امروزه توليدكنندگان سيمان دريافتهاند كه براي بهينهسازي عرضه محصولات خود، بايد توجه ويژهاي به عملكرد محصولات سيماني در بتن باشند. مراجعه به برخي منابع و تحقيقات نشان داده است كه افزايش نرمي سيمان كه بطور معمول با پارامتر بلين اندازهگيري ميشود، تاثيرات مطلوبي در مقاومت ملات نشان ميدهد؛ اما با توجه به اينكه مصرف نهائي و عمده سيمان در بتن ميباشد، نياز به مطالعات بيشتري است. از سوئي ديگر اين منابع عمدتاً از تحقيقات غيربومي استخراج شدهاند و استفاده از آنها بايد به همراه نتايج بومي و قضاوتهاي مهندسي صورت پذيرد. ليكن اين پروژه مطالعاتي كه در آزمايشگاه مركز تحقيق و توسعه شركت سيمان تهران صورت گرفته است، در راستاي اين مطلب ميباشد.
2-سابقه تحقيقات و هدف پروژه
بر اساس منابع علمي و تجربيات كارشناسان، ريزي سيمان (شاخص بلين) پارامتر موثري در مقاومت فشاري ملات و بتن ميباشد. لذا ريزي بيشتر مقاومت فشاري كوتاهمدت را افزايش ميدهد، اما بر مقاومت بلندمدت تقريبا بيتأثير بوده؛ بطوريكه نقش اين پارامتر درسنين بالاي يكسال بسيار ناچيز خواهد شد (شكل1).
در حقيقت هر چه نرمي سيمان بيشتر باشد، شاخص بلين (بر حسب سانتيمتر مربع بر گرم) افزايش مييابد؛ لذا اين تغيير به زبان ساده منجر به افزايش سطح آبخوري سيمان و در نهايت تسريع هيدراسيون ميگردد. اما طبق يك بررسي و مطالعه كامل بومي (در سيمان تهران) با توجه به شرايط موجود اين افزايش مطلق نيست و همواره با افزايش پارامتر بلين مقاومت بتن بهبود نخواهد يافت [1]. شايد انتظار و باور كارشناسان بر اين باشد كه با افزايش ميزان بلين، دانهبندي سيمان نيز بهبود مييابد و در نتيجه بايد مقاومت فشاري ملات استاندارد سيمان افزايش داشته باشد؛ از طرفي ديگر نيز با توجه به رابطه مستقيم مقاومت ملات و مقاومت بتن اين اثر در بتن نيز ديده خواهد شد. اما بايد تاكيد شود كه اولا تبعيت مقاومت بتن از مقاومت ملات سيمان آن هميشگي نيست [2] و ثانيا افزايش نرمي سيمان ممكن است كه منجر به افزايش ذرات 3-0 ميكرون شود و اين ذرات اثرات مطلوبي در مقاومت بتن ندارند. علت اين موضوع آنست كه از طرفي احتمال هيدراته شدن اين ذرات با رطوبت محيط قبل از استفاده بسيار زياد است و از سوئي ديگر اين ذرات منجر به افزايش آب مورد نياز براي تهيه خمير با غلظت مناسب سيمان در بتن ميگردد
شكل 1- بررسي اثرات نرمي سيمان در مقاومت فشاري طي زمانهاي مختلف [3]
. در برخي منابع رابطه پيشبيني و تخمين مقاومت 28روزه ملات استاندارد سيمان را بصورت زير پيشنهاد دادهاند:
: مقاومت 28روزه ملات سيمان (بر حسب مگاپاسكال)؛
: درصد باقيمانده روي الك 45 ميكرون؛
C3S: ميزان فاز آليت؛
Na2Oe: ميزان اكسيد سديم (قليائي)؛
LOI: كسر وزني سيمان ناشي از سوختن.
اين رابطه نشان از تاثير مهم نرمي سيمان را نشان ميدهد. عليرغم تاثير بسيار زياد مشخصات شيميائي سيمان در مقاومت نهائي آن در اين پروژه با محدود دانستن اين پارامترها از تاثير آنها صرفنظر شده است.
