پوزولان به عنوان ماده ي جايگزين سيمان
چكيده:
پوزولان ها مواد سيليسي و آلوميني هستند كه در مجاورت آب در حرارت معمولي با آهك تركيب شده و تشكيل مواد پايدار و نامحلول (ژل) داده و خاصيت سيماني شدن دارند. اقدام جهت شناسايي خاصيت پوزولان ها در بتن و ملات سال هاست كه به طور وسيعي در كشورهاي مختلف آمريكايي، اروپايي و ايران صورت گرفته است به نحوي كه به كارگيري اين مواد به عنوان ماده جايگزين سيمن در بتن در آيين نامه ها آورده شده است. در اين نوشتار به معرفي پوزولان ها از ديدگاه ASTM، حدود تركيبات شيميايي و طبقه بندي آن ها پرداخته شده است.

همچنين معرفي مواد اصلي، چگونگي پيدايش و نيز بررسي مزاياي استفاده از پوزولان ها صورت گرفته است. از جمله مزاياي استفاده از پوزولانها، داشتن خصوصيات سيماني و در نتيجه صرفه ي اقتصادي، بالابردن مقاومت در برابر حمله اسيدها و قليايي سنگدانه ها و جلوگيري از ترك خوردن سطحي گسترده بتن، كاهش بتن ذيري، خاصيتي كه در ارتباط با آب بند بودن سازه هاي نگهدارنده آب و همچنين در ارتباط با حملات شيميايي مورد توجه مي باشد. بررسي مكانيزم حمله سولفات ها و تاثير پوزولان ها بر افزايش مقاومت بتن در برابر حمله سولفات ها، از طريق كاهش ميزان C3A در سيمان كه منجر به بالا بردن دوام بتن مورد تهاجم آب دريا مي شود، صورت مي گيرد.

مواد مكمل سيمان سازي
مقدمه
خاكستر پرندگان، تفاله هاي خرد شده كوره هاي بلند روي زمين، دود سيليكا و پوزولان هاي طبيعي مانند متاكالين، سنگ رسي و خاك رسي سوزانده موادي هستند كه – زماني كه با سيمان پُرتلند يا سيمان مخلوط استفاده مي شدند – از طريق اين مواد به عنوان مواد مكمل سيمان سازي (SCM’S) يا مواد مكمل سيمان سازي براي بهبود ويژگي هاي خاص مانند سيمان مانند كاهش فعل و انفعال زيان آور تراكم قليايي استفاده مي شوند.

از قديم، خاكستر پرندگان، تفاله، دود سيليكا و پوزولان هاي طبيعي مانند خاك رس و سنگ رسي سوزانده در بتون استفاده مي شدند. امروزه، به خاطر دسترسي ساده به اين مواد، توليدكنندگان بتون مي توانند دو يا چند تا از اين مواد را براي بهينه سازي ويژگي هاي بتون به كار برند. تركيبات با استفاده از اين سه مواد سيمان سازي – كه تركيبات سه تايي ناميده مي شوند متداول تر مي شوند.

زغالسنگ، روباره كوره بلند، خاكستر سبوس برنج يا دوده سيليس. به همين منظور كارهاي كمي در خصوص توليد، بهينه سازي و مهندسي كردن مصالح پوزولاني كه به طور خاص در طرح هاي اختلاط سيمان هاي پرتلند استفاده مي شوند، انجام شده است. متاكائولين يك پيشرو در ميان نسل جديد چنين مصالحي مي باشد.

استفاده از دوده سيليس و ديگر افزودني هاي شيميايي براي بتن هايي با مقاومت هاي طراحي بيش از MP50 و يا مواردي كه شرايط بهره برداري، شرايط جوي و يا ملاحظات هزينه هاي طول عمر سازه، استفاده از بتن هاي توانمند (HPC) را ديكته مي كند، متداول مي باشد.

