مقاومت سنگدانه ها در برابر سرما
هرچند اغلب موضوعات مرتبط با مقاومت بتن در برابر سرما، مربوط به آسیب ناشی از خمیر می باشد (مثلا ناشی از آسیب داخلی یا پوسته شدن سطحی)، مواردی وجود دارند که در آنها خود سنگدانه ها دچار آسیب شده و یا منجر به آسیب خمیر اطراف می شود. این مقاله کلینیک بتن ایران، مکانیزم های اصلی عامل این آشفتگی مربوط به سنگدانه را مورد بحث قرار داده و نشانه های چنین آشفتگی در بتن را در محل اجرا نشان می دهد، مانند بیرون پریدگی ها و ترک خوردگی دوامی (ترک خوردگی D). تاکید اصلی بر روی بحث پیرامون مشخصات سنگدانه قرار دارد، مانند توزیع اندازه حفرات، تخلخل کل و اندازه ای که دارای بیشترین تاثیر بر روی مقاومت در برابر سرما خواهد بود. اطلاعاتی نیز درباره چگونگی شناسایی سنگدانه هایی ارائه می گردد که ممکن است منجر به کاهش مقاومت در برابر سرما گردند.
عوامل موثر بر مقاومت سنگدانه ها در برابر سرما
ایجاد هوای محبوس، روش پذیرفته شده ای است که با توجه به هر دو عامل آشفتگی داخلی و آسیب خارجی ناشی از پوسته شدن بر اثر نمک ها، دوام بتن را در هوای سرد تضمین می نماید. با این وجود، حتی هنگامی که بتن دارای هوای محبوس مناسبی باشد، برخی انواع سنگدانه های درشت می توانند موجب آشفتگی گردند. مکانیزم های عامل ایجاد این آشفتگی، در قسمت بعد، مورد بحث قرار می گیرند.
آسیب ناشی از سرما در فاز سیمان هیدراته، ناشی از چندین مکانیزم احتمالی می باشد که عبارتند از فشار هیدرولیکی، فشار اسمزی، تشکیل لایه های نازک (لنزهای) یخ، و برخی موارد دیگر، در صورتی که منبع آشفتگی از داخل سنگدانه ها باشد، محتمل ترین، مکانیزم مربوط می شود به فشار هیدرولیکی که در آن آب هنگام یخ زدن دچار تقریبا 9% افزایش حجم می گردد. فشار هیدرولیکی در داخل سنگدانه ها، به احتمال قوی عامل اصلی می باشد که دلیل آن، ساختار حفره ای درشت تر آنها در مقایسه با خمیر سیمان هیدراته می باشد.
تمایل یک سنگدانه به تولید تنش های داخلی در هنگام یخ زدن، در درجه اول تابعی از ساختار حفره ای داخلی آن می باشد. توانایی یک سنگدانه برای مقابله با تنش برآیند، تابعی است از مقاومت (و سختی)، نفوذپذیری (نسبت به آب هنگامی که تحت فشار به بیرون رانده می شود)، و اندازه آن (ناشی از ثرات آن بر روی فاصله ای که آب باید برای رسیدن به مرز رهایی طی نماید). به علاوه، ساختار خمیر سیمان هیدراته اطراف (یا به طور دقیق تر، ملات)، از آنجا که بر جریان آب هنگام دفع شدن توسط سنگدانه در زمان یخ زدن آب اثر می گذارد، دارای تاثیر مهمی می باشد. هر دو فازهای سنگدانه و خمیر سیمان هیدراته تحت تاثیر درجه اشباع قرار دارند. در ادامه، بخشی پیرامون اینکه کدام خواص سنگدانه ها بیشترین تاثیر را بر روی مقاومت در برابر سرما دارند، مطرح شده و پس از آن نقش ملات اطراف، مورد بحث قرار می گیرد.
شاید مهمترین ویژگی یک سنگدانه که مقاومت در برابر سرما را تحت تاثیر قرار می دهد، توزیع اندازه حفرات باشد که توسط چندین محقق نیز مورد توجه قرار گرفته است. سنگدانه های باتعداد زیاد حفرات کوچکتر از µm5، حتی در سطوح رطوبتی متوسط نیز تمایل دارند که تقریبا اشباع باقی بمانند، و سنگدانه های با اندازه حفرات کوچکتر، نفوذپذیری کمتری از خود نشان داده و به این ترتیب، فشارهای هیدرولیکی بالاتری را تولید می نمایند. همچنین چنانکه در ادامه بحث خواهد شد، یکی از مرسوم ترین نشانه های آسیب سرمایی مربوط به سنگدانه، ترک خوردگی D روسازی ها یا دیگر سطوح صاف پیوسته می باشد. سنگدانه هایی که تمایل به ایجاد ترک خوردگی D دارند، آنهایی هستند که دارای حفراتی در محدوده µm1/0 تا µm5 می باشند. حفرات بزرگ تر از µm5 عموما کاملا پر از آب باقی نمی مانند (در رطوبت های نسبی متوسط) و در نتیجه منجر به آسیب ناشی از سرما نمی شوند، در حالی که آب در حفرات ریزتر از µm1/0 تمایل به یخ زدن ندارد که دلیل ساده آن، کاهش نقطه انجماد می باشد.
