بخشی از مقاله
سیمان ژئوپلیمری و کاربرد آن در بتن
چکیده
سیمان های ژئوپلیمری همانند سیمانهای پرتلند برای بسیاری موارد قابل استفاده می باشند مورد مهم مصرف سیمان ژئوپلیمری در ساخت بتن میباشد ، ازمزایای تولید سیمان ژئوپلیمری صرفه جویی در انرژی ـ منابع و کاهش تولید گازهای گلخانه ای ازکارخانه های تولیدی سیمان از طریق بهبود بهره وری انرژی و رشد تولید است .سیمانهای ژئوپلیمری نیاز به مصرف انرژی کمتروتولید آن سبب می شود انتشار گازهیدروکسیدکربن نسبت به سیمانهای معمولی ٍٍ تا ٍْ درصد کاهش یابد. در مقایسه با بتن ساخته شده با سیمان پرتلند معمولی نیز مزیتهائی دارند شامل: در برابر خزش وبعضاً کاهش انقباض نسبت به بتن های معمولی ، مقاومت در برابر حمله سولفات ها و اسید ها و حملات شیمیائی از خود نشان میدهند، در برابر آتش و یا در برابر آتش مبتنی بر مواد مرکب هیبرید آلی مقاوم است. و همچنین به بتن ژئوپلیمری می توان مواد افزودنی مانند خاکستر بادی،سر باره کوره ذوب سرب ، الیاف شیشه ای ، خاکستر سبوس برنج و ؟؟؟؟ اضافه کرد ومقاومت وکارائی بالاتری بدست آورد. و در ساخت اعضای پیش ساخته و پیش تنیده استفاده می شوند.
واژگان کلیدی ْ سیمان ژئوپلیمری ، بتن ژئوپلیمری، مواد افزودنی
-1 مقدمه
همانطور که توسط کمیسیون جهانی محیط زیست منتشر شده مفهوم توسعه پایدار به عنوان تعریف عبارتست از:"توانایی برای رفع نیازهای فعلی ما بدون به خطر انداختن توانائی نسل آینده برای رفع نیازهای آنها ."این تعریف نیاز به در نظر گرفتن
تمام جنبه های یک صنعت خاص از طریق عرضه مواد خام، مصرف انرژی و محیط، تاثیر روانی مواد جزء و یا ساختار در ساخت و در خدمات ،و همچنین پایان زندگی پردازش واستفاده مجدد از پتانسیل و یا بازیافت است.و این برای اولین باراست که باید کمبود مواد خام کم هزینه در آینده سیمان و صنعت بتن بالقوه در نظر گرفته شود زیرا مصرف بزرگ آن از مواد مبتنی بر سنگ آهک معمولی است.با توجه به رشد آینده تولید سیمان پرتلند که تنها می تواند تولید سیمان برای ُِ سال دیگر را تامین نماید، صنعت بتن جهت پاسخگویی به رشد مصرف آن با چالش مواجه است و تقاضا از سیمان پرتلند با توجه به ذخایرمحدود از سنگ آهک، مشکل ساز خواهد شد؟ در سال 2011 ، تولید سیمان جهان در حدود 3/6 میلیارد تن بود ه است. این به این معنی است که بیش از 3 میلیارد تن سنگ آهک برای تولید کلینکر نیاز است و با توجه به متوسط مصرف، محصول سنگ آهک پایان ناپذیر نیست البته فرصت هایی برای بهبود وضع موجود وجود دارد نمونه ای از این گزارش آمار تولید سیمان در چین است که می خوانید: '' 1326معدن سنگ آهک در حال حاضر در چین حاوی حدود 56120 میلیون تن سنگ آهک شناخته شده است". در هر حال برای برون رفت از مشکل پیش رو می توان از موادی که در طبیعت موجود است را برای ساخت سیمان سبز یا ژئوپلیمری و بدون آلاینده برای محیط زیست استفاده کرد و برای ساخت بتن و کاربرد آن در پروژه های مختلف بهره برد؟ پیشنهاد سیمان ژئوپلیمر به عنوان سیمان نسل سوم پس از آهک و سیمان پرتلند معمولی در نظر گرفته شده است.
