Effect of Zeolite on the Strength and Permeability of Conventional Concrete with Different Content of Cement

Ahmadi, J; Azizi, H; Koohi, M

Effect of Zeolite on the Strength and Permeability of Conventional Concrete with Different Content of Cement

Document Type : Research Paper

Authors

¹ Assistant Prof., Civil Engineering. Dept., Faculty of Eng., Zanjan University

² M.Sc. of Structural Engineering, Faculty of Eng., Zanjan University

³ Student of Structural Engineering, Faculty of Eng., Zanjan University

Abstract

Pozzolanic materials is one of the strategies to improve strength and durability of concrete. Pozzolanic reactions lead to filling the voids in the concrete and reduces porosity and permeability and thereby increase the durability and strength of concrete. Zeolite is a natural pozzolan is abundant in Iran and is easily extracted and processed. Therefore, in this study, Effect of zeolite on resistance and permeability of concrete with different grades of cement has been investigated. For this purpose, tests of strength, capillary water absorption, determination chloride ion profiles and X-ray diffraction (XRD) was conducted on specimens. In making specimens, various of cement content and different percentages of zeolite and water-cement ratio was used. The results show that addition of zeolite on concrete increased resistance and decreased permeability of specimens compared to the reference concrete. Also results of XRD and SEM images obtained from the tests show that microstructures of specimens containing zeolite, has a greater density than the zeolite without it.

Keywords

Full Text

1- مقدمه

دوام و مقاومت سازههای بتنی بهویژه در سازههای مرتبط با راه نظیر پایه پلها یا اسکلههای دریایی، به علت حجم بار ترافیکی و قرارگیری در معرض عوامل محیطی، توجه زیادی را در علم فناوری بتن به خود جلب کرده است ]1[. دراین راستا تلاشهای زیادی صورت گرفته تا با استفاده از افزودنیها، مقاومت و دوام بتن بهبود یابد. از جمله این موارد می توان به مطالعات انجام یافته زیر اشاره کرد:

پون و همکارانش (2005) با انجام آزمایشهایی بر روی سه نوع بتن معمولی، بتن با میکروسیلیس، و بتن با متاکائولین، مقاومت این بتنها را در مقابل نفوذ یونهای کلراید مورد ارزیابی قرار دادند. نتایج آزمایش مقاومت فشاری نمونهها در این پژوهش نشانگر افزایش مقاومت در صورت استفاده از متاکائولین و میکروسیلیس به عنوان جایگزین بخشی از سیمان مصرفی میباشد. همچنین نتایج آزمایش نفوذ سریع یون کلر در بتن (RCPT) نشانگر کاهش نفوذ یون کلر در بتن در صورت استفاده از متاکائولن و میکروسیلیس میباشد ]2[.

چینداپراسیرت و همکارانش (2007) با انجام آزمایشهایی بر روی 6 نوع بتن، (بتن با سیمان پرتلند معمولی(OPC) ، بتن حاوی خاکستر بادی(FA)، بتن حاوی خاکستر پوسته ی برنج (RHA)، بتن حاوی خاکستر سوخت روغن خرما(POA)، بتن با ترکیب مساوی از خاکستر بادی و خاکستر پوسته برنج(BRF) و بتن با ترکیب مساوی از خاکستر بادی و خاکستر سوخت روغن خرما(BPF)) مقاومت این بتنها را در مقابل نفوذ یونهای کلراید مورد ارزیابی قرار دادند. نتایج نشان میدهد که استفاده از POA، RHA و FA به عنوان پوزولان جایگزین بخشی از سیمان پرتلند میتواند باعث افزایش مقاومت فشاری و کاهش نفوذپذیری یون کلراید در بتن شود و همچنین استفاده از POA، RHA و FA باعث بهبود مقاومت در برابر نفوذ کلراید شده و عمل هیدراتاسیون را بهبود بخشیده که این موجب کاهش منافذ و نفوذپذیری در بتن میگردد. RHA در این مورد بهتر عمل کرده و پس از آن POA و FA عملکرد خوبی دارند. همچنین نتایج نشان میدهد که استفاده از مخلوط با ترکیب POA و FA و همچنین ترکیب FA و RHA نیز مقاومت فشاری و مقاومت در برابر نفوذ را بهبود میبخشد ]3[.

ولی پور و همکارانش (2013) تأثیر جایگزینی سیمان با درصدهایی از زئولیت، متاکائولن و میکروسیلیس، بر روی دوام بتن را مورد بررسی قرار دادند. نتایج آزمایش مقاومت فشاری نمونهها در این پژوهش نشانگر افزایش مقاومت در صورت استفاده از زئولیت، متاکائولین و میکروسیلیس به عنوان جایگزین بخشی از سیمان مصرفی میباشد. همچنین آنها به این نتیجه رسیدند که استفاده از این پوزولانها موجب افزایش مقاومت الکتریکی نمونهها نسبت به بتن مرجع میشود. با توجه به آزمایش جذب آب نمونهها، آنها به این نتیجه رسیدند که در صورت استفاده از این پوزولانها میتوان مقدار جذب آب بتن را کاهش داد ]4[.

