سيمان هاي پرتلند خاص و ساير انواع بايندرهاي هيدروليك (2)

سيمان هاي آلومينايي

اين سيمان ها تركيب متفاوت نسبت به سيمان پرتلند دارد. اولين سيمان آلومينايي در سال 1908 و بدست Bied توسعه يافته است اما اولين توليد صنعتي اين سيمان در سال 1918 شروع شده است.
بررسي دقيق ويژگي هاي اين سيمان خارج از وسعت بررسي اين مقاله است. كاربرد فراوان اين سيمان در كاربردهاي ديرگداز است. همانگونه كه در جدول 1 و 2 و شكل 1 مشاهده مي كنيد، سيمان هاي آلومينايي قطعاً داراي تركيب شيميايي و فازي هستند كه نسبت به تركيب شيميايي و فازي سيمان پرتلند، متفاوت است. با اينكه سيمان هاي آلومينايي ضرورتاً از كلسيم آلومينات هيدراته تشكيل شده اند، اين سيمان ها هنوز هم جزء بايندرهاي هيدراته محسوب مي شوند زيرا آنها با آب واكنش مي دهند و در زير آب سخت مي شوند (مشابه سيمان پرتلند).
سيمان هاي آلومينايي كه داراي مقدار آلومينايي بيش از 50 % مي باشند، واقعاً گران قيمت هستند و تنها براي كاربردهاي ديرگداز مورد استفاده قرار مي گيرند. بررسي اين گروه خاص از سيمان هاي آلومينايي در اين بخش انجام نشده است. تنها سيمان هاي آلومينايي در نظر گرفته شده اند كه داراي درصد آلوميناي بين 30 تا 40 % مي باشند. يك چنين سيمان هاي آلومينايي هنوز هم در برخي از كاربردهاي عمراني مورد استفاده قرار مي گيرند. اين سيمان ها مي توانند همچنين به عنوان سيمان هاي ديرگداز با كارايي پايين در نظر گرفته شوند كه براي كاربردهاي تا دماي ℃ 1100 مناسب هستند.
اگر چه اولين ثبت اختراعات انجام شده در زمينه ي سيمان هاي آلومينايي به 1888 بر مي گردد، تنها بعد از كارهاي توسعه اي انجام شده بوسيله ي Bied بود كه اين سيمان ها توليد شدند (اين توليد به قبل از جنگ جهاني اول بر مي گردد). اولين كاربرد ميداني اين سيمان ها در اواخر جنگ جهاني اول و بوسيله ي ارتش فرانسه و انگليس توسعه يافته است. اين استفاده همچنين يك سر نظامي بود زيرا استفاده از آن به انگليسي ها و فرانسويان اجازه مي داد تا توپ هاي خود را بعد از 24 ساعت ريخته گري پايه ي بتني، به كار بگيرند. اين كار بواسطه ي استفاده از اين نوع سيمان در توليد پايه هاي بتني مقدور شد كه بر روي آن لوله ي توپ قرار مي گرفت. اين در حالي بود كه آلمان ها به زماني بين 3 تا 4 روز براي انجام اين كار نياز داشتند.
Ciment Fondu كه يكي از اين نوع سيمان هاست، از طريق يك فرايند كاملاً متفاوت نسبت به روش توليد سيمان پرتلند، توليد مي شود: اين فرايند شامل ذوب كردن يك مخلوط مناسب و تشكيل كلسيم آلومينات (CA) مي باشد (شكل 2). وقتي اين مخلوط سرد مي شود، شمش هاي Ciment Fondu مانند سيمان پرتلند، آسياب مي شوند.
Ciment Fondu با استفاده از يك روش مشابه با روش آماده سازي سيمان پرتلند، آماده سازي مي شوند. به هر حال، هيدراسيون اين سيمان كلاً متفاوت است. با توجه به دمايي كه در آن هيدراسيون رخ مي دهد، كلسيم آلومينات هيدراته ي مختلف نيز توليد مي شود.
اگر باشد، CA به تبديل مي شود.
اگر باشد، CA به و AH_3 تبديل مي شود.
اگر 25 ℃<T باشد، CA به و تبديل مي شود.
هيدراسيون در شرايط معمولي موجب تشكيل مخلوطي از و مي شود.
وقتي يك سيمان آلومينايي با آب مخلوط شود، يك دوره ي تأخيري (يا دوره ي خواب) به مدت 2 يا 3 ساعت مشاهده مي شود (مشابه سيمان پرتلند)؛ اما به محض شروع هيدراسيون، اين دوره به سرعت به پايان مي رسد. به پايان رسيدن اين دوره با دو نتيجه همراه است. يكي سخت شدن سريع و ديگري، آزاد شدن يك مقدار قابل توجه از حرارت. اين دو نتيجه استفاده ازز سيمان هاي آلومينايي را در انواع خاصي از كاربردهاي مهندسي عمران، جذاب كرده است. علاوه بر اين، ساير ويژگي هاي سيمان آلومينايي موجب شده است تا از اين سيمان در كاربردهاي بسيار ويژه استفاده شود. براي مثال، در محيط هاي صنعتي با ميزان خصلت اسيدي متوسط مانند كارخانه هاي شير و آسياب هاي كاغذ و پالپ، اين سيمان ها مورد استفاده قرار مي گيرند. علت اين استفاده اين است كه اين سيمان ها در هنگام هيدروليز، آهك توليد نمي كنند، بلكه آلومينا توليد كرده و توجه به اين نكته نيز مهم است كه آلومينا در محيط هاي اسيدي پايداري بيشتري دارد. در نهايت، يكي ديگر از ويژي هايي كه موجب شده است تا از اين سيمان در كاربردهاي خاص استفاده شود، مقاومت خوب آن در برابر حملات گوگردي است. در واقع علت اين مزيت نيز عدم توليد آهك در حين هيدراسيون اين سيمان مي باشد.
