اجزای فرعي سیمان
اجزای فرعي سیمان
اجسامي كه در اثر حرارت دادن سيمان آزاد مي شوند عمدتا عبارتند از آب و دي اكسيد كربن. در فرآيند ساخت سيمان، جذب مقداري رطوبت توسط سيمان اجتناب ناپذير است. در بعضي ازكارخانجات سيمان پس از پختن كلينكر و در خروجي خنك كن ، روي كلينكر داغ مقداري آب پاشيده ميشود و در برخي ديگر از كارخانجات، كلينكر را با هوا سريعا سرد ميكنند . هدف از اين كار تسريع در سرد شدن كلينكر و افزايش قابليت خرد شدن آن است. درست است كه مقدار زيادي از آب مصرفي براي سرد كردن كلينكر بلافاصله تبخير مي شود، ولي آنچه كه باقي مي ماند براي هيدراته شدن لايه هاي سطحي كلينكر كفايت مي كند. بعلاوه در ضمن انبار كردن، كلينكر مقداري از رطوبت محيط را نيزجذب مي نمايد. سنگ گچي كه در موقع آسياب كردن به كلينكر اضافه مي شود، حدودا 18 درصد آب تبلور دارد، اين مقدار آب جدا از رطوبت سطحي ناشي از شرايط استخراج ونگهداري سنگ گچ است. لذا كسر وزن ناشي از حرارت دادن سيمان شامل مقادير مختلف آب هاي حاصل از منابعي است كه ذكر شد . بخش ديگري از كسر وزن حرارتي مربوط است به دفع انيدريد كربنيك جذب شده از محيط بوسيله بخش كوچكي از اجزاء هيدراته شده سيمان براساس مشخصات استاندارد براي سيمان پرتلند، مقدار اتلاف كسر وزنی حرارتي سيمان هاي تجاري نبايستي از 5 درصد بيشتر شود. بالاتر بودن اتلاف حرارتي ممكن است داراي تاثير منفي روي خواص سخت شدن سيمان، خصوصا سرعت گيرش آن باشد. معذالك ممكن است تلاش سازندگان سيمان در كنترل دقيق اتلاف حرارتي سيمان، بدليل انبار كردن نامطلوب آن در كارگاه ساختماني، هدر رود . سيمان پرتلند يك ماده جاذب آب است كه تمايل به جذب رطوبت در شرايط ذخيره سازي مرطوب و نمناك را دارد. لذا بايد دقت زيادي در انبار كردن تحت شرايط خشك و نفوذ ناپذيريِ هوا بشود.
« باقيمانده نا محلول » جزء فرعي سيمان پرتلند كه از طريق آناليز شيميائي بدست مي آيد اين فاكتور معرف بخشي از سيمان است كه در اسيد كلريدريك نامحلول است. تقريبا تمام تركيبات رسي موجود در مواد اوليه سيمان پرتلند در اسيدها نامحلولند. فقط در تركيب با آهك و پس از پختن وتبديل شدن به كلينكر است كه اين مشخصه بطور ريشه اي تغيير ميكند و درنتيجه تمام مينرال هاي حاصله قابل حل دراسيدها مي شوند.
اكسيد مينزيم، معروف به منيزي، تركيبي است با شباهت نزديك به MgO جزء ديگر سيمان بنام اين تركيب به مقدار جزئي در اغلب سيمان هاي پرتلند وجود دارد . علت اينست كه غالبا CaOدر طبيعت بصورت كربنات منيزيم و همراه با كربنات كلسيم است . سنگ آهك هاي داراي منيزي موسومند و براي ساخت سيمان پرتلند مناسب نيستند. علت « سنگ آهكهاي دولوميتي » زياد بنام اينست كه منيزي جدا شده از آهك، با اكسيدهاي اسيدي موجود در سيمان تركيب نمي شود و به در محصول نهائي باقي خواهد ماند. مشابه حالت آهك ، شكفته شدن منيزي « منيزي آزاد » صورت نيز همراه با افزايش حجم است و در صورتيكه به مقدار زيادي منيزي آزاد در سيمان وجود داشته باشد خطر انبساط تاخيري وجود خواهد داشت. انبساط حجمي مربوط به منيزي تاحدود زيادي خطرناك تر از انبساط حجمي آهك آزاد است . زيرا كه ميزان گسترش انبساط آن خيلي كند است اولين علائم انبساطي آن ممكن پس از چند سال ظاهر شود و در نتيجه نمي توان عوارض خطرناك ناشي از تاخير در انبساط را با درجه اطمينان لازم توسط آزمايشهاي كوتاه مدت تشخيص داد. بهمين دليل است كه اغلب استاندارد هاي سيمان پرتلند روي رقم حداكثر 5 درصد منيزي تاكيد مي كنند. تذكر اين نكته ممكن است جالب باشد كه رنگ خاكستري مايل به سبز سيمان ناشي از وجود مينزي است. سيمان هاي فاقد مينزي داراي رنگ مايل به قهوه اي هستند .
