تأثیر غلظت مولاریته محلول سود و نسبت مقدار آب شیشه به سود بر جذب آب حجمی بتن ژئوپلیمری بر پایه سرباره کوره آهنگدازی

چکیده

بتن ژئوپلیمری یک ماده جدید و نوین در صنعت ساخت و ساز دارای عملکرد و کارایی مطلوب بوده که با مصرف پوزولان‌های طبیعی و پسماندهای صنعتی حاوی سیلیکات آلومینیوم، سازگار با محیط زیست بوده و می‌تواند به عنوان یک ماده جایگزین در مقابل انتشار آلودگی ناشی از تولید سیمان‌های پرتلند برای تولید بتن مورد استفاده قرار گیرد. از سوی دیگر خصوصیات مکانیکی و دوامی این بتن تحقیقات بیشتر در مورد عوامل موثر بر این دو مشخصه را حائز اهمیت گردانیده است. در این مقاله سعی بر مطالعه‌ی ساخت بتن‌های پر مقاومت ژئوپلیمری بر پایه سرباره کوره آهنگدازی با استفاده از محلول قلیایی فعال کننده پایه سدیم گردیده است که در آن سه غلظت مختلف 18/75، 150 و 11/25 مولار محلول هیدروکسید سدیم و سه نسبت ترکیبی سیلیکات سدیم به هیدروکسید سدیم برابر با 2، 2/5 و 3 مورد بررسی قرار گرفته‌اند. همچنین نسبت آب به مواد چسباننده در کلیه طرح‌ها ثابت در نظر گرفته شده است. در این تحقیق عمل آوری نمونه‌ها به صورت مستغرق در آب در دمای محیط بوده و آزمایش جذب آب حجمی در سن 28 روزگی بر روی نمونه‌های هر طرح مخلوط صورت گرفته است. آزمایش جذب آب نیم ساعته، جذب آب 24 ساعته و جذب آب نهایی بر روی نمونه‌ها نشان دهنده تأثیر کاهنده افزایش غلظت هیدروکسید سدیم بر جذب آب بتن‌های ژئوپلیمری دارد.

واژگان کلیدی: بتن ژ ئوپلیمری، سرباره کوره آهنگدازی، غلظت مولاریته، هیدروکسید سدیم، جذب آب حجمی.

مقدمه

رشد روز افزون صنعت ساخت و ساز در حوزه‌ی سازه‌های بتنی که موجب شده است این ماده به عنوان یکی از پر مصرف‌ترین مواد در قرن اخیر شناخته شود، افزایش میزان تقاضا برای تولید و مصرف سیمان‌های پرتلند را در پی داشته است. این در حالی است که از یک سو تولید سیمان‌های پرتلند علاوه بر مصرف منابع طبیعی چون سنگ آهک، مصرف سوخت‌های فسیلی و انرژی الکتریکی، سبب انتشار مقدار قابل توجهی از گازهای گلخانه‌ای و در نتیجه آلودگی زیست محیطی می‌شوند و از سوئی دیگر امروزه تفکر، توجه و تلاشی جدی در راستای حفظ محیط زیست امری اجتناب ناپذیر و غیر قابل انکار می‌باشد. از این رو در دو دهه‌ی اخیر بتن ژئوپلیمر با عملکردی بالا و هزینه‌ی ساخت پایین به عنوان دوست‌دار محیط زیست با قابلیت جایگزینی برای بتن‌های ساخته شده با سیمان معمولی مطرح شده است. پلیمرهای غیر آلی سیلیکات آلومینیوم یا به تعریف دیویدوویتس ژئوپلیمرها می‌توانند در یک فرآیند پلیمری شدن گستره‌ی وسیعی از پسماندهای صنعتی مانند سرباره کوره آهنگدازی، خاکستر بادی، خاکستر مواد سوختی، خاکستر پوسته‌ی برنج، متاکائولن، پوزولان‌های طبیعی و هر منبعی که دارای سیلیکات آلومینیوم غیر بلوری باشد را به تولیدات ساختمانی تبدیل کند. ژئوپلیمرها همچنین از خواص مکانیکی بسیار خوبی همچون مقاومت فشاری بالا، مقاومت سایشی بالا، مقاومت در برابر حمله‌های سولفاتی و اسیدی، گیرش سریع، مقاومت در برابر دمای بالا، عدم شرکت در واکنش با سنگدانه‌های مصرفی و نفوذپذیری پایین، محافظت بالا از فولاد در برابر خوردگی برخوردار می‌باشد.

