بررسی های ریزساختاری بتن اسفنجی (متخلخل)

ویژگی بتن اسفنجی درصد فضای خالی است که عمدا در ماتریکس آن اضافه شده تا چگالی آن را بکاهد. این تحقیق به گزارش بررسی های به کار رفته در رابطه با ساختار بتن اسفنجی اتوکلاو شده بر اساس سیمان (AAC) و غیر AAC همراه با خاکستر بادی بعنوان صافی می پردازد. دلایل تغییرات در سفتی و سختی فشرده و افت و کاهش خشکی است که با رجوع به تغییرات ریزساختار بیان شده است. تحلیل های ترکیبی با استفاده از XRD انجام شده اند. مشاهده شد که خاکستر بادی پاسخ ضعیفی به اتوکلاوشدن می دهد. فرایند ایجاد خلل و فرج در ترکیبات خاکستر بادی با رجوع به اطلاعات دانه های هادلی در ایجاد هیدراته سازی خاکستر بادی بحث شده است. رابط فضای خالی ایجاد شده در بتن اسفنجی در رابطه با رابط مصالح دانه بندی شده در سیمان یا بتن معمولی، وجود منطقه انتقالی داخلی را بررسی کرده است.

کلمات کلیدی

خاکستر بادی؛ SEM؛ ریز ساختار؛ منطقه انتقالی سطحی؛

بتن اسفنجی به شکل ساده یک ملات با ماسه نرم شده و یا اضافات صنعتی یا خاکستر بادی بعنوان یک صافی است که در آن هوا به طور مصنوعی توسط ابزارهای شیمیایی و یا مکانیکی (پودرهای فلزی مانند AL, Zn, H2O2) و یا ) واحدهای عامل کف زا) وارد شده و منجر به کاهش چگالی می شود. ترکیب و روش تولید بر روی ریز ساختار تاثیر می گذارد و از این رو ویژگی های فیزیکی و مکانیکی بتن اسفنجی را می سازد.

متون موود سیستم متخلخل بتن اسفنجی را اتوکلاو کرده (AAC) و با هدف مطالعه پدیده انتقال آب ادامه می یابد:

الف: منافذ مصنوعی هوا؛ منافذ داخل خوشه ها؛ و منافذ داخل اجزا؛

ب: منافذ ریز به دلیل گسترش توده ایجاد شده توسط ایجاد تخلخل شکل گرفته اند و منافذ ریز که در دیوارها میان آنها ایجاد می شود و ج: مویرگ های ریز کمتر از 50nm و مویرگهای ریز بین 50 nm تا 50pm است. از آنجا که سیستم فشای خالی هوا باقی مانده تا به حد زیادی برای سطوح مرطوب و AAC را حفظ کند، تغییر ویژگی های آن را فقط می توان با تحقیقی بر روی ریز ساختار هیدروژن بیان کرد و رابط فضای خالی را ایجاد می کند. از این رو مطالعه ای بر روی ویژگی های ریز ساختاری بتن اسفنجی در نظر گرفته شده و نتایج در این مقاله در موارد زیر بحث شده اند:

الف: ساختار محصولات هیدراته؛

ب: بازیابی منفذ به دلیل اضافه شدن خاکستر بادی؛

ج: منطقه انتقال بین دو رویه میان فضای خالی و ماتریکس؛

2. مواد و روش شناختی

بررسی تجربی متشکل از SEM و پودر XRD بر روی بخار (90، 150 و 180 روزه) و AAC (8 تا 10 ساعت در فشار 10 کیلوگرم بر سانتیمتر مربع) با ترکیب 1 به 3 (سیمان: ماسه و یا خاکستر بادی) است. سیمان پورتلند (شدت و استقامت 28 روزی با استقامت 44MPa)، آهک با 75 درصد CaO، با ماسه پدر شده بیش از اندازه [img=51x17]file:///C:\DOCUME~1\DEAR-U~1\LOCALS~1\Temp\msohtmlclip1\01\clip_image002.gif[/img] و خاکستر بادی کلاس F بر ASTM C-618 استفاده شده است. تحلیل شیمیایی سیمان و خاکستر بادی در جدول 1 نشان داده شده است. میکروگراف الکترون خاکستر بادی در شکل 1 نشان می دهد که متشکل از اجزای کروی صاف است. برای تکمیل آلکالی در سیمان برای سهولت ایجاد گاز هیدروژن، حجم ثابتی از آهک استفاده شد (آهک/ سیمان= 0.25 وزن).

