استفاده از خاکستر سبوس برنج در بتن (3)

مدول الاستیسیته، خزش و شرینکیج در بتن های حاوی RHA
مدول الاستیک، خزش و شرینکیج ناشی از خشک شدن در بتن ها، به طور قابل توجهی تحت تأثیر استحکام بتن و سفتی اگریگیت هاست. از این رو استحکام نهایی مربوط به بتن حاوی مواد پزولانی، موجب افزایش مدول الاستیک و خزش 28 روزه می شود.
از آنجایی که افزودن خاکستر سبوس برنج، موجب کاهش تراوایی می شود، در شرایطی که می خواهیم از بروز ترک به دلیل شرینکیج پلاستیک جلوگیری کنیم، باید سطح بتن به خوبی مورد محافظت قرار گیرد. واکنش پزولانی خاکستر سبوس برنج موجب ریز شدن ساختار حفرات می شود (شکل 10 بخش اول این مقاله). از این روف در نسبت های آب به بایندر مشابه، مقدار شرینکیج خشک شدن بتن با افزودن خاکستر سبوس برنج، به طور اندکی افزایش می یابد. شکل 1 نشاندهنده ی این مسئله می باشد. خواص دوام مربوط به بتن های حاوی RHA
افزودن مواد پزولانی می تواند موجب بهبود خواص بتن شود. این مسئله به دلیل ایجاد و اصلاح ساختار میکرویی در خمیر سیمانی بوجود می آید. اثرات مفید مستقیمی که از طریق ریز شدن ساختار و بواسطه ی ذرات RHA ایجاد می شود، به دلیل قابلیت جذب آب بالای این مواد، مساحت سطح بالا و همچنین ذرات میکرومتخلخل و آمورف ایجاد می شود.
طبیعت خاکسترهای سبوس گندم در شکل 3 بخش اول این مقاله نشان داده شده است. یک کاهش در آب تراوش یافته، منجر به ایجاد یک ناحیه ی انتقال قوی تر میان ماده ی جامد و خمیر سیمانی می شود. این مسئله منجر به افزایش نفوذناپذیری و افزایش دوام بتن می شود.

کاهش در نفوذپذیری بتن

نفوذپذیری بتن، نقش مهمی در دوام بتن دارد زیرا این عامل در حقیقت کنترل کننده ی نرخ ورود رطوبتی است که ممکن است حاوی یون ها و مواد شیمیایی مخرب باشد. این پارامتر منفرد که دارای اثر قابل توجهی بر روی دوام می باشد، نسبت آب به سیمان و یا آب به بایندر می باشد. وقتی نسبت آب به بایندر و یا آب به سیمان، کاهش می یابد، تخلخل های خمیر کاهش می یابد و از این رو، بتن نفوذناپذیرتر می شود. افزودن خاکستر سبوس برنج موجب جذب مقدار قابل توجهی آب می شود که در اطراف مواد جامد، وجود دارند. این مسئله آب را در نسبت بیان شده در بالا، کاهش می دهد و از این رو، موجب کوچک شدن حفرات ساختار می شود. این مسئله در نهایت موجب کاهش نفوذپذیری بتن در برابر کلریدها می شود (جدول 2 بخش دوم این مقاله). این فهمیده شده است که نفوذپذیری به طور قابل توجهی بعد از عمل آوری 28 روزه، کاهش می یابد. نفوذ پذیری در زمان استفاده از خاکسترهای سبوس برنج، در گستره ی 1×〖10〗^(-11) cm/ sec می باشد.

مقاومت در برابر ترک های گرمایی

طبیعت مینرالی که به آهستگی و در دمای معمولی واکنش می دهد، می تواند از حرارت ناشی شده از هیدراسیون سیمان پرتلند مزیت ببرد، بدون آنکه استحکام نهایی از بین رود. استفاده از خاکستر سبوس برنج که در حقیقت جایگزین بخشی از سیمان می شود، به صورت مستقیم موجب کاهش در تغییرات حرارتی می شود. امکان ایجاد ترک حرارتی برای بخش های بتنی بزرگ و یا ترک ناشی از شرینکیج پلاستیک برای ساختارهای مسطح نیز با استفاده از این مواد، کاهش می یابد.

