واکنش سنگدانه های قلیایی در بتن؛ انواع، دلایل و تاثیر

واکنش قلیایی سنگدانه (AAR) زمانی رخ می‌دهد که سنگدانه‌های بتن با هیدروکسیدهای قلیایی موجود در بتن واکنش داده و تولید ژل جاذب رطوبت کنند. این ژل در مجاورت هوای مرطوب، آب را جذب کرده و باعث ایجاد انبساط و ترک خوردن در درازمدت می‌گردد. گرچه تا کنون هیچ سازه‌ای بر اثر واکنش قلیایی سنگدانه فرو نریخته است، اما موارد بسیاری از تخریب اعضای بتنی توسط این نوع واکنش‌ها گزارش شده است. در این مقاله از بلاگ رامکا، ضمن شناخت انواع این واکنش‌ها به بررسی شرایط ایجاد، منابع قلیایی، روش‌های جلوگیری و کنترل، تست‌ها و آزمایشات مورد نیاز سنگدانه‌های واکنش‌پذیر و.. پرداختیم. پس تا انتها همراه ما باشید.

واکنش قلیایی سیلیسی (ASR)

سنگدانه‌های سیلیسی واکنش‌پذیر بسیار رایج بوده و به همین دلیل واکنش‌های قلیایی سیلیسی رایج‌تر از واکنش‌های قلیایی کربناتی است. این نوع واکنش‌ها فشار انبساطی کافی برای آسیب رساندن به بتن را ایجاد می‌کنند.

در واقع فعل و انفعالات میان سنگدانه‌های حاوی ذرات سیلیس فعال و سیمانی با خواص قلیایی بالا منجر به افت مقاومت، انبساط بالا و تجزیه و فروپاشی می‌شود. انبساط‌های قلیایی سیلیسی ممکن است موجب بسته شدن درزهای انبساط، جابه‌جایی اعضای سازه نسبت به یکدیگر، جابه‌جایی ماشین‌آلات و سایر اثرات نامطلوب گردد.

شرایط لازم برای ایجاد ASR

فعل و انفعال واکنش قلیایی سیلیسی زمانی اتفاق می‌افتد که مقدار عناصر قلیایی Na₂O و K₂O از ۰٫۶% تجاوز کند و سنگدانه‌ها حاوی مقدار زیادی از اجزای فعال، مانند اوپال، کلسدونی، تریدیمیت، ‌هالاندیت، زئولیت، فیلیت، کریستوبالیت، داسیت‌ها، آندزیت‌ها و ریولیت باشند. در چنین شرایطی اگر رطوبت کافی فراهم شود، انبساط‌های ناشی از این واکنش به فراوانی دیده می‌شود.

اعتقاد بر این است که خرابی ناشی از انبساط واکنش قلیایی سیلیسی در اثر تورم اسمزی ژل‌های قلیایی – سیلیسی ایجاد شده توسط واکنش شیمیایی بین مواد سیلیسی فعال و قلیایی‌های حاصله از هیدراتاسیون سیمان و منابع دیگر است.

همان‌گونه که در شکل زیر مشاهده می‌کنید، تمام مواد سیلیسی موجود در سنگدانه‌های بتن طی ترکیب با سیمان با قلیاییت بالا، دچار انبساط زیادی نمی‌شوند و فقط وقتی انبساط زیاد اتفاق می‌افتد که سیمان با خواص قلیایی بالا به‌ کار برده شود.

استانداردهای کنترل واکنش قلیایی سیلیسی

برای شناسایی ترک‌های ناشی از واکنش قلیایی سنگدانه سیلیسی، می‌توان بر اساس ASTM C295 از آزمایش‌های پتروگرافی استفاده کرد. این ترک‌ها عموماً در مناطقی که رطوبت بالا دارند مانند سازه‌های نزدیک خط ساحلی دیده می‌شوند.

ساختار این ترک‌ها به صورت تصادفی با درزهای بسته و همراه با پوسته شدن بتن است. برای محاسبه دقیق میزان واکنش‌زایی و کنترل واکنش‌زایی بالقوه ترکیب سیمان و سنگدانه، استاندارد ASTM، ۲ استاندارد ویژه ارائه کرده است که در ادامه به آن می‌پردازیم.

