مقاله رایگان درباره مواد معدنی

دانلود پایان نامه ارشد

فرج خود جذب میکند. واکنشهای هیدراسیون سیمان نگهداری شده در شرایط رطوبت محیطی نیز میتواند موجب افزایش آب مورد نیاز سیمان به میزانی مشابه با آب اختلاط لازم جهت انجام واکنشهای اولیه هیدراسیون شود ]18[.

شکل 2-12. شکل شماتیک ضخامت لایه نازک آب پوششی بر روی سطوح ذرات سیمان و نیز آب موجود در خلل و فرج بافت میکروسکوپی بین ذرات سیمان (آب بین ذرهای).

تأثیر خواص و دانهبندی ذرات و واکنشهای شیمیایی رخ داده بلافاصله پس از افزودن آب اختلاط بر میزان آب مورد نیاز، هم در مورد سیمان پرتلند و هم در مورد سیمانهایی که در آنها بخشی از کلینکر سیمان با اجزای دیگری نظیر سرباره، پوزولانهای طبیعی، خاکستر بادی و یا سنگ آهک جایگزین شده است نیز صدق میکند. این مواد جایگزین شده نسبت به کلینکر سیمان از واکنشپذیری کمتری برخوردارند و لذا معمولاً سیمانهای حاوی این گونه ترکیبات میبایست نسبت به سیمان پرتلند به طور قابل ملاحظهای ریزتر آسیاب شوند تا مقاومت اولیه آنها مناسب بوده و مقاومت آنها در سن 28 روزه نیز همانند سیمانهای پرتلند باشد. در این نوع سیمانها ممکن است آب مورد نیاز سیمان تا حدی افزایش بیابد؛ برخی پوزولانهای طبیعی و خاکسترهای بادی خاص که حاوی ترازهای نسبتاً بالایی از اجزای کریستالی میباشند به دلیل متخلخل بودن ذرات خود نیاز به آب بیشتری جهت اختلاط دارند. از طرف دیگر، این مواد به دلیل واکنشپذیری کند خود عملاً در واکنشهای اولیه هیدراسیون شرکت نکرده و لذا میتوانند به طور قابل توجهی موجب کاهش آب مورد نیاز سیمان شوند. ذرات شیشهای سرباره کوره بلند دارای سطوحی هموار و بسته هستند، خاکستر بادی نیز که عمدتاً دارای بافت شیشهای بوده و به عنوان ماده کمکی در آسیاب کردن سیمان نقش ویژهای دارد نیز از ذرات کروی شکل تشکیل شده که دارای سطحی نرم و هموار میباشند ]18، 44-43[.
این طور به نظر میرسد که روشهای متعارفی که جهت آسیاب کردن سیمان در حال حاضر بکار گرفته میشوند صرفاً دارای تأثیری ثانویه بر میزان آب مورد نیاز سیمان هستند با این حال این امر مستلزم آن است که به کمک این روشها مواد آسیاب شده دارای ذراتی هم شکل و هم اندازه بوده و فرآیند حل شدن سولفات کلسیم اضافه شده چنان تنظیم شده باشد، مناسب با واکنشزایی بخش کلینکر سیمان باشد. خمیر سیمان تولید شده از سیمان پرتلند حاوی ذرات گردگوشه و هم اندازه، با نسبت آب اختلاط کمتری روانپذیر بوده و لذا مقدار آب مورد نیاز آن به طور قابل ملاحظهای پایینتر خواهد بود. سیمانی که دارای خواص اشاره شده باشد میبایست طی دو مرحله آسیاب شدن تولید شود، بدین ترتیب که پس از آسیاب کردن مقدماتی آن در آسیابهای سیمانی متداول، سیمان در مرحله بعدی به کمک ضربه78 خردتر و ریزتر میشود. چنین سیمانهایی بدون توجه به دانهبندی ذرات آنها به آب کمتری جهت هیدراسیون نیازمندند. میزان آب مورد نیاز سیمان میتواند بشدت تحت تأثیر مواد افزودنی اضافه شدن به سیمان نیز باشد، در استاندارد اروپا معمولاً بین مواد افزودنی79 و مخلوطهای افزودنی80 تمایز قائل میشوند. مواد افزودنی مواد جامد و ریزدانهای هستند که در مقادیری نسبتاً زیاد به بتن افزوده میشوند و لذا نسبت حجمی آنها میبایست در بتن در نظر گرفته شود؛ از جمله این مواد میتوان خصوصاً به سرباره و خاکسترهای بادی اشاره کرد که به علت خاصیت پراکندگی خود، موجب کاهش آب مورد نیاز سیمان میشوند. مقدار مخلوطهای افزودنی اضافه شده به بتن به صورت مایع و یا پودر آنقدر کم است (معمولاً کمتر از gr/kg50 کلینکر) که نسبت حجمی آنها در بتن علیرغم منافذ هوایی که ایجاد میکنند، نادیده انگاشته میشود ]42[.
