مقالات

بخش ۱۳: سیمان آمیخته (قسمت اول: تعریف، فلسفه استفاده، تاریخچه، انواع، پوزولان‌ها)

بتن (اجزای تشکیل دهنده، ویژگی‌ها، طرح مخلوط، انواع، آزمایش‌ها)

بخش ۱۳: سیمان آمیخته (قسمت اول: تعریف، فلسفه استفاده، تاریخچه، انواع، پوزولان‌ها)

 

تعریف

سیمان‌های آمیخته (Blended Cement) طبق تعریف ASTM C219 سیمان‌های هیدرولیکی هستند که شامل ۲ جزء یا بیشتر (حداقل یکی از آن‌ها سیمان پرتلند یا کلینکر سیمان پرتلند نیست) می‌باشند که جداگانه یا در ترکیب باعث کسب مقاومت می‌شوند (جداگانه یا با هم آسیاب می‌شود که درنهایت مخلوط می‌گردند).

به بیان ساده‌تر این سیمان‌ها بجز کلینکر سیمان پرتلند و سنگ گچ، حاوی حداقل یک نوع مواد معدنی پودری (پوزولان، سرباره یا پودرسنگ) است.

اولین تولید جدی سیمان‌های آمیخته را می‌توان مربوط به سال ۱۹۱۰ در آمریکا دانست.

در دهه ۵۰ میلادی اولین مشخصات برای سیمان‌های آمیخته در آمریکا نوشته شد اما استاندارد ASTM C595 برای این سیمان‌ها در سال ۱۹۶۷ منتشر گشت.

دلایل تولید و مصرف سیمان آمیخته

از مهمترین دلایل تولید و مصرف سیمان‌های آمیخته می‌توان به موارد زیر اشاره نمود:

– کاهش مصرف انرژی حرارتی به ازای تولید سیمان ثابت

– کاهش آلودگی زیست‌محیطی و مصرف کمتر منابع طبیعی تجدیدناپذیر

– مصرف ضایعات و مواد زاید سایر تولیدات (سرباره یا پوزولان مصنوعی خاص)

– افزایش کیفیت در بتن تازه (در بیشتر موارد)

– افزایش کیفیت در بتن سخت‌شده در درازمدت

– افزایش دوام بتن و ملات

– ارزانی و به‌صرفه بودن برای مصرف کننده و سود بهتر برای تولیدکننده

 

لازم به ذکر است که سرباره‌ها یا پوزولان‌ها و پودرسنگ‌ها وارد کوره پخت کلینکر نمی‌شوند و همواره بعدا با کلینکر و سنگ‌گچ مخلوط می‌گردد (آسیاب شده یا نشده)، و این باعث کاهش مصرف انرژی حرارتی به ازای تولید هر تن سیمان آمیخته می‌شود.

از آنجا که هزینه مصرف انرژی حرارتی هر تن کلینکر در دنیا حدود ۴۰ تا ۴۵ دلار می‌باشد، کاهش آن به کاهش قیمت تمام‌شده سیمان آمیخته می‌گردد. هرچه درصد مواد مکملی همچون پوزولان و سرباره و پودرسنگ در سیمان بیشتر شود، این کاهش هزینه‌ها بیشتر می‌شود.

مصرف سوخت کمتر همچون زغال‌سنگ، مازوت، گازوییل و یا گاز باعث کاهش آلودگی محیط‌زیست می‌گردد و در ضمن از منابع تجدیدناپذیر کره خاکی نمی‌کاهد.

تولید کلینکر کمتر به معنای کاهش تولید گازهای گلخانه‌ای بویژه CO۲ است. گفته شد که به ازای هر تن کلینکر تقریبا یک تن گاز CO۲ تولید می‌شود که بخش عمده آن مربوط به پیش‌گرمایش (پیش‌کلسینه کردن) و کوره پخت سیمان است. بنابراین اگر مصرف کلینکر را در تولید سیمان ۱۰ درصد کم کنیم، در حدود ۶ درصد از تولید گازهای گلخانه‌ای کم می‌شود.

در کشورهایی که انرژی الکتریکی خود را در نیروگاه‌های زغال‌سنگی تولید می‌کنند، مقدار قابل‌توجهی خاکستربادی تولید می‌کنند که می‌تواند به‌عنوان پوزولانی مناسب بکار گرفته شود، درحالی‌که مصرف دیگری ندارد و یک ماده زاید آلوده‌کننده محیط‌زیست می‌تواند تلقی شود.

