ترکیبات سیمان

آهک زنده یا اکسید کلسیم ( CaO ) : آهک از مهمترین و اصلی ترین مواد مورد استفاده در ساخت سیمان است ، اکسید کلسیم از پختن سنگ آهک یا کربنات کلسیم در حرارت حدود هزار درجه سانتی گراد به دست می آید. این عمل به طور جداگانه صورت نمی گیرد ، بلکه در فرآیند تولید سیمان ، و در موقع حرارت دادن پودر مخلوط آهک و خاک رس ابتدا ذرات آهک ( کربنات کلسیم ) در حرارت حدود 1000 درجه سانتیگراد مطابق واکنش زیر پخته شده و تبدیل به اکسید کلسیم و یا آهک زنده می شود. در این گرما آب شیمیایی خاک رس نیز از ان جدا می شود.

در درجه حرارت بیشتر از 1000 درجه سانتیگراد ، اکسید کلسیم ( آهک زنده ) با اکسید های سیلسیم ، آلمینیوم و آهن ترکیب شده و اکسیدهای مرکب تشکیل می شوند.
سیلیس ( SiO2 ) : این ماده که در اغلب سنگ های طبیعی یافت می شود یکی از مواد اصلی در ساخت سیمان پرتلند است. وقتی سیلیس حرارت داده می شود در ساختمان کریستالی آن یک سری تغییرات به وجود می آید. در کوره سیمان پزی بیش از 1200 درجه سانتیگراد سیلیس با آهک ترکیب می شود و دو کلسیم سیلیکات و سه کلسیم سیلیکات تشکیل می شود. خاک رس معمولی دارای مقادیر زیادی سیلیس است. میزان سیلیس مورد نیاز 17 تا 26 درصد وزن سیمان است که چنانچه نتوان این مقادیر را با استفاده از خاک رس معمولی تامین کرد می توان آن را با استفاده از سایر منابع تامین کرد.
آموینا ( Al2O3 ) : آلومینا ، همان اکسید آلمینیوم خالص است که مقادیر زیادی از آن در خاک رس وجود دارد. خالص ترین نوع خاک رس ، کائولینیت ( Al2O3 , 2SiO2 , 2H2O ) است که در آن آلومینا حدود 40 درصد وزن مولکولی کل این ماده را دارد. آلومینا در سیمان پزی اثر گداز آور و در هنگام پخت سیمان ، درجه آب شدن و پخت مواد خام را کاهش می دهد. از نظر شیمی سیمان ، در اثر حرارت داخل کوره دوار با آهک ترکیب شده در تشکیل سه کلسیم آلومینات را می دهد. وجود این اکسید مرکب در داخل سیمان تولیدی باعث می شود که سیمان زودگیرتر شود و در هنگام ترکیب سیمان با آب حرارت بیشتری ایجاد شود.

ملات سیمانی که فاقد اکسید سه کلسیم آلومبنات باشد در برابر آب دریا و سایر آبهای سولفات دار مقاوم است و خراب نمی شود.
اکسید آهن ( Fe2O3 ) 
اکسید فریک نیز همانند آلومینا در سیمان پزی نقش گداز آور را دارد و باعث کاهش درجه آب شدن مواد خام در داخل کوره سیمان پزی می شود. این اکسید در داخل کوره و در هنگام پخت به همراه آلومینا با آهک ترکیب شده و تشکیل اکسید مرکب چهار کلسیم آلومنیوفریت را می دهند ، اکسید آهن زیاد سیمان را کندتر می کند و رنگ سیمان را نیز تیره می کند به همین دلیل برای ساخت سیمان سفید از این اکسید استفاده نمی شود.
اکسید آهن جزء اصلی تشکیل دهنده اغلب سنگ آهنها است ، از این رو اکسید فریک کم و بیش در اغلب کانیها خصوصا خاک رس وجود آن در اغلب مواد اولیه ساخت سیمان به طور اجتناب ناپذیر در سیمان پرتلند تولیدی نیز اکسید مركب آن به وجود می آید که رنگ سیمان را تیره می کند. سیمان سفید فاقد اکسید آهن است. به علاوه در فرایند پخت کلینکر سیمان اکسید سیمان به سهولت تشکیل شود. لذا از این نظر نیز ساخت سیمان فاقد اکسید آهن ( سیمان سفید ) مشکلاتی را به وجود آورده و هزینه تولید افزایش می یابد.
