تاثير سرباره هاي کوره بلند و سرب به عنوان ماسه بر نفوذپذيري بتن

سيد حسين قاسم زاده موسوي نژاد، سید اسرافیل نبوی 

1-استاديار، دکتراي عمران (سازه)، دانشگاه گيلان (مولف رابط)

2- کارشناس ارشد سازه

 

چكيده مقاله

استفاده از پوزولان در دهه هاي اخير بطور گسترده اي در سطح جهان افزايش يافته است. از اثرات مثبت استفاده از سرباره در بتن به عنوان بخشي از سنگدانه يا سيمان مي توان افزايش مقاومت، چگالي، دوام، مقاومت در برابر محيط قليايي و شرايط يخبندان و کاهش نفوذپذيري را نام برد. با توجه به وجود مقادير بسيار زياد سرباره هاي انباشت شده در کارخانجات آهن و سرب و اثر منفي دپوي اين سرباره ها بر محيط زيست، همچنين محدود بودن مصالح سنگي طبيعي و استفاده بهينه از امکانات، استفاده از اين سرباره ها در صنعت ساختمان ضروري مي باشد.

سوالات تحقيق:

در اين تحقيق، اثر جايگزيني 30% از اين سرباره ها با ماسه بر کارايي، مقاومت فشاري و نفوذپذيري در برابر آب تحت فشار بررسي شده است.

روش تحقیق:

نمونه ها در قالبهای مکعبی ریخته و متراکم شدند. بعد از قالب گیری، نمونه ها با صفحات نایلونی خیس پوشانده شدند و به مدت 24 ساعت در دمای آزمایشگاه نگهداری شدند. بعد از قالب برداری، نمونه ها در حمام آب تا زمان آزمایش قرار داده شدند. کل نمونه ها 24 ساعت قبل آزمایش در آون با دمای   5±150  سانتی گراد خشک شدند. مقاومت فشاری در سنین 14، 28 و 56 روز و آزمایش نفوذپذیری آب در سنین 28 و 56 روز انجام شدند.

نتیجه گیری:

نتايج نشان مي دهد که جایگزینی ماسه با سرباره کوره بلند در بتن کارايي و نفوذپذيري کاهش و مقاومت فشاري افزايش مي يابد. همچنين وجود سرباره سرب در بتن کارايي، نفوذپذيري و مقاومت را کاهش مي دهد.

كلمات كليدي: ترمیم بتن، سرباره سرب، سرباره کوره بلند آهنگدازي، مقاومت فشاري، نفوذپذيري

 

1.مقدمه

بتن يکي از مهمترين مصالح سازه اي مصرفي در جهان مي باشد که به دليل پايايي و قيمت مناسب در محيط هاي دريايي و آبي بکار مي رود. اما در بعضي از موارد به دليل طراحي ضعيف، ضعف در اجرا، کيفيت نامرغوب مصالح و شرايط محيطي لحاظ نشده در طراحي و يا ترکيبي از اين عوامل، سازه بتن آرمه ساخته شده، کارايي و دوام مورد نظر را در دوره عمر مفيد خود نخواهد داشت. امروزه پايداري و کارايي منابع در صنعت ساخت بطور گسترده اي به مسائل مهم تبديل شده اند و تغيير نگرش به سمت مصالح ثانويه تحقيقات را به منظور استفاده از پوزولانهايي به مانند سرباره هاي حاصل از کارخانجات فلز به عنوان سنگدانه بتني تقويت مي کند. سنگدانه، در کنار سيمان و آب، از آنجايي که حجمي در حدود 55% تا 80% بتن را اشغال مي کند، يکي از مهمترين اجزاي بتن را تشکيل ميدهد. افزايش سريع مصرف سنگدانه هاي طبيعي هر ساله به علت افزايش صنعت ساخت و ساز در جهان بدين معني است که مخازن سنگدانه، بويژه در مناطق کويري، بسرعت در حال کاهش مي باشد. گزارش شده است که بدون سنگدانه هاي دائمي مناسب که در آينده نزديک استفاده شوند، بطور کلي صنعت بتن ساليانه 8 تا 12 بيليون تن سنگدانه بعد از سال 2010 مصرف خواهد کرد. چنين مصرف زيادي از سنگدانه هاي طبيعي منجر به تخريب محيط زيست مي شود. بنابراين ضروري است که با بررسي امکان استفاده از مصالح زايد و جانبي صنعتي، جايگزين دائمي براي سنگدانه هاي طبيعي در ساخت بتن پيدا شود و مورد بهره برداري قرار گيرد. اين عمل منجر به طراحي بتن پايدار و محيط سبز خواهد شد (2،4،5).

