زیر نظر استا د محترم :
جناب آقای مهندس احدیان
تهیه كننده :
امیر حسین حبشی زاده
بهار 85
لغت شناسی و تقسیم بندی :
در تعاریف به كار رفته برای انواع مواد شبه بتنی كه در دمای بالا به كار می روند یك نوع نا هماهنگی وجود دارد و استانداردی وجود ندارد كه مواد را طوری تعریف كند تا در بر گیرنده این تقسیم بندی باشد . بنابر این كار اساسی این است كه ابتدا موضوع را با تاكید بر تعاریف گفته شده برای بتن مقاوم حرارتی شروع كنیم .
مشكلات نامگذاری :
امروزه واژه ها ی مقاوم درجه حرارت پائین و بتن دیر گداز معمولا برای اشاره به خصوصیات
حرارتی به كار می روند بنا به استاندارد 9556TGL آلمان و 99-30 TGL شوروی واژه بین مقاوم حرارتی برای كلیه توصیفات به كار می رود . در صورتی كه در كشور های دیگر استاندارد
43-85-45GOST مرزی بین تعاریف بتن مقاوم حرارت و بتن مقاوم در دمای بالاتر از 1770 قائل شده است . در مقالات انگلیسی و آمریكایی نیز مواد مشابهی را به نام سیمانهای دیرگداز , بتن
های دیر گداز یا ریختگی های دیر گداز می نامند .
بتن دیر گداز :
به مخلوطی از سیمان , انواع پر كننده و ذرات ریز و آب گفته می شود كه در درجه حرارت معمولی
حالت گیرش دارد و تمام موادی كه شامل سیمان نیستند می توان شبه بتن ( concrete type )
بحساب می آورند . لغت بتن بیان كننده عوامل چسبا ننده ی دانه های ریز هیدرولیكی كه عمدتا شامل تركیبی از Fe2O3 , Al2O3 , Sio2 با CaO كه در استاندارد های مشخص دارای خواص معینی هستند و بعد از عمل تركیب (بعد از 28 روز ) به استحكام فشاری Psi 3200 می رسد كه آن را
به عنوان مینیمم استاندارد در نظر می گیرند , مهمترین بتن ها در این رابطه عبارتند از : بتن های
سیمان پرتلند , سیمان كوره بلند , آلومینا های مختلف كه یكی از مشخصه های بارز همه ی آن ها سختی
هیدرولیكی آنهاست و كاربرد این بتنها تا منطقه زینتر شدن آنهاست .
مشخصات استاندارد بتن های دیر گداز عبارت است از :
بتن های دیر گداز در درجه حرارتهای معمولی دارای اتصالات هیدرولیكی هستند و وقتی پخته می شوند از مرحله ی اتصال هیدرولیكی به مرحله ی اتصال سرامیكی تبدیل می شوند بدون آنكه استحكام
آن كاهشی پیدا كند , بر طبق این استاندارد ها مخلوط های بتنی از نظر كارخانجات دیر گداز مخلوط
های خشك شدنی درهوا هستند كه از مواد اولیه مقاوم در برابر حرارت با اندازه بندیmm 30- 0
و سیمان تشكیل شده اند . به عبارت دیگر بتنهای دیر گداز عبارتند از :
بتن هایی كه خواص مكانیكی و فیزیكی آن حتی بعد از مدت زمان زیادی كه در حرارتهای بالا تا
حد قابل قبولی باقی بماند .
عاملهای چسباننده :
عاملهایی چسباننده ای كه در چنین بتنهایی بكار می روند ممكن است چسبهای هیدرولیكی ( معمولا سیمانها ) باشند و یا چسبهای غیر هیدرولیكی ] بتن پریكلاس با سیمان سورل ( بتن ما گنزیا ) , چسب شیشه [ . در كشور های غربی استفاده از چسبهای هیدرولیكی در بتن های مقاوم در برابر درجه حرارت بسیار رایج است و در شوروی استفاده از عامل چسباننده چسب شیشه در بتن های دیر گداز
نقش مهمی را در صنعت ایفا می كند . مواد نوع بتنی ( شبه بتنی ) موادی هستند كه دارای فسفات
چسب شیشه و ماگنزیا ( پریكلاس ) می با شند .
تقسیم بندی بتنهای دیر گداز : بتن های دیر گداز را می توان بر اساس درجه حرارت كار , نوع عاملهای اتصال ( چسباننده ) و نوع مواد پر كننده تقسیم بندی نمود :
1- نوع بتن درجه حرارت درجه حرارت كار
بتن با دیر گدازی پائین كمتر از 1500 1100- 200
بتن با دیرگدازی متوسط 1790- 1500 1300- 1100
بتن با دیرگدازی بالا بیشتر از 1790 بیشتر از 1300
2- تقسیم بندی بر اساس نوع اتصالات :
A - بتن های دیرگداز ساخته شده از بتن های سرباره ( بتنهای كوره بلند با بتنهای آهن پرتلند )
B- بتن های دیر گداز ساخته شده از سیمان آلومینیایی ( بتن های آلومینیای بالا )
C- بتن های دیر گداز با عامل چسباننده ی چسب شیشه ( بتنهای آلومینیای باریم )
D- بتن های دیر گداز با عامل چسباننده ی ماگنزیا
E- اتصال های شیمیایی مانند فسفاتها با افزودن اسید فسفرین به مخلوط
F- اتصال هیدرولیك
G- عاملهای چسباننده ی آلی مثل قیر , قطران , سولفیت لایم
3- تقسیم بندی بر اساس نوع مواد پر كننده :
A- بتن های دیر گداز با مواد پر كننده ی غیر مقاوم در برابر حرارت (خرده آجر , سرباره و ......)
