پروژه بتن و سیمان

پروژه بتن و سیمان

پروژه بتن و سیمان

بتن در مفهوم بسیار وسیع به هر ماده ای یا محصولی که از یک ماده چسبنده با خاصیت شیمیای شدن تشکیل شده باشد اتلاق می شود. این ماده چسبنده عموماً حاصل فعل و انفعال سیمانهای هیدرولیکی و آب می باشد.

حتی امروزه چنین تعریفی از بتن شامل طیف وسیعی از محصولات می شود. بتن ممکن است از انواع مختلف سیمان و نیز پوزولانها، سرباره کوره ها مواد مضاعف، گوگرد، مواد افزودنی، پلمیرها، الیاف و  غیره تهیه شود. همچنین در نحوه ساخت آن ممکن است از حرارت، بخار آب، اتوکلاو، و خلاء، فشارهای هیدرولیکی و متراکم کننده های مختلف استفاده شود. در اینجا سعی می شود از بتنی صحبت شود که مخلوطی از سیمان و آب وسنگدانه و در نهایت مواد افزودنی است.

 اولین سئوالی که در اینجا مطرح است این است که ارتباط بین مواد تشکیل دهنده مخلوط بتن چیست؟ سه امکان وجود دارد: ابتدا ممکن است تصور شود که اصل ماده ساختمانی ماده چسبنده ای است که از هیدرواتاسیون سیمان و آب ناشی شده است و سنگدانه ها بعنوان مواد ارزان و پرکننده این ماده چسبنده می باشند. امکان دوم این است هک سنگدانه های درشت بعنوان سنگهای بنائی که توسط ملات به هم پیوسته اند در نظر گرفته شود و این ملات دوغاب سیمان و سنگدانه های ریزدانه باشد. امکان سوم این است که بتن بعنوان ماده ای از دو فاز مختلف یعنی سیمان هیدراته شده و دانه های سنگی در نظر گرفته شود. بنابراین خواص بتن به خواص هر یک از فازها و فصل مشترک این دو فاز بستگی دارد.

 هر یک از نظریات دوم و سوم محدودیتهایی داشته و می توانند برای بیان رفتار بتن بکار روند. لیکن در نظریه اول این مسائل وجود ندارد. اگرتصور شود که می توان سیمانی ارزانتر از سنگدانه ها نیز تهیه کرد. این سئوال پیش می آید که آیا می توان سیمان و آب را به تنهایی بعنوان یک ماده ساختمانی( بتن( بکار برد؟ پاسخ قطعاً منفی خواهد بود و علت آن تغییرات حجمی بالای خمیر سیمان می باشد. جمع شدگی خمیر خالص سیمان تقریباً به 10 برابر جمع شدگی بتنی با 250 کیلوگرم سیمان در مترمکعب می رسد. همین مسائل برای خزش و وارفتگی نیز مطرح است. علاوه بر این حرارت زیاد تولیدشده ناشی از مصرف سیمان به مقدار زیاد، بخصوص در آب و هوای گرم، سبب ایجاد ترک خواهد شد.همچنین مشاهده می شود که سنگدانه ها نسبت به خمیر سیمان در مقابل حملات مواد شیمیایی پایدارترند اگرچه خمیر سیمان نیز در این محیط های خورنده  نسبتاً پایدار است. بنابراین صرفنظر از قیمت، مواد سنگی در بتن بسیار مفید خواهند بود.

