دانلود رایگان مقاله روابط بین ساختار و ویژگی های مکانیکی بتون هوادهی شده
چکیده
نمونه های آزمایشگاه بتون هوادهی شده اتوکلاو تحت شرایط متغیر, عمدتاً با سیمان و چسب به عنوان چسبنده ها ساخته شده است. نوع و میزان محصولات واکنش, تخلخل و توزیع اندازه منافذ مطالعه شده است. انقباض و استحکام فشردگی اندازه گیری شده است. محصولات واکنش متعلق به گروه tobermorite برای هیدرات های سیلیکات کلسیم و تبلور واحد به صورت درصد 11.3 tobermorite خارج از میزان کلی هیدرات های سیلیکات کلسیم تعریف میشود. انقباض با افزایش تبلور کاهش می یابد در حالی که استحکام تا حدود مقدار بهینه افزایش یافت. استحکام با افزایش محصولات واکنش افزایش یافت که حاکی از رفتار گرمایی و توزیع اندازه ریزمنافذ بوده و می تواند دارای اهمیت در ویژگی های مکانیکی ماده باشد.
مقدمه
بتون هوادهی شده اتوکلاو, یک محصول سلولی است که در آن ماده چسبنده شامل هیدرات های سیلیکات کلسیم می شود که می تواند از مواد خام مختلف از قبیل سیمان, آهک, خاکستر بلاست گرانول کوره, ماسه و خاکستر ساییده شده سوخت ساخته شود. ساختار سلولی به طور نرمال توسط گنجاندن پودر آلومینیوم نرم در ترکیب تشکیل می شود. این ماده با آهک یا دیگر مواد آلکائین برای تولید هیدروژن واکنش می دهد که سبب خیزش ترکیب می شود. بعد از خیزش, بتون هوادهی شده باید برای چند ساعت سفت شود قبل از اینکه بتواند اتوکلاو شود.
این کار گزارش شده در اینجا مربوط به مسائل مرتبط با ساختار ماده برای ویژگی های مکانیکی, انقباض و استحکام فشردگی است. ساختار ماده توسط ماده جامد و منافذ آن مشخص می شود. منافذ دارای دو نوع هستند؛ منافذ ماکرو, که حاصل خیزش بتون هستند وزیرمنافذ که در دیواره ها بین منافذ ماکرو پدیدار می شوند. ریزمنافذ باقیمانده فضای از آب پر شده هستند که به طور جزئی توسط محصولات واکنش در مدت اتوکلاو اشغال می شوند. ساختار ماده می تواند توسط نوع محصولات واکنش, میزان محصولات واکنش, تخلخل و توزیع اندازه منفذ مشخص شود.
روش ها
نمونه های آزمایشگاه تحت شرایط مختلف شامل تغییرات در مواد خام, افزودنی ها, ویژگی های ترکیب, چگالی ها و شرایط اتوکلاو ساخته می شوند. در بیشتر نمونه ها, سیمان و آهک به عنوان چسبنده ها استفاده شده اند و منبع سیلیکا ماسه کوارتز استفاده شده است. آلومینا حاوی موادی از قبیل خاکستر کوره بلاست گرانول, بائوکسیت و سیمان با آلومینای بالا به عنوان افزودنی استفاده شده اند. چگالی بلوک ها تقریباً 500 کیلوگرم بر مترمربع ساخته شده است. به جز برای مجموعه ای که در آن چگالی بین 315 و 265 کیلوگرم بر متر مربع متغی بوده است. فشار اتوکلاو در 1MN/m2 بالای فشار اتمسفر ثابت نگهداشته شد در حالیکه زمان اتوکلاو متغیر بود. شرایط تولید ورای هدف و دامنه کاربرد این گزارش است, از اینرو هدف یافتن روابطی بین ساختار ماده و ویژگی های مکانیکی بوده است نه مطالعه تاثیر شرایط مختلف برای تولید.
محصولات واکنش به روش های مختلف تحت مطالعه قرار گرفته اند, شکست اشعه X از همه مهمتر بوده است. فیلم ها با دوربین متمرکزکننده Nonius با استفاده از تابش Cu Ka صورت گرفته است. فیلم ها به طور کمی با اندازه گیر چگالی ارزیابی شده اند. با استفاده از 10 درصد CaF2 به عنوان استاندارد داخلی, مقادیر کوارتز بدون واکنش و توبرموریت میتواند تعیین شود. چهار مواجهه برای هر نمونه در نظر گرفته شد و ضریب تغییر برای ارتفاع های پیک نسبی در متوسط 4 درصد برای کوارتز و 8 درصد برای توربومریت بوده است. 4.26 A و 11.3 A پیک به ترتیب استفاده شده اند.محصولات واکنش نیز توسط تحلیل گرمایی دیفرانسیل (DTA) مطالعه شده اند. برای تعداد کمی از نمونه های, سطوح خاصی توسط جذب نیتروژن با استفاده از روش BET اندازه گیری شده اند و برخی نمونه ها در میکروسکوپ انتقال الکترون با استفاده از تکنیک معکوس مطالعه شده اند. میزان کلی هیدرات سیلیکات کلسیم توسط تحلیل شیمیایی با استفاده از روش Stock اندازه گیری شده است.
