بخشی از مقاله
بررسي عوامل موثر بر کاهش نفوذپذيري بتن
خلاصه
از ميان مصالح اصلي ، بتن پرمصرف ترين ماده در محيط هاي دريايي مي باشد که بطور نسبي و با توجه به شرايط اقتصادي، عملکرد مطلوبي در اينگونه محيط ها از خود نشان داده و لذا کاربرد آن همچنان در حال افزايش است . از طرفي امروزه دوام بتن ، در طراحي و ساخت سازه هاي بتني داراي اولويت و اهميت ويژه ايي گشته است . اما با توجه به وجود املاح مضر در آب دريا و ماهيت خورنده محيط هاي دريايي که منجر به کاهش دوام بتن مي شود، اهميت يافتن راه هايي براي مقابله با حملات شيميايي و کاهش نفوذپذيري بتن ، بعنوان پارامتري که مستقيما بر دوام بتن تاثير مي گذارد، بيش از پيش نمايان مي شود. علاوه بر اين ، وجود مناطق خورندهي ساحلي در جنوب ايران، ضرورت پژوهش هاي اينچنيني را در کشور دوچندان مي کند. در اين پژوهش با هدف مقابله با حملات شيميايي ، عوامل موثر بر کاهش نفوذپذيري بتن بررسي شده و راهکار هاي متعددي مانند انتخاب مناسب مصالح و تعيين دقيق نسبت هاي اختلاط، عمل آوري مناسب ، کاهش انواع درزها،روش صحيح قالب برداري، انواع روش هاي حفاطت از آرماتورها، استفاده از الياف و يا پوشش هاي پليمري،استفاده از پوشش هاي صنعتي ، استفاده از ژئوسنتتيک ها و... ارائه شده است .
کلمات کليدي: محيط هاي دريايي ، کاهش نفوذپذيري بتن ، حملات شيميايي ، حملات کلريدي
١. مقدمه
با توجه به انعطاف پذيري بيشتر بتن نسبت به ديگر مصالح مانند چوب و فولاد مصرف آن در جهان گسترش يافته است به گونه اي که هم اکنون بعد از آب پرمصرف ترين ماده در جهان شناخته مي شود. بر اين اساس و با توجه به اثراتي که محيط هاي مختلف بر بتن مي گذارد، نياز به توجه اختصاصي به ساخت اين ماده در هر يک از اين محيط ها مي باشد تا با توجه به هزينه هاي در نظر گرفته شده براي طراحي و ساخت سازه هاي مختلف بتني ، شاهد دوام درازمدت آن در مناطق مختلف باشيم .
چند مورد از دلايلي که بتن مسلح در محيط هاي دريايي جايگزين ساير مصالح مثل فولاد و چوب شد عبارتند از مقاومت بسيار بالاي بتن در مقابل آب، سهولت شکل پذيري در فرم قالب ها با ابعاد و اندازه هاي متفاوت، اجرا در شرايط دريايي ، ارزان تر بودن، سهولت دسترسي به مصالح تشکيل دهنده آن در بسياري از نقاط جهان، سهولت حمل و نقل و سهولت در تعمير و نگهداري اين نوع سازه ها.
قديمي ترين سازه هاي بتني در مناطق دريايي مربوط به حدود ٢٠٠ سال پيش مي باشد که در مقايسه با قدمت سازه هاي بتني در مناطق ديگر ناچيز به شمار مي رود که نشان از تخريب زود هنگام سازه هاي بتني دريايي دارد[١ ]. با توجه به حضور انواع املاح مضر بتن در آب دريا و مناطق ساحلي ، محيط هاي دريايي داراي شرايط ويژه ايي گشته اند که با توجه به بحث هاي حفاظت و پايداري نياز به در نظر گرفتن ملزومات خاصي هست به طوري که بدون در نظرگرفتن اين تمهيدات و اجرايي نکردن آن ها ساخت هر گونه سازه اي خود به تنهايي توجيه اقتصادي ندارد. بسياري از محققان اين شرايط حساس را توصيف و تشريح کرده اند ولي به طور کلي مي توان به چهار دسته مهم و تاثيرگذار اين خرابي ها اشاره کرد که عبارتند از١- خوردگي ميلگردهاي فولادي ٢- حملات مواد شيميايي ٣- فشار حاصل از تبلور نمک ها ٤- حملات احتمالي از طرف ميکروارگاسم ها[٢,٣]؛ از بين اين ٤ دسته شايد حملات مواد شيميايي مهمترين باشد که بايد به نحوي کنترل شود.براي کنترل اين مورد و يا حتي ٤ مورد اشاره شده يکي از مواردي که شايد اولين و تاثيرگذارترين مورد مي باشد کنترل ميزان نفوذپذيري بتن مي باشد.
