تعریف

 • موادی غیر ازعناصر اصلی تشکیل دهنده بتن (سنگدانه، سیمان، آب) که به مخلوط اضافه شده و یا به عنوان جایگزین مواد اصلی بکار می روند.

تا 80 درصد کل بتن تولید شده می تواند دارای یك یا چند ماده افزودنی که عرفاً استفاده می‌گردند باشد.

 •مواد افزودنی ازنظر ترکیب از تأثیرکننده‌های سطحی و نمك‌ها و پلیمرهای قابل حل، تا کانی‌ های غیرقابل حل، و مواد طبیعی و مصنوعی دیگر متغیر می‌باشند.

اهمیت

مواد افزودنی با دو هدف عمده در بتن به کار می روند:

تصحیح یا بهبود یک یا چند خاصیت بتن: بهبود کارآیی، تسریع یا تعویق زمان گیرش، کنترل افزایش مقاومت، کاهش آب‌انداختگی و جداشدگی

 جبران یک یا چند نقطه ضعف بتن: افزایش دوام بتن با زیادتر کردن مقاومت درمقابل یخ‌زدگی، ترك‌خوردگی حرارتی، انبساط قلیایی سنگدانه، محلول‌های اسیدی و سولفاتی، خوردگی آرماتور

انواع

• در یك تقسیم بندی کلی، افزودنی ها به دو دسته اصلی تقسیم می شوند:

 – افزودنی های شیمیایی (  Admixtures  (Chemical

–  افزودنی های معدنی  ( Mineral Admixtures )

 • مواد افزودنی شیمیایی‌ از نظر مکانیزم عملکرد می‌توانند عمدتاً به‌ دو نوع تقسیم شوند:

 – بعضی از مواد شیمیایی فوراً ازطریق تأثیر گذاردن بر روی کشش سطحی آب و به‌وسیله جذب سطحی ذرات سیمان، شروع به عمل‌ بر روی سیستم سیمان- آب می‌کنند.

 -سایر مواد، به مواد متشکلة یونیشان تقسیم می‌شوند و بر واکنش‌های شیمیایی بین ترکیبات سیمان و آب از چندین دقیقه تا چندین ساعت بعد از افزودن آب، تأثیر می‌گذارند.

افزودنی های شیمیایی:

260 ASTM C مواد شیمیایی حباب هوازا

   ASTM C 494 8نوع

– نوع A ،کاهنده آب

– نوع B ،کندگیرکننده

 – نوع C تسریع‌کننده

– نوع D کاهنده آب و کندگیرکننده

 – نوع E کاهنده آب و تسریع‌کننده

 – نوع F کاهنده آب قوی

- نوع G کاهنده آب و کندگیرکننده قوی

– نوع S کاربرد خاص

 

تاثیر گذارنده های سطحی (Surfactants)

افزودنی های شیمیایی هوازا یا کاهنده آب عمدتا از نوع تاثیر گذارنده های سطحی( مواد شیمیایی فعال در سطح یا ترسازه) هستند.

• این مواد شامل زنجیر بلند مولکول‌های آلی است که یك سر آن نمگیر (جاذب آب) و سر دیگر آن ضدرطوبت (دافع آب) است.

 • سر نمگیر دارای یك یا چند گروه قطبی، مانند  SO 3- COO -،     یا NH3 + - است

 • مواد افزودنی آنیونی می توانند دارای زنجیر غیرقطبی و یا با زنجیر دارای گروه‌های قطبی باشند.

تاثیر گذارنده های سطحی

زنجیر غیرقطبی به‌عنوان مواد افزودنی حباب هوازا و زنجیر قطبی به‌عنوان مواد افزودنی کاهنده آب به‌کار می‌رود.

• مواد تأثیرگذارنده سطحی‌ در فصل مشترك هوا- آب و سیمان- آب، جذب سطحی شده و مولکول، جهت‌دار می‌گردد.

• نحوة جهت‌گیری مولکول تعیین می‌نماید که آیا اثر غالب، حباب‌سازی هوا است یا روان‌سازی سیستم سیمان- آب.

مواد حباب ساز (Air-Entraining Agents)

• مادة حباب هواساز یك افزودنی شیمیایی است که به منظور ایجاد سیستمی ازحبابهای هوا در بتن، ملات یا خمیر در موقع اختلاط بکار برده می شود:

–  ترکیبات محلول در آب : رزینهای چوب ، مواد پروتئینی، نمك اسیدهای نفتی، برخی شوینده های مصنوعی، اسیدهای رزینی و چرب، نمك های آلی هیدروکربنهای سولفوناتی

 – ترکیبات جامد:  مواد جامد با تخلخل بالا و اندازه مناسب حفرات(پلاستیك های توخالی، آجر شکسته، رس منبسط شده) ممکن است شبیه حبابهای هوا عمل کنند.

• گروه های قطبی، در فصل مشترك هوا - آب، به سمت فاز آبی جهت دارمی شوند و کشش سطحی را کاهش داده، تشکیل حباب را ترویج کرده وتمایل به هم چسبیدگی حباب های پراکنده شده را متقابلاً خنثی می نماید.

• در فصل مشترك جسم - آب که نیروهای جهت دار در سطح سیمان موجودند، گروه های قطبی با گروه های غیرقطبی متمایل به سمت آب، به جسم چسبیده شده، سطح سیمان را ضدرطوبت می کنند، به طور یکه هوا می تواند آب را جابه جا کرده و به ذرات جسم به صورت حباب چسبیده باقی بماند.

مزایا:

– افزایش دوام در برابر یخ زدن و ذوب شدن

– افزایش کارآیی

– کاهش خطر جداشدگی و آب انداختگی

معایب:

– کاهش مقاومت فشاری  5 %( به ازای هر 1 % هوا)

– افزایش تخلخل

– تاخیر در گیرش و سخت شدگی در صورت مصرف بیش از حد

مواد کاهنده آب  (Water Reducers)

مواد کاهنده آب یا روان کننده ها، مواد افزودنی ترسازی است که مقدار آب مخلوط لازم برای تولید بتن با روانی داده شده را کاهش می دهد (یا روانی بتن را بدون افزایش مقدار آب افزایش می دهد)

•  نمك ها و سایر مشتقات اسیدهای لیگنوسولفونیك، اسیدهای هیدروکسیلات کربوکسیلیك، و پلی ساکارید، یا هر ترکیبی از این سه، بدون یا با مواد متشکله اضافی دیگر، از جمله مواد کاهنده آب هستند.

