دانلود تحقیق خواص اصلی سازنده های سیمان

خواص اصلی سازنده های سیمان
سیلیکات 3 کلسیم سازنده و ترکیب فعال سیمان پرتلند است که در کلنکر به کل دانه هائی بنام آلبت Alite وجود دارد (C3S ناخالصیهائی همراه دارد که بحال معلق‌اند).

خواص آلیت با C3S خالص اندکی متفاوت است.

C3S موجب زیاد شدن مقاومت سیمان می‌شود و حرارت آبگیری آن بالنسبه زیاد است.

در زیر میکروسکوپ دانه های آن به شکل چندضلعی است که طول متوسط هر ضلع آن  50 می‌باشد.

C3S در درجه حرارت بالاتر از 1900 سانتیگراد تجزیه و تبدیل به C3S و سیلیس می‌گردد.

همچنین در حین سرد کردن کلنکر هرگاه درجه حرارتی مدتی در حوالی 1100 بماند آلیت تجزیه شده و به C2S و آهک تبدیل می‌گردد.

آهک تولید شده در این عمل را آهک ثانوی می نامند (در مقابل آهکی که از تجزیه کربنات کلسیم حاصل شده و به نام آهک اولی معروف است).

سیلیکات 2 کلسیم ترکیبی است که موجب سخت شدن سیمان با مرور زمان می‌شود.

این ترکیب هم ناخالصیهائی همراه دارد که خواص آن را اندکی متغیر می سازد و به نام Belite معروف است.

C2S را حداقل به چهار شکل، در درجات مختلف حرارت تشخیص داده‌اند:
21301470 C2S () 675 C2S ()
1470675 C2S () 820 C2S ()
وقتی که شکل  به  تبدیل می‌شود حجم آن تا 10% زیاد و در نتیجه باعث خردشدن دانه ها و تشکیل گرد می‌گردد.

این پدیده را پراکندگی و شگفتگی نامند که مخصوصاً در کلنکرهائی که C2S () زیاد دارد مشاهده می‌شود.

C2S () عملاً خاصیت هیدرولیک ندارد.

دانه های  که تعداد آنها در کلنکر بیشتر است باشکال مختلف و اغلب کروی شکل است که قطر متوسط آنها  30 و سطح دانه های آن مخطط و یا صاف است (مخططها از تبدیل شکل  به  حاصل شده اند).

تبدیل شکل  به  را ممکن است با افزون Mn2O3 و B2O5 و As2O5 و P2O5 جلوگیری نمود.

(زیرلا که  خاصیت هیدرولیک ندارد).

درحین سرد شدن نیز هرگاه C2S () بصورت دانه های درشت باشد در 500 به  تبدیل می شود، و حال انکه هرگاه دانه های آن ریز (به قطر کوچکتر از 5) باد تا درجه حرارت معمولی به شکل  باقی بماند.

زیرا در اینحالت امکان تشکیل دانه اولیه  در محیطی که دانه ها ریز است کمتر می‌شود.

آلومینات 3 کلسیم C3A : ترکیبی است که موجب گیرش سریع سیمان می‌شود و حرارت آبگیری آن بیش از سایر سازنده های سیمان است.

دانه ها آن متبلور و شکل آنها برحسب کیفیت دانه ها درشت و مستطیل است.

بطور کلی اگر سد کردن کلنکر سریع باشد، دانه ها ریز، و هرگاه سرد کردن آهسته باشد، دانه ها درشت و مستطیل است.

آلومنیوفریت 4 کلسیم C4AF : این ترکیب عملا در مقاومت سیمان مؤثر نیست و در مایع صاف کلنکر وجود دارد.

تبصره مجموعه C3A + C4AF را اکثر بنام سیلت Celite می نامند.

همچنین مجموعه Al2O3+Fe2O3 را اکثر بصورت R2O3 معرفی می‌کنند.

رل سازنده های مختلف: برای آن که مقاومتهای سیمان زیاد باشد باید نسبت در آن افزایش یابد.

