روش های ریاضی از جمله استفاده از تکینک های فلورسانس اشعه ایکس برای تعیین سرباره و مقادیر خاکستر نرم گزارش شده است و در برخی آزمایشگاه های بریتانیا رایج هستند. گمان می رود که دیگر تکنیک ها از جمله تحلیل شیمیایی دانه های منفرد استفاده می شوند. به شرطی که چنین مواد افزودنی استفاده نمی شوند، ارزش مقدار سنگدانه را می توان از ارزش های سیلیس محلول نمونه تحلیلی و سنگدانه با فرض هیچ باقی مانده حل نشدنی در سیمان محاسبه کرد. در جایی که سنگدانه از نوع اول است، ارزش درصدی باقی مانده حل نشدنی حاصل برای نمونه تحلیلی را می توان مقدار درصدی سیمان را در نظر گرفت.

مثال روش تعیین روباره آهن گدازی و مقدار سیمان بتن سخت شده. بتن سخت شده با استفاده از قطعات باریک با میکروسکوپ سنگ شناسی همراه با بتن های کنترل آزموده می شود تا نسبت اصلی آب به مواد چسباننده جایگزین سیمان ارزیابی شود. یک صفحه جلای با مساحت زیاد از نمونه تهیه و با روش شمارش نقطه مطابق با استاندارد آمریکا بررسی می شود تا نسبت های حجمی سنگدانه، چسباننده و حفره تعیین گردد.

یک سطح جلای با کیفیت از نمونه تهیه و با میکروسکوپ الکترونی که با سیستم مجهز به سیستم میکروآنالیز اشعه X متفرق کننده انرژی واسنجی شده بررسی می شود که از استانداردهای معدنی و سیمان هیدراته استاندارد برای تعیین ترکیب میانگین GGBS، سیمان و چسباننده (به جز سنگدانه و گرد سنگدانه) استفاده می کند.

اطلاعات شیمیایی حاصله با میکروپروب الکترونی بیتر با استفاده از نسبت ها تحلیل می شود تا مقادیر مطلق. نسبت Al₂O₃ / (Al₂O₃ + CaO) نشانگر طیف وسیع مناسبی میان سیمان پرتلند و GGBS است همان طور که در شکل 9-1 دیده می شود.

با روش های طیف نگاری بتن و مراحل استاندارد آزمون شیمیایی بتن بیشتر آشنا شوید.

شکل 9-1 نمونه نمودار کالیبراسیون برای تعیین GGBS توسط EDAX میکروسکوپی الکترون

در این مثال سطح جایگزینی سیمان با GGBS از معادله منحنی به دست می آید که از میانگین نسبت Al₂O₃ / (Al₂O₃ + CaO) که از تحلیل مساحت چسباننده به جز سنگدانه ای که با ریز جستجوگر الکترونی ساخته شده باشد استفاده می کند. نسبت آب به چسباننده تعیین شده به احاظ سنگ شناسی در ارتباط با نسبت GGBS / (GGBS + PC) محاسبه شده و نسبت های حجمی خمیر و خلا سنگدانه به کار می رود تا ترکیب نمونه از نظر کسری وزن با استفاده از چگالی های مفروض سنگدانه، سیمان و GGBS محاسبه گردد.

پربازدیدترین مقالات کلینیک بتن را در این بخش دنبال نمایید
دلایل ترک خوردگی بتن بعد از بتن ریزی
بررسی انواع مواد افزودنی بتن و کاربرد آنها
انواع اصطلاحات آرماتور و گره های بتن مسلح

قابلیت اطمینان و ارزیابی نتایج

مراحلی که در بالا به کار رفت مقدار سیمان پرتلند بتن سخت شده را نتیجه می دهد، در حالی که مقدار سیمان مخلوط شده تنها در صورتی قابل تعیین است که تحلیل حقیقی مخلوط، شناخته شده باشد. گزارش فنی جامعه بتن، جزییات آزمایش های گسترده دقیق شامل چندین آزمون آزمایشگاهی را در اختیار می گذارد. خطاها را می توان به خطاهای ناشی از نمونه برداری که در آن تقلیل kg/m³ 50± برای یک نمونه به kg/m³ 25± برای چهان نمونه مفروض است و خطاهایی ناشی از آزمایش تقسیم کرد. دقت آزمایش به نوع سنگدانه و فرآیندهای آزمایش بستگی دارد، اما ممکن است حدود kg/m³ 15± برای سنگ آهک باشد که تا kg/m³ 40± برای سنگدانه سنگ چخماق در نوسان باشد.

