مواد اولیه سیمان پرتلند و نقش هر کدام از آنها

همه ما به شکل‌های مختلفی با بتن و سیمان سر و کار داشته‌ایم و به صورت فیزیکی یا دیدن محض نمونه‌های مختلفی از کار با آنها را دیده‌ایم، در حالی که هیچ کدام از ما آشنایی چندانی با مواد اولیه سیمان پرتلند و نقش هر کدام از آنها نداریم. سیمان را یک پودر خشک معرفی می‌کنند که در آن مواد معدنی مختلفی استفاده شده است و پس از جذب رطوبت، به حالت خمیری تغییر وضعیت داده و در نهایت پس از انجام واکنش هیدراتاسیون، به ماده‌ای شبه سنگ و سخت تبدیل می‌شود. طبیعتاً در انجام این فرآیند مواد اولیه سیمان پرتلند نقش مهمی برعهده دارند و ممکن است در هر مرحله، یکی از آنها درگیر شود.

با توجه به اینکه در کارخانه بتن آماده پاسارگاد بخش اصلی کار ما با سیمان پرتلند و خواص آن گره خورده است، این مطلب را به معرفی مواد اولیه سیمان پرتلند اختصاص داده‌ایم و سعی می‌کنیم که نقش هر کدام از آنها را معرفی کنیم.

کلیاتی در مورد مواد اولیه سیمان پرتلند

در حدود ۹۰ تا ۹۵ درصد از مواد اولیه سیمان پرتلند را چهار ماده اصلی و معدنی تشکیل می‌دهد که عبارتند از: C₃S، C₂S، C₃A و C₄AF. در کنار این موارد، می‌توان به سولفات کلسیم، سولفات‌های قلیایی، منیزیم اکسید، کلسیم اکسید آزاد و برخی مواد نگهدارنده دیگر اشاره کرد که ممکن است از مراحل کلینکر و سنگ زنی در تولید سیمان پرتلند به آن اضافه شده باشد. در هر صورت، این ۴ ماده معدنی به عنوان مواد اولیه سیمان پرتلند نقش‌های بسیار متفاوتی ایفا می‌کنند و در تبدیل سیمان خشک به سیمان خمیری و همچنین سیمان سفت شده مؤثر هستند.

تری کلسیم سیلیکات و دی کلسیم سیلیکات (C₃S و C₂S) تقریباً همه خواص سودمند و مفید را در ارتباط با واکنش هیدراتاسیون اصلی دارا هستند و در تشکیل ماده ژلاتینی اصلی بین C-S-H مؤثر هستند. با این حال، تری کلسیم سیلیکات به صورت هیدراته نقش بسیار سریعتری از دی کلسیم سیلیکات دارد و به همین دلیل به عنوان مسئول رشد اولیه سیمان و واکنش هیدراتاسیون شناخته می‌شود.

مواد معدنی C₃A و C₄AF نیز هیدراته می‌شوند، اما محصولاتی که تشکیل می‌دهند به خواص خمیر سیمان کمک نمی‌کند. این مواد معدنی به این دلیل وجود دارند که چون سیلیکات کلسیم تقریباً غیرممکن است که از لحاظ اقتصادی تولید شود. ساختارهای کریستالی از مواد معدنی سیمان کاملاً پیچیده هستند و از آنجا که این سازه‌ها نقش مهمی در خواص سیمان و بتن ندارند، تنها مهمترین ویژگی‌های آن را در اینجا ارائه خواهیم داد.

تری کلسیم سیلیکات (C₃S)

C₃S فراوان‌ترین ماده معدنی موجود در سیمان پرتلند است که حدود ۴۰ تا ۷۰ درصد از سیمان را به خود اختصاص می‌دهد و همچنین به عنوان مهمترین ماده اولیه سیمان پرتلند شناخته می‌شود. این ماده معدنی مهمترین نقش را در فرآیند هیدراتاسیون دارد و در اوایل استفاده از سیمان تأثیر مستقیمی بر استحکام بتن دارد.

