تاریخچه 

اگرچه از زمانهای بسیار گذشته اقوام و ملل مختلف به نحوی با استفاده از سیمان در ساخت بنا سود می‌جستند، ولی اولین بار در سال 1824 ، سیمان پرتلند به نام "ژوزف آسپدین" که یک معمار انگلیسی بود، ثبت شد. به لحاظ شباهت ظاهری و کیفیت بتن‌های تولید شده از سیمانهای اولیه به سنگهای ناحیه پرتلند در دورست انگلیس ، سیمان به نام سیمان پرتلند معروف شد و تا به امروز برای سیمانهایی که از مخلوط نمودن و حرارت دادن مواد آهکی و رسی و مواد حاوی سیلیس ، آلومینا و اکسید آهن و تولید کلینکر و نهایتا آسیاب نمودن کلینکر بدست می‌آید، استفاده می‌شود.

کلمه سیمان از یک لغت لاتین به نام سی‌منت ( cement ) گرفته شده است و ماده ای است که دارای خاصیت چسبانندگی مواد به یکدیگر است و در حقیقت ، واسطه چسباندن است. 

در صنایع ساختمانی ، سیمان به ماده ای گفته می‌شود که برای چسباندن مصالح مختلف به یکدیگر از قبیل سنگ و شن ، ماسه ، آجر و غیره بکار می‌رود و ترکیبات اصلی این سیمان از مواد آهکی است. سیمانهای آهکی معمولا از ترکیبات سیلیکات و آلومیناتهای آهک تشکیل شده‌اند که هم به‌صورت طبیعی یافت می‌شوند و هم قابل تولید در کارخانجات سیمان‌سازی هستند. 

سيمان گردي نرم، جاذب آب و چسباننده خرده سنگ است که اساساً مرکب از ترکيب پخته شده و گداخته شده اکسيد کلسيم با اکسيد سيليکون، اکسيد آلومينيوم و اکسيد آهن مي باشد. ملات اين گرد به مرور در مجاورت هوا يا در زير آب سخت، فشرده مي شود در ضمن ثبات حجم، مقاومت خود را نيز حفظ مي نمايد.

مواد با منشا آتشفشاني از دير باز جهت ساخت ملات و بتن مورد استفاده قرار مي گرفته است. اين مواد ابتدا در منطقه اي بنام پوزولي واقع در ايتاليا مورد استفاده قرار مي گرفت وبه همين دليل PULVIS – PUTEOLANUS ناميده شده است كه بعدا" به پوزولان POZZOLANA تغيير نام داد. بدليل كاريرد خاص اين سيمانها و بكارگيري هر چه بهتر آنها استانداردهايي در كشورهاي مختلف جهان تدوين گرديده است . 





ساختار سیمان

اساسا سیمان با آسیاب نمودن مواد خام از قبیل سنگ و آهک و آلومینا و سیلیسی که به صورت خاک رس و یا سنگهای رسی وجود دارد و مخلوط نمودن آنها با نسبتهای معین و با حرارت دادن در کوره‌های دوار تا حدود 1400درجه سانتی‌گراد بدست می‌آید. در این مرحله ، مواد در کوره تبدیل به گلوله‌های تقریبا سیاه رنگی می‌شوند که کلینکر نامیده می‌شود.

کلینکر پس از سرد شدن ، با مقداری سنگ گچ به‌منظور تنظیم گیرش ، مخلوط و آسیاب شده و پودر خاکستری رنگی حاصل می‌شود که همان سیمان پرتلند است. با توجه به نوع و کیفیت مواد خام ، سیمان با دو روش عمده‌تر و خشک تولید می‌شود، ضمن اینکه روشهای دیگری نیز وجود دارد. البته امروزه عمومـا از روش خشک در تولید سیمان استفاده می‌شود، مگر در مواردی که مواد خام ، روش تر را ایجاب کند، زیرا در روش خشک ، انرژی کمتری برای تولید مورد نیاز است. 

