سیمان ضد سولفات

سیمان پرتلند

با توجه به واکنش‌های سخت شوندگی، سیمان به دو نوع هیدرولیک و غیر هیدرولیک تقسیم بندی می‌شود. همانطوری که مشخص است سیمان‌های هیدرولیک در اثر واکنش با آب (هیدراتاسیون) سخت می‌شوند. استفاده از سیمان به عنوان ماده چسباننده سابقه چند هزار ساله دارد. ترکیب اصلی سیمان آهک، خاک رس و گچ است. طرح سیمان به این شکل، اولین بار توسط ژوزف اسپین معمار بریتانیایی مطرح شده است. اسپین در سال ۱۸۲۴ طرح اولیه خود را اصلاح نموده و محصول خاک رس و آهک هیدرولیک را تحت عنوان سیمان پرتلند ثبت کرد. به علت تشابه رنگ سیمان سخت شده با رنگ سنگ های آهکی جزیره پرتلند در انگلستان، نام پرتلند برای آن انتخاب شده است.

‌سیمان پرتلند نوع ۵ (سیمان ضد سولفات)

سیمان‌های پرتلند حاوی ترازهای پایین‌تری کلسیم آلومینات و سیمان‌های روباره‌ای حاوی ترازهای بالای روباره کوره آهن گدازی به عنوان سیمان‌های با مقاومت بالا در برابر سولفات شناخته می‌شوند. حدود ترکیبات این نوع سیمان‌ها در استانداردهای سیمان برخی کشورها مشخص شده است. به طور مثال مقدار تری کلسیم آلومینات محاسبه شده از ترکیب شیمیایی در سیمان پرتلند با مقاومت بالا در برابر سولفات به ۳٪ تا ۵٪ وزنی محدود می‌شود. و در سمیان‌های روباره‌ای با مقاومت بالا در برابر سولفات مقدار روباره کوره آهن گدازی می‌‌بایست حداقل برابر ۶۵٪ وزنی در نظر گرفته شود. کلسیم آلومینو فریت نیز می‌تواند موجب تشکیل تری سولفات به کمک محلول‌های سولفاتی شود.

مقاومت یک سیمان در برابر سولفات عمدتاً تحت تاثیر حساسیت اجزای آن و نیز محصولات هیدارسیون آن به سولفات و توانایی آن در به تاخیر انداختن و ممانعت از انتشار یون‌های سولفات به داخل ملات یا بتن است. لذا به هنگام مقایسه انواع مختلف سیمان با یکدیگر توجه ویژه‌ای نسبت به این مسئله می‌‌بایست مبذول داشت. اصولاً استفاده از سیمان‌های روباره‌ای غنی از روباره کوره آهن گدازی امکان تولید ملات‌ها و بتن‌هایی بسیار متراکم که عملاً نفوذ یون‌های سولفات و سایر یون‌های مهاجم در آنها حتی در صورت بالا بودن نسبت آب به سیمان آنها، ممکن نباشد،‌فراهم است. بنابراین چنین سیمان‌هایی از مقاومت بالایی در برابر سولفات‌ها برخوردارند، اگر چه اجزای آنها به سولفات حساس‌تر هستند.

سيمان پرتلند ضد سولفات سرباره‌ای با مشخصات مطرح شده در استاندارد ملی ايران به شماره ISIRI-3517 و استاندارد آمريكا ASTM-C569-06 توليد می‌شود. علاوه بر مزايای ذكر شده در مورد سيمان پرتلند سرباره‌ای به علت ادامه واكنش‌ها و كم شدن فضا‌های خالی داخل بتن از نفوذ پذيری كمتری برخور‌دار است. ‌اين عامل سبب عملكرد بهتر بتن‌های مصرفی در محيط‌های شيميايی است.

به طور كلی ويژگی‌های بتن سيمان پرتلند ضد‌سولفات سرباره‌ای شامل‌ نفوذ پذيری بسيار كم‌، كارائی بيشتر بدليل جذب هيدروكسيد كلسيم توسط سيليس فعال سرباره و بافت سطحی صاف‌تر سرباره‌، مقاومت شيميايی بسيار ممتاز در مقابل تهاجم توام املاح سولفات و كلر‌، محافظت و سلامت آرماتور در مقابل خوردگی و زنگ زدگی‌ (نفوذ پذيری پايين و غير فعال شدن يون كلر و سولفات توسط سرباره)، گرمای هيدراتاسيون پايين‌، انبساط بسيار كم بتن در حد صفر و كيرش طولانی‌تر در كوتاه مدت است.