تری کلسیم سیلیکات می‌تواند با سه ساختار کریستالی کاملاً متفاوت تشکیل شود. اولین ساختار آن که با عنوان ساختار تعادلی شناخته می‌شود، به صورت‌تری کلینیک (triclinic) و سه درجه است که در دمای ۹۸0 درجه سانتیگراد شکل می‌گیرد. زمانی که دمای انتخابی ما بین ۹۸۰ تا ۱۰۷۰ سانتیگراد باشد، ساختار C₃S به صورت مونوکلینیک (monoclinic) تغییر کرده و هنگامی که دمای ما به بالاتر از ۱۰۷۰ سانتی گراد برسد، ساختار آن به ساختار رمبو هدرال (rhombohedral) تغییر می‌کند.

علاوه بر این، تمامی این ساختارها دارای پلی مورف هستند و مجموعاً ۷ ساختار ممکن را به وجود می‌آورند. مهم‌ترین ویژگی‌های این ماده معدنی از مواد اولیه سیمان پرتلند این است که ساختار آنها نسبتاً مشابه هست و در واکنش پذیری آنها تفاوت معناداری وجود ندارد. بازی شیمیایی نیز یون‌های کلسیم و اکسیژن شبکه کریستالی حالت نامتقارن قرار می‌گیرند و اساساً یون‌های آن‌ها به خوبی با یکدیگر همخوانی ندارد. با این تفاسیر، ساختار کریستالی‌تری کلسیم سیلیکات از انرژی درونی بالایی برخوردار بوده و همین امر باعث می‌شود که بسیار واکنش پذیر باشد.

ماده معدنی C₃S در کلینکر سیمان شکل می‌گیرد و حاوی حدود ۳ تا ۴ درصد از اکسیدهای مختلف غیر از CaO و SiO₂ است. بدین ترتیب این ماده معدنی را می‌توان با لفظ آلیت نیز معرفی کرد. در یک کلینکر معمولی، C₃S حاوی حدود 1 درصد وزنی هر یک از MgO، Al₂O₃ و Fe₂O₃، همراه با مقدار بسیار کمی از Na₂O، K₂O، P₂O₅ و SO₃ است. این مقادیر می‌توانند با ترکیب مواد خام مورد استفاده برای ساخت سیمان بطور قابل توجهی متفاوت باشد.

یکی از اثرات ناخالصی‌ها این است که “ساختار monoclinic” را “تثبیت”می‌کند، به این معنی که تغییر ساختاری از monoclinic به trliclinic که به طور معمول در خنک کننده اتفاق می افتد، جلوگیری می‌شود. بنابراین بیشترین سیمان حاوی یکی از پلی مورفهای تک سلولی C₃S هستند.

دی کلسیم سیلیکات (C₂S)

درست همانند C₃S، C₂S می‌تواند با انواع ساختارهای مختلف شکل بگیرد. یک ساختار α با درجه حرارت بالا با سه پلی مورف وجود دارد، ساختار β در آن است که در تعادل در دمای متوسط و یک ساختار γکه در دمای پایین است.

یکی از جنبه‌های مهم C₂S این است که g- C₂S دارای ساختار بلوری بسیار پایدار است که در آب کاملاً غیر فعال است. خوشبختانه، ساختار b به راحتی توسط سایر اجزای اکسید کلینکر تثبیت شده و در نتیجه فرم g هرگز در سیمان پرتلند وجود ندارد. ساختار کریستال b- C₂S نامنظم است اما بطور قابل توجهی کمتر از C₃S است و این به دلیل واکنش پذیری پایین‌تر از C₂S است. C₂S در سیمان دارای سطوح کمی بالاتر از ناخالصی‌ها نسبت به C₃S است. طبق نظر تیلور، جایگزینی کلی اکسیدها 4-6٪ و مقدار قابل توجهی از آلومینیوم، آلومینیوم، آهن و اکسیژن است.

