مروری بر مطالب

ارتباط بین ساختار و خواص مواد از مطالب علم جدید مواد است. بتن ساختاری غیر همگن و پیچیده ای دارد. لذا بسیار مشکل است که الگوهای ساختاری مشخصی را برای بتن در نظر گرفته و با توجه به آن رفتار مصالح را پیش بینی کرد. بهر حال دانستن ساختار و خواص اجزای تشکیل دهنده بتن و ارتباط بین آنها برای کنترل خواص ان ها کاملا مفید خواهد بود.

در این مطلب (دسته بندی ساختار بتن) سه جز ساختار بتن یعنی ?? سیمان هیدراته شده، سنگدانه و ناحیه بین خمیر و سنگدانه توضیح داده می شوند.

در این مطلب همچنین در مورد ارتباط بین خواص و ساختار از نقطه نظر انتخاب مشخصات بتن نظیر مقاومت، پایداری ابعادی و دوام بحث می شود.

تعاریف

ساختار به نوع، مقدار، اندازه، شکل و پخش موجود در یک جامد گفته می شود.

اجزای درشت در ساختار یک ماده معمولاً قابل رویت می باشند در حالیکه اجزای ریز را باید با کمک میکروسکوپ مشاهده نموده عبارت کلان ساختار عموماً به اجزای بزرگتری که با چشم معمولی قابل رویت هستند اطلاق می شود. محدوده دید انسان با چشم غیر مسلح در حدود ۱۵ میلیمتر ۲۰۰ میکرون می‌باشد. عبارت ریزساختار برای رویت قسمت های بزرگ شده ماده با میکروسکوپ به کار میرود. قابلیت بزرگنمایی میکروسکوپ های نوری تا ۱۰۰۰۰۰ برابر می‌رسد در حالی که با کاربرد میکروسکوپ های الکترونی امکان مطالعه ساختار تا چند میکرون نیز فراهم شده است.

اهمیت

پیشرفت در علم مواد ابتدا بر این اصل استوار شده است که خواص مواد ناشی از ساختار داخلی آنها است. به عبارت دیگر خواص مواد با ایجاد تغییرات مناسب در ساختار آنها قابل اصلاح می باشد بتن اگرچه پرمصرف‌ترین مصالح ساختمانی است لیکن ساختاری غیر همگن و پیچیده دارد. ارتباط بین خواص و ساختار بتن هنوز به درستی روشن نیست. به هرحال دانستن پاره ای از اجزای ساختاری بتن قبل از بحث بر روی عوامل موثر در خواص مهندسی مهم بتن مسیر مقاومت کشسانی (الاستیسیته) انقباض خزش و ترک و دوام امری لازم و با اهمیت است.

پیچیدگی های ساختار بتن

بررسی نقش یک بتن سخت شده دو فاز به آسانی قابل تشخیص است. فاز سنگدانه ها با اندازه و شکل های متفاوت ، و پاسخ می رسد شده که حاصل هیدراتاسیون آبگیری سیمان می باشد. بنابراین در مقیاس کلان ساختار بهتون شامل دو فاز سنگدانه های پخش شده در خمیر سیمان می‌باشد.

در مقیاس ریزساختار پیچیدگی ذرات و ترکیبات رخ می‌نماید. از بررسی ریزساختار مشخص می‌گردد که دو فاز سنگدانه و خمیر نه خودشان هم که می باشند و نه به صورت همگن نیز پخش شده‌اند. در پاره ای از قسمتها خمیر ثبت شده و متراکم تر از سنگدانه ها است در حالی که در بخشی دیگر بسیار متخلخل است. همچنین اگر تعدادی نمونه بتن با مقدار مساوی سیمان ولی با میزان آب متفاوت با هم مقایسه گردد در زمان های مختلف مشاهده می‌شود که حجم حفرات معین در خمیر هیدراته شده با کاهش نسبت آب به سیمان و افزایش سن نمونه نیز کاهش می یابد. در یک خمیر کاملاً هیدراته شده میتوان برای مدل کردن رفتار مصالح از ناهمگن بودن بخش جامد و حفرات در داخل خمیر صرفنظر نمود.

به هر حال مطالعات ریزساختار نشان می‌دهد که چنین فرضی در خصوص خمیر سخت شده در بتن صادق نیست. با وجود سنگدانه در بتن ساختار خمیر سخت شده مجاور سنگ دانه های درشت معمولا بسیار متفاوت از ساختار خمیر به تنهایی و یا در ملات خواهد بود. در حقیقت بسیاری از رفتارهای بتن تحت تنش با در نظر گرفتن فاز سوم که همان فصل مشترک دانه ها و خمیر است مشخص می‌گردد. در نتیجه سیمای منحصر به فرد بتن به صورت زیر قابل بیان خواهد بود.

 

مقطع صیقل داده شده یک نمونه بتن
مقطع صیقل داده شده یک نمونه بتن

 

 

ابتدا فاز سوم یا ناحیه انتقال را می‌توان نام برد که نشان‌دهنده ناحیه فصل مشترک سنگ دانه های درشت و خمیر سخت شده است. ناحیه انتقال به صورت یک پوسته نازک با ضخامت حدود ۱۰ تا ۵۰ میکرون به دور دانه های درشت قرار گرفته و عموما ضعیف تر از دو بخش دیگر بتن بوده و در نتیجه تاثیر بیشتر و مهمتری بر روی خواص مکانیکی بتن با وجود اندازه اش خواهد داشت. ثانیاً هر یک از سه فاز خود طبیعتی چند فازه دارند.

به عنوان مثال هر دانه سنگ ممکن است دارای کانی های متعدد بوده و شامل ترکهای ریز و حفرات نیز باشد. به طور مشابه ، هم خمیر سخت شده و هم ناحیه انتقال فصل مشترک عموما دارای پخش غیر همگنی از انواع و مقادیر مختلف ذرات جامد حفره ها و ترک های ریز میباشند که بعدا توضیح داده می شود. ثالثا بر خلاف سایر مصالح مهندسی ساختار بتن ثابت نمی ماند یعنی جز خواص ذاتی مصالح نیست. این به دلیل این است که دو جزء دیگر ساختار یعنی خمیر سخت شده و ناحیه انتقال با گذشت زمان و تغییرات رطوبت و دمای محیط تغییر می کنند.

به علت طبیعت غیر همگن و دینامیک ساختار بتن؛  مدل‌هایی که روابط تئوریکی ساختار خاص را در رفتار مصالح مهندسی بیان می‌کنند و اغلب مفید هستند در مورد بتن چندان قابل استفاده نیستند. به هر حال داشتن دانش وسیع در زمینه صور مهم ساختار اجزای تشکیل دهنده بتن برای درک و کنترل خواص مواد مرکب امری اساسی است.

 

ریز ساختار خمیر سیمان هیدراته شده
ریز ساختار خمیر سیمان هیدراته شده

 

ساختار فاز سنگدانه در بتن

ترکیب و خواص سنگدانه های مختلف بتن  در پست های بعدی رامکا کاملا توضیح داده شده است. در اینجا توضیح مختصری در خصوص عناصر مهم در ساختار سنگدانه ها که تاثیر عمده‌ای بر خواص بتن می‌گذارند آورده شده است.

در مورد سنگدانه تعیین کننده وزن واحد حجم مدول الاستیسیته و پایداری ابعادی بتن میباشد. این خواص بتن تا حدود زیادی بستگی به وزن مخصوص ظاهری و مقاومت سنگدانه ها دارد که آن هم به نوبه خود به خواص فیزیکی سنگدانه بیشتر از خواص شیمیایی آن وابسته است. به عبارت دیگر ترکیبات شیمیایی و کانی های فاز جامد سنگدانه ها نسبت به مشخصات فیزیکی آنها نظیر حجم اندازه و پخش حفرات در بتن از اهمیت کمتری برخوردارند.

