1

MgO بتن يكيخواص مكان يبررس Investigation of Mechanical Properties of MgO Concrete

، علي فروغي اصليمحمد مروت زيارشد عمران، دانشگاه تبر يكارشناس يدانشجو

دانشكده عمران، دانشگاه تبريز ارياستادMoh_mor_eng@yahoo.com

AFOROUGH@TABRIZU.AC.IR

خالصهبه عنوان ، چگونگي عملكرد اكسيد منيزيم Mg(OH)2 هيدروكسيد منيزيم و كريستاالزيسيون هيدراتاسيوناين پژوهش ضمن بررسي فرآيندهاي در

، كنترل ميزان حرارت و داليل كنترل عوارض جمع شدگي، كاهش ايجاد و گسترش تركو در داخل بتن بررسي شده ماده مضاف منبسط شونده مورد ازمسايل مورد توجه در بررسي اين نوع بتن است كه بايد MgO خواص مكانيكي بتن. گردد چگونگي افزايش سرعت ساخت بررسي مي

ايل مورد از مسدر ايران MgOبررسي منابع تامين . صورت نگرفته استدر ايران MgOتاكنون پژوهشي در مورد بتن . گيردبررسي و مطالعه قرار .باشد مي تامل در پژوهش اين نوع بتن

.هيدراتاسيون، اكسيد منيزيم، جمع شدگيماده منبسط شونده، خواص مكانيكي،، MgOبتن: كلمات كليدي

مقدمه .1

م يزيد منيف پودر اكساست منبسط شونده با ماده مضا يبتن. ن مورد استفاده قرار گرفته استيسد در كشور چ ياست كه در اجرا ي، بتنMgOبتن ر روند ي، تحت تاثيم مصرفيزيد منيبا توجه به نوع پودر اكس. گردد يشدن انقباض در بتن م يدراته شدن، موجب خنثيش حجم در زمان هيكه با افزا

از به يب نين ترتيبه ا. افتيشود، خطر ترك خوردن بتن كاهش خواهد يم ياز افت حرارت يشدن انقباض ناش يدراته شدن آن كه موجب خنثيه در ساخت سد) 1976-1966(ن يچ يدر زمان انقالب فرهنگ ين بتن بطور اتفاقيا. ابدي يكاهش م يانقباض يدرزها يكنترل حرارت و اجرا يها روش 2چانگشا يسن بار در ساخت سد قوينخست يبرا 1988ش قرار گرفت و سرانجام در سال يمورد مطالعه و آزما 1980كشف شد و پس از سال 1بايشان

با توجه به وجود منابع ]. 2و1[جهان مورد استفاده قرار نگرفته است يگر كشورهاين بتن تاكنون در ديا. دين استفاده گرديچ يدر جنوب شرق )1شكل( MgOبتن .راه داشته باشدرا به هم ياريبس يايتواند مزا ين كشور ميسد در ا ين بتن در اجرايران، استفاده از ايم در ايزيد منيجهت استحصال اكس يغن

هاي عمراني همچون، پوشش بام، نگهبان در برابر نفوذپذيري كف، زيرزمين، ديوارهايي كه در كنار استفاده در ساخت سازه سد، در صنعت و پروژه بيني شده است، پيش .ار گرفته استنقش محافظت در برابر نفوذپذيري دارند، در گرفتن نشتي در تعمير اظطراري خطوط لوله و نظير آن مورد استفاده قر

سد سازي و اين يك تكنولوژي استراتژيك در اجراي پروژه هاي خواهد داشتآبي -كشور چين در آينده حرف اول را در دنيا از لحاظ منابع انرژي همچون ييها هاي ايالت ز پروژها% 7/66ايالت غربي چين، خصوصاً جنوب غربي و 12 سازي سد هاي از پروژه درصد 5/81 اين بتن در باشد، مي

Sichuan ، Chongqingو Tibet و تمامي . ستا هاي زيرزميني، مهندسي ترافيك و غيره نيز قابل استفاده اين بتن در پروژه .مورد استفاده قرار خواهد گرفتهاي ي همانند ضد آب كردن بام، پاركينگهاي و كاربردي در كاهش نفوذپذيري در قسمت. باشند آنها مطابق با اهداف حفاظت از محيط زيست مي

].3[تواند داشته باشد مي غيره زيرزميني، مخازن ذخيره نفت، مترو، تونل، سطوح باند فرودگاه و

