کتاب تکنولوژی بتن | فصل 2: سیمان قسمت دو

انواع سیمان پرتلند

تا به اینجا، سیمان پرتلند را به عنوان یک ماده‌ی عمومی در نظر گرفته‌ایم. با این حال، هنگامی که هیدراته می‌شود، سیمان‌هایی که ترکیبات شیمیایی متفاوتی دارند ممکن است خواص متفاوتی از خود نشان دهند. بنابراین، این امکان وجود دارد که ترکیبات مختلفی از مواد اولیه انتخاب شوند تا سیمان‌هایی با خواص خاص تولید شوند.

در حقیقت، انواع مختلفی از سیمان پرتلند به صورت تجاری موجود هستند و همچنین سیمان‌های ویژه‌ای می‌توانند برای کاربردهای خاص تولید شوند. جدول 2.7 انواع اصلی سیمان پرتلند را طبق استانداردهای BS، ASTM و BS EN جدید طبقه‌بندی می‌کند و جدول 2.8 مقادیر متوسط ترکیبات آنها را ارائه می‌دهد.

بسیاری از انواع سیمان برای اطمینان از دوام بتن در شرایط مختلف توسعه یافته‌اند. با این حال، نمی‌توان به‌طور کامل مسئله‌ی دوام بتن را تنها با ترکیبات سیمان حل کرد. خواص مکانیکی و فیزیکی اصلی بتن سخت‌شده، مانند مقاومت، جمع‌شدگی، نفوذپذیری، مقاومت در برابر شرایط جوی و خزش، علاوه بر ترکیب سیمان تحت تأثیر عوامل دیگری نیز قرار می‌گیرند.

با این حال، ترکیب سیمان تا حد زیادی نرخ افزایش مقاومت را تعیین می‌کند. شکل 2.4 نشان‌دهنده‌ی نرخ عمومی توسعه مقاومت بتن‌های تولید شده با انواع مختلف سیمان است؛ اگرچه نرخ‌ها تفاوت زیادی دارند، تفاوت کمی در مقاومت 90 روزه‌ی انواع سیمان مشاهده می‌شود.

به‌طور کلی، سیمان‌هایی که نرخ سخت شدن آهسته‌تری دارند، مقاومت نهایی بالاتری از خود نشان می‌دهند. برای مثال، سیمان پرتلند با حرارت کم (نوع IV) کمترین مقاومت را در 28 روز دارد اما پس از 5 سال، دومین مقاومت بالاتر را نشان می‌دهد.

باید توجه داشت که این روندها تا حدی تحت تأثیر تغییرات در نسبت‌های مخلوط قرار می‌گیرند. تفاوت‌های قابل‌توجه در خواص فیزیکی مهم سیمان‌های مختلف تنها در مراحل اولیه‌ی هیدراتاسیون مشاهده می‌شود و در خمیرهای به خوبی هیدراته‌شده این تفاوت‌ها جزئی هستند.

تقسیم‌بندی سیمان‌ها به انواع مختلف، تنها یک طبقه‌بندی کلی است و ممکن است گاهی اوقات تفاوت‌های زیادی بین سیمان‌های نامی یکسان وجود داشته باشد. از سوی دیگر، معمولاً اختلافات مشخصی در خواص انواع مختلف سیمان وجود ندارد و برخی سیمان‌ها ممکن است به عنوان بیش از یک نوع طبقه‌بندی شوند.

تلاش برای دستیابی به خاصیت ویژه‌ای از سیمان ممکن است منجر به ویژگی‌های نامطلوب در جنبه‌ی دیگری شود. به همین دلیل، تعادلی از نیازها ممکن است ضروری باشد و جنبه اقتصادی تولید نیز باید مورد توجه قرار گیرد. سیمان اصلاح‌شده (نوع II) نمونه‌ای از یک سیمان همه‌منظوره و “سازشی” است.

روش‌های تولید در طول سال‌ها به تدریج بهبود یافته و توسعه‌ی مداوم سیمان‌ها برای اهداف مختلف همراه با تغییرات مرتبط در مشخصات فنی آنها ادامه داشته است.

سیمان پرتلند معمولی (نوع I)

با توجه به روند مدرن به سمت مشخصات مبتنی بر عملکرد، استاندارد BS EN 197-1 اطلاعات کمی درباره ترکیب شیمیایی این سیمان ارائه می‌دهد. این استاندارد تنها مشخص می‌کند که سیمان معمولی از 95 تا 100 درصد کلینکر سیمان پرتلند و 0 تا 5 درصد مواد افزودنی جزئی تشکیل شده است که می‌توانند خاصیت سیمانی داشته باشند یا به عنوان افزودنی برای بهبود کارایی یا حفظ آب عمل کنند. سایر الزامات عبارتند از این که نسبت CaO به SiO نباید کمتر از 2.0 باشد و مقدار MgO نیز محدود به 5 درصد است.

سیمان پرتلند معمولی رایج‌ترین سیمان مورد استفاده در ساخت بتن عمومی است، زمانی که هیچگونه تماسی با سولفات‌ها در خاک یا آب زیرزمینی وجود نداشته باشد. در استاندارد قدیمی BS 12: 1996، حد 10 میلی‌متر در آزمایش انبساط Le Chatelier مشخص شده بود. در ASTM C 150-05، هیچ محدودیتی برای محتوای آهک وجود ندارد، اما معمولاً مقدار آهک آزاد کمتر از 0.5 درصد است.

