دانلود تحقیق تعریف پوزولان و کارایی آن در سازه های بتنی

مقدمه پوزولان یک ماده افزودنی به کلینکر سیمان است که اگر نوع مرغوب آن تحت کنترل دقیق و نمونه برداری‌های صحیح و مکرر و آزمایش‌های مداوم به کلینکر مرغوب و با کیفیت بالا افزوده شود در افزایش کیفیت سیمان و بتن حاصل از آن بسیار مؤثر است و خواصی را در بتن ایجاد می‌کند که بتن حاصل از سیمان بدون افزودنی فاقد آن خواص خواهد بود.

در گزارشات مستند و مطالعات دقیق علمی این نکته محرز گردیده که یک پوزولان خوب می‌تواند علاوه بر افزایش مقاومت شیمیایی بتن ، عیوبی را که در اثر مصرف سیمان معمولی در بتن رخ می‌دهد مرتفع گرداند و با توجه به تنوع آب و خاک در مناطق مختلف استفاده از این نوع سیمان در برخی مناطق یک ضرورت اجتناب‌ناپذیر است، اما متأسفانه به دلیل استفاده از پوزولان‌های نامرغوب و یا کلینکرهای فاقد کیفیت لازم جهت تولید سیمان پوزولانی و افزایش بدون برنامه و کنترل‌های دقیق پوزولان به کلینکر سیمان و در نتیجه تولید سیمان‌ های پوزولانی فاقد کیفیت لازم توسط برخی تولید‌کنندگان ، عموماً این تصور وجود دارد که افزودن پوزولان به سیمان تنها به‌عنوان راه‌حلی جهت افزایش تولید سیمان و نیز کاهش هزینه‌های تولید و انرژی می‌باشد.

در این راستا تولیدکننده منتفع و مصرف کننده متضرر خواهد بود.

نوشتار زیر اختصاراً به تعریف، خصوصیات و ویژگی‌ها، روش‌های تست و مزایای استفاده از این ماده می‌پردازد.

تعریف پوزولان: پوزولانی که در صنایع سیمان و به‌عنوان یک افزودنی به کلینکر سیمان مطرح است عبارت است از یک ماده طبیعی یا مصنوعی که شامل سیلیس و یا سیلیس و آلومینای پخته شده می‌باشد.

چنانچه این سیلیس و آلومینای پخته شده در هنگام سرد شدن بسیار سریع سرد شده باشند و فرصت کریستالیزه شدن (بلوری شدن) را نیافته باشند و به شکل غیر کریستالی و غیر بلوری و در حقیقت بدون شکل (آمورف) و دارای فاز شیشه‌ای باشند پتانسیلی در آن ها ذخیره می‌باشد که این پتانسیل می‌تواند بوسیله محرکی مثل ئیدروکسید کلسیم فعال شود و تشکیل فازی را دهد که دارای خاصیت چسبندگی و سیمانی (هیدرولیکی) است.

این نوع پوزولان که دارای سیلیس و آلومینای آمورف و غیر بلوری است، پوزولانی است که می‌تواند به‌عنوان افزودنی به کلینکر سیمان افزوده شود و خواص مطلوبی را در آن ایجاد نماید.

پوزولان‌ها به دو دسته کلی مصنوعی و طبیعی تقسیم می‌شوند.

منشاء اصلی پوزولان‌های طبیعی آتشفشان‌ها می‌باشند (البته پوزولان‌های طبیعی علاوه بر آتشفشان‌ها منشاء دیگری دارند که رسوبات دریایی حاوی اسکلت دیاتومه‌ها و جانداران دریایی می‌باشد که در اینجا مورد نظر نمی‌باشد) در هنگام آتشفشان‌ها، خصوصاً آتشفشان‌های انفجاری مقادیر عظیمی از مواد مذاب (ماگما) از دهانه آتشفشان به بیرون پرتاب می‌شود.

همین شدت پرتاب مواد مذاب باعث تبدیل آن ها به ذرات ریزتر و در نتیجه تبادل حرارتی بهتر با هوای محیط و سرد شدن سریع‌تر آن ها می‌گردد.

در نتیجه عمدتاً بدون فرم کریستالی و آمورف هستند، معمولاً آتشفشان‌های غیر انفجاری یا اعماق توده‌های مذاب که آهسته سرد شده‌اند عمدتاً بلوری و کریستالیزه شده هستند و فاز شیشه‌ای آن ها کم است و یا اصلاً فاقد فاز شیشه‌ای و آمورف می‌باشند که از این جهت مناسب برای افزوده شدن به کلینکر سیمان نیستند.

