افزودنی های معدنی

هر آنچه باید  از افزودنی های معدنی بدانید

کاهش انتشار گازهای گلخانه ای برای توسعه پایدار به ویژه دی اکسید کربن ضروری است. تولید سیمان پرتلند یک فرآیند بسیار پر انرژی است که به حدود چهار گیگا ژول انرژی در هر تن محصول نهایی نیاز دارد. موادی که انرژی کمتری به دنبال دارند، محصولات فرعی صنعتی هستند که به راحتی در دسترس هستند، نیاز به فرآوری حرارتی کمی دارند یا اصلاً نیاز ندارند و خواص سیمانی ذاتی یا نهفته دارند. کاهش محتوای سیمان در بتن به میزان 60-40 درصد به کاهش انتشار CO2 کمک می کند. بخشی از محتوای سیمان را می توان با خاکستر بادی و سایر مواد تکمیلی و مواد افزودنی کاهنده آب با برد بالا جایگزین کرد. استفاده از مواد معدنی افزودنی باعث بهبود واکنش پوزولانی، پر شدن ریزدانه ها و دوام بتن می شود. بررسی‌های طولانی مدت تأیید کرده‌اند که سیمان‌های حاوی سرباره و دوده سیلیس تغلیظ شده مقاومت بهتری در برابر تشکیل منافذ بزرگ رس سیمان یا سیستم‌های خمیر دوده سیمان-سیلیس ایجاد می‌کنند و در نتیجه باعث کاهش نفوذپذیری می‌شوند. مقاله حاضر گذشته، حال و آینده مورد انتظار را در زمینه بتن با مواد معدنی افزودنی با استفاده از سیمان کمتر آورده است. مطالعاتی در مورد دوام این بتن ها در شرایط مختلف محیطی انجام شده است. پارامترهایی مانند مقاومت فشاری، انقباض، اثرات کربناته شدن و حملات اسیدی اندازه گیری شده است.

صنعت ساخت و ساز باید در فرآیند دستیابی به توسعه پایدار به برخی از مسائل تبعی بپردازد زیرا منابع قابل توجهی را مصرف می کند و تأثیر قابل توجهی بر محیط زیست دارد. دی اکسید کربن محصول جانبی یک فرآیند تبدیل شیمیایی است که در تولید کلینکر، جزء سیمان، استفاده می شود که در آن سنگ آهک به آهک تبدیل می شود. CO2 همچنین در طی تولید سیمان از طریق احتراق سوخت فسیلی منتشر می شود و در جاهای دیگر به حساب می آید و ساخت یک تن سیمان تقریباً یک تن CO2 تولید می کند. علاوه بر این، ساخت سیمان پرتلند یک فرآیند بسیار پر انرژی است که به حدود چهار گیگا ژول انرژی در هر تن محصول نهایی نیاز دارد. یکی از مهمترین فعالیت های مورد تاکید مهندسین و دانشمندان مرتبط با صنعت بتن، درصد بالایی از جایگزینی کلینکر در سیمان با مواد اولیه ثانویه، با امکان بهبود خصوصیات سیمان و دوام بتن است. با این نوع رویکرد، مصرف مواد خام طبیعی، انرژی حرارتی و الکتریکی همراه با کاهش انتشار CO2 در حال کاهش است . مواد با انرژی کمتری که به دنبال آن هستند، محصولات فرعی صنعتی هستند که به راحتی در دسترس هستند، نیاز به فرآوری کم یا بدون نیاز به پیرو فرآوری دارند و خواص سیمانی ذاتی یا نهفته دارند و به عنوان مواد سیمانی مکمل یا افزودنی های معدنی نامیده می شوند. افزودنی های معدنی در مقادیر زیاد موجود است که می توان از آنها برای جایگزینی سیمان پرتلند در بتن استفاده کرد. اینها عبارتند از خاکستر بادی، سرباره گرانول کوره بلند، دود سیلیس، پوزولان های طبیعی، خاکستر پوسته برنج و متاکائولین. 

