مترجم: حبیب الله علیخانی
منبع:راسخون
 

محصولات اتوکلاو شده

محصولات اتوکلاو شده به طور متداول بوسیله ی عمل آوری یک مخلوط از ماسه ی کوارتزی (به عنوان منبعی از سیلیس) به همراه کلسیم هیدروکسید و آب در داخل اتوکلاو تولید می شوند. دمای تولید بین 100 تا 200 درجه ی سانتیگراد، می باشد. این ممکن است که آهک را با استفاده از سیمان پرتلند جایگزین نمود. تحت این شرایط، فازهای کلسیم سیلیکات هیدراته حاوی مقادیر اندک اکسید کلسیم (مخصوصاً توبرموریت و زانوتیلیت) تشکیل می شود. این محصولات عامل اصلی استحکام بخشی محسوب می شوند. با استفاده از این روش، بلوک های متراکم از مخلوطی از مواد اولیه به همراه رطوبت تولید می شوند.
در اصل، ماسه ی کوارتزی به طور متداول به عنوان منبعی از سیلیس می تواند با سایر انواع مواد سیلیسی، جایگزین شود.
آزمایش های انجام شده نشاندهنده ی این است که امکان جایگزین کردن بخش هایی از ماسه با استفاده از مخلوطی از خاکستر بستر سیال وجود دارد، بدون آنکه اثر منفی بر روی استحکام منتج شده، ایجاد شود. به منظور انجام این کار، خاکستر مورد استفاده باید حاوی مقادیری آهک ترکیبی و آهک آزاد باشد که این آهک می تواند در تشکیل فازهای هیدراته ی کلسیم سیلیکات، مشارکت کند. این فازها، عامل اصلی استحکام نهایی در این مواد می باشند. میزان آهک هیدراته ی اضافه شده در مخلوط اولیه، با توجه به این مسئله کاهش می یابد تا بدین صورت از ایجاد نسبت کلسیم اکسید به سیلیس بالا، جلوگیری شود. خاکسترهای بستر سیال دارای دانسیته ی پایین تری نسبت به کوارتز هستند و از این رو، فشار بیشتری برای ایجاد توده ای متراکم، مورد نیاز می باشد. بنابراین، باید انتظار داشت که دانسیته ی بالک، کاهش یابد و بدین صورت، احتمال افت استحکام با افزایش میزان خاکستر، وجود دارد. این مسئله در صورتی است که یک میزان فشار متراکم کننده ی ثابت در تولید محصول، استفاده شود. اگر یک خاکستر بستر سیال فشرده سازی شده با میزان اکسید کلسیم آزاد بسیار پایین، استفاده شود، ماده ممکن است در تولید محصولات اتوکلاو شده، استفاده شود بدون آنکه پیش عملیاتی بر روی نمونه ها (به غیر از آسیاب کاری) انجام شود. اگر بخش قابل توجهی از ماده ی اولیه از این ماده باشد و رژیم اتوکلاو نیز مطلوب باشد، توبرموریت با جایگزین های آلومینیوم به جای سیلیکون، ایجاد می شود که در حقیقت، محصول واکنش در اتوکلاو می باشد. به هر حال، استحکام بدست آمده به میزان فشرده سازی مواد اولیه، مربوط می باشد. کلسیم سولفات به عنوان عامل ایجاد کننده ی شبکه ی کریستالی در این مواد استفاده می شود. اگر یک فشار اتمسفری به جای فشار بالا در تولید استفاده شود، باید مواظب باشیم که ترک در بلوک های مواد اولیه در زمانی پیش از فشرده سازی، وجود نداشته باشد. یک چنین ترک هایی ممکن است به دلیل هیدراسیون کلسیم اکسید بوجود آید.
برای جلوگیری از ایجاد ترک در اتوکلاو، این ضروری است که خاکستر مرطوب را به مدت چند روز، در دمای اتاق، نگهداری کنیم تا بدین صورت، واکنش هیدراسیون کلسیم اکسید، کامل شود.
تحت این شرایط، کلسیم هیدروکسید تشکیل شده ممکن است همچنین واکنش دیگری (مشابه واکنش زیر) دهد و موجب تشکیل اتریانجیت شود:
خاکستر پیش عمل آوری شده، ممکن است سپس در فرایند اتوکلاو مورد استفاده قرار گیرد. در این حالت، هم دانسیته و هم قابلیت متراکم شوندگی آن، به دلیل تشکیل اتریانجیت کاهش یافته است.
