اکسایش ناخالصیها و عناصر موجود در کوره مثل سیلیسیم، منگنز، فسفر و کروم به اکسیدهایی مثل SiO2، MnO، P2O5، Cr2O3 و غیره. محصولات خوردگی نسوز جداره کوره مثلاً نسوزهای منیزیتی، کروم-منیزیتی و سیلیسی در کوره تولید MgO، MgO-Cr2O3 و SiO2 میکنند. ناخالصیهای همراه شارژ مثل غبار، ماسه و غیره. قراضههای زنگزدهای که دارای FeO، Fe2O3 و Fe(OH)2 هستند. مواد افزودنی و اکسیدکنندهها که شامل سنگ آهک (CaCO3)، آهک (CaO)، بوکسیت (عمدتاً حاوی Al2O3 و SiO2)، فلوئورسپار (CaF2)، سنگ آهن و منگنز و غیره هستند. 2-1-2 مزایای حضور سرباره در کوره از جمله عوامل مفید بودن سرباره در عملکرد کورهها عبارتند از ]14[: حفاظت از مذاب در برابر اکسیژن موجود در فضای کوره، مانعی در برابر جذب گازهای موجود (نیتروژن و هیدروژن) و گوگرد توسط مذاب تنظیم کننده نقش عناصر مختلف و هدایت آنها بسوی اکسیدشدن و یا احیاء شدن فراهم کردن بهترین وضعیت برای تصفیه فولاد از ناخالصیها (بطور عمده گوگرد و فسفر) جذب ناخالصیهای اکسید شده از سطح مذاب موجود در بوته فراهم کردن شرایط مناسب جهت اکسیداسیون حداقل آهن و سایر عناصر مفید موجود در بوته سرباره باید ویسکوزیته مناسب داشته باشد، بطوریکه گازهای خروجی از مذاب بتوانند براحتی خارج شده ضمن اینکه از پاشیده شدن ذرات مذاب به اطراف جلوگیری کند. نقش ویسکوزیته در زمینه نفوذ عوامل شرکت کننده در واکنشها در سرباره و انتقال آنها در عرض فصل مشترک سرباره مذاب و در نتیجه سرعت واکنشهای تصفیه نیز قابل توجه است، همچنین جلوگیری از آسیب دیدن آجرهای سقف کورههای قوس الکتریکی در اثر تشعشع. مقدار سرباره باید در حد مناسب باشد، تشکیل سرباره مذاب از مواد جامد یک فرآیند گرماگیر است و بازدهی حرارتی فرآیند با میزان سرباره تشکیل شده نسبت عکس دارد. ضمن اینکه سرباره با عنوان یک مانع حرارتی عمل میکند و ضخامت آن با سرعت بالا رفتن دمای مذاب نسبت عکس دارد. ترکیب سرباره به گونهای باید انتخاب شود که خواص متالورژیکی مورد نظر در مذاب فلز تأمین گردد. سیالیت سرباره در حد کافی باشد تا تخلیه آن از کوره با مشکل مواجه نشود. بخاطر هدایت حرارتی ضعیف سرباره (بخاطر ماهیت سرامیکی بودن)، ممکن است وجود آن باعث فوق گداز مذاب شده و برخی مواقع، گرمای آنرا ذخیره میسازد ]14، 3[. 2-1-3 ترکیبات شیمیایی موجود در سربارهمطالعات انجام شده بر روی ترکیب مینرالی سرباره، ترکیبات دوتایی و سه تایی و حتی پیچیدهتری را نشان میدهند که این را میتوان به تنوع ترکیبات موجود در آنها نسبت داد. ترکیبهای عمده موجود در سرباره در جدول 2-1 و 2-2 آورده شده است. جدول 2-1. ترکیبات دوتایی موجود در سرباره ]15-14[.سیلیکاتها فسفاتها آلومیناتها فریتها FeO.SiO2 3FeO.P2O5 FeO.Al2O3 FeO.Fe2O3 2FeO.SiO2 3MnO.P2O5 CaO.Al2O3 CaO.Fe2O3 MnO.SiO2 3CaO.P2O5 MgO.Al2O3 3CaO.Fe2O3 CaO.SiO2 4CaO.P2O5 - mCaO.nFe2O3 2MnO.SiO2 3MgO.P2O5 - - 2CaO.SiO2 - - - 3CaO.SiO2 - - - MgO.SiO2 - - - 2MgO.SiO2 - - - Al2O3.SiO2 - - - جدول 2-2. ترکیبات پیچیده موجود در سرباره ]14[.نام فاز فرمول شیمیایی مونتیسلیت Monticellite CaO.RO.SiO2 مروینیت Merwinite 3CaO.RO.2SiO2 سیلیکا کورنوتیت Silica Cornotite 5CaO.P2O5.SiO2 ناگلشمیدتیت Nagelschmidtite 7CaO.P2O5.SiO2 تومازیت Thaomasite 6CaO.P2O5.SiO2.2FeO.SiO2 استدیت Stedite 3(3CaO.P2O5).CaO.2CaO.SiO2 هیلبراندیت Hillebrandite Ca2.(SiO3).(OH)2 کلینوزیسیت Clinozoisite Ca2Al3.(SiO4).(Si2O7).O.(OH) براونمیلریت Brownmillerite Al2Ca2O5 بیکولیت Bicchulite Al2Ca2H2O8Si ایلمینیت Yeelimite Ca3Al6O12·CaSO4 (در اینجا R یکی از عناصر Fe، Mn یا Mg میباشد.) البته بدیهی است که با توجه به روش تولید و نوع مواد خام مصرفی، تعدادی از این ترکیبات در برخی سربارهها موجود و ممکن است در برخی دیگر موجود نباشند. 