ترکیبات افزودنی های بتن با سیمان

فرآیند کلی هیدراتاسیون سیمان و گیرش ناشی از ترکیبی از فرآیندهای محلول، پدیده های متقابل و واکنش های حالت جامد می باشد که منجر به تشکیل فرآورده های پیچیده ای می گردد. بعضی فرآورده های هیدراتاسیون شکل گرفته از اجزاء معدنی مختلف سیمان در جدول 7-31 نشان داده می شود. ترکیب های افزودنی با سیمان لزوما ترکیب های افزودنی ها و هیدرات های سیمان شکل گرفته ائلیه هستند. تاثیر افزودنی ها روی هیدراتاسیون سیمان بر مبنای تکامل واکنش با زمان بهتر فهمیده می شود. پنج مرحله قابل شناسایی است:
I. فرآیندهای هیدراتاسیون اولیه (15-0 دقیقه)
II. مدت برقراری با فاز درنگ (15 دقیقه الی 6 ساعت)
III. تسریع گیرش (8-4 ساعت)
IV. کند شدگی و سخت شدن (24-8 ساعت)
V. عمل آوری (28-1 روز)
زمانی که آب در تماس با سیمان (مرحله I) قرار می گیرد، رطوبت ذرات سیمان و انحلال پذیری طیفی از گونه های یونی و مثل با انحلال پذیری کامل یا آبکافت سطحی فازهای متنوع موجود در سیمان رخ می دهد. آب کافت سطحی سریعا منجر به شکل گیری لایه نازکی از هر دو فرآورده های بی شکل و شکل گرفته، می گردد. فراتر از پدیده های انحلال پذیری اولیه، شکل گیری هر کی از فرآورده های هیدراتاسیون جامد (جدول 7-31) با فرآیندهای انعقاد کنترل می شود که ممکن است «به صورت همسان» از فاز محلول رخ دهد یا «به صورت نا متجانس» در میان فاز جامد محلول اتفاق بیفتد.
بعد از انعقاد، فرآورده های هیدراتاسیون با سرعتی تعیین شده از غلظت کلی گونه های محلول رشد خواهد کرد. انتظار می رود، حضور افزودنی هایی که در انعقاد و یا فرآیندهای رشد می توانند دخالت کنند بر سرعت واکنش هیدراتاسیون، فرآورده های واکنش، یا هر دو تاثیر گذار باشد.

جدول 7-31- فرآورده های هیدراتاسیون برای اجزاء معدنی سیمان پرتلند

در قسمت ثانوی مرحله I، ذرات سیمان در خمیر کاملا با لایه ای از فرآورده های هیدرات پوشانده می شود. این لایه «محافظ» نفوذ گونه های واکنش دهنده، درون و بیرون میان فاز واکنش را جلوگیری می کند. بنابراین کاهش سریع سرعت واکن شهای متنوعی را در پی دارد. این سیستم وارد یک دوره «نهانی» به نام دوره برقراری یا خوابیدگی می شود، با این وجود فرآیندهای آغاز شده در مرحله I در سرتاسر دوره برقراری ادامه می یابد. در این قسمت های اولیه مرحله II، واکنش های فاز آلومینات غالب خواهد شد. در این مرحله است که غلظت نقش مهمی در رشد بلورهای اترینگیت و گیرش خمیر، بازی می کند. اگر غلظت خیلی کم باشد، جمع شدگی فراتر و رشد فرآورده های C-A-H ممکن است رخ دهد، که موجب گیرش آنی می شود. چنانچه غلظت خیلی بالا باشد (به علت حضور نیمه هیدرات و سولفات های قلیایی) جمع شدگی غیر عادی و رشد بلورهای گچ Ca2- رخ خواهد داد. این اتفاق منجر به گیرش نادرست می شود. با حضور میزان کافی و دسترسی به آن، چندین فرآیند فیزیکی شیمیایی رخ می دهد: رشد ممتد بلورهای اترینگیت، تولید فزآینده ژل C-S-H (که لایه ژل سرشار از آلومینات اولیه را می پوشاند)،  غلظت افزایش یافته و در محلول و توسعه فشارهای اسموزی و مکانیکی همزمان با اینکه هیدراتاسیون شکل می گیرد.
فرآیندهای مذکور فوق، خصوصیات تغییر شکلی و گیرش سیستم را تعیین خواهد کرد و افزودنی شیمیایی با هر یک از گونه های واکنش دهنده، یا دخالت آن با نفوذ، فرآیندهای جمع شدگی و رشد می تواند به طرز محسوسی بر رفتار بتن ها در طی دوره برقراری تاثیر بگذارد. در اواخر دوره خوابیدگی، سرعت هیدراتاسیون سیمان به شدت افزایش پیدا می کند. پیدایش دوره تسریع به اثرات زیر نسبت داده شده است.

