از زمان گسترش صنعت و در پی آن گسترش تولید مواد صنعتی، بشر همواره با موادی مواجهه داشته که به صورت غیر عمد و ناخواسته در کنار محصول اصلی تولید شده­اند. برخی این مواد را زائد[1] نامیده و آنها را بلا استفاده می­دانستند و برخی دیگر از این مواد به عنوان محصولات فرعی[2] نام برده و عقیده دارند که از این مواد هم می­توان در کاربردهایی دیگر بهره جست. در این ­باره صنعت آهن و فولاد هم مستثنی نبوده و همواره با تولید محصولاتی فرعی در حین تولید آهن و فولاد مواجه بوده است. بطور کلی، عملیات استخراج و تصفیه فلزات، مستلزم خارج ساختن مواد ناخالصی همراه سنگ معدن و سایر مواد موجود در شارژ ورودی به کوره­های ذوب و تصفیه فلزات است. به همین دلیل در عملیات تولید فلزات، محصولات فرعی بدست آمده که ناخالصی­های موجود در سنگ معدن و مواد شارژی دیگر همچون کمک ذوب­ها و آلیاژسازها عمده­ترین بخش این محصولات را تشکیل می­دهند. مجموع ناخالصی­های ذکر شده در طی عملیات استخراج، از فلز جدا شده و در فازی جداگانه بر روی سطح مذاب فلز تولید شده قرار می­گیرد که به آن سرباره (روباره)[3] گفته می­شود ]1[.

با توجه به تولید مداوم و بسیار زیاد سرباره­ها، در صورت عدم وجود کاربرد مشخص، این مواد به اجبار دپو شده که مشکلات زیادی را هم از لحاظ انباشتگی و اشغال فضا در کارخانه­های آهن و فولاد و همچنین مشکلات زیست محیطی در طبیعت بوجود می­آورند. حضور دراز مدت این مواد در طبیعت بدلیل تجزیه ترکیبات مختلف موجود در آن باعث بروز مشکلات زیست محیطی می­شود. در پی گزارش سالیانه NSA[4] در سال 2011 میزان کل سرباره آهن و فولاد تولیدی در ژاپن برابر با 392/15 میلیون تن بوده که حدود 635 هزار تن آن در صنعت سیمان و بقیه آن در کاربردهایی دیگری همچون جاده سازی، بهبود خاک کشاورزی و غیره بکار گرفته شده است. در همین سال در ایالات متحده امریکا حدود 20 میلیون تن  انواع سرباره آهن و فولاد تولید شده که حدود 9/16 میلیون تن این محصولات فرعی در صنایع مختلف مصرف شده است ]2[. در ایران هنوز آمار دقیقی از تولید سرباره­های آهن و فولاد منتشر نشده است ولی با توجه به کارخانه­های فعال تولید آهن و فولاد در سراسر کشور تخمین زده شده در حدود بیش از 5 میلیون تن انواع سرباره­های آهن و فولاد در سال تولید می­شود.

تاکنون تحقیقات زیادی بمنظور یافتن راه حل دائمی بمنظور یافتن کاربردی برای سرباره­ها صورت گرفته است، که از آن جمله می­توان به

 تلاش برای استفاده از این مواد در کشاورزی بمنظور اصلاح و خنثی­سازی خاک­های اسیدی اشاره کرد]4-3[، همچنین محققان در بخش عمران و راه­سازی بدلیل خواص مکانیکی خوب و قیمت پایین این مواد، از آن به عنوان جزء درشت دانه در آسفالت و بتن جاده­ای استفاده کردند که البته حضور مقادیر بالای آهک آزاد موجود در ترکیب سرباره­های فولاد، باعث ایجاد ناپایداری­های حجمی گردیده و استفاده از آنرا بدین منظور محدود نموده است ]7-5[. مطالعات دیگری هم بر روی استفاده از سرباره بعنوان عامل افزودنی به ترکیب خام یا بعنوان جزء تشکیل دهنده در سیمان انجام گرفته است که در صورت موفقیت آمیز بودن این کاربرد حجم زیادی از سرباره را مورد استفاده قرار می­دهد ]13-8[.