2-1-4 انواع سربارههای آهن و فولاد همانطور که گفته شد سربارههای آهنی و فولاد به دو دسته کلی سربارههای کوره بلند و سربارههای فولاد دسته بندی میشوند که این موارد نیز خود به زیر مجموعههای دیگری مطابق فلوچارت شکل 2-1 دسته بندی میشوند. شکل 2-3. تصویر فلوچارت انواع سربارههای آهن و فولاد.2-1-4-1 سرباره کوره بلند[19] بطور کلی سرباره ذوب آهن که در کوره بلند تولید میشود از لحاظ کاربرد در صنایع دیگر قدمت بیشتری نسبت به سایر سربارههای فلزی دارد. این سرباره مطابق شکل 2-4 در کوره بلند تولید شده و با توجه به خواصش کاربردهای مختلفی دارد، که از جمله آنها میتوان به کاربرد در صنعت سیمان، زیرسازی خطوط راه آهن، جاده سازی، استفاده در ساختمان بعنوان پوکه صنعتی و همچنین استفاده در صنایع تولید پشم سنگ اشاره کرد]16، 10، 8[. شکل 2-4. تصویر شماتیک از کوره بلند ذوب آهن و قسمتهای مختلف آن ]17[.که در این تصویر: 1. سنگ آهن + آهک2. کک3. نوار نقاله 4. درب تغذیه مواد اولیه5. لایه کک6. لایههایسنگمعدن، اکسید آهن 7. هوای گرم (حدود °C 1200)8. سرباره9. آهن خام مذاب 10. پاتیل حمل سرباره11. آهن مذاب12. دستگاه غبار گیر برای زدودن گرد و غبار از گاز خروجی13. گرم کننده14. خروجی گاز حجم زیادی از سربارههای تولید آهن و فولاد را سربارههای کوره بلند تشکیل میدهند. در کوره بلند عملیات احیاء و ذوب مواد شارژی صورت میگیرد. ترکیب شیمیایی سرباره بسته به ترکیب سنگ آهن و همچنین نوع و مقدار مواد گدازآور مورد استفاده در کوره بلند متفاوت است. به لحاظ حاکم بودن شرایط احیا در کوره ذوب آهن، آهن و منگنز در سرباره کوره به شکل یونهای دو ظرفیتی Fe2+، Mn2+ حضور داشته و گوگرد نیز غالباً به شکل سولفید S2- ظاهر میگردد. مقدار سولفات موجود سرباره بسیار پایین و در حدود 2/0% وزنی میباشد ]18[. واکنشهایی که در کوره بلند در حین ذوب شدن مواد اولیه رخ میدهند، عبارتند از ]17[: (2-1) Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3 CO2 (g) (2-2) 2 C(s) + O2 (g) → 2 CO (g) (2-3) 3 Fe2O3 (s) + CO (g) → 2 Fe3O4(s) + CO2 (g) (2-4) Fe3O4 (s) + CO (g) → 3 FeO (s) + CO2 (g) (2-5) CaCO3 (s) → CaO (s) + CO2 (g) (2-6) FeO (s) + CO (g) → Fe (s) + CO2 (g) (2-7) C (s) + CO2 (g) → 2 CO (g) بر اساس روش سرد نمودن، سرباره های کوره بلند خود به چهار دسته تقسیم میشوند ]17، 19[: الف- سرباره کلوخهای کوره بلند (سرباره هوا سرد شده)[20] مواد حاصل از سرد شدن سرباره مذاب کوره بلند در هوا را سرباره کلوخهای مینامند. این نوع سرباره از سرد کردن آهسته سرباره کوره بلند در هوا و در درون پاتیل به منظور ایجاد نوعی محصول متبلور که از نقطه نظر ظاهری شباهت زیادی به سنگهای آذرین دارد، بدست میآید. در این حالت سرباره تقریباً کریستالی بوده و فاقد خواص پوزولانی و هیدرولیکی میباشد و بیشتر برای تولید پشم سنگ و دیگر مشتقات آن استفاده میگردد. مشخصات و ویژگیهای سرباره کلوخهای در استاندارد ASTM-C125 ذکر شده است. این نوع سربارهها بصورت شکسته، گوشه تیز، شبه مکعبی و دارای بافتی زبر، سطحی متخلخل و گاهی با ظاهری صدفی هستند. تنوع زیادی در خصوصیات فیزیکی سرباره بسته به فرآیند تولید آهن وجود دارد. هرچه محتوای فلزی و آهنی سرباره بیشتر باشد، چگالی آن نیز افزونتر میگردد که افزایش محتوای فلزی نیز خود ناشی از استفاده از قراضه آهن در خوراک کوره بلند میباشد. درصد جذب آب این نوع سرباره میتواند 6% باشد. علیرغم این درصد جذب آب بالا، سربارههایی از این نوع به راحتی رطوبت حود را از دست داده و خشک میشود. دلیل این پدیده عمدتاً ناشی از آن است که آب جذب شده به درون حفرههای کم عمق سطح سرباره نفوذ کرده و به راحتی از آن خارج میشود. ب- سرباره متخلخل کوره بلند (سرباره انبساطی)[21] موادی متخلخل و سبک هستند که بوسیله کنترل کردن فرآیند سرد و منجمد نمودن سرباره مذاب کوره بلند توسط آب یا آب بهمراه عوامل دیگری همچون بخار و هوای فشرده بوجود میآیند. این سربارهها در حالت شکسته به صورت تیز گوشه، مکعبی شکل و دارای سطحی زبرتر از نوع اول هستند، به علاوه تخلخل این سربارهها از سرباره کلوخهای بیشتر است. ج- سرباره کوره بلند گلولهای شکل[22] اگر سرباره ذوب شده در پاتیل بوسیله مخلوط آب و هوا بطور سریع خنک شده و به جامد تبدیل شود، سرباره کوره بلند گلولهای شکل بوجود میآید. خنک شدن سریع باعث کاهش تبلور شده که بر خلاف دو نوع قبلی این نوع سرباره دارای سطحی صاف و گرد گوشه است. متعاقباً تخلخل و جذب آب این نوع سرباره نسبت به دو نوع قبلی نیز کمتر است. د- سرباره گرانوله شده (دانهای شده) کوره بلند[23] این نوع سرباره توسط پاشیدن آب خنک با فشار بالا به سرباره مذاب