ترک ها در بتن

بتن به­ عنوان مصالحی با دوام در بسیاری از سازه­ ها مانند ساختمان ­ها، سدها، پل­ ها و … به‌کار رفته است. سازه­ های بتنی در مدت بهره ­برداری در اثر عوامل مخرب فیزیکی، شیمیایی و مکانیکی مختلفی قرار می­ گیرند و باعث ایجاد خرابی­ هایی در سازه می­ شوند. شروع خرابی در سازه ­های بتنی با ایجاد ترک در بتن همراه است. برای آشنایی با ترک ها در بتن با ما همراه باشید.

شکل­ گیری ترک ­ها در بتن دلایل زیادی دارند که ممکن است فقط به‌صورت ظاهری مشاهده و یا باعث کاهش دوام سازه شوند. بروز ترک شروعی برای مشکلات جدی­ تر است؛ که این مشکلات بستگی به نوع ترک و ماهیت آن دارند؛ برای مثال، ترکی که ممکن است در یک ساختمان مورد قبول باشد؛ در یک سازه مخزن آب غیرقابل‌قبول است. بعد از شناسایی ترک، برای حفظ قابلیت سرویس­ دهی، افزایش مدت بهره­ برداری و عمر مفید سازه، می­ بایست خرابی­ های ایجادشده به­ خصوص ترک­ ها ترمیم گردند. درواقع، تشخیص نوع ترک پیش­ نیازی برای تعیین روش ترمیم است که بررسی علت وقوع و راهکار­های جلوگیری از گسترش آن بسیار اهمیت دارند.

انواع ترک در بتن

ترک­ ها در دو حالت؛ بتن پلاستیک و سخت شده موردبررسی قرار می­گیرند. در ایجاد ترک­ های سازه ­های بتنی، روش طراحی، ارائه جزئیات، روش ساخت، طرح مخلوط بتن و کیفیت مصالح مصرفی اهمیت بسیاری دارند. بدین منظور بر اساس زمان شکل­ گیری، ترک­ های ایجادشده مطابق زیر تقسیم­ بندی می­ شوند:

مرحله پلاستیک (در حین اجرا و جایگیری در قالب)

• جمع­ شدگی پلاستیک (Plastic Shrinkage)
• نشست پلاستیک (Plastic Settlement یا Differential Settlement of Staging Supports)

مرحله سخت شدگی (از هفته اول سن بتن تا 28 روزگی آن)

• مقید بودن در حرکت زودهنگام ناشی از تغییرات حرارتی (Constraint to Early Thermal Movement)
• جمع­­ شدگی کوتاه‌مدت ناشی از خشک شدن (Drying Shrinkage)
• تفاوت نشست در تکیه­ گاه­ ها (Differential Settlement Of Supports)

مرحله مقاوم شدگی­ (پس از سن 28 روز و در حالت سرویس­ دهی)

• اضافه‌بار (Over Load)
• طراحی دسته پایین (Under-Design)
• عدم دقت در ساخت (Inadequate Construction)
• عدم دقت کافی در جزئیات (Inadequate Detailing)
• نشست متفاوت در فونداسیون (Differential Settlement of Foundations)
• حملات سولفاته روی سیمان (Sulphate Attack on Cement in Concrete)
• زنگ زدن میلگرد (Rusting of Reinforcement)
• واکنش قلیایی­ های داخل سیمان با سنگ‌دانه (Alkali-Aggregate Reaction)
• ترک­ های ناشی از ساخت، حمل و نصب در قطعات پیش­ ساخته و یا در اعضای بتن مسلح

(Fabrication, Shipment and Handling Cracks in Precast Prestressed or RC Members)

• ترک­ های موزاییکی (Crazing)
• ترک­ های ناشی از آب‌وهوا (Weathering Crack)
• ترک­ های بلندمدت تحت جمع­ شدگی ناشی از خشک شدن (Drying Shrinkage)

در ادامه به بررسی انواع ترک ­ها در بتن پرداخته می­ شود.

1- ترک­ خوردگی در بتن پلاستیک

1-1- ترک ناشی از جمع ­شدگی پلاستیک

ترک­ های ناشی از جمع­ شدگی پلاستیک زمانی رخ می ­دهند که نرخ تبخیر رطوبت از سطح بتن تازه سریع­ تر از جایگزینی آن باشد؛ سطح بتن با توجه به مقاومت بتن زیر لایه سطحی که در حال خشک شدن است دچار جمع­ شدگی می­ شود و با توسعه تنش کششی در بتن پلاستیک در حال سخت شدن؛ این پدیده منجر به شکل­ گیری ترک­ های کم­ عمق مختلف می­ شود. شکل­ گیری ترک‌خوردگی ناشی از جمع شدگی پلاستیک معمولاً با ترکیب عواملی چون از دست­ دادن سریع رطوبت ناشی از دمای بالای هوا و بتن، رطوبت نسبی کم و سرعت بالای باد در سطح بتن رخ می­ دهد.

این ترک­ ها ممکن است به‌صورت تصادفی از یک الگوی چندضلعی یا موازی یکدیگر تشکیل شوند. ترک­ های ناشی از جمع شدگی پلاستیک روی سطوح بتن به‌طورمعمول با عرض ۳ میلی‌متر گسترش می‌یابند. طول این ترک­ ها از چند اینچ تا چند فوت با فواصل چند میلی‌متر تا ۳ متر و به‌صورت مجزا هستند. ترک ناشی از جمع ­شدگی پلاستیک به‌عنوان یک ترک کم ­عمق شروع به شکل­ گیری می­ نماید اما توانایی تبدیل به یک ترک عمیق و سرتاسری در بتن را دارد. شکل 1 نمونه­ ای از ترک ناشی از جمع­ شدگی پلاستیک را نشان می ­دهد.

بتن با مقدار آب آزاد کم و بتن­ های حاوی مواد افزودنی معدنی (به­ خصوص دوده سیلیس) تمایل بیشتری به جمع­ شدگی پلاستیک نسبت به بتن­ های با مقدار آب آزاد بالا دارند؛ علت اصلی شکل ­گیری ترک ناشی از جمع­ شدگی پلاستیک تغییرات حجم بتن است. روش موفق در مهار شکل­ گیری این نوع ترک، کاهش در تغییر حجم نسبی بین سطح بتن و بقیه قسمت­ های آن است. راهکارهایی از قبیل؛ استفاده از نازل که جهت اشباع کردن برای عمل‌آوری و کیفیت سطح بتن، پوشش ­های پلاستیکی برای سطح بتن پس از اتمام پرداخت سطح نهایی، بادشکن جهت کاهش باد، چادر و سایه­ بان جهت کاهش درجه حرارت سطح.

2-1- ترک ناشی از نشست پلاستیک

بتن پس از جایگیری اولیه در قالب به دلیل خاصیت سیالی آن به تراز شدن تمایل دارد. پس از تراکم و پرداخت نهایی سطح؛ در طول این دوره بتن پلاستیک ممکن است در جهت جایگیری، در محدوده­ای با میلگردها یا قالب مواجه شود که باعث شکل‌گیری فضای خالی، ترک یا هر دو در کنار عامل محدود‌کننده می­ شود. افزایش قطر میلگرد، افزایش اسلامپ و کاهش پوشش مقاطع بتنی باعث افزایش این نوع ترک­ ها می‌گردد. افزودن الیاف باعث کاهش ترک­ های ناشی از نشست می ­شوند. شکل 2 نمونه ­ای از ترک ناشی از نشست پلاستیک را نشان می­ دهد.

