بخشی از مقاله

خلاصه

از آنجایی که سنگدانهها بین 60 تا 75 درصد از حجم بتن را تشکیل میدهند، تاثیر زیادي بر خواص فیزیکی و دوام بتن دارند. یکی از مشکلاتی که ممکن است سنگدانهها ایجاد کنند، واکنشزایی قلیایی سیلیسی - یا سرطان بتن - است. این واکنش در طول زمان - وابسته به دما و رطوبت نسبی محیط - بین سیلیس سنگدانهها و قلیاییهاي سیمان موجود در آب حفرهاي بتن به وجود میآید. به دلیل امکان استفاده از این سنگدانهها در ساخت و سازهاي مختلف به ویژه سازههاي هیدرولیکی و اهمیت زیاد عدم بروز واکنش قلیایی- سیلیسی بین سنگدانه و سیمان، ارزیابی دقیق سنگدانهها از نظر واکنشزایی با قلیاییها از اهمیت قابل توجهی برخوردار است.

در این پژوهش واکنشزایی قلیایی- سیلیسی سنگدانههاي تعدادي از کارگاههاي تولید شن و ماسه استان تهران با استفاده از آزمونهاي سنگشناسی، منشور ملات تسریع شده مطابق با ASTM C1260 و منشور بتنی مطابق با ASTM C1293 بررسی شد. در مقاله حاضر نتایج این پژوهش ارائه میشود. نتایج به دست آمده نشان داد در برخی معادن، سنگدانهها داراي پتانسیل واکنشزایی قلیایی سیلیسی است.

1.    مقدمه

یکی از موضوعات مهم در بسیاري از کشورها بررسی و ارزیابی اثرات خرابی ناشی از انجام و وقوع واکنشهاي قلیایی و انبساط ناشی از آن در سازههاي بتنی است. امروزه با توجه به رشد و پیشرفت دانش بشري در همه زمینهها این انتظار میرود تا مهندسان ساخت با استفاده از روشهاي مناسب اقدام به شناسایی عوامل ایجاد کننده واکنشهاي قلیایی سیلیسی - ٣ - ASR نمایند، فعالیت سنگدانهها را قبل از استفاده در سازهها تعیین کنند و مانع از خطر بروز واکنشزایی و انبساط و ترك در بتن شوند. دوام بتن میتواند تحت تأثیر سنگدانههایی قرار گیرد که در ترکیب آن استفاده میشوند.

سنگدانه براي مصرف در بتنی که در معرض رطوبت، شرایط مکرر جوي تر و خشک شدگی یا در تماس با زمین مرطوب قرار خواهد گرفت، نباید حاوي موادي باشد که با قلیاییهاي سیمان، واکنش زیانآور ایجاد نماید و نهایتاً باعث انبساط شدید ملات یا بتن گردد. اگر چنین موادي در مقادیر زیان آور وجود داشته باشند، مصرف سنگدانه تنها به شرطی مجاز است که نشان داده شود با استفاده از سیمان حاوي قلیاییهاي کم یا با افزودن یک ماده خاص، از انبساط مضر حاصل از واکنش قلیایی سنگدانه جلوگیري میشود. به علاوه براي سنگدانههاي فعال، واکنشزایی و انبساط حاصل از آن، به عوامل مختلفی همچون یونهاي موجود در آب حفرهاي بتن، نوع سیمان و پوزولان مصرفی، شرایط محیطی ساخت، منابع و محل تجمع یونها به همراه رطوبت و دماي محیط وابسته است

در تقسیم بندي واکنشهاي سنگدانه با سیمان، دو نوع واکنش قلیایی در سنگدانهها شناخته شده است:

الف - واکنش قلیایی سیلیسی که در سنگها و کانیهاي سیلیسی معین و شیشههاي مصنوعی انجام میشود.

ب - واکنش قلیایی کربناتی که در سنگهاي آهکی دولومیتی، انجام میگیرد.