بر خلاف ترسازهای حباب ساز، در روان کننده ها گروه قطبی آنیونی به یك زنجیر هیدروکربنی که خود قطبی یا نمگیر است متصل است (چندین گروه OH در زنجیر موجودند)

هنگامی که مقدار کمی آب به سیمان افزوده شود، بدون حضور ماده کاهنده آب، یك سیستم خوب پراکنده شده به دست نمی آید.

 – آب دارای کشش سطحی زیاد است(ساختار مولکولی آن دارای پیوندهیدروژنی است)

 – ذرات سیمان تمایل به جمع شدن یا تشکیل دسته دادن دارند (وقتی که کانی ها یا ترکیبات متبلور، خوب آسیاب می شوند، نیروهای جاذبی بین لبه ها، گوشه ها و سطوح دارای بار مثبت و منفی آنها وجود دارند)

وقتی که یك ماده کاهنده آب با زنجیر نمگیر به سیستم سیمان - آب افزوده می گردد، زنجیر قطبی در امتداد ذره سیمان، به صورت سطحی، به آن جذب می گردد.

• در این حالت، به جای جهت دادن سر غیرقطبی به سمت آب، ماده کاهنده آب به سر قطبی جهت  می دهد، بنابراین کشش سطحی آب را کاهش داده و ذره سیمان را نمگیرمی کند.

• درنتیجه، لایه های آب احاطه کننده ذرات سیمان نمگیر، دوقطبی شده و از تجمع آنها ممانعت می گردد و یك سیستم با پراکندگی مناسب به دست می آید.

 • مواد کاهنده آب موجب افزایش روانی بتن می شوند.

 • می توان با کاهش آب به سیمان، مقاومت فشاری نمونه را بالا برده و دوام آنرا بهبود داد.

•  می توان در مصرف سیمان صرفه جویی کرد.

• مهم:  همه این مزایا همزمان بدست نمی آیند!

تاثیر گذارنده های سطحی

• مدت زمان تأثیر مواد تأثیرگذار سطحی نسبتاً محدود است.

• بلافاصله بعد از شروع واکنش های هیدراتاسیون، مقدار زیادی از محصولاتی مانند اترینگایت شروع به شکل گیری می کنند و محصولات هیدراتاسیون سیمان مقدار کم ترساز موجود در سیستم را فرا می گیرند.

• بنابراین، دمای محیط و نرمی و ترکیب سیمان، خصوصاً C3A ، SO3 و مقادیرقلیایی م یتوانند در فعل و انفعالات سیمان- ماده افزودنی تأثیر داشته باشند.

• مسلماً مقدار یا غلظت ماده افزودنی در سیستم نیز مقدار این تأثیر را تعیین میکند.

مقادیر زیادتر از معمول یك ماده روان کننده ممکن است زمان گیرش را ازطریق جلوگیری کردن از تجمع محصولات هیدراتاسیون به تعویق بیاندازد.

• همچنین بعضی از مواد افزودنی کاهندة آب (خصوصاً با پایه لیگنینی) هوای قابل توجهی را محبوس میکنند.

• ازآنجایی که محصولات تجاری ممکن است دارای مواد متشکله ناشناخته باشند، همیشه باید قبل از استفاده از یك ماده افزودنی تازه یا ترکیبی از یك یا چند ماده افزودنی، یك بررسی آزمایشگاهی بر روی آنها انجام گیرد.

 

فوق روان کننده ها (Superplasticizers)

به فوق روان کننده ها، کاهنده های قوی آب (HRWR) نیز گفته  میشود، زیرا در مقایسه با مواد افزودنی کاهندة آب معمولی، سه یا چهار برابر بیشتر، قادر به کاهش آب در مخلوط بتنی داده شده هستند (کاهنده آب معمولی باید حداقل 5 % و کاهنده آب قوی حداقل 12%)

• در مقایسه با مواد افزودنی کاهندة آب معمولی، می توان مقادیر نسبتاً زیادی از مواد فوق روان کننده(بین 1 تا 2 % وزنی سیمان)  را بدون ایجاد آب انداختگی و تأخیر بیش از اندازه در گیرش، با وجود روانی در حد200 تا 250 میلیمتر اسلامپ، به مخلوط های بتنی اضافه کرد.

• این مواد عمدتا از جنس سولفونات های نفتالین یا ملامین فرمالدهید هستند.

• در سال های اخیر، فوق روا نکننده هایی بر پایه اسیدهای هیدروکسید کربوکسیلیك و پلیمر های اکریلی به جای پایه های ملامینی و نفتالینی در صنعت بتن رایج گشته است.

• این مواد، حاوی تأثیرگذارند ه های سطحی آنیونی زنجیر بلند با وزن مولکولی زیاد( 20000  تا 30000 ) با تعداد زیادی از گروه های قطبی در زنجیر هیدروکربنی هستند.

 

مکانیزم عمل فوق روان کننده ها به جذب شدن بخش آنیونی افزودنی در سطح مشترك آب-سیمان بر می گردد.

• پایه غیر قطبی افزودنی جذب سطح ذره سیمان می شود، لذا سر نمگیرآن که بار الکتریکی بالایی دارد به سمت محلول قرار می گیرد. درنتیجه تاثیر کلی ایجاد بار منفی قوی در سطح سیمان است.

• لذا ذرات سیمان به شدت یکدیگر را دفع میکنند (دفع الکترواستاتیکی)و روانی سیستم را  به میزان زیادی افزایش دهد.

• پراکندگی عالی ذرات سیمان در آب میزان هیدراتاسیون را تسریع می کند؛ بنابراین، در این نوع بتن ها، تسریع در گیرش و سخت شدگی معمول می باشد.