مراحل ساخت سیمان پرتلند
سیمان ماده ای است که از ترکیب و پختن مواد آهکی نظیر سنک آهک و مواد دیگر شامل اکسیدهای سیلسیم ، آلمنیوم و آهن به وجود می آید. مراحل مختلف ساخت سیمان شامل تهیه مواد اولیه ، آسیاب و پودر کردن مواد اولیه ، مخلوط کردن کامل آن ها به نسبت های معین و حرارت دادن و پختن مخلوط در یک کوره بزرگ گردنده در حرارت حدود 1400 درجه سانتی گراد است. در این درجه حرارت مواد در نقطه نزدیک ذوب با هم ترکیب شده و به شکل گویهای جوشی به نام کلینکر در می ایند. کلینکر بعد از خروج از کوره سرد می شود. کلینکر سرد شده با مقدار کمی سنگ گچ آسیاب شده و به پودر بسیار ریزی تبدیل می شود که به آن سیمان پرتلند می گویند. مراحل مختلف ساخت سیمان پرتلند عبارت است از:
آماده کردن مواد خام
مواد اولیه تولید سیمان اکسید های کلسیم ، سیلیسیم ، آلمینیوم ، و آهن است که عمدتا در سنگ آهک و خاک رس وجود دارد ، برای تهیه سیمان پرتلند ، ابتدا سنگ آهک از معدن استخراج شده و آن را توسط کامیون به محل کارخانه حمل و با استفاده از اسیاب مخصوص به قطعات حدود 25 میلیمتر تبدیل می کنند. این مواد با توجه به شرایط و امکانات موجود به محل کارخانه حمل می شود. با این حال ، چنانچه مقدار یک یا چند اکسید از میزان مورد نیاز کمتر باشد ، با اضافه کردن مقدار لازم از ان اکسید نسبت ها اصطلاح می شود. این مواد همراه آهک آسیاب شده و به صورت پودر در می آیند. انتخاب روش واقعی تولید سیمان متناسب با نوع مواد اولیه موجود و شرایط کار عملی است.
نرم کردن به روش تر نیاز به قدرت کمی دارد و به آسانی مخلوط کامل و یکنواختی از اجزای تشکیل دهنده حاصل می شود ، اما از سوی دیگر آب مصرفی برای نرم کردن و ساخت دوغاب باید ضمن عمل پخت کلینکر از مواد جدا می شود. در روش خشک بعکس ، هزینه نرم کردن و مخلوط کردن مواد خام بیشتر از روش تر است ولی مصرف انرژی برای پخت کلینکر کاهش می یابد.
در سال های اخیر با توجه به پیشرفت های در تکنولوژی آماده مواد اولیه به صورت خشک ، این روش ساخت سیمان به مقدار زیادی جایگزین روش تر شده است.
پختن سیمان
پس از اینکه مواد خام با روش خشک و یا تر ، خرد و مخلوط گردیدند ، گرد و یا لجن مواد خام را در سیلوهای مخصوص انبار می کنند ، نسبت مواد خام قبل از ورود به کوه سیمان پزی کنترل و تنظیم می شود. مواد خام در روش خشک به صورت گرد و در روش تر به صورت لجن و در روش نیمه تر و نیمه خشک به صورت گندله وارد کوره گردنده سیمان پزی می شود. در درجه حرارت زیر 1000 درجه سانتیگراد عمل تکلیس مطابق واکنش صورت می گیرد.
در داخل کوره با حرکت مواد به سمت پایین درجه حرارت مواد افزایش یافته و در گرمای بالای 1200 درجه سانتیگراد ، آهک با سیلیس و سایر اکسید های موجد ترکیب می شود. مواد در حرکت به سمت پایین کوره و در گرمترین قسمت آن کاملا با یکدیگر ترکیب شده و به گلوله هایی به قطر 2 تا 25 میلیمتر کلینکر تبدیل می شوند.
