مفهوم کلی ظرفیت نفوذ و اهمیت آن از نظر دوام بتن، قبلا معرفی شده است. در این بخش، برخی از چندین روش اندازه گیری مورد استفاده به منظور تعیین کمی جنبه های مختلف ظرفیت نفوذ در بتن ها، به طور مختصر مورد بررسی قرار می گیرد.
این روش های مختلف، توانایی یک بتن مشخص در انتقال آب مایع، بخار آب، جریان الکتریکی با یون ها را در درجه نخست از طریق حفرات موجود در چسباننده بتن، مشخص می سازند. روشن است که این توانایی به اندازه حفرات و نیز به درجه ارتباط موثر حفرات بزرگتر، بستگی دارد. درجه بالایی از ارتباط میان حفرات بزرگتر اغلب با عنوان «تراوایی» در مراجع عنوان می شود، و از بین رفتن تدریجی آن بر اثر پیشرفت هیدراسیون منجر به ایجاد «ناتراوایی» می گردد. اغلب اینگونه بیان می شود که در ناتراوایی، حفرات بزرگ تر به طور موثری مجزا می شوند به گونه ای که تنها ارتباط باقیمانده میان آنها از طریق «حفرات ژلی» می باشد. نویسنده حاضر با توجه به بحث قبلی خود در ارتباط با مفهوم حفرات ژلی، این ایده را بسیار غیر متحمل می داند. ایده باریک شدن پیش رونده «درزهای محدود شده» چنانکه در شکل 2-8 نشان داده شده است، بسیار منطقی تر به نظر می رسد.
اندازه گیری ظرفیت نفوذ از طریق نفوذپذیری آب
مقیاس کلاسیک ظرفیت نفوذ در بتن، نفوذپذیری است، یعنی مقیاس نرخ انتقال جرمی آب تحت یک حد فشار مشخص، پس از برقرار شدن جریان حالت پایدار (دائمی)، این مفهوم ساده است اما اندازه گیری آزمایشگاهی برای اغلب بتن ها دشوار می باشد. اختلاف مقادیر به دست آمده در اندازه گیری های مکرر، اغلب قابل ملاحظه بوده و پراکندگی کلی نتایج متاسفانه بسیار بالا است. مدوده معمول این مقادیر برای بتن های شبه اصلی بالغ از مرتبه 12-10 تا 14-10 می باشد که مقادیر کمتر برای بتن هایی با ترکیبات سیمانی مکمل، به دست آمده است.
مقادیر نفوذپذیری چنانکه انتظار می رود، عموما با افزایش هیدراسیون، کاهش می یابند. همچنین گزارش شده است که این مقادیر در مدت یک آزمایش بخصوص، کاهش هایی را با گذشت زمان نشان می دهند که این امر تا حدی شگفت آور می باشد.
اندازه گیری ظرفیت نفوذ از طریق هدایت الکتریکی DC
چندین مورد از روش های مختلف سنجش ظرفیت نفوذ شمل توانایی نمونه های بتنی در عبور جریان مستقیم می باشد. از میان این روش ها، روش اندازه گیری «نفوذپذیری کلرید» تاکنون پرکاربردترین آنها بوده و عموما برای محققان و کارشناسان بتن در آمریکای شمالی و دیگر نقاط، آشنا می باشد. روش استاندارد ASTM C1202-97، مقدار کلی عبور جریان (برحسب کلمب) در مدت شش ساعت از نقطه ای به ضخامت mm50 از بتن اشباع در حالت تماس با محلول های الکترود NaCl و NaOH را در اختیار می گذارد؛ در حالتی که ولتاژ در کل آزمایش برابر 60 ولت DC باقی بماند محدوده مقادیر مربوط به بتن های شبه اصلی (اندازه گیری شده در زمان 28 روز مشخص شده در استاندارد) بین حدود 6000 کلمب و 1500 کلمب می باشد که اغلب به نسبت w:c بستگی دارد.
همانند نفوذپذیری آب، مقادیر کلمب اندازه گیری شده برای بتن های با نسبت های w:c کمتر، کوچکتر بوده و این مقادیر برای بتن های شامل ترکیبات سیمانی مکل، باز هم کوچکتر می باشد. بتن هایی که به طور تناوبی به موازات پیشرفت هیدراسیون آزمایش می شوند، کاهش های پیش رونده ای را در مقادیر کلمب اندازه گیری شده نشان می دهند.