1 Baishan 2 Changsha

2

].MgO ]4سد چانگشا نخستين سد قوسي ساخته شده توسط بتن -1شكل

توسط اجراي سدقوسي يازووير بدون درزهاي اجرايي -2شكل

].MgO ]5 تكنولوژي بتن

و عملكرد آن MgOبتن .2

منبسط MgO، بتن MgO شود، كه به دليل حجم باالي آن نسبت به خود توليد مي Mg(OH)2 در آخرين فرآيند هيدراتاسيون هيدروكسيد منيزيم، در ]6[شوند اوليه منبسط ميهاي در زمان S (ASTM C 845)و M ،K هاي ساخته شده توسط سيمان هاي منبسط شونده همچون بتن .شود شونده مي

باشد، از اين جهت كه مطابق و هماهنگ با جمع شدگي بتن مي MgOانبساط بتن . دهد روز رخ مي 7بيشترين انبساط پس از MgOصورتيكه در بتن .دهد گسترش و ايجاد ترك را كاهش داده، كنترل ميزان دما را آسان كرده و سرعت ساخت را افزايش مي

0002/0در شرايط معمولي افت بتن بين . باشد ميبتن در دو عامل كلي جمع شدگي ، جمع شدگي حرارتيو از خشك شدن جمع شدگي ناشيدرصد آن در يك ساله اول عمر بتن 90الي 65درصد آن در سه ماهه اول و 80تا 40درصد آن در دوهفته اول و 35تا 15حجم است كه 0008/0الي

].7[دهد روي مي :لي تصحيح جمع شدگي توسط انبساط خود بخود بتن دو تاثير را بدنبال دارددر حالت ك

آيد، كه اندكي تنش هاي كششي هاي پيش فشاري بوجود مي تنش) جانبي و پي( ها تحت تاثير تكيه گاههاي بتني در زمان هاي اوليه در سازه -1ر طوالني مدت پس از آن، انقباض ناشي از سرمايش و جمع شدگي را جبران مي انبساط خود بخود د -2 .كند ناشي از سرد شدن در آينده را خنثي مي

بخودي، تنها تنشهاي كششي بايد متذكر شد كه، بدليل توزيع سراسر يكنواخت انبساط خود .دهد كه مستقيما تنش هاي كششي بتن را كاهش مي. كند، )خارجي هستند هاي دارنده نگهن، سطوح واريز بتن، تكيه گاه هاي انتهايي سد، در ساخت سد، فونداسيو(گردند ناشي از تكيه گاههاي خارجي خنثي مي

.كنند ، تنها تغيير شكل برگشت پذير پيش فشار در خنثي نمودن تنشهاي كششي در آينده شركت مي عالوه بر اين بعلت تغييرشكل پالستيك و خزش بتناي اوليه، تنشهاي پيش فشاري در سازه بسيار ناچيز هستند، حال آنكه انبساط طوالني در روزه MgOدر حقيقت بدليل كوچك بودن انبساط حجمي بتن

.مدت برجسته استهاي بتني بدون درزهاي عرضي استفاده در راستاي طولي ميتوان همواره از قالبگردد يازووير مالحظه ميدر اجراي سد 2همانطور كه در شكل

.و عرض پيوسته خواهد بود نمود، كه در نتيجه آن روند ساخت در طولكه . يابد بدليل تاثير انبساطي در حين افت حرارت، تنشهاي كششي حرارتي، و از اين رو خطر ترك برداشتن بتن بطور قابل توجهي كاهش مي

.يابد بطور قابل توجهي اقدامات كنترل حرارتي را ساده نموده، و بموجب آن زمان و هزينه ساخت كاهش مي

در بتن و رفتار آن يزيماكسيد من .3

در صورت خلوص حاويمنيزيت . آيد آن آزاد شود بدست مي CO2تا وقتيكه ) منيزيت( MgCO3معموال از حرارت دادن به كاني اكسيد منيزيم 8/47 %، MgO 2/52و %CO2 800-850ين دما در حدود در توليد صنعتي ا. افتد درجه سانتيگراد تجزيه فوق اتفاق مي 600-650كه در دماي .مي باشد

CO2 MgO + MgCO3 .باشد درجه، جهت افزايش راندمان توليد مي

كه پيامد آن گردد مي H2OوMgO بطور قابل توجهي بزرگتر از مجموع MgOشكل گرفته از Mg(OH)2موقع هيدراتاسيون حجم كريستالهاي H2OوMgO بر مجموعابر دوبيش از Mg(OH)2، حجم شود هيدراته مي ،درجه توليد شده1000ه در دماي اي ك MgOبطور مثال . باشد انبساط همگن مي

