بررسی مصالح چسبنده پوزولان سیمانی انیدریت کامپوزیت با سنگدانه‌های متفاوت

بررسی مصالح چسبنده پوزولان سیمانی انیدریت کامپوزیت با سنگدانه‌های متفاوت – ایران ترجمه – Irantarjomeh

مقالات ترجمه شده آماده گروه راه – ساختمان، معماری، عمران

مقالات ترجمه شده آماده کل گروه های دانشگاهی

مقالات

چگونگی سفارش مقاله

الف – پرداخت وجه بحساب وب سایت ایران ترجمه(شماره حساب)ب- اطلاع جزئیات به ایمیل irantarjomeh@gmail.comشامل: مبلغ پرداختی – شماره فیش / ارجاع و تاریخ پرداخت – مقاله مورد نظر --مقالات آماده سفارش داده شده پس از تایید به ایمیل شما ارسال خواهند شد.

  بررسی مصالح چسبنده پوزولان سیمانی انیدریت کامپوزیت با سنگدانه‌های متفاوت

خلاصه

در این تحقیق، فرآیند سخت شدگی، استحکام و ساختار مصالح چسبنده سیمانی انیدریت  طبیعی نسوز و کامپوزیت یا چندسازه هیدرولیکی پوزولان (ACPBM) با سنگدانه‌های متفاوت بررسی شده است. سنگدانه‌های بی‌اثر عمومی (نظیر شن، گرانیت خرد شده) و انواع ساخته شده ناشی از خرد شدن سنگ انیدریت  (سنگ گچ) در این بررسی مورد استفاده قرار گرفته‌اند. بر این اساس، ثابت شده است که ACPBM با سنگدانه‌های انیدریت در مقایسه با ACPBM با همان ترکیب و همراه با سنگدانه‌های بی‌اثر، خواص استحکامی بیشتر و مقاومت بهتری در برابر آب دارد. سنگدانه‌ انیدریت  در طی سخت شدگی ACPBM بصورت شیمیایی فعال است. لایه سطحی سنگدانه‌ها با فرآورده‌های آب‌پوشی (هیدراسیون) ACPBM برهمکنش می‌کند و بنابراین، سنگدانه‌ها با زمینه ماده پیرامون پیوند محکمی را بر قرار می‌کنند. در نتیجه، در هنگام سخت‌شدگی ساختار جامد محکمی تشکیل می‌شود. فعال کننده‌های سخت شدگی انیدریت ، آب‌پوشی سطح سنگدانه‌ها را فعال کرده و چسبندگی بین آنها و زمینه ماده پیرامون را افزایش می‌دهند. استحکام ترکیبات سخت شده ممکن است به MPa40 برسد، ضریب نرم شدگی آب ۹۵/۰ ـ ۸۵/۰ است، علاوه بر این، به علت آب پوشی آهسته جزء انیدریت ، افزایش دائمی استحکام مشاهده می‌شود.

کلمات کلیدی: انیدریت ، سنگدانه، سخت شدگی، ساختار، استحکام، تخریب

بررسی مصالح چسبنده پوزولان سیمانی انیدریت کامپوزیت با سنگدانه‌های متفاوت

۱- مقدمه

انیدریت  طبیعی یکی از ارزشمندترین مواد خام لیتوانی است که تا به امروز مورد استفاده قرار نگرفته است. رسوب آن در عمق ۱۵۰ تا ۳۵۰ متری قرار دارد و شامل دو لایه است: یک انیدریت  پایینی خالدار یا لک‌دار و یک انیدریت  بالایی نواری. انیدریت  خالدار یک سنگ توپر سخت است در حالیکه انیدریت  نواری بوسیله ساختار لایه‌ای‌ آن تشخیص داده می‌شود. خصوصیات معدن‌شناسی، فیزیکی و مکانیکی رسوب انیدریت پاگیریای (Pagiriai) جهت استخراج در جدول ۱ ارائه شده‌اند.