نمونه های پودری شده برای تحقیق و مطالعه ریزساختار ماتریکس و XRD استفاده شده است، به طوری که برای بررسی های ریز ساختار فضای خالی هوا به کار رفته اند، تک های عادی با اندازه های 10 میلی متر برش خورده اند تا دست کم یک فضای خالی یا خلل و فرجی برجسته مصنوعی ایجاد شود. نمونه ها در بخاری به مدت 24 ساعت با دمای 105 تا بعلاوه و منهای 5 درجه سانتیگراد نگه داشته شده اند تا آب تبخیر و نگهداشته شده بر روی سطح فلزی از یک JEOL 5300 میکروسکوپ الکترون گردشی خارج شود. ریزنگارها در سن 90، 150 و 180 روزی و XRD در 90 روزگی برای عمل آوری بتن اسفنجی و بلافاصله بعد از عمل آوردن برای نمونه های اتوکلاو شده استفاده می شوند. از آنجا که هیدراته سازی خاکستر بادی فرایندی نسبتا کند است، دوره طولانی تری از بعمل آوردن رطوبت در این تحقیق مورد توجه قرار گرفته است.

3. بحث در رابطه با نتایج

3.1. ریزساختار محصولات آبپوشی

شدت های فشرده و کاهش یا انقباض خشک شدن یت بعبارتی کاهش رطوبت بخار ایجاد شده و AAC با خاکستر بادی/ ماسه برای موقعیت های مختلف بعمل آوردن در جدول و شکل 2 ارائه شده اند. مشاهدات برجسته در رابطه با ساختار و تاثیر آن بر روی شدت فشرده سازی و آبگیری در بخش های بعدی بحث شده اند.

ویژگی های فیزیکی و شیمیایی سیمان و خاکستر بادی

ویژگی ها

سیمان

خاکستر بادی

ویژگی های فیزیکی

ریزی دانه ها و دقت بلین

391

794

جاذبه خاص

3.12

2.20

شدت فشردگی 28 روزه

÷44

ویژگی های فیزیکی

درصد اکسید کلسیم

62.48

0.93

درصد سیلیکا

20.35

56.92

درصد آلومینا

5.92

33.69

درصد منگنز

1.70

0.60

مجموع سولفور SO3

1.46

0.46

درصد از دست دادن افروزش

2.54

1.25

درصد کل آلکالی (Na2O+ K2O)

1.23

شدت فشردگی MPa

رطوبت عمل آوری شده

اتوکلاو شده

جزئیات ترکیبی

28 روزه

90 روزه

150 روزه

8 ساعتی

12 ساعتی

سیمان- ماسه

7.4

7.8

7.9

12.1

14.5

سیمان- خاکستر بادی

5.5

6.8

7.5

7.9

9.3

3.1.1. سیمان اسفنجی رطوبت دار

شکل های 3 و 4 ریز ساختار بتن اسفنجی رطوبت زایی شده را با ماسه و خاکستر بادی به طور جداگانه و در سن 90 روزی نشان می دهد. بتن اسفنجی با ماسه (شکل 3)، محصولت آبپوششی کم و بیش به شکل کاملی شکل گرفته اند و با استمرار در ماتریکس مشخص شده است. برای محصولات خاکستر بادی، محصولات آبپوشی سیمان بر روی سطح برخی از اجزای و قسمت های خاکستر بادی رسب کرده اند (شکل 4) و منجر به قرار گرفتن در محفظه کره یا محیط های خاکستر بادی می شود. در برگشت این موارد بعنوان جایگاه یا ایستگاه های ایجاد هسته د آبپ.شی سیمان به کا می روند. از این رو آبپوشی ناقص انجام شده و بر اساس چگالی کاسته شده با استحکام های کمتری در از دست دادن آب جذب شده از سطح اجزای عمل نکرده و اجزایی با بخشی از عملکرد مشارکت می کند و آبگیری را تا 5 برابر از تولید ماسه می کاهد (شکل 2).

زمینه XRD بتن اسفنجی همراه با ماسه در شکل 5 نشان داده شده و با حضور C_ S_ K با نسبت های مختلفی مانند C2SH، C2SH (B) و C2SH (D) در نهایت نشان داده شده است. نسبت های بالاتر C/S بیانگر حضور تغلیظ های سیلیکات آهک است که مشارکت زیادی در توسعه و افزایش استحکم ندارد. ترکیبهایی با خاکستر بادی (شکل 5) هم این سیلیکاتت های دارای مقادیر زیاد آهک را به شکل C2SH (A) و C2SH (B) در بر دارد که شدتهای مربوط به آنها کم است.

