پوزولان ( خصوصيات و ويژگي‌ها، روش‌هاي تست و ارزيابي کيفيت، مزاياي استفاده)

مقدمه:

پوزولان يک ماده افزودني به کلينکر سيمان است که اگر نوع مرغوب آن تحت کنترل دقيق و نمونه برداري‌هاي صحيح و مکرر و آزمايش‌هاي مداوم به کلينکر مرغوب و با کيفيت بالا افزوده شود در افزايش کيفيت سيمان و بتن حاصل از آن بسيار مؤثر است و خواصي را در بتن ايجاد مي‌کند که بتن حاصل از سيمان بدون افزودني فاقد آن خواص خواهد بود.

در گزارشات مستند و مطالعات دقيق علمي اين نکته محرز گرديده که يک پوزولان خوب مي‌تواند علاوه بر افزايش مقاومت شيميايي بتن، عيوبي را که در اثر مصرف سيمان معمولي در بتن رخ مي‌دهد مرتفع گرداند و با توجه به تنوع آب و خاک در مناطق مختلف استفاده از اين نوع سيمان در برخي مناطق يک ضرورت اجتناب‌ناپذير است، اما متأسفانه به دليل استفاده از پوزولان‌هاي نامرغوب و يا کلينکرهاي فاقد کيفيت لازم جهت توليد سيمان پوزولاني و افزايش بدون برنامه و کنترل‌هاي دقيق پوزولان به کلينکر سيمان و در نتيجه توليد سيمان‌هاي پوزولاني فاقد کيفيت لازم توسط برخي توليد‌کنندگان، عموماً اين تصور وجود دارد که افزودن پوزولان به سيمان تنها به‌عنوان راه‌حلي جهت افزايش توليد سيمان و نيز کاهش هزينه‌هاي توليد و انرژي مي‌باشد. در اين راستا توليدکننده منتفع و مصرف کننده متضرر خواهد بود. نوشتار زير اختصاراً به تعريف، خصوصيات و ويژگي‌ها، روش‌هاي تست و مزاياي استفاده از اين ماده مي‌پردازد.

 

تعريف پوزولان:

پوزولاني که در صنايع سيمان و به‌عنوان يک افزودني به کلينکر سيمان مطرح است عبارت است از يک ماده طبيعي يا مصنوعي که شامل سيليس و يا سيليس و آلوميناي پخته شده مي‌باشد. چنانچه اين سيليس و آلوميناي پخته شده در هنگام سرد شدن بسيار سريع سرد شده باشند و فرصت کريستاليزه شدن (بلوري شدن) را نيافته باشند و به شکل غير کريستالي و غير بلوري و در حقيقت بدون شکل (آمورف) و داراي فاز شيشه‌اي باشند پتانسيلي در آنها ذخيره مي‌باشد که اين پتانسيل مي‌تواند بوسيله محرکي مثل ئيدروکسيد کلسيم فعال شود و تشکيل فازي را دهد که داراي خاصيت چسبندگي و سيماني (هيدروليکي) است. اين نوع پوزولان که داراي سيليس و آلوميناي آمورف و غير بلوري است، پوزولاني است که مي‌تواند به‌عنوان افزودني به کلينکر سيمان افزوده شود و خواص مطلوبي را در آن ايجاد نمايد.

پوزولان‌ها به دو دسته کلي مصنوعي و طبيعي تقسيم مي‌شوند. منشاء اصلي پوزولان‌هاي طبيعي آتشفشان‌ها مي‌باشند (البته پوزولان‌هاي طبيعي علاوه بر آتشفشان‌ها منشاء ديگري دارند که رسوبات دريايي حاوي اسکلت دياتومه‌ها و جانداران دريايي مي‌باشد که در اينجا مورد نظر نمي‌باشد) در هنگام آتشفشان‌ها، خصوصاً آتشفشان‌هاي انفجاري مقادير عظيمي از مواد مذاب (ماگما) از دهانه آتشفشان به بيرون پرتاب مي‌شود. همين شدت پرتاب مواد مذاب باعث تبديل آنها به ذرات ريزتر و در نتيجه تبادل حرارتي بهتر با هواي محيط و سرد شدن سريع‌تر آنها مي‌گردد. در نتيجه عمدتاً بدون فرم کريستالي و آمورف هستند، معمولاً آتشفشان‌هاي غير انفجاري يا اعماق توده‌هاي مذاب که آهسته سرد شده‌اند عمدتاً بلوري و کريستاليزه شده هستند و فاز شيشه‌اي آنها کم است و يا اصلاً فاقد فاز شيشه‌اي و آمورف مي‌باشند که از اين جهت مناسب براي افزوده شدن به کلينکر سيمان نيستند.