السعادت ثابت و همکارانش (2013) تاثیر جایگزینی سیمان با درصدهایی از زئولیت، خاکستر بادی و میکروسیلیس، بر روی دوام بتن را مورد بررسی قرار دادند. آنها به هنگام انجام آزمایش اسلامپ به این نتیجه رسیدند که زئولیت نسبت به میکروسیلیس و خاکستر بادی بیشتر روانی بتن را کاهش داده بنابراین هنگام بهکارگیری زئولیت باید فوق روان کننده بیشتری مصرف شود. آنها در این پژوهش به این نتیجه رسیدند که به هنگام استفاده از این پوزولانها، مقاومت فشاری و همچنین مقاومت الکتریکی نمونهها به مقدار قابل توجهی افزایش مییابد. همچنین با استفاده از این پوزولانها میتوان مقدار جذب آب نمونهها را کاهش داد ]5[.

چان و همکارش (1999) تاثیر جایگزینی سیمان با درصدهایی از زئولیت، خاکستر بادی و میکروسیلیس، بر روی بتن را مورد بررسی قرار دادند. نتایج آزمایشهای آنها نشان میدهد که مقاومت فشاری 28 روزه نمونهها با افزایش زئولیت تا 15% افزایش یافته ولی بعد آن با افزایش زئولیت به 30% مقاومت کاهش یافته است. همچنین میتوان مشاهده کرد که جذب سطحی اولیه بتن در زمانهای 10، 30 و 60 دقیقه با اضافه کردن پوزولان کاهش پیدا کرده و در مورد زئولیت میتوان گفت که کمترین جذب سطحی اولیه متعلق به بتن با 15% زئولیت میباشد ]6[.

احمدی و همکارش (2010) تاثیر جایگزینی سیمان با درصدهایی از زئولیت و میکروسیلیس، بر روی بتن را مورد بررسی قرار دادند. نتایج آزمایشهای آنها نشان میدهد که در صورت استفاده از زئولیت و میکروسیلیس، مقاومت فشاری و مقاومت الکتریکی نمونهها افزایش یافته و همچنین ضریب جذب آب و ضریب نفوذ ویژه اکسیژن در نمونهها کاهش مییابد ]7[.

کلهری و همکارش (1391) نیز بهبود خواص بتن در صورت استفاده از زئولیت را گزارش کردهاند ]8[.

از سوی دیگر، از جمله مهمترین پارامترهای تاثیرگذار بر رفتار بتن، تغییرات عیار سیمان در طرح مخلوط است. تغییر عیار سیمان در طرح مخلوط، با تغییر دو پارامتر مهم نسبت سنگدانه به سیمان (A/C) و حجم خمیر میتواند خواص مکانیکی بتن را تحت تأثیر قرار دهد. در بخش قابل توجهی از مطالعات انجام یافته کاهش مقاومت فشاری با افزایش حجم خمیر سیمان (در بتن های با عیار سیمان بالا) گزارش شده است ]9و10[. کولیاس و جورجیون (2005) این کاهش مقاومت را به دلیل کاهش طول مسیر ترک ناشی از تنش فشاری برای شکست بتن دانستهاند. در نتیجه کاهش طول ترک، به انرژی کمتر یا اعمال بار کمتری برای شکست نیاز است و در نتیجه مقاومت فشاری کاهش مییابد ]9[. ییگیتر و همکاران (2007) نشان دادهاند که در یک نسبت ثابت آب به سیمان، بسته به طرح اختلاط، با افزایش عیار سیمان در مخلوط، مقاومت بتن کاهش مییابد]10و22[. این پدیده بهویژه در نسبت آب به سیمان پایین خود را بیشتر نشان میدهد. داهیر و همکاران (2006) دلیل عمده تأثیر افزایش عیار سیمان را، تاثیر آن به ریزساختار بتن دانستهاند. آنها نشان دادند که با افزایش عیار سیمان، بهصورت متناسب تخلخل در خمیر سیمان افزایش یافته و مقاومت کاهش مییابد. علاوه بر این، آنها افزایش آب انداختگی داخلی بتن و کاهش چسبندگی خمیر به سنگدانهها را نیز جمله دلایل این پدیده ذکر کردهاند ]11[.پون و همکاران (2008) علت این امر را به کاهش مقاومت خمیر و چسبندگی بین خمیر و سنگدانه به علت کاهش حجم سنگدانهها در مخلوط نسبت دادهاند ]12[.

گزارشهای مشابهی از تاثیر منفی افزایش عیار سیمان بر نفوذپذیری و مقاومت الکتریکی بتن ارائه شده است] 13[. شاه و همکاران (2000) افزایش نفوذپذیری بتن را با افزایش عیار سیمان گزارش کردهاند. آنها نشان دادهاند که با افزایش عیار سیمان در مخلوط در برابر حرکت مایعات، سنگدانههای کمتری مانع ایجاد میکند و پیچ و خم کمتری در مسیر وجود دارد که در نتیجه ضریب نفوذپذیری افزایش مییابد ]14[. همچنین شی (2004) گزارش کرده است که با افزایش عیار سیمان، مقاومت الکتریکی بتن نیز کاهش مییابد. او علت این امر را در کاهش حجم سنگدانهها جستجو و استدلال میکند که سنگدانهها مقاومت الکتریکی بیشتری نسبت به خمیر هیدراته شده سیمان در برابر حرکت یونها دارد و با کاهش حجم سنگدانهها در مخلوط به علت افزایش عیار سیمان، مقاومت الکتریکی کل نمونه کاهش مییابد ]13[. هارت و همکاران (2004) کاهش مقاومت الکتریکی را با افزایش تخلخل خمیر سیمان مرتبط میدانند. آنها نشان دادهاند که با افزایش عیار سیمان، حجم خمیر و در نتیجه آن تخلخل مخلوط بتنی افزایش مییابد. افزایش تخلخل بتن، آب منفذی بیشتری را برای انتقال یونهای در اختیار قرار میدهد که موجب کاهش مقاومت الکتریکی بتن میشود ]15[.