 بتن با کیفیت خوب

سئوال مهمی که در اینجا مطرح می باشد این است که بتن خوب چه بتنی است؟ می توان با توصیف بتن بد تا حدی مسأله را روشن نمود.بتن بد یا ضعیف بتنی است که به روانی رسوب که پس از سخت شدن کرمومی شود و غیرهمگن و بسیار ضعیف خواهد بود. این ماده از اختلاط آب و سیمان و دانه های سنگی بدست آمده است و با کمال تعجب باید گفت که بتن خوب هم از همین مواد ساخته می شود. لیکن تفاوت در میزان آگاهی از چگونه ساختن بتن می باشد. با آگاهی از چگونگی ساخت بتن خوب دو معیار کلی برای یک بتن خوب تعریف می شود:

 بتن باید در حالت سخت شده و در حالت تازه زمانی که از مخلوط کن تخلیه شده و در قالبها ریخته می شود، مورد پذیرش واقع شود. بطورکلی روانی و غلظت بتن تازه باید طوری باشد که با وسایل موجود در کارگاه بتوان آن را متراکم نمود. همچنین چسبندگی مخلوط باید بحدی باشد که در ضمن حمل و ریختن بتن با وسایل موجود، مواد از یکدیگر جدا شوند. البته موارد فوق مطلق نیست و به حمل بتن با وسایل از پائین بازشونده، دامپر و یا کامیون های تخت بستگی دارد. البته حمل بتن با روش اول بسیار مناسب خواهد بود.

در مورد بتن سخت شده عموماً مقاومت فشاری بعنوان معیار پذیرش در نظر گرفته می شود. تعیین مقاومت فشاری بعنوان یک مشخصه به این علت است که اندازه گیری آن نسبتاً آسان است اگرچه عددی که بعنوان مقاومت از آزمایشها بدست می آید، مقاومت واقعی بتن در ساختمان نمی باشد و تنها کیفیت آن را نشان می دهد. بنابراین مقاومت تنها راه ساده ای است که برای ارزیابی و همسازی بتن با مشخصات در نظر گرفته می شود. علت دیگر انتخاب مقاومت فشاری این است که بسیاری از خواص دیگر بتن به مقاومت آن ارتباط پیدا می کند. بعنوان مثال وزن مخصوص، نفوذپذیری، تا حدی دوام، مقاومت در برابر سایش، مقاومت در برابر ضربه، مقاومت کششی، مقاومت در برابر سولفاتها، و بعضی خواص دیگر با مقاومت ارتباط دارند. لیکن جمع شدگی و افت و تا حدی خزش اینطور نیستند. البته نباید گفت که این خواص بتن صددرصد تابع مقاومت فشاری هستند. بعنوان مثال باید دقت شود که دوام بتن نه تنها با مقاومت بلکه با پارامترهای دیگری نظیر نسبت آب به سیمان و مقدار سیمان در مخلوط نیز مربوط است. اما نکته اینجاست که عموماً بتن با مقاومت بالا خیلی از خواص مطلوب را دارا می باشد. مطالعه در جزئیات این موارد از مباحثی است که تکنولوژی بتن به آن می پردازد.

شیمی ترکیبات سیمان

مواد خام تشکیل دهنده سیمان اساساً از اکسیدهای کلسیم، سیلیسیم، وآهن تشکیل شده اند. این مواد در کوره با هم ترکیب شده و  به غیر از مقداری آهک آزاد باقیمانده که فرصت کافی برای فعل و انفعال نداشته است، ترکیبات شیمیایی جدید و پایداری نتیجه می شوند. در هنگام خنک کردن مصالح، براساس سرعت خنک کردن، مواد به شکل بلوری و بی شکل ظاهر می گردند. دانه های بی شکل که اکثراً شیشه ای هستند و دانه های بلوری شده، در حالیکه یک فرمول شیمیایی دارند، دارای خواص متفاوتی می باشند. برای سیمان معمولی درصد ترکیبات حاصل از فعل و انفعالات فوق با داشتن درصد اکسیدهای موجود در کلینگر و با فرض اینکه کریستاله شدن کامل انجام پذیرفته باشد قابل محاسبه است.

جدول(_2-1) چهار ترکیب اصلی سیمان با علائم اختصاری مشخصه آنها را نشان می دهد. علائم مختصر شده که توسط شیمیدانهای سیمان پیشنهاد گردیده است به صورت   ،،، و  می باشد.