علاوه بر تخلخل شکل و بافت سنگ دانه های درشت نیز در خواص بتن تأثیر دارند. در شکل ۲-۳ دانه های متداول سنگدانه ها نشان داده شده است. به طور عموم شن های طبیعی دارای شکلی گرد گوشه و بافت سطحی صاف می‌باشند. در مقابل سنگ شکسته دارای سطح زبر و خشن بوده و بسته به نوع سنگ معدن و انتخاب نوع سنگ شکن سنگ دانه های شکسته شده ممکن است دارای مقادیر قابل ملاحظه ای ذرات مسطح یا دراز باشد که تاثیر نامناسبی بر روی بتن دارند.

سنگدانه های سبک سنگ های متخلخل اغلب حفره‌ای و زاویه دار و دارای بافت سطحی خشن می باشند. لیکن انواع سنگ های شیل یا رس منبسط شده به دست آمده باشند اغلب دارای سطحی صاف و گرد گوشه هستند.سنگدانه با برخورداری از مقاومت بالا در مقابل دو فاز دیگر بتن اثر مستقیمی بر روی مقاومت بتن نخواهد داشت مگر پاره ای از سنگدانه های ضعیف و متخصص نزدیک میزها که می‌توانند در مقاومت موثر باشد. اندازه و شکل سنگ دانه های درشت به هرحال به طور غیر مستقیم در مقاومت بتن موثر هستند.

از شکل ۲-۴ می توان دریافت که وجود سنگدانه های با ابعاد بزرگتر و همچنین نسبت زیادی سنگدانه های مسلح و طبیعی در بتن باعث به وجود آوردن لایه نازک آب در فصل مشترک خمیر و سنگدانه شده است و این لایه در ضعیف نمودن پیوستگی خمیر و سنگدانه در ناحیه انتقال بسیار موثر است. این پدیده تحت عنوان آب انداختگی داخلی در مطالب بعدی رامکا مفصلا توضیح داده خواهد شد.

 

شکل و بافت سطحی سنگدانه های درشت
شکل و بافت سطحی سنگدانه های درشت

 

آب انداختگی بتن - شکست برشی بتن تحت بار محوری
آب انداختگی بتن – شکست برشی بتن تحت بار محوری

 

ساختار خمیر سیمان هیدراته شده در بتن

همانطور که قبلاً گفته شد سیمان هیدراته شده در این بخش عموماً به خمیر ساخته شده از سیمان پرتلند اشاره دارد. اگر چه ترکیبات و خواص سیمان پرتلند به طور مشروح خواهد آمد، لیکن قبل از اینکه وارد فعل و انفعالات شیمیایی و ترکیبات حاصل از هیدراتاسیون سیمان و آب بشویم، خلاصه‌ای از ترکیبات سیمان در این قسمت آورده می‌شود.
سیمان پرتلند غیر هیدراته پودر خاکستری رنگی است که از ذرات زاویه دار و در اندازه‌های بین ۱ تا۵۰ میکرون تشکیل شده است.

سیمان از آسیاب نمودن کلینکر با مقدار کمی سولفات کلسیم به دست می‌آید، کلینکر مخلوط غیر همگنی از چندین کانی است که در دمای بالا بر اثر فعل و انفعالات اکسید کلسیم و اکسیدهای سیلیسیم، آلومینیوم و آهن تولید می‌گردد، ترکیبات اصلی کلینکر سیمان شامل C4A4, C3A , C2S , C3S  می‌باشد که در سیمان پرتلند معمولی مقادیر این ترکیبات به ترتیب بین ۴۵ تا ۶۰ ، ۱۵ تا ۳۰، ۶ تا ۱۲ و ۶ تا ۸ درصد تغییر می‌کند (برای اختصار در فرمول‌های شیمیایی، از نمادهای H=H2O , S=SO3 , F=Fe2O3 , A=Al2O3 , S=SiO2 , C=CaO استفاده می‌کنیم).

هنگامی که پودر سیمان در آب ریخته می‌شود، سولفات کلسیم و ترکیبات دمای بالای کلسیم تمایل به حل شدن پیدا کرده و مایع جدید، سریعاً از ذرات یونی مختلف اشباع می‌شود، در نتیجه تشکیل ترکیبات حاصل از کلسیم، سولفات، آلومینات و یون‌های هیدروکسیل، چند دقیقه پس از هیدراتاسیون سیمان، ابتدا بلورهای سوزنی شکل سولفوآلومینات کلسیم هیدراته شده موسوم به اترینگایت ظاهر می‌گردند، پس از چند ساعت بلورهای بزرگ منشوری شکل هیدروکسید کلسیم و بلورهای کوچک الیافی شکل سیلیکات کلسیم هیدراته شده فضاهای خالی خمیر را که قبلاً توسط آب و ذرات سیمان اشتغال شده بود پر می‌کنند.

بعد از چند روز بسته به میزان نسبت اکسید آلومینیوم به سولفات سیمان پرتلند، اترینگایت ناپایدار شده و به مونوسولفات هیدراته شده، به شکل صفحات شش وجهی، در می‌آید.

صفحات شش وجهی شکل همچنین متعلق به هیدروکسید کلسیم هیدراته شده می‌باشد که در خمیر هیدراته شده کم سولفات یا در سیمان‌های با C3A زیاد تشکیل می‌شود. یک تصویر میکروسکوپ الکترونی از مورفولوژی متداول فازهای حاصل از اختلاط آلومینات کلسیم محلول و سولفات کلسیم محلول، در تصویر ۵ نشان داده شده است. تصویرزیرنیز الگویی از فازهای اصلی موجود در ریز ساختار خمیر سیمان کاملاً هیدراته شده را نشان می‌دهد.

 

تصویر میکروسکوپی الکترونیکی بلورهای شش وجهی مونوسولفات هیدراته شده و سوزنی شکل اترینگایت، حاصل از اختلاط محلول‌های سولفات کلسیم و آلومینات کلسیم
تصویر میکروسکوپی الکترونیکی بلورهای شش وجهی مونوسولفات هیدراته شده و سوزنی شکل اترینگایت، حاصل از اختلاط محلول‌های سولفات کلسیم و آلومینات کلسیم

 

مدل خمیر سیمان کاملاً هیدراته شده
مدل خمیر سیمان کاملاً هیدراته شده

مدل خمیر سیمان کاملاً هیدراته شده، در شکل بالا ، A مجموعه بلورهای ضعیف ذرات C-S-H، H بلورهای شش وجهی ترکیباتی نظیر CH و C4AH , C3A SH18  و بالاخره C نشان دهنده فضاهای مویینه خالی در خمیر سیمان است.

با توجه به مدل خمیر سیمان هیدراته شده نشان داده شده در شکل ۶ دیده می‌شود که فازهای مختلف به وجود آمده، از نظر اندازه و شکل همگن نمی‌‌باشند و همچنین پخش آن‌ها در خمیر همگن نیست. در خمیر سخت شده این ناهمگن بودن تأثیرات قابل ملاحظه‌ای بر روی مقاومت و خواص وابسته مکانیکی خمیر می‌گذارد زیرا چنین خواصی اغلب وابسته به تمامی بخش های ماده و نه به متوسط خواص آن هستند. بنابراین گرچه ریز ساختار خمیر سیمان نتیجه واکنش های شیمیایی سیمان در آب می‌باشد لیکن باید به خواص ژئولوژی خمیر سیمان تازه مخلوط شده که در زیر ساختار آن موثر خواهد بود نیز، توجه داشت.

