بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله رویهای برای انتخاب مقادیر مصالح مختلف برای ساخت بتنهای فعال شده قلیایی پیشنهاد میگردد. این طرح مخلوط برای بتنهای پایه سرباره مناسب بوده و که به وسیله محلول قلیایی-سیلیکاتی متشکل از سیلیکات سدیم و هیدروکسید سدیم فعال شدهاند تدوین شده است. و همچنین مرور کوچکی است بر نتایج تحقیقات قبلی که در این زمینه انجام شده است.
در این مقاله پارامترهای اصلی که بر خواص این دسته از بتنها موثر هستند معرفی گردیده و طرح مخلوط های پیشنهادی با در نظر گرفتن تاثیر هر یک از آنها مورد بحث قرار گرفته است. مهمترین عامل در مقاومت بتن های فعال شده قلیایی نسبت آب به مواد چسباننده است و در کنار آن عواملی دیگر نظیر نسبت محلول فعال کننده به مواد سرباره نیز از دیگر عوامل تاثیر گذار است.
یکی دیگر از این عوامل غلظت محلول قلیایی می باشد که مشاهده گردیده است افزایش غلظت محلول هیدروکسید سدیم افزایش مقاومت فشاری را بههمراه داشته است. در انتها نمودار ها و نتایج تحقیقاتی که در این زمینه انجام شده است تدوین گردیده که با استفاده از آن میتوان مقادیر مصالح مصرفی و نسبت آنها برای دستیابی به مقاومت هدف را انتخاب نمود.
1. مقدمه
با پیشرفت روز افزون صنعت ساختمان و بروز مشکلات زیست محیطی ناشی از مصرف سیمان های پرتلندی نیاز به مصرف مصالح جایگزین دوستدار محیط زیست بیش از پیش احساس می شود. بتنهای فعال شده قلیایی از این دست مصالح هستند که در کسب مشخصات مورد نظر برای مصالح ایدهال برای جایگزینی بسیار مناسب بوده و آلودگی های زیست محیطی و مصرف انرژی بسیار پایینتری نسبت به سیمانهای پرتلندی دارند - - 7-1 اما استفاده از بتنهای فعال شده قلیایی نیازمند وجود یک روش طراحی مناسب و هدفمند است. که در برخی تحقیقات گذشته به آنها پرداخته شده است. - - 15-8 اما اکثر این تحقیقات بدلیل انجام شدن در محدوده کشورهای اروپایی و در درسترس بودن منابع خاکستر بادی وافر و غنی در این مناطق بر روی بتنهای پایه خاکستر بادی انجام شدهاند.
طرح مخلوط پیشنهادی در این مقاله قابل استفاده برای ساخت بتن و ملات می باشد. اما برخی از متغیر ها تاثیر خاصی بر ساخت هریک میگذراند که مقاومت و کارایی را متاثر از خود مینمایند و بهتر است این دو دسته از مصالح به طور جداگانه مورد بررسی واقع گردند. - 15،13،12، - 9 عواملی چون نسبت محلول فعال کننده قلیایی-سیلیکاتی - که از آن در این مقاله به نام محلول فعال کننده ذکر خواهد شد - ،نسبت مقدار آب به مواد چسباننده - مجموع سرباره و مواد چسباننده جامد موجود در محلول فعال کننده - غلظت محلول قلیایی و دیگر پارامترهای اینچنینی هر یک به صورت منحصر به فرد و یا ترکیبی مورد بحث قرار گرفتهاند اما هیچگاه به ارائه روشی برای انتخاب طرح مخلوط نینجامیدهاند. هدف این مقاله ارائه راهکاری و روشی برای طراحی طرح مخلوط بتنهای فعال شده قلیایی به همراه جداول کمکی و مثال می باشد.
از فونت - B Nazanin 12pt - و فاصله خطوط single در تهیه متن اصلی مقاله استفاده گردد. متن مقاله بصورت تک ستونی و با حاشیه 30 میلی متر از بالا و 25 میلی متر از سمت راست، چپ و پایین تهیه گردد. عنوان هر بخش از مقاله با فونت - B Titr 10pt - ، با شماره بخش نوشته شود. اولین خط همه پاراگرافها، بجز اولین پاراگراف بعد از متن، بصورت هماهنگ 5 میلیمتر فرورفتگی داشته باشد.
