مقالات

بخش ۱۴: سیمان آمیخته (قسمت دوم: انواع پوزولان، تاثیر پوزولان بر خواص بتن تازه و سخت‌شده)

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

بخش ۱۴: سیمان آمیخته (قسمت دوم: انواع پوزولان، تاثیر پوزولان بر خواص بتن تازه و سخت‌شده)

 

انواع پوزولان‌ها

همانطور که بیان شد، پوزولان‌ها به دو صورت طبیعی و مصنوعی (ساختگی) وجود دارند. در اینجا تعدادی از پرکاربردترین آنها بررسی می‌گردد.

متاکائولن (Metakaolin):

متاکائولن یک پوزولان طبیعی فرآوری شده یا گاه مصنوعی تلقی می‌شود. از حرارت دادن کائولن (یک نوع رس، خاک چینی) در دمای ۶۰۰ تا ۹۰۰ درجه سانتی‌گراد و سرد کردن آن قبل از این که مجددا بلوری شود، بدست می‌آید. متاکائولن Al۲O۳,۲SiO۲ می باشد که غیربلوری (بی‌شکل) است.

فعالیت پوزولانی متاکائولن به درصد کائولینیت در رس اولیه ارتباط دارد. خاک‌های کائولینی با سیلیس زیاد، متاکائولن فعالی را تولید نمی‌کند.

متاکائولن به عنوان پوزولان از سال ها پیش شناخته شده بود اما از ۱۹۸۵ به بعد کاربرد آن به شدت افزایش یافت.

اندازه ذرات متاکائولن بین ۰.۵ تا ۲۰ میکرون است اما درصد زیادی از آن کمتر از ۵ میکرون می باشد. متاکائولن با فعالیت پوزولانی زیاد دارای اندازه متوسط ۱ تا ۲ میکرون است. سطح ویژه (با دستگاه بلین) متاکائولن معمولا m۲/kg 700 تا ۱۰۰۰ می‌باشد.

جایگزینی سیمان با متاکائولن در حدود ۷ تا ۱۵ درصد معمول است.

خواص آن در بتن مانند اکثر پوزولان های طبیعی و مصنوعی است. این موارد شامل افزایش مقاومت دراز مدت، کاهش نفوذپذیری در برابر آب و یون کلرید، مقاومت بهتر در برابر سولفات‌ها و بهبود مقاومت در برابر چرخه‌های یخبندان و آبشدگی است. استفاده از متاکائولن، مقدار آب مورد نیاز را در بتن افزایش می دهد.

تاثیر متاکائولن فعال در نسبت آب به مواد سیمانی ۰.۴ بر مقاومت فشاری

خاکستر پوسته برنج (Rice Husk Ash):

خاکستر پوسته برنج از سوزاندن پوسته برنج (شلتوک) در دمای ۵۰۰ تا ۷۰۰ درجه سانتی‌گراد و سرد کردن سریع خاکستر آن بدست می‌آید. برخی مانند ACI آن را یک پوزولان طبیعی فرآوری شده می‌دانند.

پوسته برنج دارای ۵۰ درصد سلولز، ۳۰ درصد لیگنین و ۲۰ درصد سیلیس است. خاکستر پوسته برنج تقریبا ۲۰ درصد وزن پوسته برنج می باشد (۳ تا ۴ برابر بقیه غلات). هر تن شالی، ۲۰۰ کیلو شلتوک و در نتیجه ۴۰ کیلو خاکستر بدست می‌دهد.

ساختمان خاکستر پوسته برنج، متخلخل است و علی‌رغم ابعاد بزرگ آن، سطح ویژه زیادی را دارا می‌باشد. سطح ویژه آن (روش جذب ازت) در حدود m۲/gr 50 است و سیلیس آن بی‌شکل می‌باشد. رنگ خاکستر پوسته برنج بسته به نوع سوزاندن از نسبتا سفید تا سیاه تغییر می‌کند. درصد سیلیس بی شکل آن ۹۰ تا ۹۵ درصد است. پوزولان بسیار فعالی است و اندازه ذرات آن ۷۵ تا ۱۰۰ میکرون است.

تصاویر پودر خاکستر پوسته برنج، خاکستر پوسته برنج، و پوسته برنج

درصد اختلاط مناسب آن با سیمان ۵ تا ۱۵ درصد می‌باشد.