منشاء پوزولان‌های مصنوعی عمدتاً روباره‌های کوره‌های ذوب فلزات و ضایعات و تولیدات فرعی برخی صنایع نظیر خاکستر بادی حاصل از سوختن ذغال سنگ در نیروگاه‌ها می‌باشد.

بنابراین پوزولان به تنهایی فاقد خاصیت سیمانی و چسبندگی است و به هیچ‌وجه یک اتصال‌دهنده هیدرولیکی محسوب نمی‌شود و تنها پودر نوع غیر کریستالی و غیر بلوری آن که شامل سیلیس و آلومینای شیشه‌ای و آمورف است در حضور رطوبت و دمای محیط با ئیدروکسید کلسیم ترکیب می‌شود و فاز جدیدی به نام هیدروسیلیکات کلسیم آلومینی CaO,Al2O3, 5SiO2,5H2O ایجاد می‌کند که خاصیت سیمانی و هیدرولیکی دارد.

ویژگی‌ها و کنترل‌های لازم و تست‌های ارزیابی پوزولان‌ها: یک پوزولان مناسب باید بیش از 25 درصد سیلیس فعال داشته باشد و نسبت فاز آمورف و غیر بلوری آن به فاز بلوری و کریستالیزه شده آن بیشتر باشد.

در واقع همانطور که قبلاً اشاره شد، پودر مواد سیلیسی و آلومینای غیر بلوری موجود در پوزولان است که با ئیدروکسید کلسیم ناشی از آبگیری سیمان خاصیت هیدرولیکی ایجاد می‌کند.

پودر فازهای کریستالیزه شده و بلوری مانند دانه‌های شن و ماسه عمل می‌کنند و خاصیت هیدرولیکی نداشته و خنثی و یا بعضاً مزاحم می‌باشند.

علاوه بر خصوصیت پوزولان مناسب از دیدگاه کانی شناسی و کریستالوگرافی، پوزولان مناسب باید در محدوده تعیین شده زیر نظر ترکیب شیمیایی قرار گیرد.

بر اساس استاندارد C618-78.

ASTM، حداقل مقدار اکسیدهای سیلیس ، آلومینیم و آهن پوزولان بایستی 70 درصد باشد .

حداقل تری اکسید گوگرد (SO3) آن 5 درصد و حداکثر پرت آن در اثر سرخ شدن 12 درصد و حداکثر مقدار قلیایی آن باید بر حسب اکسید سدیم (Na2O) 1/5 درصد باشد.

مقررات ASTM همچنین تأکید بر تهیه یک نمونه 4 کیلوگرمی از هر چهار صد تن پوزولان مصرفی دارد که از این نمونه آزمایشات لازم به عمل آید.

زیرا همانطور که گفته شد چگونگی سرد شدن توده‌های مذاب آتشفشانی در کیفیت کانه آرایی پوزولان نقش دارد.

این خاصیت پوزولانی بسیار مؤثر بوده و لازم است توده‌های پوزولانی به صورت فراگیر مورد نمونه برداری‌ها و آزمایشات دقیق قرار گیرند.

زیرا نمونه برداری‌های سطحی و موردی توده‌ های پوزولانی و آزمایش آن ها چه بسا گمراه‌کننده خواهد بود.

در واقع کنترل یکنواختی پوزولان مصرفی ضروری‌ترین ابزار لازم برای تولید سیمان پوزولانی است که در صورت مهیا نبودن این ابزار (به‌علت عواقب بد و زیانباری که تولید سیمان پوزولانی بدون این ابزار متوجه مصرف کننده و اعتبار تولید‌کننده خواهد کرد) صلاح بر تولید نکردن سیمان پوزولانی است.

شاید به همین دلیل است که با وجود آن که مصرف پوزولان کاهش هزینه‌های تولید را برای تولید‌کننده در بر دارد و نیز از نظر خواصی که در بتن حاصله ایجاد می‌نماید برای مصرف‌کننده خالی از صرفه نیست، برخی کارخانجات از تولید آن صرف نظر کرده‌اند.

تست‌های ارزیابی پوزولان: -1اندازه‌گیری میزان جذب CaO توسط پوزولان: این آزمایش یک روش شیمیایی برای اندازه‌گیری فعالیت پوزولان محسوب می‌شود که در آن توانایی پوزولان برای واکنش دادن با CaO سنجیده می‌شود که در آن نمونه پودر شده پوزولان داخل محلول اشباع آب آهک ریخته می‌شود و طی مدت آزمایش (معمولاً دو روز) به‌طور مداوم هم زده می‌شود.