مقاومت در برابر واکنش های مربوط به اگریگیت های قلیایی

واکنش اگریگیت های قلیایی در حقیقت یک فرایند آهسته میان محلول های قلیایی حاصله از سیمان پرتلند با میزان مواد قلیایی بالا و اگریگیت های فعال می باشد. یک جایگزینی جزئی سیمان با مواد قلیایی بالا، با استفاده از خاکستر سبوس برنج، راهی مستقیم برای حل این مشکل می باشد. Mehta و Folliard گزارش داده اند که میزان انبساط حاصله از مخلوط سازی سیمان با 10 % RHA، به میزان 95 % کاهش می یابد. این میزان در واقع بسیار مناسب تر از میزانی است که بوسیله ی استاندارد ASTM C441 بیان شده است. از این رو، افزودن خاکستر سبوس برنج، نقش چندگانه ایفا می کند. اول از همه، RHA موجب کاهش میزان مواد قلیایی حاصله از سیمان می شود. RHA موجب کاهش واکنش اگریگیت های فعال می شوند و مواد قلیایی ناشی شده از سیمان را کاهش می دهد. علاوه بر این، این ماده موجب جذب آب اطراف مواد جامد می شود و بدین صورت، ساختار تخلخل ها را ریز می کند. این مسئله در واقع نفوذ یون های قلیایی به سطح اگریگیت ها را کاهش می دهد. جدول 1 بخش دوم این مقاله نشاندهنده ی اثر خاکستر سبوس برنج بر روی مقدار pH آب می باشد (شکل 2).

