بخشی از مقاله
بررسی تاثیرکاربرد سرباره کوره بلند و ولاستونیت بر مقاومت فشاری و خمشی بتن
چکیده
با افزایش تولید فولاد در جهان، میزان سرباره کوره بلند که محصول جانبی این صنعت است نیز متعاقبا در حال افزایش میباشد. از آنجایی که پژوهشهای انجام گرفته به پتانسیل بالای استفاده از سرباره فولاد در صنعت بتن با هر دو عنوان سنگدانه و یا ماده مکمل سیمانی اشاره دارند، در حال حاضر مهمترین بخش مصرف سرباره در جهان، صنعت تولید سیمان و بتن به شمار میرود . از چهار نوع سرباره تولیدی صنعت فولاد ، سرباره کوره بلند به دلیل محتوای بالای شیشهای خود بیشترین استفاده به عنوان ماده سیمانی را دارا میباشد. همچنین ولاستونیت که از واکنش دگردیسی سیلیس و سنگ آهک شکل میگیرد در زمینههای مختلف از جمله در صنعت تولید سرامیک و رنگ کاربرد دارد. در چند سال اخیر از این ماده به عنوان ماده دارای خاصیت سیمانی در بتن و ملات نیز بهره گرفته میشود که با توجه به جدید بودن موضوع، نیاز به پژوهشهای بیشتری برای شناخت بهتر نقش این ماده بر بتن میباشد . مقاله حاضر، که حاوی بخشی از نتایج تحقیقی بزرگتر بر روی بتن دارای سرباره و ولاستونیت میباشد، مطالعهای بر روی تاثیر درصدهای مختلف جایگزینی سرباره کوره بلند و ولاستونیت به عنوان مواد جایگزین سیمانی بر خواص مکانیکی بتن( مقاومتهای فشاری و خمشی ) است. نسبت جایگزینی سرباره %05 و نسبتهای جایگزینی ولاستونیت %0 و %25 بودهاند. نتایج نشان میدهد که استفاده از ولاستونیت و سرباره موجب کاهش مقاومت فشاری بتن و افزایش مقاومت خمشی متناظر در سنین بررسی شده گردیده است.
واژههای کلیدی: سرباره کوره بلند، ولاستونیت، بتن، خواص مکانیکی
1
-1 مقدمه
در چند دهه اخیر بحث بازیافت و استفاده مجدد از مواد کم ارزش و باطله در صنایع مختلف مورد توجه زیادی قرار گرفته است چرا که با این کار علاوه بر حل مشکل زیست محیطی آن عامل، به جنبه اقتصادی این مسئله نیز توجه میشود. در کارخانه ذوب آهن برای جدا کردن آهن خالص از سایر ناخالصیهای موجود در سنگ معدنی آهن مانند سیلیکاتها، کلسیتها و اکسیدها از کمک ذوب یا مواد گداز آور مانند آهک استفاده میشود. در نهایت و در دمای بالا آهن خالص در قسمت تحتانی کوره نشست کرده و سرباره به دلیل چگالی پایین نسبت به آهن در بالای کوره تجمع میکند. صنعت فولاد مقادیر بسیار زیادی سرباره تولید میکند. تنها سرباره تولیدی در قسمت کوره بلند 5/1 تا 5/22 تن به ازای تولید هر تن فولاد است .[1] لازم به ذکر است که در سایر کورههای ذوب فلزات نیز سرباره داریم. در صنعت فولاد بسته به نوع کوره چهار نوع سرباره وجود دارد که عبارتنداز: سرباره کوره بلند ( (BFS، سرباره کوره اکسیژن اصلی (BOFS)، سرباره کوره قوس الکتریکی ( ( EAFS و سرباره کوره ملاقهای .[2](LFS)
سربارهها میتوانند قسمت زیادی از کارخانه ذوب آهن را اشغال کنند که این امر نیز میتواند باعث ایجاد یک سری مشکلات زیست محیطی از جمله ایجاد گرد و غبار در نواحی شهری گردد . [2] هم اکنون از انواع مختلف سربارههای فولاد در صنایع مختلف بهره گرفته میشود که میتوان به استفاده به عنوان لاشه در زیرسازی جادهها، ایجاد فرودگاههای صحرایی، ساخت آجر نسوز، صنعت تولید سیمان و تولید بتن اشاره کرد.