هنگامی که سیمان با آب مخلوط میگردد ذرات سیمان جذب یکدیگر شده و تشکیل تودههای حجیم و یا گلولهای میدهند، تودهای شدن ذرات سیمان با حضور سولفات محلول در آب اختلاط تسریع میشود. مواد مضافی که جهت کاهش آب مورد نیاز بتن مورد استفاده قرار میگیرند و اصطلاحاً به عنوان مواد روانساز81 معروفند، در واقع موجب کاهش و یا جلوگیری از تشکیل تودههای گلولهای شکل میشوند. همچنین با تشدید عمل اختلاط، مثلاً با بکارگیری روشهایی که موجب اختلاط با سرعت مافوق صوت میگردند، نیز میتوان کلوخهای شدن82 ذرات مخلوط را کاهش داد. همچنین این اثر را میتوان در دانهبندی ذرات سیمان معلق در محلول آب اختلاط، که توسط یک دانه سنج لیزری83 قابل اندازهگیری است، نیز مشاهده کرد. در این رابطه توضیحاتی به کمک فرآیندهای مورد اشاره در زیر که توأماً و یا به طور مجزا میتوانند از ایجاد تودههای گلولهای شکل در مخلوط ممانعت کرده و یا آن را کاهش دهند، ارائه گردیده است ]18[:
1. تقویت نیروهای دافعه الکترواستاتیکی ذرات سیمان؛ ذرات سیمان که محصولات اولیه ناشی از هیدراسیون بر روی آنها رسوب کردهاند و لایههای آب پوششی حاوی مولکولهای جهتدار84 آب دارای بار منفی ضعیفی میباشند. با بکارگیری افزودنیهای روان کننده این بار الکتریکی به طور قابل ملاحظهای افزایش مییابد، این امر با پتانسیل زتا که به طور فزایندهای با افزایش مواد افزودنی مورد نظر منفی میشود قابل مشاهده است.
2. افزایش میل ترکیبی آب و سیمان، بدین معنی که نیروهای جاذبه بین ذرات سیمان و محلول آب اختلاط بزرگتر از نیروی جاذبه بین ذرات سیمان گردد.
3. ممانعت فضایی85، این فرآیند عبارت است از ایجاد تأخیر و یا ممانعت از انجام واکنش توسط گروههای مولکولی بزرگ در مجاورت ماده شرکت کننده در واکنش بدین طریق از رسوب متقابل ذرات سیمان به کمک جذب جهتدار پلیمرهای غیر یونی بر روی سطوح آنها، ممانعت به عمل میآید. ظاهراً در این رابطه ممانعت فضایی نقش پررنگتری نسبت به نیروهای الکترواستاتیک ایفا میکند.
روانسازهای ویژه بتن عبارتند از اسید لیگنو سولفوریک، اسیدهای کربوکسیلیک هیدروکسیل شده و نمکهای آنها؛ آن دسته از روانسازها که دارای تأثیرات ویژهای هستند با عنوان فوق روانسازها مشهورند. لیگنوسولفوناتهای اصلاح شده86 و نفتالین فرم آلوئید87 از جمله این فوق روانسازها محسوب میشوند. عملکرد مواد فوق روانساز دارای مدت زمان محدودی است، بنابراین این مواد صرفاً و بلافاصله قبل از بتن ریزی به بتن افزوده میشوند. مطلوبترین زمان جهت بکارگیری این مواد زمان شروع واکنشهای شیمیایی میباشد. دلیل این امر نیز معمولاً به افزایش نسبت سولفاتها در محلول آب مخلوط در دوره پیش انگیزش88 نسبت داده میشود که در مراحل بعدی موجب کاهش پتانسیل ضعیف زتای منفی ذرات سیمان شده به طوری که تأثیر فوق خمیری کننده تا اندازهای خنثی میشود. ضمناً طبیعت و مقدار سولفات کلسیم اضافه شده به سیمان جهت کنترل گیرش آن نیز از اهمیت برخوردار است ]42، 44[.

