بخشی از مقاله
بهبود خواص مهندسی بتن سبک با استفاده از میکروسیلیس و متاکائولن
چکیده
ایده بتن سبک به دلیل کم بودن وزن مخصوص این بتن و کاهش نیروهای زلزله مطرحشده است. کم بودن مقاومت بتن سبک عامل مهمی در محدود شدن دامنه کاربرد این نوع بتن می باشد.بتن سبکی که مقاومت فشاری کافی داشته و دیگر خصوصیات فیزیکی آن نیز بعلت کاهش وزن ،بهبود یافته باشد تحولی عظیم در کاربرد این بتن بوجود خواهد آورد. لیکا ازجمله این سبک دانهها است که در موارد مختلف کاربرد دارد و در این مقاله نیز مورداستفاده قرارگرفته است. در این مقاله با ساخت و آزمایش ها بر روی چهار طرح مختلف و استفاده از میکروسیلیس و متاکائولن بهصورت پوزولان جایگزین درصدی از سیمان، به بررسی تغییر خواص مهندسی بتن سبک از جمله مقاومت فشاری و مقاومت کششی و مدول الاستیسیته پرداختهشده است. نتایج نهایی این آزمایشها نشان میدهد میتوان از این نوع بتن بهعنوان بتن سبک سازهای استفاده نمود.
نتایج حاصل از آزمایشات نشان می دهد که مقاومت فشاری ، کششی و مدول الاستیسیته نمونه های 28 و 90 روزه در حد مطلوب و قابل قبول بوده و می توان از آنها به عنوان بتن سبک سازه ای استفاده نمود . با استفاده از این نوع بتن سبک در ساخت ساختمان ها ، می توان وزن سازه ها را در حدود 25 الی 31 درصد کاهش داد .
کلمات کلیدی : بتن سبک ، لیکا ، میکروسیلیس ، متاکائولن ، مدول الاستیسیته
1
مقدمه
بتن احتمالا یکی از مهمترین مصالح ساختمانی در صنعت ابنیه و ساختمان در جهان است و پس از آب به عنوان پرمصرفترین ماده از نظر وزنی – حدود شیش بیلیون تن در سال – شناخته شده است . در سازه های بتنی ، قسمت عمده ای بار وارد بر سازه را وزن خود بتن تشکیل می دهد . بنابراین کاهش وزن بتن فواید قابل توجهی را در بر دارد . این فواید شامل کاهش بار مرده ساختمان که باعث صرفه جویی در مصرف فولاد در اسکلت و پی می شود ، افزایش موئثر فضای مفید داخل بنا ، قابلیت های گوناگون کار پذیری ، حائل صدا و رطوبت و به ویژه عایق حرارت بودن ، کاهش خستگی بنا و پایایی مناسب در برابر عوامل آسیب زا و عوامل متعدد دیگر ، می باشد که از مزایای بهره گیری تجربه شده از این بتن ها با موارد متعدد کاربرد در ساخت و ساز می باشد .
سبکدانه های مختلفی به صورت طبعی و مصنونی وجود دارد که در کارهای مختلف سازه ای و غیر سازه ای مانند ساخت بلوک سبک ساختمانی استفاده می شود . از جمله این سبک دانه ها می توان به لیکا ، پرلیت ، پوکه معدنی یا پومیس و توف اشاره نمود . با حذف سنگدانه های سنگین از بتن و جایگزین کردن آن با سبکدانه های سازه ای میتوان به بتنی با مقاومت قابل قبول دست یافت برای افزایش مقاومت و توانایی استفاده این نوع سنگدانه ها در بتن می توان از افزودنی هایی نظیر میکروسیلیس و متاکائولن بهره برد .
