بتن و سیمان

چکیده

در این مقاله، بتن های غیر آلی با تمرکز بر روی دو ناحیه ی مهم یعنی بتن های ساختاری و بتن های دما بالا( دیرگداز) مورد بررسی قرار گرفته اند. اگرچه چنین موادی برای کاربردهای و بازارهای فروش کاملا متفاوت در نظر گرفته می شوند، آنها این فصل مشترک را دارند که همه ی آنها از اکسیدهای غیر آلی و مواد مورد استفاده برای اهداف ساختاری مورد استفاده قرار می گیرند. کاربردهای کنونی و موضوعات تحقیقاتی جالب در این زمینه نیز به طور خلاصه آورده شده است.

مقدمه

بتن معمولا یک ماده ی ساختمانی است که از سیمان پرتلند، مصالح( مانند شن و ماسه)، آب و افزودنی های بهبود دهنده، ساخته می شود. بتن های دیرگداز( محصولات دیرگداز مونولیتیک) به معنای مواد با تحمل حرارتی بالایی هستند که برای تولید اشکال دیرگداز مورد استفاده قرار می گیرند. بیشتر دیرگدازهای بتنی بر اساس آلومینات های کلسیم ساخته می شوند؛ اگرچه برخی از کاربردها نیازمند استفادهاز سایر مواد سرامیکی با تحمل حرارتی بالا مانند اکسید منیزیم می باشند. ویژگی متمایزکننده ی این بتن ها این است که روش آماده سازی نیازمند استفاده از فرایندهای شکل دهی یا پخت در کارخانه ی تولیدی ندارد( یعنی نیازمند تجهیزات پختی نیست که در تولید آجرهای دیرگداز مورد استفاده قرار می گیرد). فرایند تولید این مواد تنها از مخلوط کردن بتن با آب و شکل دهی آن تشکیل شده است.
سیمان یک بایندر است که به طور خود به خودی یا به همراه سایر مواد گیرش یافته و سخت می شود. گسترده ترین کاربرد سیمان در ساختمان سازی است. دومین کاربرد پر مصرف سیمان، سیمان های استخوانی است. سیمان های استخوانی دارای ویژگی های هیدولیکی و غیر هیدرولیکی بوده و از آن در تولید ملات ها و بتن استفاده می شود. سیمان های هیدرولیک بعد از ترکیب شدن با آب، گیرش پیدا می کنند و سخت می شوند. بیشتر سیمان های ساختاری هیدرولیک هستند و بر پایه ی سیمان های پرتلند ساخته شده اند. این نوع سیمان ها دارای سیلیکات های کلسیم( حداقل به میزان دو، سوم از وزن کل) هستند. سیمان های غیر هیدرولیک سیمان هایی هستند که در آنها از مواد غیر هیدرولیک مانند آهک و گچ ژیپسی استفاده شده است. سیمان های استخوانی سیمان هایی هستند که از ترکیبی از یک زمینه ی پلیمری با یک فاز ذره ای پخش شده در داخل آن، تشکیل شده است. برای مثال، پلی متیل متا اکریلات( PMMA) با استفاده از کریستال های باریم سولفات تقویت می شوند( برای ایجاد حالت اپک در آن) و یا این پلیمر با هیدروکسی آپاتیت ترکیب می شود و سیمان های بیواکتیو را تولید می کند. این ترکیبات هم اکنون در اصلاح و ترمیم استخوانی مورد استفاده قرار می گیرند.