علاوه بر اهمیت توزیع اندازه حفرات برای مقاومت سنگدانه ها در برابر سرما، تخلخل کل سنگدانه ها نیز دارای نقش مهمی می باشد. در یک مطالعه جامع شامل محدوده ای از سنگدانه ها با توزیع های مختلف اندازه حفرات و تخلخل ها، کانیوجی و همکاران نشان دادند که برای سنگدانه های با محدوده های اندازه حفرات مشابه، سنگدانه های با تخلخل کل بالاتر، دارای مقاومت کمتری نسبت به سرما بودند. در همین مطالعه، اثر تخلخل کل با توجه به این حقیقت مورد ارزیابی بیشتری قرار گرفت که صرف نظر از توزیع اندازه حفرات، اگر متخلخل کل یک سنگدانه مشخص به اندازه کافی پایین می باشد (مثلا سنگدانه هایی با ظرفیت های جذب کمتر از 5/1%)، مشکل دوام وجود نخواهد داشت.
بنابراین، برای سنگدانه ها، هر دو عامل توزیع اندازه حفرات و تخلخل کار، مقاومت در برابر سرما را تحت تاثیر قرار می دهند. اما برای راحتی، می توان سنگدانه ها را تنها براساس تخلخل کل به سه گروه تقسیم نمود: تخلخل پایین، تخلخل متوسط و تخلخل بالا. سنگدانه های با تخلخل پایین عموما با دوام هستند، زیرا مقدار آب قابل انجماد در آنها بسیار کم می باشد. سنگدانه های با تخلخل متوسط کم دوام ترین هستند، زیرا هنگام اشباع کامل، این سنگدانه ها شامل مقدار قابل ملاحظه ای آب قابل انجماد می باشند و ساختار حفره ای به اندازه ای محدود است که از خروج آب هنگام انجماد، جلوگیری می نماید. سنگدانه های با تخلخل بالا عموما با دوام هستند، زیرا دارای سیستم حفرات درشتی می باشند به طوری که هنگام افت رطوبت نسبی به زیر 100%، به راحتی زهکشی می شوند و هنگام یخ زدن آب در داخل سنگدانه، ساختار حفره ای (و نفوذپذیری بالای طبیعی آن) امکان خروج آب در حال یخ زدن را بدون ایجاد فشارهای هیدرولیکی زیاد، فراهم می نماید.
از آنجا که فشار هیدرولیکی، مکانیزم مرسوم کنترل کننده آشفتگی مربوط به سنگدانه ها می باشد، منطقی است که اندازه سنگدانه ها، ایجاد فشار در داخل سنگدانه ها هنگام خروج آب در زمان یخ زدن را تحت تاثیر قرار دهد. با توجه با پاورز، میزان فشار هیدرولیکی تابعی است از چندین پارامتر شامل نفوذپذیری، مقاومت کششی، نرخ یخ زدن و فاصله تا مرز رهایی، زمانی که منبع آشفتگی در داخل یک سنگدانه باشد، فاصله تا مرز رهایی مستقیما با اندازه سنگدانه مربوط می گردد. برای یک سنگدانه مشخص، یک اندازه بحرانی وجود دارد که در بالاتر از آن، آسیب ممکن است اتفاق بیفتد زیرا فاصله تا مرز رهایی به اندازه ای بزرگ است که جریان آب نمی تواند تنش داخلی تولید شده در اطراف محل های یخ زدگی را آزاد نماید. برای مصالح سنگی ریزدانه با نفوذپذیری پایین مانند سنگ چخماق، اندازه ذره بحرانی ممکن است در محدوده اندازه های معمول سنگدانه باشد. در حقیقت، بسیاری سنگدانه های درشت بی دوام را پس از خرد کردن، می توان با دوام تلقی نمود، که دلیل آن کاهش ابعاد سنگدانه تا حد کمتر از اندازه بحرانی می باشد. این موضوع بعدا در این مقاله با جزئیات بیشتری با توجه به ترک خوردگی D، مورد بحث قرار خواهد گرفت. اندازه ذره بحرانی برای مصالح سنگی درشت دانه یا مواردی که سیستم حفره ای آنها توسط ریز حفرات بسیاری منقطع شده است (حفراتی که تا حدی بزرگ هستند که نمی تتوانند از طریق اثر مویینه، رطوبت را در خود نگه دارند) ممکن است تا حدی بزرگ باشد که هیچگونه پیامدی را برای سنگدانه های درشت معمولی مورد استفاده در ساخت و ساز، در بر نداشته باشد.
