تاثیرات افزودنی های بتن بر سرعت هیدراتاسیون بتن

تاثیرات افزودنی های بتن بر سرعت هیدراتاسیون بتن

الف) فرآورده های هیدراتاسیون فاز آبی

در طی هیدراتاسیون سیمان پرتلند، غلظت و ماهیت یون های محلول در فاز آبی به طور پیوسته (به خصوص در زمان های هیدراتاسیون اولیه) تغییر می کند. گونه های یونی اصلی حاضر در فلزهای قلیایی سدیم و پتاسیم کلسیم فلزی قلیایی، و سولفات آنیون ها و هیدروکسیل ها هستند. شکل 22-1 سطح این گونه های آنیونی حاضر در یک دوره زمانی را به تصویر می کشد. همچنین تغییرات در این غلظت های آنیونی در جایی رخ می دهد که اضافه شدن نسبی پیمانه مصرفی بالایی از لیگنوسولفونات در کار باشد یا یک پیمانه مصرفی معمولی از نوع افزودنی کاهنده آب سدیم گلوکونات داشته باشیم مشاهدات زیر می تواند انجام گیرد:
1- غلظت یون کلسیم فاز محلول اندکی در مراحل اولیه هیدراتاسیون افزایش می یابد، اما بعدا غلظت به همان سیستم بدون افزودنی نزدیک می شود. مشخص شده است که هر چه دوره دیرگیر کنندگی گیرش بیشتر باشد، تفاوت در غلظت کلسیم بیشتر گشته و زمان بیشتری نیز طول می کشد تا به همان سطح سیستم کنترل برسیم. انتظار می رود که هیدراتاسیون کند شده در فاز C3S در غلظت پایین تری انجام شود، اما باور ما بر این است که افزایش مشاهده شده به دلیل تاخیر در وارد شدن کلسیم و غلظت های یون سولفونات از سطح فوق اشباع به سطح اشباع است. چنانکه می بینیم، این افت خیلی زود در سیستم آب به سیمان کنترلی رخ می دهد.

شکل 21-1 پراکندگی ذرات سیمانی توسط یک افزودنی کاهنده آب، (a) پیش از اضافه شدن، (b) پس از اضافه شدن

شکل 22-1 سطح گونه های آنیونی گوناگون موجود در فاز آبی خمیرهای سیمان هیدراتی

2- غلظت یون سولفات به صورت عادی با سرت کاهش می یابد، در حالی که در حضور افزودنی کاهنده آب، غلظت زیاد (به واسطه دلایلی که در (1) ارائه گفته گردید) حفظ می گردد، در عوض می تواند به تاخیر در واکنش گچ توسط فاز C3A برای تشکیل اترینگیت مرتبط شود. در واقع چنانچه تشکیل دهنده های سیمان پیش از اضافه شدن افزودنی، یک دوره پیش هیدراتاسیون را بگذرانند، نتایجی در حد میانی از نتایج نشان داده شده در شکل 22-1 به دست می آید، زیرا اجازه داده شده است که قسمتی از واکنش C3A+CaSO4 انجام شود.
3- غلظت یون هیدروکسیل در ابتدا به دلیل کندشدگی در هیدراتاسیون C3S برای تشکیل Ca(OH)2 کاهش می یابد. افزایش ناگهانی در غلظت یون هیدروکسیل احتمالا به دلیل تخلیه تدریجی افزودنی مقاوم کننده یک لایه است. این کار برای سرعت بخشیدن به نفوذ هیدراتاسیون فرآورده ها است.
4- یون های فلزی قلیایی Na+ و K+، به دلیل تاخیر در هیدراتاسیون C3S به شیوه ای مشابه با غلظت های یون هیدروکسیل رفتار می کنند، چون اکثریت یون های فلزی قلیایی محلول از فاز بلورین C3S سرچشمه می گیرد.
این مشاهدات در فاز آبی سازگار با مفهوم جذب افزودنی های کاهنده آب در هیدرات های اولیه C3A و C3S است، که همراه با اصلاح در فرآیند معمول واکنش C3A با گچ برای تشکیل اترنیگیت و تاخیر در هیدراتاسیون فاز C3S می باشد.

