تولید بتن مقاوم در مقابل خوردگی ناشی از اسید

بررسی خوردگی شیمیایی و مقام سازی بتن در مقابل خوردگی ناشی از اسید)

چکیده

مسأله ی استفاده از بتن های مقاوم در مقابل خوردگی ناشی از اسید و نیاز روز افزون به تولید آن به لحاظ وسعت صنایع به کار گیرنده و نیازمند این نوع از بتن در کشور نظیر صنایع پتروشیمی، باطری سازی های سربی اسیدی، اسید شویی در صنایع مختلف و غیره، به عنوان یکی از موارد مهم و بسیار قابل توجه در عرصه ی ساخت و تولید مصالح معدنی مطرح است.
در محیط های اسیدی و در صورت استفاده از بتن معمولی، در اثر واکنش اسید با سیمان پرتلند که خود خاصیت قلیایی دارد، نمک های محلول در آب ایجاد، و این واکنش منجر به تخریب و خوردگی بتن می گردد. در این ارتباط جهت حفاظت بتن معمولی از خوردگی ناشی از اسید باید تماس سیمان پرتلند و اسید را توسط یک لایه ی محافظ و مناسب به حداقل رساند. انتخاب لایه ی محافظ تابعی از نوع مواد شیمیای مخرب و عوامل محیطی و نیز بارهای وارده است. روش دیگر در ارتباط با این مساله، استفاده از مواد جایگزین چسباننده ی مصالح دانه ای به جای سیمان پرتلند است که در مقابل حملات اسیدی مقاومت مورد نظر را دارا باشند. از جمله ی این مواد سیمان آلومینا و یا گوگرد را می توان عنوان نمود. با توجه به عدم تولید سیمان آلومینا در ایران و وجود منابع طبیعی تامین گوگرد در کشورمان و نیز به لحاظ ویژگی های خاص این ماده، و در راستای پاسخ به نیاز روز افزون صنایع مذکور در این ارتباط، در این تحقیق که مقاله ی حاضر برگرفته از آن می باشد، ضمن معرفی و برشماری خواص بتن گوگردی به عنوان بتن مقاوم در مقابل اسید، مزایای و معایب آن مورد بررسی قرار گرفته است. در جریان این تحقیق نیز سعی شده است که علاوه بر عوامل موثر بر مقاومت فشاری بتن گوگردی، سایر عوامل موثر بر خوردگی آن، تاثیر مواد مضاف، عواتمل زمان و دما، اثر اسید و اثر باز نیز مورد بررسی و پردازش قرار گیرد.
کلید واژه ها: بتن گوگردی، ماده ی مضاف، DCPD ، SMZ، مقاومت بتن گوگردی، خوردگی اسید، خوردگی باز

1- گوگرد و بتن گوگردی

1-1- گوگرد

گوگرد عنصری جامد، ترد و به رنگ زرد روشن است که در اثر حرارت دستخوش دگرگونی می گردد. این ماده در دمای 119 ذوب و به صورت سیال زرد رنگ، در دمای 160 به صورت مایع قهوه ای رنگ است و در دمای 200 به بالاتر از سیالیت آن کاسته می شود. این ماده دارای جرم ویژه 2070 کیلوگرم در مترمکعب و در دمای 135 به حدود 1800 کیلوگرم در مترمکعب می رسد.