این افزودنی‌های معدنی در صورت استفاده در ترکیب با عوامل کاهنده آب با برد بالا می‌توانند منجر به بتن اقتصادی با کارایی بالا با دوام بیشتر شوند و با کاهش محتوای سیمان در مخلوط به کاهش انتشار CO2 کمک کنند. این افزودنی های معدنی به عنوان مواد چسبنده اضافی در سیمان اضافه می شوند و مزایای استفاده از این مواد از نظر کارایی به خوبی ثابت شده است. برخی مطالعات برای تعیین خواص مکانیکی، خواص حرارتی، مکانیسم‌های انتقال و تأثیر مواد افزودنی معدنی بر دوام بتن مخلوط انجام شده است. پروژه پیشنهادی در اینجا با هدف مطالعه تأثیر افزودنی‌های عظیم معدنی بر مقاومت، کارایی و نفوذپذیری بتن برای ارزیابی دوام آن است. اضافاتی مانند سرباره کوره بلند و خاکستر بادی دارای سینتیک هیدراتاسیون نسبتاً کندی هستند و در نتیجه گیرش زمانی و سخت شدن بتن را به تاخیر می اندازند. با این حال استحکام کوتاه مدت یک پارامتر اصلی مدیریت سایت های ساختمانی است. نتایج این مطالعه باید امکان ترویج استفاده در مقادیر زیاد مواد معدنی را به طور مستقیم در ساخت بتن و یا فقط به عنوان افزودنی در سیمان فراهم کند. از نقطه نظر اقتصادی، این به معنای توسعه محصولات جانبی صنعتی است. که با استانداردسازی بتن به نسبت بالا در اضافات می رسد. بتن های آزمایش شده در این کار حاوی حجم بالایی از مواد افزودنی معدنی هستند. اول از همه، برنامه آزمایشی با شرح مواد آزمایش شده و روش آزمایشی به تفصیل شرح داده شده است. سپس نتایج مربوط به آزمایش کربناتاسیون و حمله اسیدی ارائه شده و با بتن معمولی مقایسه می شود. 

ترکیبات و مواد را مخلوط می کند: دو مجموعه مخلوط همراه با یک مخلوط مرجع به نام Ref (VA/VC = 0)، با VA حجم افزوده‌ها و VC حجم سیمان تهیه شد. در مجموعه اول مخلوط، نسبت افزودن به حجم سیمان (VA/VC) Ref برابر با 0.8 استفاده شد و در مجموعه دوم، VA/VC به 0.4 کاهش یافت. حجم خمیر ثابت پرکننده سنگ آهک و خاکستر بادی برای هر مقدار VA/VC برای بررسی تأثیر انواع مختلف افزودنی استفاده شد. برای هر مخلوط، محتوای فوق روان کننده به منظور دستیابی به جریان اسلامپ بین 60 تا 80 سانتی متر و جلوگیری از جداسازی تنظیم شد که با استفاده از آزمون غربال کنترل شد. 

روش آزمایشی

مقاومت فشاری در روزهای 2، 7 و 28 بر روی استوانه‌های 11×22 سانتی‌متری، در اتاقی با دمای 20 درجه سانتی‌گراد و رطوبت نسبی 95 درصد (RH) تعیین شد. مدول الاستیک در 28 روز از آزمایش‌های فشاری روی همان سیلندرها، بارگذاری شده در 30 درصد مقدار پیک تعیین شد. انقباض آزاد بر روی منشورهای بتنی 7×7×28.4 سانتی‌متر، در دمای 20 درجه سانتی‌گراد و رطوبت نسبی 95 درصد در طول 24 ساعت پس از اختلاط تعیین شد. از سن 1 روزگی، انقباض کل (یعنی خشک کردن + خودزا) با استفاده از حسگرهای LVDT، در اتاقی با دمای 2±20 درجه سانتی گراد و رطوبت نسبی 5±50 درصد اندازه‌گیری شد. انقباض خودزا به همین روش، بر روی منشورهای مهر و موم شده با یک لایه دو لایه آلومینیومی چسب اندازه گیری شد. تست های انقباض محدود با کمک حلقه ها انجام شد. انقباض کلی یک حلقه بتنی (عرض = 7 سانتی متر، ضخامت = 7 سانتی متر) توسط یک حلقه فولادی (شعاع داخلی = 8.5 سانتی متر، شعاع بیرونی = 11 سانتی متر) مانع شد. یک بریدگی 2 سانتی متری روی حلقه فولادی قرار داده شد تا ترک خوردگی را تقویت کند. آزمایش برای تجزیه و تحلیل اثرات شستشو و حمله اسیدی بر بتن شامل غوطه وری نمونه بتن در طول حداقل 60 روز در محلولی است که در pH = 5 با استفاده از محلول اسید نیتریک (HNO3) با غلظت 0.5 مول در لیتر نگهداری می شود. محلول پس از مصرف 30 میلی لیتر اسید تجدید شد و غلظت یون های کلسیم برای نمونه های هر محلول آنالیز شد. مقدار اسید اضافه شده ارزش آنیون های هیدروکسید شسته شده (OH) را می دهد - اسید استفاده شده و یون های کلسیم انباشته حل شده با توجه به زمان به سینتیک شستشو دسترسی پیدا می کند. اندازه گیری بخش کربناته بتن پس از مرطوب کردن سطح نمونه بتن با ابعاد 7×7×28.4 سانتی متر و پاشش روی محلول فنل فتالئین انجام شد. محلول فنل فتالئین رابط بین منطقه سالم و منطقه کربناته را نشان می دهد. اندازه‌گیری‌ها مربوط به فواصل (بر حسب میلی‌متر) بین سطح خارجی بتن و سطح رنگ‌آمیزی است. آنها بر روی سطح رنگ آمیزی به جز در گوشه ها و جایی که سطح کربناته از یک ماتریس مصالح مشترک عبور می کند، انجام شد. سنگدانه های با D> 3 میلی متر اهمیت داده شد. پنج اندازه گیری برای هر صورت انجام شد. مقدار متناظر در نتایج، میانگین مقادیر میانگین چهار وجه است.

