بتن قلیا فعال سرباره ای

عملکرد بتن ساخته شده با سیمان پرتلند در مقابل حمله عوامل شیمیایی مانند حمله اسیدی و حمله سولفاتی نگران کننده است. خمیر سیمان پرتلند در تماس با اسید دچار تجزیه می شود و علت اصلی در بسیاری از موارد حمله اسیدی به بتن، اسید مهاجم ترکیبی از چند نوع اسید است . برای مثال در بتنهای تحت تاثیر باران اسیدی، حمله اسید به بتن ترکیبی از سولفوریک اسید، نیتریک اسید و هیدروکلریک اسید میباشد.

بتن قلیا فعال سرباره ای:

واکنش یک ماده قلیایی با یک ماده جامد آلومینا-سیلیکاتی  برای تهیه یک ماده جامد قابل مقایسه با سیمان پرتلند سخت شده اولین بار توسط یک مهندس آلمانی به نام کهل در سال 1908 صورت پذیرفت.
پایه های علمی اساسی این ماده توسط  پوردن در سال 1940 بنا شد. پوردن بیش از 30 نوع سرباره کوره آهنگدازی را با محلول هیدروکسید سدیم ترکیب کرد و در نهایت به ترکیبی قابل مقایسه با سیمان پرتلند دست یافت و بدین گونه زمینه شکل گیری نوع تازهای از سیمان و بتن با نام قلیا فعال به دنیا معرفی گردید. در نمودار زیر  مصالح مصرفی مورد نیاز برای تولید بتن قلیا فعال سرباره ای بصورت شماتیک ذکر شده است.

 

یکی از منابع آلومینا-سیلیکاتی که در کشور ما به دلیل وجود کارخانه های متعدد فولادسازی به وفور به عنوان یک محصول جانبی یافت میشود سرباره است. در فرآیند تولید آهن و فولاد، علاوه بر محصول اصلی، محصولات دیگری نیز تولید میگردند که محصولات جانبی  نامیده میشوند. با توجه به حجم تولید بالای آنها، این محصولات مشکلات زیادی را از نظر آلایندگی و فضای مورد نیاز برای انباشتن ایجاد مینمایند بنابراین میتوان از سرباره که به راحتی در ایران قابل تهیه است به عنوان ماده آلومینا- سیلیکاتی جهت تولید بتن قلیا فعال بهره برد، ضمن اینکه این کار سبب برطرف شدن مشکلات انباشتگی سرباره نیز میگردد.

هنگامی که سرباره به تنهایی با آب ترکیب می شود، به صورت ذرات ریز تجزیه می شود؛ اما تشکیل یک لایه محافظ ناکارامد مانع از ادامه واکنشهای بعدی میشود. پوشش ایجاد شده بر روی سطح ذرات سرباره که پس از ترکیب با آب تشکیل میشود، مانع انجام هیدراتاسون در مراحل بعدی میشود. در نتیجه یک محیط قلیایی برای شکستن این پوشش لازم است. ژل CSH  عمده ترین محصول تولید شده در قلیا فعال سرباره سخت شده میباشدکه منشا مقاومت و سختی بتن میشود.محصول نهایی واکنش مشابه هیدراتاسیون سیمان پرتلند میباشد.  تفاوت اصلی در سرعت و شدت واکنش است.

بتن قلیا فعال سرباره ای در محیط اسیدی:

از زمان به وجود آمدن و توسعه بتن قلیا فعال همواره یکی از ویژگیهای بارز آن مقاومت بالا در برابر محلولهای اسیدی بوده است .در سال 2012 ماچیه تحقیقی را بر روی تاثیر در صد محلول فعال کننده قلیایی و عمل آوری بر روی مشخصات مکانیکی و دوام بتن قلیا فعال سرباره ای انجام داد. نتایج این بررسی نشان داد که بتن قلیا فعال سرباره ای مقاومت فشاری، مقاومت کششی، مقاومت در برابر دمای بالا و مقاومت در برابر حمله سولفاتی بهتری از بتن با سیمان پرتلند معمولی از خود نشان می دهد.

همچنین در اینجا بحث دوام بتن قلیا فعال سرباره ای به درصد مصرفی محلول قلیا فعال وابستگی نزدیکی دارد و عمل آوری بتن قلیا فعال سرباره ای در رطوبت نسبی 80 درصد و دمای 60 درجه سانتیگراد بهترین عملکرد در خواص مکانیکی و دوام این بتن ها را نتیجه میدهد.

 بتن قلیا فعال سرباره ای از جنبه زیست محیطی

سیمان به عنوان دومین محصول پر مصرف جهان، سهمی حدود 7 درصد در تولید کربن دی اکسید را دارا میباشد. 94 درصد سهم انرژی مورد نیاز برای تولید بتن از سیمان پرتلند صرف سیمان پرتلند میشود جایگزینی سرباره با سیمان می تواند راهکاری جهت کاهش آلودگی ها ناشی از سیمان باشد.
همچنین میزان انرژی مورد نیاز برای تولید سرباره کوره آهن گدازی حدود 7 درصد تولید سیمان پرتلند می باشد.

نتیجه گیری در مورد بتن قلیا فعال سرباره ای

1-مهمترین علت آسیب بتن در محیطهای خورنده اسیدی انحلال کلسیم هیدورکسید و ژل CSH میباشد که در بتن قلیا فعال سرباره ای با حذف سیمان و عدم وجود هیدورکسید سدیم عملکرد در مقابل عوامل شیمیایی خورنده بهبود مییابد.
2-مهمترین فاکتورهایی که در سرعت حمله اسیدی تاثیر گذارند؛ نوع اسید، غلظت اسید و شرایط کنش محلول اسیدی میباشند.مهمترین فاکتورهای مقاومت مصالح سیمانی در برابر حمله اسیدی نوع سیمان، عیار مواد سیمانی، نسبت آب به مواد سیمانی، نحوه عمل آوری و ساختار خلل و فرج میباشد و در بتن قلیا فعال سرباره ای نوع محلول قلیایی فعال کننده و نسبت محلول قلیایی به سرباره مهمترین فاکتورهای مقاومت در برابر عوامل شیمیایی خورند هستند.
 3-تجزیه ترکیبات بتن در اثر حمله اسید مهاجم، بستگی به میزان تخلخل خمیر سیمان، غلظت اسید، قابلیت انحلال نمک کلسیم تشکیل شده در واکنش فوق در آب دارد.
4- ژل CSH عمده ترین محصول ایجاد شده در سرباره قلیا فعال سخت شده میباشد، اما نسبت کلسیم به سیلیس در این حالت خیلی کمتر از ژل تولید شده در هیدراتاسیون سیمان پرتلند میباشد.