سیمان پرتلند با فرآیند هیدراتاسیون (واکنش با آب) و با مخلوط شدن با ماسه، شن و آب، سنگ مصنوعی را تولید میکند که به آن بتن میگویند. بتن به همان اندازه که برق یا کامپیوتر جزء ضروریات دنیای مدرن هستند، مهم و ضروری است. به بیانی دیگر، هنگامی که سیمان، آب، سنگدانه و مواد افزودنی با هم مخلوط می‌شوند، افزایش حرارت قابل‌توجهی رخ میدهد. این به‌دلیل فرآیند گرمازا در واکنش بین سیمان و آب (به نام هیدراتاسیون) است.
کلینکر بیآب (بدون آب) است که از یک کوره گرم می‌آید. اگر مقدار کمی آب موجود در هر گچ اضافه شده در پودر سیمان در مرحله آسیاب کلینکر را نادیده بگیریم، پودر سیمان نیز یک ماده بدون آب است.
بنابراین واکنش با آب “هیدراتاسیون” نامیده میشود. هیدارتاسیون شامل بسیاری از واکنش‌های مختلف است که اغلب در یک زمان رخ میدهد. با ادامه واکنش‌ها، محصولات فرآیند هیدراتاسیون به تدریج ذرات شن ، ماسه و سایر اجزای بتن را به یکدیگر متصل می‌کنند تا یک توده جامد را تشکیل دهند.
اندازهگیری دمای بتن در طول زمان این امکان را فراهم میکند که بتن تا چه اندازه در فرآیند هیدراتاسیون (بلوغ بتن) قرار دارد و در نتیجه مقاومت بتن تخمین زده شده است. فرآیند هیدراتاسیون به پنج مرحله تقسیم میشود:
ابتدا پس از اختلاط سیمان و آب در تماس با یکدیگر، اوج دما اتفاق می‌افتد. آلومینات (C3A) با H2O (یونهای کلسیم و سولفات) واکنش میدهد و اترینگیت (هیدرات آلومینات) را تشکیل میدهد. آزاد شدن انرژی حاصل از این واکنش‌ها باعث پیک اولیه میشود.
نتیجه واکنش توصیف شده در فاز اول، پوشش سطحی ذرات سیمان است. این پوشش افزایش مییابد، امّا همچنین واکنش (هیدراتاسیون) را کند میکند زیرا دسترسی به H2O به خوبی زمانی که بتن مخلوط شده است، نیست. مقدار بتن هیدراته در سطح ثابتی افزایش مییابد در حالی که سطح بتن سیال نگه‌می‌دارد.
به‌همین دلیل است که از این فاز برای انتقال و ریختن بتن استفاده میشود، زیرا بتن در سطح سیال باقی می‌ماند. طول این دوره به هر مخلوط بتن منفرد بستگی دارد و بنابراین بسته به کاربرد مانند بتنریزی زمستانه، طول حمل و نقل و غیره می‌توان آن را بهینه کرد. این مرحله با مجموعه اولیه بتن به پایان می‌رسد.
افزایش گرما به دلیل واکنش بین سیلیکات کلسیم (C2S و C3S) رخ میدهد که هیدرات سیلیکات CSH را ایجاد میکند (افزایش گرما نیز ناشی از سایر واکنش‌های جزئی است). ایجاد CSH همچنین تاثیر زیادی بر مقاومت بتن در این مرحله دارد.
به‌عنوان مثال در مورد کاربرد بتن انبوه، نظارت بر تغییرات دمای داخلی می‌تواند بسیار مهم باشد، زیرا دمای بتن در این مرحله می‌تواند به سرعت افزایش یابد تا به دمای داخلی 70-80 درجه سانتی‌گراد (در برخی موارد حتی بالاتر) برسد. معمولاً بیش از دمای 70 درجه سانتی‌گراد توصیه نمی‌شود.
اکنون به حداکثر دما رسیده است و در دسترس بودن ذرات آزاد اکنون کاهش یافته است و بنابراین افزایش دما را کند میکند. این مرحله اغلب با مقاومت مورد نظر خاتمه مییابد و اکنون می‌توان قالب اطراف بتن را حذف کرد.