استفاده از خاکستر پوسته برنج در بتن، به افزایش مقاومت بویژه در سنین بالا، کاهش نفوذپذیری، مقاومت در برابر سولفات ها و اسیدها، کاهش نفوذ یون کلرید و عملکرد عالی در برابر یخبندان و آب شدگی کمک می‌کند. در ضمن، مقدار آب مورد نیاز برای ایجاد روانی را به مقدار قابل توجهی افزایش می‌دهد.

رشد مقاومت فشاری بتن با درصدهای مختلف خاکستر پوسته برنج در نسبت آب به مواد سیمانی ۰.۴

در ایران به صورت صنعتی تولید نمی‌شود. در کشورهای آسیایی از هند تا آسیای جنوب شرقی به مقدار قابل توجهی تولید می شود. در این کشورها انرژی ناشی از سوختن را به صورت گرمایی یا برق در می آورند و خاکستر ارزانی تولید می‌کنند.

 

خاکستر بادی (Fly Ash):

از سوختن پودر زغال‌سنگ، خاکستری در گاز کوره به طرف دهانه دودکش به پرواز در می‌آید که خواص پوزولانی دارد و یک پوزولان مصنوعی به حساب می‌آید. خاکستر در دمای کوره به‌صورت مذاب است و با صعود سریع، به سرعت سرد و منجمد می‌شود و به‌صورت بی‌شکل در می‌آید. این ذرات توسط غبارگیرهای الکترواستاتیکی جمع آوری می‌شود.

در گذشته‌های دور در ایران خواص خاکسترهای کوره‌های گچ‌پزی، آهک‌پزی و آجرپزی و خاکسترهای سوخت‌های مختلف به همراه آهک هیدراته (شکفته) برای ساخت ملات های ساروج بکار می رفته است.

در ایران خاکستر بادی تولید نمی‌شود زیرا هنوز نیروگاهی که با سوخت زغال‌سنگ کار کند وجود ندارد. اما این ماده در برخی پروژه‌های بزرگ مصرف شده است.

در دهه ۳۰ قرن بیستم بکارگیری خاکستر بادی در بتن و ساخت سیمان آغاز شد. در ACI 232.2R به خاکستر بادی پرداخته شده است. امروزه ده‌ها میلیون تن خاکستر بادی در بتن و در ساخت سیمان در اروپا، آسیا و امریکا و افریقا بکار می رود. در امریکا سالانه حدود ۷۰ میلیون تن خاکستر بادی تولید می شود که حدود ۱۵ میلیون تن از آن در صنعت بتن و سیمان بکار می‌رود. در امریکا برای ساخت سیمان های آمیخته پوزولانی از پوزولان های طبیعی نیز استفاده می‌شود.

دو رده F و C برای خاکستر بادی در ASTM، و W و V در EN پیش‌بینی شده است. در ASTM C618 و EN 450 مشخصات خاکستر بادی ارائه شده است.

خاکستر بادی دارای شکل کروی است. برخی خاکسترهای توپر کروی ریز در داخل خاکسترهای بادی توخالی درشت تر قرار دارند. اندازه ذرات خاکستر بادی از ۱ تا ۱۰۰ میکرون هستند. بطور معمول ذرات خاکستر بادی بین ۱۰ تا ۵۰ میکرون می باشد. امروزه خاکسترهای بادی ریز نیز تولید می شود که ذرات آن معمولا ۱ تا ۱۰ میکرون می باشد.

سطح ویژه خاکسترهای بادی نسبتا درشت m۲/kg 250 تا ۴۰۰ و سطح ویژه خاکسترهای بادی ریز بین m۲/kg 500 تا ۷۰۰ می‌باشد.

چگالی ذرات خاکستر بادی معمولا از ۲.۲ تا ۲.۷ تغییر می‌کند که به‌میزان CaO و Fe۲O۳ موجود در آن بستگی دارد. خاکسترهای نوع F دارای چگالی ۲.۲ تا ۲.۴ و خاکسترهای نوع C دارای چگالی ۲.۴ تا ۲.۷ می‌باشند.

بسته به میزان کربن نسوخته موجود در خاکستر و اکسیدهایی همچون اکسید آهن، رنگ خاکستر بادی از نسبتا سفید تا خاکستری تیره تغییر می‌کند.

خاکسترهای نوع F کمتر از ۸ یا ۱۰ درصد CaO دارند. در استاندارد کانادا خاکسترهای نوع C به دو دسته CI و CH تقسیم می‌شوند. نوع CI تا ۲۰ درصد و CH بیش از ۲۰ درصد CaO دارند.

