آزمون های سنگدانه های بتن و اقدامات پیشگیرانه

اولین گام در ارزیابی پتانسیل یک سنگدانه برای انبساط AAR و ترک خوردگی، عملکرد یک تحلیل سنگ نگاری انجام شده توسط یک سنگ نگار آموزش دیده می باشد، یعنی روشی که توسط یک کمیته تخصصی RILEM توصیه شده است. اما یک تحلیل سنگ نگاری ممکن است برخی مواد واکنش پذیر را مشخص نسازد (برخی مواد ممکن است به آسانی توسط ریزسنجی نوری قابل شناسایی نباشند)، و نتایج تحلیل نباید به طور خلاصه برای رد یا پذیرش یک سنگدانه جهت استفاده در بتن، استفاده شود. با ین وجود، بینشی ارزشمند درباره واکنش پذیری ممکن AAR را می توان از طریق سنگ شناسی بر روی خواص فیزیکی، شیمیایی و کانی شناسی سنگدانه هایی به دست آورد که ممکن است خواص دیگر بتن را تحت تاثیر قرار دهند.
هرچند روش های آزمایش شیمیایی سریع مختلفی برای ارزیابی پتانسیل واکنش پذیری قلیا- سیلیس یا واکنش پذیری قلیا- کربنات برای یک منبع سنگدانه وجود دارد، اما به عقیده نویسنده، قابل اعتمادترین ابزار ارزیابی، پتانسیل انبساط در بتن می باشد.
آزمایشات انبساط بتن برای تشخیص واکنش پذیری سنگدانه، در کشورهای بسیاری به صورت استاندارد درآمده است و اگرچه جزئیات آزمایشات ممکن است متفاوت باشد، اما این آزمایشات معمولا شامل ساخت نمونه های منشوری بتن با استفاده از سنگدانه مورد آزمایش  نسبت های ویژه اختلاط بتن می باشند. در اغلب موارد، یا مقدار سیمان مخلوط یا مقدار مواد قلیایی سیمان و یا هر دو، تا بالاتر از مقادیر نرمال افزایش می یابد. تا نرخ واکنش افزایش یابد. این نمونه های منشوری در شرایطی با رطوبت بالا (مثلا بالای آب در ظروف آب بند) و معمولا در دمای بالا (مثلا C°38 یا F°100 که به طور گسترده ای استفاده می شود) نگهداری می شوند تا نرخ واکنش هرچه بیشتر تسریع گردد. تغییر طول نمونه های منشوری در مدت نگهداری کنترل شده و انبساط آنها برای تعیین واکنش پذیری سنگدانه ها، مورد استفاده قرار می گیرد. شکل 7-4 منحنی های معمول انبساط برای نمونه های منشوری ساخته شده با استفاده از یک سنگدانه واکنش ناپذیر، با واکنش پذیری متوسط و با واکنش پذیری بالا را نشان می دهد. اگرچه حدود انبساط و مدت زمان های آزمایش در میان دستورالعمل ها واستانداردهای مختلف، متغیر می باشد، اما یک حد مرسوم برای شناسایی سنگدانه های واکنش پذیر عبارت است از 04/0% پس از 12 ماه نگهداری در دمای C°38. به عبارت دیگر، سنگدانه هایی که موجب انبساط بتن به میزان کمتر از این مقدار می شوند، تحت عنوان بی ضرر (واکنش ناپذیر) مورد توجه قرار گرفته و آنهایی که انبساطی بیشتر از این مقدار تولید می کنند، تحت عنوان بالقوه واکنش پذیر مورد توجه قرار می گیرند. آزمایشات نمونه های بتنی منشوری عموما برای ارزیابی واکنش پذیری قلیا- سیلیس و قلیا- کربنات مناسب می باشند.

شکل 7-4- منحنی های انبساط معمول برای منشورهای بتنی با سنگدانه های با واکنش پذیری متفاوت (نمونه ها در بالای آب با دمای C°38 نگهداری شدند)