این روش سریع و نسبتا تکرارپذیر می باشد، ما ولتاژ بالای استفاده شده، اثرات حرارتی را در بتن های نفوذپذیرتر ایجاد می کند که منجر به پیچیدگی هایی می گردد. این روش در اصل به منظور تهیه ابزاری برای درجه بندی میزان کارآیی راهکارهای مختلف طراحی شده جهت طولانی نمودن عمر کاری بتن های عرشه پل در برابر خوردگی فولاد، ایجاد گردید و مشخصا برای اندازه گیری هدایت الکتریکی یا انتشار یون کلرید طراحی نشده است.
روش های اندازه گیری الکتریکی اساسی بیشتری برای ظرفیت نفوذ در بتن ها طی 25 سال گذشته ایجاد شده است. کار اولیه ویتینگتون و همکاران، مبنایی را برای درک اصول هدایت الکتریکی در بتن فراهم نمود. این کار نشان داد که هدایت الکتریکی به صورت نسبتا کاملی به هدایت چسباننده خمیر سیمان بستگی دارد و چنانکه انتظار می رفت، مشخص شد که هدایت الکتریکی برای بتن های با نسبت بالاتر w:c، بیشر می باشد و به تدریج که چسباننده بر اثر ادامه هیدراسیون نفوذناپذیرتر می گردد، هدایت الکتریکی با زمان کاهش می یابد.
بعدها کریستنسن و همکاران اصول مربوط به هدایت جریان در فاز چسباننده خمیر سیمان را خلاصه نمودند. مشخص شد که هدایت «حجمی» خمیر عموما چندین برابر کوچکتر از هدایت محلول حفره ای هیدروکسید قلیایی موجود در آن می باشد. روابط حاکم به صورت محصول توام سه عامل بیان شدند: قابلیت هدایت محلول حفره ای؛ کسر حجمی موثر «حفرات مویینه» حامل جریان؛ و «عامل β» که شاخص معکوس انحنای این کانال های حامل جریان می باشد. در حالی که قابلیت هدایت محلول حفره ای بیان شده ممکن است به اندازه جزئی با ادامه هیدراسیون افزایش یابد، اما این اثر با کاهش حجم موثر حفراتی که یون های حامل جریان از انها عبور می کنند و خصوصا با افزایش انحنای مسیر جریان (کاهش β) خنثی می گردد. نتیجه خالص آن است که هدایت الکتریکی به طور مداوم با هیدراسیون کاهش می یابد که همانند کاهش نشان داده شده در روش های دیگر اندازه گیری ظرفیت نفوذ می باشد.
بنابراین، هدایت DC می تواند به عنوان یک شاخص آسان ظرفیت نفوذ یک بتن به کار می رود، خصوصا اگر قابلیت رسانایی محلول حفره ای آن قابل تعیین یا تخمین باشد.
این ایده ها اخیرا توسط نوکن و هوتون به منظور شکل دادن روشی برای اندازه گیری عادی ظرفیت نفوذ از طریق اندازه گیری قابلیت هدایت DC، با هدف ایجاد پایه ای برای مشخصات دوام بتن، به کار گرفته شده است. در روش آنها، از دستگاه و شکل نمونه مطابق با ASTM C1202-97 استفاده می شود اما جزئیات اندازه گیری تا حد زیادی از روش ASTM متفاوت می باشد. برای اجتناب از اثرات حرارتی، ولتاژ تا 15 ولت و زمان اندازه گیری تا 15 دقیقه کاهش یافت و برای ایجاد تماس الکتریکی، ز M NaOH3/0 در هر دو وجه استفاده شد. مقادیر هدایت الکتریکی حجمی اندازه گیری شده با این روش برای بتن های شبه اصلی، بین تقریبا ms/cm800 برای بتن های نفوذپذیر تا حدود ms/cm100 برای بتن نفوذناپذیر، قرار گرفت. این مقادیر برای بتن های حاوی میکروسیلیس و خاکستر بادی، پایین تر بود.
محلول های حفره ای بتن توسط نوکن و هوتون توصیف شده و مود تحلیل قرار گرفتند و قابلیت هدایت محلول ها توسط روش اسیندر و همکاران محاسبه شد. مشخص شد که در عین حال که قابلیت هدایت محلول حفره ای چندین برابر بیشتر از قابلیت هدایت حجمی می باشد، اما با نرمال نمودن مقادیر اخیر (یعنی با تقسیم آنها بر قابلیت هدایت محلول)، تنها همبستگی کمی بهتری برای نفوذپذیری آب و دیگر روش های اندازه گیری ظرفیت نفوذ نسبت مقادیر خام قابلیت هدایت حجمی، به دست آمد.
