مواد مکمل سیمانی SSG
مواد مکمل سیمانی (SCM)
مواد مکمل سیمانی امروزه بخش مهمی از طراحی مخلوطهای پیشرفته بتن را تشکیل میدهند و هر یک بسته به ماهیت شیمیایی و فیزیکی خود، میتوانند ویژگیهای متفاوتی به بتن ببخشند. پوزولانهای طبیعی به دلیل فراوانی و صرفه اقتصادی، گزینهای مناسب برای مصرف گسترده هستند، در حالی که موادی نظیر میکروسیلیس و متاکائولن به علت فعالیت پوزولانی بالا، نقش مؤثرتری در تولید بتنهای مقاوم و بادوام ایفا میکنند. سرباره کوره بلند نیز بهویژه در محیطهای خورنده و سازههای حجیم، عملکرد بسیار مطلوبی در کاهش نفوذپذیری و افزایش دوام دارد. استفاده صحیح و مهندسیشده از این مواد، علاوه بر بهبود خواص مکانیکی و دوام بتن، میتواند موجب کاهش مصرف کلینکر، کاهش انتشار CO₂ و حرکت صنعت ساختمان به سمت توسعه پایدار شود. از اینرو، شناخت ویژگیها، محدودیتها و کاربرد هر پوزولان برای طراحی بتنهای متناسب با شرایط بهرهبرداری، اهمیت اساسی دارد.
با توجه به پیچیدگی واکنشهای شیمیایی و حساسیت بالای سازگاری این مواد با انواع سیمان و شرایط محیطی، استفاده خودسرانه یا تحمیل یک برند خاص توسط خریدار در کارگاههای عمرانی مجاز نیست. بر اساس الزامات استاندارد ملی بتن آماده (استاندارد ۶۰۴۴)، مسئولیت ارزیابی عملکرد، انتخاب نوع افزودنی و تضمین کیفیت نهایی سازه تماماً بر عهده واحد کنترل کیفیت کارخانه تولیدکننده بتن است.
مواد مکمل سیمانی چیست؟
در سادهترین شکل، بتن ترکیبی است از سیمان، ماسه، سنگدانه درشت و آب. سیمانی که اغلب مورد استفاده قرار میگیرد، سیمان پرتلند یا سیمان آمیخته است. اغلب مخلوطهای بتن شامل مواد مکمل سیمانی (SCM) هستند که بخشی از اجزای سیمانی بتن را تشکیل میدهند. این مواد معمولاً محصول فرعی فرایندهای دیگر یا مواد طبیعی هستند. برخی از این مواد ممکن است پیش از استفاده در بتن، نیاز به خشککردن، پخت یا آسیابکردن داشته باشند. بعضی از این مواد، پوزولانی هستند که بهتنهایی خاصیت سیمانی ندارند، اما هنگام استفاده همراه سیمان، واکنش داده و ترکیبات سیمانی ایجاد میکنند. مواد دیگری مانند سرباره کوره آهنگدازی و خاکستر بادی نوع C دارای خاصیت سیمانی هستند.
برای استفاده در بتن، مواد مکمل سیمانی باید الزامات استانداردهای معتبر را برآورده کنند. بسته به هدف طرح اختلاط، میتوان بیش از یک نوع ماده مکمل سیمانی در مخلوط بتن استفاده کرد. این مواد میتوانند جزئی از سیمان آمیخته باشند یا بهصورت جداگانه در بچینگ بتن توزین و اضافه گردند.
خاکستر زغالسنگ(Coal Ash)
نیروگاهها میباشد یا از محلهای دفع پسماند و حوضچههای دفع برداشت میشود. خاکستر بادی (Fly Ash) ذرات ریزی است که از گازهای دودکش نیروگاههای زغال سنگی به دست میآید، درحالیکه خاکستر تهکوره (Bottom Ash) ذراتی است که در پایین کوره تهنشین میشوند. خاکستر زغالسنگ مورد استفاده در بتن باید مطابق با مشخصات استاندارد ASTM C618 باشد. مقدار خاکستر زغالسنگ مصرفی در بتن میتواند بسته به منبع، ترکیب شیمیایی و الزامات عملکردی بتن، بین ۱۵٪ تا ۶۵٪ جرم کل مواد سیمانی متغیر باشد. ویژگیهای خاکستر زغالسنگ میتواند بسته به نوع زغالسنگ مصرفی و منبع آن، بهشدت متفاوت باشد. خاکستر بادی کلاس F معمولاً از سوزاندن زغالسنگ آنتراسیت یا بیتومینه به دست میآید و خاصیت پوزولانی دارد. خاکستر بادی کلاس C معمولاً از سوزاندن زغالسنگ لیگنیت یا نیمهقیری به دست میآید و خاصیت سیمانی و پوزولانی دارد.
