شناخت انواع پوزولان‌‎ها

مقدمه

پوزولان ‌ها به عنوان یکی از مهمترین مواد افزودنی در تولید بتن و سیمان شناخته می ‌شوند. با توجه به اهمیت بی ‌شماری که در بهبود خواص بتن و کاهش تأثیرات زیست محیطی دارند، شناخت دقیق‌ این مواد برای مهندسان، امری بسیار حیاتی است. در این مطلب قصد داریم ضمن پاسخ به این سوال که پوزولان چیست، به بررسی انواع و کاربردهای آن در صنعت ساختمان پرداخته و نقش آنها در عملکرد بهتر و پایداری بتن و سازه‌ ها از جمله دال بتنی و سنگدال بتنی را مورد بررسی قرار دهیم.

1. پوزولان چیست و چه کارایی دارد؟

پوزولان، یک نوع ماده معدنی یا آلی است که وقتی با آب و کلسیم هیدروکسید (یا گوگرد) در بتن یا ملات ترکیب ‌شود، واکنشی شیمیایی ایجاد می‌کند. این واکنش شیمیایی منجر به تشکیل مواد نرم و پایدار در بتن خواهد شد. این مواد معمولاً به‌عنوان یکی از روش‌های کاهش مصرف سیمان و افزایش مقاومت بتن در برابر محیط‌های خورنده مورداستفاده قرار می‌گیرند. همچنین، از نظر زیست‌محیطی، استفاده از پوزولان می‌تواند منجر به کاهش گازهای گلخانه‌ای و مصرف انرژی در تولید بتن شود.

2. ریشه واژه پوزولان چیست؟

اصل این واژه ” pozzolana ” یا  “pulvis puteolanus” نام منطقه‌ای در ایتالیا است. این ماده که از سنگ‌های آذرین آتشفشانی تشکیل شده بود، حدود ۲۰۰۰ سال پیش برای اولین‌بار در ایتالیا کشف شد. در دوران قرون‌وسطی، از پوزولان برای اولین‌بار به‌عنوان یک ماده افزودنی بتن استفاده کردند. امروزه واژه “پوزولان” به هر نوع ماده معدنی یا آلی اشاره دارد که به‌عنوان یک ماده افزودنی در تهیه بتن استفاده می‌شود.

3. انواع پوزولان

در بحث امروز تحت عنوان “پوزولان چیست چه کاربردی دارد” از نظر دسته‌بندی می‌توان پوزولان‌ها را به دودسته تقسیم کرد:

1. پوزولان‌های طبیعی
2. پوزولان‌های مصنوعی

1.3. پوزولان‌های طبیعی

پوزولان‌های از نوع طبیعی از چند منظر قابل‌بررسی هستند.

• دسته اول موادی هستند با منشأ آتشفشانی
• دسته دوم، موادی با منشأ آواری
• دسته سوم موادی با منشأ آلی هستند.

پوزولان با منشأ آتشفشانی شامل سنگ‌های آذرینی هستند که از دهانه آتشفشان با خاکستر خارج می‌شوند. نکته حایز اهمیت این است که تمام مواد مذاب خارج شده از دهانه آتشفشان خاصیت پوزولانی ندارند. بلکه آنهایی که حالت اسیدی دارند و بلوری شکل هستند و حاوی کانی‌های زئولیتی هستند، جزو مواد پوزولانی محسوب می‌شوند.

پوزولان‌های با منشأ آواری میل زیادی به ترکیب با آهک دارند. رس‌ها به همراه دیاتمه می‌توانند جزو این دسته باشند. پوزولان با منشأ آلی مانند خاک‌های دیاتمه دار هستند. زیرا این دسته موارد ذخایر غنی سیلیسی دارند. با آب نیز واکنش خوبی از خود نشان می‌دهند. ایراد عمده این نوع پوزولان‌ها، مقاومت مکانیکی پایین آن است.

