افزودني هاي سيماني (1)

واژه شناسي

اگر چه واژه هاي كلينكر و سيمان پرتلند به خوبي پذيرفته شده اند، چندين عبارت ديگر وجود دارد كه براي اشاره به موادي مورد استفاده قرار مي گيرند كه در كارخانه ي سيمان با كلينكر سيمان پرتلند مخلوط مي شود و يا به طور مستقيم در بتن سازي مورد استفاده قرار مي گيرند و بواسطه ي افزوده آنها بايندرهاي هيدروليك توليد مي شود. اين بايندرها نيز با افزوده شدن آب، سخت مي شوند. اين مسئله در زبان هاي غير انگليسي هم مشاهده مي شود. براي مثال در فرانسه واژه شناسي مرتبط با اين مواد تا حدي مبهم است. Baron و Ollivier (1995) تمايزات زير را قائل شدند:
اجزاي فرعي محصولاتي هستند كه در مقادير كمتر از 5 % به سيمان افزوده مي شوند. ضرورتي ندارد كه در مورد طبيعت آنها دقت كنيم و اين نوع سيمان مي تواند هنوز هم به عنوان سيمان پرتلند، به فروش برسد.
افزودني ها محصولاتي هستند كه در مقادير كم و در حين آسياب كاري به سيمان افزوده مي شوند. آنها ويژگي هاي اساسي سيمان را اصلاح نمي كنند. براي مثال اين افزودني ها مي توانند به فرآيند آسياب كاري كمك كنند.
ساير مواد فرعي كه به كلينكر سيمان پرتلند اضافه مي شوند و سيمان هاي مخلوط را ايجاد مي كنند، عبارتند از سرباره، دوده ي سيليسي، پزولان هاي طبيعي، خاكستر بادي، سنگ رسي، رس هاي كلسينه شده، سنگ آهك و پركننده هاي سيليسي.
اين نامگذاري مبهم نتيجه اي از استفاده ي دراز مدت و سنتي اين افزودني ها در صنايع سيمان فرانسه مي باشد.
استاندارد اروپايي ENV 197-1 يك استاندارد خاص است. اين استاندارد هر ماده ي افزودني را كه مي توان به كلينكر سيمان پرتلند، اضافه كرد را با يك نماد نشان مي دهد. براي مثال، حرف K براي نشان دادن كلينكر، S براي نشان دادن سرباره، P براي نشان دادن پزولان طبيعي، Q براي نشان دادن پزولان صنعتي، V براي نشان دادن خاكسترهاي بادي سيليكوآلوميناتي، W براي خاكسترهاي بادي سيليكوكلسيك، T براي نشان دادن سنگ رسي كلسينه شده، L براي نشان دادن فيلرهاي سنگ آهكي، D براي نشان دادن دوده ي سيليسي، و F براي نشان دادن فيلرها، استفاده مي شود.
در آمريكاي شمالي، عبارت هاي مختلفي براي نشان دادن اين محصولات، استفاده مي شود. اين فقدان يكنواختي در نامگذاري از سال 1998 به بعد، كمتر شده است. امروزه اين محصولات مي توانند با استفاده از بيانات عمومي زير نشان داده شوند: افزودني هاي معدني، افزودني هاي سيماني، مواد سيماني، اجزاي معدني، مواد سيماني مكمل و ... . استانداردهاي ASTM شماره ي C311 و C618 از عبارت افزودني هاي معدني براي بيان اين مواد استفاده كرده است. در اين مقاله نيز ما از اين واژه براي بيان اين مواد استفاده مي كنيم.
افزودن مواد سيماني در زمان ساخت بتن يك ايده ي جديد نمي باشد. در حقيقت، بتن هاي اوليه كه بسيار قبل تر از كشف سيمان پرتلند، توليد شدند، از مخلوط كردن آهك با مواد سيماني طبيعي يا رس كلسينه، بدست آمده است. اولين استفاده از سرباره در بتن، در شروع قرن 21 انجام شده است. در آلمان سرباره با سيمان پرتلند مخلوط مي شود تا اولين سيمان مخلوط واقعي توليد شود.
اگر كلي صحبت كنيم، بايد بگوييم كه در سال هاي اخير، استفاده از مواد سيماني در حال افزايش است. در واقع با استفاده از اين مواد، راهي ساده براي كاهش انتشار گاز دي اكسيد كربن ايجاد مي شود در حالي كه افزودني هاي مورد استفاده، از جمله ضايعات ساير صنايع محسوب مي شوند. افزايش ارزش افزوده، يكي ديگر از مراحل مثبت در اجراي سياست توسعه اي مي باشد.