• فروپاشی لایه حفاظتی هیدراتی با تغییر شکل های فیزیکی شیمیایی هیدرات ها
  
• نابودی لایه حفاظتی توسط اثرات فشار اسموزی
  
• جمع شدگی و رشد فرآورده های C-S-H
  
• جمع شدگی و رشد کلسیم هیدروکسید Ca
  

این فرآیندها ممکن است با افزودنی های شیمیایی، به خصوص شکل گیری و خصوصیات لایه محافظ تحت تاثیر واقع شوند. همچنین، افزودنی های باقیمانده در محلول حفره ممکن است بیشتر روی توده شدگی و رشد فرآورده های هیدراتاسیون اثر گذار باشد که موجب انبساط حرارتی، فشار مکانیکی رو به بیرون لایه ژل محافظ و فروپاشی بعدی آن شود.
این افزودنی ممکن است که در حالت آزاد همانند یک جامد باقی بماند. اما این افزودنی در حالت محلول با هیدرات ها ترکیب شود. خصوصیات فیزیکی شیمیایی و مکانیکی بتن ممکن است که تحت تاثیر نوع حدود اندکش باشد. بنابراین واکنش های هیدراتاسیون اولیه سیمان م��کن به شیوه های گوناگون تحت تاثیر قرار گیرد. این امکان هست که در یک زمان واحد، بیش از یک تاثیر رخ دهد. این موارد در قسمت زیر به صورت خلاصه آمده است.

• احتمالا دخالت شیمیایی در واکنش های هیدراتاسیون و یا اندکش فیزیکی با فرآورده های هیدراتاسیون رخ می دهد، که منجر به تغییر سرعت هیدراتاسیون اجزاء سیمان می شود.
  
• احتمال دارد این افزودنی با اجرای سیمان واکنش دهد تا محصولات غیر محلول واکنش را ته نشین نماید.
  
• همچنین خود افزودنی ممکن است یک پوشش حفاظتی مشابه را توسط جذب روی سطح ذرات سیمان تشکیل دهد.
  واکنش های هیدراتاسیون همچنین ممکن ااست با تغییرات در مقدار PH محلول در تماس با سیمان هیدرات شده تحت تاثیر قرار بگیرد، و انحلال پذیری یا پایداری بعضی ترکیبات سیمان هیدرات شده را تغییر دهد یا شکل گیری پوشش های حفاظتی را
• متوقف کند.
  

چون پدیده های محلول در مراحل خیلی اولیه غالب هدف هستند، تاثیر افزودنی های مختلف روی واکنش های هیدراتاسیون اولیه غالب هدف هستند، تاثیر افزودنی های مختلف روی واکش های هیدراتاسیون اولیه ممکن است با تغییرات در ترکیب فازهای مایع منعکس شود. مثلا تنها مقادیر خیلی کمی و دیگر اکسیدها در فاز آبی حاضر هستند و ظاهرا می توان از این اکسیدها در مایع خمیر سیمان چشم پوشی کرد. با این وجود هرگاه یک افزودنی هم در محلول حاضر باشد احتمال دارد که غلظت های قابل ملاحظه ای از این اکسیدها تولید گردد، مثلا ترکیب های هیدروکسی آلی برای تشکیل مجموعه های محلول با اکسیدهای آلومینیوم و آهن شناخته می شوند.