با این وجود در برخی مطالعات روندی معکوس گزارش شده است. مطالعات شین و همکاران (2003) نشان داده است که با افزایش عیار سیمان، از 200 تا 500 kg/m³مقاومت فشاری بتن نیز افزایش مییابد. آنها ادعا کردهاند که به علت بالا بودن سطح ویژه ذرات سیمان نسبت به سایر اجزای مخلوط، با افزایش عیار سیمان، دانسیته بتن افزایش یافته و در نتیجه بتن چگالتر میشود و به همین علت مقاومت فشاری نیز با افزایش عیار سیمان بیشتر میگردد. همچنین مشاهدات آنها نشان میدهد که جذب آب بتن با افزایش عیار سیمان کاهش مییابد که علت احتمالی این امر را کاهش تخلخل بتن با افزایش ذرات ریز سیمان بیان کردهاند] 16[. ییگیتر و همکاران (2007) نیز نتایج متفاوتی را برای تاثیر افزایش عیار سیمان بر نفوذ یون کلر گزارش کردهاند. آنها با آزمایش عمق نفوذ کلر در عیارهای 250، 350 و 450 kg/m³، گزارش کردهاند که افزایش عیار سیمان موجب کاهش میزان عمق نفوذ کلر شده است ]10[. مرور نتایج متضاد و گزارش شده نشان دهنده اختلاف در نتایج مطالعات مختلف در زمینه تاثیر تغییر عیار سیمان در طرح مخلوط است.

هدف از این مقاله بررسی تاثیر عملکرد زئولیت در بهبود مقاومت و نفوذپذیری بتن، با تغییر در مقدار عیار سیمان در طرح اختلاطهای ساخته شده می باشد. برای این منظور سه عیار متفاوت سیمان (300، 350 و 400 kg/m³) در بتن مرجع و بتن حاوی زئولیت مورد مطالعه قرار گرفته است. آزمایشهای مقاومت فشاری، جذب آب حجمی و جذب آب موئینه، تعیین پروفیل یون کلر، XRD بر روی نمونههای بتنی انجام شده است و با استفاده از روش SEM به مشاهده و مطالعه ریز ساختار بتن در نمونه های ساخته شده پرداخته شده است.

2- مطالعات آزمایشگاهی

2-1- مصالح مصرفی

در این مطالعات از سیمان پرتلند تیپ 2 آبیک قزوین برای ساخت نمونه ها استفاده شده است که مشخصات آن در جدول 1 ارائه شده است. ماسه تهیه شده از نوع رودخانهای با وزن مخصوص 2530 kg/m³و شن تهیه شده از نوع شکسته با حداکثر اندازه دانههای 12.5 میلیمتر بوده و همچنین وزن مخصوص آن 2610 kg/m³میباشد. سنگدانه مصرفی تهیه شده از معادن شن و ماسه زنجان می باشد که دانهبندی آن در جدول 2 و شکل 1 آورده شده است. نسبت ماسه به شن در تمامی مخلوطها 1.38: 1ثابت میباشد.

زئولیت مصرفی به رنگ کرم از کارخانه آذین پودر سمنان تهیه شده که آنالیز شیمیایی آن در جدول 3 آورده شده است. جذب آب زئولیت مصرفی تا 60% حجمی و وزن مخصوص ظاهری آندر حدود g/cm3 1.1 بوده است. اسلامپ تمامی مخلوطها بین 8-10 سانتیمتر ثابت میباشد و برای رسیدن به کارایی مناسب از یک نمونه فوقروان کننده پلیکربکسیلاتی استفاده شده است.

جدول 1: مشخصات سیمان مصرفی

F CaO	C₄AF	C₃A	C₂S	C₃S	LOI	IR	K₂O	SO₃	MgO	CaO	Fe₂O₃	Al₂O₃	SiO₂	عناصر	ترکیب شیمیایی
0.98	11.04	5.9	17.7	58	2.05	0.43	0.6	1.97	2.4	63.2	3.6	4.61	21.31	درصد
بلین					زمان گیرش					انبساط					خواص فیزیکی
3007					160-215					0.2
28 روزه					7 روزه					3 روزه				مقاومت فشاری Kg/cm²	خواص مکانیکی
427					308					211

جدول 2: دانهبندی سنگدانه مصرفی

الک (mm)	12.5	9.5	6.35	4.75	2.38	1.19	0.6	0.3	0.15
درصد گذشته از الک	100	86	69	58	39	25	15	8	3

شکل 1: منحنی سنگدانه مصرفی.

