پایان نامه با واژه های کلیدی ساختار فضایی

دانلود پایان نامه ارشد

منجر به پر کردن فضای پر شده از آب بین ذرات خمیر سیمان، ملات و بتن میگردند، روی میدهند. بنابراین رفتار این فرآیندها نسبت به زمان تا حد بسیار زیادی به اندازه فضای خالی بین ذرات و به عبارت دیگر، به نسبت آب به سیمان بستگی دارد. اگر اندازه فضاهای خالی (و یا نسبت آب به سیمان) خیلی زیاد باشد در واقع همان واکنشهای هیدراسیون رخ داده و همان محصولات هیدراسیون تولید میشوند ولی به جای یک بافت میکروسکوپی جامد چسبنده، یک خمیر حجیم تشکیل میشود که پس از خشک شدن به پودری سست بدل میگردد.
تفاوت قابل ملاحظهای بین مشخصههای گیرش خمیری ساخته شده از کلینکر سیمان همراه و یا بدون استفاده از سولفات کلسیم وجود دارد. خمیرهای بدون سولفات معمولاً ظرف مدت ده دقیقه خود را میگیرند. از طرف دیگر، خمیرهای ساخته شده از همان کلینکر، اما حاوی سولفات، معمولاً پس از 2 تا 3 ساعت شروع به گیرش میکنند. هیدراسیون اولیه C3A وC3S در خمیرهای ساخته شده از یک نوع کلینکر سیمان آسیاب شده همراه یا بدون استفاده از سولفات کلسیم اختلافی با هم ندارند. لذا تأثیر سولفات کلسیم به عنوان عامل کندگیرکننده گیرش را نمیتوان مبتنی بر جلوگیری از انجام واکنشهای شیمیایی بین C3A و آب اختلاط دانست. در این رابطه تنها علت ممکن، ایجاد تغییرات دربافت میکروسکوپی تشکیل شده توسط محصولات هیدراسیون اولیه واقع در فضاهای پرشده از آب بین ذرات سیمان میباشد ]18[.
پس از گذشت 1 الی 3 ساعت، خمیر سیمان نسبتهای بزرگی از کریستالهای نواری شکل بلند اترینژایت را در بر خواهد داشت (شکل 2-13). این کریستالها به هنگام دوره انگیزش که هنوز C3A و سولفات کلسیم به مقدار قابل توجهی تجزیه نشدهاند، تشکیل میگردند. بنابراین تصور میشود که کریستالهای بزرگتر اترینژایت در نتیجه تبلور مجدد یا تبلور مجدد به همراه رشد دانهای تولید میشوند که در طول آن ذرات کوچکتر و نتیجتاً ناپایدارتر اترینژایت حل شده و رشد کریستالهایی که در ابتدای تبلور نیز درشت بودهاند، ادامه مییابد.

شکل 2-13. تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی از ساختار میکروسکوپی خمیری ساخته شده از کلینکر سیمان و گچ همراه با 5/3% وزنی SO3 که در حال هیدراسیون بوده و خود را گرفته است، 45/0 W/C= و زمان هیدراسیون 4 ساعت ]18[.