در شكل 1، بيشتر مواد سيماني كه هم اكنون بوسيله ي صنايع سيمان و بتن، مورد استفاده قرار مي گيرد، در دياگرام فازي سه تايي قرار داده شده اند. بوسيله ي اين تصوير، مي توان تنوع تركيب شيميايي مواد مورد استفاده در توليد محصولات سيماني، را مشاهده كرد. اين نمودار همچنين نشان مي دهد كه همه ي لازم نيست همه ي موادي كه به عنوان ماده ي سيماني مورد استفاده قرار مي گيرد، داراي ، و باشند.
براي ساده سازي نمايش مهم ترين موادي كه هم اكنون به عنوان مواد سيماني مورد استفاده قرار مي گيرد، آنها اين مواد را در سه گروه طبقه بندي كرده اند: سرباره ها، مواد پزولاني و پركننده ها. اين سه گروه در پاراگراف هاي بعدي توصيف مي شوند.
لطفا توجه كنيد كه همواره بايد به ياد داشته باشيد كه وقتي يك مقاله در مورد مواد سيماني را مطالعه مي كنيد، اين خطرناك است كه نتايج و نتيجه گيري هاي آن مقاله را عموميت دهيم. علارغم اين حقيقت كه مواد سيماني مي توانند بر اساس رفتارها و اثرات مشابه، به گروه هاي گسترده اي تقسيم شوند، وقتي در مورد بتن و سيمان صحبت مي كنيم، هيچ دو ماده ي سيماني داري خواص و اثرات ايده آل نيستند. علاوه براين، كيفيت مواد سيماني مي تواند در طي زمان تغيير كند زيرا اين مواد ضرورتاً از تركيبات و مواد طبيعي تشكيل شده اند كه داراي تركيب شيميايي مشابهي با سيمان پرتلند، نمي باشد. سيمان پرتلند يك محصول صنعتي است كه تحت شرايط كنترل شده و با توجه استانداردهاي مشخص، توليد شده است.

سرباره ي كوره ي بلند

انواع مختلفي از سرباره هاي صنعتي وجود دارد اما در اين پاراگراف ما تنها يكي از انواع را در نظر مي گيريم كه در مقياس بزرگ بوسيله ي صنعت سيمان و بتن مورد استفاده قرار مي گيرد. اين نوع از سرباره، سرباره ي كوره ي بلند توليد چدن خام مي باشد.

فرايند توليد

در اين مقاله، واژه هاي زير براي توصيف آن دسته از محصولات جانبي در توليد چدن خام استفاده مي شود كه بوسيله ي صنعت سيمان و بتن به عنوان مواد سيماني مورد استفاده قرار مي گيرند. اين واژه ها عبارتند از سرباره ي گرانوله، سرباره ي كوئنچ شده، سرباره ي زجاجي و سرباره ي آسياب شده (GGBFS). در ادامه، اين مواد سيماني براي ساده سازي، سرباره ناميده مي شوند.
اولين استفاده از سرباره ها زجاجي به عنوان مواد سيماني به سال 1868 بر مي گردد. اين استفاده نتيجه اي از كارهاي انجام شده بوسيله ي E. Langen در آلمان است.
وقتي در حال توليد چدن خام در كوره ي بلند هستيم، تمام ناخالصي هاي سنگ آهن، رس و كك متالورژيكي ذوب مي شوند و بر روي سطح چدن خام شناور مي شود. اين ناخالصي ها در انتهاي كوره ي بلند جمع آوري مي شوند (شكل 2). سرباره ي مايع به محض خروج از كوره، كوئنچ مي شود. اين فرايند كوئنچ معمولاً در كارخانجات مدرن و بواسطه ي برخورد آب به سرباره ي در حال خروج از كوره، انجام مي شود. اين سرباره مي تواند همچنين به داخل بسترهاي آب يا هواي فشرده وارد شود. وقتي سرباره در داخل آب كوئنچ شود، اين سرباره به سنگي تبديل مي شود كه رنگ آن معمولاً زرد كم رنگ تا زرد قهوه اي رنگ است. وقتي اين سرباره در داخل هوا سرد شود، اين سرباره به قرص هاي 10 تا 20 ميلي متري تبديل مي شود كه داراي رنگ زرد كم رنگ تا زرد تيره مي باشد.