و برعکس اگر بخواهیم که حرارت متصاعد سیمان در موقع آب زدن کم باشد (در مرود استعمال مقادیر عظیم سیمان مثل سدسازی و پل‌سازی و غیره) باید مقدار C2S نسبت به C3S زیاد باشد.

برای این منظور لازم است ضریب سیلیسی سیمان را زیاد و ضریب هیدرولیک و آلومینوفریت آن را کم نمود.

هرگاه بخواهیم که مقاومت سیمان را در مقابل آبهای سولفات دار زیاد نمائیم باید (در مورد سیمانهای دریائی) مقدار C3A را در سیمان افزایش دهیم.

آزمایشهای سیمان
از آنجا که کیفیت سیمان در تولید یک بتن خوب بسیار مؤثر می باشد، لازمست که در ساخت سیمان کنترلهای دقیقی بعمل آید.

در کارخانه‌های سیمان برای تولید سیمانی مطابق استانداردهای بین المللی آزمایشهای متعددی روی سیمان انجام می‌گیرد.

همچنین خریداران و آزمایشگاههای خصوصی علاقه دارند با انجام آزمایشهای لازم، سیمانی مناسب با کارهایا ختصاصی خود را انتخاب نمایند.

آزمایشهای تعیین خواص شیمیائی ترکیبات سیمان در این کتاب آورده نشده است.

علاقمندان می توانند به استانداردهای ASTM و BS 4550 مراجعه کنند.

در این‌جا آزمایشهای ریزی، زمان گیرش، سلامت و مقاومت سیمان براساس استانداردهای ASTM و BS توضیح داده می شوند.

ریزی سیمان هیدراتاسیون سیمان از سطح دانه های آن آغاز می‌شود.

کل سطح جانبی دانه ها، نماینده مواد ترکیب شونده با آب می باشد، سرعت واکنش شیمیائی آب و سیمان، به ریزی سیمان مربوط بوده و لذا برای هیدراتاسیون سریع و افزایش مقاومت سریع، سیمانی با ریزی بالا مورد نیاز است.

در مقابل باید هزینه آسیاب دانه ها تا ریزی بالا و اثراتی را که سیمانهای ریز بر روی کارآیی بتن تازه، خواص دراز مدت و میزان گچ موردنیاز می گذارد، درنظر داشت.

ریزی سمان یکی از خواص مهم سیمان است و استانداردهای ASTM و BS برای مشخص کردن آن، سطح مخصوص دانه ها برحسب (m2/kg) را ملاک قرار می‌‌دهند.

روش مستقیم تعیین منحنی توزیع اندازه ذرات، استفاده از قانون «استوک» و ته نشین شدن دانه ها در یک محلول، تحت اثر جرم آنها، می‌باشد.

«واگنر» با استفاده از یک سلول فتوالکتریک درصد اشعه خارج شده از ذرات معلق سیمان در یک محلول نفت چراغ را اندازه گرفته و از روی آن قطر و درصد ذرات را تعیین نموده است.

جدول: دو مثال از اندازه گیری سطح مخصوص سیمان با روشهای مختلف روش دیگر اندازه گیری سطح مخصوص سیمان استفاده از روش نفوذپذیری در مقابل جریان هواست (روش لی ویزس) که در آن افت فشار هنگامی که هوای خشک با سرعت ثابت از میان سیمانی با ضخامت و تخلخل معین عبور می کند، اندازه گیری می‌شود.

(استاندارد BS 4550 بخش 3).

در این آزمایش نفوذپذیری با سطح مخصوص واحد جرم سیمان ارتباط داده می‌شود.

این روش بعدها توسط «بلین» (ASTM C204-84) اصلاح شده است.

«بلین» با عبور حجم معینی از هوا در یک فشار متوسط، که در آن سرعت جریان هوا، به آرامی افت می کند، زمان لازم برای عبور این هوا را اندازه گیری کرده و برای دستگاه بخصوص و تخلخل استاندارد سیمان، سطح مخصوص سیمان را محاسبه می‌کند.