تحقیقات گوناگون نشان دادهاند که ارتباطی نزدیک بین ساختار فضایی محصولات هیدراتهای که در دقایق و ساعات اولیه پس از اختلاط با آب تشکیل میشوند و سفت شدن و گیرش خمیر سیمان وجود دارد. هرگاه محصولات هیدراسیون تشکیل پوششی نازک و ریزدانه بر روی سطح ذرات سیمان بدهند، آنگاه این ذرات تأثیر نامطلوبی بر قابلیت حرکت ذرات سیمان و در نتیجه بر استحکام و قوام خمیر سیمان ندارند. با این حال، اگر این مواد تشکیل بافتی کم و بیش جامد در فضای پرشده از آب بین ذرات سیمان دهند، در این صورت بر استحکام خمیر افزوده شده و یا خمیر سیمان خود را میگیرد. تصور میشود که پلهای جامد به وجود آمده بین ذرات سیمان، دلیل اصلی افزایش قوام خمیر سیمان باشد. با این حال، این احتمال بیشتر وجود دارد که بخشی از آب اختلاط در حفرات نسبتاً بزرگ بافت میکروسکوپی محصولات هیدراسیون نفوذ کرده و بدین ترتیب از مقدار آب لازم جهت تشکیل لایههای آب مورد نیاز جهت ایجاد کارایی خمیر کاسته شود. مشاهده تبدیل مجدد خمیر سیمانی که قبلاً دچار گیرش شده به حالت سوسپانسیون کامل با تکان دادن آرام آن در محلولی از اتانول، میتواند مؤید این تفسیر باشد. هرگاه در این حالت سیمان با عبور دادن مخلوط معلق از صافی و خشک کردن مواد جدا شده بازیافت شود، در صورتیکه بار دیگر با آب مخلوط شود میتواند به طور عادی خود را بگیرد. شکست ساختار خمیر سیمان به صورت یک مخلوط معلق که در آن ذرات سیمان با همان نرمی اولیه حضور داشته باشند تا 6 ساعت پس از افزودن آب اختلاط امکان پذیر است اما پس از آن بافتی دانهای97 تشکیل شده و پس از گذشت حدود 10 ساعت خمیر سیمان سخت شده و دیگر قابل تبدیل به یک مخلوط معلق در اتانول نیست، در صورتی که اگر گیرش خمیر سیمان صرفاً ناشی از تشکیل پلهای جامد میبود آنگاه امکان تشکیل مخلوط معلق آن در اتانول حتی در ابتدای گیرش نیز وجود نمیداشت ]18، 52[.
تشکیل بافتهای میکروسکوپی اولیه در دوره پیش انگیزش عمدتاً ناشی از محصولات هیدراته حاوی سولفات و آلومینات میباشد. بنابراین طبیعت و کمیت این مواد حاصل از هیدراسیون تحت تأثیر غالب مقدار آلومینات و سولفات حل شده در دوره پیش انگیزش و نرخ حل شدن آنها قرار دارند. این محصولات وابسته به واکنش پذیری C3A و طبیعت ترکیبات سولفاتی هستند. تحقیقات مختلف به عمل آمده در این مورد نشان دادهاند که هرگاه کل C3A حل شده در دوره پیش انگیزش به صورت تری سولفات ترکیب شود حداکثر تأخیر در گیرش خمیر پدید خواهد آمد. لازمه این امر تأمین سولفات در دسترس در محلول آب اختلاط در دوره پیش انگیزش است.