از نقطه نظر مينرالي، سرباره ي كوئنچ شده آمورف است و اين ماده همچنين مواد شيشه اي يا زجاجي ناميده مي شود.
سرباره ي كوره ي بلند همچنين مي تواند آرام سرد شود و با اين كار امكان كريستالي شدن مليليت (Melilite) براي آن فراهم آيد (شكل 2 و 3). مليليت يك محلول جامد از آكرمانيت (Ackermanite) و گهلنيت (gehlenite) است. سرباره ي كريستالي شده داراي هيچ خاصيت سيماني نيست و مي تواند در هنگام توليد بتن (به عنوان اگريگيت) و يا به عنوان بخشي از خوراك خام مورد استفاده قرار گيرد.
سرباره ي ذوب شده همچنين مي تواند به صورت اگريگيت هاي سبك وزن يا مينرال هاي پشمي شكل، مورد استفاده قرار گيرد.
خرده هاي سنگ آهن كه هم اكنون به كوره هاي بلند شارژ مي شود، داراي خلوص بالاتري نسبت به سنگ آهكي هستند كه 50 سال پيش مورد استفاده قرار مي گرفتند اما اين مواد همواره داراي مقاديري ناخالصي است. خرده هاي سنگ آهن معمولاً از ذرات سنگ آهني تشكيل شده اند كه بوسيله ي رس به هم متصل شده اند. به عنوان يك نتيجه، هم اكنون سرباره كمتري در هنگام توليد چدن خام در كوره ي بلند، نسبت به 50 سال گذشته، توليد مي شود.
از نقطه نظر فرآوري، اين ضروري است كه مقداري سرباره بر روي چدن خام تشكيل شود تا بدين صورت قطرات چدن خام از ميان لايه ي سرباره ي مذاب عبور مي كنند، خالص سازي شوند (شكل 4).
به دليل اينكه دماي ذوب سرباره هاي موجود در كوره ي بلند، بالاست (در مقايسه با دماي ذوب چدن خام)، توليد كنندگان فولاد معمولاً از عوامل گدازآور استفاده مي كنند (شكل 5). با استفاده از اين مواد گدازآور، امكان كاهش دماي ذوب سرباره فراهم مي شود.
در دياگرام فازي ، دو تركيب يوتكتيك وجود دارد كه داراي دماي ذوب كم هستند (دماي ذوب و - شكل 6). داراي يك تركيب شيميايي غني از است كه موجب توليد چدن هاي غني شده از مي شود. توليدكنندگان فولاد ترجيح مي دهند تا براي توليد چدن خام با كيفيت، تركيب شيميايي سرباره ي خود را در يوتكتيك قرار دهند كه داراي دماي ذوب اندكي بالاتر است. بنابراين، سرباره هاي كوره ي بلند داراي تركيب شيميايي است كه در محدوده هاي باريكي، تغيير مي كنند. تركيب شيميايي آنها نشاندهنده ي اين است كه آنها مي تواند داراي مقادير مختلفي آلومينا و اكسيد منيزيم باشند. اين مسئله به نوع عوامل گدازآور مورد استفاده (جدول 1) بستگي دارد. اين مشاهده مي شود كه سرباره ها داراي تركيب شيميايي نزديك به ناحيه ي تركيب شيميايي سيمان هاي پرتلند، هستند.
سرباره ي كوئنچ شده (شكل 7) زماني كه با سيمان پرتلند، كلسيم سولفات و مواد قليايي، فعال سازي شود، خواص هيدروليكي از خود نشان مي دهد. در طول 28 روز، يك سيمان مخلوط با سرباره به استحكام سيمان پرتلند خالص مي رسد. استحكام اوليه ي سيمان سرباره نيز نسبت به سيمان پرتلند خالص بالاتر است.
اين آسان است كه حالت آمورف سرباره ي كوئنچ شده را با استفاده از آناليز اشعه ي X بدست آوريم.
الگوي تفرق اشعه ي X اين مواد هيچ پيكي ندارند و به جاي آن، يك برآمدگي در زاويه ي برابر با 30 درجه وجود دارد. اين زاويه به پيك اصلي مليليت مربوط مي شود (شكل 8).
