ترکیبات شیمیایی سیمان
مواد خام مورد مصرف در تولید سیمان در هنگام پخت با هم واکنش نشان داده و ترکیبات دیگری را بوجود می آورند. معمولا چهار ترکیب عمده به عنوان عوامل اصلی و مواد تشکیل دهنده سیمان در نظر گرفته می شوند که عبارتند از:
- تری کلسیم سیلیکات (3O2=C3S)
- دی کلسیم سیلیکات ( 2CaOSiO2=C2S)
- تری کلسیم آلومینات (3CaOAl2O3=C3A)
- تترا کلسیم آلومینو فریت (4CaOAl2O3Fe2O3)
سیلیکات های C3S و C2S مهم ترین ترکیبات سیمان در ایجاد مقاومت خمیر سیمان هیدراته می باشند. در واقع سیلیکات ها در سیمان، ترکیبات کاملا خالصی نیستند، بلکه دارای اکسید های جزیی به صورت محلول جامد نیز می باشند. این اکسید ها اثرات قابل ملاحظه ای در نحوه قرار گرفتن اتم ها، فرم بلوری و خواص هیدرولیکی سیلیکات ها دارند.
1) تری کلسیم سیلیکات
این ماده سریعا وارد واکنش های شیمیایی شده و بتن را سفت می کند. C3S در هنگام ترکیب با آب گرمای زیادی ایجاد می کند. (120 کالری بر گرم). این ماده نقشی در مقاومت سیمان ندارد و در برابر حمله ی سولفات ها که منجر به سولفو آلومینات کلسیم می شود نیز مشکلاتی به بار می آورد، اما وجود آن در مراحل تولید، ترکیب آهک و سیلیس را تسهیل می کند.
2) دی کلسیم سیلیکات
خصوصیات C2S برخلاف C3S می باشد بدین معنی که گیرش اولیه دی کلسیم سیلیکات کم است و بعد از 2 تا 7 روز و حتی تا یک ماه به تدریج وارد عملیات شیمیایی می شود (به عبارت دیگر دیرگیر است). این ماده در هنگام گرفتن گرمای کمی تولید می کند. (حدود 62 کالری بر گرم)
3) تری کلسیم آلومینات:
این ماده همان خواص C3S را دارد بدین معنی که در گیرش اولیه سیمان دخالت می کند و از طرفی مقاومت بتن را در مقابل حمله ی سولفات ها می کاهد. در هنگام گیرش گرمای بیشتری نسبت به سایر اجزای سیمان تولید می کند (210 کالری بر گرم)
4) تترا کلسیم آلومینوفریت:
از نظر گیرش حد متوسط را دارد و حدود 100 کالری بر گرم گرما آزاد می کند. میزان C4AF در سیمان در مقایسه با سه ترکیب دیگر کمتر است و تاثیر زیادی در رفتار سیمان ندارد ولی در واکنش با گچ، سولفوفریت کلسیم را می سازد و وجود آن به هیدراسیون سیلیکات ها شتاب می بخشد. ترکیبات دیگری نیز در سیمان وجود دارند که از نظر وزن قابل ملاحظه نیستند ولی تاثیرات قابل ملاحظه ای در خواص سیمان دارند که عمدتا عبارتند از: MgO، TiO2، Mn2O3، K2O ،NaO2 که اکسید های سدیم و پتاسیم به نام اکسید های قلیایی شناخته شده اند. آزمایش ها نشان داده است که این قلیایی ها با بعضی سنگ دانه ها واکنش داده اند و حاصل این واکنش باعث تخریب بتن شده است. البته قلیایی ها در مقاومت بتن نیز اثر دارند.
ساختار مولکولی سیمان
بیش از 2 هزار سال است که بشر با اشکال گوناگونی از سیمان آشنا شده و در این مدت طیف گسترده ای از سازه های سیمانی و بتونی را نیز با استفاده از این ماده ارزشمند ارائه کرده است، اما همواره ساختار سیمان و چرایی استحکام خیره کننده آن در ترکیب با آب برای دانشمندان معمایی بزرگ بوده است. اکنون این معما حل شده است. دانشمندانی در دانشگاه MIT با انجام مطالعاتی گسترده در این خصوص متوجه حقایق تازه ای درباره ساختار کریستالی این ماده شده اند که در ابعاد اتمی و در ترکیب با ساختار مولکولی آب، ترکیب مستحکمی را خلق می‌کند. در حقیقت استحکام سیمان در ترکیب با آب برای دانشمندان همواره عجیب و بحث برانگیز بوده است.
البته در گذشته تلاش هایی درخصوص رمزگشایی از این معما صورت گرفته و مشخص شده بود که در سطوح اتمی، هیدرات های سیمان در برگیرنده مولکول های سیلیکایی است که در استحکام بالای این ماده در ترکیب با آب نقش قابل توجهی را ایفا می‌کند، اما اکنون تیمی از دانشمندان دانشگاه MIT دریافته اند مولکول های سیلیکای مورد نظر به شکل کریستال نیستند و این در حالی است که تاکنون اینگونه تصور می شد است. بررسی های دقیق این دانشمندان نشان می دهد این ترکیب در حقیقت هیبریدی است که برخی از ویژگی های ساختار کریستالی و همچنین برخی مشخصه های ساختار بی شکل موادی نظیر شیشه یا یخ را در خود دارد. به نظر می رسد اکنون و با تکیه بر یافته هایی از این دست، راهکارهای تازه ای برای استفاده گسترده تر از این ماده در صنایع ساختمان سازی سراسر جهان ارائه شود و در عین حال از نقش آن در افزایش آلاینده های زیست محیطی از جمله دی اکسید کربن کاسته شود. در حال حاضر صنایع سیمان سازی جهان سهم 5 درصدی در تولید آلاینده ای همچون دی اکسید کربن اتمسفر زمین دارد.
مجله سیمان
