استفاده از مواد سیمانی از زمانهای بسیار دور متداول بوده است ، مصریان قدیم گچ تکلیس شده ناخالص را بکار می بردند، یونانیان و رومی ها سنگ آهک تکلیس شده را مصرف می کردند و بعدا آموختند که به مخلوط آهک و آب، ماسه و سنگ خرد شده یا آجر و سفالهای شکسته نیز اضافه کنند. این اولین نوع بتن در تاریخ بود. ملات آهک در زیر آب سخت نمی شود و رومی ها برای ساختمان سازی در زیر آب، سنگ و آهک و خاکستر آتشفشانی یا پودر بسیار نرم سفالهای سوخته شده را با هم آسیاب می نمودند و بکار می بردند.

سیلیس و آلومین فعال موجود در خاکستر و سفال با آهک ترکیب شده و آنچه که به اسم سیمان پوزولانی( پوزولان از اسم دهکده Pozzuoli که در نزدیکی آتشفشان وزو قرار دارد و برای اولین بار خاکستر آتشفشانی را در این محل پیدا نمودند گرفته شده است ) شناخته شده است را تولید می نماید. نام سیمان پوزولانی را تا به امروز برای توصیف سیمانهایی که به آسانی از آسیاب نمودن مواد طبیعی در دمای معمولی به دست می آیند بکار برده اند. بعضی از ساختمانهای رومی که در آنها آجرها بوسیله ملات به یکدیگر چسبانده شده اند مانند Coliseum در روم، وPont du Gard در نزدیکی Nimes و سازه های بتنی مانند ساختمان Pantheon در روم تا امروز باقی مانده اند و مواد سیمانی آنها هنوز سخت و محکم است. در خرابه های نزدیک Pompeii اغلب ملات بهم چسباننده سنگ ها کمتر از خود سنگ ها ، که نسبتاً سست می باشند، هوازده شده است.

در قرون وسطی انحطاطی در کیفیت و کاربرد سیمان بوجود آمد و فقط در قرن ۱۸ بود که پیشرفتی در دانش سیمان ها حاصل شد. در سال ۱۷۵۶ که John Smeaton مامور بازسازی برج چراغ دریایی Eddystone در فراساحل جنوب غربی انگلستان شده بود، به این نتیجه رسید که بهترین ملات وقتی به دست می آید که مواد پوزولانی با سنگ آهک حاوی نسبت قابل توجهی از مواد رسی مخلوط شود با تشخیص اینکه نقش خاک رس، که قبلاً نامناسب در نظر گرفته می شد، Smeaton اولین شخصی بود که به خواص شیمیایی آهک آبی ، یعنی ماده ای که از پخت مخلوطی از سنگ و خاک رس بدست می آید، پی برد. متعاقبا سیمانهای آبی دیگر مانند “سیمان رومی” که Jomes Parker از کلسینه نمودن گلوله های سنگ آهک رسی آن را بدست آورد، بوجود آمد. بالاخره در سال ۱۸۲۴ Joseph Aspdin که معماری در شهر Leeds بود « سیمان پرتلند» را به ثبت رساند. این سیمان را از حرارت دادن مخلوطی از پودر نرم خاک رس و سنگ آهک سخت در کوره، تا حدودی که Co2 آن به خارج رانده شود، بدست آوردند، دمای کوره خیلی پایین تر از حد لازم برای تولید کلینکر بود.

نخستین نمونه از سیمانی که امروزه آن را بنام سیمان پرتلند می شناسیم، در سال ۱۸۴۵ بوسیله Isaac Johnson از حرارت دادن مخلوط خاک رس و سنگ آهک سست تا حد کلینکر شدن و صورت پذیرفتن واکنش های لازم برای تشکیل ترکیبات چسباننده پر قدرت تهیه گردید. نام « سیمان پرتلند» که در ابتدا به علت تشابه رنگ و کیفیت سیمان گیرش حاصل کرده با سنگ پرتلند سنگ آهکی که در dorset انگلستان استخراج میشود  به آن داده شد، تا امروز در سراسر دنیا برای توصیف سیمانی که از هم در آمیختن کامل و حرارت دادن مواد آهکی و رسی یا سایر مواد حاوی سیلیس آلومین و اکسید آهن تا دمای کلینکر شدن و آسیاب نمودن کلینکر حاصل شده باقی مانده است و تعریف سیمان پرتلند در استانداردهای مختلف با توجه به اینکه بعد از پخت، سنگ گچ به آن افزوده میشود، بر این راستا قرار دارد امروزه ممکن است مواد دیگری نیز افزوده یا آمیخته شوند.

