ترکیبات شیمیایی سیمان
مواد خام مورد مصرف در تولید سیمان در هنگام پخت با هم واکنش نشان داده و ترکیبات دیگری را بوجود می آورند . معمولا چهار ترکیب عمده به عنوان عوامل اصلی تشکیل دهنده سیمان در نظر گرفته می شوند که عبارتند از :
1- تری كلسیم سیلیكات (3O2=C3S)
2- دی كلسیم سیلیكات ( 2CaOSiO2=C2S)
3- تری كلسیم آلومینات (3CaOAl2O3=C3A)
4- تترا كلسیم آلومینو فریت (4CaOAl2O3Fe2O3)
سیلیکات های C3S و C2S مهمترین ترکیبات سیمان در ایجاد مقاومت خمیر سیمان هیدراته می باشند . در واقع سیلیکات ها در سیمان ، ترکیبات کاملا خالصی نیستند ، بلکه دارای اکسید های جزیی به صورت محلول جامد نیز می باشند . این اکسید ها اثرات قابل ملاحظه ای در نحوه قرار گرفتن اتمها، فرم بلوری و خواص هیدرولیکی سیلیکات ها دارند .
1) تری كلسیم سیلیكات
این ماده سریعاً وارد واكنش های شیمیایی شده و بتن را سفت می كند. C3S در هنگام تركیب با آب گرمای زیادی ایجاد می كند . (120 كالری بر گرم)
این ماده نقشی در مقاومت سیمان ندارد و در برابر حمله ی سولفات ها كه منجر به سولفو آلومینات كلسیم می شود نیز مشكلاتی به بار می آورد، اما وجود آن در مراحل تولید، تركیب آهك و سیلیس را تسهیل می كند.
2) دی كلسیم سیلیكات
خصوصیات C2S برخلاف C3S می باشد بدین معنی كه گیرش اولیه دی كلسیم سیلیكات كم است و بعد از 2 تا 7 روز و حتی تا یك ماه به تدریج وارد عملیات شیمیایی می شود (به عبارت دیگر دیرگیر است). این ماده در هنگام گرفتن گرمای كمی تولید می كند. (حدود 62 كالری بر گرم)
3) تری كلسیم آلومینات:
این ماده همان خواص C3S را دارد بدین معنی كه در گیرش اولیه سیمان دخالت می كند و از طرفی مقاومت بتن را در مقابل حمله ی سولفات ها می كاهد. در هنگام گیرش گرمای بیشتری نسبت به سایر اجزا سیمان تولید می كند (210 كالری بر گرم)
4) تترا كلسیم آلومینوفریت:
از نظر گیرش حد متوسط را دارد و حدود 100 كالری بر گرم گرما آزاد می كند.
میزان C4AF در سیمان در مقایسه با سه تركیب دیگر كمتر است و تاثیر زیادی در رفتار سیمان ندارد ولی در واكنش با گچ، سولفوفریت كلسیم را می سازد و وجود آن به هیدراسیون سیلیكات ها شتاب می بخشد.
ترکیبات دیگری نیز در سیمان وجود دارند که از نظر وزن قابل ملاحظه نیستند ولی تاثیرات قابل ملاحظه ای در خواص سیمان دارند که عمدتا عبارتند از : MgO، TiO2، Mn2O3، K2O، NaO2 كه اكسیدهای سدیم و پتاسیم به نام اكسیدهای قلیایی شناخته شده اند. آزمایش ها نشان داده است كه این قلیایی ها با بعضی سنگ دانه ها واكنش داده اند و حاصل این واكنش باعث تخریب بتن شده است. البته قلیایی ها در مقاومت بتن نیز اثر دارند . ساختار ملکولی سیمان
بیش از 2 هزار سال است كه بشر با اشكال گوناگونی از سیمان آشنا شده و در این مدت طیف گسترده‌ای از سازه‌های سیمانی و بتونی را نیز با استفاده از این ماده ارزشمند ارائه كرده است، اما همواره ساختار مولكولی این ماده و چرایی استحكام خیره‌كننده آن در تركیب با آب برای دانشمندان معمایی بزرگ بوده است. اكنون این معما حل شده است. دانشمندانی در دانشگاه MIT با انجام مطالعاتی گسترده در این خصوص متوجه حقایق تازه‌ای درباره ساختار كریستالی این ماده شده‌اند كه در ابعاد اتمی و در تركیب با ساختار مولكولی آب ، تركیب مستحكمی را خلق می‌كند . در حقیقت استحكام سیمان در تركیب با آب برای دانشمندان همواره عجیب و بحث برانگیز بوده است.
البته در گذشته تلاش‌هایی درخصوص رمزگشایی از این معما صورت گرفته و مشخص شده بود كه در سطوح اتمی، هیدرات‌های سیمان در برگیرنده مولكول‌های سیلیكایی است كه در استحكام بالای این ماده در تركیب با آب نقش قابل توجهی را ایفا می‌كند، اما اكنون تیمی از دانشمندان دانشگاه MIT دریافته‌اند مولكول‌های سیلیكای مورد نظر به شكل كریستال نیستند و این در حالی است كه تاكنون این‌گونه تصور می‌شده است . بررسی‌های دقیق این دانشمندان نشان می‌دهد این تركیب در حقیقت هیبریدی است كه برخی از ویژگی‌های ساختار كریستالی و همچنین برخی مشخصه‌های ساختار بی‌شكل موادی نظیر شیشه یا یخ را در خود دارد. به نظر می‌رسد اكنون و با تكیه بر یافته‌هایی از این دست، راهكارهای تازه‌ای برای استفاده گسترده‌تر از این ماده در صنایع ساختمان‌سازی سراسر جهان ارائه شود و در عین حال از نقش آن در افزایش آلاینده‌های زیست‌محیطی از جمله دی‌اكسیدكربن كاسته شود. در حال حاضر صنایع سیمان‌سازی جهان سهم 5 درصدی در تولید آلاینده‌ای همچون دی‌اكسیدكربن اتمسفر زمین دارد .