چکیده:
پوزولان ها مواد سیلیسی و آلومینی هستند که در مجاورت آب در حرارت معمولی با آهک ترکیب شده و تشکیل مواد پایدار و نامحلول (ژل) داده و خاصیت سیمانی شدن دارند. اقدام جهت شناسایی خاصیت پوزولان ها در بتن و ملات سال هاست که به طور وسیعی در کشورهای مختلف آمریکایی، اروپایی و ایران صورت گرفته است به نحوی که به کارگیری این مواد به عنوان ماده جایگزین سیمن در بتن در آیین نامه ها آورده شده است. در این نوشتار به معرفی پوزولان ها از دیدگاه ASTM، حدود ترکیبات شیمیایی و طبقه بندی آن ها پرداخته شده است. همچنین معرفی مواد اصلی، چگونگی پیدایش و نیز بررسی مزایای استفاده از پوزولان ها صورت گرفته است. از جمله مزایای استفاده از پوزولانها، داشتن خصوصیات سیمانی و در نتیجه صرفه ی اقتصادی، بالابردن مقاومت در برابر حمله اسیدها و قلیایی سنگدانه ها و جلوگیری از ترک خوردن سطحی گسترده بتن، کاهش بتن ذیری، خاصیتی که در ارتباط با آب بند بودن سازه های نگهدارنده آب و همچنین در ارتباط با حملات شیمیایی مورد توجه می باشد. بررسی مکانیزم حمله سولفات ها و تاثیر پوزولان ها بر افزایش مقاومت بتن در برابر حمله سولفات ها، از طریق کاهش میزان C3A در سیمان که منجر به بالا بردن دوام بتن مورد تهاجم آب دریا می شود، صورت می گیرد.
مواد مکمل سیمان سازی
مقدمه
خاکستر پرندگان، تفاله های خرد شده کوره های بلند روی زمین، دود سیلیکا و پوزولان های طبیعی مانند متاکالین، سنگ رسی و خاک رسی سوزانده موادی هستند که – زمانی که با سیمان پُرتلند یا سیمان مخلوط استفاده می شدند – از طریق این مواد به عنوان مواد مکمل سیمان سازی (SCM'S) یا مواد مکمل سیمان سازی برای بهبود ویژگی های خاص مانند سیمان مانند کاهش فعل و انفعال زیان آور تراکم قلیایی استفاده می شوند.
از قدیم، خاکستر پرندگان، تفاله، دود سیلیکا و پوزولان های طبیعی مانند خاک رس و سنگ رسی سوزانده در بتون استفاده می شدند. امروزه، به خاطر دسترسی ساده به این مواد، تولیدکنندگان بتون می توانند دو یا چند تا از این مواد را برای بهینه سازی ویژگی های بتون به کار برند. ترکیبات با استفاده از این سه مواد سیمان سازی – که ترکیبات سه تایی نامیده می شوند متداول تر می شوند.
زغالسنگ، روباره کوره بلند، خاکستر سبوس برنج یا دوده سیلیس. به همین منظور کارهای کمی در خصوص تولید، بهینه سازی و مهندسی کردن مصالح پوزولانی که به طور خاص در طرح های اختلاط سیمان های پرتلند استفاده می شوند، انجام شده است. متاکائولین یک پیشرو در میان نسل جدید چنین مصالحی می باشد.
استفاده از دوده سیلیس و دیگر افزودنی های شیمیایی برای بتن هایی با مقاومت های طراحی بیش از MP50 و یا مواردی که شرایط بهره برداری، شرایط جوی و یا ملاحظات هزینه های طول عمر سازه، استفاده از بتن های توانمند (HPC) را دیکته می کند، متداول می باشد.
تولید HRM به عنوان جایگزینی برای دوده سیلیس می باشد. معادل بودن در افزایش مقاومت و خصوصیات مربوط به دوام به اضافه چند ویژگی و مشخصه دیگر HRM شامل رنگ و کارپذیری، به طور مؤثرتری مرزبندی های طراحی مصالح HPC را توسعه داده و وسیع کرده است. مزایایی که از نظر خواص مهندسی در صورت استفاده از HRM حاصل می شود با عوارض جانبی اندکی همراه است. در صورتی که متاکائولین به طور مناسب تنظیم شود، بافت مخلوط بتن تازه، کارپذیری و قابلیت پرداخت در صورت جایگزینی HRM با 15- 5 % سیمان بهبود می یابد. ضمناً متاکائولین سفید رنگ است و محصولات سیمانی و بتنی سفید یا خاکستری را تیره نخواهد کرد.
متاکائولین یک سیلیکات آلومینیم آمورف سفید رنگ می باشد که دارای خواص پوزولانی می باشد و براساس استاندارد ASTM C 618 در رده پوزولان های کلاس (N پوزولان های طبیعی خام یا کلسینه شده) قرار می گیرد. پیشوند متا (meta) در ادبیات برای نشان دادن "تغییر" به کار می رود. از لحاظ علمی این پیشوند به این منظور استفاده شده است تا عبارت "کمترین میزان هیدراته شده از یک گونه یا سری" را نشان دهد.
متاکالئولین به طور کامل قابل جایگزینی با پوزولان توانمند (نظیر دوده سیلیس/ میکروسیلیس) است. درباره مقاومت فشاری، کاهش درصد افزودن متاکائولین برای ایجاد کارایی معادل با پوزولان های قبلی ممکن خواهد بود. در ضمن امکان کاهش درصد فوق روانساز مورد نیاز برای طرح اختلاط حاوی متاکائولین در مقایسه با طرح اختلاط حاوی دوده سیلیس وجود دارد.
