مقدمه

استفاده از سنگهای آتشفشانی مناسب به عنوان پوزولان های طبیعی در صنعت سیمان باعث ایجاد اثرات مهمی در خواص ملات سیمان های آمیخته از قبیل کاهش نفوذ پذیری و دمای هیدراسیون، بهبود ویژگی های بتن تازه و افزایش مقاومت آن در دراز مدت و افزایش مقاومت شیمیایی آن میشود .(Mehta, 1989; Shannag and Yeginobal, 1995) همچنین افزودن این مواد به سیمان دارای مزایای زیست محیطی و اقتصادی (کاهش گازهای مضر و کاهش مصرف انرژی) میباشد. علاوه بر مزایای یاد شده استفاده صحیح از پوزولان میتواند دوام و مقاومت سیمان را نیز افزایش دهد ( Shi et al, .(2006

تعیین مشخصات اولیه پوزولانهای طبیعی، بهعنوان مواد سیلیسی یا آلومینو-سیلیکاتی که بتواند در حضور رطوبت، در دمای محیط، با هیدروکسید

کلسیم ناشی از هیدراسیون سیمان واکنش دهد و قابلیت کاربرد به عنوان جایگزین بخشی از سیمان را داشته باشد، اولین گام در ارزیابی پوزولانهای طبیعی است.

در جنوب غرب بلده توفهای متنوعی به سن ائوسن رخنمون دارند. بر اساس مطالعات صورت گرفته توسط خادمی پارسا و همکاران (۱۳۸۸) این توفها قابلیت استفاده به عنوان پوزولان در ساخت سیمان آمیخته را دارند.
مطالعه حاضر به بررسی و معرفی توفهای سازند کرج در منطقه بلده و امکان استفاده از آنها به عنوان پوزولان طبیعی پرداخته است. این تحقیق برای اولین بار امکان استفاده از توفهای آهکی به عنوان پوزولان طبیعی را بررسی نموده است. بدین منظور خصوصیات پتروگرافی و شیمیایی و رابطه آنها با فعالیت پوزولانی مطالعه شده است.

۸۰

مجله زمین شناسی کاربردی پیشرفته

زمینشناسی

نهشتههای آذر آواری و سنگهای آتشفشانی در منطقه مورد مطالعه در جنوب بخش بلده از توابع استان مازندران در جنوب البرز مرکزی، در

محدودهای با مختصات۶ ،۳۶ تاّ۱۱، ۳۶ عرض شمالی وّ۳۰، ۵۱ تا ۴۰، ۵۱ طول شرقی واقع شده است و قسمتی از برگههای ۱/۲۵۰۰۰۰ آمل و ۱/۱۰۰۰۰۰ بلده را بهخود اختصاص میدهد. نگاهی به نقشه زمینشناسی منطقه با مقیاس ۱/۱۰۰۰۰۰ (سعیدی، (۱۳۷۲ نشان میدهد که واحدهای این بخش به لحاظ سنی در بر گیرنده سنگهای آذرین و رسوبی سنوزوئیک و مزوزوئیک است. سنگها و انباشته های سنوزوئیک از امتداد بلده به سوی جنوب گسترش دارند و تقریباً %۹۰ سطح این بخش را در بر میگیرند. در این میان سنگها و انباشتههای ولکانیک و ولکانیک-رسوبی ائوسن بیشترین سهم را دارا است (شکل .(۱ ترکیب سنگهای آتشفشانی از آندزیت و تراکی آندزیت تا پیروکلاستیک هایی با ترکیبی متفاوت از اسیدی تا حد واسط میباشد. در طی مطالعات زمینشناسی، حاجی محمدی (۱۳۸۰) سنگهای آتشفشانی و آتشفشانی-رسوبی منطقه بلده را مورد مطالعه قرار داده، نوریزاده (۱۳۸۱) به بررسی ژئودینامیک گنبدهای آتشفشانی بلده پرداخته است و خادمی پارسا (۱۳۹۰) پترولوژی سنگهای آتشفشانی جنوب غرب بلده را مورد بررسی قرار دادهاست. سنگهای پیروکلاستیک که گستره وسیعی از سنگهای منطقه را تشکیل می دهند از نظر چینه شناسی متعلق به سازند کرج به سن ائوسن می-باشند. این توفها در بعضی موارد دارای لایه بندی ظریف همراه با پیچ خوردگی می باشند که نشان دهنده وجود جریانهای آشفته در محل است. این سازند در این منطقه از نظر رخساره سنگی دارای گوناگونی است. بخش عمده این سازند در خاور روستای انگه رود تجمع یافته است. بر اساس بررسیهای صحرایی توفهای این منطقه را به ۳ بخش مجزا با ویژگیهای سنگشناسی متفاوت می توان تقسیم نمود (شکل .(۲

