مترجم: حبیب الله علیخانی
منبع: راسخون
منبع: راسخون
دوده‌ی سیلیسی
دوده‌ی سیلیسی یک محصول فرعی تولید فلز سیلیسیم، آلیاژهای فروسیلیکون و یا تولید زیرکونیوم (شکل 1) است. این فلزات و آلیاژها در یک کوره‌ی قوس الکتریکی تولید می شوند. مثلاً در مورد سلیسیم، کوارتز (
) به حالت فلزی خود تبدیل می شود. در طی این فرایند، بخارات SiO در داخل قوس تشکیل می شود و وقتی این بخارات از بالای کوره خارج می شود و با هوا برخورد می کند، اکسید می شود و ذرات سیلیسی زجاجی تشکیل می شود. ذرات این دوده، 100 برابر کوچکتر از ذرات سیمان پرتلند هستند (شکل 2). این ذرات بسیار ریز بوسیله‌ی سیستم غبار گیر، جمع آوری می شود (شکل 3). در این سیستم ها غبار گیر، سایر ذرات مانند ذرات کربنی، ذرات گرافیتی و ذرات کوارتز نیز جمع آوری می شود. معمولاً درصد ناخالصی های موجود در این سیستم های غبار گیر، بسیار کم است. دوده های سیلیسی می توانند دارای مقادیر اندکی فلزی سیلیسیم است که این سیلیسیم در طی هیدراسیون 
و 
با آهک آزاد شده، واکنش می دهد و هیدروژن آزاد می شود.
800 است، بازیابی می شود. دوده‌ی سیلیسی جمع آوری شده از این کوره ها، تا اندازه ای سفید است زیرا این دوده دارای اندکی ذرات کربن یا گرافیت است. دوده‌ی سیلیسی جمع آوری شده در حین تولید زیرکونیوم نیز سفید است. در کوره های معمولی، گاز گرم با هوای تازه مخلوط می شوند تا دمای آن کاهش یابد و به دمایی کمتر از 200 برسد. این مهم است تا دمای گاز خروجی را کاهش داد تا از سوختن فیلترهای کیسه ای جلوگیری شود.
دوده های سیلیسی با دانسیته‌ی بین 300 تا 500 کیلوگرم بر متر مکعب
دوده های با شکل آگلومره
دوغاب های تولیدی از دوده‌ی سیلیسی
مخلوط دوده‌ی سیلیسی با سیمان و تولید سیمان های مخلوط دوتایی، سه تایی و چهارتایی
قیمت دوده‌ی سیلیسی در مقایسه با قمیت سیمان پرتلند بسیار بالاست بنابراین، استفاده از این مواد معمولاً محدود به تولید بتن های با کارایی بالاست. بتن های با کارایی بالا برای استفاده در شرایط محیطی طاقت فرسا، و در تزریق بتن، مورد استفاده قرار می گیرند. در کبک کانادا، سه تولیدکننده‌ی سیمان سالانه 100000 تن سیمان مخلوط تولید می کنند که دارای 7 تا 8 % دوده‌ی سیلیسی است. از سال 2000 تاکنون، این سیمان های دوتایی با افزودن 5 % دوده‌ی سیلیسی و خاکستر بادی یا سرباره، یا خاکستر بادی و سرباره، به سیمان مخلوط سه تایی تبدیل شده اند. در جزیره‌ی ایسلند، دوده‌ی سیلیسی با سیمان پرتلند مخلوط می شود.
رس ها و شل های کلسینه شده
استفاده از رس کلسینه شده در بتن به زمان فنیقی ها بر می گردد. وقتی یک رس یا یک شل در دمایی در حدود 700 تا 750 کلسینه شود، این رس دهیدراته می شود و ساختار کریستالی آن کلاً تغییر می کند. در این ساختار، تتراهدرال های سیلیسیمی فعال می شوند به نحوی که آنها می توانند در دمای معمولی با آهک آزاده شده بوسیله‌ی هیدراسیون و ، واکنش می دهند. به هر حال، افزودن رس یا شل های کلسینه شده موجب افزایش آب مورد نیاز برای بتن می شود.متاکائولن (2
.〖Al〗_2 O_3) ماده ای است که از کلسیناسیون کائولن تولید می شود. کائولن ساختار آب دار این ماده است (شکل 9).
