ซีเมนต์และคอนกรีต

      มีสิ่งก่อสร้างในปัจจุบันเป็นจำนวนมากที่ทำขึ้นด้วยส่วนผสมของซีเมนต์ หิน ทราย และน้ำ เราเรียกส่วนผสมนี้ว่า คอนกรีต คอนกรีตเป็นวัสดุก่อสร้างที่มีปริมาณการใช้งานเพิ่มขึ้นทุกที ทั้งนี้ เพราะไม้ซึ่งเป็นวัสดุก่อสร้างที่เคยใช้มาแต่เดิมหายากขึ้น ราคาแพง ไม่ทนทาน รับน้ำหนักได้น้อยไม่เหมาะสำหรับการก่อสร้างอาคารหรือสิ่งก่อสร้างใหญ่ ๆ และคอนกรีตสามารถหล่อเป็นรูปร่าง  ต่าง ๆ ตามต้องการได้จึงสะดวกต่องานก่อสร้างโดยเฉพาะอย่างยิ่งอาคารหลาย ๆ ชั้น สะพาน โรงงาน ท่อระบายน้ำ เขื่อนกั้นน้ำ เป็นต้น คอนกรีตจะแข็งแรงมากขึ้นถ้าใส่เหล็กไว้ภายในเราเรียกคอนกรีตชนิดนี้ว่า "คอนกรีตเสริมเหล็ก" (reinforced concrete) 

      ในสมัยโบราณเมื่อยังไม่มีการค้นพบซีเมนต์วัสดุก่อสร้างที่ใช้กับงานก่อสร้างใหญ่ ๆ เป็นส่วนผสมของปูนขาว ทราย และน้ำ อาจมีวัสดุอื่นผสม เช่น น้ำอ้อย เป็นต้น เพื่อให้ปูนขาวและทรายยึดตัวกันดีขึ้น เราเรียกส่วนผสมนี้ว่า "ปูนสอ" (mortar) ในทางปฏิบัติคนสมัยก่อนมักจะเรียกปูนสอว่า ซีเมนต์ คำว่าซีเมนต์มาจากภาษาละตินซึ่งแปลว่า "ตัด" โดยใช้เรียกหินปูนที่ตัดเป็นชิ้น ๆ เพื่อจะนำมาเผาเป็นปูนขาว แต่ซีเมนต์ในปัจจุบันหมายถึงตัวประสานวัสดุสองชนิดหรือหลาย ๆ ชนิดให้ติดแน่น ในกรณีของคอนกรีตหรือคอนกรีตเสริมเหล็กซีเมนต์เป็นตัวทำให้ทราย หิน และเหล็ก ยึดติดกันแน่นเมื่อแห้งและแข็งตัวดีแล้ว 

ซีเมนต์ 

ซีเมนต์ตามความหมายของการใช้งานทางวิศวกรรม แบ่งออกเป็น ๒ ชนิด คือ บิทูมินัส (bituminous) และนอนบิทูมินัส (nonbituminous) 

      บิทูมินัสซีเมนต์ ได้แก่ มะตอย (asphalts) และน้ำมันยาง (tars) เราใช้มะตอยหรือน้ำมันยางเป็นตัวประสานหินหรือกรวดในการทำผิวถนน นอกจากนี้ยังใช้บิทูมินัสซีเมนต์ผสมกับหิน ทราย ราดทำผิวถนนและเรียกส่วนผสมนี้ว่า แอสฟัลต์คอนกรีต (asphalt concrete) 

      นอนบิทูมินัสซีเมนต์ ได้แก่ อะลูมินาซีเมนต์ (alumina cement) และปอร์ตแลนด์ซีเมนต์ (portland cement) มีลักษณะเป็นผงสีเทาอ่อนต้องผสมน้ำปริมาณมากพอสมควรแล้วทิ้งไว้ให้แห้งจึงจะแข็งตัว เรามักจะนิยมเรียกซีเมนต์ชนิดนี้ว่า ไฮดรอลิกซีเมนต์ (hydraulic cement) ทั้งนี้เพราะต้องใช้น้ำผสมและแข็งตัวในน้ำได้ ปอร์ตแลนด์ซีเมนต์เป็นซีเมนต์ที่ใช้ในการก่อสร้างมากที่สุด

