منظور از هیدراتاسیون سیمان چیست؟

واکنش شیمیایی که بین سیمان و آب اتفاق میفتد، هیدراتاسیون سیمان نامیده می‌شود. این واکنش طبیعت گرمازایی دارد و به همین دلیل مقدار قابل توجهی گرما در طول هیدراتاسیون سیمان آزاد می‌شود.

واکنش آب با سیمان در بتن (هیدراتاسیون سیمان)

سیمان پرتلند با واکنش با آب و مخلوط شدن با ماسه، شن و آب، یک سنگ مصنوعی را تولید می‌کند که به آن بتن می‌گوییم. واکنش سیمان با آب را هیدراتاسیون می‌نامند. این فرآیند شامل بسیاری از واکنش‌های مختلف است که اغلب در یک زمان رخ می‌دهند. با ادامه واکنش‌ها، محصولات فرآیند هیدراتاسیون به تدریج ذرات شن و ماسه و سایر اجزای بتن را به یکدیگر متصل می‌کنند تا یک توده جامد را تشکیل دهند.

هیدراتاسیون سیمان چیست؟

واکنش شیمیایی که بین سیمان و آب اتفاق میفتد، هیدراتاسیون سیمان نامیده‌می‌شود. این واکنش طبیعت گرمازایی دارد. پس مقدار قابل توجهی گرما در طول هیدراتاسیون سیمان آزاد می‌شود. این موضوع به عنوان «گرمای هیدراتاسیون» نامیده‌می‌شود. هیدراتاسیون سیمان یک فرآیند ناگهانی نیست. این واکنش در دوره اولیه سریع‌تر بوده و به طور نامحدود با سرعت کاهشی ادامه می‌یابد.

در طول هیدراتاسیون سیمان، C3S و C2S با آب واکنش‌داده و هیدرات سیلیکات کلسیم (C-S-H) همراه با هیدروکسید کلسیم Ca(OH)2 تشکیل می‌شود.

2 C3S + 6H → C3S2H3 + 3 Ca(OH)2

2 C2S + 4H → C3S2H3 + Ca(OH)2

هیدرات سیلیکات کلسیم یکی از مهمترین فرآورده‌های فرآیند هیدراتاسیون است و تعیین‌کننده خواص خوب سیمان می‌باشد. از واکنش‌های فوق می‌توان دریافت که C3S مقدار بیشتری هیدروکسید کلسیم نسبت به C2S تولید می‌کند. هیدروکسید کلسیم محصول مطلوبی در توده بتن نیست. زیرا در آب محلول است و در نتیجه شسته‌می‌شود. در نتیجه بتن را متخلخل می‌کند، به ویژه در سازه‌های هیدرولیکی، در نتیجه دوام بتن را کاهش می‌دهد.

هیدروکسید کلسیم همچنین با سولفات‌های موجود در آب و خاک واکنش می‌دهد و سولفات کلسیم را تشکیل می‌دهد که بیشتر با C3A واکنش‌داده و باعث تخریب‌بتن می‌شود. این فرآیند به عنوان حمله سولفات شناخته می‌شود. تنها مزیت هیدروکسید کلسیم این است که به دلیل قلیایی بودن، مقدار PH بالایی را در بتن حفظ می‌کند که در برابر خوردگی آرماتورها مقاومت می‌کند.

آب مورد نیاز برای واکنش شیمیایی با ترکیبات سیمان پرتلند

تقریبا برای واکنش شیمیایی با ترکیبات سیمان پرتلند به طور متوسط ۲۳ درصد آب وزنی سیمان مورد نیاز است. از آنجایی که این ۲۳ درصد آب از نظر شیمیایی با سیمان ترکیب می‌شود، به آن آب محدود می‌گویند. مقدار معینی آب توسط منافذ ژل جذب می‌شود. این آب به آب ژل معروف است. آب محدود و آب ژل مکمل یکدیگر هستند. تخمین‌زده‌شده‌است که ۱۵ درصد آب به وزن سیمان برای پر‌کردن منافذ ژل مورد‌نیاز‌است.

بنابراین در مجموع ۳۸ درصد آب از وزن سیمان برای واکنش شیمیایی کامل سیمان و اشغال فضای داخل منافذ ژل مورد نیاز می‌باشد. اگر فقط از آب معادل ۳۸ درصد وزنی سیمان استفاده‌شود، می‌توان متوجه شد که خمیر حاصل تحت هیدراتاسیون کامل قرار می‌گیرد و آب اضافی برای ایجاد حفره‌های مویرگی نامطلوب در دسترس نخواهد بود.

محصولات هیدراتاسیون چیست؟

محصولات حاصل از واکنش بین سیمان و آب محصولات هیدراتاسیون نامیده می‌شوند. در بتن (یا ملات یا سایر مواد سیمانی) معمولاً چهار نوع اصلی وجود دارند:

هیدرات سیلیکات کلسیم

این محصول اصلی واکنش است و منبع اصلی مقاومت بتن می‌باشد. اغلب با استفاده از نماد شیمیدانان سیمان به C-S-H مخفف می‌شود، خط تیره نشان می‌دهد که هیچ نسبت دقیقی از SiO2 به CaO استنباط نشده است. نسبت Si/Ca تا حدودی متغیر است اما معمولاً در سیمان پرتلند هیدراته تقریباً 0.45 تا 0.50 است، اما در صورت وجود سرباره یا خاکستر بادی یا میکروسیلیس، بسته به نسبت، تا حدود 0.6 می‌رسد.