طبق تعریف استاندارد ASTM C618، خاکستر کلاس F حاوی حداکثر 18 درصد اکسید کلسیم (CaO) است، درحالیکه خاکستر کلاس C بیش از 18 درصد اکسید کلسیم دارد. برای استفاده در بتن، خاکستر زغالسنگ که شامل خاکستر تهکوره یا مواد برداشتشده از محل دفن باشد، معمولاً نیاز به پردازش دارد تا قابلقبول باشد.
در ایران به دلیل عدم وجود نیروگاههای زغال سنگی، خاکستر زغال سنگ شامل خاکستر بادی و خاکستر ته کوره تولید نمیشود. در برخی از پروژهها به ویژه پروژههای حاشیه خلیج فارس از این پوزولان استفاده شده که از سایر منابع تأمین شده است (در سالهای گذشته خاکستر بادی از کشورهایی مانند هند و افریقای جنوبی وارد شده است).
سربـاره (GGBS)
این ماده محصول جانبی غیر فلزی حاصل از کوره آهنگدازی است که در آن سنگآهن به چدن خام (Pig Iron) تبدیل میشود. سرباره مذاب بهسرعت سرد میشود و به صورت دانهای درمیآید، سپس این دانهها تا ریزی مشابه سیمان آسیاب میشوند. سرباره که بهعنوان یک ماده سیمانی استفاده میشود باید مطابق الزامات استانداردASTMC989 باشد. این استاندارد سه رده 80، 100 و 120 را تعریف میکند که رده بالاتر، پتانسیل مقاومت بیشتری فراهم میکند. سرباره خاصیت سیمانی دارد اما وقتی همراه با سیمان پرتلند استفاده میشود این خاصیت افزایش مییابد. مقدار مصرف آن معمولاً بین 20 تا 80 درصد جرم مواد سیمانی است.
در ایران، به مقدار محدودی، سرباره بهدست آمده از ذوب آهن برای استفاده در بتن تولید میشود. این سرباره تولیدی معمولا در رده 80 قرارمیگیرد.
دوده سیلیسی یا میکروسیلیس (Silica fume)
محصول جانبی تولید سیلیسیم یا آلیاژ فروسلیسیم است و یک ماده پوزولانی با واکنشپذیری بسیار بالا محسوب میشود. این ماده از گازهای خروجی کورههای الکتریکی جمعآوری میگردد. ذرات دود سیلیس بسیار ریز است و ابعادی حدود 100 برابر کوچکتر از ذرات معمولی سیمان دارند. دوده سیلیس بعضاً به صورت پودر متراکم شده عرضه میشود. دوده سیلیس مورد استفاده در بتن باید با الزامات استاندارد ASTM C1240 مطابقت داشته باشد. مقدار مصرف معمول آن بین 5 تا 10 درصد جرم سیمان است. از کاربردهای مهم آن میتوان به سازههای بتنی با مقاومت بسیار بالا یا نیازمند نفوذپذیری بسیار کم در برابر آب و مواد شیمیایی اشاره کرد. استفاده از دوده سیلیس در بتن نیازمند رعایت دستورالعملهای خاص در حمل، ریختن و عملآوری است.
در ایران، در چندین کارخانه، دوده سلیسی به عنوان محصول جانبی برای بتن استخراج میشود. متاسفانه در سالهای اخیر مشاهده شده است که دوده سلیسی مرغوب به خارج از کشور صادر میشود و بسیاری از محصولات عرضه شده در داخل دارای مشکل ایجاد گاز هیدروژن در بتن میباشند. گاز هیدروژن تولید شده در بتن به دلیل وجود مقادیر بسیار کم عنصر سیلیسیم در دوده سیلیسی است که منجر به هوازایی کنترل نشده و درنتیجه افزایش تخلخل و کاهش قابل توجه مقاومت بتن میشود. لذا در استفاده از دوده سیلیسی باید به این موضوع توجه و مقدار هوای بتن تازه را بررسی و آزمایش کرد.
