فرآیند تبدیل سیمان پر آلومین

مقاومت زیاد بتن ساخته شده با سیمان پر آلومین وقتی حاصل می شود که هیدراتاسیون CA منجر به تشکیل CAH10 با مقدار کمی از C2AH8 و ژل آلومین ( Al2O3.aq) گردد. ولیکن هیدرات CAH10 در دماهای زیاد و معمولی، از لحاظ شیمیایی بی ثبات بوده، به ,C3AH6 و ژل آلومین تغییر می یابد. این تغییر حالت به نام تبدیل خوانده شده است و از آنجا که حالت تقارن برای شبکه بلوری در حالت ۱۰ آب تبلوری، شبه شش وجهی و در حالت 1.5 برابر آب تبلوری، مکعبی است، آن را می توان تغییر وضعیتی از حالت شش وجهی به مکعبی دانست.

ویژگی مهم هیدراتاسیون سیمان پر آلومین آن است که در دماهای زیادتر، فقط شکل مکعبی هیدرات آلومینات کلسیم می تواند وجود داشته باشد، ولی در دمای معمولی محیط، هر دو شکل می توانند وجود داشته باشند ولیکن بلورهای شش وجهی، خودبه خود، هر چند به آرامی، به گونه مکعبی تبدیل می گردند. از آنجا که این تغییر خود به خود صورت می گیرد، می توان گفت که بلورهای شش وجهی در دمای معمولی اطاق ناپایدار بوده و محصول نهایی واکنش های هیدراتاسیون به شکل مکعبی می باشند. دماهای زیادتر، فرآیند را تسریع می نماید و وقتی که دوره های مواجه شدن با دماهای زیادتر منقطع باشد، اثر آنها تجمعی خواهد بود 8-2. این پدیده را «تبدیل» می نامند. یا به عبارتی: تغییر غیر قابل اجتناب هیدرات آلومینات کلسیم از گونه ای به گونه ای دیگر و منطقی است افزوده شود که این نوع تغییر، پدیده ای غیر معمول در طبیعت نمی باشد.

قبل از بحث در مورد اهمیت تبدیل، لازم است واکنش به اختصار توصیف گردد. تبدیل هر دو ترکیب CAH10 و C2AH8 به صورت مستقیم انجام می شود، به عنوان مثال:

3CAH10 → C3AH6 + 2AH3 + 18H

باید یادآور شد که اگر چه آب به عنوان محصول واکنش دیده می شود، ولی عمل تبدیل فقط در مجاورت آب صورت می گیرد و در بتن خشک اتفاق نمی افتد؛ زیرا در این فرآیند دوباره حل شدن و دوباره رسوب کردن وجود دارد. تا آنجا که به خمیر خالص سیمان مربوط می شود، این نتیجه به دست آمده است 46-2. که در مقاطع با ضخامت بیش از ۲۵mm ، قسمت داخلی سیمان در حال هیدراته شدن، رطوبت نسبی معادل ۱۰۰ درصد، (بدون توجه به رطوبت محیط خارج) دارد و لذا فرآیند تبدیل می تواند اتفاق افتد. بنابراین تاثیر رطوبت محیط فقط در قسمت سطح بتن خواهد بود.

محصول مکعبی تبدیل، C3AH6، در محلولی از هیدروکسید کلسیم در دمای ۲۵oC پایدار می باشد ولی با محلولی از مخلوط Ca(OH)2-CaSO4 واکنش نشان می دهد و در دمای ۲۵oC و بیشتر تشکیل ترکیبات 3CaO.Al2O3.3CaSO4.31H2O را می دهد ۴۷-۲.

درجه تبدیل را از درصد C3AH6 موجود به صورت بخشی از مجموع هیدرات های مکعبی و شش وجهی تخمین می زنند، یعنی: درجه تبدیل (بر حسب درصد) برابر است با

 

 

 

جرمهای نسبی این ترکیبات را از سنجش نقاط حداکثر گرماگیر، به وسیله در دمانگاشت (ترموگرام) تحلیل حرارتی افتراقی به دست می آورند.