بیشتر بخوانید  6 عامل موثر بر مقاومت بتن

به عنوان مثال همانطور که بعداً و از جمله در شکل ۸ بحث و نشان داده خواهد شد، ذرات هیدراته نشده سیمان تمایل به جذب یکدیگر و تشکیل کلوخه داشته که این امر باعث به دام انداختن مقادیر زیادی از آب اختلاط می‌گردد. واضح است که تغییرات موضعی نسبت آب به سیمان منبع اولیه ایجاد ناهمگنی در حفرات خمیر می‌باشد، در خمیرهای دارای مقادیر کلوخه زیاد نه تنها اندازه و شکل حفرات بلکه محصولات کریستالی ناشی از واکنش¬های هیدراتاسیون نیز نسبت به حالتی که سیمان کاملاً یکنواخت در محلول پخش شود، با هم متفاوت می‌باشند.

مواد جامد در خمیر هیدراته شده در بتن

انواع، مقادیر و مشخصات ۴ فاز اصلی جامد خمیر سیمان هیدراته شده در زیر آورده شده است.

 سیلیکات کلسیم هیدراته

فاز سیلیکات کلسیم هیدراته، که مختصرا با C-S-Hنشان داده می شود، حدود ۵۰ تا ۶۰ درصد حجم مواد جامد خمیر سیمان کاملا هیدراته شده را تشکیل داده و بنابراین مهمترین بخش مواد جامد خمیر در تعیین خواص آن می باشد. علت نشان دادن این ترکیب بشکل  C-S-Hاین است که نسبت ترکیبات آن کاملا مشخص نشده و در آن نسبت  C/S5/1 تا ۲ و نیز آب شیمیایی آن بسیارمتغیر است.

شکل ذرات  C – S – H نیز از کریستهای ضعیف الیافی شکل تا شبکه های منسجم تغییر میکند. به علت شکل کلوییدی و تمایل به خوشه ای شدن آن، بلورهای C-S-H تنها با دستگاه میکروسکوپ الکترونی قابل شناسایی دقیق است. ساختار بلورین داخلی C-S-H نیز هنوز معلوم نشده است. قبلا تصور می شد که بلورهای آن شبیه ماده معدنی طبیعی  توبرمورایت است و از این رو، گاه به C-S-H ژل توبرمورایتی نیز گفته می شد.

 اگرچه ساختمان دقیق C-S-H هنوز کاملا شناخته نشده است، معهذا مدلهای زیادی برای بیان خواص مواد آن پیشنهاد شده است. بر اساس مدل پیشنهادی پاورز – بروناور (Powers-Brunauer)(2) این مواد ساختاری لایه ای با سطح زیاد دارند. با استفاده از دستگاههای مختلف اندازه گیری،مساحت C – S – H در حدود ۱۰۰ تا ۷۰۰ متر مربع بر گرم پیشنهاد شده است. مقاومت ماده اساسا به نیروهای واندروالس، اندازه حفرات ژلی یا فاصله بین قسمت جامد که حدود ۱۸ آنگستروم است، نسبت داده میشود. در مدل فلدمن – سردا ( Sereda-Feldman)(4) ساختار C – S – H به صورت یک سری لایه های غیر منظم که به صورت تصادفی برای ایجاد فضاهای بین لایه ای با اندازه ها و شکل های گوناگون که به ابعاد در حدود ۵ تا ۲۵ آنگستروم در کنار هم قرار گرفته اند، نمایش داده می شود.

هیدروکسید کلسیم

بلورهای هیدروکسیدکلسیم یا پرتلندایت حدود ۲۰ تا ۲۵ درصد حجم قسمت جامد خمیر هیدراته شده را تشکیل می دهند. برخلاف C-S-H، هیدروکسید کلسیم ترکیبی با فرمول مشخص ۲( Ca ( OH میباشد. این ترکیب معمولا از بلورهای بزرگ مجزا با فرم منشوری شش وجهی تشکیل می شود. البته فرم تشکیل شده که اغلب به صورت صفحه ای است بر اساس فضای موجود در خمیر،حرارت هیدراتاسیون و ناخالصی موجود در خمیر تغییر می کند.

در مقایسه با C-S-H نقش هیدروکسید کلسیم در مقاومت، به علت نیروهای واندروالسی محدود می باشد(۲) و دلیل این امر نیزمساحت سطح کمتر آن است. همچنین وجود مقدار قابل ملاحظه هیدروکسید کلسیم در خمیر سیمان هیدراته، تاثیر نامطلوبی بر روی دوام شیمیایی در مقابل اسیدها، به علت حلالیت بیشتر هیدروکسید کلسیم نسبت به C-S-H ، خواهد داشت.

سولفو آلومینات کلسیم

ترکیبات سولفور آلومینات کلسیم حدود ۱۵ تا ۲۰ درصد حجم قسمت جامد خمیر هیدراته شده را تشکیل داده و بنابراین نقش کمتری در خواص و ساختار آن دارند. اخیرا عنوان شده است که در مراحل هیدراتاسیون سیمان، نسبت یونی سولفات به اکسید آلومینیم طوریست که به سمت سه سولفات هیدراتC6AS3-H32 یا اترینگایت که بلورهایی سوزنی شکل است، تمایل دارد. در خمیر سیمان پرتلند نهایتا اترینگایت به هیدرات سولفات C6AS3-H32 با بلورهای صفحه ای شش وجهی تبدیل می شود. وجود هیدرات مونوسولفات در بتن با سیمان پرتلند، آن را در مقابل حمله سولفاتها آسیب پذیر می سازد. بایستی توجه داشت که هم اترینگایت و هم سولفات شامل مقادیری اکسید آهن هستند که می تواند با اکسید آلومینیم در ساختار کریستالی تعویض گردد.

دانه های کلینکر هیدراته نشده

بسته به دانه بندی ذرات سیمان هیدراته نشده و درجه هیدراتاسیون سیمان، دانه های کلینکر هیدراته نشده ای را می توان در ساختار خمیر سیمان هیدراته شده حتی مدتها بعد از هیدراتاسیون یافت. همانطور که قبلا گفته شد دانه های کلینکر در سیمانهای جدید ابعادی بین ۱ تا ۵۰ میکرون را دارا هستند.

با پیشرفت و ادامه عمل هیدراتاسیون ابتدا ذرات ریز حل می شوند (از سیستم محو میگردند) و سپس نوبت به ذرات بزرگتر می رسد. به علت فضای موجود محدود بین ذرات، محصولات واکنشها تمایل به کریستاله شدن در مجاورت و نزدیکی دانه های کلینکر داشته و شبیه یک پوشش آنها را در بر میگیرند. در زمان طولانیتر به علت کمی فضای موجود، هیدراتاسیون ذرات کلینکر منجر به تشکیل محصولات هیدراتاسیون متراکمی شده که شکل اصلی ذرات کلینکر هیدراته شده را ایجادمیکنند.

فضاهای خالی در خمیر سیمان هیدراته شده بتن

علاوه بر مواد جامد توضیح داده شده، انواع مختلف فضاهای خالی در خمیر سیمان ایجاد میشود که در خواص آن تأثیر به سزایی دارند. اندازه های متداول قسمتهای جامد و فضاهای خالی خمیر سیمان هیدراته شده در شکل ۷-۲ نشان داده شده است. در مورد انواع این فضاها و مقدار و اهمیت آنها بعدا بحث خواهد شد.