การผลิตปอร์ตแลนด์ซีเมนต์ 

โดยทั่ว ๆ ไป กรรมวิธีการผลิตมีอยู่ ๒ แบบ คือ แบบผสมเหลว (wet process) และแบบผสมแห้ง (dry process)

แบบผสมเหลว 

      วัตถุดิบคือ ดินขาวหรือปูนมาร์ล (marl or calcium cabonate) ดินเหนียว (clay) และดินดำ ผสมวัตถุดิบทั้งสามชนิดกับน้ำในบ่อตีดิน (wash mill) กวนให้เข้ากันเรียกว่า น้ำดิน (slushy) แล้วกรองเอาก้อนหินก้อนดินออก น้ำดินที่ละลายเข้ากันดีแล้วนำไปเผาในหม้อเผาแบบหมุน ความร้อนในหม้อเผาประมาณ ๒,๕๐๐-๓,๐๐๐ องศาเซลเซียส จะทำให้น้ำและก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ในน้ำดินระเหยกลายเป็นเม็ดปูนซีเมนต์ (clinker) จากนั้นก็นำเม็ดปูนไปบด เติมยิปซัม (gypsum) ลงไปเล็กน้อยเพื่อชะลอการแข็งตัวของซีเมนต์ขณะใช้งาน หลังจากนั้นจะลำเลียงไปเก็บไว้ในยุ้งเก็บซีเมนต์ผง (cement silo) เพื่อรอการบรรจุลงถุงต่อไป

แบบผสมแห้ง 

      วิธีนี้ใช้วัตถุดิบสำคัญ ๒ ชนิด คือ หินปูน (limestone) และดินดาน (shale) มาผสมกันให้ถูกส่วนแล้วนำไปบดให้เป็นผงละเอียดตามต้องการ ต่อไปจึงนำไปเก็บไว้ในยุ้งเก็บเพื่อรอส่งไปเผาให้สุกเช่นเดียวกับแบบผสมเหลวในเตาเผาแบบหมุนและบดเป็นผงซีเมนต์อีกครั้งแบบผสมแห้งเป็นวิธีที่ไม่ต้องการใช้น้ำเข้าผสมและวัตถุดิบที่ใช้ก็ต้องอยู่ในลักษณะแห้งด้วย ปัจจุบันนี้นิยมใช้แบบผสมแห้งแทนแบบผสมเหลวซึ่งส่วนใหญ่เลิกใช้แล้ว  ซีเมนต์เมื่อผสมกับน้ำจะเกิดความร้อน ความร้อนที่เกิดขึ้นนี้เรียกว่า ความร้อนที่เกิดจากสารประกอบที่มีน้ำอยู่ด้วย (heat of hydration) ปอร์ตแลนด์ซีเมนต์ แบ่งเป็น ๕ ชนิดด้วยกัน คือ 

      ๑. ชนิดธรรมดา ใช้งานก่อสร้างทั่วไป เช่น ทำผิวถนน สะพาน ท่อระบายน้ำ เป็นต้น ซีเมนต์ชนิดนี้มีข้อเสียคือไม่ทนต่อสารที่เป็นด่างในโครงสร้างหรืออาคารที่มีสารเป็นด่างอยู่ เช่น โรงงานอุตสาหกรรมเคมี เป็นต้น จะไม่นิยมใช้ซีเมนต์ชนิดนี้ 

      ๒. ชนิดให้ความร้อนและทนด่างได้ปานกลาง  ซีเมนต์ชนิดนี้เมื่อผสมกับน้ำจะคายความร้อนออกต่ำกว่าชนิดธรรมดาและมีความต้านทานต่อสารที่เป็นด่างได้บ้างเหมาะสำหรับงานก่อสร้างตอม่อขนาดใหญ่ในบริเวณที่มีอากาศร้อนจัด 

      ๓. ชนิดเกิดแรงสูงเร็ว ซีเมนต์ชนิดนี้เกิดแรงสูงเร็วในระยะแรกเหมาะสำหรับงานที่ต้องการถอดไม้แบบเร็วและต้องการประหยัดซีเมนต์  ซีเมนต์ชนิดนี้มีเนื้อละเอียดมากกว่าชนิดอื่น ๆ แต่อาจทำให้เกิดรอยร้าวบนผิวคอนกรีตได้ง่าย 