روش های اندازه گیری ظرفیت نفوذ در بتن
اندازه گیری ظرفیت نفوذ از طریق مقاومت ظاهری (امپدانس) مختلط AC
بیشتر تمرکز تحقیقات بر روی اندازه گیری های خواص الکتریکی بتن ها (یا به طور عام، خمیرهای سیمان) شامل توسعه و تفسیر روش های طیف سنجی مقاومت ظاهری مختلط (ASIC) AC بوده است. این پیشرفت ها توسط کریستنسین و همکاران خلاصه شده است. چنین روش هایی، بررسی های بسیار دقیق تری از هدایت الکتریکی خمیرهای سیمان را امکان پذیر ساخته و عوامل مختلف مرتبطی مانند رفتار و خواص عایق های الکتریکی مربوط به انتشار یون ها را مشخص می نمایند. راهکارهای اخیر در این موضوع و ارتباط آن با پارامترهای حفره ای در بتن، توسط مک کارتر و همکاران و نیز بیودواین و مارچند ارائه گردیده است.
مطالب مرتبط با این مقاله را در این بخش از کلینیک بتن ایران دنبال نمایید
عوامل تاثیر گذار بر مقاومت بتن و آزمون های بتن
آزمایش های مقاومت نیمه مخرب بتن
مقاومت سازه ای نسبت به نمونه های استاندارد بتن
اندازه گیری ظرفیت نفوذ از طریق انتقال خار آب
روش های اندازه گیری انتقال بخار آب در داخل بتن به طور مختصر در مقدمه مغهوم ظرفیت نفوذ، ذکر گردید و ماهیت غیرعادی انتقال بخار آب در داخل نمونه های نسبتا خشک، در شکل 2-8 نشان داده شد. یک روش آزمایش استاندارد ASTM برای عبور بخار آب از مصالح (ASTM E96-00) روشی را برای اندازه گیری نرخ عبور بخار آب از ضخامت واحد مصالح از طریق ایجاد تفاوت فشار بین دو سطح مصالح، مشخص می نماید. این روش به طور ویژه برای بتن طراحی نشده است و درجه اشباع خود نمونه را مورد توجه قرار نمی دهد و این به طور مشخص، عامل کنترل کننده ای برای بتن نسبتا خشک می باشد.
یک مشخصه فنی ISO تا حدی مشابه اما انعطاف پذیرتر، به طور کلی برای مصالح ساختمانی طراحی گردید. این روش، امکان اندازه گیری های انتقال بخار آب تحت چندین شرایط مرزی متفاوت را به وجود آورده و بیشتر مشخص می کند که نمونه دارای شرایط RH %50 می باشد.
نیلسون با استفاده از نوع دیگری از روش های ISO، ضرایب انتشار بخار آب در بلندمدت را برای بتن های بسیار بالغ اندازه گیری کرده است، اما این کار تنها بین شرایط مرزی RH %65 و RH %100 انجام شده است. ضرایب انتشار رطوبت، وابستگی مورد انتظار به نسبت w:c را نشان دادند. چنانکه انتظار می رفت، مشخص شد که ضرایب انتشار رطوبت برای بتن های حاوی میکروسیلیس بسیار پایین تر و این ضرایب برای بتن های شامل میکروسیلیس و خاکستر بادی، به طور ویژه پایین بودند.
مطالعات تا حدی مشابه توسط جوس و رینهاردت انجام گرفت، اما در این مورد، مطالعه بر روی اثرات افزایش دما متمرکز گردید. مشخص شد که در دماهای بالاتر، ضرایب انتشار به میزان قابل ملاحظه ای افزایش می یابند. جوس و رینهاردت در تحلیل های خود، سهم و اثر مجزای ناشی از انتشار در داخل حفرات پر نشده و ناشی از انتقال مایع در داخل «نقاط مسدود» پر شده مانند آنچه در شکل 2-8 نشان داده شده، در ضرایب انتشار مشاهده شده را شناسایی نمودند، اما نتوانستند جریان کلی را به اجزاء جداگانه ای تفکیک نمایند. این مشکل اصلی است که باید حل شود.
اندازه گیری ظرفیت نفوذ از طریق انتشار یون ها
جنبه مهم (و در عین حال بسیار پیچیده) دیگری از ظرفیت نفوذ در بتن، شامل اندازه گیری مقادیر انتشار یون هاست.
