پروژه بتن و سيمان

پروژه بتن و سيمان

پروژه بتن و سيمان

بتن در مفهوم بسيار وسيع به هر ماده اي يا محصولي كه از يك ماده چسبنده با خاصيت شيمياي شدن تشكيل شده باشد اتلاق مي شود. اين ماده چسبنده عموماً حاصل فعل و انفعال سيمانهاي هيدروليكي و آب مي باشد.

حتي امروزه چنين تعريفي از بتن شامل طيف وسيعي از محصولات مي شود. بتن ممكن است از انواع مختلف سيمان و نيز پوزولانها، سرباره كوره ها مواد مضاعف، گوگرد، مواد افزودني، پلميرها، الياف و  غيره تهيه شود. همچنين در نحوه ساخت آن ممكن است از حرارت، بخار آب، اتوكلاو، و خلاء، فشارهاي هيدروليكي و متراكم كننده هاي مختلف استفاده شود. در اينجا سعي مي شود از بتني صحبت شود كه مخلوطي از سيمان و آب وسنگدانه و در نهايت مواد افزودني است.

اولين سئوالي كه در اينجا مطرح است اين است كه ارتباط بين مواد تشكيل دهنده مخلوط بتن چيست؟ سه امكان وجود دارد: ابتدا ممكن است تصور شود كه اصل ماده ساختماني ماده چسبنده اي است كه از هيدرواتاسيون سيمان و آب ناشي شده است و سنگدانه ها بعنوان مواد ارزان و پركننده اين ماده چسبنده مي باشند. امكان دوم اين است هك سنگدانه هاي درشت بعنوان سنگهاي بنائي كه توسط ملات به هم پيوسته اند در نظر گرفته شود و اين ملات دوغاب سيمان و سنگدانه هاي ريزدانه باشد. امكان سوم اين است كه بتن بعنوان ماده اي از دو فاز مختلف يعني سيمان هيدراته شده و دانه هاي سنگي در نظر گرفته شود. بنابراين خواص بتن به خواص هر يك از فازها و فصل مشترك اين دو فاز بستگي دارد.

هر يك از نظريات دوم و سوم محدوديتهايي داشته و مي توانند براي بيان رفتار بتن بكار روند. ليكن در نظريه اول اين مسائل وجود ندارد. اگرتصور شود كه مي توان سيماني ارزانتر از سنگدانه ها نيز تهيه كرد. اين سئوال پيش مي آيد كه آيا مي توان سيمان و آب را به تنهايي بعنوان يك ماده ساختماني( بتن( بكار برد؟ پاسخ قطعاً منفي خواهد بود و علت آن تغييرات حجمي بالاي خمير سيمان مي باشد. جمع شدگي خمير خالص سيمان تقريباً به 10 برابر جمع شدگي بتني با 250 كيلوگرم سيمان در مترمكعب مي رسد. همين مسائل براي خزش و وارفتگي نيز مطرح است. علاوه بر اين حرارت زياد توليدشده ناشي از مصرف سيمان به مقدار زياد، بخصوص در آب و هواي گرم، سبب ايجاد ترك خواهد شد.همچنين مشاهده مي شود كه سنگدانه ها نسبت به خمير سيمان در مقابل حملات مواد شيميايي پايدارترند اگرچه خمير سيمان نيز در اين محيط هاي خورنده  نسبتاً پايدار است. بنابراين صرفنظر از قيمت، مواد سنگي در بتن بسيار مفيد خواهند بود.

