مترجم: حبیب الله علیخانی
منبع:راسخون
منبع:راسخون
مقدمه
نقش قالب سیمان پرتلند خالص به آهستگی کاهش یافته است و این مواد با سیمان های کامپوزیتی و ترکیبی، جایگزین شده است. یکی دیگر از تغییرهای مهم افزایش رو به رشد تعداد کارخانه هایی که در آنها عملیات سایش و مخلوط سازی اجزای سیمانی در آنها انجام می شود. این مسئله موجب شده است تا توزیع اندازه ی ذرات مواد منفرد، بهینه سازی شود.
تکنولوژی های خشک کردن، آسیاب و مخلوط سازی جدید، موجب شده است تا از بسیاری از ضایعات دوباره استفاده شود.
علاقه در زمینه ی سیمان های حاوی مقادیر قابل توجه از مواد ضایعاتی و یا مواد فرآوری نشده، موجب شده است تا انواع جدید از سیمان ها، به منظور استفاده در کاربردهای خاص و با استفاده از مواد ضایعاتی تولید شوند. یادگیری و فهم مفهوم سیستم های بایندر فعال سازی شده با مواد قلیایی، یکی از مهم ترین توسعه ها در این زمینه، می باشد. این مقاله، استفاده از مواد قلیایی در سیستم های بایندری را مورد بررسی قرار می دهد و همچنین اطلاعات مهمی در مورد توسعه ی این بایندرها در شوروی سابق ارائه می دهد. سرباره دارای ویژگی های شیشه ای منحصربفردی است. این سرباره ها، دارای فعالیت و ساختاری است که به طور قابل توجهی به ترکیب و شرایط خنک سازی، وابسته می باشند. بنابراین، این مهم است که پیش از تجاری سازی محصول، یادگیری بهتری در مورد فعال سازی سرباره داشته باشیم. هیدراسیون سرباره، در اصل به سهولت کنترل می شود زیرا تنها بخش فعال سرباره، بخش شیشه ای آن است. آسیاب کاری ریزتر سرباره موجب افزایش قابلیت هیدراسیون می شود و اثر مثبتی بر روی ریزساختار آن دارد.
بتن یک کامپوزیت بسیار خاص می باشد که در آن، میزان بایندر (سیمان پرتلند) بین 2 تا 20 % حجمی است. میزان بایندر یا چسب نمونه وار در گستره ی 7 تا 13 % حجمی است. حجم آب در بتن تازه، حداقل به اندازه ی ماکزیمم میزان چسب است و در برخی موارد، میزان آب می تواند دو برابر میزان چسب باشد. این مهم است که چسب به صورت بهینه به بتن اضافه شود و همچنین به صورت یکنواخت در زمینه توزیع شود. این امکان پذیر است که سیمان هایی توسعه داد که چسبندگی مؤثرتری را در مقادیر کمتر داشته باشد.
در آینده، انواع و ترکیب های جدیدی از بایندرها و اصلاح کننده ها، برای افزایش دوام سیستم مورد استفاده قرار می گیرند. هدف نه تنها تولید بتن ها و سیمان های ارزان قیمت تر است، بلکه همچنین ایجاد خواصی است که برای اهداف خاص، مناسب باشند. برای نیل به این هدف، باید بدانیم که چگونه مواد مختلف را ترکیب کنیم. همچنین علاقه ی روزافزونی به منظور یادگیری خواص مواد و مواد کامپوزیتی و همچنین کنترل بهتر ریزساختار و توسعه ی مواد ساختمانی جدید، ایجاد شده است.
این مسئله تأیید شده است که سیمان های مخلوط و یا آمیزه ای، که در اصل به طور کامل از مواد ضایعاتی تولید شده اند، می توانند خواص کارایی بهتری نسبت به سیمان پرتلند ایجاد کنند. برخی از این خواص در سیمان پرتلند نیز یافت نمی شود.