مقاومت در برابر حملات اسیدی

خمیر سیمانی هیدراته، یک ماده ی قلیایی است و بنابراین، حملات خاص این مواد بوسیله ی مواد قلیایی، امکان پذیر نیست. این مسئله برای مواد اسیدی حالت عکس دارد. در حقیقت، مواد اسیدی می توانند به این ملات ها و بتن ها، اسیب برسانند. افزودن خاکستر سبوس برنج موجب ایجاد مقاومت استثنایی ماده در برابر شرایط اسیدی می شود. مسئله ی جالب توجه این است که حدود 60 تا 65 % از سیمان پرتلند را اکسید کلسیم تشکیل داده است. پس از هیدراسیون، آهک آزاد نیز به صورت هیدروکسید کلسیم، موجود می باشد که در اصل مسئول کاهش کارایی در بتن های تولیدی از سیمان پرتلند در محیط های اسیدی است. سیمان های مخلوط به همراه خاکستر سبوس برنج که دارای ویژگی های استحکام مشابه با سیمان های پرتلند معمولی هستند، ممکن است تنها حاوی 20 % اکسید کلسیم باشند. پس از هیدراسیون این سیمان ها، هیچ آهک آزادی به شکل کلسیم هیدروکسید، وجود ندارد. محصول ناشی از هیدراسیون شامل کلسیم سیلیکات هیدراته و ژل سیلیس است و بنابراین، مقاومت در برابر اسید نیز بیشتر است.
آزمون غوطه وری 8 ماهه در محلول اسید هیدروکلریک 1 %، استیک اسید و لاکتیک اسید نشان می دهد که ملات های سیمانی، مسطح نرم شدن و تکه تکه شدن سطحی هستند، در حالی که بتن های حاوی خاکستر سبوس برنج، سطح سخت خود را حفظ کرده و لبه های مکعب های تولیدی از این بتن ها نیز تیز باقی می ماند. نتایج مشابهی در زمانی بدست آمده است که میله های بتنی در داخل محلول اسید کلریدریک 5 % قرار داده شده اند (شکل 3). بتن حاوی RHA بعد از آزمون غوطه وری، اتلاف وزن کمتری دارد که این مسئله نشاندهنده ی ویژگی مقاومت در برابر اسید این نوع بتن است. مقاومت در برابر خوردگی فولادهای مورد استفاده در بتن
خوردگی فولاد مورد استفاده در بتن، مشکل اصلی ایجاد شده در محیط های مرطوب است. کاهش میزان قلیایی بودن سیمان بوسیله ی کربونیزاسیون موجب تشکیل دی اکسید کربن اتمسفری و سایر گازهای آلاینده مانند دی اکسید گوگرد، یون کلر و اکسیدهای نیتروژن می شود. این مرحله، در واقع اولین مرحله از خوردگی در فولادهای مورد استفاده در تقویت بتن می باشد. در خمیرهای سیمان پرتلند هیدراته، حدود 20 % هیدروکسید کلسیم وجود دارد که در حقیقت موجب محافظت فولاد می شود.
از لحاط تئوری، حدود 25 % سیلیس فعال که در مخلوط پرتلند- پزولان وجود دارد، برای مصرف تمام کلسیم هیدروکسید بوجود آمده از هیدراسیون سیمان پرتلند، کافی است. این مسئله موجب بروز دغدغه هایی در بین مهندسین ساختمان شده است که در حقیقت آیا با کاهش میزان قلیایی بودن بتن، افزودن مواد پزولانی می تواند خطر خوردگی فولاد را بالا ببرد یا نه؟ این فهمیده شده است که مقاومت در برابر کربوناسیون بتن، ارتباطی با میزان کلسیم هیدروکسی موجود ندارد زیرا محلول های موجود در حفرات خمیرهای حاوی سیمان پرتلند، حاوی مقادیر اندکی کلسیم هستند و گاهی وقت ها، اصلا کلسیمی در خود ندارند. مقاومت در برابر کربوناسیون باید در فاکتورهای فیزیکی مانند نفوذپذیری خمیر سیمانی، جستجو شود. افزودن خاکستر سبوس برنج، موجب کاهش قابل توجه در تخلخل می شود و از این رو، پس از عمل آوری 28 روزه، به طور مؤثر موجب کاهش در اندازه ی حفرات بزرگتر می شود. این مسئله موجب می شود تا نفوذپذیری بتن به طور قابل توجهی کاهش یابد (شکل 10 بخش دوم این مقاله).
به طور کلی، واکنش های پزولانی و سیمانی مربوط به خاکستر سبوس برنج، از یک سوموجب کاهش میزان آهک آزاد موجود در خمیر سیمانی می شود و از سوی دیگر، موجب کاهش نفوذپذیری سیستم می شود. بنابراین، موجب بهبود مقاومت کل در برابر حمله ی دی اکسید کربن می شود. این مسئله پیشنهاد می دهد که حتی زمانی که مواد پزولانی غنی از دی اکسید سیلیس استفاده می شود، خطر کربوناسیون کمتر از حالتی است که از بتن حاوی پزولان استفاده شده است. از این رو، مقاومت بهبود یافته در برابر خوردگی فولاد مورد استفاده در بتن، می تواند مورد انتظار باشد.

مقاومت در برابر حمله ی مواد سولفاتی

مقاومت در برابر مواد سولفاتی مربوط به ملات تولیدی با سیمان، با توجه به استاندارد ASTM C1012 اندازه گیری می شود. مقایسه ها با ملات های مرجع دارای نسبت آب به سیمان 0.485 انجام شده است (بدون افزودن RHA). در تولید ملات های حاوی RHA، آب کافی برای حفظ جریان مناسب ملات، مورد استفاده قرار گرفته است. میله های استانداردی به اندازه ی 25.4 در 25.4 در 285.8 میلی متر ریخته گری شده است و در دمای 38 درجه ی سانتیگراد، به مدت 24 ساعت، عمل آوری شده است. در این حالت یک استحکام 19.6 MPa برای آزمون، مورد نیاز بوده است. نمونه ها در داخل محلول سولفاتی حاوی 50 گرم سدیم سولفات در یک لیتر آب، قرار داده شدند. نتایج در شکل 4 قابل مشاهده می باشند. این واضح است که در انتهای 16 هفته ی کاری، 82 % کاهش در انبساط ملات حاوی RHA در مقایسه با ملات مرجع، ایجاد شده است. این همچنین نشان داده شده است که انبساط در ملات مرجع ادامه یافته است، در حالی که انبساط برای ملات های حاوی RHA، تقریباً ثابت بوده است. دلیل این مسئله، بهبودی است که به دلیل افزایش دانسیته و ایجاد استحکام در ناحیه ی انتقالی، ایجاد شده است. این مسئله به احتمال زیاد، موجب بهبود مقاومت در برابر ترک خوردن، می شود. به دلیل این اصلاح ها، نفوذ محلول سولفاتی کاهش یافته است و در نتیجه، مقاومت در برابر مواد سولفاتی، افزایش یافته است.