B- بتن دیر گداز با شاموت ( خاك نسوز پخته شده )
C- بتن دیر گداز با آلومینات بالا
D- بتن های دیر گداز با كراندوم
E- بتن دیر گداز با سیلیس
G- بتن دیر گداز با مگنزیا
F- بتن های دیر گداز با كرومیت – ماگنزیا
H- بتن دیر گداز با كاربید سیلیسیم
روند تاریخی پیشرفت :
بر مبنای اولین گزارش امكان استفاده از بتن در دمای بالا به كارهای مهندسین ساختمان در اوایل
همین قرن بر می گردد . استفاده از شاموت و خاكستر بعنوان اجزای بتن در این مقاصد مفید تر
بوده , هر چند پیشنهاد آن ها در همان زمان عملی نگردید .
تا اوایل قرن بیستم هیچ توجه اساسی به این نوع مواد دیر گداز نشد یعنی زمانی كه C.Platzman
تولید بتن دیر گداز را با پایه ی سیمان پرتلند و افزودن شاموت و خاكستر ( یا سیلیكای فعال )
به ثبت رساند همزمان استفاده از سیمان آلومینائی نیز در 26 – 1925 بوسیله Kesther به ثبت
رسید . با شروع دهه 1930 افزایش قابل ملا حظه ای در تحقیق و توسعه در تعدادی از كشورها
در این زمینه به چشم می خورد .
ویژگیهای بتن دیر گداز :
تكنولوژی بتن دیر گداز را می توان در مقایسه با بتن معمولی یا در مقایسه با مواد دیر گداز نشان
داد . برای صاحبان تكنولوژی بتن ویژگیهای اصلی در استفاده از پر كننده های دیر گداز خاص با
مشخصات معین در نظر است و استفاده از پر كننده های خیلی ریز مثل خاك نسوز یا استفاده از
سیمان آلومینیائی یا حتی چسب های غیر معمول تر دیگری مثل چسب شیشه و فسفات .
انحراف از تكنولوژی بتن معمولا خیلی كم بوده و در خور توجه نیست . از این نقطه اثر به سختی
می توان انتظار داشت كه بتن دیر گداز مواد تازه ای را عرضه كند در حالی كه مقادیر مشخصی در استحكام ساختمانی برای بتن معمولی اهمیت دارد . این مقادیر برای بتن دیر گداز از اهمیت نا چیزی برخوردار است . زیرا تنشهای حرارتی كه در بتن در حین سرویس و كار تحمل می كند
اساس ساختار آن را تغییر می دهد .
از دید گاه مهندسینی كه با مواد دیر گداز سروكار دارند بتن دیر گداز دارای ویژگیهای خاص خود در نحوه ی تولید و كاربرد است در حالی كه تكنولوژی مواد دیر گداز را می توان اینطور ترسیم كرد كه تهییه مواد به شكل دلخواه در آوردن و سپس خشك كردن در یك زمان طولانی و نهایتا در آتش قرار دادن . در حالی كه تكنولوژی پیش ریختگی بتن دیر گداز عبارت است از تهییه مخلوط
و به فرم دلخواه در آوردن با ریختن و لرزش و سپس سخت كردن با پرس و سر انجام در زمان
كوتاهی خشك می شود . استحكام مورد نیاز بدون پخت بدست می آید و بدین وسیله ما قادر به تولید
شكلهای پیچیده و مختلف می باشیم بدون خطر ترك و تغییر فرم , مزایا و اهمیت بتن دیر گداز در
كارخانجات تكنو حرارتی را می توان از نقطه نظر فنی و اقتصادی ملاحظه نمود .
اگر چه استفاده از این مواد گاهی به علت مقدار دما محدود می شود وجود بتن های تولید شده در
مقیاس وسیع با چسب های مخصوص قابلیت استفاده از آن را در دماهای خیلی بالا نشان می دهد.
مواد اصلی بتن دیرگداز :
تركیب مواد اصلی بتن دیر گداز عبارتند از :
1- عامل چسباننده :
الف ) سیمان : سیمان یكی از عوامل چسباننده ی در بتن های دیر گداز می باشد . سیمانهای صنعتی معمولا بعد از زینتر یا ذوب و آسیاب كردن بصورت پودرریزی در می آیند كه هم دارای ساختمان
كریستالی و هم غیر كریستالی می باشند. اجزای اصلی سیمانها عبارتند از : Al2O3, Fe2O3 , ,
SiO2, CaO و سیمانها را به طور كلی به دوسته تقسیم می كنند :
1- سیمانهای سیلیكاتی مثل سیمان پرتلند معمولی و سیمانهای سرباره ای (سیمان پرتلند آهن و سیمان كوره بلند و سیمان سوپر سولفاته )
2- سیمانهای آلومینیائی مثل انواع سیمان آلومینیائی
از انواع سیمانه كه بطور معمولی تهیه می شوند آن ها كه در ساخت بتن های دیر گداز استفاده می شوند عبارتند از : سیمان پرتلند, سیمان پرتلند آهن , سیمان كوره بلند , سیمان آلومینیای معمولی ,
سیمان آلومینیای بالا و سایر سیمانها اهمییت محدود داشته یا در در تحقیقات علمی بكار می روند .
ب) چسب های سرد گیر – غیر آلی بدون آب : همان طور كه گفته شد توسعه ی بتن های دیر گداز با گذر از مرز های بتن با پایه ی سیمانی به تولید و استفاده از شبه بتن با چسب های دیگر رسیده
است . یكی از این دست عامل های چسباننده چسب شیشه می باشد كه چسب شیشه عبارت است از
تركیبات مختلف سیلیكات سدیم یا پتاسیم كه در آب یا محلولند و یا مخلوط كلوئیدی تشكیل می دهند
و تقریبا به طور كامل هیدرولیز می شوند . عمومی ترین چسب شیشه ای كه استفاده می شوند
سیلسكات سدیم غنی از سیلسی است كه شامل 4 – 2 مولكول گرم SiO2 و در یك مولكول گرم
سیلیكات سدیم است .گیرش در هوا انجام می گیرد كه معمولا همراه با استفاده از شتاب دهنده های
گیرش ( تحت عنوان افزودنی ها ) انجام می شود .