منشاء پوزولان‌هاي مصنوعي عمدتاً روباره‌هاي کوره‌هاي ذوب فلزات و ضايعات و توليدات فرعي برخي صنايع نظير خاکستر بادي حاصل از سوختن ذغال سنگ در نيروگاه‌ها مي‌باشد. بنابراين پوزولان به تنهايي فاقد خاصيت سيماني و چسبندگي است و به هيچ‌وجه يک اتصال‌دهنده هيدروليکي محسوب نمي‌شود و تنها پودر نوع غير کريستالي و غير بلوري آن که شامل سيليس و آلوميناي شيشه‌اي و آمورف است در حضور رطوبت و دماي محيط با ئيدروکسيد کلسيم ترکيب مي‌شود و فاز جديدي به نام هيدروسيليکات کلسيم آلوميني CaO,Al2O3, 5SiO2,5H2O  ايجاد مي‌کند که خاصيت سيماني و هيدروليکي دارد.

 

ويژگي‌ها و کنترل‌هاي لازم و تست‌هاي ارزيابي پوزولان‌ها:

يک پوزولان مناسب بايد بيش از 25 درصد سيليس فعال داشته باشد و نسبت فاز آمورف و غير بلوري آن به فاز بلوري و کريستاليزه شده آن بيشتر باشد. در واقع همانطور که قبلاً اشاره شد، پودر مواد سيليسي و آلوميناي غير بلوري موجود در پوزولان است که با ئيدروکسيد کلسيم ناشي از آبگيري سيمان خاصيت هيدروليکي ايجاد مي‌کند. پودر فازهاي کريستاليزه شده و بلوري مانند دانه‌هاي شن و ماسه عمل مي‌کنند و خاصيت هيدروليکي نداشته و خنثي و يا بعضاً مزاحم مي‌باشند. علاوه بر خصوصيت پوزولان مناسب از ديدگاه کاني شناسي و کريستالوگرافي، پوزولان مناسب بايد در محدوده تعيين شده زير نظر ترکيب شيميايي قرار گيرد.

بر اساس استاندارد C618-78. ASTM، حداقل مقدار اکسيدهاي سيليس، آلومينيم و آهن پوزولان بايستي 70 درصد باشد. حداقل تري اکسيد گوگرد (SO3) آن 5 درصد و حداکثر پرت آن در اثر سرخ شدن 12 درصد و حداکثر مقدار قليايي آن بايد بر حسب اکسيد سديم (Na2O) 1/5 درصد باشد.

مقررات ASTM همچنين تأکيد بر تهيه يک نمونه 4 کيلوگرمي از هر چهار صد تن پوزولان مصرفي دارد که از اين نمونه آزمايشات لازم به عمل آيد. زيرا همانطور که گفته شد چگونگي سرد شدن توده‌هاي مذاب آتشفشاني در کيفيت کانه آرايي پوزولان نقش دارد. اين خاصيت پوزولاني بسيار مؤثر بوده و لازم است توده‌هاي پوزولاني به صورت فراگير مورد نمونه برداري‌ها و آزمايشات دقيق قرار گيرند. زيرا نمونه برداري‌هاي سطحي و موردي توده‌هاي پوزولاني و آزمايش آنها چه بسا گمراه‌کننده خواهد بود. در واقع کنترل يکنواختي پوزولان مصرفي ضروري‌ترين ابزار لازم براي توليد سيمان پوزولاني است که در صورت مهيا نبودن اين ابزار (به‌علت عواقب بد و زيانباري که توليد سيمان پوزولاني بدون اين ابزار متوجه مصرف کننده و اعتبار توليد‌کننده خواهد کرد) صلاح بر توليد نکردن سيمان پوزولاني است.

شايد به همين دليل است که با وجود آن که مصرف پوزولان کاهش هزينه‌هاي توليد را براي توليد‌کننده در بر دارد و نيز از نظر خواصي که در بتن حاصله ايجاد مي‌نمايد براي مصرف‌کننده خالي از صرفه نيست، برخي کارخانجات از توليد آن صرف نظر کرده‌اند.

