استفاده از خاکستر بادی در بتن و سیمان

مقدمه

در ششمین سمپوزیوم مربوط به شیمی سیمان که در سال 1966 در تکیو برگزار شد، یک مقاله ی مروری در مورد استفاده از خاکستر بادی در بتن و سیمان آورده شده است. این مقاله ها علاوه بر این، ویژگی ها، آزمون های لازمه، فعالیت پزولانی و اثرات این خاکسترها بر روی خواص فیزیکی، شیمیایی و مکانیکی بتن را مورد بررسی قرار داده اند. در هفتمین کنگره ی بین المللی مربوط به شیمیایی سیمان که در سال 1980 در پاریس برگزار شد، Takemoto و Uchikawa مکانیزم های مربوط به فعالیت پزولانی مواد در سیستم های مختلف سیمانی را مورد بررسی قرار دادند. Berry و Malhotra نیز مقاله ی مروری کاملی در مورد مزیت های اساسی موجود در زمینه ی تحقیقات، توسعه و کاربردهای عملی خاکسترهای بادی در بتن ارائه کرده اند که در این مقاله ی مروری، مقالات منتشر شده بین سال های 1976 تا 1984 مورد بررسی قرار گرفت.
از دهه ی 1980، با افزایش دغدغه ها در مورد دوام ساختارهای بتنی، محققین بیشتری به سمت مطالعه ی کارایی بتن های حاوی خاکستر بادی، جهت دهی شدند. استفاده از مقادیر بیشتری از خاکستر بادی برای بتن نیز به صورت گسترده ای در کشورهایی انجام شد که میزان تولید این ضایعات در آنها بیشتر بود. بسیاری از مطالعه های انجام شده در این زمینه، به مواد و اثرات آنها بر روی سیستم های مختلف، اختصاص داشت. ویژگی های خاکستر بادی شامل روش های ارزیابی، داده های تجربی و بررسی های مقاله ای، با توجه به استفاده های آنها به عنوان یک ماده ی پزولانی و یا عاملی برای کاهش میزان اثرات زیست محیطی این مواد، بوسیله ی McCarthy و همکارانش انجام شده است.
هدف این مقاله، مهیا نمودن یک بررسی مقاله ای کامل در مورد مطالعه هایی است که در دهه های اخیر به چاپ رسیده است. در این مقاله ها، در مورد مکانیزم ها و رفتار خاکسترهای بادی در داخل بتن، بررسی انجام شده است. از آنجایی که خاکسترهای بادی به طور روزافزون در تمام انواع مواد بتنی مورد استفاده قرار می گیرند. این خاکسترها موجب بهبود دوام و کاهش هزینه های ساختمانی این مواد می شوند.
در توضیح اثر خاکستر بادی، کارهای اولیه عمدتاً بر روی تعیین ویژگی های خاکسترهای بادی و فرضیه سازی در مورد مکانیزم های هیدراسیون سیستم های بتنی حاوی خاکستر بادی معطوف بوده اند. اثر خاکستر بادی به عنوان یک ماده ی فرعی بر روی بتن، برخی اوقات به خاطر تغییر در خواص این مواد، متناقض بودند. بنابراین، باید در زمینه استفاده از داده های بدست آمده در مقالات مختلف، مراقب باشیم.

ویژگی های خاکستر بادی

خاکستر بادی و یا خاکسترهای ناشی از پودر، یک باقیمانده از اختراق پودر زغال سنگ در داخل کوره های مربوط به نیروگاه های برق گرمایی می باشد. ویژگی های مربوط به خاکسترهای بادی با توجه به سیستم های عملیات احتراق و همچنین ترکیب سوخت مورد استفاده، متغیر است.