جدول 3: آنالیز شیمیایی زئولیت مصرفی

Al₂O₃	Fe₂O₃	MgO	SiO₂	CaO	SO₃	ترکیبات شیمیایی
13.66	1.44	1.2	67.79	1.68	0.5	درصد

در این تحقیق از سه عیار سیمان مختلف 300، 350 و 400 kg/m³و همچنین سه درصد مختلف زئولیت (0 ، 10 و 15% بر مبنای مطالعات مقدماتی آزمایشگاهی) و نیز دو نسبت آب به سیمان 0.4 و 0.5 استفاده شده است. در نوشتن کد طرحهای مورد استفاده حرف A نسبت آب به سیمان 0.4 و حرف B نسبت آب به سیمان 0.5 را نشان میدهند. همچنین عدد اول بعد حروف ذکر شده عیار سیمان و عدد دوم درصد زئولیت مصرفی را نشان میدهد. طرح اختلاط مورد استفاده در این تحقیق در جدول 4 آورده شده است.

جدول 4: مشخصات طرح اختلاط

SP (%)	اسلامپ (cm)	S/G	درشت دانه (kg/m3)	ریزدانه (kg/m³)	سنگدانهکل (kg/m³)	Zeo (%)	C (kg/m3)	W/C	کدطرح
0.8	8-10	1.38	816	1128	1944	0	300	0.4	A300-0
1.2	8-10	1.38	810	1118	1928	10	270	0.4	A300-10
1.5	8-10	1.38	806	1114	1920	15	255	0.4	A300-15
0.6	8-10	1.38	778	1074	1852	0	350	0.4	A350-0
1	8-10	1.38	770	1063	1833	10	315	0.4	A350-10
1.2	8-10	1.38	766	1058	1824	15	297.5	0.4	A350-15
0.4	8-10	1.38	739	1021	1760	0	400	0.4	A400-0
0.8	8-10	1.38	730	1009	1739	10	360	0.4	A400-10
1	8-10	1.38	726	1002	1728	15	340	0.4	A400-15
0.8	8-10	1.38	784	1083	1867	0	300	0.5	B300-0
1.2	8-10	1.38	774	1069	1843	15	255	0.5	B300-15
0.5	8-10	1.38	740	1022	1762	0	350	0.5	B350-0
1	8-10	1.38	729	1006	1735	15	297.5	0.5	B350-15
0.2	8-10	1.38	696	961	1657	0	400	0.5	B400-0
0.6	8-10	1.38	683	943	1626	15	340	0.5	B400-15

نمونههای آزمایشگاهی طبق طرح اختلاط ارائه شده در جدول 3 و پس از ساخته شدن به مدت 24 ساعت داخل قالب و در محیط آزمایشگاه در دمای5±22 درجه سانتیگراد نگهداری شدند و سپس قالبها باز شده و نمونهها تا روز مورد نظر در آب با دمای آزمایشگاه نگهداری شدند. سپس نمونهها طبق برنامه زمان بندی انجام آزمایشها، تحت آزمایشهای مختلف قرار گرفتند.

برای تعیین مقاومت فشاری نمونهها طبق استاندارد BS 1881-Part 116 ]17[ از نمونههای مکعبی 100*100*100 میلیمتری استفاده شده است. نمونهها پس از 28 و 90 روز عملآوری در آب، از آب خارج شده و پس از خشک شدن در محیط آزمایشگاه، مورد آزمایش فشاری قرار گرفتند. آزمایش جذب آب حجمی اولیه (30 دقیقه) و نهایی (72 ساعت)، طبق استاندارد ASTM C642 ]18[ بر روی نمونههای مکعبی 100*100*100 میلیمتری انجام گرفت.آزمایش جذب آب موئینه نیز با استفاده از روش ارائه شده در RILEM CPC 11.2 ]19[ بر روی نمونههای مکعبی 100*100*100 میلیمتری انجام شد. این آزمایش در فواصل زمانی 3، 6، 24 و 72 ساعت بر روی نمونه های مستغرق در آب به اندازه 5 میلیمتر انجام پذیرفت. در این آزمایش بین جذر زمان (t^1/2) با آب جذب شده (i) بر واحد سطح نمونه رابطهای وجود دارد. شیب خط برازش شده بدون احتساب نقطه مرجع، ضریب جذب موئینه (s) با واحد m/h^1/2 نامیده می شود. مقدار آب جذب شده هر نمونه در زمان t طبق رابطه (1) و همچنین رابطه بین آب جذب شده و مجذور زمان طبق رابطه (2) بیان میشود:

(1)

که در آن i_tمیزان جذب آب در واحد سطح نمونه در زمان t بر حسب g/m²؛ m₀ وزن نمونه خشک بر حسب gr ؛ m_t وزن نمونه در زمان t بر حسب gr و A نیز سطح مقطع نمونه بر حسبm² است.

(2)

در رابطه 2، tزمان بر حسب hr؛ s ضریب جذب آب موئینه بر حسب m/hr^1/2 و c ثابت جذب آب موئینه بر حسب m است.