سرما در بتن
در پاراگراف قبلی، مفهوم اندازه بحرانی سنگدانه مشخص گردید، با این توضیح که اندازه سنگدانه به فاصله تا یک مرز رهایی مربوط می شود، چنانکه در تئوری فشار هیدرولیکی وجود دارد. این توضیح تا حدی دارای ساده سازی بود، زیرا سطح خارجی یک سنگدانه واقعا یک مرز رهایی را ایجاد نمی کند. در عوض این سطح نشان دهنده یک سطح مشترک میان سنگدانه درشت و ملات اطراف می باشد. بنابراین، خواص ملات اطراف نیز دارای تایر عمده ای بر قابلیت یک سنگدانه مشخص در خروج آب، بدون وارد شدن آسیب به سنگدانه و ناحیه اطراف می باشد. ساختار ناحیه انتقال میانی (ITZ) و خمیر سیمان هیدراته، هر دو بر این رفتار، تاثیرگذار می باشند. ITZ معمولا متخلخل تر از خمیر سیمان حجمی اطراف بوده و شامل هیدروکسید کلسیم بیشتری می باشد (با یک جهت گیری کریستالی مطلوب). خصوصا نفوذپذیری، وجود حباب های هوای محبوس و وجود ترک در داخل ITZ و یا خمیر سیمان هیدراته، مشخص می سازد که آیا بخشی ی�� تمامی آب خارج شده از سنگدانه ها می تواند بدون تولید فشار هیدرولیکی اضافی، جایدهی شود. کیفیت خمیر سیمان هیدراته به ویژه تحت تاثیر w/cm و وجود مواد سیمانی مکمل (SCM)، تاثیر قابل ملاحظه ای بر مقاومت سنگدانه ها در برابر سرما خواهد داشت. بتن با w/cm پایین تر شامل SCM ورود آب بیرونی را کاهش داده و به این ترتیب، درجه اشباع سنگدانه ها را کاهش می دهد هرچند پیش بینی دقیق اینکه کدام سنگدانه ها بر اثر یخ زدن و ذوب شدن، تنها براساس ساختار معدنی (کانی شناسی) دچار آسیب شده و یا منجر به آسیب می شوند، امکان پذیر نمی باشد، اما روندهای رفتاری مشابهی وجود دارد که قابل شناسایی می باشد. اغلب سنگدانه های بی دوام رسوبی هستند، ممکن است آهکی یا سیلیسی بوده، و ممکن است شن و یا سنگ خرده شده باشند. نمونه هایی از سنگدانه های آسیب پذیر عبارتند از ماسه سنگ، شیل ها، سنگ آهک و به ویژه چرت. از میان این مواردف چرت مضرترین بوده و در معرض پوسته شدن و ترک خوردگی D قرار دارد. معمولا سنگ های آذرین و دگرگونی به دلیل تخلخل پایین طبیعی آنها، در برابر سرما آسیب پذیر نیستند به طوری که نمونه هایی از سنگدانه های با دوام شامل گرانیت ها و بازالت ها می باشد.
درست مانند حالت اثر سرما بر خمیر سیمان هیدراته، اهمیت درجه اشباع هنگام بررسی آسیب سرما بر سنگدانه ها، نباید نادیده گرفته شود. برای آسیب داخلی یک سنگدانه یا تراوش آب در حال یخ زدن و آسیب رساندن به خمیر اطراف، آب کافی باید در داخل سنگدانه وجود داشته باشد. آنچنانکه در تئوری فشار هیدرولیکی وجود دارد، سنگدانه ها باید حداقل دارای 7/91% رطوبت داخلی باشند تا فشار قابل ملاحظه ای را تولید نمایند. توانایی یک سنگدانه در رسیدن به این درجه اشباع، تابعی است از ظرایط محیطی که بتن در معرض آن قرار می گیرد، نفوذپذیری بتن و ساختار حفره ای سنگدانه، همانگونه که قبلا بحث شد، تخلخل و توزیع اندازه حفرات یک سنگدانه مشخص، بر نرخ ورود آب به داخل سنگدانه اثر گذاشته، و اندازه حفرات بر نقطه انجماد آب داخل سنگدانه، اثر خواهد گذاشت. توجه به این نکته مهم است که حضور نمک های یخ زدا، درجه اشباع درون بتن (و همچنین درون سنگدانه های نزدیک سطح قرار گرفته در معرض شرایط محیطی) را افزایش داده و این امر ممکن است آسیب ناشی از سنگدانه های حساس به سرما را تشدید نماید. نفوذ نمک های یخ زدا (یا دیگر منابع نمک های حل شده) همچنین می تواند منجر به ایجاد فشار اسمزی در داخل بتن شود و محدوده ایفای نقش این موضوع در داخل سنگدانه ها به تخلخل یا نفوذپذیری ذرات سنگدانه و نزدیکی آنها به جبهه نمک، بستگی دارد.
نشانه های آسیب بتن ناشی از سنگدانه در محل
میزان آسیب وارده به بتن توسط سنگدانه های حساس به سرما در محل، به شرایط محیطی بتن، نزدیکی این سنگدانه ها به سطح قرار گرفته در معرض شرایط محیطی، و کیفیت (به ویژه نفوذپذیری) لایه ملات روی سنگدانه ها و در ااطراف آنها، بستگی دارد. اگرچه در موارد بحرانی، آشفتگی ممکن است کل بتن را در بر گیرد، اما در بسیاری از مواردی که مشکل ناشی از سنگدانه می باشد، نشانه های آسیب سطحی مانند ترک خوردگی D یا پوسته شدن مشاهده می گردد.