 

محدوده های ابعاد قسمتهای جامد و فضا های خالی در خمیر سیمان هیدراته شده
محدوده های ابعاد قسمتهای جامد و فضا های خالی در خمیر سیمان هیدراته شده

 

فضاهای بین لایه ای در C-S-H

پاورز عرض فضاهای بین لایه ای در C-S-H را حدود ۱۸ آنگستروم بیان کرده و معتقد است که این فضاهای خالی ۲۸ درصد قسمت جامد C-S-H میباشد. به هر حال فلدمن و سردا این فضا را بین ۵ تا ۲۵ آنگستروم پیشنهاد می کنند. با این وجود، این فضاهای متخلخل آن قدر کوچکند که نمی توانند تأثیری در مقاومت و تراوایی خمیر سیمان سخت شده داشته باشند. به هر حال همانطوریکه بعدا خواهد آمد آب درون این فضاهای کوچک می تواند توسط پیوند هیدروژنی نگهداشته شود و خروج آن تحت شرایطی معین می تواند سبب ایجاد جمع شدگی ناشی از خشک شدن و خزش خمیر گردد.

فضاهای مویینه

منافذ مویینه فضاهایی هستند که توسط قسمت جامد خمیر سیمان پر نمی شوند. حجم کل مخلوط آب و سیمان اساسا در طول مراحل هیدراتاسیون تغییر نمی کند. چگالی حجمی متوسط مواد هیدراته شده از چگالی سیمان پرتلند هیدراته نشده بمراتب کمتر است . تخمین زده می شود که هر سانتیمتر مکعب سیمان در هیدراتاسیون کامل، به حدود ۲ سانتیمتر مکعب فضا برای جا دادن محصولات واکنش نیاز دارد. بنابراین در هیدراتاسیون سیمان می توان نتیجه گرفت که فضای اولیه اشغال شده توسط سیمان و آب بتدریج به فضای پر شده از محصولات هیدراتاسیون تبدیل می گردد.

فضایی که توسط سیمان یا محصولات هیدراتاسیون پر نمی شود، فضاهای مویینه بوده و حجم و اندازه این حفرات توسط فاصله اصلی بین ذرات سیمان هیدراته نشده در خمیر سیمان تازه مخلوط شده (یعنی نسبت آب به سیمان) و درجه هیدراتاسیون معین می گردد. روش محاسبه حجم کل فضاهای مویینه یا بعبارتی تخلخل در خمیر سیمان با نسبت آب به سیمانهای مختلف یا درجات متفاوت هیدراتاسیون بعدا خواهد آمد. در یک خمیر سیمان کاملا هیدراته شده با نسبت کم آب به سیمان، فضاهای مویینه ممکن است بین ۱۰ تا ۵۰ نانومتر تغییر کنند. در خمیر با نسبت آب به سیمان بالا در اوایل هیدراتاسیون فضاهای مویینه ممکن است به بزرگی ۳ تا ۵ میکرون باشند.

منحنی های پخش حفرات نمونه های مختلف خمیر سیمان هیدراته شده که از روش نفوذ جیوه به دست آمده اند در شکل ۸-۲ نمایش داده شده است . چنین تصور می شود که منحنی توزیع مویینه فضاهای خالی خمیر به جای تخلخل ومویینگی کل، معیار بهتری برای ارزیابی مشخصات فضاهای مویینه بزرگتر از ۵۰ نانومتر یعنی حفرات بزرگ می باشد. چنین حفراتی در مقاومت و تراوایی تاثیری اساسی دارند در حالی که حفرات کمتر از ۵۰ نانومتر یعنی ریز حفرات خمیر بیشتر در جمع شدنی ناشی از خشک شدن و خزش مؤثرند.

 

منحنی توزیع فضاهای خالی در خمیر سیمان هیدراته شده
منحنی توزیع فضاهای خالی در خمیر سیمان هیدراته شده

 

حبابهای هوا

فضاهای مویینه اغلب بدون شکل خاصی می باشند در حالی که حبابهای هوا در بتن یا خمیر اغلب کروی هستند. به دلایل متعددی که بعدا در فصل هشتم توضیح داده خواهد شد، نوعی از مواد افزودنی به بتن اضافه می شوند که حبابهای کوچک هوا در خمیر سیمان ایجاد کنند.

هوا ممکن است در حین مخلوط کردن در خمیر سیمان محبوس گردد. حبابهای هوای محبوس شده ممکن است به بزرگی ۳ نانومتر باشند. مواد حباب زا اغلب حبابهایی با قطر بین ۵۰ تا ۲۰۰ میکرون در بتن ایجاد می کنند. بنابراین هم حباب های هوای محبوس شده و هم حبابهای ایجاد شده با مواد هوازا در خمیر سیمان همراه شده قطری بزرگتر از فضاهای مویینه دارند و بنابراین قادر به تأثیر در مقاومت و نفوذ پذیری بتن هستند.

آب در خمیر هیدراته شده بتن

در آزمایش با میکروسکوپ الکترونی ، فضا های خالی در خمیر سیمان هیدراته به علت اینکه نمونه تحت خلا خشک می شود خالی از آب است. اما در حقیقت خمیر سیمان بسته محیط و تخلخل خمیر قادر به نگهداشتن مقدار قابل ملاحظه ای آب در خود است. شبیه قسمتهای جامد و فضاهای خالی که قبلا بحث گردید، آب نیز در خمیر سیمان به شکلهای مختلف می تواند وجود داشته باشد.

طبقه بندی آب به انواع مختلف، بر اساس درجه آسانی یا سختی خارج شدن آن از خمیر هیدراته شده می باشد. از آنجا که از دست رفتن آب از خمیر به صورت مداوم، بر اساس کاهش رطوبت نسبی صورت می پذیرد. لذا تفکیک دقیق حالات مختلف آب در خمیر کار مشکلی است.

علی رغم این مسأله، طبقه بندی برای مشخص کردن خواص علاوه بر بخار موجود در فضاهای خالی یا نیم پر شده ، آب در خمیر سیمان هیدراته شده به اشکال زیر وجود دارد.

آب مویینگی

این آب در فضاهای بزرگتر از ۵۰ آنگستروم موجود است. در حقیقت چنین آبی تحت تأثیر نیروهای جاذب سطح جامد قرار ندارد. در واقع از نقطه نظر رفتار مویینگی در خمیر مناسب تر آن است که این آب به دو دسته تقسیم گردد. دسته اول آب در فضاهای بزرگتر از ۵۰ نانومتر ( ۰۵/۰) میکرون که به آن آب آزاد نیز گفته می شود زیرا خارج شدن آن، سبب هیچگونه تغییر حجمی  

نمی شود. دسته دوم آب حفظ شده در فضاهای مویینه کوچک تحت کشش مویینگی (۵ تا ۵۰ نانومتر) که خروج آن سبب جمع شدگی سیستم خمیر

می گردد.

آب جذب شده سطحی

این آب در نزدیکی سطح قسمت جامد قرار دارد. بر اثر نیروهای جذبی، مولکولهای آب به صورت فیزیکی جذب سطح قسمت جامد خمیر هیدراته شده می گردند. نظر بر آن است که تا شش لایه مولکولی آب (۱۵ آنگستروم) می تواند به طور فیزیکی بر اثر پیوند هیدروژنی نگهداری شود. چون انرژی پیوند مولکولهای جداگانه آب با فاصله آنها از سطح جامد کاهش می یابد، قسمت عمده ای از آب جذب شده بر اثر خشک شدن خمیر تا رسیدن به ۳۰ درصد رطوبت نسبی از دست می رود. نقصان آب جذب شده سطحی، عامل اصلی جمع شدگی و انقباض خمیر بر اثر خشک شدن است.

آب بین لایه ای

این آب در ساختار C-S-H  وجود دارد. نظر بر آن است که لایه آب با آرایش تک مولکولی بین لایه های  C-S-H توسط پیوند هیدروژنی قویا نگهداشته می شود. آب بین لایه ای تنها در خشک شدن شدید (در رطوبت نسبی کمتر از ۱۱ درصد) نقصان می یابد. ساختار C-S-H بر اثر نقصان آب بین لایه ای به میزان قابل ملاحظه ای دچار جمع شدگی و انقباض می گردد.