بهترين نوع سرباره ها، سرباره هاي هستند كه در زماني سرد شده اند كه دماي بالايي دارند. يون هاي در اين مواد جامد كاملاً بي نظم هستند و اين مسئله موجب افزايش فعاليت سرباره مي شود. اين سرباره ها كه معمولاً سرباره ي داغ ( hot slags) ناميده مي شوند، سرباره هايي كم رنگ هستند. در واقع سرباره هاي سرد (cold slag) داراي رنگ هاي تيره تري هستند و معمولاً مواد فعالي نيستند. سرباره هايي كه دماي كوئنچ آنها بين دماي ليكوئيدوس و ساليدوس است، داراي مقادير اندكي كريستال هاي مليليت است (شكل 9). دماي كوئنچ نزديك تر سرباره به دماي ساليدوس موجب مي شود تا كريستال هاي مليليت بيشتري تشكيل شود و موجب تيره تر شدن رنگ اين سرباره ها مي شود.
سرباره مي تواند به طور مستقيم با كلينكر و سولفات كلسيم تركيب شود و سيمان هاي مخلوط توليد شود اما اين سرباره ها همچنين مي توانند به طور مستقيم به مخلوط هاي بتني وارد شوند و بتن سرباره اي توليد مي شود. براي جلوگيري از مشكلات رئولوژيكي، اين بهتر است كه يك مقدار مناسب از كلسيم سولفات با سرباره مخلوط شود.
سرباره (به صورت كوئنچ شده يا كوئنچ نشده) همچنين مي تواند به عنوان ماده ي خام در طي آماده سازي خوراك خام (در توليد سيمان پرتلند) مورد استفاده قرار گيرد و با اين كار مي توان ميزان انتشار گاز دي اكسيد كربن را كاهش داد. آهك وارد شده به مواد اوليه با افزودن اين سرباره، ميزان سنگ آهك مورد نياز براي توليد سيمان پرتلند را كاهش مي دهد.

هيدراسيون سرباره

سرباره نه يك بايندر هيدروليك است و نه يك ماده ي پزولاني. وقتي سرباره با آب مخلوط مي شود، اين ماده نه سخت مي شود و همچنين به طور مستقيم با آهك آزاد شده بوسيله ي و تركيب نشده و C-S-H ثانويه تشكيل نمي شود. سرباره مي تواند با استفاده از آهك و همچنين كلسيم سولفات، پوطاس و سديم كربنات، فعال سازي شود. اين مواد به عنوان كاتاليزور به شيشه حمله مي كند (شكل 10). اين نوع از حملات شيميايي فعال سازي قليايي ناميده مي شود.
وقتي يك سرباره ي به خوبي آسياب شده، با آب مخلوط شود، تعداد اندكي يون هاي به داخل محلول وارد مي شوند و در عوض، يك ژل اسيدي در اطراف ذرات سرباره تشكيل مي شود. اين ژل اسيدي بطور موقت حل شدن سرباره را مسدود مي كند. به هر حال، آهك آزاد شده بوسيله ي هيدراسيون و ، با اين لايه ي اسيدي از ژل واكنش مي دهند و C-S-H و تشكيل مي شود (وقتي سرباره با استفاده از كلسيم سولفات فعال سازي شود، C-S-H و اترينجيت تشكيل مي شود).
سيمان پرتلند يك كاتاليزور خوب براي فعال سازي سرباره است زيرا اين ماده داراي سه تركيب شيميايي اصلي است كه مي توانند سرباره را فعال سازي كنند. اين تركيبات عبارتند از آهك، كلسيم سولفات و مواد قليايي. يون هاي سطحي، اولين لايه ي هيدراته ي تشكيل شده در اطراف ذرات سرباره را در هنگام در تماس قرار گرفتن اين ماده با آب، حل مي كنند. نتيجه ي اين واكنش تشكيل لايه ي ضخيمي از يك ماده ي هيدراته است كه نسبت به ژل اسيدي نفوذ آب كمتري دارد و از نفوذ آب بيشتر، جلوگيري مي كند. وقتي ذرات سرباره در حضور محلول اشباع از يون هاي قرار گيرد، هيدراسيون سرباره تسريع مي شود و محصولاتي در داخل ذرات سرباره تشكيل مي شود كه كاملاً كريستالي هستند. يك اسكلت هيدراته سپس تشكيل مي شود كه اين اسكلت به صورت شماتيك در شكل 11 نشان داده شده است. سرباره تا حدي هيدراسيون را به تأخير مي اندازد و اين ماده همچنين هيدراسيون و را به تأخير مي اندازد.

