اندرکنش های پلیمر در بتن

مدل ساده تسکیل ریزساختار که در مقالات دیگر وب سایت کلینیک بتن ایران ارائه گردیده است، مکانیزمی را نشان می دهد که به وسیله آن، ذرات سیمان و پلیمر به طور مستقل از یکدیگر عمل آوری شده و یک پیوستگی فیزیکی بین هیدرات های سیمان و سنگدانه ها توسط یک لایه نازک پلیمری مشخص، ایجاد می گردد. در عمل، این وضعیت بسیار پیچیده تر از فرآیند بحث شده در این مقاله برای سینتیک هیدراسیون و ریزساختار می باشد.
پلی وینیل استات (PVA) موجب مقاومت بسیار کمی در برابر آب می شود به طوری که وقتی PMC غرقاب شود، متورم شده و دچار هیدرولیز قلیایی جزئی می گردد (رابطه 10-2) و استات کلسیم یا اسید استیک و پلی وینیل الکل محلول در آب را نتیجه می دهد.

(10-2)                                                             Ca(OH)₂ -(CH₂. CH. COOCH₃) - + 1/2    
                                           Ca(COOCH₃)₂ -(CH₂. CH. OH) - + 1/2

چنین واکنش هایی می توانند منجر به افت مقاومت قابل ملاحظه ای پس از تنها یک سال در وضعیت های هوازدگی طبیعی گردند. در تلاشی برای غلبه بر این مشکل، PVA با اتیلن، کوپولیمریزه شده است تا PVA به دست آید. حتی پس از این کار، مشخص گردید که گروه های استات EVA می توانند دچار هیدرولیز قلیایی شده و با یون های کلسیم ناشی از خمیر اندرکنش داشته و یک نمک آلی یعنی استات کلسیم را به وجود آورند. بررسی های صورت گرفته از طریق SEM بر روی خمیرهای اصلاح شده با EVA و خمیرهای اصلاح نشده نشان می دهد که مقدار هیدروکسید کلسیم کاهش یافته، کریستال های اترینگایت به خوبی تشکیل شده و دانه های هدلی مشاهده شده اند. این بررسی ها با تاخیر فرآیند هیدراسیون سازگار می باشند. به علاوه، یک فاز متخلخل مملو از کلسیم مشابه هیدروکسید کلسیم، در ساختار مشاهده گردید که این تخلخل ناشی از حمله اسید استیک تولید شده حین هیدرولیز می باشد.
طی دهه 1970، پلیمرهای شامل کلر پلی وینیل دی کلرید (PVDC) مورد توجه قرار گرفتند که علت آن، خواص مکانیکی بسیار خوب آنها بود. اما به زودی مشخص شد که این مواد می توانند منجر به خوردگی تسریع شده فولاد مسلح سازی گردند. استخراج و تحلیل محلول حفره ای نشان داد که با گذشت زمان، افزایشی در نسبت یون های [Cl-]: [OH-] رخ داده است. واکنش تبادل یونی بین یون های هیدروکسیل در محلول حفره ای اتفاق افتاده و کلرید به پلیمر متصل شده (رابطه 10-3) و یک پلیمر هیدروکسیل شده و یون های کلرید را در محلول حفره ای نتیجه می دهد.

(10-3)                                          - (CH₂. CCl2) - +20H- - (CH₂. COH. OH) - +2Cl-

اخیرا تر- پلیمرهای بتن شامل -n بوتیل اکریلیت، متیل اکریلیت و یک «مونومر تابعی» تولید شده اند. ماهیت این امر مونومر تابعی مشخص نمی باشد، اما مقایسه با چسب های دندان سازی مشابه نشان می دهد که این ماده ممکن است براساس یک اسیداکریلیک (یا مشابه آن) باشد که باید قادر باشد پیوند قوی (مهارهای شیمیایی) با ذرات سیمان برقرار نماید.

استفاده چسب در بتن

10-2-5- خواص مکانیکی

سختی

به طور کلی مشخص شده است که افزودن پلیمر، سختی PMC را کاهش می دهد که میزان این کاهش به مقدار پلیمر افزوده شده بستگی دارد. با این وجود، داده های بسیار اندکی برای تایید این موضوع وجود دارد و نشان داده شده است که این کاهش تنها برای ملات های اصلاح شده با SBR در p/c>12.5% واقعا قابل توجه می باشد. هیچگونه داده ای در ارتباط با رفتار بلندمدت، در اختیار نمی باشد.

مقاومت

مدلی برای توصیف رابطه میان تخلخل، ریزساختار و مقاومت خمیر سیمان، توسط کندال و همکاران پیشنهاد شده است. این مدل، تمایز میان ریزترک ها یا حفرات بلند که دارای طول کافی جهت آغاز انتشار ترک بوده اما احتمالا مقدار آنها کمتر از 1/0 کسر حجمی حفرات می باشد، و حفرات باقیمانده را مشخص می سازد که کسر حجمی بالایی در حدود 9/0 را شامل شده و بسیار کوچکتر از حدی هستند که موجب آغاز گسیختگی شوند. ین روش بیان می کند که تنش کششی،  ơ، که برای انتشار ترک در خمیر سیمان مورد نیاز می باشد، توسط رابطه زیر تعیین می گردد:

(10-4)                                                                   ơ = [E₀R₀(1 – p)³exp(-kp)/〖πa]〗^^(1/2)

که E0 و R0 به ترتیب عبارتند از مدول یانگ و انرژی شکست در تخلخل صفر، p نسبت حجمی تخلخل، a طول ترک و k یک مقدار ثابت می باشد. اندازه گیری های صورت گرفته در محدوده ای از نمونه ها، شامل آنهایی که با یک پلیمر محلول در آب ساخته شده اند، نشان داده است که مقاومت کششی و خمشی خمیر سیمان تا حد زیادی متاثر از طول بزرگ ترین حفرات (ترک مانند) می باشد، اما تاثیر حجم تخلخل نیز در کاهش مدول الاستیک و انرژی شکست، قابل توجه می باشد.
با وجودی که این رابطه برای ملات های اصلاح شده با پلیمر به کار نرفته است، اما این رابطه یک راه را برای توضیح داده های مقاومتی موجود و تعیین مسیر بهبود آنها، ارائه می نماید.
معمولا ملات های اصلاح شده با پلیمر شامل نسبت سنگدانه به سیمان 2:1، 15% پلیمر و w/c برابر 45/0-38/0 دارای مقاومت های فشاری و خمشی به ترتیب در محدوده MPa30 و MPa8 در مقایسه با مقادیر حدود MPa20 و MPa3 برای ملات اصلاح نشده می باشند. این بهبود مقاومت فشاری می تواند ناشی از استفاده از یک نسبت پایین تر w/c (برای کارآیی یکسان) و در نتیجه کاهش p در رابطه (10-4) باشد. این موضوع توسط بارلونگا و وانگ تایید شده است که نشان دادند در نسبت آب به سیمان ثابت، مقاومت فشاری ملات های اصلاح شده با پلیمر با افزایش p/c، رو به کاهش می گذارد که این امر ناشی از افزایش تخلخل می بااشد. بهبود مقاومت خمشی از نظر کاربردی مفید بوده و یکی از دلایل اصلی اصلاح ملات ها می باشد. ممکن است که وجود یک لایه پلیمری بتواند به طور موثری مقدار a را در رابطه (10-4) کاهش دهد. این مکانیزم ممکن است شامل پوشش دهانه ترک ها توسط پلیمر باشد، یعنی فرآیندی که بر اثر وجود قیدهای شیمیایی مورد بحث در مقالات دیگر وب سایت کلینیک بتن ایران، تسهیل می گردد. هنگام وقوع گسیختگی، رشته های پلیمری در سطح گسیختگی قابل مشاهده می باشند.

پربازدیدترین مطالب ما را از دست ندهید!
همه چیز درباره ی بتن
ضدیخ بتن چیست
آزمایش اسلامپ بتن چیست

در عین حال که مقدار مقاومت مثلا از طریق تغییر نوع سیمان یا اندازه سنگدانه و غیره، قابل افزایش می باشد، تغییرات در شیرابه دارای اثر کوچکی خواهد بود، هرچند که پودر با قابلیت پخش مجدد همواره تا حدی کم ارزش تر تلقی می گردد. این نشان می دهد که وجود لایه پلیمری نمی تواند اثر ترک هایی با طول کمتر از یک طول بحرانی، acrit، را خنثی نماید. بنابراین می تواند گفت تا زمانی که ماهیت acrit به روشنی مشخص نگردد، ممکن است نکات چندانی از تلاش های تجربی مربوط به بهبود مقاومت PMC از طریق توسعه پلیمری، دریافت نگردد.

چسبندگی

یک جنبه مهم PMC، چسبندگی مناسب آن به سطوح زیرین مانند بتن، فولاد و بسیاری از مصالح دیگر می باشد. چند روش آزمایش مورد استفاده برای ارزیابی چسبندگی وجود دارد که کشش (بیرون کشیدگی)، خمش و برش اریب مرسوم ترین موارد می باشند. مقادیر به دست آمده به عواملی بستگی دارد مانند روش آزمایش و ماهیت سطح زیرین مثلا تخلخل و محیط و اغلب دارای پراکندگی قابل ملاحظه ای می باشند. عمل آوری تر، پیوستگی بسیار خوبی را نتیجه نمی دهد و گسیختگی ها به حالت چسبنده می باشند (یعنی در سطح مشترک) عمل آوری تر- خشک، پیوستگی بسیار بهتری را نتیجه می دهد که با افزایش p/c، پیوستگی افزایش یافته و مقاومت های پیوستگی تا 3 برابر مقادیر متناظر در مصالح اصلاح نشده می تواند به دست آید. گسیختگی اساسا دارای ماهیت پیوسته می باشد. مرطوب نمودن مجدد بعدی برای بلندمدت، می تواند این پیوستگی بهبود یافته را با یک بازگشت به گسیختگی نوع چسبنده، کاهش دهد. دلیل این پدیده مشخص نمی باشد، اما یک امکان می تواند این باشد که محصولات هیدراسیون که در مدت هیدراسیون بیشتر تشکیل شده اند، لایه پلیمری میانی را به جای آنکه تحکیم کنند، منقطع می نمایند. این شرایط می تواند با تورم ناشی از جذب آب در فاز پلیمر ترکیب گردد.

دوام و جذب آب

هنگام مقایسه یک نوع مشخص PMC تولید شده در کارآیی ثابت، مشخص می گردد که جذب آب و نفوذپذیری با افزایش p/c کاهش می یابند و این پدیده ممکن است از کاهش تخلخل ناشی شود. اما کمی کاهش مقاومت به ویژه خمشی وجود دارد، اگر چه این موضوع از اهمیت کاربردی برخوردار نمی باشد، زیرا مقاومت ها هنوز هم بزرگ تر از مقاومت های ملات اصلاح نشده می باشند. با توجه به این بررسی ها، مقاومت PMC در برابر یخ زدن تا حد زیادی افزایش می یابد. بنابراین، با وجودی که یک ملات اصلاح نشده ممکن است در طی کمتر از 100 چرخه یخ زدن و ذوب شدن مثلا C°18- تا C°4+ دچار آسیب گردد، PMC حتی پس از 300 چرخه نیز هیچگونه آسیبی نمی بیند.

کربناسیون

در ارتباط با کربناسیون، یک آزمایش نشان داده است که برای یک ملات اصلاح شده با SBR، عمق های کربناسیون mm 3-2 در مقایسه با mm 20-10 بسته به شرایط محیطی، برای مصالح معمولی می باشد.

حمله اسیدی

اغلب PMCها مورد حمله اسیدهای آلی و غیرآلی و نیز سولفات ها واقع می شوند، زیرا این عوامل به فاز سیمان حمله می کنند. PMCها، همچنین مورد حمله حلا های آلی واقع می وشند که لایه های پلیمری را در خود حل می کنند. اما از آنجا که تخلخل نسبت به حالت ملات های اصلاح نشده کمتر می باشد، در نتیجه نرخ این حمله نیز پایین تر می باشد.

انتشار کلرید

مقادیر شرایب انتشار موثر (Deff) کلرید در انواع مختلف سیمان های اصلاح شده با پلیمر، با استفاده از یک روش انتشار حالت پایدار مناسب، تعیین شده و در جدول 10-4 ارائه گردیده است. نمونه ها در w/c ثابت مقایسه شده و همگی به خوبی عمل آوری شده اند.

جدول 10-4- ضرایب انتشار موثر برای نفوذ یون های کلرید در PMC در C°25

چند نکته جالب توجه از نتایج به دست آمده که در زیر خلاصه شده است:

• در مورد سیمان اصلاح شده، همانگونه که انتظار می رود کاهش w/c منجر به کاهش مقادیر Deff گردید و نتایج با مقادیر گزارش دشه در کارهای دیگر، قابل مقایسه بود.
  
• در یک w/c مشخص، افزودن SBR1 به میزان 10%، Deff را تا حدود نصف کاهش داد. افزایش مقدار این ماده تا 20%، دارای تاثیر اندکی بیشتر بود. اما مقایسه در w/c ثابت، مزیت واقعی افزودنی شیرابه را کمتر از میزان واقعی نشان می دهد. با امکان کاهش w/c و درعین حال حفظ کارآیی ، باید مقایسه ای بین مثلا w/c برابر 4/0 برای خمیر اصلاح نشده و 3/0 برای خمیرهای اصلاح شده صورت گیرد. در این حالت، کاهش Deff تقریبا قابل توجه خواهد بود.
  
• اغلب انواع دیگر شیرابه ها نیز در کاهش Deff موثر بودند، اما هیچیک به خوبی SBR نبودند با این حال، باید توجه نمود که Ac2 در این برسی کلی، یک استثنا می باشد. این پلیمر دارای اثر تاخیری قابل ملاحظه ای بر هیدراسیون سیمان بود و در نتیجه ساختار حفره ای بسیار بازی را ایجاد نمود که به نوبه خود منجر به یک مقدار Deff بسیار بزرگ تر نسبت به خمیر اصلاح نشده گردید. بنابراین، می توان فرض نمود که کلیه شیرابه ها سودمند می باشند.
  
• مقادیر Deff برای افزودن پلیمر به شکل پودر با قابلیت پخش مجدد و یا شیرابه، تفاوت چندانی با یکدیگر نداشتند.
  ادعاها درباره اینکه انواع PMCهای مورد مطالعه ممکن است به علت پر شدن حفرات بزرگ با پلیمر یا آب بندی با یک لایه پلیمری پیوسته، مقاومت در برابر نفوذ یون کلرید را بهبود بخشند، به احتمال قوی صحیح نمی باشد، زیرا پلیمرها تمایل به افزایش تخلخل نشان داده و لایه های پلیمری پس از انجام آزمایش به طور مجزا، به خودی خود موانع موثری در برابر انتشار کلرید نبودند. مقادیر Deff در لایه های پلیمری تولید شده از طریق خشک کردن در یک ظرف آزمایشگاهی برابر 65/8 و cm2s-1 108×35/11 به ترتیب برای SBR 1 و AC 1 به دست آمدند.
  همانگونه که قبلا بحث شد، رژیم عمل آوری تر- خشک روندی نیست که معمولا برای دوام خوب، مورد نظر باشد و وجود یک ناحیه تحت تاثیر عمل آوری (CAZ) نشان داده شده است. قطعات گرفته شده از چنین نمونه ای در واقع مقدار برگ تری از  Deff را در ناحیه تحت تاثیر عمل آوری در جدول 10-5 نشان می دهد.

جدول 10-5- ضرایب انتشار موثر برای نفوذ یون های کلرید در PMC در C°25، نمونه های با 20% SBR 1، نسبت آب به سیمان 35/0و عمل آوری شده برای 48 ساعت به صورت تر و 28 روز به صورت خشک

اما باید توجه نمود که این مقدار Deff همچنانکه هیدراسیون اتفاق می افتد، بر اثر مرطوب شدن سلول انتشار، با زمان کاهش می یابد. این یافته می تواند مشاهدات و بررسی های محلی درباره غلظت های کلریدی بالای یافت شده در سطح برخی سازه های PMC اما با نفوذ اندک کلرید در عمق، ناشی از کاهش سریع تخلخل از سطح تبخیر را توضیح دهد.
از نقطه نظر اجرایی، این نتایج نشان می دهد که هنگام مقایسه سیستم های متفاوت، بیان روشن معیاری که مقایسه براساس آن صورت می گیرد، بسیار مهم می باشد، یعنی w/c ثابت یا کارآیی ثابت. به علاوه، روش های ساخت و عمل آوری مورد استفاده در اماده سازی نمونه ها برای آزمایش انتشار، باید به روشنی بسان شده و با روش های توصیه شده جهت استفاده در اجرا، مقایسه شوند.

حرارت/ آتش

مقاومت حرارتی و غیر قابل اشتعال بودن PMC به خوبی مصالح اصلاح نشده نمی باشد. خواص مکانیکی با افزایش دما به سرعت کاهش یافته و مقاومت ترکیب تحت کنترل ماهیت پلیمر مورد استفاده به خصوص دمای انتقال شیشه و p/c خواهد بود. قابلیت اشتعال به ماهیت محصولات تشکیل شده حین تجزیه حرارتی وابسته می باشد. این عوامل، استفاده از PMC را به دمای پایین تر از C°150-100 محدود نموده است.