بخشی از مقاله
بررسی خواص پوزولانی پوکه ي بیجار
چکیده
دراین مطالعه آزمایشگاهی به بررسی امکانپذیري استفاده از پوکهي معدنی بیجار به عنوان پوزولان در بتن پرداخته شده است. براي این منظور پوکهي معدنی بیجار از معادن تهیه وآسیاب شده است. سپس پودر تهیه شده را توسط آزمایش طیف سنجی پرتو ایکس مورد بررسی قرار داده و درصد و نوع اکسیدهاي موجود در این ماده شناسایی و با استانداردهاي مربوط مقایسه شده است. همچنین نمونههاي بتنی با درصدهاي مختلف، به عنوان جایگزین سیمان ساخته شده و نتایج مقاومت فشاري بررسی میگردد. نتایج به خوبی نشان میدهد که از این ماده میتوان به عنوان پوزولان در بتن استفاده نمود.
کلمات کلیدي: بتن، پوکهي معدنی بیجار، مصالح نوین، پوزولان، محیط زیست
-1 مقدمه
امروزه استفاده از مصالح نوین در بتن به امري رایج تبدیل شده است. استفاده از مواد جدید به عنوان جایگزین سنگدانه و یا به عنوان جایگزین سیمان در بتن انجام میگیرد این جایگزینی به جهت کمک به محیط زیست، صرفه جویی در هزینه و یا بهبود خواص بتن انجام میگیرد. در این بین استفاده از مواد پوزولانی با توجه به کاهش مصرف سیمان جایگاه ویژهاي دارد. براي تولید هر تن سیمان 4 گیگاژول انرژي مصرف میشود همچنین به ازاي تولید هر تن سیمان حدود یک تن دي اکسید کربن و حدود 2/3 کیلوگرم NOx تولید میگردد.[1] با توجه به 3 میلیارد و 100 تن سیمان تولید شده در سال 2010 میتوان گفت که حجم قابل توجهی از گازهاي گلخانهاي جهان در اثر تولید سیمان منتشر می گردند. علاوه بر مسائل زیست محیطی، کاهش مصرف سیمان از نظر اقتصادي داري ارزش بالاتري نسبت به کاهش مصرف سنگدانهها میباشد . از همین روي استفاده از مواد پوزولانی در جهت حفظ محیط زیست، کاهش هزینه و بهبود برخی از خواص بتن می توانند موثر واقع شوند. برخی از پوزولانها طبیعی در واقع خاکسترها و سنگهاي باقیمانده از فعالیتهاي آتشفشانی غیربلوري میباشندبا. توجه به ساختار شیمیایی، این مواد اکثرا قابلیت استفاده به عنوان پوزولان را داشته و گاهاً مورد استفاده قرار گرفتهاند. در این بین پوکهي معدنی بیجار که اغلب به عنوان سنگدانه در بتنهاي سبک به کار میرود با توجه به اینکه یک پوکهي آتشفشانی است میتواند قابلیت تبدیل به یک پوزولان فعال را داشته باشد. در ادامه به بررسی خواص پوزولانی این ماده پرداخته خواهد شد.
-2 مروري بر مطالعات گذشته در مورد پوزولانها
پوزولان به مواد سیلیسی یا سیلیسی آلومیناتی که به خودي خود ارزش چسبندگی ندارند، اما به شکل ذرات بسیار ریز و در مجاورت رطوبت در درجه حرارت معمولی با هیدروکسید کلسیم (در مجاورت آهک یا سیمان ) واکنش شیمیایی ایجاد میکنند و ترکیباتی را به وجود میآورند که خاصیت سیمانی و چسبندگی دارند، میگویند.[2] پوزولان در فرآیند واکنش با هیدروکسید کلسیم که حاصل از واکنش هاي هیدراته شدن فازهاي اصلی سیمان بوده، یا به صورت آزاد در بتن وجود دارد، موجب تشکیل سیلیکات کلسیم هیدراته میشود که بر خلاف هیدروکسید کلسیم، که قابلیت حل شدن در آب را داراست و موجب تخریب بتن میگردد، مادهاي پایدار بوده و منجر به بهبود خواص مکانیکی بتن میگردد. هیدروکسیدکلسیم و پوزولان هیچکدام به تنهایی خاصیت چسبانندگی ندارند، ولی سیلیکات کلسیم تشکیل شده از واکنش این دو ترکیب، ارزش سیمانی دارد.[3]
استفاده از پوزولان در بتن باعث بهبود بسیاري از خصوصیات مکانیکی و دوام بتن میگردد. بعضی آثار ناشی از خواص فیزیکی ذرات شامل ریز بودن و شکل ذرات و بقیه ناشی از فعل و انفعال شیمیایی پوزولان با سیمان است. استفاده از پوزولانها در بتن باعث کاهش تمایل مخلوط به آب انداختن و پدیدهي جدایی دانهها و بهبود مشخصات پرداخت پذیري سطح و کاهش ابعاد لولههاي مویینه در بتن می شوند. به طور کلی به کار بردن پوزولانها در بتن باعث افزایش چسبندگی و کاهش کارایی می شوند. استفاده از پوزولانها در بتن باعث کاهش حرارت هیدراتاسیون میشوند که به کند شدن هیدراتاسیون تريکلسیم آلومینات (C3A) و تتراکلسیم آلومینوفریت (C4AF) مربوط است. در رابطه با مقاومت فشاري بتنهاي حاوي پوزولان، به دلیل کندي واکنشهاي اکثر پوزولانها ممکن است مقاومت بتن پوزولانی در سنین اولیه کمتر از مقاومت بتن معمولی