برای تعیین پروفیل یون کلر از استاندارد ASTM C 1556 [20] استفاده شده است. برای این منظور نمونهها پس از ساخت، 7 روز در آب عملآوری شدند. پس از آن 5 وجه از 6 وجه نمونه پوشش داده شده تا نفوذ یون کلراید از یک وجه شبیهسازی شود. سپس این نمونه ها در محلول 5% NaCl ، به مدت 90 روز غرقاب شدند. پس از سپری شدن زمان مورد نظر، نمونهها از محلول در آورده شده و درون گرمخانه با تهویه مناسب و با دمای 1±110 درجه سانتیگراد به مدت 72 ساعت قرار داده شد. سپس نمونهها را از گرمخانه درآورده و پس از سرد شدن در دمای آزمایشگاه، 4سوراخ با قطر 12 میلیمتر به صورت خشک در عمقهای 0-5، 5-10، 10-15، 15-20 و 20-30 میلیمتر از سطح بدون پوشش با دریل حفر گردید. هر حفاری در عمق 5 میلیمتر متوقف شده و مواد سائیده شده از هر 4 سوراخ جمعآوری شده و با هم ترکیب شدند، پس از عبور نمونهها از الک نمره 20، یون کلراید محلول در آب هر نمونه الک شده، توسط استاندارد ASTM C 1218 [21] (بهکمک محلول نیترات نقره و پتاسیم کرومات) تعیین شد.

همانگونه که اشاره شده از روش پراش پرتو ایکس (XRD) یا X-ray Diffraction بدلیل آنکه روش مستقیمی برای تعیین نوع فازها و ساختار بلورین مواد است، در این مطالعات استفاده شده است. پدیده پراش پرتو ایکس XRD برای مطالعه ریز ساختار نمونه های ساخته شده در این پژوهش استفاده شده است. در روش SEM نیز(Scanning Electron Microscope) الکترون هایی با انرژی بالا توسط یک تفنگ الکترونی به نمونه تابیده می شود و این الکترون ها با نمونه برخورد کرده و پس از برگشت از نمونه الکترونهای برگشتی به یک آشکارساز برخورد کرده و تصویر نمونه مشخص می شود.

3- نتایج آزمایش ها

3-1- نتایج آزمایش مقاومت فشاری

نتایج مقاومت فشاری 28 و 90 روزه نمونهها برای 15 طرح موجود در جدول 5 و شکل 2 و 3 نشان داده شده است.

برای بررسی تأثیر جایگزینی زئولیت به جای بخشی از سیمان، با مقایسه نتایج بدست آمده از نمونههای مورد آزمایش، مشاهده میشود که با افزودن زئولیت به مخلوط، افزایش قابل توجهی در مقاومت فشاری نمونهها ایجاد شده است. با توجه به مقاومت فشاری بدست آمده از نمونه ها به نظر میرسد استفاده از زئولیت به مقدار حدودا 15% جایگزین سیمان موجب بهبود مقاومت فشاری نمونهها میشود. همچنین با افزایش نسبت آب به سیمان از 0.4 به 0.5 کاهش قابل توجهی در مقاومت فشاری نمونهها ایجاد شده است.برای بررسی تاثیر عیار سیمان بر روی مقاومت فشاری نمونهها، با مقایسه نتایج نمونههای بتنی بدون زئولیت، مشاهده میشود که با افزایش عیار سیمان از 300 به 350 kg/m³مقدار مقاومت فشاری افزایش مییابد و از عیار 350 به 400 kg/m³ مقاومت فشاری کاهش مییابد، در این نمونهها عیار سیمان 350 kg/m³برای نمونههای بتنی بدون زئولیت از لحاظ مقاومت فشاری بهینه بوده است.

جدول 5: نتایج مقاومت فشاری نمونهها

کد طرح	A300-0	A300-10	A300-15	A350-0	A350-10	A350-15	A400-0	A400-10	A400-15	B300-0	B300-15	B350-0	B350-15	B400 -0	B400 -15
مقاومت فشاری 28 روزه (Mpa)	58	65	69	65	72	74	60	73	76	50	59	55	64	52	63
مقاومت فشاری 90 روزه (Mpa)	83	92	98	92	103	106	86	105	109	71	84	78	91	74	90

شکل 2: نتایج آزمایش مقاومت فشاری 28 روزه.

شکل 3: نتایج آزمایش مقاومت فشاری 90 روزه.

همچنین برای بررسی تأثیر همزمان استفاده از زئولیت و تغییر عیار سیمان، با مقایسه نتایج نمونههای بتنی دارای زئولیت، مشاهده می‌شود که با افزایش عیار سیمان از 300 به 350 و از 350 به 400 kg/m³ مقدار مقاومت فشاری همچنان افزایش مییابد، در نتیجه با افزودن زئولیت امکان دستیابی به افزایش مقاومت فشاری در نسبت بالاتری از عیار سیمان فراهم میشود. دلیل این امر هم میتواند واکنش زئولیت با Ca(OH)₂ (هیدراکسید کلسیم، CH) باشد چرا که هر چه عیار سیمان بیشتر باشد مسلما Ca(OH)₂ بیشتری با زئولیت واکنش داده و تولید ژل C-S-H (سیلیکات کلسیم هیدراته) میکند که در نتیجه آن حفرات بیشتری از بتن پر شده و موجب بهبود ریز ساختار آن میشود و بتن مقاوم تری ایجاد خواهد شد.

3-2- نتایج آزمایش جذب آب حجمی اولیه و نهایی

نتایج این آزمایش شکلهای 4 و 5 نشان داده شده است. همانگونه که مشاهده میشود با افزودن زئولیت به مخلوط، در عیار سیمانهای مختلف و در هر دو نسبت آب به سیمان، درصد جذب آب کاهش مییابد. همچنین با افزایش نسبت آب به سیمان از 0.4 به 0.5 درصد جذب آب حجمی نمونهها افزایش مییابد.

