Cement substitution by a combination of metakaolin and limestone
مقدمه
در صنعت سیمان، تولید سیمان پرتلند معمولاً نیاز به مقادیر زیادی کلینکر دارد که این امر منجر به انتشار گازهای گلخانه‌ای و مصرف زیاد انرژی می‌شود. بنابراین، یکی از روش‌های بهبود این فرآیند استفاده از مواد جایگزین است. متاکائولین، یک ماده پوزولانی (سازگار با سیمان) است که از دمای بالا پخته شدن کائولینیت (نوعی خاک رس) به دست می‌آید. این ماده با واکنش‌های پوزولانی می‌تواند به تقویت خواص سیمان کمک کند. از طرف دیگر، سنگ آهک به دلیل ویژگی‌های خاص معدنی خود، می‌تواند به تقویت خواص مکانیکی و دوام سیمان کمک کند. مقاله به بررسی تأثیر ترکیب این دو ماده به جای بخشی از سیمان پرتلند می‌پردازد.
روش‌های تجربی
محققان در این تحقیق ترکیبات مختلف از متاکائولین و سنگ آهک را به سیمان پرتلند اضافه کرده‌اند. درصدهای مختلف از این ترکیب‌ها (۱۵، ۳۰، ۴۵ و ۶۰ درصد جایگزینی به جای سیمان پرتلند) مورد آزمایش قرار گرفتند. نتایج این آزمایش‌ها در زمینه‌های مختلفی چون مقاومت فشاری، دوام، و تجزیه و تحلیل حرارتی مورد بررسی قرار گرفت.
نتایج
۱. خواص مکانیکی:
نتایج آزمایش‌های مقاومت فشاری نشان داد که:
- مخلوط ۱۵ درصدی (ترکیب ۵ درصد سنگ آهک و ۱۰ درصد متاکائولین) در تمام سنین آزمایش (۱، ۷، ۲۸ و ۹۰ روز) بالاترین مقاومت فشاری را از خود نشان داد.
- در درصدهای بالاتر از جایگزینی (۳۰ و ۴۵ درصد)، مقاومت فشاری در ۷ و ۲۸ روز بهتر از سیمان پرتلند خالص بود.
- در مخلوط ۶۰ درصدی (حاوی ۳۰ درصد سنگ آهک و ۳۰ درصد متاکائولین)، مقاومت فشاری در ۲۸ روز به ۹۳ درصد مقاومت سیمان پرتلند خالص رسید که به طور قابل توجهی بهبود یافته است.
۲. تجزیه و تحلیل حرارتی (TGA):
یکی از نتایج مهم در این تحقیق، تأثیر جایگزینی متاکائولین و سنگ آهک بر روی هیدراتاسیون سیمان بود:
- تجزیه و تحلیل حرارتی نشان داد که با افزایش درصد جایگزینی، میزان هیدروکسید کلسیم (Ca(OH)₂) کاهش می‌یابد.
- این کاهش به دلیل واکنش‌های پوزولانی متاکائولین و سنگ آهک است که باعث مصرف هیدروکسید کلسیم می‌شود. این فرآیند منجر به تشکیل فازهای جدیدی می‌شود که می‌توانند مقاومت ساختار سیمان را افزایش دهند.
۳. پراش پرتو ایکس (XRD):
آزمایش‌های XRD نشان داد که در ترکیبات سیمان جایگزین شده با متاکائولین و سنگ آهک، فازهای جدیدی مانند همی‌کربوآلومینات و اتریگیت ایجاد می‌شود. این فازهای جدید باعث تقویت خواص مکانیکی و شیمیایی سیمان می‌شوند. هم‌چنین، کربنات کلسیم در ترکیب با آلومینا موجود در متاکائولین واکنش داده و به تشکیل همی‌کربوآلومینات می‌انجامد.
4. مدل‌سازی ترمودینامیکی:
نتایج مدل‌سازی‌های ترمودینامیکی نشان داد که:
- با افزایش جایگزینی سیمان با ترکیب‌های متاکائولین و سنگ آهک، رفتار آب و واکنش‌های شیمیایی در سیستم سیمان تغییر می‌کند.
- به طور کلی، افزایش نسبت متاکائولین به سنگ آهک باعث بهبود خواص مکانیکی و کاهش مصرف آب می‌شود.
مزایا و کاربردها
مزایای زیست‌محیطی:
- کاهش مصرف کلینکر و در نتیجه کاهش انتشار CO2 در فرآیند تولید سیمان.
- صرفه‌جویی در مصرف انرژی به دلیل کاهش نیاز به حرارت‌دهی برای تولید کلینکر.
بهبود دوام:
- مخلوط‌های به دست آمده از متاکائولین و سنگ آهک عملکرد بهتری در برابر کربناتاسیون و حمله سولفاتی دارند. این به معنای افزایش دوام سازه‌ها و کاهش نیاز به تعمیرات و نگهداری در طولانی‌مدت است.
نتیجه‌گیری نهایی
این مقاله نشان می‌دهد که استفاده از ترکیب متاکائولین و سنگ آهک به عنوان جایگزین بخشی از سیمان پرتلند، نه تنها می‌تواند خواص مکانیکی مطلوبی را حفظ کند، بلکه به کاهش اثرات زیست‌محیطی و بهبود دوام سازه‌ها کمک خواهد کرد. ترکیب‌های بهینه (حداکثر تا ۴۵ درصد جایگزینی) نه تنها در آزمایش‌های مقاومت فشاری عملکرد بهتری نسبت به سیمان پرتلند خالص داشتند، بلکه در راستای اهداف توسعه پایدار و کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای نیز موثر هستند.
این تحقیق به وضوح پیشنهاد می‌کند که در آینده، استفاده از این ترکیب‌ها به‌طور گسترده‌تری در صنعت ساخت‌و‌ساز و پروژه‌های زیرساختی کاربرد خواهد داشت. هم‌چنین، نیاز به تحقیقات بیشتر برای بررسی تاثیرات محیطی و واکنش‌های شیمیایی به‌صورت دقیق‌تر مطرح است.
