میدهد.

Transcription

1 بررسی اثر محلول کلوي یدي نانو سیلیس بر خواص ملات علیاکبر رمضانیانپور شبنم فیروزمکان تقی عبادي استاد دانشگاه صنعتی امیرکبیر و ري یس مرکز تحقیقات تکنولوژي و دوام بتن 2- دانشجوي کارشناسی ارشد دانشکدة مهندسی عمران دانشگاه صنعتی امیرکبیر استادیار دانشکدة مهندسی عمران دانشگاه صنعتی امیرکبیر (firoozmakan@gmail.com) خلاصه نانو فناوري روش جدیدي است که بشر را قادر به ساختار مواد مختلف مینماید. در سالهاي اخیر تحقیقات بر روي استفاده از نانومواد همچون در خمیر سیمان و بتن انجام شده است. منظور از کلوي یدي ذرات بسیار ریز (بین تا 00 نانومتر) سیلیس بیشکل با خلوص بیش از 99 درصد بهصورت یک محلول کلوي یدي در آب میباشد. استفاده از خصوصیات مکانیکی و دوام بتن را بخشیده و با افزایش عمر مفید سازه آلودگیهاي زیسستمحیطی همچون تولید گاز گلخانهاي دي اکسید کربن را کاهش داده و دستیابی به توسعه پایدار را تسهیل میسازد. در این مقاله محلولهاي نانو سیلیس با پایههاي مختلف کلوي یدي تهیه و تاثیر آن بر خصوصیات مکانیکی و دوام ملات بررسی شدهاست. جهت بررسی اثر محلول کلوي یدي از مقدار ثابت نانو سیلیس با جایگزینی % وزنی سیمان در ساخت نمونههاي ملات استفاده گردید. نتایج مقاومت فشاري و برخی فاکتورهاي دوام نمونه حاوي با پایداري کلوي یدي بیشتر را نسبت به نمونههاي دیگر نشان میدهد. کلمات کلیدي: ملات پایداري کلوي یدي مقاومت فشاري جذب مویینگی آب. مقدمه اخیرا فناوري نانو بدلیل کاربردهاي بالقوه ذرات در مقیاس نانومتري توجهات بسیاري از محققان را به خود جلب کرده و بدلیل خواص فیزیکی و شیمیایی منحصر به فرد آن براي ساخت مواد با قابلیت جدید بکار می رود[ ]. فناوري نانو روشی جدید و رویکردي تازه در فناوري می باشد که توانایی بشر جهت ساختار مواد را افزایش می دهد. ذرات در اندازه نانومتري می توانند بطور چشمگیري خواص مواد را نسبت به ترکیبات مشابه آن در اندازه معمول دهند[ 2 ]. در سال هاي اخیر با ورود فناوري نانو دیدگاه هاي جدیدي در زمینه فناوري بتن ایجاد شده است و انتظارآن می رود که استفاده از نانوذرات تاثیرات قابل توجهی در خواص بتن داشته باشد. یکی از نانوذرات مورد استفاده در بتن سیلیس می باشد. ذرات به عنوان پرکننده درونی عمل کرده و خلل و فرج بتن و فضاي خالی ژل C-S-H را پر مینماید. بعلاوه با انجام واکنش پوزولانی با هیدروکسید کلسیم میزان ژل سیلیکاتی را افزایش داده و مقدار و اندازه هیدروکسید کلسیم را به شدت کاهش می دهد[ 3,4 [. با استفاده از میتوان وجوه هستهاي بیشتري را براي فراوردههاي هیدراتاسیون ایجاد کرد و متعاقب آن با شکل گیري ساختار ژل پایدار خواص مکانیکی خمیر سیمان سخت شده را با افزایش میزان داد[ ]. تحقیقات Ji و همکاران نشان داد که در نسبت آب به سیمان ثابت در بتن با افزایش مقدار از به 2 درصد وزنی سیمان مقاومت در برابر نفوذ آب یافت[ 6 ]. هم چنین در تحقیق