توسط جتها آب پر فشار بدست میآیند. سرباره از حالت مذاب سریعاً سرد شده و به ذرات شیشهای غیر متبلور که همچون ماسه طبیعی هستند تبدیل میشوند. در این حالت زمانی برای تشکیل کریستالها وجود نداشته و لذا مواد حاصل کاملاً به صورت غیر متبلور در میآیند. این نوع سرباره مادهای دانهای و مسطح است که بسته به ترکیب شیمیایی و روش تولید از دانههایی با قطری بزرگتر از mm 75/4 (الک شماره 4) و ساختاری شکننده تا دانههایی به اندازه ذرات ماسه متغیر است. با استفاده از آسیاب، اندازه این ذارت به اندازه مناسب سیمان تبدیل میشود که اجازه استفاده از آن بعنوان مواد افزودنی در سیمان پرتلند را فراهم میکند. این سرباره شامل ناخالصیهایی موجود در سنگ آهن، خاکستر کک و سایر مواد مضاف احتمالی نظیر مواد گداز آور میگردد. این ماده به شکل یک گدازه ویسکوز و در دمایی بین°C 1550-1350 از کوره خارج شده و پس از آن جریان گدازه سرباره به کمک آب و در برخی موارد به کمک هوای فشرده به قطرات کوچکی[24] با قطرهایی در حدودmm 5-3 تجزیه میشود. عمل سرد کردن آنچنان سریع صورت میگیرد که قطرات حاصله غالباً بصورت شیشه منجمد میگردند. حتی سربارهای که با جت آب سرد خنک شود حاوی ذراتی با قطر mm 3-3/0 هستند. البته این اندازه به سرعت ریختن مذاب بر روی جت آب سرد در مرحله گرانولاسیون بستگی دارد ]16[. حدوداً در صنعت سیمان سرباره کوره بلند به کار رفته 90% بصورت شیشهای و گرانوله شده میباشد. تحت شرایط ثابت خنک شدن، تمایل انجماد گدازه به صورت شیشه با کاهش مقدار CaO افزایش مییابد، یعنی هر چقدر مقدار CaO در ترکیب کمتر باشد احتمال تشکیل فازهای شیشهای و فعال بیشتر میشود که این امر با حضور یونهای محلول سولفات، خصوصاً در گدازههای غنی از آهک، به شکل قابل توجهی تشدید میگردد ]20[. المان ساختمانی سیلیکاتهای تشکیل شده در سرباره شیشهای، چهار وجهیهای [SiO2]4- است که در آن سیلیس در مرکز چهار وجهی و چهار اتم اکسیژن در چهار گوشه آن واقعاند. همه چهار وجهیهای [SiO2]4- به نحوی به هم اتصال مییابند که هر اتم اکسیژن واقع در چهار گوشه این چهار وجهی با دو چهار وجهی دیگر [SiO2]4- به اشتراک گذاشته شود. این اتمها بعنوان اتمهای اکسیژن ارتباطی[25] شناخته میشوند. هرگاه Ca2+ و Mg2+ در این شبکه پیوسته [SiO4] جذب شوند، آنگاه متناظراً تعدادی بارهای منفی که از شکسته شدن یک اتصال اکسیژنی پدید میآیند، به منظور حفظ تعادل بین بارهای مثبت و منفی مورد نیاز میباشند. در این حالت اتم اکسیژنی که صرفاً متعلق به یک چهاروجهی 4- [SiO2] است بعنوان اکسیژن غیر ارتباطی نامیده میشود ]18[. اما حالت گرانوله شده که بمنظور کاربرد در سیمان تولید میشود پس از حمل توسط پاتیل به محل گرانولهسازی برده میشوند. که در این محل توسط جتهای آب سرد که فشاری در حدود 5 اتمسفر دارند گرانوله میشوند. کارخانه ذوب آهن اصفهان دارای سه جت آب سرد برای گرانولهسازی میباشد. اندازه گرانولههای تولیدی را اپراتور دستگاه تعیین میکند که با توجه به نیاز مصرف کننده که اکثراً کارخانه های سیمان هستند تعیین میشود. بطور کلی اندازه این گرانولهها با سرعت تخلیه سرباره بر روی جت آب سرد رابطه مسقیم دارد بطوریکه هرچه سرباره آهستهتر تخلیه شود اندازه ذرات گرانوله شده هم ریزتر خواهد بود. در شکل 2-5 نمایی از محل گرانولهسازی کارخانه ذوب آهن اصفهان مشاهده میشود که در تصویر سه جت آب سرد دیده میشوند. شکل 2-5. نمایی از بخش گرانولهسازی کارخانه ذوب آهن اصفهان با سه جت آب سرد گرانولهساز.2-1-4-2 سرباره کوره قوس الکتریکیاز جمله سربارههای فولادسازی سرباره کوره قوس الکتریکی میباشد که به اختصار EAFS نامیده میشود. در این روش ذوب، قراضههای آهن و فولاد بهمراه مواد اولیه دیگر از جمله گندوله سنگ آهن، دولومیت، آهک و غیره، در حضور جریان الکتریکی بسیار بالا ذوب شده و پس از پالایش، سرباره از فولاد مذاب تفکیک میشود. سربارههای مذکور پس از آن با توجه به نوع فرآیند سرد کردن به دو صورت فرآوری شده و فرآوری نشده در میآیند که تفاوت آنها هم در سرعت سرد کردن مذاب سرباره میباشد. البته نحوه فرآوری مذاب بر ایجاد ساختار مینرالی سرباره و کاربردهای آن تاثیر بسزائی دارد. بطوریکه سربارهای که بطور عادی و در هوا سرد شود دارای ساختار بلورین و از نظر هیدرولیکی