پوزولان چیست؟ انواع و تاثیر آن در بتن

پوزولان چیست؟ انواع و تاثیر آن در بتن

پوزولان از اسم دهکده pouzzuoli در نزدیکی آتش فشان وزو قرار دارد و برای اولین بار خاکستر آتش فشانی را در این محل پیدا نموده اند، گرفته شده است. این سیمان ها از آسیاب کردن و مخلوط کردن پوزولان ها (خاک های طبیعی و مصنوعی جایگزین سیمان) با سیمان پرتلند ساخته می شود.

بر طبق آیین ناهای ASTM C618-94a پوزولان را چنین تعریف کرده اند: پوزولان سیلیسی یا سیلیس آلومینیومی است که به تنهایی خاصیت چسبندگی ندارد و یا چسبندگی کمی دارد. این مصالح در حالت گرد شدن (ذرات ریز) و در مجاورت رطوبت و حرارت معمولی طی واکنش های شیمیایی با هیدروکسید کلیسیم ترکیب هایی با خاصیت سیمانی به وجود می آورد.

در استاندارد ملی ایران پوزولان ها را چنین معرفی نموده “مواد سیلیسی یا آلومینو سیلیسی که خود دارای قابلیت سیمانی شدن کم یا هیچ باشند اما به صورت پودر شده بسیار نرم در حضور رطوبت با هیدرواکسیدهای قلیایی و قلیایی خاکی در دمای معمولی واکنش های شیمیایی می دهند تا ترکیباتی را که خواص سیمانی شدن را دارند تشکیل دهند یا به تشکیل آن ها کمک کنند.”

مقررات ملی ساختمان پوزولان را چنین مشخص می کند “پوزولان ها عبارتند از مواد سیلیسی یا سیلیسی آلومینی که خود بتن هایی فاقد ارزش چسبانندگی هستند یا ارزش چسبانندکی آن ها کم است ، اما به صورت ذرات بسیار ریز ، در دمای متعارف در مجاورت رطوبت با هیدرواکسید کلسیم واکنش می دهد و ترکیباتی را تولید می کنند که ساختار آن ها تا حدودی شبیه ترکیباتی است که بر اثر آبگیری سیمان پرتلند تولید می شود. پوزولان ها بر دو نوع هستند.

پوزولان های طبیعی و پوزولان های مصنوعی یا صنعتی

پوزولان های طبیعی در انواع خام و یا تکلیس شده وجود دارند و به طور عمده شامل خاکستر های آتش فشانی غیر بلورین باشند.

پوزولان های مصنوعی یا صنعتی به طور عمده شامل دوده سیلیسی، خاکستر بادی و خاکستر پوسته برنج می باشند.

دوده سیلیسی یا میکروسیلیس محصول فرعی کوره های قوس الکتریکی صنایع فروآلیاژ و فروسیلیس بوده و ماده ای است با فعالیت پوزولانی بسیار شدید که بیش از 85 درصد سیلیس بلوری نشده دارد.

خاکستر بادی محصول فرعی زغال سنگ است که شامل سیلیس، آلومین و اکسید آهن و کلسیم است.

خاکستر بادی در انواع F و C وجود دارد. نوع C خاکستر بادی به دلیل دارا بودن بیش ار ده درصد اکسید کلسیم خاصیت سیمانی شدن دارد.

خاکستر پوسته برنج از سوختن پوسته برنج به دست می آید و دارای میزان زیادی سیلیس غیر کریستالی است. بنابراین ضروری است که باید ماده پوزولانی به شکل پودر نرم باشد زیرا فقط در این صورت پوزولان ها می تواند در مجاورت آب با هیدروکسید کلسیم تشکیل سیلیکات های کلسیم پایدار که دارای خواص چسبندگی است بدهد.

مصرف مواد پوزولانی در بتن می تواند برای تامین یک یا چند خاصیت مشروح زیر باشد.

1. کاهش میزان سیمان به کار رفته در بتن
2. کاهش سرعت و میزان حرارت حاصل از فرآیند آبگیری سیمان
3. بهبود کارایی بتن
4. افزایش مقاومت دراز مدت بتن
5. افزایش پایایی بتن از طریق کاهش نفوذپذیری و عملکرد مناسب در برابر تهاجم یون کلرید و سولفات

عملکرد پوزولان ها برای هریک از خواص فوق ، باید قبل از مصرف مورد تایید قرار گیرد.

پوزولان ها بر دو نوع هستند.