کلینکر تولیدی ، که به صورت گلوله های سختی در آمده است ، با استفاده از خنک کننده های مخصوص ، سرد می شود. کلینکر سرد شده به همراه حدود 5 درصد سنگ گچ در آسیاب مخصوص به صورت پودر بسیار ریزی آسیاب می شود ، که نتیجه عملیات فوق منجر به تولید سیمان معروف به پرتلند می شود. سیمان تولیدی در کیسه های 50 کیلویی و یا به صورت فله ، به بازار عرضه می شود.
کوره های سیمان پزی
برای تهیه سیمان پرتلند تا کنون از دو نوع کوره سیمان پزی استفاده شده است.
کوره سیمان پزی ایستاده
 این کوره استوانه ای است فولادی به قطر حدود 3 متر و به ارتفاع حدود 15 متر ، مواد خام به صورت پودر از بالا ، وارد کوره شده و به آهستگی به پایین می لغزد و می پزد و به شکل کلینکر از کوره بیرون می ریزد. ظرفیت تولید سیمان این کوره کم است و روزانه به حدود 150تن می رسد ، در حال حاضر در ایران از این نوع کوره ها بهره برداری نمی شود.
کوره سیمان پزی گردنده
روش پخت سیمان در کوره های گردنده متفاوت است ، در این کوره ها سیمان به روش های تر ، نیمه تر و خشک پخته می شود. انتخاب روش واقعی تولید سیمان معمولا متناسب با نوع مواد اولیه موجود در دسترس و شرایط کار عملی است. روش پخت سیمان در کوره های دوار ، مواد خام به آهستگی از دهانه به ته کوره ، دانه های مواد اولیه در حرارت نزدیک و با کمک دستگاه خنک کندده ، ( به وسیله عبور هوای سرد و یا جریان آب ) کلینکر ، سرد می شود.
در کوره گردند با پیش گرم کن ، قبل از ورود مواد اولیه دوار تنوره های پیش گرم کن قرار دارند ، مواد خام ، قبل از ورود به کوره دوار ، ابتدا از داخل این تنوره ها عبور داده می شوند ، از پایین تنوره ، گاز های داغ برخاسته از کوره گردند به داخل تنوره ها وارد می شود. مواد خام در حرکت به سمت انتهای تنوره تا 800 درجه سانتی گراد گرم شده و قسمت زیادی از سنگ آهک آن پخته و اب شیمییایی خاک رس می پرد و مواد به صورت نیم پخت وارد کوره گردنده می شوند ، در نتیجه این عمل بازده کوره افزایش یافته و آهک بیشتری با سیلیس ترکیب می شود ، بعلاوه آهک آزاد کمتری در سیمان تولیدی نیز باقی می ماند. بهره دهب کوره های گردنده سیمان پزی با پیش گرمکن به حدود 3500 تا 4000 تن در شبانه روز می ررسد.
سنگ گچ به منظور جلوگیری از گیرش سریع و جرقه ای سیمان و کنترل زمان آن اضافه می شود.
ترکیب شیمیایی و خواص سیمان پرتلند
مواد خام تشکیل دهنده سیمان از اکسید های کلسیم ( CaO ) ، سیلیسیم ( SiO2 ) ، آلمینیوم (Al2O3 ) و آهن Fe2O3) ) تشکیل شده است. این مواد در اثر حرارت در کوره با هم ترکیب شده و ترکیبات شیمیایی جدید و پایداری نتیجه می شوند که به آن ها اکسید های مرکب می گویند. این ترکیبات جدید شامل دو کلسیم سیلیکات ( 2CaO , SiO2 ) سه کلسیم سیلکات ( 3CaO , SiO2 ) و سه کلسیم آلومینات ( 3CaO , Al2O3 ) و چهار کلسیم آلومینوفریت ( 4CaO , Al2O3 , Fe2O3 ) هستند. مقادیر اکسید های مرکب در سیمان مختلف اکسید های مرکب به دست می آیند. بسیاری از خواص سیمان تولیدی مربوط به میزان حضور هر یک از اکسید های مرکب در آن است. مثلا در موقع ترکیب سیمان با آب اکسید مرکب سه کلسیم آلومینات سریعا با آب ترکیب می شود و هر چه میزان آن زیادتر باشد ، زمان گیرش سیمان کاهش یافته و سیمان تندگیرتر است. مهمترین خصوصیات و ویژگی های سیمان پرتلند عباراتد از از نرمی ذرات ، زمان گیرش ، حرارت هیدراتاسیون ، مقاومت مکانیکی و سلامت سیمان.