سنگهاي کربناتی که چنین واکنشی ایجاد میکنند، داراي بخش کربناتی شامل مقدار زیادي هم دلومیت و هم کلسیت است و مواد باقیمانده نامحلول در اسید داراي مقدار زیادي رس است.

هدف از این پژوهش، بررسی واکنشزایی قلیایی سیلیسی سنگدانههاي چند معدن مختلف در اطراف شهر تهران به کمک روشهاي آزمایشگاهی است. در ادامه مشاهده خواهد شد که با توجه به این که تعدادي از این مصالح واکنش زا میباشند راهکارهایی نظري جهت کنترل واکنشزایی و ترك خوردگی بتن ارائه خواهد شد که طبیعتاً باید پس از آزمایش صحت آنها مورد تایید قرارگیرد تا در عمل استفاده شود.

2.    سازوکار واکنش قلیایی سیلیسی سنگدانه

واکنش قلیایی سیلیسی بین سیلیس بیشکل فعال در سنگدانهها و قلیاییهاي سیمان که به صورت محلول در آب حفرهاي خمیر سیمان وجود دارد، رخ میدهد. در اثر این واکنش، ژل سیلیسی تشکیل و با جذب رطوبت، منبسط میشود. هنگامی که تنش داخلی ایجاد شده به بیش از مقاومت کششی بتن برسد، تركخوردگی ایجاد میشود. این تركها خود میتوانند محل نفوذ عوامل مخرب دیگر به داخل بتن شوند و خسارت تشدید گردد.
عواملی که باعث بروز پدیده واکنش قلیایی سیلیسی میشوند عبارتند از:

سیلیس فعال در سنگدانه: به طور کلی دو گروه کلی از کانیهاي سیلیسی وجود دارند که با قلیاییها واکنش شدیدي انجام میدهند :

- 1سیلیسهاي ناپایدار - شامل اپال، کالسدونی، تریدیمیت و کریستوبالیت - که شامل تعدادي از شکلهاي کوارتز نامنظم هستند و - 2آلومینو سیلیکاتهاي شیشهاي

سیلیس مادهاي است که در شرایط اسیدي و قلیایی شدید تجزیه و حل میشود. مطالعات مختلف نشان میدهد که در شرایط مساعد سیلیسهاي بیشکل درpHهاي بالا خیلی راحتتر از کوارتزهاي بلورین حل میشوند.[6] فراوانترین نوع سنگدانه خطرناك مورد استفاده آنهایی هستند که حاوي سیلیس غیربلورین یا به طور ضعیف یا ناقص متبلور شده میباشند. اولین قدم در شناسایی واکنشزایی سنگدانه انجام بررسی سنگشناسی است. به دلیل تفاوت تاریخچه زمینشناسی هر منطقه با منطقه دیگر این امکان وجود دارد که یک نوع سنگ در یک ناحیه واکنشزا و همان سنگ در ناحیه دیگري غیرواکنش زا تشخیص داده شود. بنابراین طبقهبندي سنگها به لحاظ واکنشزایی باید از الگوي محلی ویژه همان ناحیه یا بخش پیروي کند.

بر اساس طبقهبندي [7] RILEM AAR-1 سنگدانه به سه دسته زیر تقسیم میشوند:

- 1 سنگدانههایی که احتمال واکنشزایی کمی دارند - 2 سنگدانههایی که از نظر واکنشزایی مشکوك هستند و - 3 سنگدانههایی که احتمال واکنشزایی زیادي دارند. همچنین باید خاطر نشان کرد که علاوه بر خاصیت کانی شناسی سنگدانه، میزان تخلخل و نفوذپذیري سنگدانه نقش به سزایی در واکنشپذیري آنها ایفا خواهند کرد 5]، . [8

وجود قلیاییها به میزان کافی در آب حفرهاي بتن: مهمترین منبع داخلی قلیایی بتن، سیمان است. در حالی که اجزاي دیگري همچون سنگدانه، مواد سیمانی و افزودنیهاي معدنی و شیمیایی نیز ممکن است موجب افزایش قلیایی بتن شوند. اگرچه پوزولانها در ساختار خود داراي مقداري قلیایی هستند و این مسئله به لحاظ واکنشهاي قلیایی سیلیسی نکتهاي منفی است، با این حال مطالعات اخیر نشان داده است که نهایتاً آنچه که موجب خواهد