توليد HRM به عنوان جايگزيني براي دوده سيليس مي باشد. معادل بودن در افزايش مقاومت و خصوصيات مربوط به دوام به اضافه چند ويژگي و مشخصه ديگر HRM شامل رنگ و كارپذيري، به طور مؤثرتري مرزبندي هاي طراحي مصالح HPC را توسعه داده و وسيع كرده است. مزايايي كه از نظر خواص مهندسي در صورت استفاده از HRM حاصل مي شود با عوارض جانبي اندكي همراه است. در صورتي كه متاكائولين به طور مناسب تنظيم شود، بافت مخلوط بتن تازه، كارپذيري و قابليت پرداخت در صورت جايگزيني HRM با ۱۵- ۵ % سيمان بهبود مي يابد. ضمناً متاكائولين سفيد رنگ است و محصولات سيماني و بتني سفيد يا خاكستري را تيره نخواهد كرد.

متاكائولين يك سيليكات آلومينيم آمورف سفيد رنگ مي باشد كه داراي خواص پوزولاني مي باشد و براساس استاندارد ASTM C 618 در رده پوزولان هاي كلاس (N پوزولان هاي طبيعي خام يا كلسينه شده) قرار مي گيرد. پيشوند متا (meta) در ادبيات براي نشان دادن “تغيير” به كار مي رود. از لحاظ علمي اين پيشوند به اين منظور استفاده شده است تا عبارت “كمترين ميزان هيدراته شده از يك گونه يا سري” را نشان دهد.

متاكالئولين به طور كامل قابل جايگزيني با پوزولان توانمند (نظير دوده سيليس/ ميكروسيليس) است. درباره مقاومت فشاري، كاهش درصد افزودن متاكائولين براي ايجاد كارايي معادل با پوزولان هاي قبلي ممكن خواهد بود. در ضمن امكان كاهش درصد فوق روانساز مورد نياز براي طرح اختلاط حاوي متاكائولين در مقايسه با طرح اختلاط حاوي دوده سيليس وجود دارد.

متاكائولن نيز همانند پوزولان هاي ديگر با هيدروكسيد كليسم ايجاد شده بر اثر هيدراته شدن سيمان واكنش داده و سيليكات كلسيم هيدراته (C-S-H) توليد مي كند SiO2 و Al2O3 بيشترين مواد شيميايي تشكيل دهنده متاكائولن هستند. همان طور كه در نمودار ۲ مشخص شده در هرم پوزولان ها متاكائولن در ناحيه مياني هرم قرار مي گيرند.

سيمان هاي آميخته پوزولاني بنا به ضرورت هايي از جمله مصرف انرژي كمتر، حفظ محيط زيست و كاهش قيمت سيمان در دنيا توليد شدند سيمان هاي آميخته اي سرباره اي نيز به همين دليل سال هاست كه به بازار عرضه شده اند. كاهش در مصرف انرژي براي توليد كلينگر سيمان و كاهش توليد گازهاي آلاينده اي كه از سوختن مواد سوختني حاصل مي شود را از دلايل توليد و مصرف سيمان هاي آميخته است و مي توان با مصرف پوزولان هاي طبيعي يا مصنوعي از مصرف سوخت زياد و توليد مواد آلاينده و گازهاي نامطلوب جلوگيري كرد.

سيمان پورتلند پوزولاني
سيمان پرتلند پوزولاني حاوي حداكثر ۱۵% پوزولان طبيعي مرغوب از دامنه كوه سبلان مي باشند كه از خواص ويژه كاربردي به شرح ذيل برخوردار است:
۱- مقاومت در مقابل مواد شيميايي و فاضلاب
۲- مقاومت نهايي بالاتر
۳- قابليت نفوذ و كارپذيري بهتر براي ويبره شدن
۴- حفاظت مصالح و آرماتور درون بتون در مقابل نفوذ مواد خورنده
۵- خارج كردن املاح قليايي از بتن
۶- انبساط كمتر و قابل استفاده در بتن ريزي هاي حجيم
۷- حرارت هيدراتاسيون كمتر در بتن ريزي هاي حجيم

