افزایش دوام بتنهای خاص توسط مواد خام زائد

 

ر.دروکیتکا، ت.فوجتیک

دانشگاه صنعتی برنو

مترجم: حسین صادق زاده²

کارشناس ارشد سازه، عضو هیات علمی دانشگاه آزاد اسلامی واحد اسکو

 

چكيده

 امروزه تحقیقات زیادی به روی دوام سازه های ساختمانی و خوردگی بتن در اثر مایعات یا گازهای خورنده انجام  میگیرد . نتایج حاکی از آن است که می توان مقاومت بتن را در برابر عوامل خورنده بوسیله اضافه کردن مواد زائد مناسب یا ترکیباتی که دارای خواص پوزالانی باشند، اضافه کرد.

سوالات تحقيق:

این مقاله امکان افزایش دوام انواع خاصی از بتن من جمله بتن خود تراکم ، بتن با کارایی بالا و بتن پودرعکس العمل را بوسیله افزودن مواد خام مناسب مثل خاکستر سرباره کوره نیروگاه (power plant fly ash ) یا ترکیبات دیگر مثل متا – کائولن مورد بررسی قرار می دهد . هدف از این تحقیق تعیین، مقایسه و آنالیز اثر خاکستر سرباره کوره نیروگاه و متا – کائولن بر روی بتنهایی است که در مواد خورنده غوطه ور میباشند.

روش تحقیق:

بتن با و بدون استفاده از مواد خام زائد و یا ترکیبات دیگر تهیه گشت . نمونه های بتنی درون مایعات ( روغن ،ˉ cl وˉ²  SO4 ) و یا گازهای ( CO2 و SO2  متراکم با درصد رطوبت متفاوت و در محیط بسته ) خورنده نگهداری شد و نمونه های مرجع درون آب نگهداری شدند. زمان نگهداری 3 الی 6 ماه بود. پس از نگهداری ، نمونه ها با روشهای شیمیایی و مکانیکی آزمایش شدند و شکل ظاهری و حالت خارجی آنها با توجه به ماده خورنده مورد آزمایش مورد بررسی قرار گرفت.

نتیجه گیری:

نتایج آزمایش بر روی نمونه های شش ماهه حاکی از آن است که می توان دوام بتن را با استفاده از خاکستر سرباره کوره نیروگاه و نیز متا – کائولن افزایش داد . پس از شش ماه تغییر قابل توجهی در خواص مکانیکی و شیمیایی نمونه های حاوی مواد افزودنی رویت نشد  ( در معرض مواد خورنده مختلف ). اعلام نظر قطعی در این مرحله در مورد افزایش کارایی بتنهای اصلاح شده ممکن نیست چرا که مدت زمان 6  ماه برای این هدف زمان کمی می باشد. و لکن این تحقیق شروعی برای بررسی های آتی بوده و در آینده نتایج آزمایش بر روی نمونه های 4  ساله ارائه خواهد شد.

 

كلمات كليدي: مواد خام زائد ،  بتن پودر عکس العمل ،  بتن خود متراکم ،  بتن با کارایی بالا ،  خاکستر سرباره کوره نیروگاه (power plant fly ash )، متا – کائولن

 

1. مقدمه

طی دهه های پیش کاربرد بتن با مقاومت بالا (HSC) به طور مداوم افزایش یافته و در طی این مدت کارایی این بتن نیز روز به روز افزایش یافته است. دلیل اصلی این علاقه کاربران، مقاومت فشاری بالای این بتن می باشد که بین حداقل 65N.mm² تا 100n.mm² متغیر است. تحقیقات در این زمینه ادامه دارد و نتایج تحقیقات نشان می دهند که مقاومت های تا 200N.mm² و حتی بیشتر قابل دسترسی می باشند. این بتن ها گاهاً "بتن با مقاومت فوق العاده بالا" (UHSC) نامیده شده اند و نمونه ای از این بتن ها که در فرانسه تولید شده است "بتن پودر عکس العمل" (RPC) نامیده می شود. در کل UHSC ها بعنوان بتن های دارای مشخصات بالای فیزیکی – مکانیکی شناخته شده اند. امروزه روند تحقیقات در جهت امکان سنجی افزودن زایعات صنعتی همانند خاکستر سرباره کوره نیروگاه به ترکیب بتن می باشد. و لیکن رفتار دراز مدت بتن هایی که به آنها مواد خام زاید افزوده شده است مورد مطالعه قرار نگرفته است. علاوه بر آن میزان افزایش مقاومت این بتنها در برابر خوردگی به هنگام مواجهه با محیط های خشن و خورنده که بتنها معمولاً در معرض آن هستند، مورد مطالعه قرار نگرفته است.

