سیمان های فراتر از دانه ریز

اخیرا عبارت های دانه ریز، بسیار دانه ریز و میکرو دانه ریز به شکل هم معنی در نظر گرفته می شوند. موسسه بتن امریکا (ACI) کمیته ۵۵۲ (گروه بتن ژئوتکنیکی) به صورت غیر رسمی یک استاندارد حدود ۱۰۰ درصد دانه ریز تر از ۱۵ میکرون را برای مواد به عنوان فراتر از دانه ریز در

گزارشی پذیرفته است. اگر چه اصلاحات فنی مختلفی توسط مهندسان بخش هیات مهندسین ارتش آمریکا پیشنهاد شده است که ممکن است نهایتا اگر درجات مختلف سیمان خالص و دیگر استانداردها مورد تجدید نظر قرار گیرد، پذیرفته شود. با توجه به موارد فعلی، همه موادی که به عنوان بسیار دانه ریز، فراتر از دانه ریز، و میکرو دانه ریز طبقه بندی می شوند، مشابه نبوده و یا لزوما قابل مقایسه نیستند و احتمال تغییر آن بسیار کم است مگر زمانیکه استانداردهای رسمی ایجاد شده و با موفقیت اعلام شود. اما با این حال شرح برخی از گروه بندی های مواد خالص که اکنون در بازار وجود دارد، مفید خواهد بود.

یکی از مواد فوق خالص که در کمپانی سیمان اونودا مورد استفاده قرار می گیرد، و در بازار آمریکا به عنوان MC500 شناخته می شود، دارای خلوص ۸۰۰۰ cm2/gm و اندازه متوسط دانه ۴ میکرون است. این ماده در شن خالص نفوذ کرده و دارای خواص قدرتمندی بیش از آنچه که در سیمان پرتلند وجود دارد است.

قدرت چسبناکی MC500 با ۲:۱ مقیاس سیمان آبدار در حدود ۷CP گزارش شده است که این میزان نصف ملاط رقیق سیمان پرتلند است. اگر چه نتایج اعلام شده بررسی ها نشان می دهد که چسبندگی ۴۲۰CP برای ۱:۱ مقیاس سیمان وجود دارد. میزان جریان داشتن برای ترکیب گفته شده، در حدود ۵/۱ درجه است، زمان نرمال تنظیم در حدود ۴ تا ۵ ساعت است، اما به صورت ژله ای در آمدن این ماده در حدود ۲ تا ۳ دقیقه گزارش شده که با تزریق همزمان ترکیبات سدیم به دست می آید.

علی رغم اینکه MC500 در مقایسه با سیمان پرتلند با قدرت اولیه بالا سریعتر شکل می گیرد، اما دارای قدرت آبکشی بالایی نیست. زیرا این ماده شامل مقدار زیادی PAZZOLAN می شود. اما در مقابل مواد شیمیایی نسبتا پایدار است. هزینه این مواد در حدود ۱۰ برابر سیمان پرتلند است و بنابر این امکان سرمایه گذاری اقتصادی و استفاده از این ماده در کاربردهای مختلف بسیار کم است.

یک محصول ژاپنی دیگر به نام Nittetsu بسیار خالص بوده و خلوص ان توسط صنعتگران اعلام شده که دارای فضای خاص ۹۲۰۰ و اندازه متوسط دانه ۳ میکرون است. در صنعت این حقیقت پذیرفته شده که ذرات با اندازه های کوچکتر تمایل بیشتری به تراکم و به هم چسبیدگی دارند و با سرعت بالا ترکیب شده و برای از بین بردن این تراکم به یک ماده ترکیبی جدا کننده نیاز است.