ترکیب این نتایج به طور نمونه دقتی جامع براساس میانگین چهار نمونه مستقل بین 30± و kg/m³ 50± به دست می دهد. عدد kg/m³45± اغلب به عنوان نمونه معمول برای بتن شنی با مقدار سیمان حدود kg/m³350 در نظر گرفته می شود. این مقدار به طور قابل توجهی برای سیمان های غیرمعمولی یا هنگام وجود سرباره آهن گدازی یا خاکستر پودر شده سوخت بدتر خواهد بود. هرگاه به دلیل نبود دسترسی به یک نمونه جداگانه، راجع به نقش ترکیبات سنگدانه محلول در اسید باید پیش فرض تهیه شود، دقت پایین می آید.

به طور مشابه، پیش فرض از نسبت های CaO و SiO₂ در سیمان بر دقت اثرگذار خواهد بود، اما به دلیل آنکه حد CaO در یک نمونه سیمان پرتلند بریتانیا کمتر از حد SiO₂ است، در صورت امکان ترجیح برپیش فرض براساس CaO است. اگر تاثیر سنگدانه زیاد باشد، از روش سیلیس استفاده می شود اما گرچه این روش کمتر به سنگدانه حساس است، زیاد آسان یا قابل اطمینان نیست.

آزمایش شیمیایی بتن

اهمیت نمونه برداری و آماده سازی نمونه دقیق را نمی توان بیش از حد تاکید کرد. در صورتی که سنگدانه به واسطه مواد شیمیایی اش از تحلیل مقدار سیمان و نسبت سنگدانه به سیمان جلوگیری کند، امکان دارد برآوردهایی براساس روش های میکرومتری یا با استفاده از تکنیک های ابزاری مانند طیف سنجی فلورسانس اشعه ایکس به دست آید.

هر روشی که برای تعیین مقدار سیمان به کار رود، باید تشخیص داد که هیچ ادعای آماری ای راجع به یک پیمانه خاص بتن تنها از یک آزمایش یک نمونه نمی توان داد. هر جا چندین نمونه جداگانه استفانه شود، برآوردی از یک مقدار میانگین امکان پذیر است و حداقل 4 نمونه جداگانه باید جهت دستیابی به یک برآورد قابل اطمینان به کار رود. انتخاب موقعیت این نمونه ها ترجیحا باید تغییرات ناشی از موقعیت مخلوط کن را به حساب آورد با توجه به اینکه اولین بخش برای یک کامیون مخلوط کن عموما غنی تر از میانگین خواهد بود در حالی که آخرین بخش ضعیف تر است. تفاوت بین دیوارهای بالایی و پایینی شمع تا kg/m³100 گزارش شده است.

مقدار اصلی آب

اصول نظری

مقدار آب موجود در مخلوط اصلی بتن با تعیین حجم منافذ مویینه که زمان گیرش با آب پر می شوند و اندازه گیری آب ترکیبی موجود در سیمان هیدراته ارزیابی می شود. کل مقدار اصلی آب از مجموع آب منافذ و آب ترکیبی به دست می آید. این روش اساس روش آیین نامه بتن انگلیس قسمت 124 را شکل می دهد. این روش تنها نیاز به یک نمونه بتن دارد که نه به لحاظ فیزیکی و نه شیمیایی آسیب ندیده باشد. معمولا نسبت آب به سیمان بیشترین سهم را دارد بنابراین تعیین مقدار سیمان نیز مهم است. روش های جایگزین ارزیابی نسبت آب به سیمان عبارتند از میکروسکوپ مقطع نازک و میکروسکوپ فلورسانس نور منعکس شده. روش های آخری از دقت بالاتری برخوردارند.

مراحل

به طور معمول یک نمونه بدون آسیب از برشی اره بر با ضخامت حدود 20 میلی متر و با مساحت یک وجه کمتر از 10000 میلی متر مربع (مثلا 100 میلی متر مربع) به دست می آید. نمونه باید از عمق کافی از بتن گرفته شود تا از ترک و دیگر اثرات سطحی اجتناب شود و می تواند به صورت برشی عمودی در یک هسته به دست آید. به منظور به حداقل رساندن از دست دادن ماده از سطح برش و باید دقت کافی مبذول شود و با ذخیره سازی در ظروف محفوظ از هوا از کربناته شدن جلوگیری شود.