واحد توف ماسه ای سبز رنگ

این واحد با رنگ سبز و مورفولوژی تپهای مشاهده میشود، که تناوبی از توفهای سبز نازک لایه و شیلهای با ضخامت کم است. با گذر از پایه به سمت پسین از مقدار شیل کاسته شده و بر مقدار ماسه افزوده میشود، بهطوری که در قسمتهای انتهایی این واحد تبدیل شدگی به توف ماسهای دیده میشود. حالت کنکرسیون در بخشهای توف ماسهای بسیار معمول است.

واحد توف آهکی زرد رنگ

با گذر از توف سبز، توفهای زرد رنگ با مرز مشخص قابل تمایز است. این بخش متشکل از توفهای آهکی نازک لایه میباشد که لایهبندی چلپایی (لایه بندی متقاطع) همراه با گسل خوردگی های ریز در آن دیده میشود. وجود لایهبندی چلپایی نشان دهنده تغییر جهت جریان و کم ژرفا بودن حوضه رسوبی است. در بخشهای انتهایی این واحد از مقدار آهک کاسته شده و بر مقدار توف افزوده میشود بهطوری که توفهای آهکی نازکلایه تبدیل به توف-های کریستالین تودهای با حالت بودینگ میشوند. در انتهای این واحد لایهای از توف کریستالین با رنگ سبز کاملاً مشخص است همچنین گسلی باعث ایجاد جابجایی این بخش شده است.

×پاییز ۹۱، شماره ۵

واحد توف شیلی خاکستری رنگ

با عبور از توفهای زرد رنگ، توفهای خاکستری با مرز تدریجی مشاهده میشود. این بخش از توفهای شیلی کاملاً خرد شده با میان لایههایی از ژیپس به رنگ زرد و نارنجی تشکیل شده است. دو واحد سنگی دیگر در بخش انتهایی توفهای خاکستری تفکیک شدهاند که شامل لایه آهکی و لایهای از گچ است.

روش کار

ابتدا ۱۵ نمونه از واحدهای توفی مختلف برداشت شد و پس از تهیه مقاطع نازک میکروسکوپی از این نمونهها، مشخصات پتروگرافی آنها به طور دقیق مورد بررسی قرار گرفت. جهت تکمیل مطالعات پتروگرافی مقدار عناصر اصلی و کمیاب ۵ نمونه توسط آنالیز ICP-MS در آزمایشگاه Labwest استرالیا بدست آمد. در نهایت با توجه به نتایج حاصل از ICP-MS و مطالعات پتروگرافی، ۲ نمونه انتخاب شده و فعالیت پوزولانی آنها به سه روش، تعیین اندیس فعالیت مقاومتی (اندیس هیدرولیکی) براساس استاندارد ASTM C-618، تعیین فعالیت پوزولانی با استفاده از دستگاه STA (روش ترموگراویمتری) و تعیین فعالیت پوزولانی بر اساس روش استاندارد EN 196-5 در بخش مصالح ساختمانی مرکز تحقیقات راه، ساختمان و شهرسازی مورد ارزیابی قرار گرفت.

