لغت سیمان از یک لغت لاتین به نام سی منت(cement) گرفته شده است و ماده ای است که دارای خاصیت چسبانندگی مواد را به یکدیگر دارد ودر حقیقت واسطه چسباندن است. در صنایع ساختمانی سیمان به ماده ای گفته می شود که برای چسباندن مصالح مختلف به یکدیگر از قبیل سنگ و شن، ماسه آجر و غیره به کار می رود و ترکیبات اصلی این سیمان از موادآهکی است.
سیمانهای آهکی معمولا از ترکیبات سیلیکاتها و آلومیناتهای آهک تشکیل شده اند که هم به صورت طبیعی یافت می شوند و هم قابل تولید در کارخانجات سیمان سازی هستند.
اگرچه از زمانهای بسیار گذشته اقوام و ملل مختلف به نحوی با استفاده از سیمان در ساخت بنا سود می جستند 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 بتن های 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 به دست می آید،استفاده میشود.
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 نسبت های معین و با حرارت دادن در کوره های دوار تا حدود 1400درجه سانتی گراد بدست می آید. در این مرحله مواد در کوره تبدیل به گلوله های تقریبا سیاه رنگی می شوند که کلینکر نامیده می شود.کلینکر پس از سرد شدن با مقداری سنگ گچ به منظور تنظیم گیرش مخلوط و آسیاب شده و پودر خاکستری رنگی حاصل می شود که همان سیمان پرتلند است. با توجه به نوع و کیفیت مواد خام،سیمان با دو روش عمده تر و خشک تولید می شود. ضمن اینکه روشهای دیگری نیز وجود دارد.البته امروزه عموما از روش خشک در تولید سیمان استفاده می شود مگر در مواردی که مواد خام،تولید روش تر را ایجاد نماید. زیرا در روش خشک انرژی کمتری برای تولید مورد نیاز است.
ترکیبات شیمیایی سیمان:
مواد خام مورد مصرف در تولید سیمان در هنگام پخت با هم واکنش نشان داده و ترکیبات دیگری را به وجود می آورند. معمولا چهار ترکیب عمده به عنوان عوامل اصلی تشکیل دهنده سیمان در نظر گرفته می شوند که عبارتند از:
سه کلسیم سیلیکات (3CaO))((SiO2=C3S)
دو کلسیم سیلیکات ( 2CaOSiO2=C2S)
سه کلسیم آلومینات (3CaOAl2O3=C3A)
چهار کلسیم آلومینو فریت
(4CaOAl2O3Fe2O3)
که اختصارا اکسید های CaO را با c ،SiO2 را با S ،Al2O3 را با A و Fe2O3 را با F نشان می دهند.سیلیکاتهای C3Sو C2S مهمترین ترکیبات سیمان در ایجاد مقاومت خمیر سیمان هیدراته می باشند.در واقع سیلیکاتها در سیمان، ترکیبات کاملا خالصی نیستند بلکه دارای اکسید های جزئی به صورت محلول جامد نیز می باشند.این اکسید ها 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 درخواص سیمان دارند که عمدتا
عبارتند از: MgO،TiO2،Mn2O3،K))2O،((NaO2، که اکسیدهای سدیم و پتاسیم به نام اکسید های قلیایی شناخته شده اند. آزمایشها نشان داده است که این قلیائیها با بعضی از سنگدانه ها واکنش نشان داده اند و حاصل این واکنش باعث تخریب بتن شده است.البته قلیائی ها 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 که منجر به سولفوآلومینات کلسیم می شود نیز مشکلاتی به بار می آورد،اما وجود آن در مراحل تولید،ترکیب آهک،و سیلیس را تسهیل می کند.
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، سو لفو فریت کلسیم را می سازد و وجود آن به هیدراسیون سیلیکاتها شتاب می بخشند.
مقدار و اندازه واقعی اکسید ها در ترکیبات انواع سیمان،مختلف است.البته باقی مانده نا محلول که عمدتا از نا خالصی های سنگ گچ حاصل می گردد نیز اندازه گیری می شود.تا حدود 5/1 درصد وزن در سیمان مجاز است.افت حرارتی که دامنه کربناسیون و هیدراسیون آهک آزاد و منیزیم آزاد را در مجاورت هوا نشان می دهد نیز تا حدود 3 الی 4 در صد وزن سیمان اندازه گیری می شود.
هیدراسیون سیمان:
ماده مورد نظر ما ملات یا خمیر سیمان است که با اختلاط آب و پودر سیمان ماده چسباننده ای می شود.در واقع سیلیکاتها و آلومیناتهای سیمان در مجاورت آب محصولی
هیدراسیونی را تشکیل میدهند که کم کم با گذشت زمان جسم سختی به وجود می آید.
دو ترکیب عمده سیلیکاتی سیمان در مجاورت آب محصولی هیراسیونی را تشکیل می دهند که کم کم با گذشت زمان جسم سختی به وجود می آید.
دو ترکیب عمده سیلیکاتی سیمان یعنی C3Sو C2S عوامل عمده سخت شدن سیمان هستند و عمل هیدراسیون روی C3S سریعتر از C2S انجام می گیرد .
حرارت هیدراسیون:
همانند هر واکنش شیمیایی،هیدراسیون ترکیبات سیمان نیز حرارت زا است و به میزان حرارتی که در هر گرم از سیمان هیدراته در اثر هیدراسیون در دمای معینی تولید مگردد، حرارت هیدراسیون گفته می شودو به روشهای مختلفی قابل اندازه گیری است.درجه حرارت و دمائی که در آن عمل هیدزاسیون انجام می شود تأثیر قابل ملاحظه ای در نرخ حرارت تولید شده است،دارد.
برای سیمان های پرتلند معمولی حدود نصف کل حرارت تا سه روز و حدود
4/3حرارت تا حدود 7 روز و تقریبا 90 در صد حرارت در 6 ماه آزاد می شود . در واقع حرارت هیدراسیون بستگی به ترکیب شیمیایی سیمان دارد و تقریبا برابر است با
مجموع حرارتهای ایجادشده یکایک ترکیبات خالص سیمان اگر به صورت جداگانه هیدراته شود.
هر گرم از سیمان تقریبا 120 کالری حرارت آزاد می کند.چون هدایت حرارتی بتن کم است لذا حرارت می تواند به عنوان یک عایق حرارتی عمل نماید.از طرف دیگر حرارت تولید شده به وسیله هیدراسیون سیمان می تواند از یخ زدن آب در لوله های موئینه بتن تازه ریخته شده جلوگیری نماید.بنابراین آگاهی به خواص حرارت زایی سیمان می تواند در انتخاب نوع مناسب سیمان برای هدف مشخصی مفید باشد.
همانطور که گفته شد نقش اصلی در مقاومت سیمان C3S و C2S ایفا می کنند وC3S در 4 هفته سنین اولیه و C2S پس از آن مقاومت سیمان را ایجاد می کنند. نقش این دو ترکیب در مقاومت سیمان پس از یک سال تقریبا مساوی میشود.