بخشی از مقاله
چکیده
بتن خود تراکم به دلیل روانی و سادگی استفادة آن داراي مزایاي غیرقابل انکاري می باشد. از آنجائیکه در مطالعات بیبلیوگرافی به رفتار بتن خود تراکم حاوي پومیس و یا زئولیت در برابر محیطهاي مخرب همچون حملات اسیدي و کربنا تاسیون کمتر پرداخته شده است، لذا هدف اصلی این پروژه تحقیقاتی تمرکز بر روي این مقوله می باشد. در این مقاله، به تأثیر جایگزینی جزئی %10 و %15 سیمان پرتلند توسط پومیس و زئولیت بر روي فاز خمیري و مقاومت فشاري بتن خود تراکم پرداخته شده است. همچنین ویژگی هاي دوامی این نوع بتن ها همچون مقاومت در برابر حملات اسیدي، کربناتاسیون و محیط هاي دریایی مورد مطالعه قرار گرفته است. نتایج نشان می دهد که رفتارهاي متفاوت بتن ها بستگی به ماهیت پوزولان ها دارد. بتن خود تراکم حاوي پومیس مقاومت فشاري تقرباًی برابر با بتن شاهد در سنین جوان از خود نشان می دهد، در صورتیکه مقاومت آن در سنین بالاتر بیشتر از بتن شاهد می باشد. برعکس آن، بتن خود تراکم با زئولیت، مقاومت فشاري کمی در مقایسه با بتن شاهد در تمامی سنین به دلیل تخلخل بالاي ایجاد شده در طی دوران آماده سازي این نوع بتن از خود نشان می دهد. نتایج این پژوهش اثر مثبت جایگزینی جزئی سیمان پرتلند توسط %10 و %15 پومیس و %15 زئولیت را نیز کاراکتریزه می نماید. همچنین در مطالعه پدیده کربناتاسیون، مقاومت کم بتن هاي خود تراکم حاوي پوزولان را نیز نشان می دهد. که این ویژگی بیشتر در بتن هاي حاوي زئولیت بیشتر به چشم می خورد. قابل ذکر است که، مطالعات مکمل بر روي فرمولاسیون و خواص فاز خمیري بتن هاي خود تراکم حاوي زئولیت به منظور بهبود مقاومت فشاري به طور قطع امکان بهبود کارایی و بهره وري بهتر از این پوزولان طبیعی را افزایش می بخشد.
کلمات کلیدي: پومیس، حملات اسیدي، زئولیت، کربناتاسیون، محیط هاي دریایی
.1 مقدمه
اعضاي زیر ساخت هاي بتنی توسط حملات اسیدي موجود در آبهاي زیرزمینی نظیر فاضلاب هاي تولید شده از طریق اکسیداسیون گوگردهاي موجود در مرغزارها و یا مرداب ها، می توانند دستخوش تخریب گردند. شدت تخریب سازه هاي بتنی در برابر اسیدها به مراتب بیشتر از زمانیست که در معرض حملات سولفاتی قرار می گیرند. زیرا در حملات اسیدي علاوه بر تهاجم یون هاي سولفات، اثرات تجزیه یون هاي هیدروژن نیز وجود دارد .[1] به طور کلی، تخریب بتن بر اثر تهاجم اسید سولفوریک توسط سه رابطه شیمیایی زیر کاراکتریزه می گردد.
برحسب این واکنش ها، ژیپس و اترنگایت تولید میگردد. و متعاقباً اثرات زیر ایجاد خواهد گردید:
- تجزیه پورتلاندیت که از PH پائین تر از 12.5 آغاز می گردد.