 

2- ترک ­خوردگی در بتن سخت شده

1-2- ترک ناشی از جمع­ شدگی تحت خشک شدن

علت شایع ترک­ خوردگی در انواع جمع­ شدگی­ ها، در تنش‌های وارده بر اثر جمع­­ شدگی ناشی از خشک شدن است؛ خشک شدن ناشی از دست دادن رطوبت از خمیر سیمان می‌تواند منجر به جمع­ شدگی به‌اندازه 1 درصد شود که با مقاومت داخلی مصالح این مقدار به 06/0 درصد کاهش می­ یابد. به‌عبارت‌دیگر بتن با جذب رطوبت، ازلحاظ ابعادی پایدار نمی­ ماند و تمایل به انبساط و افزایش حجم دارد که این حجم معادل کاهش حجمی است که ناشی از دست دادن رطوبت است. این تغییرات حجم ناشی از مشخصه ذاتی بتن است. بتن در محیط­ های غیراشباع، به علت خروج آب از منافذ ژل C-S-H خمیر سیمان دچار تغییرشکل ناشی از خشک ­شدن می­ شود [2].

اگر در بتن بدون ایجاد تنش و مقاومت جمع­ شدگی رخ دهد، ترک ایجاد نمی­ شود؛ درواقع، بتن آزادانه بدون قیدی حرکت کند، تنشی برای ایجاد ترک اتفاق نمی­ افتد؛ زیرا این ترک­ ها به علت ترکیب اثر جمع­ شدگی و مقاومت داخلی است که باعث شکل­ گیری مقاومت کششی و ایجاد یا گسترش ترک می­ شوند. چنانچه تنش کششی ایجادشده از مقاومت مجاز کششی بتن بیشتر باشد، بتن ترک خواهد خورد. در مقاطع بتنی با سطح گسترده، تنش­ های کششی به دلیل اختلاف جمع­ شدگی در سطح و داخل بتن رخ می‌دهند. مقدار زیاد جمع­ شدگی­ در سطح بتن باعث بروز ترک شده و گذشت زمان باعث افزایش عمق آن می‌شود. شکل 3 نمونه­ ای از ترک ناشی از جمع­ شدگی را نشان می­ دهد.

میزان تنش ­های کششی ناشی از تغییر حجم تحت تأثیر ترکیبی از عوامل مانند؛ مقدار و میزان جمع­ شدگی، مقاومت داخلی، مدول الاستیسیته و مقدار خزش است. همچنین، مقدار جمع ­شدگی ناشی از خشک شدن به مقدار، نوع سنگ‌دانه، خمیر سیمان، نسبت آب به سیمان مخلوط بتن و میزان رطوبت محیط مربوط است. هرچه مقدار و سختی سنگ‌دانه افزایش یابد، با توجه به ثبات حجمی سنگ‌دانه و ایجاد موانع داخلی، مقدار جمع­ شدگی کاهش خواهد یافت. افزایش رطوبت محیط باعث کاهش سرعت نسبی خروج رطوبت از قسمت­ های داخلی به سطح بتن می­ گردد.

2-2- ترک ناشی از تنش ­های حرارتی

به دلیل از دست­ دادن گرمای هیدراتاسیون سیمان با سرعت­ های متفاوت در قسمت­ هایی از سازه یا سرد و گرم­ شدن قسمتی از سازه نسبت به سایر قسمت­ ها، اختلافات دمایی درون یک سازه به وجود می­ آیند. این تفاوت ­های دمایی منجر به تغییرات حجم می‌شوند و هنگامی‌که فشارهای کششی ناشی از تغییرات حجم بیش از مقاومت کششی باشد بتن ترک می­ خورد.

اختلاف دما به همراه تغییرات حجم ناشی از توزیع گرمایی هیدراتاسیون سیمان معمولاً با بتن حجیم مرتبط هستند؛ به‌طوری‌که بتن های حجیم شامل ستون­ های بزرگ، پایه‌ها، تیرها، فونداسیون و همچنین سدها هستند. درحالی‌که تغییرات دمایی ناشی از تغییر در دمای محیطی هر سازه­ ای را می­ تواند تحت تأثیر قرار دهد.

ترک­ خوردگی­ ها در بتن حجیم می­تواند ناشی از دمای بالاتر در قسمت داخلی بتن نسبت به سطح خارجی آن باشند. این گرادیان دمای ایجادشده به دلیل گرم شدن بیش‌ازحد مرکز بتن نسبت به بیرون آن، آزاد شدن گرما در حین هیدراتاسیون سیمان و یا سرد شدن سریع­ تر قسمت بیرونی نسبت به قسمت داخلی است. هر دو حالت ذکرشده باعث ایجاد تنش کششی در قسمت خارجی سطح بتن می­ شود و اگر این میزان بیشتر از مقاومت کششی باشد بتن دچار ترک‌خوردگی می ­شود.

به‌منظور کمک در راستای کاهش ترک‌خوردگی بتن ناشی از تنش حرارتی می­توان از سه روش­ اصلی زیر استفاده کرد:

• کاهش حداکثر دمای داخلی
• ایجاد تأخیر در شروع عملیات خنک‌سازی
• افزایش توان کششی بتن

روش ­های دیگر موجود برای مقابله با این نوع ترک­ ها که برای کاهش ترک‌خوردگی در بتن حجیم استفاده می‌شوند در ACI 207.1R، ACI 207.2R، ACI 207.4R و ACI 224R ارائه‌شده‌اند. شکل 4 نمونه­ ای از ترک ناشی از تنش ­های حرارتی را نشان می­ دهد.

بتن سخت شده دارای ضریب انبساط حرارتی در محدوده ۶ تا ۱۳ میکرون بر درجه سانتی­ گراد و میزان معمول 10 میکرون بر درجه سانتی­ گراد است. هنگامی‌که قسمتی از یک سازه تحت تغییرات حجم ناشی از دما قرار می­ گیرد احتمال ترک‌خوردگی ناشی از تنش­ های حرارتی وجود دارد. گرادیان دما منجر به انحراف و چرخش در قسمت­ های سازه می‌شود؛ بنابراین اگر سازه ­ای دارای قید باشد تنش­ های شدیدی در سازه ایجاد می‌شوند (ACI 343R). یکی از راهکارهای جلوگیری از این اتفاق؛ فراهم ساختن امکان حرکت سازه با استفاده از درزهای انقباض که به‌طور مناسب طراحی‌شده­ اند. با محافظت از اتصالات در سازه­ ها و اجرای دقیق جزئیات می‌توان این مشکلات را هموار نمود.

