کتاب تکنولوژی بتن | فصل 2: سیمان قسمت سه

سیمان سوپر سولفاته (سرباره‌ای)

از آنجا که سیمان سوپر سولفاته از سرباره کوره بلند دانه‌ای ساخته می‌شود، در این بخش بررسی می‌شود، حتی اگر از نوع سیمان پرتلند نباشد.
سیمان سوپر سولفاته از آسیاب کردن مخلوطی شامل ۸۰ تا ۸۵ درصد سرباره دانه‌ای، ۱۰ تا ۱۵ درصد سولفات کلسیم (به‌صورت گچ مرده یا انیدریت)، و حدود ۵ درصد کلینکر سیمان پرتلند تولید می‌شود. نرمی این سیمان معمولاً بین ۴۰۰ تا ۵۰۰ مترمربع بر کیلوگرم است.
سیمان سوپر سولفاته گرمای هیدراتاسیون کمی دارد (حدود ۲۰۰ ژول بر گرم یا ۴۸ کالری بر گرم در ۲۸ روز). اگرچه این نوع سیمان در انگلستان موجود نیست، اما در استاندارد BS 4248: 2004 تحت پوشش قرار دارد.
مزایای سیمان سوپر سولفاته شامل مقاومت بالا در برابر آب دریا، حمله سولفاتی، اسیدهای باتلاقی و روغن‌ها است. با این حال، استفاده از این سیمان نیازمند دقت ویژه‌ای است، زیرا نرخ توسعه مقاومت آن به شدت تحت تأثیر دماهای پایین و بالا قرار می‌گیرد. همچنین، نباید این سیمان با سیمان پرتلند مخلوط شود. نسبت‌های اختلاط آن نیز محدود است تا توسعه مقاومت تحت تأثیر قرار نگیرد. این سیمان باید تحت شرایط بسیار خشک نگهداری شود؛ در غیر این صورت، سریعاً خراب می‌شود.

---

سیمان پرتلند سفید و رنگی

برای اهداف معماری، گاهی بتن سفید یا رنگ‌های ملایم (به‌خصوص در مناطق گرمسیری) نیاز است. برای این منظور از سیمان سفید استفاده می‌شود. همچنین به دلیل محتوای کم قلیایی‌های محلول، از لکه‌دار شدن جلوگیری می‌کند.
سیمان سفید از خاک رس چینی که مقدار کمی اکسید آهن و اکسید منگنز دارد، همراه با گچ یا سنگ آهک عاری از ناخالصی‌های خاص تولید می‌شود. علاوه بر این، در فرآیند آسیاب کردن کلینکر، تمهیدات ویژه‌ای برای جلوگیری از آلودگی اتخاذ می‌شود. به همین دلیل، هزینه تولید سیمان سفید بالا است (تقریباً دو برابر سیمان پرتلند معمولی).
به دلیل هزینه بالا، بتن سفید اغلب به صورت پوشش‌های نازک و مستحکم بر روی بتن معمولی استفاده می‌شود. رنگ‌های ملایم می‌توانند با اضافه کردن رنگ‌دانه‌ها به مخلوط یا رنگ‌آمیزی به دست آیند، مشروط بر اینکه تأثیری منفی بر مقاومت نداشته باشند.
رنگ‌دانه‌های همراه با حباب‌هوا در آمریکا موجود هستند و استفاده از روان‌کننده‌ها به بهبود یکنواختی رنگ کمک می‌کند. همچنین می‌توان سیمان سفید آسیاب‌شده همراه با رنگ‌دانه‌ها (طبق BS 12878: 2005) تهیه کرد. سیمان سفید آلومینایی نیز تولید می‌شود، اما هزینه بالایی دارد.