خاکستر بادی نوع F به‌میزان ۱۵ تا ۲۵ درصد وزن سیمان، جایگزین می‌شود. خاکستر بادی نوع C به‌میزان ۱۵ تا ۴۰ درصد وزن سیمان، جایگزین آن می‌گردد. انواع مرغوب خاکستر بادی کمتر از ۵ درصد کربن دارند. انواع غیر مرغوب گاه تا ۱۰ درصد کربن دارند. کربن باعث کاهش چگالی ذرات می‌شود.

خاکستر بادی معمولا (برای دستیابی به اسلامپ معین، آب مورد نیاز بتن را کم می‌کند. معمولا بتن را خمیری و چسبنده‌تر می‌کند.

به‌دلیل چگالی کمتر خاکستر بادی نسبت به سیمان، حجم خمیر به ازای وزن یکسان بیشتر می شود.

خاکستر بادی کمبود ریزدانه‌های ماسه را جبران می‌کند.

خاکستر بادی نوع F افت اسلامپ را کاهش می دهد. خاکستر بادی نوع C به دلیل ریزی بیشتر اثرات بهتری بر کارآیی دارد اما به آب بیشتر از نوع F نیاز دارد.

آب انداختن و استعداد جداشدگی بتن با خاکستر بادی کاهش می یابد.

پمپ پذیری بتن با خاکستر بادی بهبود می یابد.

زمان گیرش بتن حاوی خاکستر بادی نوع F افزایش می یابد.

حبابزایی مواد حبابزا در حضور خاکستر بادی کاهش می یابد.

مقاومت بتن در سنین اولیه کاهش می یابد اما در دراز مدت بیشتر می شود.

گرمازایی بتن در سنین اولیه کمتر و در مجموع نیز گرمازایی کمتر می‌شود.

نفوذپذیری بتن در برابر آب و مواد زیان آور کاهش می‌یابد و دوام بتن بهبود می یابد. در مورد دوام در برابر یخبندان بحث هایی وجود دارد.

خوردگی میلگردها به تعویق می افتد و انبساط ناشی از واکنش قلیایی و سنگدانه ها کاهش می یابد و دوام در برابر سولفات بهتر می‌شود.

جمع شدگی بتن حاوی خاکستر بادی اندکی بیشتر می شود.

 

سرخی (Surkhi):

سرخی از پودر کردن آجرهای پخته شده در دمای زیاد که نسبتا جوش شده اند به دست می آید. در واقع یک ماده مذاب (بی شکل) و پوزولانی می باشد.

این ماده امروزه در هند در سطح وسیعی تولید و مصرف می شود. خاستگاه این ماده ایران بوده است که نام آن نیز موید این مطلب است. در گذشته از گرد آجر و آهک (با ماسه یا بدون آن) ملات‌هایی می‌ساخته‌اند و در کف سازی، بندکشی و غیره بکار می برده اند.

 

دوده سیلیسی یا میکروسیلیس (Silica Fume or Microsilica):

از کوره فروسیلیس یا فروآلیاژ غبار مذاب سیلیس به سمت دودکش حرکت می‌کند و در مسیر به سرعت سرد و منجمد می‌گردد. دمای کوره در منطقه قوس الکتریکی در حدود ۳۰۰۰ درجه سانتی‌گراد است. این ذرات توسط غبارگیرهای الکترواستاتیکی جمع‌آوری می‌شود. در ACI 234R به دوده‌سیلیسی پرداخته شده است.

میکروسیلیس ابتدا در سال ۱۹۴۷ در نروژ توسط فردی به نام Kristian Sand جمع‌آوری شد و گزارش تحقیقات آن توسط Bernhardt در سال ۱۹۵۲ منتشر شد. تاکنون تحقیقات زیادی بر روی دوده سیلیسی در کشورهایی همچون نروژ، ایسلند، دانمارک و سوئد و در کشورهای دیگر هم چون افریقای جنوبی، ایران، هند، کانادا و امریکا صورت گرفته است.

در سال ۱۹۷۶ استاندارد نروژ کاربرد سیمان آمیخته حاوی دوده سیلیسی را مجاز شمرد. در سال ۱۹۷۸ کاربرد مستقیم دوده سیلیسی در بتن در استاندارد نروژ اجازه داده شد. بسیاری از مقالات مربوط به دوده سیلیسی در بتن مربوط به سال های پس از ۱۹۸۰ می‌باشد.