متاکائولن (Metakaolin)
متاکائولن یک پوزولان بسیار فعال است که از طریق کلسینهکردن کنترلشده خاک رس کائولینیتی در دمای حدود 650 تا 800 درجه سانتیگراد تولید میشود. در این فرایند، ساختار بلوری کائولن تخریب شده و مادهای آمورف با قابلیت واکنشپذیری بالا ایجاد میشود. متاکائولن بهتنهایی خاصیت سیمانی ندارد، اما در حضور سیمان پرتلند با هیدروکسید کلسیم حاصل از هیدراسیون سیمان واکنش داده و ترکیبات سیمانی ثانویه نظیر ژلهای سیلیکات کلسیم هیدراته (C‑S‑H) و آلومینات کلسیم هیدراته تولید میکند که موجب بهبود ریزساختار خمیر سیمان میشوند. این ماده به دلیل اندازه ذرات بسیار ریز و سطح ویژه بالا، علاوه بر واکنش پوزولانی، از طریق اثر پرکنندگی نیز موجب کاهش تخلخل و نفوذپذیری بتن میگردد. متاکائولن مورد استفاده در بتن معمولاً باید با الزامات پوزولانهای طبیعی کلاس N در استاندارد ASTM C618 مطابقت داشته باشد و غالباً در محدوده 5 تا 15 درصد جرم مواد سیمانی در مخلوط بتن مصرف میشود. استفاده از متاکائولن میتواند موجب افزایش مقاومت فشاری و خمشی، کاهش نفوذ یون کلرید، بهبود دوام در محیطهای خورنده و کاهش پتانسیل واکنش قلیایی–سیلیسی (ASR) گردد، هرچند به دلیل سطح ویژه بالا ممکن است نیاز آبی مخلوط افزایش یافته و استفاده از فوقروانکنندهها برای حفظ کارایی بتن ضروری باشد.
متاکائولن در ایران اگرچه هنوز به اندازه میکروسیلیس و سرباره مصرف گستردهای ندارد، اما در پروژههای بتن با عملکرد و دوام بالا بهتدریج در حال توسعه است و عمدتاً از طریق صنایع فرآوری کائولن، کارخانههای مواد نسوز، صنایع کاشی و سرامیک و برخی تولیدکنندگان تخصصی افزودنیهای معدنی بتن تأمین میشود. مهمترین مراکز تأمین مواد اولیه و تولید این محصول در استانهای یزد (میبد و اردکان)، اصفهان (نائین)، سمنان، خراسان و بخشهایی از استان مرکزی و قزوین قرار دارند که به دلیل وجود معادن کائولن و صنایع معدنی مرتبط، نقش اصلی را در زنجیره تولید متاکائولن کشور ایفا میکنند.
پوزولانهای طبیعی
مواد طبیعی متعددی وجود دارند که دارای خواص پوزولانی بوده یا میتوان آنها را فرآوری کرد تا این خواص را بهدست آورند. این مواد باید با الزامات کلاس N در استاندارد ASTM C618 مطابقت داشته باشند. پوزولانهای طبیعی معمولاً منشأ آتشفشانی دارند. در ایالات متحده، پوزولانهای طبیعی تجاری شامل متاکائولین و شِیل یا خاک رس آهکی شده وجود دارند. این مواد از طریق عملیات کلسیناسیون (پخت) کنترلشده مواد طبیعی، تولید میشوند. متاکائولین از خاک رس نسبتاً خالص کائولینیتی تولید شده و در نسبت ۵٪ تا ۱۵٪ جرم مواد سیمانی مصرف میشود. شِیل یا خاک رس کلسینه شده در درصدهای بالاتری نسبت به جرم مواد سیمانی استفاده میشود. دیگر پوزولانهای طبیعی شامل خاکستر آتشفشانی، پومیسیتها، تراس یا توفهای زئولیتی، خاکستر سبوس برنج و خاک دیاتومه هستند. برخی از این پوزولانها برای دستیابی به خواص پوزولانی تحت عملیات کلسیناسیون قرار میگیرند.
در ایران منابع انواع پوزلانهای طبیعی در داخل کشور وجود دارد. واکنشپذیرترین پوزولانهای طبیعی در ایران از جنس زئولیت میباشند که عمدتا در منطقه سمنان استخراج میشوند.
