هيدراسيون سيمان پرتلند (1)
منبع: راسخون
مقدمه
عبارت هيدراسيون سيمان پرتلند و واكنش هيدراسيون براي بيان يك تعداد معين از فرآيندهاي فيزيكي- شيميايي و ترموديناميكي مورد استفاده قرار مي گيرد كه در زمان تماس سيمان با آب، ايجاد مي شود.اين را در نظر بگيريد كه:
سيمان پرتلند ضرورتاً يك ماده ي چند فازي است كه تركيب شيميايي آن مي تواند متغير باشد.
فازهاي موجود در سيمان پرتلند، كاملاً خالص نيستند زيرا برخي ناخالصي ها در طي فرآيند پخت وارد آن ها مي شود.
برخي از اين ناخالصي ها به عنوان عامل بازدارنده، پايداركننده يا تسريع كننده ي تشكيل فازهاي خاصي محسوب مي شوند و حتي در برخي مواقع، شبكه ي كريستالوگرافي برخي از فازها و در نتيجه واكنش پذيري آنها را تغيير مي دهند.
فازهاي مختلف موجود در كلينكر همواره داراي مورفولوژي يكساني نيستند.
در برخي موارد، شرايط پخت موجب مطلوب شدن رشد كريستال هاي بزرگ مي شود و در برخي موارد ديگر، شرايط به گونه اي است كه، كريستال هاي بسيار ريز يا يك مخلوط از كريستال هاي بزرگ و درشت تشكليل مي شود.
فاز درون شبكه اي بعد از كوئينچ شدن ماده، مي تواند به صورت نسبي كريستالي باشد. اين مسئله بعد از خروج كلينكر از ناحيه ي كلينكرسازي، رخ مي دهد.
سيمان هاي پرتلند تجاري، همواره شامل برخي از اجزا هستند كه اجزاي فرعي ناميده مي شوند. اين اجزاي فرعي عبارتند از آهك تركيب نشده، پريكلاژ، سولفات مواد قليايي، آهك آزاد و ... .
بسياري از فاكتورهاي ديگر فرايند مي تواند ويژگي هاي كلينكر را تغيير دهد (مثلاً شرايط اكسايشي يا كاهنده و ... .)
اين پيچيدگي نشان مي دهد كه به چه دليل و به چه دليل، اين مبحث به طور كرار مورد بررسي و تحقيق قرار گرفته است. اين جالب توجه است كه 100 سال بعد از كار انجام شده بوسيله ي Le Chatelier و Michaelis، محققين زيادي وجود دارند كه با شور و اشتياق بر روي هيدراسيون سيمان پرتلند مطالعه مي كنند. در حقيقت، همانگونه كه قبلاً اشاره شد، واكنش هاي شيميايي كه در طي فرآيند هيدراسيون سيمان پرتلند، اتفاق مي افتد، پيچيده هستند. علاوه بر اين، با افزوده شدن مواد افزودني و اجزاي معدني، اين واكنش هاي پيچيده تر شده اند.
اين مسئله بايد مورد تأكيد قرار گيرد كه هم اكنون ما در مورد ويژگي هاي جزئي هيدراسيون پرتلند صحبت نمي كنيم، در واقع ما در مورد كليات اين پديده، صحبت مي كنيم. علارغم تمام پيچيدگي هاي اين پديده، هيدراسيون سيمان پرتلند نتيجه اي از يك سري پديده هاي بنيادي است كه در هنگام برخورد آب با سيمان رخ مي دهند. هيدراسيون سيمان پرتلند به خاطر ايجاد عوامل زير پديد مي آيد:
توالي واكنش هاي شيميايي كه در آنها فازهاي بي آب سيمان پرتلند به فازهاي آب دار تبديل مي شوند.
ظاهر شدن يك ساختار تدريجي در داخل خمير سيمان هيدراته كه اين مسئله موجب مي شود در داخل بتن ساختاري ايجاد شود كه اين ساختار، بعداً استحكام مي يابد.
افزايش دما كه كم و بيش سريع و شديد است.
تغيير در حجم مطلق و ظاهري خمير
يك كاهش در رسانايي الكتريكي محلول درون شبكه اي در بتن تازه
پيچيدگي علمي يك پديده ي فني ساده
هيدراسيون سيمان پرتلند در حالي كه پديده ي فني ساده است كه منجر به استحكام بخشي در بتن تازه و استحكام بخشي آن مي شود، همچنين يك فرآيند شيميايي بسيار پيچيده است.بنابراين، بتن از ديد فني بسيار ساده ولي از ديد علمي، پديده اي پيچيده است. اين دوگانگي در يك زمان موجب مي شود تا بتن از لحاظ فني موفق باشد اما وقتي اين علم پيچيده به خوبي فراگرفته نشود، مي تواند موجب تضعيف بتن شود.