2-2-8 سخت شدن
سخت شدن98 فرآیندی است که مبتنی بر تشکیل بافت میکروسکوپی جامدی از محصولات هیدراسیون سیمان میباشد. در سیمانهای سیلیسی یعنی سیمانهای پرتلند، سیمانهای سربارهای، سیمانهای پوزولانی و سیمانهای حاوی شیل نفتی، محصولات هیدراسیون درگیر در شکلگیری مقاومت هیدراتهای سیلیکات کلسیم و در سیمانهای پرآلومین هیدراتهای آلومینات کلسیم هستند. در سیمانهای ویژه، نظیر سیمانهای با گیرش تنظیم شده99، سخت شدن سریع اولیه ناشی از هیدراتهای آلومینات کلسیم و سخت شدن در مراحل بعدی در نتیجه تشکیل هیدراتهای سیلیکات کلسیم میباشد. دو تئوری منتشر شده در سالهای 1887 و 1893، یعنی تئوری کریستالی و تئوری کلوئیدی جهت تشریح و تفسیر مقاومت مورد استفاده قرار میگیرند. بر طبق تئوری کریستالی100، مقاومت مبتنی بر چسبندگی مکانیکی بافت کریستالی سوزنی شکل محصولات هیدراسیون است و مطابق با تئوری کلوئیدی101، این مقاومت بر پایه نیروهای چسبندگی کلوئیدی، یعنی محصولات هیدراته بینهایت ریزدانه که غالباً به عنوان مواد آمورف در نظر گرفته میشوند، میباشد. مطابق با دیدگاه امروزی، ذرات نانوکریستال 102که در برابر اشعه ایکس، بیشکل بوده و به کمک پیوندهای شیمیایی و یا فیزیکی به هم متصل گشته اند، عامل اصلی شکل گیری مقاومت خمیر سیمان سخت شده میباشند ]18[.
روند تشکیل بافت میکروسکوپی به کمک نمودار در شکل 2-14 که مبتنی بر تحقیقات متعدد انجام شده به کمک میکروسکوپ الکترونی است، نمایش داده شده است. با تنظیم بهینه مقدار عامل سولفاتی، مقادیر کمی اترینژایت و هیدروکسید کلسیم در اولین مرحله هیدراسیون و در زمانی که خمیر سیمان هنوز دارای حالت پلاستیک است تولید میشوند که تشکیل آنها میتواند منجر به سفت شدن خمیر و نه قوام و استحکام آن گردد. با این حال در طول دوره انگیزش، بافت میکروسکوپی ناپایداری که اترینژایت دوباره متبلور شده را بصورت کریستالهای نواری شکل در بردارد تولید میشود، که همراه با آن احتمالاً مقادیر کمی نیز هیدرات سیلیکات کلسیم پدید میآیند، این امر موجب گیرش سیمان میگردد. پس از اتمام دوره انگیزش، یعنی پس از گذشت 4 الی 6 ساعت، واکنشها شتاب بیشتری گرفته و در این زمان در ابتدا اترینژایت بیشتری تشکیل می شود و پس از آن مونوسولفات و هیدرات آلومینات کلسیم پس از مصرف سولفات اضافه شده به مخلوط تولید میگردند. همچنین مقادیر بسیار زیادی هیدرات سیلیکات کلسیم نیز تولید میشود که فرم الیافی شکل آنها کاملاً قابل تشخیص میباشد، در ازای این الیاف در حدود mm2 و ضخامت آنها نیز به mm2/0 میرسد. این نوع هیدرات سیلیکات کلسیم با عنوان C-S-H تیپ I مشخص میشود. با پیشرفت فرآیند هیدراسیون، شبکهای از ذرات نواری شکل کوتاه سیلیکات کلسیم تشکیل میشود که C-S-H تیپII نامیده میشود، این شبکه از ذرات بنیان بافتی میکروسکوپی را بنا مینهد که در واقع دارای مقاومت مشخصی است اما در عین حال از تخلخل نسبتاً بالایی نیز برخوردار است. تشکیل این بافت میکروسکوپی پایه معمولاً پس از 24 ساعت کامل میشود. پس از این مدت، خلل و فرج موجود در خمیر سیمان سخت شده به شکل فزایندهای توسط هیدرات سیلیکات کلسیم که هنوز دارای فرم دانهای مشخصی است پر میشود و بافت حاصل C-S-H تیپ III نام میگیرد. نسبت قابل توجهی از هیدرات سیلیکات کلسیم تشکیل بافتی متراکم میدهد. که C-S-H تیپ IV نامیده شده و اجزای آن به کمک یک میکروسکوپ الکترونی قابل تمایز نیستند. سایر محصولات هیدراسیون، خصوصاً هیدروکسید کلسیم، مونوسولفات و هیدرات آلومینات کلسیم و نیز هیدرات فریت کلسیم در بطن هیدراتهای کلسیم جای میگیرند. در نتیجه بافت میکروسکوپی با روند رو به رشدی متراکم شده و تخلخل آن پایین میآید. با این حال، یک پیش شرط بسیار مهم جهت عدم ایجاد وقفه در فرآیند هیدراسیون و تشکیل بافت میکروسکوپی آن است که خلل و فرج موجود در خمیر سخت شده سیمان همواره پر از آب باشد، چنین پیش شرطی برای انجام واکنشهای شیمیایی و جابجایی ترکیبات درگیر در واکنشها ضروری می باشد ]55-53[.

شکل 2-14. نمودار تشکیل فازهای هیدراته و رشد بافت میکروسکوپی در طول زمان هیدراسیون سیمان ]53[.

