رفتار میکروسیلیس بعنوان یک تثبیت کننده حرارتی (1400/08/23)

رفتار میکروسیلیس بعنوان یک تثبیت کننده حرارتی

رفتار میکروسیلیس بعنوان یک تثبیت کننده حرارتی

در دماهای بالای 110 درجه سانتی‌گراد، سیمان‌های پرتلند معمولی به دلیل پس‌روی مقاومت دچار تضعیف عملکرد می‌شوند. در این دماها ساختارهای کریستالی CSH تولید شده در فرآیند واکنش هیدراسیون سیمان، به یک ترکیب ضعیف و متخلخل (هیدرات آلفا دی کلسیم سیلیکات)، تبدیل می‌شود. با افزودن حدود 35 درصد میکروسیلیس (درصد وزنی سیمان) در دوغاب، اثر کلسیم هیدروکسیدهای اضافی موجود در مخلوط که در دماهای بالا منجر به تشکیل ساختارهای ضعیف هیدرات آلفا دی‌کلسیم سیلیکات می‌شوند، بطور شیمیایی خنثی می‌شود.

افزودن 35% میکروسیلیس، نسبت کلسیم اکسید به سیلیسیم دی اکسید را به اندازه کافی، جهت ایجاد فازهای کریستالی قوی و نفوذ ناپذیر توبرموریت  (C5S6H5)، کاهش می‌دهد

 

نقش میکروسیلیس به عنوان یک افزایه در ترکیب با سیمان‌های در معرض کربن دی اکسید

کربن دی اکسید به عنوان جزئی از هیدروکربن‌های تولید شده در بسیاری از مناطق جغرافیایی جهان یافت می‌شود. کربن دی اکسید همچنین به طور گسترده‌ در روش‌های بهبود بازیابی نفت استفاده می‌شود. سیمان‌های چاه نفت در معرض مایعات حاوی CO2 دچار تغییراتی در ترکیب حاصل از هیدراسیون خود می‌شوند. مهم است که در این محیط‌ها، ملاحظات طراحی خاصی برای دوغاب سیمانکاری، به سبب تماس احتمالی سیمان با مایعات گازدار در نظر گرفته شود. مطابق واکنش زیر، گاز CO2 به Ca(OH)2 (که یکی از اجزای واکنش هیدراسیون سیمان است) حمله می‌کند و منجر به تولید کلسیم کربنات می‌شود.

 

 

 

علاوه بر این کربونیک اسید (H2CO3) تولید شده طی واکنش کربن دی اکسید و آب (مطابق واکنش فوق) ساختارهای CSH را مطابق واکنش شیمایی زیر به کلسیم کربنات و سیلیس بی شکل تبدیل می‌کند:

 

تحقیقات انجام شده نشان می‌دهد که کلسیم کربنات ناشی از واکنش کلسیم هیدروکسید (Ca(OH)2) و کربن دی اکسید (در واقع همان پدیده کربوناسیون) به واسطه‌ی افزایش حجم در محیط‌های ژئوترمال نفوذپذیری را کاهش می‌دهد اما ایجاد تنش‌های داخلی و ترک گریزناپذیر است. همزمان بطور کاملا معکوس واکنش CSH با کربن دی اکسید منجر به افزایش نفوذپذیری سیستم سیمانی خواهد شد.

مادامی که کربن دی کسید در محیط وجود داشته باشد واکنش تشکیل کلسیم کربنات متوقف نخواهد شد. واکنش‌های زیر را مشاهد کنید:

مشخصه واکنش‌های بالا این است که ابتدا کلسیم بی کربنات محلول در آب تولید می‌شود و سپس با کلسیم هیدروکسید واکنش داده و کلسیم کربنات و آب اضافی حاصل می‌شود. تا زمانیکه کربن دی اکسید برای انجام واکنش اول وجود داشته باشد، آب ایجاد شده در واکنش بعدی کلسیم بی کربنات بیشتری بصورت محلول تولید خواهد کرد. با ادامه این روند تخلخل و نفوذپذیری بطور چشمگیری افزایش پیدا خواهد کرد. تجزیه و تحلیل نتایج حاصل از عکس‌برداری‌های انجام شده با اشعه ایکس از یک نمونه میدانی چاه در معرض CO2، این یافته‌ها را تایید می‌کند: وجود کلسیم کربنات، کلسیم هیدروکسید و سیلیس آمورف به عنوان اجزای اصلی تشکیل دهنده در نمونه‌ها مشاهد شد؛ هیچ ساختار هیدرات سیلیکات کلسیم (CSH) در نمونه‌ها یافت نشد؛ نمونه بسیار متخلل و نفوذپذیر بوده و دانسیته فله‌ای آن در حدود 1190 کیلوگرم بر مترمکعب بود.

قابلیت میکروسیلیس در کاهش میزان کلسیم هیدروکسید در مخلوط سیمانی می‌تواند میزان کلسیم کربنات تولید شده را کاهش دهد. در واقع با حضور میکروسیلیس، حملات شیمیایی کربن دی اکسید به ساختار CSH به دلیل پایین بودن میزان کلسیم هیدروکسید کمتر شده و بجای تجزیه کامل سیستم سیمانی فقط ممکن است مقداری کاهش در نفوذپذیری مشاهده ‌شود. البته می‌دانیم که وجود میکروسیلیس بخودی خود نفوذپذیری را کاهش می‌دهد.

سایر عوامل موثر بر استعداد سیمان در برابر تجزیه ناشی از حملات شیمیایی کربن دی اکسید عبارتند از:  نفوذپذیری سیمان (مربوط به نسبت آب به سیمان) و میزان قلیاییت آن. بر اساس مطالعات، هرچه میزان قلیاییت سیمان بیشتر باشد نرخ کربناسیون نیز در آن بیشتر است. با اضافه کردن میکروسیلیس به سیمان میزان قلیاییت معادل سیستم سیمانی به واسطه واکنش میکروسیلیس با عوامل قلیایی طی فرایند هیدراسیون کاهش می‌یابد. همچنین نشان داده شد که هرچه نسبت آب به سیمان کمتر باشد، عمق کربناسیون نمونه‌ها کمتر است. در عمل، افزایش دانسیته سیستم سیمانی با استفاده از یک کاهنده‌ آب به منظور کاهش میزان آب مصرفی و بکارگیری میکروسیلیس جهت کاهش نفوذپذیری امکان‌پذیر است.

 

  1. با افزودن میکروسیلس به میزان حدود 35 درصد وزنی به سیمان رده H ساختارهای مستحکمی در دماهای بالای 110 درجه سانتیگراد در سیستم سیمانی ایجاد میشود. این مهم بدون حضور میکروسیلیس اتفاق نمیفتد.
  2. نرخ کربوناسیون در سیستم سیمانی با حضور میکروسیلیس کاهش می‌یابد. این امر بدلیل کاهش میزان قلیاییت، کاهش نفوذپذیری و کاهش تشکیا اجزای محلول در آب اتفاق میفتد.