پیش‌بینی مقاومت سیمان

خلاصه مقاومت سیمان در سنین مختلف، ملاک مهم کیفیت سیمان تلقی شده و برای ثبات و دوام ساختار آن در دراز مدت بسیار حیاتی است. معمولاً مقاومت سیمان در سنین مختلف توسط نمونه‌گیری‌های انجام شده و براساس روش‌های تعریف شده در هنگام تولید، اندازه‌گیری می‌شود. به هر حال کاملاً محتمل است که محصول وارد شده به بازار و مصرف آن توسط مشتری، قبل از تعیین مقاومت نهائی در آزمایشگاه عرضه شده باشد.
این مقاله به بحث پیرامون راه‌های موجود برای پیش‌بینی مقاومت سیمان می‌پردازد به طوری‌که اقدامات تصحیحی و پیشگیرانه را در همان مراحل اولیه برای کاهش خسارت‌های احتمالی فراهم می‌کند. یک نمونه از عمر واقعی براساس مدل‌سازی‌های آماری ارائه شده است تا سودمندی مدل و نتایج آن را براساس اصول شیمی سیمان نشان دهد
● مقدمه
سیمان ماده اصلی ساختمانی است که عمدتاً به‌صورت بتن، ملات و یا اندود به‌کار برده می‌شود. ویژگی‌های کیفیت سیمان عبارت است از مشخصات فیزیکی و شیمیائی انواع سیمان که برای کاربرد نهائی آن بسیار حائز اهمیت است. این ویژگی‌ها به‌خوبی در استانداردهای ملی و بین‌المللی تعریف شده‌اند.
با این حال یک یا چند مشخصه آن به سایر خصوصیات دیگر ارجحیت دارد. برای مثال در هنگام استفاده سیمان به‌صورت بتن، مقاومت مهمترین پارامتر کیفیت محسوب می‌ود تا آنکه به‌صورت روکش و یا اندود استفاده شود. در عین حال برای استفاده کننده سیمان هم بسیار مهم است تا بر آورد قابل اعتمادی از این پارامترهائی که توسط نتایج واقعی نمونه‌برداری و آزمایش و یا سایر روش‌های دیگر به‌دست می‌آید، داشته باشد. مهمترین جزء سیمان پرتلند، کلینکر است و بنابراین کیفیت سیمان همواره تحت تأثیر کلینکر و همچنین سایر افزودنی‌هائی است که در هنگام همسایشی با یکدیگر مخلوط می‌شوند.
اما مهمترین قسمت مواردی که ذکر شد خواص شیمیائی و مینرالوژی کلینکر است که بستکی به ترکیبات شیمیائی و فاز تشکیل کلینکر در هنگام پخت و خنک شدن دارد. پس از تولید سیمان، خواص شیمیائی آن را می‌توان به سرعت با استفاده از آنالیزهای شیمیائی یا تجهیزاتی نظیر XRF یا XRD تعیین کرد. همچنین خواص فیزیکی اصلی سیمان را نیز می‌توان اندازه‌گیری کرد. مقاومت نهائی تنها بعد از گذشت ۲۸ روز تعیین می‌شود. برای انجام اقدامات تصحیحی و پیشگیرانه در مرحله اولیه باید پیشاپیش از داشتن بر آوردهای خوب غافل نماند.
● تعیین مقاومت هیدرولیکی سیمان
در روش موجود، نمونه‌های سیمان در فواصل زمانی معین گرفته شده و سپس به‌صورت مکعب و یا منشورهائی درآورده می‌شوند تا براساس استانداردهای ملی مورد آزمایش قرار گیرند. در استادارد هندوستان مقاومت مورد نیاز در سنین ۳، ۷ و ۲۸ روزه تعریف شده‌اند. در بعضی موارد مقاومت سیمان پس از یک روز نیز تعریف و مشخص شده است. نتایج به‌دست آمده از مقاومت ۱ روزه سیمان نسبتاً زود است اما می‌تواند بیانگر رفتار آن بعد از ۲۸ روز باشد زیرا برای استفاده کننده سیمان مهم است که از قبل بتواند بر آوردی از مقاومت ۲۸ روزه سیمان داشته باشد. از این‌رو تلاش‌هائی در این زمینه انجام شده است.