li می توان مشاهده کرد که با افزایش مقدار مقاومت فشاري نیز افزایش می یابد[ 7 ]. در این پژوهش 3 طرح ملات کنترل و ملات هاي حاوي دو نوع با پایه مختلف کلوي یدي در نظر گرفته شد و جهت مقایسه تاثیر آن ها بر ملات آزمایش هاي مقاومت فشاري و جذب مویینگی آب در راس برنامه کاري قرار گرفت. در طرح هاي مورد نظر نسبت آب به سیمان ثابت و روانی یکسان درنظر گرفته شد. به منظور تحلیل نتایج آزمایش هاي XRF و زتاسایزر بر محلول هاي انجام گرفت. 2. برنامه آزمایشها و ساخت نمونهها

2 .2 مواد و مصالح مصرفی سیمان مورد استفاده در ساخت تمامی نمونهها سیمان تیپ -42 تهران می باشد. در این مطالعه از دو نوع آمورف کلوي یدي با غلظت %2/ تولیدي شرکت نانو لوتوس پارس ایران و % تولیدي شرکت Akzo Nobel سوي د با نام تجاري Cembinder 0 استفاده گردید. خصوصیات شیمیایی این مواد در جدول و خصوصیات فیزیکی دو نمونه محلول در جدول 2 نشان داده شدهاست. جدول - ترکیبات شیمیایی سیمان و مصرفی آنالیز شیمیایی SiO 2 MgO CaO SO 3 Fe 2 O 3 Al 2 O 3 Na 2 O K 2 O <١٠ppm ٠ / ٧٩ ٨٣ ١٩ / ٩ ٢ / ٠٧ ٦٤ / ١ ٤ / ٠٩ ٤ / ١ ٣ / سیمان (نوع ( (نوع ( 2 ٦٣ /٩ ٠ / ١٥ ٠ / ٠٨٧ ٠ / ٣٩ ٠ / ٠٣٨ ٠ / ١٥ ١٧ / ٣ ٤ / ٣ ٩١ /٥ ٠ / ٠٨٥ ٠ / ٠٦٥ ٠ / ٢٦ ٠ / ٠٢١ ٠ / ٠٨٥ ٠ / ٩٧ ٠ / ٠١٣ آنالیز شیمیایی قانون بوگ Cl 2 TiO 2 P 2 O MnO LOI C 2 S C 3 S C 3 A C 4 AF ٠ / ٠٠٨ ٠ / ٤٧ ٠ / ٠٦٤ ٠ / ٢٣ ٠ / ٠٤ ٦ / ٩٢ ٦٦ / ٤٥ ٣ / ٢١ ١٢ / ٤٧ سیمان (نوع ( (نوع ( 2 ٠ /١٨ ٠ / ٠٤٧ ٠ / ٠١٩ ٠ / ٠٠٩ ١٣ / ٢٧ ٠ /٠٤٥ ٠ / ٠٤ ٠ / ٠٠٨ ٠ / ٠٠٣ ٦ / ٧٩ ذرات جامد جدول - 2 خصوصیات فیزیکی محلول مصرفی وزن ویسکوزیته مخصوص رنگ حالت PH (gr/cm3) (cps) (نوع ( (نوع ( 2 < 0 2 / 4 3 /0-/ شفاف مایع <0 0 / شفاف مایع شود. ماسه مصرفی براي ساخت ملات سیمان در این پژوهش ماسه استاندارد با وزن 30± گرم تولیدي شرکت آمیتیسآزما بوده که دانه بندي آن با حداکثر اندازه سنگدانه 2/ میلیمتر مطابق با استاندارد 96- DIN EN می باشد. خصوصیات فیزیکی ماسه مصرفی در جدول 3 مشاهده می- مدول نرمی جدول - 3 خصوصیات فیزیکی ماسه مصرفی جذب آب وزن مخصوص حالت اشباع (gr/cm3) 0 / ماسه 2 / 62 2 / 67 2

3 نانوذرات به علت ریزي فوقالعاده زیاد و سطح ویژه بالا باعث کاهش کارایی بتن میشوند. به این منظور در این پژوهش از فوق روان کننده نسل سوم با پایه کربوکسیلیک اتر با نام تجاري GELENIUM-0P تولیدي کارخانه ب.آ. سا.اف ایرانیان استفاده گردید. این ماده کدر و به رنگ o ابري بوده و چگالی آن در دماي 20 C برابر / گرم بر سانتی متر مکعب میباشد و مقدار یون کلرید موجود در آن کمتر از 0/ درصد است. علاوه بر این غیر از خاصیت روان کنندگی خاصیت دیگري ندارد و جزء فوق روان کنندههاي خنثی محسوب میشود. آب مورد استفاده در ساخت نمونههاي ملات آب شرب شهر تهران می باشد. 2.2 طرح اختلاط نمونه هاي ملات در این پروژه تاثیر دو نوع با خصوصیات