غیر فعال بوده، در صورتیکه سربارهای که بسرعت توسط جریان آب سرد شود دارای ساختار شیشهای بوده و از نظر هیدرولیکی نیز کاملاً فعال میباشد و دارای استفادههای متعددی خواهد بود. خواص سربارههای کوره قوس الکتریکی وابسته به نوع شارژ (قراضه / آهن اسفنجی) و نسبت این دو ماده میباشد. کاربرد سرباره در صنعت به دو بخش تقسیم میشود؛ یکی کاربرد مستقیم سرباره فولاد در فرآیند تولید آهن و فولاد و دیگری بازیابی فلزات از سرباره فولادی و کاربرد سرباره باقی مانده خارج از فرآیند تولید آهن و فولاد. در حال حاضر 90-50% از سرباره فولاد برای بازیابی فلز استفاده میشود و سپس در خارج از فرآیند تولید آهن و فولاد مصرف میشود ]23-21[. شکل 2-6. شکل شماتیک کوره قوس الکتریک فولاد بهمراه نامگذاری قسمتهای مختلف ]5[.2-1-4-3 سرباره کوره کنورتور[26] سرباره کنورتور یا همان سرباره کوره پایه اکسیژنی[27] محصول زائد و فرعی تولید شده در کوره کنورتور ذوب آهن میباشد که ماهیت غیرفلزی و سرامیکی دارد. این نوع سرباره در هنگام تبدیل آهن خام به فولاد در حین دمش اکسیژن تشکیل میشود (شکل 2-7). در روش تولید فولاد از طریق کوره کنورتور، پالایش آهن خام از طریق دمیدن اکسیژن بمنظور اکسیده کردن کربن و تنظیم میزان آن در مذاب صورت میگیرد و سرباره ایجاد شده بدلیل داشتن وزن مخصوص کمتر نسبت به فولاد در قسمت بالای مذاب قرار گرفته و سپس بروش سرریز جدا میشود. سرباره مذاب پس از جداسازی توسط پاتیل حمل و در حوضچههایی تخلیه شده و بمنظور خنک کردن توسط انشعابهایی، بمدت 24 تا 72 ساعت آبپاشی میشود. بطور کلی در حدود %20-10 وزن فولاد تولیدي را سرباره تشکیل میدهد، که این میزان علاوه بر نوع مواد اولیه ورودی به کوره به درجه فولاد تولیدی نیز بستگی دارد]20، 25-24[. شکل2-7. تصویری شماتیک از کوره کنورتور.در کارخانه ذوب آهن اصفهان سرباره کنورتور تولیدی از طریق پاتیلهایی به محل استخرهای کنورتور حمل میگردد. قسمت فولادسازی کارخانه ذوب آهن اصفهان دارای دو استخر بزرگ برای جمع آوری سرباره بوده که پس از پر شدن استخرها، سرباره سرد شده که عموماً چند روز از عمر آن گذشته است، توسط کامیونهایی به محل هواشناسی منتقل میشوند. اما بدلیل اینکه این نوع سرباره عملاً کاربرد مشخص ندارد در محل هواشناسی رها شده و دپو میگردند. آزمایشاتی که در تحقیقات پیشین بر روی این نوع سرباره صورت گرفته است نشان میدهد ترکیبات مینرالی سرباره BOF نیز شامل؛ اولیوین ((Mg,Fe)2.SiO4)، مروینیت (3CaO.MgO.2SiO2)، پرتلندیت (Ca(OH)2)، فازهای سیمانی و همچنین محلول جامد RO (CaO-FeO-MnO-MgO) و آهک آزاد میباشند. لازم به ذکر است که فازهای C2S و C3S موجود در این نوع سرباره به مراتب کمتر و ضعیفتر از سیمان هستند، که علت آن کند بودن سرعت سرد کردن سرباره از حالت مذاب میباشد، که باعث ایجاد ساختار کریستالی و پایدار در حالت جامد سرباره میشود ]17، 10، 8[. 2-1-5 بررسی تحقیقات گذشته بر روی سرباره کنورتور در مورد سرباره کنورتور که محور اصلی بحث در این پروژه میباشد تاکنون تحقیقات و پژوهشهای مختلفی برای بکارگیری آن در صنایع مختلف شده است که بطور مثال برای چند نوع از این تلاشها میتوان به موارد زیر اشاره کرد: میخاییل و همکاران[28] برای نخستین بار در سال 1995، بر روی رفتار حرارتی و خواص دما بالای سرباره کنورتور کار کردند. آزمایشهای ایشان در جهت یافتن راهی برای بکارگیری این ماده بعنوان آگریگیت در جادهسازی صورت گرفت که تا حدودی استفاده از این ماده را در جاده سازی موفقیت آمیز دانستند]19[. گیسلر[29] در سال 1996، از جمله اولین کسانی بود که بطور جدی بر روی کاربرد سرباره کنورتور در صنعت سیمان کار کرد. وی سعی کرد این سرباره را بعنوان ماده خام در ساخت کلینکر بکار برد. وی معتقد بود که کاربرد سرباره برای این منظور به جهت کاهش دمای پخت سیمان مزیتهای زیست محیطی و اقتصادی بهمراه خواهد داشت ]3[. شاخپازوف و همکاران[30] در سال 1997، روشهای مختلف فرآوری را برای این نوع سرباره بکار بردند. ایشان همچنین کاربردهایی را برای این ماده در نظر گرفتند که از آن جمله میتوان به استفاده از این سرباره بعنوان کمک سینتر بدنههای سرامیکی، استفاده بعنوان فلاکس در کوره بلند ذوب آهن و همچنین بازیافت و استخراج عناصر مفیدی که در داخل