انیدریت  طبیعی یک ماده خام منحصر بفرد است که در تولید مصالح چسبنده نسوز کاربرد دارد. سنگ انیدریت که در لیتوانی یافت می‌شود، بسیار خالص است. انیدریت  CaSO₄ که ماده معدنی اصلی است ۹۶ ـ ۹۲% از آن را تشکیل می‌دهد. بر اساس نتایج بررسیهای علمی که در موسسه عایق‌ گرمایی دانشگاه فنی ویلینیوز گدیمیناز به مدت چندین سال انجام شده است، کاربرد این انیدریت  باید پیچیده باشد یعنی می‌تواند برای تولید تخته سنگهای تزیینی، مصالح چسبنده هیدرولیک و هوا بکار برده شود، یک انیدریت  خالدار خرد شده به علت استحکام و ساختار توپر آن به عنوان سنگدانه در جاده‌ سازی و نیز تولید محصولات ساختمانی مورد استفاده قرار می‌گیرد. اطمینان‌بخش‌ترین حوزه استفاده از انیدریت، تولید مصالح چسبنده سیمانی انیدریت  و چند سازه هیدرولیکی پوزولان (ACPBM) است. ACPBM ساخته شده از انیدریت  طبیعی نسوز از روی استحکام خوب و مقاومت آن در برابر اثرات محیطی شناسایی می‌شود. این ماده در بعضی موارد می‌تواند جایگزین سیمانهای معمولی شود. هزینه انرژی برای تولید این مصالح چسبنده در مقایسه با تولید سیمان پورتلند تقریبا دو برابر کمتر است. خواص استحکامی بالا و هیدرولیکی خوب مصالح چسبنده انیدریت  کامپوزیت نیز در [۸-۶] به دست آمده است.

احتمال استفاده از سنگدانه انیدریت  با توجه کمتری مورد آنالیز قرار گرفته است. اولا، در تمام جهان، فقط ذخایر روی زمین انیدریت استخراج شده‌اند. معمولا این سنگها ناخالصی‌های خاک رس و سنگ گچ را دارند، ساختار آن نرم نیست و استحکامش نسبتا پایین است. ثانیا هنگامی که سنگدانه انیدریت  در محصولات سیمانی معمولی مورد استفاده قرر می‌گیرد، خطر خوردگی سولفات افزایش می‌یابد. انیدریت  خرد شده معمولا برای تولید چنین محصولاتی که شرایط استحکامی و مقاومت محیطی آنها بالا نیست مانند شمشه‌‌های خود تراز کف، توصیه می‌شود.

هدف از این تحقیق بررسی فرآیند سخت شدگی، خصوصیات ساختاری و نیز خصوصیات فیزیک ـ مکانیکی ACPBM با سنگدانه‌های متفاوت است. این بررسی با استفاده از سنگدانه‌های بی‌اثر معمولی و انواع ساخته شده از سنگ انیدریت  خالدار انجام شده است.

بررسی مصالح چسبنده پوزولان سیمانی انیدریت کامپوزیت با سنگدانه‌های متفاوت

۲- مصالح، نمادها و روش تجربی

مصالح چسبنده انیدریت  (A) از انیدریت  طبیعی نسوز آسیاب شده (مخلوطی از انواع خالدار و نواری) تهیه می‌شود. مواد تشکیل دهنده عبارتند از انیدریت  CaSO₄ تقریبا ۹۵ ـ ۹۳% ، کربنات تقریبا ۴۵/۲ ـ ۸/۱%، سنگ گچ CaSO₄ .2H₂O تقریبا ۸/۳ ـ ۵/۲%. انیدریت  خرد شده در یک آسیاب توپی خرد شد (A_m). بخشی از انیدریت  آسیاب شده در خرد کننده DIA-01 اضافه‌تر از میزان معمول آسیاب شد (A_dz). سرعت دیسک‌ها با انگشتی‌ها ۶۰۰۰ دور در دقیقه بود. سطح مخصوص A_m – ۳۹۵ m²/kg , A_dz – ۴۳۵ m²/kg  گزارش شد.

سیمان (C) ـ سیمان پورتلند ـ سنگ آهک (C) CEM II/A-L 42,5N ، سطح مخصوص تقریبا m²/kg 450، مقدار سنگ آهک تقریبا ۱۰%، ترکیبت معدن شناسی آجر دارای لعاب شیشه‌ای (جوش زغال سنگ): (۵۸- ۵۹%) C₃S – ، (۱۵- ۱۶%) C₂S – ، (۵/۹- ۵/۱۰%) C₃A – ، (۵/۹- ۵/۱۰%) C₄AF .  

مصالح پوزولانیک (P) ـ اوپوکای آسیاب شده از ذخیره استونیسکیای. در آن SiO₂ فعال تقریبا ۵۱% و کربناتها تقریبا ۳۳% وجود دارد. اوپوکا در یک آسیاب توپی آسیاب شد (P_m). بخشی از اوپوکای آسیاب شده در خرد کننده DIA-01 به میزان بیشتری خرد شد (P_dz). سطح مخصوص: P_m – ۱۴۳۰ m²/kg , P_dz – ۱۶۵۰) m²/kg .

