نسبت بین ضریب نفوذ یونهای کلرور و تغییر درصد افزودنی

مریم صفاری جورشری ، محمود فیروزی

1-کارشناس آزمایشگاه مرکزی آبفای استان گیلان

2- معاون بهره برداری شرکت آبفای استان گیلان

 

چكيده

مسأله خوردگي فولاد در بتن ازمعضلات عمدة كشورهاي مختلف جهان است و يكي از مهمترين عوامل تخريب و تغيير شكل ساختار بتن مي­باشد.

سوالات تحقيق:

در اين تحقيق استفاده از خاكستر بادي بجاي سيمان در توليد بتن جهت افزايش مقاومت بتن و بررسي در خصوص خواص خاكستر بادي انجام شده است.

روش تحقیق:

اين مقاله توضيح مي­دهد كه چگونه بتنهاي حاوي خاكستر بادي، بوسيلة بهبود مقاومت فيزيكي درمقابل ورود يون كلرور و ظرفيت پيوند بالاي کلر در منطقة پوششي آن مقاوم سازي مي­شوند. اين موضوع شامل آزمایشاتی است که توسط دیگران جهت بهينه كردن مقدار خاكستر بادي، كاهش نسبت آب به نگهدارنده در بتن و اصلاح خاكستر بادي براي بهبود خصوصيات ويژه آن انجام شده است.

نتیجه گیری:

يكي از این رهيافتها استفاده از خاكستر بادي بجاي سيمان در توليد بتن و در نتيجه افزايش كيفيت بتن و توليد بتن با كارايي بالاست. اين امر بويژه موجب كاهش ضريب نفوذ يونهاي كلرور در بتن و از بين رفتن خوردگي بتن مي­گردد. در نتيجه در سالهاي اخير محققين تلاش زيادي را براي حل اين معضل بكار گرفته­اند.

كلمات كليدي: بتن، خاکستر بادی،کنترل نفوذ یونهای کلرور

 

1. مقدمه

    ورود یونهای كلرور به ساختار بتن مي­تواند منجر به تخريب­هاي قابل ملاحظه و هزينه بردار گردد. با دانستن اينكه تقاضا براي بتن با افزايش جمعيت جهان افزايش يافته،جاي تعجب است كه مشكل كلريدها در بتن تقريباً  حل نشده باقي مانده است. تحقيقات زيادي در اين زمينه در حال انجام است كه به فهم مكانيسم خوردگي ورود كلريد و كنترل اين معضل كمك مي­كند. اين مقاله خلاصه ه­اي از يافته­ هاي اخير براي توليد بتن با درجه­ بالاي پايداري در مقابل ورود يون كلريد است كه اين امر با استفاده از خاكستر بادي در ساختار بتن صورت گرفته است و بررسي در خصوص خواص خاكستر بادي انجام شده است. خاكستر بادي در طول سوخت زغال سنگ براي توليد انرژي بدست مي­آيد كه يك محصول جانبي در صنعت مي­باشد. بدليل آلودگي محيط زيستي خاكستر بادي تحقيقات وسيعي در بكارگیري آن در حال انجام است.

كل محصول سالانه خاكستر بادي توليد شده در سراسر دنيا حدود 600 ميليون تن مي­باشد (2010). كاربرد روزانه خاكستر در دنيا در رنج وسيعي (57 – 3%) متغير است. هنوز ميانگين استفاده مجدد خاکستر بادی در دنيا حدود 16% از كل خاكستر توليد شده است.

 

2. خواص خاكستر بادي زغال

   خواص خاكستر بادي در خصوص عناصر موجود،‌ شيمي سطح و فعاليت آن يك پارامتر مهم در كاربرد آن مي­باشد. خاكستر بادي از ذرات پودري ريز تشكيل شده كه بطور عمده كروي هستند و داراي طبيعتي غير شفاف مي­باشند، اندازة ذرات آن معمولاً كمتر از mm 075/0 بوده و رنگ آن از خاكستري به سياه بسته به ميزان كربن سوخته نشده در تركيب آن متغير است.

خواص شيميايي خاكستر بادي بستگي به موارد زيادي از جمله خواص زغال سوخته شده و روش مورد استفاده براي جابجايي و ذخيره­ سازي دارد. بطور اساسي چهار نوع زغال كه درمقدار حرارت توليدي، تركيبات شيميايي و محتواي خاكستر متغير هستند وجود دارد. كه عبارتند از: آنتراسيت، بيتومينوس، شبه – بيتومينوس ولیگنيت. حدود تركيبات شيميايي موجود در خاكستر بادي توليد شده از انواع زغالها در جدول 1 آمده است.