تری کلسیم آلومینات (C₃A)

تری کلسیم آلومینات (C₃A) در حدود ۰ تا ۱۴ درصد از مواد اولیه سیمان پرتلند را به خود اختصاص داده است. این ماده معدنی همانند تری کلسیم سیلیکات بسیار واکنش پذیر است و در جریان انجام هیدراتاسیون اولیه، میزان قابل توجهی حرارت اگزوترمیک آزاد می‌کند. متاسفانه، هیپ به دست آمده از تری کلسیم آلومینات از لحاظ استحکام یا سایر ویژگیها تأثیر کمتری بر خمیر سیمان دارند. در شرایط محیطی خاص (به عنوان مثال، حضور یون‌های سولفات)، C₃A و محصولات آن می‌توانند بخصوص با شرکت در واکنش‌های گسترده‌ای که منجر به استرس و ترک خوردگی می‌شوند، به بتن آسیب برسانند.

C₃A خالص تنها با ساختار کریستالی مکعب شکل می‌گیرد. این ساختار با اتم Ca⁺² و حلقه‌های شش تتراهید AlO4 مشخص می‌شود. همانند C₃S، پیوندهای این ترکیب از موقعیت‌های تعادلی خود تحریف شده و در نتیجه باعث بالا رفتن انرژی داخلی و در نتیجه واکنش پذیری آن‌ها می‌شود.

مقدار قابل توجهی از CaO و Al₂O₃ موجود در ساختار C₃A ممکن است توسط اکسیدهای دیگر جایگزین شود و در سطوح بالای جایگزینی این وضعیت می‌تواند منجر به ساختارهای کریستالی دیگر شود.

C₃A در کلینکر سیمان پرتلند، که معمولاً حاوی 13 درصد اکسید جایگزینی است، عمدتاً مکعبی است و مقادیر کمتری از C₃A اورتورمبیک است. مواد معدنی C₃A و C₄AF بوسیله بارش همزمان به عنوان فاز مایع تشکیل شده در طی فرایند کلینکر کردن، خنک می‌شوند، و از این رو از بین می‌رود. این باعث می‌شود که ترکیب دقیق دو فاز مشخص شود. شکل مکعبی معمولاً شامل جایگزینی SiO₂ 4٪، جایگزینی 5٪ Fe₂O₃ و حدود 1٪ Na₂O، K₂O و MgO می‌باشد. شکل اورتورومبیک (orthorhombic) دارای سطوح مشابه است.

تترا کلسیم آلومینوفرات (C₄AF)

ترکیبی پایدار که از ترکیب شدن دی کلسیم آلومینات و دی کلسیم فرات (C₂F) شکل بگیرد عنوان بخشی از مواد اولیه سیمان پرتلند شناخته شود، تترا کلسیم آلومینوفرات است که ساختار بسیار پیچیده‌ای دارد و یک ترکیب متوسط در ساختار سیمان محسوب می‌شود. ترکیب واقعی C₄AF در کلینکر سیمان پرتلند عموماً زمانی انجام می‌شود که محتوای آلومینیوم سیمان بیشتر از آهن باشد و جایگزینی قابل توجهی در دو مورد  SiO₂ و MgO رخ دهد. تیلور یک ترکیب معمولی (در نماد شیمیایی طبیعی) را Ca₂AlFe_0.6Mg_0.2Si_0.15Ti_0.5O₅ گزارش می‌کند. با این حال، این ترکیب تا حدودی بسته به ترکیب کلی کلینکر سیمان متفاوت خواهد بود.

می‌بینید که مواد اولیه سیمان پرتلند بسیار پیچیده‌تر و سخت‌تر از چیزی هستند که با یک نگاه معمولی و عادی آنها را درک کرد. پس توصیه ما این است که در انتخاب سیمان به کارخانه‌های تولید سیمان و کارخانه بتن آماده اعتماد کنید. اگر به اطلاعات بیشتری در این زمینه نیاز دارید یا برای پروژه خود به محصولاتی مانند بلوک سبک، تیرچه و بلوک، گروت ساختمانی و بتن آماده نیاز دارید، با ما در تماس باشید.