آشنایی با دوام بتن و نفوذپذیری سیمان و بتن

در این نوشتار ابتدا با تعریف دوام بتن آشنا می شویم. سپس به تشریح نفوذپذیری سیمان و بتن به همراه آزمایش های مربوطه پرداخته شده است. امیدواریم مورد توجه شما همراهان همیشگی گروه مهندسی فراعمران قرار گیرد.

پیشنهاد دانلود: جزوه تکنولوژی عالی بتن دکتر رمضانیان پور

طراحان سازه‌های بتنی بیشتر به مشخصات مقاومتی این ماده توجه دارند. خرابی زودرس سازه‌های بتنی در مواردی که مشخصات مقاومت نیز رعایت شده درس های ارزشمندی را در مورد کنترل عامل های موثر در عدم دوام سازه‌های بتنی به ما می‌دهند. این موضوع پذیرفته شده است که در طراحی سازه‌ها، می‌باید مشخصات دوام مصالح مورد نظر نظیر دوام بتن ، همانند سایر مشخصات و ویژگی‌های آن مورد ارزیابی قرار گیرد.

تعریف دوام بتن

منظور از دوام سازه، عمر خدمت‌دهی طولانی آن است. طبق تعریف کمیته ۲۰۱ انیستیتوی بتن آمریکا، (ACI) دوام بتن سیمان پرتلند به توانایی آن برای مقاومت در برابر عوامل هوازدگی، حمله شیمیایی، سایش، و یا هر فرآیندی که موجب آسیب‌دیدگی شود، گفته می‌شود. بنابراین طبق تعریف دوام بتن ، بتن بادوام، بتنی است که شکل اولیه، کیفیت و قابلیت خدمت‌دهی خود را در شرایط محیطیش حفظ کند.

شکل 1- دوام بتن

هیچ مصالحی ذاتاً با دوام نیست؛ یک ماده وقتی به انتهای عمر خدمت‌دهی خود می‌رسد که، خواصش، تحت شرایط مفروض استفاده از آن، به حدی آسیب‌ دیده باشد که ادامه استفاده از مصالح، ناایمن یا غیر اقتصادی شناخته شود. هزینه‌های تعمیر و جایگزینی سازه‌ها، ناشی از خرابی مصالح، بخش عمده‌ای (تا %۴۰) از کل بودجه ساختمان‌ سازی را به خود اختصاص می‌دهد. حفاظت از منابع طبیعی از طریق بادوام‌تر ساختن مصالح در هر حال یک اقدام زیست محیطی می‌باشد.

آب، عنصر اولیه به وجود آوردن و تخریب کننده بسیاری از مصالح طبیعی و همچنین منشأ اغلب مسایل مربوط به دوام بتن می‌باشد (عامل تخریب فیزیکی و یا به عنوان وسیله‌ای برای انتقال یون های مهاجم). پدیده‌های فیزیکی- شیمیایی مرتبط با حرکات آب در اجسام متخلخل را نفوذپذیری جامدات کنترل می‌کند. میزان آسیب‌ دیدگی، تحت تأثیر نوع و غلظت یون های داخل آب و ترکیب شیمیایی جسم است.

بسته به شرایط محیطی و ضخامت قطعه بتنی، به تدریج، اکثر آب قابل تبخیر بتن از بین رفته و منافذ بتن به صورت خالی یا اشباع نشده در می‌آیند. از آنجا که این آب قابل تبخیر است، لذا قابلیت یخ‌زدگی دارد و همچنین برای جا‌به‌جایی داخلی آزادی دارد. بنابراین، بتنی که پس از خشک شدن آب قابل تبخیر نداشته و یا کم داشته باشد و منافذ آن دوباره اشباع نشوند، در مقابل رویدادهای مخرب وابسته به آب، آسیب‌پذیر نخواهد بود.

نفوذپذیری (Permeability)

نفوذپذیری یا هدایت هیدرولیکی خاصیتی است که کنترل کننده نرخ نفوذ یک سیال به داخل یک جسم جامد متخلخل می‌باشد. برای جریان پایا، ضریب نفوذپذیری (K) از معادله دارسی به دست می‌آید.

رابطه 1 : که در آن dq/dt آهنگ جریان مایع، μ لزجت مایع، ΔH گرادیان فشار، A مساحت سطح و l ضخامت جسم می‌باشد.