3-2- ترک ناشی از واکنش­ های شیمیایی

واکنش­ های شیمیایی مخرب بتن ممکن است باعث ترک‌خوردگی آن شوند؛ این واکنش ­ها می­ توانند ناشی از مصالح مصرفی بتن یا مواد در تماس با بتن سخت شده باشند. برخی مفاهیم اصلی برای کاهش واکنش­ های شیمیایی مخرب در این قسمت ارائه‌شده اند.

بتن ممکن است با گذشت زمان ترک بخورد؛ این موضوع نتیجه توسعه واکنش­ های انبساطی بین قسمت­ هایی از بتن که حاوی قلیایی­ ها و سیلیکات­ های فعال ناشی از هیدراتاسیون سیمان هستند؛ همچنین وجود منابع خارجی دیگر مانند آب­ های زیرزمینی، مواد شیمیایی ضد یخ مصرفی و محلول­ های قلیایی می ­تواند این واکنش­ های انبساطی را به وجود آورد. واکنش ­های قلیایی به دو دسته قلیایی-سیلیسی و قلیایی-کربناتی تقسیم می شود.

زمانی که قلیایی­ های موجود در سیمان (Na₂O و K₂O) با کانی­ های سیلیسی سنگ‌دانه‌ها واکنش می­ دهند؛ ژل­ های قلیایی-سیلیسی داخل صفحات ضعیف بتن، در منافذ (جایی که سیلیس فعال وجود داشته باشد) و سطح ذرات سنگ‌دانه‌ها تشکیل می­ شوند؛ اگر این قسمت در معرض رطوبت قرار گیرد؛ انبساط یافته و منجر به افزایش حجم بتن، ترک‌خوردگی و درنهایت باعث تخریب کامل سازه می­ شود. شکل 5 نمونه­ ای از ترک ناشی از واکنش قلیایی-سیلیسی را نشان می­ دهد. ترک­ های ایجادشده تحت واکنش قلیایی-سیلیسی می­ تواند در محدوده عرض 1/0 میلی ­متر تا طول 10 میلی­ متر در حالت­های عادی باشد. این ترک­ ها به­ ندرت بیش از 25 میلی­ متر تا حداکثر 50 میلی­ متر عمق دارند. این ترک­ ها تأثیر زیادی در مقاومت فشاری ندارند ولی باعث نفوذ عوامل مضر در بتن می­ شوند.

واکنش قلیایی-سیلیسی فقط باوجود آب رخ می ­دهد که برای ادامه واکنش، رطوبت نسبی داخل بتن در دمای 20 درجه سانتی­ گراد باید 85 درصد باشد. در دمای زیادتر واکنش می­تواند در رطوبت نسبی کمتر اتفاق می‌افتد. افزایش دما قابلیت انحلال سیلیس را افزایش می ­دهد.

با توجه به اینکه حضور آب برای انجام این واکنش­ ها ضروری است، بهترین اقدام برای توقف این واکنش، خشک نمودن سطح بتن و جلوگیری از تماس با آب است. اقدامات کنترلی دیگر شامل استفاده از سنگ‌دانه‌های غیرفعال، سیمان با مقدار کم قلیایی و پوزولان­ های حاوی ذرات سیلیس فعال هستند. اولین اقدام می ­تواند مانع ایجاد مشکل شود؛ درحالی‌که دو اقدام دیگر باعث کاهش اثر فعالیت قلیایی سیلیسی است که منجر به تشکیل کلسیم سیلیکات هیدراته غیرقابل انبساط می­ شود. تر و خشک­ شدن متناوب در بتن، مهاجرت­ های قلیایی را از نقاط مرطوب به خشک تشدید می کند.

دیگر واکنش موجود، واکنش مخرب قلیایی-کربناتی است. سنگ‌دانه‌های کربناتی با مواد قلیایی واکنش می ­دهند که در برخی موارد انبساط باعث ترک‌خوردگی می­ شود. واکنش ­های مخرب قلیایی-کربناتی معمولاً مربوط به سنگ‌آهک‌های دولومیت مانند خاک رس هستند (ACI 201.2R). بتن تحت این واکنش­ ها دارای ترک ­های گسترده­ ای خواهد شد.

این مشکل می­ تواند با پرهیز از سنگ‌دانه‌های فعال، کاهش درصد مصرف سنگ‌دانه‌های واکنش­ پذیر به‌وسیله اختلاط با سنگ‌دانه غیرفعال، استفاده از مصالح سنگی با حداکثر اندازه ذرات کوچک­تر و استفاده از سیمان با مقدار کم قلیایی کاهش پیدا کند (ACI 201.2R).

سولفات­ های موجود در آب و خاک مشکلات اساسی در دوام بتن ایجاد می­ کنند. معمولاً سولفات سدیم، پتاسیم، منیزیم و کلسیم که در خاک و آب هستند؛ نمک ­های جامد به‌صورت محلول می توانند با خمیر هیدراته شده واکنش دهند. هنگامی­ که سولفات به داخل خمیر سیمان راه می­ یابد با کلسیم آلومینات تماس پیدا می­ کند که باعث تشکیل کلسیم سولفور آلومینات می­ شود و منجر به افزایش حجم شود. این افزایش حجم باعث توسعه ترک­ هایی در فضای خالی کم شده و درنهایت بتن را تخریب می­ کند. شکل 6 نمونه ­ای از ترک ناشی از حمله سولفاتی را نشان می­ دهد.

سولفات سدیم و منیزیم آثار مخرب­ تری روی بتن دارند. حمله سولفات­ ها به بتن نه‌تنها باعث ترک‌خوردگی می­ شود؛ بلکه به دلیل از بین رفتن پیوستگی خمیر هیدراته شده و چسبندگی سیمان به سنگ‌دانه‌ها باعث افت مقاومت و دوام بتن می­ گردد. بتن پس از در معرض قرار گرفتن حمله­ های سولفاتی، رنگ سفید دارد و خساراتی که معمولاً از لبه­ ها و گوشه­ ها شروع می­ شوند و با ترک‌خوردگی تدریجی، بتن را به حالتی ترد و نرم تبدیل می­ کنند.

سیمان­ های مقاوم در برابر سولفات که در ASTM C595 و ASTM C1157 ذکرشده‌اند، در بهبود مقاومت در برابر سولفات مؤثر هستند؛ همچنین استفاده از پوزولان­ ها­ باعث افزایش مقاومت در برابر حملات سولفاتی می ­شوند. نسبت آب به سیمان پایین در جلوگیری از حمله شدید سولفاتی مؤثر است.

در اثر استفاده از نمک ­های ضد یخ در سطح بتن سخت شده، شرایط ویژه­ای ایجاد می ­شوند. کلرایدهای موجود در مواد شیمیایی ضد یخ می­ توانند به داخل بتن نفوذ کنند و مقاومت در برابر خوردگی را کاهش دهند. از آنجایی‌که محصولات ناشی از خوردگی حجم بیشتری نسبت به فلز اصلی دارد؛ خوردگی می­ تواند باعث پوسته شدگی و ترک خوردن بتن شود. افزودنی های ضد یخ همچنین بتن را مستعد آسیب­ های ناشی از یخ زدن و آب شدن می­ کند.

