كليات

سال ها قبل، انسان به اين كشف مهم و ارزنده نائل آمد و دريافت كه وقتي مواد سيليسي بسيار ريز با آهك مخلوط مي شود، سيمان هاي داراي خواص هيدروليكي توليد مي‌نمايد. يك نوع از اين مواد، خاكستر آتشفشاني تحكيم يافته يا توف بود كه در حوالي پوزولي ايتاليا پيدا شد. پس از آن، واژه پوزولان به هر نوع ماده اي با خاصيت مشابه فوق صرف نظر از منشأ زمين شناسي آن، اطلاق گرديد.

ASTM-C618 پوزولان را به اين صورت تعريف مي كند: «ماده سيليسي يا سيليسي آلوميناتي كه به خودي خود ارزش چسبندگي ندارد، اما به شكل ذرات بسيار ريز و در مجاورت رطوبت با درجات حرارت معمولي با هيدروكسيد كلسيم واكنش شيميايي داشته و تركيباتي را به وجود مي آورد كه خاصيت سيماني و چسبندگي دارد.» بنابراين، پوزولان يك ماده طبيعي يا مصنوعي است كه حاوي سيليس فعال است. لازم است كه ماده پوزولاني به شكل پودر شده باشد، زيرا فقط در اين صورت سيليس مي تواند در حضور آب با آهك (كه بر اثر هيدراتاسيون سيمان پرتلند ايجاد مي گردد) سيليكات هاي كلسيم پايدار را كه داراي خواص چسبندگي اند، تشكيل دهند. ضمناً در بررسي كلي پوزولون ها بايد متذكر شد كه سيليس آنها بايد بي شكل (آمورف) باشد، زيرا قابليت ايجاد واكنش سيليس متبلور بسيار كم است.

سيمان پرتلند پوزولاني به مخلوط هاي توأم آسياب شده يا مخلوط شده سيمان پرتلند و مواد پوزولاني اطلاق مي گردد. غالباً مواد پوزولاني از سيمان پرتلندي كه جايگزين آن مي شوند ارزانترند.

ولي امتياز عمده آنها در هيدراتاسيون كند و بنابراين، روند توسعه حرارت كم نهفته است. در ساختمان هاي انبوه بتني اين امر اهميت زيادي دارد و دقيقاً در اين نوع ساختمان هاست كه غالباً سيمان پرتلند پوزولاني با جايگزيني بخشي از سيمان پرتلند با مواد پوزولاني مصرف مي شود. همچنين سيمان هاي پرتلند پوزولاني در برابر حمله سولفات ها و بعضي ديگر از عوامل مخرب مقاومت خوبي از خود نشان مي دهند. اين امر به دليل واكنش پوزولاني است كه مقدار كمتري آهك به جا مي گذارد تا به خارج راه يابد و نيز نفوذپذيري بتن را كاهش مي دهد. ليكن مقاومت در برابر يخ زدن و آب شدن تا سنين بعدي كه واكنش عمده پوزولاني تخلخل خمير سيمان را كاهش داده است، نمي تواند ايجاد شود. بايد به خاطر داشت كه آثار خوب و بد مواد پوزولاني بسيار متغيرند و بدين جهت توصيه مي شود كه هر ماده پوزولاني آزمايش نشده اي در تركيب با سيمان و سنگدانه هايي كه در ساختمان واقعي مصرف خواهند شد، مورد آزمايش قرار گيرد. به علت كنش آهسته پوزولان ها بايد عمل آوردن پيوسته مرطوب و دماي عمل آوردن مناسب براي مدتي بيشتر از آنچه به طور معمول لازم است، فراهم شود.