روند هیدراتاسیون در حال‌حاضر کند شده است و به آرامی ادامه خواهد یافت تا سیمان و ذرات آب موجود باقیمانده به پایان برسد. قالب در حال‌حاضر اغلب برداشته میشود و بتن اکنون با گذشت زمان (می‌تواند زمان زیادی طول بکشد) فرآیند هیدراتاسیون را به پایان می‌رساند و به مقاومت نهایی می‌رسد (ممکن است هفته‌ها یا ماه‌ها طول بکشد).
در حالت بیآب، معمولاً چهار نوع کانی اصلی وجود دارد: آلیت، بلیت (دو کلسیم‌سیلیکات)، آلومینات (C3A) و فاز فریت (C4AF).
همچنین مقادیر کمی سولفات‌کلینکر (سولفات‌های‌سدیم، پتاسیم و کلسیم) و همچنین گچ وجود دارد که هنگام آسیاب کردن کلینکر برای تولید پودر خاکستری به آن اضافه میشود.
هنگامی که آب اضافه میشود، واکنش‌هایی که رخ میدهد عمدتاً گرمازا هستند، یعنی واکنش‌ها گرما ایجاد می‌کنند. می‌توان با نظارت بر سرعت تکامل گرما با استفاده از تکنیکی به نام کالریمتری ایزوترمال (رسانایی)[1]،
[1]conduction calorimetry- کالریمتری ایزوترمال (رسانایی) اندازهگیری میزان تولید حرارت (قدرت حرارتی) در نمونههای خمیر سیمان کوچک یا ملات است.
، نشانه‌ای از سرعت واکنش مواد معدنی به‌دست آورد. یک مثال گویا از منحنی تکامل حرارت تولید شده در زیر نشان داده شده است.
conduction calorimetry- کالریمتری ایزوترمال (رسانایی) اندازهگیری میزان تولید حرارت (قدرت حرارتی) در نمونههای خمیر سیمان کوچک یا ملات است.
1. تقریباً بلافاصله پس از افزودن آب، مقداری از کلینکر سولفات و گچ حل شده و محلولی قلیایی و غنی از سولفات تولید میشود.
2. بلافاصله پس از اختلاط، فاز (C3A) (واکنش‌پذیرترین از چهار کانی اصلی کلینکر) با آب واکنش داده و یک ژل غنی از آلومینات تشکیل میدهد (مرحله اول در تکامل گرما منحنی بالا). ژل با سولفات در محلول واکنش میدهد تا کریستال‌های میله‌ای کوچک اترینگیت را تشکیل دهد. واکنش (C3A) با آب به شدت گرمازا است، امّا طولانی نیست، معمولاً فقط چند دقیقه طول می‌کشد، و پس از آن یک دوره چند ساعته تکامل حرارت نسبتاً کم به دنبال دارد. این دوره، دوره خواب یا دوره القایی (مرحله دوم) نامیده میشود.
بخش اول دوره خواب، شاید تا نیمه راه، مربوط به زمانی است که می‌توان در ان زمان بتنریزی انجام داد. با پیشرفت دوره خواب، خمیر آنقدر سفت میشود که دگر قابل کار با آن نباشد.
3. در پایان دوره خواب، آلیت و بلیت (دو کلسیم‌سیلیکات) در سیمان با تشکیل هیدرات سیلیکات کلسیم و هیدروکسید کلسیم شروع به واکنش می‌کنند. این مربوط به دوره اصلی هیدراتاسیون (مرحله III) است که در طی آن زمان مقاومت بتن افزایش مییابد. تک‌دانه‌ها از سطح به داخل واکنش نشان می‌دهند و ذرات بیآب کوچک‌تر می‌شوند. هیدراتاسیون (C3A) نیز ادامه مییابد، زیرا کریستال‌های تازه در دسترس آب قرار می‌گیرند.
معمولاً دوره حداکثر تکامل گرما بین 10 تا 20 ساعت پس از اختلاط رخ میدهد و سپس به تدریج از بین می‌رود. در ترکیبی که فقط حاوی PC (پروپیلن کربنات / پلی کربنات) است، بیشترین افزایش قدرت در حدود یک ماه اتفاق افتاده است. در جایی که PC تا حدی با مواد دیگری مانند خاکستر بادی جایگزین شده است، رشد استحکام ممکن است کندتر اتفاق بیفتد و برای چندین ماه یا حتی یک سال ادامه یابد.
واکنش فریت نیز با اضافه شدن آب به سرعت شروع میشود، امّا سپس کند میشود، احتمالاً به این دلیل که لایه‌ای از ژل هیدروکسید آهن تشکیل شده، فریت را می‌پوشاند و به‌عنوان یک مانع عمل کرده و از واکنش بیشتر جلوگیری میکند.