برای حداقل کردن اثرات ناشی از این عوامل مخرب، بتنی که در معرض نمک ­های قابل انحلال در آب قرار دارد باید هوازایی شود. در صورت داشتن پوشش کافی از فولاد تقویت‌کننده و استفاده از بتن باکیفیت، دوام بالا و نفوذپذیری پایین اثرات مخرب محدود می­ گردد. اثر این ­ها و سایر مشکلات مربوط به دوام بتن با جزئیات بیشتر در ACI 201.2R آمده است.

در صورت حضور کربن دی­ اکسید در هوا، کلسیم سیلیکات هیدراته و کلسیم هیدروکسید در خمیر سیمان با آن در مجاورت رطوبت ترکیب و باعث تشکیل کلسیم کربنات می­ شوند؛ هنگامی‌که این واکنش رخ می‌دهد، بتن تحت جمع­ شدگی کربناتاسیونی قرار می‌گیرد که می‌تواند منجر به شبکه‌های از ترک­ های ریز در سطح بتن شوند. عامل اصلی این واکنش ­زایی اسیدکربنیک است زیرا کربن دی­اکسید گازی شکل واکنش­زا نیست.

کربناته شدن به‌خودی‌خود باعث گسیختگی بتن نمی­شود اما باعث کاهش PH بتن می­شود که این کاهش در PH می­تواند باعث حل شدن لایه اکسید محافظ میلگردهای موجود در بتن شود و در صورت وجود اکسیژن و رطوبت کافی خوردگی اتفاق می‌افتد. علاوه بر این سطوح تازه بتنی که در معرض کربن دی‌اکسید حاصل از تهویه نامناسب گرم­کن­ های احتراق در ۲۴ ساعت اولیه قرار دارد، مخصوصاً در فصل زمستان که برای گرم نگه‌داشتن بتن به کار می­رود، مستعد کربناتاسیون هستند.

4-2- ترک ناشی از شرایط آب و هوایی

فرآیندهای فرسایشی در اثر هوا می‌توانند منجر به ترک‌خوردگی شوند؛ فرآیندهایی شامل چرخه­ های ذوب و انجماد، خشک شدن و سرد و گرم شدن هستند. آسیب ناشی از چرخه ذوب و انجماد در شرایط فیزیکی نامساعد آب و هوایی از بقیه موارد رایج‌تر است. بتن ممکن است با یخ بستن آب موجود در خمیر یا توده بتن آسیب ببیند. آسیب ناشی از یخ‌زدگی در بتن سخت شده در اثر حرکت آب به سمت نواحی یخ‌زده و برای حفره ­های آبی بزرگ­تر در اثر فشار هیدرولیکی تولیدشده از رشد بلوره‌های یخ ایجاد می‌شود. ذرات سنگ‌دانه توسط خمیر سیمان احاطه می‌شوند که از فرار سریع آب جلوگیری می‌کند. هنگامی‌که سنگ‌دانه‌ها دارای رطوبت بیش از درجه اشباع باشند، انبساط آب جذب‌شده در طول یخ‌زدگی ممکن است موجب ترک خوردن خمیر سیمان احاطه‌کننده شود یا به خود سنگ‌دانه‌ها آسیب بزند. در شکل 7 نمونه ­ای از ترک ناشی از چرخه­ های ذوب و انجماد مشاهده می ­شود.

بهترین راه حفاظت از سیمان در برابر چرخه ذوب و انجماد، استفاده از کمترین نسبت آب به سیمان اجرایی، حداقل مقدار کل آب و هوازایی کافی است. نگهداری و عمل‌آوری کافی پیش از قرار گرفتن در شرایط یخ‌زدگی نیز اهمیت دارند.

سایر فرآیندهای فرسایش در اثر هوا که می‌توانند منجر به ترک خوردن بتن شوند عبارت‌اند از خشک شدن با گرم و سرد شدن که هردوی این فرآیندها باعث تغییرات حجمی می‌شوند که می‌توانند با تغییر حجم زیاد منجر به ترک‌خوردگی شوند.

5-2- ترک ناشی از خوردگی

خوردگی یک فلز عبارت است از یک فرآیند الکتروشیمیایی که به یک عامل اکسیدکننده، رطوبت و جریان الکترون در فلز نیاز دارد. یک سری واکنش‌های شیمیایی روی سطح فلز رخ می‌دهند که باعث ایجاد خوردگی می‌شود (ACI 201.2R, ACI 222R). راه حفاظت از فلز در برابر خوردگی جلوگیری یا برگشت ­پذیر کردن واکنش­ های شیمیایی است. این کار می‌تواند از طریق قطع منبع اکسیژن یا رطوبت و یا از طریق تأمین الکترون­ های اضافی در آن به‌منظور جلوگیری از ایجاد یون­ های فلزی انجام شود. به این روش حفاظت کاتدی گفته می­ شود.

میلگردها معمولاً در ابتدا در بتن دچار خوردگی نمی­ شوند؛ زیرا یک پوشش اکسیدی محافظت­ کننده با چسبندگی بالا در محیط شدیداً قلیایی شکل می ­گیرد که به‌عنوان حفاظت غیرفعال شناخته می ­شود، بااین‌وجود اگر خاصیت قلیایی بتن از طریق کربناتاسیون کاهش یابد یا تخریب فولاد توسط یون­ های مهاجم (معمولاً کلرایدها) رخ دهد، میلگردها ممکن است خورده شوند. خوردگی فولاد، اکسید و هیدروکسید آهن تولید می‌کنند که حجمی بسیار بیشتر از حجم فلز آهن اصلی دارند. این افزایش حجم منجر به تنش‌های زیادی اطراف میلگردها شده و باعث ایجاد ترک ­های شعاعی موضعی می ­شوند. این ترک‌های جداکننده می‌توانند در طول میلگرد رشد کنند و باعث تشکیل ترک­ های طولی در راستای میله، پوسته‌پوسته شدن و قلوه­ کن شدن بتن شوند. یک ترک گسترده نیز ممکن است در صفحه میله­ ها موازی با سطح بتن شکل بگیرد و منجر به لایه‌لایه شدن شود که یک مشکل متداول در کف پله­ ها است. در این مرحله مقاومت عضو به مقدار زیادی کاهش می­ یابد و عمر مفید سازه کاهش پیدا می­ کند.

ترک­ ها دسترسی به اکسیژن، رطوبت و کلرایدها را بالا می‌برند؛ بنابراین ترک­ های طولی کوچک می ­توانند شرایطی فراهم کنند که در آن خوردگی و رشد ترک با سرعت بیشتری رخ دهند. اگر نفوذپذیری بتن پایین باشد، ترک‌های عمود بر میلگرد نمی‌توانند باعث خوردگی مداوم شوند. بخشی از میلگرد که در معرض ترک قرار دارد به‌عنوان آند عمل می‌کند.