در مقایسه با سیمان پرتلند چسب شیشه بتنهایی از نظر خواص فیزیكی شیمیایی قابل قیاس نمی باشد . البته غیر از مدول الاسیته و دانسیته تنها نكتهی جالب توجه مشخصه های حرارتی است كه
با استفاده از چسب شیشه عاید می شود . فایده این تر كیبات كه در بتنهای دیر گداز چسب شیشه ای به عنوان عامل چسباننده بكار می روند فعالیت شدید آنهاست كه آن ها را قادر می سازد تا با
مواد پركننده ی بسیار متنوع و مختلفی تركیب شوند و تركیباتی تولید كنند كه پایداری حرارتی خوبی دارند و دیر گدازی بسیار خوبی هم دارند .
از انواع دیگر این نوع چسباننده ها می توان به چسب های ماگنزیایی , دولومیت , اسید فسفریك
و فسفات ها می توان اشاره كرد .
2- مواد پر كننده :
در ساخت بتنهای معمولی می توان از شن و ماسه ی طبیعی بهره گرفت . بنگ های صخره ای و سنگ آهك برای بتن های متراكم و خاكهای نسوز یا خاكستر زینتر شده برای بتن های سبك وزن
به عبارت دیگر برای استفاده از بتن ها در درجه حرارت بالا انتخاب مواد پر كننده باید بر اساس
نوع مصرفی كه بر عهده ی آن است صورت گیرد . خواص حرارتی بتن در درجه حرارت بالا به
مقدار زیادی بوسیله انتخاب مواد پر كننده تعیین می شود بنابراین با انتخاب مواد مناسب مقاوم در برابر حرارت امكان تهییه بتن ها با مقاومت حرارتی بالا وجود دارد .
در بتن نسوز تنها مواد درشت تر كه دارای اندازه ی دانه هایی بزرگتر از mm 2/0 می باشد باید
مورد استفاده قرار گیرد . مواد پر كننده ی ریز اغلب دانه های تشكیل دهنده اش از mm 1/0 كمتر
است . و به عنوان عامل تثبیت كننده با خواص شیمیایی مخصوص در بتن های دیر گداز ساخته
شده با سیمان پرتلند مورد استفاده قرار می گیرند در حالی كه در بتن های چسب شیشه آنها به
عنوان مواد پر كننده ی بسیار ریز micro-filling عمل می كنند , بنابر این آنها به عنوان پر كننده عمل نمی كنند بلكه بیشتر مواد افزودنی هستند .
پر كننده های معدنی غیر مقاوم در آتش :
پر كننده های معمولی فقط برای استفاده در بتن های درجه حرارت پائین مناسب است نه برای بتن های دیر گداز زیرا مقاومت آن برای دماهای 1100- 1000 درجه ی سانتیگراد مناسب است . در
بعضی شرایط بخصوص افزودنیهای دیر گداز مثل سر باره ها بتن دیر گداز بكار می روند. البته به شرطی كه آنها اثر شیمیایی خوبی داشته باشند .
مواد طبیعی : سنگ های طبیعی كه ضریب حرارت انبساطی آن ها زیاد نباشد و تحت شرایط دیر گدازی انبساط حجمی نداشته باشند به عنوان پر كننده بكار می روند . مثل سنگهای كوارتز و شن.
در استفاده از سنگ آهك باید دقت شود زیرا كه تغییراتی در خواص آن ها در اثر از بین رفتن بوجود می آید .
ضایعات صنعتی و محصولات فرعی : سر باره هایی كه ازمنابع مختلف تولید می شود اولین محصولات
فرعی هستند كه باید بررسی شوند . تعدادی از محققان محدوده ی وسیع از سرباره ها را ازمایش كرده اند كه توانسته اند اینها را به عنوان مواد پر كننده در بتن دیر گداز بكار برند .
پر كننده های مصنوعی : معمولی ترین مواد مصنوعی كه به عنوان پر كننده بتن تولید می شوند پر
كننده های سبك وزن مشخصی هستند برای تولید بتن سبك بكار می روند .
مثالهای این موارد از خاكها نسوز پوك شده ( با نام صنعتی سر امسایت ceramcite ) و slate
پوك شده ( با نام صنعتی Glovulite ) . این مواد برای ساخته شدن بتن نسوز ساخته شده است .
انواع دیگر پر كننده های سبك شامل ورمیكولایت و پرلیت می باشند .
شاموت : متداولترین ماده ی پر كننده برای بتن های دیر گداز انواع مختلف شاموت های مقاوم در برابر حرارت ( ذرات شاموت مقاوم در برابر حرارت مثل خاك رس ) است .
از شاموت به میزان زیادی به عنوان افزودنی برای سیمان پرتلند و بتن های سیمان چسب شیشه استفاده می شود. شاموت از پختن كائولن های نسوز در درجه حرارت بالا بدست می آید . اجزای اصلی آن SiO2 و Al2O3 و همچنین مقادیر كمی Fe2O3 و قلیایی ها ست كه بسته به مواد اولیه
آن فرق می كند. درجه ی دیر گدازی اكثر شاموت های كوارتزی 1650 درجه ی سانتیگراد و شاموت
های معمولی 1750 درجه ی سانتیگراد می باشد . درجه ی حرارت كار با افزایش درصد آلومینای از
1400 – 1200 درجه ی سانتیگراد فرق می كند .
از دیگر مواد پر كننده ای كه می توان در ساختن بتن دیر گداز استفاده كرد عبارتند از :مولایت ,
كواندوم ) كواندوم به علت نقطه ذوب بسیار بالا ی استحكام مكانیكی و مقاومت شیمیائی آن به مقدار بسیار زیاد به عنوان پر كننده برای تولید بتن دیر گداز استفاده می كنند . در حالت معمولی هم انقباض بتن را كاهش می دهد ) , تركیبات شیمیائی و كانسازی ( منیزالورژی ) , مواد محتوی كرومیت و كرومیت منیزیت , فورستریت , كاربید سیلیسیم , دیاتومیت می باشند .