• به دلیل میزان بیشتر هیدراتاسیون سیمان در سیستمی که سیمان آن خوب پراکنده شده است، بتن های دارای فوق روان کننده مقاومت های فشاری حتی زیادتری در سنین 1 ، 3 و 7 روز نسبت به بتن های شاهد دارای همان نسبت آب به سیمان از خود نشان می دهند.

• به طورکلی در بتن های دارای فوق روان کننده، جداشدگی اتفاق نمی افتد (اندازه کلوییدی ذرات زنجیر بلند مخلوط)

 

افزودنی های کنترل کننده گیرش

• واکنش های اولیه ترکیبات سیمان پرتلند با آب، درون محلولی اند؛ یعنی ابتدا ترکیبات، یونیز ه شده و سپس هیدرات ها در محلول شکل می گیرند.

• محصولات هیدراتاسیون به خاطر حلالیت محدودشان متبلور می گردند.

• پدیده های گیرش و سخت شدگی خمیرهای سیمان پرتلند از تبلور پیش رونده  محصولات هیدراتاسیون سرچشمه میگیرند.

• به وسیله افزودن مواد شیمیایی قابل حل خاصی به سیستم سیمان پرتلند- آب، می توان بر روی میزان یونیزه شدن ترکیبات سیمان و یا بر روی میزان تبلور محصولات هیدراتاسیون تأثیر گذاشت.

• یك ماده افزودنی تسریع کننده باید حل شدن کاتیو نها )یون های کلسیم( و آنیون های سیمان را افزایش دهد. ازآنجا که چندین آنیون برای حل شدن موجود هستند، تسریع کنده باید حل شدن آن مواد متشکله ای را که کمترین میزان حل شدگی در حین مدت زمان اولیه هیدراتاسیون را دارند )مثل یون های سیلیکات(  افزایش دهد.

• یك ماده افزودنی کندگیرکننده بایستی مانع  حل شدن کاتیون ها )یون های کلسیم( و آنیون های سیمان، ترجیحاً آنیونی که بیشترین میزان حل شدگی درحین مدت زمان اولیه هیدراتاسیون )مثل یون های آلومینات( را دارد ، شود.

• با افزودن ماده شیمیایی نتیجه کلی به وسیله تعدادی اثر، که یا مکمل و یا مخالف یکدیگرند و این امر وابسته به نوع و غلظت یونهایی است که مواد افزودنی در سیستم به آنها کمك کرده اند، تعیین  می گردد.

• در غلظتهای کم (0/1  تا 0/3 ) درصد وزنی سیمان ( نمكهای با قلیاییت ضعیف و اسیدیت قوی مثل(  CaCl2 ) یا نمك های با قلیاییت قوی و اسیدیت ضعیف  (مثلK2CO3)  ، تعویق حلالیت یو نهای کلسیم و آلومینات ، در مقایسه با تسریع حلالیت یو نهای سیلیکات از سیمان اثر غالب است --->کندگیری

 

• در غلظت های زیادتر(مثلاً، 1 % یا بیشتر ) این نمكها، تأثیرات تسریع کنندگی یون ها در محلول بر روی یون های سیلیکات و آلومینات سیمان، بیشتر از تأثیرات کندگیری، غالبند --->تندگیری

 • اسیدهای آلی با وزن مولکولی کم و نمكهای قابل حل آنها که به طور ضعیفی اسیدی می باشند   به دلیل تواناییشان در افزایش محلول یون های کلسیم موجود در اجزای سیمان، همانند تسریع کننده عمل می کنند.

تندگیرکننده ها  (Accelerators)

• مواد افزودنی تسریع کننده برای اصلاح خواص بتن خصوصاً در آب و هوای سرد سودمندند:

–  تسریع در شروع عملیات پرداخت و وقتی که کاربرد عایق برای محافظت لازم باشد.

–  کاهش زمان لازم برای عمل آوری درست و محافظت

 – افزایش سرعت کسب مقاومت اولیه، به طور یکه برداشتن زودتر قالب ها و استفاده زودتر از ساختمان ممکن شود

– امکان پذیر کردن جلوگیری مؤثرتر از نشتی، به منظور مقابله با فشارهای هیدرولیکی.

•  اسیدهای آلی با وزن مولکولی کم و نمكهای قابل حل آنها که به طور ضعیفی اسیدی می باشند، فُرمات کلسیم و اسید فُرمیك، HCOOH، سدیم کربنات، کلرید آلومینیم، کربنات پتاسیم، فلوئورید سدیم، آلومینات سدیم، تری اتانول آمین و برخی نمك های آهن از مواد افزودنی تسریع کننده  می باشند.

• کلرید کلسیم (CaCl2) بهترین تسریع کننده شناخته شده و بیشترین میزان مصرف را در میان تسریع کننده ها دارد.

 

•  مواد افزودنی کندگیر کننده برای جبران شرایط بد دمای محیط خصوصاً در آب و هوای گرم سودمندند:

 – امکان ریختن و پرداخت درست، و برای غالب آمدن بر تأثیرات زیان آور و تسریع کنندگی دماهای زیاد،

 – برای کنترل گیرش واحدهای سازه ای بزرگ جهت حفظ کارآیی بتن در کل  مدت زمان جای دادن: این امر برای حذف درزهای سرد و ناپیوستگی های واحدهای ساز های بزرگ خصوصاً مهم  می باشد.

– کنترل گیرش ممکن است از ترك خوردگی تیرها، عرشه پل های بتنی و ساختمان های مرکب بتنی براثر تغییرشکل قالب در هنگام بتن ریزی واحدهای مجاور، جلوگیری کند.

• شکر، انواع مشتقات هیدروکربورها، انواع اسیدهای کربوکسیلیك هیدروکسیلات، گلوکنات سدیم، پلمیرهای گلوکز، و سنگ گچ جزء کندگیرکننده ها هستند.

• اضافه کردن شکر در حدود 0/05 % وزن سیمان باعث تاخیر در گیرش به اندازه حدود 4 ساعت می شود.

• مقادیر زیاد شکر، مثلا 0/2 تا 1 % وزن سیمان از گیرش سیمان جلوگیری به عمل می آورد.

