مزایا و اهمیت استفاده از سیمان پوزولانی

اعتقاد بر این است که سیمان پورتلند پوزولانی (PPC)  با توجه به کاربردهای مختلف آن در صنعت ساختمان، محصول آینده است. این نوع سیمان یک سیمان یکپارچه است که از آمیختن مواد پوزولانی با سیمان پرتلند تشکیل می شود. این نوع سیمان معمولا به نام سیمان PCC شناخته می شود و برای استفاده در شرایط محیطی ناپایدار مناسب است.

PPC ها را می توان به طور قابل اعتماد در ساخت سازه های دریایی، ملات های بنایی و گچ کاری و سازه های هیدرولیکی مورد استفاده قرار داد. علاوه بر این، آنها به طور گسترده در کارهای بتن ریزی انبوه، مانند خاکریزها، لوله های فاضلاب، سدها و غیره استفاده می شوند.

با این حال، سیمان پورتلند معمولی (OPC) رایج ترین سیمان مورد استفاده در سراسر جهان است. هزینه تولید آن گران نیست و این امر آن را به یک سیمان مورد تقاضا در صنعت ساختمان تبدیل می کند. OPC ها به طور گسترده ای برای ساخت ساختمان های بلند، جاده ها، سدها، پل ها، پل های هوایی استفاده می شوند. همچنین از OPC برای ساخت دوغاب و ملات استفاده می شود. OPC برای ساخت مجتمع های مسکونی و صنعتی ایده آل است.

تا انتهای مطلب با مصالح مارکت همراه باشید تا اطلاعات بیشتری درباره سیمان پوزولانی، خصوصیات، مشخصات فنی، مزایا، معایب و کاربرد آن کسب کنید.

پزولان یا مواد پوزولانی چیست؟

پوزولان ها (Pozzolans) دسته وسیعی از مواد سیلیسی و آلومینیومی هستند که به خودی خود ارزش سیمانی کمی دارند یا اصلاً ارزش سیمانی ندارند، اما به شکل ریز تقسیم شده و در حضور آب، در درجه حرارت معمولی برای تشکیل ترکیباتی که دارای خواص سیمانی هستند، با هیدروکسید کلسیم (Ca(OH)2) واکنش شیمیایی می دهند. مقدار ظرفیت پوزولان برای واکنش با هیدروکسید کلسیم و آب، با اندازه گیری فعالیت پوزولانی آن به دست می آید.

پزولانا (Pozzolana) یک پودر آتشفشانی است که در ایتالیا و در نزدیکی وزوو یافت می شود. در واقع پزولانا پوزولان هایی هستند که به طور طبیعی منشأ آتشفشانی دارند. یک پودر پوزولانی می تواند یک ماده طبیعی یا مصنوعی باشد که حاوی سیلیس و آلومینیوم به شکل واکنشی باشد. این مواد معمولا خاصیت سیمانی شدن ندارند؛ اما هنگامی که به صورت ریز آسیاب شوند، در دمای محیط با حضور رطوبت به صورت شیمیایی با آهک (آزاد شده از هیدراسیون سیمان پرتلند) واکنش داده و ترکیباتی با خاصیت سیمانی شدن را تشکیل می دهند.

انواع مواد پزولانی

دو نوع مواد پوزولانی داریم:

1- پزولان مصنوعی (Artificial Pozzolans)

شامل خاکستر بادی، فوم سیلیکا، چرت و شیل و …بوده و بیشتر در نیروگاه های برقی و کوره های متالورژیکی تولید چدن تولید می شوند که سوخت اصلی شان، ذغال سنگ است. پوزولان‌های مصنوعی را می توان به صورت عمده با فعال سازی حرارتی خاک های کائولن برای به دست آوردن متاکائولین بدست آورد. یا می توان آن را به عنوان ضایعات یا فرآورده های فرعی از فرآیندهای با دمای بالا مانند خاکستر بادی از تولید برق با سوخت زغال سنگ به دست آورد.