اثر سرباره بر روي ويژگي هاي اصلي بتن

البته اثر سرباره بر روي خواص سيمان مخلوط با سطح جانشيني ها، قابل مقايسه است. استانداردهاي اروپايي چند سطح را براي جانشيني در نظر مي گيرد: از 6 تا 20 % و از 21 تا 35 % در سيمان هاي مخلوط CPJ و از 36 تا 65 %، 66 تا 80 % و 81 تا 95 % براي سيمان هاي مخلوط توليد شده از سرباره ي كوره ي بلند. برخي از مخلوط هاي سه تايي همچنين استانداردسازي شده اند. صرفنظر از سيمان پرتلند، آنها شامل 20 تا 39 % و 40 تا 64 % سرباره هستند.
در آمريكاي شمالي، تنها سه نوع از سيمان مخلوط شده با سرباره و با استفاده از استاندارد ASTM C980 استاندارد سازي شده اند. اين سيمان ها، سيمان هاي كلاس 80، 100 و 120 ناميده مي شوند. افزايش عدد كلاس اين سيمان ها موجب افزايش مقاومت نمونه ي مكعبي مي شود. براي مثال، سيمان سرباره ي گريد 120، وقتي با مقدار برابر سيمان پرتلند، اضافه شود، داراي انديس فعاليت 115 هستند. انديس فعاليت در زمان هاي پيرسازي يكسان، نشاندهنده ي نسبت ميان استحكام نمونه ي مكعبي ملاتي است كه داراي سرباره و ملاتي است كه از سيمان پرتلند خالص استفاده كرده است (در نسبت هاي آب/ بايندر يكسان).
اثر سرباره همچنين با ميزان سفتي نيز متناسب است. اگر كلي صحبت كنيم، سرباره ها نسبت به سيمان پرتلند بيشتر آسياب مي شوند تا بدين صورت، فعاليت آنها افزايش يابد. وقتي سرباره و كلينكر سيمان پرتلند با همديگر آسياب شوند، اين كلينكر است كه ريزتر آسياب مي شود كه علت اين مسئله سختي بيشتر سرباره مي باشد.
اگر كلي صحبت كنيم، افزودن سرباره:
استحكام اوليه (24 ساعته) را كاهش مي دهد مخصوصاً در آب و هواي سرد.
مقدار حرارتي كه در ابتدا آزاد مي شود، كاهش مي يابد اما به منظور رسيدن به كاهش قابل توجه در حرارت هيدراسيون، اين ضروري است كه ميزان جايگزيني بيش از 50 % شود (يك چنين كاهش در حرارت هيدراسيون مخصوصاً در كشورهاي گرم و توليد بتن هاي توده اي، مزيت به شمار مي آيد).
نسبت استحكام كششي/ استحكام فشاري افزايش مي يابد.
نفوذپذيري آب در بتن افزايش مي يابد.
مقاومت بتن در برابر باد كردن، افزايش مي يابد (باد كردن حاصل از استفاده از اگريگيت هاي فعال يا مواد قليايي).
مقاومت بتن در برابر مواد سولفاته افزايش مي يابد.
مقاومت بتن در برابر آب دريا افزايش مي يابد.
افزودن درصد معيني خاكستر بادي به سيمان هاي مخلوط سه تايي (داراي سيمان پرتلند، سرباره و خاكست بادي)، داراي مزيت هاي زيادي است. در واقع افزودن اين ماده موجب ايجاد هماهنگي ميان سرباره و خاكستر بادي مي شود. يك اثر مشابه با افزودن 5 تا 10 % دوده ي سيليسي به سيمان مخلوط سرباره اي، مشاهده مي شود.
اخيراً برخي شركت هاي توليد كننده ي سيمان، شروع به توليد سيمان هاي مخلوط 4 تايي كرده اند كه اين سيمان ها داراي سرباره، خاكستر بادي و دوده ي سيليسي هستند.

پزولان ها

دومين گروه از مواد سيماني مورد استفاده در توليد بتن، مواد پزولاني هستند. اين واژه ي كلي براي نشان دادن گروهي از محصولات جانبي (طبيعي و صنعتي) مورد استفاده قرار مي گيرد كه داراي مقادير معيني سيليس زجاجي هستند (شكل 12). اين سيليس زجاجي (آمورف) در دماي معمولي با آهك توليد شده در هنگام هيدراسيون و ، واكنش مي دهد و C-S-H ي تشكيل مي شود كه مشابه C-S-H تشكيل شده در هنگام هيدراسيون مستقيم و است.
