مطالعه تجربی بر روی توسعه مقاومت بتن حاوی خاکستر بادی و کاربرد بهینه آن در بتن
1) مقدمه و هدف تحقیق
خاکستر بادی (Fly Ash) یک پوزولان مصنوعی است که از محصولات جانبی احتراق زغالسنگ در نیروگاهها به دست میآید. استفاده از آن در بتن به دلایل زیستمحیطی (کاهش ضایعات) و بهبود خواص بتن (کارپذیری، دوام) و همچنین صرفهجویی اقتصادی، بسیار رایج شده است. با این حال، یک چالش اصلی در استفاده از خاکستر بادی، سرعت کندتر توسعه مقاومت اولیه به ویژه در سنین پایین (۷ و ۲۸ روزه) است که میتواند بر برنامهریزی اجرایی پروژهها تأثیر بگذارد.
هدف اصلی این پژوهش تجربی، بررسی دقیق و کمیِ روند توسعه مقاومت بتن در سنین مختلف (از ۳ روز تا ۹۰ روز) با سطوح مختلف جایگزینی خاکستر بادی بود. در نهایت، این تحقیق به دنبال یافتن نسبت بهینه جایگزینی خاکستر بادی است که بین مقاومت کوتاهمدت و بلندمدت، همچنین مزایای دوام و اقتصادی، تعادل برقرار کند.
2) روششناسی آزمایشها (مواد و روشها)
مواد تشکیلدهنده:
- سیمان: از نوع پرتلند معمولی (OPC).
- خاکستر بادی: با درجه و کیفیت استاندارد.
- سنگدانه: شن و ماسه با دانهبندی مناسب.
- آب: آب آشامیدنی.
- کاهنده آب (Superplasticizer): برای حفظ نسبت آب به مواد سیمانی (w/b) ثابت و اطمینان از کارپذیری مطلوب در تمام طرحهای مخلوط.
طرحهای مخلوط بتن (Mix Designs):
پژوهشگران چندین طرح مخلوط مختلف را تهیه کردند که در آن سیمان با درصدهای وزنی متفاوتی توسط خاکستر بادی جایگزین شد. این درصدهای جایگزینی معمولاً شامل سطوح ۰% (نمونه شاهد)، ۱۵%، ۲۵%، ۳۵% و ۵۰% بود.
روش اجرا و آزمایش:
1) ساخت نمونههای بتن (معمولاً مکعبها یا استوانهها) بر اساس طرحهای مخلوط.
2) عملآوری نمونهها در شرایط استاندارد (آب یا رطوبت کنترلشده).
3) آزمایش مقاومت فشاری نمونهها در سنین مختلف: ۳، ۷، ۲۸، ۵۶ و ۹۰ روزه.
4) ثبت دقیق دادههای مقاومت و تجزیه و تحلیل روند آنها.
متغیر کلیدی: نسبت آب به مواد سیمانی (w/b) در تمام مخلوطها ثابت نگه داشته شد تا تأثیر خالص خاکستر بادی بر توسعه مقاومت سنجیده شود.
3) یافتهها و نتایج تجربی
نتایج آزمایشها الگوی واضح و قابلتوجهی را در توسعه مقاومت بتنهای حاوی خاکستر بادی نشان داد:
مقاومت در سنین پایین (۳ و ۷ روزه):
تمام نمونههای حاوی خاکستر بادی در مقایسه با نمونه شاهد (۰%)، مقاومت فشاری کمتری داشتند.
هرچه درصد جایگزینی خاکستر بادی بیشتر میشد (مثلاً ۳۵% و ۵۰%)، این کاهش مقاومت در سنین اولیه محسوستر بود.
دلیل: واکنش پوزولانی خاکستر بادی کند است و در روزهای اولیه، ذرات خاکستر بادی عمدتاً نقش پرکنندگی فیزیکی دارند و نقش شیمیایی فعالی در ایجاد مقاومت ایفا نمیکنند. در نتیجه، حجم خمیر سیمان واکنشدادهشده (CSH) در سنین پایین کمتر است.