سیستم های مختلف احتراق سوسپانسیونی مانند بخش های سوخت عمودی و افقی، به طور گسترده ای مورد استفاده قرار گرفته اند. این بخش ها دارای ظرفیت تولید مختلفی هستند. دمای احتراق در این بخش ها بالاست (در حدود 1200 درجه ی سانتیگراد می باشد). در نهایت خاکستر به صورت بسیار ریز و با اندازه ای کمتر از 100 میکرون، در داخل جریان هوای موجود در کوره، خارج می شود و بوسیله ی رسوب دهنده های الکتریکی و یا مکانیکی جداسازی می شوند. در برخی از نیروگاه های برق، سیستم های جمع آوری تر هنوز مورد استفاده قرار می گیرند (شکل 1). خاکستر بادی جمع آوری شده در فرایند خشک معمولاً هموژن تر از خاکستر بادی بدست آمده از فرایند تر است (از لحاظ اندازه ی ذرات). علت این مسئله سرعت ته نشینی پایین تر در روش خشک می باشد. همچنین خاکسترهای بادی بدست آمده از فرایند تر، حاوی مقادیری رطوبت نیز می باشند. بخش درشت تر خاکستر بادی که در حدود 15 تا 20 % کل خاکستر را تشکیل می دهد، خاکستر کف کوره نامیده می شود. خاکستر کوره حاوی 85 % خاکستر بادی و 15 % خاکستر کف کوره می باشد. با شروع احتراق، تحت دمای بالا، ترکیبات غیر آلی موجود در زغال سنگ ذوب شده و مایع ایجاد شده موجب ایجاد شکل کروی در شیشه ی خاکستر بادی می شود. برخورد بین ذرات منجر به این مسئله می شود که ذرات درشت تر از چسبیدن چند ذره ی کوچکتر تشکیل می شوند. در زیر میکروسکوپ، این مسئله قابل مشاهده می باشد. شکل های مختلف از خاکسترهای بادی در شکل 2 نشان داده شده است. به دلیل سرد شدن سریع از دماهای بالا، فاز شیشه ای خاکستر بادی و یا حتی برخی دیگر از فازهای معدنی، به صورت ترمودینامیکی، شبه پایدار هستند و دارای پتانسیل هیدرولیز هستند. بررسی خاکسترهای بادی به مدت بیش از نیم قرن، نشاندهنده ی این است که خاکستر بادی در حضور آهک و آب، فعال می شوند و یا در حقیقت فعالیت پزولانی دارند. این مسئله در حقیقت به خاطر وجود فاز شیشه ای در خاکستر بادی ایجاد شده است. میزان فاز شیشه ای می تواند با استفاده از بررسی اشعه ی X بر روی نمونه ها، تعیین شود. در حقیقت میزان 2θ باید بین 15 تا 35 درجه باشد. در این حالت، یک الگو، مشابه الگوی شکل 3 قابل مشاهده است. میزان فاز شیشه ای در داخل خاکستر بادی بین 50 تا 90 % است. سیستم احتراق به صورت مستقیم بر روی ترکیب خاکستر بادی مؤثر است. یک شکل از احتراق زغال سنگ که در واقع به آن احتراق بستر سیال گفته می شود، از دهه ی 1970 مورد استفاده قرار گرفته است. این فرایند دارای نرخ انتقال حرارت بالاست به نحوی که در این روش از دماهای پایین تر (در حدود 1000 درجه ی سانتیگراد) استفاده می شود. در نتیجه، تشکیل اکسیدهای نیتروژن کمتر خواهد بود و میزان تبخیر پتاسیم، سدیم و گوگرد نیز بسیار کمتر است. در حالی که فرایند دما پایین میزان آلودگی کمتری تولید می کند، این کار همچنین موجب ترکیب های خاکستر بادی مختلفی می شود. در سال های اخیر، به منظور کاهش آلودگی هوا، پودر سنگ آهک وارد سیستم احتراق می شود تا بدین صورت گوگرد رها شده از احتراق دما بالای زغال سنگ، جذب شود.
ترکیب شیمیایی یک خاکستر به ترکیب زغال سنگ وابسته می باشد، در حالی که ترکیب مینرالی آن ممکن است به طور قابل توجهی نسبت به مواد اولیه تغییر کند. این مسئله در حقیقت وابسته به اندازه ی ذرات سوخت و عملیات احتراق، وابسته می باشد. در پاسخ به تقاضا برای برق، بازده احتراق و دماهای پیک احتراق، تغییر قابل توجهی پیدا کرده است. این نتایج در حقیقت به میزان کربن آزاد موجود در خاکستر نیز وابسته می باشد. علاوه بر این، این گزارش شده است که زمان باقیماندن خاکستر بادی در کوره نیز موجب تغییر در میزان مواد قلیایی موجود در خاکستر بادی می شود.