بتن با كيفيت خوب

سئوال مهمي كه در اينجا مطرح مي باشد اين است كه بتن خوب چه بتني است؟ مي توان با توصيف بتن بد تا حدي مسأله را روشن نمود.بتن بد يا ضعيف بتني است كه به رواني رسوب كه پس از سخت شدن كرمومي شود و غيرهمگن و بسيار ضعيف خواهد بود. اين ماده از اختلاط آب و سيمان و دانه هاي سنگي بدست آمده است و با كمال تعجب بايد گفت كه بتن خوب هم از همين مواد ساخته مي شود. ليكن تفاوت در ميزان آگاهي از چگونه ساختن بتن مي باشد. با آگاهي از چگونگي ساخت بتن خوب دو معيار كلي براي يك بتن خوب تعريف مي شود:

بتن بايد در حالت سخت شده و در حالت تازه زماني كه از مخلوط كن تخليه شده و در قالبها ريخته مي شود، مورد پذيرش واقع شود. بطوركلي رواني و غلظت بتن تازه بايد طوري باشد كه با وسايل موجود در كارگاه بتوان آن را متراكم نمود. همچنين چسبندگي مخلوط بايد بحدي باشد كه در ضمن حمل و ريختن بتن با وسايل موجود، مواد از يكديگر جدا شوند. البته موارد فوق مطلق نيست و به حمل بتن با وسايل از پائين بازشونده، دامپر و يا كاميون هاي تخت بستگي دارد. البته حمل بتن با روش اول بسيار مناسب خواهد بود.

در مورد بتن سخت شده عموماً مقاومت فشاري بعنوان معيار پذيرش در نظر گرفته مي شود. تعيين مقاومت فشاري بعنوان يك مشخصه به اين علت است كه اندازه گيري آن نسبتاً آسان است اگرچه عددي كه بعنوان مقاومت از آزمايشها بدست مي آيد، مقاومت واقعي بتن در ساختمان نمي باشد و تنها كيفيت آن را نشان مي دهد. بنابراين مقاومت تنها راه ساده اي است كه براي ارزيابي و همسازي بتن با مشخصات در نظر گرفته مي شود. علت ديگر انتخاب مقاومت فشاري اين است كه بسياري از خواص ديگر بتن به مقاومت آن ارتباط پيدا مي كند. بعنوان مثال وزن مخصوص، نفوذپذيري، تا حدي دوام، مقاومت در برابر سايش، مقاومت در برابر ضربه، مقاومت كششي، مقاومت در برابر سولفاتها، و بعضي خواص ديگر با مقاومت ارتباط دارند. ليكن جمع شدگي و افت و تا حدي خزش اينطور نيستند. البته نبايد گفت كه اين خواص بتن صددرصد تابع مقاومت فشاري هستند. بعنوان مثال بايد دقت شود كه دوام بتن نه تنها با مقاومت بلكه با پارامترهاي ديگري نظير نسبت آب به سيمان و مقدار سيمان در مخلوط نيز مربوط است. اما نكته اينجاست كه عموماً بتن با مقاومت بالا خيلي از خواص مطلوب را دارا مي باشد. مطالعه در جزئيات اين موارد از مباحثي است كه تكنولوژي بتن به آن مي پردازد.

شيمي تركيبات سيمان

مواد خام تشكيل دهنده سيمان اساساً از اكسيدهاي كلسيم، سيليسيم، وآهن تشكيل شده اند. اين مواد در كوره با هم تركيب شده و  به غير از مقداري آهك آزاد باقيمانده كه فرصت كافي براي فعل و انفعال نداشته است، تركيبات شيميايي جديد و پايداري نتيجه مي شوند. در هنگام خنك كردن مصالح، براساس سرعت خنك كردن، مواد به شكل بلوري و بي شكل ظاهر مي گردند. دانه هاي بي شكل كه اكثراً شيشه اي هستند و دانه هاي بلوري شده، در حاليكه يك فرمول شيميايي دارند، داراي خواص متفاوتي مي باشند. براي سيمان معمولي درصد تركيبات حاصل از فعل و انفعالات فوق با داشتن درصد اكسيدهاي موجود در كلينگر و با فرض اينكه كريستاله شدن كامل انجام پذيرفته باشد قابل محاسبه است.