2. پیشینه تحقیق:
طرح مخلوطهای پیشنهادی برای بتن فعال شده قلیایی نیز به مانند طرح مخلوط بتن سیمان پرتلندی بسیار متاثر از نسبت آب به مواد چسباننده بسان آب به سیمان در بتنهای سیمان پرتلندی است. - - 16 در سیمان پرتلندی تشکیل فاز-C-S H که از هیدراتاسیون اکسیدهای سیمان ناشی میشود منجر به تشکیل ساختار چسب گونه می گردد که این ساختار نگهدارنده سنگدانه ها که نقش اسکلت بتن را ایفا میکند در کنار یکدیگر است. در بتنهای فعال شده قلیایی نقش سنگدانهها به سان بتن سیمان پرتلندی است تنها تفاوت میان این دو بتن نوع ماده چسباننده سنگدانهها به یکدیگر است.
در این نوع بتن شکست پیوند در اکسید سلیس و اکسید آلومینیوم و ترکیب آنها با یکدیگر و تشکیل ساختار چهاروجهی پایدار منجر به تشکیل فاز چسب گونه پایدار می شود. - - 13 به همین دلیل انتخاب روش انتخاب سنگدانه برای این بتن میتواند کاملا شبیه به روشهای انتخاب سنگدانه برای یتنهای سیمان پرتلندی باشد. اما بی شک خواص ذاتی و تفاوتهای بین نوع چسباننده ها منجر به ایجاد تفاوتهایی در برخی خواص بتن ساخته شده می گردد که در بتنهای فعال شده قلیایی این موضوع به طور جداگانه باید مورد بررسی قرار گیرد. - 17و - 18 محققان بررسیهای درباره تاثیر نسبت آب به مواد چسباننده بر مشخصات بتنهای فعال شده قلیایی مانند مقاومت مکانیکی و کاراریی آن انجام دادهاند.
با وجودی که این تحقیقات هنوز در سطح مناسبی از زضایت قرار نگرفته اند اما نشان می دهند که استفاده از روش مخلوط بتنهای سیمان پتلندی برای بتنهای فعال شده قلیایی به هیچ عنوان مناسب نیست. پس سعی بر آن شد که روش اصولی برای طراحی این نوع بتنها پیشنهاد و بررسی گردد.
3. شیمی مصالح فعال شده قلیایی
در فعال سازی قلیایی اکسید آلومینیوم و اکسید سیلیسوم در حضور فلزهای قلیایی با هم واکنش میدهند. و ترکیب محصول این واکنش با سنگدانهها منجر به ساخت بتن میگردد. گاهاً این بتنها به نام مرسوم بتنهای ژئوپلیمری شناخته می شوند اما بتنهای فعال شده قلیایی عنوان جامع تری از این نوع مصالح است و عموما به بتنهای فعال شده قلیایی که منابع آنها از نوع مواد کم کلسیم مانند خاکستر بادی کلاس F و یا متاکائولن است اطلاق میشود.
برای ساخت مصالح فعال شده قلیایی نیاز به یک منبع سیلیکات آلومینیومی به عنوان ماده پایه است. از سرباره کوره آهنگدازی، خاکستر بادی، میکروسیلیس و حتی شلتوک برنج میتوان بدین منظور استفاده نمود. - 19 ، - 12 این مواد عموماً به عنوان پسماند های صنعتی یافت میشوند و بر خلاف سیمان پرتلندی نیازی به کلسینه شدن - از دست دادن آب شیمیایی - ندارند و جایگزینی هر متر معکب از بتن فعال شده قلیایی به جای بتن سیمان پرتلندی منجر به کاهش بین 45 تا 80 درصدی مقدار گاز CO2 می شود.
با وجود اینکه تحقیقات زیادی در زمینه مصالح فعال شده قلیایی انجام شده است، اما محققان در یک موضوع اتفاق نظر داردن که واکنش ماده پایه با محلول فعال کننده در 3 مرحله انجام میگیرد. مرحله اول انحلال سیلیسیوم و آلومینیوم ، تشکیل ژل و در نهایت تغلیظ و تشکیل ساختار شبکه سه بعدی از سیلیکات آلومینیوم.