بیشتر بخوانید  مقاومت بتن : از سیر تا پیاز انواع مقاومت بتن و عوامل موثر بر آن ها

آب ترکیب شیمیایی

چنین آبی در حقیقت در ساختار خمیر سیمان هیدراته شده به صورت آب شیمیایی موجود است. این آب بر اثر خشک شدن خمیر کاهش نمی یابد، تنها هنگامی که بر اثر حرارت، خمیر تجزیه می شود این آب آزاد می گردد. بر طبق مدل پیشنهادی فلدمن – سردا انواع مختلف آبها در ساختار C-S-H  در شکل ۲-۹ نشان داده شده است.

 

انواع آبهای موجود در ساختار سیلیکات کلسیم هیدراته شده
انواع آبهای موجود در ساختار سیلیکات کلسیم هیدراته شده

 

ارتباط ساختار در خمیر سیمان هیدراته شده در بتن

 خواص مهندسی مهم بتن سخت شده یعنی مقاومت، پایداری ابعادی و دوام، نه تنها از نظر کمی بلکه تحت تأثیر خواص خمیر هیدراته شده که آنهم تحت تأثیر ساختار خمیر (نوع، مقدار، و توزیع قسمت جامد و فضاهای خالی) است، قرار دارد. ارتباط ساختار – خواص خمیر هیدراته شده در زیر به طور مختصر آورده شده است.

مقاومت

بایستی متذکر شد که عامل اصلی مقاومت در بخش جامد خمیر سیمان هیدراته شده نیروهای جاذبه واندروالسی است. چسبندگی بین سطوح دو قسمت جامد، به این نیروهای من فیزیکی نسبت داده میشود. درجه چسبندگی، به طبیعت و گسترش این سطوح وابسته است.

بلورهای کوچک C-S-H ، سولفوآلومینات کلسیم هیدراته شده و آلومینات کلسیم هیدراته شده شش وجهی دارای سطح جانبی زیاد و در نتیجه قابلیت چسبندگی قابل ملاحظه ای می باشند. این ترکیبات سیمان پرتلند نه تنها تمایل شدیدی به چسبیدن به یکدیگر دارند بلکه به محصولات هیدراتاسیون با سطح جانبی کمتر یعنی هیدروکسید کلسیم، دانه های کلینکر غیر هیدراته و نیز دانه های ریز و درشت شن و ماسه نیز می چسبند.

اکنون کاملا روشن است که در یک ماده ارتباط معکوسی بین مقاومت و تخلخل وجود دارد. اساس مقاومت روی بخش صلب و تو پر بوده و بنابراین فضاهای خالی اثر قابل ملاحظه ای بر آن دارند. در خمیر سیمان هیدراته شده، فضای بین لایه ها در ساختار C-S-H و حفرات ریزی که در حوزه تأثیر نیروهای جاذبه و واندروالسی قرار دارند در مقاومت اثر بالایی ندارند. علت این امر آن است که تمرکز تنش و گسیختگی ناشی از آن بر اثر اعمال بار از حفرات بزرگ مویینه و ترکهایی که در خمیر وجود دارد آغاز می گردد.

همانطور که بیان شد حجم فضاهای مویینه در خمیر هیدراته شده، به میزان آب اختلاط با سیمان در ابتدای واکنش و درجه هیدراتاسیون سیمان بستگی دارد. هنگامی که خمیر گیرش پیدا می کند، حجم ثابتی که تقریبا برابر با حجم سیمان بعلاوه آب است را اشغال میکند. فرض کنید ۱ سانتیمتر مکعب سیمان حدود ۲ سانتیمتر مکعب مواد هیدراته تولید کند. پاورز در اینجا محاسبات ساده ای را برای نشان دادن تغییرات تخلخل مویینگی بر حسب تغییرات هیدراتاسیون خمیر با نسبت آب به سیمان های مختلف انجام می دهد.

بر اساس کار او، در شکل ۱۰-۲ نمایش پیشرفت هیدراتاسیون یا آبگیری و کاهش تخلخل که در دو حالت افزایش درجه هیدراتاسیون (حالت الف) یا کاهش نسبت آب به سیمان (حالت ب) آورده شده است. از آنجا که نسبت آب به سیمان اغلب به صورت وزنی مشخص می گردد، لذا برای محاسبه حجم آب و فضای کل، که برابر با جمع احجام آب و سیمان می باشد، لازم است که مقدار چگالی نسبی سیمان پرتلند (که تقریبا برابر با ۱۴/ ۳ است) را بدانیم.

در حالت الف، خمیری با نسبت آب به سیمان ۶۳ / ۰ و شامل ۱۰۰ سانتیمتر مکعب سیمان نیاز به ۲۰۰ سانتیمتر مکعب آب دارد که در مجموع ۳۰۰ سانتیمتر مکعب حجم خمیر یا کل فضای در دسترس را تشکیل میدهد. درجه هیدراتاسیون سیمان به شرایط عمل آوری (مدت زمان هیدراتاسیون، دما و رطوبت) بستگی دارد. فرض می شود که تحت شرایط استاندارد عمل آوری ASTM ، حجم سیمان هیدراته شده در سنین ۷ و ۲۸ و ۳۶۵ روز بترتیب ۵۰ و ۷۵ و ۱۰۰ درصد و حجم جامد محاسبه شده (سیمان غیر هیدراته بعلاوه محصولات هیدراتاسیون) به ترتیب برابر با ۱۵۰ و ۱۷۵ و ۲۰۰ سانتیمتر مکعب میباشد . حجم فضاهای مویینه از اختلاف بین کل فضای در دسترس وکل حجم جامد قابل محاسبه است. این حجم در سنین ۷ و ۲۸ و ۳۶۵ روز از هیدراتاسیون، برابر با ۵۰ و ۴۲ و ۳۳ درصد به دست می آید.

در حالت ب، درجه هیدراتاسیون ۱۰۰ درصد برای ۴ نوع خمیر، با نسبتهای آب به سیمان ۷/۰، ۶ / ۰، ۵ / ۰، ۴/ ۰ فرض می شود. برای حجم سیمان داده شده، خمیر دارای بالاترین مقدار آب، بزرگترین حجم کل قابل دسترس را دارا است. بهر حال بعد از هیدراتاسیون کامل تمام خمیرها مقدار یکسانی از محصولات هیدراتاسیون را دارا هستند. لذا خمیر دارای بزرگترین فضای کل سرانجام بزرگترین حجم فضاهای مویینه را خواهد داشت.

۱۰۰ سانتیمتر مکعب سیمان در هیدراتاسیون کامل، ۲۰۰ سانتیمتر مکعب محصولات واکنش در هر یک از حالتها خواهد داشت. با این وجود، از جا که کل فضا در خمیرهای با نسبت آب به سیمانهای ۷/ ۰، ۶ / ۰، ۵ / ۰، ۴/ ۰ به ترتیب برابر با ۳۲۰،۲۸۸، ۲۵۷، ۲۲۵ سانتیمتر مکعب بوده است، لذا فضای مویینه محاسبه شده ۳۷، ۳۰، ۲۲ و ۱۱ درصد خواهد شد. براساس مفروضات فوق خمیر با نسبت آب به سیمان۳۲ /۰ در صورت هیدراتاسیون کامل،تخلخل مویینگی صفر خواهد داشت.