-2پیشینه تحقیق
موضوع آلاینده بودن صنعت سیمان و پایان یافته شدن مواد اولیه آن باعث گردیده است تا جایگزینی برای سیمان پرتلند در نظر گرفته شود.در این راستا "داویدویتس" پروفسور انستیتو ژئوپلیمری کشور فرانسه در سالهای 9ٌُْ از واکنش متاکائولن با سیلیکات فلزات قلیایی مانند سدیم و پتاسیم برای تهیه ژئوپلیمرها استفاده کردند؟ طبق گفته دیویدویتس در سال ٌُُُ ، انواع مواد آلومینوسیلیکاتی مانند کائولینیت، فلدسپات و باقی مانده های جامد صنعتی مانند خاکستربادی، سرباره فولاد، زباله معدن و غیره به عنوان مواد اولیه جامد در فن آوری ژئوپلیمریزاسیون استفاده شده است.[1] واکنش این منابع آلومینوسیلیکاتی بستگی به آرایش شیمیایی ، ترکیب کانی شناسی، مورفولوژی، ظرافت و محتوای دارد. معیارهای اصلی برای توسعه پایدار ژئوپلیمر استفاده از مواد فعال آلومینوسیلیکاتی ، مواد فعال قلیایی مانند هیدروکسید سدیم (سود)، هیدروکسید پتاسیم، سیلیکات سدیم و سیلیکات پتاسیم می باشد.در مقایسه با سایر مواد قلیائی هیدروکسید سدیم و هیدروکسید پتاسیم سطح بیشتری از قلیائیت را نشان داده است. اما در واقعیت،مشخص شده است که سود دارای ظرفیت آزاد کردن بیشتری سیلیکات و مونومر آلومینات را به همراه دارد. می توان با توجه به خواص ژئوپلیمر، انتخاب مناسب مواد خام بهینه سازی شده، ترکیب درست و طراحی پردازش، یک کاربرد خاص را بدست آورد. مشاهده اهمیت موضوع سیمان ژئوپلیمر،باعث گردید تا یک پروژه گروهی و به حمایت کمیسیون اروپا به طور مشترک توسط کشورهای فرانسه، اسپانیا و ایتالیا در توسعه مقرون به صرفه بودن سیمان ژئوپلیمر بی ضرر از عناصر سمی تشکیل شود. این پروژه در تولید سیمان ژئوپلیمر با جایگزینی سیلیکات پتاسیم با قلیایی ارزان تر ( توف آتشفشانی) انجام شد.
.3 دلایل کاربرد سیمان ژئوپلیمر در بتن
سیمان استفاده شده در بتن ژئوپلیمری در بیشتر موارد % ًْ مقاومت فشاری نهایی در چهار ساعت اول گیرش بدست می آید دلیل آن این است که واکنش شیمیایی خمیر ژئوپلیمر که از خاکستر بادی فعال شده با قلیا تشکیل یک فرآیند پلیمریزاسیون سریع نموده و مقاومت فشاری بعد از ٍُ ساعت عمل آوری، با افزایش سن بتن، افزایش مشخصی نخواهد داشت. زمان و دمای عمل آوری نقش بسزایی در مقاومت فشاری بتن ژئوپلیمری بازی می کند.خواص مخلوط با توجه به زمان ، دما و سن سخت شدن نسبت جامد به آب، قدرت فعال سازی ژئوپلیمر، و نسبت آب به Na2o، مورد بررسی قرار گرفته است و به این نتیجه رسیده اند که قدرت و مقاومت ژئوپلیمر با افزایش / کاهش نسبت جامد به آب مشابه نسبت آب به سیمان در بتن معمولی است؟ مقاومت بتن ژئوپلیمر با هدف قدرت تا 80 مگا پاسکال ساخته شده است. خواص مقاومتی از مخلوط بتن ژئوپلیمر توسط نویسندگان مختلف( 41و45و48و49و( 53 مگاپاسکال اعلام شده است. برای تولید بتن ژئوپلیمری می توان از تجهیزات مربوط به تولید بتن معمولی استفاده کرد؟ انجام آزمایشات مربوط به کارآیی و نمونه گیری همانند بتن معمولی می باشد؟ از این نوع بتن می توان در ساخت تراورس های راه آهن، لوله های فاضلاب و اعضای پیش تنیده استفاده کرد.[2]
-4انواع ملاتها و بتن های ساخته شده با سیمان ژئوپلیمری
محصولاتی مانند ملاتها و بتن، آجر، بلوک جامد و توخالی، بتن عایق، فوم، کائوچو و مواد مرکب ساندویچ و پوشش مقاوم در برابرحرارت ساخته شده و در شکل 1 قابل مشاهده است.