ترک خوردگی D که ترک خوردگی دوامی یا ترک خوردگی خط D نیز نامیده می شود، به صورت یک سری ترک های هلالی شکل با فاصله نزدیک ظاهر شده و در امتداد درزها یا ترک های قبلی موجود در سطوح بتنی صاف، مانند روسازی ها یا پیاده روها، اتفاق می افتند. ترک خوردگی و لکه شدن اغلب به شکل یک ساعت شنی بر روی سطح روسازی در محل درزها و ترک ها، اتفاق می افتد (شکل 7-1). ترک خوردگی تمایل دارد که در نزدیکی درزها یا ترک ها، بر اثر عبور آب آغاز گردد و به این ترتیب درجه اشباع بتن و نیز مقدار آب قابل انجماد را افزایش می دهد.
شکل 7-1- ترک D در روسازی بتنی
ترک خوردگی D هنگامی به وجود می آید که آب در سنگدانه های آسیب پذیر، یخ زده و منجر به انبساط و ترک خوردگی سنگدانه و یا ملات اطراف گردد. خروج سری آب از سنگدانه ها نیز ممکن است منجر به حل شدن اجزاء انحلال پذیر خمیر گردد. عموما 10 تا 20 سال (یا بیشتر) طول می کشد تا ترک خوردگی D ایجاد شود که آسیب معمولا از پایین دال که در آنجا رطوبت آزاد وجود دارد، آغاز می گردد. مدت زمان لازم برای وقوع ترک خوردگی D، تابعی است از نوع سنگدانه و ساختار حفره ای، عوامل آب و هوایی، وجود رطوبت و کیفیت بتن به ویژه نفوذپذیری آن.
نوع دشت دانه، به روشنی در ایجاد ترک خوردگی D دارای نقش می باشد. اغلب سنگدانه های آسیب پذیر نسبت به ترک خوردگی D، دارای منشا رسوبی بوده و اغلب از سنگ آهک، دولومیت یا چرت تشکیل یافته اند. خواص کلیدی سنگدانه که مرتبط با آسیب پذیری نسبت به ترک خوردگی D می باشد عبارتند از ترکیبات معدنی، ساختار حفره ای، میزان جذب (آب) و اندازه. بعلاوه، احتمال ترک خوردگی D نیز در حضور نمک های یخ زدا، به ویژه برای برخی سنگدانه های کربناتی، تشدید می گردد.
در زمانی که سنگدانه های آسیب پذیر در برابر ترک خوردگی D باید در آب و هوای سرد استفاده شوند، گزینه های تضمین دوام تا حدی محدود می باشند. خرد کردن برخی سنگدانه ها تا زیر اندازه بحرانی می تواند به کاهش خطر ترک خوردگی D کمک نماید که این کار از طریق کاهش فاصله رهایی برای آب در حال یخ زدن و به واسطه آن کاهش فشار هیدرولیکی و آسیب پذیری، صورت می گیرد. اما همه سنگدانه ها پس از خرد شدن تا اندازه های نسبتا کوچک، نسبت به ترک خوردگی D ایمن نمی باشند، به گونه ای که برخی سنگدانه های کربناتی، با کاهش اندازه دچار کاهش دوام می شوند. روش دیگر ارائه شده جهت بهبود مقاومت سرمایی بتن شامل برخی سنگدانه های مستعد ترک خوردگی D عبارت است از افزایش مقدار هوای محبوس مخلوط، که به کاهش فشار هیدرولیکی ایجاد شده در نزدیکی ذرات سنگدانه، کمک می نماید. هرچند کاهش اندازه ذره سنگدانه یا افزایش مقدار هوای محبوس بتن، به عنوان روش های ممکن برای کاهش ترک خوردگی D شناخته شده اند، اما کاربردی ترین روش عبارت است از شناسایی سنگدانه های بی دوام و عدم استفاده از آنها در کاربردهای کلیدی.
یک نشانه مرسوم دیگر سنگدانه های حساس به سرما در بتن در محل اجرا (به ویژه روسازی ها، عرشه های پل و غیره) پوسته شدن می باشد. بیرون پریدگی در سطح بتن اتفاق می افتد. یعنی جایی که سنگدانه های نزدیک سطح گسیخته شده یا موجب می شوند که ملات روی سنگدانه ها گسیخته شود. باید توجه نمود که دلایل دیگری نیز برای بیرون پریدگی بتن وجود دارد (مانند واکنش قلیا- سیلیس یا وجود سنگدانه های نرم مانند شیل)، که در قسمت دیگری از این مقاله مورد بحث قرار می گیرند.
بیرون پریدگی ها معمولا دارای قطر mm25 تا mm100 و عمق mm13 تا mm50 بوده و یک تورفتگی مخروطی را بر سطح فوقانی بتن، برجای می گذارند. سنگدانه های با تخلخل بالا دارای بیشترین آسیب پذیری نسبت به بیرون پریدگی بوده (ناشی از مقدار زیاد آب که می تواند خراج شود)، و سنگدانه های بزرگ تر نسبت به سنگدانه های کوچکتر دارای وضع بدتری می باشند (ناشی از آب بیشتر ذخیره شده در سنگدانه های بزرگ تر و مسیر رهایی طولانی تر برای آب در حال یخ زدن). احتمال بیرون پریدگی نه تنها تحت تاثیر ساختار حفره ای سنگدانه ها می باشد، بلکه متاثر از مشخصات ITZ و لایه ملات روی سنگدانه ها نیز خواهد بود. همانند عموم موارد مقاومت سنگدانه ها در برابر سرما، بیرون پریدگی بر اثر وجود نمک های یخ زدا که درجه اشباع در این ناحیه بحرانی نزدیک سطح بتن را افزایش می دهند، تشدید می گردد. مخلوط های بتن شامل هوای محبوس با SCMها و نسبت های w/cm پایین تر، در صورت طراحی، جایدهی و عمل آوری مناسب می توانند در کاهش بیرون پریدگی مفید باشند که این کار اساسا از طریق کاهش ورود آب و نمک های یخ زدا به بخش های بالاتر دال ها صورت می گیرد. سنگدانه هایی که موجب بیرون پریدگی در بتن می شوند، اغلب موجب ترک خوردگی D نیز می گردند، اما عکس این موضوع الزاما معمول نمی باشد.