در سال ۱۹۸۲ یک سازنده سیمان در کانادا سیمان آمیخته حاوی دوده ‌سیلیس را تولید کرد. امروزه کارخانه‌های کانادا این سیمان را با ۷ تا ۱۲ درصد دوده سیلیس عرضه می نمایند. بیشتر اوقات میزان ۷.۵ درصد بکار می‌رود. در برخی نقاط دیگر دنیا سیمان آمیخته میکروسیلیسی تولید می‌شود که کاری مشکل به‌حساب می‌آید. اما در ایران تولید صنعتی آن تاکنون انجام نشده است.

دوده سیلیسی به صورت پودر معمولی، پودر متراکم شده دوده سیلیس، دوده سیلیس کلوخه و دوغاب دوده سیلیس وجود دارد. رنگ دوده سیلیس از نسبتا سفید تا خاکستری تیره تغییر می کند. رنگ تیره آن مربوط به کربن و اکسید آهن می باشد

 

ذرات میکروسیلیس کروی و بسیار ریز است. اندازه ذرات معمولا در حد ۰.۰۵ تا ۰.۲۵ میکرون می باشد. چگالی ذرات میکروسیلیس بین ۲.۲ تا ۲.۳۵ تغییر می کند. چگالی ذرات سیمان پرتلند ۳.۰۵ تا ۳.۲۵ می باشد. وزن مخصوص توده ای دوده سیلیس غیرمتراکم از ۱۵۰ تا ۴۵۰ کیلوگرم بر مترمکعب (معمولا ۲۵۰ تا ۳۵۰) تغییر می کند.

مشخصات میکروسیلیس در ASTM C1240 و همچنین در EN 13263 و ISIRI 13278 داده شده است. استاندارد ایران مشابه ASTM می‌باشد.

دوغاب دوده سیلیس معمولا بین ۳۰ تا ۵۰ درصد میکروسیلیس دارد. دوغاب دوده سیلیس می تواند حاوی فوق‌روان‌کننده باشد و برخی افزودنی های دیگر را هم شامل می‌شود. دوغاب دوده سیلیسی حاوی فوق‌روان‌کننده در ایران معمولا به نام ژل میکروسیلیس عرضه می شود.

وزن مخصوص دوغاب (ژل) میکروسیلیس با ۵۰ درصد میکروسیلیس در حدود ۱.۳۵ تا ۱.۴۵ کیلوگرم بر لیتر می باشد.

سطح ویژه ذرات میکروسیلیس معمولا بین ۱۴۰۰۰ تا ۳۰۰۰۰ مترمربع بر کیلوگرم می باشد (سطح ویژه ذرات سیمان پرتلند حدود ۳۰۰ مترمربع بر کیلوگرم است).

گزارشی توسط مراکز بهداشتی امریکا مبنی بر زیان آور بودن، سرطان زا بودن و ایجاد بیماری سیلیکوز توسط میکروسیلیس ارائه نشده است. اما این بدان معنا نیست که چنین ذراتی برای انسان بی ضرر هستند.

ذرات میکروسیلیس به صورت غیربلورین (بی شکل) و دارای بیش از ۸۵ درصد سیلیس است. میکروسیلیس یک پوزولان مصنوعی بسیار فعال است و به سرعت با آهک خمیر سیمان ترکیب می شود.

مقدار مصرف دوده سیلیسی جایگزین سیمان معمولا ۵ تا ۱۰ درصد وزن سیمان است. مقادیر کمتر یا بیش تر امروزه توصیه نمی‌شود.

با ریزکردن و پودرکردن سنگ‌سیلیس یا کوارتز نمی‌توان میکروسیلیس تولید کرد. حتی با گرم‌کردن پودرسنگ سیلیس و ذوب کردن در دماهای ۸۰۰ تا ۱۰۰۰ و سردکردن آن، نمی‌توان ذرات غیربلوری داشت. متاسفانه برخی سودجویان یا ناآگاهان، تصور می کنند می‌توانند به راحتی میکروسیلیس یا دوده سیلیس تولید کنند.