مواد خام مورد مصرف در تولید سیمان در هنگام پخت با هم واکنش نشان داده و ترکیبات دیگری را بوجود می‌آورند. معمولا چهار ترکیب عمده به‌عنوان عوامل اصلی تشکیل دهنده سیمان در نظر گرفته می‌شوند که عبارتند از:

سه کلسیم سیلیکات (3O2=C3S) 
دو کلسیم سیلیکات ( 2CaOSiO2=C2S) 
سه کلسیم آلومینات (3CaOAl2O3=C3A) 
چهار کلسیم آلومینو فریت (4CaOAl2O3Fe2O3) 

که اختصارا اکسیدهای CaO را با C و SiO2 را با S و Al2O3 را با A و Fe2O3 را با F نشان می‌دهند. سیلیکاتهای C3S و C2S مهمترین ترکیبات سیمان در ایجاد مقاومت خمیر سیمان هیدراته می‌باشند. در واقع سیلیکاتها در سیمان ، ترکیبات کاملا خالصی نیستند، بلکه دارای اکسیدهای جزئی به‌صورت محلول جامد نیز می‌باشند. این اکسیدها اثرات قابل ملاحظه ای در نحوه قرار گرفتن اتمها، فرم بلوری و خواص هیدرولیکی سیلیکاتها دارند.

ترکیبات دیگری نیز در سیمان وجود دارند که از نظر وزن قابل ملاحظه نیستند، ولی تأثیرات قابل ملاحظه ای در خواص سیمان دارند که عمدتا عبارتند از: MgO،TiO2،Mn2O3،K2O،NaO2، که اکسیدهای سدیم و پتاسیم به نام اکسیدهای قلیایی شناخته شده‌اند. آزمایشها نشان داده است که این قلیائی‌ها با بعضی از سنگدانه‌ها واکنش نشان داده‌اند و حاصل این واکنش باعث تخریب بتن شده است. البته قلیائی‌ها در مقاومت بتن نیز اثر دارند.

وجود سه کلسیم آلو مینات (C3A) در سیمان نقش عمده ای در مقاومت سیمان به جزء در سنین اولیه ندارند و در برابر حملات سولفاتها نیز که منجر به سولفوآلومینات کلسیم می‌شود، مشکلاتی به بار می‌آورد، اما وجود آن در مراحل تولید ، ترکیب آهک و سیلیس را تسهیل می‌کند. میزان C4AF در سیمان هم در مقایسه با سه ترکیب دیگر کمتر است و تأثیر زیادی در رفتار سیمان ندارند، ولی در واکنش با گچ ، سولفو فریت کلسیم را می‌سازد و وجود آن به هیدراسیون سیلیکاتها شتاب می‌بخشد.

مقدار و اندازه واقعی اکسیدها در ترکیبات انواع سیمان ، مختلف است. البته باقی مانده نامحلول نیز که عمدتا از ناخالصی‌های سنگ گچ حاصل می‌گردد، اندازه گیری می‌شود، تا حدود 1,5 درصد وزن در سیمان مجاز است. افت حرارتی نیز که دامنه کربناسیون و هیدراسیون آهک آزاد و منیزیم آزاد را در مجاورت هوا نشان می‌دهد، تا حدود 3 الی 4 در صد وزن سیمان اندازه گیری می‌شود. 

ماده مورد نظر ما ملات یا خمیر سیمان است که با اختلاط آب و پودر سیمان ماده چسباننده ای می‌شود. در واقع سیلیکاتها و آلومیناتهای سیمان در مجاورت آب محصولی هیدراسیونی را تشکیل می‌دهند که کم‌کم با گذشت زمان ، جسم سختی بوجود می‌آید.

دو ترکیب عمده سیلیکاتی سیمان یعنی C3S و C2S عوامل عمده سخت شدن سیمان هستند و عمل هیدراسیون روی C3S سریعتر از C2S انجام می‌گیرد. 

به لحاظ اهمیت کیفیت سیمان در ساختن بتن ، معمولا تولید کنندگان ، آزمایشهای متعدد و استاندارد شده ای را برای کنترل کیفیت سیمان انجام می‌دهند و بعضا نیز مصرف‌کنندگان برای اطمینان خاطر ، خواص سیمان تولید شده را از کارخانجات درخواست می‌کنند و گاها نیز آزمایشهایی انجام می‌دهند. خواص فیزیکی سیمان عمدتا عبارتست از نرمی سیمان ، گیرش سیمان ، سلامت سیمان و مقاومت سیمان

از آنجا که هیدراسیون از سطح ذرات سیمان شروع می‌شود، مساحت تمامی سطح سیمان موجود در هیدراسیون شرکت دارند. بنابراین نرخ هیدراسیون بستگی به ریزی سیمان دارد و مثلا برای کسب مقاومت سریعتر نیز به سیمان نرم تر یا ریزتر می‌باشد. اما باید توجه داشت که همیشه یک سیمان نرم از نظر اقتصادی و فنی مقرون به صرفه نیست، زیرا هزینه آسیاب کردن و اثرات بیش از حد نرم بودن سیمان بر خواص دیگر آن مانند نیاز بیشتر به گچ برای تنظیم گیرش ، کارآیی بتن تازه و سایر موارد نیز باید مد نظر باشد.