مختلف بر مقاومت فشاري و جذب آب مویینه در سنین 7 و 28 روز بررسی گردید. بدین منظور 3 طرح ملات در نظر گرفته شد که خصوصیات آن در جدول 4 مشاهده میشود. نمونه هاي ملات ساخته شده با محلول نوع و 2 به ترتیب به صورت NS- و NS-2 نشان داده میشوند. درصد مصرفی در NS- و NS-2 % وزنی سیمان میباشد. طرح اختلاط نمونه هاي ملات مطابق با استاندارد ASTM C09 با نسبت آب به سیمان 0/48 و نسبت سنگدانه به سیمان 2/7 انتخاب شد و میزان استفاده از روان کننده در نمونه هاي ملات NS- و NS-2 با در نظر گرفتن میزان روانی ثابت و برابر با روانی ملات کنترل (OPC) تنظیم شد. میزان روانی نسبت فوق روان کننده به مواد سیمانی جدول - 4 مشخصات طرح هاي اختلاط (kg/m3) نسبت آب به سیمان ماسه آب سیمان (cm) نام طرح OPC / 0 / / 8 NS- 632 / / 0 / / 3 / 3 4 NS / / 0 / / 3 4 / 2 4 /.2.2 ساخت و عمل آوري ابتدا نانو سیلیس آب وفوق روان کننده به مدت دقیقه توسط همزن اولتراسونیک مخلوط گردید. در این پژوهش همزن اولتراسونیک جهت پخش همگن ذرات و عدم انباشتگی و کلوخگی آن در محلول کلوي یدي و فوق روان کننده مورد استفاده قرار گرفت. بعد از 30 ثانیه اختلاط سیمان ومحلول آماده شده درون مخلوط کن با دور کند ماسه به آن اضافه میگردد و عمل اختلاط با دور تند پره هاي مخلوط کن به مدت 30 ثانیه ادامه می یابد. پس از توقف مخلوط کن به مدت 2 دقیقه عمل اختلاط با سرعت بالا به مدت 60 ثانیه انجام می پذیرد. میزان روانی نمونه هاي ملات توسط میز سیلان مطابق با استاندارد 230-C ASTM بصورت میانگین چهار نقطه اي اندازه گیري گردید. به منظور مقایسه بهتر بین نمونه هاي ملات میزان روانی ثابت و برابر با میزان روانی ملات OPC در نظر گرفته شد. پس از آن قالب گیري نمونهها در قالب هاي مکعبی سانتیمتري در 2 لایه و در هر لایه با 32 ضربه کوبش انجام پذیرفت. نمونه هاي ساخته شده توسط گونی مرطوب و یک لایه پلاستیک پوشیده و به مدت 24 ساعت در اتاق رطوبت نگهداري میشوند. پس از طی این مدت قالبها باز شده نمونهها پس از ثبت مشخصات تا زمان آزمایش در آب آهک قرار گرفتند. نتایج آزمایشات و بحث زتا سایزر

4 سیستم زتاسایزر توانایی اندازهگیري سه خصوصیت ذره یا مولکول در بستر مایع را دارد. این سه پارامتر اساسی اندازه پتانسیل زتا و وزن مولکولی ذرات میباشد. سیستم زتاسایزر حرکت براونی ذرات در نمونه را با استفاده از پراکندگی نور دینامیکی (DLS) اندازهگیري میکند و با تفسیر شدت نوسانات در نور پراکنده شده اندازه ذرات را مشخص مینماید. هنگام حرکت یک ذره تحت تاثیر نیروي ثقل یون هاي داخل محدوده اثر ذره همراه با آن حرکت میکنند و یونهاي خارج از محدوده اثر در جاي خود باقی میمانند این محدوده سطح برشی هیدرودینامیک یا سطح لغزش نامیده میشود و پتانسیلی که در محدوده وجود دارد پتانسیل زتا نامیده میشود. بزرگی پتانسیل زتا نشانه اي از پایداري پتانسیل سیستم کلوي یدي می باشد. اگر