سیمان Nittetsu به دست آمده نشان می دهد که اضافه کردن مقدار پیشنهاد ی۲ درصد قطره ای از ماده جدا کننده با چسبندگی ۱٫۵:۱ حالت تراکم آن را از ۲۷۵cp به ۱۸ cp تغییر می دهد. دیگر اطلاعات منتشر شده نشان می دهد که چسبندگی کمتر از ۳cp را می توان با استفاده از مقیاس سیمان آبدار ۵:۱ و یا بیشتر ایجاد کرد.
شن
ماسه،شن
ملاط ها
دانه ریز متوسط درشت

۰/۰۷۴

۰/۲۵

۰/۵

۲ MC-500
سیمان
MC-100
MC-500
سیلیکات سدیم

جدول۱)میزان تراوایی مواد دانه دار با دوغاب و ملاط دانه دار در این جدول میزان دانه ها به میلی متر است درصد ریزی دانه ها
۱۰۰
۸۰
۶۰ پرتلند MC-100
40 MC-500
20 100 80 60 40 30 20 10 8 6 4 3 2 1
0 اندازه ذرات به میکرون و درصد ریزی دانه ها

شکل ۲) توزیع اندازه دانه های مواد ریز دانه در دوغاب

اگر چه باید انتظار داشت جریان بیشتری ایجاد شود.. یک محصول فرانسوی به نام میکرون S، دارای اندازه متوسط دانه حتی کوچکتر از MC-500 است و گزارش شده که این ماده در شن نفوذ کرده و توان تراوایی (نفوذ پذیری آن) است. قیمت این ماده دو برابر دوغاب سیمان و بتن برآورد شده است.

یک محصول فرانسوی دیگر به نام میکروسِل بر طبق گزارش ماده ای است که ژل سیلیکا به طور موثر نفوذ می کند و قدری به اندازه ۳۰۰-۴۰۰ Psi که در حدود سه برابر ژل سیلیکا است ایجاد می کند. از یک فرآیند در محل برای تولید این ماده استفاده می شود که دارای اندازه دانه حداکثر ۱۰ میکرون است. کاربرد اولیه میکروسل استحکام پروژه مترودین در اتریش زیر ساختارهای سری در مانی بود.

یک محصول جدید که توسط سازمان ژئوشیمی ریج وود، در نیوجرسی تولید شد دارای اندازه دانه بسیار ریز بوده که از هر ماده اقتصادی دیگری که در دسترس است دانه ریزتر است. این محصول که MC-100 نام دارد و یک ماده دوغاب سرباره با اندازه متوسط ۳ میکرون است و حداکثر اندازه دانه ۸ میکرون و خلوص ۱۴۰۰۰cm2 در هر گرم است. چسبندگی برای ۲:۱ و ۳:۱ سیمان آبدار تقریباً بین

۵/۵ تا ۷cp گزارش شده است که در آن دوغاب Mc-100 شکل می گیرد. فرمول۱:۱ دارای قدرت چسبندگی ۲۸/۶ و قدرت چسبندگی واقعی ۳۸cp و جریان ۳۰۱ در صد است. برای رسیدن به این حد پایین چسبندگی و تسریع در نفوذ پذیری و تراوایی در شن، یک ماده شیمیایی تجزیه کننده به

اندازه ۱ در صد به MC-100 اضافه می شود. تولید کنندگان این مواد پیشنهاد می کنند که اضافه کردن ۵۰ درصد محلول هیدروکسید سدیم با وزن ۵ درصد باعث می شود زمان ترکیب را بین ۳ تا ۵ ساعت متغیر می سازد. تنظیم زمان بین ۱ تا ۲ ساعت را نیز می توان با ترکیبات ۱:۱ و یا با قطر بیشتر ایجاد کرد.
محلول هیدروکسید سدیم در دمای ۱۲ درجه سانتی گراد یخ می بندد و به در همین دلیل در هوای سرد نمی توان از آن استفاده کرد. اگر چه، یک مقاطعه کار این مشکل را با قراردادن هیدروکسید سدیم در جعبه های گرم حل شده است. بدون وجود هیدروکسید سدیم، تنظیم زمان اولیه برای ژله ای شدن بین ۱۰ تا ۲۰ ساعت است و نتایج تست نشان دهنده ی زمان بسیار طولانی است.