اگر چه مي توان واكنش هاي شيميايي ساده اي را براي توصيف هيدراسيون كلسيم سولفات (همي هيدرات يا گچ پاريس) در زمان تبديل شدن به ژيپس، نوشت يا واكنش هاي شيميايي كه در تبديل آهك زنده به كلسيم كربنات رخ مي دهد را به سادگي بر روي كاغذ نوشت، اين ممكن نيست كه يك واكنش شيميايي ساده اي را به تشكيل كلسيم سيليكات از دو شكل بي آب
تمام نويسندگان هيدراسيون
همچنين عبارت
Karen Scrivener(2001) ترجيح داده اند كه واكنش هيدراسيون
اولين تئوري شيميايي در مورد هيدراسيون سيمان پرتلند در مطالعاتي ارائه شده است كه بيش از 100 سال پيش بوسيله ي شيميدان هاي معروفي مانند Le Chatelier و Michaelis انجام شده است. اين افراد سعي كردند تا پديده هاي شيميايي ايجاد شده در حين هيدراسيون سيمان را با استفاده از ابزارهاي تجربي محدودي كه آن زمان در اختيار داشتند، فرموله كنند. براي مثال، Le Chatelier در نوشته هاي خود به هيدراسيون كلسيم سيليكات و تشكيل
كه در زمينه ي قرارگيري فضايي عناصر ساختاري اطلاع دارد، كلسيم سيليكات هيدراته، از تترا هدرال هاي تشكيل شده است كه يون اكسيژن موجود در آنها بوسيله ي يون هاي
براي يك معدن شناس، كائولينيت مي تواند به صورت
اندازه ي يون در مركز محل هاي اكتاهدرال داراي اهميت فني بيشتري دارد زيرا اين ممكن است با تغيير يون هاي موجود در اين موقعيت، مواد مختلفي مانند يك رس، يك آزبست و يك چسب معدني، حاصل شود. اين چسب به سهولت مورد استفاده قرار مي گيرد و خواص فيزيكي آن موجب شده است تا بتن در طي 100 سال گذشته، متداول ترين ماده ي ساختماني مورد استفاده در جهان باشد.
چگونه مي توانيم به واكنش هيدراسيون برسيم
براي چيره شدن بر اين پيچيدگي، واكنش هيدراسيون مي تواند به راه هاي مختلفي در نظر گرفته شود. يك روش شامل مطالعه ي هيدراسيون هر 4 فاز اصلي سيمان پرتلند به صورت مجزا مي باشد. البته در اين روش بايد اميدوار باشيم، واكنش هم ارز از مجموع اين واكنش هاي منفرد، ايجاد شود. يك چنين روشي به طور گسترده مورد استفاده قرار مي گيرد، اگر چه اين فهميده شده است كه در طي هيدراسيون، برخي برهمكنش ها و واكنش هاي توأمان درميان اين 4 جزء ايجاد مي شود. براي مثال، اين فهميده شده است كه هيدراسيونيكي ديگر از روش ها شامل ارزيابي پديده هاي همزمان است كه به طور متوالي در واكنش هيدراسيون، بوقوع مي پيوندند. براي مثال، استحكام افزايش مي يابد، مدول الاستيك افزايش مي يابد، تغيير در رسانايي الكتريكي محلول اوليه، ايجاد مي شود يا تغييرات حجمي تحت شرايط عمل آوري مختلف، ايجاد مي شود (شكل 3).
با استفاده از يك چنين روشي، معادلات شيميايي مختلف مي تواند نوشته شود و با توجه به محدوديت هاي موجود صحت انجام آنها مورد بررسي قرار گيرد. مدل هاي رياضي مي تواند در زماني مورد استفاده قرار گيرد كه برخي فرضيه ها در اين زمينه وجود داشته باشد. با استفاده از رزونانس معناطيسي هسته مي توان نانوساختار هيدراته را مورد بررسي قرار داد.
روش آخري كه در اينجا مورد توجه قرار گرفته است، روش مهندسي عمران است. با استفاده از آن مي توان انواع مختلف بتن، با طول عمرهاي مختلف و تركيبات مختلف را در زير يك SEM مشاهده نمود. در اين روش مهندسي، رئولوژي بتن، تغييرات حجمي و حرارت ايجاد شده در داخل بتن سخت شده، به عنوان يك عامل مهم مورد ارزيابي قرار مي گيرد.
