Influence of cement replacement by limestone calcined clay pozzolan on the engineering properties of mortar and concrete

مقدمه

در صنعت ساخت‌و‌ساز، سیمان یکی از مواد اصلی است که به دلیل تولید گازهای گلخانه‌ای زیاد، مورد نقد و بررسی قرار گرفته است. هدف اصلی این تحقیق کاهش اثرات منفی زیست‌محیطی تولید سیمان و بهبود خواص مکانیکی و دوام بتن است. یکی از روش‌های ممکن برای دستیابی به این هدف، استفاده از مواد جایگزین به جای سیمان است. پوزولان کلسینه سنگ آهکی (LCCP) به عنوان یک جایگزین پیشنهادی برای سیمان در این تحقیق مورد بررسی قرار گرفته است.

هدف‌های تحقیق

• ارزیابی تاثیر جایگزینی سیمان با LCCP بر روی خواص هیدراسیون، مکانیکی و دوام ملات‌ها و بتن‌ها.
• بررسی نسبت‌های مختلف جایگزینی سیمان با LCCP و مقایسه آن با سیمان پرتلند معمولی (OPC).
• بررسی تأثیرات این جایگزینی بر روی خواص مانند مقاومت فشاری، نفوذپذیری و کربناته شدن بتن.

مواد و روش‌ها

1. ساخت LCCP:
   LCCP از ترکیب خاصی از کائولینیت و سنگ آهک به نسبت 2:1 تولید می‌شود. این ترکیب پس از کلسینه شدن با اضافه کردن ۲ درصد ژیپس بهینه‌سازی می‌شود. این فرایند تولید، انرژی کمتری نسبت به تولید سیمان معمولی مصرف می‌کند و به همین دلیل، در کاهش اثرات زیست‌محیطی نقش مهمی دارد.

LCCP از ترکیب خاصی از کائولینیت و سنگ آهک به نسبت 2:1 تولید می‌شود. این ترکیب پس از کلسینه شدن با اضافه کردن ۲ درصد ژیپس بهینه‌سازی می‌شود. این فرایند تولید، انرژی کمتری نسبت به تولید سیمان معمولی مصرف می‌کند و به همین دلیل، در کاهش اثرات زیست‌محیطی نقش مهمی دارد.

2. آزمایشات انجام شده:

• کالوریمتری ایزوترمال: برای ارزیابی میزان انرژی آزاد شده در اثر هیدراسیون سیمان و جایگزین‌های آن استفاده شد. این آزمایش به درک بهتری از رفتار هیدراسیونی LCCP کمک کرد.
• آزمایش زمان گیرش: زمان گیرش سیمان و ترکیبات آن توسط دستگاه ویکات اندازه‌گیری شد.
• آزمایشات مقاومت فشاری: مقاومت فشاری ملات‌ها و بتن‌ها با استفاده از نمونه‌های مکعبی و برشی اندازه‌گیری شد.
• آزمایشات خواص دوام: شامل آزمایش نفوذپذیری و کربناته شدن برای سنجش میزان نفوذ آب و دی‌اکسید کربن در نمونه‌های ملات و بتن.

نتایج و تحلیل‌ها

1. هیدراسیون و انرژی آزاد شده:

1. • با افزایش درصد جایگزینی سیمان با LCCP، انرژی آزاد شده در فرایند هیدراسیون افزایش یافت. این بدان معناست که واکنش‌های شیمیایی فعال‌تری در این ترکیب‌ها اتفاق می‌افتد.
   • زمان گیرش اولیه در ترکیب‌های LCCP تسریع شد. این ویژگی می‌تواند در شرایط خاص کاربردی برای تسریع عملیات ساخت مفید باشد.

2. مقاومت فشاری:

1. • مقاومت فشاری ملات‌ها و بتن‌ها با استفاده از LCCP تا ۱۵ درصد جایگزینی سیمان بهبود یافت. این نشان می‌دهد که LCCP می‌تواند خاصیت مکانیکی بتن را تقویت کند.
   • در نسبت‌های بالاتر (20-30 درصد جایگزینی)، مقاومت فشاری کمی کاهش یافت، اما هنوز قابل قبول بود. با این حال، نسبت 15 درصد به عنوان بهترین نسبت برای به دست آوردن تعادل بین دوام و مقاومت شناسایی شد.

3. خواص دوام:

• نفوذپذیری: بتن‌های حاوی LCCP نفوذپذیری کمتری در مقایسه با بتن‌های سیمانی نشان دادند. این امر به معنای کاهش احتمال آسیب به بتن در برابر عوامل محیطی همچون آب و مواد شیمیایی است.
• کربناته شدن: همان‌طور که انتظار می‌رفت، نمونه‌های LCCP در مقایسه با سیمان معمولی، مقاومت بهتری در برابر کربناته شدن از خود نشان دادند. این ویژگی به دلیل ساختار خاص و کاهش نفوذ دی‌اکسید کربن در آن‌ها است.

4. مقایسه با سیمان معمولی:

1. • در مجموع، بتن‌های حاوی LCCP تا 15 درصد جایگزینی عملکردی مشابه یا بهتر از سیمان معمولی داشتند، در حالی که اثرات زیست‌محیطی و هزینه‌های تولید سیمان کاهش یافت.

نتیجه‌گیری

استفاده از LCCP به عنوان جایگزین سیمان نه تنها به بهبود خواص مکانیکی و دوام بتن‌ها کمک می‌کند بلکه در کاهش اثرات زیست‌محیطی تولید سیمان نیز مؤثر است. این ماده به ویژه در پروژه‌های زیربنایی و ساختمان‌های با دوام بالا می‌تواند کاربرد قابل توجهی داشته باشد.

1. اثر زیست‌محیطی: استفاده از LCCP باعث کاهش مصرف سیمان و در نتیجه کاهش تولید دی‌اکسید کربن می‌شود. این امر به کاهش اثرات زیست‌محیطی پروژه‌های ساختمانی کمک می‌کند.
2. کاربردهای صنعتی: LCCP می‌تواند به‌ویژه در پروژه‌های زیربنایی بزرگ که به مقاومت و دوام طولانی‌مدت نیاز دارند، کاربرد گسترده‌ای پیدا کند.
3. مزایای اقتصادی: هزینه‌های تولید بتن می‌تواند با استفاده از LCCP کاهش یابد. این به دلیل ارزان‌تر بودن مواد اولیه (کائولینیت و سنگ آهک) نسبت به سیمان است.

پیشنهادات آینده

• بررسی بیشتر در شرایط مختلف جوی: برای تایید عملکرد LCCP در محیط‌های مختلف، نیاز به آزمایشات طولانی‌مدت و در شرایط آب و هوایی متنوع داریم.
• مطالعه بر روی ترکیب‌های مختلف: ممکن است ترکیب‌های دیگری از LCCP با مواد دیگر بتوانند خواص بهتری از نظر مکانیکی و دوام ارائه دهند.

نتیجه کلی

این تحقیق نشان می‌دهد که جایگزینی سیمان با LCCP نه تنها می‌تواند خواص فنی و مکانیکی بتن را بهبود بخشد بلکه از جنبه‌های زیست‌محیطی و اقتصادی نیز سودمند است. بنابراین، LCCP به عنوان یک جایگزین بسیار امیدبخش در صنعت ساخت‌و‌ساز مطرح می‌شود که می‌تواند به کاهش مصرف منابع، کاهش هزینه‌ها و حفاظت از محیط‌زیست کمک کند.