تمام ذرات در سوسپانسیون پتانسیل زتاي مثبت یا منفی بزرگی داشته باشند آن ها تمایل به دفع یکدیگر دارند و گرایش به کلوخه شدن در آن ها وجود ندارد و اگر ذرات مقدار پتانسیل زتاي کمی داشته باشند نیرویی براي ممانعت جمع شدن و کلوخه شدن ذرات وجود ندارد. تراز تقسیم بندي عمومی بین سوسپانسیون پایدار و ناپایدار عموما ±30 میلی ولت میباشد. ذرات با پتانسیل بیشتر از 30+ mv یا کمتر از 30mv عموما پایدار در نظر گرفته میشود[ 8 ]. اندازه ذرات دو نمونه محلول در شکل و 2 نشان داده شده اند. 90/4 درصد حجمی ذرات در محلول کلوي یدي نوع داراي قطر 847 نانومتر و 99/9 درصد حجمی ذرات در محلول کلوي یدي نوع 2 داراي قطر /68 نانومتر می باشند. هم چنین پتانسیل کلوي یدي ذرات در محلول نوع و 2 به ترتیب برابر با 8/7- میلی ولت و 44- میلی ولت است. در یک نوع افزایش میزان قلیاییت باعث افزایش بیشتر بار Na 2 O نتایج منفی ذرات و پایداري بالاتر آن نسبت به قرارگیري در محیطهاي با قلیلییت کمتر میشود[ 8 ]. میزان قلیاییت نوع بهدلیل میزان بالاي در وضعیت مناسبی قرار داشته و در صورت کاهش قلیاییت میل ناپایداري ذرات میتواند افزایش یابد. خصوصیات مکانیکی و دوام بهتر نمونه NS-2 را می توان به ریزتر بودن ذرات سیلیس در محلول کلوي یدي و در نتیجه پرشدن بهتر منافذ مویینه در ملات مرتبط دانست. هم چنین با توجه به پتانسیل کلوي یدي ذرات در محلول کلوي یدي نوع ناپایدار و در محلول کلوي یدي نوع 2 پایدار درنظر گرفته میشوند و این خود میتواند دلیل دیگري بر عملکرد بهتر نمونه NS-2 از جهت بزرگی نیروي دافعه بین ذرات سیلیس و عدم کلوخگی آن ها در ملات باشد. شکل - منحنی توزیع اندازه ذرات نوع شکل 2 - منحنی توزیع اندازه ذرات نوع 2 slipping plane 4

5 2.3. مقاومت فشاري نتایج مقاومت فشاري نمونه هاي ملات در سنین 7 و 28 روز در شکل 3 نشان داده شده است. Compressive strength (MPa) days 28 days 0 OPC NS- NS-2 Mortar specimens شکل 3- روند کسب مقاومت فشاري نمونه ها در سنین 7 و 28 روز به علت سطح ویژه بزرگ و واکنش پذیري بالا می تواند به سرعت با کریستال هاي هیدروکسید کلسیم که اغلب در ناحیه انتقال بین خمیر سیمان و سنگدانه شکل گرفته اند واکنش دهد و تولید ژل ثانویه C-S-H نماید بنابراین اندازه و میزان هیدروکسید کلسیم به شدت کاهش یافته و ژل C-S-H فضاي خالی ناحیه انتقال بین سنگدانه و ماتریس سیمان را پر کرده و آن را متراکم تر می سازد[ 4 ]. با استفاده از میتوان وجوه هستهاي بیشتري را براي فراوردههاي هیدراتاسیون ایجاد کرد و متعاقب آن با شکل گیري ساختار ژل پایدار خواص مکانیکی خمیر سیمان سخت شده را با افزایش میزان داد[ ]. در نتیجه در حالت کلی باعث مقاومت فشاري میشود که این امر در نمونه هاي ملات NS-2 مشهود است. جدول مقاومت فشاري ملات هاي حاوي را نسبت به ملات کنترل نشان می دهد. جدول - مقاومت فشاري نمونه ها در سنین 7 و 28 روز مقاومت