راهکارهای پیشگیری از تشکیل تومازایت در بتن و گزارش گروه متخصصین تومازایت

به منظور مقابله با عدم قطعیت های مربوط به جنبه های مکانیزم تشکیل تومازایت، چندین راهکار جهت به حداقل رساندن خطرات TSA پیشنهاد شده است که عبارتند از:

• پایین آوردن نسبت آب به سیمان تا جایی که برای دست یابی به یک کارایی خوب بتن (یا ملات) به همراه یک فوق روان کننده در مخلوط، عملا امکان پذیر باشد، تا بتوان انتقال داخلی یون ها در محلول حفره ای مصالح سخت شده را به حداقل رساند.
• کاهش نفوذپذیری بتن (یا ملات) با استفاده از ذرات آسیاب شده سرباره کوره ذوب آهن (ggbs) یا خاکستر بادی (pfa) و یا از طریق به کارگیری سیمان ترکیبی مانند سیمان پرتلند سرباره (مثلا CEM II/A-S) یا سیمان پرتلند- خاکستر بادی (مثلا CEM II B-V)، چنانکه در استاندارد اروپا برای سیمان های مرسوم ارائه شده است، BS EN 1971-1 (2000).
• کاهش مقادیر C3S (الیت) و C3A (آلومینات) تا حدی که اجرایی و ممکن باشد.
• بازنگری منظم سالانه آیین نامه های اجرایی تولید بتن (یا ملات) در معرض محیط های سولفاتی که در آنها احتمال دمای C°15 یا کمتر وجود دارد. این چهارمین توصیه به دنبال انتشار «گزارش گروه متخصصین تومازایت» در سال 1999، تصویب شده و به صورت قانونی درآمده است.

در این مقاله که توسط کارشناسان ما در مجموعه کلینیک بتن ایران تهیه شده است، شما عزیزان با راهکارهای پیشگیری از تشکیل تومازایت در بتن و گزارش گروه متخصصین تومازایت آشنا خواهید شد.

«گزارش گروه متخصصین تومازایت» و شاخه های آن

به دلیل مشاهده حمله سولفات تومازایت به طور گسترده در گلوسسترشایر انگلستان در اواخر دهه 1990، خصوصا در مورد پل های مسیر بزرگراه M5، «گروه متخصصین تومازایت (DETR)» توسط دولت انگلستان تشکیل گردید تا وضعیت موجود را مورد بررسی قرار دهد. این گروه، یافته های خود را در سال 1999 گزارش نمود (سازمان محیط زیست، حمل و نقل و مناطق، 1999) و به دنبال آن برخی بازنگری های سالیانه ارائه گردید. این گزارش، خطرات، راهکارها، فعالیت های علاج بخشی و راهنمایی هایی را در زمینه ساخت و ساز نوین، ارائه نمود. همچنین اطمینان حاصل شد که تعداد سازه هایی که در معرض خطر احتمالی حمله سولفات تومازایت (TSA) قرار دارند، نسبتا کم می باشد.

مهمتر از آن، تمایز میان TSA و تنها تشکیل تومازایت (TF) مشخص گردید. وقوع پدیده های کوچک تومازایت گسترده می باشد و در اغلب موارد، هیچگونه خطر سازه ای ایجاد نمی نماید. با این حال، مواردی وجود دارند که در آنها طی بازرسی اولیه، ممکن است بتن به وضوح تحت تاثیر TF قرار گرفته باشد، اما حجم نواحی تحت تاثیر ممکن است در ماه های آتی افزایش یابد که در این حالت، آغاز TSA مورد تردید می باشد. در چنین مواردی ممکن است نیاز باشد که آزمایشات و اقدامات علاج بخشی صورت پذیرد.

گزارش گروه متخصصین تومازایت (DETR)، راهنمایی را برای هر دو نوع ساخت و ساز در بالا و زیرزمین ارائه نمود و تا حد زیادی بر تحقیقات و بررسی های فنی انجام شده در موسسه «تحقیقات ساختمان» در انگلستان تکیه نمود.

عوامل خطر اولیه که مورد شناسایی قرار گرفتند عبارت بودند از:

• وجود یک منبع سولفات شامل سولفید که ممکن است اکسید شده و تشکیل سولفات دهد.
• وجود آب در حال حرکت (آب زیرزمینی در مورد بتن مدفون).
• وجود کربنات (که عموما در سنگدانه ها یافت می شود).
• دماهای پایین عموما کمتر از C°15.

برای ساخت و ساز جدید در زیرزمین، این گزارش توصیه نمود که مستندات راهنمای کلیدی برای بتن مدفون مورد بازنگری قرار گیرد و همچنین استانداردهای انگلستان در رابطه با بتن و مصالح سنگی، تجدید نظر و اصلاح شوند. این گزارش همچنین موضوع مقادیر قابل قبول کربنات چه در مصالح سنگی و چه در پرکننده سیمانی مجاز در داخل یک بتن مدفون را مورد بررسی قرار داد. سه محدوده از مصالح سنگی از نظر منابعی که می توانند TSA را در بتنی با سیمان پرتلند قرار گرفته در معرض سطوح متوسط سولفات ایجاد نمایند، تعریف گردید. این محدوده ها به صورت A، B و C تعیین شدند و به ترتیب مربوط می شود به کربنات کافی، کربنات پایین و کربنات بسیار پایین برای ایجاد TSA.

این گزارش، استفاده از سیمان پرتلند سنگ آهک را که می تواند حاوی 35-6% وزنی پرکننده سنگ آهک باشد، مورد بررسی قرار داد و توصیه نمود که این سیمان ها نباید در شرایطی که غلظت سولفات آب زیرزمینی (مانند SO₄) بیشتر از g/l 4/0 باشد، مورد استفاده قرار گیرند. همچنین این موضوع مورد بررسی قرار گرفت که استاندارد سیمان اروپا (2000) BS EN 197-1 وجود تا 5% پرکننده سنگ آهک در کلیه سیمان های «مرسوم» (طبق تعریف) را مجاز می شمرد. در زمان تهیه این گزارش، اینگونه مشخص شده بود که افزودن 5% پرکننده سنگ آهک، مقاومت در برابر سولفات در دماهای پایین تر (سرما) را در مقایسه با رفتار سیمان های پرتلند ساده، اندکی بدتر می کند. گروه متخصصین تومازایت گزارش نمودند که شواهد کافی برای توصیه اینکه این شرایط تاثیر قابل ملاحظه ای برعملکرد بتن ها یا ملات ها در محل اجرا دارد، موجود نمی باشد.

خوردگی آرماتور در بتن های سازه

برای ساخت و ساز بر روی زمین، TSA در انگلستان در اندودهای گچ و آهک، کارهای آجری حاوی سولفات، دال های طبقه همکف و بتن های آلوده شده با سولفات ها و سولفیدها مشاهده شده بود. همه این انواع تخریب می تواند بر اثر عدم رعایت توصیه های اجرایی مناسب در قالب استفاده از مصالح نامناسب برای شرایط بهره برداری مشخص، اجرای ضعیف کار در محل و نیز عدم خشک نگه داشتن سازه ها، اتفاق بیفتد. این گروه اعتقاد داشتند که هم اکنون توصیه های کافی جهت مقابله با TSA در ساخت و ساز روی زمین وجود دارد. خصوصا، آجرهای مرسوم حاوی سولفات در شرایط محیطی مستعد نباید مورد استفاده قرار گیرند که دلیل آن، آب بندی ضعیف آنها به دلیل ساخت و عمل آوری ضعیف می باشد.

TSA ممکن است تا زمانی که محلول حفره ای در جلوی واکنش سرد نگه داشته شده و pH بالای 5/10 باشد، ادامه یابد. با این وجود، گاهی اوقات پس از آغاز، این تخریب ممکن است حتی در pH پایین تر از 5/10 نیز ادامه یابد. به نظر می رسد که این حالت ناشی از وضعیتی است که زمانی ایجاد می شود که تومازایت در حدود pH برابر 7 ناپایدار شده و تنزل می یابد تا کلسیت ثانویه به شکل کره های نامنظم را به عنوان محصول نهایی تخریب TSA، نتیجه دهد.

بررسی انجام شده در دانشگاه شفیلد نشان داده است که تومازایت می تواند به سادگی در دماهای پایین نه تنها با سیمان های پرتلند سنگ آهک، بلکه با پرکننده سنگ آهک (تا 5% وزنی) در سیمان های پرتلند نیز تشکل گردد. این نتایج نشان می دهد که سیمان های پرتلند سنگ آهک در جایی که خطر بالای وقوع TSA وجود دارد، استفاده شوند، اگرچه این سیمان ها طی چندین سال با موفقیت در فرانسه به کار رفته اند، مثلا استفاده از آنها به خصوص برای دیوارهای داخلی ساختمان توصیه می شود اما در چنین کاربردی، احتمال کاهش دما تا زیر حدود C°15 در دوره های طولانی، پایین بوده و بنابراین احتمال مسئله ساز شدن TSA برای کارهای ساختمانی با اجرای مناسب، کم می باشد.

مرور سه ساله گزارش گروه متخصصین تومازایت مشخص نمود که مستندات راهنمای جدید اطلاعات بیشتری از TSA و چگونگی اقدامات پیشگیرانه آن را در اختیار گذاشته و توجه را به سوی نکات مختلفی شامل موارد زیر جلب نموده است:

• دو مورد جدید از TSA (در انگلستان) در بتن های مدفون شامل سنگدانه های سیلیسی به دست آمده است. این موارد، جنبه ها و دغدغه های بیان شده در گزارش را توجیه می کند که درباره این مطلب است که بتن های با سنگدانه های بدون کربنات یا مقادیر کم کربنات در صورت وجود یک منبع خارجی کربنات، مثلا از آب زیرزمینی که در آن کربنات محلول همواره وجود دارد، ممکن است تحت تاثیر TSA قرار گیرند.
• سیمان های با نسبت بالای ذرات آسیاب شده سرباره کوره ذوب آهن (ggbs) تاکنون مقاومت خوبی را در برابر TSA نشان داده اند.
• در بازنگری خلاصه ویژه 1 BRE در سال 2005، مشخص شد که کربنات لازم برای TSA می تواند از بیرون تامین گردد. خصوصا از کربنات های موجود در آب های زیرزمینی (معادلات 8-10) ، و بنابراین کیفیت بتن بر اثر سنگدانه های بدون کربنات کاهش نمی یابد، چنانکه در ویرایش قبلی این راهنما نیز ذکر شده است.

در برخی اظهارات در بازنگری سه ساله انجام شده بر روی گزارش، برش مربوط به pfa در ارتباط با ggbs جهت به حداقل رساندن وقوع TSA، ذکر شده است. ggbs هیدراسیون همراه با تاخیر را نشان می دهد که علت پوشیده شدن این ماده توسط لایه های نازک سطحی ناشی از واکنش قابل ملاحظه در شروع هیدراسیون می باشد، در حالی که pfa ذاتا هیدرولیکی نبوده و برای تحریک (برانگیختن) واکنش پذیری پوزولانی در حضور یون های Ca²⁺، وجود یک منبع یون های OH^- مورد نیاز می باشد. در صورتی که واکنش پوزولانی قبلا تا حد قابل ملاحظه ای ادامه نیابد که C-S-H در دمای حدود C°5 تشکیل شود، pfa ممکن است همیشه در مقابله با TSA موثر نباشد. در چنین شرایطی، pfa ضرورتا به صورت یک پرکننده عمل می کند، مثلا در صورتی که یون های OH^- بر اثر واکنش با CO₂ کاهش یابند و به جای آغاز تشکیل C-S-H بیشتر، یون های کربنات هیدروژن محلول تشکیل شوند:

دیگر مطالب کلینیک بتن را در این بخش دنبال نمایید
تخریب شیمیایی بتن
خوردگی میکروبیولوژیکی بتن
پیشینه ای از حمله سولفات ها در تخریب بتن

یک سیمان با پایه پرتلند با یک نسبت بالای pfa واکنش نداده، در چنین شرایطی دارای احتمال آسیب پذیری نسبت به TSA می باشد، چراکه نفوذپذیری به میزان قابل قبولی کاهش نمی یابد. با این وجود، تشکیل تومازایت آهسته بوده و هنگامی که (در اغلب موارد) واکنش پوزولانی به خوبی نسبت به زمان پیش می رود، احتمال تشکیل تومازایت وجود دارد و پس از آن pfa ممکن است دارای عملکرد مشابهی برای ggbs به عنوان یک جزء سیمانی تعمیم یافته باشد.

به نظر می رسد که پوزولان های واکنش پذیرتر مانند میکروسیلیس و متاکائولین معمولا به اندازه pfa تحت تاثیر نمی باشند. آغاز هیدراسیون تداوم یافته توسط سرباره ها و پوزولان ها (مانند pfa) از نظر پتانسیل TSA و به حداقل رساندن آن، نیاز به بررسی بیشتر و کامل تری دارد. همچنین دست یافتن به مقاومت بهینه در برابر TSA در اجرا، تحت شرایط محلی موجود، ضروری می باشد.

یک مطالعه جالب بوجه نشان داده است که TF یا TSA

می تواند حتی هنگامی که عوامل خطر اولیه همگی به وضوح موجود نباشند، اتفاق بیفتد. در این موارد، همواره یک منبع خارجی یا داخلی سولفات وجود داشته است، اما آب همیشه به مقدار زیاد و در حال حرکت نبوده است. یک منبع مستقیم از کربنات همیشه وجود نداشته و دما همواره پایین نبوده است.

نتایج حاصل از یک برنامه وسیع آزمایشگاهی بر روی مکعب های بتنی با نسبت آب به سیمان 45/0 ساخته شده با سه نوع سیمان مختلف که پیش از قرارگیری در معرض محلول های مختلف سولفات در دمای C°5، به مدت 28 روز با رطوبت عمل آوری شدند، اخیرا منتشر شده است. برخی نتایج اصلی این کار در زیر خلاصه شده اند:

• برای مکعب های نگهداری شده در pH برابر 12 در محلول های سولفات کلسیم (1.4 g SO₄/l) به علاوه سولفات منیزیم (1.6 g SO₄/l)، مطابق با نوع سولفات طراحی DS-3، TSA در مدت 5 ماه و آسیب قابل ملاحظه در مدت 12 ماه مشاهده گردید.
• حمله سولفاتی برای مکعب های ساخته شده با سیمان پرتلند سنگ آهک شامل 20% وزنی پرکننده سنگ آهک شدید بود، اما در مکعب های OPC (با 5% وزنی پرکننده سنگ آهک)، و SRPC بدون افزودن پرکننده سنگ آهک و بدون سنگدانه های حاوی سنگ آهک نیز این پدیده واضح و مشخص بود. بنابراین پیشنهاد شد که هر دو مورد SRPC و PC شامل 5% وزنی پرکننده سنگ آهک، باید با احتیاط در بتن های مدفونی که درمعرض تماس با آب زیرزمینی حاوی سولفات قرار دارند، استفاده شوند.
• وجود اسید، تشکیل تومازایت را تسریع نمی کند. اگرچه مقادیر کم تومازایت در مکعب های قرار گرفته در داخل محلول اسید سولفوریک در دمای C°5 مشاهده شده است، اما ماهیت این حمله خورنده متفاوت از TSA بوده است. با این وجود پیشنهاد گردید که حمله اولیه به بتن توسط اسید، منجر به آسیب پذیری زیاد آن نسبت به TSA می گردد و به دنبال آن شرایط قلیایی با سولفات زیاد ایجاد می شود.
• حین تشکیل تومازایت، هر دو ماده ژل C-S-H و هیدروکسید کلسیم مصرف شدند که اغلب همراه بود با تشکیل سنگ گچ و در صورت حضور منیزیم، این فرآیند همراه بود با تشکیل هیدروکسید منیزیم (بروسیت)
• احتمال دارد که TSA مشاهده شده در بتن مدفون مربوط به مسیر بزرگراه M5 در غرب انگلستان، به جای اینکه از pH پایین حاصل از تولید اسید سولفوریک ناشی شود، ناشی از افزایش مقدار سولفات حاصل از اکسید شدن پیریت (سولفید آهن FeS₂) باشد.