طراحی سازه و انواع آن

طراحی سازه و انواع آن

طراحی سازه

مشخصاتِ طراحی سازه ای :

معرفی :

بتن ها با مقاومت – بالا ، دارای برخی مشخصات و خصوصیات مهندسی هستند که با بتن های مقاومت – کم ، تفاوت دارند . تغییرات داخلی ، از بارهای ثابت ، مشخص و کوتاه – مدت و عوامل محیطی ناشی می شوند که شناخته شده هستند . رابطۀ مستقیم این تفاوتهای داخلی تمایز و تفاوت را در خصوصیاتِ مکانیکی مشخص کرده که ، باید توسط مهندسان طراح ، در پیش بینی کردن عملکرد و ایمنی سازه ها ، شناسایی شود . این تمایزها ، بسیار مهم هستند ، جهتِ افزایش مقاومت ها . تست ها و یا آزمونهای بِتُن – مقاومت بالای تقویت شده ، را بطور نمونه نشان داده اند ، که چنین موادی در بسیاری از موارد ، احتمالاً مشخصۀ الاستیکی طولی (خطی) را برای سطوح تنش و دسترسی به ماکزیمم تنش ، تعیین می کند . بنابراین ، منحنی تنش و تغییر طول نسبیِ بتنِ مقاومت – بالا ، در میزان بسیار بالا کاهش می یابد تا در بتن با مقاومت – پایین .

آزمایشات وسیع و جامعی در چندین مرکز پژوهشی ، صورت گرفت برای درک و استنباط عملکرد بتن با مقاومت بالا . در حالیکه ، اطلاعاتِ معتبر ، امروز در بسیاری از جنبه ها ، قابل دسترس هستند ، برخی از توصیه های نهایی و اصلی ، منتظر نتایج و عملکردِ آیندۀ آنان می باشد . در این مقاله ، تاکید بسیاری بر طراحیِ اعضا و سازه ها شده است . توصیه ها و پیشنهادها ، بر اساس و پایۀ بهترین اطلاعاتِ آزمایشی ، عرضه و ارائه شده اند .

ستونهای بارگیری شده بطور محوری :

در روشهای عملی ، ستونهای کمی بدرستی ، بارگیری محوری می شوند . گشتاورهای خمشی ، بعلت کاربردِ اساسیِ بارگذاری و ارتباط و همکاری با عملِ قاب محکم ، معمولاً بر بارگذاری محوری ، اضافه می شوند . AC1318-83 ، برای طراحی مورد نیاز است و ACI318R-83 ، این را منعکس می کند .هر چند ، اینها برای عملکرد ستونها و حمل کردن بارگذاری محوری ، استفادۀ مفیدی دارند .

توزیع مقاومتِ فولادی و بتن :

ویژگی اصلی و اساسی ، مقاومت نهایی است . شیوه و روش طرح حاضر ، مقاومت صوریِ عضو بارگذاری شده بطور محوری را ، محاسبه  می کند ، جهتِ بررسی و ارزیابی کردن میزانِ قانون افزایش مستقیم مقاومت مربوط به بتُتن و فولاد . توجیه این ایده ها و نظرات در تصویر 601 ، مشاهده می شود . منحنی های تنش و تغییر طول نسبی اضافه شده در فشار و تراکم برای ، سه بتن با تقویت کردن فولادی ، دارای  60.0.0 پسا (414MPa) بازده مقاومت ، می باشد . فرضیۀ معمول و متداول ، اینطور می گوید که ، فولاد و تغییر طول نسبی ، در هر مرحله بارگذاری ، یکسان هستند . برای بتن – مقاومت بالا ، زمانیکه بتن به یک محدوده یا دامنة تغییرات غیر خطیِ مهم میرسد ، فولاد هنوز در محدودة الاستیک است ، بنابراین ، شروع به بدست آوردن سهم بزرگترِ بارگذاری می کند . وقتی تغییر طول نسبی در حدود 0.002 است ، شیب منحنی بتن ، نزدیک صفر می باشد که می تواند بعنوان دفرمه شدن (بدشکلی) پلاستیسیه (شکل پذیری) ، همراه با مقدار کم و بدون افزایش تنش ، در نظر گرفته شود .