طبقه بندي و مشخصات استاندارد براي پوزولان ها

پوزولان ها را از لحاظ منشأ وجودي به پوزولان هاي طبيعي و مصنوعي تقسيم مي كنند. پوزولان هاي طبيعي شامل خاك هاي دياتمه، چرت هاي اپاليني و شيل ها، توف ها و خاكستر آتشفشاني است. منابع اصلي پوزولان هاي مصنوعي عبارتند از كوره هاي استخراج فلزات توليده كننده آهن خام، فولاد، مس، نيكل، سرب، سيليس و آلياژهاي فروسيليس، و نيروگاه هايي كه از زغال سنگ به عنوان سوخت استفاده مي كنند. امروزه اين مواد مصنوعي كه با قيمت كم عمدتاً قابل دسترس اند، به عنوان جايگزين بخشي از سيمان پرتلند مصرفي در بتن مورد استفاده وسيعي قرار گرفته است. به علاوه، بديهي است كه بيشتر اين مصنوعات قادرند مقاومت نهايي و دوام بتن با سيمان پرتلند را بهبود بخشند.

يكي از اولين طبقه بندي ها براي پوزولان هاي طبيعي توسط ميلنز پيشنهاد گرديد. در اين سيستم طبقه بندي، پوزولان هاي طبيعي بر اساس شش نوع فعاليت دسته بندي شدند. جديدترين طبقه بندي كه توسط ماسازا پيشنهاد گرديد، پوزولان هاي طبيعي را به سه دسته تقسيم مي نمايد. گروه اول، شامل سنگ هاي پيروكلاستيك كه مواد با منشأ آتشفشاني اند. توف هاي پوزولاني و تراس از اين دسته محسوب مي شوند. گروه دوم، مواد تغيير يافته با درصد سيليس زياد است كه طي يك روند شامل ته نشين ساختن مواد با منشأهاي متفاوت، شكل داده شده اند. گروه سوم، موادي با منشأ كلاستيك، شامل رس‌ها و خاك هاي دياتمه است.

ASTM-C618 طبقه بندي زير را براي پوزولان ها ارائه مي دهد:

- پوزولان ردهN: پوزولان هاي طبيعي خام يا كلسينه شده شامل خاك هاي دياتمه، چرت هاي اپالين و شيل ها، توف ها و خاكسترهاي آتشفشاني يا پوميسيت ها، بعضي شيل ها و رس هاي كلسينه شده.

- پوزولان ردهF: خاكستر بادي با منشأ زغال سنگ قيري.

- پوزولان ردهC: خاكستر بادي، خاكستر ليگنيت با منشأ زغال سنگ قيري.

- پوزولان ردهS: هر نوع مواد ديگر شامل پوميسيت هاي عمل شده، بعضي دياتمه ها، رس ها و شيل هاي كلسينه شده و آسياب شده.

مشخصات استاندارد و روش هاي آزمايش براي انواع مختلف پوزولان ها توسط آيين نامه هاي مختلف بيان شده است. تمام كدهاي استاندارد مشخصات فيزيكي و شيميايي پوزولان ها را جهت تشخصي مناسب يا نامناسب بودن آنها مورد بحث قرار مي دهند. براساس مطالعات و تحقيقات انجام گرفته در زمينه مواد افزودني مصنوعي اين نتيجه حاصل شده است كه تركيبات كاني شناسي و مختصات ذرات مواد، تعيين كننده خاصيت پوزولاني و سيماني بودن يك پوزولان اند. اخيراً نامبرده برخي از كدهاي استاندارد در خصوص خاكستر بادي(PFA) گرد سيليس، سرباره كوره آهنگدازي و پوزولان هاي طبيعي را نيز مورد بررسي قرار داده است.

برخي از كدهاي استاندارد از جملهASTM-C618,BS3892 ضوابط خاصي را براي خواص شيميايي و فيزيكي خاكستر بادي(PFA) جهت مصرف در بتن ارائه داده اند. اما براي گرد سيليس (دود سيليس) كه يك ماده پوزولاني نسبتاً جديد است، تنها در آيين نامه كاناداييCSA2 محدوديت هايي براي مقدارSO2، مقدارSO3 افت سرخ شدن، ميزان ذرات باقي مانده روي الك45 ميكرون، انديس فعاليت پوزولاني مقدار آب لازم جهت مصرف در بتن بيان شده است.