Bentz و دیگران، روشی را برای برآرود و پیش‌بینی خواص فیزیکی و همچنین مقاومت سیمان ارائه کرده‌اند. این نظریه براساس ثبت خواص فیزیکی، مینرالوژی و شیمیائی سیمان با استفاده از آنالایزر توزیع ذرات و میکروسکوپ الکترونی شکل گرفته است. تصویر سپس با استفاده از مدل‌های ریاضی برای پیش‌بینی سینتیک هیدراسیون، انقباض، زمان گیرش، مقاومت فشاری و غیره مورد تحلیل قرار می‌گیرد.
نتایج برآورد شده کاملاً نزدیک به اندازه‌گیری‌های واقعی است. با این حال پیشگوئی‌ها با استفاده از این متدولوژی، مستلزم استفاده از میکروسکوپ الکترونی است که معمولاً در آزمایشگاه کارخانجات سیمان به‌ندرت پیدا می‌شود لذا باید به‌دنبال راه‌های ارزانتر بود.
Tsivilis به تشریح مدلی براساس رگرسیون پیش‌بینی مقاومت می‌پردازد. در مقاله حاضر برای پیش‌بینی مقاومت از مشابه همین روش استفاده شده است. از روش رگرسیون در یک کارخانه سیمان و برای پیش‌بینی یک نوع سیمان استفاده شده است.
خاطر نشان می‌شود که این نظریه به‌صورت ژنریک است اما مدل آن تنها برای یک کوره و آسیاب سیمان طراحی شده است. از طرفی نیازمند پالایش‌های مستمر بوده تا شرایط عملیاتی غالب را نشان دهد.
● یک نمونه
به‌منظور استقرا مدل پیش‌بینی مقاومت، ۲۰ نمونه از سیمان پرتلند معمولی در طی ۲۰ روز از قسمت بارگیر خانه یک کارخانه سیمان گرفته شد. این نمونه‌ها سپس برای تعیین خواص شیمیائی و فیزیکی در یک آزمایشگاه استاندارد، مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفتند. همه این تحلیل‌ها براساس استاندارد سیمان هندوستان انجام شد. جزئیات در جدول خواص فیزیکی و شیمیائی نمونه‌های سیمان نشان داده شده است.
آنالیز اندازه ذرات با استفاده از آنالایزر لیزری ذرات Cilas انجام شد. از آنجائی‌که ذرات نرمتر خصوصاً ذراتی که کوچکتر از ۳۲ میکرون هستند تأثیر قابل توجهی بر مقاومت سیمان می‌گذارند، گروه‌های فرعی دیگری نیز از ۳-۰، ۱۶-۳، ۲۴ -۱۶ و ۳۲ -۳ میکرون تشکیل شد. پارامتر موقعیت براساس توزیع Sperling - Bennet (RRSB) - Rosin -Remmler یعنی اندازه ذره با عبور ۲/۶۳% بوده و بیانگر جرم عبوری در سیستم سایش و در نتیجه ویژگی‌ مهم سیمان از نظر خواص فیزیکی آن است.
عامل مهم دیگر تأثیر گذار بر تشکیل مقاومت سیمان، فاز ترکیب آن است.
در مقاله حاضر به چهار فاز مختلف توجه شده است. یعنی C۴,AF,C۳A,C۲S,C۳S و یک روش قابل اعتماد برآورد دقیق و قابل تولید مجدد فازهای سیمان و یا کلینکر، استفاده از روش XRD به همراه آنالیز Rietveld است.