بتن های ساختاری

مواد سیمانی طبیعی به مدت های مدیدی وجود داشته اند. به هر حال مواد سنتزی شاید اولین بار، هزاران سال پیش بوسیله ی چینی ها و مصری ها مورد استفاده قرار می گرفتند. همچنین رومیان از مواد پزلانی برای ساخت سالن بزرگ روم استفاده کرده اند( پزلان یک سنگ آتشفشانی به شکل پودر است که برای تولید سیمان های هیدرولیکی مورد استفاده قرار می گرفته است). این ماده تنها تا سال 1824 مورد استفاده قرار می گرفته است. در این زمان، Joseph Aspdin( یک آجرچین انگلیسی) سیمان پرتلند را سوزاندن خورده های گچ با رس اختراع نمود. فرایند پخت این محصول تا زمان خارج شدن کامل دی اکسید کربن ادامه داشت و محصول بدست آمده، سپس آسیاب می شود و به عنوان سیمان مورد استفاده قرار می گیرد. علت نامگذاری این سیمان به سیمان پرتلند این است که سنگ های مورد استفاده در تولید آن ابتدا در پرتلند انگلیس یافت شده بودند.
سیمان های نوع پرتلند که از سیلیکات های کلسیم تشکیل شده اند، وقتی با آب مخلوط شوند، خمیری ایجاد می کنند که این خمیر پس از سخت شدن، ویژگی های مهندسی ارزشمندی ایجاد می کند. فازهای شیمیایی کلینکر( گلوله مانند های زینتر شده یا نیمه زینتر که بعد از آسیاب شدن به سیمان تبدیل می شوند) عبارتست از 50- 70 % ( وزنی) 3CS ( فاز الایت- )، 15-10 % 2CS ( فاز بلایت- )، 5-10 % 3CA( ) و 5-15 % CAF( فاز فریت- ) می باشد. بتن مخلوطی از خمیر سیمان با مصالح ساختمانی( مواد گرانوله خنثی مانند شن، ماسه و بتن بازیافت شده) می باشد که در آن، سیمان در این ماده ی کامپوزیتی سخت شده و تشکیل توده ای سنگ مانند را می دهند. کاربردهای اصلی این ماده در زیرساخت های عمرانی مانند ساختمان ها، بزرگ راه ها، سیستم های حمل و نقل عمومی زیرسطحی، تأسیسات تصفیه ی فاضلاب و ساختارهای دریایی می باشد.
تقریبا 1.6 میلیارد تن سیمان پرتلند، به صورت سالانه تولید می شود که در این فرایند تولید، انتشار دی اکسید کربنی دارد که این میزان از انتشار گاز، 5 % از انتشار گاز دی اکسید کربن را تشکیل می دهد. این پیش بینی می شود که تقاضا برای افزودنی های بتن و سیمان( الیاف و افزودنی های شیمیایی) سالانه 6.3 % افزایش یابد. این مسئله به این دلیل است که هر ساله استانداردهای بالاتری برای سیمان نیاز می شود و از این رو درصد افزودنی ها در واحد تن از بتن، افزایش می یابد.
آمریکا سومین کشور بزرگ تولید کننده ی سیمان در جهان است( بعد از چین و هند). صنعت بتن ایالات متحده ی آمریکا( شامل سیمان، بتن آماده، لوله های سیمانی، بلوک های سیمانی، بتن های پیش ساخته و تقویت شده و محصولات وابسته به آن)، بزرگترین بخش تولیدی در ایالات متحده ی آمریکاست. این بخش به طور مستقیم 2 میلیون شغل ایجاد کرده است. این مشاغل شامل شرکت های مهیاکننده ی مواد اولیه، طراحان، پیمانکاران و بخش های تعمیر و نگهداری می باشد. ارزش محموله های سیمان و محصولات بتنی سالانه به بیش از 42 میلیارد دلار می رسد که تقریبا 75 % از کل کارخانه ها به تنها 10 شرکت بزرگ، تعلق دارد. این 10 شرکت بزرگ عبارتند از شرکت لافارژ آمریکای شمالی، شرکت هولسیم آمریکا، CEMEX، SA de CV، شرکت سیمان Lehigh، شرکت سیمان Ash Grove ، شرکت سیمان Essroc، شرکت صنعتی Lone Star، شرکت سیمان RC، شرکت صنایع تگزاش( TXI) و شرکت سیمان پرتلند کالیفورنیا.
دو نوع از فرایندهای تولید در صنعت سیمان متداول است: یکی از این فرایندها، فرایند تر و دیگری فرایند خشک است. اگر چه این فرایند ها از بسیاری جنبه ها، مشابه همدیگر هستند، در فرایندهای تر، مواد اولیه خام با آب مخلوط می شوند و یک دوغاب را تشکیل می دهند. این درحالی است که در روش خشک، مواد اولیه با استفاده از سایش خشک مخلوط می شوند و به دلیل عدم نیاز به خروج آب در این فرایند، میزان مصرف انرژی در آن نسبت به روش قبلی، پایین تر است. شکل 1 شماتیکی از فرایند تولید سیمان و یک کوره ی دوار مورد استفاده برای تولید کلینکر را نشان می دهد.

