مشخصات و شرایط سیمان و مصالح پوزولانی مصرفی در بتن

سيمان

2-2-1 - ملاحظات كلي

خميرسيمان يكي از مهمترين بخشهاي ساختار بتن را تشكيل مي‌دهد. خمير سيمان شامل محصولاتهيدراتاسيون، ذرات هيدراته نشده و منافذ و آب موجود درمنافذ مي‌باشد. محصولاتهيدراتاسيون بر اثر تركيب شدن آب مخلوط با تركيبات سيمان توليد مي‌شوند. عمدهمحصولات هيدراتاسيون از واكنش C₃Sو C₂S  باآب حاصل مي‌گردد.  اين واكنشها منجر بهتشكيل سيليكات كلسيم هيدراته شده (C-S-H)  و هيدروكسيد كلسيم مي‌گردد. واكنش C₂S  با آب منجر به شكل گيري  مقدار بيشتري C-S-H  و مقدار كمتري هيدروكسيد كلسيم در مقايسه باواكنش C₃S  وآب مي‌گردد. بلورهاي C-S-H  به علت خواص فيزيكي و مكانيكي نقش مؤثرتري درمقاومت و دوام بتن ايفا مي‌كند. لذا اهميت C₂S  نسبت به C₃S  در افزايش مقاومت درازمدت بيشتر است. اگر چه بهدليل سرعت زياد واكنش C₃S  نسبت به C₂S،  مقاومت درسنين اوليه تابع C₃S  است. از طرف ديگر، وجود هيدروكسيد كلسيم سببكاهش مقاومت بتن در برابر آسيب پذيري بتن ناشي از تهاجم سولفات‌هاست و لذا سيمانبا مقدار بيشتر C₂S  در مقايسه با سيمان با مقدار بيشتر C₃S  از دوام بيشتري برخوردار است.

همچنينميزان C₃A  درسيمان نقش مهمي در عدم نفوذ كلريد در بتن دارد. C₃Aبا كلريد موجود دربتن تركيب شده و به شكل كلرور آلومينات كلسيم در مي‌آيد. كلريدپيوند يافته در فرآيند خوردگي نقشي ندارد، بلكه يونهاي كلريد آزاد هستند كه باعث توسعه خوردگي مي شوند،  لذا با افزايش مقدار C₃Aدرسيمان به ظرفيت سيمان براي پيوند با كلريد افزوده مي شود. از طرف ديگر، وجود C₃Aدر سيمان، آسيب ديدگي بتن در برابر سولفاتها را افزايش مي‌دهد. سولفاتها باهيدروآلومينات كلسيم كه ناشي از هيدراتاسيون C₃A  است واكنش مي‌دهند و تركيبات سست انبساط‌زاتوليد مي‌كنند. لذا انتخاب نوع سيمان بسته به شرايط محيط مهاجم عامل اساسي در دوامبتن است. در نواحي خليج فارس، آب زيرزميني و خاك، آلوده به كلريد و سولفاتهستند،  اما دربخش روسازه (بالاي تراززمين) تهاجم كلر شديد مي‌باشد.  لذا درقسمتهاي زيرسازه (در تماس با خاك و آب زيرزميني) استفاده از سيمان هاي نوع 2 باميزان C₃A كنترل شده مناسب است. اما در قسمت هاي روسازه مي‌توان از سيمانهاي بامقادير بالاتر C₃A (مانند سيمان نوع 1) نيزاستفاده كرد. در جدول2-3 مشخصات سيمان‌هاي پرتلند طبق استاندارد ايران ارائه شدهاست.

همچنين،استفاده از مواد جايگزين سيمان به منظور بالا بردن دوام سازه هاي بتني بخصوصدرمناطق گرم و خورنده بسيار متداول شده است .

