کلیات

سال ها قبل، انسان به این کشف مهم و ارزنده نائل آمد و دریافت که وقتی مواد سیلیسی بسیار ریز با آهک مخلوط می شود، سیمان های دارای خواص هیدرولیکی تولید می‌نماید. یک نوع از این مواد، خاکستر آتشفشانی تحکیم یافته یا توف بود که در حوالی پوزولی ایتالیا پیدا شد. پس از آن، واژه پوزولان به هر نوع ماده ای با خاصیت مشابه فوق صرف نظر از منشأ زمین شناسی آن، اطلاق گردید.

ASTM-C618 پوزولان را به این صورت تعریف می کند: «ماده سیلیسی یا سیلیسی آلومیناتی که به خودی خود ارزش چسبندگی ندارد، اما به شکل ذرات بسیار ریز و در مجاورت رطوبت با درجات حرارت معمولی با هیدروکسید کلسیم واکنش شیمیایی داشته و ترکیباتی را به وجود می آورد که خاصیت سیمانی و چسبندگی دارد.» بنابراین، پوزولان یک ماده طبیعی یا مصنوعی است که حاوی سیلیس فعال است. لازم است که ماده پوزولانی به شکل پودر شده باشد، زیرا فقط در این صورت سیلیس می تواند در حضور آب با آهک (که بر اثر هیدراتاسیون سیمان پرتلند ایجاد می گردد) سیلیکات های کلسیم پایدار را که دارای خواص چسبندگی اند، تشکیل دهند. ضمناً در بررسی کلی پوزولون ها باید متذکر شد که سیلیس آنها باید بی شکل (آمورف) باشد، زیرا قابلیت ایجاد واکنش سیلیس متبلور بسیار کم است.

سیمان پرتلند پوزولانی به مخلوط های توأم آسیاب شده یا مخلوط شده سیمان پرتلند و مواد پوزولانی اطلاق می گردد. غالباً مواد پوزولانی از سیمان پرتلندی که جایگزین آن می شوند ارزانترند.

ولی امتیاز عمده آنها در هیدراتاسیون کند و بنابراین، روند توسعه حرارت کم نهفته است. در ساختمان های انبوه بتنی این امر اهمیت زیادی دارد و دقیقاً در این نوع ساختمان هاست که غالباً سیمان پرتلند پوزولانی با جایگزینی بخشی از سیمان پرتلند با مواد پوزولانی مصرف می شود. همچنین سیمان های پرتلند پوزولانی در برابر حمله سولفات ها و بعضی دیگر از عوامل مخرب مقاومت خوبی از خود نشان می دهند. این امر به دلیل واکنش پوزولانی است که مقدار کمتری آهک به جا می گذارد تا به خارج راه یابد و نیز نفوذپذیری بتن را کاهش می دهد. لیکن مقاومت در برابر یخ زدن و آب شدن تا سنین بعدی که واکنش عمده پوزولانی تخلخل خمیر سیمان را کاهش داده است، نمی تواند ایجاد شود. باید به خاطر داشت که آثار خوب و بد مواد پوزولانی بسیار متغیرند و بدین جهت توصیه می شود که هر ماده پوزولانی آزمایش نشده ای در ترکیب با سیمان و سنگدانه هایی که در ساختمان واقعی مصرف خواهند شد، مورد آزمایش قرار گیرد. به علت کنش آهسته پوزولان ها باید عمل آوردن پیوسته مرطوب و دمای عمل آوردن مناسب برای مدتی بیشتر از آنچه به طور معمول لازم است، فراهم شود.

طبقه بندی و مشخصات استاندارد برای پوزولان ها

پوزولان ها را از لحاظ منشأ وجودی به پوزولان های طبیعی و مصنوعی تقسیم می کنند. پوزولان های طبیعی شامل خاک های دیاتمه، چرت های اپالینی و شیل ها، توف ها و خاکستر آتشفشانی است. منابع اصلی پوزولان های مصنوعی عبارتند از کوره های استخراج فلزات تولیده کننده آهن خام، فولاد، مس، نیکل، سرب، سیلیس و آلیاژهای فروسیلیس، و نیروگاه هایی که از زغال سنگ به عنوان سوخت استفاده می کنند. امروزه این مواد مصنوعی که با قیمت کم عمدتاً قابل دسترس اند، به عنوان جایگزین بخشی از سیمان پرتلند مصرفی در بتن مورد استفاده وسیعی قرار گرفته است. به علاوه، بدیهی است که بیشتر این مصنوعات قادرند مقاومت نهایی و دوام بتن با سیمان پرتلند را بهبود بخشند.