3

عاملي كليدي در عملكرد انبساطي آن دارد، بطوريكه دماي فرآوري بطور مستقيم در اندازه و MgOاند كه دماي فرآوري محققان نشان داده. گردد مي .]1992و تنگ، چوي، ليو[ استگذار تاثير MgOسطح مخصوص كريستالهاي

اي كه واكنش كندي را با آب دارد، جزء MgO بنابراين، . ]2004، 3فنگ[يابد كاهش مي MgOبا باال رفتن دماي فرآوري، سرعت هيدراتاسيون مدت، موجب خراب شدن بتن مقدار بيش از اندازه انبساط غيرضروري در حين هيدراتاسيون در طوالني . ]4،1995نويل[ آيد مضري در سيمان بشمار مي

6الي 4اند به ماكزيمم سيمان را محدود كرده MgOبه اين علت استانداردها مقدار . شود و توليد انبساط هاي زيان آور كه نهايتا موجب گسيختگي بتن مي .، هرچند واكنش زيان آوري در دامنه حرارت معين دارنددرصد

در دو كالس طبقه بندي شده MgOبراي اهداف مهندسي، دماي فرآوري .]1995 نويل،[ رر هستندبي ض اكسيد منيزيم با دماي پايين فرآوري با دماي 7 اكسيد منيزيم با دماي باالي فرآوريدرجه سانتيگراد و 1200الي 850 با دماي فرآوري 6اكسيد منيزيم با دماي پايين فرآوري ،]5،1998لي[است

درجه سانتيگراد 1450دارد دماي فرآوريي در حدود حضوركه بطور طبيعي در سيمان كهمنيزيمي سيد اك .درجه سانتيگراد 1800الي 1500فرآورياي كه بصورت ماده MgOپودر .همواره مقدار آن در سيمان محدود شده استبنابراين اثرزيان باري در بتن داشته و ،گيرد داشته و در دسته دوم قرار ميمقدار و هو انبساطي بدون اثر زيان بار داشت سانتيگراد استدرجه 1100در حدود يد منيزيم با دماي پايين فرآورياكس شود مضاف در بتن استفاده مي

چوي، [ توسط اختالطي مناسب در سدها، اين تاثير انبساطي مي تواند توسط جمع شدگي بتن حجيم خنثي شود. بخوبي ميتواند كنترل گرددنيز انبساط .]1998لي و1992ليو و تنگ ،

سد موجود است، ميتواند بعنوان مراجع 30اي كه در حدود تجربه. بود در جاهاي مختلف متفاوت خواهددر بتن مقدار انبساط همگن مورد نياز ، در RCCميكرواسترين براي سدهاي قوسي با بتن RCC ،120-100ميكرواسترين براي سدهاي وزني با بتن 60-80بطور مثال در حدود . استفاده شود

و منحصر به سازه MgOاختصاص مقدار آن بستگي به خود پودر.ميكرواسترين براي سدهاي قوسي با بتن متعارف استفاده شده است 130-170حدود بدون در نظر (مقدار استعمال متداول . محاسبه گردد)همچون تحليل اجزاء محدود(تواند توسط آزمايشات آزمايشگاهي و شبيه سازي كه مي. سد است

MgOنظري جهت حفظ كيفيت بتن ماكزيمم حجم .وزن مواد سيمانتاسيون محدود شده است% 5به حداكثر ) موجود در سيمان MgOگرفتن مقدار .]2[باشد مي% 8در حدود ) شود داخل سيمان هم مي MgOكه شامل (

MgOمشخصات بتن .4

بدليل .، اما اثر بسيار كمي روي مشخصات حرارتي دارد بر روي مشخصات مكانيكي اثر گذار است MgOدهد، پودر تحقيقات بلند مدت نشان مي .]9و8[نيز پايدار است MgOپايدار بوده و رفتار مكانيكي بتن Mg(OH)2آنكه فرآيند هيدراتاسيون برگشت ناپذير است،

مقدار و فرآيند .باشد ميمتناسب داشته و با مقدار پودر اضافه شده و درجه حرارت بتن MgOبستگي به نوع پودر MgOبخود در بتن انبساط خود نيز طوالني تر MgO، انبساط اوليه كاهش يافته و فرآيند هيدراتاسيون وريفرآبا افزايش گرماي .دارد MgOپودر فرآوريانبساط بستگي به حرارت

يابد، انبساط خودبخودي حجمي بخود افزايش يافته، و وقتي بطور ناگهاني كاهش مي يابد حجم بتن خود وقتي دما بطور ناگهاني افزايش مي .شد خواهددر پايدار و Mg(OH)2بدليل تدريجي و برگشت ناپذير بودن فرآيند هيدراتاسيون، ].3[افتد ي، و پديده انقباض بتن اتفاق نمماند ميبدون تغيير MgOبتن