2.3. پوزولان‌های مصنوعی

پوزولان‌های مصنوعی معمولاً حاصل تولید انسان است. بر اثر گرما دادن به برخی از مواد خاصیت پوزولان طبیعی را تا حدود زیادی به دست می‌آورند. اگر برخی از کانی‌های رسی بین 600 تا 900 درجه سانتیگراد گرما ببینند و در حد سیمان ریز و ساییده شوند، فعالیت پوزولانی خوبی از خود نشان می‌دهند. اما این نوع پوزولان ایرادات و مشکلات عدیده خود را به همراه دارند.

4. سیمان پوزولانی

این نوع سیمان یا همان سیمان پوزولانی و طبیعی از مخلوط‌کردن سیمان پرتلند با آهک شکفته با پوکه‌های معدنی به دست می‌آید. این سیمان‌ها در شهر رم و مناطق ایتالیا به نام (پوزولان) و در شمال اروپا به نام (تراس) نامیده می‌شود. با مخلوط‌کردن نسبت وزنی ۱ به ۴ این سیمان با مواد مناسب، بهترین مقاومت به دست می‌آید.

این سیمان هنگام هیدراته شدن حرارت کمتری آزاد می‌کند؛ ازاین‌رو در بتن‌ریزی‌های حجیم و جاهایی که بتن مورد هجوم سولفات‌ها است، مصرف می‌شود. طبق استاندارد ملی ایران سیمان‌های پوزولانی به دودسته سیمان پرتلند پوزولانی و سیمان پرتلند پوزولانی ویژه طبقه‌بندی می‌شوند.

5. دسته‌بندی سیمان‌های پوزولانی

1. سیمان پرتلند پوزولانی (پ.پ.)
2. سیمان پرتلند پوزولانی ویژه (پ.پ.و.)

1.5. سیمان پرتلند پوزولانی

در سیمان پرتلند پوزولانی، ماده پوزولانی حداقل ۵٪ و حداکثر ۱۵٪  وزن سیمان را تشکیل می‌دهد و این سیمان با نشانه پ. پ. عرضه می‌گردد.

2.5. سیمان پرتلند پوزولانی ویژه

در این نوع سیمان پرتلند، ماده پوزولانی حداقل ۱۵٪ و حداکثر ۴۰٪ سیمان را تشکیل داده و این سیمان با نشانه پ. پ. و. عرضه می‌گردد.

6. معادن پوزولان

مواد قابل‌بهره‌برداری معدن را سنگ‌های آتشفشانی – رسوبی می‌سازند. این محل‌ها به‌صورت لایه‌هایی با شیب ملایم به سمت جنوب غرب است. مطالعات مقاطع میکروسکوپی و سنگ‌شناسی معدن، به‌طورکلی به دو گروه سنگ‌های آذرین اسیدی (توف‌های شیشه‌ای بلوری، لیتیک دار، ریولیتی – داسیتی) و سنگ‌های آذرین حد واسط (تراکی آندزیت تا آندزیت دگرسان) تقسیم می‌شوند. این بخش‌ها دارای میان‌لایه‌هایی از آهک‌های توفی و میکریت هستند. ازآنجاکه کیفیت یک سنگ پوزولانی (برای تولید سیمان پرتلند – پوزولان) به میزان سیلیس آمورف سنگ بستگی دارد، لذا مطالعات انجام شده نشان می‌دهد سنگ‌های اسیدی معدن دارای مرغوبیت بالاتری هستند.

دگرسانی‌های غالب در سنگ‌های اسیدی سیلیسی شدن و آرژیلی شدن و در سنگ‌های حد واسط کلریتی و اپیدوتی شدن است. بیشتر آن‌ها اثری معکوس روی کیفیت پوزولان دارند. دگرسانی زئولیتی که باعث بهبود کیفیت پوزولان می‌شود در سنگ‌های معدن مشاهده نشد. در بررسی‌های سنگ‌شناسی و کانی‌شناسی که در طی تهیه نقشه 1/2000 معدن به‌عمل‌آمده، تغییرات سنگ‌شناختی سنگ‌ها مشخص و 14 قسمت متفاوت در آن مشاهده شد. سنگ‌های محدوده‌های مختلف، مورد آزمون صنعتی (تولید سیمان پوزولانی) قرار گرفتند.