تحقيقات غير بومي نشان ميدهند كه افزايش نرمي سيمان و بطور شاخص پارامتر بلين موجب تغييرات افزايش قابل توجه مقاومت ملات و افزايش ناچيز در مقاومت بتن ميباشد (شكل3).
شكل 2- بررسي تغييرات مقاومت فشاري بتن و ملات در برابر افزايش ريزي سيمان [16]
با كم شدن آب در مخلوط بتني، رواني و كارائي آن كم ميشود، بنابراين اغلب از افزايش آب جهت جبران اين موضوع و در واقع افزايش كارائي استفاده ميگردد. از طرفي ديگر جهت جبران كاهش عيار يا نسبت آب به سيمان از افزايش سيمان بهره ميگيرند. در اين راستا آزمايش رايج اسلامپ [6] جهت سنجش كارائي ملاك عمل قرار ميگيرد. بايد تاكيد شود كه در عمل آزمايش اسلامپ فقط قسمتي از ابعاد كارائي را نشان ميدهد اما غالبا كارشناسان به اين آزمايش بسنده ميكنند. همچنين دقت آزمايش اسلامپ و قابل اعتماد بودن آن همواره مورد سئوال است و رويهم رفته به نظر ميرسد عليرغم وجود خطا در اين آزمايش، كاربرد آن در ارزيابيهاي اجرائي منطقي باشد.
3-مواد و مصالح تحقيق
ماسه استاندارد مورد استفاده در ملات از شركت نورمن سند آلمان تهيه شده است. سنگدانههاي مصرفي بتن در اين پژوهش از توليدي شركت پريفاب واقع در جنوب تهران بوده و با استفاده از مصالح بازيافتي است. براي طراحي دانهبندي مخلوطها توان متناظر در رابطه فولر-تامسون حداقل 1/0 و حداكثر 45/0 تعيين شده است تا اغلب مصارف عمومي بتن (به استثناء بتنهاي پاشيدني، خودتراكم، قطعات حجيم با رواني كم) را با توجه به راهنماي طرح ملي مخلوط بتن [4] در بر گيرند. به جهت توجيه اقتصادي و ايجاد شرايط مشابه با صنعت توليد بتن، مصرف سنگدانه درشت با اندازه 25-5/9 ميليمتر (MSA:25 mm) انتخاب شدهاند. (شكل6 و جدول2). سيمان مورد استفاده در اين مطالعه از محصولات توليدي واحد ششم سيمان تهران با مشخصاتي كنترل شده تيپ2 ميباشد كه بعلت تغييرات اندك در مشخصات فني از آنها صرفنظر شده است.
جدول2- مشخصات فني مصالح مورد استفاده در طرحهاي مخلوط بتني
Aggregate | Fineness Modulus | Absorption (%) | Density (SSD) | Percentage of Fractured Particles (%) | Finer than 75-μm (%) |
Gravel | 7.5 | 1.78 | 2.48 | 80 | 0.3 |
Sand | 4.0 | 4.07 | 2.52 | - | 2.1 |
|
|
|
شكل 3- نمودار دانهبنديهاي شن، ماسه و مخلوط سنگدانههاي مورد استفاده در طرحهاي مخلوط بتني |
4- برنامه آزمايشگاهي
طبق يك برنامه منظم و طولاني مدت طي بازه زماني بسيار طولاني (بيش از 1سال) تعداد 350 نمونه سيمان تحت آزمايشهاي فيزيكي، تعيين مقاومت فشاري ملات استاندارد و بتن قرار گرفتهاند (شكل4).