ناسازگاری افزودنی با سیمان

افزودنی هایی که خصوصیات بتن تازه را اصلاح می کند موجب مشکلاتی از طریق سخت شدگی اولیه یا کندگیر شدن نامطلوب زمان گیرش می شود. سخت شدگی اولیه اغلب با تغییرات در سرعت واکنش میان تری کلسیم آلومینات و سولفات موجب شود. کندگیر شدن همچنین توسط استفاده از پیمانه مصرفی بیش از حد افزودنی یا با پایین آوردن دمای محیطی ایجاد شود، که هر دوی آنها هیدراتاسیون کلسیم سیلیکات ها را به تاخیر می اندازد. هر چه مواد شیمیایی بیشتری به اختلاط بتن افزوده شود، سازگاری پارامتر مرکزی، بر انتخاب حاکم می شود. اثرات جانبی یا واکنش ها میان مواد شیمیایی به علت ترتیب اضافه شدن، نوع سیمان تغییر دما و تجهیزات ترکیب می تواند بر کارایی تاثیر بگذارد.
در مقالات دیگر وب سایت رسمی کلینیک بتن ایران(مهندسین مشاور اثر مهرازان پایدار)، مفاهیم فیزیکی شیمیایی که افزودنی با سیمان و شیوه ای که در آن افزودنی های شیمیایی می تواند در فرآیند هیدراتاسیون سیمان دخالت کند و در اندکش های هر ذره با ذره دیگر توصیف می شود.