تاریخچه
اولین گزارش های تاریخی در مورد استفاده از بتن سبک و مصالح سبک وزن به روم باستان بر می گردد . رومیان در احداث معبد پانتئون و ورزشگاه کلوزیوم از پومیس که نوعی مصالح سبک است استفاده کردند . کاربرد بتن سبک دانه پس از تولید سبک دانه های مصنوعی و فراوری شده در اوایل قرن بیستم وارد مرحله جدیدی شد . در سال S.J.Hayde 1918 با استفاده از کوره دوار اقدام به منبسط کردن رس و شیل کرد و بدین ترتیب سبکدانه مصنوعی تولید کرد و نام این سبک دانه را هایدیت گزاشت تولید تجاری روباره های منبسط شده از سال 1928 آغاز گردید . در طی سال های 50 و 60 میلادی ساختمان ها و پل های زیادی با یتن سبک در جهان ساخته شد . در این مدت بیش از 150 پل و ساختمان در ایلات متحده و کانادا با این نوع بتن ، مورد بهره برداری قرار گرفت . در دهه 70 و 80 میلادی پل هایی با دهانه های مختلف ساخته و با موفقیت مورد بهره برداری قرار گرفت و در دهه 1970 ساخت بتن سبک دانه پر مقاومت آغاز شد . در سایلان اخیر نیز استفاده از بتن سبک در دال سقف ساختمان های بلند مرتبه ، عرشه پل های با دهانه های بلند و دیگر موارد مشابه و هم چنین کاربرد های خاص مانند عرشه و پایه دکل های استخراج نفت کاربرد فراوانی یافته است .
در تحقیقات اخیر ، Yong jic kim بتن سبک خودتراکم با دو نوع سبدکدانه مورد آزمایش قرار گرفته بود و نسبت آب به سیمان در این تحقیق 0,38 و مقاومت 28 روزه حدود 32 مگا پاسکال بدست آمد ، Hugo Costa و همکاران با مقایسه چهار سبکدانه و چگالی بین 1700 تا 2000 کیلوگرم بر متر مکعب ، مقاومت فشاری در سن 28 روز بین 52 تا 80 بدست آمد ، در سال 90 رضا عبداالله زاده و همکاران از الیاف فولادی در بتن سبک حاوی لیکا استفاده نمودند که مقاومت 28 روزه این بتن از 26,43 تا 33,04 بدست آمده است . همچنین در سال 91 علی حاجی زاده و همکاران با افزودن میکرو سیلیس به بتن سبک حاوی لیکا با وزن مخصوص از 1056 تا 2528 به مقاومت فشاری 287 روز از 21,2 تا 90,2 رسیدند . آزمایش های متعدد دیگری نیز انجام شده و در حال انجام می باشد .
برای نمونه اهمیت کاربرد بتن سبک در جهان در شکل زیر ساختمان BMW در آلمان که با بتن سبک دانه در سال 2002 ساخته شده ، نشان داده شده است .
شکل 1 ساختمان شرکت BMW
بزرگترین بنای ساخته شده با بتن سبکدانه ، یک ساختمان اداری 52 طبقه در تکزاس با ارتفاع 215 متر می باشد.
مصالح مصرفی .1میکروسیلیس 1-1 شرح
استفاده از میکرو سیلیس در بتن ریزی های مجاور سواحل دریاها به طور جدیدی مورد توجه مهندسین ساختمان قرار گرفته است به دلیل خصوصیات بارز پوزولانی میکرو سیلیس، استفاده از آن جهت بهبودخواص مکانیکی و افزایش دوام بتن در کشورهای پیشرفته رو به افزایش است.میکرو سیلیس یک محصول فرعی از کوره های قوس الکتریکی در جریان تولید آلیاژهای فرو سیلیس می باشد. این ماده با داشتن بیش از 90 درصد سیلیس با حالت غیرکریستالی و به شکل ذرات بی نهایت ریز با قطر متوسط 0,1 متوسط میکرون شدیدا پوزولانی و برای استفاده به عنوان یک ماده سیمانی در بتن بسیار مناسب است و با استاندارد ASTM C1240 مطابقت دارد.. پودر میکرو سیلیکا جهت تقویت خواص آب بندی و دوام سازه های بتنی به خصوص در سازه های ساحلی ، آبی و بتن هایی که در معرض حمله شدید سولفات ها و خوردگی آرماتورها قرار دارند. این ماده به رنگ خاکستری روشن است .
