بخشی از مقاله
ارزیابی اثرات افزودنی نیترات لیتیوم بر خواص بتن در سنین اولیه
چکیده
با افزایش تشخیص واکنش هاي قلیایی سیلیسی((ASR در سازه هاي بتنیخصوصاً در مناطق شهري که ناگزیر در آنها سنگدانه هاي واکنش زا استفاده می شود، تمایل به استفاده از افزودنی هاي شیمیایی حاوي نیترات لیتیوم به منظور کاهش آسیب در اثر واکنش هاي ASR راهکار نوینی است. اگرچه اثرات سودمند افزودنی نیترات لیتیوم براي جلوگیري از کاهش آسیب ASR ثابت شده اما هنوز میزان بالایی از مشخصات اثرات ثانویه ترکیبات آن بر خواص بتن در سنین اولیه بتن مشخص نمی باشد. هدف از این مقاله بررسی اثرات افزودنی هاي نیترات لیتیوم بـر خواص بتن در سنین اولیه می باشد. اثرات این افزودنی ها اثر شیمیایی بر محلول منفذي و محصولات هیدراتاسـیون داشـته و بـر زمـان بـتن ریزي، دخول هوا، وزن واحد حجم، کارایی، مقاومت و جمع شدگی نیز تأثیرگذار خواهد بود. عدم اطمینان در اثرات ترکیبات نیترات لیتیوم بـر لزوم تحقیقات بیشتر با تأکید بر اثرات مقادیر مصـرف متفـاوت آن، اثرگـذاري بـر ترکیبـات سـیمانی (ماننـد سـازگاري سـیمان و افزودنـی) و
چسبانندگی نیترات لیتیوم در بتن حاوي خاکستر بادي می افزاید.
کلمات کلیدي: افزودنی، سنگدانه واکنش زا، نیترات لیتیوم، ASR، بتن.
.1 مقدمه
شـواهد موفقیـت آمیـزي از کـاربرد افزودنـی هـاي لیتیـوم بـراي کمینـه نمـودن انبسـاط بــتن ناشـی از واکـنش هـاي قلیـایی سیلیسی((ASR 1 وجود دارد. این ایده براي اولین بار در سال 1951 مطرح گردید .[1] لازم است که اثر افزودنی هاي لیتیوم بر رفتار بتن در سنین اولیه 28) روزه اول) مورد بررسی قرار گیرد چراکه در روش هاي اجرایی نوین که اثر زمان گیرش، کـارایی ، نرخ کسب مقاومت و جمع شدگی یا انقباض می تواند پی آمدهاي اقتصادي منفی قابل ملاحظه اي داشته باشـد، ایـن اثـرات مـی تواند در عملکرد طولانی مدت سازه، خسارت بار باشد که لزوم استفاده از افزودنی هاي حاوي لیتیوم را در نسل نوین بتن افزایش داده و می توان از موارد کاربرد آن در سال 1990 در مخلوط هاي بتنی در مقیاس هاي اجرایی اشاره نمود2]و3و4و.[5
اثرات کاربرد افزودنی لیتیوم بر رفتار بتن در سنین اولیه بویژه در موارد اجرایی که اثر بر زمان گیرش، کارایی و سـایر پارامترهـاي مذکور ممکن است مضر باشد. در این مقالـه اثـر افزودنـی نیتـرات لیتیـوم بـر خـواص شـیمیایی محلـول منفـذي و محصـولات هیدراتاسیون و اثر بر زمان گیرش، دخول هوا، وزن مخصوص، کارایی، مقاومت و جمع شدگی مورد بحث می باشد.
هدف از این مطالعه بررسی اثرات میزان نتیرات لیتیوم (LiNO3) بر ویژگی هاي بتن در سنین اولیه مانند زمان گیـرش، گرمـاي هیدراتاسیون، درصد هوا، آب انداختگی، نرخ کسب مقاومت، بلوغ و جمع شدگی (شیمیایی، خودبخود و در اثر خشک شدگی) می می باشد.
