بخشی از مقاله
بررسی اثر متاکائولن در خواص مکانیکی و دوام بتن
خلاصه
یکی از موضوعات مورد علاقه مهندسین عمران در بحث تکنولوژی بتن، تولید بتنی با مقاومت و دوام بهتر و اثرات منفی زیست محیطی کمتر بوده است. مطالعات نشان می دهد صنعت بتن به عنوان بزرگترین مصرف کننده منابع طبیعی و دومین عامل اصلی تولید کننده دی اکسید کربن جهان، اثرات منفی زیست محیطی زیادی به همراه دارد. یکی از راه حلهایی که در چند دهه اخیر مورد مطالعه قرار گرفته استفاده از مواد طبیعی است که قابلیت جایگزینی با سیمان را داشته و ضمن کاهش مصرف سیمان، در ترکیب شدن با محصولات هیدراتاسیون، وارد واکنش پوزولانی شده و منجر به بهبود مقاومت و دوام بتن نهایی می شود. این تحقیق به منظور بررسی اثر کائولن حرارت دیده شده در خواص مکانیکی و دوام بتن صورت گرفته و نتایج نمونه های تهیه شده از 27 طرح اختلاط با جایگزینی درصدهای متفاوت متاکائولن و میکروسیلیس در سیمان، حاکی اثر مثبت این ماده در بهبود کیفیت بتن تولیدی است.
کلمات کلیدی: بتن، کائولن، خواص مکانیکی، دوام
1. مقدمه
تمایل به کاهش اثرات منفی تولید و استفاده از سیمان، همینطور بهبود خواص مکانیکی و دوام بتن، منجر به افزایش استفاده از مواد پوزولانی شده است. پوزولانها مواد سیلیسی یا سیلیسی- آلومینی هستند که به خودی خود ارزش سیمانی نداشته و در حضور رطوبت و در صورت ریز بودن، می تواند با هیدروکسید کلسیم ناشی از هیدراتاسیون سیمان وارد واکنش شده و محصولات سیمانی تولید کنند.[1]گروهی از این مواد خاکهای رسی کلسینه شده هستند که در دو دهه اخیر به طور گسترده مورد استفاده بسیاری از کشورها ، از جمله : برزیل، آمریکا، دانمارک، فرانسه و ... قرار گرفتند.[2] مطالعات نشان میدهد کائولن یکی از پوزولانهای مناسب برای جایگزین شدن درسیمان است. این خاک معدنی سفید رنگ به طور معمول در تهیه چینی و سرامیک کاربرد دارد ولی در صورت بالا بودن درصد AL2O3 وSiO2 (بیش از80 درصد)، حرارت دیدن و تخریب شبکه بلوری، فعال شده و می تواند همانند یک ماده پوزولانی فعال، مشابه میکروسیلیس، منجر به بهبود خواص مکانیکی و دوام بتن می شود.[3-4] متاکائولن نتیجه کلسینه و فعال شدن کائولن خام در دمای 450 تا 850 درجه سانتیگراد است .اولین کاربرد این ماده در بتن مربوط به سال 1962 و ساخت سدی جوپیا در برزیل می باشد.[5] پس از آن تحقیقات و پژوهشهای دیگری روی این ماده انجام شده که اثرات مثبت آن را بربهبود خواص مکانیکی و دوام بتن نشان میدهد.[6] با این حال تنوع و فراوانی منابع کائولن در ایران و عدم استفاده از آن به عنوان یک ماده جایگزین سودمند در سیمان، ضرورت تحقیق درباره آن را دو چندان میکند. در این مطالعه سعی شده، ضمن تعیین خواص کائولن انتخاب شده، تاثیر آن بر خواص مکانیکی و دوام بتن، به تنهایی و در کنار میکروسیلیس بررسی شود.
2. آماده سازی مواد
کائولن مورد استفاده از محدوده گناباد واقع در استان خراسان رضوی استخراج و جهت افزایش عملکرد مثبت در محیط بتن، توسط دستگاه لسانجانس تـا حد ممکن ریز گردید. در ادامه، پودر بدست آمده، در دمای 750 درجه به مدت سه ساعت حرارت دیده اسـت. همـانطور کـه در نمـودار دانـه بنـدی در شکل 1 مشاهده می شود، 40 درصد از ذرات خاک فوق اندازه ای کمتر از 10 میکرون دارند. علاوه بر این آنـالیز XRF کـه از همـین مـاده گرفتـه شـده بیانگر درصد نسبتا خوب اکسیدهای آلومینیوم و سیلیس می باشد.