1-2- بتن گوگردی و ویژگی های آن

این ماده با ترکیب مصالح سنگی، فیلر و گوگرد به عنوان ماده ی چسباننده ساخته می شود. جهت جلوگیری از کاهش مقاومت آن، یک ماده ی مضاف نیز به ترکیب آن اضافه می گردد. مقاومت فشاری این بتن در ساعات اولیه ی ساخت نمونه حدود 300-200 کیلوگرم بر سانتی متر مربع است. دوام شیمیایی این نوع بتن خوب، و مناسب استفاده در محیط های صنعتی است؛ ولی در قابل درجه حرارت بالا آسیب پذیراست و تاثیرات خورندگی آن روی آرماتورها در محیط مرطوب، آن را در بسیاری از موارد صنعتی غیر قابل استفاده می نماید.
بتن گوگردی ماده ای است مرکب از گوگرد، شن و ماسه که به آب و سیمان احتیاج ندارد. خواص مکانیکی و فیزیکی این نوع بتن در جدول 1 نشان داده شده است.
زمانی که گوگرد اصلاح نشده و مصالح سنگی برای تهیه ی فرآورده های گوگرد در حالت گرم مخلوط شوند، گوگرد چسب شده به شدت تحت اثر تنش های داخلی قرار می گیرد و در نتیجه ی آن دچار خرابی و انهدام زودرس می گردد. بنابراین روش های مختلف اصلاح گوگرد الزامی است که در این ارتباط، روش Vroom (ورم) و با همراهی اورتگا از دانشگاه مک گیل قابل طرح است. در این روش، اصلاح گوگرد توسط واکنش آن با یک پلیمرهیدروکربن اولینفینی صورت می گیرد. در جدول شماره ی 2، تشابه خواص مقاومتی بتن گوگردی اصلاح شده و اصلاح نشده در قیاس با بتن معمولی صورت گر فته است.
از ویژگی های دیگر بتن گوگردی می توان به خصوصیات ذیل اشاره نمود:
- بتن گوگردی در تغییر شکل بیشتر به مقدار مقاومت حداکثر خود می رسد.
- افزایش درصد گوگرد و در نتیجه ی افزایش مقاومت فشاری بتن گوگردی با افزایش ضریب ارتجاعی آن همراه است.
- مقاومت آن در برابر محیط های خورنده به خصوص محیط های اسیدی، حملات نمک ها، کلرها، و سولفات بسیار قابل توجه است که خود از مزیت هایی است که قابلیت استفاده از آن را در پوشاندن کف محیط هایی که با مواد خورنده در تماس هستند و یا استفاده از آن در ساختار سل های الکترولیت در حوضچه های اسیدی، ساخت مخزن اسیدی و کف های عمومی در محیط های اسیدی و خورنده را به صورت قابل توجهی افزایش می دهد.
- بتن گوگردی در قیاس با بتن با سیمان پرتلند زودگیرتر است.
- بتن گوگردی ساخته شده با سنگدانه ی شکسته دارای مقاومتی به مراتب بیش تر از بتن ساخته شده با سنگدانه ی معمولی است.
- مقاومت این بتن در اثر تغییر دما تغییر می یابد، به طوری که با افزایش دما بیش تر از 50 درجه، مقاومت آن کاهش می یابد. لذا استفاده از آن تا دمای 80 درجه سانتی گراد محدود است.
- بتن گوگردی دارای خاصیت شکنندگی است که یکی از خصوصیات نامطلوب آن است که با استفاده از الیاف تقویت کننده با مواد شیمیایی قابل اصلاح و بهبود است.
- این بتن دارای خزش بیش تری نسبت به بتن سیمان پرتلند است.
- قابلیت بازیافت این نوع بتن یکی از خواص جالب و قابل توجه آن است؛ بدین معنی که هر زمان که لازم باشد می توان این بتن را ذوب نمود، گوگرد و سنگدانه ها را جدا نمود و دوباره از آن ها در ساخت بتن استفاده کرد.
- به لحاظ افزایش قابل توجه قیمت سوخت که باعث افزایش قیمت سیمان و در نتیجه ی آن افزایش هزینه ی ساخت بتن با سیمان پرتلند می گردد، هزینه ی ساخت بتن گوگردی امروزه در قیاس با بتن معمولی قابل رقابت است.

2- روش ساخت و مصالح مورد استفاده در بتن گوگردی

2-1- روش ساخت

اساساً سه روش برای ساخت بتن گوگردی پیشنهاد می گردد:

جدول 1: خواص فیزیکی و مکانیکی بتن گوگردی

جدول 2: مقایسه ی مقاومت بتن های گوگردی اصلاح شده و اصلاح نشده در ملات سیمان

* DCPD= dicyclopentadiene
- روش مخلوط گرم : در این روش پودر گوگرد و مصالح سنگی توسط یک مخلوط کن مجهز به سیستم گرم کننده، مخلوط می شود. پس از آن دمای مخلوط به 140 درجه ی سانتی گراد می رسد و این دما تا زمانی که مخلوط کاملاً به صورت همگن و روان درآید و گوگرد مذاب بتواند سطح سنگدانه را اندود نماید، حفظ می گردد. پس از آن مخلوط در قالب ریخته می شود.
- روش مالهوترا: در این روش سنگدانه ها قبل از مخلوط کردن با گوگرد تا دمای 180 درجه ی سانتی گراد گرم می شوند.
- روش ابداعی: با توجه به این که دو روش قبلی برای ساخت بتن گوگردی اصلاح نشده مورد استفاده قرار می گیرند، در این روش (اصلاحی) چون باید برای استفاده از مواد مضاف (DCPD) گوگرد را ذوب، و با ماده ی مضاف ترکیب نمود، بدین لحاظ ابتدا گوگرد تا دمای 140 درجه ی سانتی گراد گرم و ذوب می گردد. پس از آن، ماده ی مضاف به آن اضافه می گردد و پس از مدت مشخصی، گوگرد مذاب با سنگدانه هایی که قبلاً گرم شده اند در داخل مخلوط کن ریخته می شوند. در این تحقیق از این روش جهت ساخت بتن گوگردی اصلاح شده استفاده شده است.

