کاربردهای سیمان چه هستند؟

سیمان، ماده بسیار پرکابردی است. ویژگی‌های منحصر به فرد این ماده باعث اهیمت بسیار بالای آن در حوزه مهندسی عمران شده است.

از کاربردهای اصلی سیمان، می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

ساخت ملات برای گچ کاری، بنایی، بندکشی و غیره
استفاده به عنوان درزگیر اتصالات زهکش‌ها و لوله‌ها
مقاوم‌سازی سازه در برابر آب
به کارگیری در بتن برای ساخت کف، سقف، نعل درگاه، تیر، پله، ستون و غیره
ساخت سطوح سخت به منظور جلوگیری از آثار مخرب شیمیایی و دمایی
ساخت لوله‌های پیش ساخته پایه‌ها و تیر حصار
ساخت سازه‌های مهندسی نظیر پل، آبگذر، سد، تونل، فانوس دریایی و غیره
اجرای فونداسیون، کف آببند، گذرگاه و غیره
ساخت چاه، مخزن آب، زمین بازی، تیر چراغ برق، جاده و غیره

خواص سیمان به چند دسته تقسیم می شوند؟

خواص سیمان، به دو گروه اصلی خواص فیزیکی و خواص شیمیایی تقسیم می‌شوند. در این بخش، به معرفی هر یک از این موارد می‌پردازیم.

خواص فیزیکی سیمان چه هستند؟

انواع مختلفی از سیمان در ساخت سازه‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند. وجه تمایز این سیمان‌ها، خواص فیزیکی آن‌‌ها است. برخی از پارامترهای کلیدی باعث کنترل کیفیت سیمان‌های مختلف می‌شوند. خواص فیزیکی سیمان‌های مناسب عبارت هستند از:

نرمی
سلامت
روانی
استحکام
حرارت هیدراتاسیون
افت حرارتی
چگالی توده ای
وزن مخصوص (چگالی نسبی)

در ادامه، به معرفی این خواص و آزمایش‌های موجود برای تعیین آن‌ها می‌پردازیم.

نرمی سیمان چیست؟

اندازه ذرات سیمان، با عنوان نرمی آن شناخته می‌شود. نرمی مورد نیاز برای ساخت سیمان‌های با کیفیت از طریق سایش خوب کلینکر در مرحله آخر تولید به دست می‌آید. نرخ هیدراتاسیون به طور مستقیم به اندازه ذرات بستگی دارد. به همین دلیل، نرمی یکی از خواص بسیار مهم در سیمان‌های مختلف محسوب می‌شود.

سلامت سیمان چیست و چگونه اندازه گیری می شود؟

سلامتی سیمان، توانایی آن در عدم جمع شدگی هنگام سفت شدن است. حجم سیمان‌های باکیفیت پس از گیرش تغییری نمی‌کند. وجود مقدار زیادی از آهک و مگنزیای آزاد در ترکیب، باعث افزایش حجم در گذر زمان می‌شود. عدم سلامت سیمان، مسئله‌ای است که پس از چندین سال مشخص می‌شود. برای اطمینان از سلامت سیمان می‌توان آزمایش‌هایی نظیر آزمایش لوشاتلیه یا آزمایش اتوکلاو را بر روی آن انجام داد.

آزمایش لوشاتلیه چگونه انجام می شود؟

در «آزمایش لوشاتلیه» (Le Chatelier Test)، از تجهیزات مخصوص برای تعیین سلامت سیمان با توجه به میزان آهک به کار رفته در آن استفاده می‌شود. به این منظور، خمیر سیمانی با اسلامپ معمولی بین دو مقطع شیشه‌ای و به مدت 24 ساعت در دمای 20 تا 21 درجه سانتی‌گراد زیر آب قرار داده می‌شود. در مرحله بعد، پس از اندازه‌گیری فاصله بین مقاطع، نمونه را دوباره به زیر آب برمی‌گردانند. سپس، با اعمال حرارت به آب، در مدت 25 تا 30 دقیقه آن را به نقطه جوش می‌رسانند. آب باید به مدت یک ساعت در نقطه جوش باقی بماند. در مرحله بعد، منتظر می‌مانند تا دستگاه سرد شود. سپس، فاصله بین مقاطع را دوباره اندازه‌گیری می‌کنند. در سیمان‌های باکیفیت، فاصله بین مقاطع از 10 میلی‌متر عبور نمی‌کند.