از سنگدانه های بالقوه واکنش پذیر باید اجتناب نمود و یا از آنها تنها در بتن با اقدامات پیشگیرانه مناسب استفاده نمود. آزمایشات مختلف میله ملات برای ارزیابی پتانسیل واکنش قلیا- سیلیس (ASR) ارائه شده است. اینگونه آزمایشات، از یک یا چند روش برای تسریع انبساط استفاده می کنند که عبارتند از: افزایش مواد قلیایی سیمان، افزودن مواد قلیایی به مخلوط ملات، غرقاب نمودن میله های ملات در محلول قلیایی، افزایش دما و حتی قرار دادن در اتوکلاو. در حال حاضر، مرسوم ترین آزمایش میله ملات مورد استفاده که اغلب با عنوان آزمایش میله ملات تسریع شده (در آمریکای شمالی) یا فوق تسریع شده (در اروپا) نامیده می شود، عبارت است از غرقاب نمودن میله های ملات در محلول NaOH lM در دمای C°80. تغییر طول در مدت غرقاب بودن کنترل می شود و این آزمایش قادر به شناسایی اغلب سنگدانه های واکنش پذیر تنها پس از 14 روز غرقاب شدن در محلول قلیایی گرم، می باشد. شرایط آزمایش بسیار مهاجم بوده و سنگدانه های بسیاری با عملکرد رضایت بخش در این زمینه یا در آزمایشات نمونه منشوری بتنی وجود دارند که در آزمایش میله ملات تسریع شده، گسیخته می شوند. بنابراین، این آزمایش نباید جهت رد کردن سنگدانه ها، استفاده شود و پتانسیل واکنش پذیری سنگدانه هایی که این آزمایش را با موفقیت طی نمی کنند، باید از طریق آزمایش مطمئن تر منشور بتنی، تایید گردد. آزمایش میله ملات (فوق) تسریع شده برای ارزیابی برخی سنگ های واکنش پذیر قلیا- کربنات مناسب نبوده و یک روش آزمایش دیگر اخیرا توسط کمیته تخصصی RILEM برای استفاده در چنین مواردی، پیشنهاد شده است.
بررسی بیشتر، از محدوده این مقاله خارج بوده و خوانندگان علاقه مند به فعالیت های بین المللی در حال انجام جهت توسعه روش های بررسی سنگدانه های حساس به AAR می توانند به کار صورت گرفته توسط کمیته تخصصی RILEM، -ARP191 مراجعه نمایند. خلاصه ای از فعالیت های این کمیته و فعالیت های کمیته تخصصی قبلی RILEM، -ARP106 در دوازدهمین کنفرانس بین المللی واکنش قلیا- سنگدانه در بتن، ارائه شده است.

اقدامات پیشگیرانه برای ASR

روش های مختلفی برای به حداقل رساندن خطر انبساط ناشی از ASR در بتن وجود دارد که عبارتند از:

• استفاده از سنگدانه واکنش ناپذیر (یا بهره گیری از اثر «پسیموم»)
  
• محدود نمودن میزان مواد قلیایی بتن
  
• استفاده از مواد سیمانی مکمل (SCM) و 
  
• استفاده از ترکیبات لیتیوم

مشخص شده است که محدود نمودن مواد قلیایی در بتن با استفاده از SCMها یا ترکیبات لیتیوم، برای کنترل انبساط ناشی از واکنش قلیایی- کربناتی (ACR) موثر بوده و در نتیجه از کاربرد سنگ های واکنش پذیر قلیا- کربنات در بتن اجتناب نمود.

استفاده از سنگدانه واکنش ناپذیر (یا بهره گیری از اثر پسیموم)

هرچند استفاده از سنگدانه هایی که نسبت به ASR آسیب پذیر نمی باشند واضح ترین گزینه برای اجتناب از این مشکل می باشد، اما سنگدانه های واکنش ناپذیر در بسیاری مناطق در اختیار نبوده و واردات مصالح واکنش ناپذیر نیز ممکن است از نظر اقتصادی به صرفه نباشد. به علاوه ASR در برخی موارد اتفاق افتاده است که در آنها، پیش از آزمایش سنگدانه، مشخص شده بود که سنگدانه ها دارای واکنش پذیری مضر نبوده اند. روش های آزمایش سنگدانه ها برای واکنش پذیری، از نظر شدت افزایش یافته است و با گذشت زمان جهت آشکار شدن تعداد بیشتر سنگدانه های با نشانه های ASR در موارد میدانی و اجرایی، معیارهای پذیرش سخت گیرانه تر شده اند. اما پیروی از دستورالعمل های آزمایشات موجود نیز عملکرد رضایت بخش سنگدانه ها در هر وضعیت را تضمین می نماید. بنابراین، حتی اگر مشخص گردد که سنگدانه ها دارای واکنش پذیری مخرب نمی باشند، باز هم اغلب احتیاط های بیشتری در صورت لزوم، در نظر گرفته می شود.
اما از آنجا که سنگدانه های سیلیسی که به صورت بالقوه نسبت به ASR آسیب پذیر می باشند، اغلب یک نسبت «پسیموم» خوب را نشان می دهند (یعنی حداکثر انبساط در یک نسبت بخصوص SiO2:Na2Oe واکنش پذیر). گاهی اوقات امکان اجتناب از اثرات مخرب انبساطی ASR با استفاده از یک نسبت به اندازه کافی بالا از سنگدانه واکنش پذیر در بتن، جهت تضمین خوب باقی ماندن ترکیب مخلوط، خارج محدوده «پسیموم» وجود دارد.