بتن های تقویت شده با الیاف

بتون های تقویت شده با الیاف( FRC) دارای توزیعی از الیاف ریز در زمینه هستند که جهت گیری این الیاف به صورت رندوم می باشد. اندازه ی الیاف با طول مشخصه ی آنها که معمولا کمتر از 50 میلی متر است، تغییر می کند. همچنین قطر این الیاف نیز معمولا کمتر از 1 میلی متر است. الیاف متنوعی برای تقویت بتن مورد استفاده قرار می گیرند( جدول 1). این کار با استفاده از افزودن 1-3 % حجمی فیبر به بتن انجام می شود. افزودن این الیاف به بتن موجب می شود تا استحکام بتن تا 25 % افزایش یابد و تافنس آنها نیز با یک فاکتور 4 بهبود یابد. این بدین معناست که FRC دارای استعداد کمتری برای ترک خوردن نسبت به بتن معمولی است و از این رو این بتن دارای عمر مفید بیشتری است. بتن های ساختمانی با فولاد تقویت می شوند. با استفاده از فولاد، نیروهای کششی اعمال شده بر بتن مسلح دفع می شود. بتن های تقویت شده با الیاف فولادی( SFRC) دارای سیمان، مصالح دانه بندی شده و الیاف کوتاه فولادی است( در این کامپوزیت ها از فولادهای کم کربن و فولاد ضد زنگ استفاده می شود). در هنگام اعمال نیروهای کششی، SFRC وقتی در هم شکسته می شود که این الیاف فولادی شکسته شوند و یا از زمینه ی سیمانی خارج شوند. برهمکنش های نیروی و کرنشی بوجود آمده در این کامپوزیت ها بسیار پیچیده است و به نیروهایی مانند پیوند مکانیکی و شیمیایی میان بتن و تقویت کننده، ویژگی های وابسته به زمان( خزش و انقباض)، جنبه های مربوط به محیط( مانند یخ زدگی و مواد شیمیایی)، پیکربندی هندسی، محل قرارگیری و توزیع فاز تفویت کننده و نسبت حجمی بتن به تقویت کننده، بستگی دارد.
کاربردهای SFRC از مزیت هایی همچون استحکام کششی دینامیک و استاتیک، ویژگی های جذب انرژی، تافنس و مقاومت در برابر خستگی برخوردار هستند. این کاربردها شامل SFRC های ایجاد شده در محل( شامل اسلب ها و کف پوش های صنعتی)، SFRC های پیش ساخته( با مقادیر 1 تا 3 % فیبر)، شاتکریت( اسپری کردن بتن برای استفاده در کاربردهای ساختمانی مانند تثبیت شیب و تقویت و تعمیر ساختارها)، و بتن های الیافی دوغابی با قابلیت نفوذ( این نوع از بتن ها، SIFCON نامیده می شوند و در جاهایی استفاده می شود که قبلا یک شبکه از الیاف فولادی بوجود آمده است و سپس برای پرکردن فواصل میان الیاف از دوغاب های سیمانی استفاده می شود. این نوع از بتن ها دارای مقدار بیشتری الیاف است( در حد 8 – 12 % حجمی)). خوردگی تقویت کننده های فولادی، عدم تمایل بتن برای ایجاد پیوند با تقویت کننده، و همچنین کاهش کارایی ساختاری در طی زمان، توسعه ی تقویت کننده های فلزی و غیر فلزی مقاوم در برابر خوردگی و پایدار را ترویج می دهد. بنابراین سایر تقویت کننده ها مانند الیاف پلی پروپیلن، الیاف شیشه و الیاف کربنی برای استفاده در بتن توسعه یافته اند.

الیاف کربنی و آلی

استفاده از الیاف تقویت کننده ی پلاستیکی( FRP) در بتن در دهه ی 1960 شروع شده است. با استفاده از این الیاف مشکل خوردگی مربوط به بتن های تقویت شده با فولاد که در پل ها و بخش های ساختاری بزرگراه ها مورد استفاده قرار می گرفتند، برطرف شد. این مواد متعلق به یکی از گروه های مواد هستند که پلیمرها نامیده می شوند. پلیمرها خواه ترموست باشند( مانند پلی استر، وینیل استر، اپوکسی، فنولیک) یا ترموپلاست( مانند نایلون و PET) بوسیله ی الیاف( مانند الیاف شیشه، کربن و آرامید) تقویت می شوند. هر کدام از این الیاف که برای استفاده در مهندسی ساختارها، مناسب هستند، دارای ازدیاد طول ویژه ی و رفتار تنش- کرنش مناسب هستند. کامپوزیت های تقویت شده با میله، اخیرا در بخش های ساختاری پل های بزرگراه هامورد استفاده قرار گرفته اند و این به نظر می رسد که این کامپوزیت ها، بزرگترین بازار فروش را در صنعت حمل و نقل به خود اختصاص دهند. شکل 2 مثالی از تعمیر یک پل کوچک را بوسیله ی ایجاد شبکه ای از میله های FRP نشان می دهد. پس از ایجاد این شبکه، بتن در داخل این ساختار ریخته می شود. مزیت های مهندسی این الیاف عبارتند از جلوگیری از ایجاد ترک های انقباضی و پلاستیک( با افزایش قابلیت تحمل تنش کششی بتن پلاستیک)، کاهش نفوذپذیری، و ایجاد قابلیت تحمل ضربات بزرگتر و تقویت شاتکریت. پلاستیک های تقویت شده با الیاف کربنی( CFRP) در شکل شبکه ای پتانسیل استفاده شدن به عنوان یک ماده ی تقویت کننده را دارا می باشند. این شبکه ها توانایی تحمل نیروهای فشاری را در هنگام خم شدن دارا می باشند. علاوه بر این، الیاف کربنی ممکن است به عنوان یک ماده ی عایق عمل کنند. این تقویت کننده های شبکه ای همچنین به عنوان قالب عمل می کنند. به هر حال، یک شبکه ی CFRP یک ماده ی شکننده و گران قیمت است و در هنگام بروز آتش سوزی ممکن است موجب تشدید آتش سوزی شود.