جزء ديگر سيمان پرتلند، كه برخلاف مقدار كم آن داراي اهميت است و در برگ آناليز شيميائي بصورت گچ، SO3 انيدريد گوگرد نشان داده مي شود ، از روش آناليز گچ بدست مي آيد. گچ (CaSO4)SO متشكل از SOو CaO مي شود . در تجزيه شيميائي سيمان، آهك مشتق از گچ واردکل مقدار CaO می شود ولي مقدار واقعي گچ را ميتوان بر مبناي وزن ملكولي مقدار CaO بدست آمده حساب کرد . یک قسمت وزني، SO 3 معادل 1.7 قسمت سولفات كلسيم است . از این رو در آنالیز شیمیایی سیمانی که قبلاً ارائه شد مقدار 2 درصد SO3 معادل 3.4 درصد سولفات کلسیم است . سولفات کلسیم دقيقا همان چيزي نيست كه بعنوان گچ خام در موقع پودر كردن به سيمان افزوده مي شود. بلكه گچ خام داراي 18 درصد آب تبلور است و علاوه بر اين داراي مقدار متغيري رطوبت ناشي از نحوه استخراج مي باشد . همچنين ممكن است حاوي برخي ناخالصي ها عمدتاً رسی نیز باشد . همه اين تركيبات موجود در گچ خام، با بيان آناليتكي، در مقادير اتلاف حرارتی و باقیمانده نامحلول نمايان مي شوند. در عمل مقداري بيش از رقم محاسبه شده 3.4 درصد گچ خام به كلينكر اضافه شده است. آنچه كه از نقطه نظر شيميائي و فني مطرح است بخش اكتيو گچ خام يعني سولفات كلسيم موجود در سيمان است .
قبلا يادآوري شد كه بخشي از آهك را كه در تركيب گچ خام است، مي بايستي در محاسبه مربوط به ضريب اشباع آهك سيمان موردنظر قرار داد مقدار آن با ضرب كردن مقدارSO3 در ضریب 0.7 بدست مي آيد. منظور از افزودن گچ به سيمان پرتلند تنظيم زمان گيرش است و به همين دليل وجود آن مطلقا لازم است و داراي اهميت فوق العاده مي باشد. اگر مقدار گچ از حدي فراتر رود ممكن است باعث انبساط ناشي از گچ شود. يعني سومين نوع انبساط كه دوتاي آن عبارتنداز انبساط آهك آزاد و انبساط منيزي كه جلوتر بدانها شاره شده بود. از اينرو افزودن گچ و اثر آن روي سيمان داراي دو جنبه قابل توجه است و بررسي دقيق تري را ايجاب مي نمايد.اگر نمونه خالصي از سه كلسيم سيليكات تهيه شده در شرايط آزمايشگاه را بخوبي پودر كرده و با آب مخلوط نمائيم، خمير حاصله قبل از گيرش نهائي براي مدت چند ساعت نرم و شكل پذير باقي مي ماند. فرآيند گيرش دو كلسيم سيليكات نيز آرام است و در واقع خيلي آهسته تر از مورد سه كلسيم سيليكات است . ولي در مورد آلوميناي موجود در سيمان پرتلند يعني سه كلسيم آلومينات، مورد فوق معكوس است . در تماس با آب ، گسترش گيرش اين تركيب از نوع و به همراه آزاد شدن مقدار قابل توجهي حرارت است و در عمل اين خصوصيات غير مفيد» گيرش سريع« هستند.