 


تغییرات تخلخل مویینگی با تغییرات نسبت آب به سیمان و درجه هیدراتاسیون

 

برای ملات های با سیمان پرتلند هیدراته شده معمول، پاورز نشان داده است که تابع نمایی بشکل  S = KXبین مقاومت فشاری (S) و نسبت جامد به فضای خالی (X)، که در آن K مقدار ثابت و برابر MPa ۲۳۵ است، برقرار است. با فرض درجات هیدراتاسیون مختلف مثلا ۲۵، ۵۰، ۷۵، ۱۰۰، درصد می توان تأثیر افزایش نسبت آب به سیمان را ابتدا بر روی تخلخل و سپس بر روی مقاومت بر اساس فرمول پاورز محاسبه نمود. نتایج به صورت منحنی شکل ۱۱-۲ رسم شده اند منحنی تراوایی در این شکل بعدا مورد بحث قرار خواهد گرفت.

 

تاثیر نسبت آب به سیمان و درجه هیدراتاسیون بر روی مقاومت و تراوایی
تاثیر نسبت آب به سیمان و درجه هیدراتاسیون بر روی مقاومت و تراوایی

 

پایداری ابعادی

خمیر هیدراته شده اشباع از نظر تغییر ابعاد پایدار نیست. تا زمانی که خمیر در رطوبت نسبی ۱۰۰  درصد نگهداری شود عملا هیچگونه تغییری در ابعاد آن رخ نمی دهد. اما بمحض قرار گرفتن در محیطی غیر اشباع (که اغلب در آن قرار میگیرد) شروع به از دست دادن آب و جمع شدگی می کند.

چگونگی کاهش آب از خمیر هیدراته اشباع و جمع شدگی ناشی از خشک شدن توسط لرمت(L ‘ Hermite) در شکل ۲-۱۲ تشریح شده است. بمحض اینکه رطوبت نسبی از ۱۰۰ درصد پایین تر می آید، آب آزاد موجود در حفرات بزرگ (بزرگتر از ۵۰ نانومتر) بطرف محیط خارج فرار می کنند. از آنجا که آب آزاد هیچ پیوند فیزیکی یا شیمیایی با ساختمان مواد هیدراته شده ندارد، لذا خروج آن با جمع شدگی همراه نیست. این امر با منحنی AB در شکل ۱۲-۲ نشان داده شده است. لذا می توان نتیجه گرفت که خمیر هیدراته اشباع در محیطی با رطوبت نسبی کمی کمتر از ۱۰۰ درصد می تواند مقدا قابل ملاحظه ای از آب بخار شدنی خود را بدون اینکه جمع شدگی در آن رخ دهد، از دست بدهد.

 

کاهش آب به عنوان تابعی از رطوبت  - جمع شدگی ملات سیمان به عنوان تابعی از کاهش آبنسبی
کاهش آب به عنوان تابعی از رطوبت – جمع شدگی ملات سیمان به عنوان تابعی از کاهش آبنسبی

 

هنگامی که تقریبا تمامی آب آزاد خارج می شود، خشک شدن آب می تواند سبب شروع جمع شدگی خمیر گردد. این پدیده که با منحنی BC در شکل ۲-۱۲ نشان داده شده است، اساسا به علت کاهش آب جذب شده سطحی و آب نگهداشته شده در فضاهای کوچک بوجود می آید (شکل ۹-۲ را ببینید). نظر بر این است که آب جذب شده هنگامی که بین دو سطح بخش جامد در فضای باریکی فشرده می شود فشاری منفصل کننده را ایجاد می کند که این فشار براثر خروج آب جذب شده از بین لایه ها کاهش یافته و سبب جمع شدگی خمیر می گردد.

آب بین لایه ای که به عنوان فیلم آب تک مولکولی در بین لایه های C – S – H قرار دارد براثر خشک شدگی شدید می تواند از سیستم خارج شود .علت این امر تماس نزدیکتر آب بین لایه ای با سطوح جامد و پر پیچ و خم بودن راه عبور آب از میان شبکه مویینگی است که نیاز به نیروی رانش بزرگتری دارد. چون آب در فضاهای مویینه کوچک (۵تا ۵۰ نانومتر) کشش هیدرواستاتیکی اعمال می کند، لذا خروج آن باعث ایجاد تنش فشاری روی جداره های جامد حفره شده و در نتیجه سبب انقباض سیستم می گردد.

بایستی اشاره نمود که مکانیسم ایجاد جمع شدگی ناشی از خشک شدن شبیه مکانیسم خزش خمیر سیمان هیدراته شده است. در حالت خزش، تنش خارجی وارده سبب ایجاد نیروهای رانش برای حرکت آب جذب شده و آب نگهداشته شده در فضاهای کوچک می گردد. لذا خزش می تواند حتی در رطوبت نسبی ۱۰۰ درصد نیز اتفاق بیفتد.

دوام

واژه دوام مواد به عمر مفید آنها تحت شرایطی مفروض گفته می شود. خمیر سیمان هیدراته شده خاصیت قلیایی دارد، بنابراین محیط اسیدی برای دوام آنها زیانبار است. تحت چنین شرایطی نفوذ ناپذیری یا مقاوم در برابر آب بودن، عامل اولیه تعیین دوام مصالح است. نفوذناپذیری خمیر هیدراته شده، مشخصه با ارزشی از خواص خمیر است زیرا نفوذناپذیری بتن به آن وابسته است (سنگدانه ها در بتن عموما نفوذناپذیر فرض می شوند). تراوایی مطابق تعریف آسانی جریان یک مایع از داخل یک جامد می باشد. بنابراین واضح است که اندازه و پیوستگی فضاهای خالی در ساختمان یک جامد، تعیین کننده نفوذ پذیری آن است.

مقاومت و نفوذ پذیری خمیر سیمان هیدراته شده در واقع دو طرف یک سکه هستند، بدین معنی که هر دو وابستگی نزدیکی با تخلخل مویینگی یا نسبت فضاهای خالی به جامد دارند. از منحنی تراوایی در شکل ۱۱-۲، که بر اساس آزمایشهای انجام شده توسط پاورز به دست آمده است، این مسأله آشکار می گردد.

از رابطه نمایی تراوایی و تخلخل که در شکل ۱۱-۲ نشان داده شده است می توان دریافت که انواع فضاهای خالی می توانند در تراوایی موثر باشند. با پیشرفت هیدراتاسیون، فضاهای خالی اولیه بین ذرات سیمان بتدریج با محصولات هیدراتاسیون پر میشود.

در شکل ۱۰-۲ نشان داده شده است که نسبت آب به سیمان (فضای مویینه اولیه بین ذرات سیمان) و درجه هیدراتاسیون تعیین کننده تخلخل مویینگی کل، که با کاهش نسبت آب به سیمان و همچنین افزایش درجه هیدراتاسیون کاهش می یابد، می باشند.

مطالعه تخلخل با روش نفوذ جیوه روی خمیرهای سیمان، که با آب به سیمانهای مختلف در سنین مختلف هیدراته شده اند، در شکل ۸-۲ نشان میدهد که کاهش تخلخل مویینگی کل همراه با تقلیل فضاهای خالی بزرگ در خمیر سیمان هیدراته شده می باشد (شکل ۱۳-۲). از یافته های شکل ۱۲-۲ چنین آشکار می شود که زمانی که حجم فضاهای مویینه نسبی از ۰٫۴ به ۰٫۳ کاهش می یابد ضریب تراوایی به صورت نمایی، تقلیل می یابد.این محدوده از تخلخل مویینگی مربوط به حالتی است که هم حجم و هم اندازه فضاهای خالی مویینه در خمیر سیمان به حدی کاهش یافته اند که ارتباط بین آنها مشکل گردیده است.

در نتیجه تراوایی خمیر سیمان هیدراته شده ممکن است به میزان ۱۰۶ برابر از خمیر تازه سیمان کمتر باشد. پاورز نشان میدهد که حتی خمیر سیمان با نسبت آب به سیمان ۰٫۶ بر اثر هیدراتاسیون کامل می تواند چنان نفوذناپذیر گردد که به تراکم سنگهایی همچون بازالت و مرمر برسد.