امروزه رایج ترین پوزولان ها محصولات جانبی صنعتی مانند خاکستر بادی، دود سیلیس حاصل از ذوب سیلیکون، متاکائولین بسیار واکنش پذیر و باقی مانده های مواد آلی سوخته غنی از سیلیس مانند خاکستر پوسته برنج هستند. استفاده از آنها در بسیاری از کشورها کاملاً ثابت و تنظیم شده است. با این حال، عرضه محصولات جانبی پوزولانی با کیفیت بالا محدود است و بسیاری از منابع محلی در حال حاضر به طور کامل مورد بهره برداری قرار گرفته است.

2- پزولان طبیعی (Natural Pozzolanic Materials)

پوزولان طبیعی یک ماده طبیعی خام یا کلسینه شده است که خواص پوزولانی از خود نشان می دهد. خاکستر آتشفشانی یا پومیسیت، توف ها، شیل ها و چرت های اوپالین و خاک دیاتومه نمونه هایی از پوزولان های طبیعی هستند.

این نوع پزولان شامل خاکسترهای آتشفشانی و پوکه‌هایی که عمدتاً از شیشه‌های آتشفشانی تشکیل شده‌اند، خاک های دیاتومه که از تجمع ریزاسکلت های دیاتومه ای سیلیسی تشکیل شده اند، توف های شیشه ای و… است. این پزولان ها هنگامی که از دهانه آتش فشان ها بیرون می ریزند، به سرعت سرد می شوند. این امر باعث می شود که سیلیسی که در آنها وجود دارد، بلوری و کریستالی نشوند. پوزولانای طبیعی در مکان های خاصی به وفور یافت می شود و به طور گسترده به عنوان افزودنی به سیمان پرتلند در کشورهایی مانند ایتالیا، آلمان، یونان و چین استفاده می شود. این روزها به دلیل دسترسی به پوزولان های مصنوعی، پوزولان طبیعی توجه خود را از دست داده‌اند.

پوزولان در بتن چه کار می کند؟

پوزولانا با هیدروکسید کلسیم در بتن ترکیب می شود و هیدرات سیلیکات کلسیم را تشکیل می دهد، مشابه آنچه که توسط هیدراتاسیون سیمان پرتلند تولید می شود. این امر به استحکام، نفوذ ناپذیری و مقاومت سولفات می افزاید و انبساط ناشی از واکنش قلیایی-سیلیکا را که در غیر این صورت ممکن است رخ دهد، کاهش می دهد.

استفاده از پوزولان ها بسته به شکل ذرات، بافت سطح و ظرافت ممکن است تقاضای آب را افزایش یا کاهش دهد. خاکستر بادی معمولاً تقاضای آب را کاهش می دهد. بیشتر پوزولان های دیگر تقاضای آب را افزایش می دهند. در صورت استفاده در مقادیر زیاد (بیش از 15 درصد جرمی مواد سیمانی) به دلیل سرعت کمتر واکنش های شیمیایی، پوزولان ها نیاز به افزایش دما را کاهش می دهند.

سیمان پوزولانی چیست؟

سیمان پورتلند پوزولانی (به انگلیسی: Portland Pozzolana Cement) یا سیمان درجه PPC نوعی سیمان پرتلند است که با افزودن ذرات پوزولانایی مانند خاکستر بادی، خاکستر آتشفشانی به نسبت 15 تا 35 درصد به سیمان پورتلند معمولی (OPC) تولید می شود. سیمان در هر درجه خاص موجود است و از OPC ریزتر و چگالی کمتری دارد.

وجود پوزولان در این نوع سیمان باعث کاهش میزان گرمای هیدراتاسیون و افزایش دوام سیمان در محیط های خورنده به ویژه در برابر سولفات ها و گاهاً کلر می شود. از دیگر مزایای سیمان پرتلند پوزولانی در مقایسه با سیمان پرتلند معمولی می توان به موارد زیر اشاره کرد: بتن سبک تر، تحمل دمای بالاتر، پلاستیسیته و شکل پذیری بالا، نفوذپذیری کمتر و خاصیت عایق بیشتر.

از این نوع سیمان می توان با اطمینان در ساخت سازه های هیدرولیک، کارهای دریایی، بتن ریزی انبوه مانند سدها، پایه های دیوارهای حائل و لوله های فاضلاب از آن استفاده کرد. همچنین برای کاربردهای رایج مانند ملات بنایی و گچ کاری مناسب است.