سرباره ی کوره ی بلند گرانوله
ویژگی های عمومی
بخش اصلی از ضایعات ایجاد شده از فرایندهای متالورژیکی، به نام سرباره نامگذاری می شوند. سرباره های کوره ی بلند متداول ترین این سرباره ها هستند و مؤثرترین ماده برای تولید سیمان و بتن می باشد. اجزای اصلی سرباره های کوره ی بلند، عبارتند از: اکسید کلسیم، اکسید سیلیسم، آلومینا و اکسید منیزیم. در حقیقت این ماده از اکسیدهایی تشکیل شده است که در اجزای معدنی و سیمانی یافت می شوند، مخصوصاً در سیمان های پرتلند. سرباره ی کوره ی بلند محصول فرعی فرایند تولید آهن است و از گداخته شدن سنگ آهک به همراه سنگ معدن آهن، کک و مواد سیلیسی و آلومینایی تولید می شود. سرباره که در واقع نقش حذف گوگرد از آهن مذاب را دارد، در حقیقت بر روی سطح قرار می گیرد و از کوره خارج می شود. سرباره ی کوره ی بلند، یک ماده ی فراوان و متداول است. اگر این سرباره به آهستگی و با هوا سرد شود، محصولی کریستالی تولید می شود که حاوی سنگ های آذرین و مخلوطی از مینرال هایی است. یک چنین سرباره ای ممکن است به صورت فومی شکل در آید و به عنوان اگریگیت سبک وزن در بتن استفاده شود. به هر حال، با سرد شدن این ماده در جت آب سرد با فشار بالا، ماده ای با ارزش افزوده ی بالا تولید می شود که حاوی مقادیر قابل توجهی فاز شیشه ای به همراه بخش اندکی اجزی کریستالی است. سرباره ی کوره ی بلند گرانوله یک ماده ی هیدرولیک نهفته است یعنی این ماده در زمانی دارای خواص هیدرولیک است که به طور مناسب فعال سازی شود. این ماده باید حاوی دو سوم جرمی سرباره ی شیشه ای باشد یعنی بیش از 90 % آن را فاز شیشه ای تشکیل دهد. سرباره ی گرانوله، باید همچنین حاوی حداقل دو سوم جرمی اکسید کلسیم، اکسید منیزیم و اکسید سیلیسیم باشد. باقیمانده ی آن را نیز آلومینا و مقادیر اندکی از اکسیدهای دیگر، تشکیل می دهد. نسبت جرمی مجموع اکسید کلسیم و منیزیم بر اکسید سیلیسیم، باید بزرگتر از 1.0 باشد.
سرباره حاوی 30 تا 50 % اکسید کلسیم، 28-40 % اکسید سیلیسیم، 8-24 % آلومینا و 1-18 % اکسید منیزیم است، در حالی که سیمان پرتلند حاوی 55-66 % اکسید کلسیم، 20-24 % اکسید سیلیسیم، 0-8 % آلومینا و تا 5 % اکسید منیزیم می باشد. تفاوت در ترکیب و همچنین وجود اجزای آهنی، منگنز، تیتانیم، گوگرد و سایر عناصر در مذاب سرباره، موجب ایجاد تفاوت در ترکیب مینرالی میان سرباره و سیمان پرتلند می شود. این مسئله را می توان در دیاگرام فازی سیستم اکسید کلسیم، اکسید منیزیم، آلومینا و اکسید سیلیسیم، مشاهده کنید (شکل 1). یکی دیگر از تفاوت های قابل توجه، این است که برخی از فلزات موجود در سرباره، به طور کامل اکسید نشده اند. در نتیجه، آنها دارای یک نقش ساختاری متفاوت در مقایسه با کلینکر سیمان پرتلند، خواهند بود. این واضح است که واکنش های هیدراسیون و محصولات هیدراسیون سرباره، از واکنش های موجود در سیمان، متفاوت است.
یک گروه از معادلات برای ارزیابی غیر مستقیم قابلیت سرباره ها برای انجام فعالیت هیدرولیکی، وجود دارد. دو معادله ی مهم مدول بازی (M_b) و دیگری مدول فعالیت (M_a) می باشد.