نتایج حاصل از آزمون‌های صنعتی سیمان‌های ساخته شده با استفاده از سنگ‌های پوزولانی 5 نمونه انتخابی برای اختلاط‌های 15، 20 و 30درصد حاکی از مناسب بودن واحد Et7 برای اختلاط 15درصد و 20درصد، واحد Et8 برای اختلات 15 درصد و واحد Et3 برای اختلاط 20 درصد است. ذخیره قابل بهره برداری معدن به تفکیک کیفیت حدود 15٪ + 3 میلیون تن است.

7. کاربرد پوزولان چیست؟

از نظر زمین‌شناسی، پوزولان‌ها حاصل انفجارهای آتشفشانی با ساختارهای سیلیسی و آلومینی هستند که میل ترکیبی زیادی با آهک و قلیایی‌ها دارند. فوران ناگهانی و شدید گدازه‌های آتشفشانی باعث تشکیل ذرات ریزی می‌شود که مواد گازی موجود در این ذرات باعث پدیدآمدن حباب‌های ریزی، در آن‌ها می‌شود که در نهایت مشخصه پوک بودن و داشتن سطح ویژه گسترده را به ذرات می‌دهند.

قابلیت ترکیبی ذرات شیشه‌ای پوزولان در حالت پودر و شرایط مناسب با آب و آهک، موجب شده تا با خواص سیمانی خود بر کیفیت محصول افزوده شود و با تشکیل ژل سیلیکاتی ویژه، در برابر عوامل مخرب و تهاجمات و تنش‌های حرارتی، مقاومت بسیار خوب و مطلوبی را از خود نشان دهد. رفتار مشابه پوزولان را می‌توان در سرباره یا میکروسیلیس مشاهده نمود که امروزه در دنیا برای ساخت بتن‌هایی با مقاومت و دوام بیشتر در برابر تهاجمات شیمیایی و تنش‌های حرارتی به‌صورت گسترده مورداستفاده قرار می‌گیرد.

8. کاربرد پوزولان‌ها در بتن

مصرف پوزولان در بتن می‌تواند برای تأمین یک یا چند خاصیت زیر باشد:

1. کاهش میزان سیمان (به‌منظور صرفه‌جویی اقتصادی و ….)
2. کاهش سرعت و میزان حرارت حاصل از فرایند آبگیری سیمان
3. بهبود شبکه توزیع اجزای بتن
4. افزایش مقاومت بتن
5. افزایش پایایی بتن از طریق کاهش نفوذپذیری

1.8. مزایای مصرف بتن مواد پوزولانی

• کاهش میزان مصرف سیمان
• کاهش سرعت و میزان حرارت حاصل از فرایند آب‌گیری سیمان
• کارایی بتن
• بهبود افزایش مقاومت بتن در پایان ۲۸ روز
• پایایی بتن از طریق افزایش کاهش نفوذپذیری
• صرفه اقتصادی
• بالابردن مقاومت سنگ‌دانه‌ها در برابر حمله قلیایی و اسیدها
• جلوگیری از ترک‌خوردن سطحی گسترده بتن
• کاهش بتن‌ریزی

9. پوزولان طبیعی در صنعت سیمان

به‌راستی اهمیت پوزولان طبیعی در صنعت سیمان تا چه میزان است؟ یکی از رویکردهای اساسی در دنیا برای افزایش تولید سیمان باملاحظه جنبه‌های انرژی، زیست‌محیطی و کیفیت از طریق تولید و ترویج مصرف سیمان‌های آمیخته است. متأسفانه این رویکرد در صنعت سیمان ایران، با وجود ارتقای مقام ایران به رده چهارم تولیدکننده بزرگ سیمان در جهان موردتوجه جدی قرار نگرفته است.