 

افزودنی کاهنده جمع شدگی (Shrinkage Reducing Admixture)

جدای از کم کردن مقدار آب اختلاط، کم کردن عیار سیمان و استفاده از سنگدانه های مناسب، برخی افزودنی های شمیایی می توانند مقدار جمع شدگی بتن را کاهش دهند.

• جنس این نوع افزودنی ها عموما از مواد آلی نظیر پروپیلن گلیکول و مشتقات آن است.

• این مواد می توانند مقدار جمع شدگی را 35 % تا 60 % کاهش دهند.

افزودنی کاهنده جمع شدگی

• مکانیزم عمل این مواد به گونه ای است که مقدار کشش سطحی مولکول آب قابل تبخیر موجود در حفرات را کاهش می دهند.

• بدین ترتیب، مقدار تنشهای مویینه که منجر به جمع شدگی ناشی از خشك شدن می شودآب بوجود می آید کاهش پیدا می کند.

افزودنی مانع خوردگی (Corrosion Inhibitors)

• این نوع افزودنی ها در جاهایی که به دلیل وجود یون کلر، امکان خوردگی آرماتور وجود دارد (نظیر پلها، پارکینگها و سازه های دریایی) کاربرد دارند.

• جنس این افزودنی ها از برخی مواد غیرآلی مانند نیترات کلسیم و نیترات سدیم یا بعضی مواد آلی مانند آمین ها و استرها می باشد.

• این مواد که معمولا در هنگام اختلاط به بتن افزوده می شوند می توانند جلوی خوردگی آرماتور را گرفته و یا سرعت خوردگی را کاهش دهند.

افزودنی مانع خوردگی

• یون کلر موجب از بین رفتن لایه محافظ اکسید آهن موجود بر روی آرماتور شده و منجر به آغاز خوردگی آرماتور می شوند.

• افزودنی های غیر آلی (نیترات کلسیم و نیترات سدیم) لایه اکسید آهن را در برابر یون کلر محافظت می کنند و آنرا پایدار می سازند.

• افزودنی های آلی(آمین ها و استرها) با آهن واکنش داده و لایه ای به وجود می آورند که به دلیل محافظ بودن در برابر رطوبت، از خوردگی آرماتور جلوگیری می نماید.

ملاحظات کلی در استفاده از افزودنی ها

• تاثیرگذاری افزودنی های مختلف به غلظت مورد استفاده، شیوه و زمان اضافه کردن آن به مخلوط بتنی، شرایط محیطی و نیز نحوه تعامل آن با اجزای تشکیل دهنده بتن و یا سایر افزودنی های مورد استفاده بستگی دارد.

• با وجودی که دقت در مشخصات فنی که توسط سازنده افزودنی تهیه شده ضروری است، اما با توجه به یکسان نبودن شرایط نمی توان آنرا برای همه کاربردها یکسان در نظر گرفت.

• یکی از مسائل مهم در خصوص استفاده از افزودنی های شیمیایی بحث سازگاری (Compatibility) آنها با خمیر سیمان و با یکدیگر است.

• عدم سازگاری بین افزودنی ها و خمیر سیمان و یا افزودنی های مختلف با یکدیگر می تواند خواص کوتاه مدت و درازمدت بتن، مخصوصا بتن تازه را به نحو نا مطلوبی تغییر دهد.

• عدم سازگاری در بسیاری موارد به صورت افت اسلامپ، از دست رفتن هوای بتن یا هوای اضافی، تسریع در گیرش و... نمود پیدا می کند.

• عدم سازگاری عمدتا به دلیل واکنشهای نامطلوب شیمیایی، تاثیرات نامطلوب فیزیکی، و یا تلفیقی از این دو بین افزودنی و سیمان و یا بین افزودنی های مختلف است.

• معمولا برهم خوردن توازن یونهای سولفات در سیستم یك عامل رایج عدم سازگاری است.

• همچنین وجود برخی رسها در سنگدانه می تواند به عدم سازگاری منجر شود.

• بدلیل عدم یکنواختی در مصالح مصرفی، ابزار و نحوه بتن ریزی و شرایط محیطی، روشهای قابل اطمینانی برای پیش بینی عدم سازگاری وجود ندارد.

• برای پیش بینی عدم سازگاری، ساختن مخلوط های آزمایشی و بررسی خواص آنها (زمان گیرش، کارآیی،...) امری اجتناب ناپذیر است.

• انجام این آزمایشات در محل در مقایسه با شرایط آزمایشگاهی نتایج واقعی تری را ارائه خواهند داد.

تعریف

 

• مواد افزودنی معدنی مواد سیلیسی یا سیلیسی-آلومینی خوب تفکیك شد ه ای می باشند که در مقادیر نسبتاً زیاد، عموما در حدود20   تا 100 درصد وزنی سیمان پرتلند، به بتن افزوده می شوند.

• این مواد به صورت خام یا بعد از فعال سازی حرارتی به عنوان منبع اصلی مواد افزودنی معدنی در بتن به کار گرفته می شوند.

• بسیاری از این مواد محصولات زائد صنایع مختلفی هستند که به دلیل خواص خود قادر به استفاده شدن در ساخت بتن هستند.

اهمیت

• واحدهای نیروگاهی برقی با سوخت زغال سنگ، کوره های متالورژیکی تولید چدن، فلز سیلیسیم، و آلیاژهای فروسیلیسیم، منبع اصلی مواد زائد صنعتی هستند که به میزان ده ها میلیون تن در سال، در بسیاری از کشورهای صنعتی تولید می شوند.

• بیرون ریختن این مواد زائد صنعتی به منزله هدر دادن مواد و نیزسبب مسایل جدی آلودگی زیست محیطی می باشد.

• با کنترل کیفیت درست، مقادیر زیادی از بسیاری از محصولات زائد صنعتی میتوانند در بتن، یا به شکل سیمان پرتلند آمیخته یا به عنوان مواد افزودنی معدنی به کار برده شوند.