ترکیب این سرباره وجود دارد، اشاره کرد. البته حضور فازهای سیلیکاتی در ترکیب سرباره اثرات منفی بر روی بدنههای تولیدی از این ماده بر جای میگذاشت ]25[. باخارف و همکاران[31] در سال 1999، با بررسی اثر افزودن چند نوع فعالساز قلیایی شامل؛ سیلیکات سدیم، هیدروکسید سدیم، کربنات سدیم و فسفات سدیم هم بصورت تنها و هم بصورت مخلوطی از آنها اثر افزودن این مواد را بر سرباره فولاد در استرالیا بررسی کردند. آنها به نتایج مثبتی بر روی عملیات ترمیمی برای بهبود خواص سیمانی این نوع سرباره دست یافتند و به این نتیجه رسیدند که این نوع سرباره بطور بالقوه توانایی استفاده بعنوان ماده افزودنی در سیمان و بتن را دارد که باید با استفاده از مواد قلیایی آنرا به بالفعل تبدیل کرد. آنها همچنین به این نتیجه رسیدند که استفاده از فعالسازها بصورت ترکیبی بمراتب نتیجه بهتری نسبت به استفاده این مواد بصورت تکی در بر دارد ]26[. فو و همکاران[32] در سال 2000، تأثیرات افزودنیهای قلیایی را بر سیمانهای حاوی مقادیر بالای سرباره بررسی کردند. نتایج آنها به این قرار بود که افزودن مخلوطی از این مواد نتایج بهتری نسبت به تک تک آنها خواهد داشت. از جمله مواد افزودنی که آنها استفاده کردند آلونیت[33]، میرابیلیت[34] و ژیپس کلسینه شده بودند. بر اساس تحقیقات ایشان مقدار و نوع فعالساز برای بهبود و تأثیر خواص سیمان بسیار مهم هستند که البته این موضوع به نوع سرباره هم بستگی دارد ]27[. آلتون و همکاران[35] در سال 2002، با بررسی بر روی سربارههای فولادسازی در ترکیه، آزمایشهایی بمنظور جایگزینی این نوع سرباره در سیمان انجام داد که بر اساس نتایج وی، تا حدود 30% سرباره مناسبترین میزان برای جایگزینی سرباره فولاد سازی ترکیه در سیمان است ]28[. جوکز و همکاران[36] سال 2003 و هریبیرت و کوهن[37] سال 2004، از سرباره کنورتور بعنوان جزء درشت دانه در ساخت و ساز و همچنین جادهسازی استفاده کردند. البته بعد متوجه شدند بدلیل حضور مقادیر بالای آهک در ترکیب، انبساطهای کنترل نشدهای در بدنه بوجود میآید که با توجه به درشت بودن دانههای مصرفی تنشهای بزرگی در نمونهها ایجاد میشود که باعث ایجاد ترک و در نتیجه تخریب ساختار میشوند]30-29[. موزربرگ و همکاران[38] در سال 2004، سرباره کنورتور را بعنوان فیلر در بتن بکار بردند. ایشان در نتایج کار خود خاطر نشان کردند که گرانوله کردن سرباره به پایداری و بهبود خواص فیزیکی و مکانیکی بتن کمک میکند، چرا که در این صورت فازهای این ماده هم فعالتر شده و در نتیجه به پایداری و استحکام بتن کمک میکند. گرچه اگر سرباره گرانوله هم نباشد میتواند بعنوان فیلر بکار برده شود ]31[. کورونیس و همکاران[39] در سال 2007، با مطالعه بر روی خواص و ویژگیهای هیدراسیون سیمانهای حاوی سربارههای فولاد سازی به این نتایج رسیدند که اولاً سیمانهای سرباره همواره (در همه سنین) استحکام کمتری نسبت به نمونه مرجع (فاقد سرباره) دارند، همچنین سرباره باعث بهبود کارپذیری ملات میشود. از سویی دیگر، سیمانهای مخلوط شده با سرباره زمانهای گیرش طولانیتری نسبت به سیمان خالص از خود نشان میدهند. بعلاوه، افزودن سرباره فولاد به سیمان، قدرت هیدراسیون را کاهش داده که این پدیده ناشی از اندازه ذره و ساختار C2S داخل سرباره دارد ]9[. ماهیکس و همکاران[40] در سال 2009، بر روی استفاده از سرباره کنورتور هواسرد شده برای کاربرد بعنوان جزء اصلی در بایندرهای هیدرولیکی در جاده ها کار کردند. آنها در ابتدا فازهای اصلی سربارهای که سیلیکاتهای کلسیم (β-C2S و C3S) هستند را شناسایی کردند. فازهای دیگری از جمله دی کلسیم فریت (C2F)، کلسیت (CaCO3)، پرتلندیت (Ca(OH)2)، آهک (CaO)، محلول جامد حاوی اکسیدهای آهن و منیزیم (MgOxFeOy) و فاز کلسیم آمینو فریت (C4AF) هم در ترکیب یافت شد. تحقیقات آنها بر روی سرباره کنورتور فرانسه نشان داد که این نوع سرباره دارای خواص هیدرولیکی ضعیف بوده و فاقد هرگونه خواص پوزولانی است. آنها همچنین ترکیبی از مخلوط کردن سرباره کنورتور، سرباره گرانوله شده ذوب آهن و مقداری کاتالیست ساختند. ایشان به این نتیجه رسیدند که هرچه اندازه ذرات سرباره کنورتور ریزتر باشند بدلیل افزایش فعالیت آنها واکنشهای هیدراسیون با سرعت و مقدار بیشتری انجام میشوند ]21[. ساجدی و