شناسایی سنگدانه های آسیب پذیر در برابر سرما
یک گام کلیدی در طراحی بتن با دوام در کاربردهای موجود در آب و هوای سرد، شناسایی آسیب پذیری یک سنگدانه مورد نظر نسبت به سرما می باشد که ممکن است خود را به صورت آشفتگی داخلی درون بتن یا سطح آسیب نشان دهد مانند ترک خوردگی D (به ویژه برای روسازی ها) و بیرون پریدگی ها. فرآیند شناسایی سنگدانه های حساس به نمک ها ممکن است مروری بر عملکرد میدانی گذشتهو یا به احتمال زیاد داده های آزمایشگاهی مربوطه را شامل گردد.
عملکرد میدانی گذشته یک منبع مصالح سنگی ممکن است اطلاعات بسیار مفیدی را در اختیار گذارد، اما اتکا کامل بر عملکرد میدانی گذشته جهت پیش بینی عملکرد آینده سنگدانه های حاصل از همان منبع که در ساخت و ساز جدید استفاده می شوند، باید با احتیاط صورت گیرد. هنگام مرور عملکرد میدانی گذشته یک منبع سنگدانه مشخص، باید اطمینان حاصل نمود که مصالح، نسبت های اختلاط و شرایط محیطی (به ویژه نمک های یخ زدا) و دیگر پارامترهای مربوطه برای سازه (یا روسازی) موجود که اطلاعات عملکرد میدانی آن موجود بوده و برنامه ریزی ساخت و ساز جدید براساس این اطلاعات صورت گرفته است، مشابه سازه جدید می باشد. حتی اگر پارامترهای مشخص شده در بالا برای پروژه های موجود و جدید به اندازه کافی مشابه باشند تا امکان یک مقایسه درست را فراهم آورند، باز هم باید موضوع زیر را مورد بررسی قرار داد.
به دلیل تغییرات طبیعی ترکیبات معدنی و خواص سنگدانه از یک معدن یا منبع قرضه به معدن دیگر، تغییرات عمده جنبه های مقاومت سرمایی سنگدانه های حاصل ااز یک تاسیسات تولیدی به خصوص برحسب زمان، غیرعادی نمی باشد. اما روندهای عمومی رفتاری را اغلب می توان از داده های مخصوص یک معدن یا منبع قرضه جمع آوری نمود، به خصوص هنگامی که تاریخچه عملکرد ضعیف یا خوب آن، مشخص شده باشد. برای منابع مصالح سنگی باتاریخچه های عملکردی نامشخص یا حاشیه ای، بررسی های آزمایشگاهی جهت تعیین آسیب پذیری در برابر سرما، ضروری می باشد.
انواع مختلفی از آزمایشات آزمایشگاهی برای ارزیابی مقاومت سنگدانه ها در برابر سرما وجود دارند که در محدوده ای شامل مواردی که تنها سنگدانه را مورد آزمایش قرار می دهند تا آنهایی که بتن شامل سنگدانه را نیز آزمایش می کنند، قرار می گیرند. به نظر می رسد آزمایشی مشخص وجود ندارد که بتواند به روشنی یک سنگدانه مقاوم در برابر سرما را از سنگدانه آسیب پذیر در برابر سرما متمایز نماید که این امر به ویژه ناشی از پیچیدگی مکانیزم های آسیب ناشی از سرما و تنوع نشانه های آسیب بتن در محل اجرا، مانند ترک خوردگی D و بیرون پریدگی، می باشد. این مشکل در پیش بینی عملکرد سنگدانه ها از روی یک آزمایش آزمایشگاهی مشخص با این موضوع ترکیب می گردد که شرایط محیطی ویژه ای که بتن در معرض آن قرا دارد، نقش عمده ای در تعیین مقاومت یک سنگدانه مشخص در برابر سرما ایفا می نماید. عواملی مانند نوع سازه (روسازی، دال و غیره)، جزئیات طراحی و اجرا (فاصله درزها، عرض آنها و غیره)، و درجه شدت شرایط محیطی (تعداد چرخه های یخ زدن و ذوب شدن، وجود نمک های یخ زدا، وجود رطوبت و غیره)، از یک کاربرد به کاربرد دیگر، به طور عمده ای تغییر می نمایند. با وجود این پیچیدگی ها، باز هم چندین آزمایش آزمایشگاهی وجود دارند که می توانند دید خوبی را در مورد مشخصات فیزیکی، معدنی و شیمیایی به دست دهند که کنترل کننده مقاومت یک سنگدانه مشخص در برابر سرما می باشد. برخی از این روش ها در قسمت بعد به طور خلاصه تشریح شده اند. توضیح مفصل تر این روش ها در خلاصه 281 نتایج تحقیقات برنامه تحقیقاتی مشترک ملی بزرگراه ها، ارائه شده است. ابتدا آزمایشاتی که تنها بر روی نمونه های سنگدانه صورت می گیرند، تشریح می گردند که منجر به بحث هایی پیرامون آزمایش سنگدانه های موجود در بتن خواهد شد. برخی از آزمایش های مستقیم سنگدانه، واقعا مقاومت در برابر سرما را ارزیابی نمی کنند بلکه به جای آن، دیگر خواص مربوطه سنگدانه را که مقاومت در برابر سرما را تحت تاثیر قرار می دهند، اندازه گیری می نمایند مانند جذب یا تخلخل.