سیمان پوزولانی به طور معمول از سه نوع IP ،P  و I(PM) تشکیل می شود. نوع IP برای مصارف عمومی و نوع  P برای زمانی که به مقاومت بالای بتن در سنین اولیه نیاز نیست، توصیه می شود . کابرد سیمان پوزولانی نوع I(PM)، سیمان پرتلند اصلاح شده پوزولانی، در ساخت و ساز های عمومی می باشد. مقدار پزولان در سیمان های IP و P به 15 تا 40 درصد جرم کل مواد سیمانی محدود شده است؛ در حالی که این مقدار در سیمان I(PM) کمتر از 15 درصد است.

خواص سیمان پوزولانی

سیمان پرتلند پوزولانی چه مشخصات فنی ای دارد؟

سیمان PPC باید برای مدت طولانی تری عمل آوری شود، همچنین دمای عمل آوری تأثیر عمده ای بر افزایش استحکام آن دارد. هر زمان که دما پایین باشد، فرآیند سخت شدن کند است.

اگرچه از عمل آوری با بخار یا عملیات حرارتی مرطوب استفاده می شود، بازهم سخت شدن آن تشدید می شود طوری که سیمان واقعاً برای ساختمان های زمستانی ایده آل نباشد.

استحکام اولیه سیمان PPC کمتر است، اما مقاومت نهایی آن زیاد است. این نیز به دلیل سیلیس موثر در ماده پوزولانی است که با هیدروکسید کلسیم واکنش می دهد تا حجم قابل توجهی از سیلیکات کلسیم هیدراته ایجاد کند.

تقاضای آب برای سیمان PPC زیاد است زیرا محتوای مخلوط متخلخل است و ذرات ریز هستند. نیاز به آب قوام معمولی با شکل و مقدار مخلوط متفاوت است. سیمان پوزولانی پرتلند دارای دوره ثابت نسبتا طولانی است، زمان گیرش اولیه حداقل نیم ساعت طول می کشد و زمان گیرش واقعی حداکثر به 10 ساعت نیاز دارد.

سیمان PPC دارای استحکام فشاری قوی است و می تواند 13 مگاپاسکال را در 3 روز، 22 مگاپاسکال را در 7 روز و 33 مگاپاسکال را در 28 روز عبور دهد. یعنی مقاومت ۳ روزه آن حداقل ۱۳ مگاپاسکال، مقاومت ۷ روزه آن حداقل ۲۲ مگاپاسکال و مقاومت ۲۸ روزه آن حداقل ۳۳ مگاپاسکال است.

به عنوان یک قانون کلی، روند کسب مقاومت سیمان های پرتلند پوزولانی آهسته است و در نتیجه به عمل آوری نسبتا طولانی نیاز دارند. اما مقاومت بلند مدت آن ها بالاست . البته رفتار مقاومت بلند مدت این سیمان بسته به درصد جایگزینی (درصدی از سیمان که با پزولان جایگزین می شود) می باشد. سایر خواص عبارتند از:

• انقباض خشک شدن سیمان پوزولانی به 0.15 درصد نمی رسد. یعنی جمع شدگی آن نباید بیش تر از ۰.۱۵ % باشد.
• ظرافت (ریزی، نرمی) سیمان پوزولانی نباید از 300 متر مربع بر کیلوگرم کمتر باشد.
• سطح هیدراتاسیون سیمان PPC پایین است که به دلیل تنوع و کمیت مواد مخلوط است.
• سیمان PPC تحمل بالایی به سولفات در محیط های اسیدی آب و اسید کربنیک دارد.

کاربردهای سیمان پوزولانی

سیمان پوزولانی پرتلند برای کارهای زیرزمینی، کارهای آبی یا بتنی مرطوب، به ویژه برای پروژه هایی که به نفوذ ناپذیری، مقاومت در برابر آب شیرین و خوردگی سولفات نیاز دارند، از جمله سیستم های هیدرولیک، سازه های دریایی، ساخت سد، ساخت و ساز در دریا، دفع زباله، ایده آل است. پس می توان گفت که یکی از موارد استفاده از سیمان پوزولانی در سازه های هیدرولیک، سازه های دریایی، ساخت و ساز در نزدیکی ساحل دریا، ساخت سد و غیره است.