هر دو روش نفوذ هوا مقادیری مشابه برای سطح مخصوص ارائه می‌کند که این مقادیر از اعداد بدست آمده از روش «واگنر» بزرگتر می باشند (جدول 2-5) .

این اختلاف به دلیل فرضیاتی است که «واگنر» ضمن دست پایین گرفتن دانه ها زیر 75 میکرون بکار برده است.

بهرحال در عمل همه این روشها بطور نسبی سطح مخصوص را مشخص می‌کند.

در جدول مقادیر سطح مخصوص سیمان اندازه‌گیری شده با روش جذب نیتروژن نیز آورده شده است.

مقادیر بالای سطح مخصوص در این روش بعلت تماس بیشتر مولکولهای نیترژون با سطح جانبی دانه‌های سیمان، توجیه می‌شود.

غلظت خمیر نرمال برای تعیین زمان گیرش اولیه، گیرش نهایی و سلامت سیمان لازم است خمیر سیمان با غلظت معینی مطابق استاندارد تهیه شود.

بنابراین برای هر نوع سیمان باید مقدرا آب لازم جهت ساختن خمیر نرمال یا استاندارد، معین شود.

غلظت خمیرنرمال با استفاده از روش «ویکات» که در آن عمق نفوذ سوزنی به قطر 10 میلیمتر تحت وزن خود در خمیر اندازه گیری می شود، معین می‌گردد.

هنگامی که سوزن تا عمق معینی در خمیر نفوذ می کند، مقدار آب خمیر که عموماً بین 33-26 درصد وزن سیمان خشک می باشد، تعیین می‌گردد.

زمان گیرش زمان گیرش در حقیقت سرعت سخت شدن خمیر سیمان را نشان می‌دهد.

این زمان تغییرات از حالت مایع به جامد خمیر را نشان می دهد.

زمان گیرش اصولاً بعلت گیرش C3S و C3A پدید آمده و با افزایش درجه حرارت خمیر همراه است.

اصولاً زمان گیرش اولیه به افزایش سریع درجه حرارت و گیرش نهایی به حداکثر درجه حرارت ارتباط دارد.

البته باید گیرش اولیه و گیرش نهایی سیمان را با گیرش کاذب آن که چند دقیقه پس از اختلاط آب و سیمان اتفاق می افتد، تفاوت گذاشت.

در گیرش کاذب هیچگونه حرارتی تولید نمی‌شود و می‌توان بیتن را بدون افزایش آب مجدداً مخلوط نمود.

گیرش بسیار سریع که قبلاً توضیح داده شد، با آزاد شدن حرارت مشخص می‌گردد.

برای اندازه گیری زمان گیرش اولیه، از دستگاه «ویکات» با سوزنی به وزن مشخص، ول به قطر یک میلیمتر جهت نفوذ در خمیر نرمال استفاده می‌شود.

زمان گیرش اولیه در حقیقت زمانی است که سوزن فوق به فاصله 5 میلیمتری از کف قالب مخصوص پر از ملات می‌رسد.

استاندارد BS 12 حداقل زمان 45 دقیقه را برای سیمانهای پرتلند معمولی و سیمان پرتلند زودگر (نوع 1و3) پیشنهاد می‌کند.

برای سیمان های آهنگدازی (تیپ IS) و سیمانهای با حرارت زایی پایین (کندگیر) این زمان به 60 دقیقه افزایش می یابد.

استاندارد ASTM C 191-82 روشی مشابه برای زمان گیرش پیشنهاد می‌کند که تنها تفاوت آن عمق کمتر نفوذ برای سوزن می‌باشد.

در این استاندارد حداقل زمان گیرش 60 دقیقه برای سیمانهای پرتلند مشخص شده است.

زمان گیرش نهایی، توسط سوزنی که یک قسمت حلقه ای توخالی فلزی براثر گذاشتن در خمیر بدان متصل است، تعیین می‌گردد.