پوزولان شیشه آسیابشده (GGP)
این ماده از بازیافت شیشههای ظروف بستهبندی، شیشههای تخت مورد استفاده در ساختمانها و خودروها، و شیشه نوع E حاصل از الیاف شیشه بهدست میآید. دو مورد اول، شیشههای سیلیسی-سودا-آهکی (soda lime silica glass) هستند. شیشههای حاصل از این منابع خاصیت پوزولانی دارند و تا تبدیل شدن به پودرهای بسیار ریز، آسیاب میشوند. پوزولان شیشه آسیابشده میتواند در درصدهای جرمی مشابه خاکستر بادی در ترکیب مواد سیمانی استفاده شود. برای استفاده از GGP در بتن، این ماده باید با استاندارد ASTM C1866 مطابقت داشته باشد که به دو رده تقسیم میشود:
- نوع GS: بهدستآمده از شیشه سیلیسی-سودا-آهکی (Soda-lime-silica glass)
- نوع GE: بهدستآمده از شیشه E
در ایران استفاده از پوزولان شیشه آسیاب شده متداول نشده است، هرچند که تحقیقاتی در مرکز تحقیقات راه، مسکن و شهرسازی در این خصوص انجام شده است.
مواد سیمانی مکمل (SCM) که با استانداردهای جداگانه مطابقت دارند را میتوان ترکیب کرد تا یک SCM ترکیبی مطابق استاندارد ASTM C1697 تولید شود. این روش زمانی مفید است که SCMهای رایج با کمبود مواجه شده باشند یا ویژگیهای مفید هر یک از مواد در یک مخلوط ترکیب شوند.
چرا از مواد مکمل سیمانی استفاده کنیم؟
مواد مکمل سیمانی (SCMs) میتوانند عملکرد بتن را در زمانی که تازه و یا سختشده است بهبود دهند. این مواد عمدتاً برای بهبود کارایی، دوام و مقاومت بتن به کار میروند. این گونه از مکملهای سیمانی به تولیدکننده بتن این امکان را میدهد که طرح اختلاط بتن را طراحی و اصلاح کند تا نیازهای عملکردی طیف گستردهای از کاربردهای بتن را برآورده سازد.
مکملهایی مانند خاکستر بادی، سیمان سربارهای و میکروسیلیس این امکان را برای صنعت بتن فراهم میکنند که سالانه چندین میلیون تن از محصولات جانبی صنعتی را که در غیر این صورت بهعنوان زباله دفن میشدند، بهطور مفید استفاده کند. این مواد یک گزینه ضروری برای کاهش کربن نهفته (embodied carbon) در مخلوطهای بتن هستند و از این طریق به ساختوساز پایدار کمک میشود.
مکملهای سیمانی چطور بر روی خواص بتن تاثیر میگذارند؟
بتـن تازه
بهطور کلی، مواد سیمانی مکمل (SCMs) به دلیل حجم اضافی ذرات ریز در مخلوط، یکنواختی و کارایی بتن تازه را بهبود میبخشند. بتن حاوی دوده سیلیس معمولاً با مقدار کم آب و به همراه روانکنندههای کاهنده آب با قدرت بالا استفاده میشود و این مخلوطها نسبت به سایر مخلوطهای بتنی، انسجام و چسبندگی بیشتری دارند. خاکستر بادی و سرباره معمولاً نیاز آبی را برای رسیدن به اسلامپ مورد نظر کاهش میدهند، در حالی که برخی پوزولانهای طبیعی مانند زئولیت ممکن است نیاز به آب بیشتری داشته باشند. زمان گیرش بتن در صورت استفاده از برخی SCMها با درصد بالا ممکن است کندتر باشد. این کندی گیرش در هوای گرم مفید است، اما در فصل زمستان با کاهش مقدار SCM در بتن و استفاده از افزودنیهای زودگیر جبران میشود. به دلیل وجود ذرات ریز اضافی، میزان و سرعت آبانداختگی در این نوع بتنها اغلب کاهش مییابد. این مسئله در بتنهای حاوی دوده سیلیسی مشهودتر است. کاهش آبانداختگی همراه با کندی گیرش میتواند باعث ایجاد ترکهای جمعشدگی خمیری شود و ممکن است نیازمند اقدامات احتیاطی ویژه در هنگام ریختن و پرداخت باشد (به CIP 5 مراجعه شود).
