سیما ماده‌ای است که روی سطح اجسام جامد اعمال می‌شود تا آنها را محکم به هم بچسباند و به عبارت دقیق‌تر، ماده پودری است که پس از مخلوط شدن با آب، میتواند حالت خمیری پیدا کرده و از آن برای چسباندن آجر، بلوک، و سنگ‌ها به یکدیگر استفاده می‌شود. سیمان میتواند به عنوان مواد چسبنده‌ای تعریف شود که قادر است قطعات یا توده‌های مواد جامد را به یکدیگر متصل کرده و یک کل فشرده ایجاد کند. سیمان پرتلند که برترین نوع سیمان است، یک ماده کلسینه شده متشکل از آهک و سیلیکات است که با ماسه و سنگ مخلوط می‌شود و پس از هیدراته شدن، یک ماده خمیری تشکیل می‌دهد که سفت شده و به یک ماده سنگ‌مانند تبدیل می‌شود. استفاده از سیمان پرتلند در مهندسی عمران و ساختمان سازی به قدری گسترده‌است که معمولاً منظور از سیمان، سیمان پرتلند است.
تاریخچه پیدایش سیمان
تولید جهانی سیمان حدود چهار میلیارد تن در سال است که حدود نیمی از آن ساخت چین است. اسپدین نخستین شخصی بود که سیمان را در اوایل قرن نوزدهم در انگلستان به ثبت رسانده و آن را ابتدا برای ساخت فانوس دریایی مورد استفاده قرار داد. کشف سیمان به شکل امروز مربوط به یک بنای انگلیسی بنام ژوزف اسپدین است که از پختن آهک و خاک رس در حرارت بالا و آسیاب کردن آن موفق شد ابتدایی‌ترین نوع سیمان را کشف نموده و آن را در تاریخ ۲۱ اکتبر ۱۸۲۴ به نام خود در انگلستان ثبت نماید و نام محصول به دست آمده را سیمان پرتلند گذاشت. علت این نامگذاری همانطور که گفته شد آن است که سیمان از سمنتوم رومی گرفته شده‌است و پرتلند نام جزیره‌ایست در انگلستان که رنگ سیمان پس از سخت شدن به رنگ سنگ‌های ساحلی این جزیره در می‌آید، به همین دلیل نام پرتلند را به دنبال سیمان برای آن انتخاب نموده‌اند. مصرف آن در ساختمان پانتئون شهر رم واقع در ایتالیا که مربوط به ۲۷ سال قبل از میلاد است، دیده شده است. در ساختمان گنبد این بنا که ۴۳ متر قطر دارد، مخلوطی از خرده‌سنگ و آهک پخته به کار رفته‌است.
انواع سیمان
سیمان‌ها را می‌توان به سیمان‌های هیدرولیک و غیرهیدرولیک تقسیم کرد.
سیمان‌های هیدرولیک
سیمانی که پس از سفت شدن حتی زمانی که در زیر آب نگهداری می‌شود، استحکام آن افزایش می‌یابد، هیدرولیک نامیده می‌شود. رایج‌ترین نوع سیمان، سیمان هیدرولیک است که با هیدراتاسیون مواد معدنی کلینکر هنگام افزودن آب، سخت می‌شود. سیمان‌های هیدرولیک ماننند سیمان پرتلند) از مخلوطی از سیلیکات‌ها و اکسیدها ساخته می‌شوند، چهار فاز معدنی اصلی کلینکر، که به اختصار در نماد شیمیدان سیمان نشان داده می‌شود، عبارتند از:
• C3S: الایت (3CaO•SiO2)؛
• C2S: بلایت (2CaO•SiO2)؛
• C3A: تری‌کلسیم آلومینات (3CaO•Al2O3) (در گذشته به آن سلایت می‌گفتند)؛
• C4AF: براون میلریت (4CaO•Al2O3•Fe2O3).
سیمان غیر هیدرولیک
سیمانی است که در شرایط مرطوب یا زیر آب سفت نمی‌شود. بلکه در هنگام خشک شدن سفت می‌شود و با دی اکسیدکربن موجود در هوا واکنش می‌دهد. پس از سفت شدن در برابر حمله مواد شیمیایی مقاوم است. شکل کمتر رایج سیمان، سیمان غیر هیدرولیک است، مانند آهک مرده (اکسید کلسیم مخلوط شده با آب)، در اثر کربناته شدن در تماس با دی‌اکسید کربن، که در هوا وجود دارد، سخت می‌شود.