شكل 4- نماهائي از عمليات آزمايشگاهي انجام گرفته در اين مطالعه
5-نتايج آزمايشگاهي، بحث و تحليل
در اولين نظر، مقايسه نتايج مقاومت فشاري نمونههاي 2، 7 و 28روزه ملات و بتن در مقايسه با شاخص بلين در نمودارهاي شكل5 ديده ميشود. اگر چه تاثير نرمي سيمان در نتايج مقاومتي كوتاهمدت (ملات و بتن) ديده ميشود؛ اما بايد پذيرفت كه روند اين تاثير در مقاومت نمونههاي 28 روزه كمي پيچيده بوده و نياز به تحليل دقيق است. اين نتايج سيمانهاي صنعتي مويد تحقيقات قبلي بر روي سيمانهاي آزمايشگاهي [1] بوده است و نشان ميدهد كه رفتار مقاومتي بتن در برابر تغييرات و افزايش پارامتر بلين، بطور تدريجي تا شاخص بلين حدود cm2/gr 3200-3100، نرمي سيمان تاثيري مناسب بر روي مقاومت داشته است، اما افزايش بيش از اين مقدار تاثيرات مطلوبي را نشان نميدهد. علت آنست كه با توجه به كارائي مورد نياز در بتن تازه، با افزايش نرمي سيمان ميزان آب لازم براي تهيه خمير نرمال افزايش و در نتيجه نسبت w/c ازدياد مييابد. در اين ميان عليرغم افزايش نرمي و بهبود دانهبندي سيمان، به علت ياد شده اين بهبود خنثي يافته و به تدريج با افزايش شاخص بلين تا حد cm2/gr 3500 كاملا بطور چيره عمل مينمايد و تاثير بهبود دانهبندي تقريبا محو ميشود. اما با توجه به ثبات نسبت w/c در ملات، مكانيسم ياد شده مصداق ندارد و همواره با افزايش نرمي سيمان، مقاومت ميانمدت ملات با روندي بسيار كند افزايش مييابد. تفسير نتايج مقاومتي 28روزه چنين روندي به وضوح ديده نميشود و ميتوان تاثير فازها (و به طور خاص آليت) و ساير شرايط را در آن موثر دانست. اما به هر حال اگر بخواهيم مناسبترين خط را بر روي نقاط نتايج ترسيم شده در اين نمودارها ترسيم نمائيم، باز هم همان تفسيرها به قوت خود باقي خواهد ماند؛ يعني آنكه تا شاخص بلين حدود cm2/gr 3200-3100، نرمي سيمان تاثيري مناسب بر روي مقاومت داشته است، اما افزايش بيش از اين مقدار تاثيرات مطلوبي را نشان نميدهد. در ملات نيز با ترسيم چنين خطي ميتوان افزايش بطئي و تدريجي مقاومت بتن در برابر مقاومت ملات را دنبال نمود.
بايد خاطر نشان كرد كه استفاده از سيمان با نرمي بالاتر در مخلوطهاي بتني زماني موثر است كه مدول نرمي سنگدانههاي بتن را نيز كنترل نمود و در حقيقت با ريزتر كردن اندازه سنگدانهها به زباني سادهتر سطح ويژه آنها را افزايش داد و توازني مابين سطح ويژه سنگدانهها و سيمان برقرار نمود؛ اما متاسفانه بعلت فقر سنگدانههاي ريز (ماسه) معمولي موجود در كشورمان نميتوان از اين سيمان چندان بهره گرفت. با توجه به ثابت بودن سنگدانههاي مصرفي در كليه مخلوطهاي بتني ساخته شده در اين مطالعه اين موضوع (اثر تغييرات توامان مدول نرمي سنگدانهها و نرمي سيمان در مقاومت بتن) بررسي نشده است.