متاکائولن نیز همانند پوزولان های دیگر با هیدروکسید کلیسم ایجاد شده بر اثر هیدراته شدن سیمان واکنش داده و سیلیکات کلسیم هیدراته (C-S-H) تولید می کند SiO2 و Al2O3 بیشترین مواد شیمیایی تشکیل دهنده متاکائولن هستند. همان طور که در نمودار 2 مشخص شده در هرم پوزولان ها متاکائولن در ناحیه میانی هرم قرار می گیرند.
سیمان های آمیخته پوزولانی بنا به ضرورت هایی از جمله مصرف انرژی کمتر، حفظ محیط زیست و کاهش قیمت سیمان در دنیا تولید شدند سیمان های آمیخته ای سرباره ای نیز به همین دلیل سال هاست که به بازار عرضه شده اند. کاهش در مصرف انرژی برای تولید کلینگر سیمان و کاهش تولید گازهای آلاینده ای که از سوختن مواد سوختنی حاصل می شود را از دلایل تولید و مصرف سیمان های آمیخته است و می توان با مصرف پوزولان های طبیعی یا مصنوعی از مصرف سوخت زیاد و تولید مواد آلاینده و گازهای نامطلوب جلوگیری کرد.
سیمان پورتلند پوزولانی
سیمان پرتلند پوزولانی حاوی حداکثر 15% پوزولان طبیعی مرغوب از دامنه کوه سبلان می باشند که از خواص ویژه کاربردی به شرح ذیل برخوردار است:
مقاومت در مقابل مواد شیمیایی و فاضلاب
مقاومت نهایی بالاتر
قابلیت نفوذ و کارپذیری بهتر برای ویبره شدن
حفاظت مصالح و آرماتور درون بتون در مقابل نفوذ مواد خورنده
خارج کردن املاح قلیایی از بتن
انبساط کمتر و قابل استفاده در بتن ریزی های حجیم
حرارت هیدراتاسیون کمتر در بتن ریزی های حجیم
بتن تشکیل شده از سیمان پوزولانی به علت نفوذ پذیری بهتر پوزولان و روانی آن دچار ترک خوردگی نمی شود.
جلوگیری از واکنش قلیائی – سیلیکا در سنگدانه های بتن مخصوصاً در سد سازی (سرطان بتن)
حفظ منابع طبیعی به علت کاهش مصرف در سوخت و مواد اولیه سیمان
کاهش آلودگی هوا به علت جایگزین شدن به جای کلینگر و کاهش مصرف سوخت های فسیلی
کاهش میزان سایش تجهیزات در آسیاب های سیمان
کاهش مصرف انرژی الکتریکی به علت کم سایش بودن در آسیاب های سیمان
کاهش قیمت تمام شده در تولید سیمان
مصرف این سیمان در هوای گرم مخصوصاً معتدل و مرطوب بسیار مطلوب می باشد. در آب و هوای سرد به علت ویژگی هیدراسیون کمتر باید بتن تازه در مقابل یخ زدن محافظت می شود. این سیمان به دلیل ویژگی فوق و همچنین ماهیت پوزولان می بایست مدت زمان بیشتری بعد از بتن ریزی نگهدای شود تا آماده بارگزاری گردد. با رعایت این موارد می توان نتیجه ایده آل تری از مصرف سیمان پرتلند پوزولانی به دست می آورد.
سیمان تیپ یک
حرارت هیدراسیون بالا و نامناسب برای بتن ریزی های حجیم
انبساط نسبتاً بالا
مورد مصرف در مصارف عمومی
در محیط های خورنده شیمیایی مانند سولفات ها – کلر و ... مقاوم نمی باشد.
دارای مقاومت فشاری بالا در کوتاه مدت (3 و 7 روزه)
سیمان تیپ دو
حرارت هیدراسیون بالا و نامناسب برای بتن ریزی های حجیم
انبساط کم
در محیط های خورنده شیمیایی مانند سولفات ها – کلر و ... نسبتاً مقاوم می باشد.
در بتن ریزی های حجیم با رعایت استانداردهای مخصوص می توان از آن استفاده کرد.
مقاومت فشاری نهایی بالا (28 روزه)
سیمان پوزولانی
بسیاری از خواص بتن بر اثر استفاده از مواد پوزولانی بهبود می یابد. برخی از این آثار ناشی از خواص فیزیکی شامل ریز بودن ذرات و بقیه ناشی از فعل و انفعالات شیمیایی پوزولانی با سیمان است. کاهش نفوذ پذیری بتن؛ کاهش آب انداختن بتن بهبود پرداخت پذیری بتن؛ افزایش چسبندگی مخلوط و در نتیجه افزایش کارایی بتن ناشی از خصوصیات فیزیکی پوزولان است.
کم بودن حرارت هیدراتاسیون؛ مقاومت در مقابل خوردگی ها توام سولفات و کلر مناسب بودن آن در بتن ریزی های حجیم از دیگر خصوصیات منحصر به فرد سیمان های پوزولانی است. نهایتاً می توان گفت بتن های ساخته شده از سیمان های پوزولانی دارای پایائی بیشتری نسبت به سیمان های معمولی هستند و سازه های مربوطه که در واقع سرمایه های ملی هستند به مدت طولانی پابرجا خواهند بود.