پتروگرافی

بر اساس مطالعات میکروسکوپی و با توجه به تقسیمبندی توفها (Fisher, 1966)، توفهای واقع در سکانس، شامل لیتیکتوف و کریستال توف است که اغلب دارای ترکیب اسیدی هستند. بهطور کلی قطعات بلورین شکلدار و نیمهشکلدار بوده و مقدار شکستگی و اندازه آنها متفاوت است و جورشدگی ضعیف تا متوسط دارند. قطعات بلورین شکسته و زاویهدار معمولتر از بلورهای خودشکل هستند. اغلب قطعات بلورین را فنوکریستالهای پلاژیوکلاز، فلدسپات آلکالن و کوارتز شامل میشود که در ماتریکس سنگ شناور هستندعموماً. حدود ۴۰ تا ۵۰ درصد حجم توفها را ماتریکس آنها تشکیل میدهد که در بعضی موارد زمینه کریپتوکریستالین حاوی میکرولیت-های فلدسپات آلکالن و پلاژیوکلاز بوده و در دیگر موارد زمینه حاوی آذرآوار-های شیشهای و خمیره کریپتوکریستالین است. بلورهای ثانویه بیوتیت و گاهی کانیهای اوپک در زمینه سنگ رشد کردهاند. حفرات پراکنده نامنظم انحلالی به وسیله کلسیت با بافت موزائیکی پر شده است و رگههای کلسیت ریز بلور در جهات مختلف سنگ را قطع میکند. نتایج مطالعات میکروسکوپی ۲ نمونه انتخابی جهت تست سیمان به شرح زیر میباشد.

نمونه CA40

زمینه کریپتوکریستالین %۵۰ که حاوی میکرولیتهای فلدسپات آلکالن و پلاژیوکلاز است. درشت بلورهای پلاژیوکلاز با حواشی شکسته شده در زمینه پراکنده است. زمینهکریپتوکریستالین کاملاً سالم است. کمتر از %۵ قطعات خرده سنگی نیز در سنگ یافت میشود. بافت سنگ آذرآواری و نام سنگ توف کریستالین است (شکل.(۳

۸۱

مجله زمین شناسی کاربردی پیشرفته ×پاییز ۹۱، شماره ۵

CA43

CA40

شکل ٌ. نقشه زمین شناسی ساده شده منطقه مورد مطالعه (اقتباس از نقشه ۱:۱۰۰۰۰۰ بلده).

شکل ٍ. سه واحد توف با رنگ و سنگ شناسی متفاوت مربوط به سازند کرج (حوالی روستای انگه رود، دید به سمت شرق)

شکل .۳ توف کریستالین اسیدی منطقه جنوب بلده =Kfs) پتاسیم فلدسپات =Liخرده سنگی =Plgپلاژیوکلاز)

۸۲

مجله زمین شناسی کاربردی پیشرفته

نمونه CA 43

زمینه حاوی %۵۰ آذر آوارهای شیشهای و خمیره کریپتوکریستالین است. میکرولیتهای پلاژیوکلاز %۲۰ و فنوکریستالهای پلاژیوکلاز، فلدسپات آلکالن و کوارتز خرد شده در آن شناور است. بلورهای ثانویه بیوتیت و کانیهای اپک در زمینه سنگ قابل مشاهده است. کمتر از %۵ از سنگ را قطعات خرده-سنگی تشکیل میدهد، که همجنس زمینه اصلی است. بافت سنگ آذرآواری به همراه بافت فرعی جریانی است و نام سنگ توف کریستالین میباشد (شکل .(۴

ترکیب شیمیایی توفها و فعالیت پوزولانی نمونههای پوزولانی

آنالیز ۵ نمونه توف منطقه مورد مطالعه جهت مقایسه با استانداردها و خصوصیات ژئوشیمیایی پوزولان ها در (جدول (۱ ارائه شده است.

