کتاب مهندسی ‏بتن ‏های ‏توانمند

پیشگفتار 12
فصـل اول 15
مقدمه 15
فصـل دوم 19
پوزولان 19
واکنش پوزولانی 20
اثر پوزولان بر هیدراسیون 21
عوامل موثر بر فعالیت پوزولانی 23
طبقه بندی پوزولان‌ها 24
پوزولان‌های مصنوعی 24
پوزولان‌های طبیعی 25
کائولن 26
فعال سازی حرارتی کائولن 27
خصوصیات فیزیکی، شیمیایی و معدنی متاکائولن 31
خصوصیات فیزیکی متاکائولن 31
خصوصیات شیمیایی و معدنی متاکائولن 32
واکنش پوزولانی متاکائولن و تاثیرات آن بر ریز ساختار 33
واکنش پوزولانی 34
آثار فیلری رقیق کنندگی و پخش کنندگی 35
آثار فیلری، رقیق کنندگی و پخش کنندگی 36
اثرات متاکائولن در خصوصیات بتن تازه 37
اثرات متاکائولن در خصوصیات بتن سخت شده 40
مقاومت فشاری 40
خزش و جمع شدگی 49
اثر متاکائولن در دوام بتن 51
نفوذ یون کلراید 52
نفوذ یون کلراید (غیر تسریع شده) | 60
نفوذ آب و جذب مویینگی 63
حمله سولفاتی 70
کریناسیون 73
زئولیت 74
خواص زئولیت 75
خواص جذب سطحی 76
خاصیت تبادل کانیونی 76
کاربردهای زئولیت در بتن 77
تولید بتن پرمقاومت 78
تولید سیمان زئولیتی با قلیایی کم 79
جلوگیری از اقساط ناشی از واکنش قلیایی سنگدانه ها 79
خاصیت پوزولانی زئولیت 80
تاثیر زئولیت بر خواص بتن تازه و خواص مکانیکی بتن سخت شده 80
بتن تازه 80
بتن سخت شده 82
خواص مکانیکی 82
منـابع و مآخـذ 88

عوامل موثر بر فعالیت پوزولانی
واکنش پذیری پوزولان‌ها با آهک به ویژگی های اساسی پوزولان مانند ترکیبات شیمیایی، بلور شناسی، تغییر شکل ساختمانی، مقدار گاز شیشه ای و نرمی آن بستگی دارد. همچنین واکنش پذیری متأثر از عواملی مانند چگونگی اضافه نمودن افزودنی ها و رفتار حرارتی نیز می باشد. خواص پوزولان‌های طبیعی به طور قابل توجهی به محل پیدایش آنها بستگی دارد. این خواص به علت نسبت های متفاوت اجزاء تشکیل دهنده و مشخصات متغیر بلور شناسی و فیزیکی اجزاء فعال آن ها می باشد. اکثر پوزولان‌ها شامل اجزای تشکیل دهنده ای به جز سیلیس مانند آلومين و اکسید آهن هستند که با هیدروکسید کلسیم و قلیایی ها سدیم و پتاسیم واکنش میدهند و ترکیبات پیچیدهای ایجاد می‌کند. ممکن است اجزاء یک پوزولان در اشکال مختلفی از جمله مواد آمورف فعال تا مواد کریستالی غیر فعال با با فعالیت کم ظاهر شوند. بسیار مهم است که هر پوزولان طبیعی را به منظور تخمین مقدار فعالیت پوزولانی، به طور جداگانه بررسی کرد.
