وجود حتی مقادیر اندک جزء مضر و ناخالصی در سنگدانه های بتن، می تواند اثر نامطلوب عمده ای برعملکرد بتن داشته باشد و از این رو، شناسایی نوع و مقدار ااین مواد نامطلوب، از اهمیت ویژه ای برخوردار می باشد. در جدول 7-1 طیف وسیعی از انواع اجزاء مضر مورد توجه و اثرات احتمالی آنها بر روی بتن ارائه شده است. مواد یافت شده در کسر حجمی زیر الک شماره 200 یا «ریز ذرات» که اغلب به صورت ناخالصی ها و رس ها در این محدوده ظاهر می شوند، به طور ویژه مورد توجه می باشند. هنگام بررسی ماهیت این ریزذرات نیز، آزمایشات بیشتری ممکن است مورد نیاز باشد. آزمایشات ساده ی مانند آزمایش هم ارز ماسه (AASHTO T 176) و آزمایش متیلن بلو (AASHTO TP57) به ترتیب در ارزیابی مقدار نسبی مواد «شبه رسی» و شناسایی رس های اسمکتایت در سنگدانه ها، مفید می باشند. برخی رس ها می توانند اثر نامطلوبی بر کارآیی داشته و می توانند با برخی فوق روان کننده های پلی کربوکسیلیت، بر هم کنش داشته باشند (و منجر به افت کارآیی آنها در عمل کاهش آب، گردند). وجود میکا که مقار آن را می توان به وسیله سنگ نگاری از طریق شمارش نقاط تعیین نمود، مهم می باشد، زیرا مقادیر زیاد میکا (بیشتر از 10% در نسبت اندازه مخصوص) ممکن است منجر به افزایش مصرف آب، جداشدگی و آب انداختگی گردد.

جدول 7-1- اجزاء مضر در سنگدانه ها
* در مقالات دیگر وب سایت کلینیک بتن ایران بحث شد.

سنگدانه های بتن

اغلب اجزاء بالقوه مضر توصیف شده در بالا، دارای اثر غیر مستقیمی بر دوام بتن می باشند. یعنی اغلب آنها خواص سنین اولیه مانند زمان گیرش، کارآیی و مصرف آب را تحت تاثیر قرار می دهند که در برخی موارد دارای اثر نامطلوبی برکیفیت بتن سخت شده می باشد. اگر آب در محل مثلا برای جبران تقاضای آب بیشتر اضافه گردد، آب اضافی منجر به کاهش مقاومت، افزایش نفوذپذیری و کاهش دوام بلندمدت می گردد. به طور مشابه، اگر این اثرات نامطلوب منجر به ترک خوردگی بتن گردند (مثلا بر اثر ناخالصی هایی که هیدراسیون یک دال بتنی را به شدت کند نموده و بعدا این دال بتنی دچار جمع شدگی پلاستیک گردد)، عملکرد بلندمدت بتن کاهش می یابد.
انواع دیگر ناخالصی ها و مواد نامطلوب در سنگدانه ها ممکن است دارای اثر مستقیمی برعملکرد بتن باشند. مثلا چرت ها، سنگدانه های حساس به AAR، توده های رسی، محصولات شکننده و خردشونده، و زغال همگی می توانند منجر به بیرون پریدگی سطحی گردند. علاوه بر آلودگی های ارائه شده در جدول 7-1، باید توجه نمود که مواد قلیایی ممکن است از برخی سنگدانه ها آزاد شده ، تمایل به AAR را تشدید نماید. همچنین وجود مقادیر بالای نمک های مضر به ویژه کلریدها و سولفات ها منجر به خطرات خوردگی آرماتورهای فولادی  و تخریب شیمیایی خمیر سیمان  خواهد شد.

واکنش قلیا- سنگدانه (AAR)