بتن تقویت شده با الیاف شیشه

الیاف شیشه دارای استفاده در کاربردهای مهندسی عمران است زیرا این ماده دارای ویژگی های مناسب مانند قیمت ارزان و استحکام بالا می باشد. بازار فروش محصولات تقویت کننده ی شیشه ای تقریبا 2.5 میلیون تن در سال( در سال 2001) تخمین زده شده است. این فروش دارای رشد متوسطی در حدود 5.4 % در هر سال است. خمیرهای GFRC اصلی از الیاف بروسیلیکلاتی( کلاس E) و الیاف سودالایمی( کلاس A) استفاده می کنند. الیاف سودالایمی به دلیل حضور مواد قلیایی در ساختارشان، دارای استحکام کمتری هستند( در این بتن ها پی اچ بالاتر از 12.8 است). سایر ترکیبات مورد استفاده در تولید الیاف شیشه عبارتند از شیشه های کلاس S( دارای سیلیکات های منیزیم و آلومینیوم با استحکام بالا)، شیشه های کلاس S-2( یک شیشه ی کلاس S که بر روی آن عملیات سطحی انجام شده است) و شیشه های کلاس C( یک شیشه ی بروسیلیکاتی دارای سدیم) که در محیط های خورنده مورد استفاده قرار می گیرند. الیاف مقاوم در برابر مواد قلیایی دارای مقادیری زیرکونیا( در حدود 16 %) می باشند. یکی دیگر از راه های جایگزین بالقوه، استفاده از شیشه های فسفاته ی آهن دار است. در زمانی که GFRC های بر پایه ی سیلیس در معرض طولانی مدت هوازدگی قرار گیرد، ویژگی های مکانیکی و تغییرات ابعادی آنها تغییر می کند. تغییرات ابعادی در GFRC می تواند به طور قابل ملاحظه ای از بتن های معمولی، بیشتر باشد. علت این موضوع درصد بالای سیمان در زمینه ی ملات می باشد. در هنگام ایجاد تنش و یا تمرکز تنش، ترک ایجاد می شود. این مسئله می تواند در اجزایی که بیش از حد محدود شده اند، رخ دهد.
الیاف در مقادیر بالاتر( بیشتر از 2 کیلو گرم بر متر مکعب از بتن) در کاربردهای تجاری مورد استفاده قرار می گیرند. بزرگترین کاربرد GFRC در تولید پنل های نمای ساختمانی است. این بخش تقریبا 80 % از تمام اجزای ساختمانی و معماری GFRC مورد استفاده در کاربردهای خارج ساختمانی را در ایالات متحده ی آمریکا، به خود اختصاص داده است. سایر زمینه های کاربردی در جدول 2 آورده شده است.

تست ها و بررسی های انجام شده

چندین تکنیک برای ارزیابی ساختارهای عمرانی وجود دارد. این تکنیک های انعکاسی پالسی عبارتند از تکنیک راداری( انعکاس و تفرق موج های الاستیک بعد از برخوردهای مکانیکی)، انعکاس برخوردی( انتشار، انعکاس و تفرق موج های الاستیک بعد از برخورد مکانیکی) و انعکاس پالسی التراسونیک(انتشار و پخش شدگی موج های صدا با مبدل های مافوق صوت). تکنیک های شناخته شده ی دیگر عبارتند از تکنیک پاسخ ضربه ای( IR ) و تست برخورد انعکاسی. روش IR از یک برخورد با کرنش پایین، برای فرستادن موج تنشی در داخل نمونه (از طریق یک پتک در سلول بارگذاری)، استفاده می شود. ماکزیمم تنش فشاری در نقطه ی برخورد، با ویژگی های الاستیکی سری چکش در ارتباط است. پاسخ تنش ورودی با یک مبدل سرعت اندازه گیری می شود. روش IR برای ارزیابی ساختار بتن تقویت شده ای پیشنهاد می شود که در اسلب های کف، پیاده روها، عرشه و اسکله ی پل ها، ساختارهایی که در آنها سیال باقی می ماند، بخش هایی از شومینه و سیلوها مورد استفاده قرار می گیرند.
اخیرا، تکنیک انعکاسی- پالسی برای تعیین محل قرارگیری عیوب بزرگ ومتوسط در ساختار بتن مورد استفاده قرار گرفته است. این روش برای ارزیابی شرایط پیوند دهی میان سطوح سنگ دانه- ملات و هسته های داخلی قلوه سنگ ها در بناهای سنگی و یکپارچگی ساختاری بتن با کارایی و استحکام بالا، مورد استفاده قرار می گیرد. یک برخورد مکانیکی بر روی سطح برای ایجاد یک موج تنشی الاستیک مورد استفاده قرار می گیرد. این موج از میان ساختار عبور می کند؛ در مرزها و جریان های داخلی انعکاس می یابد و به سطح باز می گردد. یک رسیور در نزدیکی نقطه ی برخورد قرار داده می شود و از آن برای اندازه گیری جابجایی های سطحی نرمال استفاده می شود. تبدیل فوریه ی سریع( FFT) برای تعیین طیف فرکانس مربوطه و آنالیز مکان جریان ها یا سطوح مورد استفاده قرار می گیرد. این کار با استفاده از فرمول زیر انجام می شود:

که در اینجا موج اولیه ای( موج P) است که به داخل ماده ارسال می شود( این موج برای بتن و بسته به عمر و سایر ویژگی های آن، در گستره ی است و f فرکانس مشخصه می باشد. محدودیت ها و مشکلات مربوط به این روش شامل اثر طیف بر روی برخوردکننده، وسایل دریافت کننده ی موج و تفسیر سایر موج های انعکاس یافته است. بهبود هایی در این زمینه با استفاده از وسایل غیر تماسی در تولید برخود( موج های شک مانند) و نظارت بر روی پاسخ این برخورد( با استفاده از ویبره سنج های لیزری برای اندازه گیری سرعت سطح)، بوجود آمده است.
استحکام خمشی با توجه به استاندارد ASTM C 947 و دانسیته نیز با توجه به استاندارد ASTM C 948 تعیین می شوند. GFRC تولید شده از سیمان، الیاف شیشه ی AR، ماسه و آب ماده ی آتش گیر نیست و باید معیارهای استاندارد ASTM E 136 را داشته باشد. پنل های GFRC تک لایه می تواند به گونه ای طراحی شوند که یک محافظ در برابر عبور شعله مورد ایجاد کنند؛ اما تحمل در برابر شعله در اینگونه مواد، همانگونه که بوسیله ی استاندارد ASTM E 119 تعریف شده است، باید بیشتر از 15 دقیقه باشد.

موضوعات تحقیقی کنونی

در مرکز علوم و تکنولوژی مواد پیشرفته ی بر پایه ی سیمان که در دانشگاه Northwestern قرار گرفته است( NSF)، تحقیقات قابل توجهی در حال انجام می باشد. جامعه ی سرامیک آمریکا نیز مطالعات گسترده ای بر روی این مواد انجام داده است. 4 حوزه ی حیاتی و عمومی بوسیله ی صنعت ایالات متحده ی آمریکا شناسایی شده است که برای پیشگام بودن در زمینه ی تکنولوژیکی باید به آن توجه نمود. این حوزه ها عبارتند از 1) طراحی و سیستم های ساختاری، 2) مواد سازنده، 3) تولید، تحویل و جایگزینی بتن و 4) تعمیر و نوسازی( جدول 3). موضوعات تحقیقاتی کنونی عبارتند از شناسایی ویژگی های ریزساختاری( مانند ژل C-S-H، اشکال خلل و فرج، ناهمگنی)، ویژگی های مکانیکی( پیش بینی مدل، اندازه گیری، و بهبود کارایی)، رفتار شیمیایی( مانند رفتار ماده در محیط های خورنده، فرایند هیدراسیون، شکفتگی CaCO_3 ) و ویژگی های بتن در دماهای بالا. سایر زمینه های خاص عبارتند از روش های تعیین خواص( مانند خستگی، خزش و ویژگی های شیمیایی) FRP. این روش ها باید تکرارپذیر و واقعی باشند. ترمیم ساختارها یک زمینه ی مرتبط است که چندین سازمان جهانی درگیر این موضوع هستند. علاوه بر انستیتوی بتن آمریکا( ACI)، گروه هایی وجود دارد که در این زمینه اطلاعات جمع آوری می کنند. این گروه ها عبارتند از انستیتوی بین المللی ترمیم بتن، جامعه ی ترمیم بتن انگلستان، موسسه ی تحقیقات مواد ساختمانی انگلستان، جامعه ی کف سازی بتن آمریکا، جامعه ی آمریکایی کارمندان State Highway و شرکت های مهندسی نظامی آمریکا. جدول 4 توسعه های اخیر در زمینه ی توسعه ی مواد بتنی و سیمانی را به طور خلاصه آورده است. مواد بهبود یافته و سنسورهای پیشرفته برای کاربردهای طاقت فرسا مانند بتن در سکوهای نفتی دریایی وصنایع هسته ای مورد نیاز هستند. به هر حال، وقتی این ساختارها فرسوده می شوند، به دلیل اثرات محیطی، تخریب می شوند و پایداری آنها کاهش می یابد. موارد قابل توجه، ایجاد خوردگی در تقویت کننده های فولادی به دلیل کربونیزه شدن بتن یا ورود یون های کلرید، اتلاف قابل توجه در استحکام پس از اعمال نیرو، لیچینگ بتن و نفوذ متقابل ممانعت کننده های خوردگی از طریق ایجاد ترک در بتن.

بتن های دیرگداز( دیرگدازهای مونولیتیک)

دیرگدازهای مونولیتیک یا دیرگدازهای بی شکل، تقریبا از ترکیب مواد اولیه ای ایجاد می شوند که در آجرهای پخته شده مورد استفاده قرار می گیرد. ویژگی قابل تمیز دادن این است که روش آماده سازی این مواد شامل شکل دهی و یا پخت در داخل کارخانه نمی باشد. یک تعریف کلی از این مواد عبارتست از مخلوط ها و یا بچ هایی که دارای افزودنی و بایندر هستند و برای استفاده ی مستقیم بعد از افزودن آب و یا بدون اضافه کردن آب، تولید می شوند. مخلوط نهایی ممکن است شامل الیاف سرامیکی، آلی و یا فلزی باشند.