مقدار بالاي حرارت آزاد شده در 24 ساعت اول مخصوصاً در محيط هاي اسيدي مورد علاقه است زيرا يك چنين بتن هايي تنها نيازمند حفاظت حرارتي هستند.
براي زمان هاي طولاني، سيمان هاي آلومينايي تنها سيمان هايي هستند كه استحكام فشاري آنها در ظرف 24 ساعت به مقداري بين 20 تا 40 مگا پاسكال مي رسد. در اينجاست كه علت استفاده از اين سيمان ها در صنعت پيش ساخته، مشخص مي شود. به هر حال، اين نوع سيمان ديگر مورد استفاده قرار نمي گيرد زيرا همين استحكام يا استحكام هاي بالاتر از اين را مي توان با كاهش نسبت آب/ بايندر و استفاده از پلاستيسايزر و استفاده از سيمان هاي پرتلند، بدست آورد.
در طي دهه ي 1960 و 1970 در انگليس، سيمان هاي آلومينايي به طور متداول در عمليات هاي پيس ساخته مورد استفاده قرار مي گرفت زيرا با استفاده از اين سيمان ها نياز به حرارت دادن بتن و يا افزودن كلسيم كلريد نيست.
به هر حال، استفاده از سيمان هاي آلومينايي در مهندسي عمران يك مشكل عمده ايجاد مي كند كه به آن واكنش تبديلي مي گويند. و كه در دمايي پايين تر از 25 تشكيل مي شوند، تركيبات شبه پايداري هستند كه به فاز پايدارتر تبديل مي شوند. به هر حال، اين استحاله با كاهش قابل توجه در استحكام همراه است كه به دليل كاهش در حجم جامد هيدراسيون بوجود مي آيد. وقتي اين واكنش در حال توسعه مي باشد، اين مسئله موجب افزايش تخلخل بتن و ايجاد ميكروترك در داخل بتن مي شود. اگر اين كاهش استحكام در طي طراحي المان هاي ساختاري در نظر گرفته نشود، اين مسئله مي تواند موجب پديد آمدن مشكلات جدي شود.
وقتي دماي محيطي به بالاتر از 25 برسد، واكنش تبديلي تشديد مي شود. اين مسئله همچنين در داخل المان هاي پيش ساخته نيز مشاهده مي شود كه علت آن مقدار قابل توجه حرارت آزاد شده در هنگام هيدراسيون سيمان هاي آلومينايي است. در طي هيدراسيون اين سيمان ها، دماي داخل بتن به بالاتر از 25 مي رسد. علاوه بر اين، اين مسئله مشاهده شده است كه وقتي مقداري تشكيل مي شود، اين تشكيل حتي در زير اين دما نيز ادامه مي يابد (امكان تشكيل اين فاز در اين دماها از لحاظ تئوري غير محتمل است). اتلاف هاي ايجاد شده در استحكام فشاري بسيار سريع است مخصوصاً وقتي نسبت آب/ سيمان بزرگتر از 40/0 باشد.
به طور عكس، وقتي عمل آوري حرارتي سيمان آلومينايي با استفاده از بخار آب با فشار پايين انجام شود، به طور مستقيم تشكيل مي شود و واكنش تبديلي رخ نمي دهد. تنها اتلاف مشاهده شده در استحكام به دليل تسريع سرعت هيدراسيون بوجود مي آيد. اين پديده در سيمان پرتلند نيز مشاهده مي شود.
اين امكان وجود دارد كه اين كاهش در استحكام را در حين طراحي المان ساختاري در نظر گرفت اما اين يقين بايد وجود داشته باشد كه دماي محيط از 25 بيشتر نشود.
به دليل يك سري از شكست هاي ساختاري كه اكثراً در انگليس رخ داد، سيمان هاي آلومينايي براي استفاده در كاربردهاي دائمي در بسياري از كشورها، ممنوع شد. يكي از اين شكست ها در سقف يك مدرسه رخ داد و منجر به كشته شدن 30 كودك شد. تيرهاي پيش ساخته كه بر روي سقف اين مدرسه قرار داشت، از سيمان هاي آلومينايي ساخته شده بود و واكنش تبديلي به دليل نشت بخار آب از لوله هاي گرمايشي ايجاد شده است. اين لوله ها درفضاي خالي سقف و درطول تيرهاي بتني، قرار گرفته بودند.
سيمان هاي آلومينايي هنوز هم در مهندسي عمران مورد استفاده قرار مي گيرد. در واقع اين سيمان ها در زماني مورد استفاده قرار مي گيرد كه نياز به ملات ها يا خميرهاي با سرعت سخت شدن بالاست. اين ملات ها يا خميرهاي با سرعت سخت شدن بالا براي انجام عمليات هاي تعمير اورژانسي، براي متوقف كردن نشت آب و در هر زماني مناسب هستند كه نياز به استفاده از بايندرهاي هيدروليك با سرعت سخت شدن بالاست.
وقتي سيمان پرتلند با سيمان آلومينايي مخلوط شود، زمان گيرش اين مخلوط به طور شديد كوتاه مي شود و اين زمان مي تواند به 5 دقيقه برسد. يك چنين شرايطي مربوط به شرايط گيرش ناگهاني است. به هر حال، يك چنين مخلوطي داراي دوام و استحكام قابل توجهي نيست.
هم اكنون، استفاده از سيمان هاي آلومينايي در مهندسي عمران كاهش يافته است كه علت آن محدوديت هاي قانوني وهزينه هاي بالاي آن است. همچنين يكي از دلايل ديگر اين مسئله توانايي ايجاد استحكام مناسب با استفاده از كاهش نسبت آب/ بايندر در بتن هاي توليد شده از سيمان پرتلند مي باشد.
سيمان هاي كلسيم سولفوآلومينات