 

2- روشها و تکنیکها

در این تحقیق یک سری مطالعه جهت تعیین افزایش احتمالی دوام (یا مقاومت در برابر خوردگی) انواع جدید از بتن مانند بتنهای پودر عکس العمل (RPC)، بتنهای خود متراکم (SCC) و بتنهای با مقاومت بالا (HPC) بوسیله افزودن مواد زاید (مانند خاکستر سرباره کوره نیروگاه) یا ترکیبات دارای خواص پوزولانی (مانند میکرو سیلیس) انجام گرفت. هدف اصلی این تحقیق تعیین مقاومت در برابر خوردگی این بتنها به هنگام مواجهه با محیط های شیمیایی خورنده می باشد.

تحقیق در دو فاز انجام گرفت. فاز اول یافتن درصدهای مناسب جهت ساختن بتنهای شاهد مناسب دارای افزودنی یا خاکستر سرباره کوره نیروگاه و مقایسه آن با بتنهای فاقد این افزودنیها بود. چندین درصد متفاوت مورد مطالعه قرار گرفت تا ترکیب نهایی بتن بدست آید و مقاومت های بالای مورد نظر بدست آید.

فاز دوم کار خود شامل دو بخش متفاوت بود، در یک بخش افزایش دوام RPC یا SCC بوسیله افزودن خاکستر سرباره مورد مطالعه قرار گرفت  و در بخش دوم افزودن متاکائولن به HPC با همین هدف (افزایش دوام) مورد بررسی قرار گرفت. در هر دو این بخش ها نتایج بدست آمده از آزمایش بررسی بتنهای دارای افزودنی، با بتنهای شاهد ایجاد شده در فاز اول از منظر خواص فیزیکی – مکانیکی مورد بررسی قرار گرفتند و این در حالی بود که تمامی نمونه ها به مدت 3 الی 6 ماه در معرض محیط های خورنده قرار گرفته بودند. با این روش می توان تاثیر افزودنی ها بر خواص فیزیکی – مکانیکی و نیز   فیزیکی – شیمیایی انواع بتنها را در محیط های مختلف مورد بررسی قرار داد. این مقایسه بین نمونه هایی که در معرض شرایط خورنده قرار گرفتند و نمونه هایی که درون آب (شرایط خنثی) قرار گرفته بودند انجام می گرفت. بنابراین می توان، مقایسه ای بین نمونه های دارای افزودنی و نمونه های فاقد افزودنی هم در معرض محیط های خورنده و هم بیرون از محیط های خورنده انجام داد. این کار به ما امکان تعیین میزان پتانسیل افزایش دوام دراز مدت این بتنها را می دهد.

نمونه های آزمایشگاهی HPC و SCC، مکعبهایی با ابعاد (100mm) بودند که در قالبهای فولادی ریخته شده بودند. قالبها بعد از 24 ساعت باز شدند و به مدت 28 روز تحت شرایط استاندارد نگهداری شدند. (T=22⁰C , R_H=100%) نمونه های RPC به شکل تیرهای منشوری در ابعاد 50´50´200mm ساخته شدند. نمونه های RPC، 5 الی 6 ساعت پس از قالب گیری، از قالب باز شده و به مدت 2± 72 ساعت تحت شرایط کنترل شده عمل اوری شدند (T=90±3⁰ , R_H=100%) بعد از این زمان، نمونه های RPC درون آب و در کنار سایر نمونه ها قرار داده شدند.