نقش ايفا شده بوسيله ي يون گچ در توسعه ي واكنش هيدراسيون ابتدا مورد آناليز قرار مي گيرد كه علت تقدم آن اهميت بسيار بالاي اين فاكتور بر روي فرايند هيدراسيون است. دو رخداد غير متداول مورد بحث قرار مي گيرد. اين رخداد ها عبارتند از گيرش آني و گيرش كاذب. پس از آن، برخي نتايج واكنش هيدراسيون مورد آناليز قرار مي گيرد. اين نتايج عبارتند از تغييرات ايجاد شده در رسنايي الكتريكي محلول اوليه، گيرش، تغييرات حجمي، حرارت ايجاد شده و افزايش استحكام مي باشد. برخي مشاهدات با SEM بر روي خميرهاي سيماني در حال هيدراسيون، انجام مي شود و بوسيله ي آنها تصوير نهايي حاصل مي شود و در نهايت، مدل هاي هيدراسيون و برخي از مدل هاي ساختاري توسعه يافته براي C-S-H نيز به طور خلاصه ارائه مي شود.
سيمان پرتلند و گچ (ژيپس)
كنترل هيدراسيون
وقتي
به دليل اينكه اين دو ماده ي آب دار پايداري زيادي ندارند، آنها به سرعت بر طبق واكنش زير به تركيبات ديگر تبديل مي شوند:
شيميدان فرانسوي Giron در هنگام كار در ايالات متحده ي آمريكا، فهميد كه افزودن مقادير اندك از گچ مي تواند براي كنترل هيدراسيون
برخي افراد وسواسي اين تركيب را تري سولفات كلسيم آلومينات آب دار مي نامند در حالي كه برخي از محققين فرانسوي اين تركيب را نمك كاندلوت (Candlot) مي نامند.
تركيب شيميايي بدست آمده براي اترينجيت به صورت زير است:
اما در برخي موارد، استفاده از يك فرمول مشابه كه به صورت زير نوشته مي شود، مفيد است:
اين نماد به طور واضح سه گروه شيميايي را كه در ناحيه ي اترينجيت و در طي هيدراسيون سيمان پرتلند وجود دارد، نشان مي دهد.
در برخي منابع، فرمول اترينجيت به صورت هاي زير نوشته شده است:
يكي از جنبه هاي جالب توجه اين واكنش، كريستاليزاسيون ساده و تشكيل اشكال هگزاگونال است كه يك تركيب شيميايي واحد براي آنها تعيين نشده است. اين مسئله در بين محققين اتفاق نظري ندارد و برخي از منابع مي گويند اترينجيت 31 مولكول آب ندارد چون 31 عدد اول است. آنها مي گويند اين ماده ممكن است كريستالي داشته باشد كه داراي تقارن هگزاگونال بوده و تعداد مولكول هاي آب آن يك عدد اول است.
بنابراين، مقداري كلسيم سولفات به كلينكر سيمان پرتلند اضافه مي شود تا
به هر حال، وقتي يك محاسبه ي سريع انجام دهيم، مقدار
بدست مي آيد. اين نكته بايد تذكر داده شود كه
وقتي تمام كلسيم سولفات اضافه شده در طي آسياب كاري، با
مونوسولفوآلومينات مي تواند همچنين به صورت
در نتيجه، وقتي استاندارد به طور هدفمند، مقدار كلسيم سولفات مورد نياز براي كنترل زمان گيرش و افزايش استحكام سيمان پرتلند بعد از 24 ساعت را افزايش دهد، آنها به طور جزئي يا كلي تجزيه ي اترينجيت را كه ابتدا تشكيل شده است، را مطلوب مي كند. به هر حال، اين واكنش تجزيه در داخل سيمان سخت شده، رخ مي دهد و از نقطه نظر گيرش و رئولوژيك، مد نظر نمي باشد. اين مسئله براي يك خمير سيماني در حال هيدراته شدن، اين امكان دارد كه مقداري از
در اين مقاله، اترينجيت همچنين با نماد
وقتي سعي مي كنيم تا كلسيم سولفات موجود را مقدار اترينجيت و مونوسولفوآلومينات تطبيق دهيم، اين مسئله همواره مشاهده شده است كه مقدار كافي از كلسيم سولفات در طي آسياب كاري به كلينكر سيمان پرتلند، اضافه نشده است و در نتيجه، مقداري از
به هر حال، وقتي بعدها، به هر دليلي، يون هاي سولفات در محلول بين شبكه اي نفوذ كند (برخورد باران اسيدي، آب هاي زيرزميني غني از سولفات و حملات باكتريايي)، مونوسولفوآلومينات در بتن سخت شده نفوذ مي كنند كه اين مسئله موجب بادكردن بتن مي شود. دركشورهاي شمالي، اين مسئله مي تواند منجر به اثرات زيان آوري مي شود. در كشورهاي شمالي، كه بتن تحت سيكل هاي يخ زدگي قرار مي گيرد، خوشه هاي اترينجيت همواره در داخل حباب هاي هواي به دام افتاده در داخل بتن، مشاهده مي شود (شكل 5). اترينجيت همچنين در ترك ها و ناحيه ي انتقالي ميان شن و ماسه و خمير سيمان موجود در بتن، مشاهده مي شود. اين ترك ها به دليل بوجود آمدن سيكل هاي يخ زدگي ايجاد مي شوند. اگر چه اين اترينجيت به طور مستقيم مسئول تخريب بتن نمي باشد.