مدول بازی سرباره در حقیقت نسبت مجموع اکسیدهای به مجموع اکسیدهای اسیدی می باشد (بر اساس جرم):
بسته به مقدر عددی این مدول، سرباره به دو گروه تقسیم می شود: برای مدول های بزرگتر از یک، بازی و برای مدول های کوچکتر از یک، اسیدی.
آلومینیوم دارای طبیعت آمفوتری است یعنی این ماده در زمانی که دارای کوئوردیناسیون شش است، حالت اکسید بازی است و وقتی در حالت کوئوردیناسیون چهار است، به عنوان اکسید اسیدی عمل می کند. با در نظر گرفتن این موضوع، مدول بازی می تواند با استفاده از معادله ی زیر بدست آید:
سایر معیارهای مربوط به ارزیابی میزان اسیدی بودن سرباره های کوره ی بلند، مدول فعالیت است که به صورت زیر تعریف می شود:
فعالیت هیدرولیک سرباره های کوره ی بلند با افزایش مدول بازی و فعالیت، افزایش می یابد. ناخالصی های مربوط به سایر اکسیدها نیز ضرورتاً بر روی فعالیت هیدرولیک سرباره ی کوره ی بلند، مؤثرند. علت این مسئله، جایگزینی جزئی اکسید کلسیم در ترکیبات فعال و تشکیل ترکیبات با فعالیت کمتر می باشد. اکسید آهن نیز در مقادیر اندک وجود دارد اما اثر آن بر روی فعالیت هیدرولیکی، اثبات نشده است.
وجود ترکیبات سولفیدی مانند CaS، MnS، FeS در سرباره، معمولاً ضروری نیست. عموماً میزان CaS معمولاً 2 تا 3 % وزنی است اما حتی اگر این میزان به 5 % برسد، فعالیت هیدرولیکی افزایش می یابد. برهمکنش CaS با آب به صورت زیر است:
محصول های برهمکنش موجب افزایش فعالیت اجزای شیشه ای موجود در سرباره می شود.
آهن سولفید (FeS) و MnS ممکن است موجب شروع گسستگی در دانه های سرباره شود. علت این مسئله، هیدرولیزی است که طبق فرمول زیر رخ می دهد:
حجم ویژه ی مربوط به هیدروکسید تشکیل شده در دماهای بالاتر از مواد اولیه بیشتر است و این مسئله موجب عدم یکپارچگی سرباره می شود. هیدرولیز همچنین موجب عدم یکپارچگی سرباره می شود. به هر حال، در حجم های بزرگ، هم فلز فعالیت سرباره را کاهش می دهد و هم از گیرش بایندرهای سرباره ای جلوگیری می کند.
تیتانیم موجود در سرباره که به صورت Ti_2 O_3 می باشد، موجب افزایش نرخ پلیمریزاسیون ترکیبات سیلیکون- اکسیژن می شود. وجود کمپلکس های پیچیده ی سیلیکون- تیتانیم- اکسیژن و کاهش طول پیوند Ti-O به دلیل تغییر کوئوردیناسیون تیتانیم به حالت چهار، موجب کاهش جذب سطحی مولکول های آب بر روی سطح ذرات سرباره می شود و از این رو، موجب کاهش در فعالیت هیدرولیکی ماده می شود. بسته به ترکیب کل سرباره، یک میزان بحرانی از تیتانیم به صورت TiO_2 و در میزان 1.5 تا 2.5 % مورد نیاز می باشد. یک میزان بالاتر از این ماده موجب ایجاد اثرات منفی بر روی سیمان سرباره ای حاوی مقادیر سرباره ی بالا می شود.
برای ارزیابی فعالیت هیدرولیکی سرباره های گرانوله ی کوره ی بلند، Budnikov استفاده از ضریب کیفیت را پیشنهاد داده است.
برای مقادیر اکسید منیزیم تا 10 % :
برای مقادیر اکسید منیزیم بیشتر از 10 %:
بسته به این ضریب و ترکیب شیمیایی، سرباره ممکن است به سه نوع طبقه بندی شود (طبق جدول 1):
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.