علاوه بر این، به دلیل وجود خطر استفاده از موادی چون هیدروکسید سدیم برخی از مصرف کنندگان ترجیح می دهند زمان بیشتری برای شکل گرفتن این ماده طی شود. همچنین بدلیل واکنش شیمیایی بر عکس، از هیدروکسید سدیم نمی توان به عنوان بخت کننده رویه در حضور بتن و یا سنگ آهک استفاده کرد. اگر چه سیمان ریزدانه پرتلند که در یونان و برخی مواقع در آمریکا

تولید می شود Mc-300 است که در ترکیب با رویه ریزدانه سخت می شود. آزمایش این مواد برای تعیین زمان تنظیم و اطمینان از دیگر خواص دوغاب سیمان و هر نوع ماده دیگر انجام می گیرد.
جدول ۱- MC-100 خصوصیات ملاط آبدار

تنظیم اولیه چسبندگی
جریان نهایی Brookfield چسبندگی
Marsh مقیاس
W.C
1.0 3.1% 38:4 28:6 1:1
1.9 0.6% 52.5 30.2 0.9:1
1.4 0.1% 138.5 31.0 0.8:1
1.0 0.6% 1440.0 68.4 0.6:1

۲-خواص ماده MC-100 در درست کردن دوغاب
پازولان
پازولان ها سیلیکات ها و یا آلمینوسیلیکاتهایی هستند که خود حالت سیمانی دارند، اما در مقابل آب و آهک و اکنش نشان می دهند تا ترکیبات سیمانی تولید کنند. با واکنش به آهک آزاد در سیمان پرتلند، نوعی دوغاب تولید می شود که میزان محلول بودن آن کمتر است و نسبت به مواد شیمیایی و آبهای سولفوردار مقاوم است. واکنش شامل شکل گیری هیدروسیلیکات آهک می شود که فضاها را پرکرده و در ایجاد صخره های سخت چون شن های سخت و پوست های آهکی سهم دارند. عموماً پازولانc نسبت به سیمان پرتلند دارای جاذبه خاص بسیار پائینی است. سیمان دارای جاذبه ۲٫۴ تا ۱٫۹ است. این خاصیت کم جذب باعث مانع شدن از جدایی مواد از هم می شود. بهترین حالت این خاصیت در مواد با دانه های بسیار ریز روی می دهد.

ترکیب با مواد معادل سیمان پرتلند و آب خاصیت روانی بسیار عالی ایجاد کرده که قدرت اولیه آن نیز بسیار بالا است. در موارد با بیش از ۵۰ درصد سیمان پرتلند، این ماده تنها به عنوان پر کننده منافذ عمل می کند.

پازولین مصنوعی مانند خاکستر روان یا پودر خاکستر سوخته شده و مواد باقیمانده در کوره تولید خاکستر به شکل وسیعی در معادن برای پر کردن منافذ مانند دوغاب مورد استفاده قرار می گیرد. بدلیل اینکه این مواد پسمانده هستند، پر کننده های منافذ بسیار ارزان قیمت محسوب می شوند. اگر چه نوع استفاده از این مواد محدود نیست. مک گاووک پیشنهاد می دهد که ترکیبی از خاکستر روان با مقداری سیمان و آب به شکلی موفق به عنوان دوغاب در سد spruce run در نیوجرسی آمریکا مورد استفاده قرار گرفت. ترکیب خاص پازولان مصنوعی، سیمان اضافی و مواد دیگر با نام بازرگانی پوزامنت در انگلیس شاخته شده است و در دوغاب بسیاری از ساختمان ها کاربردهای وسیعی دارد.

۳٫۱٫۲٫۱ خاکستر روان یک پودر دانه ریز است که از مواد معدنی ناشی از سوختن ذغال پودر شده در طول فرآیند سوختن در نیروگاه های سوخت ذغالی ایجاد می شود. دو نوع از این خاکستر توسط ASTM تا کنون نامگذاری شده است.
خاکستر روان کلاس F که از سوختن آنتراسیت و یا زغال BITUMINOUS تولید می شود و خاکستر کلاس C ( پازولانیک و سیمان) که از سوختن مواد باقیمانده از bituminous و یا زغال لیگنیت ایجاد می شود. هر دوی این مواد اساسا از ذرات پیرامونی بلوری شکل تشکیل شده اند که باقیمانده هماتیت ،کربن، مکنوتیسیت بوجود آمده اند.

