تحقیق تعریف پوزولان و کارایی آن در سازه های بتنی

مقدمه

پوزولان یک ماده افزودنی به کلینکر سیمان است که اگر نوع مرغوب آن تحت کنترل دقیق و نمونه برداری‌های صحیح و مکرر و آزمایش‌های مداوم به کلینکر مرغوب و با کیفیت بالا افزوده شود در افزایش کیفیت سیمان و بتن حاصل از آن بسیار مؤثر است و خواصی را در بتن ایجاد می‌کند که بتن حاصل از سیمان بدون افزودنی فاقد آن خواص خواهد بود.

در گزارشات مستند و مطالعات دقیق علمی این نکته محرز گردیده که یک پوزولان خوب می‌تواند علاوه بر افزایش مقاومت شیمیایی بتن ، عیوبی را که در اثر مصرف سیمان معمولی در بتن رخ می‌دهد مرتفع گرداند و با توجه به تنوع آب و خاک در مناطق مختلف استفاده از این نوع سیمان در برخی مناطق یک ضرورت اجتناب‌ناپذیر است، اما متأسفانه به دلیل استفاده از پوزولان‌های نامرغوب و یا کلینکرهای فاقد کیفیت لازم جهت تولید سیمان پوزولانی و افزایش بدون برنامه و کنترل‌های دقیق پوزولان به کلینکر سیمان و در نتیجه تولید سیمان‌ های پوزولانی فاقد کیفیت لازم توسط برخی تولید‌کنندگان ، عموماً این تصور وجود دارد که افزودن پوزولان به سیمان تنها به‌عنوان راه‌حلی جهت افزایش تولید سیمان و نیز کاهش هزینه‌های تولید و انرژی می‌باشد. در این راستا تولیدکننده منتفع و مصرف کننده متضرر خواهد بود. نوشتار زیر اختصاراً به تعریف، خصوصیات و ویژگی‌ها، روش‌های تست و مزایای استفاده از این ماده می‌پردازد.

تعریف پوزولان:

پوزولانی که در صنایع سیمان و به‌عنوان یک افزودنی به کلینکر سیمان مطرح است عبارت است از یک ماده طبیعی یا مصنوعی که شامل سیلیس و یا سیلیس و آلومینای پخته شده می‌باشد. چنانچه این سیلیس و آلومینای پخته شده در هنگام سرد شدن بسیار سریع سرد شده باشند و فرصت کریستالیزه شدن (بلوری شدن) را نیافته باشند و به شکل غیر کریستالی و غیر بلوری و در حقیقت بدون شکل (آمورف) و دارای فاز شیشه‌ای باشند پتانسیلی در آن ها ذخیره می‌باشد که این پتانسیل می‌تواند بوسیله محرکی مثل ئیدروکسید کلسیم فعال شود و تشکیل فازی را دهد که دارای خاصیت چسبندگی و سیمانی (هیدرولیکی) است. این نوع پوزولان که دارای سیلیس و آلومینای آمورف و غیر بلوری است، پوزولانی است که می‌تواند به‌عنوان افزودنی به کلینکر سیمان افزوده شود و خواص مطلوبی را در آن ایجاد نماید.

پوزولان‌ها به دو دسته کلی مصنوعی و طبیعی تقسیم می‌شوند. منشاء اصلی پوزولان‌های طبیعی آتشفشان‌ها می‌باشند (البته پوزولان‌های طبیعی علاوه بر آتشفشان‌ها منشاء دیگری دارند که رسوبات دریایی حاوی اسکلت دیاتومه‌ها و جانداران دریایی می‌باشد که در اینجا مورد نظر نمی‌باشد) در هنگام آتشفشان‌ها، خصوصاً آتشفشان‌های انفجاری مقادیر عظیمی از مواد مذاب (ماگما) از دهانه آتشفشان به بیرون پرتاب می‌شود. همین شدت پرتاب مواد مذاب باعث تبدیل آن ها به ذرات ریزتر و در نتیجه تبادل حرارتی بهتر با هوای محیط و سرد شدن سریع‌تر آن ها می‌گردد. در نتیجه عمدتاً بدون فرم کریستالی و آمورف هستند، معمولاً آتشفشان‌های غیر انفجاری یا اعماق توده‌های مذاب که آهسته سرد شده‌اند عمدتاً بلوری و کریستالیزه شده هستند و فاز شیشه‌ای آن ها کم است و یا اصلاً فاقد فاز شیشه‌ای و آمورف می‌باشند که از این جهت مناسب برای افزوده شدن به کلینکر سیمان نیستند.

منشاء پوزولان‌های مصنوعی عمدتاً روباره‌های کوره‌های ذوب فلزات و ضایعات و تولیدات فرعی برخی صنایع نظیر خاکستر بادی حاصل از سوختن ذغال سنگ در نیروگاه‌ها می‌باشد. بنابراین پوزولان به تنهایی فاقد خاصیت سیمانی و چسبندگی است و به هیچ‌وجه یک اتصال‌دهنده هیدرولیکی محسوب نمی‌شود و تنها پودر نوع غیر کریستالی و غیر بلوری آن که شامل سیلیس و آلومینای شیشه‌ای و آمورف است در حضور رطوبت و دمای محیط با ئیدروکسید کلسیم ترکیب می‌شود و فاز جدیدی به نام هیدروسیلیکات کلسیم آلومینی CaO,Al2O3, 5SiO2,5H2O  ایجاد می‌کند که خاصیت سیمانی و هیدرولیکی دارد.