برای انتخاب ترکیب ACPBM ، روشی استفاده می‌شود که بر این اساس است که مقدار Cao در فاز مایع ترکیب در حال سخت شدن پس از ۳ روز نباید از g/l 1/1 و پس از ۵ روز نباید از g/l 85/0 تجاوز کند.

انیدریت  طبیعی خرد شده، سنگ طبیعی تکه تکه شده (NS) و گرافیت خرد شده (GC) به عنوان سنگدانه مورد استفاده قرار گرفتند. انیدریت  خرد شده با استفاده از الک‌هایی که اندازه سوراخهای آنها متفاوت بوده، الک شدند و سنگدانه‌هایی با ترکیب درجه‌بندی مشخص نظیر سنگ انیدریت  (AS) و سنگدانه انیدریت  درشت (AC) حاصل شدند. اندازه سنگدانه‌های ریز (NS و AS) mm 5 – 0 بودند (جدول ۲) و اندازه نوع درشت (GC و AC) mm 10 – ۵ بودند.

برای تخمین خواص استحکامی، نمونه‌هایی با ابعاد mm 40 * 40 * 40 ساخته شدند. این نمونه‌ها در دمای (۲ ± ۲۰) و در شرایط مرطوب نگه داشته شدند. استحکام تراکمی نمونه‌های خشک و تر بطور متناوب اندازه‌گیری شدند.

استحکام تخمینی ACPBM متناسب با چگالی مصالح چسبنده سیمانی سنگ گچ پوزولان (GCPBM) بر مبنای فرمول زیر محاسبه شد:

ساختار نمونه‌های سخت شده با استفاده از میکروسکوپ پویش الکترون آنالیز شد. یک شکست سنج DRON-2  (آند مسی، فیلتر نیکلی) برای آنالیز شکست پرتو X مورد استفاده قرار گرفت.

بررسی مصالح چسبنده پوزولان سیمانی انیدریت کامپوزیت با سنگدانه‌های متفاوت

۳- نتایج و بحث

فرآیند سخت شدگی و تشکیل ساختار ACPBM با GCPBM که بیشتر مورد بررسی قرار گرفته تا حد زیادی تفاوت دارد. بر خلاف سنگ گچ نیم هیدراته (نیم آبه) CaSO₄ .1/2H₂O که به سرعت سفت و سخت می‌شود و چارچوب اولیه را در ترکیب در حال سخت شدن تشکیل می‌دهد، جزء انیدریت  CaSO₄ که نسبتا آهسته‌تر سفت و سخت می‌شود، نیز در کم شدگی طولانی مدت آن مشارکت می‌کند. شکل ۱ تغییرات استحکامی که نمونه‌های ACPBM و GCPBM در طی دوره ۳ ساله متحمل آن می‌شوند را نشان می‌دهد. باید توجه کرد که ACPBM در ابتدا (در طی ۷ روز اول) آهسته‌تر سخت می‌شود اما در مدت ۲۸ روز، استحکام آن بالاتر بوده و در تمام دوره ۳ ساله در حال افزایش نگه داشته می‌شود. ممکن است اینگونه بیان شود که محکم شدگی ACPBM اساسا ناشی از آب‌پوشی (هیدراسیون) تدریجی جزء انیدریت  است. نتایج بررسیهای مقدار آب هیدراته در نمونه‌های در حال سخت شدن (شکل ۲) و آنالیز پرتو X ترکیب معدن شناسی (شکل ۳) را نشان می‌دهند که بر مبنای آن فرآیند آب‌پوشی (هیدراسیون) انیدریت  در طی دوره ۳ ساله سخت شدگی به اتمام نمی‌رسد. چگالی ACPBM سخت شده، بالاتر از GCPBM است زیرا برای ترکیب آن در مقایسه با GCPBM نیاز نسبتا کمتری به آب است و این امر استحکام بالاتر ACPBM را نشان می‌دهد. این امر با محاسبه مقادیر تخمینی استحکام ACPBM هنگامی که چگالی آن با چگالی GCPBM مساوی است، مورد تایید قرار می‌گیرد (شکل ۱). همانگونه که بررسیهای قبلی ما نشان می‌دهند، خصوصیات ترکیب فاز ACPBM در حال سخت شدن و ساختار متراکم بصورت زیر تعیین می‌شود: ACPBM در مقایسه با GCPBM به اثرات محیطی و تشکیل اترینگیت و تومازیت بسیار مقاومتر است. همبستگی بین تخلخل زمینه چسبنده سنگ گچ چند سازه و استحکام تراکمی و دوام آن در [۱۵] نشان داده شده است. 