واژه کلمه سیمان

سیمان یا سمنت واژه‌ایست که از لغت سمنتوم رومی گرفته شده و قدمت آن به پیش از میلاد می‌رسد. مصرف آن در ساختمان پانتئون شهر رم واقع در ایتالیا که مربوط به ۲۷ قبل از میلاد است، دیده شده است. در ساختمان گنبد این بنا که ۴۳ متر قطر دارد، مخلوطی از خرده‌سنگ و آهک پخته به کار رفته است. ولی کشف سیمان به شکل امروز مربوط است به یک نفر بنای انگلیسی بنام ژوزف اسپدین که از پختن آهک و خاک رس در حرارت بالا و آسیاب کردن آن موفق شد ابتدایی‌ترین نوع سیمان را کشف نموده و آن را در تاریخ ۲۱ اکتبر ۱۸۲۴ به نام خود در انگلستان ثبت نماید و نام محصول به دست آمده را سیمان پرتلند گذاشت. علت این نامگذاری همان طور که گفته شد آن است که سیمان از سمنتوم رومی گرفته شده است و پرتلند نام جزیره‌ایست در انگلستان که رنگ سیمان پس از سخت شدن به رنگ سنگ‌های ساحلی این جزیره در می‌آید، به همین دلیل نام پرتلند را به دنبال سیمان برای آن انتخاب نموده‌اند. البته قبل از ژوزف اسپدین، اشخاص دیگری در فرانسه و انگلستان از پختن خاک رس و سنگ آهک مصالح مشابهی به دست آوردند ولی هیچکدام کار خود را دنبال نکرده و محصول خود را به ثبت نرساندند، ژوزف اسپدین نخستین شخصی بود که سیمان را در اوایل قرن نوزدهم در انگلستان به ثبت رسانده و آن را ابتدا برای ساخت فانوس دریایی مورد استفاده قرار داد.

علم سیمان

قرون ۱۸ و ۱۹ زمان کشف بسیاری از پدیده‌ها بود و توجه زیادی به پدیده‌های علمی و طبیعی توسط دانشمندان و محققین می‌شد. یکی از پدیده‌هایی که مورد توجه زیادی بود گیرش و سخت شدن ملات‌ها بود. از جمله این مواد، خواص هیدورلیکی ملات‌ها بود که در سال ۱۷۵۶ توسط «جان اسمیتون» انگلیسی کشف گردید. نامبرده به خواص مهم ترکیبات موجود در خاک رس، گیرش هیدرولیک و خاصیت سخت شدن این ترکیبات پی برد. این اکتشاف در پی تحقیقات او برای ربودن جایزه مسابقه‌ای بود که تحت عنوان بهترین ملات جهت تجدید بنای «فانوس دریایی ادی استون» مطرح شده بود و اسمیتون طی تحقیقات خود متوجه شد که بهترین ملات از پختن نوعی سنگ آهک به دست می‌آید که در آن مخلوط سنگ، مقداری خاک رس نیز وجود داشته باشد.

دنبال کردن این کشف توسط آقایان هیگینز و پارکر سرنخ اکتشافات بعدی بود تا اینکه اولین اقدام بشر در زمینه تهیه مخلوط مصنوعی از سنگ آهک و خاک رس برای تهیه سیمان آبی به نام آقای ویکت فرانسوی ثبت شد. اما نهایتاً افتخار نهایی نصیب آجرچین انگلیسی به نام جوزف اسپیدین شد. او موفق شد از پختن مخلوطی از سنگ آهک و خاک رس (به نسبت متفاوت و به صورت دوغاب) در درجه حرارت بالا به نوعی آهک آبی فوق‌العاده جالب دست یابد که نام آن را سیمان پرتلند گذاشت و در ۲۱ اکتبر ۱۸۲۴ سیمان ساخته شده خود را به ثبت رسانده و لوح تقدیر از جرج چهارم دریافت کند. علت این نامگذاری هوشیارانه شباهت خیلی زیاد رنگ آن با نوعی سنگ آهک موجود در جزیره پرتلند انگلیس است. سیمان ساخته شده او واقعاً بهتر و عالی‌تر از تمام سیمان‌های قبلی بوده و دارای مقاومت بیشتری بود. به همین علت از آن در ساخت پارلمان جدید انگلستان که از سال ۱۸۴۰ تا ۱۸۵۲ طول کشید، استفاده گردید.