کامپوزیت ها و کاربردهای آن

چندین راه برای طبقه بندی این دیرگدازها با توجه به ویژگی های فیزیکی و شیمیایی و یا کاربردهای آنها، در زیر به صورت لیست در آمده است:
روش نصب: ریخته گری یا ریختنی، اعمال با استفاده از ماله کشی، شاتکریت( پاششی)، ویبراسیونی، کوبیدنی و تزریقی
استفاده یا کاربرد: مواد مورد استفاده در ساختارهای مونولیتیکی، مواد مورد استفاده برای ترمیم، مواد مورد استفاده برای نصب و اتصال شکل دهی( ملات ها).
نوع باند: باند هیدرولیک با سخت شدن و گیرش هیدرولیک در دماهای اتاق، پیوند سرامیکی با گیرش بوسیله ی زینترینگ، پیوند شیمیایی( آلی یا غیر آلی) با گیرش شیمیایی نه واکنش هیدرولیک در دمای اتاق و یا در دمایی کمتر از دمای باند سرامیکی، و باند آلی با گیرش و یا سخت شدن در دمای اتاق و یا در دماهای بالاتر.
ترکیب شیمیایی: مواد بر پایه ی سیلیس، برپایه ی سیلیس- آلومینا، کروم، اکسید منیزیم، کروم- منگنز، اسپینل، SiC، مواد حاوی کربن( بیشتر از 1 % کربن یا گرافیت) و مواد ویژه( دارای اکسیدهای دیگر مانند زیرکن، زیرکونیا و سیلیسیم نیترید و ...).
دانسیته بالک: سبک وزن( با دانسیته ی بالک کمتر از 1.7 ) و جرم های ریختنی پر دانسیته
نرم ها و استانداردها: برای مثال استاندارد ISO و ASTM.
سیمان های بر پایه ی کلسیم آلومینات مثالی ازجرم های ریختنی دیرگدازی است که به طور متداول مورد استفاده قرار می گیرند. توسعه ی جرم های ریختنی کم، بسیار کم و بدون سیمان و جرم های ریختنی خود جریان دارای کاربردهای گسترده ای در زمینه ی دیرگدازهای مونولیتیک است. دیرگدازهای تقویت شده با فولاد( SFRR) در کاربردهایی مانند تولید فلزات آهنی و غیر آهنی، تصفیه ی نفت خام، کوره های دوار سیمان، بویلرها و کوره های زباله سوز مورد استفاده قرار می گیرند. الیاف فولادی به بتن های دیرگداز اضافه می شود تا مقاومت در برابر ترک خوردن و از هم پاشیدن این دیرگدازها در کاربردهایی که در آنها سیکل های دمایی زیاد و یا شک های حرارتی ایجاد می شود، افزایش یابد.
دیرگدازهای مونولیتیکی با باند فسفاته هم به عنوان دیرگدازهای پلاستیک با باند فسفاته و هم جرم های ریختنی با باند فسفاته وجود دارند. دیرگدازهای پلاستیک با باند فسفاته دارای اسید فوسفوریک یا یک محلول فسفات آلومینیوم است. آنها عموما دیرگدازهایی هستند که با افزایش دما، گیرش پیدا می کنند و بعد از ایجاد این گیرش، دارای استحکام بالایی هستند و مقاومت آنها در برابر سایش نیز بالاست. جرم های ریختنی با باند فسفاته سیمان ندارند. در این مواد، اکسید منیزم ممکن است به عنوان یک عامل ایجاد گیرش، به آن اضافه گردد.