میزان جذب سنگدانه اغلب دارای تاثیر مهمی برمقاومت آن در برابر سرما و بروز نشانه های آن در بتن آسیب دیده در محل می باشد. برای برخی انواع سنگدانه، رابطه خوبی میان ظرفیت جذب و مقاومت در برابر سرما وجود دارد، اما برای انواع دیگر، این رابطه نسبتا ضعیف می باشد (اساسا به این خاطر که برخی سنگدانه های با تخلخل بالا، مقاومت خوبی در برابر سرما نشان می دهند). پیجن و پلو اظهار داشته اند که می توان یک ظرفیت جذب حداکثر 2% را به سنگدانه ها اعمال نمود تا از آسیب مربوط به سنگدانه ها ناشی از چرخه های یخ زدن و ذوب شدن، جلوگیری گردد. نمایندگی های مختلف و ادارات بزرگراه ها، حدودی را برای ظرفیت جذب تعیین نموده اند (مثلا 7/1% مقدار حداکثر تعیین شده از سوی اداره حمل و نقل مینسوتا می باشد). سنگدانه های با تخلخل ها و ظرفیت های جذب بالاتر ممکن است در هنگام یخ زدن دچار آسیب گردند، که علت آن خروج آب از سنگدانه ها می باشد. اگرچه برخی سنگدانه ها که جذب بیشتری را نشان می دهند، ممکن است در معرض ترک خوردگی D و پوسته شدن قرار داشته باشند، اما جذب نباید به عنوان شاخص مطلق مقاومت در برابر سرما در نظر گرفته شود، زیرا بسیاری از سنگدانه های با جذب های نسبی بالا، کاملا با دوام می باشند. بنابراین، باید از تجربه محلی و مشابهت با یک نوع یا منبع سنگدانه جهت تعیین ارتباط جذب با دوام آن سنگدانه استفاده شود.
آزمایشات استاندارد جذب سنگدانه (مثلا ASTM C127, 128 ) معمولا در تعیین مشخصات استفاده می شوند. از آزمایشات پیشرفته تر مانند جذب نیترژن یا تخلخل سنجی نفوذ جیوه، می توان برای به دست آوردن اطلاعاتی درباره تخلخل داخلی، ساختار حفره ای و ظرفیت جذب استفاده نمود، اما این آزمایشات برای اغلب آزمایشگاه های تجاری و ادارات بزرگراه ها مرسوم نبوده و از نظر اقتصادی مقرون به صرفه نمی باشند. دیگر آزمایشات عمومی سنگدانه که ممکن است اطلاعاتی را درباره مقاومت سرمایی به دست دهند عبارتند از چگالی مخصوص (زیرا این آزمایش به جذب مربوط می گردد) و دانه بندی. چنانکه قبلا بیان شد، اندازه یک سنگدانه، مقاومت سرمایی آن را تحت تاثیر قرار می دهد و برخی سنگدانه های بی دوام را با کاهش اندازه آنها تا زیر مقدار بحرانی می توان با دوام به شمار آورد.
علاوه بر اندازه گیری خواص اصلی سنگدانه (مثلا جذب، چگالی مخصوص، دانه بندی)، آزمایشات بیشتری ویژه سنگدانه ها با هدف بررسی آشفتگی (و معمولا اندازه گیری کاهش جرم) نیز به طور وسیعی استفاده می شود. آزمایشات سنگدانه محدود نشده، یعنی سنگدانه های آزمایش شده توسط خودشان، تقریبا برای ارزیابی مقاومت سرمایی مرسوم می باشند. این آزمایشات نسبت به آزمایش بتن سریع تر بوده و از نظر اقتصادی می توانند برای سنجش عملکرد و کیفیت سنگدانه استفاده شوند. انواع مختلفی از آزمایشات سنگدانه محدود نشده وجود دارد. اغلب آنها شامل چرخه های یخ زدن- ذوب شدن سنگدانه ها در آب یا محلول های نمک می باشند، اما تغییرات و تفاوت هایی در مورد چگونگی انجام آنها وجود دارد. برخی آزمایشات، مثلا AASHTO T103-91 (روش B)، از غرقاب نمودن سنگدانه ها در محلول آب الکل جهت افزایش نفوذ آب در مدت خیساندن استفاده می کنند. استفاده از یک محلول نمک جهت بهبود رابطه میان نتایج یخ زدن- ذوب شدن آزمایشگاهی و ترک خوردگی D در روسازی های بتنی گزارش شده است، به ویژه به دلیل آنکه نمک های یخ زدا آسیب ناشی از ترک خوردگی D را تشدید می نمایند. آزمایش سازمان استانداردهای کانادا (-CSA A23.2-24A روش آزمایش مقاومت مصالح شنگی درشت دانه محدود نشده در برابر یخ زدن و ذوب شدن) یک نسخه از این آزمایش بوده و شامل خیساندن سنگدانه ها در محلول کلرید سدیم 3% برای مدت 24 ساعت پیش از آغاز آزمایش، با 5 چرخه می باشد که در همان محلول نمک ادامه می یابد. CSA یک کاهش جرم حداکثر در این آزمایش به میزان 6/0 را برای شرایط محیطی شدید و 10% را برای شرایط با شدت کمتر تعیین می نماید. نسخه CSA از این آزمایش توسط سینیور و راجرز ابداع گردید تا دقت و همبستگی خوبی با آسیب ناشی از یخ زدن و ذوب شدن در روسزی ها داشته باشد.