جايگزين‌هايسيمان به دو گروه عمده تقسيم مي‌شوند :

1- موادپوزولاني مانند تراس (پوزولان طبيعي) يا دوده سيليسي (پوزولان مصنوعي)

2- موادسيماني مانند روباره

بعضياز آثار پوزولانها بر روي خواص بتن به شرح زير است :

1-افزودن پوزولان به بتن باعث تبديل منافذ بزرگ به كوچك شده و در نتيجه از نفوذپذيريبتن كاسته مي‌شود. علت اين فرآيند تبديل هيدروكسيد كلسيم با منافذ بزرگ به ژل C-S-H  با منافذ كوچكتر است.

2-فعاليت پوزولاني سبب مي‌شود كه هيدروكسيد كلسيم موجود در خمير سيمان مصرف شده و درنتيجه از مقدار آهك كه عامل مهمي در آسيب‌ديدگي ناشي از تهاجم سولفاتها محسوب مي‌شود،كاسته شود. البته اين مواد تا حدي باعث كاهش قلياييت خمير سيمان مي‌شوند.

3-پوزولان، منطقه انتقالي بتن (وجه مشترك سنگدانه و خمير) را با تبديل آهك به C-S-H  تقويت كرده و در نتيجه باعث بهبود خواص بتن مي‌گردد.

     ¨       روباره [1]

روبارهمحصول فرعي كوره بلند آهنگدازي مي‌باشد. استفاده از روباره در مخلوط منجر به ايجادساختاري با حفره‌هاي ريزتر و تغييرات ريزساختار در فصل مشترك سنگدانه و سيمان مي‌شودكه در مجموع باعث كاهش نفوذپذيري مي‌گردد. همچنين بعلت ظرفيت پيوندي اين ماده سرعتنفوذپذيري يون كلريد در بتن كاهش مي‌يابد. تحقيقات بسيار متعددي در مورد عملكرداين نوع ماده در بتن انجام شده است كه در اكثر آنها بهبود دوام بتن به اثبات رسيدهاست. گرچه گاه نتايج متناقضي نيز گزارش شده است.

درصورت تصميم بر استفاده از روباره توليد داخل بايد از استاندارد بودن آن كاملاُاطمينان داشت.  به غير از نتايج چند موردطرح تحقيقاتي در مورد خواص روباره توليدي در ايران، مشاهدات كافي از عملكرد ايننوع ماده در مناطق خورنده وجود ندارد.

     ¨       دوده سيليسي(ميكروسيليس)[2]

     دوده سيليسي ناشي از بازيافت غبار دركارخانه هاي توليد آلياژ فروسيليس است. دوده سيليسي عمدتاً از ذرات سيليس بي‌شكل وبسيار ريز تشكيل شده است و مقدار سيليس فعال آن بايد حداقل 85  درصد باشد. استفاده از دوده سيليسي در بسياري از پروژه‌هاي عمراني در منطقه جنوبكشور رايج گرديده است. در ذيل به بعضي از آثار اين  ماده بر خواص بتن تازه و سخت شده اشاره مي‌شود:

      qخواص  بتن تازه بادوده سيليسي

جايگزيننمودن دوده‌سيليسي بجاي سيمان باعث افزايش سرعت هيدراتاسيون مي‌گردد و بعلت ريزيزياد اين ماده مخلوط چسبنده شده و براي رواني مناسب احتياج به آب بيشتري خواهدداشت. به علت تأثير نامطلوب افزايش نسبت آب به سيمان بر روي دوام بتن معمولاً لازماست تا رواني چنين مخلوط‌هايي با استفاده از روان‌كننده و يا فوق‌روان‌كنندهافزايش داده شود. همچنين جايگزين كردن مقداري از اين ماده به جاي سيمان باعث كاهشتمايل به آب انداختن و جداشدگي مخلوط مي‌گردد. مخلوط بتن تازه كه هنوز گيرش كاملنيافته ، مستعد ترك‌خوردگي سطحي ناشي از انقباض خميري بتن است. اين پديده در شرايطهواي گرم ، هنگامي كه ميزان تبخير از سطح بتن بيش از مقدار آب انتقال يافته ازداخل بتن به سطح آن باشد ، حادتر است. لذا از آنجاييكه در بتن با دوده سيليسيپديده آب انداختن بسيار كم است ، گزارشهاي زيادي از حساسيت اين نوع بتن به تركخوردگي ناشي از انقباض خميري وجود دارد. لذا در مورد اين نوع بتن پس از ريختن ومتراكم كردن آن ، بايد بلافاصله از تبخير آب از سطح بتن جلوگيري نمود.