مقدمه
سيمان هاي كلسيم سولفوآلومينات در چين و در حوالي سال 1975 توليد شده است. اين توليد بوسيله ي آكادمي مواد ساختماني چين انجام شده است. اين نوع از سيمان ها يك گروه جديد از سيمان هاي هيدروليك است كه خواص ساختماني آنها به تشكيل كلسيم سيليكات هيدراته (C-S-H) بستگي ندارد (بلكه به تشكيل اترينجيت بستگي دارد).
سيمان هاي كلسيم سولفوآلومينات از طريق كلسيناسيون يك مخلوط از آهك، گچ و بوكسيت در دمايي در حدود ℃ 1350 توليد مي شوند. اين دما 100 تا ℃ 200 كمتر از دماي مورد نياز براي توليد كلينكر سيمان است. در نتيجه، توليد اين سيمان ها نسبت به توليد سيمان هاي پرتلند، انرژي كمتري نياز دارد.
دراصل اين سيمان ها در چين براي توليد لوله هاي بتني خود تنش دار (self-stressed concrete pipes) مورد استفاده قرار مي گيرند. در واقع اين سيمان ها به بتن خاصيت منبسط شونده مي دهند. با توجه به كارهاي انجام شده بوسيله ي Pera و Ambroise (2005)، 1 ميليون تن كلسيم سولفوآلومينات در چين توليد مي شود. در ايالات متحده ي آمريكا، مقدار اندكي كلينكر كلسيم سولفوآلومينات براي توليد سيمان هاي هيدروليك منبسط شونده ي نوع K توليد مي شود (ASTM C845).