مقدمه
واکنش قلیا- سنگدانه (AAR) واکنشی است میان هیدروکسیدهای قلیایی موجود در محلول حفره ای و اجزاء ویژه برخی سنگدانه ها که تحت شرایط ویژه ای، این واکنش ممکن است منجر به انبساط نامطلوب و ترک خوردگی بتن گردد. دو نوع مشخص واکنش قلیا- سنگدانه در بتن وجود دارد که عبارتند از (1) واکنش قلیا- سیلیس (ASR) که واکنش کانی های ویژه سیلیسی در سنگدانه را شامل می شود، و (2) واکنش قلیا- کربنات (ACR) که واکنش کانی های کربنات را شامل می گردد.
مشکلات ناشی از ASR ابتدا در ایالت کالیفرنیا در دهه 1930 شناسایی گردید و گزارش آن توسط توماس استانتون از بخش بزرگ راه های ایالتی کالیفرنیا در سال 1940 ارائه گردید. از آن به بعد، ASR در کشورهای بسیاری در سراسر دنیا شناسایی شده است و این مشکل یکی از علل عمده خرابی زودهنگام بتن می باشد. تحقیقات بسیاری در این زمینه صورت گرفته است و اکنون روش های تعریف شده ای برای شناسایی سنگدانه های بالقوه واکنش پذیر و جلوگیری از انبساط نامطلوب در زمان استفاده از این سنگدانه ها وجود دارد. همچنین برخی روش ها برای مدیریت سازه های تحت تاثیر ASR وجود دارد. این موضوعات به همراه مکانیزم های واکنش، در این مقاله مورد بررسی قرار می گیرند. واکنش قلیا- کربنات (ACR) ابتدا توسط اسونسون به عنوان علت تخریب بتن در کانمادا کشف گردید و پس از آن در موارد تخریب سازه های بتنی در آمریکا، مورد توجه قرار گرفت. برخلاف ASR، مشکلات ACR به محل های مشخصی در دنیا محدود می گردد. بنابراین، تحقیقات نسبتا اندکی در زمینه این موضوع صورت گرفته است. هرچند توافق نامه های مشخصی جهت شناسایی سنگدانه های واکنش پذیر قلیا- کربنات وجود دارد، اما اقدامات مشخی برای کنترل این واکنش ها از طریق اجتناب از استفاده مواد واکنش پذیر در بتن، وجود ندارد. بحث پیرامون ACR در این مقاله، به خلاصه ای از مکانیزم های واکنش محدود می گردد.

مواد قلیایی در سیمان پرتلند

منبع عمده مواد قلیایی در بتن، سیمان پرتلند می باشد. چنانکه در مقالات دیگر وب سایت رسمی کلینیک بتن ایران بیان گردید، سیمان پرتلند شامل مقادیر نسبتا کمی از سدیم (Na) و پتاسیم (K) بوده و این عنااصر معمولا در یک تحلیل شیمیایی معمولی، به صورت اکسید، Na2O و K2O، بیان می شوند. از آنجا که این قلیاها دارای رفتار نسبتا مشابهی در بتن حاوی سیمان پرتلند می باشند، تبدیل مولفه اکسید پتاسیم یک سیمان به یک مقدار معادل اکسید سدیم و گزارش مقدار اکسید سدیم معادل کل، کاری مرسوم بوده و محاسبه آن به صورت زیر می باشد:

(7-1)
Na₂Oe = Na₂O + 0.658 × K₂O

که Na₂Oe مقدار سدیم معادل، Na₂O مقدار اکسید سدیم، K₂O مقدار ااکسید پتاسیم و 658/0 یک ضریب تبدیل براساس وزن های مولکولی نسبی اکسیدها (Na₂O/K₂O) می باشد. یک تحلیل شیمیایی معمولی برای سیمان پرتلند در جدول 7-2 نشان داده شده است. مقدار قلیا معادل این سیمان بخصوص برابر 63% Na₂Oe (%73/0×658/0+%15/0=) بوده و مقدار قلیا معادل سیمان های پرتلند عموما در محدوده حدود 2/0 تا 20/1 % Na₂Oe می باشد.

جدول 7-2- تحلیل شیمیایی معمولی برای سیمان پرتلند

اگرچه مواد قلیایی مقدار کمی از سیمان پرتلند را تشکیل می دهند، اما در ساختار شیمیایی محلول حفره ای بتن تعیین کننده بوده و همانگونه که در مقالات دیگر کلینیک بتن ایران تشریح گردید، پس از اولین روز هیدراسیون در دماهای معمولی، محلول حفره ای، به مخلوطی از محلول های NaOH و KOH، با مقادیر اندکی از دیگر گونه های یونی محلول، تبدیل می شود. غلظت هیدروکسیدهای فلزی قلیایی در محلول، به برخی عوامل به ویژه میزان مواد قلیایی سیمان، نسبت آب به سیمان (w/c) و درجه هیدراسیون، بستگی داشته و معمولا در محدوده 15/0 تا mol/l 85/0، متناظر با مقادیر pH در محدوده تقریبی 2/13 تا 9/13 قرار دارد.
هلموث و همکاران یک رابطه تجربی را برای پیش بینی غلظت یون هیدروکسیل در محلول حفره ای خمیرهای سیمان پرتلند بالغ، ارائه نمودند که به صورت زیر می باشد:
(7-2)