یکی از اولین طبقه بندی ها برای پوزولان های طبیعی توسط میلنز پیشنهاد گردید. در این سیستم طبقه بندی، پوزولان های طبیعی بر اساس شش نوع فعالیت دسته بندی شدند. جدیدترین طبقه بندی که توسط ماسازا پیشنهاد گردید، پوزولان های طبیعی را به سه دسته تقسیم می نماید. گروه اول، شامل سنگ های پیروکلاستیک که مواد با منشأ آتشفشانی اند. توف های پوزولانی و تراس از این دسته محسوب می شوند. گروه دوم، مواد تغییر یافته با درصد سیلیس زیاد است که طی یک روند شامل ته نشین ساختن مواد با منشأهای متفاوت، شکل داده شده اند. گروه سوم، موادی با منشأ کلاستیک، شامل رس‌ها و خاک های دیاتمه است.

ASTM-C618 طبقه بندی زیر را برای پوزولان ها ارائه می دهد:

- پوزولان ردهN: پوزولان های طبیعی خام یا کلسینه شده شامل خاک های دیاتمه، چرت های اپالین و شیل ها، توف ها و خاکسترهای آتشفشانی یا پومیسیت ها، بعضی شیل ها و رس های کلسینه شده.

- پوزولان ردهF: خاکستر بادی با منشأ زغال سنگ قیری.

- پوزولان ردهC: خاکستر بادی، خاکستر لیگنیت با منشأ زغال سنگ قیری.

- پوزولان ردهS: هر نوع مواد دیگر شامل پومیسیت های عمل شده، بعضی دیاتمه ها، رس ها و شیل های کلسینه شده و آسیاب شده.

مشخصات استاندارد و روش های آزمایش برای انواع مختلف پوزولان ها توسط آیین نامه های مختلف بیان شده است. تمام کدهای استاندارد مشخصات فیزیکی و شیمیایی پوزولان ها را جهت تشخصی مناسب یا نامناسب بودن آنها مورد بحث قرار می دهند. براساس مطالعات و تحقیقات انجام گرفته در زمینه مواد افزودنی مصنوعی این نتیجه حاصل شده است که ترکیبات کانی شناسی و مختصات ذرات مواد، تعیین کننده خاصیت پوزولانی و سیمانی بودن یک پوزولان اند. اخیراً نامبرده برخی از کدهای استاندارد در خصوص خاکستر بادی(PFA) گرد سیلیس، سرباره کوره آهنگدازی و پوزولان های طبیعی را نیز مورد بررسی قرار داده است.

برخی از کدهای استاندارد از جملهASTM-C618,BS3892 ضوابط خاصی را برای خواص شیمیایی و فیزیکی خاکستر بادی(PFA) جهت مصرف در بتن ارائه داده اند. اما برای گرد سیلیس (دود سیلیس) که یک ماده پوزولانی نسبتاً جدید است، تنها در آیین نامه کاناداییCSA² محدودیت هایی برای مقدارSO₂، مقدارSO₃ افت سرخ شدن، میزان ذرات باقی مانده روی الک45 میکرون، اندیس فعالیت پوزولانی مقدار آب لازم جهت مصرف در بتن بیان شده است.

بیشتر استانداردها از جملهASTM-C618 برای پوزولان های طبیعی یک حداقل70 درصد را برای مجموعسه اکسید اصلی شاملFe₂O₃,SiO₂ مقرر داشته است. همچنین یک حداکثر برابر با 10 درصد برای افت سرخ شدن و3 درصد برای درصد رطوبت دو محدودیت مفید برای خواص شیمیایی هستند که توسط استانداردها بیان شده اند. از دیدگاه خواص فیزیکی نیز برای استفاده از پوزولان های طبیعی در بتن، بیشتر کدهای استاندارد محدودیت هایی در مورد میزان ذرات مانده روی الک45 میکرون، اندیس فعالیت پوزولانی و مقدار آب را توصیه کرده اند.