تركيب شيميايي و هيدراسيون سيمان هاي كلسيم سولفوآلومينات

جدول 3 يك مقايسه از تركيبات نمونه وار سيمان پرتلند و سيمان هاي كلسيم سولفوآلومينات را نشان مي دهد. با توجه به اين جدول مي توان تفاوت تركيب شيميايي اين دو خانواده از سيمان ها را بفهميم. سيمان هاي كلسيم سولفوآلومينات ضرورتاً شامل فازهاي ، ، ( كه معمولاً ايليميت (yeelimite) ناميده مي شود) و گچ مي باشد. Lawrence (1998) به طور جزئي در مورد فرايند حرارتي مورد نياز براي اين مينرال هاي مختلف را توصيف كرده است. براي كاهش ميزان مصرف انرژي در طي توليد سيمان هاي كلسيم سولفوآلومينات، اثر مينرال هاي مختلف مورد مطالعه قرار گرفته است.
همانگونه كه مي دانيد، در سيمان هاي پرتلند، هيدراسيون و منجر به تشكيل كلسيم سيليكات هيدراته (C-S-H) و پرتلانديت (CH) و هيدراسيون و منجر به تشكيل اترينجيت و يا كلسيم مونوسولفوآلومينات مي شود. هيدراسيون سيمان هاي كلسيم سولفوآلومينات منجر به تشكيل اترينجيت ( ) با توجه به واكنش هاي زير مي شود:
بدون هيچ آهكي:

يا در حضور آهك:

ريزساختار اترينجيت با توجه به اين دو واكنش توليد مي شوند (بسته به حضور آهك):
با توجه به كارهاي Mehta (1973)، اترينجيتي كه با واكنش اول توليد مي شود(در غياب آهك)، منبسط نمي شود و عموماً موجب پديد آمدن استحكام اوليه ي بالايي مي شود. اترينجيت توليد شده با واكنش دوم (درحضور آهك)، منبسط مي شود. اين انبساط است كه براي سيمان هاي منبسط شونده يا منقبض شونده، مورد استفاده قرار مي گيرد.

كاربرد سيمان هاي كلسيم سولفوآلومينات
واكنش هاي هيدراسيون اين سيمان ها موجب پديد آمدن خواصي در اين سيمان ها مي شود كه موجب پديد آمدن كاربردهاي اين نوع سيمان مي شود. اين خواص عبارتند از:

تشكيل اترينجيت به عنوان يك ماده ي بايندر

عدم وجود آهك
اين خواص داراي< نتايج عملي زير است:
انقباض كل اندك يا حتي انبساط اندك
عدم وجود شوره زني
دوان بالا در حضور محيط هاي سولفاته
عدم واكنش پذيري با الياف شيشه
متداول ترين كاربردهاي سيمان هاي كلسيم سولفوآلومينات، در توليد قطعات بتني خود تنش دار، كف سازي هاي خود تسطيح شونده، ملات هاي با قدرت سخت شوندگي سريع و محصولات بتني مورد استفاده در آب و هواي سرد، مي باشد. اين نوع سيمان همچنين مي تواند به سرعت در بازار كامپوزيت هاي الياف شيشه، پوشش هاي محافظ حرارتي و كپسوله كردن زباله هاي خطرناك، مورد استفاده قرار گيرد. به هر حال، دوام دراز مدت سيمان هاي كلسيم سولفوآلومينات هنوز به درستي مورد بررسي قرار نگرفته است.