---

سیمان‌های پرتلند-پوزولانی (انواع IP، P و I(PM))

این سیمان‌ها از آسیاب کردن یا مخلوط کردن پوزولان‌ها با سیمان پرتلند ساخته می‌شوند. طبق تعریف ASTM C 618-06، پوزولان ماده‌ای سیلیسی یا سیلیسی-آلومینیومی است که به تنهایی ارزش سیمانی کمی دارد یا ندارد. اما در حالت پودر شده و در حضور رطوبت، با آهک (که از هیدراتاسیون سیمان پرتلند آزاد می‌شود) واکنش شیمیایی می‌دهد و ترکیباتی با خواص سیمانی تشکیل می‌دهد.
به طور کلی، سیمان‌های پرتلند-پوزولانی به آرامی مقاومت می‌گیرند و به دوره عمل‌آوری طولانی‌تری نیاز دارند، اما مقاومت نهایی آن‌ها بالا است.
طبق استاندارد ASTM C 595-05، سیمان نوع IP برای ساخت‌وساز عمومی و نوع P زمانی که مقاومت‌های بالا در سنین اولیه نیاز نباشد استفاده می‌شود. نوع I(PM) یک سیمان پرتلند اصلاح‌شده با پوزولان برای ساخت‌وساز عمومی است.
محتوای پوزولان برای انواع IP و P بین ۱۵ تا ۴۰ درصد از کل جرم مواد سیمانی محدود می‌شود، در حالی که نوع I(PM) کمتر از ۱۵ درصد پوزولان دارد.

پوزولان‌ها و سیمان‌های پرتلند-پوزولانی

رایج‌ترین نوع پوزولان، خاکستر بادی سیلیسی کلاس F است (که با نام خاکستر سوخت پودری (PFA) نیز شناخته می‌شود). جدول ۲.۷ نشان می‌دهد که استاندارد BS EN 197-1: 2000 دو زیرکلاس را برای آن شناسایی کرده است:

• کلاس IIA: محتوای خاکستر بادی ۶ تا ۳۰ درصد
• کلاس IIB: محتوای خاکستر بادی ۲۱ تا ۳۵ درصد

این مقادیر کمی کمتر از حد بالایی تعریف‌شده در استاندارد منسوخ BS 6588: 1996 (۴۰ درصد) است. با این حال، استاندارد BS 6610: 1996 اجازه می‌دهد محتوای خاکستر بادی تا ۵۳ درصد افزایش یابد تا سیمان پوزولانی با خاکستر بادی تولید شود. این استاندارد همچنین یک آزمون برای تعیین ویژگی‌های خاکستر بادی در سیمان پوزولانی ارائه داده است و سیمان باید معیارهای پوزولانی بودن را برآورده کند.

این نوع سیمان در بتن غلتکی (roller compacted concrete)، بتن با ویژگی‌های کم‌حرارتی، و بتن با مقاومت شیمیایی بالا استفاده می‌شود. به‌ویژه استفاده از خاکستر بادی مقاومت در برابر سولفات را بهبود می‌بخشد و می‌توان آن را همراه با سیمان پرتلند-سرباره‌ای کم‌حرارت استفاده کرد، به شرطی که هیچ‌یک از ویژگی‌های مربوطه به طور منفی تحت تأثیر قرار نگیرد.

پوزولان‌ها اغلب ارزان‌تر از سیمان پرتلندی هستند که جایگزین آن‌ها می‌شوند، اما مزیت اصلی آن‌ها در هیدراتاسیون آهسته و در نتیجه نرخ پایین توسعه حرارت نهفته است. بنابراین، سیمان پرتلند-پوزولانی یا جایگزینی جزئی سیمان پرتلند با پوزولان در سازه‌های بتنی حجیم استفاده می‌شود.

جایگزینی جزئی سیمان پرتلند با پوزولان باید با دقت تعریف شود، زیرا وزن مخصوص (چگالی نسبی) پوزولان (۱.۹ تا ۲.۴) بسیار کمتر از سیمان (۳.۱۵) است. بنابراین، جایگزینی بر اساس جرم منجر به افزایش حجم قابل‌توجه مواد سیمانی می‌شود. اگر مقاومت اولیه برابر مورد نیاز باشد و پوزولان استفاده شود (برای مثال، به دلیل واکنش قلیایی-سنگدانه)، اضافه کردن پوزولان به جای جایگزینی آن ضروری است.