• استاندارد ASTM C227: این استاندارد به محاسبه قابلیت ترکیب‌های سیمان و سنگدانه در واکنش‌های انبساطی می‌پردازد. در واقع در این روش به اندازه‌گیری انبساط طولی ایجاد شده توسط ترکیب در نمونه‌های منشوری ملات نگهداری‌شده بالای آب (در ظروف پوشیده و دمای ۲ ± ۳۸ درجه سانتی‌گراد) می‌پردازد.
• استاندارد ASTM C289: روش ارائه شده در این استاندارد، روشی شیمیایی جهت تعیین واکنش‌زایی بالقوه یک نوع سنگدانه با قلیایی‌ها در بتن سیمان پُرتلند است. این روش با مقدار واکنش بین محلول یک مولکول گرم در لیتر هیدروکسید سدیم و سنگدانه خردشده بین الک شماره ۵۰ و الک شماره ۱۰۰، (در دوره‌ی ۲۴ ساعته در دمای ۸۰ درجه سانتی‌گراد) نشان داده می‌شود.

روش‌های کنترل واکنش قلیایی سنگدانه سیلیسی

برای کاهش و کنترل واکنش‌های قلیایی سیلیسی و ترک‌های ناشی از آن در بتن، می‌توان از روش‌های ذیل استفاده نمود.

• استفاده از سیمان‌هایی با مقدار قلیایی کمتر از ۰٫۶% (بر اساس معادل Na2O)
• استفاده از سنگدانه‌های غیرفعال
• استفاده از مواد پوزولانی ریز آسیاب شده، مانند دود سیلیسی، خاکستر بادی و سرباره کوره بلند دانه‌بندی‌شده تا پیش از حمله سنگدانه‌های فعال با قلیایی‌ها ایجاد فعل و انفعال کنند.
• تأمین شرایط محیطی تا بتن نسبتاً خشک باقی بماند.
• استفاده از مواد حباب هوا ساز بتن برای افزایش منافذ در ملات که البته در مقابل خرابی‌های شدید مؤثر نیست.
• استفاده از ترکیبات لیتیوم‌دار

واکنش قلیایی کربناتی (ACR)

مطالعه مسائل مربوط به فعل و انفعال قلیایی – کربناتی، موضوع تحقیقاتی نسبتاً جدیدی در زمینه بتن است. گزارشات تحقیقاتی زیادی وجود دارند که اهمیت این امر را نشان می‌دهند. سنگدانه‌های دولومیتی یکی از سنگدانه‌های پرکاربرد در بتن هستند، ولی انواع مشخص سنگدانه‌های دولومیتی ریزدانه و رس مانند، می‌توانند با قلیایی‌های سیمان واکنش داده و ایجاد انبساط‌های نامطلوب کنند.

بیشتر بخوانید: ۷ عامل شیمیایی مخرب بتن و روش‌های محافظت

استانداردهای تعیین کیفیت سنگدانه کربناته

از آن‌جا که مواد سیمانی تکمیلی (پوزولانی) از انبساط مضر ناشی از واکنش قلیایی کربناتی جلوگیری نمی‌کند، توصیه می‌شود از همان ابتدا از سنگدانه‌های حساس به ACR در بتن استفاده نشود. بنابراین لازم است طبق آزمایشات ذیل کیفیت سنگدانه‌های کربناته را مشخص نمایید.

• بر اساس استاندارد ASTM C586، آزمایش‌های واکنش قلیایی – کربناتی از طریق قرار دادن نمونه‌های منشوری بتنی ساخته شده با سنگدانه مشکوک و سیمانی با قلیایت زیاد (در دمای ۲۳ درجه سانتی‌گراد و رطوبت نسبی ۱۰۰%) انجام می‌شود و به این ترتیب به ثبت مقدار انبساط در محدوده زمانی مشخص می‌پردازد.
• آزمایش دیگر که به منظور پدیدار ساختن واکنش قلیایی – کربناتی در بتن انجام می‌شود، نگهداری منشورهای سنگی در محلول هیدروکسید قلیایی با قسمت‌های مولکولی مساوی NaOH و KOH است. پس از انجام آزمایش، انبساط نمونه‌های حاوی مصالح مشکوک با منشورهای مشابه از سنگ آهک سالم شناخته شده، مقایسه می‌گردد. سنگدانه‌هایی که انبساط طولی بیش از ۰٫۰۳% نسبت به نمونه‌های کنترل‌شده در ۱۲ ماه باشند، نگران کننده تلقی می‌گردند.

عوامل مؤثر بر واکنش قلیایی سنگدانه کربناته

نتایج آزمایشگاهی نشان می‌دهد عوامل ذیل می‌تواند به طور جدی بر واکنش ACR تأثیر گذارد.

• درجه واکنش‌زایی سنگدانه
• مقدار اجزای واکنش‌زا
• مقدار سیمان
• شرایط نگهداری

روش‌های جلوگیری و کنترل واکنش‌های ACR

1. کاهش مقدار سنگدانه‌های واکنش‌زا با جایگزینی سنگدانه‌های غیرواکنش‌زا
2. کاهش قلیایی‌های سیمان (گاهی لازم است مقدار کاهش قلیایی‌ها تا ۰٫۴% انجام شود).