• وقتیکه خواص پوزولانی و یا سیمانی کنندة یك ماده طوری باشد که به عنوان جایگزین نسبی برای سیمان پرتلند در بتن بتواند استفاده شود، صرفه جویی زیادی در انرژی و هزینه، نتیجه خواهد شد.

• صرفنظر از اینکه آیا مواد پوزولانی به شکل یك ماده افزودنی معدنی یا به عنوان ماده متشکله سیمان پرتلند آمیخته به بتن افزوده شده اند، مکانیزمی که واکنش پوزولانی به وسیله آن تأثیر سودمندانه ای بر روی خواص بتن  میگذارد، یکسان می باشد.

کاربرد

 منافعی که از کاربرد مواد افزودنی معدنی در بتن حاصل می شود عبارتند از:

– بهبود مقاومت دربرابر ترك خوردگی حرارتی  به علت حرارت کمتر هیدراتاسیون

– زیاد تر شدن مقاومت نهایی و نفوذناپذیری به خاطر بهبود وضعیت منافذ درنتیجة کاهش قلیاییت

– دوام بهتر درمقابل حملات شیمیایی مانند آب سولفاتی و انبساط  قلیایی- سنگدانه

– صرفه اقتصادی و همچنین کاهش اثرات مخرب زیست محیطی

انواع

• دارای خاصیت پوزولانی(مثل خاکستر بادی کم کلسیم)

• دارای خاصیت سیمانی (مثل روباره آهنگدازی دانه ای)

• هم خاصیت سیمانی و هم پوزولانی (مثل خاکستر بادی پرکلسیم)

• مواد طبیعی: موادی که تنها به خاطر تولید پوزولان، فرآوری شده اند.

این فرآوری معمولاً شامل خرد کردن، آسیاب کردن، و جداسازی انداز ه ها میگردد. در بعضی از موارد، فرآوری ممکن است شامل فعال سازی حرارتی نیز بشود.

• محصولات جنبی صنعتی یا مواد زائد صنعتی: موادی هستند که محصولات اصلی صنعت تولیدیشان نیستند. این محصولات ممکن است به فرآوری )مثل خشك و پودر کردن(، قبل از استفاده از آنها به عنوان مواد افزودنی معدنی، نیاز داشته باشند یا ممکن است به این کار نیازی نداشته باشند.

• به غیراز خاك دیاتومه، تمام پوزولان های طبیعی از سنگ ها و کانی های آتشفشانی سرچشمه گرفته اند.

• درحین فوران های آتشفشانی انفجاری، خنك شدن سریع ماگما که متشکل از آلومینوسیلیکات ها است، منجر به تشکیل شیشه یا فازهای شیشه ای با ساختمان نامنظم )آمورف(  میشود.

• ازآنجاکه آلومینوسیلیکات های با ساختمان نامنظم درمعرض محلول آهك، پایدار باقی خواهند ماند، این امر اساس خواص پوزولانی مواد آتشفشانی میگردد.

• طبقه بندی پوزولان های طبیعی مشکل است، زیرا این مصالح به ندرت تنها دارای ماده متشکله واکنش زا هستند.

• با این وجود، براساس ماده متشکله واکن شزای اصلی موجود، یك طبقه بندی می تواند ب هصورت شیشه های آتشفشانی، تو فهای آتشفشانی، رس ها یا سنگ های رسی تکلیس شده، و خا كهای دیاتومه باشد.

شیشه های آتشفشانی(Volcanic Glasses)

• مشخصه واکنش زایی با آهك در آنها اساساً از شیشه آلومینوسیلیکات تغییرنیافته با ساختمان نامنظم، سرچشمه می گیرد.

• کانی های متبلور غیرواکنش زا مانند کوارتز، فلدسپار و میکا در ماتریس شیشه ای محاط شده، یافت می شوند.

• خاك سانتورین یونان، پوزولان باکُلی ایتالیا و پوزولان شیراسو ژاپن، مثال هایی از این مواد پوزولانی هستند.

توف های آتشفشانی(volcanic Tuffs)

تغییر شیشه آتشفشانی تحت شرایط دمایی و رطوبتی خاص می تواند منجر به تشکیل کانی های زئولیتی (تراس زئولیتی) شود که دارای ترکیباتی از خانوادهXH2O       4SiO2   O.Al2O3 و (Na2Ca ) می باشند.

این محصول، توف آتشفشانی نامیده  می شود و با یك بافت به هم فشرده مشخص میگردد.

• توف های زئولیتی با بافت به هم فشرده شان نسبتاً قوی هستند و مقاومت های فشاری درحدود 100 تا300  kg/cm2 به دست می آورند.

• بعد از آنکه توده  بهم فشرده به اندازه ذرات نرم آسیاب شود، کانی های زئولیتی واکن شزایی قابل توجهی را با آهك نشان میدهند و مشخصات سیمانی کننده ای مشابه با پوزولا نهایی که دارای شیشه آتشفشانی هستند، به وجود می آورند.

• تو فهای منطقه البرز ایران، پوزولان های سینی لاتیوم )در ایتالیا( و تراس های راین لند و باواریا (در آلمان)، نمایانگر توف های آتشفشانی متعارف هستند.

رس های تکلیس شده یا شیل ها (Calcined Clays or Shales)

• شیشه ها و توف های آتشفشانی نیازی به فرآوری حرارتی برای زیادتر کردن خاصیت پوزولانیشان ندارند.

• با این وجود، رس و شیل ها، واکنش زایی محسوسی با آهك از خود نشان نمی دهند، مگر آنکه ساختمان های بلوری موجود در کانی های رسی به وسیله فرآوری حرارتی ازبین برده شود.

• دماهای درحدود 600 تا 900 درجه در کوره های دوار با سوخت نفتی، گازی، یا زغا ل سنگی برای این مقصود است.

• فعالیت پوزولانی این محصول، اساساً به علت تشکیل یك ساختمان آلومینو سیلیکاتی آمورف یا نامنظم درنتیجه فرآوری حرارتی است.

خاک دیاتومه (Diatomaceous Earth)

این گروه از پوزولان ها، به وسیله مواد با منشأ آلی مشخص  میشوند.