1. پوزولان های طبیعی خام یا تکلیس شده که به طور عمده شامل خاکستر های آتش فشانی غیر بلورین است. استاندارد ملی ایران پوزولان های طبیعی را چنین بیان می کند “خاک های دیاتمه دار، شیل و چرت های اوپالینی ، توف های شیشه ای ، خاکستر های آتش فشانی و پوکه سنگ های طبیعی نمونه هایی از انواع پوزولان های است که هر کدام از آن ها به صورت کلسینه شده یا نشده به کار برده می شود. بعضی از خاک رس و شیل ها نیز پس از کلسینه شدن خواص پوزولانی قابل قبولی پیدا می کند.
2. پوزولان های مصنوعی یا صنعتی که به طور عمده شامل خاکستر های بادی و دوده سیلیسی و خاکستر پوسته برنج است. در استاندارد ملی ایران خاکستر بادی را چنین معرفی نموده ، مواد باقی مانده بسیار نرم که حاصل احتراق ذغال سنگ پودر یا آسیاب شده که از دیگ بخار به وسیله گاز های دودکش به بیرون منتقل شده می باشد.

پوزولان های طبیعی

پوزولان های طبیعی شامل خاک های دیاتمه دار، شیل و چرت های اوپالینی، توف های شیشه ای، خاکستر های آتش فشانی و پوکه سنگ های طبیعی نمونه هایی از انواع پوزولان ها که به هنگام بیرون ریختن از دهانه آتش فشان ها به سرعت در هوا  یا در زیر آب سرد شده به طوری که سیلیس موجود در آن بلوری نشده است و همچنین مواد دیگری مانند بعضی از رس ها شیل  ها که برای بروز خواص پوزولانی نیاز به عملیات تکلیس دارند و از آن جمله می توان متاکائولین را نام برد.

متاکائولین از کلسینه شدن کائولین به دست می آید و در کنار واکنش های سیلیکاتی – قلیایی به کار می رود. ذخایر بزرگی از پوزولان های طبیعی در نقاط مختلف کشور وجود دارد که از آن جمله می توان تراس جاجرود ، پوکه سنگ هراز (دماوند) ، پوکه سنگ سهند و پوکه سنگ تفتان را نام برد. در صورتی که این پوزولان ها به صورت گرد با سیمان پرتلند مخلوط شوند، هیدرواکسید کلسیم که محصول آبگیری سیمان در مجاورت رطوبت است با این سیلیس بلوری نشده در دمای محیط تشکیل سیلیکات کلسیم می دهد و سیلیکات کلسیم چسباننده اصلی کلیه ملات های آبی است.

پوزولانهای مصنوعی

پوزولان های مصنوعی واحد های نیروگاه های برقی که از ذغال سنگ به عنوان سوخت استفاده می کننند و کوره های متالورژیکی تولید چدن، فلز سیلیسیم و آلیاژهای فرو سیلیسیم مواد اصلی زاید صنعتی هستند که در این مراکز تولید می شوند. دوده سیلیسی یا میکروسیلیس محصول فرعی کوره های صنایع فرو آلیاژ و فرو سیلیس بوده و تولید شده از کوارتز با درجه خلوص زیاد و ذغال در کوره های الکتریکی با قوس مستغرق می باشد این فرآورده صنعتی با بیش از 85 درصد سیلیس بلوری نشده با ذرات بی نهایت ریز و کروی شکل با قطر متوسط حدود 0.1 الی 0.2 میکرون (لازم  به ذکر است که در همین جا عنوان گردد دانه سیمان به طور متوسط بین 10 الی 24 میکرون است)  یک ماده به شدت فعال پوزولانی است. وزن مخصوص دوده سیلیسی حدود 2.2 گرم بر سانتی متر مکعب است.

سطح مخصوص دوده سیلیسی حداقل 35 و حداکثر 100 برابر بیشتر از سطح مخصوص سیمان پرتلند است. سطح مخصوص زیاد و ذرات بسیار ریز دوده سیلیسی موجب می شود که در بتن حاوی 15 درصد دوده سیلیسی جایگزین شده با سیمان تقریبا برای هر دانه سیمان حدود دو میلیون دانه دوده سیلیسی وجود داشته باشد. که این تناسب می تواند معرف تاثیر قابل ملاحظه دوده سیلیسی بر روی خواص بتن باشد.

مدت زمان اختلاط بتن حاوی دوده سیلیسی به درصد دوده سیلیسی مصرفی و شرایط اختلاط بستگی دارد. حتی در صورت استفاده از افزودنی های شیمیایی کاهنده قوی آب (فوق روان کننده ها) برای کسب توزیع یکنواخت دوده سیلیسی در بتن باید زمان اختلاط را افزایش داد. با وجود استفاده از فوق روان کننده ها در بتن حاوی دوده سیلیسی در مقایسه با بتن بدون دوده سیلیسی از چسبندگی بیشتر و گرایش کمتر به جدا شدگی و نیز کاهش آب انداختن و قابلیت بیشتر پمپ شدن برخوردار است.

ابعاد بی نهایت ریز ، سطح مخصوص زیاد و حضور بیش از 85 درصد سیلیس غیر بلوری موجب شده است که واکنش پوزولانی دوده سیلیسی بسیار سریع تر از پوزولان های معمولی مانند خاکستر بادی و پوزولان های طبیعی باشد. در این واکنش دوده سیلیسی با هیدرواکسید کلسیم C-H حاصل از آبگیری سیمان ، سیلیکات کلسیم هیدراته C-S-H تشکیل می دهد.