٢. مکانيزم خرابي سازه هاي بتني در محيط هاي دريايي
با توجه به شواهد بسياري که از سازه هاي دريايي ساخته شده و موجود کسب شده اند شرايط دريايي يکي از مخرب ترين شرايط محيطي براي بتن به شمار مي رود که پايايي بتن را به شدت تهديد مي کند، وجود عوامل مختلف مانند املاح مضر، ميکرو ارگانيسم ها، تبلور نمک هاي موجود در آب هاي دريايي دردرون بتن ، خوردگي ، گرم و سردشدن، آب شدن هاي متعدد، و نيز سيکل هاي يخ زدن در اين شرايط حاکم مي باشند و خود به تنهايي مي توانند پايايي يک سازه را دچار اختلال کنند.براي مقابله با اين مکانيزم ها بايد به دنبال اصلي ترين موردي که مي تواند تا حدود زيادي خطر ناشي از آنها را دفع کند بود اين مورد که خود با دوام و پايايي بتن رابطه مستقيمي دارد چيزي نيست به غير از نفوذپذيري بتن . کنترل ميزان نفوذپديري بتن به خصوص در شرايطي که اولين سطح دفاعي بتن لايه خارجي آن مي باشد خود مي تواند بسياري از اين مکانيزم ها را با شکست مواجه سازد. خوشبختانه کنترل نفوذ پذيري بتن عاملي است که هم جنبه خارجي دارد و هم جنبه داخلي به نحوي که استفاده از مصالح و مواد افزوننده که علاوه بر کاهش نفوذپذيري، خود يک جنبه دفاعي در مقابل مکانيزم هاي خرابي از داخل بتن مي باشد و از طرفي استفاده از پوشش هاي صنعتي بر روي بتن خود مي تواند به عنوان جنبه خارجي دفاعي در مقابل مکانيزم هاي دفاعي مطرح گردد. البته مي توان گفت که نقش جنبه داخلي و متغيرهاي کنترل کننده آن بسيار بيشتر از نقش جنبه خارجي مي باشد که به موارد محدودي مثل پوشش (coating) بتن خلاصه مي شود. البته کم کردن بيش از حد ميزان نفوذپذيري نيز خود مي تواند باعث مشکلات بسياري شود يکي از مشکلات اين است که هيدراتاسيون سيمان به صورت کامل صورت نگيرد لذا از اين جنبه نيز بايد ميزان نفوذپذيري کنترل شود.
٣. حملات شيميايي در محيط هاي دريايي
از جمله حملات شيميايي که مي توان درمحيط هاي دريايي به آن ها اشاره کرد عبارتند از : حمله سولفات ها ، کلرورها ، کربناسيون، واکنش شيميايي قليايي سنگدانه ها که هر کدام مکانيزم مخصوص به خود را دارند.با توجه به شرايط خاص محيطي اين آب دريا هست که به عنوان حامل يون هاي مخرب شناخته مي شود. به غير از واکنش شيميايي قليايي سنگدانه ها که مربوط به خود سنگدانه ها مي باشد مابقي خرابي ها با خمير سيمان موجود در بتن و ميزان نفوذپذيري آن رابطه دارند لذا کنترل ترکيب سيمان هاي مورد استفاده بسيار مهم مي باشد.
٤. بررسي عوامل موثر بر کاهش نفوذپذيري بتن
١.٤. نوع و انتخاب مصالح و نسبت هاي اختلاط آنها
با توجه به اينکه ماهيت بتن ترکيبي از چند ماده با ويژگي هاي متفاوت مي باشد لذا انتخاب بهترين مصالح از هر نوع ماده و ميزان آنها نقش بسيار مهمي در کنترل ميزان نفوذپذيري دارد علي الخصوص در شرايطي که ماده افزوننده ديگري نيز به عنوان ماده چهارم اخيرا به اين مواد اضافه شده است تا شرايط خاصي را به مخلوط بتني مورد نظر بدهد. لذا استفاده از مصالحي که در کنار يکديگر ترکيبي با بيشترين بازده در شرايط محيط دريايي را نتيجه دهد حائز اهميت خواهد بود. البته بسياري از استانداردها مثل ACI و FIP ملزوماتي را ارائه کرده اند که به شرح جدول١ مي باشند [٣].
در رابطه با مواد تشکيل دهنده بتن نيز موارد زير در رابطه با کاهش نفوذپذيري بايد درنظرگرفته شوند.
١.١.٤. سيمان
از آنجايي که در ساخت بتن متراکم معمولا سنگدانه بوسيله خمير سيمان احاطه مي شود لذا ميزان نفوذ پذيري خمير سيمان نقش اساسي در تعيين نفوذ پذيري بتن خواهد داشت .نفوذپذيري خمير سيمان با پيشرفت درجه هيدراسيون تغيير مي کند در يک خميرتازه، جريان آب بوسيله اندازه، شکل و غلظت ذرات اوليه سيمان کنترل مي شود. با پيشرفت هيدراسيون نفوذ پذيري بسرعت کاهش مي يابد زيرا حجم ژل توليد شده بيش از دو برابر حجم سيمان هيدراته نشده است .