انواع سیمان پرتلند
سیمان پرتلند تیپ I
این یک سیمان کلی است که در بتن برای ساخت روسازی، کف، ساختمان‌های بتنی مسلح، پل، مخازن، لوله ها و غیره استفاده می‌شود. از این نوع مصالح در بتن‌هایی استفاده می شود که در معرض تهاجم، مانند حمله سولفات از خاک و آب و یا افزایش درجه حرارت قرار نگرفته اند.
سیمان پرتلند تیپ II
در مواردی که احتیاط در برابر حمله متوسط سولفات مهم است، مانند ساختارهای زهکشی، که ممکن است تحت غلظت متوسط سولفات آب‌های زیرزمینی قرار گیرند، استفاده می‌شود. معمولاً حرارت کمتری از هیدراتاسیون را با سرعت کمتری نسبت به نوع I ایجاد می کند و بنابراین می توان از آن در سازههای جرمی مانند پایه های بزرگ، تکیه گاه‌های سنگین و دیوارهای حائل استفاده کرد. به دلیل تولید گرمای کمتر می توان آن را در هوای گرم ترجیح داد.
سیمان پرتلند تیپ III
از نظر شیمیایی و فیزیکی شبیه تیپ I است، با این تفاوت که ذرات آن ریزتر شده اند. این سیمان مقاومت اولیه را در دوره اولیه، معمولاً یک هفته یا کمتر فراهم می‌کند. زمانی استفاده می‌شود که قالب بندی بتن باید در اسرع وقت برداشته شوند و یا زمانی که سازه باید به سرعت ساخته شود. در هوای سرد برای کاهش دوره عمل آوری بهتر است.
سیمان پرتلند تیپ IV
در مواردی استفاده می‌شود که میزان و مقدار حرارت تولید شده از هیدراتاسیون باید به حداقل برسد. نسبت به سایر انواع آن مقاومت بتن را با سرعت کمتری افزایش می‌دهد. در سازههای بتنی عظیم، مانند سدهای بزرگ، مناسب است که در آن افزایش دما ناشی از حرارت ایجاد شده در طول سخت شدن باید برای کنترل ترک خوردگی بتن به حداقل برسد.
سیمان پرتلند تیپ V
از این ماده فقط در بتن‌هایی که در معرض سولفات شدید هستند استفاده می‌شود. عمدتا در جایی که خاک یا آب‌های زیرزمینی دارای مقدار زیادی سولفات هستند. مقاومت بالای سولفات آن به دلیل محتوای کم C3A آن که در حدود 4 است، می‌باشد. در برابر اسیدها و سایر مواد بسیار خورنده مقاوم نیست.
خواص سیمان خوب
همیشه استفاده از بهترین نوع سیمان در ساخت و سازها توصیه می‌شود. بنابراین، خصوصیات یک سیمان باید بررسی شود. اگرچه خصوصیات مطلوب سیمان بسته به نوع ساخت و ساز ممکن است متفاوت باشد اما به طور کلی سیمان خوب دارای خواص زیر است:
• قدرت سنگ تراشی را فراهم می‌کند.
• زود سفت می‌شود.
• از انعطاف پذیری خوبی برخوردار است.
• یک ماده ساختمانی عالی است.
• به راحتی قابل اجرا است.
• در برابر رطوبت مقاوم است.
کاربرد انواع سیمان
• سیمان پرتلند معمولی: سیمان معمولی پرتلند پرکاربردترین نوع است که برای همه ساختمان‌های بتنی معمولی مناسب است. این رایج ترین نوع سیمان تولید شده و مورد استفاده در سراسر جهان است، با تولید سالانه جهانی حدود 3.8 میلیون متر مکعب در سال. این نوع مصالح برای انواع ساختمان‌های بتنی مناسب است.
• سیمان پرتلند پوزولانی: سیمان پرتلند پوزولانی با آسیاب کردن کلینکر پوزولانی با سیمان پرتلند تهیه می‌شود. همچنین با افزودن گچ یا سولفات کلسیم یا با ترکیب کامل و یکنواخت سیمان پرتلند و پوزولانای ریز تولید می‌شود. این محصول در مقایسه با سیمان پرتلند معمولی از مقاومت بالایی در برابر حملات شیمیایی مختلف به بتن برخوردار است و بنابراین، به طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرد. در سازههای دریایی، فاضلاب، برای بتن ریزی در زیر آب، مانند پل‌ها، اسکله‌ها، سدها و غیره استفاده می‌شود.
