بخشی از مقاله
چکیده
این مقاله شامل خصوصیات مواد خامی است که در چهار طرح اختلاط برای بتن خودمتراکم - SCC - استفاده شده است و مطالعات پیرامون وضعیت آنها شامل مقاومت فشاری، آنالیز ترمیک، پدیده های انتقال و نفوذ یون کلرید تحت شرایط غوطه وری و سیکل تر و خشک شدن انجام گرفته است. بتن با کلاس مقاومتی 40 مگاپاسکال حاوی سیمان پرتلند و پودر سنگ آهک به عنوان بتن شاهد در نظر گرفته شده است.
در طرح اختلاط دوم جایگزینی کامل ماسه بادی به جای پودر سنگ آهک به عنوان فیلر می باشد و در نهایت دو فرمولاسیون دیگر به ترتیب ده و پانزده درصد از سیمان با متاکائولن جایگزین شده است. نتایج نشان می دهد بتن خود متراکم - SCC - به همراه متاکائولن در برابر نفوذ یون کلر مقاومت بیشتری را در شرایط مختلف از خود نشان میدهد. همچنین پیشرفت افزایش مقاومت فشاری در هنگام استفاده از بتن حاوی ماسه بادی حاصل می گردد.
این روند افزایش تا سن 90 روز همواره صدق می کند ولی بعد از آن روند افزایش مقاومت فشاری در بتن حاوی پودر سنگ آهک بیشتر به چشم می خورد. در این پژوهش، مخلوط های حاوی متاکائولن دارای مقاومت فشاری نزدیک و یا بشتر نسبت به بتن شاهد در سنین جوان و دوره های طولانی از نگهداری می باشند. براساس نتایج به دست آمده از این تحقیق، جایگزینی جزیی 15% سیمان پرتلند توسط متاکائولن در بتن خودتراکم در کلیه کاراکترهای مورد بررسی در این پژوهش بسیار جوابگو در تحقیقات آتی می باشد.
.1 مقدمه
به طور کلی بتن اغلب به عنوان یکی از مصالحی که به صورت گسترده بعد از آب استفاده می گردد به شمار می آید. در سازه های بتنی جهت بدست آوردن مقاومت لازم و کاهش تخلخل، همچنین بیرون آوردن هوای درون بتن در حین بتن ریزی و به طور قطع افزایش قابلیت اطمینان، بتن را ویبره می زنند. در اغلب اوقات انجام ویبراسیون با دقت لازم صورت نمی گیرد و لذا خواص مکانیکی مورد نیاز برای بتن تحقق نمی یابد. با پیشرفت سازه های بتنی و صنایع بتن پیش ساخته و همچنین به دلیل کمبود کارگرهای ماهر مفهوم بتن خود تراکم برای اولین بار توسط okamura and ouchi در ژاپن ارائه گردید.
بتن خود تراکم تحت وزن خود می تواند حرکت نماید. علاوه بر این، تحکیم آن نیازمند ویبراسیون در طی بتن ریزی نمی باشد. بتن خود تراکم با ویژگی های مخصوصش می تواند دوام و پایداری سازه های بتن مسلح را افزایش دهد. یک بتن با دوام می بایست با حفظ شکل اولیه، علاوه بر کیفیت و آسانی اجرا، مسائل محیط زیستی را نیز جوابگو باشد. از آنجائیکه حرکت سیال های مخرب از محیط زیست به درون بتن علت اصلی اغلب خرابی ها در بتن می باشند، لذا عمر زنده المان های بتنی مسلح و نفوذپذیری دو فاکتور موثر در دوام به شمار می آیند.
به منظور درک صحیح از عمر زنده تحت اثر تنش های مکانیکی و محیط زیستی مصالح، لازم است که دانش کافی نسبت به خواص مصالح و به خصوص پدیده های انتقال را داشت. در این راستا فرآیند های مختلف انتقال مواد مضر به درون بتن بیشتر به صورت انتشار - دیفوژن - ، جذب و نفوذ به عنوان تابعی از نیروی محرکه این فرآیند و همچنین ماهیت مصالح انتقال یافته شده شناخته می گردند. نقش مواد افزودنی معدنی بر روی فعالیت مواد سیمانی اصولا ناشی از دو اثر فیزیکی - شیمیایی و میکرو استراکچر می باشد.