نمونه در کوره در دمای 105 سانتی گراد به مدت 16 ساعت خشک می شود و در دسیکاتور خنک می شود، وزن می شود و در مایعی با چگالی مشخص (معمولا تری کلروتان) در دسیکاتور خلا غوطه ور می گردد. فشار کاهش می یابد و باعث می شود هوای درون لوله مویینگی ظاهر شود. سپس خلا آزاد می شود و نمونه که در مایع برای 5 دقیقه بیشتر غوطه ور نگه داشته می شود سپس در کیسه پلی اتیلن بسته شده وزن می شود تا به دلیل تبخیر وزن از دست ندهد. بنابراین جرم مایع پرکننده منافذ و درصد آب مویینه را می توان محاسبه کرد:

درصد آب مویینه = ((وزن نمونه خشک×چگالی مایع)/جرم مایع جذب شده)×100

پس از تکمیل اندازه گیری تخلخل مویینگی، نمونه در دمای 105 درجه گرما داده می شود تا زمانی که جرم ثابت به دست آید و خرد می شود تا از الک 150 میکرومتری عبور کند. حدودا 1 گرم از این نمونه در دمای 1000 درجه در یک جریان نیتروژن یا هوای خشک مشتعل می شود و آب پدیدار شده پس از جذب توسط پرکلرات منیزیم خشک وزن می شود. بخش بیشتری از این نمونه بنیادی برای اندازه گیری مقدار سیمان به کار می رود که از مناسب ترین روش از بین روش های ذکر شده در سایر مقالات کلینیک بتن ایران باتوجه به خواص سنگدانه استفاده می شود.

متاسفانه سنگدانه غالبا تخلخل و آب ترکیبی دارد که باید برای آن مجاز در نظر گرفته شود. اینها با استفاده از روش های مشابه روی موارد بالا به یک نمونه سنگدانه درشت دانه قابل ارزیابی هستند.

باید چنین فرض شود که مقادیر سنگدانه درشت به نوعی برای تمام سنگدانه در این نمونه از بتن هستند و بنابراین:

آب مویینه اصلاح شده=

و آب ترکیبی اصلاح شده=

که Q= تخلخل مویینه تعیین شده نمونه بتن به درصد

q= تخلخل مویینه تعیین شده سنگدانه به درصد

R= مقدار سنگدانه به درصد

X= آب ترکیبی بتن به درصد

Y= آب ترکیبی سنگدانه به درصد

C= مقدار سیمان به درصد

اگر فرض شود که هیچ آب هیدراتاسیونی با دی اکسید کربن جایگزین نمی شود، نسبت اصلی آزاد آب به سیمان به طور مشابه می تواند از طریق درصد تخلخل مویینه اصلاح نشده با درصد آب ترکیبی اصلاح شده به دست آید. در صورتی که نمونه های کنترل وجود نداشته باشند، باید فرض شود که آب ترکیبی هیدراتاسیون به طور نمونه 23/0 برابر مقدار درصدی سیمان است.

غالبا این مقدار به دلیل عدم دقت هایی که احتمالا در اندازه گیری آب ترکیبی اتفاق می افتد به عنوان موضوعی روتین اتخاذ می شود. تخلخل مویینه سنگدانه را می توان معادل مقدار جذب آب سنگدانه در نظر گرفت. در صورتی که این معلوم باشد بنابراین تخمینی از نسبت اصلی آزاد آب به سیمان را مجاز می داند. اگر مقدار جذب سنگدانه معلوم باشد، تنها نسبت آب به سیمان کلی را می توان نقل کرد و از طریق 23/0+(Q/C) به دست می آید.

قابلیت اطمینان و ارزیابی نتایج

از آنجایی که این تعیین کردن به یک نمونه بتن سالم نیاز دارد، مغزه ها یا نمونه های مکعبی استفاده شده در آزمایش مقاومت را نمی توان به کار برد. حتی تحت شرایط ایده آل بعید است که نسبت اصلی آب به سیمان دقتی بهتر از 1/0± را داشته باشد. منشا اصلی مشکل در اصلاحات تخلخل سنگدانه و آب ترکیبی نهفته است که امکان دارد با روش های مورد استفاده بالاتر از واقعیت برآورد شود.