نرمی یکی از خواص عمده سیمان است که معمولا در استانداردها با سطح مخصوص تعیین می‌شود (m2/kg). روشهای متداول و متفاوتی برای تعیین نرمی سیمان در دنیا بکار گرفته می‌شود. استاندارد ملی ایران به شماره 390 تعیین نرمی سیمان را مشخص می‌کند. 

کلمه گیرش برای سفت شدن خمیر سیمان بکار برده می‌شود، یعنی تغییر وضعیت از حالت مایع به جامد. گیرش به‌علت هیدراسیون C3S و C2A با افزایش دمای خمیر سیمان اتفاق می‌افتد. گیرش اولیه مربوط به افزایش سریع دما و گیرش نهایی مربوط به دمای نهایی است. مدت زمان گیرش سیمان با افزایش درجه حرارت کاهش می‌یابد، ولی آزمایش نشان داده است که در دمای حدود 30 درجه سانتی‌گراد ، اثر معکوس را می‌توان مشاهده نمود. در درجات حرارت پائین ، گیرش سیمان کند می‌شود.

پوزولان و سيمان پوزولان

به دليل کاربرد حساس سيمان و استفاده از اين کالا در ساخت و احداث بناهايي نظير پلها، سدها، اسکله ها و منازل مسکوني و راه ها انجام آزمايشات کنترل کيفي داراي اهميت اساسي است. کنترل کيفي انواع مواد خام مصرفي در کارخانه و همچنين کنترل مواد خام و خوراک کوره و همچنين کلينکر و سيمان در نقاط و مراحل مختلف خط توليد انجام مي شود. اصولاً تقسيم بندي سميان در کشورهاي مختلف متفاوت مي باشد و مبناهاي مختلفي براي تقسيم بندي انتخاب شده است از جمله اينکه ممکن است سيمان به صورت زير طبقه بندي شود.

انواع دسته‌بندي سيمان
دسته بندي بر اساس تاب فشاري 
دسته بندي بر اساس نوع سيمان و اينکه از چه منبعي تهيه شده باشد، مانند سيمان پرتلند، سيمان روبار و سيمان پوزولان 
دسته بندي بر اساس مشخصات ويژه مانند سيمان با گرماي هيدراتاسيون پائين سيمان با مقاومت شيميائي در مقابل سولفاتها، قليايي ها و امثالهم، سيمان زودگير، سيمان با مقاومت اوليه بالا. 

در ايران انواع سيمان استاندارد شامل سيمان پرتلند و سيمان پرتلند پوزولاني بر اساس استاندارد ملي ايران به شماره 389 و 3432 توليد مي شود.درحال حاضر شرکت سيمان اروميه 4 نوع سيمان به شرح زير توليد مي نمايد.