نسبت ترکیب بتنهای SCC , HPC , RPC در جداول 1 الی 3 آمده است.

 

جدول 1: نسبت ترکیب بتن پودر عکس العمل RPC

اجزای بتن	RPC I (Kg.m-3)	RPC II (Kg.m-3)
سیمان تیپ-SVC III/A 32,5 R	712	712
ماسه کوارتز	1200	1140
خاکستر سرباره	-	60
میکرو سیلیس	228	228
آب	178	178
ماده روان کننده (Chrysofluid Premia 150)	21	21

 

جدول 2: نسبت ترکیب بتن خود متراکم (SCC)

اجزای بتن	SCC I (Kg.m-3)	SCC II (Kg.m-3)
سیمان تیپ-CEM I 42,5 R	450	360
ماسه با دانه بندی  0 الی  4 میلی متر	930	930
ماسه با دانه بندی 4 الی 8 میلی متر	200	200
ماسه با دانه بندی  8 الی 16 میلی متر	510	510
خاکستر سرباره	-	90
ماده روان کننده  (Chrysofluid Optima 200)	7.2	5.76
آب	203	213

 

جدول 3: نسبت ترکیب بتن با مقاومت بالا (HPC)

اجزای بتن	HPC I (Kg.m-3)	HPC II (Kg.m-3)
سیمان تیپ-CEM I 42,5 R	387	430
ماسه با دانه بندی  0 الی  4 میلی متر	817	817
ماسه با دانه بندی 4 الی 8 میلی متر	209	209
ماسه با دانه بندی  8 الی 16 میلی متر	874	874
خاکستر سرباره	-	43
ماده روان کننده (Woerment FM 794)	7.4	7.4
آب	160	160

 

3- نحوه آزمایش

3-1- امکان سنجی افزایش دوام توسط افزودن مواد زاید صنعتی (خاکستر سرباره کوره نیروگاه) به بتن پودر عکس العمل (RPC) و بتن خود متراکم (SCC)

هدف اصلی این بخش از تحقیق تعیین دوام SCC , RPC با و بدون استفاده از خاکستر سرباره می بود. نمونه های تهیه شده در معرض محیط های خورنده قرار گرفتند و نمونه های شاهد درون آب استاندارد قرار داده شدند. نمونه به مدت 3 الی 9 ماه تحت این شرایط نگهداری شدند و بعد از این مدت تحت آزمایشات فیزیکی – مکانیکی قرار گرفتند و وضعیت ظاهری و حالت کلی آنها مورد بررسی قرار گرفت. نتایج بدست آمده، با نتایج نمونه های شاهد مقایسه شد.

 

3-2- امکان سنجی افزایش دوام توسط افزودن ترکیبات پوزولانی (متاکائولن) به بتن با مقاومت بالا (HPC)

هدف از این قسمت از تحقیق امکان سنجی افزایش دوام بتن با کارایی بالا (HPC) با افزودن متاکائولن به ترکیب بتن می باشد. طبق جدول 3 نمونه ها با (نمونه  HPC II) و بدون (نمونه HPC I)  افزودنی ساخته شدند. تعدادی از این دو نوع نمونه ها درون محیط های خورنده قرار داده شدند و نمونه های شاهد درون آب استاندارد قرار داده شدند. نمونه ها به مدت 3 الی 6 ماه تحت این شرایط نگهداری شدند و بعد از این مدت تحت آزمایشات فیزیکی – مکانیکی قرار گرفتند. نتایج بدست آمده در جداول 6 و 7 ارائه شده اند.

به هنگام انتخاب انواع مختلف محیط های خورنده، سعی بر این شد تا متنوع ترین طیف موادیکه بتن عموماً در معرض آن قرار می گیرد، انتخاب گردد. خواص این محیط ها در جدول 4 ارائه شده اند.

 پیشنهاد می‌کنیم محصول روان کننده های بتن را هم بررسی کنید.