خاکستر شلتوک برنج
شلتوک برنج بخشی از یک گیاه برنج است که دانه های برنج را در برابر باران محافظت می کند. این ماده دارای یک اسکلت سیلیسی است که حدود 20 % از آن را سیلیس تشکیل داده است. وقتی شلتوک برنج در دمای 700 تا 750 کلسینه شود، خاکستر حاصله ضرورتاً از سیلیس زجاجی تشکیل می شود. خاکستر شلتوک برنج با توجه به درصد کربنی که دارا می باشند، تیره رنگ یا روشن می باشند. این سیلیس زجاجی دارای خاصیت پزولانی استثنایی است. به هر حال، به دلیل بافت و مورفولوژی خاص این مواد، خاکستر شلتوک برنج میزان آب مورد نیاز برای آماده سازی سیمان تازه را بالا می برد (شکل 10).
پزولان های طبیعی (شکل 11)
Dreux و Festa (1995) پزولان های طبیعی را به عنوان ماده ای تعریف می کنند که معمولاً منشأ آشفشانی یا رسوبی دارند که ضرورتاً از سیلیس فعال با بیش از 25 % آلومینا و اکسید آهن تشکیل شده اند. Massazza پزولان های طبیعی را به عنوان سنگ های آتشفشانی تعریف کرده است که ضرورتاً از زئولیت یا مواد غیر آلی تشکیل شده اند که در حضور آهک و زیر آب، سخت می شوند. پزولان های طبیعی اولین بایندرهایی هستند که در عهد باستان مورد استفاده قرار گرفته است.
Massazza (1998) ترکیب شیمیایی چند پزولان را بدست آورد و به طور جزئی واکنش های شیمیایی خاصی که در داخل سیمان های مخلوط دارای این پزولان ها، اتفاق می افتد را توصیف کرد. در جدول 2 و 3 ترکیب شیمیایی برخی از رس های کلسینه و پزولان های موجود آورده شده است.
Massazza (1998) و Malhotra و Mehta (1996) اطلاعاتی در مورد اثرات برخی پزولان های طبیعی بر روی خواص بتن را منتشر کرده اند اما این نکته باید تذکر داده شود که مشابه موردی که برای خاکستر بادی وجود دارد، نمی توان همواره نتایج بدست آمده برای یک افزودنی خاص را برای تمام افزودنی های مشابه عمومیت داد. به هر حال، ماهیت شیمیایی بازی ایجاد کننده‌ی خواص اتصال دهنده در پزولان های طبیعی، همواره یکسان است:
سیلیس + آهک ← C-S-H
سنگ سیلیسی (Diatomaceous earth)
سنگ های سیلیسی (شکل 12) همچنین تری پولی (Tripoli) یا سنگ چخماق (Kiselghur) نامیده می شود و از یک اسکلت سیلیسی تولید شده بوسیله‌ی جلبک های میکروسکوپی تشکیل شده اند. این جلبک ها در آب تازه‌ی دریا زندگی می کنند. بررسی سنگ سیلیسی با استفاده از میکروسکوپ الکترونی نشان داده است که برخی از انواع مختلف از الگوها در این ساختارها وجود دارد (شکل 12).وقتی با استفاده از اشعه‌ی X این مواد را مورد بررسی قرار می دهیم، به این نتیجه می رسیم که این مواد ازسیلیس زجاجی تشکیل شده اند (شکل 12 بخش قبل). در این مورد، تتراهدرال های سیلیسی در برد کوتاه به صورت ساختار کریستوبالیت تشکیل شده اند.
پرلیت (شکل 13)
ریولیت ها (Rhyolites) سنگ های آتشفشانی غنی از سیلیس هستند. پرلیت وقتی بدست می آیند که سنگ ریولیت حرارت دهی شود و به توده ای اسفنجی تبدیل شود که دارای جذب آب بالایی است. هم اکنون پرلیت به عنوان یک اگریگیت سبک برای تولید بتن های عایق مورد استفاده قرار می گیرد. جذب بسیار بالای پرلیت استفاده از آن به عنوان یک ماده‌ی پزولانی در بتن را محدود می کند. در موارد اندکی، از سنگ های رئولیتی به عنوان پزولان های طبیعی استفاده می شود.