فشاري در سن 7 روز مقاومت فشاري در سن 28 روز مقدار (مگا پاسکال) / 4 0 مقدار (مگا پاسکال) نام طرح OPC / 7 NS / 7 3/ 8-4/ NS-2 42/ 30 6/ 3 در صورت زیاد بودن میزان نانوذرات پخش همگن آنها در بتن مشکل شده و امکان ایجاد منطقه ضعیف در بتن وجود دارد که می تواند باعث کاهش مقاومت فشاري با افزایش میزان در بتن شود[ 9 ]. با در نظرگرفتن نتایج آزمایش پتانسیل زتا در نمونه NS- و پایداري نامناسب ذرات کلوي یدي در محلول پخش همگن ذرات نانو در ملات بهدرستی انجام نگرفته و بهعلت کلوخه شدن ذرات و ایجاد منطقه ضعیف در ملات افت مقاومت فشاري رخ میدهد جذب مویینگی آب

6 میزان آب جذب شده را میتوان با مقدار فضاهاي موي ینە نمونههاي گوناگون بتنی و شکل و پیوستگی آنها ارتباط داد. بالا بودن مقدار جذب آب موي ینه و مقدار بالاآمدگی آب در نمونههاي ملات می تواند نشانگر ضعف ساختار ماتریس سیمانی نفوذپذیري بالاي آن و خطر تخریب در حملات کلرایدي باشد. در این آزمایش ابتدا نمونه هاي مکعبی به منظور خالی شدن تمامی حفرات آن ها از آب در آون با دماي 0 c به مدت 0 روز قرار داده شدند. جهت نفوذ آب تنها از تراز کف نمونه اطراف نمونهها با رنگ اپوکسی پوشانده شده و پس از توزین به گونهاي که سطح آب به اندازة 3± میلیمتر از تراز کف نمونهها بالاتر باشد درون ظرف آب قرار گرفتند. لازم به ذکر است که کف نمونه ها بایستی در تماس کامل با آب باشد. وزن نمونه ها پس از و 72 ساعت قرارگیري در آب قراي ت شد. () جذب مویینگی آب را با پارامتري به نام ضریب جذب مویینگی نیز میتوان بیان نمود که در حقیقت نرخ جذب سطحی مایع توسط جسم جامد متخلخل را نشان میدهد. ضریب جذب مویینگی آب از رابطه () محاسبه میشود[ 0 ]. s=.. که در آن W میزان آب جذب شده توسط نمونه در انتهاي آزمایش A سطح مقطع نمونه و t مدت زمان که همان 72 ساعت می باشد.. جرم مخصوص آب برابر با است بنابراین واحد S را میتوان بهجاي ضرایب جذب مویینگی آب (s) نمونههاي ملات در جدول 6 با بیان نمود.. نشان داده شدهاند. ضریب جذب مویینگی آب نمونه ها در سنین 28 روز جدول - 6 ضرایب جذب موییینگی آب در نمونه هاي ملات مقدار ضریب جذب مویینگی آب نمونه ها در سنین 7 روز مقدار نام طرح (cm 000/hr 0. ) (cm 000/hr 0. ) OPC 97/ 0 88/ 4 0 NS- 93/ 4/ 87/ / NS-2 8/ / 2 44/ 3 از این نمودارها می توان دریافت که ملات حاوي جذب مویینگی کمتري نسبت به ملات کنترل داشته و بیشترین میزان کاهش در جذب مویینگی آب مربوط به نمونه ملات NS-2 می باشد نمونه NS- کاهش کمی در جذب مویینگی نسبت به ملات شاهد و نمونه است که می توان دلیل آن را مربوط به پتانسیل پایین ذرات در محلول کلوي یدي و عدم همگنی مناسب ذرات در ملات دانست. NS-2 داشته 4. نتیجه گیري - ). افزودن دو نوع با خصوصیات ذکر شده به ملات باعث افزایش مقاومت فشاري در نمونههاي ساخته شده با محلول نوع 2 و کاهش مقاومت فشاري در نمونههاي ساخته شده با محلول نوع نسبت به ملات کنترل میشود و در تمامی نمونههاي حاوي جذب مویینگی آب را میدهد. 