خشک کردن و پخت جرم های دیرگداز ریختنی

آسترکاری های ایجاد شده بوسیله ی مواد دیرگداز مونولیتیکی، در محل اجرا، خشک می شوند و در همین مکان حرارت داده می شوند. در طی فرایند خشک کردن، سرعت های حرارت دهی سریع ممکن است منجربه تخریب ویژگی های مکانیکی و در برخی موارد، ایجاد فشار در خلل و فرج و حتی از هم پاشیدگی می شود. به عبارت دیگر، یک سرعت حرارت دهی کم، انرژی بر و زمان بر می باشد. خشک کردن با انتقال حرارت و جرم در توده ی متخلخل همراه است که این موضوع موجب ایجاد تغییرات ساختاری ( یعنی اندازه ی و شکل تخلخل ها) و تغییرات شیمیایی( یعنی آب زدایی) می شود. فشار بخار آب در تخلخل اصلی ترین نیروی محرکه ی انتقال رطوبت است. این فشار بخار همچنین نیروی محرکی است که می تواند موجب شکسته شدن بتن دیرگداز در زمان ساخت شود. در طی فرایند خشک کردن، چندین ویژگی ماده( مانند نفوذپذیری، رسانایی گرمایی و استحکام مکانیکی) به طور قابل ملاحظه ای بوسیله ی دما و میزان رطوبت، تحت تأثیر قرار می گیرد. آب گیری بوسیله ی اثرات فعل و انفعالی و مزدوج یک تعداد از متغیرها تحت تأثیر قرار می گیرد. این متغیرها عبارتند از بافت، نحوه ی مخلوط شدن، نفوذپذیری، استحکام، رسانایی حرارتی، میزان رطوبت، نحوه ی قالب گیری و آماده سازی، میزان و نوع بایندر، روش خشک کردن، و شکل نصب می باشد. یک روش متداول برای بهبود مقاومت در برابر متلاشی شدن بتن دیرگداز، اضافه نمودن الیاف آلی به مخلوط آنها و افزایش قابلیت نفوذپذیری است.
نفوذپذیری یک ویژگی ماده است که بیشترین اثر را بر روی فرایند خشک کردن جرم های ریختنی دیرگداز دارد. نفوذپذیری مایعات بهم فشرده که در محیط تخلخل های هموژن و صلب قرار گرفته اند، بوسیله ی معادله ی Forchheimer توصیف می شود. این معادله دارای یک عبارت درجه ی دو برای سرعت جریان q است. برای تغییرات اندک در فشار، معادله ی Forchheimer ، قانون دارسی را ایجاد می کند:

که در اینجا، افت فشار تفاوت میان فشار مطلق مایع در ورودی و در خروجی نمونه ی است. L ضخامت نمونه و k ضریب نفوذپذیری است که در شبیه سازی کامپیوتری مورد استفاده قرار می گیرد. نفوذپذیری بسیار اندک جرم های ریختنی دیرگداز با استفاده از روش تخریب تحت خلأ انجام می شود. نمودار تخریب تحت خلأ برای نظارت بر تغییر فشار در عرض یک نمونه ی اسلب مانند ترسیم می شود. این فرایند در یک محفظه ی خلأ و بر اساس میزان تخریب به عنوان تابعی از زمان، انجام می شود.

تکنیک های ارزیابی

ضخامت دیوار
چندین روش برای اندازه گیری ضخامت دیواره ها، پروفایل خوردگی و ماکروعیوب پیشنهاد شده است. دو روش مورد استفاده در دمای اتاق که در آنها تنها نیاز به اتصال در سطح سرد کوره است، متداول ترند. اولین روش روش انعکاس- برخوردی است که در بتن های ساختمانی و پیاده روها مورد استفاده قرار می گیرد. روش دوم روش رادار موج پیوسته ی با فرکانس مدوله شده(FM-CW) است. در این روش می توان اطلاعاتی در مورد ضخامت در زمان واقعی بدست آورد.
استفاده از تکنیک های تست مافوق صوت در محیط های نامناسب مانند محیط های با دمای بالا و محیط هایی که تحت تابش امواج است، مورد استفاده قرار می گیرد. آزمون پیچیده است زیرا در این روش نیاز به وسایل راهنمای موج با اتصالات با قابلیت تحمل حرارتی بالا و سیستم های خنک کننده برای محافظت از مبدل های مافوق صوت می باشد( دمای این مواد نباید به دمای کوری برسد). هیچ مبدل برپایه ی فیلم های AlN قادر به انتشار و دریافت انرژی مافوق صوت در دماهای بیشتر از و فشار بالاتر از 150 MPa نیست.

پروفایل رطوبتی

اندازه گیری پروفایل های رطوبتی در حالی که بتن در حال خشک شدن است، با استفاده از فشارسنج بر روی نمونه های لایه ای، گزارش شده است. همچنین این کار با استفاده از تصاویر رزونانس مغناطیسی( MRI) نیز قابل انجام می باشد. این روش آخری می تواند پروفایل های رطوبتی را به طور غیر مخرب تعیین کند و رزولیشن بدست آمده در آن بالاست. به عبارت دیگر این رزولیشن در حد میلیمتر یا کمتر از آن، است. اندازه ی نمونه ها به صورت استوانه های کوچک( با قطر تقریبی 2.5 سانتیمتر) است و حرارت دهی در جای نمونه ها این تحقیق را در سطح کاربردهای تحقیقاتی محدود کرده است. مدل سازی الکترومغناطیسی برهمکنش سیگنال های میکروویو با مواد سیمانی مرطوب، بصیرت مناسب جهت ارزیابی توزیع آب و حرکت آن در داخل جرم ریختنی دیرگداز را در روشی خوداگاه و با رزولیشن بالا فراهم می آورد.