- انبساط بتن - با در نظر گرفتن این نکته که انبساط اترنگایت بیشتر از ژیپس خواهد بود. -
- تنش کششی بر بتن اعمال خواهد شد - ظهور ترك در بتن -
یکی از واکنش هاي احتمالی در بتن، دگرگونی کلسیم هاي موجود در محصولات محلول می باشد. این واکنش منجر به بی آهک شدن سیلیکات کلسیم هیدراته - CSH - در بتن می گردد. که این مسئله باعث پیشرفت بازشدگی در ساختار و کاهش PH بتن می گردد. بدین صورت سطح بتن از لحاظ مکانیکی ضعیف گردیده است و بنابراین عبور عوامل مخرب از لایه محافظ به آسانی صورت می گیرد، کهمتعاقباً خوردگی میلگردهاي فولادي به طور قطع صورت خواهد گرفت. در واقع، بی آهک شدن منجر به نرم شدگی و افت مقاومت کلی در بتن می گردد. شدت تخریب عوامل مخرب همواره بستگی به المان هاي مختلفی نظیر حلالیت نمک هاي تولید شده ناشی از محصولات واکنش هاي اسیدي و بازي همچون نمک هاي منیزیم، آهن، آلومینیوم و کلسیم، نوع اسید و PH محلول مهاجم دارد. مکانیزم هاي تخریب ناشی از گرادیان غلظت بین محلول هاي مخرب و مایع منفذي در بتن می باشد. دبی یون هاي در حال انتقال از یک طرف موجب تجزیه هیدراتهاي از قبل شکل گرفته و از طرف دیگر باعث نشست محصولات جدیدي می گردند که خود روند تخریب بتن را تشدید می نماید .[2] در طی این واکنش ها عمدة گونه هاي شسته شده - لیچینگ شده - در بتن، یونهاي کلسیم - - Ca +2و هیدروکسید - OH- - می باشند. انتقال این یون ها به محیط خارج از بتن اجازه مدل سازي پدیده انتشار - دیفوژن - را می دهد .[3] در واقع پدیده آب شستگی - لیچینگ: - leaching یک واکنش کند هست که با تجزیه پورتلاندیت شروع شده و با بی آهک شدن مونوسولفوآمومینات، اترنگایت و C-S-H دنبال می گردد .[4] شایان ذکر است که آب شستگی بتن در سازه ها برحسب فرآیندهاي مختلفی به شرح ذیل انجام می گیرد:
.1 آب شستگی سطوح
.2 تجزیه فازهاي جامد .3 انتقال گونه هاي تجزیه شده تحت اثر گرادیان غلظت
در مطالعات بیبلیوگرافی کمبود اثرات مواد افزودنی بر روي مقاومت کامپوزیت هاي سیمانی در برابر محیط هاي اسیدي مشهود می باشد، پاره اي از کارهاي تحقیقاتی در این راستا به شرح ذیل می باشد:
آقاي Roy و همکاران اثرات دوده سیلیس، متاکائولن و خاکستر بادي بر روي مقاومت ملات در برابر محیط هاي اسیدي را مطالعه نمودند .[5] براساس این پژوهش، مقاومت شیمیایی به طور قابل توجهی با دوده سیلیس در مقایسه با متاکائولن بهبود می یابد. همچنین متاکائولن مقاومت بهتري نسبت به خاکستر بادي از خود نشان می دهد. علاوه بر آن، مقدار مقاومت شیمیایی متاکائولن با افزایش میزان جایگزینی از %10-0 به %30-15 کاهش می یابد. در مطالعات انجام گرفته توسط Oueslati، افزودنی دوده سیلیس و خاکستربادي بهبود قابل ملاحظه اي در برابر محیط هاي اسیدي از خود نشان ندادند. بر حسب مطالعات بیبلوگرافی، افزودنی دوده سیلیس رفتار متناقضی در برابر محیط هاي اسیدي از خود نشان می ده د. قابل ذکر است که افزودنی متاکائولن همزمان باعث افزایش مقاومت فشاري و بهبود مقاومت شیمیایی در برابر محیط هاي اسیدي می گردد. محصولات ناشی از واکنش هاي موجود در مخلوط هاي حاوي متاکائولن از لحاظ شیمیایی پایدار و ناحیه انتقال - ITZ - در این مخلوط ها به مراتب متراکم تر خواهد بود. مقاومت شیمیایی بالاي متاکائولن در مقایسه با دیگر افزودنی ها ناشی از نرمی دانه هاي آن، سازگاري با مخلوط ها و همچنین مهذب شدن حفرات درون ماتریس هاي سیمانی می باشد .