مواد هوازای بتن

ب) تاثیر بر فرآورده های هیدراتاسیون جامد

فرآیند هیدراتاسیون سیمان پرتلند بسیار پیچیده است، اما تا حد زیادی می تواند به صورت هیدراتاسیون فازهای اصلی موجود و واکنش های با کلسیم سولفات در نظر گرفته شود. رفتار یک سیمان پرتلند معمولی تا حد زیادی همان رفتار مجموعه مولفه های آن است. تغییرات در اضافه شدن افزودنی های کاهنده آب می تواند به لحاظ شیمیایی، ساختار شناسی (morphology) و سرعت های واکنش در نظر گرفته شود. شکل 23-1 یک نمونه تکامل حرارتی انجام گرفته تحت شرایط هم دما با استفاده از یک نمونه سیمان پرتلند حاوی C3A، C2S و C3A و گچ را نشان می دهد.

قله 1

1- C3A+H2O=C4AH-191 (که به سرعت توسط یک پوشش محافظ از اترنیگیت متوقف می شود).
2- C3A+CaSO4=C3A. 3CaSO4. 32H2O2

شکل 23-1 منحنی کالری سنجی هم دمای سیمان پرتلند هیدراتی

3- C-S-H=C3S+H2O لایه هیدرات S-C اولیه با حدود nm10 (A100) ضخامت و Ca پایین
4- حرارت محلول عاری از قلیا
فاز C3A در معرض واکنش رقابتی میان آب و گچ برای تشکیل یک اندازه کوچک از هیدرات های C3A اولیه پوشش داده شده توسط پوشش حفاظتی اترنیگیت است و همچنین نسبتی از هیدرات های C3S برای تشکیل یک هیدرات سیلیکات کلسیم با میزان کلسیم پایین د�� ناحیه با ضخامت nm100 است.

قله 2

در طی این فاز در لایه هیدرات سیلیکات کلسیم، خود دیرگیر کننده اولیه به ظاهر شکست می خورد، و امکان هیدراتاسیون بیشتر فرآورده از فازهای C3S و C2S حاصل می شود. این کارها ظاهرا در سه شکل صفحه ای، سوزنی و ورق های پین خورده ایجاد می شوند. در طی این واکنش تعداد قابل توجهی منشورهای شش گوشه از آهک شکفته هم تشکیل می شود.

قله 3

در این قله پایانی، سه کلسیم آلومینات باقی مانده با هر دوی گچ و آب واکنش می دهد تا اترنیگیت تشکیل شود و پس از آن تری کلسیم آلومینات مونوسولفات به وجود می آید. هیدرات های C3A تشکیل شده از ترکیبات گوناگونی هستند، اما نهایتا فاز مکعبی پایدار C3AH6 در محلول جامد را با تری کلسیم آلومینات مونوسولفات را تشکیل می دهد.
پژوهشی قابل توجه بر روی اثر افزودنی های کاهنده آب گوناگون بر فازهای خالص و همچنین روی سیمان پرتلند معمولی انجام گرفته است. نکات زیر مشاهدات عمومی را به طور خلاصه وار بیان می کند.
1- در حضور افزودنی کاهنده آب لیگنوسولفونات سدیم که دارای ترکیب: %6/57 اسید لیگنوسولفونیک، %6/11 شکرهای کاهنده، %5/18 خاکستر می باشندف تاثیر منحنی تکامل حرارتی تحت شرایط هم دما در شکل 24-1 نشان داده می شود. این نتایج حاکی از آن است که در قله دوم، به عنوان مثال هیدراتاسیون فازهای C2S و C3S کند می شود، حال آنکه فارهای مذکور در قله سوم تسریع می گردند. بعضی نتایج برای سدیم گلوکونات، مقادیر حداقل به دست آمده تا پایان قله دوم می باشد. در نتیجه به نظر می رسد که افزودنی های کاهنده در واکنش اترنیگیت، به خصوص در تبدیل اترنیگیت به مونوسولفات دخالت می کند.