· سیمان پرتلند نوع 325-1 براساس استاندارد ملی ایران به شماره 389

· سیمان پرتلند نوع 425-1 براساس استاندارد ملی ایران به شماره 4543

· سیمان پرتلند پوزولانی براساس استاندارد ملی ایران به شماره 3432

· سیمان پرتلند پوزولانی ویژه براساس استاندارد ملی ایران به شماره 3432 

براساس استاندارد ملي ايران به شماره 3432 ، پوزولانها مواد سيليسي يا سيليس آلومينيوم داري هستند كه به خودي خودخاصيت چسبانندگي كمي داشته ويا ندارند ولي بصورت گرد نرم در مجاورت رطوبت و در دماي معمولي با هيدروكسيد كلسيم واكنش نشان داده و تركيباتي با خواص سيماني بوجود مي آورند. از نظر زمين شناسي پوزولانها حاصل انفجارات آتشفشاني با ساختار سيليسي و آلوميني مي باشند كه ميل تركيبي زيادي با آهك و قليايي ها دارند.فوران ناگهان وشديد گدازه هاي آتشفشاني به اتمسفر باعث تشكيل ذرات ريزي مي شود كه بسرعت سرد شده و حالت شيشه اي و آمورف پيدا مي كنند كه فرصت بلوري شدن نيافته است . مواد گازي موجود در اين ذرات باعث پديد آمدن حبابهاي ريزي در آنها شده كه در نهايت مشخصه پوك بودن و داشتن سطح ويژه گسترده را به ذرات مي دهند. قابليت تركيبي ذرات شيشه اي ( پوزولان ) در حالت پودر و شرايط خاص با آب وآهك ، موجب شده تا با خواص سيماني خود بر كيفيت محصول افزوده وبا تشكيل ژل سيليكاتي ويژه ، در برابرعوامل مخرب وتهاجمات وتنشهاي حرارتي ، مقاومت بسيار خوب ومطلوبي از خود نشان دهد .مانند ساير منابع طبيعي در ايران پوزولانهاي مرغوب نظير جاجرود ، آبيك ، سيرجان و تفتان و ... شناسايي و مورد بهره برداري قرار گرفته شده است . از مواد پوزولاني طبيعي ميتوان خاكستر آتشفشاني ، پوميس ( سنگ پا ) ، رس سوخته و از پوزولانهاي مصنوعي خاكستر زغال سنگ يا خاكستر بادي ( fly ash ) يا همان دوده سيليس را نام برد. خاكستر بادي يك محصول جانبي نيروگاه برق با سوخت زغال سنگ است كه از دود زغال سنگ مشتعل در دماي 1500 – 2000 º C به روش الكترواستاتيكي استخراج ميشود و نسبت اختلاط آن با سيمان معمولي 15 – 50 % است. سيمان پوزولاني داراي حرارت هيدراتاسيون پايين است و ميتوان از آن در بتن ريزيهاي حجيم استفاده كرد ولي سرعت كسب مقاومت آن كمتر از سيمان معمولي است ، بطوريكه مقاومت 7 روزه و 28 روزه آن پايين خواهد بود اثر روي مقاومت و نفوذپذيري بتن هاي سخت شده و مقاومت در برابر عوامل مخرب نظير سولفاتهاونيز اسيدهاي ضعيف و جلوگيري از واكنش قليايي سنگدانه ها ومقاومت دربرابر تركهاي داخلي از ويژگيهاي مثبت سيمانهاي پوزولاني مي باشد. 

همچنين دوره بعمل آوردن و مراقبت از بتن در اين سيمان بايد طولاني تر از سيمان معمولي باشد.

رفتار مشابه پوزولانها را مي توان در سرباره يا ميكروسيليس مشاهده نمود كه امروزه در دنيا براي ساخت بتن هايي با مقاومت و دوام بيشتر در برابر تهاجمات شيميايي وتنشهاي حرارتي بصورت گسترده مورد استفاده قرار ميگيرد. امروزه استفاده از سيمانهاي پوزولاني - مخلوطي از سيمان پرتلند با يك پوزولان مناسب - به منظور صرفه جويي در مصرف انرژي مصرفي و افزايش دوام وپايايي بتن بسيار مورد توجه قرار گرفته است. 

عملكرد پوزولان و نقش آن در كيفيت سيمان و بتن :

در فرايند توليد سيمان ، مواد آهكي ، سيليسي و آلوميناتي با يكديگر تركيب شده و ريزساختارهاي اصلي سيمان پرتلند را بوجود مي آورد.اين ريزساختار با اصطلاح C3S و C2S و C3A و ... ناميده مي شود.تركيبات مذكور در واكنش با آب كه به اختصار H ناميده مي شود، چسب سيمان C.S.H را ايجاد نموده و دركنار آن آهك شكفته ( CH ) نيز حاصل ميگردد. پوزولان نيز كه با علامت S شناخته مي شود قابليت جذب تدريجي آهك شكفته ( CH ) را دارد يعني بصورت CH+S=C-S-H ظاهر ميگردد كه اين همان برتري پوزولان را نشان ميدهد . در اين ميان پوزولان ( S ) كه به تنهايي خنثي بوده در كنار آهك شكفته ( CH ) كه براي سيمان بي خاصيت وحتي مضر ميباشد آنرا تبديل به چسب سيمان ( C-S-Hميكند ). اين بدان معناست كه پوزولان نقاط ضعف خمير سيمان را بخودي خود مرتفع ميسازد. هرچند روند رشد مقاومت بتن حاوي پوزولان كندتر ازسيمان شاهد (تيپ 2 ) است ليكن درسن استاندارد 28 روزه ، مقاومت بتن ، معدل و حتي بيشتر از سيمان شاهد مي گردد.

در سیمان پوزولانی ماده پوزولانی حداکثر 15 درصد وزن سیمان را تشکیل می دهد. این سیمان برای مصارف عمومی در ساخت ملات یا بتون بکار می رود و با نشانه ((پ.پ)) عرضه می گردد.

