سیمان ماده ای پیچیده است که از ترکیبات مختلفی تشکیل شده‌است. این ترکیبات بر اساس وزن درصدی در سیمان به چهار دسته اصلی تقسیم می شوند که در این مقاله به آن ها خواهیم پرداخت.
ساختار مولکولی سیمان
بیش از 2 هزار سال است که بشر با اشکال گوناگونی از سیمان آشنا‌شده است. در این مدت طیف گسترده ای از سازه های سیمانی و بتونی را نیز با استفاده از این ماده ارزشمند ارائه کرده‌است. اما همواره ساختار سیمان و چرایی استحکام خیره کننده آن در ترکیب با آب برای دانشمندان معمایی بزرگ بوده است. دانشمندانی در دانشگاه MIT با انجام مطالعاتی گسترده در این خصوص متوجه حقایق تازه ای درباره ساختار کریستالی این ماده شده‌اند که در ابعاد اتمی و در ترکیب با ساختار مولکولی آب، ترکیب مستحکمی را خلق می‌کند. در حقیقت استحکام سیمان در ترکیب با آب برای دانشمندان همواره عجیب و بحث برانگیز بوده است.
البته در گذشته تلاش هایی درخصوص رمزگشایی از این معما صورت گرفته و مشخص شده بود که در سطوح اتمی، هیدرات های سیمان در برگیرنده مولکول های سیلیکایی است که در استحکام بالای این ماده در ترکیب با آب نقش قابل توجهی را ایفا می‌کند، اما اکنون تیمی از دانشمندان دانشگاه MIT دریافته اند مولکول های سیلیکای مورد نظر به شکل کریستال نیستند و این در حالی است که تاکنون اینگونه تصور می شد است. بررسی های دقیق این دانشمندان نشان می دهد این ترکیب در حقیقت هیبریدی است که برخی از ویژگی های ساختار کریستالی و همچنین برخی مشخصه های ساختار بی شکل موادی نظیر شیشه یا یخ را در خود‌دارد.
به نظر می رسد اکنون و با تکیه بر یافته هایی از این دست، راهکارهای تازه ای برای استفاده گسترده تر از این ماده در صنایع ساختمان سازی سراسر جهان ارائه شود و در عین حال از نقش آن در افزایش آلاینده های زیست محیطی از جمله دی اکسید کربن کاسته شود. در حال حاضر صنایع سیمان سازی جهان سهم 5 درصدی در تولید آلاینده ای همچون دی اکسید کربن اتمسفر زمین دارد.
ترکیبات شیمیایی اصلی موجود در سیمان:
- تری کلسیم سیلیکات (C3S): این ترکیب حدود ۶۰٪ سیمان پرتلند را تشکیل می دهد و مهم ترین ترکیب برای ایجاد استحکام اولیه در سیمان است. سرعت هیدراسیون آن نسبتاً سریع است.
- دی کلسیم سیلیکات (C2S): این ترکیب حدود ۲۰٪ سیمان پرتلند را تشکیل می دهد و به مرور زمان استحکام بیشتری ایجاد می کند. سرعت هیدراسیون آن متوسط است.
- تری کلسیم آلومینات (C3A): این ترکیب حدود ۱۰٪ سیمان پرتلند را تشکیل می دهد و تاثیر زیادی بر زمان گیرش سیمان دارد. سرعت هیدراسیون آن بسیار سریع است.
- تتراکلسیم آلومینوفریت (C4AF): این ترکیب حدود ۱۰٪ سیمان پرتلند را تشکیل می دهد و در حرارت بالا با گچ ترکیب می شود تا ماده ای به نام
“Ettringite” (AFt) تولید کند که تاثیر قابل توجهی بر مقاومت سیمان دارد. سرعت هیدراسیون آن سریع است.
ترکیبات فرعی موجود در سیمان:
- سولفات (SO3): این ترکیب معمولاً به میزان ۲ تا ۳ درصد در سیمان پرتلند وجود دارد و برای کنترل زمان گیرش سیمان استفاده می شود.
- اکسید منیزیم (MgO): این ترکیب معمولاً به میزان ۳ تا ۵ درصد در سیمان پرتلند وجود دارد و می تواند تاثیر منفی بر مقاومت سیمان داشته باشد.
- اکسید پتاسیم (K2O) و اکسید سدیم (Na2O): این ترکیبات معمولاً کمتر از ۱ درصد در سیمان پرتلند وجود دارند و می توانند به عنوان گداز آور عمل کنند و منجر به افزایش سرعت هیدراسیون سیمان شوند.
سایر ترکیبات اضافی موجوددر سیمان:
ممکن است برای بهبود خواص سیمان، ترکیبات دیگری به آن اضافه شوند. این ترکیبات عبارتند از:
- گچ (CaSO4): این ترکیب برای کنترل زمان گیرش سیمان استفاده می شود.
- مواد پوزولانی: این مواد با واکنش با هیدروکسید کلسیم (Ca(OH)2) که در حین هیدراسیون سیمان تولید می شود، باعث افزایش مقاومت و دوام سیمان می شوند.
- سرباره کوره بلند: این ماده به عنوان جایگزین بخشی از سیمان پرتلند استفاده می شود و باعث کاهش انتشار گازهای گلخانه ای و بهبود مقاومت بتن می شود.
ترکیبات شیمیایی سیمان تاثیر زیادی بر خواص آن مانند زمان گیرش، مقاومت، دوام و مقاومت در برابر عوامل شیمیایی دارد. سازندگان سیمان می توانند با تنظیم ترکیبات شیمیایی سیمان، سیمانی با خواص مناسب برای کاربردهای مختلف تولید کنند.