1.9. تأثیر پوزولان در تولید بتنی

1. کاهش حرارت‌زایی فرایند آبگیری سیمان
2. بهبود کارایی و خواص رئولوژی بتن
3. مقاومت اولیه نسبتاً پایین‌تر ولی مقاومت نهایی بالا
4. کاهش نفوذپذیری و افزایش دوام

2.9. مقایسه خواص فیزیکی و شیمیایی پوزولان‌ها

سیمان (cement)	خاکستر بادی (fly Ash)	سیلیس (Silica Fume)
20-2	35-48	85-97	Sio2 Content
300-500	400-700	17,000-30,000	Surface Area m 2/kg
N/A	85-110	120-210	Pozzolanic Activity (with cement,%)
N/A	800-1,000 (5.5-6.9)	1,200-1,660 (8.3-11.4)	Pozzolanic Activity (with lime,psi)(MPa)

10. پوزولان‌ها چگونه تولید می‌شوند؟

پوزولان‌های صنعتی در دو حالت هدفمند و غیرهدفمند تولید می‌شوند. پوزولان‌های غیرهدفمند، پوزولان‌هایی هستند که طی فرایندهای صنعتی به‌عنوان مواد زائد ساخته می‌شوند. همین امر باعث می‌شود در چرخه تولید مواد صنعتی، پوزولان‌های تولید شده از نظر ویژگی‌هایی مانند رنگ، کیفیت، درجه‌بندی و خواص عملکردی تا حدی با هم متفاوت باشند. از مهم‌ترین این نوع پوزولان‌ها می‌توان به خاکستر بادی که حاصل فرایند نیروگاه‌های زغال‌سنگ است و دوده سیلیسی و سرباره که از برخی پالایشگاه‌های فولاد به دست می‌آید، اشاره نمود.

اما دسته دوم، پوزولان‌های هدفمند هستند. این دسته از پوزولان‌ها مانند VCAS و متاکائولن به طور هدفمند تولید می‌شوند؛ بنابراین از نظر کیفیت، رنگ و سایر ویژگی‌ها قابل کنترل‌اند؛ به‌طوری‌که حتی ممکن است درجات مختلفی از کیفیت را بتوان تولید نمود و در دسترس قرارداد.

11. مقدار مصرف پوزولان در طرح اختلاط بتن

استفاده از پوزولان‌ها در مخلوط‌های بتنی نیز دارای محدودیت است و باید طبق استانداردهای ساخت بتن موردنظر تهیه شود. در جدول ذیل شما می‌توانید محدوده مقدار مصرف انواع پوزولان و تأثیر هر یک از انواع پوزولان در بتن را مشاهده کنید. البته توجه داشته باشید مقدار مصرف هر پورولان به نوع بتن و کاربرد آن وابسته است.

پوزولان	مقدار مصرف	تأثیرات
خاکستر بادی: کلاس C	15% تا ۴۰%	افزایش کارایی و مقاومت اولیه با افزایش جایگزینی پوزولان با سیمان
خاکستر بادی: کلاس F	15% تا ۲۵%	افزایش کارایی و مقاومت اولیه با افزایش جایگزینی پوزولان با سیمان
سرباره	۲۵% تا ۵۰%	افزایش کارایی و مقاومت اولیه با افزایش جایگزینی پوزولان با سیمان
دوده سیلیسی	۵% تا ۱۰%	کاهش محسوس و قابل مشاهده کارایی و روانی بتن
VCAS*	5% تا ۲۵%	افزایش کارایی و اسلامپ
متاکائولن	۱۰% تا ۱۵%	کاهش کارایی و اسلامپ

درصد مقدار مصرف انواع پوزولان
* مقدار مصرف ایدئال پوزولان VCAS برای بتن‌های پیش‌ساخته، ۱۵% جایگزینی سیمان بوده و برای مخلوط‌های GFRC، ۲۰% جایگزینی سیمان است.

جمع‌بندی و نتیجه‌گیری

جهت آشنایی کامل با  “انواع پوزولان‌‎ها” به جزوه “مصالح ساختمانی” و جهت آشنایی بیشتر با قوانین و ضوابط مربوط به این مقاله به “مبحث پنجم: مصالح و فرآورده‌های ساختمانی | ویرایش سال ۱۳۹۶” در پکیج “مباحث مقررات ملی ساختمان” در بخش گنجینه فایل وب‌سایت مراجعه فرمایید.