3- افزودنی ها :
افزودنی ها تحت عنوان مواد پر كننده و چسب ها قرار نمی گیرند عمده ترین افزودنی ها مواد پودری
شكل هستند كه تثبیت كننده های سرامیكی نیز نامیده می شوند و برای بتن های ساخته شده با سیمان
پرتلند و چسب شیشه بكار می روند . افزودنیها همچنین شامل موادی كه برای بهبود پلاستیسه , شتاب
دهنده ی گیرش و خواص زنیتر در موقع حرارت دادن بكار می روند تحت این عنوان می باشند .
تثبیت كننده های سرامیكی : مهمترین افزودنیها برای بتن دیر گداز یا سیمان پرتلند مواد پودری شكل ریز است كه هدف آن چسباندن و آزاد كردن آهك آزاد است . آهك آزاد در ابتدا بصورت Ca(OH)2 و بالای 550 درجه ی سانتیگراد به CaO تبدیل می شود و برای مواد شبه بتنی
بنیان چسب شیشه افزودنیهایی از این نوع استحكام و اتصال چسب را بهبود می بخشند . این مواد
به عنوان افزودنیهای بسیار ریز در مقابل مواد پر كننده ی معمولی قرار می گیرند و اطلاق تثبیت
كننده های سرامیكی نیز كار آنها را می سازد .
شاموت : كه در سطح وسیعی از آن استفاده می شود و مهمترین افزودنی دانه ریز است و هرچه
دانه های آن ریز تر باشد استحكام بتن بیشتر خواهد شد .
خاك رس : پودر خاك رس نیز در این زمینه مهم است , عمل پلاستیسیته آن نیز باید مد نظر باشد
و در بتن های سیمان پرتلند مدتهاست كه استفاده می شود . در سیمان های آلومینیای ذوب شده به عنوان پر كننده ی بسیار ریز برای بهبود پلاستیسیته بتن تر یا افزودنی برای بدست آمدن استحكام
بالاتر در درجه حرارت های متوسط بكار می رود .
4- آب :
آب یكی دیگر از موادی است كه در ساختار بتن دیر گداز بكار می رود و نسبت آن باید بدقت رعایت شود و همچنین بكار بردن آبی كه دارای نا خالصی است در بتن مضر است .
طرح مخلوط بتن :
مواد اصلی و اجزای بتن دیر گداز از نظر خصوصیات فیزیكی و شیمیایی مورد بررسی قرارگرفت
حال به بررسی اجزای بتن از نظر دانه بندی ارتباط اجزا با یكد یگر تشریح می كنیم .
در این بخش خصوصیات ویژه مورد نظر نیست بلكه عموما مشكلات اصلی مرتبط به تاثیر دانه بندی اجزا در حالت های منفرد و مخلوط را بررسی می كنیم .
این پارامتر ها به طور بسیار وسیعی بر خصوصیات بتن تاثیر می گذارند مثل آب در مخلوط پر
كننده یا قابلیت كار پذیری بتن تر , تراكم پذیری آسان , مقاومت حرارتی , افزایش استحكام و سر
انجام خصوصیات و و رفتار بتن گیرش یافته در حالت خام و پس از عملیات حرارتی . در این
بحث اساس طرح مخلوط بتن و عمدتا در بتن های اتصال سیمانی بررسی می شود .
سیمان ها : سیمان هایی كه در تولید بتن دیر گداز بكار می روند اغلب استاندارد هستند در نتیجه
تحقیقات در آلمان و سایر كشورها نشان داده كه سیمان با آلومینای بالا , سیمان آلومینیای معمولی
سیمان پرتلند , سیمان پرتلند آهن و سیمان كوره بلند هر كدام برای دماهای خاص و محدوده های گرمایی مشخص در هنگام كار مفید است .
استفاده از سیمان های trass و سیمان های آذرین و انواع دیگری از آن ها كه تا همین اواخر رایج نبوده اخیرا نشان داده است كه سیمان های آذرین را تحت شرایط بخصوصی می توان در بتن های
دیر گداز و بتن های معمولی بكار برد . قسمتی از خاكهای آذرین نیز بكار می روند كه تحت شرایط گرمایی خاص انقباض ندارند و یا مقدار آن خیلی كم می باشد .
هیچ نیازی برای دانه بندی دانه ها لازم نیست و همان ریزی كه در استاندارد در نظر گرفته شده
مناسب است و سیمان های استاندارد مناسب و قابل مصرف هستند اگر چه در شرایط بتن های درجه حرارت بالا باید حداقل كیفیت استاندارد را داشته با شند . در آلمان بتن های دیر گداز ریخته گری در محل كار و پیش ساخته هر دو از سیمان آلومینای تجارتی استفاده می شود .
دانه بندی پر كننده ها : پر كننده ها نقش اصلی را در تعیین مقاومت بتن دیر گداز تعیین می كنند .
اندازه ی دانه و درجه بندی پر كننده از اهمیت اساسی در بهبود كیفیت بتن دیر گداز برخوردار است
ممكن است با استفاده از اندازه ی دانه های ریز و درشت مناسب در پر كننده بتوان به بیشترین
فشردگی دست یافت .در حال حاضر استفاده از منحنی های دانه بندی كاربرد عملی محدودی دارد
یك بتن فشرده و خیس كه بر مبنای این این منحنی تهیه شده باشد حجم خودش را حفظ كرده و هر دانه ی فضایی را كه موقع خیس بودن اشغال كرده به همان صورت حفظ می كند .