۸- بتن تشكيل شده از سيمان پوزولاني به علت نفوذ پذيري بهتر پوزولان و رواني آن دچار ترك خوردگي نمي شود.
۹- جلوگيري از واكنش قليائي – سيليكا در سنگدانه هاي بتن مخصوصاً در سد سازي (سرطان بتن)
۱۰- حفظ منابع طبيعي به علت كاهش مصرف در سوخت و مواد اوليه سيمان
۱۱- كاهش آلودگي هوا به علت جايگزين شدن به جاي كلينگر و كاهش مصرف سوخت هاي فسيلي
۱۲- كاهش ميزان سايش تجهيزات در آسياب هاي سيمان
۱۳- كاهش مصرف انرژي الكتريكي به علت كم سايش بودن در آسياب هاي سيمان

۱۴- كاهش قيمت تمام شده در توليد سيمان
مصرف اين سيمان در هواي گرم مخصوصاً معتدل و مرطوب بسيار مطلوب مي باشد. در آب و هواي سرد به علت ويژگي هيدراسيون كمتر بايد بتن تازه در مقابل يخ زدن محافظت مي شود. اين سيمان به دليل ويژگي فوق و همچنين ماهيت پوزولان مي بايست مدت زمان بيشتري بعد از بتن ريزي نگهداي شود تا آماده بارگزاري گردد. با رعايت اين موارد مي توان نتيجه ايده آل تري از مصرف سيمان پرتلند پوزولاني به دست مي آورد.

سيمان تيپ يك
– حرارت هيدراسيون بالا و نامناسب براي بتن ريزي هاي حجيم
– انبساط نسبتاً بالا
– مورد مصرف در مصارف عمومي
– در محيط هاي خورنده شيميايي مانند سولفات ها – كلر و … مقاوم نمي باشد.
– داراي مقاومت فشاري بالا در كوتاه مدت (۳ و ۷ روزه)

سيمان تيپ دو
– حرارت هيدراسيون بالا و نامناسب براي بتن ريزي هاي حجيم
– انبساط كم
– در محيط هاي خورنده شيميايي مانند سولفات ها – كلر و … نسبتاً مقاوم مي باشد.
– در بتن ريزي هاي حجيم با رعايت استانداردهاي مخصوص مي توان از آن استفاده كرد.
– مقاومت فشاري نهايي بالا (۲۸ روزه)

سيمان پوزولاني
بسياري از خواص بتن بر اثر استفاده از مواد پوزولاني بهبود مي يابد. برخي از اين آثار ناشي از خواص فيزيكي شامل ريز بودن ذرات و بقيه ناشي از فعل و انفعالات شيميايي پوزولاني با سيمان است. كاهش نفوذ پذيري بتن؛ كاهش آب انداختن بتن بهبود پرداخت پذيري بتن؛ افزايش چسبندگي مخلوط و در نتيجه افزايش كارايي بتن ناشي از خصوصيات فيزيكي پوزولان است.

كم بودن حرارت هيدراتاسيون؛ مقاومت در مقابل خوردگي ها توام سولفات و كلر مناسب بودن آن در بتن ريزي هاي حجيم از ديگر خصوصيات منحصر به فرد سيمان هاي پوزولاني است. نهايتاً مي توان گفت بتن هاي ساخته شده از سيمان هاي پوزولاني داراي پايائي بيشتري نسبت به سيمان هاي معمولي هستند و سازه هاي مربوطه كه در واقع سرمايه هاي ملي هستند به مدت طولاني پابرجا خواهند بود.

توصيه هايي در مورد كاربرد و نگهداري سيمان پوزولاني
معمولاً در مقايسه با كلينگر؛ پوزولان ها به سهولت پودر مي شوند. بدين لحاظ با افزايش سطح دانه ها و ريز شدن آن ها نسبت به سطح سيمان معمولي در هنگام ساخت بتن نياز به آب بيشتري وجود دارد.