 جدول 2-1 ترکیبات اصلی سیمان پرتلند

نام ترکیب        اکسیدهای تشکیل دهنده         علامت اختصاری

سه کلسیم سیلیکات                                                        

دو کلسیم سیلیکات                                                                       

سه کلسیم آلومینات                                                            

چهار کلسیم آلومینوفریت                                         

محاسبه مربوط به میزان ترکیبات سیمان حاصل از اکسیدهای اصلی تشکیل دهنده آن، توسط« بوگ» انجام شده و بنام« معادلات بوگ» معروف می باشد این معادلات درصد ترکیبات اصلی سیمان را نشان می دهند.علاوه بر مقادیر داخل پرانتزها درصد اکسیدهای تشکیل دهنده سیمان نسبت به کل وزن سیمان را نشان می دهند                                                                                                                                                                                                          

سیلیکاتها یعنی و تر کیبات اصلی و مهم سیمان می باشند و د ر حقیقت مقاومت سیمان هیدراته شده به آنها بستگی دارد

( اکسیدهای تشکیل دهنده این سیلیکاتها تأثیرات مهمی روی شکل اتمی و کریستالی و خواص هیدرولیکی آنها دارند. در حقیقت حضور  در سیمان سودمند نیست. این ترکیب نقشی در مقاومت سیمان، به جز کمی در سن اولیه آن نداشته  بعد از سخت شدن سیمان، در معرض حمله سولفاتها با تشکیل سولفوآلومینات کلسیم

( اترینگایت) سبب خرابی و فساد آن می گردد. بهر حال در تولید سیمان در ترکیب اکسید کلسیم با اکسید سیلیسیم سهولت ایجد کرده و سودمند می گردد  که به میزان کمی بوجود می آید در مقابل سه ترکیب اصلی دیگر نقش عمده ای در خواص سیمان ندارد. بهرحال این ترکیب با سنگ گچ سیمان سولفوفریت کلسیم تشکیل می دهد. که این ماده هیدراتاسیون سیلیکاتها را تسریع می کند.

سیمان

 میزان سنگ گچی که به کلینگر سیمان اضافه می شود بسیار مهم بوده و بستگی به میزان  و قلیائیهای سیمان دارد. بالارفتن سیمان باعث در دسترس قراردادن تعداد زیادتری  در روزهای اولیه فعل و انفعال شد و این میزان سنگ گچ مورد نیاز را افزایش می دهد. افزایش سنگ گچ بنوبه خود سبب انبساط بیش از حد و خرابی سیمان سخت شده می گردد. مقدار بهینه سنگ گچ، براساس حرارت ایجاد شده از فعل و انفعال سیمان تعیین می شود. پیشرفت مناسب فعل و انفعالات ما را مطمئن می سازد که وقتی همه سنگ گچ ترکیب شود مقدار کمی  باقی می ماند. استانداردهای BS 12: 1978 و ASMTIC 150-84 مقدار مناسب سنگ گچ را به صورت میزان  موجود، توصیه می کنند.

 علاوه بر اکسیدهای اصلی ذکر شده در جدول(2-1) اکسیدهای فرعی نظیر  و  سبز به مقدار بسیار کمی در سیمان وجود دارند. دو اکسید سدیم و پتاسیم که بنام قلیائیهای سیمان می باشند، در این بین اهمیت دارند. این اکسیدها با پاره ای از امواد سنگی در بتن ترکیب شده و سبب خرابی بتن و نیز تغییر در میزان افزایش مقاومت آن می گردند، بنابراین مقدار کم آنها در سیمان نیز می بایستی کنترل شود و به آن اهمیت داده شود.

 جدول(2-2) درصد اکسیدهای موجود در سیمان پرتلند را نشان می دهد. همچنین در جدول(2-3) درصد اکسیدهای یک نوع سیمان معمولی استاندارد بهمراه ترکیبات حاصل از معادلات

« بوگ» نشان داده شده است.