فولاد به نقطة بازدهی خویش در تغییر طول نسبی مشابه ، در این مورد می رسد . در نتیجه ، بتن در مازیمم تنش خویش می باشد و فولادر   ، بنابراین مقاومت ستون به شرح ذیل ، پیش بینی می شود :                 

در اینجا ، معنی این عبارت بدین صورت است :  

مقاومت فشردة سیلندر (استوانه) مربوط به بتن    =  

  بازده مقاومت فولاد                                   =

  ناحیة بخشِ بتن                                       =

   ناحیة فولاد                                            =  

فاکتوریا عامل 0.85 ، برای محاسبه و برای تفاوتهای مشاهده شده در مقاومت بتن و در ستونهای مقایسه شده با بتنِ مخلوط شدة در سیلندرهای (استوانه های) – آزمون – فشاری ، صورت گرفته است . یک تجزیه و تحلیلِ مشابه ، برای ستونهای بتن – مقاومت بالا انجام گرفته ، به استثنای فولاد که بازدهی آن ، قبل از اینکه بتن به مقاومت پیکِ (اوج) خویش برسد ، انجام خواهد گرفت . هر چند ، فولاد به بازدهی خویش در تنش ثابت ادامه خواهد داد ، تا بتن بطور کامل ، عملکرد خویش را انجام دهد . امکان دارد ، پیش بینی مقاومت هنوز بر مبنای معادلة (1-6) باشد . اسناد و مدارک آزمایش نیز ، از استفادة عامل 0.85 حمایت و پشتیبانی می کنند ، برای بتن مقاومت – بالا .

تاثیرات محدودة فولاد :

فولاد جانبی در ستونها ، بطور کامل در فُرم یا شکلِ حلزونهای (مارپیچی های) مداوم و پیوسته قرار دارند که ، این فولاد دارای 2 اثر مفید بر عملکرد ستون ، می باشد : (a) موجب افزایش زیادِ مقاومتِ داخلی هستة بتن (نمونه استوانه ای بتن) در حلزون شده ، با محدود کردن هسته در برابرِ انبساط و یا گسترش جانبی تحت کنترلِ بارگذاری و (b) همینطور ظرفیت تغییر طول نسبی محوریِ بتن را افزایش می دهد و اجازه می دهد که بیشتر نرم و قابل انبساط شود (یعنی یک ستون tougher (محکم شده) .

اساس و پایة طرحِ فولاد حلزونی تحت نظارت نسخه های ( نگارش های ) AC1318 در سال 1977 ، بوده که ، تاثیر تقویت کنندة حلزونی باید حداقل برای مقاومت از بین رفتة ستون ، یکسان باشد ، البتة زمانی که به پوستة خارجی بتن ، مربوط به لاشة سنگ (سنگ هایی که به مصرف پرکردن می رسد ) ، تحت عمل بارگذاری ، نیازی نباشد .

معادلة AC1318 ، برای مینیمم نسبت حجمیِ حلزونی عبارت است از :

در اینجا :                                                                        

نسبت حجمِ تقویت حلزونی برای حجم هستة بتن   =     Ps

ناحیه (فضای) قراص (ناخالصی) بخش بتن      =           Ag

ناحیة هسته بتن                                             = Ac

مقاومتِ فشردة سلیندری بتن                              = 

بازدة مقاومتِ فولاد حلزونی                                 =

افزایش در مقاومت فشردة ستونها ، توسطِ فولاد حلزونی فراهم و ایجاد شده که بر مبنای روابط مشتق شده و بطور آزمایشی برای مقاومت بدست آمده ، می باشد :

در اینجا :

مقاومت فشردة ستون بتن تقویت شده ، بطور حلزونی                          =  

مقاومت فشردة ستون بتنِ تقویت نشده                                           =

تنش در محدودة بتن که بطور حلزونی تولید شده                               =

این رابطه ، می تواند مستقیماً برای معادلة ، نشان داده شود . تنش در محدودة بتن ، که بطور حلزونی  تولید شده ، بر اساسِ فولاد حلزونی محاسبه می شود ، با استفاده از معادلة کشش قیاسی (hoop).

و یا

در اینجا :

ناحیة فولاد حلزونی                         =

قطر هستة بتن                               =

شیب حلزونی                                  = S

تحقیقات اَخیر که توسط احمد و شاه shah Ahmad , ، صورت گرفت ، تقویت حلزونی را نشان داده که ، کارآمدیی کمتری برای ستونهای بتن مقاومت بالا و ستونهای بتن سبک وزن ، دارند . آنها (احمد و شاه) همچنین دریافتند که ، تنش در فولاد حلزونی در بارگذاری پیک ، برای ستونهای بتن – مقاومت بالا و ستونهای بتن – سبک وزن ، اَغلب بطور چشمگیری کمتر است تا دربازدة مقاومت که در معادلة  ، فرض شده است . این نتیجه گیریها ، از پژوهش های آزمایشی در دانشگاه کرنل ، ناشی شده . تحقیق و پژوهش کرنل ، تأثیر یک تنش در محدوده (1-s/dc) ، استفاده کردند جهتِ ارزیابی کردن نتایج ، جاییکه ، محدودة تنش در بتن است که با استفاده از تنش واقعی در فولاد حلزونی ، محاسبه شده  که اغلب ، کمتر از  می باشد . عبارت یا واژة (1-s/dc) ، کاهش در کاراییِ حلزونها را منعکس می کند که ، با افزایش یافتن فاصله بندیِ سیمهای حلزونی ، مرتبط است . بنابراین ، تفسیر و توصیفِ معادلة (6-3a) ، بدین صورت است :