این زمان در حقیقت مدتی است که پس از آن سوزن روی سطح خمیر اثر گذاشته، لیکن لبه اتصالی ثری روی سح خمیر نمی گذرد.

استانداردهای انگلستان و آمریکا زمان گیرش نهایی حداکثر 10 ساعت را برای سیمانهای پرتلند توصیه می‌کنند.

روش دیگری نیز توسط «گیلمور» در ASTM C266-81 توصیه شده است.

ارتباط بین زمان گیرش اولیه و نهایی به صورت رابطه زیر بیان می گرد: (گیری اولیه (دقیقه)) 2/1 + 90 = گیری نهایی (دقیقه) این فرمول برای سیمان پرآلومین (برقی) بکار نمی رود.

ازآنجا که درجه حرارت در زمان گیرش تأثیر دارد، استاندارد BS 4550 درجه حرارت 2+20 و حداقل رطوبت نسبی 65 درصد را پیشنهاد می‌کند.

همچنین جهت انجام دقیق آزمایش، خمیر نرمال می بایستی در دمای 1+20 و ماکزیمم رطوبت نسبی 90 درصد نگهداری شود.

سلامت سیمان این نکته مهم است که خمیر سیمان بعد از گرفتن، تغییر حجم عمده ای پیدا نکند.

علت این محدودیت خرابی و ترکی است که خمیر سیمان در صورت انبساط و در محلی که امکان این انبساط نیست، پیدا می‌کند.

چنین انبساطی غالباً ناشی از فعل و انفعالات آهک و منیزیم آزاد و سولفات کلسیم می‌باشد.

سیمانی که خاصیت چنین انبساطی را دارد، سیمانی ناسالم است.

آهک آزاد که در کلینکر موجود است به آرامی هیدراته شده و حجمی به مراتب بیشتر از حجم اولیه اکسیدکلسیم پیدا می‌کند.

با روشهای تجزیه شیمیائی نمی توان مقدار آهک آزاد را تعیین نمود و این بدان علت است که بین CaO هیدراته نشده و Ca(OH)2 تولید شده از هیدراتاسیون سیلیکاتها، زمانی که رد مجاورت هواست، نمی‌توان تفاوتی قائل شد.

اکسید منیزیم در مجاورت آب شبیه CaO عمل کرده و با کریستالی شدن،‌حجم بیشتری را اشغال و سلامت سیمان را به مخاطره می اندازد.

سومین عامل ابساط، سولفات کلسیم می‌باشد که با تشکیل سولفوآلومینات کلسیم (اترینگایت) از گچ اضافی که با C3A ترکیب نشده، سیمان را خراب می‌کند.

لی چیتلر در قسمت سوم استانداردهای انگلستان BS 4550 ، با آزمایش تسریع شده‌ای نحوه بررسی عدم سلامت سیمان به جهت آهک آزاد را بیان می‌کند.

روش آزمایش بدین‌ترتیب است که خمیر سیمان با غلظت استاندارد برای مدت 24 ساعت در آب نگهداری می‌شود.

پس از آن برای مدت 1 ساعت خمیر فوق در درجه حرارت بالا و آب جوش نگهداری شده (انبساط اندازه گیری می‌شود) و سپس تا درجه حرارت اولیه سرد می‌شود.

اگر میزان انبساط از مقدار مشخصی بیشتر شود، بعد از اینکه سیمان مدت 7 رزو در هوا پخش شد، آزمایش دیگری انجام می‌گیرد.

در پایان این مدت آهک یا باید هیدراته شده و یا کربناته شود.

لذا انبساط دوم باید حدود 50 درصد مقدار مشخص شده اولیه باشد.

در صورتیکه سیمان مطابق هیچ یک از این آزمایشها نتیجه استاندارد را ندهد، باید از استعمال آن خوددای نمود.

البته در عمل سیمان ناسلام به جهت وجود آهک آزاد ، کمتر به وجود می‌آید.