بر حسب نظریه Anissa Bessa، اثر شیمیایی باعث بهبود چسبندگی ماتریس سیمانی با کاهش حجم هیدرات ها می گردد. به طور کلی مقاومت فشاری با استفاده از افزودنی های پوزولانی افزایش می یابد - Ahmadi . - et al , 2014. Najimi, Sadrmomtazi et al , 2017 زیرا پوزولان با پورتلاندیت ناشی از هیدراتاسیون سیمان واکنش داده و محصولات هیدراته جدیدی را که می توانند در افزایش مقاومت فشاری مثمر به مثمر باشند را تولید می نماید.
همچنین در ماتریس سیمانی، ظهور تعداد زیادی از میکروذرات در اطراف دانه های سیمان امکان تولید فرآورده های هیدراته و افزایش پیچیدگی میکرواستراکچر به همراه افزایش چسبندگی را محتمل می کند. بنابراین از نظر مکانیکی، اثر چسبندگی افزودنی های معدنی یک نقش ساختاری در ماتریس سیمانی ایفا می کنند. که این مسئله باعث یک نقش کمیتی در کاهش تخلخل می گردد.
از لحاظ نقطه نظر دوامی، این اثر ساختاری به منظور مقاومت بهتر در مواجعه با عوامل مخرب شیمیایی تعبیر می گردد. استفاده فیلرها در یک طرح اختلاط بتن باعث افزایش مقاومت مکانیکی در سنین جوان می شود، ذرات ریز فیلر وقتی که توسط فوق روان کننده به خوبی از هم جدا می شوند، هیدراتاسیون سیمان به طور اخص از لحاظ اثر فیزیکی افزایش می یابد که منجر به متراکم شدن ماتریس مصالح سیمانی می گردد. این اثرات یک تأثیر قابل توجهی بر روی مقاومت مکانیکی در سن 28 روز را دارند که کم کم با افزایش سن بتن این اثر کمرنگ تر می گردد . - Assié, 2004 - قابل ذکر است که فیلرها می توانند به صورت های خنثی، اکتیو و یا حتی پوزولانی باشند.
پوزولان ها کارایی بتن را با واکنش با کربن - C - و هیدروژن - H - جهت شکل گیری ژل سیلیکات کلسیم هیدراته ثانویه افزایش می دهند. همراه با سایر مصالح سیمانی نظیر دوده سیلیس، سرباره کوره ذوب آهن و خاکستر بادی که به صورت متداول در تولید بتن استفاده می شوند، متاکائولن نیز یکی از مصالحی هست که اخراًی در صنعت ساخت و ساز بتن مورد استفاده قرار می گیرد.
متاکائولن خالص از سال 1990 به صورت موفقیت آمیز به عنوان یک افزودنی سیمانی در بتن استفاده می شود. وقتی که کائولن بین 900-700 درجه سانتیگراد گرم می شود، کائولن کلسینه می شود و سپس هنگامیکه بیش از %14 از آب هیدروکسیل آن از دست رفت تبدیل به متاکائولن می شود. متاکائولن با هیدروکسید کلسیم شکل گرفته در طی هیدراتاسیون سیمان پرتلند واکنش می دهد که منجر به محصولات سیمانی جدید می گردد.که این روند باعث تغییر در ساختار بتن از لحاظ بهبود خواص مکانیکی و دوامی خواهد بود. در واقع متاکائولن رفتار بتن را از دو طریق بهبود می بخشد:
- از طریق اثر پرکنندگی: ذرات ریز متاکائولن درون فضاهای خالی بین سنگدانه ها و سیمان را پر می کند. این اثر خواص فاز خمیری را تغییر می دهد و همچنین امکان بدست آوردن یک ترکیب بسیار فشرده را فراهم می آورد.
- تسریع سرعت هیدراتاسیون: مقدا زیادی از هیدراتها برای یک دوره ثابت هیدراتاسیون افزایش می یابد. بدین صورت، حفره ها به طور تدریجی پر می شوند. همواره کاربرد متاکائولن به طور قابل ملاحظه ای مشهود است که باعث مهذب کردن حفره ساختارهای بتن و کاهش هیدروکسید کلسیم می گردد. کیم و همکاران در سال 2007 نشان دادند که مقاومت در برابر نفوذ یون کلر به طور قابل ملاحظه ای با افزایش درصد دوده سیلیس و متاکائولن افزایش می یابد.