از سال‌ها پیش در ایران دوده سیلیسی در دو کارخانه تولید شده است. امروزه بالغ بر ده کارخانه تولیدکننده این محصول هستند. تولید سالانه میکروسیلیس در ایران بیش از حدود ۵۰۰۰۰ تن می باشد که اکثر آن‌ها در بتن بکار می‌رود. در حدود سال‌های ۲۰۰۵ برآورد شده است که بیش از ۱۲۰۰۰۰ تن میکروسیلیس در دنیا در بتن بکار رفته باشد که سهم ایران حدود ۱۰ درصد بوده است. تولید دوده‌سیلیس در دنیا حدود ۹۰۰۰۰۰ تن برآورد شده‌است.

هر چند ذرات میکروسیلیس کروی و گردگوشه است اما به علت ریزی زیاد، نیاز به آب بتن را برای دستیابی به اسلامپ معین به شدت بالا می برد. هر کیلو میکروسیلیس بسته به ریزی و اسلامپ مورد نیاز، بین ۰.۷۵ تا ۱ کیلوگرم آب اضافی نسبت به طرح مخلوط عادی نیاز دارد.

برای اینکه میکروسیلیس هنگام تماس با آب کلوخه نشود، لازم است میکروسیلیس و آب با سرعت زیاد هم زده شود. برای اینکه بتوان در سرعت اختلاط مخلوط‌کن‌های معمولی توزیع مناسبی را به وجود آورد لازم است از افزودنی فوق روان کننده استفاده نمود.

میکروسیلیس افت اسلامپ بتن را بیش تر می کند.

دوده سیلیس آب انداختن و جداشدگی را به شدت کم می کند.

در کارهای اجرایی وجود دوده سیلیس می تواند خطر ترک خوردگی بتن تازه را بیش تر کند.

حبابزایی مواد حبابزا را کاهش می دهد.

کیفیت ناحیه انتقال را در بتن بهبود می بخشد و نفوذپذیری، بویژه در برابر یون کلرید، را کم می‌کند.

مقاومت الکتریکی بتن را به شدت بالا می رود.

دوام بتن معمولا با میکروسیلیس بهبود می یابد، به ویژه در مورد خوردگی میلگردها به شدت موثر است.

مقاومت های اولیه و میان مدت با میکروسیلیس بهبود می یابد.

معمولا جمع شدگی بتن را بیش تر می کند.

گرمازایی را در کل کم‌تر می‌کند اما سرعت گرمازایی چندان کاهش نمی‌یابد.

انبساط ناشی از واکنش سنگدانه و قلیایی را کاهش می دهد.

مقاومت سایشی بتن را بهبود می‌دهد.

 

اثر پوزولان‌ها بر بتن تازه

استفاده از پوزولان‌ها در بتن، بطور کلی تاثیراتی بر خواص بتن تازه دارد که در ادامه به تعدادی از آنها اشاره می‌شود:

– نیاز به آب بیشتر برای دستیابی به اسلامپ معین

– ایجاد حالت خمیری بیشتر و چسبندگی

– آب انداختن کمتر

– جداشدگی کمتر

– بهبود دانه بندی به ویژه رفع کمبود ذرات ریز در ماسه

– افزایش احتمال ترک خوردگی خمیری

– رفتار پیچیده در پمپ کردن و لزوم مصرف حداقل پوزولان

– افت اسلامپ بیشتر و سفت شدگی سریع تر در برخی موارد

– گیرش کندتر در اغلب موارد

– مصرف حبابزای بیشتر (در صورت استفاده از مواد حبابزا) برای ایجاد درصد هوای معین

 

اثر پوزولان‌ها بر بتن سخت‌شده

استفاده از پوزولان‌ها در بتن، بطور کلی تاثیراتی بر خواص بتن سخت‌شده دارد که در ادامه به تعدادی از آنها اشاره می‌شود:

– کاهش مقاومت های اولیه در اغلب موارد

– بهبود مقاومت های دراز مدت

– کاهش گرمازایی و سرعت گرمازایی به ویژه در کوتاه مدت

– کاهش انبساط به ویژه در اثر واکنش سنگدانه –  قلیایی ها

– افزایش پایایی در برابر سولفات ها

– افزایش پایایی در برابر یخبندان و آبشدگی

– افزایش پایایی در برابر آب دریا

– کاهش نفوذپذیری در برابر آب و یون کلرید

– مصرف آهک (هیدروکسیدکلسیم) موجود در خمیر سیمان و بهبود ناحیه انتقال

– جمع شدگی ناشی از خشک شدگی تقریبا یکسان با بتن معمولی در اغلب موارد اما ترک خوردگی کمتر به علت کاهش مدول ارتجاعی

دیدگاهتان را بنویسید

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