مترجم: حبيب الله عليخاني
منبع: راسخون




 

مقدمه

در اين مقاله، چندين نوع سيمان پرتلند خاص و ساير انواع بايندرهاي هيدروليك را معرفي مي كنيم. اين بايندرهاي هيدروليك داراي تركيب شيميايي هستند كه كاملاً با سيمان پرتلند متفاوت است و براي كاربردهاي خاص مورد استفاده قرار مي گيرند. در اين مقاله قصد داريم تا تفاوت اين سيمان ها با ساير سيمان هاي پرتلند معمولي و سيمان هاي مخلوط را مورد بررسي قرار دهيم. به دليل اينكه مقادير توليد اين سيمان ها نسبت به سيمان پرتلند، كمتر است، هزينه هاي توليد و بازاريابي اين نوع سيمان ها بسيار بيشتر از سيمان پرتلند است. علاوه بر اين، اين نوع سيمان ها را بالاجبار بايد به مناطق دورتر حمل و نقل كنيم و از اين رو، هزينه هاي بازاريابي مي تواند سه تا پنج برابر بيشتر از هزينه هاي بازاريابي سيمان پرتلند مي باشد و حتي اين هزينه گاهاً به 8 تا 10 برابر هزينه هاي بازاريابي برخي سيمان هاي آلومينايي نيز مي رسد. در ابتدا سيمان هاي پرتلند بسيار ويژه معرفي مي شوند، بعد از آن در مورد سيمان هاي آلومينايي و سيمان هاي كلسيم سولفوآلوميناتي و در نهايت در مورد بايندرهاي هيدروليك صنعتي صحبت خواهد شد.

سيمان هاي پرتلند ويژه

عبارت سيمان پرتلند ويژه براي بيان سيمان هاي پرتلندي مورد استفاده قرار مي گيرد كه از كلينكري تشكيل شده اند كه نسبت به كلينكرهاي سيمان پرتلند معمولي متفاوت است. سيمان هاي پرتلند ويژه براي برطرف كردن برخي از نيازهاي فني و زيبايي شناسي ابداع شده اند. به هر حال، در اصل اين سيمان ها هنوز هم سيمان هاي پرتلند هستند و خواص اتصال دهندگي آنها به دليل ايجاد واكنش در فازهاي سيليكاتي و فازهاي بين شبكه اي، ايجاد مي شود. جدول 1 تركيب شيميايي برخي از اين سيمان هاي خاص را نشان مي دهد.

سيمان هاي پرتلند سفيد

اگر بخواهيم به طور ساده بگوييم، سيمان پرتلند سفيد، سيمان هاي پرتلندي هستند كه از مواد اوليه ي با مقادير آهن اندك تشكيل شده اند. درصد يك سيمان سفيد معمولاً كمتر از 8/0 % است. این بدین معناست که فاز بین شبکه ای این سیمان منحصراً از تشکیل شده است. در نتیجه، سیمان پرتلند سفید باید در دماهای بالاتری نسبت به دمای پخت سیمان پرتلند خاکستری پخت گردد. سیمان پرتلند سفید باید در آسیاب هایی، آسیاب شود که میزان اندکی ذرات آهن را وارد سیمان آسیاب شده، وارد کنند. در واقع در این آسیاب ها باید از گلوله های فولاد سخت استفاده شود. صرفنظر از رنگ سفید و واکنش پذیری بالا، این نوع سیمان ویژگی خاص دیگری ندارد.
از نقطه نظر رئولوژیک، سیمان های پرتلند سفید بسیار واکنش پذیرند زیرا فاز بین شبکه ای آنها منحصراً از تشکیل شده است. سیمان های سفید معمولاً بطور ناچیز با پلاستیسایزرهای پلی سولفوناتی واکنش می دهند زیرا آنها نیز دارای مقادیر اندکی مواد قلیایی هستند. بنابراین، بهتر است که برای سیمان پرتلند سفید از پلاستیسایزرهای پلی کربوکسیلاتی استفاده شود یا به این سیمان مقادیر کافی بازدارنده یا سدیم سولفات اضافه شود.
سیمان های پرتلند سفید برای تولید صفحات رنگی یا سفید رنگ، آجرهای سفید یا رنگی، آجرها، سنگ فرش ها و یا آجرهای مخصوص فرش کردن کف، استفاده می شود. برای رنگی کردن این قطعات، پیگمنت های رنگی به آن افزوده می شود.