---

سیمان‌های پرتلند دیگر

انواع متعددی از سیمان برای کاربردهای خاص توسعه یافته‌اند، به‌ویژه سیمان‌های بنایی، آب‌گریز، و ضدباکتری. این سیمان‌ها خارج از حیطه این کتاب هستند و برای اطلاعات بیشتر می‌توانید به منابع اشاره‌شده مراجعه کنید.
مواد پرکننده خنثی در سیمان‌های پرتلند در بسیاری از کشورها به مدت طولانی استفاده شده‌اند، اما در انگلستان به‌تازگی مجاز شده‌اند. استاندارد BS EN 197-1 محتوای پرکننده را به ۵ درصد محدود می‌کند، اما استفاده از سنگ‌آهک را تا ۳۵ درصد برای تولید سیمان پرتلند-سنگ‌آهک مجاز می‌داند.

---

سیمان‌های انبساطی (Expansive Cements)

برای بسیاری از کاربردها، استفاده از سیمانی که به دلیل خشک‌شدگی جمع‌شدگی حجمی نداشته باشد (و در نتیجه از ترک‌خوردگی جلوگیری کند) یا حتی در موارد خاص هنگام سخت‌شدن منبسط شود، مفید خواهد بود. بتن حاوی این نوع سیمان در روزهای اولیه زندگی خود منبسط می‌شود و با محدود کردن این انبساط توسط میل‌گردهای فولادی، نوعی پیش‌تنیدگی ایجاد می‌شود: فولاد تحت کشش و بتن تحت فشار قرار می‌گیرد. محدودیت از طریق روش‌های خارجی نیز امکان‌پذیر است.
باید توجه داشت که استفاده از سیمان انبساطی نمی‌تواند بتن بدون جمع‌شدگی ایجاد کند، زیرا جمع‌شدگی پس از توقف عمل‌آوری مرطوب رخ می‌دهد. اما مقدار انبساط را می‌توان به‌گونه‌ای تنظیم کرد که انبساط و جمع‌شدگی بعدی برابر و معکوس باشند.

ترکیب سیمان انبساطی شامل مخلوطی از سیمان پرتلند، عامل انبساط و تثبیت‌کننده است. عامل انبساط از سوزاندن مخلوطی از گچ، بوکسیت و گچ خام حاصل می‌شود که سولفات کلسیم و آلومینات کلسیم (عمدتاً C3A) را تشکیل می‌دهد. این ترکیبات در حضور آب واکنش داده و سولفوالومینات کلسیم هیدراته (اترینگایت) را تشکیل می‌دهند که همراه با آن خمیر سیمان منبسط می‌شود. تثبیت‌کننده که سرباره کوره بلند است، به‌آرامی سولفات کلسیم اضافی را جذب کرده و انبساط را متوقف می‌کند.

سه نوع اصلی سیمان انبساطی تولید می‌شود: نوع K، M و S. اما فقط نوع K به صورت تجاری در ایالات متحده در دسترس است. استاندارد ASTM C 845-04 سیمان‌های انبساطی را تحت عنوان کلی نوع E-1 طبقه‌بندی می‌کند. در هر مورد، عامل انبساط منبعی از آلومینات واکنشی است که با سولفات‌ها در سیمان پرتلند ترکیب شده و اترینگایت انبساطی ایجاد می‌کند. سیمان‌های انبساطی ویژه حاوی سیمان آلومینایی بالا نیز برای شرایطی که به انبساط بسیار زیاد نیاز دارند، استفاده می‌شوند.

اترینگایت در سیمان‌های انبساطی

در حالی که تشکیل اترینگایت در بتن سخت‌شده مضر است (صفحه 262 را ببینید)، تشکیل کنترل‌شده اترینگایت در روزهای اولیه پس از اجرای بتن، برای ایجاد اثر جبران جمع‌شدگی یا پیش‌تنیدگی اولیه ناشی از محدودیت میلگردهای فولادی استفاده می‌شود.
سیمان‌های انبساطی در شرایط خاص مانند جلوگیری از نشت آب و به طور کلی برای کاهش ترک‌خوردگی ناشی از جمع‌شدگی خشک در دال‌ها، پیاده‌روها و سازه‌های بتنی استفاده می‌شوند.