در تحقیقاتی که در کشور های اروپایی انجام گرفته است بر پایه استفاده از خاکستر بادی به عنوان منبع سیلیکات آلومینیوم بوده است. اما در کشور ما از حیث وجود منابع بسیار غنی و کثیر از مواد دیگر چون سرباره کوره آهنگدازی و کمبود منبع خاکستر بادی استفاده از سرباره در تحقیقات بسیار رایجتر است. این مواد در سیمان پرتلندی به عنوان مواد آمیخته شمنده با سیمان استفاده میگردد اما نقشی که در سیمان پرتلندی به عنوان جایگزین سیمان برای مقاصدی مانند کنترل کارایی و کاهش حرارت هیدراتاسیون ایفا می کنند بسیار متفاوت از عملکرد آنها در بتن فعال شده قلیایی است که منبع اصلی ساخت بتن رد حضور محلول قلیایی است
سرباره در انواع مختلف و کلاس های متفاوت یافت میشود که معمولا بر اساس مقدار وجود اکسید کلسیم در آن انواع آن از یکدیگر تمیز داده میشوند. سرباره های حاوی درصد بالای CaO بتن زود گیر را تشکیل میدهند و از طرفی نیز گاهاً دیده شده است که مقدار خیلی بالای آنها در بتن منجر به بروز مشکلات دوامی در بتن شود. - 28، - 15پس در هنگام استفاده از منبع سیلیکات آلومینیومی باید به این موضوع توجه نمود.
4. نسبتهای موثر بر خواص بتنهای فعال شده قلیایی:
مشخصات مکانیکی و دوامی بتنهای فعال شده قلیایی بطور بسیار ویژهای تحت تاثیر نوع ماده چسباننده پایه و همچنین محلول فعال کننده مصرفی می باشد. پس بدیهی است که تخصیص مقدار به هریک از مواد تشکیل دهنده متاثر از این موضوع باشد. به برخی از مقادیر مرتبط با این موضوع در ادامه اشاره میشود.
1-4 نسبت آب به مواد چسباننده قلیایی
این پارامتر به نسبت کل آب موجود در بتن اعم از آب موجود در سیلیکات سدیم و هیدورکسید سدیم و هرگونه آب آزاد اضافی به بتن به مجموع مقدار سرباره، مقدار ماده جامد محلول در هیدروکسید سدیم و سیلیکات سدیم اطلاق میگردد. مقدار ماده جامد موجود در محلولهای تشکیل دهنده محلول فعال کننده قلیایی در ابتدا با استناد به اطلاعات تولید کننده و انطباق آن با نتایج درصد ماده خشک هر ماده بررسی شده است و در این نسبت قرار گرفته است. این موضوع واضح گردیده که نسبت آب به مواد چسباننده در بتنهای فعال شده قلیایی تاثیر همانند این نسبت در بت های سیمان پرتلندی دارد.
2-4 نسبت وزنی محلول قلیایی به سرباره
در این تحقیق از دو محلول هیدروکسید سدیم و سیلیکات سدیم برای ساخت محلول فعال کننده قلیایی-سیلیکاتی استفاده گردید. که یکی از پارامترهای موثر بر خواص بتن تازه و سخت شده فعال شده قلیایی نسبت مقدار محلول حاصل از ترکیب به مقدار سرباره مصرفی در این بتن است. به نحوی که صورت این نسبت مقدار وزنی محلول قلیایی فارغ از غلطت مولار و نسبت مواد تشکیل دهنده آن به یکدیگر است.
درباره این نسبت بیشتر در حوزه کارایی بتن بحث گردیده است اما تغییر مقدار آن بر مقاومت فشاری بتن فعال شده قلیایی نه به اندازه نسبت آب به مواد چسباننده اما در نوع خود تاثیر گذار است. - اصل مقاله - نکته حائز اهمیت در بتنهای سربارهای فعل شده قلیایی این پارامتر دارای مقدار بهینه است. افزایش مقدار محلول فعال کننده با ثایت بودن مقدار سرباره باعث افزایش روانی بتن وکاهش بیش از اندازه آن نیز باعث افت شدید روانی و کارایی میگردد.