آرماتور می‌تواند با توجه شرایط محیطی مختلف وضعیت­ های متفاوتی داشته باشد:

• وضعیت خوردگی غیرفعال: در سازه­ های که در معرض هوا قرار دارند و اکسیژن به‌اندازه کافی در محیط بتن وجود دارد؛ همچنین لایه محافظ بر روی سطح آرماتور تشکیل می ­شود. این وضعیت در سازه‌های قرارگرفته که دور از ساحل و دریا و کاملاً بالاتر از سطوح آب زیرزمینی و به‌دوراز تماس با خاک اتفاق می­ افتد.
• وضعیت خوردگی حفره ­ای: زمانی که یون­ های کلر به سطح آرماتور رسیده و لایه محافظ شکل‌گرفته روی آن از بین رفته باشد، خوردگی از نوع حفره­ ای رخ می ­دهد. در این حالت برای اینکه خوردگی توسعه یابد نیاز به اکسیژن در محیط بتن وجود دارد؛ این خوردگی در سازه‌های قرارگرفته در ناحیه جزر و مدی رخ می‌دهد. رطوبت موردنیاز برای این وضعیت بین ۸۰ تا ۹۰ درصد است که بستگی به مشخصات و خواص بتن دارد.
• وضعیت خوردگی یکنواخت: این نوع خوردگی در مناطقی رخ می‌دهد که به علت شرایط آب و هوایی و محیطی خاص کربناتاسیون شدت زیادی دارد و PH بتن براثر پدیده کربناتاسیون کاهش‌یافته است. این خوردگی در نقاطی که آب از یک سمت جذب بتن می ­شود و از سمت دیگر تبخیر شده و اثر خود را روی بتن جا می‌گذارد، اتفاق می‌افتد. نمونه اجرایی آن در قسمت پایین ستون­ ها است.
• وضعیت فعال بدون حضور اکسیژن: در سازه­ ای به وجود می‌آید که مغروق در آب دریا بوده و یون کلر به سطح آرماتور رسیده است ولی به دلیل عدم وجود اکسیژن کافی در محیط بتن لایه محافظ شکل نمی­ گیرد. در این حالت باوجود امکان ایجاد مقدار پتانسیل زیاد در بتن، خوردگی بسیار ناچیز است.

در سال­ های اول، خوردگی موضعی رخ می‌دهد؛ هرچه ترک پهن ­تر باشد خوردگی بیشتر است؛ زیرا بخش بیشتری از میلگرد حفاظت غیرفعال خود را ازدست‌داده است. بااین‌وجود برای رخ دادن خوردگی مداوم، اکسیژن و رطوبت باید برای سایر بخش‌های میلگردها که با تماس مستقیم یا با استفاده از ادواتی ازنظر الکتریکی متصل هستند، تأمین شود. اگر ترکیب چگالی و ضخامت پوشش برای محدود کردن جریان اکسیژن و رطوبت کافی باشد، فرآیند خوردگی خودبه‌خود قطع می‌شود.

اگر به دلیل از دست رفتن حفاظت غیرفعال و در دسترس بودن اکسیژن و رطوبت در تمام طول ترک، ترک‌های طولی ایجاد شوند، خوردگی می‌تواند ادامه پیدا کند. سایر دلایل ایجاد ترک‌های طولی نیز می‌تواند منجر به آغاز خوردگی شوند. به‌طورکلی برای ساخت بتن بهترین راه حفاظت در برابر قلوه‌کن شدن­ های ناشی از خوردگی، استفاده از بتن با نفوذپذیری پایین و پوشش کافی است. افزایش پوشش میلگرد از طریق محدود کردن کربناتاسیون و همین‌طور اکسیژن، رطوبت و کلرایدها، فرآیند خوردگی را به تأخیر می‌اندازند و همین‌طور در مقاومت در برابر قلوه ­کن شدن و لایه‌لایه شدن ناشی از خوردگی یا تنش کششی عمودی مؤثر است. در مورد میلگردهای بزرگ و پوشش ­های ضخیم ممکن است نیاز به افزودن میلگردهای تقویت‌کننده عمودی کوچک با حفظ حداقل نیازمندی‌های پوشش باشد تا قلوه‌کن شدن را محدود کند و پهنای ترک ثبتی را کاهش دهد (ACI 345R).

در شرایط خورنده شدید، ممکن است اقدامات حفاظتی اضافی لازم باشند. برخی گزینه‌ها عبارت‌اند از میلگردهای پوشش‌دار، بتونه کردن سطوح روکش کنترل خوردگی روی بتن، فرآیندهای بازدارنده خوردگی و حفاظت کاتدی. درواقع؛ هر روشی که به‌طور مؤثر از دسترسی اکسیژن و رطوبت به سطح فولاد جلوگیری یا جریان الکترون را در آن برعکس کند از فولاد حفاظت می‌کند. در اغلب موارد باید اجازه داد آب بتن تبخیر شود. در شکل 8 ترک ناشی از خوردگی میلگرد در پایه پل مشاهده می ­شود.

6-2- ترک ناشی از ساخت بی­ کیفیت

روش­ های ساخت ضعیف و بی­ کیفیت می­ توانند منجر به ترک در سازه‌های بتنی شوند. مهم ­ترین این موارد، روش متداول افزودن آب به بتن به‌منظور بهبود عملکردی و کارایی آن است. آب افزوده‌شده مقاومت را کاهش داده و نشست و جمع­ شدگی ناشی از خشک شدن را افزایش می­ دهد. این افزایش آب هنگامی‌که با میزان سیمان بیشتر به­ منظور جبران کاهش مقاومت همراه شود، به معنای تفاوت دمایی بین بخش‌های داخلی و خارجی سازه خواهد بود که منجر به افزایش تنش­ های حرارتی و امکان ایجاد ترک می‌شود. علاوه بر این با افزودن مواد سیمانی حتی اگر نسبت آب به سیمان ثابت بمانند جمع شدگی بیشتری روی خواهد داد؛ زیرا حجم خمیر افزایش‌یافته است.

عدم نگهداری و عمل‌آوری صحیح، ترک سازه بتنی را افزایش خواهد داد. پایان دادن زودهنگام به عمل‌آوری بتن، درزمانی که خمیر مقاومت کافی ندارد منجر به افزایش جمع شدگی می‌شود. همچنین عدم هیدراتاسیون کافی سیمان، نه‌تنها موجب کاهش مقاومت در درازمدت می‌شود بلکه دوام سازه را نیز کاهش می­ دهد.

7-2- ترک ناشی از اضافه‌بار در حین ساخت

بارهای وارد بر سازه در حین ساخت اغلب می‌توانند از بارهایی که هنگام بهره­ برداری استفاده می‌شوند، شدیدتر باشند. متأسفانه این شرایط ممکن است در سال‌های اولیه رخ دهد که بتن بیش از همیشه مستعد صدمه خوردن است و غالباً منجر به ترک ­های دائمی خواهند شد.

اعضای پیش‌ساخته مانند تیرها و قاب­ ها دائماً در معرض این مشکل هستند. یک خطای متداول زمانی رخ می‌دهد که اجزای پیش‌ساخته به‌طور مناسب حین انتقال و نصب پشتیبانی نشده­ اند. استفاده از نقاط باربرداری متداول یا دلخواه ممکن است منجر به آسیب شدید شود. طراح باید دهانه­ ها، میخ­ ها و سایر ملحقات باربرداری را با جزئیات بیان یا تأیید کند. هنگامی‌که تکیه­ گاه­ های باربرداری غیرکاربردی هستند، دسترسی به کف عضو باید میسر باشد و برای این کار می‌توان از تسمه استفاده کرد. انجمن PCI در معیارهای عملکرد کنترل کیفیت، اطلاعاتی را در رابطه با دلایل حفاظت و ترمیم ترک­ های مربوط به ساخت، انتقال تیرها، ستون ­ها، دال های توخالی و پیش‌ساخته و پیش کشیده فراهم کرده است.

