مقالات

بخش ۱۵: سیمان آمیخته (قسمت سوم: سرباره و پودرسنگ، تاثیر بر خواص بتن تازه و سخت‌شده)

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

بخش ۱۵: سیمان آمیخته (قسمت سوم: سرباره و پودرسنگ، تاثیر بر خواص بتن تازه و سخت‌شده)

 

سرباره (Slag)

سرباره‌های کوره ذوب فلزات بدلیل داشتن مواد کلسیم سیلیکات و کلسیم سیلیکات آلومینات می‌توانند به‌شرط غیربلوری بودن، در محیط قلیایی با آب و تا حدودی با آهک موجود ترکیب شوند. برای غیربلوری (بی‌شکل) شدن سرباره‌ها باید آن‌را سریع سرد کرد. دمای ماده مذاب در کوره حدود °C1500 است.

بهترین شیوه برای خنک‌سازی سریع سرباره‌ها، آب‌پاشی زیاد به آن‌ها و یا ریختن سرباره در آب می‌باشد که Quenching نامیده می‌شود و سرباره دان‌شده Granulated (Iron) Blast-Furnace Slag (GBFS) ایجاد می‌شود.

سرباره دان‌شده، آسیاب می‌شود و چسب سرباره‌ای (Slag Cement) یا (پودر) سرباره (کوره بلند آهنگدازی) آسیاب شده (با مخفف سکادا) Ground Granulated (Iron) Blast-Furnace Slag (GGBFS) نام دارد.

بهترین نوع سرباره، سرباره کوره بلند ذوب‌آهن (آهنگدازی) می‌باشد. سرباره کوره فولاد، کوره ذوب مس، ذوب سرب و روی از کیفیت پایین‌تری برخوردارند.

سرباره‌ها می‌توانند به شکل سنگدانه معمولی ریز و درشت، سنگدانه منبسط‌شده (اسفنجی یا پوک)، الیاف سرباره‌ای (پشم‌سنگ)، بالاست راه‌آهن، سنگ پله، کف‌پوش، جدول و غیره درآید که ارزش افزوده متفاوتی دارا می‌باشد.

تاریخچه کاربرد سرباره

پودر سرباره کوره بلند آهنگدازی برای اولین بار در سال ۱۷۷۴ توسط Loriot به‌همراه آهک شکفته به‌عنوان ماده چسباننده ملات بکار گرفته شد.

در سال ۱۸۶۲، Emil Langen نحوه خروج آسان و آماده‌سازی سرباره را پیشنهاد داد. در سال‌های بعد، Michaelis و دیگران اهمیت غیربلوری بودن سرباره را مورد پژوهش قرار دادند. به‌دنبال آن، Pasow فرآیند خنک‌سازی با هوا را مطرح نمود که اولین کاربرد تجاری برای تولید مخلوط سرباره-آهک در سال ۱۸۶۵ در آلمان محسوب می‌شود.

در فرانسه در سال ۱۸۸۹ از این مخلوط برای ساخت متروی زیرزمینی پاریس استفاده شد. در ابتدای دهه ۵۰ میلادی در سد Bort-les-orgues بکار رفت. سرباره در این پروژه بصورت تر آسیاب شد و دوغاب غلیظ آن به مخلوط‌کن اضافه گشت. حجم بتن این سد ۶۶۰۰۰۰ مترمکعب بود. این روش به روش تر Trief شناخته می‌شد.

در ۱۹۵۰ مهندسین ارتش آمریکا در مرکز تحقیقات آبی آمریکا (WES) دوغاب روش Trief را آزمایش نمود. در این سال سرباره‌های خاصی با سودسوزآور و نمک‌طعام به‌میزان ۱.۵ درصد فعال‌سازی شدند که نتایج مشابهی را به‌بار آورد. در اتحاد جماهیر شوروی سابق و چندین کشور اروپایی، فعالسازی سرباره با مواد قلیایی تجربه شد.