خصوصیات سخت شدگی ACPBM بویژه آب‌پوشی آخر جزء انیدریت ، موکد آن هستند که سنگدانه‌های انیدریت برای این مصالح چسبنده واقعا مناسبند زیرا آنها می‌توانند بصورت محکم به زمینه مصالح چسبنده بچسبند. برای تعیین تاثیر سنگدانه‌ها و منشا آنها بر روی ملات یا بتون ACPBM سه نوع نمونه بررسی شده‌اند: ۱) ACPBM بدون سنگدانه ۲) با سنگدانه‌های انیدریت ۳) با سنگدانه‌های بی‌اثر معمولی (جدول ۳).

تمام نمونه‌‌ها از خمیری با پایداری و غلظت یکسان تشکیل شده‌اند. نمونه‌های دارای فعال کننده‌های سخت شدگی (FeSO₄ + KHSO₄ 1%) بصورت موازی با نمونه‌های بدون آنها بررسی شدند. بر اساس بررسیهای قبلی، اثر فعال کننده‌های سولفاتی بر روی سخت شدگی ACPBM از اثر بر روی مصالح چسبنده انیدریت تک جزئی کمتر است. با این وجود، بسیار محتمل است که اثر فعال کننده‌ها بر روی نمونه‌های دارای سنگدانه‌های انیدریت مهمتر گردد زیرا آنها می‌توانند آب‌پوشی سطح ذرات انیدریت را فعال کرده و چسبندگی به زمینه ماده چسبنده را بهبود بخشند. نتایج این بررسی چنین فرضیه‌ای را تایید کرده است (شکل ۴). نمونه‌های ACPBM دارای سنگدانه انیدریت ریز (شماره ۳) از نمونه‌های دارای سنگدانه شن طبیعی (شماره ۵) سریعتر سخت می‌شوند و (۱۵ – ۳۰%) محکمتر هستند. اختلاف استحکامی، هنگامی که فعال کننده‌های سخت شدگی انیدریت  اضافه می‌شوند (به ترتیب شماره ۴ و شماره ۶)، حتی بیشتر از این است. چگالی این نمونه‌ها تقریبا با هم یکسان هستند (از kg/m³2000 تا kg/m³ 2100). استحکام نمونه‌های دارای سنگدانه‌های درشت متفاوت (شماره ۷ و ۹) علیرغم این واقعیت که خواص استحکام سنگدانه گرانیتی از سنگدانه انیدریت بیشتر است، مشابه هستند. علاوه بر این، هنگامی که فعال کننده‌‌های سخت شدگی افزوده می‌شوند (شماره ۸ و ۱۰) استحکام نمونه‌های دارای چسبندگی سنگدانه‌های انیدریت حتی بیشتر است. نتایج آنالیز میکروسکوپی نشان می‌دهند که نوع ناحیه مجاور بین زمینه مصالح چسبنده و سنگدانه و نیز ساختار زمینه مصالح چسبنده (شکل ۵) در نمونه‌های سخت شده دارای سنگدانه‌های متفاوت، مشابه نیستند. در نمونه‌های دارای سنگدانه انیدریتی، ساختار زمینه مصالح چسبنده، کریستالی و نرم است بعلاوه بخوبی به سنگدانه می‌چسبد و ناحیه مجاور قابل تشخیص نیست. در مقابل، چسبندگی سنگدانه بی‌اثر به زمینه ACPBM نسبتا بدتر یا ضعیفتر است، پیرامون سنگدانه تیز است و ساختار مصالح چسبنده ناهمگن است یعنی کلوخی‌های درشت رشد بافت جدید و فضاهای خالی ریز در آنجا شناسایی می‌شوند. بعلاوه، این نمونه‌ها به روشهای متفاوتی خرد می‌شوند: نمونه‌های دارای سنگدانه بی‌اثر در ناحیه تماسی یا مجاور خرد می‌شوند در حالیکه هنگامی که نمونه‌های دارای سنگدانه انیدریتی خرد می‌شوند، زمینه مصالح چسبنده و سنگدانه‌ها از هم جدا می‌شوند (شکل ۶). این موضوع واضح می‌باشد که سنگدانه انیدریتی بی‌اثر نیست زیرا آب پوشی لایه سطحی آن موازی با سخت شدگی ACPBM انجام می‌شود. علاوه بر این، سولفات کلسیم دو آبه‌ای که با تازگی تشکیل شده و محصولات آب‌پوشی ACPBM یک ساختار نرم را تشکیل می‌دهند. این نکته نیز مهم است که سطح سنگدانه انیدریت خرد شده بر خلاف سطح شن طبیعی، ناهمگن (ناهموار)، زبر و حتی ذره ذره است. این فاکتور فعالیت شیمیایی سنگدانه را افزایش می‌دهد یعنی ساختار در حال سخت شدن سریعتر تشکیل می‌شود و چسبندگی سنگدانه به زمینه مصالح چسبنده بهتر است. ساختار نرم ACPBM سخت شده با انیدریت در برابر اثرات آب مقاومتر است. بر اساس نتایج این بررسی، ضریب نرم شدگی نمونه‌های دارای سنگدانه‌های انیدریتی ۸۵% – ۹۵% بود در حالیکه این ضریب برای سنگدانه‌های بی‌اثر ۷۵%- ۸۳% بوده است. برای مقایسه باید توجه کرد که این ضریب یا شاخص برای GCPBM بطور عادی ۶۵%- ۷۵% است.