باشد. پوزولانها پس از تاثیر و افزایش مقاومت بتن باعث افزایش مدول الاستیسیته و کاهش خزش میگردند. علاوه بر موارد ذکر شده، استفاده از پوزولانها در بتن باعث کاهش منافذ بزرگ و نفوذپذیري شده و به تبع آن مقاومت بتن را در برابر شرایط جوي نامساعد مانند تر و خشک شدنهاي متوالی، حملات سولفات ها، اسیدها و یون کلر افزایش میدهند. عوامل مؤثر بر فعالیت پوزولانی عبارتند از مقدار درصد فاز آمورف، نرمی و مقدار درصد SiO2+Fe2O3+Al2O3، می باشند. همچنین محدودیتهاي دیگري از قبیل افت در اثر سرخ شدن، مقدار نرمی پوزولان، انبساط اتوکلاو، درصد رطوبت و .... توسط استانداردهاي مختلف جهت استفاده از مواد مختلف به عنوان پوزولان تعیین شده است. این الزامات بایستی براي پوزولانهاي مختلف کنترل شوند. علاوه بر کنترل الزامات جهت تعیین دقیق خواص پوزولانی یک ماده، نیاز به انجام آزمایشهاي مختلف بتن، با مادهي مورد نظر میباشد.[2]
-3 بررسی آزمایشگاهی خواص پوزولانی پوکهي بیجار
جهت انجام آزمایشات براي بررسی خواص پوزولانی پوکه بیجار، نمونهاي از این پوکه تهیه شده است و سپس این نمونه تا حدي که کل دانهها از الک شماره 200 عبور کنند آسیاب و آمادهي انجام آزمایشات شده است. در شکل((1 پوکهي بیجار قبل و بعد از آسیاب مشاهده می شود.
جهت بررسی دقیق ترکیبات شیمیایی موجود در نمونه پوکهي بیجار، آنالیز طیف سنجی پرتو ایکس((XRF بر روي مادهي مورد نظر انجام شده است. نتایج مربوط به این آنالیز در جدول((1 مشاهده میشود. همانطور که از جدول 1 مشاهده میشود این ماده یک مادهي سیلیسی می باشد.
شکل -1 پوکهي بیجار
جدول -1 آنالیز شیمیایی پوکه ي بیجار
آزمایشهایی مانند انبساط در آزمایش اتوکلاو و همچنین میزان رطوبت نمونه و دانه بندي نیز بر روي نمونه انجام شد که نتایج آن در جدول((2 نشان داده شده است.
جدول -2 آزمایشهاي فیزیکی بر روي نمونه
در جدول((3 ویژگیهاي الزامی پوزولان مطابق با استاندارد ASTM نشان داده شده است.[2]
جدول-3 بررسی خواص پوزولانی پوکهي بیجار مطابق با استاندارد ASTM
*کنترل این مقدار فقط در زمانی که شن و ماسه خاصیت واکنش زایی قلیایی داشته باشند الزامی است.
همانطور که از جدول((3 مشاهده میشودپوکهي بیجار مورد نظر ضوابط مربوط به استاندارد را ارضا می کند با توجه به موارد فوق در صورتی که بررسی ساختار شیمایی و فیزیکی این ماده پرداخته شود میتوان از آن نکات زیر را برداشت نمود:
مجموع درصد اکسید سیلیسیم، اکسید آلومینیم و اکسید آهن به میزان قابل توجهی بالاست، با توجه به بالا بودن مقدار سیلیس انتظار میرود که در صورت استفاده از این ماده به عنوان پوزولان، خواص مقاومتی بالایی را از خود نشان دهد. همچنین مقدار سولفور بسیار کم است و خطر سولفاته شدن بتن وجود ندارد. از سوي دیگر میزان قلیاییهاي در این ماده از میزان مجاز آن بیشتر است و نمیتوان از آن در مواردي که شن و ماسه خاصیت واکنش زایی قلیایی دارند استفاده کرد (در این آزمایش چون مصالح استفاده شده غیر قلیایی می باشند نیاز به کنترل این مورد نیست).
با توجه به اینکه این ماده یک سنگ آتشفشانی می باشد بنابراین تحت حرارت بسیار بالا قرار گرفته و سپس به تدریج سرد شده است یا توجه به این روند انتظار می رود که درصد بالایی از این ماده داراي فاز آمورف باشد این فاز باعث بروز هر چه بیشتر خواص پوزولانی میشود.
با توجه به ترکیب مواد تشکیل دهنده این ماده و درصد بالاي سیلیس و آلومینا و درصد کم اکسید آهک آن نسبت به ترکیبات سیمان انتظار می رود که در صورت استفاده از این ماده شاهد مقاومت اولیه کم (در چهار هفته اول) و مقاومت زیاد در بلند مدت باشیم همچنین انتظار میرود که حرارات هیدراتاسیون در بتن کاهش پیدا کند، کاهش حرارات هیدراتاسیون منجر به کاهش تركهاي داخلی و در نتیجه کاهش نفوذ پذیري بتن میگردد. سایر مواد تشکیل دهنده در این ماده در حد ناچیز است و نمیتواند اثر زیادي بر روي خواص بتن داشته باشد.
همانطور که از نتایج مشاهده می شود این ماده استانداردهاي لازم را جهت استفاده به عنوان یک ماده پوزولانی را به طور کامل ارضا میکند. در ادامه به ساخت نمونه هایی با پودر پوزولان بیجار میپردازیم و خواص این ماده را در بتن به صورت دقیقتر مورد بررسی قرار میدهیم.