در هنگام باربرداری، یک تیر یا قاب بزرگ که سریع پایین آورده شود یا به‌طور ناگهانی متوقف شود، باعث ایجاد بار ضربه ­ای می ­شود که چندین برابر وزن معمولی آن عضو است.

هنگام انتقال اعضای پیش ­ساخته، طراح باید از بارهایی که ممکن است در طول جابجایی وارد شود آگاه باشد. مثال­ هایی از این موارد که در طول انتقال اعضای پیش‌ساخته بزرگ توسط جرثقیل یا تریلی رخ می­ دهند عبارت­ اند از؛ بالا پایین پریدن زنجیرها یا محل­ های تنگ عبوری در آزادراه ­ها، پیچش ناشی از تغییر مسیر خودرو، افزایش ارتفاع زیاد بین تریلی و جرثقیل.

در تیرهای پیش ­تنیده، معمولاً هنگامی‌که تیرها کمتر از یک روز از ساختشان می­گذرند، می ­توانند مشکلات ترک‌خوردگی بزرگی در هنگام آزاد کردن تنش ایجاد کنند. چند رشته از کابل­ های پس کشیده باید با رعایت الگوی مشخص آزاد شوند تا از بارهای غیرعادی و غیرقابل‌قبول روی یک عضو خودداری شود. اگر تمامی کابل­ های پس کشیده در یک سمت تیره آزاد شوند درحالی‌که کابل ­های سمت دیگر همچنان تحت تنش هستند، ممکن است در سمتی که رشته­ ها باز نشده­ اند ترک‌خوردگی رخ دهد. در مورد تیرهای T شکل با بال­ های سنگین و پایه نازک ممکن است ترک­ ها در محل اتصالات جان به بال توسعه می­ یابند.

یک روش دیگر که می­تواند منجر به ترک در نزدیکی انتهای تیر شود، جوشکاری نقطه ­ای یا خال‌جوش ورق­ه ای فلزی به میلگردها به‌منظور اینکه آن­ها را در طول بتن­ ریزی در جای خود نگه دارد است. خال‌جوش ­ها زمانی می ­شکنند که فشار کافی برای شکست به آن ­ها القاشده باشد.

شوک ­های حرارتی نیز اگر به‌طور مناسب با آن برخورد نشود می‌تواند منجر به ترک‌خوردگی شوند. این اتفاق در بتن­ های عمل‌آوری شده با بخار بیشتر اتفاق می­ افتد. حداکثر سرعت خنک‌سازی که به‌طور پیوسته استفاده می ­شود 40 درجه سانتی­ گراد بر ساعت است (ACI 517.2R). به‌منظور دسترسی به انتهای تیرهای پیش‌ساخته در هنگام بریدن کابل­ ها و میلگردها، اگر روکش­ های حفاظتی که برای نگه‌داشتن گرما استفاده‌شده‌اند کنار زده شوند و دمای محیطی پایین باشد شوک حرارتی می­تواند رخ دهد. شرایط مشابه و احتمال ترک ­خوردگی در قاب پنجره ­ها و آجرهای پیش ­ساخته هنگامی‌که افت دمای شدید در سطح آن­ها رخ می­دهد، وجود دارد.

در اجرای بتن­ های درجا، هنگامی‌که از گرم­کن برای بالا بردن دمای محیط استفاده می‌شود، می‌تواند به‌طور نامشخصی در معرض تنش­ های ناشی از اختلاف دمای گرم و سرد قرار گیرد. معمولاً از پوشش­ هایی با پشم‌شیشه برای پوشاندن ورودی درها و پنجره‌ها استفاده می‌شود و گرم‌کن‌های با حجم بالا داخل محیط بسته کار می‌کنند. اگر گرم­کن­ ها نزدیک اعضای بتنی خارجی خصوصاً دیوارهای نازک قرار داده شوند، یک گرادیان دمایی غیرقابل‌قبول بالایی در اعضا ایجاد می ­شود و قسمت داخلی دیوار نسبت به قسمت خارجی منبسط خواهد شد. برای حداقل کردن این اثر، گرم‌کن‌ها باید دور از دیوارهای خارجی نگه‌داشته شوند؛ این کار به‌منظور پرهیز از جمع­ شدگی ناشی از خشک شدن موضعی و ترک‌خوردگی کربناتاسیونی انجام شود.

نگهداری مواد و ابزار در طول ساخت در سازه ممکن است به‌راحتی منجر به شرایط بارگذاری بیشتر از بار طراحی شود. کنترل شدیدی باید برای جلوگیری از سرعت بارگذاری بیش‌ازحد انجام شود.

8-2- ترک ناشی از طراحی اشتباه و تعیین جزئیات

اثرات ناشی از خطا در طراحی و تعیین جزئیات نامناسب می­ تواند منجر به مشکلات زیادی شود. این مشکلات تنها می‌تواند با فهم کامل رفتار سازه کاسته شود.

خطا در طراحی و تعیین جزئیات که ممکن است باعث ترک­ های غیرقابل ­قبول شود عبارت­ اند از استفاده از جزئیات ضعیف راجع به اعضای پیش ­ساخته و قطعات؛ انتخاب و یا شرح جزئیات نامناسب میلگردها؛ بستن و محدود کردن اعضایی که در معرض تغییرات حجمی ناشی از تغییرات دمایی و رطوبت هستند؛ عدم وجود اتصالات کافی؛ و طراحی نامناسب پی‌ریزی و فونداسیون که منجر به حرکت دیفرانسیلی در سازه می ­شود.

محل اتصال المان­ های قائم به کف موقعیتی برای تمرکز تنش فراهم می­ کنند؛ بنابراین، اولین محل­ ها برای آغاز ترک هستند. تنش های بالایی ناشی از هرکدام از موارد تغییرات حجمی، در نزدیکی محل اتصال المان­ های قائم به کف وجود دارد. مثال­ های معروف؛ ورودی­ های در و پنجره در دیوارهای بتنی و تیرهای با انتهای پلکانی هستند. استفاده از میلگردهای مورب اضافی برای کنترل عرض ترک و جلوگیری از رشد آن­ ها اجتناب‌ناپذیر است.

استفاده از میزان ناکافی میلگرد خود می‌تواند منجر به ترک اضافه شود؛ همچنین محدود کردن اعضایی که دائماً در معرض تغییرات حجمی هستند باعث ترک می­ شود. تنش­ هایی که می توانند در اثر خزش ناشی از گیرداری، تفاوت­ های دمایی و جمع­­ شدگی ناشی از خشک شدن در بتن رخ دهند، می­توانند چندین برابر تنش ­های ناشی از بار باشند. یک دال، دیوار یا تیر که در برابر تغییر شکل محدودشده است، حتی اگر پیش‌تنیده باشد می­تواند به‌سادگی تنش ­های کششی را توسعه دهد که به سهم خود می‌تواند منجر به ترک‌خوردگی شوند. دیوارهایی که به‌طور مناسب طراحی‌شده‌اند باید دارای درز‌های انقباضی بافاصله یک تا سه برابر ارتفاع دیوار باشند و بتوانند حرکت کنند.