شکل -1 نمودار دانه بندی متاکائولن
شکل -2 دستگاه لسانجلس جهت پودر کردن خاک کائولن شکل -3 ترکیبات شیمیایی کائولن از آنالیز XRF
3. مراحل ساخت و تهیه نمونه ها
در این تحقیق از 19 طرح اختلاط با سه نسبت آب به سیمان 0/38، 0/42 و 0/45، سه درصد متاکائولن 0)، 10 و (20 و میکروسیلیس(7،(0 استفاده شده است. در نهایت با در نظر گرفتن عیار 450 برای سیمان و نسبت 30 به 70 برای درشت دانه به ریز دانه، وزن هریک از مواد در هر طرح در جدول 1 محاسبه شد. در تهیه بتن مورد استفاده برای دست یابی به کارایی یکسان و اسلامپ 10 تا 12 سانتیمتر بر اساس استاندارد ASTMC 143 از مقداری فوق روان کننده بر پایه کربوکسیلیک نیز استفاده شد. سپس بتن تهیه شده جهت انجام تستهای مقاومت فشاری، کششی و التراسونیک در قالبهای استوانه ای به قطر 15 و ارتفاع 30 سانتیمتر و مکعبهایی به طول 15 سانتیمتر ریخته و پس از گذشت 24 ساعت جهت عمل آوری مرطوب در محیط کارگاه، باز شدند.
جدول -1 مشخصات 19 طرح اختلاط مربوطه و وزن مصالح مورد استفاده (متاکائولن , MK= میکروسیلیس(SF=
4. آزمایش مقاومت فشاری
این آزمایش بر اساس استاندارد ASTMC39 بر روی نمونه های استوانه ای به قطر 15 و ارتفاع 30 سانتیمتر و در دو سن 7 و 28 روز انجام شد. نتایج نشان می دهد، بیشترین مقاومت فشاری در هر سن مربوط به آب به سیمان 0/38 و 10 درصد جایگزینی متاکائولن می باشد. علاوه بر این، افزایش نسبت آب به سیمان در هر طرح باعث کاهش مقاومت فشاری شده است که این تاثیر در نسبتهای بالای متاکائولن 20) درصد) به مراتب کمتر است. پون نیز در تحقیقات خود به این نتیجه رسید که اثر مثبت متاکائولن در افزایش مقاومت فشاری بین سنین 3 تا 90 روز، در نسبت های آب به سیمان بالاتر، بیشتر است.[5] در واقع افزایش نسبت آّب به سیمان در درصدهای بالاتر متاکائولن مانع از غلبه اثر رقیقکنندگی بر سایر آثار مثبت این ماده خواهد شد. علاوه بر این نتایج نشان میدهد استفاده همزمان 7 درصد میکروسیلیس به تنهایی و در کنار میکروسیلیس باعث افزایش مقاومت فشاری بتن در دو سن 7 و 28 روز شده است.
5. آزمایش مقاومت کششی
این آزمایش هم مانند آزمایش مقاومت فشاری بر روی نمونه های استوانه ای و بر اساس استاندارد ASTM C496 برای سنین 7 و 28 روز انجام شد. مقاومت کششی 7 روزه نمونه هایی که تنها دارای میکروسیلیس یا متاکائولن بودند در محدوده 2 تا 3 مگاپاسکال است که در نسبتهای پایین آب به سیمان (0/38) و درصدهای بالای جایگزینی برای متاکائولن و میکروسیلیس به بیشترین مقدار خود میرسد. در سایر طرحها که متاکائولن و میکروسیلیس به صورت همزمان جایگزین سیمان شده اند، برای نسبتهای پایین آب به سیمان، با نزدیک شدن به درصدهای جایگزینی 10 و 7 برای متاکائولن و میکروسیلیس مقاومت کششی به حداکثر مقدار خود (بین 3 تا 4 مگاپاسکال) می رسد. در نسبتهای آّب به سیمان بالا (0/45)،(شکل) استفاده متاکائولن به تنهایی و در درصدهای بالای 10، افت مقاومت کششی را در پی دارد، در این حالت