میکروگراف های بتن اسفنجی ریبت داده شده با ماسه و خاکستر بادی، بعد از 150 روز در شکل های 6 و 7 نشان داده شده اند. ساختار بتن اسفنجی با ماسه نشان داده شده در شکل 6 تفاوت زیادی از شکل 3 ندارد (در 90 روز) به طوری که در ترکیب های دارای خاکستر بادی، آبپوشی در 150 روز کامل تر است (شکل 7) در مقایسه با شکل 4. ساختار در 180 روز در شکل های 8 و 9 نشان می دهد که اعضای درخشان همراه با تغلیظ شبه کریستالیدر مقایسه با سن های کمتر است (شکل های 3 و 4و 6 و 7). از این رو ساختار بسیا ر بی ثبات است و از تعلیظ فیبری یا بافتی به اجزای سوزنی تغییر می کند. ضعف پیوندهای داخلی میان این بخش های درخشان را می توان به دلایل استحکام کمتر بتن اسفنجی مرطوب شده حتی بعد از آبپوشی کامل سیمان است.

3.1.1.1. پالایش مویرگی خلل فرج. پدیده پالایش مویرگی خلل و فرج از طریق بحث مربوط به: الف: واکنش طبیعی خاکستر بادی، ب: شکل گیری و حفظ پوسته های خالی و یا دانه بندی های هادلی و ج: مطالعات جاذبه.

واکنش طبیعی خاکستر بادی: مقایسه ای بین شکل های 6 و 7 نشان می دهد که ساختار با منفذهای کمتر در ترکیب با خاکستر بادی و با ماسه را بررسی می کند. دلیل واکنش طبیعی میان فاز سیمانی خاکستر بادی و هیدروکسید کلسیم برای شکل گیری C-S-H است که بیانگر این است که خاکستر بادی پالایش منفذ را زمانی که واکنش آن تقریبا کامل است رخ می دهد. این فرایند دلیلی بر مشاهدات متن مربوط به پالایش مویرگی خلل و فرج موجود در سیمانی است که خاکستر بادی دارد {7 و 8}. پدیده پالایش مویرگی خلل و فرج توسط افزایش تعداد سایت های ایجاد هسته است. رشد بنیادی محصولات آبپوشی سیمان بر روی خاکستر بادی اتصال داخلی میان منفذها را می کاهد و منجر به کاهش پر خلل و فرج پر منفذی می شود.

ایجاد منفاذ پوسته خالی: جدا از خلل و فرج تغلیظ شده کمتر از 10nm و خلل و فرج منافذ بین [img=115x15]file:///C:\DOCUME~1\DEAR-U~1\LOCALS~1\Temp\msohtmlclip1\01\clip_image008.gif[/img]، منفذهای پوسته خالی و یا دانه بندی های هادلی بعنوان بخش سوم منفذ داخلی در ماتریکس محصولات آبپوشی می شود.

بیشتر محصولات هیدراته شده در فشای منفذ مویرگی و فضای خلل و فرج در محدوده دانه های سیمان اصلی همزمان با هیدراته شدن مستمر است، و پوسته های خالی را می سازد. زمانی که فرایند آبپوشی در محدوده های دانه های سیمان اصلی رخ می دهد، شکل گیری پوسته های توخالی بیانگر این است که خلل و فرخ منفذها کاهش یافته اند. منفذ پوسته توخالی و یا دانه بندی های هادلی در ترکیب هایی با خاکستر بادی ترکیب می شود (در فلش هایی در شکل 7 نشان داده شده است)، و همراه با چگالی سازی فضای خالی منفذ می شود. از آنجا که خاکستر بادی هم در اجرای طولنی تر آبپوشی می شود، پرمنفذی خلل و فرج را می توان مورد توجه قرار داد و آن را نتیجه مکانیسم آب پوشی پوسته توخالی مانند واکنش طبیعی در نظر گرفت. واکنش طبیعی یا پوزولان منجر به کاهش حجم به دلیل از دست رفتن آب و آبگیری های شیمیایی باشد که محدود به حجم افزایش یافته محصولات هیدراته شده می شود.