هرگاه فرآیند هیدراسیون با تأخیر مواجه شود، مثلاً به کمک مخلوطهای افزودنی کندگیرکننده103 و یا پایین آمدن درجه حرارت، سیمان با سرعت کندتری سخت میشود، اما نسبت به هیدراسیون در درجه حرارتهای بالاتر، سیمان به مقاومت نهایی بالاتری نائل میگردد. دلیل این مطلب نیز، تشکیل نسبتهای بیشتری از کریستالهای الیافی بلند و بنابراین با در هم پیچیدگی شدیدتر C-S-H در نتیجه طولانی شدن مرحله دوم هیدراسیون و یا تشکیل خمیر سخت شده سیمان با بافت میکروسکوپی منظمتر در معرض تنشهای داخلی کمتر میباشد. رفتار سخت شدگی سیمان تحت تأثیر ترکیب و نرمی ذرات سیمان، درجه حرارت در حین فرآیند سخت شدن و نیز افزودن مواد مضاف معین (در مواردی که قابل بکارگیری باشند) قرار دارد ]53[.

2-2-8-1 تأثیر ترکیب کلینکر بر سخت شدن
هرچه مقدار C3S در سیمان پرتلند بیشتر باشد، به عبارت دیگر سیمان از نظر CaO غنیتر باشد، این نوع سیمان سریعتر سخت میشود. سیمانهایی که CaO در بردارند، و نتیجتاً به لحاظ C2S غنی تر هستند، با سرعت کمتری سخت میشوند ولی نسبت به سیمانهای غنی از C3S به مقاومتهای نهایی بالاتری دست مییابند. دلیل این امر آن است که C2S در حین هیدراسیون موجب تولید C-S-H شکل دهنده مقاومت به میزانی بیشتر و مقادیر Ca(OH)2 کمتری که عملاً نقشی در ایجاد مقاومت ندارد، میگردد. C2S خالص با سرعت بسیار کندی هیدراته شده و سخت میگردد اما C3S به عنوان یک فعال ساز عمل میکند، به عبارت دیگر این ترکیب به واکنش بین آب و C2S شتاب میبخشد. بنابراین با انجام آزمایشات مقاومتی بر روی C2S خالص نمیتوان نقش C2S در سخت شدگی سیمان را مورد بررسی قرار داد.
وجود دوره انگیزش سبب میشود تا توسعه و رشد مقاومت C3S صرفاً پس از 6 ساعت آغاز شود. بنابراین، حتی سیمانهای غنی از C3S و بسیار نرم پرتلند نیز که بسیار سریع سخت میشوند نیز فقط پس از 8 الی 12 ساعت به مقاومتهای قابل قبولی دست مییابند. بنابراین، حتی سخت شدگیهای سریعتر با استفاده از سایر ترکیبات که دارای ظرفیت سخت شدگی هستند، خصوصاً آلومیناتهای کلسیم و ترکیبات مربوط به آن که سریعاً با آب واکنش حاصل میکنند قابل حصول است. ترکیبات C3A و C2(A, F) نقش بسیار کم رنگی در شکلگیری مقاومت دارند. با این حال، محصولات حاصل از هیدراسیون C3A در تشکیل بافت میکروسکوپی کم تراکمی از خمیر سیمان سخت شده مشارکت میکنند که این امر موجب انتشار و پراکنده شدن آب و تسریع هیدراسیون میگردد ]18[.

2-2-9 سیمانهای حاوی سرباره
تاکنون در پی تحقیقات صورت گرفته از بین سربارههای موجود در صنعت آهن و فولاد سرباره گرانوله شده کوره بلند بدلیل ماهیت شیشهای و فعال بودن میتواند بدون افزودن ماده دیگری با آب واکنش دهد که در نتیجه آن عمدتاً هیدرات سیلیکات کلسیم تولید میشود که ظرفیت سخت شوندگی را دارد که البته این واکنش در حضور مواد فعالساز قلیایی104 با سرعت بیشتری رخ میدهد. در این رابطه

پایان نامه
Previous Entries پایان نامه با واژه های کلیدی مواد معدنی Next Entries پایان نامه با واژه های کلیدی هیدرولیک، پرتوی ایکس، معیارهای ارزیابی