مواد مکمل سیمانی (SCMs)-پوزولان ها

مواد مکمل سیمانی یا ”مواد مکمل شبه سیمانی“ (SCMs) بدون شک نقش مهمی در تکامل بتن با مقاومت بالا ایفا کرده­اند. بهره ­وری از مزایای استثنایی این مواد با توجه به محدودیت­ های موجود در مشخصات مبتنی بر تجویز[۱]، می‌تواند چالش برانگیز باشد. مواد مکمل سیمانی مواد مهمی هستند که در خواص بتن مشارکت می­کنند. این مواد در ترکیب با سیمان پرتلند از طریق واکنش هیدرولیک و یا پوزولانیک سبب بهبود خواص بتن می‌شود. پوزولان‌ها سیلیسی و یا آلومینو-سیلیسی هستند که به خودی خود دارای ارزش هیدرولیکی (چسباننده) نمی‌باشند.

امّا در صورتی که به‌طرز صحیحی متناسب شوند در حضور آب با کلسیم هیدروکسید به­ شکل ترکیبات دارای خواص چسبنده واکنش شیمیایی می‌دهند. برخی از پوزولان­ها بسیار واکنش ­پذیر هستند درحالی که برخی دیگر، واکنش ­پذیر ظاهری هستند. نمونه ­های از آنها عبارتند از: خاکستر بادی، میکروسیلیس، پوزولان طبیعی خام و یا تکلیس شده و انواع دیگر مانند متاکائولن، خاکستر آتشفشانی، شیل و رُس­های تکلیس شده[۲] و خاک‌های دیاتومه[۳].

بسته به مواد مکمل سیمانیِ مصرفی می‌توان از مزایایی همچون مقاومت اوّلیه بالاتر، مقاومت بیشتر در سنین ثانویه، کاهش نفوذپذیری، کنترل واکنش­ پذیری قلیایی سنگ­دانه‌ها، حرارت هیدراسیون پایین­ تر و کاهش هزینه نام برد (۲۰۰۲، Russell). در بخش بعدی، خاکستر بادی (متعارف و فوق العاده)، سرباره کوره آهن­گدازی، میکروسیلیس و متاکائولن مورد بحث قرار می­گیرند.

معمولاً سیمان سرباره و خاکستر بادی اوّلین گزینۀ مواد مکمل سیمانی در بتن با مقاومت بالا هستند. هنگامی که با سیمان پرتلند پر مقاومت ترکیب شوند این فرآورده­ها می­توانند برای تولید اقتصادی بتن ­های دو پارامتری[۴] با حداقل مقاومت مشخصه MPa 70 استفاده ­شوند. در مقاومت‌های بالاتر، به ­ویژه برای مقاومت بالاتر از MPa 80، مخلوط­ های سه پارامتری[۵] بسیار ریز و خمیر پوزولان­ های چگال­ کننده مانند خاکستر بادی، میکروسیلیس و متاکائولن و یا خاکستر بادی فوق العاده ریز (UFFA) می‌تواند بسیار مفید باشد.

خاکستر بادی و سیمان سرباره به‌صورت سنّتی به­ عنوان جایگزینی از بخش سیمان پرتلند تلقی شده ­اند. میکروسیلیس، متاکائولن و خاکستر فوق العاده ریز نه به عنوان جایگزینی برای سیمان پرتلند، بلکه بیشتر به ­عنوان مواد مضاف افزایندۀ عملکرد تلقی می­ شوند. مواد مکمل سیمانی را نمی­توان و نباید به عنوان هم پایه سیمان پرتلند و تنها جایگزین سیمان پرتلند درنظر گرفت. این مواد در مقایسه با سیمان پرتلند، مصالح مکملی هستند که روش­ های تعامل متفاوتی داشته و می­توانند خواص منحصر به­ فردی را به نمایش بگذارند­. مواد مکمل سیمانی اساساً شامل معدنی­ های سیمان پرتلند است ]کلسیم (CaO)، سیلیکا (SiO₂)، آلومینا (Al₂O₂)، آهن (FeO₃)] که فقط در نسبت ­ها و فاز معدنی متفاوت می‌باشند. کلید موفقیت در استفاده از مواد مکمل سیمانی، درک مناسب محدودیت‌ها و قابليت ­های آنها در ارتباط با چگونگی برهم­کنش با مواد افزودنی شیمیایی و مواد مکمل سیمانی دیگر است.

وقتی درک مناسبی وجود داشته باشد، منافع اقتصادی و فنی حاصل از مواد مکمل سیمانی آشکار می­شوند و این چیزی کمتر از یک اتفاق فوق العاده نیست. مواد مکمل سیمانی، قلمرو ˮسیمان هیدرولیکی نوین“ را گسترش داده­اند. متاسفانه اکثر تحقیقات انجام شده تا کنون نشان می­ دهند که خاکستر بادی و سیمان سرباره به عنوان جایگزین برای سیمان پرتلند مورد بحث قرار گرفته­ اند و در نتیجه طبیعی است که این مواد صرفاً به ­عنوان مواد جایگزین برای سیمان قلمداد شوند. در مطالعات آینده که بر روی این مواد انجام می‌شود شاید تأکید بیشتری بر روی شایستگی انفرادی آنها شود.