لذا ژل بصورت تدريجي فضاهاي پر شده توسط آب را پر ميکند در خمير سيمان بالغ نفوذ پذيري بستگي به اندازه و شکل و غلظت ژل و چگونگي ارتباط شبکه لوله هاي مويين دارد. بر اساس تحقيقات صورت گرفته براي خمير سيمان هايي که به يک اندازه هيدراته شده اند هر چقدرمقدار سيمان خمير بيشتر باشد (نسبت آب به سيمان کمتر باشد) نفوذ پذيري خمير سيمان کمتر خواهد بود. در اکثر مدلهاي پيش بيني عمر مفيد سازه هاي بتني بر اساس عمق کربناتاسيون و عمق نفوذ کلر از نسبت آب به سيمان به عنوان عامل اصلي نام برده شده است .در شکل (١) مقادير نفوذ پذيري خمير سيمان براي خميري که ٩٣ درصد سيمان آن هيدراته شده در نسبتهاي آب به سيمان مختلف نشان داده شده است . همانطوريکه ملاحظه ميکنيد براي خميرهايي که نسبت آب به سيمان آنها کمتر از ٠.٦ مي باشد بدليل توليد انبوه ژل و مسدود شدن لوله هاي مويين شيب خط و در نتيجه نفوذ پذيري به مقدار زياد کاهش يافته است .همانطوريکه ملاحظه مي کنيد درصورت کاهش نسبت آب به سيمان از ٠,٧ به ٠,٣ ضريب نفوذ پذيري چندين مرتبه کاهش يافته است . بر اساس استاندارد٧٥-ACI٣٠١ بتن ساختماني آب بند در برابر آب مطلوب و آب دريا نبايد نسبت آب به سيمان بيش از ٠,٤٨ و ٠,٤٤ داشته باشد.[٤,٥]
عموما ١٠٠ سانتي متر مکعب سيمان پس از هيدراتاسيون کامل ٢٠٠ سانتي متر مکعب محصولات واکنش خواهد داشت با اين حساب در صورت هيدراتاسيون کامل خميرهاي سيمان، بدليل اينکه خمير سيماني که داراي بيشترين ميزان آب است داراي بزرگترين فضاي کل در دسترس خواهد بود در نتيجه حجم فضاي مويينه در خمير سيماني که داراي بيشترين نسبت آب به سيمان است ، بيشتر شده و نفوذ پذيري افزايش خواهد يافت .براي مثال در صورت هيدراسيون کامل ١٠٠ سانتي متر مکعب سيمان با چگالي نسبي ٣,١٤ و با نسبتهاي مخلف آب به سيمان برابر٠,٧ ،٠,٥،٠,٦، ٠,٤ فضاي کل در دسترس به ترتيب برابر ٢٥٧،٢٨٨،٣٢٠، ٢٢٥ سانتيمتر مکعب و فضاي مويينه به ترتيب برابر٣٧ ،٢٢،٣٠، ١١در صد خواهد بود با اين حساب در خمير با نسبت آب به سيمان ٠,٣٢ در صورت هيدراسيون کامل فضاي مويينه صفر خواهد بود. ميزان نرمي خمير سيمان از جمله عوامل ديگري است که بر نفوذپذيري تاثير دارد. از آنجايي که درشتي دانه هاي سيمان بر روند هيدراسيون اثر دارد لذا سيمان درشت تمايل به ايجاد خميري با نفوذ پذيري بيشتراز سيمان ريز دانه دارد.بطور کلي هر چقدر مقاومت خمير سيمان بيشتر باشد نفوذ پذيري آن کمتر خواهد بود. همچنين خشک شدن خمير سيمان نفوذ پذيري آن را افزايش مي دهد زيرا با خشک شدن خمير و وقوع جمع شدگي امکان شکست ژل هاي موجود بين لوله هاي مويين و ايجاد مجاري جريان آب بوجود مي آيد[٢].
