بخشی از مقاله
دوام بتن های حاوی زئولیت در برابر نفوذ یونهای کلراید و خوردگی
خلاصه
دوام بتن به عوامل متعددی از جمله ساختار متخلخل خمیر سیمان سخت شده و خواص شیمیایی-فیزیکی اجزاء تشکیل دهنده بتن بستگی دارد. شرایط آب وهوایی محیط مجاور، تاثیرات این شرایط بر سطح بتن مانند رطوبت، دسترسی به هوا و مقدار مواد مضر، از اهمیت ویژه ای برخوردار هستند. در این میان ، خوردگی آرماتور یکی از مهمترین عوامل موثر در دوام سازه های بتنی می باشد. تحقیقات نشان داده است که عامل اولیه و اصلی فعال نمودن لایه غیر فعال اکسیدی اطراف آرماتور یونهای کلراید میباشند و نفوذ یون کلراید از جمله عوامل تعیین زمان آغاز خوردگی است. در این مقاله 6 طرح اختلاط با 2 نسبت آب به سیمان و 3 درصد جایگزینی زئولیت مورد بررسی قرار گرفته است. نسبت های آب به سیمان شامل 0/35 و 0/45 و درصدهای زئولیت شامل 0 ، 10 و 15 درصد می باشد. در این پژوهش آزمایش های مقاومت فشاری ، مقاومت الکتریکی و نفوذ تسریع شده یون کلراید بر روی نمونه ها انجام شده و نتایج آنها با یکدیگر مقایسه گردیده است. نتایج نشان می دهد افزودن پوزولان سبب بهبود نفوذپذیری و در نتیجه کاهش نفوذ یون کلراید و افزایش مقاومت الکتریکی بتن می شود.
کلمات کلیدی:دوام بتن ، پوزولان طبیعی ، زئولیت ، خوردگی
1. مقدمه
افزایش دوام بتن وعمرمفیدسازه های بتنی به ویژه درمحیط های خورنده، نقش عمده ای درتوسعه پایدار داشته ونظر اکثر کارشناسان صنعت بتن بدان معطوف شده است . یکی از علل خرابی سازه های بتنی، خوردگی فولاد مدفون در بتن می باشد که دلیل اصلی آن نفوذ یون کلرید به داخل بتن است. انتظار می رود، هنگامی که فولاد در بتن بوسیله یک پوشش با ضخامت کافی و با تراوایی کم در برابر هوا محافظت شده باشد، خوردگی فولاد و مسایل مربوطه به آن، به وجود نیاید. بدیهی است که این انتظار در عمل کاملا برآورده نشود.]1[ یک روش عمومی برای جلوگیری از تخریب های ناشی از خوردگی آرماتور مدفون در بتن، جلوگیری از نفوذ کلراید به سطح فولاد مدفون در بتن در سازه بوسیله بتن نسبتاً نفوذ ناپذیر می باشد. توانایی یون های کلرید در مورد نفوذ آن هابه داخل بتن برای طراحی بهینه یک بتن با کیفیت خوب برای اهداف کنترلی، باید شناخته شود.
از سوی دیگر در دهههای اخیر به علت زیاد بودن قیمت انرژی، استفاده از پوزولانها روبه افزایش است . استفاده از انواع پوزولان بعنوان ماده جایگزین سیمان در بتن علاوه بر کمک به کاهش مصرف سیمان و ذخیره کردن مقدار قابل توجهی انرژی در فرایند تولید سیمان و مشارکت در توسعه پایدار از طریق کاهش انتشار گازهای گلخانهای (خصوصاً (CO2 در فرآیند تولید کلینکر ، خواص مکانیکی مانند مقاومت فشاری در سنین بالا و دوام بتن نظیر نفوذپذیری را بهبود میبخشد .[5-2]
در کشور ما به دلیل وجود معادن متعدد با ذخیره حجمی زیاد پوزولانهای طبیعی، استفاده از آنها به عنوان ماده جایگزین سیمان گسترش یافته است. درنتیجه، مطالعه بر روی خواص پوزولانهای مصرفی در بتن میتواند به تولید بتنهای با کیفیت بهتر و در پی آن ساخت و سازهای با دوام تر و اقتصادی تر منجر شود. پوزولانهای کارآمد و رایج در دنیا همچون دوده سیلیسی، خاکستربادی، متاکائولن و روباره در ایران یا به طور محدودی تولید میشوند یا از خارج ازکشور وارد میشوند و قیمت نسبتاً زیادی دارند، در حالیکه زئولیت طبیعی در ایران به وفور یافت میشود و به راحتی قابل استخراج و فرآوری است.