منبع مقاله :
Waste materials used in concrete manufacturing/ Satish Chandra
نقش قالب سیمان پرتلند خالص به آهستگی کاهش یافته است و این مواد با سیمان های کامپوزیتی و ترکیبی، جایگزین شده است. یکی دیگر از تغییرهای مهم افزایش رو به رشد تعداد کارخانه هایی که در آنها عملیات سایش و مخلوط سازی اجزای سیمانی در آنها انجام می شود. این مسئله موجب شده است تا توزیع اندازه ی ذرات مواد منفرد، بهینه سازی شود.
تکنولوژی های خشک کردن، آسیاب و مخلوط سازی جدید، موجب شده است تا از بسیاری از ضایعات دوباره استفاده شود.
علاقه در زمینه ی سیمان های حاوی مقادیر قابل توجه از مواد ضایعاتی و یا مواد فرآوری نشده، موجب شده است تا انواع جدید از سیمان ها، به منظور استفاده در کاربردهای خاص و با استفاده از مواد ضایعاتی تولید شوند. یادگیری و فهم مفهوم سیستم های بایندر فعال سازی شده با مواد قلیایی، یکی از مهم ترین توسعه ها در این زمینه، می باشد. این مقاله، استفاده از مواد قلیایی در سیستم های بایندری را مورد بررسی قرار می دهد و همچنین اطلاعات مهمی در مورد توسعه ی این بایندرها در شوروی سابق ارائه می دهد. سرباره دارای ویژگی های شیشه ای منحصربفردی است. این سرباره ها، دارای فعالیت و ساختاری است که به طور قابل توجهی به ترکیب و شرایط خنک سازی، وابسته می باشند. بنابراین، این مهم است که پیش از تجاری سازی محصول، یادگیری بهتری در مورد فعال سازی سرباره داشته باشیم. هیدراسیون سرباره، در اصل به سهولت کنترل می شود زیرا تنها بخش فعال سرباره، بخش شیشه ای آن است. آسیاب کاری ریزتر سرباره موجب افزایش قابلیت هیدراسیون می شود و اثر مثبتی بر روی ریزساختار آن دارد.
بتن یک کامپوزیت بسیار خاص می باشد که در آن، میزان بایندر (سیمان پرتلند) بین 2 تا 20 % حجمی است. میزان بایندر یا چسب نمونه وار در گستره ی 7 تا 13 % حجمی است. حجم آب در بتن تازه، حداقل به اندازه ی ماکزیمم میزان چسب است و در برخی موارد، میزان آب می تواند دو برابر میزان چسب باشد. این مهم است که چسب به صورت بهینه به بتن اضافه شود و همچنین به صورت یکنواخت در زمینه توزیع شود. این امکان پذیر است که سیمان هایی توسعه داد که چسبندگی مؤثرتری را در مقادیر کمتر داشته باشد.
در آینده، انواع و ترکیب های جدیدی از بایندرها و اصلاح کننده ها، برای افزایش دوام سیستم مورد استفاده قرار می گیرند. هدف نه تنها تولید بتن ها و سیمان های ارزان قیمت تر است، بلکه همچنین ایجاد خواصی است که برای اهداف خاص، مناسب باشند. برای نیل به این هدف، باید بدانیم که چگونه مواد مختلف را ترکیب کنیم. همچنین علاقه ی روزافزونی به منظور یادگیری خواص مواد و مواد کامپوزیتی و همچنین کنترل بهتر ریزساختار و توسعه ی مواد ساختمانی جدید، ایجاد شده است.
این مسئله تأیید شده است که سیمان های مخلوط و یا آمیزه ای، که در اصل به طور کامل از مواد ضایعاتی تولید شده اند، می توانند خواص کارایی بهتری نسبت به سیمان پرتلند ایجاد کنند. برخی از این خواص در سیمان پرتلند نیز یافت نمی شود.