                                                     (6-3b)

واضح است که ، مقاومت بدست آمده با معادلة (6-3d) ، قابل پیش بینی است و اعتبار یا پایایی برای بتن با وزن نرمال با همة مقاومتها در محدودة تنش ، حداقل 3000 پسا ، می باشد . یک نمودار بر مبنای معادلة ، پیش بینی بدون محافظه کاری را برای تنش در محدودة بالا را ، نشان    می دهد ، اما همچنین می تواند تنش در محدوده را برای حلزونهای ستون ، نشان دهد که بسیار کمتر از 1000 پسا می باشد . برای این محدوده. از دیدگاه مقاومت ، حضور معادلة ACI318 ، برای مینیمم نسبت فولاد حلزونی ، می تواند بطور ایمن ، استفاده شود ، البته برای ستونها با وزن و مقاومت نرمال و به همان سان برای ستونها با مقاومت – کم (پایین) . بتنِ سبک وزن ، اگر بطور سنگین بارگذاری شود ، شکسته خواهد شد و فشار حاصله را کاهش یا تخفیف می دهد . برای ستونهای سبک وزنِ تقویت شده بطور حلزونی ، مارتینز ، پیشنهاد  می کند معادلة توسطِ  جایگزین شود و معادلة  باید توسطِ   جایگزین شود . این تفاوت در میانگین عملکرد معادلة  مهم است که در ACI318 مشخص شده و باید مجدداً مورد آزمایش قرار گیرد . بنظر می رشد ، ستونهای بتنی سبک وزن نیاز به 2.5 بیشتر فولاد حلزونی دارد تا تطبیق (مطابق) کردن ستونهای وزن نرمال برای رضایت مورد نیاز مقاومت بعد از پوشش لاشة سنگ ، که به ACI318 منعکس شده ، نیاز ندارند . شاید کاربرد حلزونهای سنگین ، مورد سوال واقع شوند . هیچگونه توافق عمومی بر کارآیی فولاد حلزونی برای بهبود بخشیدن شکل پذیری ستونهای بتنی مقاومت – بالا ، وجود ندارد ، و اینکه ، افزایش یافتن تغییر طول نسبی محدود شده و مسطح شدنِ شیب منفی مربوط به منحنی تنش و تغییر طول نسبی در نقطة پیکِ تنش ، مشاهده می شود . یک مقاله مربوط به احمد شاه ، نشان می دهد که ، محدود شدن حلزونی در مسطح کردن شیب منفیِ منحنی تنش و تغییر طول نسبی ، برای ستونهای بتنی با مقاومت – بالا و همینطور ستونهای بتنی با مقاومت – پایین ، تأثیر گذار است . تحقیقات دانشگاه کرنل حاکی از آن است که ، منحنی های تنش و تغییر طول آزمایشی برای مقاومت های مختلفِ ستونهای بتنی با وزن نرمال و طبیعی با تقویت کنندة حلزونی متفاوت ، نشان داده شده است. سه گروه منحنی ، توسط سه سطح مقاومت بتن با مطالعه ، مشخص شده اند . هر یک از این گروهها ، از سه مجموعه منحنی ، تشکیل شده که با سه مقدارِ مختلفِ تقویتِ جانبی ، منطبق شده اند .