خواص بتن با مواد پوزولانی

بسیاری از خواص بتن، بر اثر استفاده از مواد پوزولانی بهبود می یابد. بعضی آثار ناشی از خواص فیزیکی ذرات شامل ریزبودن و شکل ذرات، و بقیه ناشی از فعل و انفعال شیمیایی با سیمان است.

رفتار بتن تازه و درجه هیدراتاسیون سیمان پرتلند را می توان از خواص فیزیکی دانست که به اندازه ذرات پوزولان وابسته اند. مقاومت و نفوذپذیری بتن سخت شده، مقاومت در مقابل بروز ترک های حرارتی، واکنش قلیایی دانه ها و خرابی سولفاتی از خواص بسیار مهمی هستند که از فعل و انفعال شیمیایی پوزولان با سیمان ناشی می شوند. در این بخش بعضی از آثار مواد پوزولانی بر روی خواص بتن به طور خیلی کلی بیان می‌گردد و در بخش های بعدی به تفضیل آثار مهم چند ماده پوزولانی که در انجام دادن تحقیقات مورد استفاده قرار گرفته اند، جداگانه تشریح خواهند شد.

الف) تأثیر پوزولان ها بر روی خواص بتن تازه عموماً به صورت یک اثر پایدار کننده ظاهر می شود. این بدان معناست که افزودن ذرات خیلی ریز به مخلوط بتن باعث کاهش اساسی در ابعاد لوله های مویینه در بتن، تمایل مخلوط به جدایی را کاهش داده و مشخصات پرداخت پذیری بتن را بهبود می بخشد. کارآیی یکی دیگر از خواص بسیار مهم بتن تازه است و اساساً به میزان چسبندگی مخلوط بستگی دارد. بر طبق گزارش‌های داده شده، افزودن پوزولان ها به مخلوط بتن با سیمان معمولی اساساً چسبندگی مخلوط را افزایش می دهد، به جز بعضی از انواع خاکستر بادی(PFA) با درصد کربن کم که کارآیی بتن را افزایش می دهد. اضافه نمودن دوده سیلیس به بتن سبب افزایش چسبندگی و پایداری مخلوط می گردد. به علاوه آب انداختن و جدایی مخلوط به مقدار زیادی کاهش می یابد. افزایش چسبندگی مخلوط بدین معناست که جهت رسیدن به کارآیی معمول در بتن های با دوده سیلیس اسلامپ بالاتری لازم است. با افزودن مقادیر خیلی کم دوده سیلیس به بتن معمولی، به آب بیشتر با استفاده از مواد مضاف کاهش دهنده آب به منظور تثبیت کارآیی نیازی نیست ولی با افزودن مقادیر بیشتر، معمولاً آب بیشتری جهت تأمین اسلامپ معین مورد نیاز است.

گزارش های منتشر شده در خصوص اثر پروزولان های طبیعی بر روی کارآیی ملات ها و بتن ها بسیار اندک است. بررسی های مختلف نشان داده است که مخلوط های با سیمان پرتلند و پوزولان های طبیعی نسبت به بتن های با سیمان پرتلند معمولی هت حصول کارآیی ثابت، آب بیشتری را طلب می کند و مقدار آب لازم با افزایش میزان پوزولان جایگزین شده به جای سیمان به دلیل ریزی بیشتر دانه ها و سطح مخصوص زیادتر بیشتر خواهد شد. زمان گیرش اولیه و نهایی بتن های با سیمان پرتلند و پوزولانی به مقدار پوزولان جایگزین شده به جای سیمان و ریزی و درجه فعال بودن پوزولان بستگی دارد.