نتایج و تجزیه و تحلیل:

مقاومت فشاری بتن: استحکام فشاری زمانی که افزودنی جایگزین سیمان می شود کاهش می یابد، هر نوع افزودنی که پرکننده سنگ آهک یا خاکستر بادی باشد. این عمدتا به دلیل افزایش نسبت W/C با افزایش نرخ جایگزینی یعنی VA/VC است، زیرا حجم خمیر و محتوای آب ثابت می‌ماند. کاهش استحکام برای LF و FA یکسان نیست، چه چیزی تفاوت فعالیت شیمیایی بین این دو افزودنی را نشان می دهد. 
تاثیر مواد افزودنی معدنی بر انقباض بتن: در مورد پرکننده سنگ آهک، انقباض کل و انقباض خودزا با افزایش VA/VC کاهش می یابد. کاهش انقباض خودزا به دلیل افزایش W/C با VA/VC است. کاهش انقباض کل را می توان تا حدی با این کاهش در انقباض خودزا توضیح داد. علاوه بر این، به نظر می رسد که پرکننده سنگ آهک امکان کاهش انقباض خشک شدن را نیز فراهم می کند (زیرا کاهش انقباض کل بیشتر از کاهش انقباض خودزا است). این می تواند به این معنی باشد که استفاده از پرکننده سنگ آهک منجر به افزایش تراکم بسته بندی و سپس کاهش انتقال رطوبت می شود. کاهش انقباض خودزا به دلیل جایگزینی سیمان با خاکستر بادی به اندازه پرکننده سنگ آهک نیست (شکل 3). علاوه بر این، خاکستر بادی تا سن 50 روزگی تأثیر کمی بر انقباض کل (و غیره در انقباض خشک شدن) دارد. پس از این، منحنی های انقباض مخلوط های با و بدون خاکستر بادی از هم جدا می شوند. به نظر می رسد خاکستر بادی آزمایش شده بر انقباض طولانی مدت خشک شدن تأثیر می گذارد. افزایش VA/VC  (هم برای خاکستر بادی و هم برای پرکننده سنگ آهک) منجر به کاهش سن ترک خوردگی می شود. . بنابراین، می توان گفت که حساسیت به ترک با محتوای سیمان خمیر افزایش می یابد. برای یک نرخ جایگزینی معین، مخلوط‌های حاوی خاکستر بادی دیرتر از مخلوط‌های حاوی سنگ آهک ترک خوردند. این نتیجه ابتدا متناقض به نظر می رسد، زیرا انقباض (و بنابراین تنش کششی) برای مخلوط هایی با خاکستر بادی بیشتر از مخلوط هایی با سنگ آهک است. این بدان معناست که پدیده ترک دارای مقاومت در برابر ترک به اندازه تنش کششی ناشی از انقباض محدود است.

اثر کربناته شدن

در طول عمر بتن، CO2 از جو در منافذ بتن نفوذ می کند. این نفوذ زمانی که بتن متخلخل تر باشد سریعتر است. اما این گاز می تواند در آب باقی مانده در برخی از منافذ حل شود. سپس می تواند با سیمان واکنش داده و کربنات تشکیل دهد. این واکنش که کربناته نامیده می شود، pH بتن را به مقدار نزدیک به 9.5 کاهش می دهد. بنابراین کربناته شدن روی سطح بتن شروع می شود و مربوط به مقداری ضخامت (به نام عمق کربناته) این ماده است. از 24 ساعت پس از بچینگ، نمونه ها در دمای 20 درجه سانتی گراد و 50 درصد RH برای ارزیابی عمق کربناته (پس از 18 ماه) نگهداری شدند. نتایج اعماق کربناته شدن در شکل 6 نشان داده شده است. در مقایسه با بتن مرجع (VA/VC=0)، بتن حاوی مواد افزودنی معدنی مقاومت کمتری در برابر کربناته شدن نشان داد که احتمالاً به دلیل اثر غالب کاهش هیدروکسید کلسیم بر تصفیه منافذ است. این افت مقاومت در برابر کربناته شدن در هر نوع افزودنی مشاهده می شود، بنابراین فعالیت پوزولانی خاکستر بادی هیچ تاثیری نخواهد داشت.