محدود نمودن مقدار مواد قلیایی بتن

کار استانتون در زمینه ASR نشان داد که احتمال وقوع واکنش انبساطی هنگامی که مقدار قلیایی سیمان کمتر از 60/0% Na2Oe باشد، بسیار اندک خواهد بود. این مقدار به یک حد بیشینه پذیرفته شده برای سیمان جهت استفاده با سنگدانه های واکنش پذیر در ایالات متحده، تبدیل شده و در استاندارد ASTM C150 برای سیمان پرتلند به عنوان یک حد اختیاری هنگامی که بتن شامل سنگدانه واکنش پذیر باشد، ذکر شده است. اما این معیار، مقدار سیمان بتن را در نظر نمی گیرد که به همراه مقدار مواد قلیایی سیمان، مقدار مواد قلیایی کل بتن را تحت تاثیر قرار داده و به عنوان یک شاخص دقیق تر خطر انبساط هنگام استفاده از یک سنگدانه واکنش پذیر در بتن، در نظر گرفته می شود. برخی دستورالعمل های ملی، با مشخص نمودن یک سطح قلیایی بیشینه در بتن، این موضوع را مورد توجه قرار می دهند. گزارش شده است که این حد در انگلستان در محدوده 5/2 تا 5/4 Na2Oe kg/m3 می باشد. در برخی کشورها (مثلا کانادا)، این حد بسته به واکنش پذیری سنگدانه ها ممکن است تغییر نماید. در حال حاضر، هیچ روش زمایشی وجود ندارد که برای تعیین «سطح ایمن» مواد قلیایی برای یک سنگدانه بخصوص، مناسب باشد. اغلب روش های آزمایش مستلزم یک مقدار قلیای بالای غیر طبیعی می باشند تا نرخ واکنش را تسریع نمایند و انجام واکنش با سیمان کم قلیا ممکن است در تولید انبساط در آزمایش، با شکست مواجه گردد، هر چند کربناسیون همین مصالح می تواند منجر به انبساط بلند مدت در شرایط محل اجرا گردد. به علاوه، نمونه های کوچک آزمایشگاهی نسبت به آب شستگی مواد قلیایی در مدت آزمایش، آسیب پذیرتر بوده و سطوح قلیایی بالاتری تحت شرایط آزمایشگاهی (مثلا آزمایشات منشور بتنی) جهت جبران این پدیده مورد، نیاز می باشد.
سنگدانه هایی که معمولا هنگام استفاده در بتن با سیمان کم قلیا واکنش پذیر نیستند، ممکن است در بتن با مقدار قلیای بالاتر، دارای واکنش پذیری نامطلوبی باشند. این حالت ممکن است از طریق تغلیظ مواد قلیایی بر اثر گرادیان های خشک شدن، خروج مواد قلیایی از سنگدانه، یا ورود مواد قلیایی از منابع خارجی مانند مواد یخ زدا و آب دریا، اتفاق بیفتد. افزایش قلیای محلول در آب، از 1/1 تا 6/3 Na2Oe kg/m3 در نزدیکی برخی سازه های بزرگراه را گزارش نموده است. مهاجرت مواد قلیایی بر اثر رطوبت، دما و گرادیان های الکتریکی نیز توسط مطالعات آزمایشگاهی، نشان داده شده است.

آزمون های بتن

برخی محققین نشان داده اند که بسیاری از سنگدانه ها، حاوی برخی مواد قلیایی می باشند که ممکن است به داخل محلول حفره ای بتن نشت نموده و به این ترتیب خطر واکنش قلیا- سنگدانه را افزایش دهد. استارک و بتی گزارش نمودند که در شرایط حدی، برخی سنگدانه ها، مواد قلیایی معادل 10% مقدار سیمان پرتلند را آزاد می نمایند.
مواد سیمانی مکمل (SCM) مانند خاکستر بادی، میکروسیلیس، سرباره و پوزولان های طبیعی نیز ممکن است حاوی مقادیر قابل ملاحظه ای مواد قلیایی باشند که این موضوع در مقالات دیگر کلینیک بتن ایران مورد بحث قرار می گیرد.
مواد قلیایی ممکن است از منابع خارجی مانند آب شور، آب زیرزمینی حاوی سولفات، آب دریا و یا نمک های یخ زدا، به بتن نفوذ نمایند. نیکسون و همکاران نشان داده اند که آب دریا (یا محلول های NaCl) موجود در اب اختلاط، غلظت یون هیدروکسیل را بالا برده و مقدار انبساط بتن را افزایش می دهند. برخی محققین نیز نشان داده اند که قرارگیری بتن در معرض محیط های دارای نمک، که NaCl (و دیگر نمک های فلز قلیایی) از آنها به داخل مصالح نفوذ می کند، می تواند انبساط وترک خوردگی ناشی از ASR را افزایش دهد. نمک های یخ زدا مانند استات پتاسیم یا فرمیت سدیم نیز ممکن است دچار ASR شوند، هرچند که اطلاعات اندکی در این زمینه در مراجع موجود می باشد.