مقاومت در برابر یخ زدگی و آب شدن

توسعه و استفاده از بتن های با استحکام بالا برای ساختمان سازی، هر روزه در حال افزایش می باشد. در بسیاری از بخش های جهان، این بتن ها با شرایط آب و هوایی برخورد دارند که یخ زدن و باز شدن یخ، در آنها متداول است. بیشتر بتن های با استحکام بالا، با استفاده از ذرات سیلیس ریز، تولید می شوند. تحقیقات برای بررسی مقاومت در برابر یخ زدگی بتن های با استحکام بالایی انجام شده است که در آنها از ذرات سیلیس ریز، استفاده می شود. مقاومت به یخ زدگی در بتن های RHA به طور گسترده ای مورد بررسی قرار گرفته است. در ادامه، یکی از این کارها، به صورت خلاصه بیان شده است.
منشورهایی با ابعاد مشخص و با استفاده از RHA، دوده ی سیلیسی متراکم (CSF) و مواد مشابه ریخته گری شد. در این نمونه ها، هیچ جزء معدنی وجود نداشت. کاهنده ی آب نیز برای ایجاد نمونه های بتنی، مورد استفاده قرار گرفت. خواص مخلوط در جدول 1 نشان داده شده است. نمونه ها در یک محیط مرطوب به مدت 14 روز پیش از آزمون، عمل آوری شدند. آزمون یخ زدن و باز شدن یخ، با توجه به استاندارد ASTM 666 بر روی نمونه ها انجام شد (شکل 5). آزمون برای 300 سیکل انجام شد مگر انکه فاکتور دوام به زیر 60 افت می کرد. در حقیقت در صورتی که فاکتور دوام به زیر 60 سقوط می کرد، نمونه از ازمون خارج می شد. فاکتور دوام مربوط به نمونه های حاوی RHA تنها نمونه هایی بودند که بدون شکست، به 300 سیکل، رسیدند. بتن CSF با نسبت های آب به جامد 30 و 35 %، دارای مقاومت به یخ زدگی ضعیفی هستند و فاکتور دوام آنها به ترتیب بعد از 101 و 67 سیکل، به کمتر از 10 می رسید. همچنین این مشاهده شد که بتن های حاوی نسبت آب به سیمان 0.30، بهتر از آنهایی عمل می کردند که نسبت آب به سیمان در آن 0.35 بود. بتن مرجع نیز خیلی ضعیف بود، اگر چه کارایی آن بهتر از بتن حاوی دوده ی سیلیسی بود. بتن REF30 فاکتور دوام 43 را پس از 214 سیکل داشت و بتن REF35 فاکتور دوام 28 را پس از 144 سیکل، از خود نشان داد. کارایی پایین بتن های حاوی دوده ی سیلیسی به احتمال زیاد به دلیل ایجاد زمینه ی سیمان/ سیلیس می باشد. زمینه دارای حفرات غیر پیوسته ای هستند که به صورت تصادفی در داخل زمینه، پراکنده شده اند. کارایی بهبود یافته ی بتن های حاوی RHA، به احتمال زیاد به دلیل ساختار میکرومتخلخل آنهاست. این میکروتخلخل ها، مسیرهای فراری را برای آب یخ زده ایجاد می کند. تنش های داخلی در نتیجه کاهش یافته و بدین صورت، مقاومت در برابر یخ زدگی، افزایش می یابد. مقاومت در برابر یخ زدگی بتن های RHA در یک محیط نمکی نیز مورد بررسی قرار داده شد و محصول، کارایی مطلوبی داشت.

