بخشی از مقاله
خلاصه
بتن پودر فعال، ماده اي سیمانی با مقاومت بالا و دوام قابل توجه است که وزن مخصوص آن ممکن است به حدود 3000 کیلوگرم بر مترمکعب برسد. با توجه به ملاحظات اقتصادي، کاهش وزن اجزاي ساخته شده از این نوع بتن در سازه هاي حجیم مانند پلها براي به حداقل رساندن بار مرده، از اهمیت بسزایی برخوردار است. از این رو، در این پژوهش آزمایشگاهی، با تنظیم میزان دوده سیلیسی و جایگزینی مواد صنعتی سبک به جاي اجزاي اصلی در ترکیبات بتن پودر فعال، ضمن کاهش وزن مخصوص این نوع بتن، کارآیی آن نیز افزایش یافته است. براي این کار، با ارایه طرح اختلاط مناسب بتن، اثر تغییرات میزان دوده سیلیسی و مواد صنعتی سبک بر مقاومت و وزن مخصوص بتن پودر فعال، تعیین گردیده است. بدین ترتیب می توان از این بتن جدید که داراي مشخصه هایی نظیر مقاومت بالا و وزن مناسبتري در مقایسه با موارد مشابه خود می باشد، در پروژه هاي عمرانی استفاده کرد.
1. مقدمه
بتن ماده اي ساختمانی است که به علت دارا بودن مقاومت، دوام و قابلیت شکل پذیري بالاي خود براي اکثر کاربردهاي عمرانی مناسب و مقرون به صرفه است. از آن جا که مقاومت فشاري این ماده به هنگام تراکم بسیار زیادتر می شود، از این رو، تحقیقات زیادي براي افزایش مقاومت فشاري بتن انجام شده است. فریزینت [1] تاثیر فشار بر روي بتن تازه را براي بالا بردن مقاومت فشاري آن مورد بررسی قرار داد. طی دهه 1960، مقاومت بسیار بالایی براي نمونه هاي بتنی متراکم، تحت اثر توام حرارت و فشار، بدست آمد .[2]بطور کلی، می توان وزن مخصوص بتن را با تغییر جنس مواد و شکل هندسی ترکیباتش کم و یا زیاد کرد. در مورد بتنهایی که در آن کاهش وزن از اهمیت خاصی بر خوردار است، بخش عمده اي از بتن با وزن مخصوص پایین با بخش کمتري از بتن با وزن مخصوص بالا، مورد استفاده قرار می گیرد.
در این پژوهش آزمایشگاهی، با بهره گیري از دانش موجود در باره بتن پودر فعال - RPC - و بتن پودر فعال سبک Light Weight Reactive - LWRPC - Powder Concrete، یک نوع بتن جدید از نوع بتن پودر فعال سبک - LWRPC2 - به عنوان یک ماده اقتصادي با نسبت بالاي مقاومت به وزن، تولید و معرفی میشود. براي این کار، از جایگزین کردن سنگدانه هاي معمولی با لیکا که یک نوع پوکه صنعتی بوده و داراي وزن مخصوص کمتري در مقایسه با سایر سنگدانه ها می باشد، استفاده میگردد. با استفاده از نتایج آزمایشهاي انجام شده بر روي نمونه هاي مختلف، تغییرات وزن مخصوص و مقاومت فشاري بتن LWRPC2 برحسب مقدار لیکاي موجود در نمونه ها بدست میآید. در ادامه، شاخص بهرهوري اقتصادي این نوع بتن با سایر انواع بتن مقایسه میگردد.
2. بتنهاي خاص
-1-2 بتن با کارآیی بالا
همزمان با افزایش هزینه هاي تولید و ساخت، نیاز به مواد با مقاومت بالاتر بیشتر شده است. در زمره یکی از اولین مراحل پیشرفت و توسعه، تولید بتن با کارآیی بالا - HPC - با مقاومت فشاري 120-100 مگاپاسکال و دوام بسیار زیاد بوده است. سایر دستاوردهاي مشابه، از طریق افزودن اجزاء و ترکیبات پلیمري به این نوع بتن یا کنترل خواص و رفتار مکانیکی اجزاء تشکیل دهنده آن بدست می آید.