 

تست‌هاي ارزيابي پوزولان:

  1. 1.        اندازه‌گيري ميزان جذب CaO  توسط پوزولان: 

اين آزمايش يک روش شيميايي براي اندازه‌گيري فعاليت پوزولان محسوب مي‌شود که در آن توانايي پوزولان براي واکنش دادن با CaO سنجيده مي‌شود که در آن نمونه پودر شده پوزولان داخل محلول اشباع آب آهک ريخته مي‌شود و طي مدت آزمايش (معمولاً دو روز) به‌طور مداوم هم زده مي‌شود. سپس ميزان آهکي که جذب نمونه پوزولان شده اندازه گيري مي‌شود. يک پوزولان قابل قبول بايستي به ازاء هر گرم نمونه پوزولان حداقل 20 ميلي‌گرم اکسيد کلسيم (CaO) جذب نمايد.

  1. 2.       اندازه‌گيري باقيمانده نامحلول (پس از حل کردن در اسيد و قليا): 

در اين روش به‌طور غيرمستقيم فعاليت پوزولان معين مي‌گردد، باقيمانده نامحلول نشانگر جزء غير فعال (فازهاي بلوري و کريستاليزه شده سيليس و آلومينا) پوزولان است که حداکثر مقدار قابل قبول آن چهل درصد وزني مي‌باشد.

  1. 3.       اندازه‌گيري انديس هيدروليک:  

در اين روش فعاليت مکانيکي پوزولان تست مي‌شود که در آن مقاومت 28 روزه سيمان پوزولاني با مقاومت 28 روزه همان نمونه سيمان که بجاي پوزولان به همان ميزان پوزولان يک افزودني کاملاً غيرفعال مثل کوارتز و نيز مقاومت 28 روزه همان سيمان بدون هيچ‌گونه افزودني سنجيده مي‌شود. انديس هيدروليک صفر نشان‌دهنده اين است که افزودني به سيمان هيچ‌گونه خاصيت هيدروليکي ندارد و انديس هيدروليکي صد در صد نشان‌دهنده اين است که ماده افزودني از نظر خاصيت هيدروليکي مثل سيمان عمل مي‌کند و با سيمان يکسان است. يک پوزولان قابل قبول و مجاز براي افزوده شدن به کلينکر سيمان بايد حداقل انديس هيدروليکي 25% را داشته باشد. انديس هيدروليک از راه زير قابل محاسبه است:

(HI *100)=(Cp - Cq) / (C - Cq)

که در آن:

HI: انديس هيدروليک

CP: مقاومت فشاري 28 روزه ملات ISo مخلوط 30%افزودني (پوزولان) و 70% سيمان پرتلند شاهد

Cq: مقاومت فشاري 28 روزه ملات ISo مخلوط 30% افزودني خنثي (کوارتز) و 70% سيمان پرتلند شاهد

C: مقاومت فشاري 28 روزه ملات ISo  سيمان پرتلند شاهد (خالص)

انديس هيدروليک در زمان‌هاي ديگر مثلاً سه روزه، هفت روزه نيز با استفاده از مقاومت‌هاي يکسان در همان زمان از رابطه فوق قابل محاسبه است.

  1. 4.       اندازه گيري انديس پوزولاني:  

در اين روش نيز فعاليت مکانيکي پوزولان تست مي‌شود و در آن يک نمونه شاهد از اختلاط 500 گرم سيمان خالص و 1375 گرم ماسه استاندارد و 242 سي سي آب مطابق دستورالعمل‌هاي استاندارد ساخته و قالبگيري مي‌شود. سپس نمونه مورد آزمايش نيز از اختلاط 400 گرم سيمان خالص و 100 گرم پوزولان و 1375 ماسه استاندارد با مقدار معين آب طبق دستورالعمل‌هاي استاندارد ساخته و قالبگيري مي‌شود و مقاومت 28 روزه اين قالب‌ها اندازه گرفته مي‌شود. سپس از رابطه زير انديس پوزولاني قابل محاسبه مي‌باشد.

pi×100=Cp / C

که در آن:

pi : انديس پوزولاني

CP: مقاومت فشاري 28 روزه سيمان پوزولاني (نمونه مورد آزمايش)

C: مقاومت فشاري 28 روزه سيمان خالص (نمونه شاهد)

براي يك پوزولان قابل قبول جهت افزوده شدن به كلينكر سيمان حداقل انديس پوزولان بايد 75% باشد.