ولیکن، به جز در مواردی که سنجش تحت شرایط بدون CO2 صورت گیرد، خطر تجزیه C3AH6 به AH3 وجود دارد. درجه تبدیل را همچنین می توان بر حسب ترکیب اخیر به دست آورد، زیرا تصادف جرم های C3AH6 به 3AH تولید شده در فرآیند تبدیل، تفاوت چندانی با هم ندارند. لذا می توان نوشت: درجه تبدیل (بر حسب درصد) برابر است با

 

 

 

در حالی که جواب این دو عبارت دقیقا یکسان نمی باشد، ولی در درجات زیاد تبدیل اختلاف ناچیز است؛ اکثر آزمایشگاه ها نتایج را با تقریب ۵ درصد ارائه می نمایند. بتنی را که حدودا ۸۵ درصد تبدیل شده باشد، به طور کامل تبدیل شده در نظر میگیرند.

روند تبدیل، به دما بستگی دارد: بخشی از داده های واقعی در جدول 9-2 ارائه شده اند. رابطه 46-2 بین زمان لازم برای تبدیل شدن نیمی از CAH10 و دمای نگاه داری نمونه های مکعبی به

 

جدول ۹-۲: توسعه فرآیند تبدیل با عمر 51-2

دامنه نسبت آب

به سیمان آزاد

دمای

نگاه داری C°  

میانگین درجه فرآیند تبدیل (بر حسب درصد) در عمر:

28 روز

3 ماه

1 سال

5 سال

8سال

0.27-0.04

18

38

20

55

20

85

25

80

30

85

45

90

0.42-0.50

18

38

20

60

20

80

25

80

40

80

50

90

0.52-0.67

18

38

20

65

20

80

25

80

50

85

65

90

شکل ۵-۲: زمان برای رخ دادن نصف فرآیند تبدیل برای خمیر سیمان پر آلومین خالص عمل آمده در دماهای مختلف(نمونه های مکعبی به ضلع ۱۳mm)2 -49

 

ضلع ۱۳mm از خمیر خالص سیمان با نسبت آب به سیمان 0.26 در شکل ۵-۲ نشان داده شده است. احتمال دارد در مورد بتن هایی با تخلخل بیشتر که با نسبت های مخلوط کارگاهی به دست می آیند، این دوره های تبدیل بسیار کوتاه تر باشند؛ زیرا مشاهده گردیده است که تبدیل کامل پس از حدود ۲۰ سال، در دمای ۲۰oC (یا در همین حدود)، رخ می دهد. لذا داده های مربوط به خمیرهای سیمان خالص با نسبت های آب به سیمان خیلی کم را باید با احتیاط بررسی نمود؛ ولی به هر حال دارای اهمیت علمی می باشند.

اهمیت عملی فرآیند تبدیل در این حقیقت نهفته است که منجر به افت در مقاومت بتن ساخته شده با سیمان پر آلومین می گردد. توجیه این امر بر اساس متراکم شدن هیدرات های آلومینات کلسیم آن است که: نوع چگالی CAH10 برابر 1.72g/ml و چگالی C3AH6 برابر 2.53g/ml می باشد. لذا تحت شرایطی که ابعاد کلی قطعه ثابت است (مانند حالت خمیر سیمان گیرش حاصل کرده، همراه با آزاد شدن همزمان آب درونی)، فرآیند تبدیل منجر به افزایش تخلخل خمیر خواهد شد. اثبات های متعددی برای این موضوع موجود می باشد و توجیه به ویژه قانع کننده از طریق سنجش نفوذ هوا در بتن حاوی سیمان پر آلومین که فرآیند تبدیل در آن به وقوع پیوسته است در مقایسه با بتنی که این فرآیند در آن رخ نداده باشد ، به دست می آید 48-2 .

شکل 6-2: جریان هوا از میان بتن : (a) بتن حاوی سیمان پر آلومین که فرآیند تبدیل در آن رخ نداده است؛ (b) بتن حاوی سیمان پر آلومین که فرآیند تبدیل در آن رخ داده است؛ (c) بتن حاوی سیمان پرتلند (دما 22 تا 24oC و رطوبت نسبی بین 36 تا 41 درصد، اختلاف فشار  10.7kPa) 2-48

مقاومت خمیر سیمان هیدراته شده یا مقاومت بتن، به شدت تحت تاثیر تخلخل آن واقع می گردد، تخلخل 5 درصد میتواند مقاومت بتن را تا حدی بیش از 30 درصد کاهش دهد. تخلخل در حدود 8 درصد سبب کاهش مقاومت ، به میزان 50 درصد می گردد. در بتن حاوی سیمان پر آلومین در اثر فرآیند تبدیل این مقدار تخلخل ایجاد می شود.