-2-2 بتن پودر فعال
بتن پودر فعال - RPC - ماده اي ترکیبی با مقاومت و دوام بسیار زیاد با خواص مکانیکی ارتقاء یافته می باشد. این نوع بتن، از مخلوط الیاف فوق انعطاف پذیر با دوده سیلیس، با نسبت آب به سیمان بسیار کم تشکیل شده است که در آن از ماسه کوارتز بسیار ریز - سیلیس - به جاي سنگدانه معمولی، استفاده می شود.بتن RPC اولین بار در اوایل دهه 1990 معرفی گردید. فرایند هیدراسیون در این نوع بتن، داراي سطح گسترده تر و مشخص تري است. از این رو بتن RPC متشکل از هیدراتهاي فشرده و مرتب تري نسبت به بتنهاي معمولی است و ساختارهاي آن از طریق درجه بندي دقیق تمامی ذرات در مخلوط، براي ایجاد حداکثر غلظت مورد بهره برداري قرار می گیرد. در تولید RPC تا حد زیادي از خواص پوزولانی دوده سیلیس بسیار خالص به همراه سیمان پرتلند بهینه، براي تولید هیدرات با بالاترین مقاومت استفاده می شود.
-1-2-2 ویژگیهاي بتن RPC
چیرزي و همکاران [3] نشان دادند که می توان خواص RPC را از طریق تحت فشار استاتیکی قرار دادن نمونه هاي تازه و اعمال حرارت بعد از قالب گیري به صورت زیر بهبود بخشید.
الف- RPC داراي مقاومت فشاري بین 200 تا 800 مگاپاسکال، استاندارد شکستگی بین25 تا 150 مگاپاسکال، انرژي شکاف در حدود 30000 ژول بر مترمربع و وزن مخصوص 2500 تا 3000 کیلوگرم بر مترمکعب می باشد.
ب- می توان همگنی ماده بتن را از طریق حذف تمام افزودنیهاي ناخالص و هم اندازه کردن بخش عمده مواد خشک بهبود بخشید. اندازه تمامی مواد خشک براي استفاده در RPC، کمتر از 600 میکرومتر می باشد.
ج- می توان فشردگی را از طریق بهینه کردن ترکیب ریز دانه ها و اعمال فشار مناسب در طول دوره گیرش بتن ارتقاء داد.
د- کیفیت ریز ساختار هیدرات بتن را می توان با به کار بردن روشهاي گرمایی، در طول عمل آوري بتن افزایش داد.
-2-2-2 ترکیب بتن RPC
بتن معمولی، ماده اي ناهمگن با ترکیباتی از سیمان ریز با افزودنیهاي درشت و نا خالص است که هر یک داراي مقاومت و مشخصات متغیري میباشند.اجزاء تشکیل دهنده این ترکیب نامتجانس، تحت سیستمی از نیروها به میزان متفاوتی، تغییر شکل می دهند. حرکت متفاوت این اجزاء، توسعه فرایند تشکیل شکاف کششی در بتن را سرعت می بخشد.بتن RPC متشکل از ذراتی با مشخصات و اندازه مشابه یکدیگر است که به افزایش همگنی مواد ترکیبی، کمک می کنند. بدین ترتیب، واکنشهاي داخلی بتن کاهش یافته و در نتیجه، توان نهایی حمل بار افزایش می یابد.وزن مخصوص بالا، دومین اصل در افزایش مقاومت و کاهش قابلیت نفوذ پذیري است. براي به حداکثر رساندن مقدار مواد جامد در واحد حجم بتن، در انتخاب حجم مواد ترکیبی، فن بسته بندي ذرات بکار می رود. در این بسته بندي، مانند بتن معمولی، شن و ماسه داراي بزرگترین اندازه ذرات در داخل RPC است. دومین ماده از نظر اندازه ذرات، سیمان است که داراي اندازه اي بین 10 تا 100 میکرومتر می باشد. کوچکترین ذره، دوده سیلیس بوده که به قطر 0,1 میکرومتر است.