نفوذپذیری خمیر سیمان

در خمیر هیدراته شده، اندازه و پیوستگی منافذ در هر نقطه در حین فرآیند هیدراتاسیون، ضریب نفوذپذیری را کنترل خواهد نمود. آب مخلوط به طور غیر مستقیم مسئول نفوذپذیری خمیر سیمان هیدراته شده می‌باشد. میزان این آب، در ابتدا نشان دهنده کل فضای خالی است، و پس از انجام هیدراتاسیون، این آب نشان دهنده فضای پرنشده پس از مصرف آب (برای هیدراتاسیون یا تبخیر) است.

در حین فرآیند هیدراتاسیون به تدریج که تخلخل مویینگی کاهش می‌یابد، ضریب نفوذپذیری نیز کمتر می‌شود، ولی تناسب مستقیمی بین این دو وجود ندارد. علت این امر آن است که در ابتدا، با پیشرفت فرآیند هیدراتاسیون سیمان، حتی مقدار کم کاهش تخلخل مویینگی کل، با تقسیم قابل توجه منافذ بزرگ همراه است، بنابراین اندازه و تعداد کانال های جریان در خمیر سیمان به میزان زیادی کاهش میابد.

به طور متعارف، تخلخل مویینگی در حدود ۳۰ درصد، نشان دهنده آن زمانی است که اتصال زنجیری بین منافذ، بقدری پیچ در پیچ و یا قطع شده است که کاهش بیشتر تخلخل خمیر سیمان تاثیر زیادی در ضریب نفوذپذیری ندارد.

شکل 2- تاثیر درصد تخلخل و نسبت آب به سیمان بر روی نفوذپذیری سیمان

تاثیر تقسیم شدن موئینه‌ها روی نفوذپذیری نشان می‌دهد نفوذپذیری تابع ساده‌ای از تخلخل نمی‌باشد (دو جسم با تخلخل یکسان اما نفوذپذیری متفاوت). در واقع یک مسیر عبور بزرگ که حفره‌های موئینه را به هم متصل می‌سازد باعث نفوذپذیری زیاد می‌شود، در حالی که ممکن است مقدار تخلخل واقعاً تغییری نکند.

در خمیر سیمان معمولی، انفصال در شبکه مویینه وقتی اتفاق می‌افتد که تخلخل مویینه در حدود ۳۰ درصد باشد. (برای خمیرهای با نسبت آب به سیمان 0.4، 0.45، 0.5، 0.6، 0.7 بعد از 3، 7، 14، 180 و 365 روز عمل‌آوری مرطوب).

جدول 1- جدول تغییرات K با زمان

شکل 3- تغییرات‌ ضریب‌ نفوذپذیری‌ خمیر‌ سیمان‌ با‌ زمان‌ (آب‌ به‌ سیمان ‌۰/۷)

نفوذپذیری سنگدانه

در مقایسه با تخلخل مویینگی ۳۰ % تا  ۴۰ % در خمیرهای سیمان، حجم منافذ در اغلب سنگدانه‌های طبیعی معمولاً زیر ۳ % بوده و بندرت از ۱۰% تجاوز می‌کند. بنابراین انتظار می‌رود نفوذپذیری سنگدانه از نفوذپذیری خمیر سیمان خیلی کمتر باشد. اما نتایج نشان می‌دهد ضریب نفوذپذیری سنگدانه‌ها هم به همان نسبت خمیرهای سیمان هیدراته شده با آب به سیمان های در محدوده ۰/۳۸ تا ۰/۷۱متغیر می‌باشند.

جدول 2- نفوذپذیری انواع سنگدانه

دلیل اینکه نفوذپذیری بعضی از سنگدانه‌های با تخلخل پایین (حدود) %۱۰ ممکن است خیلی بیشتر از خمیرهای سیمان باشد این است که، اندازه منافذ مویینه در این سنگدانه‌ها در مقایسه با خمیر سیمان بسیار بزرگ‌تر است. ابعاد منافذ مویینه خمیر سیمان عمل‌آوری شده در محدوده ۱۰ تا ۱۰۰ نانوم‌تر است، در صورتی که اندازه منافذ سنگدانه‌ها بطور متوسط بزرگ‌تر از ۱۰μمی‌باشند. اما در بعضی سنگ‌های آهکی، منافذ از نظر اندازه، شامل مقدار بسیار زیادی منافذ ریز می‌شوند و در نتیجه نفوذپذیری آن‌ها کم است.