سیمان پرتلند پوزولانی به دلیل مقاومت ضعیف آن در برابر یخبندان، واقعاً برای سازه هایی با دمای پایین و برای آب و هوای مستعد دوره های یخ زدگی و خشک شدن و مرطوب شدن متناوب ایده آل نیست.

مانند سیمان پرتلند معمولی، سیمان PPC نیز برای مهندسی عمومی از جمله مهندسی بتن انبوه مناسب است. اما به دلیل انقباض خشک گسترده، برای مناطق خشک ایده آل نیست. سیمان CCP استحکام اولیه پایینی دارد و بنابراین برای مهندسی عمومی که نیازی به استحکام اولیه بالا ندارند، بهترین گزینه است.

همانند سیمان سفید که مقاصد معماری دارد، از آنجایی که سیمان پرتلند پوزولانی سطح پرداخت بهتری می دهد، در سازه های تزئینی و هنری استفاده می شود. پس سیمان PPC به عنوان یک سطح قوی برای تزئینات از جمله سازه های هنری ضروری است. از دیگر کاربردهای سیمان پوزولانی می توان به این موارد اشاره کرد:

• در اعضای بتنی پیش تنیده و پس تنیده استفاده می شود.
• در ملات های بنایی و گچ کاری استفاده می شود.
• در ساخت لوله های پیش ساخته فاضلاب مورد استفاده قرار می گیرد.
• در شرایط سخت بتن ریزی استفاده می شود.

نحوه تولید سیمان پرتلند پوزولانی

فرآیند تولید تقریباً مشابه سیمان پرتلند معمولی است که می توان آن را به چهار فرآیند تقسیم کرد:

خرد کردن مواد اولیه (Crushing of Raw Material)

مواد اولیه اولیه مورد استفاده در ساخت سیمان پرتلند پوزولانی، سنگ آهک (CaCO2) و خاک رس (SiO2,AI2,O3,Fe2O3) است. پس از حفاری، این سنگ ها در کامیون ها بارگیری می شوند و برای کاهش اندازه ذرات به سنگ شکن ها منتقل می شوند و در آنجا خرد شده و به ذرات ریز تبدیل می شوند.

آسیاب مواد اولیه (Raw Material Grinding)

ذرات ریز خاک رس و سنگ آهک به نسبت های دلخواه به آسیاب های گلوله ای وارد می شوند و قبل از اینکه برای ذخیره به سیلوها فرستاده شوند، به خوبی مخلوط می شوند.

کلسیناسیون کلینکر (Calcination of Clinker)

سیمان خام به اجاق دوار سیمانی فرستاده می شود تا در دمای بالا کلسینه شود. سپس این مخلوط تا دمای 800 تا 1000 درجه سانتیگراد گرم می شود که در آن مرحله کلسیناسیون CACO3 به CaO انجام می شود. مخلوط از قبل گرم شده سپس به کوره فرستاده می شود و در آنجا مخلوط تا دمای 1450 درجه سانتیگراد در کوره دوار گرم می شود. پس از بسیاری از واکنش های شیمیایی، مقداری ذرات کروی خاکستری شکل که ما آنها را کلینکر می نامیم تولید می شوند. این کلینکرهای داغ را می توان تا دمای معمولی در خنک کننده سیمانی خنک کرد. ماژول ها از فرآیند سوزاندن به نام کلینکر تشکیل شده اند. کلینکر توسط یک خنک کننده چرخشی خنک می شود.

آسیاب سیمان (Cement Grinding)

پس از انجماد، کلینکر قبل از اینکه برای آسیاب واقعی به آسیاب سیمان فرستاده شود، به مقدار کافی با مواد پوزولانی و همچنین گچ ترکیب می شود. مواد سیمان معمولاً در سیلوهای سیمان فرآوری شده و بسته بندی و همچنین در کارخانه پردازش می شود. این کلینکر در حال حاضر به نسبت لازم با مواد گچ و پوزولانا مخلوط شده و بدین ترتیب سیمان پوزولانا پرتلند بدست می آید.