پرکننده ها
در اروپا و کانادا، این امکان وجود دارد که تا 5 % سنگ آهک را به عنوان پرکننده به سیمان پرتلند اضافه کرد و هنوز هم این سیمان را به عنوان سیمان پرتلند خالص استفاده کرد. در اروپا، پرکننده های تولیدی از سنگ آهک در سیمان های مخلوط گروه CPJ تا میزان 35 % قابل اضافه شدن است. در ایالات متحده‌ی آمریکا، افزودن پرکننده های تولیدی از سنگ آهک ممنوع است. تنها تفاوت میان سیمان تیپ 1 آمریکایی و سیمان تیپ 10 کانادایی، این است که سیمان تیپ 10 کانادایی دارای 5 % پرکننده‌ی سنگ آهک است.برخی از محققین هنوز هم براین موضوع اعتقاد دارند که پرکننده های سنگ آهک یک پرکننده‌ی خنثی نیست زیرا به اعتقاد آنها کلسیم کربنات می تواند با
واکنش دهد و کربوآلومینات تولید می کند. علاوه بر این، Goldman و Bentur (1993) و Venuat (1984) نشان داده اند که کلسیم کربنات تا حدی هیدراسیون را تسریع می کند. علاوه بر این، ذرات پرکننده‌ی سنگ آهک به عنوان مکان های فعال برای جوانه زنی نیز محسوب می شوند و رشد C-S-H را مطلوب می کنند.پرکننده های سنگ آهکی می توانند برای تولید بتن های خود متراکم شونده یا بتن های با کارایی بالا، مورد استفاده قرار گیرند.
تولید سیمان های مخلوط یا افزودن مستقیم مواد سیمانی در هنگام آماده سازی بتن؟
مواد سیمانی می توانند در کارخانجات تولید سیمان، با کلینکر سیمان پرتلند مخلوط شوند و یا به طور مستقیم به میکسر بتن افزوده شوند. درحقیقت، وقتی یک بتن دارای مواد سیمانی به خوبی مخلوط شود، با حالتی که ماده‌ی سیمانی در کارخانه‌ی سیمان با کلینکر سیمان پرتلند مخلوط می شود، هیچ تفاوتی ندارد. هر روش دارای مزیت ها و محدودیت های خاص خود می باشد.
وقتی یک ماده‌ی سیمانی در کارخانه به سیمان پرتلند افزوده شود، کیفیت آن چک می شود و غلظت آن دقیق است و در واقع مواد سیمانی به خوبی با سیمان پرتلند مخلوط می شود. تولید کننده‌ی بتن نیاز به استفاده از سیلوی اضافی ندارد و نیازمند کنترل کیفیت و یکنواختی بتن مورد استفاده را ندارد.
برای ایجاد انعطاف پذیری در زمینه‌ی نسبت اجزای تشکیل دهنده‌ی این مواد سیمانی، برخی از تولیدکنندگان سیمان واحدهای اختلاطی را ایجاد کرده اند که آنها در این مکان ها می توانند درصد افزودنی های اضافه شده به سیمان پرتلند خود را تنظیم کنند.
هم اکنون در بازار سیمان کشورهای پیشرفته، امکان سفارش سیمان های مخلوط با درصد افزودنی های مختلف، وجود دارد. این مسئله موجب می شود تا دست مشتری برای سفارش یک نوع سیمان مخلوط خاص، باز باشد. برای مثال، درصد مواد سیمانی می تواند در فصل تابستان برای بتن های توده ای، یا برای بتن های با با کارایی بالا، افزایش یابد، در حالی که این مقدار برای کاربردهای زمستانی یا کاربردهای پیش ساخته، کاهش می یابد.