همچنین تولید آهن خام در کارخانه‌های ذوب‌آهن که کوره بلند دارند تفاله یا سرباره کوره قابل‌توجهی (حدود یک‌سوم وزن آهن خام تولیدی) را بدست می‌دهد که مصارف محدودی دارد و چنین اندیشیده شود که با توجه به فعالیت هیدرولیکی مناسب می‌تواند در سیمان و بتن بکار رود وگرنه باید بصورت شن و ماسه مصرف گردد و عملا ارزش چندانی ندارد.

بنابراین مصرف این مواد در تولید سیمان علاوه بر حفظ محیط‌زیست و ایجاد ارزش افزوده، به کاهش قیمت سیمان منجر می‌شود.

در پاره‌ای موارد مانند مصرف خاکستربادی، کارایی بتن بهبود می‌یابد. همه پوزولان‌ها و سرباره‌ها، آب انداختن و جداشدگی بتن تازه را کاهش می‌دهند و از این نظر مزایایی دارند بنابراین مصرف سیمان‌های آمیخته می‌تواند مفید باشد.

در اغلب موارد مقاومت‌های سنین کمتر از ۲۸روزه سیمان‌های آمیخته کمتر از سیمان‌های پرتلند مشابه می‌باشد که به‌تدریج با گذشت زمان، مقاومت‌ها پیشرفت می‌کند و رشد درازمدت آن بیشتر از سیمان‌های پرتلند است.

معمولا نفوذناپذیری و دوام بتن حاوی سیمان‌های آمیخته بیشتر است و این امر باعث تولید و مصرف بیشتر این سیمان‌ها شده است.

در ایران به‌دلیل ارزانی انرژی حرارتی (بسته به نوع سوخت مازوت و گاز و مصرف سوخت در کارانه موردنظر)، تولید سیمان‌های آمیخته عملا به کاهش هزینه منجر نمی‌گردد. به‌همین دلیل سیمان در ایران در حدود ۳۵ تا ۴۰ دلار از سایر کشورها ارزان‌تر است!

 

مواد معدنی پودری

این مواد در آمریکا Finely Divided Mineral Admixture و در ادبیات EN، Addition یا Supplementary نامیده می‌شود. این مواد به سه دسته کلی تقسیم می‌شوند:

– پوزولان‌ها

– سرباره‌ها

– پودرهای خنثی (غیرفعال)

دو دسته اول فعال نام دارند و در واکنش‌ها و تشکیل ماده چسباننده بصورت جدی مشارکت می‌کنند.

پوزولان‌ها

طبق تعریف ACI 116R-00 پوزولان به ماده‌ای سیلیسی یا سیلیسی و آلومینی اطلاق می‌شود که به خودی خود خاصیت سیمانی و چسبانندگی ناچیز دارد یا اصلا ندارد اما اگر ریز و پودر شوند، در حضور رطوبت با هیدروکسید کلسیم (آهک هیدراته) در دمای معمولی ضمن واکنش شیمیائی  ترکیباتی چسباننده می‌دهد. پوزولان‌ها به دو صورت طبیعی و مصنوعی (ساختگی) وجود دارد. نام پوزولان برگرفته از نام دهکده پوزولی (Pozzuoli) می‌باشد.

پوزولان‌های طبیعی (Natural Pozzolans) به دو صورت خام (Raw) و پخته (تکلیس‌شده یا فرآوری شده) (Calcined/Processed) وجود دارد. از جمله پوزولان‌های طبیعی می‌توان به موارد زیر اشاره نمود:

– خاکسترهای آتشفشانی (Volcanic Ashes)

– توف‌های آتشفشانی (Volcanic Tuffs )

– پومیس‌ها (Pumicites)

– اسکوریا (Scoria)

– شیل‌ها و چرت‌های اوپالینی (Opaline Cherts & Shales)

– رس‌ها (Clays)

– خاک‌های دیاتومه‌ای (Diatomaceous Earths)

– زئولیت (Zeolite)

 

با تکلیس (کلسینه‌کردن) یا فرآوری مواد خام فوق در دمای ۶۰۰ تا ۱۰۰۰ درجه سانتی‌گراد می‌توان کیفیت بسیاری از پوزولان‌های طبیعی خام را بهبود بخشید.