در اصل تمایز مشخصی بین مواد سیلیسی که فعالیت پوزولانی دارند و آن هایی که فاقد این خاصیت هستند وجود ندارد. ولی به طور کلی می توان گفت مواد سیلیسی آمورف می-توانند با هیدروکسید کلسیم و قلیایی¬ها نسبت به سیلیس¬های کریستالی (کوارتز)، سریع تر واکنش دهند بنابراین ترکیب شیمیایی یک پوزولان به وضوح نشان دهنده توانایی واکنش با هیدروکسید کلسیم و قلیایی ها نمی¬باشد [۱۶]
اس های طبیعی و شیلها خاصیت پوزولانی ضعیفی دارند. زس ها در صورتی با آهک واکنش پوزولانی می دهند که ساختمان کریستالی آنها تمام یا قسمتی از آن توسط فرآیند کلسینه شدن در دمای زیاد از بین برود [۱۶]
هر چه ذرات پوزولان بزرگتر باشد یعنی سطح مخصوص کمتر است و در نتیجه سرعت واکنش کمتر خواهد بود، Massiuta و Costa [۱۷] نشان دادند که مقاومت پوزولان‌های ایتالیا در سنین بالا با مقدار AL0 و SiO2 متناسب است ولی واکنش پذیری آنها با آهک در سنین ابتدایی (تا ۲ هفته) غالبأ نسبت مستقیم با سطح مخصوص آن ها دارد. به طور کلی عواملی که ممکن است بر فعالیت پوزولانی تأثیر بگذارد عبارتند از :

1- ترکیب شیمیایی پوزولان
۲- ساختار بلورشناسی پوزولان
3- مورفولوژی پوزولان
4 – نسیت، فاز شیشه ای به فاز کریستالی در پوزولان
5 – مقدار توصی پوزولان
6 – درجه حرارت محیط
طبقه بندی پوزولان‌ها
اگر چه پوزولان‌ها از نظر ترکیب شیمیایی، کانی شناسی و سنگ شناسی دارای اختلاف زیادی هستند اما رفتار یکسانی که در ترکیب با آب و نمک از خود بروز می دهند، طبقه بندی آنها را مشکل می سازد. ولی به طور کلی پوزولان‌ها را به دو گروه اصلی پوزولان‌های طبیعی و پوزولان‌های مصنوعی تقسیم بندی می کنند. البته برخی از محققین مواد طبیعی که بر روی آنها فراوری حرارتی انجام گرفته است تا خواص پوزولانی پیدا کنند را جزو پوزولان‌های مصنوعی به حساب آورده اند. از جمله این مواد می توان متاکائولن را نام برد شتا ناتوان توسط حرارت تا تن رس های حاوی کائولین در دماهای ۶۰۰ تا ۹۰۰ درجه سانتی گراد بدست می آید و یک سیلیکات آلومینیوم سفید رنگ و آمورف می باشند که به شدت یا هیدروکسید کلسیم واکنش می‌دهد تا ترکیباتی چسبنده و سیمانی شکل بگیرد [۱۸]
پوزولان‌های مصنوعی
پوزولان‌های مصنوعی موادی هستند که محصولات اصلی صنعت برای تولیدشان مورد استفاده قرار نمی گیرد. این محصولات ممکن است به فرآوری (مثل خشک و پودر کردن) قبل از استفاده از آن ها به عنوان ماده افزودنی معدنی، نیاز داشته باشند یا ممکن است نیاز داشته باشند.
خاکسترهای حاصل از سوختن زغال سنگ و بعضی محصولات باقی مانده در آن، سیلیس ناپایدار حاصل از بعضي عمليات متالوژی و دوباره حاصل از صنایع آهن گدازی و هم غیر آهنی مواد زائد صنعتی هستند که برای مصرف به عنوان پوزولان‌های مصنوعی در بتن و سیمان پرتلند مناسب هستند. کشورهای صنعتی مانند ایالات متحده آمریکا، انگلستان، روسیه، فرانسه و ژاپن جزو بزرگترین تولید کنندگان خاکستر بادی و روباره آهن گدازی می باشند.