.2 اثرات شیمیایی LiNO3 بر محصولات هیدراتاسیون و محلول منفذي
در میان انواع متفاوت ترکیبات لیتیوم، LiNO3 براي استفاده در پروژه هاي اجرایی به دلایلی پرکاربرد تـر مـی باشـد. LiNO3
می تواند تمرکز یون هیدروکسیل (OH¯) در محلول منفذي را کاهش داده و بدینوسیله خطر رخداد واکنش قلیایی سیلیسـی را کاهش می دهد6] و.[7 این افزودنیکاملاً محلول، خنثی و در محلول تولید ترکیب هیدروکسـید لیتیـوم (LiOH) ایجـاد نمـی کند و بنابراین این افزودنی را براي کاربرد در اختلاط بتن مناسب تر می سازد7]و.[8 حمل افزودنـی LiNO3 بـی خطـر بـوده، نرمالیته (pH) محلول منفذي را افزایش نمی دهد و اثر مضر بر سـاختار بـتن بـاقی نمـی گـذارد6]و7و8و9و.[10 بعـلاوه نتـایج تحقیقات نشان داده که موثرتر از سایر ترکیبات لیتیوم در کنترل انبساط سنگدانه هايشدیداً واکنش زا می باشد.
به علت مزیت هاي مذکور، از میان افزودنی هاي لیتیوم، LiNO3 به عنوان افزودنی رایج ، موثر و مفیـد در بـازار افزودنـی هـا در دسترس است و همانطور که اشاره گردید به عنوان رایج ترین افزودنی شیمیایی مایع حاوي لیتیـوم بـراي کنتـرل انبسـاط در اثـر واکنش ASR بکار می رود. بهر حال، تحقیقات انجام شده نشان می دهد بیشتر لیتیوم افـزوده شـده بـه بـتن معمـولی در حـین اختلاط در محصولات هیدراتاسیون جذب می گردد. Berubé و همکارانش [11] دریافتند که فقـط مقـدار %35 لیتیـوم کـه بـه صورت LiNO3 افزوده شده به مدت 90 روز در محلول منفذي باقی می ماند. Diamond و Ong دریافتند کـه %40 لیتیـوم افزوده شده به بتنی با مواد غیرواکنش زا (چه در سیمان و چه در سنگدانه) توسـط محصـولات هیدراتاسـیون در ظـرف یـک روز جذب می گردد.[6] مقدار بیشتر افزودنی لیتیوم که در حین اختلاط در محصولات هیدراتاسیون جذب می شـود بایسـتی بـراي تعیین مقدار مناسب استفاده در اختلاط و هنگامیکـه روش هـاي آزمـون مناسـبی در آزمایشـگاه تعریـف مـی شـود، لحـاظ مـی گردد.[12]
در بسیاري موارد لیتیوم در ترکیب با مواد پوزولانی مانند خاکستربادي یا میکروسیلیکا بکار می رود تا از بـروز واکـنش ASR در پروژه هاي اجرایی اجتناب گردد. در مورد بتن حاوي خاکستربادي، این اثر می تواند تشدید یابد چراکه استفاده از خاکستربادي در مصالح پایه سیمانی نسبت کلسیم به سیلیس (Ca/Si) در سیلیکات کلسیم هیدراته (یا ژل (C-S-H که فاز کسب مقاومت اولیه است را کاهش می دهد. خاکستر بادي نوع F یا ریزدانه با سطح مخصوص بسیار بالا و اکسید کلسیم (CaO) اثر بیشتري نسـبت به خاکستر بادي درشت دانه نوع C بر کاهش نسبت Ca/Si دارد. همچنین نسـبت کمتـر Ca/Si در ژل C-S-H ، چسـبندگی قلیاها Na+) و( K+ را در محصولات هیدراتاسیون سیمان کاهش می دهد. همچنین لیتیوم یک فلز قلیایی بـوده و چسـندگی آن با ساختمان C-S-H در مخلوط هاي حـاوي خاکسـتربادي کـه نسـبت Ca/Si کـاهش یافتـه، افـزایش مـی یابـد13]و.[14
تحقیقات نشان می دهد که چسبندگی لیتیوم به سیمان هیدراته بسیار مطلوب تـر از چسـبندگی سـدیم و پتاسـیم(قلیاهـا) مـی باشد11] و .[15
افزایش چسبندگی لیتیوم در محصولات هیدراتاسیون اثر شبکه اي ایجاد می کند که می تواند منجر به کاهش مقـدار لیتیـوم آزاد
(که در محلول منفذي باقیمانده) گردد که به دنبال آن قابلیت شرکت در واکنش هایی خواهد داشت تا انبساط ناشـی از واکـنش
ASR را کاهش داده و ممکن است بر سایر خواص بتن در فاز سخت شده و پلاستیک تأثیرگذار باشد.