این امر منجر به تخمین کمتر از واقعیت مقدار واقعی اصلی آب شود گرچه این نیز امکان دارد که هیدراتاسیون پیوسته در بتن های با سن بیشتر به نسبت های آشکار آب به سیمان اصلی منتهی گردد. همچنین مقدار سیمان اصلی باید با دقتی منطقی اندازه گرفته شود و مشکلات مرتبط با آن در مقالات دیگر وب سایت کلینیک بتن ایران مورد بررسی قرار گرفته است.

این روش برای بتن شبه خشک یا با تراکم ضعیف مناسب نمی باشد گرچه در مورد هوادهی، نویل پیشنهاد می کند به دلیل آنکه حفره ها ناپیوسته هستند در خلا پر از هوا باقی می مانند و هیچ حلالی را جذب نمی کند هرچند این دیدگاه از نظر دیگران مشکوک به نظر می رسد. در صورتی که چنین باشد، هوای وارد شده بر نتیجه که تنها متاثر از حفره های مویینه است اثرگذار نیست. همچنین باید از بتن های کربناته شده دوری شود. در جایی که سنگدانه ها بسیار متخلخل هستند یا مقدار قابل ملاحظه ای آب ترکیبی دارند، اصلاحات مورد نیاز به قدری زیاد خواهند بود که نتایج ممکن است از ارزش کمی برخوردار باشند. این ضعف احتمالا ارزش این روش برای سنگدانه مصنوعی را محدود می سازد.

نوع سیمان و جایگزین های آن

اصول نظری

نوع اولیه سیمان مورد استفاده در بتن را با جداسازی و تحلیل شیمیایی خمیر برای مقایسه با آنالیزهای انجام گرفته انواع خاصی از سیمان ایجاد می کنند. روش دیگر، می توان از بازرسی میکروسکوپی استفاده کرد تا ذرات هیدراته نشده سیمان را یافت که با نمونه های شناخته شده قابل مقایسه است. پیچیدگی تحلیل با توجه به نوع سیمان، مواد افزودنی، جایگزین ها و سنگدانه متغیر و آیین نامه بتن انگلیس قسمت 124 است و به شدت توصیه می شود که تحلیل شیمیایی باید با بازرسی میکروسکوپی تکمیل گردد. تشخیص میان سیمان پرتلند سخت شده سریع و معمولی امکان پذیر نیست گرچه جایگزین های سیمان معمولا قابل شناسایی هستند. تکنیک های پیچیده مانند دیفرانسیل حرارتی را نیز می توان برای تعیین نوع سیمان به طور مقایسه ای به کار برد. یک آزمایش ساده در محل برای شناسایی سیمان با آلومینای بالا انجام شده است

مراحل

آنالیز خمیر سیمان

با الک کردن مواد یک تکه شکسته بتن از یک شبکه 90 میکرومتری، نمونه ای بسیار ریز حاصل می شود. ضروری است این نمونه، ذرات کوچک سنگدانه که امکان دارد در تحلیل مشارکت کند نداشته باشد. نمونه بسیار ریز را سپس می توان برای ترکیبات اولیه سیمان مانند SiO₂، CaO، Al₂O₃، Fe₂O₃، MgO و SO₃ و ترکیب حاصل در مقایسه با آنالیزهای سیمان های مشخص تحلیل کرد. همچنین می توان سطوح خمیر سیمان روی نمونه های جلا یافته را با استفاده از روش های میکروآنالیز پروب الکترونی تحلیل کرد (بخش 9-3-2-5 را ببینید).

روش میکروسکوپی

یک قطعه کوچک بتن حدود 20 میلی متر مکعب ترجیحا بدون تکه های بزرگ سنگدانه و دارای سطح صاف شده باید انتخاب شود. این قطعه به مدت 12 ساعت در دمای 105 درجه خشک می شود و پیش از برش با اره و آسیاب کردن با پودر کاربید سیلیسیوم در ملات اپوکسی غوطه ور می گردد. در نهایت سطح با پودر الماس جلا داده می شود و با میکروسکوپی بازتاب نور بازرسی می شود. ذرات درشت هیدراته نشده سیمان قابل رویت خواهند بود و ممکن است تجزیه شود تا خواص نوع سیمان را نشان دهد. آیین نامه بتن انگلیس قسمت 124 راهنمایی هایی را درباره بهترین روش های تجزیه ارائه می دهد و نمونه های مرجع قابل مقایسه از نوع مشخص سیمان جهت تشخیص می تواند ارزشمند باشد. فرنچ نیز روش ها را با استفاده از مقطع های میکروسکوپی نازک شرح داده است.

جایگزین های سیمان