استاندارد ASTM C618 تعريف زير را براي واژه ي پزولان، پيشنهاد مي دهد: " پزولان مواد سيليسي يا سيليسي- آلومينايي هستند كه به خودي خود داراي ارزش سيماني بودن اندكي هستند اما در هنگامي كه به خوبي ريز شوند و در حضور رطوبت قرار گيرند، به صورت شيميايي در دماي معمولي، با كلسيم هيدروكسيد واكنش مي دهند و تركيباتي تشكيل مي دهند كه داراي خواص سيماني هستند".
وقتي يك واكنش پزولاني رخ مي دهد، آهك توليد شده در حين هيدراسيون و ، به كلسيم سيليكات هيدراته تبديل مي شود. اين اتصال ضعيف ترين اتصال ميان محصولات حاصل از هيدراسيون سيمان پرتلند از لحاظ خواص مكانيكي و دوام مي باشد. بنابراين، يك واكنش پزولاني كيفيت ذاتي خمير سيمان و در نتيجه كيفيت بتن را بهبود مي دهد. اين تنها در زمينه ي پسيواسيون ميله هاي تقويت كننده است كه مصرف آهك مزيت به شمار نمي آيد. علت اين مسئله اين است كه كاهش pH محلول بين شبكه اي با مصرف آهك كاهش مي يابد. اما با كاهش نفوذپذيري بتن، يك واكنش پزولاني همچنين آسيب پذيري بتن تقويت شده را (به دليل نفوذ عوامل خورنده)، كاهش مي دهد.
به طور شماتيك، يك واكنش پزولاني مي تواند به صورت زير نوشته شود:
پزولان + پرتلانديت ← كلسيم سيليكات هيدراته
بنابراين، هيدراسيون يك سيمان مخلوط داراي يك ماده ي پزولاني مي تواند به صورت زير نوشته شود:
سيمان پرتلند + ماده ي پزولاني + آب ← C-S-H + سولفوآلومينات ها
البته، در دنياي واقعي، يك واكنش پزولاني هيچگاه به گونه اي توسعه نمي يابد كه كل آهك آزاد شده در حين هيدراسيون و ، مصرف شود. در حقيقت، بزرگترين ذرات سيليس زجاجي يا آنهايي كه به طور جزئي كريستالي شده اند، به طور كامل واكنش نمي دهد و يا به طور جزئي واكنش مي دهد. حتي در مورد دوده ي سيليسي كه داراي ذرات پزولاني بسيار ريز است (100 برابر ريزتر از ذرات سيمان پرتلند)، اين مسئله مشاهده مي شود كه ذرات دوده ي سيليسي واكنش نداده در بتن هاي قديمي حضور دارند.
در دماي معمولي، توسعه ي واكنش پزولاني آهسته تر از سرعت هيدراسيون سيمان پرتلند است اما يك بتن آماده سازي شده با آب كه داراي يك ماده ي پزولاني است، داراي استحكامي است كه افزايش يافته است و ميزان نفوذپذيري آن با افزايش زمان، كاهش مي يابد. البته، ريز بودن ذرات پزولاني، ميزان آمورف بودن آنها و دماي بتن به طور قابل ملاحظه اي اين افزايش استحكام و كاهش نفوذپذيري بتن را تحت تأثير قرار مي دهد.
در بخش بعدي مواد پزولاني به دو گروه اصلي تقسيم مي شود: اين گروه بندي عبارتند از پزولان هاي مصنوعي و طبيعي. گروه اول شامل خاكستر بادي (fly ashes)، دوده ي سيليسي (silica fumes)، رس ها و شل ها كلسينه شده (calcined clays)، متاكائولن و خاكستر شلتوك برنج مي باشند. خاكسترهاي آتشفاني، مواد آتشفشاني، سيمان طبيعي (trass) و زئوليت ها از جمله مواد پزولاني طبيعي هستند كه به طور خلاصه در ادامه مورد بررسي قرار مي گيرند. اين فهميده شده است كه حرارت دهي تا دماهايي بين 500 تا ℃ 800، واكنش پذيري پزولاني پزولان هاي طبيعي را افزايش مي دهد اما اين فرانيد به ندرت مورد استفاده قرار مي گيرد زيرا هزينه هاي مربوط به حرارت دهي بالاست.

