سیمان ماده‌ای چسبنده است که برای تولید بتن، ملات و دوغاب استفاده می‌شود. رایج‌ترین نوع، سیمان پرتلند (Portland Cement) است که از آسیاب کردن کلینکر (که از حرارت دادن سنگ آهک، خاک رس و مواد معدنی دیگر در کوره‌های سیمان تولید می‌شود) به همراه مقدار کمی سنگ گچ ساخته می‌شود.
۱. دسته‌بندی و جزئیات سیمان پرتلند (ASTM C150)
سیمان پرتلند بر اساس ترکیب و کاربرد به پنج نوع اصلی تقسیم می‌شود.
نوع سیمان | جزئیات ساختار و ترکیبات | کاربردهای اصلی |
نوع I | سیمان پرتلند معمولی. رایج‌ترین نوع، بدون نیاز به خواص یا مقاومت خاص. | ساختمان‌های عمومی، پل‌ها، پیاده‌روها و سازه‌های بتنی که در معرض عوامل خورنده نیستند. |
نوع II | سیمان با حرارت هیدراتاسیون متوسط و مقاومت متوسط در برابر حمله سولفات‌ها (از طریق کاهش فاز C_3A در کلینکر). | سازه‌های بزرگ (مانند سدها) برای کنترل افزایش دما و محیط‌هایی با غلظت متوسط سولفات. |
نوع III | سیمان با مقاومت اولیه بالا (از طریق آسیاب ریزتر و تنظیم ترکیب کلینکر). | سازه‌هایی که نیاز به قالب‌برداری سریع دارند، مناطق سرد برای به حداقل رساندن زمان محافظت از بتن در برابر یخ‌زدگی، و ساخت بتن پیش‌ساخته. |
نوع IV | سیمان با حرارت هیدراتاسیون کم. برای تولید حرارت بسیار آهسته (از طریق کاهش فازهای زودگیر C_3S و C_3A). | سازه‌های عظیم بتنی (مانند هسته سدها) که در آن‌ها افزایش شدید دما می‌تواند منجر به ترک‌های حرارتی بزرگ شود. |
نوع V | سیمان با مقاومت بالا در برابر سولفات‌ها (از طریق کاهش شدید فاز C_3A به کمتر از 5 درصد). | سازه‌های در تماس با خاک‌ها یا آب‌های زیرزمینی با غلظت بالای سولفات (مانند لوله‌ها، فونداسیون‌ها در مناطق خاص). |
۲. سیمان‌های پرتلند جایگزین (Blended Cements - ASTM C595)
این سیمان‌ها که به آن‌ها سیمان‌های آمیخته نیز می‌گویند، از ترکیب کلینکر سیمان پرتلند با مقادیر قابل توجهی از مواد سیمانی مکمل (SCMs) ساخته می‌شوند. هدف، بهبود خواص (مانند دوام و کاهش حرارت) و کاهش ردپای کربن است.
نوع سیمان آمیخته | مواد تشکیل‌دهنده اصلی | کاربرد اصلی و مزیت |
IS (سیمان سرباره) | کلینکر + سرباره کوره بلند دانه شده (GGBFS) | افزایش دوام، مقاومت شیمیایی، کاهش حرارت و کارایی بهتر. |
IP/P (سیمان پوزولانی) | کلینکر + پوزولان طبیعی (مانند تف جوش یا خاکستر آتشفشانی) | بهبود مقاومت درازمدت و کاهش نفوذپذیری. |
I(PM) (سیمان پوزولانی-آهکی) | کلینکر + پوزولان + سنگ آهک | اقتصادی‌تر و با کارایی بهتر. |
IT (سیمان سه‌تایی) | کلینکر + سرباره + پوزولان | ترکیبی از مزایای سرباره و پوزولان برای عملکرد بهینه. |
۳. استفاده از مصالح بومی در سیمان‌های پرتلند جایگزین
مصالح بومی (مانند خاکستر بادی، پوزولان‌های طبیعی، و خاک رس کلسینه‌شده) می‌توانند به عنوان مواد سیمانی مکمل (SCMs) در سیمان‌های آمیخته به کار روند و نقش حیاتی در کاهش وابستگی به تولید کلینکر (که فرآیندی بسیار انرژی‌بر و تولیدکننده CO_2 است) دارند.
الف) نقش و اهمیت مصالح بومی
- کاهش کربن: تولید کلینکر حدود 5 تا 8 درصد از انتشار گازهای گلخانه‌ای جهان را تشکیل می‌دهد. جایگزینی 20 تا 40 درصد از کلینکر با SCMs بومی، انتشار CO_2 را به تناسب کاهش می‌دهد.
- اقتصاد و دسترسی: استفاده از مواد اولیه محلی که به وفور در دسترس هستند (مانند خاکستر بادی نیروگاه‌های حرارتی یا خاک رس کلسینه‌شده)، هزینه‌های حمل و نقل و تولید را کاهش می‌دهد.
- بهبود خواص فنی: بسیاری از SCMs بومی، مقاومت بتن را در برابر حمله سولفاتی و واکنش قلیایی-سیلیکا (ASR) بهبود می‌بخشند و در درازمدت مقاومت مکانیکی را افزایش می‌دهند.
ب) مصالح بومی کلیدی
مصالح بومی | منبع و ماهیت | نحوه عملکرد در بتن |
خاکستر بادی (Fly Ash) | محصول جانبی نیروگاه‌های حرارتی زغال‌سنگ. | یک پوزولان مصنوعی است که با هیدروکسید کلسیم واکنش داده و محصولات C-S-H بیشتری تولید می‌کند. |
پوزولان‌های طبیعی | خاکستر آتشفشانی، توف‌ها و تف‌های آتشفشانی (که در ایران به وفور یافت می‌شوند). | واکنش پوزولانی مشابه خاکستر بادی، منجر به تراکم ساختار بتن می‌شود. |
سرباره کوره بلند (GGBFS) | محصول جانبی صنعت ذوب‌آهن. | دارای خاصیت سیمانی ذاتی است و مقاومت عالی در برابر سولفات‌ها و کلریدها ایجاد می‌کند. |
خاک رس کلسینه‌شده (Calcined Clay) | خاک رس معمولی که در دمای متوسط (600^circ C تا 900^circ C) حرارت داده شده است (به ویژه متَاکائولین). | یک جایگزین پایدار و بومی برای خاکستر بادی (که محدود است) است و پوزولانی قوی محسوب می‌شود. |
ج) فرآیند جایگزینی
جایگزینی کلینکر با مصالح بومی، فرآیند تولید را به سمت سیمان‌های پرتلند جایگزین با کربن پایین (LC^3) سوق می‌دهد. این فناوری با استفاده از خاک رس کلسینه‌شده و سنگ آهک به عنوان مواد اصلی، امکان می‌دهد تا تا 50 درصد از کلینکر سیمان با مواد ارزان‌تر و محلی جایگزین شود، در حالی که عملکرد و خواص مکانیکی بتن حفظ می‌شود.