مقاومت در سنین میانی و بلندمدت (۲۸، ۵۶ و ۹۰ روزه):
با گذشت زمان، روند مقاومتگیری کاملاً تغییر کرد.
نمونههای با درصد جایگزینی متوسط (۲۵% تا ۳۵%) نه تنها با نمونه شاهد برابری کردند، بلکه در بسیاری از موارد از آن پیشی گرفتند.
دلیل: با ادامه یافتن زمان، واکنش کند پوزولانی خاکستر بادی به طور قابلملاحظهای فعال شد. در این واکنش، خاکستر بادی با هیدروکسید کلسیم (Ca(OH)₂) آزادشده از هیدراتاسیون سیمان واکنش داده و سیلیکات کلسیم هیدراته (CSH) بیشتری تولید میکند. این CSH اضافی، تخلخل خمیر بتن را کاهش داده و باعث افزایش چگالی و در نتیجه افزایش مقاومت در سنین بالاتر میشود.
نمونههای با جایگزینی بسیار بالا۵۰%:
این نمونهها حتی در سن ۹۰ روزه نتوانستند به مقاومت نمونه شاهد ۲۸ روزه برسند. این نشان میدهد که درصد بسیار بالای خاکستر بادی، حتی با وجود واکنش پوزولانی، نمیتواند کمبود شدید سیمان را در ایجاد چارچوب اولیه مقاومت جبران کند.
4) بحث و تعیین کاربرد بهینه
بر اساس دادههای توسعه مقاومت، پژوهشگران به تحلیل بهینهترین میزان استفاده از خاکستر بادی پرداختند:
نسبت بهینه جایگزینی: نتایج این مطالعه نشان میدهد که جایگزینی در محدوده ۲۵% تا ۳۵% از وزن سیمان، به عنوان ناحیه بهینه در نظر گرفته میشود.
دلایل بهینه بودن این محدوده:
1) مقاومت بلندمدت برتر: در این محدوده، بتن در سن ۹۰ روزه به مقاومتی بسیار بالاتر از بتن شاهد میرسد.
2) کاهش قابل قبول مقاومت اولیه: اگرچه مقاومت ۷ روزه ممکن است کمتر باشد، اما کاهش مقاومت در سن ۲۸ روزه بسیار ناچیز است یا حتی به حالت برابری و برتری میرسد. این امر برای بسیاری از پروژههای عمرانی که الزامات قالببرداری و بارگذاری اولیه را دارند، قابل قبول است.
3) حصول سایر مزایا: در این درصد، مزایای دیگر خاکستر بادی از جمله کاهش حرارت هیدراتاسیون (جلوگیری از ترکخوردگی ناشی از حرارت در مقاطع حجیم)، افزایش کارپذیری، کاهش نفوذپذیری و افزایش دوام در برابر عوامل مخرب به خوبی محقق میشود.
5) نتیجهگیری نهایی
این مطالعه تجربی به وضوح نشان میدهد که اگرچه استفاده از خاکستر بادی میتواند منجر به توسعه کندتر مقاومت در سنین اولیه شود، اما این یک نقطه ضعف مطلق نیست و در بلندمدت جبران میشود. کلید موفقیت در استفاده از خاکستر بادی، انتخاب درصد جایگزینی بهینه است.
نتیجهگیری نهایی مقاله این است: برای دستیابی به بهترین عملکرد کلی از نظر مهندسی (تعادل بین مقاومت کوتاهمدت و بلندمدت، دوام و اقتصاد)، جایگزینی ۲۵% تا ۳۵% از سیمان با خاکستر بادی را میتوان به عنوان یک راهبرد مؤثر و علمی توصیه کرد. این پژوهش یک پایه دادهای مستحکم برای مهندسان و طراحان بتن فراهم میکند تا بتوانند با اطمینان بیشتری از این ماده ارزشمند در ساختوساز استفاده کنند.
منبع:
H. Xu and S. H. Yin, “An experimental study on strength development of concrete containing fly ash and optimum usage of fly ash in concrete”, Cement and Concrete Research, 2005.