پوزولان‌های طبیعی
در طبقه بندی پوزولان‌های طبیعی اجماع کاملی وجود ندارد. Mehta و همکاران [۳] پوزولان‌ها را بر اساس ماده¬ی متشکله واکنش زای اصلی موجود، به چهار گروه عمده به شرح زیر تقسیم کرده اند:
الف – شیشه های آتشفشانی تغییر نیافته
ب – توف‌های آتشفشانی
ج – رس های تکلیس شده یا شیل ها
د- خاک دیاتومه

واکنش پوزولانی متاکائولن و تاثیرات آن بر ریز ساختار
باید توجه داشت که عوامل متعددی در واکنش های پوزولانی متاکائولن، میزان مصرف CaOH و در کل بر نحوه تأثیر این ماده در مشخصات گوناگون خمیر، ملات و بتن تأثیرگذار هستند. برخی از این عوامل عبارتند از: دما و زمان فعال سازی کائولن (میزان آبگیری و بی نظمی). ترکیبات شیمیایی و معدنی کائولن، شکل و ریزی ذرات. نوع کوره و روش فعال سازی، ترکیبات سیمان، سطح جایگزینی، دمای واکنشی، اجرای طرح اختلاط نسبت آب به سیمان و برخی عوامل دیگر، در موارد استفاده از کائولن خام معدنی برای تبدیل به متاكائولن هرچه میزان کانی کائولینیت بیشتر باشد، ماده تولیدی دارای واکنش پذیری بیشتری خواهد بود.
Sharman [۳۵] در مطالعات خود شرح داده است که خواص مفید متاکائولن تولیدی از مخلوط مواد خامی که مقدار کائولینیت آنها تا حدود ۳۰% کاهش یافته است همچنان حفظ خواهد شد. همچنین Ankan [۳۶] بیان کرده که بر اساس مطالعات خاک رس های معدنی با مقادیر ۲۰ الی ۳۵% کائولینیت می¬توانند مستقیما برای تولید افزودنی پوزولانی مورد استفاده قرار گیرند. البته او در جای دیگر این مقدار را بیش از ۳۵٪ ذکر کرده است. او بیان کرده که به این ترتیب می توان مرحله بهبود بخشی و با افزایش خلوص را حذف کرد. چنین
رویکردی به طور اساسی هزینه های تولید و بسته به فرآوری و تخلیص تر ماده خام و در پی آن خشک کردن آن را کاهش می‌دهد. این رویکرد همچنین فاضلاب ناشی از این مرطه را حذف خواهد کرد. بنابراین کائولن فعال شده به صورت حرارتی می‌تواند با کاهش اساسی در قیمت در دسترس باشد و استفاده از آن در سیمان و بتن های معمول امکان پذیر خواهد بود. خواص چنین مادهای می‌تواند موجب بهبود خواص مکانیکی و دوام شود.
به طور کلی می توان تأثیر متاكائولن بر خواص مکانیکی و توام بتن و ملات را ناشی از عواملی چون واکنش پوزولانی، اثر فیلری اثر تسریع کنندگی هیدراسیون، اثر رقیق کنندگی واثر پخش کنندگی دانست که هر کدام بر دیگری تأثیر گذار است و نمی توان آنها را کاملا مجزا از هم بررسی کرد.
واکنش پوزولانی
واکنش اصلی بین AS2 یا AL2O3.SiO2 و پرتلنديت (CH) ناشی از هیدراسیون سیمان در آب است. متاکائولن به سرعت با پرتلندیت تولیدی وارد واکنش می‌شود. نتیجه این واکنش تشکیل ژل اضافی C-S-H شامل آلومینیوم، به علاوه محصولات کریستالی شامل هیدرات های آلومینات کلسیم و سیلیکات آلومينيوم ((C2ASH8 , C4AH13 , C3AH6می¬باشد [۳۷]. به طور کلی مواد جایگزین سیمان (SCM) با مقدار آلومینای بالا مانند متاکائولن، ظرفیت پوزولانی بالاتری دارند که یکی از دلایل آن، نیاز زیاد این ماده به CH برای تشکیل C-A-H ذکر شده است (۳۸، ۳۹ محصولات کریستالی تشکیل شده به طور اساسی وابسته به مقدار ASCH و دمای واکنش می باشد [۴۰، ۳۱. ۱۴۲
۴۳] Wild [۴۳] معتقد است بیشترین تاثیر متاکائولن در جایگزینی ۵% الى ۳۰٪ در سنین ۷ تا ۱۴ روز است.