برخی الزامات استاندارد قبلی BS 12: 1996 و ASTM C 150-05 به شرح زیر است:

مقادیر مجاز برای ویژگی‌ها

محتوای گچ (بر حسب SO₃) بر اساس مقدار C₃A

این دو جدول استانداردهای مختلف را برای ویژگی‌های مشخص و محتوای گچ بر اساس مقدار C₃A در استانداردهای BS 12: 1996 و ASTM C 150-05 نشان می‌دهند.

با گذشت زمان، ویژگی‌های سیمان پرتلند معمولی تغییر کرده است؛ سیمان‌های مدرن دارای محتوای بالاتری از C3S و درجه نرمی بیشتری نسبت به 40 سال پیش هستند. اگرچه استانداردها دیگر حداقل سطح نرمی را مشخص نمی‌کنند، اما سیمان پرتلند با نرمی کنترل‌شده می‌تواند درخواست شود.

سیمان پرتلند زود سخت‌شونده (نوع III)

این نوع سیمان شباهت زیادی به سیمان نوع I دارد و طبق همان استانداردها ارزیابی می‌شود. همان‌طور که از نامش پیداست، مقاومت این سیمان به سرعت افزایش می‌یابد، زیرا (طبق جدول 2.8) دارای مقدار بالاتری از C3S (تا 70 درصد) و درجه نرمی بیشتری (حداقل 325 متر مربع بر کیلوگرم) است. امروزه نرمی عامل اصلی تمایز بین سیمان‌های پرتلند معمولی و زود سخت‌شونده است و تفاوت چندانی در ترکیب شیمیایی آن‌ها وجود ندارد.

دلیل اصلی استفاده از سیمان نوع III این است که قالب‌ها سریعاً باز و مجدداً مورد استفاده قرار گیرند یا زمانی که برای مراحل بعدی ساخت‌وساز به مقاومت کافی در مدت کوتاهی نیاز باشد.

سیمان پرتلند زود سخت‌شونده نباید در ساخت بتن انبوه یا مقاطع بزرگ سازه‌ای استفاده شود، زیرا نرخ تولید گرمای بالاتری دارد (رجوع کنید به شکل 2.5). از سوی دیگر، در ساخت‌وساز در دماهای پایین، استفاده از این سیمان ممکن است به‌عنوان یک محافظ مناسب در برابر یخ‌زدگی زودهنگام عمل کند (رجوع کنید به فصل 15).

زمان گیرش سیمان نوع III و نوع I یکسان است. هزینه سیمان نوع III نیز تنها اندکی بیشتر از سیمان پرتلند معمولی است.

سیمان‌های پرتلند زود سخت‌شونده خاص

این نوع سیمان‌ها به‌طور خاص به‌منظور دستیابی به زود سخت‌شدن بالا تولید می‌شوند. برای مثال، در بریتانیا از سیمان پرتلند با مقاومت اولیه بسیار بالا برای کاربردهای سازه‌ای استفاده می‌شود. مقاومت اولیه بالا با درجه نرمی بیشتر (700 تا 900 متر مربع بر کیلوگرم) و محتوای بیشتر گچ حاصل می‌شود، اما این ویژگی بر سلامت طولانی‌مدت سیمان تأثیر نمی‌گذارد.

کاربردهای رایج آن شامل پیش‌تنیدگی زودهنگام و تعمیرات اضطراری است. در برخی کشورها، سیمانی با گیرش کنترل‌شده (یا سیمان جت) از مخلوط سیمان پرتلند و فلوآلومینات کلسیم با افزودنی تأخیرگیر مناسب (معمولاً اسید سیتریک) تولید می‌شود.

زمان گیرش (1 تا 30 دقیقه) در فرآیند تولید این سیمان قابل کنترل است زیرا مواد خام به صورت مشترک آسیاب و پخته می‌شوند و افزایش مقاومت اولیه با مقدار فلوآلومینات کلسیم تنظیم می‌شود. این سیمان گران است، اما در مواردی که نیاز به مقاومت بسیار بالای زودهنگام باشد، بسیار ارزشمند است.

سیمان پرتلند با حرارت کم (نوع IV)

این نوع سیمان در ایالات متحده برای استفاده در سدهای ثقلی بزرگ توسعه یافته است و دارای حرارت هیدراتاسیون کمی است. هر دو استاندارد ASTM C 150-05 و BS 1370: 1979 حرارت هیدراتاسیون را به ترتیب به 250 ژول بر گرم (60 کالری بر گرم) در سن 7 روز و 290 ژول بر گرم (70 کالری بر گرم) در 28 روز محدود می‌کنند.

استاندارد BS 1370: 1979 میزان آهک را با محدود کردن ضریب اشباع آهک بین 0.66 تا 1.08 کنترل می‌کند و به دلیل محتوای کمتر C3S و C3A، توسعه مقاومت آن نسبت به سیمان پرتلند معمولی آهسته‌تر است، اما مقاومت نهایی تحت تأثیر قرار نمی‌گیرد. برای اطمینان از افزایش کافی در مقاومت، درجه نرمی نباید کمتر از 320 متر مربع بر کیلوگرم باشد.

در ایالات متحده، سیمان پرتلند-پوزولانی (نوع P) می‌تواند به‌عنوان نوعی با حرارت کم مشخص شود، در حالی که سیمان نوع IP می‌تواند به‌عنوان سیمانی با حرارت هیدراتاسیون متوسط در نظر گرفته شود. استاندارد ASTM C 595-05 به این نوع سیمان‌ها می‌پردازد.