• دیاتومه، سیلیس هیدراته شده آمورف است که متشکل از اسکلت صدف ها از دیواره های سلولی بسیاری از انواع جلبك های آبی ذره بینی می باشد.

• دیاتومه ها بسیار با آهك واکنش زا هستند اما اسکلت ساختمان ذره بینیشان باعث نیاز آنها به آب زیاد می گردد.

• علاوه براین، معادن دیاتومه دارای مقادیر زیادی رس هستند و بنابراین باید قبل از استفاده، فرآوری حرارتی شوند تا واکنش زایی پوزولانیشان زیادتر گردد.

• معادن شناخته شده در کالیفرنیا، الجزایر، کانادا، آلمان، دانمارك و ایران

پوزولانهای طبیعی

• پوزولان در ایران در سال 1320 کشف شد.

• از پوزولان های طبیعی ایران می توان تراس جاجرود ، توف البرز و آبیك، پومیس خاش، خاك سرخ لومار ، پوکه بستان آباد، و زئولیت را نام برد.

• دامنه کوه های سبلان، سهند ، دماوند ، تفتان و استان کرمان نیز از جمله مکان های پوزولان های طبیعی ایران می باشند.

• خاکسترهای حاصل از سوختن زغال سنگ و بعضی از محصولات باقیمانده در آن

• سیلیس ناپایدار حاصل از بعضی از عملیات متالورژی

• روبارة دانه ای حاصل از صنایع آهن گدازی

• خاکستر پوسته برنج

• متاکائولین

خاکستر بادی(Fly Ash)

در هنگام احتراق زغال سنگ پودرشده، همراه با عبور زغال سنگ از میان ناحیة با درجه حرارت زیاد کوره، کربن و مواد ناپایدار می سوزند، درصورتی که بیشتر کانی های ناخالص مانند رس ها، کوارتز و فلدسپار ها در درجه حرارت زیادتر ذوب می شوند.

• ماده گداخته شده به سرعت به نواحی با درجه حرارت کمتر انتقال می یابد که در آنجا به صورت ذرات کروی شیشه ای جامد میشود.

• بعضی از کانی ها، به هم چسبیده و تشکیل خاکستر ته مانده را می دهند،اما بیشتر آنها با جریان بخار گاز خارج می شود و خاکستر بادی نامیده می شود.

خاکسترهای بادی از نقطه نظر دو گروه، که اساساً در مقدار کلسیم با هم تفاوت دارند، تقسیم شوند.

– خاکسترهای گروه اول (کلاس : F ) دارای کمتر از 10 درصد CaO تجزیه ای بوده و  به طورکلی، محصول احتراق آنتراسیت و زغال سنگ قیری هستند.

– خاکسترهای گروه دوم(کلاس : C )معمولاً دارای 15 تا 35 درصد CaO تجزیه ای هستند و به طورکلی، محصول احتراق لیگنیت و زغال سنگ نیمه قیری هستند.

خاکستر بادی کلاس F

• خاکستر بادی کم کلسیم، به خاطر نسبت های زیاد سیلیس و آلومین آن، اصولاً شامل شیشه های آلومینوسیلیکات است.

• کانی های متبلور اصلی در خاکسترهای بادی کم کلسیم، کوارتز، مولیت و هماتیت یا سنگ آهن مغناطیسی هستند.

• ازآنجای یکه این کانی های متبلور در دمای معمولی غیرواکنش زا هستند، وجود آنها در نسبت های زیاد، به قیمت اجزای غیرمتبلور یا شیشه ای در خاکستر بادی، تمایل به کاهش واکنش زایی خاکستر بادی دارد.

خاکستر بادی کلاس C

• در مقایسه با خاکسترهای بادی کم کلسیم، انواع با کلسیم زیاد آن عموماً واکن شزایی بیشتری دارند، زیرا اکثر حاوی کلسیم های به شکل ترکیبات واکن شزای متبلور مانند C3A و CS هستند.

• همچنین ماده اصلی تشکیل دهنده (یعنی فاز غیرمتبلور)  دارای یو نهای کلسیم کافی برای زیادتر کردن واکنش زایی شیشه

آلومینوسیلیکاتی است.

خاکستر بادی

• اکثر خاکسترهای بادی، چه کم کلسیم و چه پرکلسیم، دارای تقریباً 60 تا 85 درصد شیشه، 10 تا 30 درصد ترکیبات متبلور تا حدود 10 درصد کربن نسوخته هستند.

• به طورکلی کربن، به شکل ذرات متخلخل بزرگ تر از 45 میکرون موجود است.

• خاکسترهای بادی دارای بیشتر از 5 درصد کربن در بتن مضر شناخته می شود، زیرا ذرات متخلخل کربن، تمایل دارند که هم نیازمندی آن را به آب برای روانی داده شده، و هم نیازمندی آن را به مواد افزودنی برای هوازایی به میزان حجم مفروض حباب های هوا را افزایش دهند.

• اکثر ذرات، در خاکستر بادی به صورت کره های جامد شیشه ای به وجود می آیند، اما گاهی اوقات تعداد کمی از کره های توخالی که سنوسفر )کاملاً توخالی( نامیده می شوند و کره های دیگر که پلروسفر (پرشده با کره های کوچك متعدد) نامیده می شوند نیز ممکن است به وجود آیند.

• اندازه قطر ذرات از کمتر از 1 میکرون تا 100 میکرون متغیر می باشند، به طور یکه اندازة بیشتر از 50 درصد آن زیر 20 میکرون است.

• توزیع اندازه ذرات، شکل شناسی و مشخصات سطحی خاکستر بادی مورداستفاده به عنوان ماده افزودنی معدنی، تأثیر بسیار زیادی را بر روی نیازمندی آن به آب و نیز کارآیی بتن تازه ساخته شده و سرعت افزایش مقاومت بتن سخت شده اعمال می کنند.

 

 

روباره آهن گدازی (Blast-Furnace Slag)

در تولید چدن یا آهن خام نیز نامیده، اگر روباره مذاب با دمای زیاد، به سرعت به وسیله آب یا ترکیبی از آب و هوا سرد شود، بیشتر آهك، منیزی، سیلیس و آلومین به شکل غیرمتبلور یا حالت شیشه ای نگهداشته می شوند.