شکل 2 میکروسیلیس
2-1مزایای مصرف
افزودن میکرو سیلیس به مخلوط بتن باعث می گردد Sio2 فعال آن با محلول هیدروکسید کلسیم آزاد در منفذ موئین بتن ترکیب گردد و کریستال سیلیکات کلسیم نامحلول تولید نماید و در نهایت باعث تراکم ساختار خمیر سیمان و کاهش نفوذپذیری و افزایش مقاومت فشاری، الکتریکی، خمشی و کششی بتن، افزایش مقاومت بتن در برابر فرسایش، کاهش مقابل توجه نفوذپذیری، جلوگیری از نفوذ یون کلر، سولفات ها و سایر مواد شیمیایی مخرب به داخل بتن گردد.
..2متاکائولن
متاکائولن ( ( MK یک سیلیکات آلمینیوم سفید رنگ و آمورف ( بدون شکل و حالت بلوری شکل ) می باشد که به شدت با هیدراکسید کلسیم ( محصول هیدراته شدن سیمان معمولی ) واکنش میدهد تا ترکیبی چسبنده و سیمانی شکل بگیرد . مطلعات مختلفی که در مورد این افزودنی به بتن با میزان جایگزینی 5 تا 20 درصد وزنی سیمان استفاده شده است نشان میدهد که سیمان های مخلوط حاوی متاکائولن باعث بهبود خواص بتن می شوند. این بهبود شامل افزایش مقاومت کاهش نفوذپذیری ، دوام بیشتر ، کنترل موئثر شوره زدگی ( سفیدک زدگی ) و کنترل خسارت های ناشی از واکنشهای سیلیکاتهای قلیای ( ASR) میگردد . مواد خام ورودی در تولید متاکائولن ، رس کائولن می باشد. کائولن یک ماده معدنی بسیار ریز سفید و رسی است که به طور سنتی درتولید چینی استفاده شده است. کائولینیت یک واژه کانی شناسی است که برای رسهای کائولن بکار می رود. کائولینیت بعنوان یک ماده معدنی متداول، به صورت دی سیلیکات آلومینیم هیدراته تعریف می شود که اصلی ترین جزء کائولن است. کائولن یک ماده معدنی است ونشانه بارز از آب و هوای قاره ای است که در آنجا محلولها تراوش کرده و به مرور زمان تخلیص می شوند. از میان روشهای متنوعی که برای افزایش دوام بتن و به دست آوردن بتنهای با خواص فوق العاده به کار می رود ، استفاده از متاکائوننسبتاًروش جدیدی می باشد
.3لیکا
کاربرد لیکا به دو صورت سبکدانه سازه ای و غیر سازه ای در نقاط مختلف جهان است . در صنعت ساختمان به صورت بلوک های بنایی سبک و قطعات پیش ساخاه سبک و همچنین بتن سبک و ملات سبک است . یک موضوع فرعی بسیار جالب این است که بیشترین مصرف این بلوک در دو منطقه از آمریکا با شرایط آب و هوایی کاملا متضاد بوده است :
· در فلوریدا که آب و هوای نسبتا گرم دارد ، ثابت شده است که بلوک بتن سبک راه حل موئثر در برابر تند بادهای دریایی است .
· در آلاسکا که بسیار سردسیر است ، این بلوک ها به دلیل ویژگی های عایق بندی و مقاومت در برابر آتش و نفوذ باران های افقی که از اقیانوس آرام حرکت می کنند ، به طور گسترده به کار می روند .
از دیگر ویژگی های بتن سبک می توان به وزن سبک تر و مقاومت بیشتر ، عایق حرارتی و مقاومت در برابر نفوذ رطوبت و .... اشاره نمود .
طبق آیین نامه بتن ایران دانه بندی آزمایش در حدود استاندارد بتن باربر(سازه ای) قرار دارد .