سپس میزان آهکی که جذب نمونه پوزولان شده اندازه گیری می‌شود.

یک پوزولان قابل قبول بایستی به ازاء هر گرم نمونه پوزولان حداقل 20 میلی‌گرم اکسید کلسیم (CaO) جذب نماید.

-2اندازه‌گیری باقیمانده نامحلول (پس از حل کردن در اسید و قلیا): در این روش به‌طور غیرمستقیم فعالیت پوزولان معین می‌گردد، باقیمانده نامحلول نشانگر جزء غیر فعال (فازهای بلوری و کریستالیزه شده سیلیس و آلومینا) پوزولان است که حداکثر مقدار قابل قبول آن چهل درصد وزنی می‌باشد.

-3اندازه‌گیری اندیس هیدرولیک: در این روش فعالیت مکانیکی پوزولان تست می‌شود که در آن مقاومت 28 روزه سیمان پوزولانی با مقاومت 28 روزه همان نمونه سیمان که بجای پوزولان به همان میزان پوزولان یک افزودنی کاملاً غیرفعال مثل کوارتز و نیز مقاومت 28 روزه همان سیمان بدون هیچ‌گونه افزودنی سنجیده می‌شود.

اندیس هیدرولیک صفر نشان‌دهنده این است که افزودنی به سیمان هیچ‌گونه خاصیت هیدرولیکی ندارد و اندیس هیدرولیکی صد در صد نشان‌دهنده این است که ماده افزودنی از نظر خاصیت هیدرولیکی مثل سیمان عمل می‌کند و با سیمان یکسان است .

یک پوزولان قابل قبول و مجاز برای افزوده شدن به کلینکر سیمان باید حداقل اندیس هیدرولیکی 25% را داشته باشد.

اندیس هیدرولیک از راه زیر قابل محاسبه است: (HI *100)=(Cp - Cq) / (C - Cq) که در آن: : HI اندیس هیدرولیک : CP مقاومت فشاری 28 روزه ملات ISo مخلوط 30%افزودنی (پوزولان) و 70% سیمان پرتلند شاهد : Cq مقاومت فشاری 28 روزه ملات ISo مخلوط 30% افزودنی خنثی (کوارتز) و 70% سیمان پرتلند شاهد : C مقاومت فشاری 28 روزه ملات ISo سیمان پرتلند شاهد (خالص) : CP مقاومت فشاری 28 روزه ملات ISo مخلوط 30%افزودنی (پوزولان) و 70% سیمان پرتلند شاهد : Cq مقاومت فشاری 28 روزه ملات ISo مخلوط 30% افزودنی خنثی (کوارتز) و 70% سیمان پرتلند شاهد : C مقاومت فشاری 28 روزه ملات ISo سیمان پرتلند شاهد (خالص) اندیس هیدرولیک در زمان‌های دیگر مثلاً سه روزه، هفت روزه نیز با استفاده از مقاومت‌های یکسان در همان زمان از رابطه فوق قابل محاسبه است.

-4اندازه گیری اندیس پوزولانی: در این روش نیز فعالیت مکانیکی پوزولان تست می‌شود و در آن یک نمونه شاهد از اختلاط 500 گرم سیمان خالص و 1375 گرم ماسه استاندارد و 242 سی سی آب مطابق دستورالعمل‌های استاندارد ساخته و قالبگیری می‌شود.

سپس نمونه مورد آزمایش نیز از اختلاط 400 گرم سیمان خالص و 100 گرم پوزولان و 1375 ماسه استاندارد با مقدار معین آب طبق دستورالعمل‌های استاندارد ساخته و قالبگیری می‌شود و مقاومت 28 روزه این قالب‌ها اندازه گرفته می‌شود.

سپس از رابطه زیر اندیس پوزولانی قابل محاسبه می‌باشد.

pi×100=Cp / C که در آن: pi : اندیس پوزولانی CP : مقاومت فشاری 28 روزه سیمان پوزولانی (نمونه مورد آزمایش) C : مقاومت فشاری 28 روزه سیمان خالص (نمونه شاهد) برای یک پوزولان قابل قبول جهت افزوده شدن به کلینکر سیمان حداقل اندیس پوزولان باید 75% باشد.

یک پوزولان مناسب باید در آزمایش‌های اندیس هیدرولیک، جذب CaO و باقیمانده نامحلول جواب قابل قبول بدهد تا مجوز افزایش به کلینکر سیمان را داشته باشد خصوصاً اندیس هیدرولیک که نشان می‌دهد آیا این افزودنی به سیمان خاصیت چسبندگی و هیدرولیکی دارد یا خیر ؟

به هر حال وقتی به کلینکر مرغوب سیمان حدود 5% افزودنی، افزوده می‌شود حتی اگر خاک باشد بعد از 28 روز مقاومتی را خواهد داد.