زئولیتها از دسته کانیهایی هستند که از پایه هیدرو سیلیکاتهای آلومینیوم همراه با برخی کاتیونها و اکسیدهای فلزات قلیایی و قلیایی خاکی تشکیل شده اند. این ترکیب کریستالی سیلیکاته زنجیرهای گسترده و پیوستهای را به وجود میآورد که با توجه به نحوه اتصال و قرارگیری آنها در کنار یکدیگر، شبکهای از فضاهای خالی و حفرههای قفسه مانندی را تشکیل میدهند که قطر آنها بین 3 تا 10 انگستروم است.[6]
از این رو هدف از این پژوهش معرفی ماده معدنی زئولیت به عنوان یک پوزولان طبیعی توانمند و بررسی اثر این پوزولان در دوام کلرایدی
میباشد.
2. برنامه آزمایشگاهی
2.1 مصالح مصرفی
سنگدانه
سنگدانه مورد استفاده در این پروژه آزمایشگاهی از شرکت متوساک تهیه شده است. ماسه مصرفی، ماسه طبیعی شسته و شن مصرفی، شن شکسته با حداکثر قطر سنگدانه 19 میلیمتر میباشد. منحنی دانهبندی سنگدانههای مورد استفاده که در نمودار (1) دیده میشود، در ناحیه مورد قبول آئین نامه ملی طرح مخلوط ایران برای دانه بندی با حداکثر قطر سنگدانه 19 میلیمتر قرار دارد. مشخصات فیزیکی سنگدانه مصرفی در جدول (1) ارائه شده است.
منحنی دانه بندی سنگ دانه
سیمان و پوزولان
سیمان استفاده شده، سیمان 1-425کارخانه سیمان تهران میباشد. زئولیت از معدن آبگرم واقع در 30 کیلومتری جنوب شرقی سمنان استخراج شده است. خواص مکانیکی سیمان و زئولیت در جدول (2) و نتایج آزمایش XRF سیمان و زئولیت در جدول (3) ارائه شده است. همچنین نتایج XRD زئولیت که در نمودار (2) نشان داده شده است ، بیانگر آنست که زئولیت مصرفی از نوع کلینوپتیلولیت بوده است.
آب و مواد افزودنی
در ساخت مخلوطهای بتنی از آب آشامیدنی تهران استفاده شده است. همچنین برای ثابت نگاه داشتن اسلامپ مخلوطها از فوق روان کننده با پایه پلی کربوکسیلیک با نام تجاری Glenium 110P استفاده شده است.
2.2 طرح اختلاط
در این برنامه آزمایشگاهی به منظور بررسی اثر پوزولان زئولیت بر خواص بتن، 6 طرح اختلاط با مقادیر مختلف پوزولان در نظر گرفته شد. بدین منظور، زئولیت با سه مقدار جایگزینی 0، 10 و 15 درصد مورد استفاده قرار گرفت. همچنین مخلوطها با دو نسبت آب به مواد سیمانی 0/35 و 0/45 ساخته شدند. کلیه طرحها دارای عیار مواد سیمانی ثابت برابر با 350 kg/m3میباشند. در ساخت مخلوطهای بتنی، اسلامپ مخلوطها بوسیله فوق روان کننده در محدوده 6-9 سانتیمتر نگاه داشته شده است. مشخصات مخلوطها در جدول (4) آورده شده است.
3.2 روش آزمایش و عمل آوری
آزمایش مقاومت فشاری (ISIRI 3206)
طبق استاندارد ایران، نمونههای مکعبی با ابعاد 10 سانتیمتر ساخته شد . نمونه ها 7 روز نخست پس از ساخت در محلول آب آهک اشباع و پس از آن در محیط آزمایشگاه با دمایCْ 25±2 و رطوبت نسبی %55 عمل آوری شدند. آزمایش مقاومت فشاری در سنین 90 و 270 روز بر روی سه آزمونه انجام شد. نمونه ها جهت رعایت استاندارد پیش از آزمایش 24 ساعت در داخل آب قرار داده شدند تا شرایط اشباع با سطح خشک تامین گردد.