.4سیمان و روان کننده
سیمان مورد استفاده از کارخانه اردستان تهیه شده و سیمان تیپ دو و روان کننده مورد استفاده بر پایه پلی کربوکسیلات و از شرکت ساختمان شیمی تهیه شده است .
طرح اخطلاط
در این آزمایش ها سه طرح اختلاط مختلف و یک طرح اختلاط شاهد ساختهشده است. بدینصورت که سه طرح اختلاط همراه با افزودنی و طرح اختلاط شاهد بدون افزودنی ساختهشده است.این ساخت ها در دو حالت نگهداری خشک و مرطوب صورت گرفته است .
طرحهای اختلاط در جدول 8 نشان داده شده است. طرح دوم با پوزولان میکروسیلیس و طرح سوم با پوزولان متاکائولن و طرح چهارم با ترکیب هر دو پوزولان میکروسیلیس و متاکائولن جایگزین درصد وزنی سیمان ساختهشده است. نسبت آب به خمیر سیمان همانطور که در جدول 8 نشان داده شده در تمام طرحها ثابت و برابر 0/34 در نظر گرفتهشده است.
طرح اصلی و مورد بررسی در این مقاله طرح 4 می باشد که با سه طرح ساخته شده دیگر مقایسه می شود .
تمامی طرح ها بعد از آزمایش های مختلف برای به دست آوردن درصد بهینه انجام شده به طوری که این میزان برای طرح های دیگر نیز به همان اندازه باشد .
درصد وزنی میکروسیلیس در طرح 2، %15 و درصد متاکائولن در طرح 3 نیز %15 و همچنین درصد مخلوط این دو در طرح چهار به صورت %10 میکروسیلیس و %10 متاکائولن جایگزین وزنی سیمان ،در نظر گرفتهشده است.
قابل به ذکر است نسبت آب به مواد سیمانی 34 درصد است یعنی سیمان مورد استفاده با مقدار پوزولان مورد استفاده در آن با هم جمع شده است
.
روش انجام آزمایش
تمامی نمونههای مربوط به آزمایشهای مقاومت فشاری در قالبهای مکعبی و اندازه 15×15×15 سانتی متر و نمونههای مربوط به آزمایشهای مقاومت کششی و مدول الاستیسیته در قالبهای استوانهای و اندازه 15×30 سانتی متر ساختهشده است. قالبهای مکعبی از جنس پلاستیک فشرده بسیار محکم و قالب نمونه استوانهای آهنی است.
برای آزمایش های مقاوت کششی از روش برزیلی طبق استاندارد استفاده شده است . تمام آزمایش های مقاومت فشاری نمونه مکعبی با استاندارد BS EN12390-3 ، آزمایش های کشش برزیلی با استاندارد ASTM C496/C 469M-04 ، آزمایش های
مدول الاستیسیته با استاندارد ASTM C469-94 و همچنین آزمایش های مقاومت فشاری بر روی نمونه هایی که پس از آزمایش های مدول الاستیسیته صورت گرفته است بر اساس استاندارد ASTM C 39/C 39M-04a انجام گرفته است .
نتایج آزمایش .1 مقاوت شاری
مقایسه رشد مقاومت فشاری در طرحهای ساختهشده
در مقایسه سه طرحی که به آنها مواد افزودنی اضافه شده با طرح شاهد که بدون مواد افزودنی ساختهشده است میتوان به این نتیجه رسید که اضافه کردن افزودنی در هر سه طرح 2)، 3 و (4 باعث افزایش مقاومت این نمونهها نسبت به نمونه شاهد شده است.بهترین مقاومت را مطابق پیشبینی این پژوهش طرح 4 از خود نشان داد. روند رشد مناسب مقاومت فشاری در طرح 2 و 3 مشاهده شد.