يکي از مهمترين پارامترهاي بتن که دوام آنرا تحت تاثير قرار ميدهد، نفوذپذيري آن مي باشد. هر چقدر نفوذپذيري بتني کمتر باشد، دوام و پايايي بيشتري در برابر نفوذ يون کلر، حمله سولفاتها و بطور کلي آبهاي مهاجم دارد. که از مهمترين  نتايج آن کاهش خوردگي ميلگرد و افزايش عمر مفيد سازه مي باشد. بدين منظور بررسي مواد افزودني که بتواند باعث کاهش اين اثر تخريبي شود، بسيار اهميت دارد. در اين تحقيق، از سرباره هاي کوره بلند آهنگدازي و سرب به عنوان ماده پوزولاني جايگزين ماسه در بتن استفاده شده است.

مطالعات زيادي براي ارزيابي مصرف سرباره کوره بلند در مخلوط هاي بتني انجام شده است، تحقيقات کمي با احتساب کاربرد سرباره سرب در بتن انجام شده است. ثابت شده است کاربرد سرباره در مخلوط هاي بتني در حل برخي از مشکلاتي که صنعت بتن با آن درگير است مفيد باشد. بعضي از سرباره ها براي بهبود خواص مکانيکي، فيزيکي و شيميايي در بتن معمولي بکار مي رود. سرباره، محصول جانبي فرآيندهاي توليد فلز، ده ها سال است که در پروژه هاي مهندسي عمران استفاده مي شود (3،9).

استاندارد ASTM C33 الزامات لازم براي استفاده سرباره کوره بلند به عنوان سنگدانه را در بتن فراهم مي آورد، در حاليکه هيچ گونه استانداردي براي استفاده ساير سرباره ها در بتن وجود ندارد.

تحقيقات مختلف نشان ميدهد که با استفاده از سرباره کوره بلند (GGBFS) در بتن، خواص دوامي بتنها حتي در محيط هاي خورنده و مهاجم بهبود مي يابد. برخي از نتايجي که اين تحقيقات گزارش کرده اند شامل افزايش کارايي، چگالي، مقاومت فشاري، کششي و خمشي، UPV، اصلاح ساختار حفرات و کاهش نفوذپذيري يون کلر، آب انداختگي، نفوذپذيري آب، جمع شدگي خشک و گيرش بتن مي باشند (1،2،6).

همچنين شواهد نشان ميدهد که در کشورهاي پيشرفته از سرباره سرب به وفور به عنوان مصالح اوليه در ساخت جاده، توليد باتري، و به عنوان بخشي از سنگدانه يا سيمان در توليد بتن استفاده مي شود. از طرفي سرباره سرب ثانويه، محصول زايد از ذوب باتري به عنوان افزودني و يا سنگدانه در توليد بلوک هاي بتني بکار مي رود. مطالعات نشان ميدهد که مقاومت فشاري بتنهاي با سرباره سرب بالاتر از نمونه هاي بدون سرباره مي باشد که با افزايش ميزان سرباره و سن بتن افزايش مي يابد. از آنجايي که اکسيدهاي موجود در سرباره سرب مشابه سيمان پرتلند هستند، کاربرد سرباره در مصالح ساختماني بسيار موثر مي باشد (7،8).