بتن جبران‌کننده جمع‌شدگی توسط کمیته ACI 223 به رسمیت شناخته شده است. در اینجا، انبساط توسط میلگردهای فولادی (ترجیحاً سه‌محوری) محدود می‌شود تا تنش‌های فشاری در بتن ایجاد شود. این تنش‌ها تنش‌های کششی ناشی از محدودیت جمع‌شدگی خشک را جبران می‌کنند. همچنین می‌توان از سیمان انبساطی برای تولید بتن خودتنیده استفاده کرد که در آن پس از رخ دادن اکثر جمع‌شدگی خشک، تنش فشاری باقی‌مانده (مثلاً تا 7 مگاپاسکال) وجود دارد.

لازم به ذکر است که استفاده از سیمان انبساطی مانع توسعه جمع‌شدگی نمی‌شود. بلکه انبساط اولیه محدودشده تقریباً جمع‌شدگی طبیعی بعدی را متعادل می‌کند. معمولاً یک انبساط باقی‌مانده کوچک مورد نظر است تا تنش فشاری باقی‌مانده در بتن حفظ شود و از ترک‌های ناشی از جمع‌شدگی جلوگیری شود.

---

پوزولان‌ها

استفاده از پوزولان‌ها در سیمان‌های پرتلند-پوزولانی قبلاً در صفحه 30 همراه با تعریف پوزولان ذکر شد. مواد رایج این نوع شامل خاکستر آتشفشانی (پوزولان اصلی)، پامیسیت، شیل‌ها و چرت‌های اوپالین، خاک دیاتومه کلسینه‌شده، رس سوخته و خاکستر بادی (PFA) هستند.

برای ارزیابی فعالیت پوزولانی در ترکیب با سیمان، شاخص فعالیت مقاومتی طبق استاندارد ASTM C 311-05 اندازه‌گیری می‌شود. این شاخص طبق ASTM C 618-93 به‌عنوان نسبت مقاومت فشاری مخلوطی که بخشی از سیمان با پوزولان جایگزین شده به مقاومت مخلوط بدون جایگزینی تعریف می‌شود. استاندارد BS EN 450-1: 2005 روش مشابهی را برای خاکستر بادی تعیین می‌کند.

فعالیت پوزولانی با آهک نیز اندازه‌گیری می‌شود. طبق استاندارد BS EN 196-5: 2005، مقدار Ca(OH)₂ موجود در یک فاز مایع در تماس با سیمان پوزولانی هیدراته با مقدار Ca(OH)₂ که می‌تواند یک محیط با همان قلیاییت را اشباع کند، مقایسه می‌شود. اگر غلظت Ca(OH)₂ در محلول کمتر از مقدار اشباع باشد، سیمان آزمون پوزولانی بودن را پاس می‌کند.

رایج‌ترین پوزولان مصنوعی خاکستر بادی یا خاکستر سوخت پودری (PFA) است که از گازهای خروجی کوره‌های نیروگاه‌های زغال‌سنگی به روش الکترواستاتیک یا مکانیکی جمع‌آوری می‌شود. ذرات خاکستر بادی کروی بوده و دارای نرمی مشابه یا بیشتر از سیمان هستند، بنابراین سیلیس به‌راحتی برای واکنش در دسترس است. یکنواختی خواص بسیار مهم است و استاندارد BS EN 450-1: 2005 نرمی را به صورت درصد جرمی خاکستر باقی‌مانده روی الک ۴۵ میکرون به حداکثر ۱۲ درصد محدود می‌کند.

همچنین، افت حرارتی نباید بیش از ۹ درصد، محتوای MgO نباید بیش از ۴ درصد، و محتوای SO₃ نباید از ۳ درصد تجاوز کند. خاکستر باید به صورت خشک حمل و نگهداری شود و نیاز آبی مخلوط خاکستر بادی و سیمان پرتلند نباید بیش از ۹۵ درصد سیمان پرتلند خالص باشد.