حمله اسیدی

مقدار یون های هیدروکسید شسته شده از طریق حجم های اضافه شده محلول اسید نیتریک HNO3 و کلسیم شسته شده با تیتراسیون محلول ها ارزیابی شد. پارامترهای سینتیک لیچینگ را می توان از مقدار یون های شسته شده در مقابل منحنی های ریشه دوم زمان استنتاج کرد. حالت پایدار پس از یک روز در نظر گرفته شد. از آنجایی که سنگ‌دانه‌های سنگ آهک مورد استفاده قرار می‌گیرند، احتمالاً مورد حمله قرار می‌گیرند و عمق خوردگی را نمی‌توان از مقدار یون‌های شسته شده استنتاج کرد. پس از غوطه ور شدن، می توان عمق خورده شده را با استفاده از محلول فنل فتالئین اندازه گیری کرد. لایه ای که در اثر شستشو خورده می شود، برای سه مخلوط بتن بسیار نازک است. رابط مصالح سریعتر از رابط ماتریس به عقب کشیده شده است. تخریب ماتریس بتن با VA/VC = 0 به قدری نازک است که نمی توان آن را اندازه گیری کرد و لایه خورده VA/VC = 0.80FA نازک تر از لایه خورده VA/VC = 0.80LF است. رفتار بهتر بتن حاوی خاکستر بادی می تواند ناشی از ترکیبات شیمیایی باشد، زیرا خاکستر بادی عمدتاً از سیلیس تشکیل شده است، در حالی که پرکننده سنگ آهک عمدتاً از کلسیت CaCO3 تشکیل شده است که احتمالاً شسته می شود. همین آزمایش روی مخلوط‌های بتن ارتعاشی انجام شد که شامل سنگدانه‌های سیلیسی و سنگ‌دانه‌های سنگ آهک بود. عمق خوردگی دو مخلوط از سه مخلوط بتن خود تراکم (SCC) (VA/VC = 0 و VA/VC = 0.80FA) در محدوده مخلوط‌های بتن ارتعاشی است. نزدیکترین نسبت. مخلوط بتن VA/VC = 0.80LF خوردگی سریع تری را نشان می دهد. بنابراین تراکم خوب مخلوط‌های SCC، رفتار معادل بتن در معرض شستشو را تضمین می‌کند، مشروط بر اینکه ترکیب شیمیایی بایندر برای این مواجهه کافی باشد.

نتایج ارائه شده در این مقاله بخشی از یک مطالعه مداوم در مورد دوام بتن ساخته شده با استفاده از مواد افزودنی معدنی و در معرض محیط های تهاجمی شیمیایی است. حجم خمیر ثابت نگه داشته می شود و هدف ارزیابی عملکرد بتن های مختلف خود متراکم با استفاده از افزودنی های معدنی مانند خاکستر بادی و پرکننده سنگ آهک است. نتایج مقاومت فشاری نشان دهنده تفاوت مقاومت برای هر دو نوع افزودنی نسبت به بتن بدون هیچ گونه افزودنی است که ممکن است به دلیل فعال شدن دیرهنگام محتوای معدنی باشد. از این رو، عمل آوری کافی برای افزایش مقاومت بتن حاوی FA در برابر کربناتاسیون توصیه می شود. بتن حاوی نسبت های بالایی از خاکستر بادی و پرکننده سنگ آهک احتمالاً محتوای پورتلندیت کمتری دارد و می تواند نرخ کربناته بالاتری را نشان دهد. تا آنجا که به لیچینگ مربوط می شود، این آزمایش می تواند داده های مربوطه را ارائه دهد. ممکن است به عنوان نماینده در نظر گرفته شود، زیرا مکانیسم تخریب تغییر نکرده است. با در نظر گرفتن عدم قطعیت، ممکن است برخی از تفاوت های قابل توجه استنباط شود. سیمان و بایندرهای حاوی خاکستر بادی به دلیل ترکیب شیمیایی پرکننده، رفتار بهتری نسبت به بایندرهای حاوی پرکننده سنگ آهک نشان می‌دهند. SCC همان مقاومت بتن ارتعاشی را در برابر شسته شدن نشان می دهد، برای نسبت آب به چسب نزدیک. بنابراین، همانطور که برای سایر نوردهی ها اتفاق می افتد، دوام بتن در معرض شستشو به دو پارامتر اصلی بستگی دارد: تراکم و واکنش پذیری بایندر. این دو پارامتر ممکن است برای دستیابی به یک سطح عملکرد برای یک نوردهی متفاوت باشند، اما عمل آوری نیز باید در نظر گرفته شود تا دوام بتن برای برخی از نوردهی ها مانند کربناته شدن تضمین شود.