شرایط ایجاد AAR

مهم‌ترین شرایط لازم برای ایجاد واکنش قلیایی سنگدانه، وجود رطوبت کافی و محتوای قلیایی بالا در بتن است. بر این اساس، داده‌ها نشان می‌دهد در صورتی که کل محتوای قلیایی بتن (بر حسب اکسید سدیم) کمتر از ۳ کیلوگرم بر متر مکعب بوده و ساختار سنگدانه‌ها را کانی‌هایی نظیر اوپال و شیشه (کانی‌هایی با واکنش‌پذیری قلیایی بالا) تشکیل نداده باشد، آسیب ناشی از AAR اتفاق نمی‌افتد.

منابع قلیایی در بتن

تمام مواد تشکیل‌دهنده بتن، از جمله سیمان، سنگدانه‌ها، انواع افزودنی بتن و آب، در محتوای کل قلیایی بتن نقش دارند. حتی در بسیاری اوقات گزارش شده تماس بتن با عناصر قلیایی خارجی نیز باعث افزایش میزان قلیاییت سطح بتن شده است. در ادامه بر میزان تأثیر هر یک از عوامل گفته شده می‌پردازیم.

• سیمان: مهم‌ترین نقش را در محتوای قلیایی بتن دارد.
• سنگدانه: شن و ماسه به دست آمده از لایروبی دریا، اگر به درستی شسته نشوند، ممکن است حاوی کلرید سدیم باشد و بر محتوای قلیایی بتن تأثیر فراونی وارد کنند.
• مواد افزودنی: مواد افزودنی در بحث AAR، مواد شیمیایی هستند که در مرحله اختلاط به بتن اضافه می‌شوند. این مواد عبارتند از: انواع تسریع‌کننده‌ها، کاهنده‌های آب (روان کننده‌ بتن)، دیرگیر بتن، فوق روان کننده بتن، حباب هواسازها و…. اگر این مواد حاوی کلرید سدیم باشد بر میزان محتوای قلیایی تأثیر می‌گذارد.
• آب: آب گاهی حاوی مقدار معینی قلیایی است.
• قلیایی‌هایی که از خارج به بتن اضافه می‌شوند: این دسته از قلیایی‌ها در ترکیب بتن قرار ندارند و پس از انجام عملیات بتن‌ریزی در اثر عوامل مختلف بر سطح بتن تأثیر می‌گذارند. برای مثال در نواحی سردسیر، استفاده از نمک‌های یخ‌زدای حاوی ترکیبات سدیم، ممکن است باعث افزایش محتوای قلیایی در لایه‌ی سطحی بتن شود یا خاک‌های حاوی عناصر قلیایی در تماس با بتن ممکن است باعث افزایش محتوای قلیایی در محل تماس شوند.

اثرات مخرب واکنش قلیایی سنگدانه

• از بین رفتن مقاومت، دوام، ظاهر و نفوذناپذیری
• شکست زودرس سازه‌های بتنی
• کاهش عمر سازه بتنی
• افزایش هزینه نگهداری از سازه

تست‌های سنگدانه‌های واکنش‌پذیر

• بررسی پتروگرافی (ASTM C 295, BS 812: Part 104)
• تست شیمیایی (ASTM C289)
• آزمایش میله ملات تسریع‌شده (ASTM C 1260, CSA A23.2­ ۲۵A, DD 249: 1999)
• آزمایش منشور بتنی (ASTM C1293, CSA A23.2­ ۱۴A, BS 812: Part 123)
• تست منشور بتنی تسریع‌شده

اقدامات پیشگیرانه علیه AAR

• استفاده از سیمان کم قلیایی برای محدود کردن محتوای قلیایی کل در بتن
• استفاده از مواد جایگزین سیمانی، مانند PFA و GGBS در بتن
• کاهش دسترسی به رطوبت و نگه داشتن بتن در حالت خشک
• عدم استفاده از سنگدانه‌های رادیواکتیو
• و…

همان‌طور که گفته شد بیشتر سازه‌هایی که با AAR ترک خورده‌اند، در معرض آب، هوای مرطوب یا خاک مرطوب بوده‌اند؛ زیرا برای ایجاد چنین ترک‌هایی وجود رطوبت و محتوای قلیایی زیاد لازم و ضروری است.

شما می‌توانید با مطالعه این مقاله و صرف کمتر از ۱۰ دقیقه از زمان خود، به اطلاعات جامع و کاربردی در زمینه انواع واکنش قلیایی سنگدانه، شرایط ایجاد آن‌ها، منابع قلیایی در بتن، اثرات مخرب واکنش قلیایی، تست‌های سنگدانه‌های واکنش‌پذیر، اقدامات پیشگیرانه علیه AAR دست یابید.

منبع +