سیمان زرد نخودی (buff cememnt)

سال ها پیش، معماران تگزاسی از این شکایت می کردند که سیمان پرتلند خاکستری به طور مناسب با آجرهای قهوه ای و قرمز رنگ که آنها مورد استفاده قرار می دادند، تطابق ندارد. آنها همچنین از فقدان پایداری ملات های رنگی مورد استفاده بوسیله ی بنایان، شکایت داشتند. از این رو آنها از شرکت های سیمان درخواست کردند تا یک سیمان زرد نخودی تولید کنند که نیازمند اضافه کردن مواد رنگی نباشد.
این امکان وجود دارد که رنگ کلینکر را با استفاده از کوئنچ سریع آن پیش از خروج آن از کوره، تغییر داد. این سرعت به حدی بالاست که اجازه ی ثابت شدن و در فازهای فعال خود را نمی دهد. تنها لازم است که آب را در زمانی که دمای کلینکر در حدود ℃ 1400 است، بر روی آن اسپری کنیم. در این حالت تمام آهن موجود در کلینکر به شکل باقی می ماند. این دقیقاً همان پدیده ای است که در زمان کوئنچ کردن سرباره ی کوره ی بلند، مشاهده می شود. سرباره ی کریستالی که بعد از سرد کردن آهسته بدست می آید، دارای رنگ خاکستری تیره است در حالی که وقتی همان سرباره کوئنچ شود، رنگ آن قهوه ای کم رنگ یا زرد رنگ می شود. این رنگ به مقدار آهن موجود در آن و دمایی بستگی دارد که در آن سرباره کوئنچ می شود. در واقع سرباره ی سرد بعد از کوئنچ دارای رنگ قهوه ای تیره است در حالی که سرباره های گرم می توانند سفید یا زرد کم رنگ باشند .
به هر حال، کوئنچ یک کلینکر گرم با آب در زمانی که از کوره ی سیمان خارج می شود، برای آسترکاری کوره مضر می باشد. این مسئله دلیلی است بر این موضوع که چرا سیمان زرد نخودی در انتهای کوره، تولید می شود. بنابر این تولید کلینکر زرد نخودی هزینه بر است و به دلیل اینکه بازار فروش آن زیاد گسترده نیست، شرکت های سیمان تولید آن را متوقف کرده اند. یک تعداد اندکی از کارخانجات سیمان امروزه سیمان های رنگی را با استفاده از افزودن پیگمنت به سیمان سفید، تولید می کنند؛ اما بدبختانه این سیمان های رنگی نمی توانند خواص رنگی مشابه با سیمان های زرد نخودی را ایجاد کنند.

سیمان های چاه نفت

اگرچه استانداردهای نفتی وجود 9 نوع مختلف از سیمان های چاه نفت را گزارش داده اند، این مسئله را می توان گفت که این سیمان ها صرفنظر از کلاس آنها معمولاً تفاوت زیادی با سیمان های نوع V استاندارد ASTM ندارد. این سیمان ها، سیمان های درشتی هستند (با مساحت سطح 280 تا 350 متر مربع بر واحد کیلوگرم)، مقدار فاز این سیمان ها پایین است و همچنین مقدار فاز در آن نیز بسیار اندک است. این سیمان ها بدون اضافه نمودن هیچ کمک آسیابی، آسیاب کاری می شوند. علت این مسئله این است که شرکت های حفاری ترجیح می دهند تا کلینکرهای بدون افزودنی را خریداری کنند تا بدین صورت هر افزودنی که نیاز دارند را به آن اضافه کنند و از این ترس نداشته باشند که امکان پدید آمدن واکنش های ثانویه میان کمک آسیاب و این افزودنی ها وجود داشته باشد. آنها ترجیح می دهند تا سیمان دست نخورده خریداری کنند تا بتوانند افزودنی هایی را که مد نظرشان هست، بدان اضافه کنند.
دوغاب سیمان تزریق شده به داخل چاه های نفت باید در برابر دماهای بالا و محیط های خورنده، مقاومت داشته باشند و علاوه بر آن، این دوغاب ها باید خاصیت رئولوژیک مناسبی داشته باشند تا به سهولت جریان یافتن آن را کنترل نمود.