مواد مکمل سیمانی

مواد مکمل سیمانی خصوصیات تازه و سخت شدۀ بتن را تغییر می­دهند. این مواد در حالت تازه بر روی خواص رئولوژی[۱]، ویژگی‌های گیرش، قابلیت بتن­ریزی و قابلیت پرداخت تأثیر­گذار است. مواد مکمل سیمانی می­توانند از طریق فعالیت هیدرولیکی، پوزولانیک و یا هر دو در خواص بتن سخت شده مشارکت ­کنند و موجب بهبود آن ­شوند. مواد مکمل سیمانی مشابه با سیمان پرتلند با ترکیب در آب، به شکل ترکیبات چسبنده واکنش هیدرولیکی مستقیم می دهند. پوزولان‌ها در حضور آب از طریق هیدروکسید کلسیم آزاد شده از هیدراسیون، به ­شکل ترکیباتی که دارای خواص چسبنده­ هستند واکنش شیمیایی می­دهند.

خاکستر بادی، سرباره و میکروسیلیس شایع­ ترین مواد مکمل سیمانی مصرفی در بتن با مقاومت بالا می‌باشند. هر چند که متاکائولن و خاکستر بادی فوق العاده ریز به­ تازگی به صنعت بتن معرفی شده است، امّا موفقیت چشم­گیری در تولید بتن با مقاومت بالا داشته­اند. به همین دلیل، مفاهیم و تعاریف متاکائولن و خاکستر بادی فوق العاده ریز (UFFA) در این فصل گنجانیده شده است.

مواد چسباننده اساساً می­تواند با دو روش سیستماتیک طبقه ­بندی شوند. در سیستم اوّل، مواد بر اساس هیدرولیک و یا پوزولانیک بودن طبقه­بندی می­شود. در سیستم دوّم، طبقه­ بندی بر اساس تمایز بین چسباننده بودن و ˮمکمل“ بودن صورت می­گیرد. اینکه یک و یا چند مواد مکمل سیمانی در بتن با مقاومت بالا استفاده شود، به سن و مقاومت هدف، هزینه مواد و هر نوع خواص مورد نیاز وابسته است.

مواد مکمل سیمانی-مواد شبه سیمانی-پوزلان های مصنوعی

از دیدگاه مقاومت، به تنهایی قابلیت دستیابی به مقاومت معیار مناسبی نیست، بلکه معیار اصلی بهره وری از مواد سیمانی ترکیب شده می­باشد که باید در فرآیند انتخاب مواد تعیین گردند. برای مثال، اگر قابلیت دستیابی به مقاومت فشاری دو مخلوط با هم برابر باشد، در انتخاب مخلوط، مخلوط اوّل با سیستم دو پارامتری (دو نوع مواد مکمل سیمانی) و سپس مخلوط دوّم با سیستم سه پارامتری در اولویت است. با توجه به ملاحظات مقاومت بالاتر در هر واحد هزینه، تولید مخلوطی با سیستم دو پارامتری به مراتب جذابیت بیشتری خواهد داشت. البته هزینه‌های تمامی مواد افزودنی شیمیایی نیز باید در محاسبات منظور شوند. توجه داشته باشید که سن بتن نیز می‌تواند تأثیر قابل توجهی بر روی نتایج داشته باشد. برای مثال، مقاومت مورد نظر بتنی که بهره­ وری مقاومت-هزینۀ ۲۸ روزه مناسبی از خود نمایش می­دهد ممکن است در سنین پایین‌تر جذابیتی نداشته باشد.

در شناسایی خواص تازه و سخت شدۀ بتن، این که اجزای خمیر بر حسب پوزولانی بودن و یا هیدرولیک بودن طبقه­ بندی شده باشند، عملاً با عملکرد بتن بی ارتباط است. بیشتر به آنچه که یک فرآورده به‌دست می­آورد تأکید می­شود (به معنی عملکرد) نه آنچه که بر یک فرآورده وضع می­شود (به معنی تجویز). آنچه مهم است میزان چسبندگی و ظرفیت اتصال در یک سیستم بتن است (به معنی ویژگی­ های عملکردی). سیمان پرتلند در قلب بتن‌های سیمان هیدرولیک باقی مانده است، بتن با مقاومت بالا نیز از این قاعده مستثنی نیست. ساخت بتن با مقاومت بالا به انضمام مواد مکمل سیمانی به مراتب عملکرد بهتری خواهد داشت. مواد مکمل سیمانی اساسی‌ترین مؤلفۀ بتن پر مقاومت هستند. برای اطلاعات بیشتر در خصوص مشخصات مبتنی بر تجویز و عملکرد به فصل ۵ مراجعه کنید.