جدول(2-2) مقدار تقریبی اکسیدهای سیمان پرتلند

          اکسید                         مقدار به درصد

                                       67-60

                                       25-17

                                       8-3

                                      6-5/0

                                       4-1/0

                                   3/1-2/0

                                          3-1

در جدول(2-3) حمله پس مانده نامحلول که با استفاده از اسیدکلرئیدریک بدست آمده است در حقیقت ناخالصی سیمان را که به مقدار زیاد ناخالصی در سنگ گچ می باشد نشان می دهد. استاندارد BS 12: 1978 مقدار پسمانده نامحلول را به حداکثر 5/1 درصد وزن سیمان محدود می کند. مقدار مشابه در استاندارد ASTMIC 150-84 حدود 75/0 می باشد. افت سرخ شدن در این جدول درواقع میزان کربناتاسیون و هیدراتاسیون آهک آزاد و اکسید منیزیم آزاد سیمان را در هوا نشان می دهد. هر دو استاندارد ASTM و BS مقدار افیت سرخ شدن سیمان را به 3 درصد محدود می کند. لیکن در مناطق گرمسیری تا حد 4 درصد را مجاز می داند. از آنجا که آهک آزاد هیدراته شده در سیمان بی ضرر می باشد، لذا برای یک مقدار مشخص آهک آزاد بالاتر بودن افت سرخ شدن سودمند می باشد.

 جدول( 2-3)- اکسیدها و ترکیبات مختلف سیمان پرتلند تیپ 1

       درصد اکسیدها                 ترکیبات محاسبه شده براساس فرمول بوگ( درصد)

                  63                                          8/10

                 20                                           1/54

                6                                             6/16

                3                                            1/9

               5/1              ترکیبات فرعی                      -

                  2     

               1   

سایر اکسیدها        1

افت سرخ شدن      2

پس ماند نامحلول 5/0

انواع سیمان پرتلند

سیمانهایی که با ترکیبات مختلف شیمیایی ساخته می شوند خواص متفاوتی نیز نشان می دهند. بنابراین می توان با انتخاب مواد خام، نوع خاصی از سیمان با خواص مطلوب و خواسته شده ساخت. امروزه چندین نوع سیمان پرتلند و همچنین سیمانهای خاص برای موارد استفاده خاص در جهان ساخته می شوند. جدول 2-7 انواع اصلی سیمانهای پرتلند را که مطابق استانداردهای BS و ASTM می باشند، نشان می دهند. در جدول( 2-8) اکسیدهای آزاد و ترکیبات پنج نوع سیمان پرتلند جهت مقایسه آورده شده است.

 اکثر سیمانهای فوق برای ساخت بتنی با دوام در شرایط مختلف محیطی تولید شده اند. بهرحال غیرممکن است که ترکیبات سیمان بتواند جواب کاملی برای حل مسأله دوام بتن ارائه کند. البته خواص فیزیکی و مکانیکی بتن سخت شده نظیر مقاومت، جمع شدگی، نفوذپذیری، مقاومت در مقابل هوازدگی و خزش، علاوه بر سیمان و ترکیبات آن به عوامل دیگری نیز بستگی دارند. لیکن سیمان نقش عمده ای را در مقاومت ایفا می کند. در شکل( 2-4) روند افزایش مقاومت بتن های ساخته شده از سیمانها نشان داده شده است. اگرچه این روند در سیمانهای مختلف متفاوت است، لیکن مقاومت 90 روزه آنها اختلاف ناچیزی دارند. بطورکلی سیمانهای با روند سخت شدن آرام، مقاومت نهایی بالاتری را نشان می دهند بطور مثال سیمان با حرارت زایی کم( نوع 4) کمترین مقاومت را بعد از 28 روز نشان می دهد. ولی همین سیمان بعد از پنج سال دوم بیشترین مقاومت را کسب کرده است.