• محصول سردشده با آب، به خاطر ذرات هم اندازه ماسه، روباره دانه ای نامیده  میشود.

• معمولاً روباره دانه ای عمدتا دارای شیشه است که اگر به میزان بلین400m2/kg   تا 500 آسیاب گردد، خواص سیمانی کننده رضایت بخشی را به دست می آورد.

 

 

• درمقایسه با خاکستر بادی کم کلسیم، که معمولاً کمك مهمی به مقاومت بتن سیمان پرتلند تا بعد از حدود 4 هفته هیدراتاسیون نمی کند، کمك مقاومت به وسیله خاکستر بادی با کلسیم زیاد یا روباره آهنگدازی دانه ای می تواند به زودی 7 روز بعد از هیدراتاسیون ملاحظه شود.

• ذرات روبارة کوچك تر از 10 میکرون به مقاومت های اولیه بتن تا 28 روز کمك می کنند؛ ذرات 10 تا 45 میکرون به مقاومت های بعدی کمك می کنند، اما ذرات درشت تر از 45 میکرون برای هیدراته شدن مشکل دارند.

• مشخصات اندازه دانه، ترکیب شیشه، و مقدار شیشه عوامل اصلی تعیین کنندة فعالیت خاکسترهای بادی و روباره ها هستند.

دوده سیلیسی (Silica Fume)

دوده سیلیسی متراکم، که با نام های دیگری مانند سیلیس فرّار، میکروسیلیس، یا به طور ساده دوده سیلیسی نیز شناخته می شود، محصول زائد کوره های قوس الکتریکی القایی در صنایع تولید فلز سیلیسیم و آلیاژ فرو سیلیسیم است.

• تبدیل کوارتز به سیلیسیم در دماهای تا 2000 درجه ، تولید بخار SiO می کند که در ناحیه دمای کم به شکل ذرات کروی شکل کوچك شامل سیلیس غیرمتبلور، اکسیده و متراکم می گردد.

• ماده جمع آوری شده به وسیله فیلترهای کیسه ای گازهای خروجی، دارای قطر متوسط حدود 0/1 میکرون و مساحت سطح در حدود  20m2/kg تا 25  می باشد.

• در مقایسه با سیمان پرتلند معمولی و خاکسترهای بادی متعارف، نمونه های دوده سیلیسی متراکم توزیع اندازه ذراتی را نشان می دهند که دو مرتبه، نرم تر هستند.

• به همین جهت واکنش پذیری آن بالا بوده )پوزولان قوی( و به افزایش مقاومت اولیه کمك می نماید.

• ازطرف دیگر، مشکلات جابه جایی دارد و نیازمندی به آب را در بتن نیز به طور محسوسی افزایش می دهد، مگرآنکه همراه با آن مواد افزودنی کاهنده آب بکار برده شوند.

 

خاکستر پوسته برنج (Rice Husk Ash)

پوسته برنج، پوسته های به دست آمده در خلال عملیات جداسازی برنج از شلتوك برنج می باشد.

• ازآنجاکه این پوسته ها حجیم هستند، مشکلات دفع بسیار زیادی برای آسیاهای متمرکز برنج به همراه می آورند.

• هر تن شلتوك برنج حدود 200 کیلوگرم پوسته تولید می کند که پس از احتراق تقریباً 40 کیلوگرم خاکستر حاصل می کند.

• خاکستر حاصل شده، در زمان سوزاندن در فضای آزاد یا در احتراق کنتر ل نشده کوره های صنعتی، به طورکلی دارای نسبت زیادی از کانی های سیلیس غیرواکنش زا می باشد .

خاکستر پوسته برنج

• به منظور افزایش خاصیت پوزولانی این خاکستر باید به اندازه ذرات بسیارریز آسیاب گردد.

• ازطرف دیگر، می توان به وسیله احتراق کنترل شده که سیلیس به شکل غیرمتبلور و ساختار لانه زنبوری نگهداشته می گردد، خاکستر پوزولانی تولید نمود.

• نمونه های تولید صنعتی این ماده مساحت سطحی درحد 50 m2/g تا60 ، انداز ه گیری شده به روش جذب سطحی نیتروژن را نشان می دهند.

 

متاکائولین (Metakaolin)

متاکائولین بواسطه تکلیس کائولین خالص )رس معدنی ( طی عملیات حرارتی کنترل شده ای در درجه حرارت 800 - 650 درجه سانتیگراد بدست می آید.

• این حرارت، آب شیمیایی کائولین را خارج نموده و ساختار کریستالی آن را از بین می برد و محصول به سیلیکات آلومینیوم آمورف تبدیل می گردد.

• سپس محصول تا بدست آوردن ذراتی با اندازه ریزتر از 2 میکرون آسیاب می شود.

• متاکائولین یك پوزولان بسیار فعال با سطح ویژه زیاد و رنگ سفید است.

 

مزیت های افزودنی های معدنی

• از بین بردن هیدروکسید کلسیم

• چگال سازی

• بهبود دوام

• کاهش ترك خوردگی حرارتی

• بهبود کارآیی و چسبندگی

• کاهش آب انداختگی و جداشدگی

• افزایش مقاومت نهایی

مکانیزم عمل افزودنی های معدنی

• ذرات ریز افزودنی های معدنی باعث سد راه منافذ حرکت مولکولهای آب شده و موجب کاهش آب انداختگی می شوند.

• کاربرد افزودنی های معدنی باعث از بین رفتن کریستالهای نسبتا بزرگ هیدروکسید کلسیم شده و ساختار دانه ها را ریزتر می نماید.

• همچنین با ریزتر کردن ساختار منافذ موجب کاهش تخلخل و نفوذپذیری می شوند.

 

بهبود کارآیی

• در مخلوط های بتنی تازه ای که تمایل به آب انداختگی و جداشدگی از خود نشان می دهند، اضافه کردن ذرات از هم جدا به طورکلی کارآیی رابه وسیله کاهش اندازه و حجم فضاهای خالی بهبود می دهد.