بنابراین، چسبندگی لیتیوم براي بتن حاوي خاکستربادي باید لحاظ گـرددخصوصـاً هنگامیکـه مقـدار بهینـه بـراي دوام در برابـر
ASR تعیین می گردد و هنگامیکه اثرات افزودنی هاي لیتیوم بر خواص بتن ارزیابی مـی گـردد. شـکل (1) ژل منبسـط شـونده قلیایی سیلیسی را در اطراف سنگدانه واکنش زا نشان می دهد.
شکل -1 راست: آنالیز تصویري نشان دهنده تشکیل ژل ASR در اثر واکنش سیلیس موجود در سنگدانه کوارتز با
قلیاهاي احاطه کننده موجود در سیمان، چپ: ژل قلیایی سیلیسی (ASR) محیط بر سنگدانه هاي بتن
.3 زمـان گیرش
افزودن لیتیوم به بتن هاي سیمان پرتلند و سیمان آلومینـات کلسـیم دار زمـان گیـرش را کـاهش مـی دهـد، در حالیکـه دیگـر گزارشات پیشنهاد می دهد که نیترات لیتیوم اثر ناچیزي بر گیرش می گذارد. Thomas و همکارانش زمان گیـرش بـتن حـاوي سیمان پرتلند و افزودنی LiNO3 را تا 20 دقیقه گزارش نمودند.[16] این نشان می دهد که افزودن لیتیـوم ممکـن اسـت اثـر مخربی بر زمان گیرش در عمل نداشته باشد. به هر صورت، لازم به ذکر است اختلاط هـایی کـه توسـط Thomas و همکـارانش ارزیابی شده همگی حاوي خاکستربادي بوده اند که ممکن است گیرش را به تأخیر اندازد و اینکه ممکن است با لیتیوم چسبندگی ایجاد کند که در نتیجه آن، اثر تسریع کننده گیرش LiNO3 کاهش می یابد.
بر اساس مطالعات Thomas و همکارانش، انتظار می رود، استفاده از LiNO3 منجر به تعدیل درسرعت گیرش شود.[16] بهـر حال تحقیقات بیشتري نیاز است تا اثر LiNO3 بر زمان گیرش را بطور کامل تري ارزیابی کند تا اثرات استفاده از لیتیوم را بطور اجرایی به بهترین نحو پیش بینی کند. اثر مقدار افزودنی شامل مقدار بیشتر و کمتر در دماي عادي و بیشتر بررسی گردد تا حدود رفتار بر زمان گیرش و اثر زودگیرکننده آن را پیش بینی کند. همچنین تحقیقات بیشتر نیاز اسـت تـا نحـوه تغییـرات در ترکیـب سیمان و استفاده از خاکستر بادي را که ممکن است بر زمان گیرش در حضور لیتیوم تأثیرگذار باشد را معین نماید.