اما از عواملی که باعث شد محققان تلاش جدی­تری بمنظور یافتن راهی برای استفاده از سرباره در سیمان بکار گیرند این حقیقت بود که بازای تولید هر تن سیمان پرتلند در حدود 25/1 تن دی­اكسید كربن تولید می­شود كه یك گاز گلخانه­ای و مضر می­باشد. در ضمن برای تولید یک تن کلینکر سیمان پرتلند به انرژی گرمایی در حدود شش میلیون و سیصد هزار كیلو ژول احتیاج بوده که در صورت بکارگیری سرباره بعنوان جایگزین کلینکر هم صرفه جویی اقتصادی به لحاظ کاهش انرژی مصرفی برای پخت کلینکر صورت می­گیرد و هم از لحاظ زیست محیطی مزیتی دارد که میران گاز مضر تولیدی از طریق کارخانه­های سیمان را کاهش می­دهد. علاوه بر این استفاده از سرباره در سیمان بعنوان جایگزین کلینکر، بدلیل قیمت پایین سرباره­ها باعث کاهش قیمت سیمان تولیدی می­شود. تاکنون تنها استفاده از سرباره­های گرانوله شده کوره بلند در صنایع تولید سیمان برای تولید نوعی سیمان با نام سیمان سرباره­ای است موفقیت آمیز بوده که به خصوص در دو دهه­ی گذشته تحقیقات زیادی را معطوف خود ساخته است. سیمان­های سرباره­ای دارای مزایای زیادی از جمله موارد زیر می­باشد]13،9[:

• حرارت هیدراسیون پایین که در بتن ریزی­های حجیم یک مزیت است،
• نفوذ پذیری پایین
• مقاومت در برابر حملات سولفات ها و کربناتها
• مزایای اقتصادی ناشی از کاستن انرژی مصرفی برای پخت سیمان
• مزایای زیست محیطی ناشی از کاستن از مقدار و حجم گازهای تساعد شده در حین پخت
• از دیگر مزایای استفاده از سرباره­های فولاد در ترکیب کلینکر می­توان به تأثیرات قابل ملاحظه سرباره­های فولاد­سازی بر قابلیت خردایش ونرم شوندگی سیمان اشاره کرد.

بر خلاف سرباره­های کوره بلند که سالیان درازی است در صنایع مختلف مورد توجه بوده­اند و کاربرد آنها در سیمان نیز پیشینه­ا­ی نسبتاً طولانی دارد، سرباره کنورتور از دهه 90 میلادی مورد توجه  قرار گرفت. از کاربردهای سرباره کنورتور و نوع دیگر سرباره­های فولاد سازی در صنعت سیمان، مخلوط کردن آن با سرباره کوره بلند بوده که باعث تعدیل خواص آنها می­گردد. علاوه بر این، سرباره کوره بلند باعث از بین بردن ناپایداری­های حجمی ناشی از حضور آهک در سرباره کنورتور می­شود ]9[.

در این پروژه سعی شده است ابتدا خواص فیزیکی، شیمیایی و مینرالی سرباره­های آهن و فولاد بمنظور شناخت بهتر ویژگی­ها و مشخصات بررسی شود، سپس مخلوط­هایی با درصدهای مختلف سرباره بعنوان جایگزین بخشی از سیمان در حالت­های دوغاب[5]، خمیر[6] و ملات[7] ساخته شد و سپس خواص رئولوژیکی، شیمیایی، قلیاییت دوغاب، همچنین زمان گیرش خمیر و نیز استحکام مکانیکی ملات سخت شده بررسی گردید. بررسی­های ریز ساختاری هم توسط دستگاه میکروسکوپ الکترونی روبشی جهت شناخت بهتر از وضعیت تخلخل­ها و همچنین کریستال­های شکل گرفته اترینژایت[8]، پرتلندیت[9] (Ca(OH)2) و همچنین توبرموریت[10] به عنوان محصولات هیدراسیون صورت گرفت.

علاوه بر آزمایش­های فوق دو بررسی دیگر بر روی مخلوط­های سیمانی حاوی سرباره کنورتور صورت گرفت که عبارت بود از، استفاده از کلراید کلسیم بمنظور فعال­سازی قلیایی[11] سیمان­های حاوی سرباره کنورتور و دیگری استفاده از نانو سیلیس، که در این رابطه آزمایش­هایی بمنظور بررسی تأثیرات استفاده از این مواد بر زمان گیرش و همچنین استحکام مکانیکی ملات­های تهیه شده صورت گرفت که بحث و نتایج در مورد تأثیر آنها در فصل چهارم آورده شده است.

[1] Waste

[2] By-product

[3] Slag

[4] Nippon Slag Association

[5] Slurry

[6] Paste

[7] Mortar

[8] Ettringite

[9] Portlandite

[10] Tobermorite

[11] Alkali Activation