود.

؟

2ـ11 ـ سيمان پرآلومين (برقي)