از آنجا که فرآیند تبدیل در بتن ها و ملات ها با هر نسبتی از مخلوط رخ می دهد، چنین نتیجه میشود که وقتی این مخلوط ها در معرض دمای زیادتری قرار می گیرند، مقاومت خود را از دست می دهند و شمای کلی منحنی افت مقاومت در برابر زمان در کلیه موارد با یکدیگر مشابه است. ولیکن همانطور که در شکل 7-2 نشان داده شده است، درجه افت در مقاومت به صورتی تابعی از نسبت آب به سیمان مخلوط می باشد. در جدول 10-2 نسبت های مخلوط و درصد افت مقاومت داده شده است. واضح است که افت مقاومت بر حسب مگا پاسکال و یا به صورت بخشی از مقاومت بتن در هوای سرد عمل آمده ، در بتن های با نسبت های آب به سیمان کم، کوچکتر از افت متناظر در مخلوط های آب به سیمان زیاد می باشد33-2.

می توان مشاهده نمود که شکل منحنی های مقاومت در برابر نسبت آب به سیمان برای حالت نگاه داری در 18oC (شکل 7-2) ، با منحنی های معمولی برای بتن های حاوی سیمان پرتلند، تشابهی ندارد. این مشخصه ای از بتن های ساخته شده با سیمان پر آلومین بوده و در مورد نمونه های استوانه ای (هم با اندازه استاندارد 17-2 و هم با سایر نسبت های ارتفاع به قطر 22-2) نیز به تایید رسیده است.

شکل 7-2 تاثیر نسبت آب به سیمان بر روی مقاومت نمونه های مکعبی بتن حاوی سیمان پر آلومین عمل آمده در آب 18 و 40oC برای مدت 100 روز

 

جدول 10-2: تاثیر نسبت آب به سیمان در کاهش مقاومت در اثر فرآیند تبدیل

سیمان

نسبت آب

به سیمان

نسبت سنگدانه

به سیمان*

مقاومت یک روزه

در C° 18▼

MPa

مقاومت بتنی که فرآیند تبدیل در آن رخ داده به صورت درصدی از مقاومت در C° 18

A

0.29

0.35

0.45

0.65

2.0

3.0

4.0

6.2

91.0

84.4

72.1

42.8

62

61

26

12

B

0.30

0.35

0.45

0.65

0.75

2.1

3.0

4.0

6.2

7.2

92.4

80.7

68.6

37.2

24.5

63

60

43

30

29

* ماکزیمم اندازه سنگ دانه ها 9.5mm

▼مکعب های 76mm

 

(هم با اندازه استاندارد ۱۷-۲ و هم با سایر نسبت های ارتفاع به قطر ۲۲-۲) نیز به تایید رسیده است.

مقادیر نشان داده شده در شكل ۷-۲ فقط به صورت نمونه بوده و مسلما با سیمان های مختلف تفاوت هایی وجود خواهد داشت، ولیكن، الگوی رفتاری در کلیه موارد یکسان است. این نکته حائز اهمیت است که مقاومت باقی مانده در مورد مخلوطهای با نسبت های آب به سیمان متوسط و زیاد به فرض، بیش از0.5)، ممکن است به قدری کم گردد که برای اکثر کاربردهای سازه ای قابل قبول نباشد.

ممکن است یادداشت تاریخی مختصری راجع به کاربرد سازهای سیمان پر آلومین مفید باشد. به علت مقاومت اولیه خیلی زیاد بتن ساخته شده با سیمان پر آلومین، از آن در ساخت قطعات بتن پیش تنیده، استفاده می گردید. به اعلام خطرهای Nevile 2-33درباره عواقب خطرناک فرآیند تبدیل توجه نشد، اما عملا نشان داده شد که واقعی هستند. با توجه به گسیختگی های سازه ای که در اوایل دهه ۱۹۷۰ در انگلستان رخ داد، نهایتا کلیه کاربردهای سازهای سیمان پر آلومین از آیین نامه های بریتانیایی حذف گردید. در اکثر کشورهای دیگر نیز سیمان پر آلومین در بتن سازهای به کار برده نمی شود. با این وجود، در اسپانیا گسیختگی بتن های حاوی سیمان پر آلومین قبلی در اوایل دهه ۱۹۹۰ به وقوع پیوست.