با وجوديكه مقدار سه كلسيم آلومينات موجود در سيمان نسبتا كم است ولي به طور اجتناب ناپذيري باعث گسترش سريع مقاومت سيمان مي شود. هميشه چنين نبوده است ، در قرن گذشته سيمان پرتلند طوري ساخته ميشد كه بدون هيچگونه ماده افزودني، به آهستگي ميگرفت و خالي از اشكال قابل مصرف بود. فقط از موقعيكه اثرات ارزشمند نرمي سيمان روي سرعت گسترش مقاومت آن كشف شد و افزايش نرمي سيمان توسعه يافت، مسئله گيرش سريع سيمان نيز مكررا پيش آمده است. كشف اين نكته كه با افزايش مقدار مختصري گچ خام به سيمان، بر مشكل فوق غلبه خواهد شد، پيشرفت قابل توجهي درتكنولوژي سيمان بود. اين كشف منتج به ساخت سيمان هاي نرم و متعاقب آن سيمان هاي زود گير شد كه زمان گيرش آنها آنچنان است كه فرصت كافي براي جابجا كردن ومتراكم كردن بتن يا ملات وجود دارد. حتي امروزه، كاملا روشن نيست كه چرا با افزودن مقدار كمي گچ خام، امكان پيشگيري از گيرش سريع سيمان بوجود مي آيد. معذالك، شكي در اين نكته نيست كه گچ خام سريعا با سه كلسيم آلومينات تركيب مي شود و به شكل تركيبات سوزني شكلي در مي آيد كه جدا از گچ خام عملا در آب نامحلول است . تركيب كلسيم سولفوآلومينات، متشكل از سه ملكول سه كلسيم آلومينات،سه ملكول كلسيم سولفات و مقدار قابل توجهي آب با اتصال شیميائي (آب تبلور ) است: ( 3CaO. Al2O3. 3CaSO4. 32H2O) و به علت وزن مخصوص نسبتاٌ پایین آن (1.7 ) حجم نسبتاٌ زیادی را اشغال می کند . در اين مورد نيز مشابه شكفته شدن آهك يا منيزي، بدليل نياز به فضاي بيشتر، كلسيم سولفوآلومينات ميتواند باعث انبساط سيمان شود. مقادير كم گچ خام، در حدودي كه براي تنظيم زمان گيرش سيمان بكار ميرود، در 24 ساعت اول فرآيند سخت شدن سيمان وارد عمل ميشود و عاري از هرگونه پديده انبساطي و همزمان با فرآيند سخت شدن، تركيب مذكور ، را بوجود مي آورد. معذالك اگر مقدار گچ افزوده شده خيلي زياد باشد، خطر پديد آمدن انبساط گچي در مراحل بعدي سخت شدن و در حضور رطوبت اضافي، وجود خواهد داشت. از اينروست كه در مشخصه نامه هاي استاندارد، بسته به مقدار ساير مواد افزودني، نرمی سيمان و ساير شرايط، مقدار گچ محدود به مقادير 3.5 و 4.5 درصد شده است . بالاخره قليائي هاي موجود در سيمان پرتلند در برگ اطلاعات آناليز شيميائي بصورت k2o و Na2O نشان داده مي شوند. اين دو تركيب همواره همراه مواد خام سيمان هستند و چنانچه مقادير آنها در حدود تجزيه شيميائي نمونه سيمان پرتلند مثال قبلي باشند، كاملا بي ضرر است. معذالك به همراه ساير عوامل، وجود مقادير بيشتر قليائي ميتواند مشكلاتي را در رابطه با تنظيم زمان گيرش سيمان، باعث شود. بايستي يادآور شد كه در آمريكا و برخي كشورهاي ديگر مواردي چند از خرابي و تخريب بتن، بخاطر واكنش هاي شيميائي انجام شده في مابين قليائي ها و برخي انواع شن و ماسه (سيليسي، اوپال) مشاهده شده است . احتمال خطر آسيب ديدن بتن بخاطر واكنش في مابين قليائي – سنگ دانه در انگلستان و اروپا ناچيز است.
ممكن است تعجب كنید كه چرا آهك آزاد در تركيبات فرعي سيمان پرتلند نيامده است. خصوصا اينكه دركارخانجات سيمان بخاطر احتراز از خطر انبساط آهك آزاد نهايت سعي در محدود نگاهداشتن آهك آزاد سيمان صورت ميگيرد. جواب اين موضوع بسيار ساده است، جدا كردن شيميائي مقادير جزئي دو تركيب آهك آزاد cao و هیدرات کلسیم (2(ca(oH) بسيار مشكل است. دقيقا آنچه كه در اينجا داراي اهميت است، تشخيص و تمايز اين دو تركيب است. همانطور كه قبلا يادآوري شد كلينكر خروجي از كوره تمايل به جذب رطوبت ازمحيط اطراف دارد. همچنين قبلا اشاره گرديد كه از هيدراته شدن دو ملكول دوكلسيم سيليكات، يك ملكول هيدروكلسيد كلسيم آزاد مي شود. بطوريكه بعدا نيز نشان داده خواهد شد، از هيدراته شدن سه كلسيم سيليكات، مقادير بيشتري هيدرات كلسيم بوجود خواهد آمد . لذا، يك سيمان تجاري بطور اجتناب ناپذيزي شامل مقداري آهك آزاد است . تعيين اينكه واقعا چه مقدار از اين آهك آزاد كه بوسيله