رمی ذرات سیمان
از آنجا که عمل هیدراتاسیون سیمان از سطح ذرات ان شروع می شود. از این رو هر چه ذرات سیمان ریزتر باشد مجموع سطوح خارجی ( کل سطح جانبی دانه ها ) آنها در یک واحد وزن بیشتر می گردد و در نتیجه سطح ویژه آن نیز بیشتر و ترکیب سیمان با آب سریعتر انجام می شود و مقاومت بتن و یا ملات سیمانی نیز سریعتر افزایش می یابد و همچنین چسبندگی خمیر سیمان بیشتر می شود. از طرف دیگر انقباض خمیر سیمان با نرمی ذرات نسبت مستقیم دارد و هر چه ذرات ریزتر باشند ، در موقع گرفتن ملات سیمان ، انقباض بیشتری صورت می گیرد و باعث ترک خوردن خمیر سخت شده سیمان می شود. بعلاوه زیاد نرم کردن ذرات مستلزم هزینه قابل توجهی است بنابراین درجه نرمی ذرات سیمان از خواص مهم سیمان است.
گیرش سیمان
وقتی پودر سیمان با مقدار مناسبی آب مخطوط می شود ، تبدیل به خمیر نرمی می شود که در اثر مرور حالت خمیری  ( پلا ستیسیته ) خود را از دست می دهد و به جسم سختی تبدیل می شود.
گیرش و سخت شدن خمیر سیمان ، نتیجه یک سلسله واکنش های همزمان و پی ذر پی بین آب و اجزای تشکیل دهنده سیمان است. گیرش سیمان با درجه حرارت و رطوبت و رطوبت محیط اطراف تغییر می کند. زمان گیرش سیمان به دو مرحله تقسیم می شود ، که عبارت است از گیرس اولیه و گیرش نهایی یعد از گیرش نهایی سختی و مقاومت خمیر سیمان مرتبا افزایش می یابد ، این مرحله را سخت شدن می گویند.
حرارت هیدراتاسیون ( حرارت آبگیری)
گیرش و سخت شدن خمیر سیمان در اثر فعل و انفعالات شیمییایی صورت می گیرد. در جریان هیدراتاسیئن ، هر دانه گرد سیمان در ترکیب با آب به ذرات بی نهایت ریزی تجزیه شده و جسم کریستاله موسوم به ژل به وجود   می آید. مقدار آبی که برای هیدراتاسیون کامل سیمان لازم است حدود 25 تا 35 درصد وزن سیمان است. هیدراتاسیون سیمان همانند بسیاری از فعل و انفعالات شیمییایی حرارت زا بوده و میزان آن به ترکیب شیمیایی ، نرمی ذرات سیمان و درجه حرارت محیط بستگی دارد. برای سیمان های پرتلند ، حدود نیمی از کل حرارت در مدت بین 1 تا 3 روز و ¾ آن در 7 روز و تقریبا 90 درصد آن در مدت 6 ماه پس از ترکیب آب با سیمان آزاد می شود ، از این رو نگهداری و مراقبت از بتن و یا ملات سیمانی در روزهای اولیه مصرف سیمان حائز اهمیت است.