سرباره ی کوره ی بلند گرانوله
ویژگی های عمومی
بخش اصلی از ضایعات ایجاد شده از فرایندهای متالورژیکی، به نام سرباره نامگذاری می شوند. سرباره های کوره ی بلند متداول ترین این سرباره ها هستند و مؤثرترین ماده برای تولید سیمان و بتن می باشد. اجزای اصلی سرباره های کوره ی بلند، عبارتند از: اکسید کلسیم، اکسید سیلیسم، آلومینا و اکسید منیزیم. در حقیقت این ماده از اکسیدهایی تشکیل شده است که در اجزای معدنی و سیمانی یافت می شوند، مخصوصاً در سیمان های پرتلند. سرباره ی کوره ی بلند محصول فرعی فرایند تولید آهن است و از گداخته شدن سنگ آهک به همراه سنگ معدن آهن، کک و مواد سیلیسی و آلومینایی تولید می شود. سرباره که در واقع نقش حذف گوگرد از آهن مذاب را دارد، در حقیقت بر روی سطح قرار می گیرد و از کوره خارج می شود. سرباره ی کوره ی بلند، یک ماده ی فراوان و متداول است. اگر این سرباره به آهستگی و با هوا سرد شود، محصولی کریستالی تولید می شود که حاوی سنگ های آذرین و مخلوطی از مینرال هایی است. یک چنین سرباره ای ممکن است به صورت فومی شکل در آید و به عنوان اگریگیت سبک وزن در بتن استفاده شود. به هر حال، با سرد شدن این ماده در جت آب سرد با فشار بالا، ماده ای با ارزش افزوده ی بالا تولید می شود که حاوی مقادیر قابل توجهی فاز شیشه ای به همراه بخش اندکی اجزی کریستالی است. سرباره ی کوره ی بلند گرانوله یک ماده ی هیدرولیک نهفته است یعنی این ماده در زمانی دارای خواص هیدرولیک است که به طور مناسب فعال سازی شود. این ماده باید حاوی دو سوم جرمی سرباره ی شیشه ای باشد یعنی بیش از 90 % آن را فاز شیشه ای تشکیل دهد. سرباره ی گرانوله، باید همچنین حاوی حداقل دو سوم جرمی اکسید کلسیم، اکسید منیزیم و اکسید سیلیسیم باشد. باقیمانده ی آن را نیز آلومینا و مقادیر اندکی از اکسیدهای دیگر، تشکیل می دهد. نسبت جرمی مجموع اکسید کلسیم و منیزیم بر اکسید سیلیسیم، باید بزرگتر از 1.0 باشد.
سرباره حاوی 30 تا 50 % اکسید کلسیم، 28-40 % اکسید سیلیسیم، 8-24 % آلومینا و 1-18 % اکسید منیزیم است، در حالی که سیمان پرتلند حاوی 55-66 % اکسید کلسیم، 20-24 % اکسید سیلیسیم، 0-8 % آلومینا و تا 5 % اکسید منیزیم می باشد. تفاوت در ترکیب و همچنین وجود اجزای آهنی، منگنز، تیتانیم، گوگرد و سایر عناصر در مذاب سرباره، موجب ایجاد تفاوت در ترکیب مینرالی میان سرباره و سیمان پرتلند می شود. این مسئله را می توان در دیاگرام فازی سیستم اکسید کلسیم، اکسید منیزیم، آلومینا و اکسید سیلیسیم، مشاهده کنید (شکل 1). یکی دیگر از تفاوت های قابل توجه، این است که برخی از فلزات موجود در سرباره، به طور کامل اکسید نشده اند. در نتیجه، آنها دارای یک نقش ساختاری متفاوت در مقایسه با کلینکر سیمان پرتلند، خواهند بود. این واضح است که واکنش های هیدراسیون و محصولات هیدراسیون سرباره، از واکنش های موجود در سیمان، متفاوت است.