 

جدول 1 : حدود تركيبات شيميايي موجود در خاكستر بادي توليد شده از انواع زغالها

 

با استفاده از خاكستر بادي بعنوان افزودنی در تهيه بتن، قيمت واحد بتن كاهش يافته، کنترل انبساط بتن افزايش يافته و با كاهش ضريب نفوذ ورود يون كلرور از ترك خوردگي بتن جلوگيري مي­كند.

تحقيقات نشان مي­دهد كه استفاده از خاكستر بادي بعنوان يك افزودني به سيمان مزاياي بسيار مثبتي روي بتن توليد شده دارد. كاهش درمقدار آب مورد نياز، كاهش نسبت آب به سیمان،‌ بهبود در تراكم سايز  ذرات، کاهش مقدار هواي محبوس در بتن و افزایش استحكام بتن ضمناٌ خاكستر بادي مقاومت به نفوذپذيري را نیزافزايش مي­دهد.

 پیشنهاد می‌کنیم محصول چسب بتن را هم بررسی کنید.

3. ورود خاکستر بادی در سیستم آب

   ورود برخي از مواد موجود در خاكستر بادي به آب مي­تواند مشكل آلودگي غير مستقيم را بوجود آورد. عناصر حاضر به دو دسته تقسيم مي­شود. تحقيقات نشان مي­دهد كه تنها 3 – 1درصد از مواد آن در آب محلول بوده كه كاتیونهاي اصلي آن سديم و كلسيم و آنیونهاي آن CO₃^2-  و OH^- مي­باشد. امكان ورود فلزات سنگين از خاكستر بادي به آب بسيار كم بوده و مقدار آن شبيه به شرايط سيستم آب (PH، غلظت عناصر، دما، فشار و زمان) دارد. ورود برخی از فلزات (مثل Cu) از خاکستر بادی در PH هاي پايين اتفاق مي­افتد و مقادير عناصر درمحدودة قابل قبول قرار مي­گيرند.

مخلوط كمپلكسي از مواد آلي نيز در ذرات خاكستر بادي وجود دارد كه موارد شناخته شده آن موتاژن و كارسينوژن هستند. حل شدن اين تركيبات تحت شرايط سخت 40- 30% هيدروژن پراكسيد، اسيد نتيريك غليظ تحت شرايط مایکروويو اتفاق مي­افتد.

   امکان ورود برخي مواد معدني پايدار از جمله كلريد، ‌سولفات، سولفيد، اكسيد وكربنات نيز به آب وجود دارد. تشكيل مواد مصنوعي و فازهايي مثل اكسي هيدروكسيدها و كلسيم اكسالات نيز ممكن است. مقادير ناچيزي از تركيبات آروماتيك چند حلقوی در خاكستر بادي وجود دارد كه بدليل حلاليت پايين به مقدار کم وارد آب مي­شوند.

   مواد وارد شده به آب پس از تركيب خاكستر بادي با سيمان در توليد بتن مواد وارد شده به آب بطور قابل ملاحظه­اي كاهش مي­يابند. اين امر به دودليل اتفاق مي­افتد 1) خاكستر بادي بوسيله لايه ­اي از سيمان پوشانده شده كه از نفوذ آب جلوگيري مي­كند 2) خاكستر بادي نفوذپذيري بسيار پايين داشته معمولاً (m/s10 – 7) و هيچ تاثير قابل ملاحظه­اي از عناصر سمي درآبي كه آنرا احاطه كرده ندارند.

 

4.  كاهش سرعت ورود كلريد به بتن

   عامل اصلي در كنترل ورود يون­هاي كلرور به بتن، ساختار ميكرو خاكستر بادي و pH محیط و پيوندهاي كلرورمي­باشد(شكل 1). وابستگي اين خصلتهاي بتن به طبيعت افزودنی ها بطور فزاينده­اي در حال شناسايي است. درواقع بكارگيري خاكستري بادي بعنوان وسيله­اي جهت افزايش مقاومت بتن نسبت به ورود یونهای کلرور عمل مي­كند.

 

 شكل 1: مكانيسم كنترل ورود يون كلريد به بتن

 

5.  نقش خاکستر بادی در بهبود ساختار منفذ

   خاكستر بادي از طريق اثرات فيزيكي شيميايي در زماني كه تازه مخلوط شده و مرحلة هيدراته شدن بعدي طبيعت سيستم منفذدار در بتن را افزيش مي­دهد. بهبودي قابل ملاحظه­اي در خصوص كاهش خاصيت نفوذپذيري بتن بدست مي­آيد كه آنرا  در مقابل آبهاي حاوي كلريد مقاوم مي­سازد(شكل2 ).