ساير انواع سيستم هاي سيماني

برخي مواد سيماني ديگر وجود دارد كه نوع جديد سيمان هاي سوپرسولفاته هستند. در اين سيمان ها از انيدريد به همراه مقداري گرد و غبار كوره ي سيمان (CKD) استفاده شده است. اين گرد و غبار از مواد قليايي غني هستند. خواص اتصال دهندگي اين بايندرهاي هيدروليك جديد به طور قابل توجهي به تشكيل كريستال هاي فشرده و بسيار پايدار اترينجيت وابسته است.
وقتي بتني را بدون استفاده از بايندر سيمان پرتلند، توليد كنيم، استحكام فشاري اوليه بواسطه ي تركيبي از فعاليت هاي شيميايي و فيزيكي بدست مي آيد. در اين بايندرها، با افزايش ميزان ريزي سرباره، ميزان فاصله ي بين ذره اي خمير سيمان به طور قابل توجهي كاهش مي يابد. همچنين استفاده از يك فعال سازي قليايي موجب تسريع انحلال سرباره مي شود. همچنين يون هاي سولفات مورد نياز بواسطه ي انيدريد مورد استفاده، تأمين مي شود. به دليل اينكه كريستال هاي اترينجيت تشكيل شده در مايع بين شبكه اي داراي يون هاي كلسيم اندكي است، آنها كريستال هاي بسيار فعالي هستند.
نوع ديگري از بايندرهاي هيدروليك جالب در كانادا توليد شده است. اين نوع بايندر هم اكنون به طور موفقيت آميز در كاربردهاي عملي مختلف مورد استفاده قرار گرفته است. اين بايندرهاي جديد مخلوطي از سيمان پرتلند و كالسيفريت (Calcifrit) است. كاكيفريت يك نوع جديد از بايندرهاي هيدروليك است كه از صنعت توليد آلومينيوم بدست مي آيد. اين ماده يكي از محصولات جانبي توليد آلومينيوم از آلوميناست. به اين ماده SPL مي گويند. اين SPL ها معمولاً از آجرهاي نسوز، گرافيت، كريوليت و ... تشكيل شده اند. از نقطه نظر شيميايي، تركيب شيميايي نمونه وار اين ماده عبارتست از:
0/23 %
31 %
CaO 26/8 %
0/11 %
F 7/8 %
اين مواد داراي سيانيد هستند و از اين رو جزء مواد سمي محسوب مي شوند. شركت NovaPb يك فرايند ابداعي براي تبديل SPL به سرباره يا يك باينرغير سمي توسعه داده است كه موجب توليد سرباره اي با فرمول نمونه وار 7/31 % ، 4/23 % ، 6/14 % CaO ، 4/9 % ، 1 % و 4/9 % CaF مي شود. اين ماده كوئنچ مي شود و در نهايت آسياب شده و به سيمان پرتلند اضافه مي شود.
اخيراً يك سيمان سه تايي شامل 70 % كلينكر سيمان پرتلند، 20 % كالسيفريت، 5 % دوده ي سيليسي و 5 % گچ توسعه يافته است و در بسياري از كاربردها به طور موفقيت آميز مورد استفاده قرار گرفته است. اين مسئله جالب توجه است كه بگوييم، اين بايندر با كارايي جديد شامل دو محصول صنعتي است كه براي ساليان متمادي به عنوان محصولات ضايعاتي و مضر در نظر گرفته مي شدند. اين يك روند مثبت در زمينه ي توسعه ي يك هوشياري در زمينه ي صنعت بتن و سيمان است.

ساير انواع سيمان ها

بسياري از انواع ديگر از سيمان ها وجود دارد كه بر اساس هيدراسيون كلسيم سيليكات و يا كلسيم آلومينات، عمل نمي كنند. ميزان مصرف اين سيمان ها نسبت به سيمان پرتلند يا سيمان آلومينايي كمتراست و در كاربردهاي خاصي مورد استفاده قرار مي گيرند. در ادامه تعدادي از اين سيمان ها مورد بررسي قرار گرفته است.