[OH-]=0.339(Na₂Oe)/(w/c) + 0.022 ± 0.06 mol/l

مثلا رابطه (7-2)، یک غلظت یون هیدروکسیل به میزان mol/l 43/0 در محلول حفره ای یک خمیر سیمان هیدراته با سیمانی باا درصد قلیا 60/0% Na2Oe و 50/0= w/c را پیش بینی می نماید.
مواد قلیایی ممکن است از دیگر مواد تشکیل دهنده بتن (مانند مواد سیمانی مکمل، سنگدانه ها یا مواد افزودنی) و یا منابع خارجی (مانند نمک های یخ زدا یا آب دریا) ناشی شوند که این موضوع در مقالات دیگر وب سایت رسمی کلینیک بتن ایران توسط مهندسین مشاور مهرازان پایدار مورد بحث قرار می گیرد.

واکنش قلیایی- سیلیسی (ASR)

به طور خلاصه، واکنش قلیایی- سیلیسی واکنشی است میان هیدروکسیدهایی قلیایی در محلول حفره ای بتن و سیلیس ناپایدار از نظر ترمودینامیکی در برخی سنگدانه ها. محصول واکنش، یک ژل قلیایی- سیلیسی است (با ترکیبی متغیر) که تمایل به جذب آب و تورم دارد. فشارهای تورم می توانند به اندازه ای باشند که موجب انبساط و رک خوردگی بتن گردند. شکل 7-2، ریز تصویری از یک مقطع نازک تهیه شده از بتن تحت تاثیر ASR را نشان می دهد.

شکل 7-2- مقطع نازکی از بتن تحت تاثیر ASR نشان دهنده سنگریزه چخماق واکنش پذیر (سمت چپ) با ترک پرشده از ژل در حال گسترش به خمیر سیمان اطراف (سمت راست)- عرض تصویر تقریبا mm2 می باشد.

گوشه پایین سمت چپ این تصویر یک ذره با ابعاد ماسه از سنگریزه چخماق واکنش پذیر را نشان می دهد. این ذره با مواد قلیایی واکنش داده، منبسط شده و ترک خورده و ترک آن از سنگدانه خارج شده و به سمت خمیر سیمان هیدراته اطراف در سمت راست ذره امتداد یافته است. این ترک تا حدی از ژل قلیایی- سیلیسی پر شده است. شکل 7-3 مشخص می سازد که این واکنش چگونه خود را در یک دیوار بتنی غیر مسلح نشان می دهد. انبساط داخلی، منجر به ایجاد ترک هایی با توزیع اتفاقی در سطح نمایان می گردد. این پدیده اغلب با عنوان ترک خوردگی نقشه ای (الگویی) یا ترک خوردگی نقشه ای نامیده می شود.

شکل 7-3- ترک خوردگی نقشه ای دیوار بتنی تحت تاثیر ASR

واکنش قلیایی- سیلیسی برخلاف نام آن، در واقع واکنشی است میان یون های هیدروکسیل (OH-) در محلول حفره ای و برخی اجزاء سیلیسی سنگدانه که در آن سیلیس واکنش پذیر مستقیما مورد حمله کاتیون های فلز قلیایی (Na+ و K+) واقع نمی شود. هنگامی که سیلیس آبدار کریستالی در معرض یک محلول قلیایی قوی قرار می گیرد، یک واکنش برپایه اسید میان یون های هیدروکسیل در محلول حفره ای و گروه های اسیدی سیلانول (Si-OH) به صورت زیر اتفاق می افتد:

(7-3)
Si-O^- + H₂O ≡ Si-OH + OH^-          ≡ 

با نفوذ بیشتر یون های هیدروکسیل در ساختار، برخی پیوندهای سیلوکسان (Si-O-Si) نیز مورد حمله واقع می شوند:

(7-4)
≡Si-O^- + H₂O 2         ≡Si-O-Si≡ + OH- 

بارهای منفی بر روی اتم های اکسیژن انتهایی از طریق کاتیون های قلیایی (Na+ و K+) که به طور همزمان در داخل ساختار منتشر می شوند، تعادل می یابند. قطع پیوندهای سیلوکسان، ساختار را ضعیف نموده و با فرض وجود ذخیره کافی هیدروکسید قلیایی، این فرآیند جهت تولید یک محلول سیلیکات قلیایی، ادامه می یابد.
با وجود پذیرش عمومی واکنش های شیمیایی موجود در این فرآیند، برخی مکانیزم های مختلف انبساط پیشنهاد شده است. در تئوری اسمزی هانسن، خمیر سیمان اطراف دانه های واکنش پذیر به عنوان یک غشاء نیمه تراوا در نظر گرفته می شود که آب (یا محلول حفره ای) می تواند از میان آن عبور نماید، اما یون های سیلیکات پیچیده بزرگ تر قادر به عبور از آن نیستند. آب به داخل ذره واکنش دهنده یعنی جایی که پتانسیل شیمیایی آن کمترین مقدار است، کشیده می شود. یک سلول فشار اسمزی تشکیل شده و فشار هیدرواستاتیکی افزایشی به خمیر سیمان وارد شده و به طور اجتناب پذیری منجر به ترک خوردگی ملات اطراف می گردد.
آزمایشات آزمایشگاهی هانسن تایید نموده است که فشارهای اسمزی توسط محلول های سیلیکات سدین هنگام جدا شدن از آب از طریق یک غشاء خمیر سیمان، تولید شده اند. در حقیقت، این اصلی است که آزمایش سلول اسمزی برای ارزیابی واکنش پذیری سنگدانه ها، بر آن تکیه دارد. در این آزمایش، سلول های مجاور پر شده از محلول هیدروکسید سدیم، توسط یک غشاء خمیر سیمان از یکدیگر جدا می شوند به طوری که یک نمونه از سنگدانه ها به داخل یک سلول وارد شده و نرخ جریان اسمزی (به داخل سلول حاوی سنگدانه)، شاخصی از واکنش پذیری را در اختیار می گذارد.

پرطرفدارترین مطالب ما را از دست ندهید!
سیمان چیست
انواع ملات های ساختمانی شامل چه مواردی است ؟
چسب بتن چیست

مک گوان و ویوان، تئوری اسمزی کلاسیک را بر این اساس مورد بحث قرار داده اند که ترک خوردگی «غشاء» خمیر سیمان اطراف ناشی از ASR، فشار هیدرولیکی را کاهش داده و از انبساط بیشتر جلوگیری می نماید. کار این محققین نشان داد که انبساط، با تشکیل و عریض شدن ترک ها، بر اثر نیروهای (جذب) مکانیکی به جای نیروهای هیدرولیکی، همراه خواهد بود. آنها یک مکانیزم جایگزین براساس جذب فیزیکی آب توسط ژل سیلیس قلیایی و تورم بعدی ژل را پیشنهاد نمودند. تانگ با تئوری جذب آب و تورم موافق بود. مشاهدات وی از مقاطق صاف و صیقلی نشان داد انبساط پیش از به حالت سیال درآمدن محصول واکنش، اتفاق می افتد. بنابراین، وجود و ترکیب یک غشاء نیمه تراوا، معنی چندانی نخواهد داشت.
پاورز و استینور یک حالت ترکیبی را پیشنهاد نمودند که نشان می داد هر دو فشارهای اسمزی و جذبی ممکن است تولید شوند، بسته به آنکه ساختار قلیا- سیلیس سیال باشد یا جامد. در فرضیه آنها، محصول واکنش بسته به ترکیب آن، خود ممکن است به عنوان یک غشاء نیمه تراوا عمل نماید. صرف نظر از این مکانیزم، علت اصلی تورم از نظر ترمودینامیکی یکسان می باشد، یعنی ورود آب به داخل ناحیه ای که در آن اثر یک ماده محلول یا جذب، انرژی آن را کاهش می دهد.