در این روش نیازمند آنالیز ثابت نرم‌افزار Rietveld و XED هستیم. روش دیگر می‌تواند براساس آزایشات میکروسکوپی باشد. به‌دلیل کمبود این امکانات در آزمایشگاه سیمان، امکان اندازه‌گیری دقیق فازەهای معدنی دیگر فراهم نگردید. با اینحال برای اندازه‌گیری‌ها از فرمول بوگ (Bogue) برای تحلیل‌های عنصری استفاده گردید.
گزارش‌هائی که توسط سایر محققان ارائه شد است بیانگر ارائه نتایج بسیار دقیق تعیین فازها با استفاده از روش XRD و Rietveld است. گزارش آزمایشگاه Brucker با دستگاه پیشرفته X-Ray نشان داده است که بین نتایج بدست آمده به‌روش XRD و فرمول بوگ ۱۰% اختلاف و بین روش XRD و نتایج میکروسکوپی حداکثر ۳% اختلاف است. بنابراین دقت پیش‌بینی را می‌توان با استفاده از XRD و تحلیل Rietveld که امروزه به‌طور فزاینده‌ای در آزمایشگاه کارخانه سیمان برای تعیین فازها استفاده می‌شود، بهبود بخشید.
اطلاعات فوق با استفاده از تکنیک رگرسیون برای تعیین مقاومت ۷،۳ و ۲۸ روزه مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت. در تمام تحلیل‌های رگرسیون، سطح مورد اعتماد ۹۵% بود. جزئیات در قسمت‌های دیگر نشان داده شده است.
الف) مقاومت ۳ روزه
از رگرسیون برای تعیین مقاومت ۳ روزه به‌عنوان متغیر وابسته و از خواص مختلف نام برده شده در جدول خواص فیزیکی و شیمیائی نمونه‌های سیمان به‌عنوان متغیرهای مستقل استفاده گردید. مناسب بودن روش رگرسیون با استفاده از روش تحلیل‌های واریانس (ANOVA) مورد ارزیابی قرار گرفت. مدل نهائی و جدول ANOVA در جدول آمار رگرسیون و تحلیل واریانس (سه روزه (ANOVA) نشان داده شده است. براسا انجام T-Test می‌توان مشاهده کرد که متغیرهای مستقل انتخاب شده، در سطح اعتماد ۵% قرار دارند.
F -Test می‌توان مشاهده کرد که متغیرهای مستقل انتخاب شده، در سطح اعتماد ۵% قرار دارند.
F-Test رابطه محکم میان متغیرها را نشان می‌دهد. برپایه همین تحلیل‌ها مقاومت سه روزه سیمان را در کارخانه مورد بررسی می‌توان با استفاده از معادله زیر پیش‌بینی کرد:
۲.۵۹۵۴ (C۳S/C۲S) + ۰.۰۱۳۴Blaine - ۱.۴۵۶۳ (۰-۳ &#۹۵۶;m) + ۰.۵۹۵۶ (۳ - ۱۶ &#۹۵۶;m) مقاومت سه روزه از این مدل می‌توان دریافت که مقاومت سه روزه، تابعی از مینرالوژی و نرمی سیمان است که متناسب با اصول شیمی سیمان عمل می‌کند.
همچنین می‌توان مشاهده کرد که نرمی ذرات (کوچکتر از ۳ میکرون) رابط منفی با مقاومت سیمان دارند حال ‌آنکه نرمی و اندازه ذراتی که در محدوده ۳ تا ۱۶ میکرون قرار دارند ارتباط مثبت با مقاومت اولیه پیدا می‌کنند. به هر حال، نسبت آلیت به بلیت به‌نظر می‌رسد که تائید منفی بر مقاومت اولیه دارند. همه می‌دانیم که نقش عمده آلیت در مقاومت تولید سیمان است و این مورد می‌تواند نقش گمراه کننده آماری داشته باشد. همچنین فازها از تحلیل عناصر برآورد می‌شوند و در نتیجه نمی‌توانند به دقت XRD و آنالیز Rietveld باشند.