هیدروکسید کلسیم

هیدروکسید کلسیم Ca(OH)2 که اغلب به اختصار CH خوانده می‌شود. CH عمدتاً از هیدراتاسیون آلیت تشکیل می‌شود. آلیت دارای نسبت Ca:Si 3:1 و C-S-H دارای نسبت Ca/Si تقریباً 1:2 است، بنابراین آهک اضافی برای تولید CH در دسترس می‌باشد.

فازهای AFm وAft

 این دو گروه از مواد معدنی هستند که در سیمان و جاهای دیگر وجود دارند. یکی از رایج‌ترین فازهای AFm در سیمان هیدراته، مونوسولفات است و با اختلاف رایج‌ترین فاز AFt اترینگیت است. تعاریف کلی این فازها تا حدودی فنی هستند، اما به عنوان مثال، اترینگیت یک فاز AFt است زیرا حاوی سه مولکول (t-tri) انیدریت می‌باشد که به صورت C3A.3CaSO4.32H2O نوشته می‌شود و منسولفات یک فاز AFm است زیرا حاوی یک (m-mono) مولکول انیدریت می‌باشد، وقتی به صورت C3A.CaSO4.12H2O نوشته شود.

رایج‌ترین فازهای AFt و AFm در سیمان هیدراته عبارتند از:

• اترینگیت: اترینگیت به صورت کریستال‌های میله مانند در مراحل اولیه واکنش یا گاهی اوقات به صورت توده‌های عظیمی که منافذ یا ترک‌های بتن یا ملات بالغ را پر می‌کنند وجود دارد. فرمول شیمیایی اترینگیت [Ca3Al(OH)6.12H2O]2.2H2O] یا با ترکیب نمادها، 3CaSO4.32H2O است.
• مونو سولفات: مونوسولفات تمایل دارد در مراحل بعدی هیدراتاسیون، یک یا دو روز پس از اختلاط ایجاد شود. فرمول شیمیایی مونو سولفات CaSO4.12H2O است. توجه داشته باشید که هر دو اترینگیت و منسولفات ترکیباتی از C3A، CaSO4 (انیدریت) و آب به نسبت‌های مختلف هستند.
• مونو کربنات: وجود سنگ آهک ریز، چه در زمین با سیمان و چه به صورت سنگ آهک ریز، احتمالاً باعث تولید مونو کربنات (C3A.CaCO3.11H2O) می‌شود زیرا برخی از سنگ آهک‌ها با سیال منافذ سیمان واکنش می‌دهند.

سایر فازهای AFm که ممکن است وجود داشته باشند همی کربنات، هیدروکسی-AFm و نمک فریدل هستند.

نکات مهم در مورد فازهای AFm و AFt عبارتند از:

• آنها حاوی مقدار زیادی آب، به ویژه AFt – عمدتا 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 (به عنوان مثال: کربنات، CO22-) یا یک به دو اگر آنیون جانشین به تنهایی باردار باشد (به عنوان 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 نمی‌شوند.

در بتن ساخته شده از سیمان که فقط حاوی کلینکر و گچ است، اترینگیت در اوایل پس از مخلوط شدن سیمان و آب تشکیل می‌شود، اما به تدریج با مونو سولفات جایگزین می‌گردد. این به این دلیل است که نسبت آلومینا موجود به سولفات با ادامه هیدراتاسیون سیمان افزایش می‌یابد. در اولین تماس با آب، بیشتر سولفات به راحتی در دسترس است تا حل شود، اما بیشتر C3A در داخل دانه‌های سیمان بدون دسترسی اولیه به آب موجود است.

نتیجه هیدراتاسیون مداوم

هیدراتاسیون مداوم به تدریج آلومینا آزاد می‌کند و نسبت اترینگیت با افزایش مونو سولفات کاهش می‌یابد. اگر در نهایت آلومینا بیشتر از سولفات موجود باشد، تمام سولفات به صورت مونو سولفات خواهد بود و آلومینا اضافی به صورت فاز AFm جایگزین شده با هیدروکسیل (هیدروکسی-AFm) وجود دارد. 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 منسولفات کمتر و حتی در سطوح بالاتر سولفات اترینگیت و گچ وجود خواهد داشت.

تولید هیدروگارنت در نتیجه هیدراتاسیون سیمان

اگر سنگ آهک ریز وجود داشته باشد، یون‌های کربنات با واکنش برخی از سنگ آهک در دسترس می‌شوند. کربنات سولفات یا هیدروکسیل را در AFm جابجا می‌کند. بنابراین نسبت مونو سولفات یا هیدروکسی- AFm با افزایش نسبت مونو کربنات کاهش می‌یابد. سولفات جابجا شده معمولاً با مونو سولفات باقی مانده ترکیب می‌شود و اترینگیت را تشکیل می‌دهد، اما اگر هیدروکسی-AFm وجود داشته باشد، سولفات یون‌های هیدروکسیل را جابجا می‌کند و منسولفات بیشتری تشکیل می‌دهد. نکته کلیدی در اینجا تعادل بین آلومینا موجود از یک سو هیدروگارنت همچنین عمدتاً در نتیجه هیدراتاسیون فریت یا C3A تشکیل می‌شود. هیدروگارنت‌ها دارای طیف وسیعی از ترکیبات هستند که C3AH6 رایج‌ترین فازی است که از هیدراتاسیون معمولی سیمان ایجاد می‌شود. طیف وسیع‌تری از ترکیبات هیدروگارنت را می‌توان در محصولات سیمانی اتوکلاو یافته یافت.