پدیده های پایه

حالت اترینگایت منبسط شونده از حمله سولفات ها در بتن قرار گرفته در معرض محیط خورنده، احتمالا آشناترین نوعی است که در محیط اتفاق می افتد و زمانی به عنوان تنها پدیده جدی موجود، مورد توجه قرار گرفته بود. در حقیقت، تعریفی رسیمی از حمله سولفات ها توسط انجمن آمریکایی آزمایش و مصالح (ASTM) در دهه 1970 ارائه گردید: «حمله سولفات ها می تواند به عنوان یک واکنش شیمیایی یا فیزیکی یا هر دو تعریف شود که بین سولفات های معمولا موجود در خاک یا آب زیرزمینی و بتن یا ملات در درجه اول با هیدرات های آلومینات کلسیم موجود در مخلوط خمیر سیمان اتفاق افتاده و موجب تخریب می گردد». اگر چه حمله سولفاتی تومازایت اخیرا افزایش چشمگیری یافته است و شامل فازهای سیلیکات و نیز آلومینات می باشد، اما تا آنجا که به شکل مرسوم کنونی از حمله سولفات ها مربوط می شود، این امر موجب نمی شود که تعریف فوق نادرست تلقی گردد.

در این مقاله با حمله خارجی سولفات ها به بتن در شرایط های مختلف که توسط کارشناسان ما در کلینیک بتن ایران تهیه شده است، بیشتر آشنا شوید.

به تدریج که در سال های اخیر پیچیدگی حمله سولفات ها بیشتر شناخته شده است، توجه و علاقه روزافزونی نیز به سمت این پدیده جلب شده است. اخیرا چندین مقاله مروری (ااسکالنی و مارچند، 2001؛ سانتانام و همکاران، 2001؛ بنستد، 2002 b؛ نویل، 2004) و حتی کتاب هایی (مارچند و اسکالنی، 1999؛ اسکالنی و همکاران، 2002) در ارتباط با این موضوع منتشر شده است. تشکیل اترینگایت در بسیاری از موارد عامل اصلی محسوب می شود، اما چندین فرآیند دیگر نیز وجود دارند مانند تبدیل پرتلندیت به سنگ گچ و واکنش های برگشت پذیر هیدراسیون/ دی هیدراسیون نمک های سولفات از جمله سیستم Na₂SO₄.10H₂O (میرابیلیت) Na₂SO₄ (تناردیت) که از دیگر عوامل این پدیده می باشند. در این میان، باید توجه نمود که عدم توافق هایی در زمینه تعاریف و واژگان فنی مورد استفاده جهت طبقه بندی این پدیده های گوناگون وجود دارد و برخی نویسندگان، فرآیندهایی مانند تبدیل تناردیت/میرابیلی را پدیده های کاملا فیزیکی می دانند که با انواع حمله شیمیایی متمایز می باشد.

این مطلب به طور عام پذیرفته شده است که حمله سولفات مستلزم وجود رطوبت بوده و مکانیزم های «درون محلولی» با انتقل یون های سولفات از سطح بتن یا ملات در آن وجود دارد. معمولا چنین انتقالی مربوط به یون های سولفات خارجی می باشد، اما سولفات های داخلی موجود در درون سازه نیز در صورتی که مقادیر آنها در مصالح مخلوط بتن تا حد قابل قبول کنترل نشود، می توانند به این پدیده کمک نمایند. نمونه ای از یک نوع تخریب تدریجی که ممکن است اتفاق بیفتد، در شکل 4-1 نشان داده شده است.

شکل 4-1- جمله سولفات مرسوم ناشی از تشکیل انبساطی اترینگایت در یک منشور بتنی (RHS) و منشور کنترل تخریب نشده (LHS)

در مراحل اولیه، حمله سولفات به بتن ممکن است منجر به یک سخت شدگی کلی خمیر سیمان گردد. این حالت معمولا ناشی از پر شدن حفرات و فضاهای خالی توسط کریستال های سنگ گچ و یا اترینگایت، از طریق ورود SO₄^2-، می باشد که چگالی کلی بتن یا ملات را افزایش می دهد.

این کریستال ها که در داخل حفرات و فضاهای خالی تشکیل می شوند، ممکن است به طور مستقیم از طریق رشد فیر ایزوتروپ (ناهمسان) یا به طور غیر مستقیم از طریق افزایش فشار آب حفره ای موجب انبساط شده و تن های داخلی را افزایش داده و در نهایت در موارد ویژه ای، منجر به تخریب بتن یا ملات شوند. مثلا در تبدیل یک مدل هیدروکسید کلسیم CH به سنگ گچ CSH₂، حجم ذرات جامد بیش از دو برابر شده (از cm³2/33 تا cm³3/74) و در تبدیل هیدرات آلومینات کلسیم و سنگ گچ به اترینگایت نیز حجم ذرات جامد بیشتر از دو برابر می شود.