      ๔. ชนิดคายความร้อนต่ำ ซีเมนต์ชนิดนี้มีอัตราการคายความร้อนต่ำมากเหมาะสำหรับงานก่อสร้างใหญ่ ๆ โดยเฉพาะการสร้างเขื่อน

      ๕. ชนิดมีความต้านทานต่อสารที่เป็นด่าง ซีเมนต์ชนิดนี้ใช้สำหรับอาคารที่ต้องสัมผัสกับสารที่เป็นด่างอย่างแรงโดยปกติซีเมนต์ชนิดนี้จะแข็งตัวช้ากว่าธรรมดา

คอนกรีต 

      คอนกรีต คือ ส่วนผสมของซีเมนต์ ทรายและหินหรือซีเมนต์ ทรายและกรวด ตามสัดส่วนแล้วเติมน้ำลงไปเพื่อให้ทำปฏิกิริยากับซีเมนต์ กลายเป็นตัวประสานซึ่งจะยึดทรายกับหินหรือกรวดเข้าด้วยกันเป็นก้อนแข็ง สัดส่วนที่ใช้โดยทั่ว ๆ ไปคือ
      (๑) ๑:๒:๔ ใช้ผสมทำคอนกรีตสามัญทุกชนิด ประกอบด้วยซีเมนต์ ๑ ส่วน ทราย ๒ ส่วน และหิน หรือกรวด ๔ ส่วน 

      (๒) ๑:๑.๕:๓ สำหรับคอนกรีตที่ต้องการรับแรงสูงเป็นพิเศษ เช่น ตอม่อใต้น้ำ 

      (๓) ๑:๓:๖ เป็นคอนกรีตหยาบใช้เทเหนือเสาเข็มเพื่อรองรับฐานราก สัดส่วนนี้เป็นสัดส่วนโดยน้ำหนักแต่ในทางปฏิบัติทั่วไปแล้วสะดวกที่จะใช้สัดส่วนโดยปริมาตร

คอนกรีตเสริมเหล็กและคอนกรีตอัดแรง 

      เราทราบกันอยู่แล้วว่าวัตถุเปราะเช่นคอนกรีตหรืออิฐหินนั้นจะสามารถทนต่อแรงกดได้สูง แต่ในขณะเดียวกันไม่สามารถทนต่อแรงดึงหรือแรงดัดได้มากนักจึงใช้เหล็กใส่ไว้ภายในคอนกรีตเหล็กที่ใส่มักเป็นเหล็กเส้นหรือเหล็กรูปพรรณ เมื่อเทคอนกรีตลงไปคอนกรีตที่แห้งแล้วจะยึดติดแน่นกับเหล็ก เรียกว่า คอนกรีตเสริมเหล็ก ฉะนั้นเพื่อให้คอนกรีตมีความคล่องตัวในการใช้งานยิ่งขึ้นจึงได้มีการค้นคว้าคอนกรีตอัดแรง (prestressed concrete) ขึ้น

      คอนกรีตอัดแรงมี ๒ ชนิด ชนิดแรกใช้วิธีดึงเหล็กก่อน (pretensioning method) เช่น การทำเสาไฟฟ้าคอนกรีตอัดแรงจะต้องทำแบบเสาไฟฟ้าเป็นโครงเหล็กวางบนพื้นดินก่อนแล้วร้อยลวดเหล็กไปตามความยาวของแบบดึงเหล็กนี้ให้ยึดออกตามรายการที่คำนวณไว้จากนั้นก็จะเทคอนกรีตลงในแบบ  เมื่อคอนกรีตแข็งตัวแล้วปล่อยแรงที่ดึงออกเหล็กเส้นที่เป็นโครงภายในก็จะหดตัวกลับ การหดตัวกลับของเหล็กจะทำให้เสาคอนกรีตนั้นมีแรงอัดอยู่ในตัวเองตลอดเวลา อีกวิธีหนึ่งใช้วิธีดึงเหล็กทีหลัง (posttensioning method) เช่น คานสะพานคอนกรีตอัดแรงวิธีทำนั้นจะต้องทำแบบคาน และวางท่อที่จะสอดเหล็กไว้ตลอดความยาวของคานเมื่อเทคอนกรีตลงในแบบจนแข็งตัวแล้วก็ร้อยลวดเหล็กตามท่อยึดปลายเหล็กข้างหนึ่งกับปลายคานให้แน่นแล้วดึงเหล็กอีกปลายหนึ่งให้ยืดออกตามรายการคำนวณ แล้วใช้ลิ่มยึดปลายเหล็กไว้กับปลายคานอีกข้างหนึ่งเป็นเสร็จการ  ในกรณีนี้ก็จะเป็นการเพิ่มแรงอัดให้กับคานคอนกรีตก่อนที่จะนำคอนกรีตไปใช้งานเมื่อนำคานคอนกรีตไปทำสะพานคานนี้จะรับน้ำหนักบรรทุกจร (live load) ทำให้เกิดแรงดึงและแรงดัดขึ้นซึ่งจะหักล้างกับแรงอัดที่มีอยู่แล้วในคานคอนกรีตดังนั้นจะไม่เกิดแรงดึงในคานคอนกรีต  จะเห็นได้ว่าคอนกรีตอัดแรงได้ช่วยให้วิศวกรสามารถใช้คอนกรีตสร้างสะพานหรือคานคอนกรีตที่มีช่วงยาวมาก ๆ ทำเสาไฟฟ้าแรงสูงคอนกรีตแทนเสาไม้ซึ่งเหมาะสมกับความต้องการของประเทศ