وقتی مواد سیمانی در کارخانه های بتن سازی به سیمان پرتلند اضافه می شوند، این ضروری است که سیلوهای خاصی داشته باشیم تا بتوانیم در آنها مواد سیمانی را انبار کنیم. یک قانون کلی در مورد اولویت روش های اشاره شده در بالا وجود ندارد. در فرانسه و بلژیک، مواد سیمانی در کارخانه‌ی سیمان به آن افزوده می شود، در آلمان سرباره در کارخانه های سیمان به سیمان افزوده می شود اما خاکستر بادی در کارخانه های بتن سازی به آن افزوده می شود. در ایالات متحده‌ی آمریکا و کانادا، هر دو روش هم اکنون مورد استفاده قرار می گیرد. درکانادا، سیمان های مخلوط سه تایی و چهارتایی در کارخانه های سیمان آماده سازی می شوند.
اثرات افزودن مواد سیمانی بر روی ویژگی های بتن
وارد کردن مواد سیمانی به داخل بتن خواص بتن (هم در حالت تازه و هم در حالت سخت شده) را اصلاح می کند. هدف این مقاله بررسی اثرات جزئی افزودن هر یک از این افزودنی ها به سیمان نمی باشد.با توجه به نوع و مورفولوژی ذرات منفردر این افزودنی ها، میزان آب مورد نیاز در برخی از افزودنی های سیمانی بیشتر است. وقتی میزان آب مورد نیاز افزایش می یابد، این وضعیت می تواند با استفاده از برخی پلاستیسایزرها اصلاح گردد اما استفاده از این مواد موجب افزایش هزینه ها می شود. معمولاً میزان آب مورد نیاز در هنگام استفاده از خاکستر بادی، نسبت به سایر افزودنی ها کمتر است اما این مسئله همواره صدق نمی کند و افزودن سرباره نیز بر روی میزان آب مورد نیاز اثری ندارد، مگر اینکه سرباره بسیار ریز دانه باشد. میزان آب مورد نیاز وقتی از دوده‌ی سیلیسی استفاده می شود، افزایش می یابد که علت این مسئله ریزی بیش از حد این دوده می باشد. درمورد استفاده از خاکستر شلتوک نیز این مسئله رخ می دهد زیرا مرفولوژی ذرات این مواد موجب افزایش آب مورد نیاز می شود. سخت است که در مورد آب مورد نیاز در مورد پزولان های طبیعی صحبت کنیم زیرا انواع مختلفی از این پزولان ها وجود دارد.
رفتار دوده‌ی سیلیسی در هنگام افزودن پلاستیسایزر، بسیار جالب توجه است. در ابتدای مخلوط شدن، مخلوط به نظر کاملاً خشک است و به سختی جریان می یابد. در این زمان، ذرات پلاستیسایزر نه تنها ذرات سیمان را از حالت فلوکوله بودن در آورده اند، بلکه همچنین ذرات دوده‌ی سیلیسی شروع به جابجا کردن آب به دام افتاده میان توده های سیمانی، کرده اند. آبی که در این حالت آزاد می شود، موجب تسهیل جریان یافتن مخلوط می شود. بتن های با نسبت آب / بایندر پایین می تواند به سهولت در مکان مورد نظر قرار داده شوند اما برای این کار ضروری است که صبر کنیم تا دی فلوکولاسیون انجام شود. در این حالت زمان دی فلوکولاسیون به ظرفیت برشی مخطوط مورد استفاده، بستگی دارد.
وقتی از مخلوط هایی در بتن استفاده می شود که دارای مواد سیمانی است، اغلب این ضروری است که درصد این افزودنی با توجه به درصد کربن آن، اصلاح شود. معمولاً ذرات کربن مولکول های آلی را به دام می اندازند و آنها را فعالیت باز می دارند. این مسئله مخصوصاً در مورد خاکسترهای بادی که نتیجه‌ی عمل احتراق است، بیشتر نمود دارد. یکی دیگراز محدودیت های وجود کربن در خاکسترهای بادی متفاوت بودن درصد کربن در انواع مختلف این ماده است. تغییر در درصد کربن، مسئله را پیچیده تر می کند. برای مثال ایجاد حفرات در بتن های متخلخل را با مشکل روبرو می کند.