2-2-4-1 آب انداختن
در رابطه با ساخت ملات و بتن، معمولاً بخش معینی از آب اختلاط در خمیر سیمان تمایل به جداشدن دوباره از مخلوط دارد؛ این فرآیند به عنوان آب انداختن89 نامیده میشود و دلیل این امر نیز رسوب ذرات جامد مخلوط است. در نتیجه این امر، آب و ذرات بینهایت ریزدانه در نواحی فوقانی خمیر سیمان، ملات و یا بتن انباشته شده و ذرات درشتتر در نواحی تحتانی تجمع میکنند. این مسئله موجب بروز تفاوتهای متناظر، خصوصاً در مقاومت و نفوذ پذیری خمیر سیمان سخت شده، بتن و ملات سخت شده میشود. گرچه بخش بینهایت ریزدانه سیمان پس از اختلاط با آب شروع به دلمه بستن90 میکند، بعبارت دیگر تودههای بزرگتری (که با سرعت بیشتری ته نشین میشوند) از ذرات بینهایت ریزدانه تشکیل میشوند، ذرات درشتتر کلینکر سیمان میتوانند در نواحی پایینی تجمع کرده وتشکیل رگههایی تیره دهند. البته چنین جداشدگیهایی در نتیجه فرآیندهای ته نشینی قابل انتظارند، خصوصاً در مورد سیمانهایی که درشتتر آسیاب گردیدهاند. تجربیات به دست آمده نشان میدهند که از این جداشدگی91 میتوان با افزودن مقادیر کمی از مواد معدنی بی نهایت ریزدانه به سیمان جلوگیری کرد ]18[.

2-2-5 شروع دوره انگیزش
دوره انگیزش برای هیدراسیون بصورت مراحل زیر آغاز میشود ]18[:
ایجاد لایهای محافظ از محصولات اولیه هیدراسیون بر روی سطوح ذرات سیمان که مانع از انجام واکنشهای بعدی میشود.
یونهای Ca2+ موجود در لایهای نزدیک به سطح از C3S حل شده و توسط یونهای H+ جایگزین میشوند (حل شدن نامتجانس). نرخ تجزیه در مراحل بعدی به شدت تحت تأثیر انتشار یونهای Ca2+ از میان لایه مرزی تخلیه شده از Ca2+ قرار دارد. همچنین تشکیل فاز میانی C3S که قابل مشاهده با میکروسکوپ است را نیز میتوان به جانشینی یونهای H+ به جای Ca2+ در لایه مرزی نسبت داد.
ترکیباتCaO و SiO2 وابسته به نسبت مشارکت خود در ترکیب C3A، حل میگردند (انحلال متجانس)، بدین ترتیب یک محلولی فوق اشباع پدید میآید که مانع از تجزیه C3S در مراحل بعدی میگردد. علت وقوع حالت فوق اشباع آن است که SiO2 حل شده موجب جلوگیری از تبلور Ca(OH)2 میشود و یا این که C-S-H آبدار و عاری از CaO ،که در مراحل اولیه تولید شده، در غلظتهای بالاتر Ca(OH)2 پایدار نبوده و دیگر تشکیل نمیگردد که این امر خود منجر به افزایش حالت فوق اشباعی محلول میگردد.