آزمایشات سلامت سولفات (مثلا ASTM C88) روش های نسبتا مرسومی بوده و در کنترل کیفیت معمولی سنگدانه ها استفاده می شوند. این آزمایشات شامل قرار دادن نمونه های سنگدانه در معرض خیس شدن های مکرر در محلول سولفات منیزیم یا سدیم و به دنبال آن خشک شدن در گرمخانه، و ثبت کاهش جرم پس از چرخه های مختلف آزمایش می باشد. این آزمایشات به جای اعمال چرخه های یخ زدن- ذوب شدن به سنگدانه ها، فشارهای کریستالی شدن و یا هیدراسیون در حفرات سنگدانه ها را که می توانند منجر به آسیب عمده ای شوند، هدف قرار می دهند. این آزمایشات به عنوان معرف های قابل اطمینان مقاومت سرمایی به شمار نمی روند، اما می توانند ابزاری سریع جهت به دست آوردن داده های مقایسه ای برای یک منبع مشخص سنگدانه را در اختیار قرار دهند.
سایش مرطوب مصالح سنگی ریزدانه و درشت دانه با آزمایش Micro-Deval به عنوان مرسوم ترین روش ارائه شده، در سال های اخیر مورد توجه قرار گرفته است. راجرز و همکاران به رابطه خوبی میان کاهش جرم در آزمایش Micro-Deval و آزمایش مقاومت سولفات منیزیم، با تکرارپذیری بهتری برای آزمایش Micro-Deval (اساسا به علت حساسیت کمتر نسبت به دانه بندی مصالح) دست یافتند. مشخصات CSA، کاهش مصالح سنگی ریزدانه را به 20% و کاهش مصالح سنگی درشت دانه را به محدوده بین 14% تا 17% محدود می سازد.
پرطرفدارترین مطالب ما را از دست ندهید!
علاوه بر روش های آزمایشگاهی که تشریح گردید، دو آزمایش نیز به طور ویژه برای بررسی احتمال ترک خوردگی D سنگدانه ها، ارائه شده است. این روش ها که در ادامه مورد بحث قرار می گیرند عبارتند از آزمایش شاخص حفره ای آیوا (IPIT) و آزمایش شکست هیدرولیکی واشنگتون (WHFT). IPIT در تلاشی جهت کمی سازی حجم ریز حفرات در سنگدانه ها ابداع گردید که مشخص شده است که با احتمال ترک خوردگی D مرتبط می باشد. این ازمایش عبارت است از ریختن خشک نمونه سنگدانه در یک فشار سنج، پر کردن محفظه با آب و قرار دادن آن در معرض یک فشار MPa 241.
حجم آب با فشار وارد شده به سنگدانه ها در دقیقه اول، «بار اولیه» نامیده شده و هدف از آن، تشخیص حفرات درشت در سنگدانه ها می باشد. حجم آب تزریق شده به داخل نمونه بین دقایق 1 و 15، «بار ثانویه» نامیده شده و هدف از آن تولید داده های کمی در ارتباط با ریزحفرات می باشد. برخی محققین و کارشناسان، مقادیری را برای IPT مشخص نموده اند که به خوبی با عملکرد میدانی سنگدانه ها در محل های آنها دارای ارتباط می باشد (هم در میان خود و هم در حالت ترکیب با دیگر آزمایشات). برای مثال، اداره حمل و نقل آیوا، مقدار حداکثر بار ثانویه را به اندازه ml27 مشخص می نماید، و عملکرد میدانی در آیوا نشان داده است که سنگدانه هایی که از این مقدار بار تجاوز نمایند، ممکن است در معرض ترک خوردگی D قرار گیرند. وینسلو گزارش نمود که IPIT شاخص خوبی از ترک خوردگی D در الینویز برای سنگدانه های کربناته خرد شده بوده است، اما برای شن های کربناتی اینگونه نبوده است که به احتمال زیاد ناشی از جذب اولیه سریع نشان داده شده از سوی شن ها تحت شرایط آزمایش می باشد. راجرز و سینیور گزارش نموده اند که سنگدانه های با جذب بیشتر از 2% (اندازه گیری شده در اب پس از 24 ساعت) و با بارهای ثانویه IPIT بزرگ تر از ml27 عموما عملکرد میدانی ضعیفی را نشان داده اند.