در مورد اتوکلاو، فاز توبرموریت به عنوان محصول اصلی واکنش تشکیل می شود. این ماده یکی از عوامل استحکام بخشی اصلی است. در همین زمان، فاز اتریانجیتی که پیش از عمل آوری تشکیل می شود، میزان پایداری ترمودینامیکی خود را از دست می دهد و به مونوسولفات (فاز AFm) تبدیل می شود.
در ادامه فرایند، هیدروگارنت و انیدریت تشکیل می شوند:
وقتی واکنش ادامه می یابد، یک کسر قابل توجه از آب در داخل شبکه ی کریستالی اتریانجیت وارد می شود که در حقیقت در فرایند اتوکلاو، به آب مایع و آزاد تبدیل می شود. این مسئله موجب کاهش در دانسیته ی بالک و افزایش در تخلخل محصول نهایی می شود. با جایگزینی کامل ماسه ی کوارتزی بوسیله ی خاکستر بستر سیال اتمسفری، این ممکن است که بتوانیم آجرها آهک – سیلیسی با دانسیته ی بالا تولید کرد. شکل 1 نشاندهنده ی دانسیته های بالک و استحکام فشاری مربوط به این آمیزه ها می باشد. خواص این محصولات با افزایش میزان خاکستر و در فشار تولید یکسان، مورد بررسی قرار گرفته است. تحت این شرایط، اتریانجیت پایه در طی ذخیره سازی در دمای اتاق، تشکیل می شود. این اتریانجیت در طی اتوکلاو، تجزیه می شود.
سرعت تشکیل اتریانجیت در دمای اتاق از خاکسترهای PFBC و کلسیم هیدروکسید با استفاده از تفرق اشعه ی X قابل اندازه گیری می باشد. همانگونه که در شکل 2 مشاهده می شود، دو نسبت جرمی آب و فاز جامد مورد استفاده قرار گرفته است و بدین صورت وابستگی تبدیل به زمان، نشاندهنده ی تمایل مختلف از واکنش می باشد. تشکیل یک مقاومت نفوذی در منبع نزدیک به یون های سولفات نشاندهنده ی کاهش تبدیل می باشد. کریستالی شدن اتریانجیت در مقادیر آب بیشتر، مشهود تر است. با افزایش نسبت جرمی آب به فاز جامد، میزان تبدیل 76 % است. این میزان تبدیل پس از 40 ساعت، به 90 % می رسد. شکل 3 نشاندهنده ی ماکزیمم تبدیل ایجاد شده در زمان 4 ساعت می باشد.
میزان آب بر روی نرخ و مکانیزم فرایند هیدراسیون، مؤثر است. هر دو فرایند بوسیله ی جوانه زنی آهسته ی اتریانجیت در طی 4 ساعت اول، کنترل می شود. مقادیر آب بالاتر اثر مثبتی بر روی فرایند کریستالیزاسیون دارد. در مقایسه با زمانی که نسبت آب به جامد برابر 2 است، وقتی این نسبت برابر 0.5 باشد، کینتیک هیدراسیون بوسیله ی دو مرحله از تشکیل اتریانجیت، شاخص می باشد. عوامل جلوگیری کننده از این فرایند، با کمبود آب در ارتباط است. واکنش بعد از 12 ساعت هیدراسیون، شروع به آهسته شدن می کند (مرحله ی دو).
این به نظر می رسد که فاکتور محدود کننده میزان آلومینایی است که در خاکستر بادی موجود می باشد.
عدم قطعیت مربوطه، در واقع دوام طولانی مدت محصولات اتوکلاو شده ی تولیدی از خاکستر بستر سیال می باشد. این مورد به این دلیل است که این پتانسیل وجود دارد که تشکیل اتریانجیت جدید، به تأخیر افتد و یا عدم ناپایداری ابعادی ایجاد شود.
کلوخه های بتنی مصنوعی
در اصل، کلوخه های بتنی مصنوعی ممکن است از مواد ضایعاتی پودری شکل و با استفاده از چندین روش، تولید شوند:
تولید قرص از یک مخلوط از مواد ضایعاتی با بایندر غیر آلی و یا عمل آوری در دماهای معمولی
زینترینگ گرمایی پودر مواد ضایعاتی که به صورت قرص در آمده اند
فشرده سازی فشار بالای مخلوطی از مواد ضایعاتی و بایندرهای غیر آلی
از سه روش بیان شده در بالا، روش اول و دوم منجر به تولید محصولاتی متخلخل می شوند که تنها برای تولید بتن سبک مناسب است، در حالی که کلوخه های مصنوعی تولید شده با روش سوم، ممکن است دانسیته هایی داشته باشند که مشابه دانسیته ی سنگ طبیعی است.