 لذا با توجه به خواص ذكر شده مهمترين كاربرد بتن سيمان پرتلند ضد سولفات سرباره‌ای شامل سواحل جنوبی‌كشور‌، حاشيه زاينده رود در استان اصفهان، مناطق كويری (اصفهان، يزد، قم، سيستان و بلوچستان و……)، مناطق حاوی املاح سولفات و كلر‌، بتن ريزی‌های حجيم‌، سدها، پروژه‌های اسكله و بندرسازی‌، كانال‌های آب و فاضلاب‌، مسيرهای مترو‌، بتن‌های مسلح‌، مخازن ذخيره آب‌، قابل كاربرد باشند و ماسه مستعد برای انجام واكنش‌های قليائی – سيليسی‌، قابل كاربرد در مناطق گرمسير دمای بالا … هستند.

عوامل تاثیر گذار بر سیمان ضد سولفات

‌برای ساخت سیمان ضد سولفات (‌SRPC‌) باید مقدار C3A را کاهش داد (‌مقدار C3A در سیمان پرتلند تیپ پنج به کمتر از ۵ درصد محدود می‌شود‌). برای این منظور خاک رس را در پروسه تولید سیمان کاهش داده و به جای آن از آهن و سیلیس استفاده می‌کنند که این امر موجب بالا رفتن هزینه تولید سیمان می‌شود‌. در مواقعی که درصد سولفات‌ها بین ۰/۲ تا ۲ درصد است و خطر کنش کلریدها وجود ندارد‌، می‌توان از این تیپ سیمان استفاده کرد‌. ولی در صورت وجود بیش از ۲ درصد سولفات باید از روش‌های دیگری مانند استفاده از سیمان ضد سولفات به همراه مواد پزولانی استفاده کرد‌.

واکنش سولفات‌ها

سولفات‌ها تنها وقتی توانایی کنش در بتن را دارند که محلول در آب باشند‌. در نتیجه یک راه مقابله با سولفات‌ها کاهش مقدار آب محیط است‌. برای این منظور در اطراف فونداسیون‌ها قلوه سنگ می‌ریزند و اطراف ساختمان را شیب می‌دهند و با قیرگونی ایزوله می‌کنند تا آب به پی نفوذ نکند‌. سولفات‌ها در آزمایشگاه به دو صورت اندازه گیری می‌شوند.

1. کل سولفات‌های موجود 

2. سولفات‌های محلول در آب 

در مورد کنش سولفات‌ها در بتن‌، سولفات‌های محلول در آب مد نظر است و در محدوده کاربرد انواع سیمان‌ها با توجه به درصد سولفات‌های موجود‌‌‌، درصد سولفات محلول در آب مورد نظر است‌‌.

خشک و تر شدن متناوب باعث تشدید کنش سولفات‌ها می‌شود‌. بطور مثال در کنار دریا بیشترین نقطه‌ای که آسیب می‌بیند‌، بتن بین خطوط جذر و مد است. برای هیدراته کردن تمام سیمان‌های موجود در بتن‌، نسبت آب به سیمان ۰/۲ تا ۰/۲۵ کافی است‌. از طرفی اگر بتن با این نسبت آب به سیمان ساخته شود کارایی کمی خواهد داشت و قابلیت انتقال‌، پمپ و ویبره شدن ندارد‌. به این دلیل ناگزیریم نسبت آب به سیمان را به ۰/۴۵ تا ۰/۵ افزایش دهیم‌. حال اگر بتوان به منظور کارا کردن بتن به جای استفاده از آب‌، از مواد شیمیایی روان کننده (‌Plasticizer‌) یا فوق روان کننده (‌Super Plasticizer) استفاده کرد. می‌توان نسبت آب به سیمان را تا حد زیادی کاهش داد‌. بطور کلی کاهش مقدار آب‌، تاثیرات مطلوبی بر خواص بتن دارد که می‌توان به افزایش مقاومت و کاهش نفوذپذیری اشاره کرد‌. با کاهش نفوذپذیری بتن‌، نفوذ سولفات‌های محلول در آب و کلریدها کاهش می‌یاید‌. در نتیجه یکی از روش‌های کاهش خطر کنش سولفات‌ها و کلریدها‌، کاهش نسبت آب به سیمان است. 