استاندارد ASTM C 618-05 حداقل محتوای ۷۰ درصد از سیلیس، آلومینا و اکسید آهن، حداکثر ۵ درصد SO₃، و حداکثر افت حرارتی ۱۲ درصد را تعیین کرده است. برای کنترل واکنش قلیایی-سنگدانه، انبساط مخلوط آزمایشی خاکستر بادی نباید از مخلوط کنترلی سیمان قلیایی کم در ۱۴ روز بیشتر باشد.

طبقه‌بندی خاکستر بادی در آمریکا طبق ASTM C 618-05 بر اساس نوع زغال‌سنگی که خاکستر از آن به‌دست آمده است، انجام می‌شود. خاکستر بادی رایج از زغال‌سنگ بیتومینه به دست می‌آید، عمدتاً سیلیسی است و به‌عنوان کلاس F طبقه‌بندی می‌شود. زغال‌سنگ زیر بیتومینه و لیگنیت خاکستر بادی با آهک بالا تولید می‌کنند که به‌عنوان کلاس C طبقه‌بندی می‌شود.

خاکسترهای کلاس C نسبت به سایر خاکسترها رنگ روشن‌تری دارند و ممکن است حاوی MgO بیشتری باشند که همراه با برخی از آهک‌ها می‌تواند باعث انبساط مضر شود. رفتار مقاومتی آن‌ها در دماهای بالا نیز مشکوک است.

---

سیمان آلومینایی بالا (HAC)

سیمان آلومینایی بالا (HAC) در اوایل قرن بیستم برای مقاومت در برابر حملات سولفاتی توسعه یافت، اما به‌سرعت به‌عنوان سیمانی با سخت‌شوندگی بسیار سریع مورد استفاده قرار گرفت. HAC از سنگ‌آهک یا گچ و بوکسیت ساخته می‌شود. بوکسیت حاوی آلومینای هیدراته، اکسیدهای آهن و تیتانیوم و مقادیر کمی سیلیس است.

پس از خردایش، مواد خام تا دمای ۱۶۰۰ درجه سانتی‌گراد حرارت داده می‌شوند و سپس محصول خنک شده و خرد می‌شود تا به نرمی ۲۵۰ تا ۳۲۰ مترمربع بر کیلوگرم برسد. سختی بالای کلینکر، هزینه بالای بوکسیت و دمای بالای پخت، باعث می‌شود HAC نسبت به سیمان پرتلند سخت‌شوندگی سریع (نوع III) گران‌تر باشد.

جدول ۲.۹ مقادیر معمول ترکیب اکسیدی HAC را ارائه می‌دهد. حداقل محتوای آلومینا طبق BS 915: 1972 (1983) برابر ۳۲ درصد است.

استاندارد BS EN 14647: 2005 (جایگزین BS 915: 1972) علاوه بر تعیین حداقل محتوای آلومینا به میزان ۳۲ درصد، نسبت آلومینا به آهک را بین ۰.۸۵ تا ۱.۳ تعیین می‌کند.

ترکیبات اصلی سیمانی در HAC شامل آلومینات‌های کلسیم (CA و CA₂ یا C₃A) هستند. سایر فازهای موجود عبارت‌اند از CA · FeO · S و یک ترکیب ایزومورف به نام CA · MgO · S، در حالی که C₂S (یا C₂AS) به چند درصد محدود می‌شود. هیچ آهک آزاد وجود ندارد، بنابراین مشکل ناپایداری در این نوع سیمان دیده نمی‌شود.

هیدراتاسیون CA منجر به تشکیل CAH₁₀، مقدار کمی CAH₂ و ژل آلومینا (Al₂O₃.aq) می‌شود. با گذشت زمان، بلورهای شش‌ضلعی CAH به بلورهای مکعبی CAH₆ و ژل آلومینا تبدیل می‌شوند. این پدیده که تبدیل (conversion) نام دارد، تحت تأثیر دمای بالا و افزایش غلظت آهک یا قلیاییت تشدید می‌شود. محصولات هیدراتاسیون C₃A₆ معمولاً C₂AH₈ در نظر گرفته می‌شوند.