٢.١.٤. سنگدانه ها
اختلاف بين نفوذپذيري خمير سيمان و بتن حاوي همان خمير با همان نسبت آب به سيمان از اينجا سر چشمه ميگيرد که نفوذپذيري سنگدانه ها بر عملکرد بتن تاثيرميگذارد.از نقطه نظر تئوريک به نظر مي رسداگر چنانکه نفوذپذيري سنگدانه ها خيلي کم باشد وجود اين نوع مواد در بتن باعث کاهش سطح موثرجريان آب و بدليل دور زدن سنگدانه ها توسط جريان طول مسير جريان افزايش يافته و نهايتا بدليل قطع جريان داخل شبکه مويينه خمير سيمان اثر سنگدانه ها در کاهش نفوذ پذيري بتن چشمگير خواهد بود. به عبارت ديگر در يک بتن متراکم بواسطه احاطه شدن سنگدانه ها توسط خمير سيمان، نفوذپذيري خمير سيمان بيشترين نقش را در نفوذپذيري بتن خواهد داشت .[٤]. در عمل داده هاي حاصل از نتايج آزمايش هاي اخير نشان داده است که نفوذ پذيري بتن در مقايسه با خمير سيمان خالص با نسبت آب به سيمان و درجه بلوغ يکسان بيشتر است .همانطوريکه در شکل شماره (٢) ملاحظه مي کنيد اضافه نمودن سنگدانه به خمير سيمان نفوذ پذيري را به مقدار زيادي افزايش داده است . از طرفي از آنجايي که اندازه سنگدانه ها و دانه بندي آن بر روي مشخصات آب انداختگي مخلوط بتن تاثير مي گذارد که اين نيز به نوبه خود روي مقاومت ناحيه انتقال تاثير مي گذارد در طي دوره هاي هيدراتاسيون اوليه بدليل تفاوت بين کرنش هاي خمير سيمان و سنگدانه ، ناحيه انتقال ضعيف بوده و در برابر ترک خوردگي آسيب پذيرمي شود. ترک هاي ناحيه انتقال آنقدرکوچکند که با چشم غير مسلح آنها را نمي توان ديد اما عرضشان بزرگتر از عرض حفره هاي مويينه موجود در ماتريس خمير سيمان مي باشد. و بنابر اين با افزايش ارتباطات داخلي سيستم نفوذ پذيري آن افزايش مي يابد. اين موضوع در شکل (٢) نشان داده شده است .[٢,٦]
٣.١.٤. مواد افزودني
موادافزودني بسيار زيادي وجود دارند که با توجه به کارکرد مورد نظر به بتن افزوده مي شوند و ويژگي موردنظر خود را به بتن مي دهند دو مورد از مهمترين انواع اين مواد افزودني مواد افزودني هوازا و پوزولانها مي باشند.
١.٣.١.٤. مواد افزودني هوازا
از آنجايي که حبابهاي هواي عمدي بصورت بسيار ريز بوده و کارايي بتن را افزايش مي دهد لذا با مقدار اسلامپ ثابت مقدار آب در بتن هوادار کمتر بوده و در نتيجه مقدار جمع شدگي بتن و آب انداختن کاهش خواهد يافت و بنابر اين روي هم رفته حبابهاي هواي عمدي باعث کاهش نفوذ پذيري بتن مي شود.ايجاد حباب هوا در بتن سبب مي شود در خمير سيمان منافذي جدا از هم ديگر بوجود آيد و در نتيجه مجرايي براي عبور آب ايجاد نگردد و لذا نفوذ پذيري بتن افزايش نخواهد يافت .[٢,٤,٧]
٢.٣.١.٤.مواد افزودني پوزولاني
استفاده از مواد پوزولاني نظير خاکستر بادي و گدازه آتشفشاني ومتاکائولن دوده سيليسي به عنوان مصالحي با خاصيت سيماني در مجاورت آهک و سيمان پرتلند و جايگزين سيمان در مخلوط هاي بتني جايگاه ويژه اي در صنعت بتن دارد. مصرف پوزولان باعث کاهش حرارت هيدراسيون ودر نتيجه با کنترل مسايل حرارتي مانع ترک در بتن شده و مقاومت دراز مدت را افزايش مي دهد.مهمترين خاصيت پوزولان به عنوان جايگزين سيمان توانايي قابل ملاحظه آن در کاهش منافذ بزرگ و نفوذ پذيري بتن است .در اکثر مدلهاي پيش بيني عمر مفيد سازه هاي بتني بر اساس عمق کربناتاسيون و عمق نفوذ کلر از نسبت مواد پوزولاني به مواد سيماني به عنوان عامل اصلي نام برده شده است .[٨,٩].
٢.٤. پرداخت مناسب بتن به خصوص لايه سطحي
با توجه به اينکه اولين لايه دفاعي در برابر مايعات و املاح سطحي ترين لايه بتن مي باشد لذا عمل آوري و پرداخت بتن خود بسيارمهم مي باشد به خصوص اينکه سطح خارجي بتن سطح صاف و يک دستي باشد. البته رسوب کردن آراگونيت (caco3 )و بروسيت ( ٢(Mg(OH ) بر روي سطح بتن به علت مجاورت با آب دريا نيز موجب تشکيل پوسته اي غيرقابل نفوذ مي گردد.[٣].