در نمودار میلهای 2 مقاومت فشاری هر سن برای هر چهار طرح را باهم مقایسه شده و بهترین مقاومت برای هر سن را نشان داده است.بین نگهداری در شرایط خشک و مرطوب تا سن 14 روز تفاوت فاحشی وجود ندارد حتی در بعضی موارد مطابق نمودارها همپوشانی بین دو نمودار را شاهد هستیم. بیشتر تفاوتها از 50 کیلوگرم بر سانتی متر مربع تجاوز نکرده است. یکی از علل اصلی میتواند نگهداری رطوبت توسط سبک دانههای لیکا باشد که آب بتن را تأمین و مانع افت زیاد مقاومت در بتن شده است.
همانطور که از نمودار پیداست در سنین پایین طرح شاهد که بدون سیمان پوزولانی ساخته شد، مقاومت بالاتری از خود نشان داده است ولی از سن چهارده روز به بعد طرحهایی که در آنها سیمان پوزولانی وجود داشت رشد بهتری انجام دادهاند. علت اصلی این امر هم ادامه واکنشهای شیمیایی بین پوزولان ها و مصالح است و همانطور که در فصل دوم اشاره شد واکنشهای مختلف میکروسیلیس و متاکائولن با مواد سیمانی در طول زمان، باعث مقاومت بیشتر بتن میشود.
البته برخی از پوزولان ها مانند متاکائولن و میکروسیلیسی میتوانند مقاومت اولیه بتن را نسبت به بتن های بدون پوزولان مشابه افزایش دهند.
علت تفاوت رشد مقاومت بین طرحهای مختلف
به دلیل واکنش پوزولانی آهسته برخی از مواد پوزولانی، ممکن است بتن حاوی این مواد به مدت طولانیتری از عملآوری مرطوب و دمای بالاتر در عملآوری مطلوب جهت رسیدن به مقاومت موردنظر احتیاج داشته باشد؛ اما بتن شامل میکروسیلیس چنین نیست ومعمولاً از مقاومت یک روزه معادل یا بیشتر از مخلوط شاهد ساختهشده از سیمان پرتلند برخوردار است و سرعت کسب مقاومت برای به تنهای حاوی میکروسیلیس بیشتر از به تنهای معمولی است. میکروسیلیس مقاومت را در 3 روز اول کاهش نمیدهد و نیز در سن 28 روزه %10 جایگزینی میکروسیلیس، ممکن است مقاومت حداکثر تا %20 افزایش را نشان دهد.
روند توسعه مقاومت بتن دارای مواد پوزولانی به درجه فعال بودن پوزولان و نسبت سیمان پرتلند در مخلوط بستگی دارد. سیمانهای پرتلند پوزولانی بهکندی کسب مقاومت میکنند و بنابراین به یکزمان عمل آوردن طولانیتر دارند، ولی مقاومت نهایی آنهاتقریباً مساوی یا بیشتر از مقاومت بتن حاوی سیمان پرتلند است. یکی از اصلیترین دلایل رشد در طرحهای حاوی پوزولان بخصوص در طرح چهار که در آزمایش ها مشاهده شد میتواند همین دلیل بالا باشد و اینکه در این طرح دو پوزولان بهطور همزمان با واکنشهای شیمیایی مختلف حضور داشته و روند تکمیل این واکنشها و رشد مقاومت نیاز به زمان بیشتری نسبت به سایر طرحهای ساختهشده را دارد. یکی از دلایلی که با توجه به تحقیق دیگری که در این زمینه انجامشده میتوان برای رشد مناسب طرح 3 با پوزولان متاکائولن نام برد عملکرد آزمونههای حاوی پوزولان به تر از آزمونه شاهد بوده است دلیل این عملکرد انجام واکنشهای ثانویه پوزولان های مصرفی با Ca(OH)2 و تولید ژل C-S-H است که موجب متراکمتر شدن ریزساختار بتن و کاهش تخلخل و نفوذپذیری بتن میشود و نتیجه آن بهبود خصوصیات مکانیکی و دوام بتن است. در جدول اثر افزایش درصد جایگزینی پوزولان بر پارامترهای مختلف بتن آمده است.