جدول(_2-1) چهار تركيب اصلي سيمان با علائم اختصاري مشخصه آنها را نشان مي دهد. علائم مختصر شده كه توسط شيميدانهاي سيمان پيشنهاد گرديده است به صورت   ،،، و  مي باشد.

جدول 2-1 تركيبات اصلي سيمان پرتلند

نام تركيب        اكسيدهاي تشكيل دهنده         علامت اختصاري

سه كلسيم سيليكات                                                        

دو كلسيم سيليكات                                                                      

سه كلسيم آلومينات                                                            

چهار كلسيم آلومينوفريت                                        

محاسبه مربوط به ميزان تركيبات سيمان حاصل از اكسيدهاي اصلي تشكيل دهنده آن، توسط« بوگ» انجام شده و بنام« معادلات بوگ» معروف مي باشد اين معادلات درصد تركيبات اصلي سيمان را نشان مي دهند.علاوه بر مقادير داخل پرانتزها درصد اكسيدهاي تشكيل دهنده سيمان نسبت به كل وزن سيمان را نشان مي دهند                                                                                                                                                                                                          

سيليكاتها يعني و تر كيبات اصلي و مهم سيمان مي باشند و د ر حقيقت مقاومت سيمان هيدراته شده به آنها بستگي دارد

( اكسيدهاي تشكيل دهنده اين سيليكاتها تأثيرات مهمي روي شكل اتمي و كريستالي و خواص هيدروليكي آنها دارند. در حقيقت حضور  در سيمان سودمند نيست. اين تركيب نقشي در مقاومت سيمان، به جز كمي در سن اوليه آن نداشته  بعد از سخت شدن سيمان، در معرض حمله سولفاتها با تشكيل سولفوآلومينات كلسيم

( اترينگايت) سبب خرابي و فساد آن مي گردد. بهر حال در توليد سيمان در تركيب اكسيد كلسيم با اكسيد سيليسيم سهولت ايجد كرده و سودمند مي گردد  كه به ميزان كمي بوجود مي آيد در مقابل سه تركيب اصلي ديگر نقش عمده اي در خواص سيمان ندارد. بهرحال اين تركيب با سنگ گچ سيمان سولفوفريت كلسيم تشكيل مي دهد. كه اين ماده هيدراتاسيون سيليكاتها را تسريع مي كند.

سيمان

ميزان سنگ گچي كه به كلينگر سيمان اضافه مي شود بسيار مهم بوده و بستگي به ميزان  و قليائيهاي سيمان دارد. بالارفتن سيمان باعث در دسترس قراردادن تعداد زيادتري  در روزهاي اوليه فعل و انفعال شد و اين ميزان سنگ گچ مورد نياز را افزايش مي دهد. افزايش سنگ گچ بنوبه خود سبب انبساط بيش از حد و خرابي سيمان سخت شده مي گردد. مقدار بهينه سنگ گچ، براساس حرارت ايجاد شده از فعل و انفعال سيمان تعيين مي شود. پيشرفت مناسب فعل و انفعالات ما را مطمئن مي سازد كه وقتي همه سنگ گچ تركيب شود مقدار كمي  باقي مي ماند. استانداردهاي BS 12: 1978 و ASMTIC 150-84 مقدار مناسب سنگ گچ را به صورت ميزان  موجود، توصيه مي كنند.

علاوه بر اكسيدهاي اصلي ذكر شده در جدول(2-1) اكسيدهاي فرعي نظير  و  سبز به مقدار بسيار كمي در سيمان وجود دارند. دو اكسيد سديم و پتاسيم كه بنام قليائيهاي سيمان مي باشند، در اين بين اهميت دارند. اين اكسيدها با پاره اي از امواد سنگي در بتن تركيب شده و سبب خرابي بتن و نيز تغيير در ميزان افزايش مقاومت آن مي گردند، بنابراين مقدار كم آنها در سيمان نيز مي بايستي كنترل شود و به آن اهميت داده شود.