ذکر این نکته نیز مهم است که حذف جزء ریز (mm 16/0)از سنگ انیدریت  خرد شده لازم نیست. معمولا حضور این جزء در سنگدانه بی‌اثر خواص بتونها و ملاتها را بصورت منفی تحت تاثیر قرار می‌دهد اما ذرات ریز انیدریت تا بحال خواص چسبنده‌ای داشتند. استحکام نمونه‌های حاصل از خمیر پلاستیکی این جزء با فعال کننده‌های سولفاتی (نسبت آب به جامد = ۲۵/۰)، در طول دوره ۲۸ روزه به زودی به بیش از MPa 20 خواهد رسید. جزء ریز انیدریت ممکن است بصورت نسبی به عنوان جزء چسبنده در نظر گرفته شود که نه تنها باعث وخامت خواص بتون سخت شده نشده بلکه در مقابل خواص بتون سخت شده را بهبود می‌بخشد.

۴- خلاصه و چشم‌انداز آینده

سنگدانه‌های ساخته شده از سنگ انیدریت خرد شده برای بتونها و محلولهای ACPBM بهتر از سنگدانه‌های بی‌اثر معمولی (شن طبیعی، سنگ خرد شده و غیره) هستند. سنگدانه‌های انیدریت  در سخت شدن ACPBM بصورت شیمیایی فعال هستند یعنی آب‌پوشی (هیدراسیون) سطح آنها صورت می‌گیرد. به همین دلیل، سنگدانه‌ها بطور محکم به زمینه مصالح چسبنده پیوند خورده و یک ساختار محکم نرم از بتون را تشکیل می‌دهند. سنگدانه‌های ریز انیدریت  بر ساختار زمینه ACPBM نیز اثر می‌گذارند. این ساختار ریز ـ کریستالی و نرم است. فعال کننده‌های سخت شوندگی انیدریت، آب‌پوشی سطح سنگدانه را فعال کرده و خواص استحکامی بتون ACPBM را بهبود می‌بخشند. بتون ACPBM با سنگدانه‌های انیدریتی در مقایسه با ACPBM که دارای ترکیب مشابهی با سنگدانه‌های بی‌اثر معمولی هستند مقاومت بیشتری را در برابر آب از خود نشان می‌دهند. فقط سنگ انیدریت دارای ساختار نرم‌ و متراکم برای تولید سنگدانه‌های انیدریتی مناسب است. انیدریت  خالدار که در لیتوانی یافت می‌شود، چنین ساختاری دارد. انیدریت  نواری می‌تواند برای تولید مصالح چسبنده انیدریت  نسوز بکار برده شود که این مصالح به عنوان مصالح چسبنده هوا و به عنوان جزء هیدرولیک ACPBM مورد استفاده قرار می‌گیرند. بتونها و ملاتهای ACPBM دارای سنگدانه‌های انیدریتی هستند که از خصیصه‌هایی چون تراکم بالا و استحکام برخوردار بوده و در برابر حمله رطوبت مقاوم هستند و می‌توان آنها را بعنوان جایگزین بتونها و ملاتهای سیمانی معمولی، که به هزینه و انرژی قابل توجهی نیاز دارند، در نظر گرفت.