جدول 3: مقاومت فشاری MPa

2-2- مصالح به کار رفته

- مصالح سنگی: بر طبق استاندارد ASTMD33
- گوگرد: گوگرد مصرفی از نوع خالص (گل گوگرد) یا ناخالص.
- ماده ی مضاف: دو نوع ماده ی مضاف SMZ و DCPCD .
- فیلتر: پودر سنگ عبوری از الک شماره 200 و در اکثر موارد از خاکستر بادی.
- اسید و باز: اسید سولفوریک با نرمالیته ی 6/6 و هیدروکسید سدیم (یا سود سوزآور) با نرمالیته ی 1/6 در دمای محیط حدود 31 درجه ی سانتی گراد
- وسایل و محیط آزمایش: قالب مناسب استاندارد، دستگاه مخلوط کن ویژه، وسایل ایمنی، دماسنج دیجیتال، جک هیدرولیکی و ترازوی با دقت بالا، انجام آزمایشات در محیط آزمایشگاهی باز.
- در خصوص روش ساخت بتن گوگردی با ماده ی مضاف، لازم به تذکر است که در ارتباط با ماده ی مضاف SMZ استفاده از روش سوم مناسب است، زیرا دمای ذوب SMZ کمی بالاتر از پودر گوگرد (حدود 160 درجه ی سانتی گراد) می باشد و در صورت استفاده از دو روش اول و دوم، احتمال عدم ذوب کامل SMZ وجود دارد. ضمناً تمامی مصالح مصرفی باید خشک باشند.
در خصوص استفاده از دی سیکلوپنتادین (DCPD) نیز از روش سوم استفاده می شود، چون ماده ی مزبور باید طی زمان مشخصی با گوگرد مخلوط گردد تا نتیجه ی مطلوب حاصل گردد.

3- بررسی تاثیر مواد مضاف بر مقاومت فشاری بتن گوگردی و مقاومت هر کدام در برابر خوردگی (نتایج آزمایشگاهی)