.4 میزان هوا
علاوه بر اسلامپ میزان هواي بتن توسط روش آزمون فشـار ASTM C 231 در کارگـاه بـه عنـوان بخـش کـوچکی از عملیـات کنترل کیفی استاندارد اندازه گیري می شود.[17] بهر حال داده هاي کمی در مورد اثر لیتیوم بر میزان هـوا و وزن مخصـوص در مطالعات انجام شده وجود دارد.
Lane بتن هایی با نسبت آب به سیمان 0.45 با عیار سیمان و میـزان مـواد حبـاب زا (AEA2) ثابـت بـا ترکیـب 75 و %100
نیترات لیتیوم ساخت.[18] ارزیابی دوام اختلاط هاي مذکور در برابر دوره هاي یخ زدن و ذوب شـدن توسـط روش ASTM C 666 بخش 98) A تا (101 انجام شد که مقاومت خوبی را نشان داده است.[19] مقادیر هوا 4.2 تا %6.1 در مخلوط هاي حاوي لیتیوم در مقایسه با مقدار %4 در مخلوط هاي کنترل بدست آمد.
Thomas و همکارانش میزان هوا را 5 تا %7 براي بتن هاي ساخته شده با میـزان LiNO3 صـفر، 75 و %100 گـزارش نمـوده اند.[16] کلیه نمونه ها ضریب دوام بالایی را از 96 تا %99 داشتند که بر اساس روش ASTM C 666 روش A آزمایش شـد و صرف نظر از میزان افزودنی لیتیوم ، نشان داد که یک سیستم کافی و پایدار از هوا در بتن حاصل گردیده است. اگر میزان بالاتري از مواد حباب زا نیاز باشد تا میزان هواي وارده در حضور نیترات لیتیوم بدست آید، پیش بینی تأثیر سیستم هواي مخلـوط واضـح نخواهد بود.[19]
نتایج تحقیقات Du و Folliard نشان می دهد که تعداد بالایی از الترولیت هاي معـدنی هنگامیکـه بـه عنـوان افزودنـی هـاي شیمیایی در بتن استفاده می شود بر قابلیت ایجاد ریزحباب یا کف در افزودنی هاي هوازا اثر می گذارد.[20] در تحقیقات مذکور، کلرید کلسیم به عنوان یک افزودنی زودگیرکننده ممکن است با مواد فعال سطحی در افزودنی هاي هـوازا واکـنش داده و رسـوب غیرمحلول تشکیل می دهد که قابلیت کف سازي را کاهش می دهد.
Du و Folliard پیشنهاد نمودند که سازگاري افزودنی ها باید به طور تجربی مورد آزمایش قرار گیرد، بـه علـت اینکـه طبیعـت اندرکنش هاي بالقوه میان افزودنی هاي شیمیایی مختلف هنگامیکه به صورت ترکیبی استفاده می شود، پیچیده مـی باشـد.[20]
در این راستا سازگاري افزودنی لیتیوم با افزودنی هوازا بایستی مورد ارزیابی قرار گیرد، بخصوص هنگامیکه بـه صـورت ترکیـب بـا افزودنی هاي شیمیایی مانند کاهنده آب، دیرگیر کننده یا زودگیر کننده یا مواد سیمانی مکمل مانند خاکستر بادي مورد اسـتفاده قرار می گیرد.
.5 کـارایی
اگرچه کارایی بطور رایج در کارگاه و در آزمایشگاه توسط اسلامپ مانند درصد هوا و وزن مخصـوص انـدازه گیـري مـی شـود امـا تحقیقات گزارش شده بسیار محدودي وجود دارد که اثر افزودنـی هـاي لیتیـوم را بـر اسـلامپ بررسـی مـی نمایـد. Thomas و
همکارانش کارایی را توسط آزمایش اسلامپ در مخلوط هایی با نسبت آب به سـیمان 0.35، سـیمان تیـپ II ، 13 تـا %21