جهت تعیین خرابی ناشی از CaO و MgO که به علت عدم وجود اکسید منیزیم در مواد خام سیمان کمتر اتفاق می افتد، ASTM C 151-84 آزمایش اتوکلاو را مشخص نموده است.

در این روش نمونه خمیر سیمان با طول مشخص به مدت 24 ساعت در هوای مرطوب نگهداری و سپس برای مدت یک ساعت تحت فشار بخارآب 2 MPa در محفظه مخصوص نگهداری می شود، تا دما به C 216 برسد.

برای مدت 2 ساعت دما ثابت مانده و سپس اتوکلاو سرد می‌گردد تا فشار به مدت 5/1 ساعت افت کرده و آن گاه نمونه در آب 23 به مدت 15 دقیقه خنک می‌شود.

پس از 15 دقیقه دیگر، طول نمونه اندازه گیری می‌شود.

انبساط حاصله از عمل اتوکلاو و نباید از 8/0 درصد طول اولیه بیشتر گردد.

این آزمایش تسریع شده شاخصی از رفتار خمیر سیمان در علم را نشان می دهد.

آزمایش مشخصی جهت نشان دادن عدم سلامت سیمان به جهت وجود سولفات کلسیم در آن ، وجود ندارد.

لیکن مقدار این ترکیب با روش تجزیه شیمیائی به آسانی تعیین می‌شود.

مقاومت به علت مشکلاتی که در ساخت خمیر خالص سیمان وجود دارد، آزمایش مقاومت مستقیماً روی خمیر انجام نمی‌شود.

عموماً برای ساخت نمونه های مناسب، ملات ماسه سیمان و یا بتن با نسبتها معین مواد در شرایط استاندارد تهیه شده و مقاومت آنها تعیین می‌شود.

آزمایشهای مختلف مقاومت بتن شامل مقاومت کششی مستقیم، فشاری و خمشی می‌باشد.

در سالهای اخیر آزمایش مقاومت فشاری سایر آزمایش ها را تحت‌الشعاع قرار داده است.

به هر حال ASTM C190-80 هنوز آزمایش کششی بریکت را پیشنهاد می‌کند.

استاندارد انگلستان دو روش برای تعیین مقاومت فشار سیمان توصیه می‌کند.

روش اول با ملات و روش دوم با استفاده از بیتن می باش.

(BS 4550 قسمت سوم).

در استفاده از ملا، مخلوط 1 به 3 سیمان و ماسه با آب که به میزان 10 درصد مصلاح خشک انتخاب می شود، آماده می‌گردد.

ماسه از نوع استاندارد و تقریباً یک اندازه خواهد بود.

نمونه های مکعبی 71 میلمیمتری با روش استاندارد آماده و بعد از 24 ساعت از قالب باز شده و در آب نگهداری می‌شوند و در شرایط سطح مرطوب آزمایش می‌شوند.

از آنجا که مقاومت ملات مستقیماً مقاومت بتن را نشان می دهد، بنابراین آزمایش مقاومت بتن در سال 1985 پیشنهاد، و اینک در قسمت سوم BS 4550 آورده شده است.

استاندارد ASTM C190-80 مخلوط ماسه و سیمان با نسبت 75/2 به یک و با نسبت آب به سیمان 485/0 را بکار می برد.

ماسه از نوع اتاوا بوده و نمونه‌های 51 میلیمتری از ملات ساخته می‌شود.

نحوه ساخت شبیه BS 4550 بوده و لیکن نمونه‌ها تا زمان آزمایش در محلول آهک اشباع شده در C 22 نگاهداری می‌شوند.

قسمت سوم استاندارد BS 4550 یکی از سه نسبت 6/0، 55/0 ئ 45/0 را برای آب به سیمان پیشنهاد می‌کند.

شن بکار رفته از منبع مخصوص تهیه می‌گردد.

تحت شرایط استاندارد نمونه های مکعبی 10 میلیمتری از بیتن ساخته و در زمانهای معین آزمایش می‌شوند.

BS 12:1978 مقادیر حداقل مقاومت را در زمانهای مختلف در جدول زیر توصیه می نماید.