شد تا استفاده از پوزولانها باعث کاهش انبساط ناشی از واکنشهاي قلیایی سیلیسی شود مربوط به کاهش مقدار قلیایی موجود در آب حفره اي بتن است.[4] به منظور بررسی قلیاییها در آب حفرهاي بتن بر اساس استاندارد باید از قلیایی معادل - Na2Oeq = Na2O + 0.658 K2O - بر حسب درصد وزنی استفاده نمود. به طور کلی میزان واکنشزایی یک سنگدانه تابعی از مقدار قلیاییها در آب حفرهاي بتن است و از طرف دیگر مقدار قلیایی آب حفرهاي بتن تحت تاثیر نوع و مقدار مواد سیمانی مختلف قرار دارد. همواره براي یک سنگدانه مشخص حداکثري براي مقدار معادل قلیایی تعریف میشود که براي مقادیر کمتر از آن، سنگدانه واکنش نشان نخواهد داد. بنابراین با کاهش میزان pH آب حفرهاي بتن میتوان از رخداد واکنش سیلیسی قلیایی جلوگیري به عمل آورد .[12-9] مطابق ادبیات فنی حاضر محققین مختلفی این غلظت را 200 تا 300 میلی مول بر لیتر یا مقدار pH نزدیک به 13/3 تا 13/5گزارش کرده اند

رطوبت: عموماً براي رخداد واکنش قلیایی سیلیسی، یک منبع رطوبت مورد نیاز می باشد. این منبع رطوبت سبب شکلگیري ژل به همراه خسارت هاي ناشی از آن در طول تورم میشود. مشاهده شده است که در محیطی با رطوبت کمتر از %80، مشروط بر این که تنها منبع رطوبت، هوا باشد بهطور کلی یا آسیبی اتفاق نخواهد افتاد و یا پیشرفت واکنش متوقف خواهد شد.[17] بسیاري از صاحبنظران معتقدند چرخههاي تر و خشک شدن متوالی میتوانند موجب سرعت بخشیدن به واکنش قلیایی باشند.

3.    آزمایشهاي مورد استفاده به منظور ارزیابی واکنش قلیایی سیلیسی

به طور کلی آزمایشهاي ارزیابی واکنش قلیایی-سیلیسی سنگدانهها به دو دسته روشهاي مستقیم ارزیابی سنگدانه و روشهاي غیرمستقیم تقسیم بندي میشوند. روش مستقیم ارزیابی عبارت است از:
 

-    آزمایش سنگشناسی - [18] - ASTM C295 و آزمایشهاي غیرمستقیم عبارتند از:

-    واکنشزایی قلیایی بالقوه ترکیبهاي سیمان – سنگدانه - روش منشور ملات- [19] - ASTM C227

-    آزمایش کوتاه مدت روي منشور ملات در سود 1 نرمال [20] - ASTM C1260 -

-    آزمایش درازمدت بتن ساخته شده از سنگدانههاي مورد نظر در بخار آب و سود نرمال - [ 21] - ASTM C1293

باید خاطر نشان کرد که استاندارد [19] ASTM C227 تقریباً به دلیل ضعف آن در پوشش نقش سنگدانههایی که واکنشزایی کندي دارند قابل استفاده نیست. زیرا اندازه کوچک نمونه و شرایط آزمایش به گونهاي است که موجب افزایش استخراج قلیاییها از منشور ملات خواهد ش

بر اساس مطالعات مختلف انجام شده در مورد روشهاي مختلف اندازهگیري پتانسیل واکنش قلیایی سیلیسی [23] آزمایشی که امروزه بیشتر براي ارزیابی تاثیر مواد سیمانی بر کنترل واکنشهاي قلیایی سیلیسی توصیه و استفاده میشود نمونههاي منشور بتنی طبق استاندارد ASTM C1293 و یا آزمایش تسریع شده ملات طبق ASTM C1260 است. به همین منظور در مطالعه حاضر به منظور بررسی واکنشزایی معادن مختلف سنگدانه در اطراف شهر تهران در مقابل واکنش قلیایی سیلیسی، از آزمایش تسریع شده ملات مطابق استاندارد ASTM C1260 و آزمایش بلندمدت نمونههاي منشور بتنی طبق استاندارد ASTM C1293 استفاده گردید.