طراحی فونداسیون به‌طور نامناسب ممکن است باعث حرکت دیفرانسیلی اضافه در سازه شود. اگر این حرکت دیفرانسیلی نسبتاً کوچک باشد ممکن است مشکلات ترک‌خوردگی تنها به‌صورت ظاهری باشد. بااین‌وجود، اگر نشست دیفرانسیلی زیاد باشد سازه ممکن است نتواند بار را سریعاً دوباره توزیع کند و شکست رخ می­ دهد.  یکی از مزایایی بتن مسلح، در صورت رخ دادن حرکت در بازه زمانی طولانی، خزش اجازه می‌دهد مقدار محدودی از بار دوباره توزیع شود.

اهمیت خطا در طراحی و تعیین جزئیات مناسب به نوع سازه و بارگذاری آن نیز بستگی خواهد داشت. در سازه­ ای که ترک ممکن است مشکلات کاربری بزرگی ایجاد کند، باید اهمیت ویژه ­ای به طراحی و شرح جزئیات داده شود. این سازه­ ها همچنین نیازمند بررسی مداوم در طول تمامی فازهای اجرایی به جهت تأمین لوازم طراحی و شرح جزئیات مناسب هستند.

 

 

 

 

3- مراجع

[1] Emmons P., Sordyl D., (2006). The state of the concrete repair industry and a vision for its Future, Concrete Repair Bulletin, 7-14

[2] Von-Fay K. F., (2015). Guide to Concrete Repair, U. S. Department of the Interior bureau of Reclamation Technical Service Center.

[3] American Concrete Institute; (2007). ACI Committee 224 “Causes, Evaluation, and Repair of Cracks in Concrete Structures”.

[4] Vaysburd A. M., Emmons P.H., (1997). Corrosion protection in concrete repair; Myth and Reality. Concrete International, 47-56

[5] Mehta P. K., Monterio P. J. M., (2006). Concrete: Microstructure, Properties, and Material. Third Editation, McGreaw-Hill.

[6] Powers, T. C., 1975, “Freezing Effects in Concrete,” Durability of Concrete, SP-47, American Concrete Institute, Farmington Hills, MI, pp. 1-11.

[7] Callan, E. J. (1952). “Thermal expansion of aggregates and concrete durability.” ACI Journal Proceedings, 48(2), 485-504.

https://www.icri.org/resource/

https://www.concrete.org/

https://www.scirp.org/

Passive State Corrosion

Pitting Corrosion

General Corrosion

Active, Low Potential Corrosion

Cover

سیمان در معنای کلی؛ معرفی سیمان پرتلند

کلمه سیمان[1] به طور عام به ماده‌ای اشاره دارد که دارای خاصیت چسبندگی و چسبانندگی بوده و این قابلیت را ایجاد می‌کند تا تکه‌های مواد معدنی در کنار یک‌دیگر قرار گیرند و یک فرآورده متراکم را بسازند. این تعریف، گستره وسیعی از مواد سیمانی را شامل می‌شود.

• بررسی تاریخی سیمان

استفاده از مصالح سیمانی، قدمتی بسیار کهن دارد. مصریان باستان از سنگ‌گچ ناخالص کلسینه استفاده می‌کردند. یونانیان و رومیان  از سنگ‌آهک کلسینه استفاده می‌کردند و بعدها یاد گرفتند که آهک، آب، ماسه و قطعات خردشده سنگ، آجر یا کاشی را به آن اضافه نمایند. اینجا بود که اولین بتن در تاریخ شکل گرفت.

جهت مطالعه بیشتر در خصوص تاریخچه پربار پیدایش سیمان و بتن، می‌توانید مقاله “تاریخچه بتن” را در همین تارنما مشاهده بفرمایید. برخی از عبارات استفاده شده در این مقاله، پیش از این در مقاله فوق به طور کامل معرفی شده است.

• سیمان هیدرولیکی[2]

سیمان‌های هیدرولیکی یا مقاوم در برابر آب، نوعی از سیمان پرتلند هستند که اصلاحاتی در آن‌ها صورت گرفته است. جهت درک خصوصیات سیمان پرتلند، بهتر است ابتدا شناختی از فرآیند تولید، ترکیبات معدنی و شیمیایی و واکنش‌پذیری اجزای آن نظیر کلسیم سیلیکات[3] و کلسیم آلومینات[4] داشته باشیم. مشخصات بتن حاوی سیمان پرتلند، در نتیجه واکنش‌زایی شیمیایی میان ترکیبات سیمان پرتلند و آب توسعه می‌یابد که از آن، تحت عنوان فرآیند هیدراسیون[5] یاد شده که دارای تغییراتی در حالت ماده و انرژی می‌باشد.

باید توجه داشت که سیمان پرتلند به تنهایی تمام نیاز مهندسین را در زمینه ساخت‌و‌ساز تامین نمی‌کند؛ بنابراین، سیمان‌های ویژه[6] جهت برطرف نمودن این معضل، معرفی شده‌اند که در قسمت دوم این مقاله به آن‌ها اشاره خواهد شد.

• ساختار شیمیایی سیمان‌های حاوی آهک و گچ[7]

سیمان‌ها علاوه بر این که به وسیله واکنش‌دادن با آب، سخت می‌شوند، محصولی نیز تولید می‌کنند که در برابر آب و جریان آن، مقاوم هستند. این سیمان‌ها، تحت عنوان سیمان هیدرولیکی شناخته می‌شود. سیمان‌هایی که از فرآیند کلسینه‌شدن[8] سنگ‌گچ یا کلسیم کربنات‌ها[9] حاصل می‌شوند، سیمان غیرهیدرولیکی[10] هستند؛ چون فرآورده حاصل از آن‌ها، در برابر عبور آب مقاوم نخواهند بود. در تصویر 1، ساختار شیمیایی سیمان‌های آهکی و حاوی گچ نشان داده شده است. ملات‌های آهکی در سازه‌های باستانی رومیان و یونانیان، به وسیله اضافه‌شدن مصالح پوزولانی[11]، به ملات‎‌های هیدرولیکی ارتقا یافتند. این مصالح، در ترکیب با آهک، مصالح سیمانی مقاوم در برابر آب ایجاد می‌نمودند.

در مقایسه با سیمان‌های حاوی آهک و گچ، سیمان پرتلند و نمونه‌های اصلاح شده آن، سیمان‌های اصلی مورد استفاده در سازه‌های امروزی هستند. سیمان پرتلند و انواع اصلاح شده آن، سیمان هیدرولیکی محسوب می‌شوند؛ زیرا نیازی به افزودن مواد پوزولانی جهت توسعه مقاومت در برابر آب ندارند.