پارامتر دیگری (‌غیر از C3A‌) که سولفات‌ها به آن واکنش نشان می‌دهند‌، Ca(OH)2 یا همان هیدروکسید کلسیم کریستالی‌ از محصولات هیدراتسیون سیمان است‌. ‌منظور از هیدراتسیون سیمان در اصل این است که سیلیکات‌های کلسیم‌، به ویژه سه کلسیم سیلیکات (‌C3S‌‌) در سنین اولیه بتن‌، حین فعل و انفعالات شیمیایی با آب، تشکیل هیدروکسید کلسیم کریستالی Ca(OH)2 و همچنین هیدرات میکروکریستالی C3S2H3 می‌دهد‌. C2S هم محصولات مشابهی تولید می‌کند‌. امروزه به سیلیکات‌های کلسیم هیدراته شده C-S-H گفته می‌شود که قبلا‌ بنام ژل توبرموریتی بوده است‌.

حمله سولفات‌ها به بتن

بتنی که توسط سولفات‌ها مورد حمله قرار گرفته‌، دارای ظاهری سفید رنگ است. معمولاً خرابی از لبه‌ها و گوشه‌ها شروع شده و با ترک خوردن و تجزیه بتن ادامه می‌یابد‌. دلیل بروز این علائم آن است که حمله سولفات‌ها باعث تشکیل سولفات کلسیم (‌گچ‌) و سولفوآلومینات کلسیم (‌اترینگایت‌) میشود. هر دوی این محصولات نسبت به ترکیباتی که جایگزین آنها شده‌اند‌، دارای حجم بیشتری بوده و باعث انبساط و ریختن بتن سخت شده می‌شوند.

لازم به ذکر است که دلیل این واکنش‌ها وجود عنصر C3A (‌سه کلسیم آلومینات‌) در ترکیب اصلی سیمان مصرفی در بتن است. در روند پروسه تولید سیمان مقداری گچ به کلینکر سیمان اضافه می‌شود تا از گیرش آنی‌ در نتیجه هیدراتاسیون C3A‌ جلوگیری شود. گچ به سرعت با C3A واکنش انجام داده و اترینگایت (‌سولفو آلومینات کلسیم‌) بی ضرری را ایجاد می‌کند‌. زیرا در این مرحله بتن تولیدی هنوز در حالت نیمه خمیری بوده و می‌تواند افزایش حجم را در خود جای دهد‌.

هنگامی که بتن سخت شده از طریق منابع خارجی در معرض حمله سولفات‌ها قرار می‌گیرد‌، واکنش‌های مشابهی انجام می‌شود‌. نوعی از محلول‌های سولفاتی‌، آب‌های زیرزمینی داخل بعضی رس‌ها بوده که حاوی سولفات‌های سدیم‌، کلسیم و منیزیم هستند. این سولفات‌ها با Ca(OH)2 و C3A هیدراته شده‌، واکنش انجام داده و به ترتیب گچ و اترینگایت تشکیل می‌دهند‌. سولفات منیزیم دارای تاثیر مخرب بیشتری نسبت به سولفات‌های دیگر بوده زیرا به تجزیه شدن سیلیکات‌های کلسیم (‌C2S و C3S‌) هیدراته شده و همچنین Ca(OH)2 و C3A هیدراته شده منتهی میشود. سپس سیلیکات منیزیم هیدراته شده که دارای هیچ خاصیت چسبندگی نبوده، تشکیل می‌شود‌.

مقدار تاثیر حمله سولفات‌ها به غلظت آنها و نفوذپذیری بتن بستگی دارد‌. اگر بتن خیلی نفوذپذیر باشد‌، آب به راحتی در داخل آن نفوذ کرده و Ca(OH)2 شسته خواهد شد‌. تبخیر در سطح بتن رسوبات کربنات کلسیم را که از واکنش Ca(OH)2 با دی اکسید کربن تشکیل شده‌، باقی می‌گذارد‌. این رسوب با ظاهری سفید رنگ به نام سفیدک شناخته می‌شود‌. معمولاً سفیدک بی‌ضرر است. هر چند شستشوی زیاد Ca(OH)2 تخلخل را افزایش خواهد داد، طوری که بتن به طور مستمر ضعیف‌تر و در مقابل حملات شیمیایی مستعدتر می‌شود‌. تبلور نمک‌های دیگر هم باعث سفیدک میشود. از آنجا که C3A توسط سولفات‌ها مورد حمله قرار می‌گیرد‌، با مصرف سیمان‌هایی با C3A کم نظیر سیمان‌های ضد سولفات (‌نوع V‌)‌، می‌توان آسیب پذیری بتن در مقابل حمله سولفات‌ها را کاهش داد‌. همچنین می‌توان با استفاده از سیمان پرتلند روباره آهنگدازی (‌نوع IS‌) و سیمان پرتلند پوزولانی (‌نوع IP‌) مقاومت بتن را افزایش داد‌. ‌

منبع: عمران سافت