حجم تمامی این ذرات براي رسیدن به بزرگترین نوع بسته ذرات و در نتیجه بیشترین وزن مخصوص خمیري، به دقت انتخاب می شود. هرچه وزن مخصوص بیشتر باشد مقاومت خمیر هم بالاتر و قابلیت تراوش آن کمتر است زیرا فضاي خالی کمتري وجود خواهد داشت .[4]در بتن RPC ، چگونگی هیدرات سیلکیاي کلسیم - C-S-H - به صورت زیر اتفاق می افتد.واکنش هیدراسیون سیمان به علت واکنش به اصطلاح سیلیسی آذرین بین یون هاي سیلیکات به وجود آمده از طریق انحلال دوده سیلیس در آب و یونهاي کلسیم موجود در آن می باشد. با افزایش حجم ترکیبات سیلیسی آذرین که در فرایند شکل دهی فراورده هاي هیدراسیون با هم واکنش نشان می دهند، مقاومت RPC، بیشتر افزایش می یابد. بطورکلی، سیمان هاي داراي سیلیکاي بالا، مقاومت بالاتري را ایجاد می کنند. همچنین حجم بالاي دوده سیلیس داراي کربن کم، ایجاد مقاومت را افزایش می دهد. این مواد از نظر شیمیایی، سیلیکاي فعالی را فراهم می کنند که به تولید حجم بیشتر هیدرات سیلیکاي کلسیم، کمک می کنند.
آبی که از نظر شیمیایی یا فیزیکی، در هیدراسیون یا محصولات واکنش سیلیسی ترکیب نمی شود، خمیر را ضعیف کرده و در نتیجه باعث کم شدن مقاومت کششی و انبساط بتن می شود. حجم آب بکار رفته در RPC براي اطمینان از وجود ماده اضافی، پایین نگه داشته می شود. نسبت آب به سیمان بکار رفته در RPC، در حدود 0/15 تا 0/25 است. این مقدار، نه تنها بیشترین مقاومت را ایجاد می کند بلکه باعث می شود که تمام آب موجود، در تولید هیدرات سیلیکاي کلسیم ترکیب شده و فضاي خالی را به حداقل می رساند. اما این مقدار کم آب، قابلیت عملی کافی را براي مخلوط ایجاد نمی کند و در عمل بیشتر از این مقدار به کار می رود .[4]
در یک مقایسه کلی، بتن RPC، تا حدي متفاوت از بتن معمولی است. در RPC، مقدار سیمان به طرز چشمگیري زیاد، مقدار آب به طور قابل ملاحظهاي کم، مقدار روان کننده ها به طرز عمده اي بالا و حداکثر افزودنی هاي ناخالص درشت، بطور معمول کم است .[5] بدین ترتیب با بکارگیري این اصول و در دماي ثابت معمول، بتنی با حداکثر مقاومت 175 مگاپاسکال ایجاد می گردد. وقتی بتن در آب با دماي 90 درجه سانتیگراد به مدت چند روز نگهداري شود می توان به مقاومت 200 مگاپاسکال دست یافت. با بکارگیري فرآیندهاي اعمال فشار کافی در طول زمان گیرش اولیه بتن براي خارج سازي آب و هواي اضافی از ترکیب تازه بتن و فراهم کردن محیط بخار تا 400 درجه سانتیگراد می توان بتنی با مقاومت بیش از 800 مگاپاسکال را تولید نمود .[4]
3. بتن پودر فعال سبک - LWRPC -
دودة سیلیس سطح مخصوصی در حدود 20000 مترمربع بر کیلوگرم دارد که در مقایسه با سیمان پرتلند که سطح مخصوصی در حدود 300 تا 400مترمربع بر کیلوگرم دارند، 50 تا 60 برابر ریزتر است. کاربرد دودة سیلیس در بتن RPC سه نقش عمده دارد که عبارتند از :[5]
الف- پر کردن فضاهاي خالی بین سیمان
ب- تسریع در انجام واکنشها از طریق روانسازي ناشی از کرویت کامل ذرات دودة سیلیس
ج- تولید هیدرات هاي ثانویه از طریق واکنش سیلیسی با آهک ناشی از هیدراسیون اولیه
براي بررسی اثرات میزان دوده سیلیس بر روي مقاومت و وزن مخصوص بتن RPC، چندین نمونه مکعب شکل به ابعاد 50mm*50mm*50mm با مقادیر متغیر دوده سیلیس آزمایش شده است .[6] مشخصات طرح اختلاط بتن به همراه نتایج آزمایش شامل وزن مخصوص و مقاومت فشاري نمونه ها در جدول 1 نشان داده شده است. در این جدول، B مربوط به مواد ترکیبی شامل سیمان و دوده سیلیس است، W/B نسبت وزنی آب به مواد ترکیبی، SF/C نسبت وزنی دوده سیلیس به سیمان و SP/B نسبت وزنی فوق روان کننده به ماده ترکیبی را نشان می دهد. از میان کلیه نمونه ها فقط نمونه هاي R2 ,R1 و R3 تحت فشار استاتیکی 4 MPa در مدت 24 ساعت قرار داشته اند.