وزن معيني از سيمان پرتلند پوزولاني در مقايسه با سيمان پرتلند هم وزن خود داراي حجم بيشتري است در نتيجه در موقع خريد چنانچه به صورت فله اي خريداري گردد و يا در موقع پيمانه كردن براي ساختن بتن بايد به اين نكته توجه شود.
در صورت نگهداري و يا انبار نمودن سيمان بايد آنچنان انبار شود كه دسترسي بدان براي بازرسي و تعيين هر محموله آسان باشد. همچنين تهويه انبار بايد آنچنان مناسب باشد كه از مرطوب شدن آن محافظت نمايد و از كلوخه شدن ناشي از انبار را به حداقل برساند.

مواد پوزولاني
استفاده از مواد پوزولاني كه امروزه در افزايش دوام بتن در برابر خرابي هاي متفاوت بسيار رايج است يكي از روش هاي افزايش مقاومت بتن در برابر سيكلهاي يخبندان – ذوب يخ است. از جمله از اين مواد ميكروسيليس است. اين ماده در ميان منافذ موئينه نفوذ كرده و باعث قطع لوله هاي مرتبط اين نافذ مي شود و با اين كار يك بتن متراكم و با نفوذ پذيري پايين ايجاد مي كند.

پودر خاك سنگ در بهبود مقاومت بتن در برابر چرخه يخبندان – ذوب يخ بخصوص در حضور ميكروسيليس اثر مطلوبي دارد. اثر اين ماده در بهبود مقاومت بتن در برابر يخبندان در مخلوط هاي داراي مواد هوازا اندك است.
استفاده از ماده ميكروسيليس براي بهبود دوام بتن در برابر چرخه هاي يخبندان – ذوب مقاومتي نظير نمونه هاي داراي مواد هوازا دارد و مي توان براي به دست آوردن يك بتن بادوام نسبتاً مناسب در برابر يخ بندان از اين ماده استفاده كرد.
تركيب مواد هوازا و ميكروسيليس اثر مطلوبي بر افزايش مقاومت در برابر يخبندان دارد نمونه هاي بدست آمده از اين طرح اختلاط داراي مقاومت بسيار خوبي در برابر چرخه هاي يخبندان – ذوب – يخ هستند.

مواد پوزولاني ديگر نظير خاكستر بادي و سرباره كوره آهن گدازي باعث كاهش نفوذ پذيري مي شوند اما استفاده از اين موارد باعث افزايش مصرف مواد هوازا و به عبارتي كاهش مقاومت در برابر يخ بندان مي شود.
نمونه اي كه از تركيب ميكروسيليس و پودر خاك سنگ تهيه شده است داراي مقاومتي نظير نمونه هاي مواد حباب زا و ميكروسيليس است و بسيار در برابر يخبندان مقاوم است.

مواد اوليه و مصالح مصرفي در آزمايش ها
سيمان: سيمان مصرفي از نوع پرتلند ضد سولفات متوسط (نوع دو) مي باشد.
تعريف مواد ميكروسيليسي:
ميكروسيليس با نام تجاير ميكروسيليكا مي باشد كه با استاندارد ASTM C1240 دارد.

ميكروسيليس: مقدار ميكروسيليس مصرفي كه به صورت جايگزين سيمان در بتن ها قرار گرفته اند طبق مراجعه مطالعات صورت گرفته حدود ۸ ميكروسيليس اثر مناسبي بر روي دوام دارد و با افزايش از اين مقدار سير صعودي اثر مطلوب آن كاهش مي يابد.

جدول ۱: طرح اختلاط مورد استفاده در آزمايشگاه
نسبت آب به سيمان درشت دانه (kg) ماسه با پودر خاك سنگ ماسه (kg) روان كننده (g) حباب زا (m-lit) ميكروسيليس (kg) آب (LIT) سيمان (kg) شماره و نام نمونه
۵۵/۰ ۹۹۲ ___ ۸۳۵ ___ ___ ___ ۱۷۶ ۳۲۰ PC
55/0 992 835 ___ ___ ___ ___ 176 320 PC-P
4/0 992 ___ 979 6380 ___ 6/25 128 4/294 PC-P
4/0 992 979 ___ 6250 ___ 6/25 128 4/294 PC-S-P
4/0 992 ___ 855 5920 320 ___ 128 320 PC-A
4/0 992 855 ___ 5850 320 ___ 128 320 PC-A-P
4/0 992 ___ 875 5830 320 6/25 128 4/294 PC-S-A
4/0 992 875 ___ 5780 320 6/25 128 4/294 PC-S-A-P
7/0 992 ___ 855 ___ ___ ___ 210 300 SH