2). در کاهش جذب مویینگی عملکرد بهتري را نسبت به افزایش مقاومت فشاري از خود نشان داده است. 3). دلایل عملکرد بهتر نمونههاي ملات NS- نسبت به نمونههاي ملات NS-2 را میتوان به صورت زیر بیان نمود: با توجه به میزان SiO 2 حاصل از نتایج آزمایش XRF در محلول هاي ذرات در نمونه NS-2 عملکرد پوزولانی بهتري نسبت به نمونه NS- داشته اند. شود. - - نتایج آزمایش اندازه ذرات نشان می دهد که محلول کلوي یدي نوع 2 در پرکردن خلل و فرج در ابعاد نانو موثرتر عمل میکند. نتایج آزمایش زتاسایزر نشان از پایداري ذرات کلوي یدي در نمونه NS-2 و ناپایداري ذرات نمونه NS- دارد. کم بودن نیروي دافعه بین ذرات نمونه NS- میتواند باعث جذب ذرات کلوي یدي به یکدیگر و کلوخگی آنها و ایجاد منطقه ضعیف نسبت به ملات شاهد در بتن 6

7 . مراجع. Ji, T., (200), Perliminary study on the water premeabiity and microstructure of concrete incoroporating nano-sio 2, Cement and Concrete Research, 3, pp Jo, B. W., Kim, C. H., Tae, G. H. and Park, J. B., (2007), Characteristics of cement mortar with nano- SiO2 particles, Construction and Building Materials, 2, pp Senff, L., Labrincha, J. A., Ferreira, V. M., Hotza, D. and Repette, W. L., (2009), Effect of nano-silica on rheology and fresh properties of cement pastes and mortars, construction and Building Materials, 23, pp Ye, Q., Zhang, Z.N., Chen, R.S. and Ma, C.C., (2003), Interaction of nano-sio2 with calcium hydroxide crystals at interface between hardened cement paste and aggregate, Journal of the Chinese Ceramic Society, 3, pp Ye, Q., (200), Study and development of nanocomposite cement-based material, Gypsum and Cement for Building,, pp Ji, T., Mirzayee, A., Zangeneh-Madar, Z. and Zangeneh-Madar, E., (2009), Preliminary study on water infiltration of concrete containing nano-sio2 and silicone, 8 th International Congress on Civil Engineering, Iran. 7. Li, H., Xiano, H.G., Yuan, J. and Ou, J., (2004), Microstructure of cement mortar with nano-particles, Cement and Concrete Composites, 3, pp Malvern Instruments Ltd., (2004), Zetasizer Nano Series User Manual, Man037, Issue.. 9. Li, H., Zhang, M. H. and Ou, J. P., (2007), Flexural fatigue performance of concrete containing nanoparticles for pavement, International Journal of Fatigue 29, pp Ghrichi, M., Kenai, S. and Said-Mansour, M., (2007), Mechanical Properties and Durability of Mortar and Concrete Containing Natural Pozzolana and Limestone Blended, Cement and Concrete Composites, vol 29, pp