بیشتر بخوانید  خلاصه ای کلی آزمایش‌های مقاومت بتن

 

توزیع تخلخل مربوط به فضاهای کوچک در خمیر سیمان، با نسبت های آب به سیمان مختلف
توزیع تخلخل مربوط به فضاهای کوچک در خمیر سیمان، با نسبت های آب به سیمان مختلف

 

بایستی متذکر گردید که تخلخل خمیر ناشی از فضاهای بین لایه ای C-S-H و سوراخهای ریز مویینگی در تراوایی خمیر هیدراته شده شرکت ندارد. در مقابل، با افزایش درجه هیدراتاسیون گرچه به علت فضای بین لایه ای C-S-H و فضاهای ریز، حجم فضاهای خالی به میزان زیادی افزایش می یابد، اما تراوایی به میزان زیادی کاهش می یابد. در خمیر سیمان هیدراته شده رابطه مستقیمی بین تراوایی و حجم سوراخها و فضاهای بزرگتر از ۱۰۰ نانومتر به دست آمده است. این امر می تواند احتمالا به این علت باشد که یک سیستم فضاهای خالی عمدتا از حفره های ریز تشکیل می شود و ارتباط و پیوستگی این حفره ها به هم به تدریج کم میشود.

ناحیه انتقال در بتن

 اهمیت ناحیه انتقال

آیا هرگز فکر کرده اید که چرا:

 ۱) بتن در کشش شکننده و در فشار نسبتا مقاوم است؟

۲) اجزای بتن زمانی که جداگانه آزمایش می شوند در فشار تک محوری تا مرحله شکست، ارتجاعی باقی می مانند در صورتی که خود بتن رفتاری غیر ارتجاعی دارد؟

 ۳) مقاومت فشاری بتن در حدود ۱۰ برابر مقاومت کششی آن است؟

۴) با مقادیر مشخص سیمان و نسبت آب به سیمان و سن هیدراتاسیون، ملات سیمان همواره قوی تر ازبتن آن است؟ همچنین مقاومت بتن با افزایش اندازه سنگدانه های درشت کاهش می یابد.

 ۵) تراوایی بتن دارای سنگدانه های حتی بسیار متراکم، به مراتب بیشتر از تراوایی ملات سیمان نظیر آن است؟

۶) در مجاورت آتش، مدول ارتجاعی بتن بسیار سریعتر از مقاومت فشاری آن کاهش می یابد؟

پاسخ به سؤالات فوق و بسیاری از سؤالات دیگر در خصوص خواص بتن، به ناحیه انتقال یا منطقه گذرای بتن یعنی ناحیه بین خمیر سیمان و سنگدانه های درشت بر می گردد. اگرچه این ناحیه ترکیباتی شبیه خمیر سیمان هیدراته شده دارد، لیکن ساختار و خواص ناحیه انتقال با خواص توده خمیر متفاوت است. بنابراین بهتر است که این ناحیه، به عنوان فاز جداگانه ای از ساختار بتن مورد مطالعه قرار گیرد.

ساختار ناحیه انتقال (منطقه گذرا) (ITZ)

به علت مشکلات انجام آزمایشها، اطلاعات در خصوص ناحیه انتقال بتن نسبتا کم است. به هر حال بر اساس توصیف عنوان شده توسط مازو (Maso)(۸)، مفاهیم مشخصات ساختاری این ناحیه را می توان با مطالعه توالی تغییرات آن از زمانی که بتن ریخته می شود به دست آورد.

ابتدا پس از تراکم بتن تازه فیلم نازکی از آب اطراف سنگدانه های درشت تشکیل میشود. این مسأله می تواند به علت بالا بودن نسبت آب به سیمان در مجاورت سنگدانه های درشت در مقایسه با سایر قسمتهای خمیر باشد. سپس در قسمت توده ای خمیر، یونهای کلسیم، هیدروکسیل و آلومینات که از حل سولفات کلسیم و آلومینات کلسیم به دست آمده اند، با یکدیگر ترکیب شده تا تولید اترینگایت و هیدروکسید کلسیم بنمایند.

به علت زیاد بودن نسبت آب به سیمان در مجاورت سنگدانه های درشت این بلورها در این محل اغلب شامل بلورهای درشت بوده و لذا ساختاری متخلخل تراز بلورها سیمان یا ملات دارند. هیدروکسید کلسیم صفحه ای شکل به صورت بلورهای در جهتی تقریبا عمود بر سطح سنگدانه در این ناحیه قرار می گیرد. بالاخره با پیشرفت هیدراتاسیون C-S-H  کمتر بلورین، و نسل دومی از بلورهای کوچک اترینگایت و هیدروکسید کلسیم شروع به پر نمودن فضای موجود بین شبکه ایجاد شده توسط بلورهای بزرگ اترینگایت و هیدروکسید کلسیم می کنند. این امر به متراکم شدن و مقاومت ناحیه انتقال کمک مینماید.

شکل شماتیک و تصویر میکروسکوپ الکترونی ناحیه انتقال در بتن در شکل ۱۴-۲ نشان داد شده است.

 

(الف) -تصویرمیکروسکوپ الکترونی بلورهای هیدروکسیدکلسیم درناحیه انتقال (ب) – نمایش شماتیک ناحیه انتقال و بخش توده ای خمیر سیمان در بتن
(الف) -تصویرمیکروسکوپ الکترونی بلورهای هیدروکسیدکلسیم درناحیه انتقال (ب) – نمایش شماتیک ناحیه انتقال و بخش توده ای خمیر سیمان در بتن

 

مقاومت ناحیه انتقال

همانند خمیر سیمان هیدراته شده علت چسبندگی مواد حاصل از هیدراتاسیون و ذرات سنگدانه ها نیز نیروهای جاذبه واندروالسی است. لذا مقاومت ناحیه انتقال در هر نقطه به حجم و اندازه فضاهای موجود در آن بستگی دارد. حتی در بتن بانسبت کم آب به سیمان، در اوایل هیدراتاسیون و سنین کم، حجم و اندازه فضاهای خالی در ناحیه انتقال بزرگتر از موارد مشابه در ملات است و در نتیجه مقاومت ضعیفتری در این ناحیه مشاهده می گردد.

(شکل ۱۵-۲) . بهر حال با افزایش سن بتن ممکن است مقاومت ناحیه انتقال برابر یا حتی بیش از مقاومت قسمت توده ملات گردد. این مساله ممکن است به علت کریستاله شدن محصولات جدید در فضاهای خالی ناحیه انتقال تحت واکنشهای شیمیایی بین خمیر و سیمان و سنگدانه باشد که می تواند منجر به تشکیل سیلیکات کلسیم هیدراته شده در صورت وجود سنگدانه های سیلیسی، و یا تشکیل کربو آلومینات هیدراته شده در صورت وجود سنگ آهک گردد.

این ترکیبات سبب افزایش مقاومت می گردد، زیرا سبب کم شدن میزان هیدروکسید کلسیم در ناحیه انتقال می شوند. بلورهای بزرگ هیدروکسید کلسیم ظرفیت چسبندگی کمتری دارند که این موضوع، نه تنها به علت سطح جانبی کمتر و در نتیجه نیروهای واندروالسی ضعیف تر است بلکه به دلیل ساختار جهتدار آنها، به صورت نواحی مستعد شکافت رفتار میکنند.