      qاثر دوده سيليسي بر دوام بتن

استفادهاز دوده سيليسي در بتن منجر به ايجاد ساختاري با حفره‌هاي ريزتر مي‌گردد كه باعثكاهش نفوذپذيري مي‌شود. از طرف ديگر، حذف پديده آب افتادگي باعث پيوستگي بهتر درناحيه انتقال خمير سيمان  و سنگدانه مي‌شودو در نتيجه افزايش مقاومت بتن را به دنبال دارد. علاوه بر اين، جايگزين نمودنمقداري از اين ماده به جاي سيمان بعلت افزايش مقاومت الكتريكي بتن باعث كاهشنفوذپذيري در مقابل نفوذ يون كلريد مي‌گردد. بايد توجه كرد كه استفاده از اين مادهدر محيط‌هاي در معرض سولفات ‌منيزيم عملكرد مطلوبي ندارد.

درتحقيقات صورت گرفته ، مقدار جايگزيني 6 - 8 درصد اين ماده به جاي سيمان نتايج مطلوبي داشته است. نكته بسيار مهمي كه درمورد استفاده از اين ماده وجود دارد، اين است كه، قبل از استفاده بايد كاملاً بهصورت دوغاب درآيد. دوغاب بايد كاملاً روان و عاري از ذرات بهم چسبيده دوده سيليسيباشد. بدين منظور لازم است كه از بهم‌زن مكانيكي با دور تند استفاده نمود. چسبيدناين مواد به يكديگر با توجه به ريزي بسيار زيادي كه دارد، به عنوان سيليس فعال درواكنش با قلياييها عمل كرده و باعث خرابي ناشي از واكنش سيليسي قليايي مي‌گردد.

     ¨       پوزولان‌هايطبيعي

     پوزولانهاي طبيعي در حقيقت پوكه سنگها وخاكسترهاي غير كريستالي باقيمانده از فعاليت هاي آتشفشاني است. ذخاير بزرگي ازپوزولانهاي طبيعي در نقاط مختلف كشور وجود دارد كه از جمله آنها مي‌توان تراسجاجرود، پوكه سنگ هراز (دماوند)، پوكه سنگ سهند و پوكه سنگ تفتان را نام برد . طيتحقيقات صورت گرفته بر روي پوزولانهاي طبيعي ايران، مشاهدات زير صورت گرفته است.

1-افزايش مقاومت در دراز مدت

2-عملكرد مناسب دربرابر تهاجم يون كلريد و سولفات

3-كاهش تخلخل و نفوذپذيري در صورت انتخاب نسبت كم آب به سيمان با كاهش ميزان آب واستفاده از روان‌كننده‌ها

درصورت انطباق ويژگي‌هاي اين ماده با مشخصات استاندارد، جايگزيني 15 تا 40 درصد بجايسيمان مقدار مناسبي است.  

      ¨        خاكستر بادي [3]

     خاكستر باديماده‌اي است كه از سوختن زغال‌سنگ حاصل مي‌گردد و توسط فيلترهاي مخصوص، به صورتغبار جمع‌آوري مي‌شود. حدود 85  درصد ذراتاين ماده از اكسيدهاي سيليسيم، آلومينيم، آهن، كلسيم و منيزيم تشكيل مي‌شود. آثارمطلوب اين ماده در بهبود خواص بتن تازه و سخت شده باعث مصرف روزافزون آن در دنياشده است.