همکاران[41] در سال 2010، بر روی اثرات فعالسازهای شیمیایی بر روی سیمانهای حاوی سرباره کنورتور کار کردند. آنها از موادی مثل هیدروکسید سدیم، هیدروکسید پتاسیم و سیلیکات سدیم برای این منظور استفاده کردند. اثر این مواد بر روی زمانهای گیرش و استحکام مکانیکی بررسی شد که نتایج آنها نشان داد بهترین افزایش استحکام مربوط به نمونه حاوی مخلوطی از هیدروکسید سدیم و هیدروکسید پتاسیم بود. وی همچنین در تحقیقی مشابه بر روی فعالسازی مکانیکی سربارههای فولاد نیز پرداخت ]32[. کیانگ و همکارش[42] در سال 2010، با بررسی شرایط مختلف هیدراسیون سرباره کنورتور به این نتیجه رسیدند که فرآیند هیدراسیون سرباره فولاد همانند سیمان میباشد حال آنکه سرعت واکنشهای آن پایینتر است. از سویی دیگر، سرعت هیدراسیون سرباره در مراحل اولیه را میتوان با کاهش اندازه ذرات آن یعنی ریز کردن آن افزایش داد. از جمله محصولات هیدراسیون سرباره، C-S-H و Ca(OH)2 میباشند ]33[. کریسکوا و همکاران[43] در سال 2011، اثرات فعالسازی مکانیکی سربارههای فولاد را بر خواص هیدرولیکی آنها بررسی کردند. آنها برای این منظور آسیاب طولانی مدت را در محیط اتانول انتخاب کردند. نتایج آنها نشان داد که این کار باعث ریز شدن ذرات تا حدود بیش از 10 برابر آسیاب معمولی میشود، همچنین متوسط اندازه ذرات به کمتر از 3 میکرون هم رسید. آنها از آسیاب مهرهای[44] برای این منظور استفاده کردند. سرعت انتخابی برای کار ایشان rpm 5000 و مدت آسیاب را 2 تا 6 ساعت در نظر گرفتند و گلولههایی که در این کار استفاده شد از جنس زیرکونیا بودند ]34[. بلهاج و همکاران[45] در سال 2012، با بررسی خواص و ویژگیهای سرباره کنورتور و همچنین استفاده از فعالسازهای قلیایی برای بهبود و افزایش اکتیواسیون پرداختند. آنها با بررسی و آزمایش روی موادی مثل NaCl، CaCl2، CaO، Na2SiO3 و همچنین سیمان حاوی آلومینای زیاد به این نتیجه رسیدن که NaCl و CaCl2 مواد موثر برای فعالکردن سرباره کنورتور میباشند. این مواد باعث بهبود خواص مکانیکی و همچنین تسریع بخشیدن به هیدراسیون فازها میشوند. بر اساس تحقیقات ایشان سرباره کنورتور مادهای است که از لحاظ بالقوه دارای خواص سیمانی میباشد تنها باید به نحوی این توانایی را بالقوه کرد ]35[. 2-2 سیمان پرتلند بطور کلی سیمان یک ماده چسباننده هیدرولیکی[46]، غیر آلی، غیر فلزی و بصورت پودری بوده که پس از مخلوط شدن با آب در نتیجه فعل و انفعالات شیمیایی خود را گرفته، سخت گردیده و باعث بوجود آوردن جسمی يکپارچه از ذرات متشکله میشود. این ماده پس از سخت شدن، مقاومت و پایداری خود را حتی در زیر آب نیز حفظ میکند ]37[. سيمان داراى آنچنان جامعيتى است که مىتواند شامل انواع چسبها از جمله چسبهاى مايع که در چسبانيدن قطعات سنگ و فلزات به يکديگر بکار مىروند، نيز باشد. نمونهاى از اين چسبها در صنعت سيمان در کار گذاشتن آجر نسوز در کوره سيمان مورد مصرف دارد و خاصيت اصلى آن اين است که آجر نسوز (که يک جسم سراميکى است) را به بدنه کوره آهن مىچسباند. آنچه که از کلمه سيمان در اين متن مورد نظر است، آن نوع از سيمانها است که داراى ريشه آهکى بوده یا به عبارت ديگر سيمانهايى که ماده اصلى تشکيل دهنده آنها را آهک تشکیل میدهد. بر اين اساس سيمان ترکيبى است از اکسيد کلسيم (آهک) با ساير اکسيدها نظير اکسيد آلومينيم، اکسيد سيليسيم، اکسيد آهن، اکسيد منيزيم و اکسيدهاى قليايى که ميل ترکيبی با آب داشته و در مجاورت هوا و در زير آب بمرور زمان سخت گردیده و داراى مقاومت مىشود. در صنایع ساختمانی سیمان به مادهای گفته میشود که برای چسباندن مصالح مختلف به یکدیگر از قبیل سنگ و شن، ماسه آجر و غیره به کار میرود، بنابراین عمده مصرف سیمان در ساخت ملات[47] و بتن[48] است که در آنها سیمان نقش عامل پیوند سنگدانههای[49] طبیعی یا مصنوعی را به هم ایفا میکند؛ که اگر در تهیه مخلوط خمیری، ماسه و شن با دانههایی با اندازه حداکثر تاmm 4 مورد استفاده قرار گیرد، مخلوط حاصل ملات و اگر سنگدانههایی درشتتر نیز در مخلوط استفاده شود مخلوط حاصل بتن نامیده میشود. خواص بتن، ملات و خمیر سخت شده سیمان، تحت تأثیر مستقیم ساختار میکروسکوپی محصولات حاصل از هیدراسیون سیمان، یعنی ساختار، آرایش فضایی و وزن مخصوص آنها میباشد ]14، 37-36[. سخت