[4] از میان سربارههای صنعت فولاد، در صنعت تولید بتن و سیمان از سرباره کوره بلند استفاده فراوانی میشود. اگر سرباره مذاب کوره بلند به سرعت خنک شود، به صورت شیشهای در آمده و قطعاتی ترد به اندازه ماسه تشکیل میشوند. ساختار فیزیکی و اندازه دانهها به ترکیب شیمیایی سرباره، دمای آن در زمان خنک شدن به وسیله آب و روش خنک کردن آن بستگی دارد. هنگامی که این محصول شکسته و آسیاب شود، به ذراتی تبدیل میشود که سرباره دانهای کوره بلند (GGBFS) نامیده میشوند که دارای خاصیت سیمانی میباشند .[0] سرباره آهن زمانی که با سیمان مخلوط میشود از خود خواص هیدرولیکی قابل ملاحظهای نشان میدهد. این خواص برای اولین بار در سال 1680 در کشور آلمان کشف شد و در سال 1682 اولین سیمان سربارهای تولید گشت .[8]
براساس اظهار موسسه سیمان سربارهای آمریکا و همچنین بنا به نتایج اکثر پژوهشها، وقتی سیمان و سرباره به صورت همزمان درطرح مخلوط بتن استفاده میشوند آهنگ افزایش مقاومت اولیه بتن پایین خواهد بود درحالیکه مقاومت نهایی بتن نسبت به بتن با سیمان تنها، بیشترخواهد شد. درصورتیکه مقاومت اولیه بالا مورد نیاز باشد، میتوان طرح مخلوط بتن را با روشهای مرسوم مانند استفاده از افزودنیهای تندگیرکننده یا استفاده از مواد گرمازا، تغییر داد. بتنهای ساخته شده با درصدهای بالای جایگزینی سرباره ( بالاتر از %05 مواد سیمانی ) برای کاربرد در محیطهای دریایی و یا موقعیتهایی که در آنها یون سولفات زیاد میباشد، استفاده میشوند. این بتنها در طول زمان گسترش مقاومت داشته و حتی گاها از بتنهای مشابه بدون سرباره نیز مقاومت آنها تجاوز میکند.[7]
جایگزینی سرباره به جای کلینکر نه تنها نسبت به سیمان پرتلند خالص انرژی و هزینههای کمتری در بردارد بلکه مصرف سرباره کوره بلند در بتن موجب افزایش کارایی، کاهش آب انداختگی بتن تازه یا ملات، بهبود مقاومت فشاری، کاهش گرمای هیدراتاسیون، کاهش نفوذپذیری و تخلخل و کاهش انبساط آلکالی- سیلیکاتی نیز میشود .[7 - 11]
ماده معدنی ولاستوینت ( ( Wollastonite برای اولین بار در کشور چک اسلواکی شناخته شد. این ماده یک متاسیلیکات کلسیم بوده و از نظرتئوری حاوی %46/2 اکسیدکلسیم و %01/7 دی اکسید سیلیکون است اما در واقع حاوی مقادیر اندکی آلومینیوم، آهن، منیزیم، منگنز، پتاسیم و سدیم نیز میباشد. ذرات ولاستونیت غالبا ستونی، تیغه ای تا فیبری دیده میشوند و معمولا سفید رنگ بوده اما بسته به ترکیبات خود میتواند خاکستری، قهوه ای و قرمز نیز باشند. این ماده در صنعت سرامیک، تولید محصولات اصطکاکی مانند آجر و کلاچ اتومبیل، صنعت فلز، رنگ و پلاستیک به صورت عمده به کار میرود. در سالهای اخیر محققان پژوهشهایی در زمینه استفاده از این ماده در ساخت بتن انجام دادهاند اما با توجه به جدید بودن این موضوع
2
هنوز اطلاعات کاملی از نقش این ماده در بتن در دسترس نیست. درخشندگی وسفیدی بالا، رطوبت پایین، جذب روغن، محتوای فرار پایین و ماهیت سوزنی ولاستونیت برخی از ویژگیهایی هستند که موجب شدهاند این ماده بسیار مورد استفاده باشد12] ، .[12 نتایج پژوهشهای گذشته نشان میدهد که میکروفیبرهای ولاستونیت مقاومت فشاری، مقاومت خمشی و نیز مقاومت در برابر سایش نمونههای بتن را بهبود میبخشند.[14 - 18]
-2 روش عملی انجام آزمایش
– 2.1 مواد و مصالح مورد استفاده
مواد دارای خاصیت سیمانی مورد استفاده در این آزمایش، سیمان پرتلند معمولی نوع 1 تهران، سرباره کوره بلند شرکت ذوب آهن اصفهان و ولاستونیت خراسان جنوبی میباشند. اکسیدهای شیمیایی این مواد – نتایج آنالیز – XRF درجدول شماره 1 داده شده است.