• سیمان سخت کننده سریع: سیمان سخت کننده سریع در روزهای اولیه از استحکام بالایی برخوردار است. در بتنی مورد استفاده قرار می‌گیرد که قالب‌ها در مراحل اولیه برداشته می‌شوند و شبیه پرتلند معمولی (OPC) هستند. این نوع مقدار آهک را افزایش داده و دارای محتوای c3s بالاتر و آسیاب دقیق تر است، که باعث افزایش استحکام بیشتر از OPC در مراحل اولیه می‌شود. مقاومت این محصول در سه روز مشابه مقاومت 7 روزه OPC با نسبت آب به سیمان یکسان است. بنابراین، مزیت این محصول این است که قالب را می‌توان زودتر از بین برد که باعث افزایش سرعت ساخت و کاهش هزینه ساخت با صرفه جویی در هزینه قالب می‌شود. سیمان سخت کننده سریع در ساخت بتن پیش ساخته، کارهای جاده ای و غیره استفاده می‌شود.
• سیمان زودگیر کننده: تفاوت بین سیمان زودگیر و سیمان سخت کننده سریع این است که زودتر خودش را می‌گیرد. در عین حال، میزان افزایش مقاومت مشابه سیمان پرتلند معمولی است، در حالی که سیمان سخت کننده سریع به سرعت مقاومت می‌گیرد. قالب بندی‌ها در هر دو مورد را می‌توان زودتر حذف کرد. سیمان زود گیر در مواردی که کارها باید در مدت زمان بسیار کوتاهی به پایان برسد و برای بتن ریزی در آب‌های ساکن یا جاری استفاده می‌شود.
• سیمان کم حرارت: سیمان کم حرارت با حفظ درصد آلومینات تری کلسیم زیر 6 درصد با افزایش نسبت C2S تولید می‌شود. مقدار کمی آلومینات تری کلسیم باعث می‌شود که بتن حرارت کمی از هیدراتاسیون را تولید کند. سیمان کم حرارت مناسب برای ساختارهای بتنی بزرگ مانند سدها، با حرارت کم هیدراتاسیون، از ترک خوردگی بتن در اثر حرارت جلوگیری می‌کند. این سیمان مقاومت بیشتری در برابر سولفات‌ها دارد و کمتر واکنش پذیر است و زمان گیرش اولیه بیشتر از OPC است.
• سیمان مقاوم در برابر سولفات: سیمان مقاوم در برابر سولفات برای کاهش خطر حمله سولفات به بتن استفاده می‌شود و بنابراین در ساخت فونداسیون‌هایی که خاک دارای سولفات زیاد است استفاده می‌شود. این سیمان محتویات C3A و C4AF را کاهش داده است. سیمان مقاوم در برابر سولفات در ساختارهایی که در معرض سولفات شدید آب و خاک قرار دارند؛ در مکان‌هایی مانند روکش کانال‌ها ، آبگیرها، دیوارهای حائل، سیفون‌ها و غیره استفاده می‌شود.
• سیمان سرباره: سیمان سرباره با آسیاب کردن کلینکرها در حدود 60 درصد سرباره به دست می‌آید و از نظر خواص به سیمان پرتلند کم و بیش شباهت دارد. می توان از آن برای آثاری که ملاحظات اقتصادی در آنها غالب است استفاده کرد.
• سیمان با آلومینا بالا: سیمان آلومینای بالا با ذوب مخلوط بوکسیت و آهک و آسیاب کردن با کلینکر به دست می‌آید. این یک سیمان سخت کننده سریع با زمان گیرش اولیه و نهایی به ترتیب حدود 3.5 و 5 ساعت است. مقاومت فشاری این سیمان بسیار زیاد و قابل استفاده تر از سیمان پرتلند معمولی است و در کارهایی که بتن در معرض دمای بالا، یخ زدگی و عمل اسیدی قرار می‌گیرد، استفاده می‌شود.
• سیمان سفید: از مواد اولیه عاری از اکسید آهن تهیه می‌شود و نوعی سیمان پرتلند معمولی است که سفید است. گرانتر است و برای اهداف معماری مانند دیوارهای پرده ای و روکشی پیش ساخته، برای تزئینات داخلی و خارجی مانند نمای خارجی ساختمان‌ها، کفپوش، محصولات بتنی زینتی، مسیرهای باغ و استخرهای شنا و غیره استفاده می‌شود.