MK [Al,Si,o,]+CH+HC-S-H, C,AH , CAHGAH.CASH
متاکائولن با مصرف CH حاصل از هیدراسیون سیمان و با تشکیل مقادیری از C-S-H باعث چگال تر شدن ساختار خمیر سیمان هیدراته می‌شود. پرتلندیت موجود در ناحیه انتقال و ناحیه خمیری در آب قابل حل بوده و در محیط¬های خورنده شیمیایی آسیب پذیر است و متاکائولن با مصرف این ماده باعث چگال تر شدن ناحیه انتقال و خمیر شده و پیوستگی بین خمیر و سنگدانه را بهبود می بخشد. بنابراین دارای پتانسیل زیادی برای بهبود توام بتن می باشد [۳۵. ۳۶. همچنین به دلیل پایین تر بودن میزان نسبت Ca/Si در CSH اضافی تولید شده طی واکنش های پوزولانی متاکائولن نسبت به CS – H معمول، اعتقاد بر این است که این محصول دارای قابلیت بیشتری برای مقید کردن یون های قلیایی در حشرات است ۳۷. اگرچه C-S-Hثانویه تولیدی دارای چگالی کمتری نسبت به ژل CS- H اولیه است ولی در پر کردن و تقسیم حفرات مویینه بزرگ به حفرات موئینه کوچک و غير ممتد موثر است و اندازه ذرات را بهبود می بخشد [۲۱] بنابر این اعتقاد بر این است که استفاده از متاکائولن نفوذپذیری بتن را کاهش داده و در نتیجه نفوذ و انتشار یون کلراید و حمله سولفات را کاهش می داد.
آثار فیلری رقیق کنندگی و پخش کنندگی
اعتقاد بر این است که واکنش پوزولانی تا کائولین خیلی سریع و در سنین اولیه آغاز می‌شود و درصد واکنش های پوزولانی انجام شده در سنین اولیه نسبت به مواد پوزولانی دیگر، مانند خاکستر بادی و حتی توت سیلیس بالاتر است به طوری که در تحقیق انجام شده توسط Poon [ده مشاهده شده است که میزان مشارکت در واکنش پوزولانی در سن ۳ روز برای متاکائولن ۱۵% و برای دوده سیلیس %1 بوده است. دلیل سرعت بالای واکنش های پترولاتی متاکائولن و میزان این سرعت، مقدار AL2O3 فعال موجود در متاکائولن و در نتیجه میزان کائولینیت فعال سازی شده ذکر شده است. دلیل دیگر این موضوع تشکیل مراکز تولید کریستال برای سیمان روی ذرات کوچک متاکائولن ذکر شده است [۳۲] یکی دیگر از دلایلی واکنش سریع این ماده ریزساختار بی قاعده آن می¬باشد [۲۱] Lagier [2] چنین بیان می¬کنند که ممکن است متاکائولن انحلال فارهای سیمانی را با فراهم کردن محل های مجزا برای تجمع این فارها افزایش دهد، به علاوه این که آلومینیوم محلول در سیستم را در سنین اولیه افزایش می‌دهد. او مشاهده کرد که در سنین اولیه و مخصوصا در ۲۴ ساعت اول واکنش های گرمازای قوی مربوط به واکنش فاز آلومینات کلسیم و متاکائولن رخ می‌دهد.