معمولاً این ساده است که نشست بتن های دارای مواد سیمانی را برای زمان 1 تا 5/1 تحت حمایت قرار داد زیرا مواد سیمانی نسبت به سیمان پرتلند، کمتر واکنش پذیری دارند. در مورد سرباره، این مسئله ضروری است که یک مقدار کلسیم سولفات به سیمان مخلوط اضافه شود که این مقدار تقریباً برابربا مقداری است که در سیمان پرتلند مورد استفاده وجود دارد. علت این مسئله این است که سرباره برخی از یون های SO_4^(2-) را در زمان شروع واکنش (یک ساعت اول و نیم ساعت بعد از ورود آب به داخل مخلوط) مصرف می کند.
مقدارحرارتی که درسیمان های مخلوط (دارای مقدار ماده‌ی سیمانی بیشتر از 50 %) ایجاد می شود، به طور قابل توجهی کمتر است. وقتی مقدار جایگزینی ماده‌ی سیمانی بین 15 تا 25 % باشد، نیز یک کاهش اندک در شدت پیک دمایی مربوط به بتن ، ایجاد می شود. به هر حال، این مقدار به حد کافی بزرگ نیست تا بتواند اثر مثبتی بر روی کاهش گرادیان گرمایی در داخل بتن داشته باشد و نمی تواند ایجاد ترک های گرمایی بالقوه را کاهش دهد. معمولاً این کاهش اندک در دمای ماکزیمم بتن معمولاً به دلیل این حقیقت بوجود می آید که سیمان های مخلوط برای افزایش واکنش پذیری، تا حد ممکنه آسیاب می شوند.
برخی از مواد سیمانی رنگ بتن را تغییر می دهند. دوده‌ی سیلیسی و خاکستر شلتوک برنج منجر به تیره شدن رنگ بتن می شوند که علت این مسئله حضور ذرات بسیار ریز کربن در این مواد است. البته وقتی از دوده‌ی سیلیسی با خلوص بالا که از کوره های مجهز به سیستم بازیافت هوای گرم، تولید شده است، استفاده می شود، این تغییر رنگ مشاهده نمی شود. در مورد سرباره باید گفت، وقتی در یک بتن از سرباره استفاده می شود، بتن در زیر پوسته‌ی خاکستری کم رنگ خود، دارای رنگ سبز کم رنگ است. منشأ این رنگ سبز هنوز به درستی مشخص نشده است.
البته اگر کلی صحبت کنیم، استحکام اولیه‌ی بتن دارای مواد سیمانی کمتر از بتن دارای سیمان پرتلند ساده است (به جز در مورد دوده‌ی سیلیسی). با توجه به واکنش پذیری مواد سیمانی، کاهش کوتاه مدت و استحکام می تواند تا 7، 14 و یا 28 روز نیز مشاهده شود. این یکی از محدودیت های اصلی سازندگان مخصوصاً در آب و هوای سرد است. اما در آب وهوای گرم که بتن در دمای بالا قرار می گیرد، این مسئله محدودیت بزرگی به شمار نمی آید زیرا حرارت واکنش مواد سیمانی را تشدید می کند.
تا زمانی که استحکام مسئله ساز باشد، می توان این استحکام را با استفاده از تنظیم نسبت آب/ بایندر، تصحیح کرد. این مسئله باید تذکر داده شود که کارایی حقیقی یک بتن که دارای مواد سیمانی است، به مقدار قابل توجهی به آب بستگی دارد زیرا برای اینکه واکنش پزولانی به حد کمال برسد، نه تنها به سیلیس آمورف نیاز است، بلکه همچنین به آب نیز نیاز داریم. این حقیقت اغلب فراموش می شود.
مواد سیمانی اثر قابل توجهی بر روی شرینکیج ندارند. البته ذرات مواد سیمانی واکنش پذیری کمتری دارند اما به دلیل اینکه سیمان های مخلوط معمولاً به گونه ای آسیاب می شوند که ریزتر باشند، رفتار شرینکیج آنها زیاد تحت تأثیر قرار نمی گیرد.