2-2-6 پایان دوره انگیزش
تشکیل هسته کریستالی برخی هیدراتهای سیلیکات کلسیم مشخص به عنوان پیش شرطی جهت پیشرفت سریع واکنش، ظاهراً دلیل اثر تسریع کننده C3S بر هیدراسیون β-C2S نیز میباشد. کنش کلینکر سیمان به عنوان یک فعالکننده در طول هیدراسیون و نحوه سخت شدن سرباره در سیمان حاوی سرباره را نیز بدین ترتیب میتوان توضیح داد. هنگامیکه سولفات موجود در کلینکر و سولفات افزوده شده به سیمان مصرف گردیدند، معمولاً پس از گذشت 24 ساعت، اترینژایت حاصله در مراحل اولیه واکنش با C3A و C2(A,F) بیشتری واکنش کرده تولید مونو سولفات میکند و پس از آن نیز C4(A,F)H19 تشکیل میشود. بخشی از هیدروکسید کلسیم تولید شده در طول هیدراسیون C3S در طول این فرآیند مورد مصرف قرار میگیرد.
دوره انگیزش با علائم زیر به سمت پایان حرکت میکند:
لایه محافظ متشکل از محصولات جدید هیدراسیون با پیشرفت واکنش و یا توسط فرآیندهای اسمزی92 تجزیه و از بین میرود.
هیدراسیون سریع C3S صرفاً موقعی امکان پذیر است که اندازه هسته اتم C-S-H بدون آب و غنی از CaO، که در غلظتهای بالاتر Ca(OH)2 پایدار است، از اندازه بحرانی93 تجاوز کند. در این حالت نه تنها لایههای مرزی بلکه حالت فوق اشباعی، که موجب ممانعت از هیدراسیون میشود، نیز بدین طریق تأثیر خود را از دست میدهند.
بنابراین هیدراسیون سیمان پرتلند را میتوان با معادلات شیمیایی ساده شده ارائه گردیده در جدول 2-5 توصیف کرد. با این حال، این معادلات صرفاً به شکلی تقریبی روند انجام واکنشها را نشان میدهند چرا که ترکیب محصولات هیدراسیون تا حدودی متفاوت با نتایج حاصل از این فرمولهاست. به طور مثال، نسبت مولی Ca/Si هیدرات سیلیکات کلسیم میتواند در دامنه نسبتاً وسیعی تغییر یابد. علاوه براین C3A و C2(A,F) نمیتوانند مستقل از یکدیگر هیدراته شوند، لذا یونهای Fe3+ جدا شده از C2(A,F) میتوانند جذب C4AH19 و اترینژایت و نیز مونوسولفات گردند ]36[.

جدول 2-5. معادلات شیمیایی جهت توصیف هیدراسیون سیمان پرتلند ]36[.

2-2-7 گیرش سیمان
2-2-7-1 واکنشهای گیرش و روند پیشرفت آن
سخت شدن خمیر سیمان نتیجه انجام واکنشهای شیمیایی بین اجزای سیمان و آب اختلاط است که بلافاصله پس از مخلوط شدن آب و سیمان آغاز میگردد. گیرش سیمان در ابتدا بسیار آرام صورت میپذیرد ولی با گذشت زمان سرعت آن افزایش مییابد. هنگامی که سختی خمیر سیمان ساخته شده با قوامی از پیش تعیین شده به حد خاصی میرسد، این حالت به عنوان گیرش اولیه94 شناخته میشود. تحکیم خمیر سیمان در مراحل بعدی نیز به عنوان گیرش در نظر گرفته شده و تحکیم تکمیلی سخت شدن نامیده میشود. فرآیندهای سفت شدگی95، گیرش و سخت شدن96 در نتیجه تشکیل محصولات هیدراته با بافتی میکروسکوپی و سختی متغیر که منجر به پر کردن فضای پر شده از آب بین ذرات خمیر سیمان، ملات و بتن میگردند، روی میدهند. بنابراین

پایان نامه
Previous Entries مقاله رایگان درباره پرتوی ایکس، زمان واکنش، رطوبت نسبی Next Entries مقاله رایگان درباره ساختار فضایی