جدول(2-2) درصد اكسيدهاي موجود در سيمان پرتلند را نشان مي دهد. همچنين در جدول(2-3) درصد اكسيدهاي يك نوع سيمان معمولي استاندارد بهمراه تركيبات حاصل از معادلات

« بوگ» نشان داده شده است.

جدول(2-2) مقدار تقريبي اكسيدهاي سيمان پرتلند

         اكسيد                         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 كه با استفاده از اسيدكلرئيدريك بدست آمده است در حقيقت ناخالصي سيمان را كه به مقدار زياد ناخالصي در سنگ گچ مي باشد نشان مي دهد. استاندارد BS 12: 1978 مقدار پسمانده نامحلول را به حداكثر 5/1 درصد وزن سيمان محدود مي كند. مقدار مشابه در استاندارد ASTMIC 150-84 حدود 75/0 مي باشد. افت سرخ شدن در اين جدول درواقع ميزان كربناتاسيون و هيدراتاسيون آهك آزاد و اكسيد منيزيم آزاد سيمان را در هوا نشان مي دهد. هر دو استاندارد ASTM و BS مقدار افيت سرخ شدن سيمان را به 3 درصد محدود مي كند. ليكن در مناطق گرمسيري تا حد 4 درصد را مجاز مي داند. از آنجا كه آهك آزاد هيدراته شده در سيمان بي ضرر مي باشد، لذا براي يك مقدار مشخص آهك آزاد بالاتر بودن افت سرخ شدن سودمند مي باشد.

جدول( 2-3)- اكسيدها و تركيبات مختلف سيمان پرتلند تيپ 1

      درصد اكسيدها                تركيبات محاسبه شده براساس فرمول بوگ( درصد)

                 63                                          8/10

                20                                           1/54

               6                                             6/16

               3                                            1/9

              5/1              تركيبات فرعي                      -

                 2    

              1  

ساير اكسيدها        1

افت سرخ شدن      2

پس ماند نامحلول 5/0

انواع سيمان پرتلند

سيمانهايي كه با تركيبات مختلف شيميايي ساخته مي شوند خواص متفاوتي نيز نشان مي دهند. بنابراين مي توان با انتخاب مواد خام، نوع خاصي از سيمان با خواص مطلوب و خواسته شده ساخت. امروزه چندين نوع سيمان پرتلند و همچنين سيمانهاي خاص براي موارد استفاده خاص در جهان ساخته مي شوند. جدول 2-7 انواع اصلي سيمانهاي پرتلند را كه مطابق استانداردهاي BS و ASTM مي باشند، نشان مي دهند. در جدول( 2-8) اكسيدهاي آزاد و تركيبات پنج نوع سيمان پرتلند جهت مقايسه آورده شده است.

اكثر سيمانهاي فوق براي ساخت بتني با دوام در شرايط مختلف محيطي توليد شده اند. بهرحال غيرممكن است كه تركيبات سيمان بتواند جواب كاملي براي حل مسأله دوام بتن ارائه كند. البته خواص فيزيكي و مكانيكي بتن سخت شده نظير مقاومت، جمع شدگي، نفوذپذيري، مقاومت در مقابل هوازدگي و خزش، علاوه بر سيمان و تركيبات آن به عوامل ديگري نيز بستگي دارند. ليكن سيمان نقش عمده اي را در مقاومت ايفا مي كند. در شكل( 2-4) روند افزايش مقاومت بتن هاي ساخته شده از سيمانها نشان داده شده است. اگرچه اين روند در سيمانهاي مختلف متفاوت است، ليكن مقاومت 90 روزه آنها اختلاف ناچيزي دارند. بطوركلي سيمانهاي با روند سخت شدن آرام، مقاومت نهايي بالاتري را نشان مي دهند بطور مثال سيمان با حرارت زايي كم( نوع 4) كمترين مقاومت را بعد از 28 روز نشان مي دهد. ولي همين سيمان بعد از پنج سال دوم بيشترين مقاومت را كسب كرده است.