شکل 24-1 اثر افزودنی کاهنده آب بر روی تکامل حرارتی سیمان

2- نکته ای که در قسمت (1) قابل تامل است، تجزیه ترکیبات C3A و آب در زمان های گوناگون در حضور یا عدم حضور گچ و کلسیم لیگنوسولفونات (CLS) است. جدول 10-1 نتایج به دست آمده را نشان می دهد. این نتایج این نظریه که لیگنوسولفونات کلسیم صرفا تبدیل C3A را به فرم هیدرات شده پایدار C3AH6 به طریقی مشابه با گچ به تاخیر می اندازد را تقویت می نماید. به علاوه، سرعت تشکیل و تبدیل اترنیگیت به مونوسولفات هم به تعویق می افتد. این امر همچنین نشان می دهد که صفحات شش گوشه هیدرات های C4AH8 در حضور لیگنوسولفونات کلسیم کم ضخامت هستند، که ممکن مسبب افزایش در مقاومت مشاهده شده باشند.
3- تا جایی که به فرآورده های هیدراتاسیون نهایی سیمان پرتلند معمولی مرتبط است، نشانه ای از کالری سنجی هم دما وجود دارد که تفاوت خیلی اندکی در حضور یا عدم حضور افزودنی کاهنده آب لیگنوسولفونات کلسیم دارد. در این کار، حرارت در واحد آب ترکیبی هیدرات برای دو سیمان تعیین شده است. از نتایجی که در شکل 25-1 نشان داده ایم، دیده می شود که رابطه میان میزان حرارت به دست آمده و میزان آب ترکیبی با سیمان حفظ می گردد، اعم از آنکه افزودنی حضور داشته باشد یا نباشد. این کار همچنین حاکی از آن است که کندگیر شدن در مراحل اولیه با تسریعی که در زمان بعدی صورت می گیرد جبران می گردد.
4- در حضور لیگنوسولفونات کلسیم، ژل هیدرات سیلیکاتی کلسیم از فازهای C3S و C2S تمایل به داشتن سهم بزرگتری از نوع ساختارشناسی ورق جمع شده نسبت به سیستم متناظر بدون افزودنی را دارد. این مشاهده تنها در غلظت های بالای لیگنوسولفونات کلسیم در ناحیه دو یا چهار برابر پیمانه مصرفی معمولی صورت می گیرد. این نوع ساختارشناسی به نوعی دارای پتانسیل خشک شدگی (آب از دست دادگی) بیشتری از دیگر انواع هیدرات ژل C-S-H دارد و می تواند دلیلی بر چرایی جمع شدگی های گاه به گاه ناشی از خشک شدگی زیادی باشد که در حضور افزودنی های کاهنده آب مشاهده می گردد.

جدول 10-1 تاثیر لیگنوسولفونات کلسیم بر واکنش C3A (برگرفته از chatterji)

شکل 25-1 حرارت ناشی از هیدراته شدن سیمانی با و یا بدون افزوده شدن لیگنوسولفونات کلسیم به عنوان تابعی از آب ترکیبی (برگرفته از Khalil)

5- اضافه شدن لیگنوسولفونات کلسیم یا یک افزودنی کاهنده آب اسید هیدروکسی کربوکسیلیک به سیستم های سیلیکات سه کلسیم می تواند ساختار شناسی کلسیم هیدروکسید برآیند را برای ایجاد بلورهای نامنظم تغییر دهد. با این وجود، این مورد همیشه مشاهده نمی شود. تنها در یک پژوهش فقط یک لیگنوسولفونات کلسیم، از میان چهار لیگنوسولفونات کلسیم ساختار شناسی بلورهای هیدروکسید کلسیم را تغییر داد. علاوه بر این، به نظر می رسد که اضافه شدن لیگنوسولفونات کلسیم یا یک افزودنی کاهنده آب تاثیری روی تعداد بلورهای در واحد حجم هم دارد. اگرچه که باز هم این مورد می تواند بسته به اینکه نوع ماده مورد استفاده چه باشد افزایش و یا کاهش یابد.

4-3-1- تفسیری به لحاظ مود فعال

افزودنی های کاهنده آب با جذب قدرتمند در نظر گرفته می شود که بر فرآورده های هیدراتاسیون اولیه فاز C3A و تا حدی با فرآورده های هیدراتاسیون اولیه C3S برای تشکیل یک لایه افزودنی در سطح مشترک آب- سیمان عمل کنند. این لایه تا حد زیادی با گروه های COO- و SO-3 باردار خواهد شد تا با رفاز محلول را در سطح ذرات سیمان افزایش دهد. این نتایج در رانش ذرات توسط الکترواستاتیک معنا می یابد و اصطکاک میان ذره ای در سیستم کاهش می یابد بنابراین انرژی لازم برای القاء جریان به سیستم هم کاهش می یابد. به طور خاص در جاهایی که لایه های مولکولی چندتایی مورد نظر هستند، این احتمال، وجود دارد که ممانعت فضایی هم عاملی در این جهت باشد. حضور افزودنی در سطح وابسته به نیروهای بین افزودنی و سطحی بوده که برای نفوذ فرآورده های هیدراتاسیون ایجاد یک مانع اضافی می کند، در نتیجه می تواند طول دوره نهفتگی (Domercy Period) را افزایش می دهد. به دلیل حضور مواد رقیب در کارگاه ها (به خصوص در فاز C3A) واکنش های میان C3A و گچ در مراحل اولیه اندکی اصلاح شده اند، اگرچه فرآورده های کلی واکنش خیلی به هم شبیه هستند.