3-1- بررسی تاثیر مواد مضاف DCPD و SMZ و مقاومت فشاری

نتایج آزمایشات مربوط به 6 نمونه بتن گوگردی بدون ماده ی مضاف، 6 نمونه با ماده ی مضاف و 6 نمونه با ماده ی مضاف DCPD در سنین 1، 14، 28 روزه در جدول 3 قابل مشاهده است.
مقادیر مندرج در جدول فوق نیز طی نمودار شماره ی 1 نشان داده شده است.
بررسی جدول 3 در خصوص مقاومت بتن گوگردی معمولی و همچنین انجام مجدد آزمایش تکراری آن نشان می دهد که این بتن در شرایط یک روزه دارای مقاومت فشاری حدودMPa 20 است که پس از گذشت 14 روز به حدود MPa 25 می رسد که دارای رشدی حدود 25% است ولی پس از آن مقاومت فشاری آن دچار افت می شود و حتی از مقاومت 14 روزه به دست آمده نیز کم تر می گردد. درحدی که نسبت به مقاومت یک روزه، رشدی در حد 5/12% را از خود نشان می دهد. دلیل چنین رفتاری بدین شرح است که در بتن گوگردی دو مکانیزم به صورت سهم زمان در حال شکل گیری است: 1- کریستاله شدن گوگرد که باعث رشد مقاومت فشاری بتن گوگرد می شود. 2- تبدیل گوگرد از خانواده مونوکلینیک به ارتورمبیک که خود باعث ایجاد تنش های داخلی در بتن و در نتیجه افت مقاومت بتن گوگردی می شود. در واقع در چند روز اول کریستاله شدن گوگرد تاثیر بیش تری بر بتن گوگردی دارد و در نتیجه ی آن، مقاومت فشاری افزایش می یابد. در حالی که در روزهای حدود چهارم، کریستاله شدن به پایان می رسد و تبدیل خانواده ی گوگرد تاثیر بیش تری بر مقاومت فشاری می گذارد و باعث افت آن می گردد.
• بتن گوگردی با مضاف SMZ: نتایج به دست آمده از آزمایش مقاومت فشاری بتن گوگردی با ماده ی مضاف SMZ، بیان گر رشد تقریباً یسکان طی 1 تا 28 روز است.
همان گونه که در نمودار شماره ی 1 نیز مشخص است، مفاومت فشاری با این ماده ی مضاف از MPa 25 یک روزه با رشد 10 درصدی به مقاومت MPa 5/27 در طی 14 روز رسیده است. این بتن در سن 28 روزه به مقاومت MPa 33 با رشد 32% نسبت به مقاومت یک روزه رسیده است. در این نوع بتن ماده ی مضاف SMZ در فرآیند تبدیل گوگرد مونوکلینیک و ارتورمبیک تاثیر گذاشته و در جهت نگهداری گوگرد در حالت مونوکلینیک عمل می نماید و باعث افزایش مقاومت یک روزه ی بتن می گردد. این عمل در ضمن باعث می شود مقاومت فشاری بتن مزبور تا 28 روز به متوسط رشد 32% برسد.
• بتن گوگردی با ماده ی مضاف دی سیکلوپنتادین: نتایج مقاومت فشاری بتن گوگردی ساخته شده با DCPD که در شرایط بهینه یعنی 5/4 درصد DCPD و دمای 140 درجه ی سانتی گراد با زمان ترکیب 80 دقیقه، بهترین مقاومت را دارا می باشد، در طی جدول 3 و نمودار شماره ی 1 مشخص شده است. همان گونه که در نمودار نیز مشخص است، مقاومت فشاری بتن فوق در روز اول MPa 25 و در روز چهارم MPa 36 است که نشان دهنده ی رشد 44 درصدی است و مقاومت 28 روز آن MPa 42 می باشد که نشان دهنده ی رشد 68 درصدی نسبت به مقاومت یک روزه ی آن است. بر اساس این نتایج مشخص می گردد که بتن فوق دارای رشد مقاومت فشاری بالایی است که نشان گر تاثیر بالای دی سیکلوپنتادین بر ثبات گوگرد در حالت مونوکلینیک است.
• مقایسه ی مقاومت های فشاری بتن های گوگردی، دی سیکلو پنتادین و SMZ
چنانچه در نمودار شماره ی 1 نیز مشخص شده است، مشاهده می گردد که بتن های گوگردی SMZ و DCPD دارای مقامت یک روزه ی بالاتری نسبت به بتن گوگردی معمولی هستند و این برتری در طی زمان بیش تر می شود. بر اساس همین نمودار می توان نتیجه گرفت که در سنین یک روزه، مقاومت فشاری بتن گوگردی ساخته شده با دی سیکلوپنتادین برابر با بتن ساخته شده با SMZ است؛ در حالی که در طول زمان 28 روزه، اختلاف مقاومت بتن آخر به حد MPa 9 می رسد. با بررسی این نتایج اثر ماده ی مضاف بر افزایش مقاومت فشاری بتن گوگردی کاملاً محسوس، و از طرف دیگر برتری دی سیکلوپنتادین نیز ماده ی مضاف SMZ در خصوص افزایش بر مقاومت فشاری نیز مشهود است.
جدول 4: نتایج بتن گوگردی معمولی در اسید