ولی این تست نشان می‌دهد که این افزودنی نسبت به یک ماده کاملاً خنثی که هیچ‌گونه خاصیت هیدرولیکی در ملات سیمان ایجاد نمی‌کند چقدر خاصیت هیدرولیکی و چسبندگی دارد .

اندازه گیری اندیس پوزولان به هیچ‌وجه نمی‌تواند به‌عنوان یک شاخص برای افزودن یک نوع افزودنی به سیمان ملاک عمل قرار بگیرد و چه بسا که یک پوزولان کاملاً نامرغوب در این تست جواب قابل قبول بدهد(با توجه به بالا بودن کیفیت کلینکر).

خواص مطلوبی که یک پوزولان خوب به سیمان و بتن حاصله می‌دهد: الف) کاهش حرارت حاصل از هیدراتاسیون سیمان که در بتن ریزی‌های حجیم از بروز تنش‌های حرارتی در داخل بتن و تضعیف آن می‌کاهد چون سبب می‌شود که گیرش و افزایش مقاومت به کندی اتفاق افتد و لذا افزایش دما نیز کندتر صورت می‌گیرد.

ب) نفوذپذیری کمتر بتن‌های ساخته شده با سیمان پوزولانی که موجب مقاومت بیشتر در مقابل حملات شیمیایی خصوصاً املاح سولفات بوده و نیز دوام بتن را در مقابل یخبندان‌های مکرر حفظ می‌نماید.

پ) کاهش انبساط قلیایی، پوزولان‌ها به سرعت با اکسید پتاسیم و اکسید سدیم موجود در سیمان و شن و ماسه وارد عمل شده و آن ها را از محیط اکسیدهای سیلیسیم دور می‌کنند و لذا انبساط ناشی از حضور قلیایی‌ها اتفاق نمی‌افتد.

ت) همانطور که می‌دانیم فاز سه کلسیم آلومینات در سیمان پس از گیرش سیمان در صورت موجود بودن سولفات‌های سدیم و منیزیم در آب یا خاک مجاور بتن با آن وارد واکنش می‌شود که باعث تجزیه و کاهش مقاومت و نهایتاً تخریب بتن می‌گردد.

به همین دلیل در جاهائی که احتمال حمله سولفات‌ها وجود دارد سیمان‌های تیپ دو و تیپ پنج بکار برده می‌شود که مقدار فاز سه کلسیم آلومینات در این سیمان‌ها به ترتیب کمتر از هشت درصد و پنج درصد می‌باشد.

با بکار بردن سیمان پوزولانی خطر حمله سولفات‌ها نیز تا حدود زیادی کاهش می‌یابد یعنی وقتی در سیمان 30% پوزولان خوب داریم مثل این است که بدون این که خاصیت هیدرولیکی و چسبندگی سیمان را کاهش دهیم به مقدار 30% از فاز سه کلسیم آلومینات بکاهیم.

دیگر این که ئیدروکسید کلسیم که در اثر آبگیری سیمان حاصل می‌شود و باعث تضعیف بتن می‌شود.

در سیمان پوزولانی به‌علت موجود بودن سیلیس فعال این هیدروکسید کلسیم تولید شده جذب سیلیس می‌شود و با آن واکنش داده و ضمن ایجاد خاصیت سیمان و هیدرولیکی نقش تخریبی هیدریک کلسیم را از بین می‌برد .

بنابراین سیمان پوزولانی مرغوب، بتن را در مقابل تخریب و خوردگی سولفات‌ها و قلیایی‌ها محافظت می‌کند.

ث) افزایش تولید کارخانه‌های سیمان، کاهش قیمت تمام شده، صرفه‌جویی در مصرف انرژی و در حقیقت افزایش کمیت بدون کاهش و تحت الشعاع قرار دادن کیفیت و بلکه افزایش آن.

با توجه به این که هر نوع سیمان برای منظور خاصی تهیه می‌شود، کاربرد انواع سیمان به معنی رشد مقاومت یکسان با هر نوع سیمان نیست.

مثلاً در موردی که مشکل خاص آلودگی قلیایی در محلی که برای بتن‌ریزی در نظر گرفته شده، دارد، نمی‌توان انتظار داشت که هم مشکل ترکیدگی بتن به‌علت حضور قلیایی‌ها حل شود و هم رشد مقاومت بتن ساخته شده با سیمان تیپ یک باشد بلکه ابتدا با استفاده از یک سیمان خاص مشکل مورد نظر حل می‌شود.