ژئوپلیمر ترکیبی از مصالح ژئولوژی طبیعی سیلیکات و آلومین با یک حلال قلیایی سیلیکانی بوده که در یک واکنش شیمیایی توسط پیوندهای پلیمری تشکیل می‌شود، شکل‌گیری پیوندهای پلیمری SI-0-Al و ساختار مولکولی آن، با معرفی سه زنجیره‌ی اصلی پلی سیالیت، پلی سیالیت سیلکسو و پلی سیالیت دی سیلکو تشریح شده است بدینگونه که حلال قلیایی سیلیکاتی سبب شکستن پیوندهای اکسید آلومینیوم و اکسید سیلیس موجود در سیلیکات آلومینیوم شده و پس از حل شدن و فعال شدن ذرات Al , Si، در یک واکنش سریع پلیمریزاسیونی و با توجه به مقادیراکسید سیلیس و اکسید آلومینیوم موجود در منبع (نسبت مولی Si/Al) زنجیره اصلی مذکور شکل می‌گیرد.

محلول فعال کننده قلیایی- سیلیکاتی شامل یک محلول هیدروکسید قلیایی همچون سدیم هیدروکسید، پتاسیم هیدروکسید و کلسیم هیدروکسید به تنهایی، یا یک محلول دو ترکیبی شامل یک هیدروکسید قلیایی به همراه محلول سیلیکاتی مثل سدیم سیلیکات یا پتاسیم سیلیکات با نسبت‌های مولی و وزنی مشخص می‌باشد. مطالعات نشان می‌دهد نوع هیدروکسید قلیایی MOH (که M نوع کاتیون قلیایی می‌باشد)، غلظت آن (مولاریته) و همچنین نسبت‌های محلول دو ترکیبی که شامل نسبت وزنی M₂SiO/MOH یا نسبت مولی M₂H/SiO₂ می‌باشد، نقش بسیار مهمی را بر خصوصایت شیمیایی و مکانیکی و دوامی ژئوپلیمر دارد.

تغییر در خواص ژئوپلیمر تنها به محلول فعال کننده‌ها محدود نمی‌شود، مقادیر واکنش پذیر Si و Al موجود در پودر، مقدار مولکول‌های آب و نسبت‌های مولی کل همچون Al₂O₃/SiO₂ در تشکیل زل پلیمری M-A-S-H (M کاتیون قلیایی، A اکسید آلومینیوم، S اکسید سیلیس، H آب) تأثیر نهایی را می‌گذارند. در نتیجه به طور کلی می‌توان ترکیب ژئوپلیمری را با عبارت ] n M₂O.Al₂O₃.xSiO₂._yH₂o] بیان کرد.

ژئوپلیمر به عنوان یک ماده جدید با مزیت‌های آنچه که ذکر شده برای شناخت بیشتر و توسعه بهتر همچنان نیاز به تحقیقات گسترده دارد. چرا که نتایج به دست آمده هنوز قاطع و نهایی نیستند و از نگاهی دیگر ارائه، انتشار و گسترش آن با مواد و مصالح بومی و موجود در کشورمان در راستای توسعه این تکنولوژی نوین، تحقیق امری ضروری به نظر می‌رسد. از این سبب در پژوهش انجام شده طرح‌ها با غلظت‌های مولاریته 18/75، 15 و 11/25 که معادل محلول هیدروکسید سدیم با غلظت ماده جامد 50% ، 40% و 30% می‌باشد و همچنین نسبت‌های 2، 2/5 و 3 مقدار محلول سیلیکات سدیم به هیدروکسید سدیم ممورد بررسی قرار گرفته‌اند و بقیه پارامترهای موثر از قبیل آب به مواد چسباننده نسبت حجم محلول فعال کننده به چسباننده و … ثابت حفظ شده تا تأثیر پارامترهای مذکور در ابتدا بررسی شود.