خاكستر بادي

واژه ي خاكستر بادي براي توصيف ذرات بسيار ريزي مورد استفاده قرار مي گيرد كه در سيستم غبار گير نيروگاه هاي برقي جمع آوري مي شوند كه سوخت آنها زغال سنگ يا زغال چوب است (شكل 13).
خاكسترهاي بادي در حقيقت، از باقيمانده هاي سوخته و نسوخته اي تشكيل شده اند كه در پودر زغال سنگ يا زغال چوب وجود دارد. اين مواد از مشعل ها خارج مي شوند (شكل 14). اين ذرات وقتي از شعله خارج مي شوند، كوئنچ مي شوند و به صورت كره هاي زجاجي ايجاد مي شوند (شكل 15 و 16) اما يك مقدار از ناخالصي هاي درشت تر مي تواند در اين مواد وجود داشته باشند كه سريعاً از داخل مشعل عبور كرده اند و آتش نگرفته اند (شكل 17).
به دليل اينكه تمام زغال سنگ ها و زغال چوب هاي كه در نيروگاه هاي برق مي سوزند، داراي مقادير يكساني ناخالصي نيستند، خاكسترهاي بادي توليد شده در اين نيروگاه ها نيز داراي تركيب شيميايي و فازي مختلفي هستند (جدول 2 و شكل 17). علاوه بر اين، احتراق زغال سنگ يا زغال چوب همواره تا 100 % پيش نمي رود و بنابراين، خاكستر بادي توليدي نيز داراي درصدهايي كربن واكنش نداده است كه اين كربن معمولاً 6 % وزني كل مي باشد. در نهايت، مقدار كربن واكنش نداده، مي تواند در طي يك روز نيز تغيير كنند. در واقع وقتي نيروگاه ميزان توليد ماكزيمم خود را در طي ساعات پيك مصرف، افزايش مي دهد، ميزان اين كربن كاهش مي دهد اما درطي شب، وقتي نيروگاه انرژي كمتري توليد مي كند، اين ميزان كربن توليدي، افزايش مي يابد.
بنابراين، واژه ي خاكستر بادي يك خانواده ي گستره از پودرها را شامل مي شود كه توزيع اندازه ي دانه ي آنها مشابه سيمان پرتلند مي باشد و ميزان زجاجي بودن ذرات در اين مواد نيز كم و بيش متفاوت است. برخي خاكسترهاي بادي وجود دارند كه كلاً كريستالي هستند و بنابراين، اين مواد واكنش پزولاني از خود نشان نمي دهند (شكل 18 و 19). برخي از خاكسترهاي بادي داراي مقادير كمتري كربن و برخي ديگر داراي مقادير بيشتري كربن هستند. درصد كربن اين خاكسترهاي بادي بسيار مهم مي باشد؛ مخصوصاً وقتي از مواد مخلوط استفاده مي شود زيرا ذرات كربن مي توانند به طور ترجيحي بر روي برخي از اجزاي اين مخلوط ها جذب شوند و كارايي آنها را تغيير دهند.
در تلاش هاي انجام شده به منظور طبقه بندي خاكسترهاي بادي، اين مواد به سه گروه اصلي طبقه بندي مي شوند. اما اين مسئله بايد مد نظر قرار گيرد كه خاكسترهاي بادي وجود دارند كه خواص آنها بين خواص اين گروه بندي ها واقع شده است.
استاندارد ASTM C618 دو خانواده از خاكسترهاي بادي را بر اساس مجموع مقدار سيليس، آلومينا و طبقه بندي كرده است:
اگر مجموع مقادير سيليس، آلومينا و بزرگتر از 70 % باشد، خاكسترهاي بادي را خاكسترهاي بادي كلاس F ناميده مي شوند.
اگر مقدار سيليس، آلومينا و كمتر از 70 % باشد و مقدار CaO بزرگتر از 10 % باشد، اين خاكسترهاي باد، خاكسترهاي بادي كلاس C ناميده مي شوند.
در فرانسه، خاكسترهاي بادي به دو نوع خاكسترهاي بادي سيليكوآلوميناتي (كلاس F) و خاكسترهاي بادي سيليكوآهكي (كلاس C) طبقه بندي مي شوند. يك كلاس ديگر از خاكسترهاي بادي وجود دارد كه خاكسترهاي بادي سولفوآهكي ناميده مي شوند. اين كلاس از خاكسترهاي بادي از گوگرد و كلسيم غني هستند.