ترکیبات و ساختار شیمیایی و معدنی خاکستر بادی
زغال سنگ مورد استفاده در نیروگاه های برق عمدتاً از نوع آنتراسیت (زغال سنگ سخت، با میزان کربن بالاتر از 80 % می باشد که در زمان سوختن، میزان دود اندکی تولید می کند)، زغال سنگ قیری (ترکیب شده از کربن و مواد فرار در با نسبت برابر که در زمان سوختن، میزان قابل توجهی دود تولید می کند)، زغال سنگ زیر قیری (sub-bituminous coal) (ترکیبی مشابه زغال سنگ قیری با رطوبت بیشتر) و زغال سنگ لیگنیتی (lignite coal) (زغال سنگ قهوه ای مشابه زغال سنگ زیر قیری که معمولا میزان رطوبت بالاتری دارد) است. ترکیب زغال سنگ و ترکیب مربوط به خاکستر به طور قابل توجهی متفاوت است. دو نوع از از زغال سنگ های بیان شده در بالا، معمولاً موجب تولید خاکسترهای با کلسیم پایین می شوند، در حالی که دو نوع بعدی، منجر به تولید خاکسترهای با میزان کلسیم بالا می شوند.
زغال سنگ ها حاوی مینرال های معدنی متعددی هستند مثلا رس، کوارتز، کربنات آهن و کلسیم، فلدسپار و ترکیبات گوگرد دار. این مواد معدنی در گستره ی احتراق گفته شده، غیر فرار هستند اما برخی فرایندهای اکسیداسیون و مینرالی بر روی آنها اتفاق افتاده و در نهایت به صورت خاکستر باقی می مانند. این نکته باید گفته شود که آهک تولید شده از خاکسترها از سنگ معدن آهک و دولومیت نشئت گرفته اند که همچنین حاوی اکسید منیزیم نیز می باشند. در حقیقت بر طبق تحقیقات انجام شده، لیگنیت ها می توانند تا 32 % اکسید کلسیم و 11 % اکسید منیزیم داشته باشند.
برای استفاده از خاکستر بادی در بتن، استاندارد ASTM C 618 طبقه بندی هایی را ارائه کرده است. در حقیقت بر طبق این استاندارد خاکستر از نوع کلاس F است اگر، مجموع میزان سیلیس، اکسید آلومینا و Fe_2 O_3 در آن کمتر از 70 % نباشد. همچنین این خاکستر از نوع کلاس C است اگر این مجموع کمتر از 50 % نباشد (جدول 1). تفاوت در میزان اکسید، به دلیل میزان آهک بالا در خاکستر آخری می باشد. در حقیقت این گفته شده است که: پزولان های کلاس C: خاکسترهای بادی که به طور نرمال، از زغال سنگ های لیگنیتی و یا زیر قیری تولید می شوند، دارای خاصیت پزولانی و سیمانی شدن نیز هستند. برخی از خاکسترهای بادی کلاس C ممکن است حاوی مقادیر آهک بیشتر از 10 % باشند.
اگر چه این مسئله گفته نشده است اما میزان آهک 10 % اشاره شده در بالا، در حقیقت معیاری است که می توان بر طبق آن، خاکسترهای بادی را به دو نوع با آهک بالا و با آهک پایین، طبقه بندی کرد.
تفاوت در میزان اکسید کلسیم با ترکیب شیمیایی های مختلفی از خاکستر بادی در ارتباط است که در هر کشور تولید می شوند. این مسئله همچنین بوسیله ی Rehsi مورد اشاره قرار گرفته است. این محقق کسی است که ترکیب های شیمیایی مختلف مربوط به برخی از کشورهای اصلی تولید کننده ی این خاکسترها را بررسی کرده است.
