مواد جایگزین سیمان در بتن با کارایی بالا

آزمایشگاه صبا, مشاور تخصصی بتن
1404/06/08

امروزه بتن با مقاومت و عملکرد بالا به طور گسترده ای در سراسر جهان مورد استفاده قرار می‌گیرد و برای تولید آنها، کاهش نسبت آب به سیمان و افزایش مواد چسباننده ضروری است. از روان کننده‌ها در این بتن‌ها برای دستیابی به کارایی لازم استفاده می شود. علاوه بر این از آن جا که نفوذپذیری و تخلخل کم در این بتن ها بسیار با اهمیت است، انواع مختلفی از مواد جایگزین سیمان معمولاً به آنها اضافه می شود. دوده سیلیسی یکی از محبوبترین پوزولان ها است که افزودن آن به مخلوط های بتنی منجر به تخلخل، نفوذپذیری و آب انداختن کمتری می شود، زیرا اکسیدهای آنها (SiO2) با هیدروکسیدهای کلسیم، که در اثر هیدراتاسیون سیمان پرتلند معمولی تولید می شود واکنش نشان داده و مصرف می شوند. ثمرات اصلی واکنش های پوزولانی عبارت اند از: آزادسازی حرارت کمتر و افزایش مقاومت، فعالیت مصرف آهک، توزیع منافذ با اندازه کوچکتر.

شکل: پودر سمت راست: سرباره کوره آهن گدازی / پودر سمت چپ: میکروسیلیس

در بتن با کارایی بالا که شامل مواد با کیفیت و گران قیمت است، ترک خوردگی بیشترین نگرانی را برای
طراحان ایجاد می‌کند زیرا مواد مضر می‌توانند به راحتی از آنها به بتن نفوذ کرده و شروع به تخریب آن کنند و
همچنین باعث خوردگی آرماتورها می‌شوند. برخی از این ترک‌ها مربوط به خشک شدن و جمع شدن خودکار بتن
است بنابراین، برای بهبود دوام بتن با مقاومت بالا، باید به جمع شدگی خودکار و خشک شدگی آن پرداخته شود و
برای به حداقل رساندن آنها، کار لازم در مورد طراحی اختلاط آن انجام شود. شایان ذکر است که انقباض خودکار
بتن به دلیل واکنش‌های شیمیایی هنگام هیدراتاسیون مواد سیمانی است. با این وجود، جمع شدگی خشک شدن
در نتیجه حرکت رطوبت از بتن به محیط رخ می دهد.

بتن با کارایی بالا باید در سنین اولیه کنترل شود. به عنوان مثال، بتن تازه ممکن است آب انداخته یا
سنگدانه‌های درشت از خمیر جدا شوند. همچنین تغییرات حجم آن در این سن بسیار مهم است. البته قبل از
سخت شدگی اولیه، بتن دارای خصوصیات پلاستیکی است و دارای ظرفیت کشش بالا است. در نتیجه، احتمال
ترک خوردگی در آن کم است. با این حال، جمع شدگی در این سن ممکن است مرز انتقال بین سنگدانه‌ها و خمیر
را تضعیف کند، بنابراین ممکن است در آینده ترک خوردگی ناشی از جمع شدگی افزایش یابد.

واکنش پوزولان ها

طبق تعریف، پوزولان “ماده ای سیلیسی یا سیلیسی و آلومینیومی است که با هیدروکسید کلسیم (آهک)
واکنش شیمیایی داده و ترکیباتی با خاصیت سیمانی ایجاد میکند.” در تمدنهای اولیه، پوزولانهای طبیعی را
با آهک مخلوط میکردند و سیمانهای هیدرولیکی تولید میکردند در حالی که امروزه از پوزولانهای طبیعی یا
مصنوعی معمولاً همراه با سیمان پرتلند استفاده میشود. هیدراتاسیون ترکیبات سیلیکات کلسیم، 𝐶3S(یا آلیت)
و 𝐶2S(یا بلیت)، در سیمان پرتلند، از طریق واکنش های نشان داده شده توسط معادلات زیر
هیدروکسید کلسیم فراوانی تولید می کند.