هدف از اين تحقيق بررسي دوام بتنهاي حاوي سرباره کوره بلند و سرب از جنبه نفوذپذيري آب مي باشد. براي اين منظور از روش نفوذپذيري آب تحت فشار طبق استاندارد بريتانيا استفاده شده است.

 

2. مصالح مصرفي

در ساخت مخلوط هاي بتني، از سيمان پرتلند پوزولاني (PPC) محصول کارخانه سيمان اردبيل استفاده گرديد. سرباره کوره بلند (GGBFS) از کارخانه ذوب آهن اردبيل و سرباره سرب (LS) از شرکت ملي سرب و روي ايران واقع در زنجان تهيه شد. ترکيب شيميايي PPC، GGBFS و LS بکار رفته در اين تحقيق در جدول 1 ارائه شده است.

 

جدول 1- ترکيب شيميايي PPC، GGBFS، سرباره سرب (LS)

 

عناصر فلزي که در جدول شيميايي عناصر به صورت Total گزارش شده اند در سرباره به ضورت هاي مختلف اکسيدي و ترکيبي مي باشند.

سنگدانه درشت مصرفي از نوع شکسته با اندازه اسمي  حداکثر 25 ميليمتر مي باشد و از نظر دانه بندي، مشخصات استاندارد ASTM C33 را برآورده مي سازد. ريزدانه از ماسه طبيعي کوهي و سرباره هاي کوره بلند و سرب با حداکثر اندازه دانه 5 ميليمتر مي باشد که از نظر دانه بندي با استاندارد ASTM C33 همخواني ندارند ولي اين ريزدانه ها در محدوده استاندارد BS 882 قرار دارند. جدول 2 نتايج دانه بندي سنگدانه درشت و جدول 3 نتايج دانه بندي ماسه طبيعي، GGBFS و LS را نشان ميدهد.

 

  جدول 2- دانه بندي سنگدانه هاي درشت

 

جدول 3- دانه بندي سنگدانه هاي ريز

    

  *سنگدانه طبيعي    **سنگدانه شکسته     NA: مشخص نشده

خواص فيزيکي سنگدانه درشت، ماسه و سرباره ها در جدول 4 ارائه شده است. مدول نرمي ماسه، GGBFS و LS  بترتيب برابر 3.61، 3.13 و 2.57 هستند. وزن مخصوص ماسه و سرباره ها با استفاده از استاندارد ASTM C127  اندازه گيري شده اند. کليه آزمايشهاي انجام شده بر روي مصالح براساس استانداردهاي مربوطه در  ASTM اندازه گيري شده اند. براي بهبود کارايي بتن، از فوق روان کننده نوع پلي نفتالن سولفونات استفاده شده است.

 

جدول 4- خواص فيزيکي سنگدانه هاي درشت، ريز و سرباره ها

 

SSD: اشباع با سطح خشک

 

3. برنامه آزمايشگاهي

جزئيات نسبت هاي اختلاط مخلوط هاي بتني در جدول 5 ارائه شده است. مقدار سيمان پرتلند بکار رفته در مخلوط 400 کيلوگرم در مترمکعب مي باشد. بتن کنترل با علامت CC مشخص شده است. سرباره ها به مقدار وزني 30% جايگزين ماسه شده اند. در کليه مخلوط ها نسبت آب به سيمان 4/0 و نسبت فوق روان کننده به سيمان 5/1% وزني سيمان مي باشد. پس از وزن نمودن، اجزاي بتن بطور دستي مخلوط شدند. سنگدانه ها و سيمان به مدت 1 دقيقه مخلوط شدند و بعد از اضافه کردن آب و هم زدن مخلوط به مدت 2 دقيقه  فوق روان کننده به آن اضافه شد و به مدت 1 دقيقه ديگر اختلاط ادامه يافت. بعد از قالب گيري نمونه ها به وسيله ميز ويبره متراکم گرديدند. نمونه ها بعد از 24 ساعت از قالب بيرون آورده شدند. سپس نمونه هاي بتني در آب قرار گرفتند. کليه نمونه ها قبل از آزمايش به مدت 24 ساعت در آون با دماي  5±105 درجه سانتيگراد قرار گرفتند.