منابع سیلیس واکنش پذیر

سیلیس، SiO2، یک جزء تشکیل دهنده بسیاری از سنگ ها می باشد، اما همه انواع شکل های سیلیس واکنش قابل ملاحظه ای با محلول حفره ای بتن انجام نمی دهند. مثلا کوارتز یک کانی سیلیس پایدار می باشد و علت آن است که دارای یک ساختار کریستالی منظم می باشد. از سوی دیگر اوپال دارای یک ساختار نامنظم (غیر متبلور) است، با وجود آنکه ساختار شیمیایی آن درست مشابه کوارتز می باشد (یعنی SiO2). واکنش قلیایی- سیلیسی در بتن ساخته شده با ماسه کوارتزی خالص، اتفاق نمی افتد. در واقع ماسه کوارتزی به عنوان سنگدانه استاندارد در آزمایشات ملات انجام شده بر روی سیمان، مورد استفاده قرار می گیرد. ASR به سرعت در بتن ساخته شده با یک سنگدانه شامل سیلیس اوپالی اتفاق می افتد، البته با فرض آنکه مقدار مواد قلیایی موجود کافی باشد، و این واکنش تحت شرایط ویژه ای می تواند منجر به انبساط و ترک خوردگی بتن گردد.
نشان داده شده است که کانی های سیلیسی زیر به طور نامطلوبی در بتن واکنش می دهند: اوپال، تریدیمیت، کریستوبالیت، شیشه آتشفشانی، سنگ چخماق، کوارتز کریپتوکریستالی (یا میکروکریستالی) و کوارتز کشش یافته. این مصالح ممکن است در گونه های سنگی زیر یافت شوند: شیل، ماسه سنگ، سنگ های کربناتی سیلیسی شده، سنگ چخماق، سنگریزه چخماق، کوارتزیت، کوارتز، آرنیت، گنیس، آرگیلیت، گرانیت، گری ویک، سنگ لای، آرنیت، آرکوز و هورنفلس. اما این بدان معنانیست که کلیه منابع چنین سنگ هایی هنگام استفاده در بتن، موجب انجام واکنش های نامطلوبی می شوند. مثلا سنگدانه های گرانیتی به طور وسیعی در بتن استفاده شده و تنها برخی منابع آن، ASR مخرب تولید می نمایند. واکنش پذیری یک سنگ، به نوع و کمیت کانی های واکنش پذیر موجود در آن، در صورت وجود، بستگی دارد. وجود کانی های واکنش پذیر معمولا می تواند از طریق یک سنگ نگار آموزش دیده، شناسایی گردد. اما آزمایش عملکردی مناسب یک منبع سنگدانه بخصوص به منظور تایید واکنش پذیری قلیایی- سیلیسی توصیه می گردد. روش های آزمایش در مقالات دیگر وب سایت رسمی کلینیک بتن ایران مورد بحث قرار می گیرند.

واکنش قلیایی- کربناتی (ACR)

واکنش قلیایی- کربناتی میان هیدروکسیدهای قلیایی و برخی سنگ آهک های دولومیتی شبه رسی اتفاق می افتد. این دولومیت ها با خمیری از مواد معدنی رسی و کلسیتی ریزدانه با لوزی های وجه های دولومیتی پراکنده، قابل شناسایی می باشند. این واکنش از طریق انبساط سریع و ترک خوردگی گسترده بتنآشکار می شود و ساختارهای تحت تاثیر ACR معمولا ترک خوردگی را در مدت 5 سال یا کمتر نشان می دهند.
هرچند درباره مکانیزم های دقیق موجود در این فرآیند، اتفاق نظر وجود ندارد، اما این موضوع به طور عام پذیرفته شده است که این واکنش، با فرآیند دولومیت زدایی به صورت زیر می باشد:

(7-5)
CaMg(CO3)2+2ROH         CaCO3+Mg(OH)2+R2CO3
بروسیت       کلسیت                             دولومیت

که R نشان دهنده K یا Na می باشد. اما از آنجا که این واکنش منجر به کاهش حجم جامد می گردد، انبساط باید ناشی از یک مکانیزم دیگر باشد.

چندین تئوری برای مکانیزم انبساط ارائه شده است که عبارتند از:

• فشارهای هیدرولیکی ناشی از مهاجرت مولکول های آب و یون های قلیایی به سمت فضای محدود خمیر رس/ کلسیت در اطراف لوزی های دولومیت.
  
• جذب یون های قلیایی و مولکول های آب بر روی سطح کانی های رسی «فعال» پراکنده شده در اطراف ذرات دولومیت و
  
• رشد و آرایش مجدد محصولات حاصل از دولومیت زدایی (یعنی بروسیت و کلسیت).

کربنات قلیایی تولید شده در واکنش دولومیت زدایی ممکن است با آهک موجود در خمیر سیمان به صورت زیر واکنش دهد:

(7-6)
R2CO3 + Ca(OH)2         CaCO3 + 2ROH
به این ترتیب، تولید مجدد مواد قلیایی برای واکنش بیشتر صورت می گیرد. بنابراین، با فراهم شدن مواد قلیایی کافی جهت آغاز واکنش، این فرآیند ممکن است به طور مستقل از مقدار مواد قلیایی موجود در بتن ادامه یابد. این پدیده می تواند توضیح دهد که چرا سیمان های با خاصیت قلیایی پایین، در کنترل واکنش صدمه زننده در برخی موارد، موثر نمی باشند.