پرطرفدارترین مطالب ما را از دست ندهید!
تفاوت شن و ماسه
مبانی طرح اختلاط بتن
جدول عیار بتن چیست ؟

استفاده از مواد سیمانی مکمل (SCM)

مواد سیمانی مکمل (SCM) موادی هستند که به بهبود خواص بتن از طریق واکنش پوزولانی (مثلا خاکستر بادی با کلسیم پایین، میکروسیلیس، یا رس کلسینه شده)، یا واکنش هیدرولیکی (مانند سرباره آسیاب شده کوره ذوب آهن که از این به بعد سرباره نامیده می شود) و یا هر دو (خاکستر بادی با کلسیم بالا)، کمک می نمایند. این مواد عموما برای جایگزین نمودن بخشی از سیمان پرتلند استفاده می شوند که میزان این جایگزینی، تغییرات گسترده ی در محدوده کمتر از 10% تا بیشتر از 50% بسته به ماهیت SCM را شامل می شود. مطالب انتشار یافته بسیار زیادی در مراجع علمی در ارتباط با اثر SCMها بر ASR وجود دارد، اما هنوز هم شواهد متناقضی در ارتباط با شرایطی که در آنها SCMها موثر بوده و یا مقدار مورد نیاز آنها جهت توقف انبساط مضر در بتن، موجود می باشد.

یک نتیجه کلی که قابل بیان می باشد آن است که کلیه SCMها را با فرض استفاده از آنها به مقدار کافی، می توان به منظور جلوگیری از انبساط به کار برد که این مقدار مورد نیاز بسته به موارد زیر، بسیار متغیر می باشد:

• ماهیت SCM (به ویژه ترکیب شیمیایی و معدنی آن)
  
• ماهیت سنگدانه واکنش پذیر (عموما هرچه سنگدانه واکنش پذیرتر باشد، میزان SCM مورد نیاز بیشتر خواهد بود)
  
• موجود بودن مواد قلیایی در داخل بتن (یعنی از سوی سیمان پرتلند و منابع دیگر)
  
• شرایط محیطی بتن (یعنی بتن در معرض منابع قلیایی ممکن است نیازمند مقادیر بیشتر SCM باشد).
  

مثلا مقدار SCM مورد نیاز جهت کنترل انبساط در یک بتن حاوی یک سنگدانه با واکنش پذیری بالا و سیمان با خاصیت قلیایی بالا، ممکن است به صورت نشان داده شده در جدول 7-3 تغییر نماید.

جدول 7-3- محدوده کمترین سطوح جایگزینی مورد نیاز مواد سیمانی مکمل مختلف برای کنترل انبساط ناشی از واکنش قلیایی- سیلیسی (ASR)

عموما مقدار SCM مورد نیاز با افزایش مقدار سیلیس واکنش پذیر یا کاهش مقدار مواد قلیایی یا کلسیم SCM، کاهش می یابد (شکل 7-5). به عبارت دیگر، یک SCM با سیلیس بالا و مقادیر پایین کلسیم یا مواد قلیایی مانند میکروسیلیس، در مقادیر جایگزینی پایین تر، موثر می باشد. از سوی دیگر، سرباره به خاطر مقادیر سیلیس پایین تر و کلسیم بالاتر، تاثیرکمتری داشته و باید در مقادیر جایگزینی بسیار بالاتری جهت کنترل انبساط، مورد استفاده قرار گیرد.

شکل 7-5- رابطه میان انبساط و میزان مواد مکمل سیمانی (SCM) که نشان می دهد چگونه میزان SCM مورد نیاز برای کمینه نمودن انبساط با تغییر ترکیب SCM یا افزایش واکنش پذیری سنگدانه، افزایش می یابد.