طبيعت واقعي كلسيم سولفات موجود در سيمان پرتلند
براي مدت هاي طولاني، گچ براي كنترل گيرش سيمان پرتلند، مورد استفاده قرار مي گيرد؛ اما هم اكنون اين بهتر است كه در مورد افزودن كلسيم سولفات، صحبت كنيم. در حقيقت، حتي وقتي گچ به آسياب گلوله اي وارد مي شود، اين يقين وجود ندارد كه همان مقدار وارد شده، در سيمان وجود دارد. علت اين مسئله، به دليل افزايش دما در آسياب گلوله اي، مقداري گچ مي تواند به طور جزئي دهيدراته شود و به صورت كلسيم سولفات همي هيدراتدهيدراسيون جزئي گچ هم اكنون بوسيله ي برخي از توليدكنندگان سيمان براي كنترل گيرش سيمان هاي نامرغوب مورد استفاده قرار گيرد. سيمان هاي نامرغوب معمولاً به طور زيادي آسياب كاري شده اند و از فاز
به هر حال، وقتي دما در طي آسياب كاري، به طور قابل توجهي بالا رود، مقادير قابل توجهي از گچ مي تواند دهيدراته شود و موجب پديد آمدن سفتي زودرس بتن شود. اين نوع از حوادث، در صنعت به عنوان گيرش دروغين ناميده مي شود. سفت شدن زودرس بتن مشابه همان چيزي است كه در مورد گيرش آني مشاهده مي شود. حال اگر مخلوط كردن ادامه يابد، گچي كه در طي هيدراسيون همي هيدرات در داخل بتن تازه تشكيل مي شود، مي تواند حل شود و بنابراين بتن مي تواند پلاستيسيته ي خود را بازيابي كند.
مشكلي كه در زمان سفت شدن سريع بتن در داخل ميكسر رخ مي دهد، اين است كه ايجاد تمايز ميان گيرش دروغين و گيرش آني ممكن نيست. بنابراين، در هر دو مورد، بهتر است تا آب بيشتري به مخلوط اضافه شود و بعد ميكسر تخليه گردد. بعد از اين، اين پيشنهاد مي شود كه در صورت امكان ميزان بچ اوليه ي ملات، كمتر در نظر گرفته شود تا بدين صورت، بتوان تشخيص گيرش آني و گيرش دروغين ساده تر باشد.
اگر اين گيرش، يك گيرش دروغين باشد، اين ضروري است كه زمان مخلوط كردن را افزايش دهيم و مقداري آب به ملات اضافه كنيم؛ و حتي بهتر است مقداري پلاستيسايزر به بتن اضافه كنيم. اما اگر اين گيرش، يك گيرش آني باشد، اين ضروري است كه توليد بتن را متوقف كنيم و سيمان پرتلند را با يك سيمان مناسب جايگزين كنيم. اين نوع از رخدادها، بسيار هزينه بر است چون اتلاف زيادي در توليد وجود دارد ولي اين مسئله زياد رخ نمي دهد.
يكي ديگر از منابع پديد آمدن مشكلات رئولوژيكي ايجاد شده به دليل افزوده شدن مقادير نامناسب كلسيم سولفات به سيمان، به دليل اين حقيقت رخ مي دهد كه توليدكنندگان سيمان گچ هاي با كيفيت پايين استفاده مي كنند. اين منابع كلسيم سولفات داراي تركيب يكنواختي نيستند. البته، وقتي آناليز شيميايي سيمان پرتلند، انجام مي شود، مقدار
برخي اوقات، انيدريت هاي طبيعي جايگزين گچ مي شوند. انيدريت هاي طبيعي، يك شكل كريستالي كلسيم سولفات است كه در رسوبات طبيعي بزرگ، يافت مي شوند. همچنين مي توان از مخلوطي از گچ و رسوبات گچي نيز استفاده شود. وقتي توليد صفحات گچي اتوماتيك مي شود، توليدكنندگان سيمان مي توانند گچ هاي ناخالص را با پرداخت پول اندكي خريداري كنند. تا زماني كه توليدكنندگان سيمان استانداردهاي كنوني در مورد درصد
درصد
براي زمان هاي طولاني، درصد
سال ها قبل، وقتي قيمت نفت بسيار پايين بود و استفاده كنندگان از زغال سنگ و پالايشگاه ها، نگراني در مورد مقدار
در نتيجه، مقدار
/ج
{{Fullname}} {{Creationdate}}
{{Body}}