تاثیرات بر هیدراتاسیون سیمان

(الف) سرعت واکنش

منحنی های کالیمتریک سیمان پرتلند هیدرات شده هم دما، حاوی کمیت های گوناگون اتانولامین در شکل 5-3 نشان داده می شود. در تماس اولیه با آب هر نمونه گرما بیرون می دهد (در شکل نشان داده نشده) که می تواند به گرمای خیس شوندگی و هیدراتاسیون آهک آزاد و واکنش C3A با گچ برای تشکیل اترنیگیت نسبت داده شود. میزان گرما با مقدار TEA افزایش می یابد و حاکی از آن است که واکنش گچ C3A تسریع می گردد.

هیدراتاسیون سیمان

قله دوم پس از 9 الی 10 ساعت در یک خمیر سیمانی رخ می دهد، که عمدتا به علت هیدراتاسیون C3S است و در حضور TEA امتداد می یابد. این نشان می دهد که هیدراتاسیون C3S به خصوص در مقادیر بالای TEA به تاخیر می افتد. منحنی های کالریمتریک هم دمای مشابه برای کلسیم کلرید، فرمیت، برومید و نیترات در شکل های 5-5، 4-5 و 5-6 داده می شود و حاکی از آن است که:
1- کلسیم کلرید، تسریع کننده موثرتری از دیگر مواد است.
2- همه مواد واکنش هیدراتاسیون فاز C3S را تسریع می کنند.
3- فراتر از ناحیه منحنی ها، واکنش های فاز C3A یا تنزل می یاابد و یا به تاخیر می افتد.
دیگر داده ها در مورد افزودن با وزن ثابت نشان می دهد که نمک های کلسیم مختلف تاثیر زیر ار در سرعت دادن به هیدراتاسیون C3S دارند:
پرکلرات < نیترات < ایودید < تیوسینات < کلرید < برومید

شکل 5-2 انحلال پذیری یون فریک در سیمان پرتلند توسط تری اتانولامین

شکل 5-3 منحنی های کالریمتریک سیمان هیدرات شده در حضور تری اتانولامین (Ramchandran)

همین مطالعه تاثیر کاتیون را در اثر گذاری بر هیدراتاسیون C3S نشان داد و ترتیب زیر تشکیل شد:
aa++> sr++>Ba++> Li+>Na+> K+
در مطالعات درباره سیمان پرتلند کاهش در زمان های اولیه و نهایی گیرش به عنوان یک تابع تعداد مول های گرم یون کلسیم و یک رابطه خطی چنانکه در شکل 5-7 هم نشان داده شده، ایجاد شد.
مطالعات پیرامون سرعت هیدراتاسیون C3s در حضور و عدم حضور تسریع کننده ها نشان می دهد که درجه هیدراتاسیون فاز سیلیکات در حضور کلسیم کلرید دقیقا تا 28 روزگی تا اندازه قابل ملاحظه ای افزایش می یابد.

شکل 5-4 منحنی های کالریمتریک ساده و کلسیم کلرید و فرمیت حاوی خمیرها (Edmades)

شکل 5-5 منحنی های کالریمتریک ساده و کلسیم و نیترات حاوی خمیرهای (Edwards)

شکل 5-6 منحنی های کالریمتیک هم دما برای C3S اصلاح شده با نمک های کلسیم مختلف

شکل 5-7 اثرات نمک های کلسیم گوناگون بر زمان گیرش خمیرهای سیمان پرتلند

شکل 5-8 سرعت واکنش تری کلسیم سیلیکات در حضور کلسیم کلرید و تری اتانول لامین، اندازه گیری شده توسط خط تولید (Ramchandran)

شکل 5-9 درجه هیدراتاسیون خمیرهای سمانی در حضور کلسیم کلرید در قیاس با یک خمیر ساده؛ اندازه گیری شده توسط آنالیز اشعه (Young)x

شکل 5-10 درجه هیدراتاسیون یک خمیر تری کلسیم سیلیکات در حضور کلسیم کلرید، اندازه گیری شده توسط میزان آب موجود غیرقابل تبخیر (Odler)