 

شکل 2: نمودار تعیین مقدار SVI-10 برای جایگزینی مقادیر مختلف خاکستر بادی

 

   در اين نمودار جذب سطحي اوليه بتن به آن بعد از ده دقيقه نشان داده شده است. در اين آزمايش سطح كوچكي از آب  را (200mm) بكار گرفته و سرعت نفوذ آب بر منفدها اندازه­گيري شده است. علاوه بر اين نشان داده شده كه براي درجه قدرت بتن خواص نفوذ مشابه در خصوص جذب و انتشار بدست مي­آيد.

 

6. نقش خاكستر بادي در بهبود پيوندهاي كلريد

   خاكستر بادي در مقايسه با سيمان حاوي مقادير بسيار زيادتري از آلوميناي فعال مي­باشد كه قادر است با يونهاي کلرور در محلول پیوند دهد. نتایج بدست آمده از آزمایشات ترموگراویمتيری نشان مي­دهد كه اين واكنش نقش بسيار مهمي را ايفا مي­كند. همانطور كه در شكل 3 مي­توان ديد، مقدار بهينه­ جايگزيني سيمان با خاكستر بادي در حدود33 % وزني ديده مي­شود كه در آن ظرفيت پيوند با كلر در مقايسه با سيمان 4 برابر افزايش و نسبت مقدار نفوذ 9 % كاهش يافته و مقاومت در برابر حمله كلريد در خصوص ضريب انتشار كلريد 6 برابر افزايش مي­يابد (شكل 3).

 

شکل 3 : تاثیر ظرفیت پیوند یون کلرور بر  .a مقدار خاکستر بادی افزوده شده b. غلظت انتشار کلرید

c. نسبت آب به پیوند دهنده

 

   اين نتايج نشان مي­دهد كه پيوندهاي كلريد به اندازة بهبود خواص فيزيكي بتن داراي اهميت هستند و در خصوص بتن­هاي حاوي خاكستر بادي حتي مهمترين عامل (عامل اصلي) در بهبود مقاومت بتن به حمله كلرور مي­باشند.

   نتايج آزمايشگاهي تعدادي از روشهاي ممكن جهت استفاده از خاكستر بادي را براي بهينه سازي مقاومت كلرور بتن نشان مي­دهد. استفاده از خاکستر بادی با جايگزيني 30% با سيمان معمولي كارايي 2 تا 4 برابر بهتر را نشان مي­دهد. اصلاحات بيشتر نيز با افزايش كيفيت خاکستر بادی امكانپذير است.

 

                جدول 2 : ضريب نفوذ كلريد براي مقايسه بتن حاوي خاكستر بادي با سيمان

 

   در مطالعة ديگري خاكستر بادي ريز كه همة ذرات آن كوچكتر از 10µm بودند، بطور مستقيم بجاي سيمان پورتلند(30% وزني ) براي توليد بتنهاي با قدرت MPa 40 مورد استفاده قرار گرفت. تست سرعت انتشار كلريد براي تعيين ضريب انتشار كلريد انجام شد كه مشخص كرد استفاده از اين نوع از خاكستر بطور قابل توجهي مقاومت به ورود كلريد را افزايش مي­دهد.

 

شكل 5 : تاثیر استفاده از خاکستر بادی ultra-fine روی ضریب نفوذ کلرید در بتن

 

   در مطالعة ديگري كه توسط Leng و همكارانش صورت گرفته آزمايشات در دو بخش انجام شده است. در بخش اول مقدار افزودني ثابت ونسبت آب به نگهدارنده تغيير داده شده  است.

 در بخش دوم مقدار افزودني تغيير داده شده براي اينكه مشخص شود ميزان تغييرات ضريب نفوذ يون كلرور با مقدار افزودني چگونه تغيير مي­كند (جدول 3 و4).

 

جدول3 : نسبت اختلاط بتن(بخش اول)

جدول 4 : نسبت اختلاط بتن(بخش دوم)

 

   نتايج تجربي نشان مي­دهد كه ضريب نفوذ ورود يونهای كلرور با افزايش نسبت آب به نگهدارنده افزايش يافته( جدول  5 ، شکل 1 ) و با افزايش كيفيت خاكستر بادي كاهش مي­يابد (جدول 2، شکل 2).

جدول 5 : نسبت بین W/C و ضریب نفوذ یونهای کلرور(cm²/s ^9-10)

 

شکل 1 : نمودار نسبت بین W/C و ضریب نفوذ یونهای کلرور(cm²/s ^9-10)

 

جدول 6 : نسبت بین ضریب نفوذ یونهای کلرور و تغییر درصد افزودنی

شکل 2 : نمودار نسبت بین ضریب نفوذ یونهای کلرور و تغییر درصد افزودنی

 

   عليرغم گفته ­هاي بالا، اين واقعيت بايد در نظر گرفته شود كه در شرايط محيطي مقاومت بتن در مقابل ورود یونهای كلرور ممكن است توسط مكانيسهاي ديگري نيز انجام شود كه عمده ­ترين آنها كربنه شدن است.