شکل 4: نتایج جذب آب حجمی اولیه (30 دقیقه)

شکل 5: نتایج جذب آب حجمی نهایی (72 ساعت)

با مقایسه نتایج نمونههای بتنی بدون زئولیت، مشاهده میشود که با افزایش عیار سیمان از 300 به 350 kg/m³ درصد جذب آب کاهش مییابد و از عیار 350 به 400 kg/m³ درصد جذب آب افزایش مییابد، به نظر عیار سیمان 350 kg/m³ برای نمونههای بتنی بدون زئولیت از نظر جذب آب حجمی نیز بهینه است. اما با مقایسه نتایج نمونههای بتنی دارای زئولیت، مشاهده میشود که با افزایش عیار سیمان از 300 به 350 و از 350 به 400 kg/m³ درصد جذب آب کاهش مییابد، در نتیجه با افزودن زئولیت امکان دستیابی به کاهش نفوذپذیری در نسبت بالاتری از عیار سیمان فراهم شده است.

3-3- نتایج آزمایش جذب آب موئینه

نتایج این آزمایش شکلهای 6 تا 9 نشان داده شده است. همانطور که مشاهده میشود با افزودن زئولیت به مخلوط، در عیار سیمانهای مختلف و در هر دو نسبت آب به سیمان، مقدار جذب آب در واحد سطح (i) و همچنین ضریب جذب آب موئینه (s) کاهش مییابد. همچنین با افزایش نسبت آب به سیمان از 0.4 به 0.5 ضریب جذب آب موئینه نمونهها افزایش مییابد. با مقایسه نتایج نمونههای بتنی بدون زئولیت، مشاهده میشود که با افزایش عیار سیمان از 300 به 350 kg/m³ ضریب جذب آب موئینه کاهش مییابد و از عیار 350 به 400 kg/m³ افزایش مییابد، به نظر عیار سیمان 350 kg/m³ برای نمونههای بتنی بدون زئولیت از نظر جذب آب موئینه نیز بهینه است. اما با مقایسه نتایج نمونههای بتنی دارای زئولیت، مشاهده میشود که با افزایش عیار سیمان از 300 به 350 و از 350 به 400 kg/m³ ضریب جذب آب موئینه کاهش مییابد، در نتیجه با افزودن زئولیت امکان دستیابی به کاهش نفوذپذیری در نسبت بالاتری از عیار سیمان نظیر نتایج جذب آب حجمی اولیه و نهایی فراهم میشود. دلیل این پدیده نیز بهطور مشابه مصرف شدن هیدروکسید کلسیم و تولید سیلیکات کلسیم هیدراته بیشتر در حضور زئولیت می باشد.


شکل 6: نتایج جذب آب موئینه (3 ساعت)	شکل 7: نتایج جذب آب موئینه (6 ساعت)

شکل8: نتایج جذب آب موئینه (24 ساعت)	شکل 9: نتایج جذب آب موئینه (72 ساعت)

3-4- نتایج آزمایش تعیین پروفیل یون کلر

در شکل 10، نتایج آزمایش تعیین پروفیل یون کلر ارائه شده است. همانطور که مشاهده میشود و همانگونه که انتظار می رود، هرچه عمق نمونه بیشتر میشود غلظت یون کلر کم شده و همچنین مشاهده میشود که با افزودن زئولیت به مخلوط، در هر دو نسبت آب به سیمان، غلظت یون کلر به طور قابل توجهی کاهش مییابد. همچنین با افزایش نسبت آب به سیمان از 0.4 به 0.5 غلظت یون کلر در نمونهها افزایش مییابد. دلیل کاهش عمق نفوذ یون کلر اصلاح ریز ساختار بتن و در نتیجه کاهش نفوذ پذیری بتن بر اثر واکنش زئولیت با هیدروکسید کلسیم در حضور رطوبت آزاد داخل شبکه منافذ بتن می باشد.

شکل 10: نتایج آزمایش تعیین پروفیل یون کلر

3-5- نتایج آزمایش پراش پرتو ایکس (XRD)

شکل 11 تا 14 نتایج پراش پرتو ایکس را برای نمونههای با عیار سیمانی 300 و 400 kg/m³ و در دو نسبت آب به سیمان 0.4 و 0.5 با و بدون زئولیت نشان میدهد.

با مقایسه نتایج پراش پرتو ایکس نمونههایبا و بدون زئولیت، مشاهده میشود که وجود زئولیت موجب ایجاد واکنش (واکنش پوزولانی) این ماده با هیدروکسید کلسیم موجود در بتن میشود و با مصرف هیدروکسید کلسیم مقدار این ماده را در بتن کاهش داده (با توجه به کاهش شدت در نمودار) و در عوض مقدار سیلیکات کلسیم هیدراته (ژل C-S-H) را افزایش میدهد. نتیجه ایکه بصورت غیر مستقیم از نتایج آزمایشهای مقاومت فشاری و نفوذ پذیری نمونه ها قابل پیش بینی بود.