ویژگی‌ها و کنترل‌های لازم و تست‌های ارزیابی پوزولان‌ها:

یک پوزولان مناسب باید بیش از 25 درصد سیلیس فعال داشته باشد و نسبت فاز آمورف و غیر بلوری آن به فاز بلوری و کریستالیزه شده آن بیشتر باشد. در واقع همانطور که قبلاً اشاره شد، پودر مواد سیلیسی و آلومینای غیر بلوری موجود در پوزولان است که با ئیدروکسید کلسیم ناشی از آبگیری سیمان خاصیت هیدرولیکی ایجاد می‌کند. پودر فازهای کریستالیزه شده و بلوری مانند دانه‌های شن و ماسه عمل می‌کنند و خاصیت هیدرولیکی نداشته و خنثی و یا بعضاً مزاحم می‌باشند. علاوه بر خصوصیت پوزولان مناسب از دیدگاه کانی شناسی و کریستالوگرافی، پوزولان مناسب باید در محدوده تعیین شده زیر نظر ترکیب شیمیایی قرار گیرد.

بر اساس استاندارد C618-78. ASTM، حداقل مقدار اکسیدهای سیلیس ، آلومینیم و آهن پوزولان بایستی 70 درصد باشد . حداقل تری اکسید گوگرد (SO3) آن 5 درصد و حداکثر پرت آن در اثر سرخ شدن 12 درصد و حداکثر مقدار قلیایی آن باید بر حسب اکسید سدیم (Na2O) 1/5 درصد باشد.

مقررات ASTM همچنین تأکید بر تهیه یک نمونه 4 کیلوگرمی از هر چهار صد تن پوزولان مصرفی دارد که از این نمونه آزمایشات لازم به عمل آید. زیرا همانطور که گفته شد چگونگی سرد شدن توده‌های مذاب آتشفشانی در کیفیت کانه آرایی پوزولان نقش دارد. این خاصیت پوزولانی بسیار مؤثر بوده و لازم است توده‌های پوزولانی به صورت فراگیر مورد نمونه برداری‌ها و آزمایشات دقیق قرار گیرند. زیرا نمونه برداری‌های سطحی و موردی توده‌ های پوزولانی و آزمایش آن ها چه بسا گمراه‌کننده خواهد بود. در واقع کنترل یکنواختی پوزولان مصرفی ضروری‌ترین ابزار لازم برای تولید سیمان پوزولانی است که در صورت مهیا نبودن این ابزار (به‌علت عواقب بد و زیانباری که تولید سیمان پوزولانی بدون این ابزار متوجه مصرف کننده و اعتبار تولید‌کننده خواهد کرد) صلاح بر تولید نکردن سیمان پوزولانی است.

شاید به همین دلیل است که با وجود آن که مصرف پوزولان کاهش هزینه‌های تولید را برای تولید‌کننده در بر دارد و نیز از نظر خواصی که در بتن حاصله ایجاد می‌نماید برای مصرف‌کننده خالی از صرفه نیست، برخی کارخانجات از تولید آن صرف نظر کرده‌اند.

تست‌های ارزیابی پوزولان:

 -1اندازه‌گیری میزان جذب CaO  توسط پوزولان: 

این آزمایش یک روش شیمیایی برای اندازه‌گیری فعالیت پوزولان محسوب می‌شود که در آن توانایی پوزولان برای واکنش دادن با CaO سنجیده می‌شود که در آن نمونه پودر شده پوزولان داخل محلول اشباع آب آهک ریخته می‌شود و طی مدت آزمایش (معمولاً دو روز) به‌طور مداوم هم زده می‌شود. سپس میزان آهکی که جذب نمونه پوزولان شده اندازه گیری می‌شود. یک پوزولان قابل قبول بایستی به ازاء هر گرم نمونه پوزولان حداقل 20 میلی‌گرم اکسید کلسیم (CaO) جذب نماید.

 -2اندازه‌گیری باقیمانده نامحلول (پس از حل کردن در اسید و قلیا): 

در این روش به‌طور غیرمستقیم فعالیت پوزولان معین می‌گردد، باقیمانده نامحلول نشانگر جزء غیر فعال (فازهای بلوری و کریستالیزه شده سیلیس و آلومینا) پوزولان است که حداکثر مقدار قابل قبول آن چهل درصد وزنی می‌باشد.

 -3اندازه‌گیری اندیس هیدرولیک:  

در این روش فعالیت مکانیکی پوزولان تست می‌شود که در آن مقاومت 28 روزه سیمان پوزولانی با مقاومت 28 روزه همان نمونه سیمان که بجای پوزولان به همان میزان پوزولان یک افزودنی کاملاً غیرفعال مثل کوارتز و نیز مقاومت 28 روزه همان سیمان بدون هیچ‌گونه افزودنی سنجیده می‌شود. اندیس هیدرولیک صفر نشان‌دهنده این است که افزودنی به سیمان هیچ‌گونه خاصیت هیدرولیکی ندارد و اندیس هیدرولیکی صد در صد نشان‌دهنده این است که ماده افزودنی از نظر خاصیت هیدرولیکی مثل سیمان عمل می‌کند و با سیمان یکسان است . یک پوزولان قابل قبول و مجاز برای افزوده شدن به کلینکر سیمان باید حداقل اندیس هیدرولیکی 25% را داشته باشد. اندیس هیدرولیک از راه زیر قابل محاسبه است:

(HI *100)=(Cp - Cq) / (C - Cq)

که در آن:

 : HI اندیس هیدرولیک

 : CP مقاومت فشاری 28 روزه ملات ISo مخلوط 30%افزودنی (پوزولان) و 70% سیمان پرتلند شاهد

 : Cq مقاومت فشاری 28 روزه ملات ISo مخلوط 30% افزودنی خنثی (کوارتز) و 70% سیمان پرتلند شاهد

: C   مقاومت فشاری 28 روزه ملات ISo  سیمان پرتلند شاهد (خالص)