هیدراتاسیون سیمان چیست؟

پس از اختلاط آب، سیمان، سنگدانه‌ها و مواد افزودنی بتن حرارت مخلوط به طرز چشمگیری بالا می‌رود. این افزایش حرارت در نتیجه ی واکنش شیمیایی گرمازا بین سیمان و آب رخ می‌دهد که به هیدراتاسیون مشهور است. نقش مهم دیگری که هیدراتاسیون دارد، ایجاد خاصیت چسبندگی در سیمان می‌باشد زیرا همانطور که میدانیم، سیمان به تنهایی خاصیت چسبندگی ندارد و پس از ترکیب با آب، این خاصیت را کسب می‌کند.

فرآیند هیدراتاسیون شامل پنج فاز می‌باشد که در ادامه بررسی می‌نمائیم:

• واکنش اولیه اختلاط
• رکود یا نهفتگی
• کسب مقاومت
• کاهش سرعت واکنش
• توسعه یکنواخت

حال به بررسی موارد بالا می‌پردازیم.

• واکنش اختلاط اولیه

زمانی که در مراحل ابتدایی اختلاط سیمان با آب ترکیب میگردد، یک افزایش دمای ناگهانی در مخلوط اتفاق می افتد. این افزایش دما در اثر انرژی آزاد شده از واکنش آلومینات و آب رخ می‌دهد. این واکنش بسیار سریع است و باید با افزودن گچ، سرعت انجام آن را کاهش دهیم تا بتوانیم در کار‌های ساختمانی مورد استفاده قرار دهیم.

• رکود (نهفتگی)

در این فاز سرعت واکنش به دلیل کاور شدن سطح دانه‌های سیمان کاهش می‌یابد. به همین دلیل این فاز مناسب ترین زمان برای حمل و ریختن بتن در محل مورد نظر می‌باشد.

• کسب مقاومت

در این فاز، به دلیل وقوع واکنش‌های شیمیایی کلسیم سیلیکات‌ها (C₃S و C₂S) ، حرارت افزایش یافته و هیدرات سیلیکات (CSH) تشکیل می‌گردد. این پدیده تاثیر بسیار زیادی بر سخت شدن بتن دارد و می تواند دمای بتن را تا حدود 70 درجه سانتیگراد بالا ببرد.

• کاهش سرعت واکنش

در این فاز از واکنش سرعت افزایش دما کاهش یافته و میتوان بتن را مناسب دانست و قالب بندی بتن را باز کرد.

• توسعه یکنواخت (بتن پس از باز شدن قالب ها):

تا اینجای فرآیند مقدار بسیار کمی از ذرات سیمان و آب باقی مانده اند که هنوز وارد واکنش نشده اند. در این فاز، بتن هفته‌ها و شاید ماه‌ها زمان می‌برد تا بتواند واکنش هیدراتاسیون را تکمیل نماید.

عوامل موثر بر نرخ هیدراتاسیون سیمان

ترکیبات سیمان

ترکیبات معدنی سیمان و نسبت های آن‌ها عامل اصلی در تعیین نرخ هیدراتاسیون هستند. همانطور که می دانیم ترکیباتی مانند C₃S ، C₃A ، C₂S و … در سیمان وجود دارند که هر کدام در ترکیب با آب واکنش‌های جداگانه ای از خود نشان می‌دهند. برای مثال افزایش مقدارC₃A  می تواند سرعت سخت شدن و حرارت هیدراتاسیون را بالا ببرد.

مقدار گچ موجود در ترکیب

همانطور که بالاتر اشاره شد، واکنش C₃A با آب، یک واکنش بسیار سریع است و سبب سفت شدن سریع بتن و آزاد شدن مقدار بسیار زیادی حرارت هیدراتاسیون می شود. کارکرد گچ در ترکیب بدین صورت است که با افزودن آن به ترکیب، گچ با C₃A واکنش می‌دهد و سبب تشکیل سولفوآلومینات کلسیم می گردد که به عنوان لایه محافظ ذرات سیمان عمل کرده و زمان گیرش را به تاخیر می‌اندازد و به تبع آن، حرارت هیدراتاسیون کاهش می‌یابد.

نرمی سیمان

یکی دیگر از عوامل موثر بر نرخ هیدراتاسیون سیمان، اندازه و نرمی ذرات سیمان است که علاوه بر هیدراتاسیون بر مقاومت، گیرش و سخت شدن مخلوط بتن تاثیر مستقیم دارد. هرچه سیمان نرم تر باشد، سطح جانبی کلی دانه‌ها بیشتر شده و در نتیجه میزان آب بیشتری در واکنش شرکت می‌نماید و به دنبال آن هیدراتاسیون سریعتر و روند کسب مقاومت زودتر انجام می‌گیرد. نرمی سیمان را با آزمایش بلین می‌سنجند.

شرایط عمل آوری بتن

اگر بتن در مناطق خشک و گرم ریخته شود و عمل آوری بتن مناسب انجام نگیرد، با تبخیر آب نسبت آب به سیمان در بتن کاهش یافته و فرآیند هیدراتاسیون به خوبی شکل نمی‌گیرد و همچنین  شاهد بروز ترک در بتن خواهیم بود.

انبار نمودن غیر اصولی پاکت های سیمان

یکی از موارد مهمی که باید در ارتباط با سیمان رعایت نمود، مساله انبار نمودن پاکت‌های سیمان می‌باشد که اگر به صورت غیر اصولی انجام شود، میتواند سیمان را در معرض رطوبت قرار دهد و در نتیجه نرخ هیدراتاسیون کاهش می‌یابد. همچنین به دلیل وجود کربن دی اکسید در هوا، خطر بروز پدیده کربناتاسیون بالا می‌رود.

جمع بندی نکات هیدراتاسیون سیمان

همانطور که ذکر شد واکنش هیدراتاسیون یک واکنش گرما زا بوده و با آزاد شدن میزان زیادی حرارت همراه است. این حرارت آزاد شده گاهی برای ما مفید است (مانند بتن ریزی در فصول سرد سال) و گاهی نیز مضر می‌باشد (مانند بتن ریزی در حجم های بالا). بنابراین لازم است که تمامی استاندارد‌ها و نسبت‌های معین برای طرح اختلاط بتن را به درستی رعایت نمائیم.