بحث هایی به این مضمون که در نسبت آب به سیمان کمتر از 0.4 و مقدار سیمان بیشتر از ۴۰۰kg/m3 ، مقاومت پس از پدیده تبدیل هنوز کافی خواهد بود، قانع کننده نیست. اول آنکه تحت شرایط کارگاهی تولید بتن، امکان ندارد که بتوان تضمین نمود که نسبت آب به سیمان در پاره ای مواقع به میزان 0.05 یا حتی 0.1 بیشتر نخواهد شد؛ این موضوع کرارا اثبات شده است ۴۹-۲ . لازم به تذکر است که مقاومت سیمان پر آلومین تبدیل شده بیشتر از حالت قبل از تبدیل به تغییرات نسبت آب به سیمان، حساس می باشد. این موضوع در شکل 8-2 که بر اساس داده های George قرار دارد، نشان داده شده است ۵۰ -۲.

تحت برخی از شرایط رطوبتی، پس از پدیده تبدیل، هیدراتاسیون سیمانی که قبلا هیدراته نشده منجر به افزایش در مقاومت می گردد. ولیکن تبدیل هیدرات های شش وجهی تازه تشکیل شده منتهی به یک افت مقاومت تجدید شده و مداوم می گردد. بنابراین مقاومت به کمتر از مقدار مقاومت ۲۴ ساعته نزول خواهد کرد. این موضوع در عمر ۸ تا ۱۰ سال در بتن با نسبت آب به سیمان 0.4 (و حتی دیرتر وقتی نسبت آب به سیمان کمتر است)، اتفاق می افتد ۷۸-۲. در هر حال از دیدگاه سازهای کمترین مقاومت در هر زمان از عمر بتن، حالت بحرانی دارد.

افت مقاومت تحت شرایط خشک کمتر است. اما در بتن با ضخامت قابل توجه شرایط به صورت حالت خشک نمی باشد. اثباتی غیر مستقیم که در داخل یک انبوه بتن پرسیمان، آب کافی برای واکنش شیمیایی وجود خواهد داشت توسط Hobbs 2-75 ارائه گردیده است. او به این نتیجه رسید که در بتن حاوی سیمان پرتلند به مقدار ۵۰۰ تا ۵۵۰m3/kg (وقتی به صورت آب بند نگاه داری شود)، به اندازه کافی آب وجود خواهد داشت تا واکنش های قلیایی - سیلیسی رخ دهد. Collins و Gutt 2-78گزارش نموده اند.

شکل ۸-2: تاثیر نسبت آب به سیمان بر مقاومت بتن حاوی سیمان پر آلومین، قبل و بعد از تبدیل، در مقایسه با مقاومت بتن بعد از تبدیل با نسبت آب به سیمان 0.4(بر اساس منبع ۵۰-۲)

که بتن تر یا شاید حتی دفعتا تر، ممکن است دارای مقاومتی در حد ۱۰ تا 15MPa کمتر از بتن خشک باشد. گهگاه، تر شدن به صورت تصادفی یا به عنوان مثال، در مورد اطفای حریق با آب که تقریبا برای هر ساختمان ممکن است اتفاق افتد.

این نتایج Collins و Gutt 2-78منعکس کننده تحقیقات در مرکز تحقیقات ساختمان انگلستان بود که در سال ۱۹۶۴ شروع شد و در واقع تایید کننده بیانیه و استنتاج Neville در سال ۱۹۶۳ بود ۳۳-۲.

بحث ثانوی درباره کاربرد سازهای بتن حاوی سیمان پر آلومین تبدیل شده، حتی اگر مقاومت کافی داشته باشد، آن است که خمیر سیمان پر آلومین تبدیل شده تخلخل بیشتری دارد و بنابراین احتمال خطر حمله شیمیایی بیشتری در مقایسه با قبل از تبدیل، وجود دارد. این موضوع به ویژه در مورد حمله سولفاتها صادق است. اگر یونهای سولفات از میان پوسته محافظ خارجی بتن حاوی سیمان پر آلومین نفوذ کنند (یعنی عملی که متناظر با خشک شدن است)، واکنش های منبسط کننده با C3AH6 رخ خواهد داد ۷۹-۲؛ فقط CAH10 تبدیل نشده است، که در مقابل حمله سولفاتها بی اثر می باشد.