جدول ۲: مشخصات شيميايي ميكروسيليس كارخانه از نا مورد استفاده
SO3 آهك آزاد افت سرخ شدن Mgo CaO Fe2o3 Al2O3 SiO2
45/0 ___ 10/2 60/0 24/2 00/2 55/1 1/91

مقادير اجزاي تشكيل دهنده نمونه ها
تمامي نمونه هاي بتن سبك ليكا با عيار سيمان Kg/m3 550 و نسبت آب به سيمان ۴/۰ ساخته شده اند ابتداي طرح شاهد فاقد دوده سيليسي ساخته شد. سپس يك طرح با جايگزيني ۱۰ درصد وزني سيمان با دوده سيليسي ساخته شد. سپس تمام مراحل ساخت و آزمايش بطور يكسان با سبك دانه پاميس تكرار شد. مقادير مخلوط هاي بتن ها در جدول شماره ۳ و ۴ آمده است.
جدول ۱۰- مقادير مخلوط هاي بتن سبك ليكا (متغير ميكروسيليس) Kg/m3

شماره طرح اسم طرح درشت دانه سبك ريز دانه سبك سيمان c ميكروسيليس s.f B=C+s.f آب w فوق روان كننده w/b وزن مخصوص محاسباتي
۱ L14 75/183 71/314 550 ___ 550 220 ___ 4/0 46/1268
2 L19 75/183 03/307 495 55 550 220 20/2 4/0 98/1262
3 L17 75/183 35/299 440 110 550 220 60/5 4/0 70/1258
جدول شماره ۱۱ – مقادير مخلوط هاي بتن سبك پاميس (متغير ميكروسيليس) Kg/m3
شماره طرح اسم طرح درشت دانه سبك ريز دانه سبك سيمان c ميكروسيليس s.f B=C+s.f آب w فوق روان كننده w/b وزن مخصوص محاسباتي
۱ Pp4 97/270 71/473 550 ___ 550 220 ___ 4/0 68/1514
2 Pp9 97/270 82/463 495 55 550 220 10/2 4/0 79/1504
3 Pp7 97/270 92/453 440 110 550 220 80/4 4/0 89/1494

برنامه هاي آزمايشگاهي
به دليل جذب آب زياد سبك دانه ها مصالح به صورت اشباع با سطح خشك مصرف شده اند. وزن هاي ارائه شده در جدول ۳ و ۴ براي مصالح، وزن اشباع با سطح خشك آن ها مي باشد. در ساخت نمونه هاي فشاري از قالب هاي استاندارد ۱۰ سانتي متري استفاده گرديد. براي تعيين مقاومت فشاري و همچنين وزن مخصوص نمونه ها تعداد ۳ نمونه براي آزمايش در هر سن ساخته شده و ميانگين نتايج آزمايشات هر سه نمونه ذكر گرديد. براي تعيين مقاومت كششي، از نمونه هاي استوانه اي ۱۵ ۳۰ سانتي متري و روش آزمايش شكافت نمونه استوانه اي (آزمايش برزيلي) استفاده گرديد.