در فرآوری خاکسترهای بستر سیالی که حاوی مقادیر قابل توجهی کلسیم سولفات هستند، زینترینگ گرمایی نمی تواند در نظر گرفته شود زیرا در دماهای مورد نیاز برای بدست آمدن استحکام مورد نظر، کسر قابل توجهی از کلسیم سولفات متحمل تجزیه ی گرمایی می شوند و بدین شکل، دی اکسید گوگرد آزاد می شود.
در تولید یک کلوخه ی صنعتی از یک مخلوط خاکستر به همراه بایندر غیر آلی، سیمان پرتلند به عنوان بایندر انتخاب می شود. به هر حال، برای جلوگیری از انبساط سولفاتی، میزان تری اکسید گوگرد در اگریگیت ها، نباید از 5 % بیشتر شود. بنابراین، این مسئله ضروری است که خاکستر بستر سیال به همراه یک محصول ضایعاتی حادی تری اکسید گوگرد کمتر، مخلوط شود.
برای تولید اگریگیت های سبک وزن، میزان سیمان پرتلند اضافه شده، باید بین 10 تا 25 % باشد. این مسئله در حقیقت به استحکام نهایی مورد نیاز وابسته می باشد. برای بدست آوردن خواص استحکام مناسب، موادی که به شکل قرص در آمده اند، باید با رطوبت و به مدت چند هفته پیش از استفاده، عمل آوری شوند. این مسئله موجب ایجاد سطح مناسبی از هیدراسیون در ماده می شود. دانسیته های بالک نمونه وار برای این محصولات، بین 1800 تا 1400 کیلوگرم بر متر مکعب می باشد.
برای تولید کلوخه های فشرده ی مورد استفاده در بتن، افزودن 10 تا 15 % سیمان پرتلند به مخلوط اولیه، مناسب می باشد. میزان آب مخلوط باید بین 10 تا 15 % باشد. همچنین یک فرایند پرس غلطکی، برای تولید این محصولات، مناسب است. فشار متراکم کننده باید بین 600 تا 1100 MPa باشد. برای حصول هیدراسیون کافی و بنابراین ایجاد یک استحکام مناسب، بریکت های تولید شده، باید برای چند هفته در زیر آب نگه داشته شوند یا بر روی آنها آب ریخته شود. با این کار، میزان مناسبی از هیدراسیون در توده ایجاد می شود. در این روش، یک کلوخه ی بتنی مصنوعی، ممکن است با دانسیته ی بین 2000 تا 2200 کیلوگرم بر متر مکعب حاصل شود که استحکام فشاری آن بالاتر از 100 MPa است. بریکت های تولید شده ممکن است خردایش یافته و برای تولید محصول نهایی مورد استفاده قرار گیرند.
مخلوط های بتنی آماده سازی شده با یک چنین اگریگیت هایی، با مخلوط های مشابه تولید شده از سنگ طبیعی، مشابه هستند. استحکام بتن های سخت شده، معمولاً بالاتر است زیرا اتصال بهتری میان ذرات اگریگیت و خمیر سیمان، وجود دارد.
تبدیل خاکسترهای بستر سیال به اگریگیت های بتنی مصنوعی، ممکن است در وضعیت هایی توجیه داشته باشد که ما با کمبود اگریگیت های سنگی در جاهایی روبرو باشیم. همچنین در مواردی که این مواد کاربرد دیگری نداشته و باید دفن شوند نیز می توان از این روش، استفاده کرد.
خاکسترهای بستر سیال به عنوان اجزایی در تولید مواد اولیه ی کلینکر سیمان پرتلند
خاکسترهای حاصله از احتراق، مخصوصا خاکستر بادی، به طور گسترده ای در تولید کلینکر سیمان پرتلند استفاده می شود. مزیت یک چنین مخلوط هایی، این است که کلسیم اکسید خاکستر در شکل بدون کربن می باشد. علاوه بر این، خاکسترها ممکن است حاوی مقادیر ارزشمندی کربن باقیمانده باشند که می تواند به عنوان منبعی از انرژی تلقی شود.