مقاومت سیمان
مقاومت مکانیکی سیمان سخت شده مهمترین خاصیت این ماده در کاربرد سازه های آن است ، از این رو کلیه آیین نامه ها ، آزمایش های مقاومت را همیشه در بیان مشخصات سیمان ذکر کرده اند.

مقاومت ملاتی یا بتن بستگی به انسجام یا چسبندگی خمیر سیمان ، چسبیدن و یا قابلیت چسبندگی آن به مواد سنگی مقاومت مواد سنگی دارد.
به علت مشکلاتی که در ساخت خمیر خالص سیمان وجود دارد ، آزمایش مقاومت مستقیما روی آن انجام نمی شود ، عموما برای این کار ، نمونه های مناسب ملات ماسه و سیمان و یا بتن ، به نسبت های معین مواد ، در شرایط استاندارد تهیه شده و مقاومت آن ها تعیین می شود.
سلامت سیمان
خمیر سیمان پس از گیرش نباید تغییر حجم عمده ای پیدا کند ، علت این محدودیت ، ترک و گسیختگی است که خمیر سیمان سفت شده در اثر انبساط احتمالی و در محلی که امکان این انبساط نیست ، پیدا می کند. چنین انبساط و ازدیاد حجمی غالبا ناشی از فعل و انفعالات آهک ، منیزیم آزاد و سولفات کلسیم است. سیمانی که خاصیت چنین انبساطی را دارد ، سیمانی نا سالم است.
ملاتهای سیمانی
ملات مخلوطی است از یک ماده چسبنده و یک ماده پر کننده که به صورت فیزیکی و شیمیایی می گیرد و سفت و سخت می شود. ملات ها از نحوه گیرش و واکنش های شیمیایی می گیرد و سفت و سخت می شود ملات ها از نحوه گیرش و واکنش های شیمیایی به دو دسته و یا گروه ، ملات های هوایی و آبی تقسیم بندی شد.
ملات های سیمانی هستند که ماده چسباننده آن ها سیمان و ماده پرکننده آن ها مواد سنگی از جمله ماسه است. ملات سیمانی عبارتند از : ملات ماسه و سیمان با عیارهای مختلف ، ملات ماسه بادی ، ملات انواع موزاییک و ملات باتارد.
ملات ماسه سیمان
این ملات مخلوطی است از ماسه و سیمان و آب به مقدار معین طوری مخلوط خمیری حاصل به سهولت قابل استفاده و دارای خواص و ویژگی های مرد نظر باشد. ملات ماسه و سیمان امروزه از عمده ترین ملات هایی است که در کارهای ساختمانی و بخصوص ساختن بناهای سنگی و آجری مورد استفاده قرار می گیرد.
نسبت های حجمی و تاب فشاری انواع ملات های متداول ماسه و سیمان آمده است.
سیمان مورد مصرف در ملات باید دارای خصوصیات و ویژگی های مندرج در قسمت های قبلی و ماسه مصرفی نیز دارای خصوصیات و ویژگی های مندرج در فصل دوم باشد. آب مورد استفاده در ملات های سیمانی باید تمیز و فاقد مواد زیان آور بوده و به طور کلی قابل شرب باشد.
 

 ملات ماسه بادی و سیمان
این ملات که معمولا به نسبت 4 به 1 ساخته می شود ، بیشتر برای بندکشی و آجر چینی آجرهای نما مورد استفاده قرار می گیرد. به طور کلی در ساخت ملات های که در لبه های نازک اتصالات و بندکشی ها و سایر جاهای کم قطر به کار برده می شود ، باید از ماسه بادی ، و یا ماسه زیر دانه ای که حداکثر سایز آن 1 میلیمتر باشد استفاده شود.
ملات باتارد یا حرامزاده
این ملات مخلوطی است از ماسه ، آهک ، سیمان و آب به نسبت های معین. ملات باتارد به دلیل قابلیت کارکرد و قابلیت نگهداری آب خوب در کارهای بنایی و بخصوص دیوارهای سنگي مورد استفاده قرار می گیرد.
نسبت های حجمی و مقاومت فشاری بعضی از متداول ترین ملات های باتارد درج شده است.