شکل 6: ریزنگار بتن اسفنجی اسه- سیمان رطوبت یافته (150 روزه)

مطالعات مربوط به قابلیت جذب: جذب ویژگی جاذبه منفذ و انتقال آب است. بررسی های مربوط به قابلیت جذب بتن اسفنجی نشان می دهد که (شکل 10) این ماده در ادغام با خاکستر بادی جذب کمتری نسبت به ترکیب های با ماسه شود. این یعنی تایید این که خاکستر بادی در کاهش جذب حجم منفذ مشارکت دارد.

3.1.2. بتن اسفنجی اتوکلاو شده

ساختار AAC با ماسه و خاکستر بادی (8 ساعت از اتکلاو سازی در 10 کیلوگرم بر سانتیمتر مربع) در شکل های 11 و 12 ارائه شده است. ساختار AAC با ماسه دانه های درست تعریف شده C-S-H و دانه بندی های شانزده تایی C(OH)2، ساختاری کاملا متفاوت در مقایسه با نمونه رطوبت یافته دارد (شکل 3). زمینه XRD برای ACC با ماسه در شکل 13 نشان داده شده و سیلیکات آهک بالایی را در آنها نشان می دهد اما وجود توبرموریت ساختار کریتالی شده آنها را برخلاف مورد رطوبت یافته شکل 5 واضح تر نشان می دهد.

ساختار ACC با خاکستر بادی (شکل 12) کریستالی شدن کامل را حتی در برخی از سطوح Ca(OH)2 نشان نمی دهد. ساختارهای XRD و ACC با خاکستر بادی رئوس زیادی را مانند ماسه نشان نمی دهند (شکل 13). این محصول به اندازه توبرموریت و دانه بندی یا کریستالی شده و آبپوشی وجود دارد اما وجود مقادیر زیاد سیلیکات آهک را همراه با شکل شناسی شبه تغلیظ شده نشان می دهد که منجر به استحکام کمتر این ترکیب ها می شود (2).

وقتی ترکیب به مدت 12 ساعت اتوکلاو شد، ساختار ACC با خاکستر بادی هم به طبیعت کریتالی برمی گردد (شکل 14). هر چند که برخی از اجزای دست نیافته خاکستر بادی مشاهده شده اند. دانه ها وسیع تر هستند و دورتز از دانه های شکل گرفته در زمان استفاده از ماسه بعنوان یک صافی شکل می گیرند (شکل 11). این فرایند رابطه داخلی میان دانه ها رامی کاهد و در نتیه شدت آن هم کاهش می یابد. در نتیجه این ریز ساختار، آبگیری ACC با خاکستر بادی بالاتر از آن با ماسه است (شکل 2)، و تاثیر ضعیفی از اتوکلاو سازی را بر روی ترکیب های خاکستر بادی ایجاد می کند.

3.2. ریزساختار در اطراف فضاهای خالی هوا- منطقه کشش سطحی

ریزنگار محدوده خالی بتن اسفنجی نشان داده شده در شکل 15 شبیه به نمونه منطقه انتقال در بتن معمولی پیشنهاد شده (مهتا و مونتریو ) است. با این دیدگاه، می توان نتیجه گیری کرد که بتن اسفنجی قابل مقایسه با بتنی با دانه بندی نزدیک و رابط بتن معمولی است. فضاهای خالی بزرگتر در بتن اسفنجی را می توان همانند دانه هایی با تراکم صفر در نظر گرفت و می توان تصور کرد که بعنوان مخزن هایی تضمینی در ماتریکس عمل می کند و از این رو تاثیر دیواره مجازی را بر روی منطقه انتقال دارد.

دیواره مجازیتوسط فیلمی میان آب میان فضاهای خالی و قطعات خالی سیمان و با دانه بندی های بسته های شکل گرفته در محیط خارجی آب به روشی مشابه با شکل گیری آن در محیط خارجی دانه بندی ها است. این فرایند ظاهر ریزنگارانه مشابهی از منطقه انتقالی را در هر دو بتن معمولی و اسفنجی نشان می دهد.