مقاومت
مخلوطهای بتنی را میتوان به گونهای طراحی کرد که مقاومت مورد نیاز و نرخ کسب مقاومت متناسب با کاربرد به دست آید. در SCMهایی به جز دوده سیلیسی، نرخ کسب مقاومت اولیه ممکن است کمتر باشد، اما افزایش مقاومت برای مدت طولانیتری نسبت به مخلوطهای حاوی صرفاً سیمان ادامه مییابد که اغلب منجر به دستیابی به مقاومت نهایی بالاتر میشود. دوده سیلیس اغلب برای تولید بتن با مقاومت فشاری بیش از معادل 50 مگاپاسکال به کار میرود. بتن حاوی SCM معمولاً نیازمند توجه بیشتری به عملآوری تا بتواند خواص بالقوه خود را به دست آورد.
دوام
استفاده از مواد مکمل سیمانی (SCMs) میتواند گرمای تولیدی ناشی از هیدراسیون سیمان را کاهش دهد و در نتیجه، احتمال ترکخوردگی حرارتی در سنین اولیه و در اعضای حجیم سازه را کم کند. این مواد ریزساختار بتن را اصلاح کرده و نفوذپذیری آن را کاهش میدهند، در نتیجه ورود آب و مواد شیمیایی محلول در آب به داخل بتن کمتر میشود. بتن نفوذناپذیر باعث کاهش انواع آسیبهای بتن، مانند خوردگی آرماتور و حملات شیمیایی، میگردد. بیشتر SCMها میتوانند ترکخوردگیهای زیانآور بتن ناشی از واکنشهای شیمیایی مانند واکنش قلیایی-سیلیسی (ASR) و حمله سولفاتی را به حداقل برسانند.
کارخانه بتن آماده سنگشکن غرب با بهرهگیری از رویکردهای نوین مهندسی بتن و با توجه به الزامات فنی پروژههای عمرانی، همواره توسعه و بهینهسازی طرح اختلاطهای بتن را در اولویت قرار داده است. این مجموعه با بررسی ماهیت سازه، شرایط محیطی و نیازهای عملکردی هر پروژه، استفاده هدفمند از مواد مکمل سیمانی نظیر میکروسیلیس، سرباره، پوزولانهای معدنی و سایر افزودنیهای پیشرفته را در دستور کار خود قرار داده تا ضمن افزایش دوام، کاهش نفوذپذیری و ارتقای کیفیت بتن، در مسیر کاهش اثرات زیستمحیطی و توسعه پایدار صنعت ساختمان نیز گام بردارد. نگاه فنی، کنترل کیفی مستمر و استفاده از فناوریهای روز، سنگشکن غرب را به یکی از مجموعههای پیشرو در تولید بتنهای تخصصی و بادوام تبدیل کرده است.
جمــعبندی
ترکیب بهینه مواد سیمانی برای دستیابی به عملکرد موردنظر، بسته به نیاز پروژه و نوع SCM مورد استفاده، متفاوت است. تولیدکننده بتن آماده، با آگاهی از مواد موجود در منطقه، میتواند نسبت اختلاط مناسب را برای رسیدن به عملکرد مطلوب تعیین کند. محدودیتهای تجویزی در نسبتهای اختلاط میتواند مانع بهینهسازی از نظر عملکرد، اقتصادی بودن و دستیابی به مخلوطهای بتن پایدار گردد. اگرچه مزایای متعددی برای بتن در بالا ذکر شد، این ویژگیها به طور مجزا عمل نمیکنند و باید طرح اختلاط با توجه به مهمترین الزامات عملکردی پروژه و با استفاده از مواد موجود، تنظیم شود.
با این وجود، اثربخشی این مواد کاملاً به سازگاری شیمیایی آنها با مصالح پایه وابسته است. انتخاب و مصرف این مواد نباید بر اساس توصیههای غیرفنی صورت گیرد. رعایت دقیق استانداردهای ASTM و پایبندی به استاندارد ملی ۶۰۴۴ (که مسئولیت فنی را به تولیدکننده بتن آماده واگذار میکند)، تنها مسیر اصولی برای بهرهگیری از مزایای این مواد است؛ رویکردی که از پیامدهای مخربی نظیر افت شدید مقاومت، تأخیر یا تسریع کنترلنشده گیرش، و خوردگی آرماتورها پیشگیری میکند.