سیمان های جبران کننده ی انقباض

سیمان های جبران کنننده ی انقباض بایندرهای هیدرولیکی هستند که در زمانی که آنها شروع به هیدراته شدن می کنند و در حین سخت شدن اولیه، باد می کنند. از لحاظ تئوری، این ممکن است که مقدار این باد کردن را به نحوی تنظیم کنیم که برابر با انقباض حاصل از خشک شدن بتن شود. بنابراین، از لحاط تئوری، یک بتن آماده سازی شده با یک چنین سیمانی در زمان خشک شدن، هیچ انقباضی از خود نشان نمی دهد. سه نوع از سیمان های منبسط شونده (نام دیگر این سیمان ها)، استانداردسازی شده اند. در هر یک از این سیمان ها، انبساط از طریق واکنش های شیمیایی مختلف، ایجاد می شود.
اولین نوع از این سیمان ها، سیمان های تیپ K هستند. این سیمان ها، یک سیمان مخلوط هستند که از سیمان پرتلند، تتراکلسیک تری آلومینوسولفات ( ), کلسیم سولفات () و آهک آزاد (CaO) تشکیل شده اند. تیپ دوم سیمان های تیپ M هستند. این سیمان ها شامل سیمان پرتلند، کلسیم آلومینات و کلسیم سولفات هستند و در نهایت، سیمان های تیپ S از سیمان پرتلند، یک درصد بالا از تری کلسیم آلومینات () و کلسیم سولفات تشکیل شده است. در هر مورد، مکانیزم منبسط شوندگی اولیه یکسان است. در واقع این انبساط به دلیل تشکیل مقادیر زیاد از اترینجیت در بتن در حال سخت شدن، ایجاد می شود. وقتی زمینه ی بتن های تولیدی با این سیمان، به حد کافی سخت می شود، انبساط متوقف می شود.
وقتی بتن ها تولید شده با سیمان های منبسط شونده، خشک می شوند، آنها شروع به منقبض شدن می کنند و همانگونه که قبلاً گفته شد، از لحاظ تئوری، انبساط اولیه می تواند به گونه ای تنظیم شود که تغییر شکل نهایی بعد از خشک شدن برابر صفر باشد. از نقطه نظر عملی، همواره امکان ایجاد مقادیری انقباض یا انبساط باقیمانده، وجود دارد اما این مقدار از انقباض یا انبساط با انقباض ایجاد شده در حین خشک شدن بتن های معمولی، قابل مقایسه نمی باشد.
در بتن های مسلح، انبساط اولیه به دلیل وجود فولاد تقویت کننده، محدود می شود به نحوی که در بتن به طور طبیعی، پیش تنش ایجاد می شود.
سیمان های جبران کننده ی انقباض یا بتن های منبسط شونده، برای تولید المان های پیش ساخته استفاده می شود که علت این استفاده این است که آنها اتلاف های حاصل از ایجاد پیش تنش را که در حین خشک شدن، حاصل می شود، محدود می کنند. اما از نقطه نظر عملی، این سیمان ها دارای ویژگی رئولوژیکی هستند که کنترل آنها را محدود می کند. علت این مسئله، مقدار قابل توجه آلومینا در این نوع از سیمان هاست. این مسئله توضیح می دهد که چرا از سیمان های منبسط شونده به طور گسترده استفاده نمی شود. در آمریکا، تنها 50000 تا 60000 تن از این سیمان هر ساله تولید می شود. این مقدار از تولید 5/0 تا 6/0 % تولید کل سیمان است.

سیمان های با گیرش قابل تنظیم

سیمان های با گیرش قابل تنظیم، سیمان های پرتلندی هستند که زمان گیرش آنها می تواند از 1 تا 2 دقیقه تا 60 دقیقه تغییر کند. این سیمان ها همچنین به سرعت سخت می شوند. سخت شدن سریع این نوع از سیمان با دوپ کردن کلینکر با برخی مواد فلئور دار انجام می شود. به دلیل وجود فلورین در این سیمان، به تبدیل می شود. در اینجا نشاندهنده ی
و نشاندهنده ی کلسیم فلورین است.
سیمان های با گیرش قابل تنظیم می توانند به طور مستقیم در کوره های سیمان معمولی یا با آسیاب کاری یک کلینکر سیمان معمولی با مقدار مناسبی از تولید شود. این جزء آخری دارای فعالیت بیشتری نسبت به است و در صورتی که مقدار کافی کلسیم سولفات در داخل سیمان مخلوط حضور نداشته باشد، می تواند موجب ایجاد پدیده ی گیرش لحظه ای شود. زمان گیرش سیمان های با گیرش قابل تنظیم، می تواند با استفاده از افزودن اسید سیتریک، افزایش یابد.
علارغم این حقیقت که یک کاهش در زمان گیرش بتن می تواند در شرایط محیطی خاصی، محدودیت محسوب شود، این مسئله باید تذکر داده شود که سیمان های با گیرش قابل تنظیم، هیچگاه نتوانسته اند استفاده کنندگان را به سمت خود سوق دهند. علت این مسئله این است که از نقطه نظر عملی، آنها دارای انعطاف پذیری بالایی نیستند. حتی در کارخانه های پیش ساخته، حفظ یک زمان بندی مناسب در تمام روزها، کاری مشکل است و برخی اوقات، بهتر است که بتن خیلی سریع سخت نشود. سیمان های با گیرش قابل تنظیم، برای زمان های خاصی در ارتش آمریکا مورد استفاده قرار می گرفتند. در طی جنگ ویتنام، این سیمان برای تعمیر و ساخت باند هواپیما استفاده می شد. در کاربردهای غیر نظامی، این نوع سیمان هیچگاه موفق ظاهر نشده است. به هر حال، هنوز هم یکی، دو کارخانه ی سیمان در جهان وجود دارد که این نوع سیمان را تولید می کنند.
هم اکنون بتن های با کارایی بالا که بواسطه ی غلطک کاری، متراکم سازی شده اند، به طور روز افزونی جایگزین سیمان های با گیرش قابل تنظیم می شوند و از قطعات تولیدی از این بتن ها در تعمیر بزرگ راه ها و باند هواپیما استفاده می شود.