SCMها، انبساط ناشی از ASR را از طریق کاهش مقدار و، در حد کمتر، قابلیت حرکت مواد قلیایی در بتن، کنترل می نمایند. مواد قلیایی، سدیم و پتاسیم در بتن، در میان فازهای جامد (یعنی احاطه شدن توسط هیدرات ها) و فازهای مایع (یعنی محلول حفره ای) بتن، جای می گیرند.
تنها هیدروکسیدهای قلیایی در محلول حفره ای می توانند اجزاء واکنش پذیر بتن را مورد تهاجم قرار دهند. ظرفیت چسبانندگی هیدرات ها، تا حد زیادی تابعی است از نسبت کلسیم- سیلیس C-S-H که تشکیل می گردد. C-S-H با یک نسبت Ca/Si پایین تر، دارای ظرفیت چسبانندگی قلیایی بیشتری می باشدف زیرا با کاهش مقدار کلسیم، بار سطحی مثبت کاهش یافته و این موضوع موجب جذب شدن کاتیون های مثبت بیشتری (Na+ و K+) از محلول حفره ای اطراف می گردد.
اثر SCMها بر ترکیب محلول حفره ای، به میزان خاصیت قلیایی (Na2Oe) که ایجاد می کنند و نیز درجه تغییری که این مواد در نسبت Ca/Si هیدرات های تولید شده ایجاد می نمایند، بستگی دارد. بنابراین، SCMهای با سطوح پایین تر Na2Oe و CaO، و سطوح بالاتر SiO2 واکنش پذیر، خاصیت قلیایی اندکی در سیستم ایجاد می نمایند، اما ظرفیت چسبانندگی قلیایی هیدرات ها را به میزان قابل ملاحظه ای افزایش می دهند (از طریق کاهش نسبت Ca/Si). شکل 7-6 مقدار یون هیدروکسیل محلول حفره ای استخراج شده از نمونه های خمیر سیمان هیدراته با سن 2 سال را نشان می دهد که با 50/0= W/Cm و 79 ترکیب مختلف مواد سیمانی تولید شده اند و این مواد عبارتند از سیمان های پرتلند با سطوح قلیایی مختلف، ترکیبات دوگانه سیمان پرتلند با محدوده ای از پوزولان های طبیعی، میکروسیلیس، سرباره و خاکسترهای بادی مختلف، و ترکیبات سه گانه سیمان پرتلند با میکروسیلیس به علاوه خاکستر بادی یا میکروسیلیس به علاوه سرباره. روشن است که غلظت یون هیدروکسیل (و قلیا) تابعی است از مقدار مواد قلیایی، کلسیم و سیلیس در سیمان پرتلند.

شکل 7-6- رابطه میان ترکیب شیمیایی سیمان های مخلوط و میزان قلیایی محلول حفره ای در نمونه های خمیر 2 ساله (نسبت آب به مواد سیمانی= 50/0)

آزمایشات منشور بتنی می توانند برای ارزیابی درجه تاثیر SCMهای مختلف و نیز جهت تعیین میزان SCM مورد نیاز به منظور کنترل انبساط، برای یک سنگدانه واکنش پذیر بخصوص، استفاده شوند. هنگام ارزیابی SCM در تضمین جلوگیری از انبساط و نه فقط تاخیر آن، عموما افزایش مدت زمان آزمایش منشور بتنی از یک سال (جهت ارزیابی واکنش پذیری سنگدانه) تا دو سال، ضروری به نظر می رسد. آزمایشات منشور بتنی عموما برای ارزیابی ترکیب سیمان با خاصیت قلیایی پایین به علاوه SCM، مناسب نمی باشند. برای تسریع واکنش و جبران کاهش مواد قلیایی ناشی از آب شستگی حین آزمایش، مواد قلیایی بیشتری در آزمایش منشور بتنی مورد نیاز می باشد.
آزمایش میله ملات تسریع شده نیز برای ارزیابی ترکیبات سنگدانه واکنش پذیر و SCM و تعیین مقدار SCM مورد نیاز جهت کنترل انبساط برای یک سنگدانه واکنش پذیر بخصوص، مورد استفاده قرار گرفته است. به طور کلی، ترکیبات سنگدانه واکنش پذیر با SCM که دارای انبساط کمتر از 10/0% پس از 14 روز غرقاب نمودن در محلول 1M NaOH می باشد، هنگام استفاده در بتن تحت شرایط عادی محل اجرا، دارای یک خطر انبساط پایین می باشد.