نتايج آزمايشات
تأثير جايگزيني سيمان با دوده سيليسي و مشخصه هاي مكانيكي بتن سبك ليكا و پاميس به ترتيب در جدول شماره ۵ و ۶ آمده است.
جدول شماره ۱۲ – نتايج آزمايشات بتن سبك ساخته شده با ليكا، متغير ميكروسيليس
شماره طرح اسم طرح دوده سيليسي متوسط مقاومت فشاري ۷ روزه متوسط مقاومت فشاري ۱۴ روزه متوسط مقاومت فشاري ۲۸ روزه متوسط مقاومت كششي ۲۸ روزه

۱ L14 ___ 8/10 5/12 1/15 73/1
2 L19 B %10 4/12 7/16 9/6 02/2
3 L17 B %20 0/12 2/16 5/17 19/2
جدول شماره ۱۳ – نتايج آزمايشات بتن سبك ساخته شده با پاميس، متغير ميكروسيليس

شماره طرح اسم طرح دوده سيليسي متوسط مقاومت فشاري ۷ روزه متوسط مقاومت فشاري ۱۴ روزه متوسط مقاومت فشاري ۲۸ روزه متوسط مقاومت كششي ۲۸ روزه
۱ PP 4 ___ 1/15 8/17 2/19 94/1
2 PP 9 B %10 9/15 3/18 6/20 29/2
3 PP 7 B %20 8/16 9/18 7/21 51/2

مشخصه هاي مكانيكي بتن سبك ليكا و پاميش با افزايش درصد دوده سيليسي افزايش يافته است. در نمودار شماره ۱ و ۲ به ترتيب اثر جايگزين در سطح هاي مختلف دوده سيليسي در سنين مختلف براي بتن سبك ليكا پاميس ساخته شده با نسبت آب به سيمان ۴/۰ بر مقاومت فشاري مشاهده مي شود.
در نمودار شماره ۳ به ترتيب تأثير جايگزيني سيمان با ۱۰ و ۲۰ درصد دوده سيليسي بر مقاومت كششي بتن يبك ليكا و پاميس با نسبت آب به سيمان ۴/۰ به همراه نمونه شاهد بدون دودهد سيليسي مشاهده مي شود با توجه به نمودار با افزايش درصد دوده سيليس مقاومت كششي هر دو نوع بتن سبك افزايش يافته است.

نمونه كوه هايي كه مواد پوزولاني در آن ها موجود است.

نتيجه گيري
مقايسه مشخصه هاي مكانيكي ۲۸ روزه بتن سبك ليكا و پاميس حاوي نسبت هاي مختلف دوده سيليسي با نسبت آب به سيمان ۴/۰ در نمودارهاي شماره ۴ و ۵ آمده است.
سيمان پرتلند پوزولاني (انواع P, Lp وl (PM) )
اين سيمان ها از آسياب كردن و مخلوط كردن پوزولان ها (خاكهاي طبيعي و مصنوعي جايگزين سيمان) با سيمان پرتلند ساخته مي شوند. بر طبق استاندارد ASTM C 618-84 پوزولان ها به مواد سيليسي يا سيليسي آلوميني اتلاق مي شودكه به تنهايي خاصيت گيرش و سيماني شدن را ندارند ولي به صورت ذرات ريز و در محاورت رطوبت با آهك آزاد شده از هيدراتاسيون سيمان و در درجه حرارت محيط، تركيباتي با خاصيت سيماني تشكيل مي دهند.

به طور كلي سيمان هاي پوزولاني به آرامي مقاومت پيدا كرده ليكن مقاومت دراز مدت آن ها نسبتاً بالاست، به جهت ديرگيري، مدت طولاني تري مي بايست از بتن ساخته شده از اين سيمان ها مراقبت نمود، شكل (۲-۶) افزايش مقاومت فشاري يك نمونه بتن با سيمان پرتلند (كنترل) و نمونه ساخته شده از خاكستر نرم يا بادي PFA را نشان مي دهد. البته اين *** بسته به ميزان درصد جايگزيني مادة پوزولاني و سيمان تغيير مي باشد.
استاندارد ASTM C 595-83a نوع سيمان پوزولاني IP را براي مصارف عادي و نوع P را براي زماني كه مقاومت اوليه بالا در بتن نيازي نيست، توصيه مي كند. نوع l (PM) در حقيقت سيمان پرتلند پوزولاني اصلاح شده مي باشد كه براي كارهاي معمولي به كار مي رود.