بيشتر استانداردها از جملهASTM-C618 براي پوزولان هاي طبيعي يك حداقل70 درصد را براي مجموعسه اكسيد اصلي شاملFe2O3,SiO2 مقرر داشته است. همچنين يك حداكثر برابر با 10 درصد براي افت سرخ شدن و3 درصد براي درصد رطوبت دو محدوديت مفيد براي خواص شيميايي هستند كه توسط استانداردها بيان شده اند. از ديدگاه خواص فيزيكي نيز براي استفاده از پوزولان هاي طبيعي در بتن، بيشتر كدهاي استاندارد محدوديت هايي در مورد ميزان ذرات مانده روي الك45 ميكرون، انديس فعاليت پوزولاني و مقدار آب را توصيه كرده اند.

خواص بتن با مواد پوزولاني

بسياري از خواص بتن، بر اثر استفاده از مواد پوزولاني بهبود مي يابد. بعضي آثار ناشي از خواص فيزيكي ذرات شامل ريزبودن و شكل ذرات، و بقيه ناشي از فعل و انفعال شيميايي با سيمان است.

رفتار بتن تازه و درجه هيدراتاسيون سيمان پرتلند را مي توان از خواص فيزيكي دانست كه به اندازه ذرات پوزولان وابسته اند. مقاومت و نفوذپذيري بتن سخت شده، مقاومت در مقابل بروز ترك هاي حرارتي، واكنش قليايي دانه ها و خرابي سولفاتي از خواص بسيار مهمي هستند كه از فعل و انفعال شيميايي پوزولان با سيمان ناشي مي شوند. در اين بخش بعضي از آثار مواد پوزولاني بر روي خواص بتن به طور خيلي كلي بيان مي‌گردد و در بخش هاي بعدي به تفضيل آثار مهم چند ماده پوزولاني كه در انجام دادن تحقيقات مورد استفاده قرار گرفته اند، جداگانه تشريح خواهند شد.

الف) تأثير پوزولان ها بر روي خواص بتن تازه عموماً به صورت يك اثر پايدار كننده ظاهر مي شود. اين بدان معناست كه افزودن ذرات خيلي ريز به مخلوط بتن باعث كاهش اساسي در ابعاد لوله هاي مويينه در بتن، تمايل مخلوط به جدايي را كاهش داده و مشخصات پرداخت پذيري بتن را بهبود مي بخشد. كارآيي يكي ديگر از خواص بسيار مهم بتن تازه است و اساساً به ميزان چسبندگي مخلوط بستگي دارد. بر طبق گزارش‌هاي داده شده، افزودن پوزولان ها به مخلوط بتن با سيمان معمولي اساساً چسبندگي مخلوط را افزايش مي دهد، به جز بعضي از انواع خاكستر بادي(PFA) با درصد كربن كم كه كارآيي بتن را افزايش مي دهد. اضافه نمودن دوده سيليس به بتن سبب افزايش چسبندگي و پايداري مخلوط مي گردد. به علاوه آب انداختن و جدايي مخلوط به مقدار زيادي كاهش مي يابد. افزايش چسبندگي مخلوط بدين معناست كه جهت رسيدن به كارآيي معمول در بتن هاي با دوده سيليس اسلامپ بالاتري لازم است. با افزودن مقادير خيلي كم دوده سيليس به بتن معمولي، به آب بيشتر با استفاده از مواد مضاف كاهش دهنده آب به منظور تثبيت كارآيي نيازي نيست ولي با افزودن مقادير بيشتر، معمولاً آب بيشتري جهت تأمين اسلامپ معين مورد نياز است.