در سیمان پوزولانی ویژه ماده پوزولانی بین 15 تا 40 درصد وزنی سیمان پرتلند پوزولانی را تشکیل می دهد. (واحد کنترل کیفیت سیمان ارومیه افزودن پوزولان تا 25 درصد وزنی را بلامانع اعلام کرده است).

مزايا و ويژگيهاي سيمان پوزولاني :

1- حرارت هيدراتاسيون سيمان پرتلند پوزولاني كمتر ازسيمان شاهد بوده و دربتن هاي حجيم در هواي گرم از افزايش بتن تازه و بروز تركهاي حرارتي جلوگيري مي كند.

2- طبق آيين نامه بتن ايران ( آبا ) و استاندارد ملي ايران به شماره 6044 دماي بتن تازه نبايد از 32 درجه سانتي گراد براي بتن معملي و 15 درجه سانتي گراد براي بتن حجيم تجاوز نمايد لذا كابرد سيمان پوزولان مخصوصا" در مناطق گرم و فصل تابستان كارساز خواهد بود.

3- پديده آب انداختگي بتن حاوي پوزولان كمتر از بتن شاهد بوده و از بروز تركهاي سطحي و عمقي جلوگيري ميكند.

4- سيمان پرتلند پوزولاني مصرف عمومي داشته و مشابه سيمان شاهد در ساخت ملات يا بتن بكار ميرود.

5- واكنش پوزولاني منجر به كاهش آهك شكفته داخل بتن شده كه ضمن كاهش خلل و فرج ، از نفوذپذيري اين بتن كاسته و از بروز پديده شور زدن و سفيدك بتن و كربناته شدن آن جلوگيري مي نمايد . اين كاهش نفذ پذيري موجب دوام بتن در برابر املاح ومواد خورنده بتن و آرماتور مي شود.

6- بالا بودن درجه نرمي ( بلين ) سيمان پرتلند پوزولاني منجر به تعديل روند واكنش سيمان و افزايش جرم ويژه بتن ومقاومت استاندارد و نهايي آن ميشود.

7- با توجه به فقدان فيلر در سنگدانه هاي ريز بعلت شستشوي آنها و عدم استفاده سيستم فيلرگير دركاخانجات ماسه سازي براي افزايش كارايي بتن ، سيمان بيش از اندازه مصرف مي شود كه منجر به بروز پديده جمع شدگي و انقباض و ترك خوردگي ميگردد . بنابراين كاربرد سيمان پرتلند پوزولاني در اين زمينه ازپديده جمع شدگي و انقباض و ترك خوردگي جلوگيري بعمل مي آورد.

8- نسبت آب به سيمان نبايد بيشتر از50 درصد باشد . افزايش بي رويه آب در بتن تازه سبب افت چشمگير مقاومت آن مي گردد. بطوريكه اگر مقدارآب يك درصد اضافي مصرف شود مي تواند تا چهار درصد افت مقاومت بدنبال داشته باشد . 

9- بعضي از خواص ويژه سيمان پرتلند پوزولاني نظير كاهش واكنشهاي قليايي سيليكاتي و دوام در برابر املاح مهاجم و ... موادي هستند كه ضرورت دارد مصرف كننده مطالعات بيشتري در خصوص آن انجام دهند.

10- قابليت كاربرد بيشتر با سنگدانه هاي مستعد براي واكنشهاي قليايي سيليكاتي .

11- بارگذاري روي سازه هاي ساخته شده در زمان طولاني تري نسبت به سيمان شاهد انجام شود.

12- در جاهايي كه نياز به گيرش اوليه سريع مي باشد كابرد آن داراي محدوديت است.

13- طبق آيين نامه بتن ايران ( آبا ) حداقل زمان عمل آوردن ( مراقبت و محافظت پس از تراكم) بتن در هر دمايي بين :

الف ) خوب ( محيط مرطوب و محافظت شده در برابر تابش مستقيم خورشيد وباد ) باشد ، اقدامي خاص ضرورت ندارد.

ب ) متوسط ( محيط نيمه مروب ونيمه محافظت شده ) باشد طبق رابطه خواهد بود.

ج ) ضعيف ( محيط خشك و حفاظت نشده ) باشد طبق رابطه خواهد بود.

14- بتن ريزي با اين نوع سيمان در هواي سرد و دماي محيط كمتر از 5 درجه سانتي گراد توصيه نميشود.