جدول : مقاومت فشاری استاندارد سیمان BS 12:1978 و ASTM C150-84 در آزمایش مقاومت خمشی ملاتهای منشوری شکل به ابعاد 160*40*40 میلیمتر روی در تکیه گاه ساده و در وسط دهانه بارگذاری می‌شوند.

(ASTM C348-80) .

نسبت اختلاط و نحوه ساخت و نگهداری شبیه آزمایش تعیین مقاومت فشاری است.

گاه تکه های این نمونه برای آزمایش مقاومت فشاری مورد استفاده قرار می‌گیرد.

سیمانسطح مخصوص (m2/kg)سطح مخصوص (m2/kg)اندازه گیری شده با:اندازه گیری شده با:روش واگنرروش لی ویزسروش لی ویزسروش جذب نیتروژنA B180 230260 415260 415790 1000 سن بتن (روز)سن بتن (روز)حداقل مقاومت فشاریحداقل مقاومت فشاریحداقل مقاومت فشاریحداقل مقاومت فشاریحداقل مقاومت فشاریحداقل مقاومت فشاریحداقل مقاومت فشاریحداقل مقاومت فشاریحداقل مقاومت فشاریحداقل مقاومت فشاریحداقل مقاومت فشاریحداقل مقاومت فشاریحداقل مقاومت فشاریحداقل مقاومت فشاریحداقل مقاومت فشاریحداقل مقاومت فشاریحداقل مقاومت فشاریحداقل مقاومت فشاریحداقل مقاومت فشاریحداقل مقاومت فشاریحداقل مقاومت فشاریحداقل مقاومت فشاریحداقل مقاومت فشاریسن بتن (روز)سن بتن (روز)BS 12:1978 (ملات)BS 12:1978 (ملات)BS 12:1978 (ملات)BS 12:1978 (ملات)BS 12:1978 (ملات)BS 12:1978 (ملات)BS 12:1978 (ملات)BS 12:1978 (ملات)BS 12:1978 (بتن)BS 12:1978 (بتن)BS 12:1978 (بتن)BS 12:1978 (بتن)BS 12:1978 (بتن)BS 12:1978 (بتن)BS 12:1978 (بتن)BS 12:1978 (بتن)ASTM C150-84 (بتن)ASTM C150-84 (بتن)ASTM C150-84 (بتن)ASTM C150-84 (بتن)ASTM C150-84 (بتن)ASTM C150-84 (بتن)ASTM C150-84 (بتن)سن بتن (روز)سن بتن (روز)سیمان پرتلند معمولیسیمان پرتلند معمولیسیمان پرتلند معمولیسیمان پرتلند معمولیسیمان زودگیرسیمان زودگیرسیمان زودگیرسیمان زودگیرسیمان پرتلند معمولیسیمان پرتلند معمولیسیمان پرتلند معمولیسیمان پرتلند معمولیسیمان زودگیرسیمان زودگیرسیمان زودگیرسیمان زودگیرنوع 1نوع 1نوع 1نوع 1نوع 2نوع 2نوع 2سن بتن (روز)سن بتن (روز)MPaMPapsipsiMPaMPaPsiPsiMPaMPaPsiPsiMPaMPaPsiPsiMPaMPaPsiPsiMPaMPapsi1 3 7 28ـ 23 ـ 41ـ 23 ـ 41ـ 3300 ـ 5900ـ 3300 ـ 5900ـ 29 ـ 46ـ 29 ـ 46ـ 4200 ـ 6700ـ 4200 ـ 6700ـ 13 ـ 29ـ 13 ـ 29ـ 1900 ـ 4200ـ 1900 ـ 4200ـ 18 ـ 33ـ 18 ـ 33ـ 2600 ـ 4800ـ 2600 ـ 4800ـ 12 19 28ـ 12 19 28ـ 1740 2800 4060ـ 1740 2800 406012 24 ـ ـ12 24 ـ ـ1740 3500 ـ ـ1740 3500 ـ ـ