سیمان بنایی

ما مي دانيم كه از سال ها پيش، عوامل كلوئيدي براي توليد سيمان هاي بنايي مورد استفاده قرار مي گيرند. شركت هاي سيمان، سيمان هاي بنايي را توسعه داده اند كه در آنها مخلوط هاي متداول تشكيل شده از آهك هيدراته و سيمان هاي پرتلند وجود دارد. اگر كلي صحبت كنيم، سيمان هاي بنايي از مخلوط كردن 50 % كلينكر سيمان پرتلند با 50 % پركننده ي سنگ آهك تشكيل شده اند. سيمان بنايي به حدي آسياب مي شود كه اندازه ي ذرات آن ريزتر از سيمان پرتلند، شود. در اين سيمان ها، افزودني هايي اضافه مي شود تا بدين وسيله پلاستيسيته و حفظ آب آن تنظيم شود. البته، سيمان هاي بنايي نمي توانند براي توليد بتن مورد استفاده قرار گيرند.
سيمان هاي بنايي 3 تا 7 % كل سيمان مصرف شده در آمريكاي شمالي و 15 تا 20 % سيمان مصرف شده در كشورهايي را به خود اختصاص داده است كه از ملات به طور فراوان استفاده مي كنند.
سيمان هاي پرتلند مورد استفاده در توليد بتن هاي هوادار (Air-entrained Portland cements)
استاندارد ASTM C150 سه نوع از سيمان هاي مورد استفاده در توليد بتن هاي هوادار را تعريف كرده است. در حال حاضر، اين سيمان ها به طور نمونه وار در آمريكاي شمالي توليد نمي شوند زيرا در زمان توليد بتن، اين مشكل است كه مقدار مناسبي هوا در داخل اين بتن ها ايجاد شود. در حيقت، بسياري از فاكتورهاي ديگر، غير از درصد افزدني ها ايجاد كننده ي هوا، بر روي خواص نهايي اين سيستم ها اثر دارد. برخي از اين فاكتورها عبارتند از: ماسه، مخلوط شوندگي، كيفيت آب، مخلوط كنندگي ثانويه، و ... .