آزمایش مقاومت الکتریکی)) FM 5-578
یونهایی که به داخل محیط بتن نفوذ کردهاند، از میان منافذ موجود در ساختار بتن حرکت میکنند. به علت حرکت یونها داخل محیط بتن، بتن دارای هدایت الکتریکی میباشد. مقدار مقاومت الکتریکی بتن بستگی مستقیم به نفوذپذیری بتن و شرایط محیطیبتن دارد و مسلماً هرچه نفوذپذیری بتن بیشتر باشد، یونها به راحتی و با سرعت بیشتری میتوانند به داخل محیط بتن راه یابند. لذا بتنهایی که دارای مقاومت الکتریکی زیادی هستند، در برابر نفوذ یون کلراید و شروع خوردگی عملکرد بهتری خواهند داشت.
این آزمایش پارامتری برای ارزیابی میزان نرخ خوردگی احتمالی نمونههای بتنی مسلح در حمله کلرایدی است که در آن نمونههای استوانهای با ابعاد 20×10cm ساخته شده و در سنین 90 و 270 روز مورد آزمایش قرار گرفتند. عمل آوری نمونه ها مطابق آنچه در قسمت قبل اشاره شد در محیط آزمایشگاه بوده است. از آنجا که رطوبت پارامتر بسیار موثری در این آزمایش است نمونهها 24 ساعت پیش از آزمایش در داخل آب قرار داده شدند.
آزمایش تسریع شده نفوذ یون کلراید (ASTM C1202)
مهمترین عامل زنگزدگی و خوردگی آرماتور در بتن وجود یون کلراید میباشد. یونهای کلراید ممکن است از مصالح آلوده یا مواد افزودنی و یا در اثر نفوذ از منابع خارجی مانند آب دریا وارد بتن گردد. میزان کلراید آزاد در محیط بتن تابع ساختار فیزیکی و به خصوص شیمیایی محیط بتن است.
در این آزمایش مطابق با استاندارد ASTM C1202، آزمونه بتنی اشباع، با استفاده از دستگاه RCPT در معرض یک ولتاژ 60 ولتی جریان مستقیم به مدت 6 ساعت قرار میگیرد. در یک محفظه، از محلول NaCl %3 و در محفظه دیگر از محلول NaOH% 1/2 استفاده میشود ونهایتاً مجموع بار الکتریکی عبوری اندازهگیری میشود.
نکته قابل ذکر اینکه آزمونههای قابل استفاده در دستگاه RCPT، به صورت استوانه های 5×10cm میباشد و به دلیل نبودقالبهایی با این ابعاد، نمونهها در ابعاد 10×20cm ساخته شدند که این آزمونهها نهایتاًبرای استفاده در آزمایش به قطعاتی با ارتفاع 5 سانتیمتر برش میخورند. قابل ذکر است که با توجه به حساسیت دستگاه RCPT، لازم است نهایت دقت در برش آزمونه ها به کار گرفته شود. در برش برای آزمایش RCPT، بین 1 تا 2 سانتی متر از ابتدا و انتهای قالبها بریده و کنار گذاشته شد. پس از عمل آوری در سنین 90 و 270 روز، آزمایش بر روی آزمونهها انجام شد.
3. نتایج آزمایش و تفسیر
3.1 مقاومت فشاری
نمودار (3) نتایج مقاومت فشاری نمونههای بتنی ساخته شده در سنین مختلف را نشان میدهد. مشاهده میشود که با افزودن زئولیت، به دلیل انجام واکنش های پوزولانی و بهبود ساختار حفرات نمونه های بتنی، مقاومت فشاری نمونهها نسبت به نمونه شاهد رشد داشته است. نمونههای زئولیتی به طور متوسط رشد 10 الی12 درصدی نسبت به نمونه شاهد داشتند. در سن 270 روز، افت مقاومت اندکی در نمونهها نسبت به سن 90 روز مشاهده شد که این افت در این سیستم عمل آوری همانطور که در کتاب نویل اشاره شده دور از انتظار نیست.[7] همانطور که انتظار می رفت با کاهش نسبت آب به مواد سیمانی، مقاومت نمونه های بتنی افزایش داشته است.