[Kim H.S et al, 2007] نتایج Ganesan et Kannan, 2014 نشان می دهد که جایگزینی %30 متاکائولن به جای سیمان منجر به بهبود %26 مقاومت فشاری، %98.1 کاهش در بار کلی عبوری از RCPT و کاهش %38.76 نفوذپذیری در برابر آب می گردد. در حال حاضر، اطلاعات و داده های بسیار اندی در بیبلیوگرافی راجع به تأثیر متاکائولن و ماسه بادی در دوام بتن خود تراکم وجود دارد.
بنابراین پژوهش راجع به خصوصیات بتن های خود تراکم حاوی متاکائولن یا ماسه بادی بسیار سودمند می باشد و یقناًی مستلزم اطلاعات تکمیلی بیشتری می باشد. خواص پدیده های انتقال که در این پژوهش مورد بررسی قرار گرفته است عبارتند از: تهاجم یون کلر، نفوذ آب، جذب موئینگی و مقاومت الکتریکی. با این وجود یک کمبود در بیبلیوگرافی در مورد تأثیر ماسه بادی بر روی خواص پدیده های انتقال در بتن خود تراکم وجود دارد.
همچنین بر روی کاراکتریزه کردن میکرواستراکچر و آنالیز ترمیک متاکائولن و علاوه بر آن عملکردش بر روی شرایط غیر اشباع همچون زون جزر و مد در محیط های دریایی این کمبود به مراتب مشهود می باشد . این مقاله بر روی مقایسه تأثیرات %10 , %15 جایگزینی متاکائولن به جای سیمان و جایگزینی کلی ماسه بادی به جای پودر سنگ بر روی رفتار رئولوژیکی، مقاومت فشاری و پدیده های انتقال بتن خود تراکم در سنین جوان تا سن 180 روز می پردازد. تأثیر بر روی مقاومت نفوذ کلر در هر دو شرایط غوطه وری و جزر و مد همچنین مورد بررسی قرار گرفت .
برای این منظور، در ابتدا ترکیبات معدنی و شیمیایی از طریق بررسی میکرواستراکچر مصالح استفاده شده مورد مطالعه قرار گرفت. سپس آزمایشاتی بر روی فاز خمیری بتن خودتراکم و متعاقباً آزمایشات مکانیکی بر روی وضعیت بتن سفت شده جهت ارزیابی مقاومت فشاری کلیه نمونه ها صورت گرفت. آزمایشات مربوط به پدیده های انتقال همچنین در سنین مختلف به منظور ارزیابی خواص دوام در راستای زمان انجام شد. در پایان، مقاومت در برابر نفوذ یون کلر برای طرح اختلاطهای مختلف در شرایط غوطه وری و جزر و مدی مورد ارزیابی قرار گرفت.
.2 برنامه آزمایشگاهی
.2.1 مصالح و طرح اختلاط
از سیمان پرتلند تیپ II به مقدار 350 kg/m3 و نسبت ثابت آب به مواد سیمانی - W/Cm - برابر با 0.4 و نسبت شن به ماسه - G/S - برابر با 1 جهت آماده سازی چهار مخلوط بتنی در این پژوهش استفاده شده است. در کلیه طرح اختلاط ها از پودر سنگ آهک استفاده شده است. ولی در طرح اختلاط با نام اختصاری SSCS به جای پودر سنگ آهک از ماسه بادی استفاده شده است. همچنین در دو طرح دیگر به نامهای SCCM15 و SCCM10 از متاکائولن به مقدار %10 و %15 به ترتیب به صورت جایگزین جزئی به جای سیمان استفاده شده است.
قابل ذکر است که بتن شاهد بدون هیچ گونه افزودنی می باشد و فقط بر پایه پودرسنگ آهک می باشد با نام اختصاری SCCL در این پژوهش آورده شده است. سیمان پرتلند با وزن مخصوص 3.15 g/cm3 و نرمی بلین برابر 2900 cm2/g مطابق با استاندارد ASTM C150 2009 استفاده شده است. متاکائولن استفاده شده در این پژوهش دارای سطح مخصوص برابر با 3920 cm2/g و وزن مخصوص برابر با 2.49 g/cm3 می باشد. آنالیز شیمیایی و نمودار توزیع دانه بندی مصالح سیمانی به ترتیب در جدول شماره 1 و شکل شماره 1 به ترتیب آورده شده است.