مدول بازی سرباره در حقیقت نسبت مجموع اکسیدهای به مجموع اکسیدهای اسیدی می باشد (بر اساس جرم):
بسته به مقدر عددی این مدول، سرباره به دو گروه تقسیم می شود: برای مدول های بزرگتر از یک، بازی و برای مدول های کوچکتر از یک، اسیدی.
آلومینیوم دارای طبیعت آمفوتری است یعنی این ماده در زمانی که دارای کوئوردیناسیون شش است، حالت اکسید بازی است و وقتی در حالت کوئوردیناسیون چهار است، به عنوان اکسید اسیدی عمل می کند. با در نظر گرفتن این موضوع، مدول بازی می تواند با استفاده از معادله ی زیر بدست آید:
سایر معیارهای مربوط به ارزیابی میزان اسیدی بودن سرباره های کوره ی بلند، مدول فعالیت است که به صورت زیر تعریف می شود:
فعالیت هیدرولیک سرباره های کوره ی بلند با افزایش مدول بازی و فعالیت، افزایش می یابد. ناخالصی های مربوط به سایر اکسیدها نیز ضرورتاً بر روی فعالیت هیدرولیک سرباره ی کوره ی بلند، مؤثرند. علت این مسئله، جایگزینی جزئی اکسید کلسیم در ترکیبات فعال و تشکیل ترکیبات با فعالیت کمتر می باشد. اکسید آهن نیز در مقادیر اندک وجود دارد اما اثر آن بر روی فعالیت هیدرولیکی، اثبات نشده است.
وجود ترکیبات سولفیدی مانند CaS، MnS، FeS در سرباره، معمولاً ضروری نیست. عموماً میزان CaS معمولاً 2 تا 3 % وزنی است اما حتی اگر این میزان به 5 % برسد، فعالیت هیدرولیکی افزایش می یابد. برهمکنش CaS با آب به صورت زیر است:
محصول های برهمکنش موجب افزایش فعالیت اجزای شیشه ای موجود در سرباره می شود.
آهن سولفید (FeS) و MnS ممکن است موجب شروع گسستگی در دانه های سرباره شود. علت این مسئله، هیدرولیزی است که طبق فرمول زیر رخ می دهد:
حجم ویژه ی مربوط به هیدروکسید تشکیل شده در دماهای بالاتر از مواد اولیه بیشتر است و این مسئله موجب عدم یکپارچگی سرباره می شود. هیدرولیز همچنین موجب عدم یکپارچگی سرباره می شود. به هر حال، در حجم های بزرگ، هم فلز فعالیت سرباره را کاهش می دهد و هم از گیرش بایندرهای سرباره ای جلوگیری می کند.
تیتانیم موجود در سرباره که به صورت Ti_2 O_3 می باشد، موجب افزایش نرخ پلیمریزاسیون ترکیبات سیلیکون- اکسیژن می شود. وجود کمپلکس های پیچیده ی سیلیکون- تیتانیم- اکسیژن و کاهش طول پیوند Ti-O به دلیل تغییر کوئوردیناسیون تیتانیم به حالت چهار، موجب کاهش جذب سطحی مولکول های آب بر روی سطح ذرات سرباره می شود و از این رو، موجب کاهش در فعالیت هیدرولیکی ماده می شود. بسته به ترکیب کل سرباره، یک میزان بحرانی از تیتانیم به صورت TiO_2 و در میزان 1.5 تا 2.5 % مورد نیاز می باشد. یک میزان بالاتر از این ماده موجب ایجاد اثرات منفی بر روی سیمان سرباره ای حاوی مقادیر سرباره ی بالا می شود.
برای ارزیابی فعالیت هیدرولیکی سرباره های گرانوله ی کوره ی بلند، Budnikov استفاده از ضریب کیفیت را پیشنهاد داده است.
برای مقادیر اکسید منیزیم تا 10 % :
برای مقادیر اکسید منیزیم بیشتر از 10 %:
بسته به این ضریب و ترکیب شیمیایی، سرباره ممکن است به سه نوع طبقه بندی شود (طبق جدول 1):
منبع مقاله :
Waste materials used in concrete manufacturing/ Satish Chandra