برخلاف سیمان پرتلند، که تحت شرایط کنترل شده ایجاد می شود، خاکستر روان از منابع مختلف که دارای خواص قابل توجه و متفاوت فیزیکی و شیمیایی است حاصل می شود. این خواص ممکن است در نتیجه تغییرات در ترکیب زغال، شرایط سوخت، سیستم جمع آوری خاکستر؛ و دیگر متغیر ها ایجاد شود. ریز بودن دانه ها و باقی ماندن خاکستر روان از یم منبع ممکن است در وقفه های زمانی کوتاه متفاوت باشد مگر اینکه شرایط احتراق بصورت یکنواخت و منسجم حفظ شود.

این خواص بر میزان تنظیم دوغاب سیمان، خاکستر روان، واکنش مواد افزودنی شیمیایی و میزان قدرتمندی سیمان موثر است. ذرات ریز و شیشه ای شکل و ترکیب سیلیکا آلومینیوم به شدت بر واکنش پوزولانیک خاکستر روان تاثیر می گذارد.

خاکستر روان که از طریق الکترواستاتیک باقی می ماند، یک ترکیب مناسب و اقتصادی برای ایجاد دوغاب است. این ماده از ذرات پیرامونی میان تهی تشکیل شده و بنابر این برای دوغاب دارای تراکم کم و کیفیت جریان داشتن عالی به نظر می رسد.

تراکم کم در کاهش رسوب کردن مواد در مقایسه با ذغالی که در آن از شن به عنوان پر کننده منافذ استفاده می شود، موثر تر است. برخی از خاکسترهای روان دارای دانه های ریز تری نسبت به سیمان هستند و باعث کاهش رسوب گذاری می شوند. علاوه بر این ذراتی که در اندازه خاص در خاکستر روان وجود دارند، دارای تاثیرات مثبت بر تراوایی و واکنش های پوزالانیک هستند. فعالیت پوزالانیک جذابیت های زیادی دارد زیرا آهک آزاد در طول آبگیری سیمان پرتلند ایجاد شده را خنثی کرده و یک محصول نسبتا پایدار که به مواد شیمیایی و تصفیه ای واکنش نشان می دهد را ایجاد می کند.

میزان سیمان و خاکستر روان در دوغاب عموما بین ۱٫۳ تا ۱٫۷ متغیر است. خاکستر روانی که برای دوغاب مورد استفاده قرار می گیرد، نباید بیش از ۱۰ درصد کربن داشته باشد و خاکستر با بیش از ۵ درصد کربن ایده آل است. بر عکس استفاده از خاکستر با درصد بالای کربن نیاز به آب و رقیق کردن دوغاب را افزایش می دهد.

یکی از اشکالات استفاده از خاکستر روان در دوغاب زمان تنظیم است. اگر چه این اشکال را می توان تا حدودی با استفاده از عامل شتاب دهنده کاهش داد،BRAUDBURY در سال ۱۹۷۹ نشان داد که زمان شکل گیری سیمان و دوغاب خاکستر را می توان با روش های زیر افزایش داد.
۱- اضافه کردن اکسید پلی تیلین( که از انسجام کربید ها ایجاد می شود) در ۱/۰ درصد وزن سیمان.