• سیمان رنگی: با مخلوط کردن 5 تا 10 درصد رنگدانه‌های معدنی با سیمان معمولی تولید می‌شود. آنها به طور گسترده ای برای کارهای تزئینی روی کف استفاده می‌شوند.
• سیمان هوا زا: سیمان جذب کننده هوا با افزودن عوامل جذب کننده هوا مانند رزین ها ، چسب‌ها، نمک‌های سدیم سولفات‌ها و غیره در حین ساییدن کلینکر تولید می‌شود. این نوع سیمان به ویژه برای بهبود کارایی با نسبت آب به سیمان کمتر و بهبود مقاومت در برابر سرما برای بتن مناسب است.
• سیمان انبساطی: سیمان انبساطی با گذشت زمان اندکی منبسط می شود و در طول و پس از زمان سخت شدن منقبض نمی شود. این سیمان عمدتا برای تزریق پیچ لنگر و مجاری بتنی پیش تنیده استفاده می‌شود.
• سیمان ضد آب: سیمان ضد آب با مخلوط کردن مواد شیمیایی دفع آب تهیه می‌شود و از قابلیت کارکرد و استحکام بالایی برخوردار است. خاصیت دفع آب را دارد و در زمان بارندگی‌های موسمی تحت تأثیر قرار نمی‌گیرد. سیمان ضد آب عمدتا برای ساخت سازههای آبی مانند سدها، مخازن آب، سرریزها، سازههای نگهدارنده آب و غیره استفاده می‌شود.
مزایای استفاده از نانوذرات در ملات سیمانی
- نانوذرات با ویژگی‌های متمایز مساعد مساحت بزرگ، چگالی عملکردی بالا، اثر سطح فوق العاده و مقاومت زیاد در برابر کرنش، نقش حیاتی در کاربردهای مختلف ایفا کرده اند.
- افزودن نانوذرات اکسید فلز به سیمان، نفوذپذیری آن را به یون ها کاهش می‌دهد و استحکام و دوام آن را افزایش می‌دهد.
- نانوذرات با تحریک واکنش هیدراتاسیون و پر کردن ریز حفره ها در ساختار خمیر سیمان، استحکام و دوام بتن را بهبود می‌بخشد. این باعث کاهش تخلخل بتن می شود که باعث افزایش مقاومت و خواص مکانیکی ملات سیمان می‌شود.
- استفاده از نانوذرات یک راه حل موثر برای کاهش تأثیرات زیست محیطی مرتبط با تولید بتن است. استفاده از ذرات نانوMT تا 1 درصد وزنی به عنوان درصد مطلوب، ساختار و خواص مکانیکی را افزایش می‌دهد و انتشار گازهای گلخانه ای را کاهش می‌دهد.
ترکیبات سیمان
مقادیر نسبی مواد تشکیل دهنده سیمان می‌توانند بر زمان گیرش، نرخ سرعت به دست آوردن مقاومت، قدرت، دوام و رنگ سیمان تأثیر می گذارند. به طور کلی، چهار ترکیب اصلی که در سیمان وجود دارند به شرح زیر هستند:
• تری کلسیم سیلکات
• سیلیکات دی کلسیم
• تری کلسیوم آلومینات
• فریت تترا کلسیم آلومینو
روش پخت سیمان
1. مخلوط کردن مواد اولیه
مواد اولیه اصلی مورد استفاده در تولید این نوع از مصالح عبارتند از کلسیم، سیلیکون، آهن و آلومینیوم. این مواد معدنی با توجه به در دسترس بودن به اشکال مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرند. روش اختلاط به 2 روش انجام می‌شود:
• فرآیند خشک: مواد اولیه آهکی و آجری ابتدا در دستگاه‌های سنگ شکن چرخشی خرد می‌شوند تا قطعات 2-5 سانتیمتر جداگانه به دست آید. مواد خرد شده مجدداً آسیاب می‌شوند تا ذرات ریز به آسیاب لوله وارد شوند. هر ماده خرد شده پس از غربالگری در قیف ذخیره می‌شود. اکنون این مواد معدنی پودر شده به نسبت مورد نیاز مخلوط می‌شوند تا مخلوط خام خشک به دست آید و سپس در سیلوها ذخیره شده و آماده ارسال به کوره دوار می‌شود. در حال حاضر مواد اولیه به نسبت‌های خاصی مخلوط می‌شوند تا ترکیب متوسط محصول نهایی به درستی حفظ شود.