مصرف اين ماده باعث افزايش كارايي بتن تازه مي‌گردد.همچنين افزايش دماي اوليه بتن به ميزان قابل توجهي كاهش مي‌يابد. لذا مصرف آن دربتن ريزيهاي حجيم رايج است. همچنين عملكرد اين ماده در افزايش دوام بتن درمقابلمحيط‌هاي مهاجم اثبات شده است. نفوذپذيري كمتر، عملكرد مناسب در برابر پديدهكربناتاسيون، مقاومت در برابر سولفات و كلريد و نيز كنترل واكنش قليايي سنگدانه‌هااز مزاياي استفاده از اين ماده به جاي سيمان است. گر چه تمام مزاياي ذكر شده تحتتأثير انتخاب مناسب نسبت آب به سيمان، عمل آوري كافي، كيفيت مطلوب خاكستر بادي وميزان مناسب جايگزين اين ماده به جاي سيمان است. در صورت انطباق مشخصات اين مادهبا الزامات استاندارد مقدار جايگزيني 20 تا 50 درصد انتخاب مناسبي است، گرچه دربعضي موارد جايگزيني با مقادير بيشتر نيز بكار ميرود.

در كشور ما نيز با توجه به وجود معادن زغال سنگ پتانسيلخوبي براي توليد اين ماده وجود دارد و در آينده نزديك كاربرد خواهد داشت.

امروزهاستفاده از انواع سيمانهاي آميخته و مواد جايگزين سيمان در بهبود ويژگيهاي مربوطبه دوام بتن با تحقيقات و مطالعات متعددي كه در سطح جهان و در مراكز علمي وتحقيقاتي و دانشگاهي معتبر صورت گرفته است، تا حدي روشن گشته است.

درجدول (2-4) مشخصات لازم براي دوده سيليسي ارائه شده است. همچنين خواص فيزيكي وشيميايي سيمانهاي روباره‌اي و پوزولاني طبق استاندارد ايران در جداول‌‌ (2-5 ) و(2-6) آمده است.

2-2-2- دستورالعمل‌‌هاي كلي

      qلازم است، آزمايشهاي لازم روي سيمانهاي مصرفي به منظورتعيين ويژگيهاي شيميايي و فيزيكي آنها قبل از استفاده و تطابق آنها با ضوابطاستاندارد صورت بگيرد.

      qسيمان نبايد بعد از 4 ماه از تاريخ توليد در كارخانه مصرفگردد. همچنين طول دوره مجاز براي انبار كردن سيمان 2 ماه مي‌باشد. در طول دورهمجاز نيز تنها در صورتي كه آزمايشهاي لازم روي آن انجام گيرد و مشخصات آن باويژگيهاي استاندارد مطابقت داشته باشد، قابل استفاده است. شرايط انبار كردن سيمانبايد مطابق با الزامات استاندارد ايران باشد.

      qبه علت شرايط آب و هوايي گرم و مرطوب حاشيه خليج فارس، سيمانبسرعت فاسد و كلوخه شده و خواص خود را از دست مي دهد بدين منظور لازم است كه انبارسيمان داراي سيستم خنك‌كننده بصورت خشك باشد.

      qدرصورت تصميم و تشخيص براي استفاده از هر نوع پوزولانبخصوص پوزولانهاي توليدي در ايران بايد آثار و خواص آن بر روي بتن در آزمايشگاهمورد بررسي و ارزيابي قرار گيرد تا عملكرد آن تأييد شود يا عملكرد مطلوب آنها درسازه، در درازمدت، بايد به اثبات رسيده باشد. 

      q سيمانهاي پاكتي بايد در انبار سرپوشيده كه كف و ديوارهايآن داراي عايق رطوبتي است، نگهداري شود. كيسه‌ها بهتر است روي تخته‌هاي چوبي كه اززمين مقداري فاصله دارند چيده شوند. كيسه‌ها به صورت چسبيده بهم انبار گردد و باديوار در تماس نباشند. ارتفاع چيدن كيسه‌ها رويهم نبايد بيش از 2/1 متر باشد .همچنين بايد روي آنها با نايلون و پوشش‌هاي ضد رطوبت پوشانده شود.