برخلاف سایر خاکسترها، استفاده از خاکسترهای بستر سیال به میزان تری اکسید گوگرد موجود در این ماده، محدود می باشد. میزان تری اکسید گوگرد موجود در خوراک اولیه در صورتی که بالاتر از 1 % است، مناسب نیست زیرا موجب جلوگیری از تشکیل تری کلسیم سیلیکات، جزء اصلی کلینکر سیمان، می شود. یک نقش مهم در حقیقت بوسیله ی مواد قلیایی و قلیایی خاکی ایجاد می شود. علاوه بر این، میزان سولفات موجود در سایر اجزای ماده اولیه نیز اثر قابل توجهی بر روی استفاده از خاکسترهای بستر سیال دارد. کلسیم سولفات موجود در خاکستر بستر سیال به صورت گرمایی تجزیه می شود. در نهایت، میزان تری اکسید گوگرد ایجاد شده از خاکستر، به خاطر قوانین مربوط به محدود بودن میزان این ماده در سیمان پرتلند، نباید از 3 تا 4 % بیشتر شود.
به هر حال، پتانسیل موجود در استفاده ی بیشتر از خاکسترهای بستر سیال در تولید سیمان پرتلند، بیشتر از سایر استفاده ها می باشد. سیمان هایی از این نوع، الزامات استاندارد الزامی برای سیمان را ارضا نمی کند. این مسئله یک مشکل جدی در بازار این محصولات می باشد. در بین این نوع از سیمان ها، "سیمان های سولفوبلیتیک" که حاوی فازهای C_2 S و C_4 A_3 S ̅ می باشند، می توانند در دماهایی تولید شود که معمولاً 300 درجه بالاتر از دمای تولید سیمان های معمولی است. نوع دیگری از سیمان های سولفوبلیتیکی، سیمان های پرتلند دارای تری اکسید گوگرد بالاست. این سیمان های حاوی فازهای C_3 S، C_4 A_3 S ̅ و C_4 AF می باشند. در برخی از سیمان های سولفوآلومیناتی، کلسیم سولفوسیلیکات و CS ̅ حضور دارند اما مشارکت کلسیم سولفوسیلیکات در خواص سیمان مشهود نیست. اتریانجیت و گروه های فازی Aft، که بواسطه ی هیدراسیون C_4 A_3 S ̅ و CS ̅ تشکیل شده اند، مسئول استحکام اولیه ی بالای این سیمان ها، می باشند. سیمان های حاوی اتریانجیت منبسط نمی شوند و پایداری ابعادی آنها مشابه سیمان پرتلند می باشد. با وجود این، مشکلات مربوط به دوام ممکن است در بتن های حاوی این مواد، ایجاد شود. علت این مسئله، مقاومت نسبتاً ضعیف این مواد در برابر کربونیزاسیون است. به دلیل اینکه کلسیم سولفوآلومینات با AFm مونوسولفات هیدراته می شود، دارای مقاومت بالاتری در برابر کربونیزاسیون دارد. از این رو، برخی از بررسی اه بر روی سیمان هایی متمرکز شده است که دارای مقادیر بالاتری میلریت قهوه ای (brownmillerite) (C_4 AF) است. این ماده موجب تبدیل اتریانجیت به مونوسولفات در حین هیدراسیون می شود. استفاده از خاکسترهای بستر سیال موجب می شود تا تولید این نوع از سیمان ها، در دماهای پایین تر، موجب کاهش میزان مصرف انرژی، شود. مصرف سنگ آهک و میزان انتشار دی اکسید کربن نیز با استفاده از این روش، کاهش می یابد.
جوانب قانونی و مسائل مربوط به استانداردسازی و الزامات مربوط به کارایی
توسعه و اجرای استانداردهای جدید معمولاً بواسطه ی دستآوردهای فنی به تأخیر می افتند و همین مسئله را می توان برای توسعه های ایجاد شده در زمینه ی محصولات فرعی استفاده از ضایعات این فرایندها، گفت. مواد ضایعاتی و محصولات فرعی که می تواند مورد استفاده قرار گیرد، اغلب نتیجه ای از ورود تکنولوژی های جدید است که در واقع موجب ایجاد تغییر در صنایع می شود. ترکیب این محصولات ضایعاتی، ممکن است با ترکیب مواد اولیه، متفاوت باشد. مشکلاتی ممکن است ایجاد شود اگر ویژگی های موجود نتواند این مواد جدید را پوشش دهی کند.
باقیمانده های احتراق بستر سیال به عنوان یک محصول اضافی برای 20 سال آینده می باشد. ترکیب آنها ممکن است به طور قابل توجهی تغییر کند. این مسئله به کیفیت سوخت، ترکیب و میزان جذب ایجاد شده و نوع تکنولوژی احتراق مورد استفاده، وابسته می باشد. تاکنون، اطلاعات اندکی در مورد ترکیب، خواص و استفاده های ممکنه از این محصولات، انتشار یافته است.