تعیین فعالیت پوزولانی

فعالیت پوزولانی ۲ نمونه انتخابی به سه روش زیر انجام شد.

-۱تعیین اندیس فعالیت مقاومتی (اندیس هیدرولیکی)پرکاربردترین و معتبرترین استاندارد در زمینه ارزیابی ویژگیهای پوزولانهای طبیعی جهت جایگزینی در سیمان، استاندارد ASTM C 618 (استاندارد ملی ایران به شماره ۳۴۳۳ نیز برگرفته از این استاندارد است) میباشد. در این استاندارد، معیارها و ویژگیهای فیزیکی و شیمیایی لازم برای پوزولانهای طبیعی ارائه شده است. در این استاندارد پوزولانهای طبیعی در رده N جای میگیرند و باید اندیس فعالیت مقاومتی آنها در سن ۷ و ۲۸ روز، بیشتر از ۷۵ باشد (جدول .(۲

-۲ تعیین فعالیت پوزولانی با استفاده ازدستگاه STA (روش ترموگراویمتری)

با استفاده از روش وزن سنجی حرارتی (TG-DTG)، فعالیت پوزولانی انواع پوزولان ها قابل اندازه گیری است. اساس روش بر پایه تجزیه حرارتی بلور های

×پاییز ۹۱، شماره ۵

هیدروکسید کلسیم در دمای بیشتر از ۴۰۰ درجه سلسیوس است که به اکسید کلسیم و آب تبدیل میشود. خارج شدن مقدار آب مربوط به هیدروکسید کلسیم باقی مانده که به صورت یک قله مشخص میشود، بیانگر میزان آهک جذب نشده توسط پوزولان است. افت وزن که ناشی از تبخیر آب در محیط است، در پوزولان های فعال بسیار کم و در پوزولان های ضعیف زیاد است. بر اساس تجربیات به دست آمده از بررسی نتایج روش STA، می توان فعالیت پوزولانی نمونههای پوزولان را در چهار رده خوب (بیش از ۲۵ درصد)، متوسط (بین ۲۰ تا ۲۵ درصد)، ضعیف (بین ۱۵ تا ۲۵ درصد) و خیلی ضعیف (کمتر از ۱۵ درصد) دستهبندی نمود. بر این اساس هر دو نمونه انتخابی با فعالیت پوزولانی بیش از ۲۵ درصد در رده خوب قرار میگیرند (جدول ۳، شکل ۵ و .(۶

-۳تعیین فعالیت پوزولانی براساس روش استاندارد EN 196-5

به منظور بررسی کاملتر و اطمینان از نتایج و تجزیه و تحلیل دقیقتر جهت توسعه الگوی سنگشناسی پوزولانها، نمونههای انتخابی با روش استاندارد EN 196-5 نیز مورد آزمون قرار گرفتند. در این روش اندازهگیری فعالیت پوزولانی بر پایه اندازهگیری ظرفیت پیوند آهکی پوزولان طبیعی در یک محیط حاوی هیدروکسید کلسیم صورت میگیرد. در روش EN 196-5، غلظت Ca2+ و – OH در محلول آبی سیمان آمیخته پوزولانی در زمانهای معین تعیین میشود. همچنین یک منحنی تعادل Ca2+ و OH- نیز ارائه شده است. در صورتیکه غلظت Ca2+ و OH- در زیر منحنی تعادل قرار گیرد، فعالیت پوزولانی قابل قبول خواهد بود (شکل ۷ و .(۸

شکل .۴ توف کریستالین اسیدی جنوب بلده =Qtz)کوارتز = Plgپلاژیوکلاز =G-shآذر آوار شیشهای)

۸۳

مجله زمین شناسی کاربردی پیشرفته ×پاییز ۹۱، شماره ۵

جدول.۱ آنالیز ICP عناصر اصلی ۵ نمونه توف منطقه مورد مطالعه برحسب درصد
SUM LOI P2O5 K2O Na2O CaO MnO MgO FeO Al2O3 TiO2 SiO2 Number