مواد حاصل از واکنش بین سیمان و آب “محصولات هیدراتاسیون” نامیده می‌شوند. در بتن (یا ملات یا سایر مواد سیمانی) معمولاً چهار نوع اصلی وجود دارد:
سایر فازهای AFm که ممکن است وجود داشته باشند همی‌کربنات، هیدروکسی-AFm و نمک فریدل هستند.
آنها حاوی مقدار زیادی آب، به‌ویژه AFt – عمدتاً اترینگیت در بافت سیمان هستند.
AFm در مقایسه با AFt دارای نسبت بالاتری از آلومینیوم/کلسیم است.
آلومینیوم را می‌توان تا حدی با آهن در هر دو فاز AFm و AFt جایگزین کرد.
یون سولفات در فاز مونو سولفات AFm را می‌توان با آنیون‌های دیگر جایگزین کرد. اگر آنیون دارای بار مضاعف باشد (به‌عنوان مثال: کربنات، CO22-) یا یک به دو اگر آنیون جانشین، به‌تنهایی باردار باشد (به‌عنوان مثال: هیدروکسیل، OH- یا کلرید، Cl-).
سولفات موجود در اترینگیت را می‌توان با کربنات یا احتمالاً تا حدی با دو یون هیدروکسیل جایگزین کرد، اگرچه در عمل هیچ یک از اینها اغلب مشاهده نمی‌شود.
در بتن ساخته شده از سیمان که فقط حاوی کلینکر و گچ است، اترینگیت در همان اوّل پس از مخلوط شدن سیمان و آب تشکیل میشود، امّا بهتدریج با مونو سولفات جایگزین میشود. این به این دلیل است که نسبت آلومینا موجود به سولفات با ادامه هیدراتاسیون سیمان، افزایش مییابد. در اولین تماس با آب، مقدار بیشتر سولفات به‌راحتی قابل حل است، امّا بیشتر C3A در داخل دانه‌های سیمان بدون دسترسی اولیه به آب، موجود است. هیدراتاسیون مداوم، بهتدریج آلومینا آزاد میکند و نسبت اترینگیت با افزایش مونو سولفات کاهش مییابد.
اگر در نهایت آلومینا بیشتر از سولفات موجود باشد، تمام سولفات بهصورت مونو سولفات خواهد بود و آلومینا اضافی بهصورت فاز AFm با هیدروکسیل (هیدروکسی-AFm) جایگزین میشود. اگر مقدار کمی سولفات وجود داشته باشد، خمیر سیمان حاوی مخلوطی از مونو سولفات و اترینگیت خواهد بود. با افزایش سولفات موجود، اترینگیت بیشتر و مونوسولفات کمتر و در سطوح بالاتر سولفات نیز اترینگیت و گچ وجود خواهد داشت.
اگر سنگ‌آهک ریز وجود داشته باشد، یونهای کربنات با واکنش برخی از سنگ‌آهک‌ها در دسترس می‌شوند. کربنات جایگزین سولفات یا هیدروکسیل در AFm میشود. بنابراین نسبت مونو سولفات یا هیدروکسی-AFm با افزایش نسبت مونو کربنات کاهش مییابد. سولفات جابه‌جا شده، به‌طور معمول با مونو سولفات باقیمانده ترکیب میشود و اترینگیت را تشکیل میدهد، امّا اگر هیدروکسی-AFm وجود داشته باشد، سولفات، یونهای هیدروکسیل را جابه‌جا میکند و منسولفات بیشتری تشکیل میدهد. نکته کلیدی در اینجا تعادل بین آلومینا موجود از یک سو و کربنات و سولفات از سوی دیگر است.
هیدروگارنت: هیدروگارنت عمدتاً در نتیجه هیدراتاسیون فریت یا C3A تشکیل میشود. هیدروگارنتها دارای طیف وسیعی از ترکیبات هستند که C3AH6A رایجترین فازی است که از هیدراتاسیون معمولی سیمان و سپس فقط در مقادیر کم تشکیل میشود. طیف وسیع‌تری از ترکیبات هیدروگارنت را می‌توان در محصولات سیمانی اتوکلاو یافته، یافت.
منابع:
Knowledge Center- Maturix
Understanding Cement
M.Gh.