به علاوه، ممکن است حمله شیمیایی موجب افت بیشتری در مقاومت گردد ۸۱-۲، اما واکنش های شیمیایی مربوطه نیاز به حضور آب دارند. آب نفوذکننده ممکن است همراه خود هیدروکسید سدیم یا پتاسیم را بیاورد که پدیده تبدیل را تسریع خواهد نمود که این اثر علاوه بر تجزیه محصولات هیدراتاسیون خواهد بود. اگر دی اکسید کربن نیز حضور داشته باشد، کربنات کلسیم تشکیل می شود و اکسیدهای قلیایی دوباره به کار می افتند تا حمله به خمیر هیدراته شده سیمان را توسعه بیشتری دهند ۸۲-۲. تحت برخی از شرایط، تجزیه کامل هیدرات های آلومینات کلسیم نتیجه می شود. واکنش ها به صورت زیر نوشته می شوند ۸۳-۲:

K2CO3+CaO.Al2O3.aq → CaCO3+K2O.Al2O3

CO2+ K2O.Al2O3+aq → K2CO3+ Al2O3.3H2O

بنابراین، از آنجایی که قلیایی ها فقط یک حامل می باشند، واکنش کلی را می توان به صورت زیر نوشت:

CO2+ CaO.Al2O3.aq → CaCO3+ Al2O3.3H2O

بنابراین، می توان یادآور شد که در سیمان پر آلومین، کربناته شدن رخ می دهد، اما ماهیت آن به همان صورت سیمان پرتلند نمی باشد. 

آیین نامه های بریتانیایی اجازه نمی دهند که سیمان پر آلومین به صورت سازهای مصرف شود. در ایالات متحده، برنامه تحقیقاتی بزرگراه های استراتژیک ۳۷-۲، تصمیم گرفت که به علت عواقب تبدیل، بتن حاوی سیمان پر آلومین به کار برده نشود. ولیکن، این سیمان کاربردهای اختصاصی دارد که یکی از آنها در معادن در جلوگیری از ریزش سقف می باشد. در اینجا یک سیستم دو دوغابه حاوی سیمان پر آلومین، سولفات کلسیم، آهک و مواد افزودنی مناسب، باعث توسعه اترینگایت که مقاومت اولیه قابل ملاحظه ای دارد، می گردد 72-2:

3CA + 3C H2 + 2C + 26H – C6A S3H32

Madjumdar و همکاران ۷۳-۲، سیمان آمیخته ای از سیمان پر آلومین و سیمان سرباره کوره آهن گدازی آسیاب و دانه شده (با نسبت های مساوی جرمی ساختند تا بتوانند از مسایل تبدیل اجتناب نمایند. سرباره، آهک را از محلول خارج می سازد، به طوری که تشکیلC3AH6 به تاخیر می افتد و C2ASH8 هیدرات اصلی می باشد که در درازمدت تشکیل می گردد. ولیکن چنین سیمان آمیخته ای، مقاومت اولیه زیادی را که مشخصه سیمان پر آلومین می باشد، ایجاد نمی نماید (نقطه قوت ظاهری آن)؛ شاید این امر دلیل عدم تولید آن به صورت تجاری باشد.

شکل ۹ - ۲: مقاومت بتن های با سیمان پر آلومین، ساخته شده با سنگدانه های مختلف به صورت تابعی از دما

 

بازگشت به فهرست

شرکت مقاوم سازان مینو با بیش از 10 سال سابقه اجرای ژئوسنتتیک ها در زمینه های مختلف از جمله کشاورزی، صنعت و معدن، گودهای ساختمانی و... در تمامی نقاط کشور ... بیشتر بدانید

ساعت کاری

شنبه تا

پنج شنبه

08:00 صبح  الی

15:00 بعد از ظهر

جمعه   تعطیل

 

نماد اعتماد الکترونیکی

Please publish modules in offcanvas position.