جدول 4: خواص محیط های خورنده استفاده شده در آزمایش

خواص محیط
ماده	خلوص	رطوبت نسبی
(گاز) CO2	98%	75%
(گاز) SO4	98%	75%
(سولفات) Na2SO4	36000 mg.l-1	-
(کلرید) NH4Cl	2000 mg.l-1	-
روغن موتور	100%	-
تاثیر جو	فضای باز

 

در طول مدت نگهداری از نمونه ها، خلوص مواد خورنده مورد استفاده مورد کنترل قرار گرفته و ثابت نگهداری می شدند.

 

4- نتایج

4-1- بتن پودر عکس العمل (RPC)

نمودارهای زیر نشان دهنده نتایج آزمایشات مقاومت بر روی نمونه های RPC II , RPCI پس از 6 ماه (180 روز) نگهداری تحت محیط های خورنده مختلف می باشند. نتایج بدست آمده تحت آزمایشات فشاری، کششی و مدول الاستیسیته برای دو نوع بتن RPCII , RPC I به ترتیب در نمودارهای 1، 2 و 3 ارائه شده اند.

نتایج نمونه های شاهد آنهایی هستند که در شرایط استاندارد نگهداری شدند و در معرض هیچ گونه محیط خاصی قرار نگرفتند.

 

نمودار 1: مقایسه مقاومت فشاری RPC II , RPCI پس از 180 روز نگهداری تحت شرایط خورنده مختلف

 

نمودار 2: مقایسه مقاومت خمشی RPC II , RPCI پس از 180 روز نگهداری تحت شرایط خورنده مختلف

 

نمودار 3: مقایسه مدول الاستیسیته دینامیکی RPC II , RPCI پس از 180 روز نگهداری تحت شرایط خورنده مختلف

 

 4-2- بتن خود متراکم (SCC)

خلاصه نتایج خواص SCC II , SCC I پس از 6 ماه نگهداری تحت شرایط خورنده مختلف در نمودارهای زیر ارائه شده است.

 

نمودار 4: مقایسه مقاومت فشاری SCC II ,  I پس از 180 روز نگهداری تحت شرایط خورنده مختلف

 

نمودار 5: مقایسه مدول الاستیسیته دینامیکی SCC II , SCC I پس از 180 روز نگهداری تحت شرایط خورنده مختلف

 

4-3- بتن با مقاومت بالا (HPC)

خلاصه نتایج خواص HPC II , HPCI پس از 6 ماه نگهداری تحت شرایط خورنده مختلف در نمودارهای زیر ارائه شده است.

 

نمودار 6: مقایسه مقاومت فشاری HPC II , HPCI پس از 180 روز نگهداری تحت شرایط خورنده مختلف

 

نمودار 7: مقایسه مدول الاستیسیته دینامیکی HPC II , HPCI پس از 180 روز نگهداری تحت شرایط خورنده مختلف

 

5- جمع بندی

-در مقایسه با بتن های معمولی، بتن اصلاح شده توسط افزودن مواد خام زاید (خاکسر سرباره کوره نیروگاه)  و  نیز  توسط افزودن  ترکیبات دارای خواص  پوزولانی  نتایج مشابهی  در آزمایشات    مکانیکی – فیزیکی از خود ارائه نمودند.

- مقاومت فشاری و خمشی بتن پودر عکس العمل (RPC) که توسط خاکستر سرباره (5 درصد وزن پر کننده)  اصلاح شده بود با افزایش همراه بود ولی مدول الاستیسیته تغییری نداشت.

- مقاومت فشاری بتن خود متراکم (SCC) که توسط خاکستر سرباره اصلاح شده بود (20 درصد وزن سیمان) در مقایسه با بتن بدون اصلاح کننده نسبتاً کمتر بود. دلیل این امر نسبت آب به سیمان بیشتر در ترکیب جدید بود و این امر باعث کندتر شدن ترکیب خاکستر پوزولانی می بود.

- جایگزینی 10درصد وزن سیمان بوسیله متاکائولن در HPC تاثیر زیادی بر کیفیت HPC نداشت، نتایج بدست آمده برای مقاومت فشاری و مدول الاستیسیته دینامیکی تقریباً یکسان بود.