خاكسترهاي بادي سيليكوآلوميناتي (كلاس F)، خاكسترهاي بادي حقيقي هستند. خاكسترهاي بادي سيليكوآهكي داراي خواص كمتري هستند. برخي از خاكسترهاي بادي كلاس C وجود دارند كه به خودي خود داراي خواص سيماني هستند اما ساير آنها به طور قطع پزولاني نيستند.
قبل از بررسي اثرات اصلي ايجاد شده از جايگزيني يك مقدار معين از سيمان پرتلند با يك مقدار برابر از خاكستر بادي در بتن، اين بهتراست كه در مورد نوع جديد خاكستر بادي صحبت كنيم كه در بازار موجود مي باشد. اين خاكسترهاي بادي به عنوان خاكسترهاي بادي سودمند يا خاكسترهاي بادي ميكرو ناميده مي شوند.
تا مدتي پيش، تلاش به منظور بهبود كيفيت خاكستر آتشفشاني انجام نمي شد و استفاده از اين ماده تنها به دليل خلاص شدن از آن انجام مي شد. اما اكنون خاكسترهاي آتشفشاني فروخته مي شوند كه داراي مقادير كربن بسيار اندكي است (بين 5/1 تا 2 %) و ذرات درشت آنها نيز با استفاده از سيكلون هايي زدايش مي شوند به نحوي كه بيشتر ذرات كريستالي اين مواد با استفاده از اين فرآيند خارج مي شوند. ذرات درشت تر اين ماده كه با استفاده از سيكلون ها خارج سازي مي شوند، ضرورتاً از كوارتز، سنگ آهن و آلومينا تشكيل شده اند و مي توان از آنها در اصلاح خوراك خام استفاده شود. البته، يك چنين خاكسترهاي بادي تميز(درصد كربن پاييني دارند) و بدون ذرات كريستالي درشت و غير فعال، فعال تر از خاكسترهاي بادي اوليه هستند و مي توان آنها را با قيمت بالاتري به صنعت بتن و سيمان فروخت.
علاوه بر اين، در نيروگاه هاي خاص، رسوب دهنده هاي غبار گير از چندين بخش تشكيل شده اند به نحوي كه ذرات با تميزي و اندازه ي ذرات مختلف به طور مجزا جمع آوري مي شوند. اين مواد با تميزي و اندازه ي ذرات مختلف به صورت مجزا بفروش مي رسد. براي مثال، دو نيروگاه برق استراليايي خاكسترهاي بادي تميز و مؤثري توليد مي كنند كه اين دو خاكستر بادي، پرولافوم و كائوليت ناميده مي شوند. پزولافوم يك خاكستر بادي ميكرويي است كه داراي اندازه ي ذرات متوسط كمتر از 2 ميكرون است. در حقيقت اين نوع خاكسترها بسيار فعال هستند. بدبختانه، اين نيروگاه برق تنها 2000 تا 3000 تن پزولان را در سال توليد مي كند. اين خاكستربادي فعال با يك خاكستر بادي ديگر مخلوط مي شود كه داراي ذراتي درشت تر است. همچنين تركيب شيميايي آن مشابه متاكائولن است. مخلوط اين دو خاكستر بادي يك ابر خاكستر بادي توليد مي كند كه تنها با اضافه كردن دوده ي سيليسي به يك ماده ي پزولاني مناسب تبديل مي شود.
فعاليت خاكستر بادي مي تواند با آسياب كاري افزايش يابد. ايجاد يك سطح شكست تازه مي تواند فعاليت خاكستر بادي را افزايش دهد زيرا اين سطوح شكست داراي عدم تعادل يوني هستند. البته ايجاد اين سطوح، موجب افت خواص رئولوژيك مي شود.
امروزه خاكسترهاي بادي كه به عنوان يك محصول فرعي احتراق زغال سنگ محسوب مي شود، با اعمال فرايندهاي خاص عمل آوري مي شوند و كيفيت آنها افزايش مي يابد. همچنين برخي از شركت هاي سيمان مبالغ قابل توجهي را به منظور بهبود سيمان هاي مخلوط، سرمايه گذاري كرده اند.
استفاده از مطالب اين مقاله با ذكر منبع راسخون بلامانع مي باشد.