سيمان سورل (Sorel cement)

اين سيمان يك سيمان منيزيمي است كه بر اساس منيزيم اكسي كلرايد توليد مي شود. اكسيد منيزيم (منيزيا) با يك محلول غليظ از منيزيم اكسي كلرايد، تركيب مي شود. واكنش هاي شيميايي كه در اينجا رخ مي دهد، بسيار پيچيده است و اولين تركيباتي كه تشكيل مي شود، با كربن دي اكسيد موجود در هوا واكنش مي دهد. كارايي مكانيكي اين نوع از سيمان قابل توجه است اما اين كارايي به دماي پخت منيزيا بستگي دارد. سيمان هاي سورل به طور گسترده در شوروي سابق مورد استفاده قرار مي گرفت در حالي كه استفاده از اين نوع سيمان در آمريكاي شمالي و اروپا واقعاً محدود است. علت اين محدود بودن، ناپايداري ابعادي بتن توليدي با اين نوع سيمان مي باشد. همچنين بتن توليد شده از اين سيمان داراي عملكرد ضعيفي است و در برابر سيكل هاي يخ زدگي نيز مقاوم نمي باشد.

سيمان هاي بر پايه ي اكسي سولفات منيزيم

اين سيمان ها، سيمان هايي هستند كه در آن منيزيم سولفات يا فسفات به منيزيم كلرايد اضافه شده است.
ساير سيمان ها
سيمان هاي بر پايه ي روي اكسي كلريد، آلومينيوم اكسي كلريد، سيليكوفسفات ها، سديم متا فسفات، كلسيم فسفات ها، روي فسفات، منيزيم فسفات، آمونيوم فسفات و منيزيا، آمونيوم تري پلي فسفات و منيزيا، آلومينوسيليكات ها و منيزيا و ... توليد مي شوند. مقاديرمصرف اين سيمان ها بسيار محدود مي باشد.
درنهايت، دو نوع ديگر از سيمان ها كه تنها در شوروي سابق توليد مي شدند را مي توان به اين ليست طولاني اضافه كرد. يكي از اين سيمان ها الينيت است. الينيت با استفاده از افزودن كلسيم كلريد به عنوان يك منبع آهك در ماده ي اوليه، توليد مي شوند. مزيت يك چنين سيماني دماي فرآوري پايين آن است. اين دما نسبت به دماي پخت سيمان پرتلند، 300 تا 500 درجه كمتر است. اين سيمان ها مي تواند در دمايي در حدود ℃ 1150توليد شوند. الينيت مي تواند در تا مقدار 20 % به سيمان پرتلند افزوده شود و هيچ مشكلي ايجاد نشود.
نوع ديگر از سيمان هايي كه تنها در شوروي سابق توليد شده است، بلينيت است. در اين سيمان منيزيا به ماده ي اوليه افزوده مي شود. اين سيمان خواص هيدروليك قابل توجهي ندارد.

نتيجه گيري

هيچكدام از سيمان هاي ويژه اي كه در اين بخش مورد بررسي قرارگرفت، قابليت رقابت با سيمان پرتلند را ندارند. اين سيمان هاي ويژه در مقادير اندكي توليد مي شود و به دليل قيمت بالاتر آنها نسبت به سيمان پرتلند، استفاه از آن به كاربردهايي محدود مي شود كه در آن خواص اين سيمان ها بتواند بر مسئله ي هزينه غلبه كند.
مصرف بالاي سيمان پرتلند و عملكرد محيط زيستي ضعيف اين ماده موجب مي شود تا انگيزه ي زيادي براي پيدا كردن بايندرهاي جديد بوجود آيد. يكي از تحقيقات در اين زمينه، توسعه و كشف مجدد ژئوپليمرها بوسيله ي Davidovits بوده است. اين سيمان كه پيرامنت ناميده مي شود بوسيله ي صنايع سيمان Lonestar تجاري سازي شده است. البته اين مسئله مسلم است كه اين آخرين سيمان توليد شده بوسيله ي بشر نمي باشد. به هر حال، اين تاكنون پذيرفته شده است كه تعداد اندكي از اين بايندرها قادر به رقابت با سيمان پرتلند هستند.
استفاده از مطالب اين مقاله با ذكر منبع راسخون بلامانع مي باشد.