 

جدول5- ترکيب نسبت اختلاط بتن با 30% سرباره

 

براي تعيين مقاومت فشاري 9 نمونه مکعبي 150 ميليمتري براي هر مخلوط قالب گيري شد، سپس در سنين 14، 28 و 56 روز آزمايش شدند. در هر سن، 3 نمونه انتخاب و در شرايط خشک شده در آون طبق استاندارد 116 بخش: BS 1881 با سرعت بارگذاري  kN/s 5/2  آزمايش انجام شد. همچنين 6 نمونه مکعبي 150 ميليمتري براي هر مخلوط براي آزمايش نفوذپذيري آب با فشار در سنين 28 و 56 روز تهيه شدند. در هر سن، 3 نمونه انتخاب و در شرايط خشک شده در آون با استفاده از استاندارد BS EN 12390-8 براي تعيين نفوذپذيري آب در بتن تحت فشار با دستگاه ساخت شرکت Tecnotest آزمايش شدند. براي اين منظور فشار kPa 50±500 به مدت 2±72 ساعت بر وسط نمونه ها اعمال گرديد و بزرگترين عمق نفوذ آب به ميليمتر اندازه گيري شده است. ميانگين سه نتيجه آزمايشي در اين مطالعه گزارش مي شود. آزمايش اسلامپ بر روي بتن تر نيز براساس ASTM C143 انجام شده است.

 

4. نتايج و تحليل

4-1- کارايي

شکل 1 اسلامپ مخلوط هاي بتني را نشان ميدهد. واضح است که بتن کنترل بيشترين اسلامپ را دارد. در حاليکه، بتنهاي حاوي سرباره ها اسلامپ کمتري دارند. ميتوان نتيجه گرفت که کارايي بتنهاي ساخته شده با سرباره کاهش مي يابد. اين بدين دليل است که سرباره ها نسبت به ماسه داراي بافت خشن با خلل و فرج سطحي هستند.

شکل 1- تاثير 30% سرباره جايگزين ماسه بر کارايي

 

4-2- مقاومت فشاري

نتايج آزمايش مقاومت فشاري مخلوط ها در سنين 14، 28 و 56 روز در شکل 2 ارائه شده است. مقاومت فشاري نمونه هاي GC نسبت به نمونه هاي CC در سنين 14، 28 و 56 روز بترتيب به ميزان 55، 67 و 66% افزايش يافت. همچنين ميتوان مشاهده کرد که مقاومت فشاري بتنهاي LC به اندازه 0، 1 و 2% کمتر از بتنهاي CC بترتيب بعد از 14، 28 و 56 روز عمل آوري هستند. جايگزيني ماسه با سرباره کوره بلند مقاومت فشاري 14، 28 و 56 روزه را بترتيب از 18 به 28، 30 و 31 مگاپاسکال افزايش داد. ولي استفاده از سرباره سرب در بتن مقاومت فشاري را در مقايسه با بتن معمولي کاهش مي دهد. بايد توجه شود که جايگزيني ماسه با سرباره سرب تاثير چنداني بر مقاومت فشاري بتن ندارد. بطور کلي ميتوان نتيجه گرفت که کاربرد GGBFS به عنوان سنگدانه در بتن مقاومت فشاري را بطور متوسط در حدود 63% افزايش ميدهد. در حاليکه کاربرد سنگدانه هاي سرباره سرب مقاومت فشاري را بطور متوسط در حدود 1% کاهش ميدهد. مقاومت بتن براي همه ترکيبها با گذشت زمان افزايش مي يابد. سرعت کسب مقاومت در بتن با سرباره آهن بعد از 14 روز شدت ميگيرد در حاليکه بتن با سرباره سرب روند يکنواختي به مانند بتن معمولي دارد. اين بدليل تفاوت رفتار پوزولاني اين دو سرباره به علت تفاوت در ساختار شيميايي آنها مي باشد. سرباره سرب بمراتب خاصيت پوزولاني کمتري نسبت به سرباره آهن دارد.