تخلخل با روش پیکنومتر با استفاده از آب به عنوان محیط اندازه گیری تعیین شده است. بسیاری از مطالعات محدود برای اندازه توزیع ماکروذرات با استفاده از تحلیلگر تصویری برای توزیع اندازه ریزذرات با استفاده از پروسیمتر مرکوری صورت گرفته است. انقباض توسط روش استاندارد استفاده شده در سوئد, یعنی خشک نمودن منشورهای 40 در 40 در 160 میلی متر در 43 درصد رطوبت نسبی بعد از سه روز خیس نمودن با آب اندازه گیری شده است. استحکام فشردگی نیز با استفاده از روش استاندارد سوئدی اندازه گیری شده است که از مکعب های 150 در 150 در 150 میلی متر استفاده می نماید. نتایج استحکام برای معتبر بودن در محتوای رطوبت 10 درصد و چگالی 500 کیلوگرم بر متر مکعب تصحیح شده است (به جز در مجموعه ای که در آن چگالی متغیر است). اصلاحات مطابق با فرمول تجربی صورت گرفته است که مبتنی بر تجربه در آزمایشگاه های Siporex بوده است.
نوع محصولات واکنش
شکست اشعه X
از نتایج XRD دریافتیم که عمده ترین محصولات واکنش در تمام موارد متعلق به گروه توبرموریت برای هیدراتهای سیلیگکات کلسیم است. این گروه می تواند به کریستالین, نیمه کریستالین و نزدیک به توبرموریت های امورفوس تقسیم شود (2). برای توبرموریت های کریستالین تنها 11.3 توبرموریت بزرگتر یا کمتر از محدوده در نمونه ها بود. برای سادگی, توبرموریت در مورد بعدی برای نشان دادن 11.3 توبرموریت استفاده خواهد شد.
با مقایسه شدت های نسبی 3.08 بازتاب ها در نمونه ها با همین موارد برای بازتاب های یکسان در آماده سازی استاندارد برای توبرموریت, می توان دید که 3.08 پیک نمی تواند توسط توبرموریت به تنهایی به کار گرفته شود. به علت اینکه قویترین بازتاب برای توبرموریت های نیمه کریستالین نزدیک به 3.08 است به نظر می رسد این فرض منطقی باشد که بتون های هوادهی شده شامل مخلوطی از کریستالین و ماده نیمه کریستالین باشد. تحلیل شیمیایی نشان داد که بیشتر نمونه ها دارای نسبتی بین 0:8 و 1:0 است که حاکی از اینست که ماده نیمه کریستالین می تواند به صورت C-S-H طبقه بندی شود (I).
بنابراین می تواند گفت که محصولات واکنش شامل مخلوطی از توبرموریت و C-S-H (I) می شود. به طور عادی این مورد به صورت مخلوط مکانیکی برای دو جزء در تناسب های معین تفسیر خواهد شد. هرچند, یک تفسیر جایگزین امکانپذیر است. از اینرو, توبرموریت و C-S-H (I) تقریباً مرتبط هستند, با تفاوتی عمدتاً در تبلور آن, می تواند این مواد را به عنوان اعضای نهایی مجموعه مواد با درجات مختلف تبلور ملاحظه نمود. یک نمونه که از آن تحلیل XRD به نظر می رسد مخلوطی مکانیکی از توبرموریت و C-S-H (I) باشد می تواند مطابق با تفسیر بعدی ترجیحاً متوسط باشد, ماده همگن با درجه ای از تبلور جایی در بین توبرموریت و C-S-H (I). از نتایج XRD تمایز قائل شدن بین دو تفسیر ممکن نیست. احتمالاً باید با ترکیبی از دو مورد ارتباط داشته باشد, یعنی مخلوط مکانیکی برای مواد میانه با تغییر درجات تبلور. منطقی مشابه در (3) ارائه شده است.
ABSTRACT
Laboratory specimens of autoclaved aerated concrete were produced under varying conditions, mainly with cement and lime as binders. The type and amount of reaction products, the porosity and the pore size distribution were studied. Shrinkage and compressive strength were measured. The reaction products belonged to the tobermorite group of calcium silicate hydrates and the term crystallinlty was defined as the percentage of li.3 ~ tobermorite out of the total amount of calcium silicate hydrates. The shrinkaKe decreased with increasing crystallini~y while the compressive strength increased up to an optimum value. The strength also increased with increasing amounts of hydrates and with decreasing porosity. Other features of the reaction products were indicated by themal behaviour and micropore size distributions and may have been of importance for the mechauical properties of the material.
Introduction
Autoclaved aerated concrete is a cellular product in which the binding material consists of calcium silicate hydrates. It can be made from various raw materials such as cement, lime, granulated blast furnace slag, sand and pulverised fuel ash. The cellular structure is normally formed by including fine aluminium powder in the mix. This reacts with lime or other alkaline substances to produce hydrogen, which causes the so called rising of the mix. After the rising, the aerated concrete has to harden for a few hours before it can be cut and autoclaved.