برنامه آزمایشگاهی

مواد و مصالح

چسباننده

از سرباره کوره آهنگدازی به عنوان منبع سیلیکات آلومینیوم برای این بتن استفاده گردید. این سرباره پسماند تولید فولاد شرکت ذوب آهن اصفهان بوده که در کارخانه سیمان سپاهان آسیاب گردیده و به ریزی برابر با 4500 سانتی‌متر مربع بر گرم رسیده است. آنالیز شیمیایی این سرباره توسط دستگاه FRX انجام گردیده که در جدول شماره 1 قابل ملاحظه می‌باشد.

محلول قلیایی- سیلیکاتی

محلول قلیایی سیلیکاتی این بتن متشکل از سیلیکات سدیم با غلظت 50 درصد ماده جامد و مدول آن برابر با 2/5 می‌باشد (نسبت اکسید سدیم به اکسید سلیس). چگالی اندازه‌گیری شده سیلیکات سدیم برابر 1502 کیلوگرم بر متر مکعب باشد. همچنین هیدروکسید مصرفی طرح‌ها تهیه شده از هیدروکسید مایع تولیدی صنایع پتروشیمی بندر امام با درصد ماده خشک 50% بوده است که معادل با غلظت مولاریته 18/75 می‌باشد و خلوص کل محلول در حدود 98% تخمین زده شده است.

آب

آب مصرفی برای ساخت بتن ژئوپلیمری آب شرب تهران بوده است.

سنگدانه

سنگدانه مصرفی برای ساخت بتن تهیه شده با نسبت ماسه به شن 1.5 می‌باشد و نسبت شن درشت دانه به شن ریزدانه برابر با 1 می‌باشد. (60% ماسه، 20% شن بادامی و 20% شن نخودی) مدول نرمی برابر با 5/19 می‌باشد و حداکثر اندازه سنگدانه برابر با 19 میلیمتر می‌باشد. منحنی دانه‌بندی مصالح در ذیل قابل مشاهده می‌باشند.

اختلاط مواد و ساختن بتن

در این پژوهش عیار سرباره برای تمامی طرح‌ها برابر با 400 کیلوگرم بر متر مکعب در نظر گرفته شده است. نسبت آب به چسباننده (تمامی مواد پودری اعم از سرباره کوره آهنگدازی و مقدار ماده خشک موجود در محلول قلیایی- سیلیکاتی که در عمل پلیمریزاسیون شرکت می‌کند) برابر با 0/35 در نظر گرفته شده است. نسبت جرمی محلول فعال کننده قلیایی- سیلیکاتی به سرباره برابر با 0856 در نظر گرفته شده است. و با تغییر غلظت مولار محلول هیدروکسید سدیم از 18/75 (حالت خالص) که محلولی با غلظت 50% هیدروکسید جامد در واحد حجم می‌باشد 15 و 11/25 مول بر لیتر که به ترتیب معادل 40% و 30% ماده خشک می‌باشد، تغییر میزان غلظت در مشخصات بتن مورد بررسی قرار گرفت. از سوی دیگر با تغییر نسبت سیلیکات سدیم به هیدروکسید سدیم مقدار محلول سیلیکاتی تغییر کرده تا نتایج این تغییر بر ساختار بتن بررسی گردد.

محلول‌های هیدروکسید سدیم با غلظت‌های کمتر با اضافه کردن آب سرد به محلول خالص تهیه گردیده است و پس از شفاف شدن محلول هم دما شدن با محیط در ساخت بتن مورد استفاده قرار گرفته‌اند. محلول هیدروکسید سدیم و سیلیکات سدیم هر یک در ظروف جدا نگهداری شده و در زمان اختلاط به صورت مجزا به بتن اضافه گردیدند.