 

7. نتیجه گیری

   دلایل کاهش قابل توجه ضریب نفوذ یونهای کلرور به شرح زیر است :

• 1- خاكستر بادي توزيع اندازة منفدها و شكل منفدها را اصلاح مي­كند.
• 2- پیوندهای C –S – H بيشتري شكل گرفته كه مقدار بيشتري از يونهاي كلرور را جذب كرده و مسير نفوذ را  مسدود مي­كند.
• 3- تعداد كل يونهاي Si⁴⁺ , AlOH²⁺ , AL³⁺,Ca²⁺ در بتن حاوي خاكستر بادي بيشتر از بتن سيماني است، بنابراين غلظت يوني آنها بيشتر بوده و يونها توان نفوذ كمتري دارند و در برابر حركت يونهاي كلرور مقاومت نشان مي­دهند.
• 4- خاكستر بادي مقدار بيشتري C₃ A داشته كه مي­توانند مقدار بيشتري از يونهاي كلريد را جذب كرده و تشكيل نمك Friedel را بدهند: C₃CaCl₂.10H₂O

 

چون ضريب نفوذ يونهاي كلرور با افزايش مقدار آب افزيش مي­يابد، امكان ورود يونها از سه طريق امکان پذیر است :

منافذ موجود در سيمان، منافذ موجود در نگهدارنده و منافذ موجود در بين سيمان و نگهدارنده زمانیكه قدرت ورود نگهدارنده بطور قابل ملاحظه­اي كمتر از سيمان و سطوح بين آنها است، مسير عمده نفوذ در سيمان وجود دارد. بنابراين تراكم و حجم سيمان دو دليل عمده­اي است كه بر ميزان نفوذ يون كلرور تاثيرگذار است. وقتيكه درجه هيدراته شدن مقدار ثابتي است، حجم منافذ توسط نسبت W/C تعيين مي­گردد كه بطور قابل ملاحظه­اي روي قدرت پيوند تاثيرگذاشته و در سطوح بين نگهدارنده وسيمان با افزايش نسبت W/C منافذ بيشتر و مسيرهاي نفوذ بيشتري شكل گرفته و مقاومت به يونهاي كلرور كاهش يافته در نتيجه ضريب نفوذ يونهاي كلريد افزايش مي­يابد.

 پیشنهاد می‌کنیم محصول آب بندی بتن را هم بررسی کنید.

8. مراجع
9. Ahmaruzzaman. M., (2010), “A review on the utilization of fly ash”, Progress in Energy    and Combustion Science, 36, 327-363.
10. Dhir, R.K.and Jones, M.R., (1999), “Development of chloride-resisting concrete using fly ash”, Fuel, 78, 137-142.
11. Leng, F. , Feng, N. and Lu, X., (2000), “An experimental study on the properties of resistance to diffusion of chloride ions of fly ash and blast furnace slag concrete” , Cement and Concrete Research, 30, 989-992.

4. de Vera, G. , Climent, M. and Viqueira, E., (2007), “A test method for measuring chloride diffusion coefficients through partially saturated concrete. Part II: The instantaneous plane source diffusion case with chloride binding consideration” , Cement and Concrete Research, 37, 714-724.

 

5. Haque, M.N., Al-Khaiat, H., Kayali, O., (2004), “Strength and durability of lightweight concrete”, Cement & Concrete Composites, 26, 307-314.

 

Properties of Fly ash and Its Effects in producing chloride-resisting concrete

1. Saffari jourshari¹, M. Firuzi²
2. Central Laboratory of Gilan Water and Wastewater Company , Rasht, I.R. Iran.
   
3. Vice operation Gilan Water and Wastewater Company , Rasht, I.R. Iran.

ABSTRACT

Problem of corrosion of steel in concrete structures is major worldwide problem and the most important factor degradation and deformation of concrete.

RESEARCH INQUERIES

In this paper, using fly ash instead of cement in concrete production to increase strength of concrete was studied and properties of fly ash was determined.

RESEARCH METHOD

This article describes how concrete containing flyash, with an improvement in physical resistance against chloride ions entering the high capacity link chlorine in its coverage area can be Retrofitting. This includes the tests done by others to optimize the amount of ash, reducing water ratios in concrete maintenance and improvement ash to improve its special characteristics.

CONCLUSION

One of these approaches is using fly ash instead of cement in concrete production and thus increase quality of concrete and produce concrete with high efficiency.

Key words: concrete, fly ash, chloride ions penetrate Control