اولین بار در سال ۱۸۹۲ در آلمان، سرباره با سیمان پرتلند مخلوط شد. این‌کار در آمریکا در سال ۱۸۹۶ انجام گشت. امروزه از سرباره برای تولید سیمان‌های آمیخته به وفور استفاده می‌شود. در اروپا در سال‌های منتهی به ۱۹۸۰ در حدود ۲۰ درصد از سیمان‌های هیدرولیکی با سرباره ساخته می‌شدند.

علاوه بر تولید سیمان‌های آمیخته، سرباره در تولید بتن به‌عنوان افزودنی مورد استفاده قرار می‌گیرد. در سال ۲۰۰۰ میلادی، ۲ میلیون تن سرباره به‌عنوان چسب سرباره‌ای تولید شد که سهم آمریکا بیش از ۱.۵ میلیون تن بود. در حالی‌که در سال ۱۹۹۰ تولید سرباره در آمریکا فراتر از ۱۳ میلیون تن بوده است اما فقط ۰.۷ میلیون تن در صنعت سیمان و بتن بکار رفت.

امروزه تولید سرباره در دنیا حدود ۳۵۰ میلیون تن در سال می‌باشد که بجز قسمت دپو کارنجات، حدود ۵۰ درصد آن در صنعت سیمان و بتن، و بیش از ۳۰ درصد آن در صنعت راهسازی بکار می‌رود.

تولید سرباره کوره بلند آهنگدازی در ایران در سال ۱۴۰۰ حدود ۱ میلیون تن بوده است که بخش ناچیزی از آن برای تولید سیمان و بتن استفاده شده است. در ایران کارخانه سیمان سپاهان از سرباره ذوب‌آهن اصفهان استفاده می‌کند درحالی‌که به‌ندرت سیمان اصفهان نیز اقدام به تولید سیمان آمیخته سرباره‌ای نموده است.

سرباره کارخانه ذوب آهن اصفهان پس از اصلاحات مکرر در نحوه خنک کردن از پایین‌ترین رده فعالیت یعنی ۸۰ برخوردار شده است.

ابتدا در سال ۱۹۸۲ مشخصات استاندارد و آزمایش‌های سرباره در ASTM C989 تدوین شد. استاندارد ایران به شماره ۲۱۳۱۹ مشابه استاندارد اروپا EN 15167 می‌باشد. سیمان (چسب) سرباره‌ای در استاندارد ASTM به سه رده ۱۲۰، ۱۰۰ و ۸۰، که شاخص فعالیت سرباره را بیان می‌کند، تقسیم شده است. در استاندارد ایران، حداقل شاخص فعالیت ۷ و ۲۸ روزه، به ترتیب ۴۵ و ۷۰ درصد می‌باشد.

شاخص فعالیت سرباره (SAI)، حاصل تقسیم میانگین مقاومت فشاری ۷ و ۲۸ روزه ملات سیمان استاندارد با سهم مساوی سیمان پرتلند و سرباره (SP) به میانگین مقاومت فشاری ۷ و ۲۸ روزه ملات ماسه سیمان استاندارد با همان سیمان پرتلند (P) ضربدر ۱۰۰ می‌باشد که برای قرار گرفتن در هر رده، شاخص فعالیت مشخص شده است.

SAI=(SP/P)×۱۰۰%

ویژگی‌های استاندارد شیمیایی و فیزیکی سرباره در ASTM C989 به صورت زیر است:

در استاندارد ایران، ویژگی‌های شیمیایی پودر سرباره به شکل زیر تعیین شده است:

ویژگی‌های فیزیکی در استاندارد ایران، شامل نرمی (سطح ویژه بیش از m۲/kg 275)، زمان گیرش مهلوط ۵۰ درصد با سیمان مشخص (کمتر از دو برابر زمان گیرش سیمان مصرفی) و شاخص فعالیت ۷ و ۲۸ روزه می‌باشد.