      qدر صورتي كه دماي سيمان بيشتر از  ^oC60  باشد، ممكن است مشكلاتي در كيفيت بتن بهوجود آيد . بنابراين دماي سيمان هنگام مصرف نبايد بيش از  ^oC60 باشد.  لذا انبار سيمان بايد مسقف باشدتا از تابش مستقيم نور خورشيد محافظت شده باشد. در صورت استفاده از سيلوهاي فلزيبهتر است اين سيلوها داراي سايبان باشند و با رنگ روشن پوشش داده شوند.

qاگر در آزمايش واكنش قليايي سنگدانه‌هاي مصرفي، مستعد بودنآنها به واكنش‌زايي تأييد شود، مقدار قليايي معادل نهايي سيمان (Na₂O+0.658 K₂O) نبايد از6/0  درصد تجاوز كند.

2-2-3 - توصيه هاي خاص

      qاستفاده از سيمانهاي زود سخت شونده تنها در موارد خاص وتحت نظر مهندسان و تأييد آنان مجاز است.

      qاز مصرف سيمان ضد سولفات براي بتن مسلح در محيط‌هاي روياروبا يون كلريد اجتناب گردد. در مناطقي كه عوامل خورنده املاح سولفاتي و كلريديهستند استفاده از سيمان نوع 2 با C₃Aبين 5 تا 8 درصد توصيه مي‌گردد.

      qدر صورت تصميم بر استفاده از دوده سيليسي، ميزان 6-8  درصد وزني جايگزين سيمان به همراه سيمان نوع2  به عنوان محدوده پيشنهادي پس از تأييدنتايج آزمايشهاي لازم توصيه مي شود.

      qدوده سيليسي مورد استفاده بايد طبق ويژگيهاي استانداردباشد. براي توزيع همگن مخلوط، توصيه‌ مي‌شود دوده سيليسي را قبل از اضافه نمودنتوسط مقداري از آب لازم و يا با مقداري روان‌كننده يا  فوق‌روان‌كننده در طرح به صورت دوغاب درآورد وسپس به مخلوط اضافه نمود.

      qدر صورتيكه كنترل مقدار آب و كاهش مقداري از آب كه برايدوغاب كردن دوده‌سيليسي بكار رفته، از كل مقدار آب لازم در طرح، امكان نداشت، بهتراست دوده‌سيليسي را با مقداري از روان‌كننده و يا فوق‌روان‌كننده مصرفي بصورتدوغاب درآورد و بقيه افزودني را هنگام ساخت مخلوط به آن اضافه نمود.

      qاستفاده از سيمانهاي آميخته با دوده‌ سيليسي (توليدي در كارخانه)‌به علت مشكلات كمتر در اجرا و در مخلوط كردن توصيه مي‌شود.

      qاستفاده از سيمانهاي پرتلند روباره‌اي (در صورتي كه طبقويژگيهاي استاندارد باشد) به همراه  5 درصددوده‌ سيليسي نيز از لحاظ كاهش ميزان نفوذپذيري و كنترل واكنش قليايي سيليسي نتايجخوبي داشته است.

جدول 2-3- سيمان‌هاي پرتلند طبق استاندارد ايران

* براي هر سه رده 325-1 ، 425-1 و 525-1

جدول 2-4-  خواص شيميايي لازم براي دوده سيليسي

جدول 2-5- ويژگي‌هاي سيمان پرتلند پوزولاني طبق استاندارد ايران (شماره3432)

* چنانچه توليد كننده بنا بهدرخواست خريدار ملزم به اعلام نتايج تركيبات شيميايي سيمان پرتلند پوزولاني باشد،رواداري تركيبات شيميايي بايد مطابق جدول زير باشد.

جدول 2-6- ويژگي‌هاي سيمان سرباره‌اي طبق استاندارد ايران(شماره 3517)

* چنانچه توليد كننده بنا بهدرخواست خريدار ملزم به اعلام نتايج تركيبات شيميايي سيمان سرباره‌اي باشد،رواداري تركيبات شيميايي بايد مطابق جدول زير باشد.