شدگی هیدرولیکی[50] اصولاً با تشکیل هیدرات سیلیکات کلسیم (C-S-H) آغاز میشود، بنابراین ترکیب سیمان شامل مخلوط موادی است که در نتیجه واکنش با آب اختلاط با سرعتی مناسب منجر به تشکیل هیدرات سیلیکات کلسیم به مقداری شود که مقاومت و دوام لازم را ایجاد نماید. با این حال، عناصر دیگری نظیر آلومیناتهای کلسیم نیز ممکن است در این روند سختشدگی نقش ایفا کنند. گیرش و سخت شدن سیمان مبتنی بر تشکیل ترکیبات آبدار است که در زمان واکنش بین اجزای سیمان و آب اختلاط پدید میآیند. این واکنش هیدراسیون[51] نامیده میشود و ترکیبات حاصل از این واکنش، صرف نظر از این که آب از چه طریق در ترکیب آنها شرکت میکند، به عنوان هیدرات یا فازهای هیدراتی شناخته میشوند. وزن آبی که جهت اختلاط مورد استفاده قرار میگیرد مرتبط با وزن سیمان بدون آب بوده و بعنوان نسبت آب به سیمان [52](W/C) معروف است. عموماً واکنش هیدراسیون سیمان در مخلوطهای خمیری نسبتاً کم آب و یا نسبتهای آب به سیمان در حدود 6/0-3/0 انجام میگیرد. مخلوط خمیری سیمان و آب، خمیر سیمان[53] و مخلوط سخت شده خمیر سیمان سخت شده[54] یا سنگ سیمان نامیده میشود. عموماً در همه کشورها استانداردهایی برای سیمان به عنوان یک ماده اساسی جهت تولید انواع ملات و بتن تدوین گردیده است. تفاوتهای موجود در رابطه با توسعه اقتصادی و صنعتی، منابع مواد خام و شرایط اقلیمی منجر به توسعه مصالح ساختمانی و روشهای گوناگون ساخت در کشورهای مختلف گردیدهاند که این امر خود منجر به تولید انواع مختلف سیمان شده است. بدین دلیل تفاوتهایی اساسی نیز بین استانداردهای کشورهای مختلف در مورد سیمان وجود دارد که همگام با سایر موارد بر مشخصات دوام بتنهای ساخته شده از این سیمانها تاثیر گذار هستند ]18[. با توجه به اینکه سیمان مورد بحث در این پایان نامه از نوع سیمان پرتلند میباشد در اینجا هم به توضیح پارهای از خواص و ویژگیهای این نوع سیمان پرداخته میشود. سیمان پرتلند طبق تعریف استاندارد ASTM-C150نوعی سیمان هیدرولیک است که از پودرکردن کلینکری که عمدتاً از اکسیدهای سیلیسی، آلومینیومی و آهنی که عامل تشکیل ترکیبات سیلیکاتی و آلومیناتی میباشند، بدست میآید. گرچه استفاده از سیمان (هیدرولیک و غیرهیدرولیک) به چندین هزار سال قبل باز میگردد، اما اولین بار در سال ۱۸۲۴ میلادی ژوزف آسپین[55] معمار بریتانیایی طرح اصلاحی خود را برای آهک هیدرولیک تحت عنوان سیمان پرتلند به ثبت رساند. وی نام پرتلند را به علت تشابه سیمان حاصل با رنگ کانیهای آهکی جزیره پرتلند در انگلستان انتخاب کرد. سیمان پرتلند خود دارای انواع مختلف بوده که هر کدام با توجه به ترکیب، خواص منحصر بفردی را دارا میباشند ]13[. 2-2-1 انواع سیمان پرتلند و کاربرد آنهاطبق استاندارد شماره ASTM-C150 پنج نوع سیمان پرتلند وجود دارد که به اختصار عبارتند از ]39[: 1. سیمان پرتلند نوع I : این نوع سیمان در مواردی به کار میرود که شرایط خاص ساختمانی مثل مقاومت در برابر آبهای سولفاتدار، کارهای ساختمانی در دریا و غیره وجود نداشته باشد. موارد عمده استعمال سیمان پرتلند نوع I ساختمانهای بتنی، پل سازی، کانالکشی، مخازن آب، آجر و بلوکهای بتنی است. 2. سیمان پرتلند نوع II : این سیمان کندتر از سیمان نوع اول سخت میشود به همین دلیل در قسمتهایی به کار میرود که مستقیماً زیر نور خورشید قرار میگیرند. سیمان پرتلند تیپ II در مقابل آبهای سولفاتدار مقاومت بیشتری نسبت به نوع اول دارد . 3. سیمان پرتلند نوع III : طرز تهیه این نوع با سیمان پرتلند نوع I فرق چندانی نداشته فقط در این نوع، مواد اولیه با دقت بیشتری تهیه میشوند و نیز کلینکر این نوع سیمان دوباره از کوره گذرانده میشود تا آهک موجود در مواد خام به خوبی با سایر مواد ترکیب شود و به صورت آزاد وجود نداشته باشد و همچنین آنرا ریزتر میکنند . 4. سیمان پرتلند نوع IV : سرعت ترکیب این نوع سیمان از سیمان پرتلند نوع II نیز کندتر است و چون تولید حرارت در هنگام سخت شدن این سیمان کم است برای ساختمان سدها که بتن ریزیهای حجیمی دارند، بیشتر استفاده میشود . 