آزمایش اتوکلاو چگونه انجام می شود؟

در «آزمایش اتوکلاو» (Autoclave Test)، خمیر سیمانی با اسلامپ معمولی درون یک اتوکلاو (دستگاهی برای استریل کردن قطعات با دما و فشار بالا) قرار می‌گیرد. فشار اتوکلاو به آرامی تا مقدار 2.03 مگاپاسکال افزایش داده می‌شود. سپس، فشار به مدت سه ساعت در همین سطح باقی می‌ماند. پس از بازگرداندن دما و فشار اتوکلاو به شرایط عادی محیط، تغییر طول نمونه اندازه‌گیری شده و به درصد بیان می‌شود. میزان تغییر اندازه سیمان‌های باکیفیت، حداکثر 0.8 درصد است.

روانی سیمان چیست و چگونه اندازه گیری می شود؟

به میزان جریان‌پذیری سیمان، روانی آن گفته می‌شود. این خاصیت فیزیکی معمولا توسط «آزمایش ویکات» (Vicat Test) اندازه‌گیری می‌شود.

آزمایش ویکات چگونه انجام می شود؟

آزمایش ویکات، با عناوین دیگری نظیر آزمایش سوزن ویکات، آزمایش نقطه نرم‌شدگی ویکات و آزمایش سختی ویکات نیز شناخته می‌شود. در این آزمایش، ابتدا نمونه‌ای از خمیر سیمانی با اسلامپ معمولی را در تجهیزات ویکات قرار می‌دهند. سپس، پیستون دستگاه را پایین می‌آورند تا نوک سوزن دستگاه به سطح بالایی سیمان برخورد کند. در مرحله بعد، سوزن با توجه به روانی سیمان، به میزان مشخصی درون آن فرو می‌رود. اگر عمق فرو رفتن سوزن بین 10 تا 11 میلی متر باشد، کیفیت روانی سیمان تایید می‌شود.

انواع استحکام سیمان کدام هستند و چگونه اندازه گیری می شوند؟

در ملات سیمانی، سه نوع استحکام فشاری، کششی و خمشی مورد بررسی قرار می‌گیرند. عوامل مختلفی بر روی میزان استحکام تاثیر دارند. از این عوامل می‌توان به نسبت آب به سیمان (W/O)، نسبت سیمان به سنگدانه‌های ریز، شرایط عمل آوری، اندازه و شکل نمونه، نحوه اختلاط مواد، نحوه بارگذاری و سن اشاره کرد. در هنگام انجام آزمایش‌های استحکام، توجه به نکات زیر ضروری است:

استحکام ملات سیمانی و استحکام بتن ارتباط مستقیمی با هم ندارند. استحکام ملات سیمانی فقط به منظور کنترل کیفیت محصول مورد اندازه‌گیری قرار می‌گیرد.
آزمایش‌های استحکام بر روی ملات سیمانی انجام می‌شوند (نه بر روی خمیر سیمانی).
استحکام ملات سیمانی با گذشت زمان افزایش می‌یابد. به همین دلیل، در کنار نتایج آزمایش‌ها باید به سن ملات نیز اشاره کرد.

استحکام فشاری ملات سیمان چگونه اندازه گیری می شود؟

آزمایش استحکام یا مقاومت فشاری سیمان، متداول‌ترین آزمایش برای کنترل کیفیت این ماده است. در این آزمایش، معمولا نمونه‌ای با قطر 50 میلی‌متر تا لحظه شکست در معرض بار فشاری قرار می‌گیرد. بازه افزایش بار در آزمایش مقاومت فشاری بین 20 تا 80 ثانیه است. مراحل انجام انواع مختلف این آزمایش، در استانداردهای ASTM-C-109 و ASTM-C-349 آورده شده‌اند.

آیا اندازه گیری استحکام کششی ملات سیمان ضروری است؟

در سال‌های اولیه اختراع سیمان، آزمایش استحکام یا مقاومت کششی بر روی ملات سیمانی انجام می‌گرفت. با این وجود، این آزمایش به دلیل اهمیت پایین و عدم ارائه اطلاعات مورد نیاز بیشتر راجع به ملات، منسوخ شد.

استحکام خمشی ملات سیمان چگونه اندازه گیری می شود؟

آزمایش استحکام یا مقاومت خمشی ملات سیمان، در واقع همان اندازه‌گیری مقاومت کششی در بارگذاری خمشی است. در این آزمایش، بارگذاری تا لحظه شکست بر روی مرکز نمونه‌ای با ابعاد 160*40*40 میلی‌متر (تیر متشکل از ملات سیمانی) انجام می‌شود. استاندارد ASTM-C-348 به نحوه اجرای آزمایش خمشی ملات سیمان‌های هیدرولیکی اختصاص دارد.

