ارائه اطلاعاتی درباره ی جنبه هایی از مشخصات داخلی بتن می باشد که به دوام بتن مربوط می شود. مشخصات شیمیایی و فیزیکی مربوطه بخصوص آنهایی که شامل محلول های حفره ای و ساختارهای حفره ای می باشند، به طور نسبتا دقیق مورد بحث قرار می گیرند، چرا که این مشخصات به میزان قابل ملاحظه ای بر اغلب جنبه های دوام اثرگذار می باشند.
بتن یک ماده مهندسی غیرعادی می باشد. برخلاف اغلب مواد مهندسی، اجزاء این ماده توسط یک چسباننده متخلخل کنار یکدیگر نگهداشته شده اند که این ماده چسباننده مخلوطی از ذرات جامد و حفرات بوده و «خمیر سیمانی هیدراته» نامیده می شود. ماده چسباننده، فاز پیوسته موجود در ترکیب سیمانی می باشد و بنابراین متخلخل بودن آن از نظر حرکت آب و مواد شیمیایی به داخل یا خارج بتن، دارای اهمیت می باشد. این مشخصه ای است که ارتباط تنگاتنگی با دوام بتن در حال بهره برداری دارد.
یکی دیگر از مشخصاتی که بتن را از دیگر مواد مهندسی متمایز می سازد، آبدار بودن طبیعی (ذاتی) آن می باشد. یعنی بجز سیمان هیدراته نشده باقیمانده، از ترکیباتی ساخته شده است که همگی ذرات جامد هیدراته هستند. این ترکیبات (سیلیکات کلسیم هیدراته با C-S-H، هیدروکسید کلسیم، اترینگایت، مونوسولفات و غیره) در نتیجه واکنش های میان آب و سیمان پرتلند به طور خود به خود در ساختار بتن تولید می شوند. این ترکیبات در یک محیط شیمیایی داخلی ویژه از یک بتن خاص، ته نشین می شوند و حین بهره برداری، در یک تعادل موقتی حداقل با آن محیط داخلی قرار دارند. گاهی در معرض بازآرایی قرار گرفتن ترکیبات هیدراته در صورت تغییر محلی محیط شیمیایی داخلی در اثر شسته شدن، ورود نمک های نامحلول یا دیگر فرایندها، کاملا محسوس و قابل شناسایی نمی باشد. این امر منشا بسیاری از مشکلات نامطلوب مربوط به دوام می باشد.
تمایز دیگری نیز وجود دارد که بتن را از بسیاری مواد مهندسی دیگر جدا می سازد. علاوه بر اینکه چسباننده آبدار متخلخل است، حداقل برخی حفرات نیز شامل محلولی با غلظت بالای هیدروکسید قلیایی می باشند. تحت برخی شرایط محیطی نامتعارف، حفرات موجود در یک سازه بتنی ممکن است از این محلول کاملا اشباع باشند. به طور کلی اینگونه نمی باشد، زیرا حفرات بزرگ تر معمولا خالی هستند، خصوصا آنهایی که در نزدیکی سطوح بتن بوده و در معرض تبخیر قرار گرفته اند و یا حفراتی که در بتن هایی با نسبت آب به سیمان پایین کافی وجود داشته و در معرض خود خشک شدگی قرار دارند. از سوی دیگر، حتی قرارگیری طولانی در معرض شرایط خشک حین بهره برداری، موجب خالی شدن کامل حفرات بسیار ریز از این محلول ها نمی گردد.
مشخصات فیزیکی و شیمیایی ترکیبات بتنی
غلظت های واقعی مواد نامحلول موجود در محلول باقیمانده در حفرات بتن ها ممکن است به میزان قابل ملاحظه ای توسط شسته شدن، خشک شدن جزئی یا ورود یون ها و دیگر مواد محلول از خارج از بتن، تحت تاثیر قرار گیرد.
جزئیات مربوط به ساختارهای حفره ای جامد که معرف و تعیین کننده حفرات موجود در چسباننده در یک بتن مشخص هستند، دارای نقش عمده ای در اغلب مسائل دوام بتن می باشد. از آنجا که مصالح سنگی مورد استفاده در اغلب بتن ها دارای حفرات داخلی مرتبط اندکی هستند، ساختارهای حفره ای تقریبا همیشه کنترل کننده نرخ حرکت آب و یون ها می باشند. در این ارتباط، اغلب اظهار می گردد که نفوذپذیری آب، مهم ترین مشخصه ساختاری حفرات است که پتانسیل دوام یک بتن مشخص را کنترل می نماید. به طور دقیق تر، نفوذپذیری به نرخ انتقال جرمی یک سیال (معمولا آب) به صورت تابعی از بار آبی اعمال شده، اطلاق می گردد. در واقع ممکن است این مطلب در زمینه دوام بتن نسبت به پارامترهای مرتبط دیگری مانند نرخ انتقال یون یا نرخ انتقال بخار آب داخلی در بتن های غیر اشباع، از اهمیت کمتری برخوردار باشد.