ب) مقاومت ۷ روزه
تحلیل واریانس (Anova) برای تعیین مقاومت ۷ روزه در جدول آمار گرسیون و تحلیل واریانس (هفت روزه) ANOVA نشان داده شده است. T-Test نشان می‌دهد که متغیرهای انتخاب شده بسیار مهم بوده و ارتباط قطعی میان متغیرهائی که توسط Test -F انجام شده، دارند.
از معادله زیر می‌توان برای پیش‌بینی مقاومت ۷ روزه استفاده کرد:
۲.۸۰۷۹- (C۲S/C۳S) + ۰.۰۱۳۸۱ Blaine - ۱.۹۲۱۰ (۰-۳&#۹۵۶;m) + ۰.۷۸۳۰ (۳-۱۶&#۹۵۶;m) = مقاومت ۷ روزه از معادله فوق پیداست که پارامترهای دخیل در مقاومت ۷ روزه مشابه با مقاومت سه روزه هستند یعنی فازها و نرمی سیمان.
ج) مقاومت ۲۸ روزه
F -Test نشان می‌دهد که رابطه میان متغیرها بسیار محکم است و تصادفی نیستند. همچنین T-test نشان می‌دهد که متغیرهای انتخابی مستقل، کاملاً دراین امر دخالت دارند.بنابراین براساس مدل، مقاوت ۲۸ روزه سیمان در کارخانه موردنظر به‌صورت زیر بیان می‌شود:
۸.۷۹۱۶ (C۳A/C۴AF) + ۰.۲۸۶۰C۲S + ۰.۰۱۱۷۲Blaine -۱.۶۶۸۶ (۰-۳&#۹۵۶;m) + ۰.۶۹۷۶۹ (۳-۳۲&#۹۵۶;m)
پارامترهائی که بر مقاومت ۲۸ تأثیر می‌گذارند عمدتاً نرمی و مینرالوژی آن است. می‌توان مشاهده کرد که C۲S، نرمی و محدوده ذرات بین ۳ تا ۳۲ میکرون به‌طور واضحی بر گسترش مقاومت تأثیر می‌گذارند در حالی‌که ذرات بسیار نرم (کوچکتر از ۳ میکرون) کاملاً تأثیر منفی دارند. با توجه به مدل‌های بالا که برای مقاومت ۷،۳ و ۲۸ روزه بدست آمده‌اند مقاومت اندازه‌گیری شده و مقاومت پیش‌بینی شده در نمودار نشان داده می‌شود.
● نتیجه
در این مقاله بر اهمیت برآورد مقاومت سیمان در سنین بالاتر و سنین اویه سیمان تأکید شده و روشی را برای پیش‌بینی عمر واقعی سنین ارائه می‌کند. از این روش می‌توان در کارخانجات سیمان برای تعیین دقیق و قابل اعتماد مقاومت سیمان خصوصاً در سنین بالاتر و همچنین اتخاذ تدابیر تصحیحی و پیش‌گیرانه در سنین پائین‌تر بهره گرفت.
توانائی این مدل‌ها بیانگر آن است که از مدل‌سازی آماری همراه با رگرسیون می‌توان برای این‌ منظور استفاده کرد. دیده شده است که ماهیت این ارتباط ظریف برقرار شده یعنی مدل‌سازی آماری، کاملاً منطبق با اصول شیمی سیمان است، به‌جزء چند مورد خطاهای آماری. اما این امکان هم وجود دارد که به‌کمک XRD و آنالیز Rietveld در هنگام اندازه‌گیری فازهای سیمان، این خطاها را برطرف کرد.

مترجم: مجید محمودی
منبع: مجله ZKG، ۲۰۰۶-۶.

منبع : ماهنامه صنعت سیمان