جدول شماره -1 ترکیبات شیمیایی مواد سیمانی مورد استفاده
مصالح درشت دانه مورد استفاده از نوع شن شکسته با حداکثر قطر 15 میلیمتر و وزن مخصوص 2085 کیلوگرم بر متر مکعب بودهاند. همچنین وزن مخصوص ماسه مورد استفاده نیز 2055 کیلوگرم بر متر مکعب میباشد. همچنین در جدول شماره 2 و با توجه به روابط بوگ میزان اکسیدهای سیمان مورد استفاده، محاسبه شده است.
جدول شماره – 2 میزان اکسیدهای سیمان با توجه به روابط بوگ
2
جزئیات طرح مخلوطهای نمونههای بتنی در جدول شماره 2 آمده است. لازم به توضیح است که مبنای تعیین وزن هر یک از مواد موجود در جدول شماره 2 بر اساس روش وزنی – وزن مخصوص بتن تازه در تمام طرح ها روی 2455 کیلوگرم در متر مکعب بتن ثابت میباشد. - در تعیین طرح مخلوطهای بتنی میباشد و در این مقاله از روش حجمی استفاده نشده است. در تمامی طرح مخلوطها عیار مواد سیمانی به میزان 405 کیلوگرم در مترمکعب بتن ثابت نگه داشته شدهاست. در ساخت طرحهای شاهد، تنها ماده سیمانی مورد استفاده، سیمان پرتلند بودهاست درحالیکه در سایر طرح مخلوطها بخشی از سیمان پرتلند با سرباره و ولاستونیت جایگزین شدهاست . نسبت جایگزینی سرباره %05 و نسبت جایگزینی ولاستونیت %0 و%25 بودهاست. همچنین نمونههای بتنی در سه نسبت آب به مواد سیمانی 5/20 ، 5/4 و 5/40 ساخته شدهاند. فوق روان کننده مورد استفاده در طرحها بر مبنای پلی کربوکسیلیک اتر بوده که با نام تجاری ژلنیوم در بازار عرضه میشود. فوق روانکننده برای پخش بهتر در مخلوط بتن، قبل از افزودن به مخلوط در بخشی از آب طرح اختلاط رقیق میشود. کارایی (اسلامپ ) مخلوطهای ساخته شده برروی 15±2 سانتیمتر تنظیم شدهاست که در نتیجه میزان فوق روان کننده مورد نیاز هرطرح با توجه به کارایی طرح میباشد.
-2.2 روند آزمایش
بر روی نمونههای ساختهشده ، آزمایشهای مقاومت فشاری و مقاومت خمشی (مدول راپچر ) انجام گرفتهاند . آزمایش مقاومت فشاری بر روی نمونههای مکعبی به ابعاد 15 سانتیمتر و در سه سن 7، 26 و 85 روز انجام شدهاست. همچنین آزمایش مقاومت خمشی در سن 26 روز، برروی منشورهای مکعب مستطیل با ابعاد مقطع مربعی 15 و طول 45 سانتیمتر انجام شدهاست. لازم به ذکر است که روش عمل آوری نمونههای بتنی از نوع مرطوب بودهاست. دمای آب عملآوری بتن نیز بین 21 تا 28 درجه سانتیگراد ثابت نگهداشته شدهاست.
جدول شماره – 3 طرح مخلوطهای نمونههای بتنی