การหล่อและบ่มคอนกรีต

      ในการเทคอนกรีตลงแบบหรือการหล่อคอนกรีต (placing concrete) พื้น เสา คาน หรือผนัง มักนิยมใช้ไม้หรือเหล็กทำเป็นแบบให้ได้ขนาดและรูปร่างที่ต้องการไม้ที่ใช้เป็นไม้ราคาถูก เช่น ไม้กระบาก แต่บางทีก็ใช้ไม้อัดทำไม้แบบสำหรับเทคอนกรีตเพราะไม้อัดทำให้ผิวคอนกรีตเรียบร้อยและไม่ต้องฉาบปูนทับ หลังจากเทคอนกรีตลงในแบบประมาณ ๕-๗ วัน คอนกรีตจะแข็งตัวและอัตราการเพิ่มกำลังของคอนกรีตจะสูงประมาณร้อยละ ๗๐ ของกำลังคอนกรีตเมื่ออายุ ๑ เดือนหลังจากนั้นอัตราการเพิ่มกำลังของคอนกรีตจะค่อย ๆ เพิ่มขึ้น ด้วยเหตุนี้เราจึงต้องทิ้งคอนกรีตไว้อย่างน้อย ๓๐ วัน จึงจะใช้งานได้เนื่องจากคอนกรีตรับแรงอัดได้สูงแต่รับแรงดึงหรือแรงดัดได้ต่ำมาก ฉะนั้นโครงสร้างที่ต้องรับแรงดึงและแรงอัด เช่น คาน และพื้นหรือในส่วนที่ยื่นออกไป เช่น กันสาดหลังจากถอดไม้แบบแล้วจะต้องใช้เสาไม้ค้ำไว้อย่างน้อยที่สุด ๒๐ วัน เพื่อให้คอนกรีตแข็งพอที่จะรับแรงได้ 

      ดังได้กล่าวมาแล้วว่าเมื่อผสมซีเมนต์กับน้ำซีเมนต์จะคายความร้อนให้กับน้ำซึ่งเป็นส่วนผสมของคอนกรีต ถ้าน้ำในคอนกรีตแห้งเร็วเกินไปโดยการซึมหรือระเหยความร้อนที่คายจากซีเมนต์จะสะสมอยู่ในคอนกรีตทำให้คอนกรีตแตกหรือร้าวได้เพื่อไม่ให้คอนกรีตแตกหรือร้าว เนื่องจากน้ำในคอนกรีตแห้งเร็วเกินไปจึงจำเป็นต้องทำให้คอนกรีตชื้นอยู่ อย่างน้อย ๑๕ วัน การรักษาความชื้นในคอนกรีตให้คงที่อยู่นี้เราเรียกว่า การบ่มคอนกรีต (curing concrete) ปัจจุบันนี้การบ่มคอนกรีตมักไม่ค่อยได้ทำกันเพราะซีเมนต์ที่ใช้ผสมคอนกรีตเป็นซีเมนต์ชนิดคายความร้อนต่ำ