هیدراتاسیون سیمان چیست؟
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. در ادامه به طور کامل در مورد هیدراتاسیون سیمان صحبت می‌کنیم.
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. این موضوع به عنوان «گرمای هیدراتاسیون» نامیده می‌شود. 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 واکنش داده 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 تعیین کننده 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 شسته می‌شود و 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 واکنش داده و باعث تخریب بتن 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.
تخمین زده شده است که برای واکنش شیمیایی با ترکیبات سیمان پرتلند به طور متوسط 23 درصد آب وزنی سیمان مورد نیاز است. از آنجایی که این 23 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. تخمین زده شده است که 15 درصد آب به وزن سیمان برای پر کردن منافذ ژل مورد نیاز است.
بنابراین در مجموع 38 درصد آب از وزن سیمان برای واکنش شیمیایی کامل سیمان و اشغال فضای داخل منافذ ژل مورد نیاز می‌باشد. اگر فقط از آب معادل 38 درصد وزنی سیمان استفاده شود، می‌توان متوجه شد که خمیر حاصل تحت هیدراتاسیون کامل قرار می‌گیرد و آب اضافی برای ایجاد حفره‌های مویرگی نامطلوب در دسترس نخواهد بود.
فرآیند هیدراتاسیون: واکنش‌ها
در حالت بی‌آب، چهار نوع اصلی کانی معمولاً وجود دارند که شامل آلیت، بلیت، آلومینات (C3A) و فاز فریت (C4AF) هستند. همچنین مقادیر کمی سولفات کلینکر (سولفات‌های سدیم، پتاسیم و کلسیم) و همچنین گچ وجود دارد که هنگام آسیاب کردن کلینکر برای تولید پودر خاکستری آشنا به آن اضافه شد.
هنگامی که آب اضافه می‌شود، واکنش‌هایی که رخ می‌دهند عمدتا گرمازا هستند، یعنی واکنش‌ها گرما تولید می‌کنند. ما می‌توانیم با نظارت بر سرعت تکامل گرما با استفاده از تکنیکی به نام کالریمتری هدایت، نشانه ای از سرعت واکنش مواد معدنی به دست آوریم. یک مثال گویا از منحنی تکامل حرارت تولید شده در زیر نشان داده شده است.
تقریباً بلافاصله با اضافه کردن آب، مقداری از کلینکر سولفات و گچ حل می‌شوند و محلولی قلیایی و غنی از سولفات تولید می‌کنند. بلافاصله پس از اختلاط، فاز (C3A) (واکنش‌پذیرترین از چهار کانی اصلی کلینکر) با آب واکنش می‌دهد و ژل غنی از آلومینات را تشکیل می‌دهد (مرحله اول در منحنی تکامل گرما در بالا).
ژل با سولفات در محلول واکنش می‌دهد تا کریستال‌های میله مانند اترینگیت را تشکیل دهد. واکنش (C3A) با آب به شدت گرمازا است، اما طولانی نیست، معمولاً فقط چند دقیقه طول می‌کشد و پس از یک دوره چند ساعتی تکامل حرارت نسبتاً کم است. این دوره خواب یا دوره القایی (مرحله دوم) نامیده می‌شود.
بخش اول دوره خواب، شاید تا نیمه راه، مربوط به زمانی است که می‌توان بتن گذاشت. با پیشرفت دوره خواب، خمیر آنقدر سفت می‌شود که قابل کار نیست. در پایان دوره خواب، آلیت و بلیت در سیمان با تشکیل هیدرات سیلیکات کلسیم و هیدروکسید کلسیم شروع به واکنش می‌کنند. این مربوط به دوره اصلی هیدراتاسیون (مرحله III) است که در طی آن زمان مقاومت بتن افزایش می‌یابد. تک دانه‌ها از سطح به داخل واکنش نشان می‌دهند و ذرات بی آب کوچکتر می‌شوند. هیدراتاسیون (C3A) نیز ادامه می‌یابد، زیرا کریستال‌های تازه در دسترس آب قرار می‌گیرند.
دوره حداکثر تکامل گرما معمولاً بین 10 تا 20 ساعت پس از اختلاط رخ می‌دهد و سپس به تدریج از بین می‌رود. در ترکیبی که فقط حاوی سیمان است، بیشتر افزایش قدرت در حدود یک ماه اتفاق افتاده است. در جایی که سیمان تا حدی با مواد دیگری مانند خاکستر بادی جایگزین شده است، رشد استحکام ممکن است کندتر اتفاق بیفتد و برای چندین ماه یا حتی یک سال ادامه یابد. واکنش فریت نیز با اضافه شدن آب به سرعت شروع می‌شود، اما سپس کند می‌گردد، احتمالاً به این دلیل که لایه‌ای از ژل هیدروکسید آهن تشکیل می‌شود که فریت را می‌پوشاند و به عنوان یک مانع عمل می‌کند و از واکنش بیشتر جلوگیری می‌کند.
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.
برخی از 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.
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.
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.