يك پوزولان مناسب بايد در آزمايش‌هاي انديس هيدروليك، جذب CaO و باقيمانده نامحلول جواب قابل قبول بدهد تا مجوز افزايش به كلينكر سيمان را داشته باشد خصوصاً انديس هيدروليك كه نشان مي‌دهد آيا اين افزودني به سيمان خاصيت چسبندگي و هيدروليكي دارد يا خير ؟ به هر حال وقتي به كلينكر مرغوب سيمان حدود 5% افزودني، افزوده مي‌شود حتي اگر خاك باشد بعد از 28 روز مقاومتي را خواهد داد. ولي اين تست نشان مي‌دهد كه اين افزودني نسبت به يك ماده كاملاً خنثي كه هيچ‌گونه خاصيت هيدروليكي در ملات سيمان ايجاد نمي‌كند چقدر خاصيت هيدروليكي و چسبندگي دارد. اندازه گيري انديس پوزولان به هيچ‌وجه نمي‌تواند به‌عنوان يك شاخص براي افزودن يك نوع افزودني به سيمان ملاك عمل قرار بگيرد و چه بسا كه يك پوزولان كاملاً نامرغوب در اين تست جواب قابل قبول بدهد(با توجه به بالا بودن كيفيت كلينكر).

 

خواص مطلوبي كه يك پوزولان خوب به سيمان و بتن حاصله مي‌دهد:

الف) كاهش حرارت حاصل از هيدراتاسيون سيمان كه در بتن ريزي‌هاي حجيم از بروز تنش‌هاي حرارتي در داخل بتن و تضعيف آن مي‌كاهد چون سبب مي‌شود كه گيرش و افزايش مقاومت به كندي اتفاق افتد و لذا افزايش دما نيز كندتر صورت مي‌گيرد.

ب) نفوذپذيري كمتر بتن‌هاي ساخته شده با سيمان پوزولاني كه موجب مقاومت بيشتر در مقابل حملات شيميايي خصوصاً املاح سولفات بوده و نيز دوام بتن را در مقابل يخبندان‌هاي مكرر حفظ مي‌نمايد.

پ) كاهش انبساط قليايي، پوزولان‌ها به سرعت با اكسيد پتاسيم و اكسيد سديم موجود در سيمان و شن و ماسه وارد عمل شده و آنها را از محيط اكسيدهاي سيليسيم دور مي‌كنند و لذا انبساط ناشي از حضور قليايي‌ها اتفاق نمي‌افتد.

ت) همانطور كه مي‌دانيم فاز سه كلسيم آلومينات در سيمان پس از گيرش سيمان در صورت موجود بودن سولفات‌هاي سديم و منيزيم در آب يا خاك مجاور بتن با آن وارد واكنش مي‌شود كه باعث تجزيه و كاهش مقاومت و نهايتاً تخريب بتن مي‌گردد. به همين دليل در جاهائي كه احتمال حمله سولفات‌ها وجود دارد سيمان‌هاي تيپ دو و تيپ پنج بكار برده مي‌شود كه مقدار فاز سه كلسيم آلومينات در اين سيمان‌ها به ترتيب کمتر از هشت درصد و پنج درصد مي‌باشد.

با بكار بردن سيمان پوزولاني خطر حمله سولفات‌ها نيز تا حدود زيادي كاهش مي‌يابد يعني وقتي در سيمان 30% پوزولان خوب داريم مثل اين است كه بدون اين كه خاصيت هيدروليكي و چسبندگي سيمان را كاهش دهيم به مقدار 30% از فاز سه كلسيم آلومينات بكاهيم. ديگر اين كه ئيدروكسيد كلسيم كه در اثر آبگيري سيمان حاصل مي‌شود و باعث تضعيف بتن مي‌شود. در سيمان پوزولاني به‌علت موجود بودن سيليس فعال اين هيدروكسيد كلسيم توليد شده جذب سيليس مي‌شود و با آن واكنش داده و ضمن ايجاد خاصيت سيمان و هيدروليكي نقش تخريبي هيدريك كلسيم را از بين مي‌برد. بنابراين سيمان پوزولاني مرغوب، بتن را در مقابل تخريب و خوردگي سولفات‌ها و قليايي‌ها محافظت مي‌كند.

ث) افزايش توليد كارخانه‌هاي سيمان، كاهش قيمت تمام شده، صرفه‌جويي در مصرف انرژي و در حقيقت افزايش كميت بدون كاهش و تحت الشعاع قرار دادن كيفيت و بلكه افزايش آن.

با توجه به اين كه هر نوع سيمان براي منظور خاصي تهيه مي‌شود، كاربرد انواع سيمان به معني رشد مقاومت يكسان با هر نوع سيمان نيست. مثلاً در موردي كه مشكل خاص آلودگي قليايي در محلي كه براي بتن‌ريزي در نظر گرفته شده، دارد، نمي‌توان انتظار داشت كه هم مشكل تركيدگي بتن به‌علت حضور قليايي‌ها حل شود و هم رشد مقاومت بتن ساخته شده با سيمان تيپ يک باشد بلكه ابتدا با استفاده از يك سيمان خاص مشكل مورد نظر حل مي‌شود. ولي اين اطمينان وجود دارد تمام انواع سيمان‌ها پس از گذشت نود روز به مقاومت يكساني مي‌رسند.