در حال حاضر، هیچ معیاری وجود ندارد که خاکسترهای حاصله از احتراق بستر سیال را پوشش دهی کند. معیارهای کنونی برای باقیمانده های ناشی از احتراق، فقط مربوط به خاکسترهای معمولی است و عموماً برای خاکسترهای ناشی از احتراق در بستر سیال، مناسب نیستند.
از آنجایی که این ماده، یک ترکیب معدنی است، و ترکیبی شیمیایی نیست، طبقه بندی و ویژگی هایی که بر روی ترکیب شیمیایی می باشد، به جای کمک کردن، موجب گیج شدگی می شود. طبقه بندی، ویژگی ها و آزمون های سریع مربوط به بررسی کارایی مناسب و تطابق با ریزساختار نیز جزء موانعی هستند که نه تنها از استفاده های قابل توجه از این ماده جلوگیری می کند بلکه موجب به تأخیر افتادن تجاری سازی این ماده شده است.
بررسی حیاتی الزامات شیمیایی و فیزیکو- مکانیکی که نشاندهنده ی بسیاری از آزمون ها در استانداردهای کنونی است، ضروری نمی باشند. در آزمون های متداول انجام شده بر روی خاکسترهای بادی و به منظور اطمینان یافتن از کیفیت و یکنواختی مواد تولید شده، اتلاف ایجاد شده در زمان حرارت دهی، نرمی و اندیس فعال سازی استحکام کافی است. سایر الزامات نیز باید بر اساس نظر تولید کننده و استفاده کننده انجام شود. این مسئله به استفاده ی نهایی از ماده وابسته می باشد. این مسئله وقتی نمود دارد که مخلوط بدون سیمان تهیه شده باشد. برای خاکسترهای بستر سیال، آزمون های اضافی زیر نیز پیشنهاد شده است: کربن احتراق نیافته نسبت به کل کربن، آهک آزاد، آهن دو ظرفیتی و میزان تری اکسید گوگرد. این معیارها باید با توجه به این مسئله در نظر گرفته شوند که این محصولات فرعی به طور روزافزون در حال تولید می باشند. استفاده ی بهتر از این مواد ضایعاتی، کمک به صرفه جویی در منابع طبیعی می شود.
نتیجه گیری و پیشنهادات برای تحقیقات آینده
افزایش تعداد نیروگاه های برق که در آنها از تکنولوژی احتراق بستر سیال زغال سنگ استفاده می شود، بر روی توجه و استفاده از باقیمانده های جامد این فرایند تمرکز یافته است. این مواد جامد، دارای ترکیب متفاوتی نسبت به خاکسترهای بادی متداول هستند. به دلیل دمای احتراق پایین تر، ترکیب مینرالی مواد تولید شده متفاوت می باشد. دو نوع تکنولوژی بستر سیال مورد استفاده قرار می گیرند (یکی فشار اتمسفری و دیگری فشار بالا). این دو تکنولوژی، ترکیب های مختلفی از خاکسترهای بستر و خاکسترهای بادی را ایجاد می کنند. برای مثال، آهک آزاد یافت شده در مواد حاصل از فرایند AFBC و کلسیم کربنات موجود در خاکستر فرایند PFBC از جمله این موارد متفاوت می باشند. اطلاعات اندکی در مورد این مواد ضایعاتی موجود می باشد.
در حال حاضر، بسیاری از تولید کننده ها و استفاده کننده ها از مواد سیمانی، بر این اعتقاد هستند که بسیاری از مقررات و استانداردها، حالت تجویز شده دارند نه حالت کاربردی. از این رو، استفاده از مخلوط های معدنی اصلاح شده در بتن ها، و استفاده ی گسترده از محصولات فرعی مانند خاکستر بادی، به تأخیر افتاده است. طبقه بندی ها، ویژگی ها و آزمون های تعیین کیفیت جدید که بوسیله ی مشارکت بین المللی تعیین می شوند، باید این مباحث را مورد بررسی قرار دهد. یکی دیگر از مشکلات موجود، خواص این مواد جدید می باشد. بسیاری از خواص این مواد، تعیین نشده اند و به دلیل تغییر این خواص در مواد مختلف، مشکلاتی بوجود می آید.

منبع مقاله :
Waste materials used in concrete manufacturing/ Satish Chandra