• فرآیند تر: مواد اولیه ابتدا خرد شده و به شکل پودر درآمده و در سیلوها ذخیره می‌شوند. سپس خاک رس شسته می‌شود تا مواد آلی چسبیده در خاک رس حذف شود. سنگ آهک پودر شده و خاک رس شسته شده برای جریان در کانال‌ها ارسال شده و به آسیاب‌ها منتقل می‌شود که در آن کاملاً مخلوط شده و خمیر تشکیل می‌شود، یعنی به عنوان دوغاب شناخته می‌شود. فرآیند سنگ زنی را می‌توان در آسیاب لوله ای انجام داد. سپس دوغاب به حوضچه جمع آوری هدایت می‌شود که در آن ترکیب را می‌توان تنظیم کرد. دوغاب حاوی حدود 38-40٪ آب است که در مخازن ذخیره می‌شود و برای کوره دوار آماده است.
2. سوزاندن
فرآیند سوزاندن در کوره دوار انجام می‌شود در حالی که مواد اولیه در محور طولی آن در 1-2 دور در دقیقه می‌چرخند. کوره دوار از لوله‌های فولادی با قطر2.5-3 متر تشکیل شده است و طول آن بین 90-120 متر متفاوت است. قسمت داخلی کوره با آجرهای نسوز روکش شده است. کوره بر روی ستون‌های بنایی یا بتنی تکیه داده شده و بر روی غلتک در موقعیت کمی متمایل در شیب 1 در 25 تا 1 در 30 قرار گرفته است. مخلوط خام فرآیند خشک و یا دوغاب اصلاح شده مرطوب از انتهای بالایی به کوره تزریق می‌شود. کوره با کمک ذغال سنگ یا روغن یا گازهای داغ از انتهای پایین کوره گرم می‌شود تا شعله تولید شود. همانطور که موقعیت کوره متمایل است و به آرامی می‌چرخد، مواد شارژ شده از انتهای بالایی با سرعت 15 متر در ساعت به سمت انتهای پایین حرکت می‌کند. در قسمت فوقانی، آب یا رطوبت مواد در دمای 400 درجه سانتی گراد تبخیر می‌شود، بنابراین این فرایند به عنوان منطقه خشک شدن شناخته می‌شود؛ یعنی قسمت مرکزی.
فرآیند تولید سیمان
فرآیند تولید سیمان به مرطوب، خشک و نیمه خشک تقسیم می‌شوند. در حدود 4 تا 8 درصد از انتشار دی اکسید کربن (CO2) در جهان از تولید سیمان حاصل می‌شود و این یک سهم عمده در گرم شدن کره زمین است. برخی از مشکلات ناشی از انتشار گازهای گلخانه‌ای در دیگر بخش‌های مربوط به سیمان از جمله افزایش بازده انرژی کارخانه‌های سیمان، جایگزینی سوخت‌های فسیلی با انرژی تجدید پذیر و جذب و ذخیره CO2 ساطع شده مشترک هستند. علاوه بر این، با توجه به اینکه بخش قابل توجهی از انتشار گازهای گلخانه‌ای به تولید کلینکر مربوط می‌شود. برخی از پارامترهای کلیدی در کیفیت سیمان تآثیرگذار هستند. در ساخت سیمان چهار مرحله زیرا انجام می‌شود:
• خُرد کردن و آسیاب کردن مواد اولیه
• مخلوط کردن مواد به نسبت صحیح
• حرارت دادن مخلوط آماده شده در کوره
• آسیاب کردن دانه‌های حرارت دیده، معروف به «کلینکر»، همراه با حدود 5 درصد گچ (برای کنترل زمان تنظیم سیمان)
خصوصیات سیمان خوب
خصوصیات فیزیکی سیمان خوب بر اساس موارد زیر تعیین می‌شوند:
• نرمی
• تست سلامت
• ثبات
• استحکام – قدرت
• زمان گیرش
• حرارت هیدراتاسیون
• افت حرارتی
• چگالی توده
• وزن مخصوص (چگالی نسبی)
سیمان- انواع سیمان- سیمان مرغوب- سیمان فله- سیمان سپاهان- فروش سیمان- کاربرد سیمان- سیمان تیپ 2- سیمن تیپ 1- سیمان با کیفیت- سیمان فروشی