ترکیبات افزودنی های بتن با سیمان

اثر نوع گچ و نیم هیدرات گچ یا نسبت هیدراتی انحلال پذیر (گیرش غیرفعال و افت کارایی) واکنش پذیری نسبی فازهای معدنی مختلف سیمان با آب معمولا به صورت می باشد. فازهای آلومینات و فرآورده های هیدراتاسیون آنها نقش مهمی در فرآیند هیدراتاسیون اولیه بازی می کند. به علت واکنش پذیری بالای کلسیم آلومینات، واکنش هیدراتاسیون آلومینات در حضور یون های سولفات انجام می شود. کنترل سرعت واکنش را از طریق شکل گیری فرآورده های سولفات آلومینات مخلوط را (اترینگیت و مونوسولفوآلومینات) تامین می شود. از این رو کلسیم سولفاتی که به کلینکر سیمان اضافه می شود خصوصیات فرآورده های هیدراتاسیون را کنترل می کند. بنابراین سولفات ها نقش حیاتی در هیدراتاسیون سیمان و اثر فرآورده های شیمیایی روی هر فرآیند درجایی که سولفات ها درگیر باشند، بازی می کنند. انتظار می رود که این اثر چشمگیر باشد.
برای اینکه گیرش معمولی در خمیر سیمان پرتلند، ملات، یا بتن رخ دهد، کلسیم سولفات باید در سیستم آب به سیمان حاضر باشد. در سیمان های امروزی، بیشتر کلسیم سولفات ارائه شده به سیستم به عنوان یک مولفه سیمان، می تواند در یک یا تعداد بیشتری از اشکال حاضر باشد: گچ (CaSO4. 2H2o)، نیم هیدرات (CaCO4. 1/2 H2o)، هیدرات محلول (Ca2.SO3). بسیار مهم است که کلسیم سولفات در فاز آبی به آب به اندازه کافی انحلال پذیر باشد تا یون های کلسیم و سولفات را برای تشکیل کلسیم آلومینوسولفات (اترینگیت 3CaSO4.32H2O – AL2O3.3CaO) فراهم آورد و از اینکه فاز تری کلسیم آلومینات سیمان با آب مستقیما واکنش دهد، که منجر به گیرش آنی شود ممانعت به عمل آورد.
گیرش آنی ناصحیح از صحیح بدین گونه متمایز می شود که (1) گیرش آنی حرارت قابل توجهی را بروز می دهد. و (2) صلبیت مخلوط نمی تواند با اختلاط بیشتر بدون افزودن آب اضافی رانده شود. همچنین گیرش ناصحیح شکلی از گیرش غیر عادی سیمان است، که با حضور نیم هیدرات یا هیدرات (کامل) موجب می شود. آب گیری از گچ به هنگامی که درون زمین باشد با یک کلینکر بسیار بسیار گرم می تواند این دو شکل گچ در سیمان را تولید کند. هنگامی که چنین سیمانی با آب مخلوط شود، نیم هیدرات و هیدرات (کامل) به گچ هیدرات می شوند. یک گیرش پلاستر با نتیجه سخت شدن سیمان اتفاق می افتد.
گزارشات از ناسازگاری میان سیمان پرتلند و افزودنی های شیمیایی در طی 10 سال گذشته افزایش یافته است. گیرش سریع، سخت شدگی تسریع شده، افزایش در زمان گیرش، عدم کاهش آب برخی از مشکلات گزارش شده هستند. چنین اثرات ایجاد شده توسط ترکیب سیمان و اثرات افزودنی های شیمیایی اغلب به «ناسازگاری سیمان با افزودنی» نام گذاری شده است. این مورد در قسمت زیر بررسی می شود.
کاربرد هیدرات (کامل) طبیعی به عنوان یک جایگزین یا جایگزین نسبی برای گچ در تولید سیمان پرتلند رو به افزایش است. اگر چه سیمان پرتلند حاوی مقادیر زیاد هیدرات طبیعی به طور معمولی در عدم حضور افزودنی ها اجرا خواهد شد، با این وجود در بسیاری موارد کاربرد افزودنی های شیمیایی با چنین سیمانی ایجاد مشکلاتی می کند. کار صورت گرفته از سوی Dodson و Hayden نشان داد که همه چنین سیمان هایی که در بتن استفاده می شوند و از خود ناسازگاری نشان می دهند دارای وجه مشترک هستند، یعنی حضور هیدرات (کامل) طبیعی را دارند. هیدرات طبیعی به همراه کلینکر سیمان پرتلند می تواند گیرش سریع در خمیر ملات یا بتن را در حضور کلسیم لیگنوسولفانات (CLS) تولید کند.
نتایج این مطالعه همچنین حاکی از آن است که وقتی سیمان حاوی یک نسبت گچ به هیدرات طبیعی کمتر از 2 باشد، سخت شدگی سریع به هنگامی که افزودنی های شیمیایی به بتن اضافه می شوند. تاثیر مشابهی در سیمان حاوی مخلوط گچ و هیدرات طبیعی دارد.
هنگامی که CLS حضور داشته باشد منحنی سولفات محلول در مقابل زمان برای سیمان حاوی (کامل) طبیعی به شدت عوض می شود. سرعت انحلال هیدرات طبیعی، که خیلی آهسته تر از سرعت گچ یا نیم هیدرات سولفات کلسیم است، در حضور افزودنی های شیمیایی بیشتر دیر گیر می شود، که منجر به یک سیستم «سولفات با کمبود» در بتن می گردد. اغلب ایجاد گیرش سریع می کند و افزایشی در سرعت افت اسلامپ بتن را تولید می کند (شکل 7-42).
ظاهرا جذب لیگنو سولفانات توسط هیدرات (کامل) طبیعی به اضافه واکنش سریع میان محلول و تری کلسیم آلومینات سطح را در نزدیکی غلظت صفر برای 20-10 دقیقه اول نگه می دارد که موجب سخت شدگی سریع و گیرش تند (تقریبا 15 دقیقه ای) می شود. همچنین به هنگامی که به بتن حاوی سولفات (کامل) طبیعی اضافه شوند، افزودنی های بر مبنای نمک های اسیدهای هیدروکسی کربوکسیلیک به همراه کربوهیدرات ها (شکرها، شیره غلات) خیلی شبیه CLS عمل می کنند.
تغییر کنترل نشده در نسبت گچ به نیم هیدرات یا هیدرات محلول (A یا G-N) که در طی تولید رخ می دهد. ذخیره سازی و حمل و نقل سیمان می تواند موجب مشکلاتی در زمینه سازگاری با بعضی فوق روان کننده های مشخص به خصوص کاهش در کارایی، شود.
حدود کاهش در خصوصیات کارایی وابسته به نسبت G-H (در محدوده %20:80 تا %80:20)، سطح A و قلیایی موجود در سیمان و نرمی سیمان می بااشد. در اغلب انواع سیمان واکنش دهنده با میزان A و قلیایی های موجود بالا، نسبت کاهش یافته G-H یا A بر تنش تسلیم تاثیر می گذارد در حالی که از جهت پلاستیک خیلی تحت تاثیر واقع نمی گردد. این اثر برای یک سیمان کمتر واکنش دهنده خیلی کمتر تشدید می شود، اما در پایین ترین نسبت G-H یا A گیرش ناصحیح می تواند رخ دهد. نرمی افزایش یافته سیمان اثر نسبت G-H یا A را افزایش می دهد. این اثر برای فوق روان کننده ها با پایه ملامین بیش از همه تشدید می شود.