[ 2] براساس پژوهش انجام شده توسط Bassooni and Nehdi، مخلوط چهارگانه حاوي opc 50% ، 15% پودر سنگ آهک، %20 سرباره و %15 خاکستربادي افت وزنی بسیار کمی در برابر محیط هاي اسیدي از خود نشان می دهد. این رفتار مثبت، مربوط به استفاده فیلر پودرسنگ آهک در ماتریس سیمانی مخلوط می باشد .[1] زیرا فیلر پودرسنگ در ماتریس سیمانی با مصرف کردن اسید، نقش خنثی سازي را دارند. بنا به نظر Bassooni and Nehdi، وجود مقدار زیاد کربنات کلسیم / منیزم در فیلر پودرسنگ آهک بر روي سطوح نمونه هاي مخلوط چهارگانه باعث شکل گیري یک بافر موضعی بر روي سطح بتن می گردد. بنابراین در اطراف ناحیه بافر موضعی غلظت اسید کاهش یافتهو متعاقباً PH در آن ناحیه بالا می گردد، که در نهایت باعث کاهش نرخ تخریب می شود.[1] براساس تحقیق Bertron و همکاران، افت وزنی سیمان هاي حاوي سرباره در محیطهاي اسیدي به مراتب خیلی کمتر از سیمان هاي معمولی هست .[6] از نظر آنها منشأ دوام سرباره مربوط به دانه هاي غیر هیدراته باقیمانده اي است که به طور گسترده بر روي مناطق تخریب شده خمیر سیمانی حاوي سرباره قرار دارند: فرآیند کربناتاسیون به دلیل غلظت کم دي اکسید کربن موجود در هوا به آهستگی صورت می پذیرد. پدیده کربناتاسیون در بتن ها مربوط به مجموعه اي از مکانیزم هاي فیزیکی- شیمیایی ناشی از ناپایداري فازهاي هیدراته و غیر هیدراته خمیر سیمان در تماس با دي اکسیدکربن می باشد. دي اکسیدکربن به صورت فرآینده اي با هیدراتهاي سیمان نظیر هیدروکسید کلسیم - پورتلاندیت - ، سیلیکات کلسیم هیدراته - C-S-H - و همچنین فازهاي غیر هیدراته سیمان مانند C3S و C2S واکنش می دهد. در بین این فازها، دي اکسید کربن میل واکنشی بیشتري با هیدروکسید کلسیم دارد. پدیده کربناتاسیون ماتریس هاي سیمانی می تواند توسط سه واکنش شیمیایی همچون ته نشینی کلسیت توسط تجزیه پورتلاندیت و بی آهک شدن C-S-H و اترنگایت صورت گیرد - به واکنش هاي زیر توجه شود - .
در حقیقت، دي اکسیدکربن توسط شبکه هاي متخلخل و زون هاي از قبل کربناته شده در درون بتن انتشار می یابد. در این پدیده PH اولیه بتن که بین 12 و 13 می باشد به PH برابر با 9 تغییر می یابدمتعاقباً،. آسیب پذیري آرماتور و بتن نیز افزایش می یابد. بنابراین، پدیده خوردگی که باعث تخریب بتن می گردد به طور همزمان نیز باعث انبساط آرماتور هم نیز می گردد. برحسب مطالعات بیبلیوگرافی، واضح است که بحث عمده اي مبنی بر اثرات مواد افزودنی در مقوله کربناتاسیون بتن ها وجود دارد. به طور کلی افزودنی هاي پوزولانی همچون سرباره و خاکستربادي عمق کربناتاسیون را افزایش می دهند. افزایش مقدار پوزولان همواره باعث افزایش مقدار عمق کربناتاسیون گردیده است. اخراًی در مطالعاتی که توسط Hyvert و همکاران صورت گرفته است، عمق کربناتاسیون به عنوان تابعی از جذر مقدار دي اکسیدکربن براي مقدار بین %30-0 تا %50 افزایش می یابد Castellote .[7] وهمکاران همچنین گزارش دادند که درجه کربناتاسیون C-S-H با افزایش مقدار دي اکسید کربن از %3 افزایش می یابد .[8] با در نظر گرفتن مقدار دي اکسید کربن، دو نوع مختلف از کربناتاسیون C-S-H وجود دارد:
- اگر مقدار CO2 بین %0.03 تا %3 باشد، ژل C-S-H در ماتریس سیمانی باقی خواهد ماند.
- اگر مقدار CO2 از %3 - بین %10 تا - %100 بیشتر باشد، ژل C-S-H به صورت کامل از بین خواهد رفت.