استفاده از ترکیبات برپایه لیتیوم

توانایی ترکیب برپایه لیتیوم در جلوگیری از انبساط مضر ناشی از واکنش قلیا- سیلیس (ASR) در ملات و بتن، اولین بار توسط مکوی و کالدول بیش از 50 سال پیش نشان داده شد. آنها نشان دادند که در میان بیش از 100 ترکیب شیمیایی آزمایش شده، نمک های مختلف لیتیوم (مانند LiNO3, Li2SiO3, LiF, Li2CO3, LiCl و Li2SO4) امیدوارکننده ترین ترکیبات بوده و در صورت استفاده به مقدار کافی، واقعا می توانند از انبساط ملات حاوی شیشه پیرکس جلوگیری نمایند. از آن زمان به بعد، مطالعات متعددی صورت گرفت که بیشتر آنها در دهه اخیر انجام شده است و این کشف اولیه را تایید می نمایند. هرچند اغلب ترکیبات لیتیوم دارای اثر مفیدی می باشند، اما تحقیقات اخیر نشان داده است که نیترات لیتیوم (LiNO3) کارآمدترین نوع برای جلوگیری از ASR می باشد، چرا که وجود آن در بتن منجر به افزایش عمده غلظت هیدروکسیل محلول حفره ای نمی گردد. محلول نیترات لیتیوم در حال حاضر توسط برخی از شرکت ها در آمریکای شمالی به عنوان یک «ماده افزودنی بازدارنده ASR» به بازار عرضه می شود. در کلیه موارد، این محصول به صورت محلول 30% LiNO3 فروخته می شود. این موضوع که ترکیبات لیتیوم، بازدارنده های ASR باشند تا حدی متناقض به نظر می رسد، چرا که لیتیوم یک فلز قلیایی مانند سدیم و پتاسیم می باشد. مکانیزم دقیقی که طی آن، لیتیوم ASR را کنترل می کند، ناشناخته می باشد، هرچند تئوری های بسیاری در این زمینه ارائه شده است. ساده ترین و پرکاربردترین توضیح آن است که نمک های لیتیوم با سیلیس واکنش پذیر به صورتی مشابه با نمک های سدیم و پتاسیم اندرکنش دارند، اما محصول واکنش، یک سیلیکات لیتیوم نامحلول است که دارای تمایل طبیعی اندکی به جذب آب و تورم می باشد.
کار اولیه مکوی و کالدول نشان داد که مقدار لیتیوم مورد نیاز جهت کنترل انبساط، تابعی است از وجود دیگر مواد قلیایی (Na+K) در سیستم و آنها نتیجه گرفتند که انبساط میله های ملات حاوی شیشه پیرکس واکنش پذیر می تواند به طور موثری کاهش یابد، به شرط آنکه نسبت مولار لیتیوم به سدیم به علاوه پتاسیم بزرگ تر از 74/0 باشد یعنی [Li]/[Na+K]>0.74. از آن به بعد، بسیاری از محققین رابطه مشابهی را میان مقدار لیتیوم مورد نیاز و مقدار مواد قلیایی موجود ارائه نموده اند، اما نشان داده شده است که حداقل مقدار [Li]/[Na+K] بسته به برخی پارامترها مانند حالت لیتیوم، ماهیت سنگدانه و اکنش پذیر و احتمالا روش آزمایش مورد استفاده، متغیر می باشد.
تحقیق اخیر، اثر نوع سنگدانه بر مقدار مورد نیاز لیتیوم جهت جلوگیری از انبساط ناشی از ASR را مشخص نموده است. در این مطالعه که شامل 12 منبع سنگدانه واکنش پذیر در کانادا بود، نسبت مورد نیاز [Li]/[Na+K] برای جلوگیری از انبساط منشورهای بتنی، برای مقادیر بیشتر از 04/0% پس از 2 سال نگهداری در دمای C°38، بین 56/0 و 74/0 برای 6 منبع سنگدانه و بین 93/0 و 11/1 برای سه منبع دیگر از 12 منبع سنگدانه بود. نسبت [Li]/[Na+K] برابر 11/1 برای سه منبع سنگدانه باقیمانده کافی نبود.
در حال حاضر، آزمایشات انبساط بتن، قابل اطمینان ترین روش های آزمایش برای ارزیابی ترکیبات برپایه لیتیوم و تعیین مقدار لیتیوم مورد نیاز با یک سنگدانه بخصوص، به شمار می روند. هرچند برخی اصلاحات برای آزمایش میله ملات (فوق) تسریع شده جهت کارآمد نمودن آن برای استفاده با ترکیبات لیتیوم پیشنهاد شده است، اما داده های اندکی برای ارزیابی قابلیت اطمینان آزمایشات اصلاح شده، در اختیار می باشد.
دستورالعمل های استفاده از ترکیبات لیتیوم برای جلوگیری ASR در ساخت و سازهای جدید یا کند نمودن انبساط در سازه های موجود تحت تاثیر ASR، توسط سازمان فدرال بزرگراه های آمریکا، منتشر شده است.

مدیریت سازه های تحت تاثیر ASR

اگر سازه ای از نظر واکنش قلیا- سیلیس مورد تردید باشد، اقدامات زیر ممکن است لازم باشد:

• انجام یک پیش بینی جهت تعیین احتمال انجام واکنش بیشتر و افزایش انبساط.
  
• ارزیابی راهکارهای ترمیم بتن و جلوگیری یا کند نمودن واکنش و انبساط بیشتر.

دستورالعمل هایی در زمینه ارزیابی و مدیریت سازه های تحت تاثیر ASR توسط انجمن استاندردهای کانادا و CANMET.
در صورتی که مشخص شود ASR عامل عمده ای در تخریب بتن بوده و احتمال واکنش و انبساط بیشتر، زیاد می باشد، ممکن است گزینه های بسیار کمی جهت کنترل واکنش، وجود داشته باشد. اما احتمال وجود دیگر فرآیندهای تخریب باید تعیین شده و در صورت وجود، از طریق راهکارهای ترمیمی به آنها پرداخته شود.
اگر شرایط سازه به گونه ای بحرانی شده است که دیگر از نظر سازه ای ایمن نبوده و یا ملکرد مورد نیاز را به حد کافی برآورده نمی سازد، در این صورت این اشکالات باید مورد بررسی قرار گیرد. مثلا اگر بتن به شدت ترک خورده و آرماتورهای فولادی داخلی شروع به خورده شدن نموده اند، راهکار ترمیمی باید روش هایی جهت جلوگیری از خوردگی بیشتر و آب بندی ترک ها به منظور حفاظت از آرماتورهای فولادی، علاوه بر روش های کند نمودن واکنش و انبساط ناشی از ASR را شامل شود.

روش های کاهش اثرات ASR را می توان به دو دسته تقسیم نمود:

(1) روش های مربوط به نشانه های خرابی و (2) روش های مربوط به علل خرابی

روش های کاهش نشانه ها عبارتند از پر نمودن ترک ها و ایجاد درزهایی به منظور امکان وقوع انبساط بیشتر، و به این ترتیب فراهم نمودن امکان آزاد شدن تنش های داخلی در بتن یا فشارهای وارد بر سازه ها یا اعضای مجاور و ایجاد قید در برابر انبساز بیشتر. آب بندی ترک ها توسط دوغاب اپوکسی (یا ترکیبی مشابه) می تواند به حفاظت آرماتورهای داخلی و یکپارچگی مجدد بتن ترک خورده، کمک نماید. اما این کار نرخ واکنش و انبساط را کند نمی نماید و ترک های جدید در صورت ادامه یافتن واکنش در طول زمان، به طور اجتناب ناپذیری ایجاد می شوند.
ایجاد درزهایی به منظور ایجاد مکان وقوع انبساط، در برخی سازه های آبی، مورد استفاده قرار گرفته است که هدف اصلی در اینگونه موارد، کاهش تنش ها بر روی تجهیزات مکانیکی موجود مانند توربین ها و دریچه های تخلیه می باشد. درزها همچنین می توانند به منظور جداسازی سازه های منبسط شونده از سازه های مجاور و یا کاهش تنش های داخلی در روسازی ها، ایجاد گردند. فراهم نمودن فضا جهت انبساط، ارتباطی با واکنش نداشته و احتمال دارد که انبساط و ترک خوردگی به دلیل کاهش قید، افزایش یابد. ایجاد قید به صورت مهارهایی در سنگ یا تاندون های پیش تنیده نیز در سازه های آبی به منظور جلوگیری از انبساط ناخواسته و تغییر شکل سازه، مورد استفاده قر��ر گرفته است. پلاستیک های مسلح به الیاف (FRP) نیز جهت دورپیچی اعضایی مانند ستون ها، مورد ااستفاده قرار گرفته اند.
تنها دو روش علمی برای بررسی علت آسیب (یعنی کند نمودن یا جلوگیری از واکنش بیشتر) عبارتند از خشک نمودن بتن به منظور حذف مورد نیاز جهت تقویت ASR و یا تغییر ماهیت واکنش از طریق وارد نمودن ترکیبات لیتیوم.
آب بند کننده های سیلان به منظور کاهش رطوبت نسبی در پایه های بتنی تحت تاثیر ASR، تراورس های راه آهن و موانع میانی جاده ها با موفقیت مورد استفاده قرار گرفته اند. سیلان های اعمال شده به بتن، سطح ان را آبگریز نموده و از ورود آب مایع به داخل بتن جلوگیری می نمایند. اما بخار آب همچنان می تواند از میان این لایه عبور نموده و منجر به کاهش مقدار رطوبت و در نتیجه کاهش رطوبت نسبی با زمان گردد. شکل 7-7 تصویری از مقاطع ترمیم شده و ترمیم نشده دیوارهای حائل در کبک کانادا را نشان می دهد.
ترکیبات لیتیوم برای بهسازی سازه های موجود که دچار ASR شده اند، مورد استفاده قرار گرفته اند، هرچند کارآمدی چننین ترمیم هایی هنوز باید به اثبات برسد. مرور دقیقی از بهسازی با لیتیوم برای کنترل ASR اخیرا توسط سازمان قدرال بزرگراه های آمریکا به چاپ رسیده است.

شکل 7-7- تصویر دیوار نگهبان متاثر از ASR برای مقایسه بخش بدون اعمال (سمت چپ) و بخش

تحت اعمال ماده سیلان (سمت راست)
برخی روسازی ها نیز از طریق اعمال محلولی از هیدروکسید لیتیوم یا نیترات لیتیوم به سطح روسازی، بهسازی شده اند. آزمایشات نشان داده اند که نفوذ لیتیوم حاصل از بهسازی موضعی، محدود به mm25 تا mm50 بالای روسازی می شود. اما می توان گفت که حد تخریب (آسیب) اغلب در لایه سطحی شدیدتر بوده و کند نمودن واکنش در آن ناحیه، باز هم عمر بهره برداری روسازی را افزایش دهد. غلظت مواد قلیایی می تواند در لایه سطحی، بر اثر حرکت بخار آب و کاربرد نمک های یخ زدا، افزایش یابد.
روش هایی برای افزایش نرخ و عمق نفوذ لیتیوم ایجاد شده اند که عبارتند از مهاجرت الکتروشیمیایی و اشباع خلا. این روش ها برای تعدادی از سازه ها به کار گرفته شده اند، اما نیاز به اطلاعاتی در مورد میزان تاثیر آنها در افزایش نفوذ لیتیوم و جلوگیری از انبساط ناشی از ASR، احساس می شود.
در اغلب موارد، سنگدانه ها اهداف مورد نظر در بتن را، چه از نظر اقتصادی و چه از نظر فنی تامین نموده و امکان تولید یک محصول نهایی مقرون به صرفه با دوام بلندمدت را فراهم می نمایند. اما موارد ویژه ای وجود دارد که در آنها، دوام طبیعی سنگدانه ها کافی نبوده و یا سنگدانه در داخل بتن، دچار واکنش شیمیایی می گردد.
این مقاله خلاصه ای از علل آشفتگی یا ناپایداری بتن را که به سنگدانه ها مربوط می شود، با تاکید ویژه ای برمقاومت در برابر سرما و واکنش پذیری قلیا- سنگدانه، بیان می نماید. برای علل عمده آشفتگی مربوط به سنگدانه ها (AAR و حمله سرما) و نیز علل غیر مخرب تر و با آسیب کمتر، اطلاعات وسیعی جهت شناسایی سنگدانه های احتمالا بی دوام، وجود دارد. در بسیاری موارد، راهکارهایی جهت بهبود دوام بتن حاوی این سنگدانه های مشکل آفرین، می تواند استفاده شود، مانند استفاده از خاکستر بادی جهت کاهش ASR، اما در موارد دیگر، راهکارهای کافی در حال حاضر جهت جلوگیری از مشکلات دوام مربوط به سنگدانه های بخصوص، موجود نمی باشد (مثلا سنگدانه هایی که در معرض ACR بوده و برخی سنگدانه های آسیب پذیر نسبت به سرما).
با کاهش هرچه بیشتر منابع طبیعی و محدودتر شدن امکان دسترسی به سنگدانه های با کیفیت بالا، نیاز به ارزیابی موثر و دقیق منابع و انواع سنگدانه، بحرانی تر می گردد. افزایش استفاده از سنگدانه های حاشیه ای (انواعی که در گذشته از آنها اجتناب می شد)، ماسه های تولید شده (با مقاومت طبیعی نسبت به صیقل دهی)، و محصولات بازیافتی (مانند بتن بازیافتی به عنوان مصالح سنگی درشت دانه)، همگی موضوعات احتمالی دوام را در اولویت قرار می دهند. راهکار کلیدی جهت ساخت با دوام ترین بتن از این سنگدانه ها عبارت است از شناخت علل زیرساختی آشفتگی مربوط به سنگدانه ها و به کارگیری این دانش در طراحی، اجرا، تعمیر و نگهداری سازه های بتنی جدید.