مصرف دوده سیلیسی می تواند برای تهیه بتن با مقاومت زیاد ، بتن با نفوذپذیری کم و مقاومت وزنی زیاد در برابر عوامل مخرب شیمیایی نتایج موفقیت آمیزی داشته است. مقدار وزنی دوده سیلیسی چنین بتن هایی تقریبا 25 درصد وزن سیمان است ، که این میزان دوده سیلیسی موجب افزایش آب اختلاط بتن نیز می شود، لذا برای افزایش میزان آب اختلاط باید از روان کننده ها ترجیحا فوق روان کننده استفاده نمود.

خاکستر بادی محصول فرعی سوخت ذغال سنگ است. کانی های اصلی تشکیل دهنده خاکستر بادی شامل اکسیدهای سیلیس ، آلومین ، آهن و کلسیم است. در نیروگاه هایی که از ذغال سنگ به عنوان سوخت استفاده می کنند، ذرات شیشه ای و کروی شکل بسیار ریز به ابعاد 1 الی 80 میکرون و در درجه 1600 درجه سیلیسیوس به عنوان محصول فرعی تولید می شود. که از بالای کوره احتراق خارج شده و به سرعت سرد می شود.

این محصول که خواص پوزولانی دارد و خاکستر بادی نامیده می شود از اختلاط دو فاز شیشه ای یا بلوری نشده که این فاز حدود 60 الی 90 درصد وزنی محصول را تشکیل می دهد و فاز بلوری نشده که 10 الی 40 درصد وزنی محصول را تشکیل می دهد تشکیل شده است.

چنانچه مجموع درصد وزنی سه کانی اکسیدهای سیلیس و آلومنیومو آهن حداقل 70 درصد وزنی محصول را تشکیل دهند و اکسید کلسیم آن کمتر از 10 درصد باشد. این محصول به نام خاکستر بادی نوع F یا خاکستر بادی کم کلسیم نامیده می شود.

چنانچه مجموع درصد وزنی سه کانی اکسید های سیلیس و آلومینیوم و آهن حداقل 50 درصد وزنی محصول را تشکیل دهند و اکسید کلسیم آن بیشتر از 10 درصد باشد. این محصول به نام خاکستر بادی نوع C یا خاکستر بادی پر کلسیم نامیده می شود.

خاکستر بادی نوع F فقط خاصیت پوزولانی دارد در حالی که خاکستر بادی نوع C علاوه بر ویژگی های پوزولانی ، خواص سیمانی نیز دارد. خاکستر پوسته برنج از سوختن پوسته برنج به دست می آید و دارای میزان زیادی سیلیس غیر کریستالی است.

آیین نامه ASTM C618-94a خاکستر آتش فشانی ، پوکه سنگ ، سنگ رسی ، چرت اوپالینی ، خاک دیاتومه ای گلسینه شده ، خاک رس پخته شده را به عنوان پوزولان طبیعی و خاکستر بادی و دوده سیلیسی را به عنوان پوزولان مصنوعی معرفی می نماید.

بخش اول آیین نامه بتن ایران مواد افزودنی را چنین تعریف می نماید “مواد افزودنی را نیابد مواد مضاف و یا افزونه ها اشتباه کرد مواد مضاف ماده ای است که برای خواصی ویژه به منظور کمک به امر تولید سیمان با سیمان پرتلند و یا کلینکر آن در حین تولید در کارخانه آسیاب می شود. برای مثال به منظور تولید سیمان پرتلند آمیخته درصد معینی از روباره یا پوزولان (5 تا 70 درصد) که مواد مضاف معدنی نام دارند در کارخانه و در موقع آسیاب کردن به سیمان افزوده می شود.

در حالی که ماده افزودنی (مثل روان کننده یا فوق روان کننده و یا مواد حباب زا و یا میکروسیلیس و یا …) به مقدار کم در زمان اختلاط بتن با مصالح و اجزا متشکله آن مخلوط می گردد ، وزن مواد افزودنی در نسبت های اختلاط دخالت داده نمی شود.”

آیین نامه بتن ایران مقادیر زیر را برای انواع افزودنی های معدنی بر حسب کل مواد چسبنده سیمانی جهت بتن های سازه ای مورد آزمایش قرار داده تا مقدار بهینه مواد افزودنی معدنی انتخاب شود.

پوزولان های طبیعی مطابق مشخصات دت 403 : 20 الی 10 درصد

خاکستر بادی نوع F مطابق مشخصات دت 403 : 25 الی 15 درصد

خاکستر بادی نوع C مطابق مشخصات دت 403 : 35 الی 15 درصد

دوده سیلیسی مطابق مشخصات دت 409 : 5 درصد

منبع : تکنولوژی بتن و آزمایشگاه همراه با طرح اختلاط نوشته مهندس فرهاد مصباح ایراندوست