بر حسب مواد تركیب پر كننده خشك كردن و پختن ممكن است انبساط یا انقباض ایجاد كند و
منجر به تغییر مكان دانه شود . بدین ترتیب اصطلاح فشرده ترین بتن بر حسب نوع و شیوه ی
مخلوط كردن فرق می كند . معمولا مقدار ماكزیمم فشردگی به شكل و درجه بند ی ذرات بستگی
دارد . پر كننده های كروی شكل تمایل كمی به حفظ آب دارند ولی آن هایی كه سوزنی شكل و
مسطح هستند تقریبا دو برابر دانه های كروی آب نگه می دارند و اینها بیشتر در بتن های دیر گداز استفاده می شوند طبیعت سطح پر كننده اثر نا چیزی بر استحكام بتن دارد اما تاثیر آن بر
استحكام اتصالات خیلی زیاد است . در بتن های دیر گداز درجه ی دانه بندی باید همان طوری باشد كه در بتن معمولی مورد نیاز است .
تركیب مواد برای ساختن بتن مقاوم در برابر حرارت :
تركیب مواد بتن های مقاوم كه از سیمان آلومینا استفاده می شود :
50 كیلوگرم سیمان آلومینیایی
110 كیلو گرم شاموت نپخته ی 0 تا 3 میلیمتر
110 كیلوگرم شاموت پخته ی 3 تا 8 میلیمتر
نسبت سیمان به آب تقریبا 6/0
در صورتی كه سیمان پرتلند نوع 350 مصرف شود تركیب زیر استفاده می گردد :
50 كیلوگرم سیمان پرتلند 350
57 كیلوگرم شاموت نپخته ی 0 تا 3 میلیمتر
90 كیلو گرم شاموت پخته ی 3 تا 8 میلیمتر
60 كیلو گرم سر باره ی كوره 0 تا 3 میلیمتر
13 كیلوگرم كلی 0 تا 1 میلیمتر
نسبت آب به سیمان تقریبا 7/0
مخلوط دیگری كه نسبت سیمان به شاموت آن برابر 80/ 20 است در دو نوع شاموت با مشخصات زیر مورد استفاده قرار می گیرد . نقطه ی ذوب 1730 = شاموت نوع یك
نقطه ی ذوب 1680 = شاموت نوع دو
بتن های دیر گداز با اتصال سیمانی :
برجسته ترین مشخصه های بتن دیر گداز با اتصال سیمانی در مقایسه با انواع مواد دیر گداز این
است كه بسیاری از خواص ذكر شده در بالا در شرایط كار برد بتن دیر گداز با اتصال سیمانی
در مقایسه با درجه حرارت های اتاق و یا در مدت زمان اولین باری كه تا درجه حرارت های بالا
حرارت داده می شود به كلی متفاوت است . دلیل این امر این است كه تحت تاثیر حرارت تغییرات شیمیائی زیادی صورت می گیرد كه به موجب آن مشخصه ی اولین بتن به كلی تغییر می كند .
تغییر یك بتن نمونه از حالت اولیه با اتصال غیر یكنواخت بین مواد پر كننده و عامل اتصال دهنده
به صورت ساختار سرامیكی سخت شده كه در نتیجه بالا رفتن درجه ی حرارت و انجام واكنش ذوب سطحی وسیع تر شدن حاصل می گردد .
فاز های میانی و پایانی كه در نتیجه ی این واكنشها بدست می آیند از مشخصات ویژه ی بتن دیر گداز می باشد كه دارای اهمیت ویژه ای می باشد . بنا بر این به منظور رسیدن به درك صحیحی
از این خصوصیات ضروری است یك مهندس دیر گداز قبل از توجه به خواص نهایی ( نتیجه ) كه
هدف اصلی است تحولات ( استحاله ) شیمیائی را كه در سیمان اتفاق می افتد را مطالعه كند .
فرایند های شیمی حرارتی :
عبارت فرایند شیمی حرارتی در متن زیر جهت تشریح تمام فرایند ها و واكنش ها و تغییرات و تحولاتی كه در بتن دیر گداز صنعتی معمولا ضمن گرم كردن ابتدائی و گاهی در گرم كردن بعدی رخ می دهد استفاده می گردد . بحث زیر در درجه ی اول به جنبه های شیمیائی فرایند مربوط می شود كه در آن واكنشهای بین فاز های نهائی و میانی سیمان ها و مواد پر كننده از یك طرف
و ساختار فازی كه از آن نتیجه می شود از طرف دیگر صورت می گیرد , اثر این تحولات روی
خواص مهم بتن به عنوان نمونه ی استحكام انقباض و پایداری د دماهای مختلف و مقاومت شوكهای
حرارتی مورد بحث قرار می گیرد .
بتن های دیر گداز ساخته شده با سیمان پرتلند و سیمان سرباره :
سیمان پرتلند از لحاظ رفتار شیمیائی حرارتی اساسا با سیمان آلومینیائی متفاوت است در حالی كه
سیمان سرباره جائی بین این دو قرار می گیرد , یكی از این مهمتریت عوامل این است كه آهك
آزاد در اثر حرارت در سیمان پرتلند ظهور می كند .
در یك حالت معین ممكن است خواص آن و حد استفاده از آن تغییر كرد باید در تهییه ی بتن از
سیمان پرتلند مراحل معینی را طی نمود .
مشكل آهك :
هیدراته شدن سیلیكات های بازی كه مهمترین مینرال های كلینگر را تشكیل می دهند منجر به تشكیل
می دهند منجر به تشكیل فاز ها ئی شبیه توبرمریت و آزاد شدن مقادیر زیادی Ca(OH)2 می شود
در مورد سیمان سر باره و سیمان پوزولانی بی شك این مقادیر یه علت حجم كم كلینگر سیمان پرتلند و تركیب آهك آزاد با سرباره یا پوزولانی بی اهمیت است .