نفوذپذیری بتن

انتظار می‌رود که اضافه کردن ذرات سنگدانه با نفوذپذیری کم به خمیر سیمان، نفوذپذیری کل سیستم را کاهش دهد. این بیان در مورد خمیرهای با نسبت زیاد آب به سیمان و در سنین اولیه آن، که تخلخل مویینگی زیاد است صادق است، چرا که ذرات سنگدانه‌ها کانال های جریان داخل ماتریس خمیر سیمان را قطع می‌ نمایند. اما داده‌های حاصل از آزمایش‌ها دلالت بر آن دارند که در عمل اضافه نمودن سنگدانه به خمیر سیمان یا ملات، نفوذپذیری را در حالت کلی به میزان زیادی افزایش می‌دهد.

هر چه که اندازه سنگدانه بزرگ‌تر باشد، ضریب نفوذپذیری بیشتر می‌شود. توضیح این پدیده به ریزترک های موجود در ناحیه انتقال بین سنگدانه و خمیر مربوط می‌شود.

ترک های ناحیه انتقال بسیار کوچکند اما عرضشان بزرگ‌تر از عرض حفره‌های مویینه موجود در ماتریس خمیر سیمان می‌باشد و بنابراین با افزایش ارتباطات داخلی سیستم، نفوذپذیری آن را افزایش می‌دهند. اندازه سنگدانه و دانه‌بندی آن بر روی مشخصات آب انداختگی مخلوط بتن تأثیر می‌گذارند که این نیز به نوبه خود روی ترک‌ها و مقاومت ناحیه انتقال تأثیر می‌گذارد.

شکل 4 – نمودارهای تاثیر اندازه سنگدانه بر نفوذپذیری خمیر سیمان

نفوذپذیری بتن را می‌توان با استفاده از آزمایش های متعددی بدست آورد، لیکن نتایج بیشتر نسبی می‌باشند. در اغلب این آزمایش‌ها اطراف نمونه بتنی پوشانده می‌شود و آب تحت فشار به سطح بالایی آن اعمال می‌شود. وقتی شرایط جریان پایدار پدید آمد، که این امر در بتن‌های کم نفوذ ممکن است چندین روز طول بکشد، مقدار آبی را که از ضخامت معینی بتن در مدت زمان مشخص عبور می‌کند، اندازه‌گیری می‌کنند. نفوذپذیری بتن در مقابل آب بصورت ضریب نفوذپذیری با قرار دادن مقادیر اندازه‌گیری شده در رابطه دارسی محاسبه می‌گردد.

آزمایش دیگری جهت تعیین جذب آب سطحی ارائه شده است (ISAT). جذب آب سطحی به صورت مقدار جریان آب در واحد سطح بتن، بعد از زمانی معین و تحت اثر بار ثابت و دمای مشخص تعریف می‌گردد.

شکل 5 – آزمایش نفودپذیری بتن

در روش دیگری مقدار جذب آب حجمی بتن اندازه گیری می‌شود. بدین منظور نمونه بتنی ابتدا خشک شده و سپس در داخل آب کاملا غوطه ور می‌شود. مقدار آب جذب شده توسط نمونه از روی تغییر در وزن آن در فواصل زمانی مشخص اندازه گیری می‌شود. دمای خشک کردن نمونه، طول مدت خشک کردن، و فواصل زمانی اندازه گیری در استانداردهای مختلف متفاوت است.

در روش جذب آب مویینه، نمونه بتنی ابتدا خشک شده، سپس همه وجوه آن بجز یکی کاملا پوشانده شده و وجه آخر تا 3 میلی‌متر داخل آب قرار داده می‌ شود. مقدار آب جذب شده توسط نمونه از روی تغییر در وزن آن در فواصل زمانی مشخص اندازه گیری می‌شود.

شکل  6 – آزمایش نفودپذیری بتن

بدلیل آنکه آب بر روی ریزساختار بتن تاثیر گذاشته و آن را تغییر می‌ دهد، لذا آزمایش های تعیین نفوذپذیری به وسیله آب ذاتا دارای خطا هستند. بدین منظور در بعضی آزمایش های تعیین نفوذپذیری از سیالات دیگر نظیر هوا یا گاز نیتروژن استفاده می‌شود.

یکی از روش های متداول برای اندازه گیری نفوذپذیری و تخلخل خمیر سیمان یا بتن روش تخلخل سنجی نفوذ جیوه (MIP) است. در روش MIP جیوه با فشار بالا به داخل فضاهای مویینه داخل بتن وارد می‌شود. ابعاد و اندازه فضاهای خالی از روی فشار لازم برای وارد کردن مقدار مشخصی جیوه به داخل آن‌ها و نیز کشش سطحی جیوه تعیین می‌شود.

منبع: جزوه تکنولوژی عالی بتن دکتر رمضانیان پور