سيمان هاي پرتلند با مواد قليايي پايين

سيمان هاي با درصد مواد قليايي پايين را مي توان به عنوان يك سيمان پرتلند ويژه طبقه بندي كرد. اين سيمان ها، سيمان هاي پرتلندي هستند كه مقدار اكي والان در آنها پايين است. اين مقدار معمولاً كمتر از 60/0 % است. سيمان هاي با مواد قليايي پايين سيمان هاي پرتلندي هستند كه از مواد اوليه ي داراي مقادير اندك از مواد قليايي توليد شده اند. درصد مواد قليايي مواد اوليه مي تواند با استفاده از كلسيم كلريد، كاهش يابد.
برخي از سيمان هاي با مواد قليايي پايين داراي مقادير بسيار اندكي مواد قليايي هستند. اين مقدار كمتر از 20/0 % است و برخي از شركت هاي سيمان اين نوع از سيمان ها را به عنوان بهترين سيمان از لحاظ جلوگيري از ايجاد واكنش بين مواد قليايي/ اگريگيت ها، معرفي كرده اند. يك چنين سيماني با درصد مواد قليايي اندك، از جنبه ي عملي هيچ مزيتي ندارد زيرا اين كم بودن درصد مواد قليايي موجب پديد آمدن مشكلات عدم سازگارپذيري جدي مي شود. اين سيمان ها با مواد سوپرپلاستيسايزر و كاهنده هاي آب، سازگاري ندارند. سيمان هاي با درصد مواد قليايي بسيار پايين، شامل مقادير بسيار اندكي سولفات هاي قليايي هستند به نحوي كه آنها نمي توانند به سرعت يون هاي را در محلول بين شبكه اي، توليد كنند. يون هاي واكنش پذيري فاز بين شبكه اي را كنترل مي كند (وقتي اين مواد در بتن هاي داراي نسبت آب/بايندر پايين استفاده مي شوند). در سيمان هاي با مقدار مواد قليايي پايين، اين امكان وجود دارد كه با استفاده از در نظر گرفتن نسبت آب/ بايندر بزرگتر از 50/0، بتن متخلخل توليد كرد. در يك چنين بتن هايي كه داراي مقدار قابل توجهي آب هستند، كلسيم سولفات هايي كه در طي فرايند آسياب كاري نهايي، به سيمان اضافه شده است، به سرعت يون هاي فراهم مي آورد. اين يون ها براي كنترل هيدراسيون لازم است. اما اين بتن هاي متخلخل و نفوذپذير، بهترين نوع از سيمان ها از لحاظ كنترل واكنش قليايي/ اگريگيت، نيستند. علت اين مسئله اين است كه اين بتن ها در برابر نفوذ آب مقاوم نيستند. در واقع وجود آب، سومين شرط لازم براي ايجاد واكنش مواد قليايي/ اگريگيت است.
براي كنترل واكنش مواد قليايي/ اگريگيت، بهتر است از بتن هاي با نسبت آب/ بايندر پايين استفاده كنيم كه از سيمان هايي توليده شده باشند كه اندكي از مواد قليايي غني باشند و يا از سيمان هاي مخلوط استفاده كنيم.
اين مسئله به قطعيت نرسيده است ه آيا در آينده، نيازي به توليد سيمان هاي با مواد قليايي پايين، وجود دارد يا نه! زيرا سيمان هاي مخلوط هم اكنون در همه جا يافت مي شوند. اين فهميده شده است كه استفاده از بتن هاي مخلوط مي تواند به طور مؤثر واكنش مواد قليايي/ اگريگيت را خنثي كند. سيمان هاي مخلوط بيشتر مواد قليايي موجود در سيمان را به روشي ايمن، به دام مي اندازد.
اگر يك توليد كننده ي سيمان مواد اوليه ي داشته باشد كه بوسيله ي آنها امكان توليد سيمان هايي باشد كه 4/0 تا 6/0 اكي والان وجود داشته باشد، اين شركت مي تواند يك چنين سيماني را توليد و به عنوان يك سيمان با مواد قليايي اندك بشمار آورد اما اگر اين شركت مواد اوليه اي دارد كه موجب توليد سيماني با بيش از 6/0 اكي والان 〖Na〗_2 O شود، اين بهتر است كه اين شركت سيمان خود را با خاكستر بادي يا سرباره مخلوط كند تا بدين وسيله، يك سيمان ايمن از لحاظ واكنش مواد قليايي/ اگريگيت توليد شود. در يك چنين موردي، مواد قليايي خيلي مهم مي باشند، مخصوصاً وقتي با سيمان هاي مخلوط سروكار داريم زيرا در اين سيمان ها، اكتيواسيون خاكسترهاي بادي، سرباره و دوده ي سيليسي از طريق واكنش شيميايي كه به آن اكتيواسيون قليايي گفته مي شود، تسريع مي شود.

ميكروسيمان ها

ميكروسيمان ها معمولاً سيمان هاي مخلوطي هستند كه ذرات آن ها بسيار ريز است. ماكزيمم اندازه ي ذرات اين سيمان ها معمولاً مي تواند بين 10 تا 15 ميكرون و يا حتي كمتر از 10 ميكرون باشد. ميكروسيمان ها براي توليد دوغاب هايي مورد استفاده قرار مي گيرند كه به داخل سنگ، زمين و يا حتي بتن هاي ترك خورده، تزريق مي شوند. ميكروسيمان ها داراي مساحت سطح 800 تا 1000 متر مربع بر واحد كيلوگرم هستند. معمولاً درصد سيمان پرتلند موجود در يك ميكروسيمان پايين است. اين مقدار در حدود 25 % است. 75 % باقيمانده را سرباره ي با ذرات بسيار ريز تشكيل مي دهد. معمولاً اين سرباره داراي مقدار مناسبي كلسيم سولفات است كه بوسيله ي آن رئولوژي دوغاب كنترل مي شود. به دليل اينكه تزريق معمولا در شرايط كاري سخت انجام مي شود، استفاده از اين ميكروسيمان ها همواره مسئله ساز مي باشد.


/ج