 هر مجموعه از منحنی ها ، با خط افقی ، میانگین تطبیق مقاومت ستونِ تقویت نشده را ، نشان می دهد ، برای مشخص کردن ستونهای محدود شدة ویژه یا خاص . منحنی ها، برای ستونهای بتنی با مقاومت – بالا ، NC167 هستند که دارای کارآیی مفید در محدودة تنشِ 767 پسا (5MPa) می باشند ، که با منحنی های ستونهای بتنی و با مقاومتِ – پایین تر NC163 همراه با کارآیی مفید در محدودة تنش پسا (6MPa) مقایسه شده اند . عملکرد متفاوت آنان ، بوضوح آشکار است ، در نتیجه نه تنها کشش (افزایش طول) در بتن با مقاومت بالا در پیک (اوج) قرار دارد ، بلکه این کشش در بتن با مقاومت پایین ، به حد قابل ملاحظه ای پایین می آید . در واقع ، این حقیقتی است که حتی برای ستونهای NC169 نیز ، همراه با تنش زیادِ 2500  پسا دیده شده است . بر اساس شواهدِ قابل دسترس ، می توان نتیجه گرفت که ، احتمالاً ستونهای بتنی با مقاومت – بالا و چگالی نرمال ، زمانیکه همراه با فولادِ کششی همراه می باشند ، می توانند مقاومتِ مورد نیاز را بخوبی نشان داده و این پیش بینی را بخوبی در معادلات ، منعکس کنند ، اما مشخصه های (خصوصیات) پیکِ تنش ، احتمالاً جهت مقایسه با ستونهایی با مقاومت – کم ، ناکافی وضعیت می باشد . طراحیِ ستونهای بتنیِ سبک وزن همراه با فولاد حلزونی ، باید با دقت بسیار ، صورت گیرد . مسئلة مهم و جالب دیگر ، ارتباط داشتن ستونهای تقویت شدة حلزونی است که بطور کلی ، سطح تنش تقویت شده با حلزونهای طراحی شده ، منطبق شده و اینکار توسطِ AC1318 ، انجام می شود و باید متذکر شد که ، ستونهایی که با چنین چیزی تقویت نشده اند ، دارای مقاومتِ کافی نیستند . در ستونهایی که دارای قطر بزرگتر هستند ، تنش محدوده ، بطور چشمگیری کاهش می یابد ، بنابر فرضیه های اصولی ، این مقدار ثابت می ماند . این موضوع مستقیماً پیرو معادلة می باشد . برای ستونهای بزرگتر ، نسبت Ag/A ، بسیار کوچکتر شده ، در نتیجه ، نسبتِ فولاد حلزونی مورد نیاز کوچکتر و کارآیی تنشِ محدوده نیز بطور متناسبی کوچک می شود . تنش محدوده ، که توسط حلزونهای طراحی شده ACI318 ، برای بتن ها با مقاومت بالا و کم ، در 15in و 50  ، تولید شده و قطرهای ستون اصلی ، مقایسه شده اند .

تست ها و آزمایش ها ، نشان می دهند حتی ستونها با مقاومت پایین یا کم ، تنش محدوده را ، از 238 به 83 پسا (psi) ، کاهش داده و (1.64 تا 0.57MPa ) بدست آمده تحت نظر ACI318 ، یک ستون با ظرفیت بسیار بالای کشش ، تولید خواهد کرد ، بدون اینکه ، مقاومتِ خویش را از دست بدهد . برای بتن با مقاومت بالا ، شاهد کاهش تنش محدوده از 825 به 263 پسا ، هستیم که موجب تولید یک ستون با ظرفیت کشش بدونِ حداکثرِ نقطة پیک ، می شود . حتی در تنش محدودة بالا (پسا) 825  ، یک ستون با مشخصة نامطلوب همراه با اُفتِ مقاومت بعد از تنش پیک ، تولید می شود . علاوه بر این بعضی از داده ها یا اطلاعاتِ آزمایشی و تجربی در این ستونها با مقاومت – بالا ، قابل دسترس هستند و از تیرهای اتصالی و جانبی استفاده می کنند ، تا از حلزونها .

بارگذاری مکرر (چندگانه) :

بتن با مقاومت – بالا ، بطور نسبی فارغ از گسستگی (شکاف) داخلی می باشند ، حتی در بارگذاریِ اصلی ، البته زمانیکه بارگذاری بطور یکنواخت صورت گرفته باشد . از طرف دیگر ، گزارش شده بتن با مقاومتِ – بالا دارای شکنندگی بیشتری است تا بتن با مقاومتِ – پایین (کم) و این کمبود مربوط به شکل پذیری و پیشرفت تدریجیِ رشدِ شکاف ها (ترک) ، است . برخی از پژوهش های تجربی نشان می دهد که ، فرسودگی ضرورتاً ، بستگی به مقاومت و تراکم (فشردگی) دارد . تحقیقات اَخیر ، حاکی از آن است ، نقص و عیب در بتن و در خصوص بارگذاری مکرر ، می تواند بطور تقریبی توسط بتنِ مربوط به پوش منحنی ، صورت گیرد و مستقیماً با منحنی و افزایش طول نسبیِ ، منوتونیک کوتاه – مدت ، ارتباط دارد . برای بتن با مقاومت – بالا ، هر کاربرد بارگذاری ، موجب آسیب کمتر می شود . هر چند ، تعداد چرخه ها (دوره ها) جهتِ داشتن نقص ، زیاد چشمگیری نمی باشند ، و این بدلیل شیب خمیدگی بزرگتر است که مربوط به پوش منحنی (منحنی محاطی) پیک می باشد . با اینکه کارهای مهمی در این خصوص ، صورت گرفته ، اما مجدداً پژوهش و تحقیقاتِ بیشتری نیاز است که به جنبه های بتن با مقاومت – بالا ، بپردازد ، البته بدون در نظر گرفتن محدودة فولاد و یا فرآیند بارگذاری مکرر و مختلف ، قبل از طراحی ، باید به توصیه های مطرح شده عمل کرد .

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.