مركبات الإسمنت وتأثيرها على قوة الخرسانة

ما هي المركبات الموجودة في الإسمنت؟

المركّبات في الإسمنت هي أساساً سيليكات فوسفات ثلاثي الكالسيوم، سيليكات فوسفات ثنائي الكالسيوم، ألومينات ثلاثي الكالسيوم وألومينو فريت الكالسيوم، لا تتحكم هذه المركّبات في مُعظم خصائص الإسمنت فحسب، بل تتفاعل أيضًا مع الماء لإنتاج مواد جديدة (ترطيب الأسمنت) وبالتالي مسؤولة عن قوة الخرسانة، على سبيل المثال هيدرات سيليكات فوسفات ثلاثي الكالسيوم تتصلّب بسرعة وبالتالي تولّد الحرارة بشكل كبير في حين أن ترطيب المركبات الثلاثة الأخرى يكون بطيئًا وبالتالي تكون حرارة الترطيب أقل بكثير.

ثَبت أن سيليكات فوسفات ثلاثي وثنائي الكالسيوم توفّر مُعظم القوة الخرسانية ولكن مساهمة ألومينات فوسفات ثلاثي الكالسيوم وألومينو فريت الكالسيوم في قوة الخرسانة منخفضة بشكل كبير في القوة المبكّرة والقوة النهائية ومن الجدير بالذكر أن سيليكات فوسفات ثلاثي الكالسيوم هي المركّب الوحيد الذي يوفر قوة مبكرة عالية للخرسانة.

أنواع المركبات في الإسمنت وتأثيرها على قوة الخرسانة:

سيليكات فوسفات ثلاثي الكالسيوم وسيليكات فوسفات ثنائي الكالسيوم، إنّ الصيغة الكيميائية لسيليكات فوسفات ثلاثي الكالسيوم (C3S) وسيليكات فوسفات ثنائي الكالسيوم (C2S) هي (3CaO.SiO2) و(2CaO.SiO2) على التوالي، يتحكم اثنان من السيليكات وهما C3S و C2S في معظم خصائص إعطاء القوة، عند الترطيب يُعطي كل من (C3S) و(C2S) نفس المنتج المسمّى هيدرات سيليكات الكالسيوم (C3S2H3) وهيدروكسيد الكالسيوم، سيليكات فوسفات ثلاثي الكالسيوم (C3S) التي تعطي معدل رد فعل أسرع مصحوبًا بتطور حرارة أكبر يطور قوة مبكرة.

من ناحية أخرى ترطب سيليكات فوسفات ثنائي الكالسيوم (C2S) وتتصلّب ببطء وتوفر الكثير من القوة المطلقة، من المحتمل أن يساهم كل من مرحلتي (C3S) و(C2S) بشكل متساوٍ في القوة النهائية للإسمنت كما يمكن رؤيته، يحتاج (C3S) و(C2S) إلى حوالي 24 و 21 بالمائة من الماء بالوزن، على التوالي للتفاعل الكيميائي، لكن (C3S) يُحرر ما يقرب من 3 أضعاف كمية التفاعل الكيميائي من هيدروكسيد الكالسيوم مثل (C2S) ومع ذلك، يوفر (C2S) المزيد من المقاومة للهجوم الكيميائي.

هذا هو السبب في أن النسبة المئوية الأعلى من (C3S) تؤدي إلى تصلّب سريع مع زيادة مبكّرة في القوة عند ارتفاع حرارة الترطيب، من ناحية أخرى تؤدي نسبة أعلى من (C2S) إلى تصلّب بطيء، حرارة أقل من الماء ومقاومة أكبر للهجوم الكيميائي، إنّ (C2S) مسؤولة عن قوة ملموسة بعد 7 أيام من العمر.

خلاصة الحديث أنه تعتمد القوة التي طورها الأسمنت البورتلاندي على تكوينه ودقة صلاحيته، (C3S) مسؤول بشكل رئيسي عن القوة التي تم تطويرها في الأسبوع الأول من التصلّب و (C2S) للزيادة اللاحقة في القوة، الألومينا ومركبات الحديد الموجودة فقط بكميات أقل تقدم مساهمة مباشرة قليلة في القوة، يمكن أن تعاني مجموعة الأسمنت والخرسانة من التدهور من هجوم بعض العوامل الكيميائية الطبيعية أو الاصطناعية، مركّب الألومينا هو الأكثر عرضة للهجوم الكيميائي في التربة التي تحتوي على أملاح الكبريتات أو في مياه البحر، في حين أن مركّب الحديد وكليكات الكالسيوم أكثر مقاومة.

هيدروكسيد الكالسيوم المنطلق أثناء ترطيب سيليكات الكالسيوم عرضة أيضًا للهجوم، لأن الإسمنت يُحرر الحرارة عندما يرطب، يمكن للخرسانة الموضوعة بكتل كبيرة كما في السدود أن تتسبب في ارتفاع درجة الحرارة داخل الكتلة بما يصل إلى 40 درجة مئوية (70 درجة فهرنهايت) فوق درجة الحرارة الخارجية، يمكن أن يكون التبريد اللاحق سببًا في التصدع.

ألومينات ثلاثي الكالسيوم وَألومينو فريت الكالسيوم، إنّ الصيغة الكيميائية لِألومينات ثلاثي الكالسيوم وَألومينو فريت الكالسيوم (C3A) و(C4AF) هي (3CaO.Al2O3) و(4CaO.Al2O3Fe2O3) على التوالي، يتفاعل مركّب أَلومينات ثلاثي الكالسيوم (C3A) بشكل سريع مع الماء وقد يؤدي إلى تيبس فوري للمعجون وتُسمّى هذه العملية مجموعة فلاش، دور الجِبس المضاف في صناعة الأسمنت هو منع مثل هذا التفاعل السريع، يتفاعل ألومينات ثلاثي الكالسيوم (C3A) مع 40 في المائة من الماء بالكتلة وهذا أكثر ممّا هو مطلوب للسيليكات.

مع ذلك نظرًا لأن كمية ألومينات ثلاثي الكالسيوم (C3A) في الإسمنت صغيرة نسبيًا، فإنّ الماء الصافي المطلوب لترطيب الأسمنت لا يتأثر بشكل كبير، إنّه يوفّر مقاومة ضعيفة ضد هجوم الكبريتات وربما تكون مساهمته في تطوير قوة الأسمنت أقل أهمية، يتراكم تيتراكالسيوم ألومينو فيريت بسرعة ولكنه لا يساهم كثيرًا في قوة الخرسانة، غالبية الأسمنت البورتلاندي بسبب ألومينو فريت الكالسيوم (C4AF).

جدول 1 النسبة المئوية حسب كتلة كل مركّب في الاسمنت.

الجدول 2 مساهمة المركّبات المختلفة في الأسمنت في القوة الخرسانية للقوة المبكّرة والقوة النهائية.