وقتی كه درجه ی حرارت به 500 درجه ی سانتیگراد افزایش می یابد هیدرات كلسیم آب تركیبی
خودش را از دست می دهد و به CaO خیلی فعال تبدیل می شود ممكن است وقتی این CaO
خنك می شود با رطوبت موجود در هوا وارد واكنش شده كه منجر به تشكیل مجدد Ca(OH)2
بشود وبه دنبال آن باد كردن سمتت و بنابر این تخریب ساختار سخت شده صورت می گیرد .
دانسیته ی CaO برابر cm3 / gr 73/3 می ساشد در حالی كه دانسیته ی Ca(OH)2 برابر با
Cm3 / gr 146 است بنا بر این CaO با عمل هیدراته شدن تقریبا 44% منبسط می شود .
احتمال دیگر آن است كه آهك در درجه حرارت بالا یا برای اولین بار كه درجه ی حرارت آن بالا برده می شود یا در حین استفاده تركیب شود .
به این ترتیب در طول واكنشهای پیرو شیمیائی با موادی با دانه های خیلی ریز كه یا اسیدی و یا
یدارای آهك كمی می باشند تركیب شود .
این موضوع مثل سابق با استفاده از سرباره ها و پازولانی ها نیز قایل حصول است ولی در تكنولوژی بتن دیر گداز از مواد مصرفی معمولا دانه های خیلی ریز و مقاوم حرارت تثبیت كننده ی سرامیك هستند مهمتر از این نوع واكنشها حتما با تجمع افزایش ماده همراه هستند ولی تاكنون
هیچ اثری از از امكان باد كردن " blowing" مشاهده نشده است .
تشكیل فاز های جدید :
وقتی سیمان نسوز حرارت داده می شود واكنش ها یی اتفاق می افتد كه از یك طرف با تجزیه ی
ساختمان سخت شده مشخص می شود كه همزمان و توام با تشكیل فاز های جدید می باشد .و از
طرف دیگر با واكنش بین این فاز های بینا بینی و مواد اضافه شونده و پر كننده ها ...... .
از جمله تاثیرات مهم روی خواص بتن دیر گداز پیدایش مینرال جدید مختلف است كه در پروسه های نهایی در اثر تركیب با پر كننده های ریز خاك نسوز بوجود می آید . تجزیه ی سیمان سخت
شده بین 200 تا 800 درجه ی سانتیگراد اتفاق می افتد كه با پس دادن آبی كه بصورت (gel )
و در بین لایه های فاز توبرمریت مانند موجود است شروع می شود .
در درجات خیلی بالا دوباره آهك آزاد شده قدری كاهش می یابد چون تحت واكنش هایی مانند :
Cs→C2s قرار می گیرد اما این واكنشها هیچ گاه به طور جداگانه انجام نمی شوند بلكه همیشه
در سیمان همراه با واكنشهای بین اجزای تركیبی سیمان و مواد پر كننده اتفاق می افتد این نوع واكنشها در فاز جامد قبل از این كه هیچ ماده ای ذوب شود بین درجه حرارت تخمینی C 800
تا C 700 روی دهد .
نتایج ترموگرام ها راهنمای كیفی برای واكنشهای انجام شده در سیمان نسوز می باشند تحت شرایط
واقعی در بعضی از موارد ممكن است تا حد راهنما باشد . محققین گزارش داده ان كه نمونه هایی كه تحت درجات بالا قرار گرفته اند نیز دلالت بر تشكیل آنورتیت و رانكنیت دارند .
مولیت نیز گاهی در یبن فاز های جدید تشكیل شده پیدا می شود و در بین مواد معدنی كه از سیمان خلص (matrox ) جدا می شوند و لاستونیت می باشد .
تاثیر تغییرات غیر قابل برگشت درجه حرارت روی خواص فیزیكی, مكانیكی بتن :
واكنشهای تجزیه و تشكیل فاز بتن دیر گداز كه در نتیجه ی حرارت دادن بسیار بالا می باشد منجر
تغییراتی دیگر روی خواص بتن دیر گداز می باشند .
این تغییرات بستگی به نوع عملیات حرارتی كه سیمان نسوز در معرض آن قرار گرفته است و
مستلزم آن است كه قبل از آن كه به مرحله ی نهائی برسد بوسیله ی خواص ویژه ی خودش در
مراحل میانی مشخص می شود . در مرحله ی نهایی بتن دیر گداز تحت بالاترین درجه ی حرارت قرار می گیرد و در یك پریود طولانی بطور ثابت در دمای كار قرار داده شده است كه باعث
می شود سیمان به مرحله ای برسد كه خواص آن باز سازی شده و بعد از این در اثر تغییرات مكرر درجه ی حرارت این خواص یا كمی تغییر كند و یا ابدا تغییری نكند .
این موضوع مهم است كه درك صحیحی از تغییرات خواص تحت تاثیر درجه حرارت داشته باشیم
تا خصوصیات سیمان در شرایطی كه مصرف خواهند شد مورد ارزیابی قرار گیرند . و تنها با این وسیله می توان از مشكلات كار جلوگیری كرد .
استحكام فشاری سرد :
سیمان ها هنگامی كه در معرض حرارت قرار می گیرند معمولا یك مرحله استحكام مینیمم را طی می كنند. درجه حرارتی كه در آن مسئله اتفاق می افتد بطور قابل توجهی بسته به نوع سیمان فرق
می كند و در بتن دیر گداز نیز ظاهرا پدیده ی مشابهی اتفاق می افتد كه موقعی كه حرارت داده می شوند استحكام آن ها بوسیله ی باند هیدرولیكی تعیین می شود .