به هر حال چنانچه ماده افزودني به سيمان (پوزولان) فاقد شرايط و مشخصات گفته شده باشد ذرات آن وارد واكنش با سيمان نمي‌شود و بصورت آزاد در ملات باقي خواهد ماند. اين ذرات به علت اين كه خاصيت جاذب رطوبت دارند رطوبت محيط را در حالت آزاد جذب مي‌نمايد و رطوبت اين ذرات بتدريج با ميلگرد موجود در بتن، اكسيد آهن را تشكيل مي‌دهد كه با ايجاد لاية نازك در اثر افزايش حجم اكسيد آهن اطراف ميلگرد از سيمان خالي مي‌ماند. در اين صورت سيمان خاصيت مهم حفاظت و پوشش دور ميلگرد را از دست خواهد داد و سازه در عمرهاي بالا به شدت آسيب‌پذير خواهد بود. ضمن اين كه مقاومت چنين سيماني نيز پائين خواهد بود زيرا افزايش پوزولان نامرغوب به سيمان و ساختن بتن از آن (اگر آنچه به عنوان پوزولان به سيمان مي‌افزائيم مواد و عناصر مزاحم را نداشته باشد) مترادف با اين است كه بتن با عيار سيمان پائين تر ساخته مي‌شود. اگر پوزولان علاوه بر نامرغوب بودن و نداشتن مواد ذکر شده، مواد و عناصر مزاحم نيز داشته باشد كه ضرري بسيار بيشتر از پائين بودن عيار سيماني بتن خواهد داشت.

 

نتيجه‌گيري:

چه كلينكري بالاترين پتانسيل را براي مصرف پوزولان دارد؟

اغلب اين تصور وجود دارد كه پوزولان براي از بين بردن آهك آزاد خوب است كه اين تصوير صحيح است ولي توليد كلينكر با آهك آزاد بالا هدر دادن انرژي، زمان، مواد معدني و نيز سهل انگاري در انجام وظيفه سيمان‌سازي محسوب مي‌شود. براي رسيدن به حداکثر درجه فعاليت پوزولاني در ملات سيمان نياز به آهک هيدراته بيشتر و حرارت بيشتر مي‌باشد که هر دوي اين موارد از سه کلسيم سيليکات و دو کلسيم سيليکات خصوصاً سه کلسيم سيليکات تأمين مي‌شود. هر چه سه کلسيم سيليکات در کلينکر بالاتر باشد هيدرات کلسيم بيشتري در ملات آزاد مي‌شود و حرارت بيشتر نيز حاصل مي‌آيد و پوزولان‌ها با آهک‌هاي هيدراته (ئيدروکسيد کلسيم) ناشي از هيدراتاسيون C3S، C2S، در شرايط دمايي مناسب توليد سيليکات‌هاي کلسيم هيدراته مي‌کنند که عامل استحکام و سختي است. بايد توجه داشت سيليکات کلسيم هيدراته‌اي که از ارتباط بين پوزولان و آهک هيدراته ناشي از آهک آزاد اوليه سيمان بدست مي‌آيد بسيار ناچيز است. در سيمان پوزولاني مرغوب سيليکات‌هاي کلسيم هيدراته مربوط به واکنش پوزولان با آهک هيدراته ناشي از C3S وC2S  حرارت زيادي ايجاد مي‌کند و يک واکنش گرمازاست. پس سيمان بايد حاوي C3S بيشتر باشد نه آهک آزاد، يعني بايد کاملاً پخته باشد و اشباع کامل سيليکات‌ها و آهک در کوره و طي پروسه پخت انجام شده باشد. کيفيت سيمان‌هاي پوزولاني ارتباط مستقيم با کيفيت کلينکر آنها دارد و به‌ويژه هر چه مقدار C3S بيشتر باشد کيفيت سيمان پوزولاني حاصل بالاتر خواهد بود. پس نتيجتاً براي توليد سيمان پوزولاني، کلينکر و پوزولان مرغوب مورد نياز است و بايد از افزودن مواد پوزولانيک مناسب و مرغوب به کلينکر فاقد کيفيت لازم و نيز افزودن مواد پوزولانيک نامرغوب به کلينکر مرغوب اجتناب شود.

نويسنده: مهندس محمدتقي بخشي ـ شرکت سيمان لارستان

مأخذ: نشريه سيمان شماره 138