بتن های دارای مواد سیمانی معمولاً نسبت به بتن های تولیدی از سیمان پرتلند، با دوام ترند (در حالتی که نسبت آب/ بایندر ثابت باشد). استحاله‌ی پرتلاندیت به C-S-H ثانویه موجب ثابت شدن آهک در ساختار پایدارتر کلسیم سیلیکات هیدراته می شود. این لایه با سختی بیشتری مورد حمله‌ی مواد شیمیایی قرار می گیرد و با سختی بیشتری نیز شسته می شود.
وقتی بتن های دارای سرباره با همان روش های مورد استفاده برای بتن های دارای سیمان پرتلند، مورد آزمایش قرار می گیرند، این بتن ها از خود دوام کمتری نشان می دهند. علت این مسئله به دلیل این است که این بتن های سرباره ای وقتی مورد آزمایش قرار می گیرند هنوز به استحکام نهایی خود نرسیده اند و سطح آنها به طور کامل کربوناته نشده است.
Dochesne و Berube در سال 2001 به طور واضح نشان داده اند که یکی از بهترین راه های مبارزه با واکنش اگریگیت های قلیایی، استفاده از خاکستر بادی و سرباره است. خاکستر بادی شیشه ای و ذرت سرباره به دلیل حضور مواد قلیایی در سیمان پرتلند، به سرعت فعال سازی می شود به نحوی که این مواد قلیایی در ساختار C-S-H اولیه که در طی واکنش پزولانی تشکیل شده است، گرفتار می شوند. Cerles-Gibergues در سال 2000 این مسئله را مدعی شده اند که سرباره و مواد پزولانی می توانند توسعه‌ی واکنش اگریگیت قلیایی را به میزان 7 سال به تعویق بیندازند. البته شرایط آزمون در دمای
38 بوده است و از این رو این زمان در شرایط واقعی بیشتر طول می کشد.سیمان های مخلوط
درطی سالیان دراز، سیمان های مخلوط نمونه واری توسعه یافته است و به منظور برطرف کردن نیازهای صنعت ساختمان مورد استفاده قرار گرفته است. این سیمان های مخلوط در کشورهای خاصی، استاندارد سازی شده اند. استانداردهای اروپایی از این سیمان های مخلوط مملو است.نتیجه گیری
به منظور کاهش میزان تولید گازهای گلخانه ای و انجام سیاست های توسعه ای مناسب، صنعت سیمان چاره ای ندارد که از مواد سیمانی برای تولید سیمان های مخلوط استفاده کند. صنعت سیمان امروزه به جای این نام، صنعت بایندرهای هیدرولیک نامیده می شود.علاوه بر این اهداف محیط زیستی، استفاده از مواد سیمانی می تواند به صنعت بتن نیز کمک کند زیرا وقتی از مواد سیمانی به همراه افزودنی های مناسب استفاده شود، بتن معمولاً دوام بیتشتری پیدا می کند. واکنش پزولانی نه تنها نیاز به وجود آهک و سیلیس دارد، بلکه همچنین به آب نیز نیاز دارد که این مورد آخر معمولاً فراموش می شود. عمل آوری بتن های دارای سیمان مخلوط در توسعه‌ی مواد سیمانی، حیاتی به نظر می رسد.
آسان ترین راه برای اطمینان حاصل کردن در مورد عمل آوری مناسب بتن در محل اجرا، انجام این کار بوسیله‌ی متخصصین زبده می باشد. در شهرهایی مانند مونترال کانادا استفاده از این روش توانسته ساختارهایی بدون ترک ایجاد کند. هزینه‌ی جانبی مربوط به عمل آوری بتن با استفاده از آب، موجب افزایش هزینه‌ی ساخت زیرساخت های شهری به میزان 1/0 تا 1 % می شود. مقدار این هزینه به نوع ساختمان، محل و اهمیت آن بستگی دارد. از پیمانکاران این مسئله خواسته نمی شود که سطح بتن را همواره خیس کنند، بلکه به آنها گفته می شود که آب مناسب برای انجام کامل عمل آوری بتن در اختیار آن قرار دهند. عمل آوری با آب یک فاکتور کلیدی در موفقیت استفاده از مواد سیمانی است.
استفاده از مطالب این مقاله با ذکر منبع راسخون بلامانع می باشد.
/ج