مراحل ساخت بتن

برای ساخت بتن ابتدا سنگدانه و مواد پودری به آرامی با یکدیگر به مدت 60 ثانیه مخلوط و سپس محلول فعال کننده و پس از آن آب به عنوان آخرین جز به بتن اضافه گردید. بتن به مدت زمان 3-4 دقیقه جهت تشکیل بتن یکنواخت و همگن در مخلوط کن مخلوط گردیده است. برای نمونه‌گیری از بتن از قالب‌های مکعبی 10 سانتی‌متری چدنی استفاده گردیده است.

با توجه به سرعت بالای گیرش و سخت شدن این بتن پس از گذشت 1 ساعت امکان باز کردن قالب‌ها از نمونه‌ها وجود دارد.

شرایط عمل‌آوری

نمونه‌ها پس از باز شدن از قالب برای حفظ رطوبت و ایجاد شرایط عمل‌آوری رطوبتی- دمایی یکسان برای تمامی طرح‌ها به صورت مسغرق در آب عمل‌آوری شده‌اند.

آزمایش‌ها و نتایج تحلیل داده‌ها

آزمایش بتن تازه

روانی بتن تازه و مقدار پخش‌شدگی

میزان روانی بتن قبل از نمونه‌گیری توسط آزمایش جریان اسلامپ بتن طبق استاندارد SIRI 11270 سنجیده شده و بازه روانی تمامی طرح‌ها در بین 63-65 سانتی‌متر بوده است. بازشدگی 50 سانتی‌متری (T50) بتن‎‌ها در بازه 3/5 تا 4/5 ثانیه به طول انجامید.

آزمایش بتن سخت شده

جذب آب حجمی

جهت انجام آزمایش جذب آب حجمی از نمونه‌های 10*10*10 استفاده گردید که تمامی نمونه‌ها در شرایط برابر عمل‌آوری شده و آزمایش جذب آب حجمی پس از گذشت 28 روز از سن نمونه‌ها انجام گردیده است. ابتدا سطح تمامی نمونه‌ها تمیز گشت و سپس در داخل اون 110 درجه قرار گرفت تا زمانی که تمامی نمونه‌ها به وزن ثابت برسند و کاملاً خشک شوند. وزن نمونه‌های خشک اندازه گیری شد و سپس در داخل آب در دمای محیط مستغرق شده‌اند و پس از گذشت 0/5 و 24 ساعت از آب خارج شد، آب سطحی آن‌ها جمع‌آوری و توزین می‌گردند و سپس به داخل آب بازگردانده شد تا به وزن ثابت برسند و میزان جذب آب نهایی آن‌ها مشخص گردد.

در نامگذاری طرح‌ها عدد اول نشان دهنده غلظت محلول هیدروکسید سدیم و عدد دوم مقدار نسبت سیلیکات سدیم به هیدروکسید سدیم می‌باشد.

نتیجه‌گیری

براساس مشاهدات و نتایج به دست آمده در این پژوهش این نتیجه حاصل می‌گردد که:

جذب آب نیم ساعته تمامی نمونه‌ها بالا بوده و درصد زیادی از مقدار آب جذب شده را در این زمان جذب می‌نمایند و جذب آب نیم ساعته طرح‌های ساخته شده با غلظت مولاریته برابر به استثنای غلظت 11/25 تقریباً یکسان بوده و نشان می‌دهد که تغییر نسبت سیلیکات سدیم به هیدروکسید سدیم در طرح مخلوط آن‌ها تأثیر ناچیزی بر جذب آب اولیه نمونه‌ها دارد. همچنین پس از گذشت 24 ساعت از زمان مستغرق نمودن نمونه‌ها در آب بیش از 90 درصد میزان ظرفیت جذب آب نمونه‌ها اشباع گردیده و این مقدار فرق ناچیزی با میزان جذب آب نهایی نمونه‌ها دارد. و انیکه در دو غلظت 18/75 و 15 مولار مشاهده می‌شود که با کاهش نسبت سیلیکات سدیم به هیدروکسید سدیم میزان جذب آب کاهش می‌یابد اما در غلظت مولاریته 11/25 هیدروکسید سدیم کاهش نسبت مقدار سیلیکات سدیم به هیدروکسید سدیم باعث افزایش میزان جذب آب نمونه‌ها گشته است.

منبع: انجمن بتن ایران