(ب) ترکیب و ساختار شناسی هیدرات هایی نهایی

پیش از این دیدیم که حضور مواد افزودنی تسریع کننده گیرش، فرآورده هایی از هیدراتاسیون تولید می کنند که نسبت به یک خمیر هیدراتاسیون ساده، به دلیل جنس مواد شیمیایی درگیر، نوع متفاوتی است، با این وجود اثرات روی فازهای C3s و C2s اهمیت بالاتری دارند. به علاوه تصور می شود که مقدار و نوع (Ca)oh تولید شده ممکن است تاثیراتی روی خصوصیات سازه ای و خمیر سخت ده داشته باشد ملاحظات زیر صورت گرفته است:
1- کلسیم کلرید منجر به یک ژل تابرموریت با نسبت خیلی بالای آهک- سیلیکا نسبت به خمیر ساده می شود، این نسبت تقریبا ثابت در محدوده وسیعی از درجات هیدراتاسیون حاکی از آن است که هر درجه هیدراتاسیون بزرگتر از %30 (با سن بیشتر از 1 روز) باشد، سیمان هیدرات شده حاوی cacl2 نسبت آهک- سیلیکا خیلی بیشتری از یک خمیر سیمانی ساده خواهد داشت. ژل نهایی همچنین سطح مخصوص پایین تری دارد.
2- تفاوت ها در ترکیب شیمیایی با تفاوت های در ساختار شناسی ژل تابرموریت همراه می شود. ورق های سوزنی یا غلطکی به شکل سیگار در خمیر سیمان هیدرات شده معمولی تشکیل می شود، درحالی که در حضور کلسیم کلرید ورق های موجدار نازک یا ورق ها تشکیل می شوند. تحقیقات نشان داده است که یا میزان بالای آهک موجود یا کلرید جذب شده از غلتان شدن (پیچ خوردن) ورق های جلوگیری می کند.
3- تری اتانولامین اثراتی بر ساختار شناسی ژل های c3s هیدرات شونده دارد تا جایی که به نظر می رسد که اندازه ذرات فیبری در 2 ماه در حضور TEA بیشتر است.
ساختار شناسی ca(oH)2 ایجاد شده طی هیدراتاسیون، با حضور بسیاری مواد افزودنی تحت تاثیر قرار می گیرد. این امکان هست که نوع ساختار شناسی را همانند شکل 5-12 دسته بندی کنیم. کلسیم فرمیت اثری بر ساختارشناسی ca(oH)2 تولید شده در قیاس با یک خمیر C3S ساده که در گروه II طبقه بندی قرار می گیرد، ندارد. با این وجود کلسیم کلرید فرم را به گروه III تغییر می دهد.

شکل 5-11 نسبت آهک- سیلیکا فرآورده های هیدراتاسیون تری کلسیم سیلیکات هیدرات شونده در حضور 5 و 2% کلسیم کلرید به عنوان تابعی از درجه هیدراتاسیون (Odler).

شکل 5-12 طبقه بندی ساختارشناسی کلسیم هیدروکسید بر مبنای ac تا نسبت محور کریستال گرافیک (Berger).

همچنین تعداد بلورهای ca(oH)2 شکل گرفته در یک حجم مشخص خمیر مورد مطالعه گرفته است. اگر چه بسیاری مواد افزودنی می توانند اثر قابل ملاحظه ای داشته باشند، اما کلسیم کلرید و کلسیم فرمیت هیچ اثر محسوسی ندارند.
قله های ایجاد شده توسط تحلیل حرارتی دیفرانسیلی (DTA) نمونه های هیدرات C3S حاکی از تغییر در قله های ca(oH)2 در حضور کلسیم کلرید دارد. همچنین ca(oH)2 ممکن است به یک فرم متصل شده متفاوت، در حضور کلسیم کلرید موجود باشد.

ریزساختار خمیر سخت شده

تغییرات در ساختار شناسی توصیف شده پیشین برای خمیرهای سخت شده حاوی کلسیم کلرید از لوله های به شکل سیگار گرفته تا ورق های موجدار موجب یک ریزساختار ژل تغییر یافته می شود. این تغییرات می تواند با استفاده از آزمایش های جذب و تهاجم با استفاده از گارها یا جیوه مورد مطالعه قرار گیرد.
وقتی شعاع هیدرولیکی حفرات ژل تابرموریت با استفاده از جذب بخار مورد بررسی قرار گیرد، همانند شکل 5-13، اختلاف خیلی کوچکی بین خمیرهای ساده و خمیرهای کلسیم کلرید پیدا می شود.