 

تاثیر سرباره بر بتن و ملات تازه

بتن حاوی سرباره معمولا دارای کارایی و روانی بهتری خواهد بود و چسبندگی آن نیز بیشتر می‌گردد زیرا سطح ذرات سرباره آسیاب‌شده صاف‌تر از سیمان است و این امر در حضور روان‌کننده‌ها مشخص‌تر می‌باشد. آهنگ افت اسلامپ با حضور سرباره تغییر چندانی نمی‌کند.

زمان گیرش بتن افزایش می‌یابد و این افزایش تابع درصد جایگزینی سرباره بویژه درصدهای بیش از ۲۵ درصد می‌باشد. با افزایش دمای بتن و محیط این افزایش نسبت به بتن حاوی سیمان پرتلند کمتر می‌گردد و با کاهش دما، تاثیر قابل ملاحظه‌تری مشاهده می‌گردد. افزایش زمان گیرش خطر ترک‌خوردگی در اثر تبخیر را بیشتر می‌کند و باید به این امر توجه داشت.

آب انداختن بتن حاوی سرباره بویژه اگر سرباره ریزتر از سیمان باشد، کم می‌شود.

تاثیر سرباره بر بتن و ملات سخت‌شده

مقاومت فشاری، خمشی و کششی بتن در سنین اولیه معمولا با حضور سرباره (بویژه رده ۸۰ و ۱۰۰) کمتر می‌شود. با گذشت زمان به‌تدریج مقاومت‌ها نسبت به زمانی‌که سیمان پرتلند خالص مصرف می‌شود افزایش می‌یابد. در سرباره رده ۱۲۰ ممکن است صرفا مقاومت‌های سنین کمتر از ۳ روز، کمتر باشد.

در مورد مقاومت خمشی و مدول گسیختگی معمولا در سنین بعد از ۷ روز مقاومت‌ها بیشتر از بتن حاوی سیمان پرتلند می‌شود.

مدول ارتجاعی بتن حاوی سرباره متاثر از شرایط رطوبتی و نحوه عمل‌آوری است اما در شرایط اشباع مانند مقاومت فشاری است، درحالی‌که برای نگهداری در هوا رفتاری متفاوت دارد.

رفتار بتن حاوی سرباره در مقایسه با بتن بدون سرباره در خزش و جمع‌شدگی پیچیده است. در مجموع جمع‌شدگی شبیه به هم می‌باشد و خزش تا حدودی کمتر است.

به‌نظر می‌رسد بتن‌های حاوی سرباره به شرایط عمل‌آوری حساس‌تر هستند و بهتر است مدت عمل‌آوری آن‌ها بیشتر باشد.

گرمازایی و آهنگ گرمازایی بتن حاوی سرباره کمتر است و مصرف سرباره را برای بتن حجیم مناسب‌تر جلوه می‌دهد.

به‌نظر می‌رسد بتن حاوی سرباره، نفوذناپذیرتر باشد و برای مصرف در سازه‌های آبی توصیه می‌شود.

یون کلرید در بتن حاوی سرباره بویژه در سنین بالا کمتر ارزیابی می‌شود.

گفته می‌شود که مقاومت بتن حاوی سرباره در برابر حمله سولفات‌ها بهبود می‌یابد. میزان تاثیر سرباره به C۳A و میزان آلومین سیمان پرتلند ارتباط دارد.

انبساط ناشی از واکنش سنگدانه‌ها با قلیایی‌ها با حضور سرباره (بویژه با درصد جایگزینی بیش از ۳۵ درصد) تخفیف می‌یابد. علت آنرا می‌توان کاهش نفوذپذیری، کاهش مصرف سیمان و قلیایی موجود در آن، تغییر در نسبت قلیایی به سیلیس، مصرف قلیایی‌های موجود و کاهش هیدروکسیدکلسیم دانست.