زمانی كه استحكام مواد نسوز پر كننده با درجه حرارت كم تغییر كند یا اصلا تغییر نكند استحكام
ساختمان بتن سخت شده در اثر تغییرات ساختمان آن تغییر می كند بنا بر این ساختمان سیمان ضعیف ترین عضو سیستم می باشد كه در رنج بین فاز های پیوند هیدرولیك و سرامیك قرار می گیرد و
لذا ساختمان برای تمام تغییرات استحكام ماده یك مرحله ی بحرانی است . رفتار بتن نسوز معمولا
توسط تغییرات استحكام ( معمولا منظور استحكام فشاری است ) تابع تغییر درجه ی حرارت كه در پیش گرم كردن صورت می گیرد ارزیابی می شود یك روش ساده برای انجام این ارزیابی این است كه استحكام فشاری سرد را بعد از این كه تحت شرایط ویژه ی عملیاتی قرار گرفت اندازه گیری كنیم . به خوبی می دانیم كه اگر رفتار " maxima exhibited " كه از شاموت و سیلیكا در درجه حرارت بالا ظاهر شده را به خاطر بیاوریم با این وجود نكراسف نشان داده است كه
استحكام فشاری داغ سیمان كه از سیمان پرتلند ساخته شده به همان انداه استحكام فشاری سرد كه
بعد از رسیدن به درجه حرارت محیط اندازه گیری شده باشد .
بتن دیر گداز با درجه حرارت بالا :
استحكام فشاری سرد بتن دیر گداز به عوامل مختلفی بستگی دارد كه مهمترین آن ها عبارتند از :
عامل پیوندی ( چسب ) , نسبت مواد پر كننده به سیمان , نسبت سیمان به آب , نوع , شكل و دانه بندی مواد پر كننده - دانسیته ی نهائی - میزان پایداری رطوبت سیمان و واكنش های بین مواد پر كننده خیلی ریز با عامل پیوند .
اما بطور قطع استحكام تحت تاثیر رفتار حرارتی عوامل چسبی قرار خواهد گرفت . مینرال های كلینگر شده در این مورد تغییرات زیادی را نشان می دهندمثلا پر كننده های خیلی ریز در تماس با رلیت " alit " هیدراته شده و C3A به مراتب موثر تر از تماس با " belit " هیدراته عمل می كند . از مشخصات این نوع بتن دیر گداز با درجه حرارت بالا آنست كه ابتدا تا 300 درجه
ی سانتیگراد استحكام افزایش می یابد و به دنبال آن در درجه حرارت های متوسط كاهش می یابد .
استحكام مینیمم در رنج 1000 – 600 درجه ی سانتیگراد قرار دارد , كاهش استحكام بسیار متغیر
است و تغییرات آن از 20 الی 50% مقدار اولیه می باشد .
تثبیت كننده های سرامیكی تاثیر خیلی خوبی بر روی استحكام در درجه حرارت پائین دارند اینها
نه تنها از افت سریع استحكام جلو گیری می كنند بلكه معمولا در رنج 300 – 200 استحكام را از استحكام اولیه افزایش می دهند .
نوع پر كننده های ریز مصرفی می تواند تاثیر مهمی روی استحكام داشته باشد و معمولا به نظر می آید كه شاموت در این مورد بهترین خاصیت را دارا می باشد . خاك رس نسز به همین ترتیب عمل می كند اگر نسبت صحیحی از پر كننده های خیلی ریز استفاده شود امكان آن خواهد بود كاهش استحكام را به مقادیر بسیار كوچكی برسانیم .
عامل دیگری كه بر روی استحكام فشاری سیمان بعد از حرارت دادن اثر می كند زمانی است كه سیمان از بدو تولید تا اولین وقتی كه برای اوین بار تحت عملیات حرارتی قرار می گیرد .
محققین ثابت كرده اند كه استحكام فشاری سرد بعد از حرارت دادن با گذشت زمان مانند استحكام
نرمال افزایش می یابد بنا بر این هیدراته شدن كامل مینرال های كلینگر منجر به واكنش های شیمیائی مطلوبی می شود . این موضوع موقعی خوب درك می شود كه یاد آوری كنیم كه در نتیجه ی تشكیل ژل ها و فاز های مینرالی تجزیه شده در طول پروسس هیدراته شدن علاوه بر تشكیل هیدرات آهك موادی تشكیل می شوند كه خودشان از مینرال های كلینگر فعال تر هستند .
پوشیده شدن ذرات مواد اضافه شونده و مواد پر كننده و واكنشهای مرتبی كه انجام می شود و حالتی كه هیدراته شدن كامل انجام شود بهتر از حالتی است كه هیدرته شدن جزئی اتفاق بیفتد .
تاثیر گذشت زمان مهم است اما فقط در درجه حرارت پائین كه بر استحكام هیدراته شدن اثر می گذارد و در درجه حرارت های بالا به مراتب اثر كمتری دارد .
در رابطه با هماهنگی با شرایط عمل مهم است بدانیم كه كمك سخت كننده ها مثل كلرور كلسیم چه تاثیری روی خواص حرارتی و مكانیكی و دیر گدازی آن دارد . بررسی ها نشان می دهد كه
برای این منظور خیلی مناسب نیست معمولا استحكام سیمان در حالتی كه از كمك سخت كننده ها استفاده شده كمتر از حالتی است كه در آن مصرف نشده است و تنها برای سیمان 600 درجه مناسب است.
كاربرد های بتن مقاوم حرارتی :
كاربرد های بتن دیر گداز در صنایع مختلفی كه در درجه حرارت های بالا كار می كنند استفاده می شود . در این قسمت عنوان صنایعی كه از این تكنولوژی استفاده می كنند را ذكر خواهیم كرد .
بسته به نوع و كیفیت بتن دیر گداز و مواد اولیه ی ساخت آن در ممالك صنعتی از آن ها در قسمت های مختلفی استفاده می شود .
كوشش های بسیاری در كشور های شرقی صورت گرفته است كه تا از این مواد در سطح وسیع تری استفاده شود در كشود آمریكا 9% مواد دیر گداز مصرفی از این نوع بتن می باشد . از این نوع مواد در كشور های فرانسه , چكسلواكی , آلمان غربی و شرقی , هلند , انگلستان در كارخانجات صنعتی كه در درجه حرارت های بالا كار می كنند استفاده می شود .همزمان با افزایش تولید این نوع بتن تعداد كشور های صنعتی كه از این نوع بتن جهت مقاصد دیر گداز استفاده می كنند در
حال افزایش می باشد .