۲- جایگزین کردن ۱۰ تا ۱۵ درصد سیمان پرتلند با سیمان آلومینیوم با درصد بالا
۳-اضافه کردن ۲ درصد کلرید کلسیم از وزن سیمان
۴-اضافه کردن ۵/۲ درصد سیلیکات کلسیم و لیگنوسولفونات کلسیم ۰/۰۹ درصد از وزن سیمان
۳٫۱٫۲٫۲٫ مواد باقیمانده در کوره سوخت
مواد باقیمانده دانه ریز در کوره سوخت یکی از فرآورده های جانبی تولید آهن است. این یک فرآورده غیر فلزی می باشد و بیشتر از موادی چون سیلیکات و آلومینو سیلیکات کلسیوم و دیگر مواد تشکیل شده که با خارج کردن مایع شناور بر روی کوره سوخت و سرد کردن آن در فوران های

فشار آب بسیار بالا ، ایجاد می شود. این محصول دانه ریز که به این شکل تهیه می شود، به ماده ای با دانه های بزرگتر از ۳۵۰۰cm/gm تبدیل می شود. خاصیت مهم این ماده نسبت به سیمان پرتلند، دامنه ۲/۵۸تا ۲/۹۴ است که این میزان در سیمکان گرتلند ۳/۱۵ است. خواص مواد تشکیل دهنده از منبع تا منبع تفاوت های زیادی دارد اما در هر یک از منابع تا حدودی ثبات دارد.
بر اساس گزارش کمیته ACI افزایش زمان تنظیم و شکل گیری این ماده زمانی قابل انتظار است که به عنوان جایگزین سیمان پرتلند در ترکیبات بتنی مورد استفاده قرار گیرد.

۳٫۱٫۲٫۳ بخار سیلیکای متراکم شده
این ماده یکی از فرآورده های جانبی سیلیکون و صنعت ترکیبات سیلیکون دار آهنی است. در تولید سیمان و بتن های بسیار پر قدرت از این ماده مورد استفاده قرار می گیرد. این ماده از ذرات دانه ریز و شیشه ای تشکیل شده و دارای ضخامت ذره به طور متوسط ۰/۱ تا ۰/۵ میکرون است. نتایج آزمایش های انجام شده در Aitcin et al شرح می دهد این ذرات در دوغاب انسجام خود را از دست داده و از یکدیگر جدا می شوند.

پازولان طبیعی
این ماده شامل خاکستر های آتشفشانی، مواد آتشفشانی بلوری شکل، پوسته های کلسینید اوپالین مواد کلسینید داخل خاک ،زئولیت و دیاتومیت می شود که کمتر در پازلان مصنوعی این نوع مواد کاربرد دارد. اگر چه مزیت های تکنیکی این دو ماده شباهت های زیادی به یکدیگر دارد. گفته می شود دوغابی که با استفاده از مواد باقیمانده و بلوری از خاکسترهای آتشفشانی ایجاد شود، نیاز به آب زیادی دارد و نسبت به زمانیکه تنها از سیمان پرتلند استفاده می شود قابلیت جدا شدن بیشتری از خود نشان می دهد.

۳٫۱٫۳ خاک
۳٫۱٫۳٫۱ بنتونیت
بنتویت به عنوان یکی از مواد محدود در ایجاد دوغاب سیمان مورد استفاده قرار می گیرد. و با هدف ایجاد یک ترکیب پایدار به سیمان اضافه می شود. این ماده جایگیری دانه های سیمان را در دوغاب کاهش داده و میزان چسبندگی و انسجام مواد را افزایش می دهد. این ماده به عنوان یک روان کننده مورد استفاده قرار نمی گیرد.
بنتونیت یک خاک مونتموریلونیت خالص است که قادر به جذب آب بوده و دارای ساختار کریستالی شکل است. میزان کامل بودن این فرآیند تا حد زیادی به ترکیب اجزا بستگی دارد.
۳٫۱٫۳٫۲ دیگر انواع خاک های معدنی

ایلیت، و کائولینیت شامل ناخالصی هایی چون gypsum نمی شوند و به صورت موثر در ایجاد دوغاب مورد استفاده قرار می گیرند و در ترکیب با آب و یا سیمان استفاده می شوند. خاک مورد استفاده برای دوغاب باید دارای محدودیت مایع بودن بیش از ۶۰ باشد. مواد یچون فسفات سدیم عموما برای تنظیم ph خاک مورد ساتفاده قرار می یگرند.