مزایا و معایب استفاده از سیمان پوزولانی

مزایا سیمان پوزولانی

• از آنجا که مواد به کار رفته در فرایند ساخت این سیمان از زباله های بازیافتی طبیعی و تجدید پذیر تشکیل می شود، PPC یک سیمان دوستدار محیط زیست است.
• این سیمان بسیار ریز است از این رو هنگام استفاده برای کار های گچکاری بسیار مناسب است.
• از آنجایی که پوزولانو از مواد سیلیسی تشکیل شده است، قیمت مواد پوزولانی کمتر از سیمان پرتلند می باشد. و در نتیجه جایگزین کردن پزولان هزینه تولید سیمان را کاهش می دهد و استفاده از آن را مقرون به صرفه تر و اقتصادی تر می کند.
• سیمان پوزولانا مقاومت بسیار بالایی در برابر حملات سولفات دارد و از این رو در سازه های هیدرولیکی، سازه های ساحلی، ساخت و ساز در کنار ساحل، سدسازی و غیره استفاده می شود.
• PPC انتشار مونوکسید کربن از بتن را حذف می کند و به آن اجازه می دهد از نظر زیست محیطی ایمن باشد. پس یکی از مزایای سیمان پوزولانی این است که این سیمان باعث کاهش انتشار مونوکسید کربن از بتن و کاهش آلودگی محیط زیست می شود.
• از آنجایی که مواد پوزولانو بسیار ریز هستند، دوغاب سیمان می تواند فواصل بین میلگرد ها و سنگدانه ها را پر کند،. در نتیجه سبب کاهش جمع شدگی بتن می شود و در ضمن تشکیل لانه زنبوری و آب افتادگی بتن را نیز کاهش داده که به نوبه خود استحکام و چقرمگی بتن را افزایش می دهد.
• به دلیل تبدیل هیدروکسید کلسیم به محصول سیمانی نامحلول، سیمان از نظر نفوذ نا پذیری بهبود می یابد. کاهش نفوذپذیری سیمان پرتلند پوزولانی، مزایای بسیار دیگری از جمله دوام را فراهم می کند .
• این سیمان توزیع ابعاد حفرات بتن را ارتقا می بخشد و هم چنین سبب کاهش میکرو ترک ها در خمیر سیمان در منطقه انتقالی می شود. در نتیجه بلوک سیمانی ساخته شده از آن مقاومت مطلوبی دارد .
• سیمان پرتلند پوزولانی حجم بیش تری از ملات را به نسبت سیمان پرتلند معمولی در اختیار می گذارد.

معایب سیمان پوزولانی

• مقاومت اولیه به دست آمده از این سیمان کمتر است که باعث کاهش پشتیبانی اولیه بتن می شود .
• از آنجا که بیش تر حاوی مواد ریز می باشد، انتقال بتن دشوار است .
• کاهش خاصیت قلیایی این سیمان سبب کاهش مقاومت در برابر خوردگی میلگرد های فولادی می شود .
• به دنبال کندتر بودن فرایند کسب مقاومت سیمان پوزولانی، پروسه مراقب بسیار حائز اهمیت می شود و هرگونه خطا در آن می تواند مشکلاتی برای دوام بتن ایجاد کند .
• با توجه به مقاومت ضعیف این سیمان در برابر انجماد و یخ زدگی، استفاده در ساختمان های با دمای پایین و آب و هوای مستعد برای دوره های یخ زدگی و تر و خشک شدن از جمله موارد کاربرد سیمان پوزولانی نمی باشد.

تفاوت بین سیمان پورتلند پوزولانی (PPC) و سیمان پورتلند معمولی (OPC)

هر دو سیمان OPC و PPC از سیمان هایی هستند که معمولاً در ساختمان سازی مورد استفاده قرار می گیرند. این روزها از PPC به عنوان جایگزین OPC استفاده می شود. PPC نوعی از OPC است که مخلوطی از مواد پوزولانی را اضافه می کند که به افزایش مقاومت بتن کمک می کند.  PPCهمچنین میزان OPC مورد نیاز در ساخت بتن را کاهش می دهد. جالب اینجاست که این ماده سبز به توسعه پایدار کمک می کند. با توجه به این عوامل، PPC نسبت به OPC برتری کمی دارد.