گزارش هاي منتشر شده در خصوص اثر پروزولان هاي طبيعي بر روي كارآيي ملات ها و بتن ها بسيار اندك است. بررسي هاي مختلف نشان داده است كه مخلوط هاي با سيمان پرتلند و پوزولان هاي طبيعي نسبت به بتن هاي با سيمان پرتلند معمولي هت حصول كارآيي ثابت، آب بيشتري را طلب مي كند و مقدار آب لازم با افزايش ميزان پوزولان جايگزين شده به جاي سيمان به دليل ريزي بيشتر دانه ها و سطح مخصوص زيادتر بيشتر خواهد شد. زمان گيرش اوليه و نهايي بتن هاي با سيمان پرتلند و پوزولاني به مقدار پوزولان جايگزين شده به جاي سيمان و ريزي و درجه فعال بودن پوزولان بستگي دارد.

ب) حرارت هيدراتاسيون مخلوط هاي حاوي سيمان پرتلند عموماً بيشتر از مخلوط هاي داراي سيمان پرتلند به اضافه پوزولان است. اولين گزارش ها از كاهش حرارت هيدراتاسيون توسط ديويس ارائه گرديد و پس از آن محققان بسيار اين يافته را مورد تأييد قرار دادند. كاهش حرارت هيدراتاسيون به كند شدن هيدراتاسيون تري كلسيم آلوميناتC3A و تتراكلسيم آلومينوفريتC4AF مربوط است.

ج) اثر پوزولان ها بر روي مقاومت بتن طي مقالات بسيار زيادي مورد بررسي قررا گرفته است. هم سرعت افزايش مقاومت و هم ميزان مقاومت نهايي توسط هيدراتاسيون سيمان و مواد پوزولاني كنترل مي گردد، زيرا ميزان مقاومت تابعي از روند پر شدن منافذ توسط محصولات ايجاد شده بر اثر هيدراتاسيون است. بنابراين به دليل كندي واكنش‌هاي بيشتر پوزولان ها، مقاومت بتن با مواد پوزولاني در سنين كم معمولاً از مقاومت بتن معمولي كمتر است.

مطالعات انجام شده در مورد تأثير پوزولان هاي طبيعي بر روي مقاومت ملات ها و بتن‌ها نشان مي دهد كه مقاومت بتن هاي حاوي مقدار پوزولان زياد، در سنين كم يك كاهش جزيي دارد، اما مقاومت نهايي اين بتن ها ممكن است از بتن معمولي بيشتر باشد.

ماسازا تأثير بعضي از پوزولان هاي طبيعي ايتاليا بر روي مقاومت فشاري ملات ها را بررسي كرده است و ي دريافته است كه افزودن بيش از20 درصد از بعضي پوزولان ها، مقاومت ملات را كاهش خواهد داد. علاوه بر اين، مقاومت ملات هاي حاوي سيمان پرتلند و مواد پوزولاني تا28 روز، از مقاومت ملات هاي معمولي كمتر و اين نتيجه براي تمامي درصدهاي پوزولان جايگزين سيمان صادق بوده است. در فاصله 28-90 روز فعاليت پوزولاني بسيار مهم است زيرا مقاومت سيمان با20 درصد پوزولان بيشتر از بتن كنترل در سن90 روزه است.

د) مدول الاستيسيته و خزش بتن اساساً بستگي به مقاومت بتن و سختي دانه ها دارد. در بتن هاي حاوي سيمان پرتلند و پوزولان طبيعي با مقاومت اوليه پايين، به طور كلي مدول الاستيسيته به مقدار خيلي جزيي كمتر و خزش به مقدار خيلي جزيي بيشتر از بتن بدون پوزولان است. اطلاعات زيادي در مورد خواص مربوط به مدول الاستيسيته و خزش بتن با دوده سيليس وجود ندارد، اما با توجه به توانايي دوده سيليس در افزايش مقاومت اوليه بتن واضح است كه مدول الاستيسيته را افزايش داده و خزش را كم مي‌كند. با آزمايش هاي انجام شده بر روي بتن با25 درصد دوده سيليس جايگزين شده به جاي بخشي از سيمان پرتلند اين نظريه تأييد شده است...