همان‌طور که ذکر شد، HAC در برابر حملات سولفاتی بسیار مقاوم است، که عمدتاً به دلیل نبود Ca(OH)₂ در محصولات هیدراتاسیون است. با این حال، مخلوط‌های ضعیف‌تر مقاومت کمتری در برابر سولفات دارند و مقاومت شیمیایی پس از تبدیل کاهش می‌یابد.

HAC همچنین دارای نرخ بسیار بالای کسب مقاومت است؛ حدود ۸۰ درصد مقاومت نهایی (بدون تبدیل) در ۲۴ ساعت حاصل می‌شود و حتی در ۶ تا ۸ ساعت مقاومت کافی برای برداشتن قالب به دست می‌آید. هیدراتاسیون سریع، نرخ بالای توسعه حرارت را ایجاد می‌کند که حدود ۲ برابر سیمان پرتلند سخت‌شونده سریع (نوع III) است، هرچند مجموع گرمای هیدراتاسیون در هر دو نوع سیمان مشابه است.

نکته مهم این است که سخت‌شدن سریع HAC با گیرش سریع همراه نیست. در واقع، HAC گیرش کندی دارد اما گیرش نهایی نسبت به سیمان پرتلند سریع‌تر رخ می‌دهد. زمان گیرش به شدت تحت تأثیر افزودن گچ، آهک، سیمان پرتلند و مواد آلی قرار می‌گیرد.

تبدیل HAC از نظر عملی اهمیت زیادی دارد، زیرا منجر به کاهش مقاومت می‌شود. بلورهای مکعبی CAH₆ که پس از تبدیل تشکیل می‌شوند، چگالی بیشتری نسبت به بلورهای شش‌ضلعی CAH₁₀ دارند. در نتیجه، اگر حجم کل ثابت باشد، تبدیل باعث افزایش تخلخل خمیر می‌شود که تأثیر اساسی بر مقاومت بتن دارد.
به همین دلیل، HAC دیگر در بتن‌های سازه‌ای بالای سطح زمین یا زیر آن استفاده نمی‌شود، اما برای تعمیرات کوتاه‌مدت و کارهای موقتی همچنان مفید است.

بتن HAC یکی از مواد نسوز برتر است، به‌ویژه در دماهای بالای ۱۰۰۰ درجه سانتی‌گراد. حداقل مقاومت در این دماها، بسته به نوع سنگدانه، بین ۵ تا ۲۵ درصد مقاومت اولیه متغیر است و بتن نسوز ساخته‌شده با سنگدانه‌های خاص می‌تواند دماهای ۱۶۰۰ تا ۱۸۰۰ درجه سانتی‌گراد را تحمل کند.

دوده سیلیسی

دوده سیلیسی که با نام‌های میکروسیلیس یا دوده سیلیسی متراکم نیز شناخته می‌شود، محصول جانبی تولید سیلیکون و آلیاژهای فروسیلیکون است. ذرات بسیار ریز و کروی سیلیس آمورف حاصل، واکنش با Ca(OH)₂ را که در هیدراتاسیون سیمان پرتلند آزاد می‌شود، تسریع می‌کنند.

مواد سیمانی

تمام موادی که از طریق واکنش‌های شیمیایی یا فیزیکی به مقاومت بتن کمک می‌کنند، مواد سیمانی نامیده می‌شوند. بنابراین، هنگامی که خاکستر بادی، دوده سیلیسی یا سرباره همراه با سیمان در بتن استفاده می‌شوند، یکی از عوامل اصلی نسبت آب به مواد سیمانی (w/c) است.

بتنی که نسبت w/c آن بسیار پایین باشد (تا حدود ۰.۲۸)، به عنوان بتن با عملکرد بالا در نظر گرفته می‌شود.