در چند سال اخیر استفاده از آستر یكپارچه در كارخانه ها معمول شده كه تمایل به استفاده از بتن های دیر گداز را بیشتر كرده است لذا مصرف این نوع مواد در هر شاخه ای از صنعت كه نیاز به مواد نسوز دارند در حال توسعه و گسترش می باشند . به همین ترتیب استفاده از این نوع مواد در ساختمان كوره ها در حال رو به رشد است زیرا هم از نظر تكنیكی وهم اقتصادی رو به رشد است . حال به ذكر موارد استفاده از این نكنولوژی می پردازیم :
1) تكنولوژی كوره های معمولی
2) متا لوژی آهن و فولاد
3) كارخانجات فورج ونورد
4) ریخته گری
5) سایر فرایند های كا با فلزات
6) كارخانجات تولید فلزات غیر آهنی
7) صنایع سرامیك
8) صنایع شیشه سازی
9) صنایع سیمان و آهك
10) صنایع كك سازی و تولید گاز
11) صنعت نیرو
12) صنایع شیمیائی
13) فرودگاه و صنایع هواپیما سازی
14) مهندسی هسته ای
15) مصارف خانگی
جنبه های اقتصادی بتن دیرگداز :
می توان گفت كه مزایای استفاده از بتن های دیر گداز بیشمار است و این مزایا با هر مقاله ای كه چاپ می شود واضح تر می شود .به نظر محققین كاهش هزینه های سازه ها ی كارخانجات دیر گداز
بر حسب نوع دیر گداز بكار رفته چیزی بین 10 تا 50 درصد خواهد بود . برتری اقتصادی بتن
های دیر گداز بر تمام انواع دیگر مواد مقاوم حرارتی مشهود است . یر مبنای آمار آلمان در هر سال 6 میلیون مارك صرفه جویی فقط از كاربرد قطعات پیش ساخته بتن دیر گداز داشته اند .
استفاده از بتن یكپارچه برای ساخت آستر های نسوز امكان تعمیر یا ساخت آستر جدید را فراهم
می كند . محققین نشان می دهند كه هزینه ی تولید بتن های نسوز 50 تا 30 درصد تولید آجر های نسوز بوده واین مقدار برابر با تولید بتن های معمولی بوده است .
مزیت های بتن دیر گداز تنها در عواملی كه ذكر شد خلاصه نمی گردد عوامل دیگری كه از لحاظ اقتصادی آن را مقرون به صرفه تر می كند عبارتند از : دامنه ی استفاده وسیع از بتن ,
طول عمر بتن و ساختمان آن بنا بر این باید در این مورد توجه بیشتری به به این ماده معطوف گردد . هزینه ی اصلی در ساختمان بتن های نسوز مربوط به شاموت و سیمان می باشد و قیمت سیمان نسوز با آلومینای بالا تقریبا 10 برابر سیمان پرتلند می باشد و چنان چه قیمت دو نوع بتن
ساخته شده با این نوع سیمان ها را مقایسه كنیم مشخص می شود كه قیمت بتن با سیمان آلومینای
بالا دو برابر سیمان پرتلند است پس برای درجه حرارت های پائین تا 850 درجه ی سانتیگراد از بتن با آلومینای بالا استفاده شود مقرون به صرفه نخواهد بود در صورتی كه سیمان پرتلند با شاموت جواب گوی این مسئله خواهد بود .
یا در مورد نسبت سیمان به پر كننده وقتی كه می توان با 20 درصد سیمان نتیجه ی مطلوب را بدست آورد نیازی به مصرف بیشتر سیمان نخواهد بود و با توجه به قسمت سیمان با آلومینای بالا مشاهده می شود كه قیمت مخلوط روی هم 32% افزایش می یابد . در صورتی كه در درجه حرارت خیلی بالا باشد و از پركننده های گران قیمت مثل كوراندوم و سیلیمانیت استفاده شود با توجه به این كه قیمت این مواد 10 تا 15 برابر قیمت شاموت است بنابر این قیمت سیمان تاثیر
زیادی در قیمت تمام شده نخواهد داشت در نتیجه در این موارد بهتر است از آجر های ضایعاتی
خورد شده استفاده شود تا بتوان همان مزایای اقتصادی را بدست آورد . در درجه حرارت های خیلی بالا به علت این كه مواد مصرفی باید خالص بوده و كیفیت مناسبی داشته باشند بنا بر این بتن ها مزایای اقتصادی زیادی نسبت به دیگر مواد نسوز ندارند و فقط در مواردی كه درجه ی حرارت حدود 1000 است با استفاده از اجزایی مانند خرده آجر سرباره و كوره ها و سیمان پرتلند استفاده از بتن اقتصادی تر از آجر های نسوز خواهد بود اگر قیمت بتن های نسوز و بتن
های پیش ساخته شاموتی را با نسوز های دیگر شاموتی مقایسه كنیم نتیج زیر حاصل می شود :
بتن های نسوز پرس شده ارزان تر از آجر های شاموتی است و همچنین بتن گیرش یافته سریع تر
استحكام پیدا می كند و قابل استفاده می گردد . مزیت واقعی بتن های نسوز بستگی به ابعاد كار و
و مقدار سیمان نسوز بكار برده شده و مقایسه ی واقعی را وقتی می توان نشان داد كه مشخصات كار داده شده باشد . اگر چه همیشه مقایسه ی مستقیم بین قیمت بتن نسوز و آجر نسوز ممكن نیست
در مواقعی كه قیمت های بتن و آجر برابر است مزایای بتن نسوز درجه حرارت بالا بیشتر از
آجر های نسوز می باشد ولی به طور كلی قیمت تمام شده ی بتن های نسوز كمتر از آجر های نسوز می باشد .
پایان