ب) حرارت هیدراتاسیون مخلوط های حاوی سیمان پرتلند عموماً بیشتر از مخلوط های دارای سیمان پرتلند به اضافه پوزولان است. اولین گزارش ها از کاهش حرارت هیدراتاسیون توسط دیویس ارائه گردید و پس از آن محققان بسیار این یافته را مورد تأیید قرار دادند. کاهش حرارت هیدراتاسیون به کند شدن هیدراتاسیون تری کلسیم آلومیناتC₃A و تتراکلسیم آلومینوفریتC₄AF مربوط است.

ج) اثر پوزولان ها بر روی مقاومت بتن طی مقالات بسیار زیادی مورد بررسی قررا گرفته است. هم سرعت افزایش مقاومت و هم میزان مقاومت نهایی توسط هیدراتاسیون سیمان و مواد پوزولانی کنترل می گردد، زیرا میزان مقاومت تابعی از روند پر شدن منافذ توسط محصولات ایجاد شده بر اثر هیدراتاسیون است. بنابراین به دلیل کندی واکنش‌های بیشتر پوزولان ها، مقاومت بتن با مواد پوزولانی در سنین کم معمولاً از مقاومت بتن معمولی کمتر است.

مطالعات انجام شده در مورد تأثیر پوزولان های طبیعی بر روی مقاومت ملات ها و بتن‌ها نشان می دهد که مقاومت بتن های حاوی مقدار پوزولان زیاد، در سنین کم یک کاهش جزیی دارد، اما مقاومت نهایی این بتن ها ممکن است از بتن معمولی بیشتر باشد.

ماسازا تأثیر بعضی از پوزولان های طبیعی ایتالیا بر روی مقاومت فشاری ملات ها را بررسی کرده است و ی دریافته است که افزودن بیش از20 درصد از بعضی پوزولان ها، مقاومت ملات را کاهش خواهد داد. علاوه بر این، مقاومت ملات های حاوی سیمان پرتلند و مواد پوزولانی تا28 روز، از مقاومت ملات های معمولی کمتر و این نتیجه برای تمامی درصدهای پوزولان جایگزین سیمان صادق بوده است. در فاصله 28-90 روز فعالیت پوزولانی بسیار مهم است زیرا مقاومت سیمان با20 درصد پوزولان بیشتر از بتن کنترل در سن90 روزه است.

د) مدول الاستیسیته و خزش بتن اساساً بستگی به مقاومت بتن و سختی دانه ها دارد. در بتن های حاوی سیمان پرتلند و پوزولان طبیعی با مقاومت اولیه پایین، به طور کلی مدول الاستیسیته به مقدار خیلی جزیی کمتر و خزش به مقدار خیلی جزیی بیشتر از بتن بدون پوزولان است. اطلاعات زیادی در مورد خواص مربوط به مدول الاستیسیته و خزش بتن با دوده سیلیس وجود ندارد، اما با توجه به توانایی دوده سیلیس در افزایش مقاومت اولیه بتن واضح است که مدول الاستیسیته را افزایش داده و خزش را کم می‌کند. با آزمایش های انجام شده بر روی بتن با25 درصد دوده سیلیس جایگزین شده به جای بخشی از سیمان پرتلند این نظریه تأیید شده است.

هـ) یکی از مهمترین خواص پوزولان ها وقتی به عنوان جایگزین بخشی از سیمان پرتلند استفاده می شوند، عبارت از توانایی قابل ملاحظه آنها در کاهش منافذ بزرگ و نفوذ پذیر بتن است. بررسی های مختلف نشان داده است که پوزولان ها مؤثرترین کاهش دهنده نفوذپذیری در مخلوط های کم مایه اند. از یک بررسی بر روی مقاومت و نفوذپذیری (به روش آب) سیمان پرتلند به اضافه مواد پوزولانی، این نتیجه حاصل شده که در مراحل مختلف روند عمل آوردن بتن، حجم منافذ بزرگ با قطر بیشتر از1000 آنگستروم (و نه کل تخلخل خمیر هیدراته شده) به طور معکوس با مقاومت و نفوذپذیری بتن ارتباط دارد. نتایج برخی تحقیقات حاکی از آن است که افزودن پوزولان‌هایی چون PFA و سرباره کوره ذوب آهن دانه ای به سیمان پرتلند باعث ایجاد منافذ خیلی ریز با تبدیل منافذ بزرگ به منافذ ریز می گردد.