The work reported here has been concerned with the problems of relating the structure of the material to the mechanical properties, viz the shrinkage and the compressive strength. The material structure is characterised by its solid material and its pores. The pores are of two kinds; the macropores, which are the result of the rising of the concrete, and the micropores, which appear in the walls between the macropores. The micropores are the remains of the originally waterfilled space which partly becomes occupied by reaction products during the autoclaving. The material structure can be characterised by the type of reaction products, the amount of reaction products, the porosity and the pore size distribution.
Methods
Laboratory specimens were produced under various conditions including variations in raw materials, additives, mix proportions, densities and autoclaving conditions. In most specimens cement and lime were used as binders and the source of silica was a quartz sand. Alumina containing materials such as granulated blast furnace slag, bauxite and high alumina cement were used as additives. The density of the blocks was made to be about 500 kg/m 3 except for one series where the density was varied between 315 and 265 kg/m 3. The autoclave pressure was kept constant at I MN/m 2 above atmospheric while the autoclaving time was varied. The conditions of production are beyond the scope of this report, since the objective was to find relations between the material structure and the mechanical properties rather than to study the influence of various conditions of production.
The reaction products were studied in various ways, X-ray diffraction being the most important. Films were taken with a Nonius focussing camera using Cu ~n radiation. The films were quantitatively evaluated with a densitometer. By using 10% CaF 2 as internal standard the amounts of unreacted quartz and tobermorite could be determined. Four exposures were taken of each sample and the co-efficient of variation for the relative peak heights was on the average 4% for quartz and 8% for tobermorite. The 4.26 ~ and the II.3 peaks were used respectively.
The porosity was determined with a pycnometer method using water as measuring medium. Very limited studies were made of the macropore size distribution using an image analyser and of the micropore size distribution using a mercury porosimeter. The shrinkage was measured by the standard method used in Sweden, ie dryin E of prisms 40 x 40 x 160 mm in 43% relative humidity after three days of water soaking. The compressive strength was also measured by the Swedish standard method, which uses cubes 150 x I50 x 150 ram. The strength results were corrected to be valid at a moisture content of I0% and a density of 500 kg/m 3 (except in that series where the density was varied). The corrections were made according to the following empirical formula which is based on experience in the Siporex laboratories.
Type of Reaction Products
X-ray Diffraction
From the XRD results it was found that the main reaction products in all cases belonged to the tobermorite group of calcium silicate hydrates. This group can be subdivided into crystalline, semi-crystalline and near amorphous tobermorites (2). Of the crystalline tobermorites only the l l.3 R tobermorite was found to a greater or lesser extent in the samples. For simplicity the term tobermorite will be used in the following to denote l l.3 ~ tobermorite.
By comparing the relative intensities of the 3.08 ~ reflections in the samples with those of the same reflections in a standard preparation of tobermorite, it could be seen that the 3.08 ~ peak could not be accounted for by the tobermorite alone. Since the strongest reflection of the semi-crystalline tobermorites is near to 3.08 R it seems reasonable to assume that the aerated concretes contain a mixture of crystalline and semi-crystalline material. The chemical analysis showed that most samples had a C/S ratio between 0:8 and l :0, which indicates that the semi-crystalline material can be classified as C-S-H (I).
Thus it can be said that the reaction products consisted of a mixture of tobermorite and C-S-H (l). Normally this would be interpreted as the material being a mechanical mixture of the two components in certain proportions. However, an alternative interpretation is possible. Since the tobermorite and the C-S-H (I) are closely related, differing mainly in crystallinity, one can look upon these materials as end members of a series of materials with varying degrees of crystallinity. A s--Tle which from the XRD-analysis appears to be a mechanical mixture of tobermorite and C-S-H (I) could according to the latter interpm~ion rather bean intermediate, homogeneous material with a degree of crystallinity somewhere in between those of tobermorite and C-S-H (I). From the XRD results it is not possible to distinguish between the two interpretations. Probably one has to deal with a combination of both cases, ie mechanical mixtures of intermediate materials with varying degrees of crystallinity. Similar reasoning is given in (3).
چکیده
مقدمه
روش ها
نوع محصولات واکنش
شکست اشعه X
سطح خاص
تحلیل گرمایی دیفرانسیل
میکروسکوپی الکترون و توزیع اندازه میکروذرات
روابط بین ساختار, انقباض و استحکام
تاثیر تبلور
تاثیر میزان گرمای هیدرات های سیلیکات کلسیم
تاثیر تخلخل و توزیع اندازه ماکروذرات
نتایج
ABSTRACT
Introduction
Methods
Type of Reaction Products
X-ray Diffraction
Specific Surface
Differential Thermal Analysis
Electron iRcroscopy and Micropore Size DisLribution
Relations Between Structure, Shrinkage and Strength
Influence of Crystallinity
Influence of the Total Amount of Calcium Silicate Hydrates
Influence of Porosity and Macropore Size Distribution
Conclusions
References