5. سیمان پرتلند نوع V : این سیمان نسبت به آبهای سولفاتدار مقاوم است به همین دلیل در مواردی استفاده میشود که ساختمان در برابر آبهای سولفاتدار (سازههای دریایی) قرار داشته باشد. 2-2-2 ترکیبات سیمان پرتلندترکیبات سیمان پرتلند به دو دسته ترکیبات اصلی و ترکیبات جزئی اضافی تقسیم بندی میشوند. ترکیبات اصلی، موادی هستند که مقدار آنها در سیمان بیش از 5% وزنی است و شامل: کلینکر سیمان پرتلند، سرباره، مواد پوزولانی، خاکستر بادی، شیل پخته شده، سنگ آهک، دوره سیلیسی، ترکیبات جزیی افزودنی، سولفات کلسیم و مواد افزودنی میباشند. ترکیبات جرئی اضافی هم میتوانند همان مواد اصلی و نیز مواد معدنی غیر آلی ناشی از تولید کلینکر در نظر گرفته شوند، مشروط بر آنکه حداکثر 5% وزن سیمان را تشکیل دهند ]39[. 2-2-2-1 کلینکر سیمان پرتلندکلینکر سیمان پرتلند که با عنوان کلینکر سیمان و یا صرفاً به عنوان کلینکر نیز شناخته میشود حاوی حداکثر دو سوم از دو نوع سیلیکات کلسیم یعنی دیکلسیم سیلیکات و تریکلسیم سیلیکات بوده که میتوانند با آب اختلاط واکنش داده و با سرعتی نرمال سخت شوند. بهمین دلیل، کلینکر به عنوان یک ماده هیدرولیکی شناخته میشود. فازها و كريستالهاي موجود در کلینکر با تركيب شيميائيشان در جدول 2-3 آمده است. جدول 2-3. نام و ترکیب فازهای موجود در کلینکر سیمان پرتلند ]40[.نام فاز ترکیب شیمیایی فریت Ferrite Ca2(Al,Fe)2O5 آهک آزاد Free lime CaO الیت Alite Ca3SiO5 بلیت Belite Ca2SiO4 آلومینوفریت Alumino- Ferrite Ca4Al2Fe2O10 آرکانیت Arcanite K2SO4 آلومینات (مکعبی) Aluminate-cub. Ca3Al2O6 آلومینات (اورترومبیک) Aluminate-ort. NaCaAl3O9 سینگنیت Syngenite K2Ca(SO4).2H2O آنیدریت Anhydrite CaSO4 بازانیت Bassanite 2CaSO4·H2O گچ Gypsum Ca(SO4)·2H2O تناردیت Thenardite Ca(SO4)·2H2O پریکلاز Periclase MgO پرتلندیت Portlandite Ca(OH)2 توبرموریت Tobermorite Ca5Si6O18H2 هیدروگارنت Hydrogarnet Ca3Al2(OH)12 پلومبیریت Plombierite Ca5Si6O16(OH)2.8H2O مونوسولفات Monosulfate [Ca2Al(OH)6][0.5(SO4).3H2O] اترینژایت Ettringite {Ca6[Al(OH)6]2·24H2O}[(SO4)3·1.5H2O] تومازیت Thaumasite Ca3Si(OH)6·24H2O (CO3)(SO4) بروشیت Brucite Mg(OH)2 هیدروتالسیت Hydrotalcite [Mg0.75Al0.25(OH)2](CO3)0.125(H2O)0.5 کلسیت Calcite CaCO3 دولومیت Dolomite Ca.Mg(CO3)2 کوارتز Quartz SiO2 کلینکر از مخلوطی از مواد خام تولید میگردد که عمدتاً شامل آهک (CaO)، سیلیس (SiO2)، اکسید آلومینیوم (Al2O3) و اکسید آهن (Fe2O3) بوده که با نسبت معینی با یکدیگر آمیخته میشوند. هنگامی که به این مخلوط حرارت داده میشود تا به درجهای از پختن برسد که مواد بدون ذوب شدن به هم بچسبند (تف جوشی)، ترکیبات جدیدی شکل میگیرند که تا حدودی خواصی متفاوت با خواص مواد اولیه دارند. علائم اختصاری و فرمول شیمیایی این مواد بهمراه محدوده حضور آنها در ترکیب کلینکر سیمان در جدول 2-4 نمایش داده شده است. تورنبوم[56] در سال 1897 نخستین کسی بود که واژههای آلیت[57] و بلیت[58] را به ترتیب در مورد تریکلسیم سیلیکات و دیکلسیم سیلیکات بکار برد ]41[. این فازها به عنوان اجزای اصلی تشکیل دهنده کلینکر در زیر میکروسکوپ قابل تشخیص بودند و بر حسب حروف الفبا توسط وی نامگذاری شدند. واژههای آلیت و بلیت امروزه نیز جهت متمایز ساختن سیلیکاتهایی در کلینکر به کار میروند که همواره دارای مقادیر کمی ناخالصی نظیر آلومینیوم، آهن، اکسید منیزیم، علاوه بر سیلیکاتهای خالص میباشند. واژههای سلیت[59] و فلیت[60] که امروزه دیگر کاربرد ندارند، در گذشته به ترتیب معرف کلسیم آلومینو فریت و حالت خاصی از دی کلسیم سیلیکات محسوب میشدند. در شیمی سیمان و به منظور سادهتر کردن فرمول شیمیایی، علائم اختصاری مطابق جدول 2-2 بکار میروند. جدول 2-4. ترکیب بالقوه فازهای تشکیل دهنده سیمان معمولی [18].فاز کلینکر فرمول شیمیایی علامت اختصاری ظرفیت برحسب درصد وزنی (wt%) تری کلسیم سیلیکات (آلیت) 3CaO.SiO2 C3S ماکسیمم میانگین مینیمم 85 65 52 دی کلسیم سیلیکات (بلیت) 2CaO.SiO2 C2S ماکسیمم میانگین مینیمم 27 13 0/2 کلسیم آلومینوفریت (آلومینوفریت) 4CaO. (Al2O3,Fe2O3) C4AF ماکسیمم میانگین مینیمم 16 8 4 تری کلسیم آلومینات (آلومینات) 3CaO.Al2O3 C3A ماکسیمم میانگین مینیمم 16 11 7 CaO آزاد(آهک آزاد) CaO CaO ماکسیمم میانگین مینیمم 6/5 2/1 1/0 MgO آزاد (پریکلاس) MgO MgO ماکسیمم
عضو شوید
عضویت سریع
آمار مطالب
آمار بازدید