زمان گیرش سیمان چیست، چه انواعی دارد و استانداردهای اندازه گیری آن کدام هستند؟

با افزودن آب به ترکیب سیمان، گیرش و سفت شدن آن شروع می‌شود. زمان گیرش، معیاری برای ارزیابی نرخ هیدراتاسیون است. این زمان به عوامل متعددی نظیر نرمی، W/O، مواد شیمیایی موجود و افزودنی‌ها بستگی دارد. زمان گیرش اولیه سیمان‌های مورد استفاده در ساخت و ساز نباید بیش از حد پایین و زمان گیرش نهایی نیز نباید بیش از حد بالا باشد. به این ترتیب، برای ارزیابی مدت گیرش سیمان‌های مختلف باید دو زمان را اندازه‌گیری کرد:

گیرش اولیه: زمانی که خمیر سیمانی به طور قابل ملاحظه شروع به سفت شدن می‌کند. این اتفاق معمولا در مدت 30 تا 45 دقیقه پس از افزودن آب رخ می‌دهد.
گیرش نهایی: زمانی که ملات سیمانی سفت می‌شود و قابلیت تحمل بارگذاری را دارد. این اتفاق معمولا در زمانی کمتر از 10 ساعت رخ می‌دهد.

از استانداردهای موجود برای ارزیابی زمان گیرش سیمان، می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

استانداردهای AASHTO-T-131 و ASTM-C-191: تعیین زمان گیرش سیمان‌های هیدرولیکی به وسیله سوزن ویکات
استاندارد AASHTO-T-154: تعیین زمان گیرش سیمان‌های هیدرولیکی به وسیله سوزن گیلرمو
استاندارد ASTM-C-266: تعیین زمان گیرش خمیر سیمان‌های هیدرولیکی به وسیله سوزن گیلرمو

حرارت هیدراتاسیون سیمان چیست و چگونه اندازه گیری می شود؟

پس از اضافه کردن آب به سیمان، واکنش شیمیایی هیدراتاسیون شروع می‌شود. این واکنش با افزایش دما همراه است. میزان حرارت ناشی از هیدراتاسیون بر روی کیفیت سیمان و همچنین کنترل دمای عمل آوری در آب و هوای هوای سرد تاثیر می‌گذارد. در صورت بالا بودن دمای هیدراتاسیون، احتمال رخ دادن تنش‌های نامطلوب (مخصوصا در سازه‌های بزرگ) وجود خواهد داشت. حرارت هیدراتاسیون به میزان تری کلسیم سیلیکات (C₃S)، تری کلسیم آلومینات (C₃A)، نسبت W/O، نرمی و دمای عمل آوری نیز بستگی دارد. دمای هیدراتاسیون سیمان‌های پرتلند با محاسبه اختلاف بین دمای 7 روزه و 28 روزه اندازه‌گیری می‌شود. روند این کار در استاندارد ASTM-C-186 توضیح داده شده است.

افت حرارتی سیمان چیست؟

اعمال حرارت 900 تا 1000 درجه سانتی‌گرادی به یک نمونه سیمانی باعث کاهش وزن نمونه می‌شود. به کاهش وزن ناشی از اعمال حرارت، افت حرارتی می‌گویند. نگهداری نامناسب و طولانی مدت یا استفاده از تجهیزات نامناسب در حین انتقال می‌تواند باعث شروع زودتر هیدراتاسیون و کربناتاسیون شود. این موارد از دلایل اصلی افت حرارتی هستند. اندازه‌گیری افت حرارتی توسط آنالیزهای شیمیایی و مطابق با استانداردهای AASHTO-T-105 و AASTM-C-114 صورت می‌گیرد.

چگالی توده ای سیمان چند است؟

هنگام مخلوط کردن آب با سیمان، آب جای هوا را می‌گیرد. به همین دلیل، چگالی توده ای سیمان، اهمیت زیادی در درک رفتار فیزیکی ملات سیمانی ندارد. چگالی توده ای سیمان، با توجه به درصد ترکیبات سازنده آن تغییر می‌کند. این چگالی معمولا بین 1000 تا 1250 کیلوگرم بر متر مکعب است. چگالی خمیر سیمانی، بر روی مقدار نهایی چگالی بتن اثر می‌گذارد.

وزن مخصوص سیمان چند است و چه کاربردی دارد؟

وزن مخصوص سیمان، معمولا در محاسبات مربوط به طرح اختلاط مورد استفاده قرار می‌گیرد. وزن مخصوص سیمان‌های پرتلند برابر با 3.15 و وزن مخصوص سیمان‌های دیگر (سرباره ای، پوزولانی و غیره) حدود 2.9 است.