برخی دیگر از تحقیقات نشان می دهد که حداکثر واکنش پوزولانی در سن ۱۳ روز است و بعد از آن با تشکیل یک لایه مانع از محصولات واکنش در اطراف ذرات متاکائولن از میزان واکنش ها کاسته شده و در سن ۹۰ روز با مصرف کامل متاکائولن واکنش های پوزولانی متوقف می‌شود [۴۶]. میزان مصرف پرتلندیت و زمان اتمام واکنش ها به سطح جایگزینی سیمان با متاکائولن وابسته است (۵۵ ۵۷، ۵۸]. Oriol [۵۷] سطح جایگزینی بین ۳۰ و ۴۰٪ را در نسبت آب به مواد سیمانی ۵/ برای حذف پرتلندیت در سن ۲۸ روز کافی
می داند.
آثار فیلری، رقیق کنندگی و پخش کنندگی
اعتقاد بر این است که ذرات فیلر علاوه بر افزایش تراکم، نقش هسته و یا محل تجمع کریستال های هیدروکسید کلسیم را نیز بازی می کنند، ذرات متاکائولن با توجه به اندازه کوچک (m 1) در مقایسه با ذرات سیمان (12pm) فاصله بين ذرات سیمان و دیگر ذرات را پر کرده و باعث انسجام بیشتر و چگال تر شدن ساختار بتن، خمیر و حفرات خواهد شد [۵. ۵۹]. Wild [۳۴] تأثير فیلری را بسیار سریع ذکر کرده است و معتقد است این اثر با افزایش تراکم خمیر باعث کاهش جذابی ذرات و بالازدگی آب شده و ضخامت ناحیه انتقال بين خمیر و سنگدانه را کاهش خواهد داد اثر پرکنندگی با فیلری منجر به قطع حفرات موئینه خواهد شد.
در اثر جایگزینی سیمان با من ناتوان و کاهش مقدار سیمان، واکنش های هیدراسیون سیمان و در نتیجه میزان پرتلندیت تولیدی کاهش خواهد یافت. با افزایش سطح جایگزینی وضعیتی به وجود خواهد آمد که پرتلندیت کافی برای انجام واکنش پوزولانی وجود نداشته و مقداری از پوزولان در واکنشی شرکت نخواهد کرد. علاوه بر این از طرف دیگر واکنش های هیدراسیون سیمان نیز کاهش یافته و در مجموع کل واکنش های هیدراسیون رو به کاهش خواهد گذاشت. در نتیجه کاست واکنش ها، خواص مقاومتی و دوام بتن دچار افت خواهد شد. این پدیده را اثر رقیق کنندگی می نامند.
البته باید توجه داشت که این پدیده در سایر پوزولان‌ها و على الخصوص در سنین اولیه به خاطر کاهش واکنش های هیدراسیون سیسمان و پایین بودن مقدار مشارکت پوزولان در واکنش ها در این سنین مشهودتر است در حالی که متاکائولن به خاطر سطح مخصوص زياد، اثر تسریع کنندگی و سرعت واکنش در سنین ابتدایی مقداری از این تاثیر منفی را کاهش می‌دهد (۲۴). نکته قابل توجه دیگر میزان مواد غیر فعال موجود در پوزولان است. هر چه درصد ترکیبات غیر فعال مثل کوارتز در متاکائولن بیشتر باشد، اثر رقیق کنندگی بیشتر خواهد بود.
برخی از محققین معتقد به عملکرد بلبرینگی متاکائولن هستند و چنین ذکر کرده اند که ذرات بشقابی شکل یا صفحه¬ای متاکائولن باعث تسهیل لغزش ذرات خشن و سیمان شده و بنابر این موجب کاهش نسبی نیاز به آب یا روان کننده، تسهیل جریان در سیستم پخش بهتر و انسجام بیشترین و بهبود وضعیت ناحیه انتقال خواهد شد.
در تحقیقات مشاهده کرد که متاکائولن در سطح جایگزینی مشابه برای رسیدن به کارایی یکسان، نسبت به دود سیلیس نیاز کمتری به فوق روان کننده دارد. او دلیل این موضوع را چسبندگی یکنواخت کمتر و پرداخت بیشتر در بتن دارای متاکائولن می¬دانند.