بتن های ژئوپلیمری سبک ، خود متراکم ، با مقاومت بالا و الیافی نیز ساخته شده است. به طور مثال فوم بتن موادی به عنوان یک نوع بتن سبک که شامل یک چسباننده سیمانی با درجه بالایی با یا بدون فضای خالی، تعریف شده است . اما کاربرد آن به عنوان یک ماده ساختمانی سبک وزن در چند دهه گذشته تبدیل به موادی بسیار محبوب تر شده است. خاکستر بادی و الیاف شیشه و.....معمولا به عنوان اجزاء ثانویه سیمانی به نیمه جایگزین سیمان مورد استفاده قرار می گیرند. و مواد دیگر مانند خاک اره، دیاتومیت، و بنتونیت را می توان به عنوان پرکننده برای بهبود کارایی خمیر تازه، و یا قدرت نهایی آن استفاده کرد. به منظور کاهش هزینه پرکننده خوب غیر سیمانی مانند سنگ آهک گرانیتی و سیلیس نیز می توانند استفاده شوند.بتن های ژئوپلیمری ساخته شده از خاکستر بادی که تحت حرارت عمل آوری شده اند مقاومت عالی در برابر حمله سولفات ها و مقاومت خوبی در برابر اسید ها و حملات شیمیائی از خود نشان میدهد.
-5کاربرد سیمان ژئوپلیمری به لحاظ اقتصادی در ایران
تاکنون سیمان ژئوپلیمر در ایران به صورت انبوه تولید نشده است و در سال 1387 نوعی سیمان ژئوپلیمری از مواد کائولینیت و محلول فعال کننده شامل هیدروکسید سدیم و سیلیکات سدیم با تلاش پزوهشگران دانشکده مهندسی معدن و متالوژی دانشگاه صنعتی امیر کبیر تهران ساخته شده است . و تا به حال استفاده از سیمان ژئوپلیمر در پروژه ای گزارش نشده است.] [3 سیمان های ژئوپلیمری همانند سیمان های پرتلند برای بسیاری موارد کاربرد دارند. تنها مشکل مهم به نظر کارشناسان در این زمینه قیمت تمام شده این سیمان ها است که در اکثر فرمولاسیون ها بیشتر از سیمان پرتلند می باشد. چنانچه بتوان
مواداولیه مورد نیاز در تولید این سیمان ها بالاخص فعال ساز را از پسماندهای صنعتی و با قیمت پایین تهیه نمود شاید قیمت این سیمان ها کاربرد آنها را به لحاظ اقتصادی توجیه نماید. اما به نظر میرسد مقایسه سیمان پرتلند و سیمان ژئوپلیمر به لحاظ قیمت به دلیل متفاوت بودن نوع واکنش مصالح شامل پلیمریزاسیون به جای هیدراتاسیون ،کیفیت،مقاومت،سرعت گیرش و مقاوم در برابر سولفات ها و.....همچنین نادیده نگرفتن پتانسیل منابع موجود در این منطقه جهت تامین مواد اولیه سیمان ژئوپلیمری شامل کارخانه های پتروشیمی جهت تامین سیلیکات های سدیم و پتاسیم و خاک رس در کویرهای منطقه جهت بدست آوردن مواد اولیه اکسید سیلیس و اکسید آلومینیوم را می توان از مزایای تولید سیمان ژئوپلیمر در این منطقه نامید.
.6 مواد اولیه مورد نیاز سیمان پرتلند و سیمان ژئوپلیمری
مراحل مختلف ساخت سیمان پرتلند شامل آسیاب مواد خام و تبدیل آنها به پودر ، مخلوط نمودن آنها با درصدهای معین و پختن آنها در یک کوره گردنده در حرارت حدود 1400 درجه سانتیگراد صورت می گیرد.در این درجه حرارت مواد در نقطه نزدیک ذوب ، با هم ترکیب شده و به کلینگر تبدیل می گردند. سپس کلینگر سرد شده و با مقداری سنگ گچ ، به صورت پودری بسیار ریز آسیاب می شود. نتیجه عملیات فوق منجر به تولید سیمان معروف به پرتلند می گردد. مواد خام تشکیل دهنده سیمان پرتلند اساساً از اکسیدهای کلسیم،سیلیسیم و آهن تشکیل شده اند. چهار ترکیب اصلی سیمان پرتلند در
جدول 1 و درصد اکسیدهای موجود در سیمان پرتلند در جدول 2 آورده شده است :
برای تولید، شکل گیری و ساخت ژئوپلیمرها طی سه مرحله انحلال ، جهت گیری و انعقاد انجام می گیرد و می تواند با استفاده از بسیاری از مواد آلومینو سیلیکاتی تهیه گردد؟ در خصوص سیمان ژئوپلیمر مانند سیمان پرتلند فرمول مشخصی در دست نیست. با این حال درصد اکسیدها و قلیائی در ترکیب سیمان ژئوپلیمر و پوزلان و مواد منطقه رهینلند تراس در جدول 3 آورده شده است.