۹۵/۱۸ ۱۲/۶۸ ۰/۱۲ ۱/۵۷ ۰/۶۹ ۱۸/۷۶ ۰/۰۹ ۱/۲۶ ۳/۲۲ ۷/۱۶ ۴۸/۰ ۴۹/۱۶ CA 40

۹۸/۱۵ ۱/۳۲ ۰/۰۱ ۰/۹۰ ۰/۸۰ ۳/۵۹ ۰/۰۰ ۱/۱۱ ۰/۴۶ ۱۲/۰۱ ۱۵/۰ ۷۷/۸۰ CA 43

۹۷/۷۱ ۸/۹۰ ۰/۱۰ ۳/۴۹ ۰/۵۰ ۱۸/۴۵ ۰/۱۰ ۱/۲۵ ۲/۵۳ ۷/۸۶ ۵۵/۰ ۵۳/۹۷ PM 114

۹۷/۴۶ ۱۶/۹۳ ۰/۱۳ ۰/۷۷ ۰/۹۰ ۲۲/۸۲ ۰/۰۹ ۱/۲۸ ۲/۲۰ ۳/۳۹ ۲۸/۰ ۴۸/۶۶ PM 117

۹۶/۵۳ ۱۳/۲۱ ۰/۱۰ ۲/۲۲ ۱/۰۸ ۲۲/۱۳ ۰/۰۷ ۰/۸۲ ۲/۳۶ ۷/۵۹ ۳۹/۰ ۴۶/۵۵ PM 121

جدول .۲ اندیس هیدرولیکی ۷ و ۲۸ روزه نمونههای پوزولان

نمونه پوزولان اندیس هیدرولیکی
۷ روزه ۲۸ روزه

CA 40 131 145

CA 43 100 121

جدول .۳ فعالیت پوزولانی نمونههای پوزولانی پس از ۹ روز با استفاده از دستگاه STA

نوع پوزولان فعالیت پوزولانی

CA 40 29/33

CA 43 28/00

شکل .۵ منحنی آنالیز حرارتی نمونه پوزولان با مشخصه CA-40، با استفاده از دستگاه .STA

۸۴

مجله زمین شناسی کاربردی پیشرفته ×پاییز ۹۱، شماره ۵

شکل. ۶ منحنی آنالیز حرارتی نمونه پوزولان با مشخصه CA-43، با استفاده از دستگاه .STA

شکل .۷ منحنی تعادل غلظت یون هیدروکسیل-یون کلسیم پس از ۹ روز برای نمونههای پوزولان براساس استاندارد EN 196-5

۸۵

مجله زمین شناسی کاربردی پیشرفته

بحث

در منابع علمی ترکیب شیمیایی پوزولان بسیار کلی بیان شده است. از این رو در استانداردهای کشورهای مختلف سعی شده است ترکیب مشخصتری برای پوزولان های قابل استفاده در سیمان ارائه شود. مهمترین استانداردها عبارتند از:استاندارد ASTM این استاندارد توسط American Society for Testing and Materials معرفی و تعیین شده است. بر اساس استاندارد – ASTM، مجموع اکسیدهای سیلیسیم، آلومینیم و آهن حداقل میبایست

×پاییز ۹۱، شماره ۵

۷۰درصد باشد. میزان حداکثر اکسید گوگرد، اکسید منیزیم و LOI نیز به ترتیب ۳، ۵ و ۱۰ درصد تعیین شده است (جدول .(۴ در برخی از منابع میزان اکسید پتاسیم بر حسب اکسید سدیم محاسبه و مجموع آنها با عنوان میزان الکالی معادل اکسید سدیم معرفی میشود. بر اساس این استاندارد با توجه به آنالیز شیمیایی، نمونه CA43 جهت استفاده به عنوان پوزولان مناسب بوده و نمونههای CA40، PM114، PM117 و PM121 قابلیت استفاده به عنوان پوزولان را ندارند.