ضرایب انتشار یون های ویژه، عمدتا یون های Cl-، برای سال های بسیاری در درجه اول در ارتباط با برآورد زمانی که یک پوشش بتن می تواند فولاد مسلح سازی را در برابر حمله کلرید حفظ نماید، مورد مطالعه قرار گرفته است . مقادیر معمول بیان شده برای ضرایب انتشار مشخص یون Cl- در بتن های شبه اصلی در حدود 12-10×2 تا حدود m2/s 12-10×10 می باشند.
چنانکه ممکن است انتظار رود، ضرایب انتشار برای بتن های با نسبت w:c کمتر، پایین تر بوده و برای بتن های با مقادیر زیاد خاکستر بادی، میکروسیلیس و سرباره، باز هم مقادیر کمتری به دست می آید.
چنانکه توسط دلاگراو و همکاران اشاره دشه است، مقادیر مشخص به دست آمده برای ضریب انتشار یون، تا حد بسیار زیادی به روش بخصوص اندازه گیری و روال محاسبه که مورد استفاده قرار می گیرد، بستگی دارد. با این وجود، هر یک از روش های بررسی شده توسط این نویسندگان، نسبت به تفاوت های موجود در ریزساختار بتن حساس می باشد و توصیه شد که هر یک از آنها را می توان به عنوان یک روش اندازه گیری ظرفیت نفوذ به مفهوم به کار رفته در این مقالات کلینیک بتن ایران، مورد استفاده قرار داد.
اما این نویسندگان اشاره نمودند که یون ها به طور مستقل منتشر نمی شوند؛ یعنی اندرکنش های میان انواع مختلف یون هایی که به طور همزمان منتشر می شوند و نیز در ریزساختارها، اتفاق می افتد. چنانکه ممکن است انتظار برود، اندرکنش ها در ریزساختارها، در نسبت های پایین w:c و نیز هنگامی که ترکیباتی مانند میکروسیلیس وجود داشته باشد، شدیدتر می باشد.
تلاش های بسیاری به منظور توصیف ریاضیاتی مهاجرت یون ها به عنوان بخشی از فرایندهای کلی تر انتقال یونی، در حال انجام می باشد. یک روش کلی برای انجام این کار برای کلیه یون ها، براساس نتایج آزمایش مهاجرت یون ها، اخیرا توسط سامسون و همکاران ارائه شده است.
رویکردهای اتی
چنانکه در مقالات ذکر شد، در این مقالات عمدا بحث را به یافته هایی براساس شواهد آزمایشگاهی بجای مدلسازی، محدود ساخته است. مبنای حداقل برخی از مدل های موجود از نظر ارائه مشخصات و ویژگی های به دست آمده در بتن، تا حد زیادی غیر واقع بینانه می باشد.
با این وجود، رویکرد آتی، یک توسعه رو به جلو برای مدل های واقع بینانه تر براساس درک عمیق تری از ریزساختارهای واقعی در بتن بوده و می تواند مشخص نماید که در واقع مشخصات ریزساختار چگونه فرایندهای انتقال موجود در نفوذ آب، یون ها و غیره را کنترل می کنند. پیشرفت های هر چه بیشتر رایانه ای نیز احتمالا در تسهیل این توسعه، مفید خواهد بود.
رویکرد آتی دیگری که ممکن است مورد توجه قرار گیرد، عبارت ست از به تصویر کشیدن ساختار سه بعدی واقعی خمیر سیمان –شامل حفرات- در بتن ها، از طریق روش های پرتونگاری مقطعی محاسباتی باکیفیت و بزرگنمایی بالا و به صورت کاملا واضح. چنانکه قبلا مشخص گردید، تصاویر پرتونگاری مقطعی محاسباتی در حال حاضر در اندازه های واکسل نزدیک به mµ1 و در محدوده های دینامیکی کافی به منظور تشخیص دانه های سیمان و حداقل حفرات درشت تر، قابل تولید می باشند. پیشرفت های ممکن در زمینه وضوح و کیفیت (و محدوده دینامیکی) برای پرتونگاری مقطعی محاسباتی، می تواند اطلاعات سه بعدی را با همان سطح جزئیات موجود در SEM پس پراکنش موجود، در اختیار ما قرار دهد. در عین حال، پیشرفت های صورت گرفته در دستگاه های SEM نیز یقینا می تواند مطالعه جزئیات حفرات و دیگر مشخصات ریزساختاری به صورت دو بعدی را تسهیل نماید. بخصوص جای امیدواری است که ترکیب پرتونگاری مقطعی محاسباتی، قابلیت SEM با وضوح بالاتر و مدلسازی واقع بینانه، بتواند جزئیاتی را که کنترل کننده نفوذ در بتن های واقعی هستند، آشکار نماید.