آناليز شيميائي بدست مي آيد، معرف آهكي است كه در ضمن پختن كلينكر بصورت مينرال در نيامده است و يا اينكه حاصل هيدراته شدن كلينكر پودر شده در ضمن پودر كردن يا انبار كردن بعدي است، امري امكان ناپذير است . هيدرات كلسيم بدست آمده از هيدراته شدن كلينكر بي ضرر است و حتي ميتواند بعنوان راهنمائي براي تعيين طول مدت زمان نگهداري و كم وكيشف نگهداري سيمان و كلينكر باشد. چنانچه مقدار آهك آزاد يعني آهكي كه ضمن ساختن كلينكر سيمان تركيب نشده باقيمانده است، از حد معيني بيشتر شود، ممكن است باعث انبساط ملات يا بتن شود . هيچ محدوده دقيقي براي مقادير مجاز آهك آزاد در سيمان پرتلند نمي توان تعيين كرد، زيرا كه ميزان واقعي انبساط ناشي از آن بستگي به چگونگي توزيع ذرات آهك آزاد در سيمان دارد. باين دليل در تمام استاندارد هاي سيمان پرتلند مشخصه آزمايش بي عيب بودن(Soundness) يعني آزمايش بررسي ثبات حجم سيمان را بجاي محدوديت هاي شيميائي در نظر گرفته اند. نتايج آزمايش ثبات حجم هرگونه خطر انبساط آتي آهك آزاد را بصورت مطمئن ظاهر مي سازد. تجارب عملي در دوره زماني چندين ساله نشان داده است كه در صورتيكه در آزمايش استاندارد پولك سيمان ساخته شده از ملات سيمان، نشاني از پيچيده شدن، ترك برداشتن يا متلاشي شدن، پس از 28 روز ماندن در زير آب وجود نداشته باشد، هيچگونه خطر انبساط آهكي در ساختمان وجود نخواهد داشت. اشكال آزمايش آب سرد این است که چهار هفته زمان می برد استاندارد آلمان یک روش سریع تری به نام آزمایش آب جوش راا پيشنهاد مي نمايد كه در فاصله 24 ساعت نتيجه مي دهد. سيماني كه آزمايش آب جوش را با موفقيت ميگذراند قادر خواهد بود آزمايش آب سرد را نيز پشت سر بگذارد. آزمايش آب جوش محك منصفانه دقيقي است و احتمال اينكه نمونه مورد آزمايش مقداري جزئي منبسط شود وجود دارد. دليل آن بدينقرار است: در آزمايش آب سرد شكفته شدن هرگونه آهك آزاد موجود به آرامي پيش ميرود و عمدتا در زماني است كه هنوز قالب سيمان داراي الاستيسيته كافي براي جذب تنش هاي ناشي از افزايش حجم مربوط به فرآيند شكفته شدن است . از سوي ديگر، در آزمايش آب جوش عمل شكفته شدن بسيار سريعتر صورت ميگيرد و اين در حالي است كه بدليل درجه حرارت بالا، جسم اساسا سخت شده است. البته اين نكته هم مطرح است كه آزمايش آب جوش با چگونگي عمل آوردن و نگهداري كه در شرايط عادي معمول است مطابقت ندارد. معذالك دراستاندارد آلمان اين آزمايش براي سيمان اجباري است، البته با اين قيد كه اگر سيمان از عهده آزمايش بر نيامد مي بايستي ملات آنرا بصورت لايه اي نازك در آورده و پس از زماني معين، مورد آزمايش آب جوش قرار داد. در صورتيكه نمونه مجددا از خود انبساط نشان دهد، خريدار مجاز به برگشت دادن سيمان است . سايركشورهاي اروپائي از آزمايش انبســـاط حجمي لوشاتوليه( test le Chatelier-Soundness ) استفـاده مي كنند اين آزمايش عبارتست از اندازه گيري انبساط ايجاد شده در يك استوانه كوچك حاوي خمير سيمان مورد آزمايش، كه داراي پيوستگي استاندارد بوده و تحت شرايط كنترل شده اي، ابتدا 24 در آب سرد ساعت و سپس 1 ساعت در آب جوش نگه داشته مي شود. قالب استوانه اي از يك طرف داراي شكاف است و سوزن هاي شاخص به دو لبه شكاف وصل شده اند. قبل و پس از آزمايش فاصله بين سوزن ها اندازه گرفتــــــــــه مي شود، تفاوت بين اين دو رقم انبساط سيمان را بدست مي دهد.
در استاندارد آمريكا، سلامت و انبساط سيمان پرتلند را بوسيله آزمايش اتوكلاو روي نمونه هاي خمير بدون ماسه سيمان بدست مي آورند. اتوكلاو (ظرف بسته حاوي آب و نمونه هاي مورد آزمايش) تا حدي حرارت داده ميشود كه فشار بخار آب در داخل آن به مقدار معيني برسد. پس از پايان گرم كردن، اتوكلاو و نمونه ها را آنچنان سرد مينمايند كه فشار موجود به تدريج آزاد شود. تفاوت طول نمونه ها قبل از آزمايش و پس از آزمايش اتوكلاو بدقت اندازه گيري مي شود و به عنوان معيار و سنجشي از انبساط سيمان در نظر گرفته مي شود .