جدول 5: نتایج بتن گوگردی با SMZ در اسید

جدول 6: نتایج بتن گوگردی (Hs/D140-80) در اسید

3-2- بررسی مقاومت بتن گوگردی در برابر خوردگی در برابر اسید
برای بررسی خوردگی، یک نمونه از هر یک از بتن های گوگردی معمولی، با ماده ی مضاف DCPD و ماده مضاف SMZ به کار گرفته شد. دمای محیط به طور متوسط 30 درجه ی سانتی گراد اندازه گیری گردید و از اسید سولفوریک 6/6 مولار در این ارتباط استفاده شد این اسید معادل اسید سولفوریک 37% است. برای بررسی میزان خوردگی در برابر اسید، ابتدا وزن هر نمونه مشخص گردید (W) و پس از یک ساعت، نمونه از اسید خارج شد و مجدداً وزن آن اندازه گیری گردید (W0) . پس از آن نمونه داخل اسید قرار گرفت. پس از یک هفته نمونه از اسید خارج، و در محیط هوای آزاد سطح آن خشک گردید و وزن آن ها اندازه گیری گردید و دوباره داخل اسید قرار داده شدند. این عمل در طی 4 هفته به صورت متوالی تکرار شد. نتایج حاصل طی نمودارهای 2 تا 4 و جداول 4 تا 6 ارائه شده است.
مقایسه ی نتایج به دست آمده در آزمایشات فوق نشان می دهد که بتن پرتلند در محیط های اسیدی شدیداً دچار خوردگی می گردد، اما از جمله مهم ترین ویژگی های بتن گوگردی مقاومت آن ها در محیط های اسیدی است. همان گونه که در نمودار ذیل مشاهده می گردد، انواع بتن گوگردی مقاومت مناسبی در مقابل اسید از خود نشان می دهد.
بتن گوگردی معمولی پس از یک ماه غوطه وری در اسید حدود یک درصد افزایش وزن پیدا می کند، ولی بتن گوگردی (Hs/SH7) افزایشی در حدود 5/0 درصد از خود نشان می دهد. مناسب ترین جواب مربوط به بتن گوگردی (Hs/D140-80) است. وزن این بتن پس از یک ماه غوطه وری حدود 4/0 درصد و برابر 5/9 گرم افزایش می یابد. همان گونه که از این نمودار مقایسه ای مشخص می گردد، هر سه نوع بتن در مقابل اسیدکاملاً مقاوم هستند، ولی بتن گوگردی از تیپ (Hs/D140-80) از خود جواب مناسب تری نشان می دهد که نشانه ی پیوستگی بهتر و نفوذپذیری کم تر آن است.
• خوردگی در برابر باز: از هر سه نمونه بتن گوگردی مشابه آزمایش مقاومت در برابر اسید، یک نمونه جهت آزمایش در برابر باز به کار گرفته شد. برای این کار، از هیدروکسید سدیم یا سود سوزآور 1/6 مولار به عنوان باز استفاده گردید. هر نمونه به صورت غوطه ور داخل باز به مدت یک ماه قرار گرفت. ابتدا وزن هر نمونه اندازه گیری شد و پس از یک ساعت غوطه وری، سطح آن در هوای آزاد خشک گردید و دوباره وزن آن اندازه گیری گردید. وزن نمونه مشابه روند آزمایشات اسید در طی 4 هفته اندازه گیری گردید. نتایج آزمایشات مقاومت در هر سه نمونه به صورت یک جا طی نمودار 6 و جدول 7 مشخص شده است.
نتایج حاصل و نمودار 6 نشان می دهد که اساساً بتن گوگردی در مقابل بازها دچار خوردگی شدید می گردد و این امر به دلیل حل شدن گوگرد در باز صورت می گیرد. همان گونه که مشاهده می گردد، بتن گوگردی معمولی پس از یک ماه غوطه وری داخل باز تقریباً دچار فروپاشی می شود و نصف وزن خود را از دست می دهد. با اضافه نمودن SMZ این مشکل بهبود نمی یابد و نمونه پس از 4 هفته حدود 40% وزن خود را از دست می دهد. اما بهترین نتیجه ی حاصله مربوط به نمونه ی بتن گوگردی DCPD است که پس از4 هفته، تنها 8/7 درصد از وزن خود را از دست می دهد. در شکل نمونه های قرار گرفته در باز در کنار هم قابل مشاهده است.
تصاویر فوق به ترتیب نشان دهنده ی بتن گوگردی معمولی،گوگردیSMZ و گوگردی با دی سیکلوپنتادین هستند. در پایان نتایج تحقیق حاضر نشان می دهد که استفاده از بتن گوگردی به جای بتن معمولی در برخی از صنایع که در آن ها احتمال خوردگی و تخریب بتن ناشی از مواد شیمیایی وجود دارد نظیر صنایع پتروشیمی، باطری سازی، سالن های اسید شویی و ... مناسب و قابل توجیه است. لازم به ذکر است که آزمایشات صورت گرفته در این تحقیق در راستای تولید صنعتی در مقیاس کوچک انجام شده است که مستلزم ادامه ی فعالیت جهت دستی یابی به روشی مناسب جهت تولیدات عمده ی صنعتی خواهد بود.
جدول 7: نتایج آزمایشات مقاومت بتن گوگردی در مقابل هیدروکسید سدیم

پی نوشت ها :

1- عضو هیات علمی دانشگاه آزاد اسلامی واحد نجف آباد.
2- عضو هیات علمی دانشگاه آزاد اسلامی واحد نجف آباد.
3- عضو هیات علمی دانشگاه آزاد اسلامی واحد نجف آباد.
4- دانشجوی کارشناسی ارشد دانشگاه آزاد اسلامی واحد نجف آباد.

منابع:
1- طرح تولید بتن گوگردی، دفتر توسعه ی صنایع دستی پتروشیمی، وزارت نفت جمهوری اسلامی ایران.
2- Sulphur Concrete, United State Patent 4025352.
3- Sulfur Concrete for Aggressive Environments, A. H. VROOM and C. H. VROOm, STAR crete Technologies Inc, Calgary, Candad.
4- Manufacture of Sulphur Concrete, Jack E. gillott, Robert E. LOOV, Patent number 4188230.