ترکیب ژل سیلیکات کلسیم که از هیدراتاسیون آلیت و بلیت تشکیل می شود متفاوت است. نسبت اتمی کلسیم به سیلیکون معمولاً بیشتر از مقدار 0.5است که توسط 𝐶3𝑆2𝐻8نشان داده می شود و ممکن است تا 2 یا بیشتر متفاوت باشد. به دلیل ترکیب متغیر، این فاز اغلب به سادگی هیدرات سیلیکات کلسیم یا C-S-Hنامیده می شود. سیمان پرتلند هیدراته شده C-S-H و CH حاوی فازهای آلومینوفریت است که توسط هیدراتاسیون سایر ترکیبات کلینکر سیمان پرتلند، 𝐶3Aو 𝐶4AF،در حضور گچ، CS𝐻2تولید می شود. واکنش هیدروکسید کلسیم (CH) با سیلیس (S)یک پوزولان را می توان با معادله زیر نشان داد.

فعالیت پوزولانی یک ماده توانایی آن ماده را در واکنش با هیدروکسید کلسیم تعریف می کند. دو مولفه در این واکنش وجود دارد، اولین عامل مقدار کل CHاست که ماده می تواند با آن ترکیب شود و دیگری سرعت بروز واکنش با CH است. ماساتزا اظهار داشت که توافق کلی وجود دارد که مقدار کل CH که پوزولان می تواند با آن ترکیب شود به عوامل زیر بستگی دارد:

ماهیت مراحل واکنش در پوزولان
محتوای این مراحل
محتوای SiO2 این مراحل
نسبت کلسیم هیدروکسید به پوزولان مخلوط
مدت زمان عمل آوری

از طرف دیگر ، میزان واکنش با CHبه موارد زیر بستگی دارد:

سطح خاص پوزولان
نسبت آب به جامد مخلوط
درجه حرارت

در سال 1993کشتاچ و همکاران دست یافتند وقتی پوزولان‌ها با سیمان پرتلند مخلوط شوند، میزان واکنش
نیز به ترکیب سیمان پرتلند، به ویژه محتوای قلیایی آن بستگی دارد. شکل زیر داده های مطالعات مختلف را
نشان می‌دهد که محتوای CHخمیر یا ملات را با مقادیر مختلف پوزولان اندازه گیری کرده اند و تفاوت فعالیت
پوزولانی بین پوزولان را نشان می‌دهد. به نظر میرسد پوزولانی با بیشترین فعالیت در بین موارد نشان داده شده
در شکل زیر یک متاکائولین با واکنش بالا است که از خاک رس چینی با خلوص بالا از انگلستان تولید می شود. میزان جایگزینی فقط 20% متاکائولین برای مصرف کل CH تولیدی سیمان پرتلند در مدت زمان فقط 28 روز کافی است. دوده سیلیسی نیز سریع واکنش نشان می‌دهد اما به نظر میرسد که با CH کمتری ترکیب شده و برای مصرف کل CHبه سطح جایگزینی 30% نیاز است.

بهاتی (1986) نشان داد خاکستر بادی یک پوزولان بسیار کندتر است و مصرف CHقابل توجهی بعد از 28 روز مشاهده نمی شود. در حقیقت، در این حالت استفاده از خاکستر بادی 20%در واقع منجر به افزایش بسیار ناچیز مقدار CH تولید شده توسط سیمان پرتلند در 28 روز به دلیل تسریع هیدراتاسیون آلیت می شود تیلور، (1997) پس از 180روز، خاکستر بادی به میزان قابل توجهی CHمصرف می کند. در شکل زیر داده های یک مطالعه متفاوت با خاکستر بادی نشان داده شده است، که مصرف بسیار قابل توجه CHرا در خمیرهای خاکستر بادی بالغ ( 14ساله) نشان می دهد.