بدین ترتیب بشر وارد عصر تولید صنعتی سیمان شد و برای اولین بار در تاریخ صنعتی، نخستین مؤسسه استاندارد تولید توسط تولیدکنندگان سیمان در کشور آلمان به وجود آمد؛ لذا سیمان اولین محصول صنعتی است که دارای استاندارد تولید شده است. تولید صنعتی سیمان پرتلند از اوایل قرن ۱۹ با کوره‌های دارای ۵تن ظرفیت در هفته که کاملاً شبیه به کوره‌های آهک‌پزی بوده شروع و به مرور هماهنگ با افزایش تقاضا برای این کالای معجزه‌گر ابداعاتی در ساختمان کوره‌ها و نحوه تولید صورت گرفت. بالاخره با ابداع کوره‌های دوار، قدم عظیمی در جهت پاسخگویی به بازار مصرف برداشته شد. ثمره ۸۰ سال کار و استفاده از تکنولوژی دوار سیمان منتهی به ساخت کوره‌هایی با ظرفیت ۱۰۰٫۰۰۰ تن کلینکر در روز شده است. اکنون هزاران کوره در کلیه نقاط دنیا هر جا که معادن سنگ آهک و خاک‌رس وجود داشته باشد، مشغول به تولید سیمان است.

اجزای تشکیل دهنده سیمان

مصالح آهکی خارجی (حدود ۶۰  الی ۶۷ ) درصد

رس (حدود ۳  الی ۷ ) درصد

سیلیس (۱۷  الی ۲۷ ) درصد

اکسیدهای معدنی[۲]

اکسید آهن (۰/۵  الی ۶ ) درصد

اکسید سدیم (۰/۲  الی ۱/۳ ) درصد

اکسید منیزیم (۰/۱  الی ۴/۵ ) درصد

اکسید پتاسیم (۰/۲  الی ۱/۳ ) درصد

اکسید آلومینیوم (۳  الی ۸ ) درصد

سیمان برقی

اگر در مواد اولیه سیمان اکسید آلومینیم زیاد وآهک کم شود سیمان به دست آمده دارای خواصی ممتاز می‌گردد؛ از این رو، از ذوب کردن مخلوط بوکسیت و سنگ آهک در کورهٔ برقی در حرارت۱۵۰۰ تا۱۶۰۰ درجه به دست می آیدکه مدتی آن را به حالت ذوب نگه داشته، به مرور سرد کرده‌اند. این کار جز با نیروی برق امکان‌پذیر نیست. ملات سیمان برقی باد نمی‌کند، زیرا آهک آزاددر آن وجود ندارد؛ بنابراین، در مقابل آب‌های سولفات دار وزمین‌های گچ دار مقاوم بوده برای سازه‌های دریایی نیز بسیار مناسب است. مقدار آب‌های لازم برای هیدراته شدن آن تقریبا دو برابر آبی است که برای سیمان پرتلند لازم است، چون سیمان برقی زود گیر است. این سیمان خیلی سریع مقداری گرما پس می‌دهد و در درجه گرمای ملات آن نزدیک به حد جوش آمدن آب می‌رسد و به همین دلیل سرما در آن چندان تاثیری ندارد.