شکل 11: طیف پراش پرتو ایکس نمونههای A300-0 و A300-15. شکل 12: طیف پراش پرتو ایکس نمونههای A400-0 و A400-15.

شکل 13: طیف پراش پرتو ایکس نمونههای B300-0 و B300-15. شکل 14: طیف پراش پرتو ایکس نمونههای B400-0 و B400-15.

3-6- نتایج آزمایش میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)

شکل 15 تا 18 تصاویر میکروسکوپ الکترونی را برای نمونههایی با عیار سیمانی 300 kg/m³ و دو نسبت آب به سیمان مختلف 0.4 و 0.5 با دو درصد زئولیت مختلف 0 و 15، نشان میدهد.

با مقایسه تصاویر میکروسکوپ الکترونی، میتوان دید که اضافه شدن زئولیت موجب ریزتر شدن منافذ و کاهش خلل و فرج در نمونه میشود. در ساختار نمونههای بدون زئولیت کریستالهای بزرگ و متقاطع و منافذ بزرگ بین آنها به راحتی قابل مشاهده است. در حالیکه با افزوده شدن زئولیت ساختار نمونه بسیار همگنتر شده و منافذ ریزتر میشود. همچنین با مقایسه تصاویر میتوان نتیجه گرفت که با افزایش نسبت آب به سیمان از 0.4 به 0.5، در ساختار نمونهها منافذ بزرگ تر و خلل و فرج بیشتری دیده میشــــود

و ازهمگنی ساختار بتن کاسته میشود.

4- نتیجه‌گیری

در این پژوهش به بررسی تأثیر زئولیت به عنوان ماده افزودنی معدنی (پوزولان طبیعی) به صورت پودری به عنوان بخشی از سیمان مصرفی و نیز تاثیر تغییرات عیار سیمان هم به طور جداگانه و هم به طور همزمان با زئولیت، بر روی مشخصه مقاومت ونفوذپذیری بتنهای معمولی پرداخته شده است. در این راستا از سه عیار سیمان مختلف 300، 350 و 400 kg/m3 و همچنین سه درصد مختلف زئولیت (0، 10 و 15%) به عنوان جایگزین سیمان و دو نسبت آب به سیمان 0.4 و 0.5 استفاده شده است. نتایج بررسیهای انجام گرفته و همچنین آزمایشهای صورت پذیرفته را میتوان به صورت زیر خلاصه نمود.


شکل 15: تصویر میکروسکوپ الکترونی با مقیاس µm 5 از نمونه با عیار سیمانی 300 و نسبت آب به سیمان 0.4(تصویر سمت چپ نمونه بدون زئولیت و تصویر سمت راست نمونه با 15 درصد زئولیت جایگزین سیمان).

شکل 16: تصویر میکروسکوپ الکترونی با مقیاس µm 5 از نمونه با عیار سیمانی 300 و نسبت آب به سیمان 0.5(تصویر سمت چپ نمونه بدون زئولیت و تصویر سمت راست نمونه با 15 درصد زئولیت جایگزین سیمان).


شکل 17: تصویر میکروسکوپ الکترونی با مقیاس µm 100 از نمونه با عیار سیمانی 300 و نسبت آب به سیمان 0.4(تصویر سمت چپ نمونه بدون زئولیت و تصویر سمت راست نمونه با 15 درصد زئولیت جایگزین سیمان).


شکل 18: تصویر میکروسکوپ الکترونی با مقیاس µm 100 از نمونه با عیار سیمانی 300 و نسبت آب به سیمان 0.5(تصویر سمت چپ نمونه بدون زئولیت و تصویر سمت راست نمونه با 15 درصد زئولیت جایگزین سیمان).

الف- افزودن درصدی از زئولیت (15%)، به طور قابل توجهی موجب بهبود مشخصه مقاومت فشاری نمونه های مورد مطالعه در این تحقیق شده است، بنابراین به نظر میرسد جایگزینی حدودا 15% زئولیت به عنوان ماده افزودنی معدنی (پوزولان طبیعی) به صورت پودری به عنوان بخشی از سیمان مصرفی مناسب است.

ب- استفاده از زئولیت موجب بهبود خواص نفوذپذیری بتن شده بگونه ایکه نفوذ آب و نفوذ یون کلر در بتن با توجه به آزمایشهای جذب آب حجمی و موئینه و تعیین پروفیل یون کلر، به طور قابل توجهی کاهش یافته است.

پ- در بتنهای معمولی بدون افزودن زئولیت، عیار سیمانی 350 kg/m³ بیشترین مقاومت فشاری و کمترین نفوذپذیری را نسبت به عیارهای سیمانی 300 و 400 kg/m³ میدهد. در حالی که به هنگام افزودن زئولیت در بتن، عیار سیمانی 400 kg/m³ بیشترین مقاومت فشاری و کمترین نفوذپذیری را نسبت به عیارهای سیمانی 300 و 350 kg/m³ میدهد. علت هم میتواند واکنش بیشتر زئولیت با هیدروکسید کلسیم (Ca(OH)₂) موجود در بتن به دلیل وجود بیشتر این ماده در بتنهای با عیار بالا و تولید ژل C-S-H باشد که موجب بهبود ریزساختار بتن شده و خلل و فرج آن را کم کرده و موجب ساختار همگن تر بتن شده است.