آزمایش شکست هیدرولیکی واشنگتون (WHFT) توسط جنسن و اسنیدر ابداع گردید و بعدا اصلاح شد تا مقاومت سنگدانه در برابر سرما نیز در آن لحاظ گردد. در این آزمایش، سنگدانه ها تحت فشار قرار می گیرند اما به جای اندازه گیری حجم آب نفوذکننده، هنگامی که فشار از سنگدانه اشباع برداشته شده و آب داخلی دفع شده و فشارهای هیدرولیکی اایجاد می شوند، میزان آسیب وارده به نمونه سنگدانه اندازه گیری می شود. آسیب وارد به نمونه سنگدانه از طریق دانه بندی سنگدانه ها به صورت شکسته شدن ذرات بزرگ تر به ذرات کوچکتر، برآورد می گردد. کار بیشتری مورد نیاز می باشد تا مشخص گردد که آیا این روش می تواند به طور دقیق آسیب وارده به سنگدانه ها ناشی از سرما را پیش بینی نماید. اما این روش امیدوار کننده است، زیرا این آزمایش واقعا خروج آب را شامل شده و موجب شکست سنگدانه ها می گردد. نقص این ازمایش، و هر ازمایش دیگری که تنها شامل سنگدانه ها می باشد، آن است که واقعا شامل یک خمیر سیمانی نبوده و در نتیجه امکان بررسی اثرات نسبت های مخلوط و مصالح، بر نفوذ خارجی آب یا محلول، یا مقاومت در برابر تنش های ناشی از آب خارج شده از سنگدانه ها، وجود ندارد.
انجام آزمایشات یخ زدن و ذوب شدن بر روی بتن شامل یک سنگدانه مشخص، یک روش مرسوم بررسی مقاومت سنگدانه ها در برابر سرما می باشد. آزمایشات یخ زدن و ذوب شدن تسریع شده مانند ASTM C666، شامل قرار دادن نمونه های بتنی در معرض چرخه های حرارتی سریع (مثلا صفر و C°40) و در عین حال بررسی آسیب از طریق اندازه گیری کاهش جرم، تغییر طول یا تغییرات مدول دینامیکی (با استفاده از فرکانس تشدید یا سرعت پالس و غیره) می باشد. جهت ارزیابی احتمال ��رک خوردگی D برای یک سنگدانه مشخص در بتن، محققین رژیم های ازمایش مختلفی را مورد استفاده قرار داده و در آنها تغییرات مدت زمان چرخه یخ زدن و ذوب شدن و شرایط محیطی تیرها (در آب یا هوا، در ظرف های صلب یا دورپیچ پارچه ای و غیره) را مورد توجه قرار داده اند. کوبا و اسنیدر خیساندن سنگدانه های کربناتی در محلول کلرید، پیش از قالب گیری بتن و آزمایش بتن جهت تعیین آسیب پذیری سنگدانه ها در برابر نمک را پیشنهاد نموده اند.
استارک دریافت که تغییر طول، معرف بهتری نسبت به دیگر خروجی های آزمایشات مرسوم (مانند فرکانس تشدید) برای آسیب پذیری ترک خوردگی D می باشد. توصیه استارک عبارت است از استفاده از یک حد انبساط 035/0 % پس از 350 چرخه ASTM C666 (که برای کاهش تعداد چرخه های یخ زدن- ذوب شدن تا تعداد 2 چرخه در روز، اصلاح شده است).
پس از مشخص شدن آسیب پذیری یک سنگدانه نسبت به سرما (از طریق رفتار آزمایشگاهی و یا میدانی)، برای تضمین دوام باید از استفاده از آن در برخی کاربردها اجتناب نمود و یا با احتیاط از آن استفاده نمود. هنگامی که منابع محلی تنها گزینه های موجود بوده و این منابع با دوام نباشند، باید اقداماتی تا حد امکان برای بهبود مقاومت سنگدانه های بتن مورد نظر در برابر سرما، صورت گیرد. این گزینه ها عبارتند از کاهش اندازه سنگدانه (تا زیر اندازه آستانه)، بهینه سازی مخلوط بتن (با کاهش نفوذپذیری و آب بند نمودن ساختار حفرات هوا)، فراهم نمودن امکان زهکشی خوب و تعیین جزئیات سازه ای مناسب، یا ترکیب سنگدانه صعیف با یک سنگدانه بادوام تر. چگونگی پاسخ سنگدانه مورد نظر به این اقدامات، میزان مناسب بودن آن را برای کاربرد مورد نظر، مشخص می سازد. متاسفانه در برخی موارد، کنترل سنگدانه های آسیب پذیر در برابر سرما دشوار بوده و صرف نظر از کیفیت بتن اطراف، منجر به آشفتگی میدانی می گردد. در اینگونه موارد، مانند حالت سنگ های واکنش پذیر قلیایی- کربناتی، بررسی انتخاب معادن سنگ جهت تعیین سنگدانه های با عملکرد ضعیف و عدم استفاده از آنها در کاربردهای محیط های مهاجم و هوای سرد، مورد نیاز می باشد.