بنابراين مقدار آهك آزاد بايد به ميزان . دهد را كاهش مي MgOآهك آزاد در سيمان انبساط بتن . ولي نامحدود نيست است،انبساط بتن نيز پايدار نتيجه .]2[را كنترل نمود MgO، ميتوان مقدار انبساط خود بخود بتن و كنترل دماي بتن MgOفيت پودر با تعيين نوع و كي. حداقل كاهش يابد

مقاومت و مدول االستيسيته .4-1

افزوده شده، دماي عمل آوري و افزايش سن بتن، MgOمقاومت با مقدار پودر . باشد بيشتر از بتن معمولي مي MgOمقاومت كششي و فشاري بتن

در نتيجه هيدراتاسيون بهتر، ساختمان ميكروسكوپي . كرد با افزايش دماي عمل آوري، سرعت هيدراتاسيون افزايش پيدا خواهد. د يافتافزايش خواه

3 Fang 4 Neville 5 Li 6 Lightly burnt MgO 7 Heavily burnt MgO

4

اي در بتن و كاهش نسبت آب به سيمان دليل افزايش ماده ژله به .در نتيجه انبساط بيشتر مقدار ريزتركها كاهش خواهد يافت. شد بيشتر متراكم خواهد، درصد آب مورد نياز سيمانتاسيون كاهش پيدا كرده و تا حدودي علت افزايش مقاومت MgOبا افزودن .جب ارتقاي عملكرد مكانيكي خواهد شدمو

بخاطر بايد. باشد البته افزايش مدول االستيسيته كمتر از افزايش مقاومت مي. يافت با افزايش مقاومت، مدول االستيسيته نيز اندكي افزايش خواهد .استدهند، مواد منبسط نشان مي MgOتحقيقات در رفتار مكانيكي بتن .خوردگي خواهد شد االستيسيته موجب افزايش ترك داشت كه افزايش بيشتر مدول

].10[مدت بر مشخصات مكانيكي بتن دارند شونده تاًثير كمي در بلند

ظرفيت كرنش كششي .4-2

. يابد ، افزايش مي آوري افزوده شده و افزايش دماي عمل MgOبا افزايش مقدار پودر MgO ششي بتن مشابه با مقاومت فشاري، ظرفيت كرنش كافزايش درصد 28و 24، 19به مقدار 50 و 30،40به 20با افزايش دماي عمل آوري از MgO درصد 5/4بطور مثال، ظرفيت كرنش كششي بتن با مقدار

.]2[شود هاي بتن مي ب افزايش مقاومت تركافزايش ظرفيت كرنش كششي موج. يابد مي

خزش .4-3

الي 20در حدود MgOدرصد 5/4الي 5/3مقدار خزش براي بتن با . كند دهند، خزش با زمان و بارگذاري تغيير مي آزمايشات بلند مدت نشان ميموجب افزايش خزش بوده، كه جهت كاهش تنش MgOانبساطي بنابراين، تاثير. درصد بيشتر از بتن هاي معمولي با شرايط اختالط يكسان مي باشد 25

.]2[هاي بتن مطلوب است هاي كششي و فشاري و افزايش مقاومت ترك

در ايران منيزيممنابع بررسي .8

و MgO،% 8/47است كه در صورت خلوص حاوي (MgCO3) فرمول شيميايي با مهمترين كاني منيزيم داركه ارزش اقتصادي دارد، منيزيت2/52 %CO2 است 5/3 -5گرم بر سانتي متر مكعب و سختي آن 3-2/3مخصوص آن اين كاني به صورت رمبوئدريك متبلور مي شود، وزن. مي باشد .

يت با توجه به آمارهاي موجود توليد منيز .هاي سفيد، خاكستري، زرد و قهوه اي با جالي شيشه اي در طبيعت يافت مي شود منيزيت معموالً به رنگ) هزار تن منيزيت 145(شده حدود هزار تن منيزيت پخته 70-60حدود 85تا 80تن و نياز داخلي به آن براي سالهاي هزار 90-100معدني در سال بين

ي منيزيتي ودرصد توليد معادن نسوز كشور را تركيبها 90بيش از ذخاير شرق ايران از نظر كمي و كيفي در درجه اول اهميت قرار دارند .بوده است