 

 

شکل 2- مقاومت فشاري بتن هاي حاوي %30 سرباره در سنين مختلف

  

- نفوذپذيري آب

شکل 3 نتايج آزمايش نفوذپذيري آب بتن ها را که در سنين 28 و 56 روز اندازه گيري شده نشان ميدهد. مشاهده مي شود که عمق نفوذ آب بتنهاي CC، GC و LC کمتر از 37 ميليمتر مي باشد. کمترين عمق نفوذ آب براي نمونه هاي LC 27 ميليمتر بدست آمد. هرچند، بتنهاي با GGBFS و LS نفوذپذيري کمتري از بتن کنترل در 56 روز داشتند. عمق نفوذ آب در همه بتنها به جز LC با زمان کاهش مي يابد. اين مقدار براي بتن LC بترتيب از 27 ميليمتر به 33 ميليمتر در سنين 28 و 56 روز افزايش يافت. در سن 28 روز بتن با سرباره آهن بدليل عدم تکميل واکنش پوزولاني نفوذپذيري بيشتري نسبت به بتن معمولي بدست آورد درحاليکه با گذشت زمان و افزايش توليد ژل هيدرات سيليکات کلسيم نفوذپذيري کاهش يافت. بتن با سرباره سرب در 28 روز تخلخل کمتري دارد بنابراين کمترين مقدار نفوذ را در بين مخلوط ها نشان ميدهد اما با گذشت زمان و تکميل عمل هيدراسيون سيمان بعلت خاصيت پوزولاني کم سرباره سرب، هيدروکسيدکلسيم توليدي مصرف نشده و نهايتا سبب افزايش ابعاد حفرات و همچنين فواصل بين آنها شده است. نهايتا عمق نفوذ آب افزايش پيدا کرده است. در نتيجه مي توان بيان کرد که استفاده از GGBFS و LS به عنوان افزودنيهاي معدني مي تواند در درازمدت باعث کاهش نفوذپذيري آب در بتن در مقايسه با بتن کنترل شود

 

.

شکل 3- نفوذپذيري بتن هاي حاوي %30 سرباره

5. نتيجه گيري

با استفاده از يافته هاي اين مطالعه نتايج زير بدست مي آيد:

• - کارايي بتنهاي ساخته شده با سرباره هاي کوره بلند و سرب بدليل تاثير فيزيکي ذرات اين سرباره ها در مقايسه با بتن کنترل بسرعت کاهش يافت.
• - جايگزيني ماسه با GGBFS مقاومت فشاري بتن کنترل را بطور قابل ملاحظه اي در حدود 63% افزايش داد. در حاليکه، مقاومت فشاري بتن LC نزديک به 1% کمتر از بتن معمولي بود.
• - بتنهاي توليدي بدليل ميزان متوسط نفوذ آب مقاومت متوسطي در برابر حملات شيميايي دارند. افزودن GGBFS و LS مقادير عمق نفوذ آب را در بتن با زمان در مقايسه با بتن کنترل کاهش مي دهد.
• - نتايج آزمايش هاي انجام گرفته بر روي بتنهاي سرباره اي در مقايسه با بتن معمولي، بيانگر آن است که مقاومت فشاري و عمق نفوذ آب در اين بتنها تفاوت چنداني با نمونه هاي معمولي ندارد. بنابراين ميتوان از اين سرباره ها به عنوان سنگدانه در بتن استفاده کرد.
• - بايد توجه شود که کار تحقيقاتي بيشتري براي بررسي اثر سرباره هاي آهن و سرب توليدي در ايران به عنوان سنگدانه ريز بر خواص بتن با تغيير در نوع سيمان، عيار سيمان، ميزان جايگزيني با سنگدانه و درجه نرمي لازم است.