ت- تصاویر بدست آمده از آزمایش SEM نشان میدهد که ریزساختار مربوط به نمونههای دارای زئولیت و نسبت آب به سیمان پایین متراکمتر از نمونههای بدون زئولیت میباشد و علاوه بر خلل و فرج کمتر، نمونههای همگنتری ساخته شده است.

ث- نتایج آزمایش XRD نیز تأیید کننده نتایج قبل بوده و نشان میدهد که Ca(OH)2 در نمونههای دارای زئولیت به دلیل مصرف و واکنش با زئولیت کمتر شده و ژل C-S-H (سیلیکات کلسیم هیدراته) بیشتری تولید کرده است و موجب بهبود ریز ساختار بتن و در پی آن بهبود خواص آن شده است.

References

[1] Ozyildirim C. High-performance concrete for transportation structures. Concrete International Journal, Vol. 15, No. 1, pp. 33-38, (1993).

[2] Poon C.S, Kou S.C, Lam L. Compressive strength, chloride diffusivity and pore structure of high performance metakaolin and silica fume concrete. Construction and Building Materials, NO. 20, PP. 858–865, 2006.

[3] Chindaprasirt P, Rukzon S, Sirivivatnanon V. Resistance to chloride penetration of blended Portland cement mortar containing palm oil fuel ash, rice husk ash and fly ash. Construction and Building Materials, NO. 22, PP. 932–938, 2008.

[4] Valipour M, Pargar F, Shekarchi M, Khani S. Comparing a natural pozzolan, zeolite, to metakaolin and silica fume in terms of their effect on the durability characteristics of concrete: A laboratory study. Construction and Building Materials, NO. 41, PP. 879–888, 2013.

[5] Alsadat sabet F, Libre N.A, Shekarchi M. Mechanical and durability properties of self consolidating high performance concrete incorporating natural zeolite, silica fume and fly ash. Construction and Building Materials, NO. 44, PP. 175–184, 2013.

[6] Chan Y.N, Ji X. Comparative study of the initial surface absorption and chloride difusion of high performance zeolite, silica fume and PFA concretes. Cement & Concrete Composites, Vol. 21, PP. 293-300, 1999.

[7] Ahmadi B, Shekarchi M. Use of natural zeolite as a supplementary cementitious material. Cement & Concrete Composites, Vol. 32, pp. 134-141, 2010.

[8] کلهری، م.، سایبانی، م. دوام بتنهای حاوی زئولیت در برابر نفوذ یونهای کلراید و خوردگی، دومین کنفرانس ملی مهندسی و مدیریت ساخت، دانشگاه صنعتی امیر کبیر، پردیس بندر عباس، ایران، 1391.

[9] Kolias S, Georgiou C. Effect of paste volume and of water content on the strength and water absorption of concrete. Cement & Concrete Composites, Vol. 27, pp. 211–216, 2005.

[10] Yegiter H, Yezici H. Effect of cement type, water/cement ratio and cement content on sea water resistance of concrete. Building and Environment, Vol. 42, pp. 1770–1776, 2007.

[11] Dahir R.K, McCarthy M.J, Tittle P.A.J. Role of cement content in specification for concrete durability: Aggregate type Influences. Structures & Buildings, No. 159, pp. 229–242, 2006.

[12] Poon C.S, Lam S.C. The effect of aggregate-to-cement ratio and types of aggregate on the properties of pre-cast concrete blocks. Cement & Concrete Composites, Vol. 30, pp. 283–289, 2008.

[13] Shi C. Effect of mixing proportions of concrete on its electrical conductivity and rapid chloride permeability test (ASTM C 1202 or ASSHTO T277) results. Cement and Concrete Research, No. 34, pp. 537 – 545, 2004.

[14] Shah S.P, in: Leung C.K.Y, Li Z, Ding J.T. (Eds). High – performance concrete – Workability, strength and durability. Hong Kong University of Science and Technology, Hong Kong, 2000.

[15] Hartt W.H, Powers R.G, Leroux V, Lysogorski D.K. A critical literature review of high performance corrosion reinforcement in concrete bridge application. Report No. FHWA-HRT-04-093, Federal Highway Administration, pp. 54,

2004.

[16] Shain R, Demirboga R. The effect of different cement dosages, slumps and pumice aggregate ratio on the compressive strength and densities of concrete. Cement and Concrete Research, Vol. 33, pp. 1245–1249, 2003.

[17] BS 1881: part 116. Methods for determination of compressive strength of concrete cubes. British Standard Institution, 1993.

[18] ASTM C 642-97. Standard test method for density, absorption, and voids in hardened concrete. Book of ASTM Standards, American Society for Testing and Materials, 1997.

[19] RILEM CPC11.21_TC14_CPC. Absorbsion of Water by Concrete by Capillary. E and FN SPON, Champman and Hall, 1994.

[20] ASTM C 1556-03, Standard Test Method for Determining the Apparent Chloride Diffusion Coefficient of Cementitious Mixtures by Bulk Diffusion.

[21] ASTM C 1218-92, Standard Test Method for Water-Soluble Chloride in Mortar and Concrete, 1992.

[22] Soleimanirad M, Tadayon M, Rezaie F. Influence of cement content on concrete performance in corrosive environments (sea water). Int. J.MAr.Sci.Eng., 3(2), 69-76, Spring 2013.