ترکیب های شیمیایی مربوط به خاکسترهای بادی با میزان آهک پایین و بالا که در آمریکای شمالی تولید شده اند، در شکل 4 آورده شده است. این به نظر می رسد که در مقایسه ی بین این دو نوع خاکستر، خاکسترهای بادی با میزان آهک بالا دارای میزان آلومینای مشابهی با خاکسترهای بادی با میزان آهک پایین هستند، اما میزان اکسید آهن آنها، پایین تر است. این مسئله، یک ویژگی مهم تلقی می شود: در حقیقت، نسبت کلسیم به آلومینا و یا نسبت کلسیم به سیلیس در خاکسترهای بادی با آهک بالا، بیشتر است و کلسیم آلومینات و یا کلسیم سیلیکات می تواند در طی فرایند گرمایش- سرمایش، تشکیل شوند. علاوه بر این، وجود یک میزان بالاتر از کلسیم، موجب تغییر در ساختار خاکستر بادی می شود. در دیاگرام سه تایی سیستم آلومینا- اکسید کلسیم و سیلیس، می توان ترکیب های مختلف مربوط به خاکسترهای بادی را مشاهده کرد. مینرال های موجود در خاکسترهای کلاس F به طور نمونه وار، کوارتز و یا کریستوبالیت، مولایت، هماتیت، مگنتیت، آهک، کلسیم سولفات و سولفات های مواد قلیایی می باشد. در خاکسترهای بادی با میزان آهک بالا، کلسیم سیلیکات و یا کلسیم آلومینات تشکیل می شود. Stevenson و McCarthy وجود دی کلسیم سیلیکات و یا مواد قلیایی و فازهای دیگر حاوی کلسیم را نشان داده اند. بیشتر مواد مینرالی در داخل فاز شیشه ای قرار دارند، در حالی که سولفات های مواد قلیایی، بر روی سطح ذرات خاکستر بادی، رسوب می کنند. آهن در خاکستر بادی معمولاً در ذرات منفرد قرار می گیرند. کربن نسوخته نیز در خاکستر بادی به شکل های مختلفی وجود دارد و دانه های کربن اغلب حاوی سوراخ های کروی کوچکی هستند که همجوار ذرات شیشه ای قرار دارند.
Diamond می گوید که کوارتز، در بیشتر موارد، یک ماده ی باقیمانده است که در زغال سنگ اولیه موجود بوده است، در حالی که سایر مواد مینرالی در طی فرایند گرمایش- سرمایش، بوجود می آیند. مینرال های واقعی بر طبق نسبت های مولی میان مواد شیمیایی موجود در زغال سنگ تشکیل می شوند. این مسئله همچنین به اندازه ی دانه ها بستگی دارد. برخی از دانه های ریز ممکن است تنها از یک فاز و برخی دیگر که درشت ترند ممکن است از چند فاز تشکیل شده باشند. علاوه بر این، دمای احتراق همچنین بر روی ترکیب مینرالی خاکستر، مؤثر است. این مسئله در تکنولوژی سیمان به خوبی شناخته شده است که کلسیم آلومینات ها، کلسیم سیلیکات ها و کلسیم آلومینوسیلیکات ها، در دماهای پایین (کمتر از 1000 درجه ی سانتیگراد) تشکیل می شوند در حالی که مولایت در دماهای بالاتر تشکیل می شود.
ترکیب شیمیایی خاکستر بادی از یک ذره به ذره ی دیگر، تغییر می کند. علت این مسئله، جدایش فازی می باشد. البته معمولاً منبع زغال سنگ و عملیات احتراق نیز تا حدودی متغیر است. به هر حال، مثال های متعددی وجود دارد که نشان می دهد، ترکیب شیمیایی خاکستر بادی تولید شده از یک نیروگاه، می تواند برای سال ها، ثابت بماند. البته وقتی دید خود را توسعه بخشیم، تعییرات ایجاد شده، در حقیقت، کوچک می باشد. Dhir و همکارانش نشان داده اند که ترکیب های اکسیدی در خاکسترهای بادی کلاس F که در حقیقت از چندین کشور تولید کننده ی مهم بدست آمده اند، دارای مشابهت زیادی هستند. برای استفاده از آنها در بتن، یکنواختی در ترکیب کل، مهم تر از تغییرات مقیاسی کوچک است.
همانگونه که بوسیله ی تولیدکننده های خاکستر بادی گفته شده است، مهندسین بتن بر روی خواص فیزیکی بالک، وزن مخصوص و اندازه ی ذره ی خاکستر تمرکز کرده اند. در حقیقت مهندسین می خواهند بفهمند که با استفاده از این مواد در بتن، چه تغییری در خواص بیان شده، ایجاد می شود.

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