• هرچه ماده افزودنی معدنی نرم تر باشد، مقدار کمتری از آن برای زیادتر کردن چسبندگی و بنابراین کارآیی بتن تازه مخلوط شده لازم خواهد بود.

• اندازه کوچك و بافت شیشه ای خاکسترهای بادی و روباره ها، کاهش مقدار آب لازم برای روانی داده شده را امکا ن پذیر میسازد.

 

• باید توجه نمود که اگرچه همه مواد افزودنی معدنی تمایل به بهبود چسبندگی و کارآیی بتن تازه را دارند، ولی بسیاری قابلیت کاهش آب خاکسترهای بادی و روباره ها را ندارد.

• برای یك روانی داده شدة بتن، استفاده از مصالح با مساحت سطح خیلی زیاد مانند پومیس، خاکستر پوسته برنج و دود سیلیسی متراکم، نیاز به آب را افزایش می دهد.

• همچنین اغلب پوزولان های طبیعی به علت غیرکروی بودن ذرات و تمایل به جذب آب زیاد در شرایط یکسان طرح اختلاط سبب کاهش کارآیی می گردند.

دوام در برابر ترک خوردگی حرارتی

• با فرض بر اینکه به علت حرارت هیدراتاسیون، حداکثر دمای یك سازه حجیم درعرض یك هفته پس از جا دادن بتن به دست می آید، استفاده از ماده افزودنی معدنی امکان کاهش افزایش دما را تقریباً به نسبت مستقیم با مقدار سیمان پرتلند جایگزین شده به وسیله مواد افزودنی، به وجود می آورد.

• این امر  به دلیل آن است که تحت شرایط معمولی، این مواد افزودنی به مقدار زیادی برای چندین روز واکنش انجام نمی دهند.

• به عنوان قانون تجربی، کل حرارت هیدراتاسیون تولیدشده توسط واکن شهای پوزولانی مشتمل بر مواد افزودنی معدنی، نصف متوسط حرارت تولید شده توسط هیدراتاسیون سیمان پرتلند درنظر گرفته می شود.

دوام در برابر حملات شیمیایی

• نفوذپذیری بتن از منظر ارزیابی نرخ خرابی در اثر واکنشهای شیمیایی مخرب مانند واکنش قلیایی سنگدانه و حملاتی اسیدی و سولفاتی از اهمیت اساسی برخوردار است.

• ازآنجاکه واکنش پوزولانی مواد افزودنی معدنی قابلیت اصلاح شرایط منفذی را داشته و نفوذپذیری را کاهش میدهد، مطالعات کارگاهی و آزمایشگاهی بهبود قابل توجهی را در دوام شیمیایی بتن های حاوی مواد افزودنی معدنی نشان داده اند.

دوام در برابر حملات شیمیایی

• مقالات علمی انتشاریافته حاوی شواهد کافی است که به طورکلی نشا ن دهنده بهبود مقاومت مصالح با افزودن مواد افزودنی معدنی به بتن در مقابل آب اسیدی، آب سولفاتی و آب دریا می باشد.

• این امر اساساً به خاطر واکنش پوزولانی است که همراه با کاهش نفوذپذیری، و نیز کاهش مقدار هیدروکسید کلسیم محصول هیدراته شده است.

• در خمیرهای سیمان دارای 10 تا 30 درصد خاکستر بادی کم کلسیم در خلال مدت زمان 28 تا 90 روز عمل آوری اصلاح وضعیت منفذی، به میزان زیادی انجام می گیرد که این امر باعث کاهش تراوایی از  11*10 تا 13*10 به 1*10  سانتیمتر بر ثانیه می شود.

• درمورد خمیرهای سیمان دارای 10 تا 30 درصد خاکستر پوسته برنج یا دوده سیلیسی متراکم، یا 70 درصد روباره آهنگدازی دانه ای، حتی در28 روز بعد از هیدراتاسیون؛ سیستم تقریباً نفوذ ناپذیر یافته شد.

• بسته به مشخصات جداگانه مواد افزودنی معدنی مصرفی، معمولاً ترکیب هایی از سیمان پرتلند پرقلیا با 40 تا 65 درصد روباره آهنگدازی دانه ای، یا 30 تا 40 درصد خاکستر بادی کم کلسیم، یا 20 تا 30 درصد پوزولان طبیعی، در محدود کردن انبساط قلیایی سنگدانه و رسانیدن آن به میزان قابل قبول خیلی مؤثر شناخته شده اند.

• مطالعات بر روی   به تنهایی دارای 30 درصد خاکستر بادی ک مکلسیم و یا مقادیر 30 تا 60 درصد روباره، بهبود زیادی را در مقاومت سولفاتی نشان دادند.

 

ساخت بتن توانمند(HPC)

در سا لهای اخیر، کاربرد پوزولان ها و مواد افزودنی مرغوب، نقش عمده ای در تولید بتن های توانمند داشته است.

• بتن توانمند، درحقیقت بتنی است که حداقل یك خاصیت غیرمعمول را نسبت به بتن معمولی داراست.

• این بتن ها علاوه بر داشتن مقاومت زیاد، م یتوانند عملکرد بسیار خوبی در محیط های خورنده داشته و دوام بالایی را نشان دهند.

• کاربرد پوزولان های خاص به همراه فو قروا نکننده ها می تواند ضمن تولید بتن های با مقاومت بیش از50mpa  دوام قابل ملاحظه ای نیز ایجاد نماید.

• درحال حاضر، با کاربرد 400 کیلوگرم سیمان و 100 کیلوگرم خاکستر بادی و با نسبت آب به سیمان های 0/32 مقاومت فشاری بیش از70 mpa در 56 روز به دست آمده است.

• همچنین با استفاده از طرح اختلاط  مناسب و ایجاد کمترین فضای خالی بین سنگدانه ها و با استفاده از دوده سیلیس و دانه های ریز کوارتزی و فوق روان کننده بتن های با مقاومت 180mpa  با روانی زیاد تولید و در صنعت بتن بکار گرفته شده است.