سیمان PPC: پوزولانا یک ماده طبیعی یا مصنوعی حاوی سیلیس به شکل واکنشی است. سیمان پورتلند پوزولانا (Portland Pozzolana Cement) سیمانی است که از ترکیب مواد پوزولانی تولید می شود. این سیمان از کلینکر OPC، گچ و مواد پوزولانی به نسبت های معینی تشکیل شده است. مواد پوزولانی عبارتند از: خاکستر بادی، خاکستر آتشفشانی، خاک رس کلسینه یا دود سیلیس که در محدوده 15 تا 35 درصدی وزن سیمان اضافه می شوند.

سیمان OPC: سیمان پرتلند معمولی (Ordinary Portland Cement) از آسیاب کردن مخلوطی از سنگ آهک و سایر مواد خام مانند آرشیل، آهک و گچ به صورت پودر تولید می شود. این سیمان در سه نوع گرید OPC 33، OPC 43 و OPC 53 موجود می باشد. OPC پرمصرف ترین سیمان در جهان است. این نوع سیمان در جایی ترجیح داده می شود که سرعت ساخت و ساز سریع انجام شود. با این حال، ساخت OPC تا حد زیادی کاهش یافته است زیرا سیمان ترکیبی مانند PPC دارای مزایایی مانند آلودگی زیست محیطی کمتر، مصرف انرژی کمتر و مقرون به صرفه است.

تفاوت های اصلی بین سیمان پرتلند و سیمان معمولی در ویژگی ها و کاربرد آنها است. هر دو سیمان سازگار با محیط زیست هستند، اما سیمان پوزولانی از ضایعات طبیعی و صنعتی استفاده می کند و در نتیجه آلودگی محیط زیست را کاهش می دهد. به تفاوت این دو سیمان مختصراً یک نگاهی می اندازیم:

OPC	PPC
استحکام بالاتری نسبت به PPC در مرحله اولیه دارد.	قدرت PPC در دراز مدت نسبت به OPC خوب است.
گرمای هیدراتاسیون بالایی دارد که برای بتن ریزی انبوه نامطلوب است.	فرآیند هیدراتاسیون کندتر از OPC است که منجر به تولید گرمای کم هیدراسیون می شود. بنابراین برای بتن ریزی انبوه مناسب است.
وجود سولفات ها، قلیاها، کلریدها و ... نسبت به PPC بیشتر بوده و مقاومت کمتری نسبت به PPC دارد.	درصد کمی از قلیاهای سولفات، کلرید، منیزیم و آهک آزاد در ترکیب خود دارد که باعث دوام بتن می شود.
OPC در هوای ناپایدار مطلوب نیست.	مقاومت بیشتری در برابر آب و هوای ناپایدار نشان می دهد.
کمی گرانتر از PPC است.	ارزان تر از OPC است.

چند نکته مهم در رابطه با سیمان پرتلند پوزولانی

همانند سیمان پرتلند تیپ ۲ که برای سازه هایی توصیه می شود که در آنها تولید حرارت هیدراسیون نسبتا کم مورد نظر می باشد؛ کاربرد سیمان پوزولانی در بتن غلتکی، بتن با مشخصه حرارت زایی کم و بتن مقاوم در برابر عوامل شیمیایی است .

ممکن است  قیمت پزولان کمتر از سیمان پرتلند باشد، اما مزیت عمده جایگزین کردن سیمان با پزولان ها در هیدراسیون آهسته و در نتیجه حرارت زایی کمتر پزولان هاست. بنابراین کاربرد سیمان پوزولانی و یا جایگزین کردن بخشی از سیمان پرتلند با پزولان عمدتا در بتن ریزی های حجیم می باشد .

از آنجا که چگالی ویژه (یا چگالی نسبی) پزولان ها (۲.۴ تا ۱.۹) بسیار کمتر از سیمان (۳.۱۵) است؛ درصد سیمان پرتلند جایگزین شده با پزولان باید کاملا مشخص شود. بنابراینجایگزین کردن بر اساس جرم منجر به حجم بسیار زیاد مواد سیمانی در مخلوط بتن می شود. در مواردی که به جای سیمان از پزولان استفاده می شود و به مقاومت اولیه مشابه با مقاومت اولیه سیمان نیاز است، به عنوان مثال برای مقابله با واکنش قلیایی مصالح سنگی، باید از مقدار پوزولانی بیش تر از سیمان استفاده شود.

جهت خرید می توانید به صفحه قیمت سیمان پوزولانی مراجعه کنید.

منابع: theconstructor، engineeringenotes