مقاومت بتن حاوی سرباره در برابر یخبندان و آب‌شدگی پی‌درپی معمولا در حدود بتن حاوی سیمان پرتلند است. به‌هرحال تجربه نشان می‌دهد مصرف حبابزا برای بهبود کیفیت ضروری است و وجود سرباره در میزان مصرف حبابزا موثر است. هرچند برخی تجربیات نشان می‌دهد که مقاومت بتن حاوی سرباره به‌میزان بیش از ۲۵ درصد در برابر عوامل یخ‌زدا هنگام یخبندان کاهش می‌یابد اما در مجموع تفاوت زیادی را قائل نیستند. توصیه می‌شود جایگزینی سرباره به حدود ۲۵ درصد محدود شود. هرچند ACI 301 و ACI 318 حداکثر جایگزینی را ۵۰ درصد دانسته‌اند.

تحقیقات نشان داده است که خوردگی میلگردها در بتن حاوی سرباره به‌دلایلی همچون کاهش نفوذپذیری یون کلرید و کاهش کربناته‌شدن کمتر است. کاهش جزئی در pH بتن اثر منفی را باعث نمی‌شود.

در قطعات پیش‌ساخته و عمل‌آوری تسریع‌شده، اثرات مثبتی از وجود سرباره بویژه زمانی‌که دمای عمل‌آوری بالاتر از °C 55 بوده است گزارش شده است و امکان جایگزینی ۴۰ تا ۶۰ درصد سرباره بخوبی فراهم می‌آید بدون اینکه اثرات مقاومتی نامطلوب بجا گذارد.

پس مشخص می‌شود در قطعات پیش‌ساخته و پیش‌تنیده در حاشیه خلیج‌فارس و دریای عمان، بخوبی می‌توان از سرباره استفاده نمود.

برای اطلاعات بیشتر در خصوص سرباره و تاثیر آن بر مشخصات بتن تازه و سخت شده، به ACI 233R مراجعه شود.

پودرسنگ ها

پودرسنگ به دو دسته کلی تقسیم می‌شود که تقریبا در بتن ازنظر فعالیت شیمیایی می‌توانند خنثی و غیرفعال تلقی شوند:

پودر سنگ‌های آهکی

پودرسنگ‌های سیلیسی کوارتزی، پودرسنگ‌های آذرین و دگرگونی آذرین

 

پودرسنگ آهکی

عمدتا از سنگ‌های آهکی کربنات کلسیمی و به‌ندرت از سنگ‌های آهکی دولومیتی (حاوی کربنات منیزیم) استفاده می‌شود. آسیاب کردن سنگ‌های آهکی کربنات کلسیمی با بیش از ۷۵ درصد کربنات کلسیم و بویژه با بیش از ۹۰ درصد کربنات کلسیم ساده‌تر است. برخی از این پودر سنگ‌های آهکی ممکن است دارای واکنش‌هایی در خمیر سیمان باشند که چندان مطلوب نیست.

پودرسنگ به‌عنوان یک پرکننده (فیلر) در بتن عمل می‌کند و کارایی را بهبود می‌بخشد هرچند اسلامپ را کم می‌کند.

وقتی پودرسنگ جایگزین سیمان شود ممکن است تا حدودی مقاومت بتن را کم کند. گزارش‌هایی نیز وجود دارد که مقاومت بتن کم نمی‌شود بلکه افزایش جزیی را نیز نشان می‌دهند.

آب انداختن و جداشدگی را کم می‌کند بویژه اگر ریزتر از سیمان آسیاب شده باشد.

پودرسنگ آهکی بر دوام بتن تاثیر منفی خاصی ندارد. به‌هرحال گزارش‌های منتشر شده گاه بهبود و گاه عدم بهبود و گاه ضعف دوام را نشان می‌دهد.

امروزه از این پودرسنگ‌ها به‌میزان قابل توجهی در بتن‌های خودتراکم استفاده می‌شود.

پودرسنگ سیلیسی (کوارتزی)

این پودرسنگ‌ها به‌عنوان فیلر هستند و عملا تاثیر چندان مثبتی را در بتن تازه و سخت‌شده بوجود نمی‌آورند. آسیاب کردن آن‌ها سخت است.

دیدگاهتان را بنویسید

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