مطالب مرتبط با این مقاله را در این بخش دنبال نمایید
اندازه گیری سولفات در بتن
پیشینه ای از حمله سولفات ها در تخریب بتن
پیشینه حمله داخلی سولفات و تشکیل اترینگایت تاخیری در مصالح

شرایط محیطی

آب های زیرزمینی و خاک های شامل نمک های سولفات ممکن است عامل سولفاتی منبسط شونده باشند. اسید سولفوریک نیز ممکن است به طور طبیعی در آب های زیرزمینی و خاک ها، در نتیجه هوازدگی اکسید شونده کانی های سولفید مانند پایریت و مارکازیت که هر دو دارای فرمول شیمیایی FeS₂ می باشند، تشکیل گردد. اکسیداسیون سولفات آهن و تولید اسید سولفوریک ممکن است در حضور اکسیژن و رطوبت اتفاق بیفتد:

(4-4)                                                         2FeS₂+7O₂+2h₂O         2FeSO₄+2H₂SO₄

این واکنش معمولا در همین جا متوقف می شود مگر آنکه باکتری های هوازی ویژه ای وجود داشته و چرخه های اکسیداسیون بیشتری را تولید نمایند در خاک های دست نخورده، موقعیت سطح آب زیرزمینی جهت تعیین امکان رسیدن هوا و در نتیجه میزانی از اکسیداسیون که می تواند اتفاق بیفتد، از اهمیت بسیاری برخوردار می باشد. اگر پایریت همواره در زیر سطح آب وجود داشته باشد، هیچگونه اکسیداسیونی اتفاق نمی افتد، در حالی که در مناطقی که سطح آب دارای نوساناتی است که امکان ورود مجدد اکسیژن به داخل خاک را فراهم می آورد، واکنش به راحتی ادامه می یابد. در صورت وجود مقادیر کافی کربنات کلسیم یا دیگر کانی های اصلی (پایه) در خاک، اسید سولفوریک با تشکیل سنگ گچ، خنثی می شود. در غیر این صورت، مانند مواردی که مقدار اسید سولفوریک بارز و قابل ملاحظه می باشد، اسید ممکن است در آب زیرزمینی باقی بماند.

دست خوردگی شرایط طبیعی زمین بر اثر حفاری یا زهکشی، علت مرسوم اکسیداسیون پایریت بر اثر امکان رسیدن هوا می باشد. اکسیداسیون سریع در کارهای ساخت تونل، هنگامی که هوای فشرده جهت عقب نگهداشتن آب حین عملیات زیرزمینی استفاده می شود، گزارش شده است.

این پدیده می تواند منجر به افزایش زیاد خاصیت اسیدی و مقدار سولفات آب زیرزمینی گردد. به دنبال اکسیداسیون پایریت ممکن است واکنش های دیگری که منجر به انبساط می شوند اتفاق بیفتند مانند تولید سنگ گچ از هر نوع کلسیت موجود که موجب افزایش حجمی مواد جامد به میزان 103% می شود، و واکنش سنگ گچ با محلول جامد مونوسولفات- هیدروکالومیت در بتن سخت شده جهت تشکیل مجدد اترینگایت.

اسید سولفوریک آزاد همچنین می تواند به کانی های رس مانند ایلیت حمله کرده و جاروسیت KFe₃(SO₄)₂(OH)₆ تولید نماید که سولفات (III) آهن پتاسیم هیدراته شده ای است که حجمی 115% بیشتر از حجم تولید شده توسط پایریت را تولید می نماید. برآمدگی (تورم) زمین در مجاورت سازه های بتنی مدفون ممکن است بر اثر تولید سنگ گچ و دیگر سولفات های هیدراته اتفاق بیفتد. همه این واکنش ها می توانند نیروهای انبساطی در داخل بتن را افزایش داده و دوام بلندمدت بتن را کاهش دهند.

اترینگایت گاهی از تومازایت در زمین های خورنده هنگامی که دما پایین است، ناشی می شود (معمولا دمای زیر حدود C°15) و یکی از یا هر دو این موارد در صورتی که افزایش یابند ممکن است موجب انبساط در بتن گردند. با این وجود، تنها وجود اترینگایت در یک بتن سخت شده به خودی خود نمی تواند دلیل ایجاد انبساط در بتن باشد.

برای مثال، اترینگایتی که در مراحل اولیه هیدراسیون سیمان پرتلند تشکیل می شود، موجب انبساط نمی شود چرا که به طور کاملا سخت متراکم نشده است. اغلب تنها کمی از این اترینگایت در مراحل بعدی هیدراسیون سیمان به محلول جامد مونوسولفات- هیدروکالومیت (AFM) تبدیل می شود. بنابراین تشخیص اترینگایت خصوصا توسط تکنیک هایی همچون تحلیل نقطه ای SEM/EDXA که تنها حجم های کوچکی از نمونه های بتنی مورد آزمایش را تحت بررسی قرار می دهند، دلیل قطعی آشکاری بر وجود حمله سولفات ها نمی باشد، چنانکه در جای دیگر نیز مورد توجه قرار گرفته است.