مطالب مرتبط با این مقاله را در این بخش از کلینیک بتن ایران دنبال نمایید
هیدراتاسیون و کیورینگ بتن
استاندارد آب اختلاط بتن چیست
بتن شامل چه ویژگی ها و خواصی می باشد
به خاطر وجود این جنبه های مختلف، نویسنده مجموعه حاضر، استفاده از یک عبارت کلی تر یعنی «ظرفیت نفوذ» به جای «نفوذپذیری» در بحث مشخصات دوامی بتن ها را پیشنهاد می نماید. توجه شود که تعریف فعل «نفوذ کردن» در واژه نامه عبارت است از «وارد شدن به داخل حفرات، درزها و غیره»، بدون اینکه ماده نفوذکننده یا مکانیزم بخصوصی تعیین شده باشد. به خوبی مشخص شده است که نفوذپذیری بتن به شدت تابع نسبت آب به سیمان (w:c) آن بوده و برای بتنی با یک نسبت آب به سیمان بخصوص، تابع میزان هیدراسیون سیمان می باشد.
شکل 2-1، رابطه کلاسیک به دست آمده توسط پاورز و همکاران، اثر کاملا غیرخطی نسبت آب به سیمان بر نفوذپذیری را نشان می دهد که در آن اندازه گیری ها برای نمونه های نازکی از خمیرهای سیمانی نسبتا کامل هیدراته شده (%93 هیدراته شده) انجام شده است. معمولا مشابه چنین روندی در تاثیر نسبت آب به سیمان بر روی نفوذپذیری، برای بتن ها مورد انتظار می باشد.
شکل 2-1- نفوذپذیری های اندازه گیری شده از خمیرهای سیمان تقریبا کامل هیدراته شده (93%) به صورت تابعی از نسبت آب به سیمان
به روشنی مشخص شده است که نفوذپذیری بتن های جوان در ابتدا بالاست و با میزان هیدراسیون کاهش می یابد. درجه هیدراسیون تجربه شده در بسیاری از بتن های کارگاهی محدود می باشد، خصوصا بتن های با نسبت آب به سیمان پایین. از نظر علمی، بتن ها تقریبا هیچگاه به درجه هیدراسیون نمونه های خمیر سیمان اندازه گیری شده توسط پاورز و همکاران نمی رسند. دیگر مشخصات بتن که ظرفیت نفوذ آن را نشان می دهد مانند ضرایب انتشار یون یا مقادیر هدایت الکتریکی، عموما رفتارهایی مشابه نفوذپذیری را نسبت به تغییرات w:c و درجه هیدراسیون نشان می دهند. اما برخی از این مقادیر ممکن است تحت تاثیر عواملی باشند که الزاما اندازه گیری نفوذپذیری را تحت تاثیر قرار نمی دهند. مثلا ساختار شیمیایی سیمان بخصوص مورد استفاده، تاثیر عمده ای بر غلظت یون ها در محلول حفره ای بن و در نتیجه بر هدایت الکتریکی آن خواهد داشت.
وجود میکروسیلیس، خاکستر بادی و دیگر مواد سیمانی مکمل در بتن، تاثیر بسیار زیادی در کاهش ظرفیت نفوذ خواهد داشت، اگر چه این تاثیر الزاما در انواع مختلف اندازه گیری ها به یک میزان نمی باشد. به طور مشابه، شرایطی که در آن هیدراسیون اتفاق می افتد، خصوصا انجام یا عدم انجام عمل آوری بتن با بخار، ممکن است اثرات مهمی را به دنبال داشته باشد.
پس از انجام بتن ریزی در یک سازه، بتن در معرض شرایط حین بهره برداری قرار می گیرد که ممکن است ترکیب محلول حفره ای و ساختاری حفره ای را تغییر دهد. ورود مواد شیمیایی، شسته شدن، تر و خشک شدن متناوب، یخ زدگی، کربناسیون و غیره، همگی می توانند موجب تغییرات داخلی عمده در ترکیب سیال حفره ای گردند. برخی از این تغییرات می توانند موجب ایجاد مشکلات ویژه دوام گردند.
برخی مشکلات دوام از قبیل واکنش قلیایی سیلیسی (ASR)، خوردگی فولاد، تشکیل تاخیری اترینگایت (DEF) و غیره منجر به ترک خوردگی ناشی از انبساط می گردند. همچنین ترک خوردگی ممکن است به جای انبساط، از انقباض ناشی شود. ترک ها به هر صورت که ایجاد شوند، بدون شک ظرفیت نفوذ موثر را در مقایسه با بتن سالم مشابه، افزایش می دهند. تلاش ها به منظور پیش بینی عمر بهره برداری محتمل سازه های بتنی اغلب براساس چگونگی در نظر گرفتن اثراف ایجاد ترک های آتی بر ظرفیت نفوذ مورد انتظار می باشد.
بینشی را درباره مشخصات فیزیکی و شیمیایی چسباننده خمیر سیمانی در بتن ها، با تمرکز ویزه بر روی محلول ها و ساختارهای حفره ای، در اختیار می گذارد. مباحثی از اندازه گیری های مربوط به ظرفیت نفوذ که به پیوستگی موجود میان حفرات و در موارد ویژه به اثرات محلول های حفره ای بستگی دارد نیز ارائه می گردد.