يتي زون اين ذخاير در امتداد كمربند آميزه افيول. آلوميني است-هم اكنون پايه و اساس معادن نسوز ايران متكي به مواد منيزيتي. دهد آلوميني تشكيل ميا دارد و به ترتيب استانهاي سيستان و ر لاز نظر ذخاير منيزيت استان خراسان در سطح ايران مقام او .اندقرار گرفته )ايرانشهر-زون بيرجند( درزه سيستان

همين كشور سيزد منيزيتنود هزار تن با توليد ساليانه ايران .]11[ هايي هستندنيز داراي پتانسيل غيره بلوچستان، كرمان، فارس، كردستان، اصفهان وها در كشور ها، درياها و درياچه همچون دولوميت، شورابه ذخاير متنوعي .]8USGS، 2006[كند دنيا را توليد مي درصد منيزيت 64/0دنياست و ساالنه

.تواند جهت استحصال منيزيم و آلياژهاي آن مورد توجه قرار گيرد مي

نتيجه گيري .9

ن نداشته، توان نتيجه گرفت، حظور پودر اكسيد منيزيم در بتن نه تنها اثر منفي بر خواص مكانيكي بت ها و كاربردهاي صورت گرفته مي از بررسيخوردگي شده و با كاهش احتمال بروز تركنيز بلكه با افزايش مقاومت هاي فشاري و كششي، ظرفيت كرنش كششي و ميزان خزش منجر به بهبود آن

زايش استفاده از آن در ساخت سدها با كاهش و يا حذف نياز به درزهاي عرضي و يا طولي عليرغم اف. گردد در بتن موجب افزايش دوام بتن مي 8 United States Geological Survey

5

با توجه به نياز به ساخت سد در نواحي مختلف ايران اين . گردد يكپارچگي موجب كاهش هزينه هاي اجرايي و افزايش سرعت ساخت سدهاي بتني مي .هاي بسيار مناسب ذكر نمود توان يكي از گزينه بتن را مي

استفاده از آن در ،داري موجود براي توليد اكسيد منيزيم را در اختيار داردبر با توجه به آنكه كشور ايران داراي منابع غني غير از منابع در حال بهرههايي محتوي مقاديري از اين نوع اكسيد منيزيم را در كارخانجات توليد سيمان به سيمان ، همچنينباشد ميداخل امكان پذير توليد با مواد اين كشور

د منيزيم پيش از آسياب نمودن توليد، و از مزاياي آن حتي در كارهاي عمومي عمراني نيز هايي همانند اختالط كلينكر سيمان با كلينكر اكسي روش .دگرداستفاده

مراجع .10

1. Chen, Zhengzuo, Aufleger, M, 2002, Using New Technologies in Concrete Arch Dam Construction in China, Hydro Review Worldwide (HRW), HCI Publications, Volume 10, number 1.

2. Du C., 2005, A Review of Magnesium Oxide in Concrete – A serendipitous discovery leads to new concrete for dam construction, Concrete international: Design & construction, ISSN 0162-4075, 45 - 50.

3. Rui-an, 2009, The magnesia concrete research and the application completed the use to the MgO concrete, Main research concrete material, engineering project management (in Chinese).

4. Chinese Communist Propaganda Weiyuan County Web Site, http://www.scwy.cn/.

5. CHES, Chinese Hydraulic Engineering Society Web Site, http://www.ches.org.cn/.

6. ASTM C 845-96, "Standard Specification for Expansive Hydraulic Cement," ASTM International, West Conshohocken, PA, 1996, 3 pp

.تكنولوژي بتن و آزمايشگاه، انتشارات شهرآشوب ،1386 مصباح ايراندوست، فرهاد،. 7

8. Li, C.M., "Mechanical Properties and Durability of MgO Concrete, 2000," Advance in Science and Technology of Water Resources, V. 20, No. 5, pp. 30-35. (in Chinese)

9. Li, C.M., "Effect of Temperature on Autogenous Volume Expansion of MgO Concrete, 1999," Design of Hydropower Stations, V. 15, No. 2, pp. 96-100. (in Chinese)

10. Li Chengmu, Yung yuonhui, 2008, Study on longterm outogenous volume deformation of MgO concrete, Chengdu Reconnaissance Design and Research Institute for Hydropower Project (in Chinese).

محمدي ترشك و چاهخو آباد، ضلاف منيزيت منشأ بررسي ،1384، آزاده شفارودي، ملكزاده و حسين محمد ،آدابي ،محمد حسن ،كريمپور. 11

،55: ، شماره 12: پژوهشي علوم زمين، دوره -فصلنامه علمي ،كربن و ايزوتوپهاي اكسيژن و عنصري شيمي زمين اطالعات از استفاده با) خاور بيرجند( .75 – 62 فحهص