 

6. مراجع

1-  Bouikni, A.R., Swamy, N. and Bali, A., (2009), “Durability properties of concrete containing  50% and 65% slag”, Construction and Building Material, Vol. 23, pp. 2836-2845.

2- Morrison, C., Hooper, R. and Lardner, K., (2003), “The use of ferro-silicate slag from ISF zinc production as a sand replacement in concrete”, Cement and Concrete Research, Vol. 33, pp. 2085-2089.

3- Qasrawi, H., Shalabi, F. and  Asi, I., (2009), “Use of low Cao unprocessed steel slag in concrete as fine aggregate”, Construction and Building Material, Vol. 23, pp. 1118-1125.

4-  Al-Jabri, K.S., Hisada, M., Al-saidy, A.H. and Al-Oraimi, S.K., (2009), “Performance of high strength concrete made with copper slag as a fine aggregate”, Construction and Building Materials, Vol. 23, pp. 2132-2140.

5- Al-Jabri, K.S., Hisada, M., Al-Oraimi, S.K. and Al-saidy, A.H., (2009), “Copper slag as sand replacement for high performance concrete”, Construction and Building Materials, Vol. 31, pp. 483-488.

6- Gesoglu, M., Guneyisi, E. and Ozbay, E., (2009), “Properties of Self-Compacting Concretes Made with Binary, Ternary, and Quaternary Cementitious Blends of Fly Ash, Blast Furnace Slag, and Silica Fume”, Construction and Building Materials, Vol. 23, pp. 1847-1854.

7- Penpolcharoen, M., (2005), “Utilization of secondary lead slag as construction material”, Cement and Concrete Research, Vol. 35, pp. 1050-1055.

8- Barna, R., Moszkowicz, P. and Gervais, C., (2004), “Leaching assessment of road materials containing lead and zinc slags”, Waste management, Vol. 24, pp. 945-955.

9- Chidiac, S.E. and  Panser, D.K., (2008), “Evolution of mechanical properties of concrete containing ground granulated blast furnace slag and effects on the scaling resistance test at 28 days”, Cement and Concrete Research, Vol. 30, pp. 63-71.

The Effect of Ground Granulated Blast Furnace and Lead Slags as Sand on Permeability of Concrete

S.H. Ghasemzadeh Mosavinezhad¹ and S.E. Nabavi²

ABSTRACT

In recent decades, use of pozzolan has been widely increased throughout the world. One of the most applicable of useable pozzolans in concrete is ground granulated blast furnace slag. Use of ground granulated blast furnace slag as replacing aggregates or cement has positive effects in concrete. It can increase strength, density, durability, strength against alkali and frost and decrease permeability. On the other hand, with attention to the presence of enormous slags stockpiled in Iron and Lead plants, negative effect of those on environment, and also, limited natural aggregates and optimization use of possibilities, it is essential to utilize these slags in construction industry. Impermeability is one of the main property of concrete in construction of marine and aquatic structures. Raise in concrete permeability can lead to excessive cost in repair and maintenance of these structures.

RESEARCH INQUERIES

In this study, effect of 30% replacement sand by ground granulated blast furnace and lead slags on the workability, compressive strength and permeability under pressure water has been investigated.

RESEARCH METHOD

The specimens were cast in two layers in cubic molds, each layer being consolidated using vibrated table. After casting, the specimens were covered with wet nylon sheets and kept in the laboratory at room temperature for 24h. After demolding, they were placed in water bath until the time of testing. The all were dried out 24h prior to testing by oven with temperature of 105±5  . The compressive strength tests were carried out at 14, 28 and 56 days. The water permeability tests were done at 28 and 56 days.

CONCLUSION

Results show that replacing sand by ground granulated blast furnace slag lead to increase in compressive strength and decrease in workability and permeability. Also, use of lead slag in concrete decreases workability, permeability and compressive strength.

Key Words

Concrete, Lead Slag, GGBFS, Compressive Strength, Permeability