رئولوژی جرم ریختنی

مخلوط نمودن جرم ریختنی بر روی توزیع اندازه ذرات( PSD) و روش افزودن آب مورد استفاده، اثر گذارد. جرم های زیختنی نیازمند یک انرژی مخلوط شوندگی حداقل هستند تا بدینوسیله ماکزیمم میزان سیالیت ایجاد شود. این کار بوسیله ی افزودن دو مرحله ای آب انجام می شود و می تواند با استفاده از توزیع اندازه ی ذراتی ایجاد شود که این توزیع بازده مخلوط شوندگی بالایی را در مقادیر گشتاور پایین، زمان های مخلوط شوندگی کوتاه، و حرارت دهی کنترل شده، فراهم آورد. ارزیابی های رئولوژیک با استفاده از یک رئومتر جدید انجام می شود. این رئومتر همچنین برای توسعه ی مخلوط های بهبود یافته نیز مورد استفاده قرار می گیرند. علاوه بر قابلیت جریان یافتن، زمان گیرش و میزان استحکام دانه ها، اندازه گیری پروفایل های گرمایی بر روی خمیرهای سیمانی نیز به ما اطلاعاتی در مورد ترکیب و فعالیت سیمان می دهد؛ همچنین این پیشنهاد می شود که از این روش در بخش های کنترل کیفیت مانند بررسی زمان گیرش، عیب یابی ها در زمینه ی جرم های ریختنی و مواد فعال مورد آزمایش، مورد استفاده قرار گیرد.

موضوعات تحقیقاتی کنونی

بتن های دیرگداز امروزه در گستره ی وسیعی از کاربردهای صنعتی دما بالا مورد استفاده قرار می گیردند. دیرگدازهای مونولیتیک بر پایه ی سیمان های کلسیم آلومیناتی( CAC) مهم ترین عضو این گروه هستند. ویژگی ها و رفتارهای بنیادی این گروه اخیرا مورد بررسی قرار گرفته است( تولید، استفاده ها، کلینکرهای CAC، مینرالوژی، ریزساختار، هیدراسیون و موضوعات محیط زیستی). موضوعات کاری کنونی به رویه ی اقتصادی این صنعت وابسته است. تقاضا برای مواد دیرگداز در آمریکا سالانه 2.2 % افزایش می یابد و در سال 2007، این میزان به 2.4 میلیارد دلار رسیده است. این تقاضا موجب می شود تا کیفیت بازار فولاد را افزایش دهد زیرا 60 % از کل دیرگدازهای مصرفی در این صنعت مورد استفاده قرار می گیرد. اشکال تولید شده از جرم های ریختنی و جرم های ریختنی که در جا مورد استفاده قرار می گیرند، بخش با سریع ترین رشد محسوب می شود. جدول 5 تقاضای ایالات متحده ی آمریکا را در زمینه ی مواد دیرگداز نشان می دهد. امروزه در این صنعت، این رویه مشاهده می شود که یکپارچگی کارخانه ها از طریق ادغام و اتحاد شرکت های مرتبط با مواد دیرگداز ایجاد شده است. عموما تولید جهانی مواد دیرگداز افزایش یافته است. علت این موضوع به دلیل نیاز جهانی به بهینه سازی فرایندها یا تولید مواد دیرگداز با کارایی بالاتر می باشد. به هر حال، مصرف دیرگدازهای مونولیتیک در بازار افزایش یافته است که این بخش یکی از بخش های مهم در بین مواد دیرگداز محسوب می شود. برای مثال، تقریبا 60 % از کل تولید در ژاپن انجام می شود.
موضوعات امروزی در زمینه ی دیرگدازهای مونولیتیک، شامل موضوعاتی در زمینه ی جرم های ریختنی بدون سیمان، مخلوط های خود سیال و با جریان آزاد، ترکیبات ویژه مانند مواد بر پایه ی اسپینل، تکنیک های تولید، کاربردهای جدید، شناسایی و جرم های ریختنی بازی می باشد. مقاله های خاصی در این زمینه نیز منتشر شده است که در آن موضوعات زیر مورد بررسی قرار گرفته است:
توسعه ی جرم های ریختنی با کارایی بالا( یعنی دارای استحکام بالا تحت شرایط خوردگی و دمای بالا).
کاربردها، موضوعات مرتبط با عایق کاری، ادوات خشک کردن و پخت، توسعه ی اشکال متنوع
استفاده از بایندرهای جدید برای جرم های ریختنی بدون اینکه بر روی ویژگی های دیرگدازی آن اثر گذار باشد. مواد پراکنده ساز جدید و مطالعات رئولوژیک.
مطالعات بر روی ویژگی های ترمو- مکانیکی، رفتار شیمیایی، پیش بینی های تئوری، و شبیه سازی های کامپیوتری
توسعه ی جرم های ریختنی بازی: برای مثال استفاده از MgO ، CaO و دولومیت برای تولید جرم های ریختنی دما بالا، پوشش دهی سنگدانه ها برای حفظ کلینکر
مطالعه و بهینه سازی فرایند خشک کردن و پخت: شامل شبیه سازی فرایند خشک کردن و بررسی اثرات آن بر روی استحکام مکانیکی و خاصیت دیرگدازی.
استفاده از مطالب این مقاله با ذکر منبع راسخون بلامانع است.