این ترکیبات سیلیسی یا سیلیسی آلومینی اگر به‌صورت بلوری باشند واکنش ناچیز با هیدروکسیدکلسیم دارند و لازم است سیلیس آن‌ها به‌صورت بی‌شکل یا شیشه‌ای باشد. پوزولان‌های طبیعی باید آتشفشانی یا آذرین بیرونی باشند و زود سرد شده باشند.

ACI 232.1R در مورد کاربرد پوزولان‌های طبیعی خام یا فرآوری‌شده در بتن بحث می‌کند. در این متن، از گزارش Malinowski و همکاران در سال ۱۹۹۳ نقل قول می‌کند که قدیمی‌ترین چسباننده هیدرولیکی (آبی) به ۴۰۰۰ تا ۵۰۰۰ سال قبل از میلاد مسیح بر می‌گردد. این ملات مخلوطی از آهک معمولی (هوایی) و پوزولان طبیعی از نوع خاک‌های دیاتومه‌ای در خلیج فارس بوده است.

در جدول ارائه شده توسط ACI 232.1R، مشخصات برخی از پوزولان‌های طبیعی مشاهده می‌شود.

معمولا در همه نشریات و کتب اروپایی و امریکایی قدیمی‌ترین کاربرد پوزولان‌های طبیعی به ۱۵۰۰ تا ۱۶۰۰ سال قبل از میلاد مسیح در یونان برمی‌گردد (پوزولانی به نام سانتورین Santorin).

معروف‌ترین کاربرد قدیمی پوزولان‌های طبیعی در برخی منابع به سال ۷۹ میلادی در ناپل ایتالیا نسبت داده می‌شود.

هر دو مورد فوق خاکسترهای آتشفشانی یا پومیسیت‌ها هستند که حدود ۸۰ درصد آن‌ها را شیشه‌های آتشفشانی (پومیس و ابسیدین) تشکیل  می‌دهد.

در تمام ساحل‌های شمالی دریای مدیترانه و دریای آدریاتیک، دریای اژه و دریای سیاه و همچنین سواحل جنوبی دریای مدیترانه در مصر، کانال سوئز، اسکندریه و غیره آثاری از سازه‌های ساخته‌شده با ملات‌های حاوی پوزولان طبیعی و آهک دیده می‌شود که از دوام خوبی برخوردار بوده‌اند.

در ایران، استاد مرحوم احمد حامی در سال های ۱۳۱۲ تا ۱۳۱۸ مطالعاتی در باره برخی پوزولان های ایران انجام داده است. ایشان نام تراس را برای آن ها انتخاب کرده است که در آلمان به این مواد اطلاق می شد.

پوزولان‌های مصنوعی نیز شامل موارد زیر هستند:

– خاکستر بادی Fly Ash

– دوده سیلیسی یا میکروسیلیس Silica-Fume/Micro Silica

– خاکستر پوسته برنج Rice Husk Ash

– متاکائولن Meta-Kaoline (معمولا طبیعی فرآوری شده)

– سرخی Surkhi

 

تاریخچه تولید سیمان‌های پوزولانی به این صورت است که در امریکا در دهه دوم قرن بیستم سیمان آمیخته پوزولانی ساخته شده است (با پوزولان طبیعی).

سیمان‌های آمیخته پوزولانی برای اولین بار در ایران در کارخانه سیمان ری به‌همت استاد حامی در دهه ۱۰ هجری ساخته شد و تقریبا ۲۰ درصد وزن آن را پوزولان طبیعی منطقه جاجرود تشکیل می‌داد. تولید این سیمان تا اواخر دهه ۵۰ یعنی بیش از ۴۰ سال بطول انجامید.

تولید امروزین سیمان‌های آمیخته پوزولانی در اواسط دهه ۶۰ به‌صورت غیرقانونی شروع شد اما با نوشتن استاندارد سیمان پرتلند پوزولانی در اواخر دهه ۶۰، تولید رسمی آن مجددا آغاز گشت. در اوایل دهه ۷۰ استاندارد سیمان پرتلند پوزولانی ویژه تدوین شد و در نیمه دوم این دهه این نوع سیمان در ایران تولید گشت.

امروزه در دنیا سیمان‌های آمیخته پوزولانی به‌میزان قابل توجهی تولید و مصرف می‌گردد. برخی از این سیمان‌ها با پوزولان‌های طبیعی و برخی با پوزولان‌های مصنوعی مانند خاکستر بادی ساخته می‌شود.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *