فرآیندهای یخ زدن در بتن و دیگر مواد متخلخل به صورت های گوناگونی می باشد. از زمان انتشار فعالیت اولیه تی.سی.پاورز و همکارانش که در طول 50 سال گذشته آغاز گردید، نظریه های مختلف بسیاری جهت بررسی ویژگی های گوناگون پدیده های مشاهده شده ارائه شده است. تعدادی از محققین دارای سهم عمده ای دراین نظریه ها می باشند که برای مثال می توان به لیتوان، فاگرلاند، مارچند و همکاران و ستزر اشاره نمود. منشا آسیب یخ شدن- ذوب شدن در هر پدیده تخریب بتن ممکن است براساس ترکیبی از رفتارهای توصیف شده در نظریه های مختلف، استوار باشد.
درک موضوع دوام مربوط به یخ زدن- ذوب شدن شامل بررسی برخی پدیده ها است که موارد زیر را می توان از جمله مهمترین آنها برشمرد:
- اثر دما بر حجم
- اثر یخ زدن بر بازتوزیع غلظت های جسم حل شده
- اثر اندازه حفرات بر دمای یخ زدن مایعات حفره ای
- رابطه میان جریان و فشار
حجم و دما
رابطه میان حجم و دما در یک حالت مشخص در مواد با ضریب انبساط حرارتی بالا، دارای اهمیت می باشد. تغییر حجم حین یک تغییر حالت در مورد آب موجود در بتن حتی از اهمیت بیشتری نیز برخوردار می باشد. تغییر چگالی آب در یک محدوده دمایی از C°30+ تا C°30- منجر به ایجاد شرایطی می شود که به واسطه آن حجم آب پس از تبدیل به یخ تقریبا 9 درصد بیشتر از حجم اولیه آن می شود.
فرآیند یخ زدن در داخل ساختار حفره ای موئینه آغاز می گردد. افزایش حجم آب حفره ای در بتن اشباع از اهمیت بسیاری برخوردار است اما آسیب ناشی از یخ زدن- ذوب شدن تحت تاثیر عوامل بیشتری تشدید می گردد. یکی از این عوامل، آب فراهم شده برای کریستال های در حال رشد یخ است که توسط فشار اسمزی (تراوشی) به وجود می آید. این پدیده به گرادیان های غلظت ایجاد شده بر اثر بازتوزیع مواد محلول مربوط می گردد.
بازتوزیع غلظت مواد محلول
آب حفره ای موئینه شامل مواد محلول خصوصا قلیاها و نمک ها می باشد. کریستال های یخ که همراه افت دما به زیر نقطه انجماد رشد می کنند، از آب خالص تشکیل می شوند. این امر موجب راندن مواد محلول به آب حفره ای یخ نزده اطراف می گردد. این آب در بردازنده هر دو مواد محلول موجود و مواد محلول رانده شده از سوی آب خالص یخ زده می باشد. این حالت موجب افزایش غلظت مواد محلول و در نتیجه یک گرادیان غلظت می گردد.
رشد بیشتر کریستال های یخ در یک حفره موئینه دارای یک اثر دوگانه می باشد. اولا با افزایش حجم یخ، آب از شبکه حفرات موئینه به شبکه حفرات ژلی رانده می شود. ثانیا این پدیده منجر به یک افزایش مداوم در گرادیان غلظت می گردد. سرانجام فشار اسمزی برآیند تبدیل به یک نیروی رانشی قوی شده و آب یخ نزده، شامل آب حفرات ژلی، به سوی بدنه یخ در حال گسترش، انتشار می یابد. این پدیده در شکل 8-5 نشان داده شده است. بنابراین حتی بتنی که کاملا اشباع نباشد نیز در معرض خطر قرار دارد.
شکل 8-5- حرکت آب در طول رشد یک توده یخ
رشد خودتغذیه بدنه یخ با افت دما، ممکن است منجر به اتساع (تورم) حفرات خالی شده و تولید فشارهای انبساطی نامطلوب را موجب گردد.
نقطه انجماد مایعات حفره ای
نقطه انجماد یک مایع حفره ای، تابعی از دما و فشار. ساختار حفره ای بتن شامل دامنه وسیعی از قطرها می باشد (سایر مقالات وب سایت رسمی کلینیک بتن ایران را ملاحظه نمایید) و این موضوع بر پدیده یخ زدن تاثیر می گذارد. تشکیل یخ در درشت ترین حفرات موئینه آغاز می گردد، درحالی که آب در حفرات ژلی مجاور در داخل C-S-H در ابتد به حالت یخ نزده باقی می ماند. یک رابطه ترمودینامیکی بین نقطه انجماد و شعاع حفره وجود دارد، زیرا انرژی سطحی دیواره های حفره منجر به جذب مولکول های آب و در نتیجه کاهشی در نقطه انجماد از طریق کاهش پتانسیل شیمیایی آب حفره ای می گردد. حتی پس از آنکه یخ در داخل حفره تشکیل شود، یک لایه نازک آب جذبی در سطح حفره به حالت یخ نزده باقی می ماند و هرچه سطح مخصوص حفرات بیشتر باشد، نقطه انجماد پایین تر می آید. حفرات با شعاع nm5 یا کمتر می توانند در دماهای بالای C°20- به حالت یخ نزده باقی بمانند و تنها دوسوم آب حفره ای ممکن است تا C°60- یخ بزند.
باتوجه به ماهیت گسترده جزء C-S-H از سیمان هیدراته و ساختار حفره ای بسیار ریز آن با پایین آمدت دما تا C°30- ممکن است کمتر از نصف آب حفره ای در یک نمونه معمولی بتن یخ بزند. پارامترهای مهم و تاثیرگذار عبارتند از درجه اشباع، توانایی بتن جهت تسهیل حرکت تحت فشار آب یخ نزده و جایدهی رشد اجرام یخی. رشد یک جرم یخی مستلزم یک دانه کریستالی یخ می باشد. در صورت عدم وجود یک دانه کریستالی، آب ممکن است بیش از حد سرد گردد. بنابراین عوامل بسیاری وجود دارند که در تغییرات پدیده تبدیل آب به یخ در بتن در دماهای زیر صفر موثر می باشند.
در واق استارک و لودویگ نشان داده اند که کیفیت آب دارای تاثیر قابل ملاحظه ای بر مقاومت بتن در برابر یخ زدگی می باشد.
جریان و فشار
این حقیقت که یخ دارای حجمی تقریبا 9 درصد بیشتر از آب تشکیل دهنده ان می باشد، منجر به جریان فشار آب در زمان آغاز تشکیل کریستال های یخ در بتن می گردد. یک جرم یخ به طور موضعی در یک حفره از آب خالص تشکیل می شود تا جایی که حفره را پر می کند. آب اضافی یخ نزده و هوا به سمت خارج از حفره و به داخل شبکه اطراف رانده می شوند. این یخ یک جبهه در حال حرکت را تشکیل داده و آب جلوی خود را به بیرون می راند. این جریان را ممکن است بتوان با قانون دارسی برای انتقال سیالات درون یک ماده متخلخل مدلسازی نمود. جریان تحت یک حد فشار اتفاق افتاده و مقاومت در برابر جریان متناسب است با طول مسیر جریان. در نتیجه این شرایط ممکن است در جایی به وجود آید که جریا�� بر اثر حجم حفره ای ناکافی متوقف گردد. مقاومت در برابر جریان، یک فشار هیدرولیکی ایجاد می نماید. این فشارهای انبساطی ممکن است به حدی برسند که از مقاومت کششی بتن تجاوز نموده و منجر به ایجاد ترک هایی گردند. به علاوه، حرکت آب طی چرخه های یخ زدن- ذوب شدن ممکن است منجر به حرکت آب موئینه به داخل ریزترک ها گردد. در چرخه های یخ زدن بعدی، این آب ممکن است موجب انتشار این ترک ها شده و آسیب تجمعی عمده ای را در طول زمان به بار آورد.
یخ زدن- ذوب شدن در بتن
چهار عامل موثر کلیدی بر رفتار نامطلوب یخ زدن- ذوب شدن عبارتند از تخلخل/نفوذپذیری، مشخصات سنگدانه ها، حالت رطوبت و شرایط اقلیمی. در مورد سازه های بزرگراه ها، مواد یخ زدا نیز دارای اهمیت می باشند که در مقالات دیگر کلینیک بتن ایران مورد بحث قرار می گیرند. البته بلوغ بتن نیز در هنگام یخ زدن، موضوع قابل توجهی می باشد.
علاوه بر عوامل کلیدی که در این مقاله به طور مفصل تر مورد بحث قرار می گیرند، باید توجه نمود که عمل آوری مناسب نیز یک ضرورت برای بتن خوب محسوب می شود. عمل آوری اولیه بتن از چندین نظر برای دوام ضروری می باشد. در ورد عملکرد یخ زدن- ذوب شدن، خوب هیدراته شدن لایه های سطحی دارای اهمیت می باشد. این امر مستلزم عمل آوری دقیق به منظور محدود نمودن از دست رفتن بیشتر آب از این لایه ها می باشد. به علاوه، بتن نابالغ به دلیل درصد آب حفره ای موئینه نسبتا بالا و مقاومت کششی بسیار پایین آن، در معرض آسیب ناشی از یخ زدن قرار دارد. حفاظت از بتن نابالغ در برابر چرخه های یخ زدن که در روزهای پس از بتن ریزی اتفاق می افتد، امری ضروری می باشد. پینک توصیه می کند که اقدامات حفاظتی تا رسیدن مقاومت نمونه مکعبی بتن به مقدار N/mm22 صورت گیرد، یعنی مرحله ای که فرض می شود بتن مقاومت کافی جهت مقابله با یخ زدن را به دست آورده است.
نفوذپذیری
تخلخل و نفوذپذیری دارای رابطه متناسبی با یکدیگر نمی باشند. اگر چه که بتن با نفوذپذیری بالا عموما متخلخل تصور می شود، اما جالب است که بتن با تخلخل بالا دارای این مزیت است که می تواند دریچه های اطمینان را برای انبساط یخ در آن فراهم نماید، البته با فرض اینکه بتن اشباع نباشد. این مطلب اساس استفاده از مواد هوازا به عنوان یک راهکار کنترلی می باشد. اما بتن با نفوذپذیری پایین که از مخلوط های با نسبت آب به سیمان پایین به دست می آید، معمولا به عنوان بتن، با دوام شناخته می شود و در نتیجه در محیط های در معرض یخ زدن- ذوب شدن مورد توجه می باشد. چنین بتن هایی با نفوذپذیری پایین از دو جنبه سودمند می باشند. نفوذناپذیر بودن بتن، میزان آب آزادی را که می تواند از محیط خارج وارد ساختار حفره ای بتن سخت شده گردد، کاهش می دهد. علاوه بر این، بتن هیدراته حاوی حداقل مقدار آب قابل یخ زدن در محدوده های دمایی موجود یا آب آزادی که تشکیل یخ را تغذیه می کند، می باشد.
قبلا بیان شد که قطر حفرات بر دمایی که آب در آن یخ می زند، تاثیرگذار می باشد. ابتدا آب موجود در بزرگترین حفرات در یک دمای مشخص شروع به یخ زدن می نماید. کاهش بیشتر دما موجب یخ زدن آب موجود در شبکه موئینه می شود اما آب حفره ای ژلی به صورت یخ نزده باقی می ماند. حجم و نزدیکی فشاهایی که آب خارج شده ممکن است به آنها وارد شود، تا حد زیادی بر میزان مقاومت در برابر آسیب، اثر می پذارد. بنابراین یک تعادل بین تخلخل بالا و نفوذپذیری پایین مورد نیاز می باشد.
سنگدانه ها
بررسی عوامل تاثیرگذار بر رفتار یخ زدن- ذوب شدن، توجه زیادی به ساختار حفره ای خمیر سیمانی سخت شده را شامل می شود. با ین وجود، ساختار حفره ای سنگدانه ها نیز باید به دلایلی که در مقالات دیگر وب سایت کلینیک بتن ایران همراه با جزئیات مورد بحث قرار گرفت، مورد توجه قرار گیرد.
رطوبت
انبساط حجمی که در هنگام تبدیل آب به یخ اتفاق می افتد و حرکت آب مربوط به آن، در یک بتن کاملا اشباع امکان پذیر نمی باشد. هر چه بتن خشک تر باشد، دارای ظرفیت بیشتری برای جذب فشارهای مربوط به تشکیل یخ و جریان آب تحت اثرات هیدرولیکی و اسمزی می باشد. بنابراین، حداقل نمودن درجه شباع ساختار حفره ای، یک پارامتر کنترلی مهم می باشد.
سازه های بتنی که بیشتر در معرض خطر اشباع شدن قرار دارند، آنهایی هستند که دائما در معرض آب قرار داشته و نیز آنهایی که گاهی در معرض آب تحت فشار قرار می گیرند. مواد یخ زدا نیز اشباع شدن را تشدید می نمایند، زیرا رطوبت نسبی بحرانی که کمتر از آن خشک شدگی ایجاد می شود، برای حفره ای با شعاع مشخص با افزایش غلظت مایع حفره ای، افزایش می یابد. آب آزاد در بتن نه تنها تحت تاثیر محیط قرار دارد، بلکه تحت تاثیر جزئیات اعضای سازه نیز می باشد. خصوصیات زهکشی که زمان تماس میان آب و بتن را به حداقل می رسانند، به طور ویژه مفید می باشند.
پرطرفدارترین مطالب کلینیک بتن ایران را از دست ندهید!
اقلیم
شرایط محیطی که بزرگترین تهدید برای بتن در اقلیم های سرد محسوب می شوند، آنهایی هستد که ترکیبی از پارامترها را شامل می شوند. این شرایط عبارتند از تناوب چرخه های یخ زدن- ذوب شدن، حداقل مقدار مطلق دما، دوره یخبندان و سرعت سرد شدن، هرچه دما پایین تر و دوره یخبندان طولانی تر باشد، میزان تاثیر بر حجم حفرات قرار گرفته در معرض شرایط نامطلوب احتمالی بیشتر می گردد. سرعت انتقال حرارت در بتن پایین بوده و بنابراین نفوذ زیاد جبهه یخ، مستلزم دماهای بسیار پایین، دوره های طولانی یخبندان یا ترکیبی از این دو می باشد. سرعت سرد شدن نیز می تواند یک عامل باشد. هرچه سرعت سرد شدن کمتر باشد، فرصت استهلاک فشار ناشی از انبساط و دفع آب از حفرات موئینه بیشتر می شود. این شرایط ممکن است از ایجاد تنش های کششی به صورت تجمعی بیش از ظرفیت بتن، جلوگیری نماید. اثر تجمعی چرخه یخ زدن- ذوب شدن، تناوب تاثیر چرخه ها را نسبت به دوره سپری شده در دمای پایین بیشتر می نماید.
مواد یخ زدا یا ضد یخ
پوسته پوسته شدن شدید سطوح بتن در بسیاری از موارد مربوط به استفاده از مواد یخ زدا بوده است. این مواد بر روی برف و یخ پاشیده می شوند تا محلولی با نقطه انجماد پایین تر از آب را به وجود آورند و در نتیجه ذوب شدن زودتر اتفاق بیفتد. مواد یخ زدا ممکن است برپایه کلرید باشند. این نمک های یخ زدا به داشتن اثر نامطلوب بر لایه محافظ آرماتورهای داخل بتن معروف می باشند ، اما آنها همچنین موجب پوسته پوسته شدگی سطح نیز می گردند. دلیل این موضوع آن است که مواد یخ زدا می توانند درجه اشباع بتنی که در تماس با آن قرار دارند را افزایش دهند، ممکن است پاسخ تفاضلی لایه ها نسبت به یخ زدن را بیشتر نمایند، لایه های سطحی بتن را در معرض شوک حرارتی قرار داده و فشار اسمزی را تشدید نمایند. این عوامل در این مقاله به طور مفصل تر مورد بحث قرار می گیرند.
درجه اشباع بتن به سرعت پر شدن آب و سرعت تبخیر بستگی دارد. درجه اشباع در یک دمای مشخص و رطوبت نسبی خارجی در آب حفره ای آلوده به نمک نسبت به بتن بدون تاثیر نمک های یخ زدا، بیشتر می باشد. بنابراین برای شرایط خشک شدن معمولی، درصد بیشتری از ساختار حفره ای، آب را نگه داشته و دارای درجه اشباع بالایی می باشد.
یخ زدن بتن
پاسخ تفاضلی لایه ها نسبت به دماهای یخ زدن در بتن هایی که مرتبا در معرض مواد یخ زدا قرار دارند، ناشی از ورود آب ذوب شده از چرخه های قبلی می باشد. حتی در روسازی ها و عرشه های با زهکشی خوب، آب ذوب شده که حاوی مواد یخ زدا می باشد، به سطح نفوذ کرده و راه خود را به سمت لایه های قرار گرفته در زیر سطح باز می نماید. لایه های غرقاب شده در مقایسه با لایه های خیس شده دارای نقطه انجماد کمتری می باشند. با گذشت زمان، آب باران مواد یخ زدا را از بالاترین لایه های سطحی شسته که این امر باعث می شود که در یخ زدن بعدی، آب این لایه ها خالص تر از آب موجود در لایه های زیرین باشد. رفتار تفاضلی در این لایه های سطحی ممکن است اتفاق افتاده و منجر به شکستگی انبساطی آزاد لایه بیرونی و به دنبال آن پوسته شدن سطح گردد.
شوک حرارتی یک پیامد اجتناب ناپذیر ناشی از عملکرد ماده یخ زدا به منظور کامل نمودن نقش آن می باشد.
ذوب شدن یخ با برف بر روی سطح یک روسازی به سبب استفاده از نمک یخ زدا، مستلزم انرژی می باشد. این انرژی از بتن خارج شده و این امر منجر به یک افت دمایی سریع در لایه های بتن نزدیک سطح می گردد. این شرایط موقتی است اما شوک حرارتی بعدی آن ممکن است منجر به ایجاد تنش هایی در بتن شده و در نتیجه موجب ترک خوردگی و پوسته شدن گردد.
توزیع ماده یخ زدا در بتن یکنواخت نمی باشد، زیرا ورود آن از طریق سطح بیرونی صورت می گیرد. این توزیع غیریکنواخت در طول چرخه های یخ زدا شدیدتر می شود، زیرا تشکیل یخ با خروج مواد شیمیایی یخ زدا همراه خواهد بود و این پدیده منجر به تفاوت های غلظتی بالاتری می گردد. این شرایط، فشار اسمزی را افزایش می دهد. اگر استفاده از نمک یخ زدا گرادیان غلظت ماده حل شده در اب حفره ای را افزایش دهد، ، نقش فشار اسمزی در رشد کریستال یخ بیشتر می شود.