ولی این اطمینان وجود دارد تمام انواع سیمان‌ها پس از گذشت نود روز به مقاومت یکسانی می‌رسند.

به هر حال چنانچه ماده افزودنی به سیمان (پوزولان) فاقد شرایط و مشخصات گفته شده باشد ذرات آن وارد واکنش با سیمان نمی‌شود و بصورت آزاد در ملات باقی خواهد ماند.

این ذرات به علت این که خاصیت جاذب رطوبت دارند رطوبت محیط را در حالت آزاد جذب می‌نماید و رطوبت این ذرات بتدریج با میلگرد موجود در بتن، اکسید آهن را تشکیل می‌دهد که با ایجاد لایه نازک در اثر افزایش حجم اکسید آهن اطراف میلگرد از سیمان خالی می‌ماند.

در این صورت سیمان خاصیت مهم حفاظت و پوشش دور میلگرد را از دست خواهد داد و سازه در عمرهای بالا به شدت آسیب‌پذیر خواهد بود.

ضمن این که مقاومت چنین سیمانی نیز پائین خواهد بود زیرا افزایش پوزولان نامرغوب به سیمان و ساختن بتن از آن (اگر آنچه به عنوان پوزولان به سیمان می‌افزائیم مواد و عناصر مزاحم را نداشته باشد) مترادف با این است که بتن با عیار سیمان پائین تر ساخته می‌شود.

اگر پوزولان علاوه بر نامرغوب بودن و نداشتن مواد ذکر شده، مواد و عناصر مزاحم نیز داشته باشد که ضرری بسیار بیشتر از پائین بودن عیار سیمانی بتن خواهد داشت.

نتیجه‌گیری: چه کلینکری بالاترین پتانسیل را برای مصرف پوزولان دارد؟

اغلب این تصور وجود دارد که پوزولان برای از بین بردن آهک آزاد خوب است که این تصویر صحیح است ولی تولید کلینکر با آهک آزاد بالا هدر دادن انرژی، زمان، مواد معدنی و نیز سهل انگاری در انجام وظیفه سیمان‌سازی محسوب می‌شود.

برای رسیدن به حداکثر درجه فعالیت پوزولانی در ملات سیمان نیاز به آهک هیدراته بیشتر و حرارت بیشتر می‌باشد که هر دوی این موارد از سه کلسیم سیلیکات و دو کلسیم سیلیکات خصوصاً سه کلسیم سیلیکات تأمین می‌شود.

هر چه سه کلسیم سیلیکات در کلینکر بالاتر باشد هیدرات کلسیم بیشتری در ملات آزاد می‌شود و حرارت بیشتر نیز حاصل می‌آید و پوزولان‌ها با آهک‌های هیدراته (ئیدروکسید کلسیم) ناشی از هیدراتاسیون C3S، C2S، در شرایط دمایی مناسب تولید سیلیکات‌های کلسیم هیدراته می‌کنند که عامل استحکام و سختی است.

باید توجه داشت سیلیکات کلسیم هیدراته‌ای که از ارتباط بین پوزولان و آهک هیدراته ناشی از آهک آزاد اولیه سیمان بدست می‌آید بسیار ناچیز است.

در سیمان پوزولانی مرغوب سیلیکات‌های کلسیم هیدراته مربوط به واکنش پوزولان با آهک هیدراته ناشی از C3S وC2S حرارت زیادی ایجاد می‌کند و یک واکنش گرمازاست.

پس سیمان باید حاوی C3S بیشتر باشد نه آهک آزاد، یعنی باید کاملاً پخته باشد و اشباع کامل سیلیکات‌ها و آهک در کوره و طی پروسه پخت انجام شده باشد.

کیفیت سیمان‌های پوزولانی ارتباط مستقیم با کیفیت کلینکر آنها دارد و به‌ویژه هر چه مقدار C3S بیشتر باشد کیفیت سیمان پوزولانی حاصل بالاتر خواهد بود.

پس نتیجتاً برای تولید سیمان پوزولانی، کلینکر و پوزولان مرغوب مورد نیاز است و باید از افزودن مواد پوزولانیک مناسب و مرغوب به کلینکر فاقد کیفیت لازم و نیز افزودن مواد پوزولانیک نامرغوب به کلینکر مرغوب اجتناب شود.

منابع : مهندس محمدتقی بخشی شرکت سیمان لارستان نشریه سیمان شماره 138