منطقه انتقال در بتن معمولی همراه با جزئیات توسط محققینی مختلف مطالعه شده و بعنوان ضعیف ترین منطقه شاخته شده است {11 تا 15}؛ ضعف ویژگی تخلخل بالاتر در رابط و بعنوان نتیجه ای از ناخالصی و بسته شدن هوای داغ فشرده، ایجاد دانه های کریستالی بزرگ تر آبپوشی، و نگهداری دانه های هیدروکسید کلسیم با تنظیم و چیدماتی ترجیحی ارائه می شود. رابط در بتن معمولی موردی میان فاز دانه بندی بسیار قوی و ماتریکسی بسیار ضعیف تر است، به طوری که در بتن دارای دانه های سبک تر، ماتریکس قوی تر از دانه بندی است. از آنجا که وزن سبک دانه ها در کل متخلخل است، محصولات آبپوشی سیمان و آب داغ فشرده ممکن است به داخل منافذ نفوذ کند و منطقه انتقال را تبدیل کرده و تخلخل کمتری از سیمان یا بتن معمولی ایجاد کند {16}. دلایل ممکن برای چنین کاهشی در تخلخل رابط عبارتند از:

1. طی فرایند هوادهی، گاز به دلیل انقباض ماتریکس بر اساس واکنش شیمیایی ایجاد می شود؛

2. آب داغ فشرده آزاد به حرکت در رابط است زیرا نبود دانه بندی ها و وجود منافذ بزرگ را داریم؛

3. عدم حضور دانه بندی ها : الف: فضایی نامحدود برای آبپوشی و رشد کریستال های ایجاد می کند؛ ب: جهت گیری و تنظیم تصادفی تری از کریستال ها را در رابط ایجاد می کند که خود منجر به پیوندهای داخلی بهتری می شود؛

همچنین منطقه انتقال در بتن اسفنجی تراکم بیشتری از فضای خالی خواهد داشت زیرا جرم اضافه شده ضرورتا منافذی با اندازه های مختلف دارد. تصور کنید که ساختار شبیه است، منطقه انتقال در بتن اسفنجی تفاوت قابل توجهی با آن در سیمان یا بتن معمولی دارد. ویژگی دهی و شناخت عمیق ویژگی های این منطقه می توان به درک بهتر مواد کمک کند.

شکل 11: ریزنگار بتن اسفنجی ماسه- سیمان اتوکلاو شده

4. نتیجه گیری ها

نتیجه گیری های بارز به شکلی که در بررسی های عملی و با ارجاع به ترکیب و برخورد با نمونه ها مشاهده شده و مطالعه شده اند در زیر ارائه شده اند:

1. تغیرات ریزساختاری، حتی به دلیل تعدد ترکیبی (ماسه/ خاکتر بادی بعنوان فیلتر) و یا عمل آوری (رطوبت دهی/ اتوکلاو) تاثیر قابل توجهی بر روی ویژگی های بتن اسفنجی دارند.

2. بتن اسفنجی با ماسه و خاکستر بادی بعنوان مواد فیلتری تفاوت قابل ملاحظه ای را در ساختار به دلیل گستردگی میزان آبپوشی با زمان نشان می دهد. از آنجا که سیمان به تنهایی در مورد قبلی آبپوشی را انجام می دهد، ویژگی مورد بعدی آبپوشی با خاکستر بادی است که فرایندی کند است.

شکل 12: ریزنگاری بتن اسفنجی خاکستر بادی- سیمان اتوکلاو شده

3. بتن اسفنجی غیر اتوکلاو شده تغییراتی را در ساختار با زمان به همراه دارد، به طوری که محصولات اتوکلاو شده تقریبا دارای ثبات است.

4. نتایج اتوکلاوی استحکام بیشتری به همراه دارد زیرا کریستالی شدن بهتری از محصولات شکل گرفته رخ می دهد. بهره وری اتوکلاوی زمانی که خاکستر بادی در ادغام وجود دارد، محصولات واکنشی کریستال شدن ضعیفی به همراه دارند.

5. خاکستر بادی بعنوان ساخت هسته ای در شکل گیری محصولات هیدراته شده سیمان کار می کند. همچنین به اصلاح و پالایش فضای خالی منفذ کمک می کند. کاهش تخلخل منافذ به دلیل ترکیب ادغام شده پوسته های توخالی و یا دانه بندی های هادلی و مکانیسم آبپوشی است.

شکل 14: ریزنگار بتن اسفنجی خاکستر بادی- سیمان اتوکلاو شده (12 ساعت)

6. شاخص های اضحی از وجود منطقه انتقال در رابط فضای خالی وجود دارد، که شبیه به آن در بتن است؛ فضاهای خالی بعنوان دانه بندی های شدت یا چگالی صفر عمل می کند.

7. منطقه انتقال در بتن اسفنجی منافذ کمتری از بتن معمولی دارد زیرا انقباض ماتریکس در فشاهای خالی و نامحدود موجود در آبپوشی مانند آب داغ فشرده برای جابجایی وجود دارد.