4.    برنامه آزمایشگاهی

4.1.    مواد مورد استفاده در آزمایش اندازه گیري پتانسیل واکنش قلیایی سیلیسی مطابق استاندارد ASTM C1260

سنگدانه مصرفی: به منظور بررسی واکنشزایی قلیایی سنگدانههاي اطراف شهر تهران از سنگدانههاي ریز و سنگدانههاي درشت چندین معدن مختلف با موقعیتهاي جغرافیایی مختلف استفاده شد. نمونه برداري از سنگدانههاي ریز و درشت در محل کارگاه از زیر نوار نقاله صورت پذیرفت و سپس در آزمایشگاه مقدار نمونه صحرایی براي رسیدن به مقدار لازم نمونههاي آزمایشگاهی مطابق با [24] ASTM C702 کاهش یافت. آنگاه به منظور ساخت منشورهاي ملات سنگدانه ریز مطابق استاندارد ASTM C1260، دانه بندي گردیدند.

سیمان: به منظور اندازهگیري پتانسیل واکنش قلیایی سیلیسی مطابق استاندارد ASTM C1260 باید از سیمانی استفاده گردد که بعدا در پروژههاي ساخت مورد استفاده قرار خواهد گرفت. به همین منظور در مطالعه حاضر از سیمان تیپ2 تهران استفاده گردید که در جدول 1 آنالیز شیمیایی آن گزارش شده است. در ضمن مقدار درصد انبساط اتوکلاو براي هر دو نمونه سیمان پس از محاسبه کمتر از0/2 درصد گزارش گردید. همچنین طبق جدول 1 مشاهده میشود که معادل قلیایی سیمان تیپ II تهران کمتر از 0/6 درصد محاسبه شده است که در گروه سیمانهاي کم قلیا قرار دارد.

جدول :1آنالیز شیمیایی سیمانهاي مورد استفاده        

آب مصرفی: از آب شرب براي ساخت آزمونههاي منشوري ملات استفاده شد.

روش استاندارد : ASTM C1260 در این روش، سنگدانه ریز و یا درشتی که قرار است ارزیابی گردد، در صورت نیاز خرد و در اندازههاي 0/15 میلیمتر تا 4/75 میلیمتر دانه بندي شده و به نسبت مشخصی طبق استاندارد با هم ترکیب میگردد. این سنگدانه را به نسبت 2/75 به 1 با سیمانی که مطابق الزامات استاندارد [25] ASTM C150 است و همچنین حداکثر انبساط آن در آزمایش اتوکلاو مطابق استاندارد [26] ASTM C151، 0/2 درصد است ترکیب میکنند و با نسبت آب به سیمان 0/475، ملات نسبتاً روانی را میسازند.

این ملات در منشورهایی به ابعاد 25×25×285 میلیمتر که در دو سر آنها یک پین به منظور اندازهگیري دقیق طول منشور قرار داده شده است ریخته میشود - شکل . - 2 منشورهاي ساخته شده بعد از یک روز از قالب خارج شده و در حمام آبی که دماي آن به طور تدریجی به 80 °C رسانده میشود، قرار میگیرد. بعد از 24 ساعت قرارگیري منشورها در حمام آب، طول آنها به عنوان طول اولیه خوانده میشود. منشورها در محلول سود - NaOH - یک نرمال قرار میگیرند. طول این منشورها در بازه هاي 3، 7، 10، 14 و 28 روز خوانده میشود

در متن اصلی مقاله به هم ریختگی وجود ندارد. برای مطالعه بیشتر مقاله آن را خریداری کنید