شکل 5-13 شعاع هیدرولیکی ca3sios محاسبه شده وجه جذبی هم دمای بخار آب (Skalny)

با این وجود، همانند شکل 5-14 جذب نیتروژن اختلاف های قابل ملاحظه ای را به لحاظ توزیع مساحت سطح c3s هیدرات شده با سن 28 روزه یاب ه لحاظ مساحت سطح مخصوص به عنوان تابعی از زمان هیدراتاسیون در شکل 5-15 نشان می دهد.
اختلاف میان داده های مربوط به جذب H2O و N2 به در دسترس بودن آب به فضاهای میان لایه ای در ژل تابرموریت یا به حضور حفرات «بطری جوهر» با گردن باریک و بدنه عریض نسبت داده شده است. این افزایش قابل ملاحظه (4-5 برابری) در سطح حفره و حجم حفره موجود برای نیتروژل در خمیرهای حاوی کلسیم کلرید نشانگر این است که نوع حفره موجدار در ساختار شناسی از نوع لوله های به شکل سیگار، بازتر است.
نوع داده های تولید شده توسط جذب H2O و N2 مربوط به حفرات ژل دارای شعاع هایی تا حدود A50 است. اما حفرات و قسمت های مویین بزرگتر هم در خمیر سیمان سخت شده وجود دارند و احتمالا در تعیین تخلخل یا نفوذ پذیری خمیر سخت شده در بتن به گازها و مایعات بیشتر نمایان است.
داده های مربوط به نفوذ جیوه ای برای حفرات بزرگتر از 103×5/6 تا MM10 در شکل های 5-16 و 5-17 به ترتیب در زمان های هیدراتاسیون مختلف مختلف و هیدراتاسیون یکسان نمایش داده می شود. می توان دید که نفوذ کلی در حد وسیله (103×5/6) برای کلرید حاوی خمیرها در تمام سنین کمتر است، اما وقتی در درجات مساوی با مورد ملاحظه قرار گیرند، نسبت بالاتری از حفرات بزرگ تشکیل می شود.

شکل 5-14 توزیع مساحت سطح در یک نمونه ca3sio هیدراته 28 روزه اندازه گیری شده توسط جذب نیتروژن (Skalny)

شکل 5-15 مساحت سطح مخصوص مسطح (ساده) و cacl2 حاوی خمیرها به عنوان تابعی از زمان هیدراتاسیون (Collepardi)

مکانیسم فعالیت

نحوه ای که نمک هایی همچون کلسیم کلرید و کلسیم فرمیت عمل می کند به طور کامل مشخص نیست، اما واضح است که این مکانیسم طوری ست که هیدراتاسیون c2s و c3s را تسریع می کند. همچنین مطرح شده است که فرآورده های اولیه هیدراتاسیون سیمان نوعی «غشاء» را تشکیل می دهند که به عنوان قیدی برای فرآیند نفوذ (پخش) عمل می کند که در عوض منجر به «دوره خوابیدگی» می شود. متحمل به نظر می رسد که یون کلرید به واسطه اندازه کوچک و قابلیت انتقال بالای خود، به راحتی می تواند به حفرات و منافذ لایه مقید کننده نفوذ کند. ژل تابرموریت نهایی دارای نسبت آهک سیلیکا بالاتری است و ساختار بازتر موجود بر مبنای یک ساختار شناسی ورق موجدار به جای ورق های پیچشی معمولی دارد. واکنش و تطبیق قابل ملاحظه با هیدراتاسیون C3A به فرآیند تسریع گیرش مرتبط نیست.

شکل 5-16 منحنی های سنجش تخلخل نفوذ جیوه ای خمیرهای C3S نشان دهنده اختلاف هایی در توزیع تخلخل در قسمت مویین است.

شکل 5-17 منحنی های توزیع تخلخل در هیدراتاسیون مساوی با حجم مهاجم که به صورت درصدی از تهاجم کلی ترسیم شده (Young)

تری اتانولامین واکنش های مربوط به هیدراتاسیون C3A را تسریع می کند اما احتمالا هیدراتاسیون C3S را به تاخیر می اندازد، که در مقاومت نهایی کاهش یافته منعکس می شود.

اثرات شتاب دهنده ها بر خصوصیات بتن شکل پذیر

مواد افزودنی تسریع کننده گیرش بر مبنای کلسیم کلرید، فرمیت، نیترات، و نئوکانات هیچ اثر محسوسی روی کارایی، هوای موجود، پایداری اختلاط، یا نسبت آب به سیمان بتن هایی که در آنها به کار برده شده اند ندارد. تنها خصوصیاتی که بتن شکل پذیر از آن متاثر می شود، عبارتند از تکامل حرارتی و زمان گیرش.