شكل 5- نمودارهاي تاثير افزايش شاخص بلين در ميزان مقاومت فشاري ملات (سمت چپ) و بتن (سمت راست) در سنين كوتاه و ميانمدت (در نمونههاي مورد آزمايش)
طبق توضيحات و فرمول ارائه شده در بخش2 بايد توجه داشت كه صرفا توجه به شاخص بلين ديدگاه مناسبي ارائه نميدهد و تاكيد بر اين شاخص حتي در نگارش استانداردهاي جديد سيمان نيز ديده ميشود. لذا براي شناسائي بهتر دانهبندي سيمان كه غالبا منظور تاثير مطلوب ذرات 30-3 ميكرون ميباشد، بهرهگيري از درصد ذرات مانده روي الك 45 ميكرون به ما كمك ميكند. بطور قطع نيز اين آزمايش [7] كامل نيست و فقط به عنوان چگونگي سايش در زمينه نرم يا زبر بودن سيمان آن ديدگاه و ارزيابي ارائه ميدهد. نمودارهاي شكل6 وضوح تاثير مستقيم (و معكوس) ميزان مانده روي الك 45 ميكرون در مقاومت فشاري ملات و بتن طي سنين 7 و 28 روزه مشاهده ميشوند. البته واضح است كه هر چه ميزان شاخص بلين افزايش يابد، سيمان نرمتر ميشود و ميزان مانده روي الك 45 ميكرون افزايش مييابد (شكل7)؛ اما اين ارتباط ميتواند در پارهاي اوقات نقض شود؛ يعني عليرغم بالا بودن ميزان شاخص بلين درصد مانده روي الك 45 ميكرون زياد باشد. توجيه علمي و فني آنست كه اين سيمان احتمالا داراي مقدار بالائي ذرات 3-0 ميكرون ميباشد كه با دانهبندي ليزري قابل تشخيص خواهد بود.
شكل 6- روند تغييرات مقاومت فشاري ملات در برابر افزايش نرمي سيمان (در نمونه هاي مورد آزمايش)
شكل 7- بررسي رابطه بين شاخص بلين و مانده روي الك 45 ميكرون
6-نتيجهگيري
1. مقايسه نتايج مقاومت فشاري ملات و بتن در برابر افزايش شاخص بلين در نمونههاي متعدد نشان داده است كه اولا تكيه بر اين شاخص چندان معتبر و قابل اتكا نيست؛ دوم آنكه روند اين تغييرات در ملات و بتن متفاوت است كه روند و دلايل آن تشريح شدهاند؛ و سوم آنكه تاثير ميزان مانده روي الك 45ميكرون به جاي شاخص بلين معيار تشخيص مناسبتري به نظر ميرسد.
2. نتايج اين مطالعه همچون تحقيقات قبلي نشان داد كه شاخص بلين در مقاومت كوتاهمدت ملات سيمان تاثير بيشتري نسبت به نتايج ميان و بلندمدت دارند؛.
3. اثر تغييرات توامان مدول نرمي سنگدانهها و نرمي سيمان در مقاومت بتن به عنوان يك پروژه تحقيقاتي پيشنهاد ميشود.
7-قدرداني
تشكر و قدرداني ويژهاي از مديران محترم كارخانه سيمان تهران-آقايان مهندسين ذوالفقاري، پاك ايمان و فيروزجائي داريم. همچنين از همكاري كارشناسان و تكنسينهاي محترم آزمايشگاهها و ساير پرسنل زحمتكش آن كارخانه بسيار سپاسگزاريم.
مولفان: جناب آقاي علي اكبر كفاش بازاري و سركار خانم زيور نيك فال در سمينار سال 95 انجمن سيمان
8-منابع
[1] كفاش، ع. سعيدي، م. "بررسي توامان تغييرات نرمي سيمان در ملات و بتن" كنفرانس بينالملي سالانه تحقيقات در مهندسي عمران، معماري و شهرسازي و محيط زيست پايدار ، تهران، 24 آذر 1394، ص12.
[2] كفاش ع، رفيعي م. "بررسي ارتباط مقاومت سيمان تهران در ملات و بتن". هفتمين كنفرانس ساليانه بتن ايران-تهران-15مهرماه1394.
[3] تدين م. "بهبود خواص كيفي بتن". 1384.
[4] "روش ملي طرح مخلوط بتن" مركز تحقيقات ساختمان و مسكن (1386)، ص 13.
[5] Frohnsdorff G and Clifton J. "Cement and Concrete Standards of the Future". NISTIR5933. (1997).
[6] ASTM C143. "Standard Test Method for Slump of Hydraulic-Cement Concrete". American Society for Testing and Material. 2003.
[7] ASTM C430. Standard Test Method for Fineness of Hydraulic Cement by the 45-μm (No. 325) Sieve. (1996-Reapproved 2003).