تنها بخش کوچکی از سولفات ناشی از زمین های اصلی سنگ گچ حین ساخت کلینکر سیمان پرتلند، منجر به تشکیل اترینگایت می گردد و قسمت عمده تشکیل اترینگایت در مدت زمان اولین روز هیدراسیون در دماهای محیطی معمولی اتفاق می افتد. بخش عمده ای از سولفات حاصل از سنگ گچ در واقع به صورت جذب سطحی یا در محلول جامد، صرف تشکیل هیدرات سیلیکات کلسیم (فاز C-S-H) می گردد. انبساط بتن زمانی اتفاق می افتد که محلول جامد مونوسولفات- هیدروکالومیت سخت شده، جهت تولید اترینگایت با سنگ گچ (حاصل از منابع خارجی یا موجود در بخش های هیدراته نشده سیمان همراه با کانی های هیدراته نشده کلینکر) واکنش می دهد.

اقدامات پیشگیرانه

برای بتن در تماس با زمین خورنده، مسلما استفاده از سیمانی با سابقه خوب مقاومت در برابر سولفات مطلوب می باشد، مانند یک سیمان توسعه یافته مناسب شامل ذرات آسیاب شده سرباره کوره ذوب آهن (ggbs) یا پودر خاکستر بادی (pfa)، که پیش از قرارگیری در معرض شرایط محیطی به میزان کافی عمل آوری شده باشد. بتن باید دارای نفوذپذیری پایین و نسبت آب به سیمان به میزان کافی پایین باشد، که این مشخصات از طریق استفاده از مواد افزودنی در صورت لزوم به دست می آیند، تا نرخ ورود سولفات های خارجی از محیط اطراف به داخل مصالح به حداقل برسد. جزئیات راهنمای کاربردی برای شرایط انگلستان (UK) در خلاصه ویژه 1 BRE ارائه شده است که از زمان اولین انتشار آن در سال 2001، بازنگری های عمده ای در آن انجام شده است و هم اکنون ویرایش سوم آن مورد استفاده می باشد.

یکی از مشکلات در تدوین قوانین راهنمای ساده از این حقیقت ناشی می شود که شرایطی که بتن پیش از تماس با آب زیرزمینی حاوی سولفات، در معرض آن قرار می گیرد، می تواند تاثیر قابل توجهی بر شدت حمله سولفات داشته باشد. بنابراین حتی کربناسیون ملایم در هوای آزاد می تواند نقش عمده ای در تغییر و اصلاح ساختار حفرات سطحی مصالح ایفا نموده و از این طریق موجب کاهش نفوذپذیری آن گردد. راهنمای کنونی، این اثر در حفاظت از محصولات پیش ساخته را که در معرض محیط های غیراسیدی حاوی سولفات می باشند، مورد توجه قرار می دهد.

چنانکه قبلا ذکر شد، مروری که اخیرا انجام شده است، چندین مورد از دیگر مشخصاتی را که به پیشرفت دانش کنونی حمله سولفات کمک می کند، مشخص نموده است. در این میان، اثر کاتیون با سولفات های سدیم، کلسیم و منیزیم همگی دارای آثار متفاوتی می باشند. سیمان پرتلند مقاوم به سولفات (سیمان نوع V در ASTM) که برای کمینه نمودن واکنش با محصولات هیدراسیون فاز C₃A (آلومینات) تولید شده است، حفاظت ویژه ای را در برابر حمله به C-S-H یا CH فراهم نمی کند و حضور همزمان یون های Mg²⁺ و SO₄^2- می تواند منجر به تبدیل این هیدرات ها به هیدروکسید منیزیم (بروسیت)، ژل سیلیس و سنگ گچ گردد. کاهش پیوسته pH محلول حفره ای ناشی از حلالیت پایین محصول بروسیت (که یک محلول اشباع آن دارای تعادل pH تقریبا برابر 5/10 می باشد)، C-S-H را ناپایدار می نماید و نیز دلیل خورنده تر بودن سولفات منیزیم نسبت به سولفات سدیم یا سولفات کلسیم محسوب می شود. اما اگر pH به صورت مصنوعی در یک سطح بالا نگه داشته شود، همانند برخی آزمایش های آزمایشگاهی شامل سولفات منیزیم، ممکن است نتایج غیر واقعی به دست آید، زیرا بروسیت گاهی می تواند یک لایه نامحلول محافظ بر روی بتن تشکیل دهد مگر آنکه صدمه مکانیکی به آن وارد شود.