- تاثیر مواد خام زاید (افزودنیها) بر دوام بتن در فاز دوم تحقیقات بررسی شد.  تغییر قابل توجهی در خواص مکانیکی بتن (مقاومت فشاری، مقاومت خمشی و مدول الاستیسیته دینامیکی) بعد از شش ماه نگهداری در محیط خورنده رویت نشد. همچنین، وضعیت ظاهری و جرم نمونه ها تغییری نداشت. (آنالیز با X-ray این مورد را تایید نمود).

- آنچه در مورد نتایج آزمایشات بر روی نمونه های SCC , RPC که مواد پرکننده آنها با خاکستر سرباره یا متاکائولن (در HCP) جایگزین شده بود می توان گفت این است که این جایگزینی تغییر قابل توجهی در خواص بتن در مقایسه با بتن معمولی ایجاد نکرده است و این امر پس از 6 ماه نگهداری در محیط خورنده نیز پا بر جا بوده لیکن، لازم به ذکر است که عموماً تاثیر مواد شیمیایی خورنده بر روی بتن، در زمانهای طولانی تر خود نمایی می نماید، پیرو این مطلب در آینده نتایج آزمایش بر روی نمونه های 48 ماهه مطالعه خواهد شد.

 

6- منابع:

 [1] Matoušek, M., Drochytka, R.: Atmospheric Corrosion of Concrete, IKAS Praha 1998 (in Czech)

[2] Drochytka, R.: Atmospheric Corrosion of Concrete and Cellular Concrete. Sborník vědecké konference VUT FAST Brno, 1984, (Proceedings of Conference at Brno University of Technology (in Czech)

 [3] Sadeghzadeh, Hossein.2007, Possibility of Using some Polymeric Material in Construction, Master’s Thesis, Islamic Azad University, Central Tehran

 

Durability Increase of Special Concrete by Application of

Waste Raw Materials

1. Drochytka, T. Fojtík

Brno University of Technology, Faculty of Civil Engineering

Translation to Farsi: H. Sadeghzadeh

 Lecturer, Department of Civil Engineering, Azad University of Osku, Osku, I.R. Iran.

 

ABSTRACT

A great deal of research is currently focused on the durability of building structures and concrete degradation caused by the effect of corrosive liquids or the gaseous phase. Test results have shown that concrete resistance to aggressive media can be increased by the addition of suitable types of waste materials or admixtures having pozzuolana properties.

RESEARCH INQUERIES

The paper discusses the potential for increases in durability of special concrete types, including Self Compacting Concrete, High Performance Concrete, Reactive Powder Concrete by addition of suitable waste materials (power plant fly ash) or admixtures (meta-kaolin). The aim of the work is to verify, compare and analyze the effect of addition of power plant fly ash and meta-kaolin respectively to concrete subjected to immersion in aggressive media.

RESEARCH METHOD

Concrete were prepared with and without the utilization of waste raw materials or admixtures. The concrete was stored in different aggressive liquid media (SO4

2-, Cl´, oil) or gases (simulated concentrations of CO2, SO2 with different relative

humidities, and ambient exterior atmospheric conditions) and reference samples were stored in water. The storage periods were 3 and 6 months. After storage, specimens were tested by physico-mechanical and physico-chemical methods, and their appearance and state after exposure to individual aggressive effects was recorded.

CONCLUSION

Results from short-term test of 6 months exposure in aggressive media show that enhanced durability can be achieved with concretes incorporating power plant fly ash or meta-kaolin. No significant changes of physico-mechanical and physico-chemical properties were found in anysamples of concrete modified by power plant fly ash or meta-kaolin after 6 months of storage in different aggressive media. Definite conclusions regarding the enhanced performance of these modified concretes cannot be made given that an exposure period of 6 months is too short for generalization of results. However, these initial results can help orient further research and further work continues with additional tests results from exposure periods of 48 months to be reported at a later date.

Key Words: Waste raw materials, Reactive Powder Concrete, Self Compacting Concrete, High Performance Concrete.