ترکیبات شیمی  سیمان

مواد خام تشکیل دهنده سیمان اساسا از اکسیدهای کلسیم و سیلیسیم و آهن تشکیل شده‌است. این مواد در کوره با هم ترکیب شده و غیر از مقداری آهک آزاد باقی مانده، که فرصت کافی برای فعل و انفعال نداشته‌است، ترکیبات شیمیایی جدید و پایداری نتیجه می‌شوند. در هنگام خنک کردن مصالح، براساس سرعت خنک کردن، مواد به صورت بلوری و بی شکل ظاهر می‌گردند. دانه‌های بی شکل که اکثرا شیشه‌ای هستند و دانه‌های بلوری شده، درحالی که یک فرمول شیمیایی دارند، دارای خواص متفاوتی هستند. برای سیمان معمولی، درصد ترکیبات حاصل از فعل و انفعالات فوق با داشتن درصد اکسیدهای موجود در کلینکر و با فرض اینکه کریستاله شدن کامل انجام پذیرفته باشد قابل محاسبه‌است. چهارترکیب اصلی سیمان عبارتند از:تری کلسیم سیلیکات، دی کلسیم سیلیکات، تری کلسیم آلومینات، تترا کلسیم آلومینو فریت.

خواص ترکیبات اصلی سیمان

سیلیکات‌ها یعنی C۲S و C۳S ترکیبات اصلی و مهم سیمان می‌باشند و مقاومت سیمان هیدراته شده به آنها بستگی دارد. اکسیدهای تشکیل دهنده این سیلیکات‌ها تاثیرات مهمی روی شکل اتمی و کریستالی و خواص هیدرولیکی انها دارند. حضور C۳A در سیمان سودمند نیست. این ترکیب نقشی در مقاومت سیمان، به جز کمی در سن اولیه آن، نداشته و بعد از سخت شدن سیمان در صورت حمله سولفاتی با تشکیل سولفوآلومینات کلسیم (اترینگایت) سبب خرابی بتن می‌گردد. ولی C۳A در فرایند تولید در ترکیب اکسیدکلسیم با اکسیدسیلیسیم سهولت ایجاد کرده و سودمند است. C۴AF که به میزان کمی به وجود می‌آید در مقابل سه ترکیب دیگر نقش عمده‌ای در خواص سیمان ندارد. به هرحال این ترکیب با سنگ گج سیمان، سولفوفریت کلسیم تشکیل می‌دهد که این ماده هیدراتاسیون سیلیکات‌ها را تسریع می‌کند.

ملات خشک

ملات خشک که در زبان انگلیسی اغلب با نام های Dry Mix، Ready Mix Mortar، Dry Mortar از آن یاد می شود از ترکیب سه ماده اصلی یعنی سیمان، سنگدانه ها و مواد افزودنی شیمیایی تهیه می شود. نسبت ترکیب و نوع مواد یاد شده براساس تولید محصولات مختلف ملات خشک متفاوت است. محصولات ملات خشک در محل کارخانه پیمانه و مخلوط می شوند و به صورت خشک به صورت پاکت و یا فله به محل کارگاه ساختمانی حمل می شوند و در آنجا به نسبت مشخصی با آب مخلوط گشته و قابل استفاده می شوند، ملات های خشک انواع گوناگونی دارند و کاملا برتر از انواع سنتی هستند. ملات می تواند در بلوک های سنگ، آجری و انواع بلوک مورد استفاده قرار گیرد ، ملات پس از استفاده سخت می شده در نتیجه یک ساختار با دانه ها سفت و سخت ایجاد میکند ملات های مدرن معمولا از مخلوطی از شن و ماسه، اجزا که بهم پیوسته هستند مانند سیمان و یا آهک، و آب ساخته شده است. ملات برای تعمیر نیز مورد استفاده قرارمی گیرد.

کربوناتسیون

کربناتاسیون، واکنش شیمیایی است که در آن کلسیم هیدروکسید با دی اکسید کربن واکنش داده و کلسیم کربنات نامحلول تشکیل می دهد. کربوناتسیون واکنش آرامی است که در بتن نیز رخ می دهد و در آن Lime ( کلسیم هیدروکسید ) در سیمان با دی اکسید کربن موجود در هوا واکنش داده و کلسیم کربنات تشکیل میدهد. کربوناتسیون با پ‌هاش کم (اسیدی) ممکن است به خوردگی میله‌های فلزی آرماتور و صدمه به سازه‌های بتنی شود. . برای بررسی کربوناتسیون بتن نخست محلول یک درصد فنل فتالئین را بر روی بتن می پاشیم و سپس به تغییر رنگ آن دقت میکنیم. به موجب آن اگر قلیایی باشد به قرمز تغییر رنگ میدهد و اگر خنثی باشد تغییر رنگی مشاهده نمی‌شود.