 

تاثیرسن بر روی مقاومت پیوستگی ناحیه انتقال و مقاومت خمیر سیمان
تاثیرسن بر روی مقاومت پیوستگی ناحیه انتقال و مقاومت خمیر سیمان

 

علاوه بر وجود فضاهای مویینه بزرگ و بلورهای هیدروکسید کلسیم جهت دار در ناحیه انتقال، عامل اصلی مقاومت کم این ناحیه همانا وجود ترکهای ریز است. میزان ترکهای ریز به عوامل اندازه و دانه بندی سنگدانه ها، مقدار سیمان، نسبت آب به سیمان، درجه تراکم بتن تازه، شرایط عمل آوری، رطوبت نسبی محیط و تاریخچه حرارتی بتن بستگی دارد. به عنوان مثال یک مخلوط بتنی دارای دانه بندی نامناسب تمایل به جدایی ذرات در هنگام تراکم داشته و در نتیجه فیلم ضخیمی از آب در اطراف دانه های درشت و بخصوص در زیر آن تشکیل می گردد.

تحت شرایط یکسان، اندازه بزرگتر سنگدانه سبب ضخیم تر شدن فیلم آب میگردد. در چنین شرایطی، ناحیه انتقال تشکیل شده حساسیت زیادی نسبت به ترک خوردن تحت اثر تنشهای کششی بوجود آمده از تغییر مکانهای نسبی بین سنگدانه و خمیر سیمان پیدا میکند. چنین تغییر مکانهایی اغلب از خشک یا سرد شدن بتن ناشی می شود. بعبارت دیگر بتن حتی قبل از اینکه تحت بار قرار گیرد ترکهای ریزی در ناحیه انتقال خواهد داشت. بدیهی است که براثر بارهای ضربه ای کوتاه مدت، جمع شدگی ناشی از خشک شدن، و بارهای ثابت در تنشهای بالا، اندازه و تعداد ترکهای ریز افزایش خواهد یافت.(شکل۲-۱۶)

 

ترکهای نقشه ای متداول بتن با مقاومت متوسط
ترکهای نقشه ای متداول بتن با مقاومت متوسط

 

تأثیر ناحیه انتقال بر روی خواص بتن

ناحیه انتقال که در حقیقت ضعیف ترین حلقه در زنجیره بتن است عامل محدودکننده مقاومت بتن می باشد. به همین دلیل، بر اثر وجود ناحیه انتقال، بتن تحت تنشی شکسته می شود که این تنش، به مراتب کمتر از مقاومت هر یک از دو جزء تشکیل دهنده آن است. از آنجا که برای گسترش ترکهای موجود در ناحیه انتقال، مقدار انرژی زیادی مورد نیاز نیست و حتی در ۴۰ تا ۷۰ درصد مقاومت نهایی این کار عملی است، لذا مقدار کرنش افزایشی زیادی برای واحد تنش اعمال شده به دست می آید.

این موضوع، این پدیده را توجیه میکند که اجزای بتن (سنگدانه و خمیر سیمان یا ملات) معمولا تا حد گسیختگی، رفتاری ارتجاعی در آزمایش فشار تک محوری دارند، ولی بتن خود رفتاری غیر ارتجاعی را نشان میدهد.در مقادیر تنش بیش از ۷۰ درصد مقاومت نهایی، تمرکز تنش در حفرات بزرگ ملات به اندازهای بزرگ می شوند که ترکهایی جدید را ایجاد میکنند. با افزایش تنش، ترکهای داخل خمیر گسترش یافته و به ترکهای ایجاد شده در ناحیه انتقال می پیوندند.

آنگاه سیستم ترک خوردگی، پیوسته شده و ماده شکست می خورد. انرژی قابل ملاحظه ای برای گسترش ترکهای داخل خمیر تحت بار فشاری لازم است. از طرف دیگر تحت بارهای کششی، گسترش ترکها سریعتر و تحت تنشی بسیار پایین تر صورت می پذیرد. به همین دلیل بتن در حالت شکنندگی تحت بارهای کششی گسیخته می شود در حالی که در فشار طاقت بیشتری دارد. همچنین به همین دلیل است که مقاومت کششی بتن بمراتب پایینتر از مقاومت فشاری آن است. در فصول ۳ و ۴ این بحث بیشتر باز خواهد شد.

ساختار ناحیه انتقال، بخصوص حجم حفرات و ترکهای ریز موجود در آن تأثیر عمده ای بر سختی و مدول ارتجاعی بتن دارند. در یک ماده مرکب، ناحیه انتقال همچون پلی بین دو جزء یعنی بخش خمیر ملات و دانه های درشت عمل میکند. حتی اگر هر جز دارای سختی بالایی باشد سختی ماده مرکب ممکن است به علت وجود پلهای شکسته (حفرات و ترکهای ریز در ناحیه انتقال) که تنش را انتقال نمیدهد، پایین باشد.

به علت وجود ترکهای ریز در بتن، اگر بتن در معرض آتش قرار گیرد، مدول ارتجاعی آن سریعتر از مقاومت فشاری اش کاهش می یابد. مشخصه های ناحیه انتقال همچنین در دوام بتن مؤثرند. اعضای بتن مسلح و پیش تنیده اغلب به علت خوردگی و زنگ آرماتور گسیخته میشوند. میزان پیشرفت خوردگی بسیار به تراوایی بتن وابسته است. وجود ترکهای ریز در ناحیه انتقال در فصل مشترک فولاد و دانه های درشت، دلیل اولیه نفوذپذیرتر بودن بتن از ملات یا خمیر نظیر است. بایستی توجه داشت که برای خوردگی فولاد در بتن هوا و آب نیز دو عامل شروع کننده و مورد نیاز هستند.

تاثیر نسبت آب به سیمان بر تراوایی و مقاومت بتن به ارتباط موجود بین نسبت آب به سیمان و تخلخل خمیر هیدراته شده بتن نسبت داده می شود. مطالب عنوان شده قبلی در مورد تأثیر ساختار و خواص ناحیه انتقال بر روی بتن خاطر نشان می سازد که در واقع بهتر است به تأثیر نسبت آب به سیمان بر روی کل بتن نیز اندیشید. دلیل این امر آن است که بسته به مشخصات سنگدانه ها، نظیر حداکثر اندازه و دانه بندی آنها، ممکن است تفاوت عمده ای بین نسبت آب به سیمان خمیر ملات و ناحیه انتقال موجود باشد. به طور کلی تحت شرایط یکسان هر چه سنگدانه بزرگتر باشد و نسبت آب به سیمان موضعی در ناحیه انتقال بیشتر باشد، بتن ضعیف تر و نفوذپذیرتر خواهد بود.

فهرست منابع و توضیحات

۱- It is convenient to follow the abbreviations used by cementchemusts: C=CaO; S =SiO2; A = Al2O3; F = Fe2O3; S = SO3; H=H2O

۲- T.C. Powers, J. Am. Ceram. Soc., Vol. 61, No. 1, PP.1-5, 1958; and S. Brunauer, American Scientist, Vol. 50, No. 1, pp. 210-29, 1962.

۳- In the older literature, the solid-to-solid distances between C-S-H layers were called gel pores. In modern literature it is customary to call them interlayer spaces.

 ۴- R. F. Feldman and P. J. Sereda, Engineering Journal (Canada), Vol. 53, No. 8.9, pp. 53-59 , 1970.

۵- It should be noted that the interlayer space within the C-S-H phase is considered as part of the solids in the hcp.

 ۶- ASTM C 31  requiers moist curing at 73.4 3  until the age of testing.

 ۷- P. K. Mehta and D. Manmohan, Proceedings of the Seventh International Congress on the Chemistry of Cements, Editions Septima, Vol. III, Paris, 1980.

 ۸- J,C, Maso, Proceedings of the Seventh International Congress on the Chemistry of Cements, Vol. 1, Editions Septima, Paris, 1980.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

Share via
Copy link
Powered by Social Snap