خلاصه

سالانه 20 میلیون تن خاکستر سبوس برنج تولید می شود که در حقیقت ضایعات صنعت برنج، محسوب می شود. با کنترل مناسب فرایند سوزاندن، کیفیت RHA تولیدی می تواند تضمین شود. میزان سیلیس موجود در این خاکسترها، ممکن است تا میزان 90 الی 95 % باشد و میزان کربن باقیمانده در این ضایعات معمولا پایین است. مواد قلیایی در گستره ی 1 تا 3 %، معمولاً ناخالصی دیگر موجود می باشد. RHA غیر کریستالی با مساحت سطح 50 الی 100 متر مربع بر گرم، به صورت فعال عمل کرده و در بسیاری از مناطق دنیا، یافت می شود.
برای توسعه ی فعالیت پزولانی، در حضور آهک و یا سیمان پرتلند، این نیاز وجود ندارد که ذرات RHA بسیار ریز باشند. این مسئله به این دلیل است که منبع مساحت سطح بالا در RHA، ساختار میکرومتخلخل خود ذرات است. ذرات RHA که در گستره ی اندازه ی 10 تا 75 میکرون قرار دارند، رفتار پزولانی مطلوبی دارند. همچنین این مسئله را باید متذکر شویم که ناخالصی هایی که به طور نرمال در خاکستر سبوس برنج وجود دارند، نمی توانند اثر نامطلوبی بر روی خواص بتن حاصل از سیمان پرتلند، ایجاد کنند.
RHA در سیمان به عنوان یک تسریع کننده عمل می کند و زمان گیرش را کاهش می دهد. این کار از طریق جذب آب اطراف ذرات انجام می شود. یک میزان قابل توجه ژل C-S-H در اطراف RHA میکرومتخلخل تشکیل می شود و بنابراین، منجر به تقویت زمینه می شود. تصاویر SEM و سایر اندازه گیری های نشاندهند هی اثر RHA بر روی رفتار هیدراسیون خمیر سیمانی می باشد.
به عنوان یک ماده ی سیمانی مکمل، بسیاری از خواص استثنایی مربوط به RHA در این مقاله، بیان شده است. در مخلوط های بتنی تازه، افزودنی های پزولانی مانند خاکستر سبوس برنج، دارای قابلیت کاهش تراوایی و جدایش می باشند. بنابراین، موجب بهبود قابل توجه در قابلیت کاربردپذیری آنها می شوند. تنها RHA قابلیت مشارکت در استحکام بخشی بتن های حاوی سیمان پرتلند، در طی دوره ی 1 تا سه روزه ی اول را دارا می باشد. این مسئله در واقع موجب افزایش تمایل استفاده از خاکستر سبوس به عنوان یک ماده ی پزولانی می شود. در حقیقت، این ماده موجب تسریع استحکام بخشی در بتن می شود. تا 70 % سیمان پرتلند را می توان با این ماده جایگزین کرد، بدون آنکه اثر نامطلوبی بر روی استحکام ایجاد شود. اضافه کردن 10 تا 20 % از این مواد پزولانی، موجب افزایش استحکام نیز می شوند و می تواند موجب بهبود مقاومت در برابر نفوذ کلریدها، شود. استفاده از 10 % خاکستر سبوس برنج، موجب ایجاد اثر کاملا مؤثر بر روی انبساط می شود. علت این مسئله، ایجاد واکنش های قلیایی- اگریگیت می باشد. از طریق اثر پر شدن حفرات و ایجاد واکنش های پزولانی در RHA که به دلیل مساحت سطح بالا و وجود ساختار سلولی ایجاد می شود، نفوذپذیری بتن می تواند به طور قابل توجهی کاهش یابد. از این رو، سایر ویژگی های مربوط به دوام بتن نیز بهبود می یابد.
استفاده از RHA موجب اثرات فوق العاده ای بر روی خواص بتن می باشد. بنابراین، استفاده از RHA باید نه تنها به خاطر مسائل زیست محیطی، بلکه به خاطر مسائل ایمنی و دوام نیز مورد توجه قرار گیرد.
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.
منبع مقاله :
Waste materials used in concrete manufacturing/ Satish Chandra