فرآیند کریستاله‌شدن ذرات سوزنی گچ، حاصل از سیمان هیدراته شده حاوی گچ، دلیل گیرش و سخت‌شدن این نوع سیمان است. گچ در آب پایدار نیست؛ بنابراین سیمان حاوی گچ، غیرهیدرولیکی محسوب می‌شود. آهک هیدراته شده (کلسیم هیدروکسید[12]) نیز در آب پایدار نیست. هرچند می‌تواند به آرامی در مجاورت هوا، واکنش داده و ترکیب پایدار کلسیم کربنات را ایجاد نماید. وقتی یک پوزولان (نظیر سیلیس فعال) در مجموعه وجود داشته باشد، در نتیجه واکنش میان آهک و پوزولان، کلسیم سیلیکات هیدراته تشکیل خواهد شد که در حضور آب، پایدار خواهد بود.

حال به صورت جزئی‌تر، به بررسی سیمان پرتلند پرداخته خواهد شد.

• سیمان پرتلند و فرآیند تولید آن

دستورالعمل ASTM C150 (مشخصات استاندارد سیمان پرتلند)، بیان می‌دارد که سیمان پرتلند به عنوان یک سیمان هیدرولیک، از ساییدن و پودرکردن کلینکر[13]هایی به دست می‌آید که شامل کلسیم سیلیکات هیدرولیک و مقدار اندکی از یک یا چند فرم از کلسیم سولفات[14] می‌باشد. کلینکرها، کلوخه‌هایی از مصالح پخته‌شده به قطر 5 الی 25 میلی‌متر بوده و هنگامی تشکیل می‌شود که مصالح خام با یک‌دیگر ترکیب و در دمای بالایی پخته شوند.

چون کلسیم سیلیکات، جز اصلی تشکیل‌دهنده سیمان پرتلند است، مصالح خام جهت تولید سیمان باید حاوی کلسیم و سیلیکات در نسبت‌ها و شکل‌های مناسب باشد. مصالح حاوی کلسیم کربنات به شکل طبیعی شامل سنگ‌آهک[15]، گچ[16]، مارن[17] و پوسته‌های دریایی[18] هستند و منابع صنعتی متداول جهت استخراج کلسیم می‌باشند. اما خاک رس[19] یا دولومیت[20] (CaCO₃.MgCO₃) معمولا به عنوان ناخالصی شناخته می‌شود. خاک‌های رس و سنگ‌های نفت‌زا[21] به جز کوارتز[22]، منابع مرسوم سیلیکای اضافه شده به ترکیب خام جهت ساخت کلسیم سیلیکات هستند. از کوارتز به این دلیل استفاده نمی‌شود که سیلیکای کوارتزی، به سادگی با آهک واکنش نمی‌دهد.

مواد معدنی رسی، حاوی آلومینات[23] (Al₂O₃)، اکسید آهن (Fe₂O₃) و مواد قلیایی‌اند. وجود یون‌های آلومینیوم، آهن و منیزیم و ترکیبات قلیایی در مخلوط خام، باعث ایجاد اثر کانی‌سازی[24] در شکل‌گیری کلسیم سیلیکات‌ها می‌باشد. این اثر، موجب تسهیل تشکیل کلسیم سیلیکات در دماهای پایین‌تر می‌شود. بنابراین، وقتی که مقدار کافی از مواد معدنی حاوی آلومینا و آهن در مصالح خام اولیه وجود نداشته باشد، با افزودن مصالح ثانویه نظیر سنگ بوکسیت[25] و سنگ معدن حاوی آهن[26]، این مسئله برطرف می‌گردد. در نتیجه، در کنار ترکیبات حاوی کلسیم سیلیکات، کلینکر سیمان پرتلند حاوی آلومینات و آلومینوفریت[27]‌های کلسیم می‌باشد.

جهت تسهیل در تشکیل ترکیبات موردنظر در کلینکر سیمان پرتلند، لازم است که مخلوط خام پیش از پخته‌شدن، همگن و یکدست شود. به این دلیل است که مصالح مخلوط، تحت مجموعه‌ای از فرآیند‌های خردشدن، آسیاب‌شدن و ترکیب‌شدن قرار می‎‌گیرد.  از تحلیل شیمیایی مصالح انبارشده، نسبت‌های هرکدام از مواد به وسیله تعیین میزان لازم هر بخش در کلینکر تعیین می‌گردد. مصالح سپس به ذراتی در حدود اندازه 75 میکرومتر آسیاب و ریز می‌شوند تا آماده ترکیب شدن شوند.

تولید سیمان به دو روش خشک[28] و تَر[29] انجام می‌شود. در روش تَر، آسیاب و همگن‌سازی مصالح خام، در فرم دوغابی که حاوی 30 الی 40 درصد آب می‌باشد، انجام می‌شود. کارخانه‌های مدرن سیمان، روش خشک را ترجیح می‌دهند که از لحاظ مصرف انرژی، بهینه‌تر از روش تَر می‌باشد؛ زیرا در روش تَر، آب درون دوغاب می‌بایست قبل از فرآیند تولید کلینکر، تبخیر شود. جهت تولید کلینکر، کوره‌های خشک به چندین پیش‌گرم‌کننده معلق، مجهز شده که اجازه می‌دهد گرمای تولیدشده به صورت موثر و بهینه بین گازهای داغ و ترکیبات خام در گردش باشد. در روش خشک، به انرژی حاصل از سوخت فسیلی در حدود 800 کیلوکالری به ازای یک کیلوگرم کلینکر احتیاج است که در مقایسه با عدد 1400 کیلوکالری به ازای یک کیلوگرم کلینکر در روش تَر، کمتر می‌باشد.

تصویر 2، دیاگرام شماتیکی از فرآیند تولید سیمان پرتلند به روش خشک را نشان می‌دهد. در تصویر 3 نیز نمای هوایی از یک کارخانه مدرن تولید سیمان نشان داده شده است.

گام اساسی در تولید کلینکر سیمان در کوره چرخان[30] رخ داده که از یک استوانه زاویه‌دار از جنس فولاد ضدزنگ ساخته می‌شود (تصویر 4). مصالح خام گرمادیده، وارد قسمت بالایی کوره شده که دارای شیب و سرعت چرخش مشخص می‌باشد. سپس در انتهای کوره، سوخت به ناحیه اشتعال تزریق شده و دما را به حدود 1450 الی 1550 سانتیگراد رسانده شده و واکنش‌های شیمیایی تشکیل سیمان پرتلند را تکمیل نماید.

در کارخانه تولید سیمان پرتلند Ash Grove در ایالت Oregon ایالات متحده (تصویر 5)، تاسیسات تولید سیمان به روش خشک به میزان 500 هزارتن در سال در سال 1979 میلادی تعبیه شده که جایگزین تاسیسات تولید سیمان به روش تَر به میزان 200 هزارتن در سال شده است. در این تاسیسات، از یک کوره بلند به طول 66 متر و قطر 35/4 تشکیل که به مجهز به پیش‌گرم‌کننده چهارفازه است و تمام فرآیندهای آن توسط 2000 ریزپردازش‌گر و توسط منطق فازی[31] پایش می‌شود.

• ترکیبات شیمیایی سیمان پرتلند

اگرچه سیمان پرتلند عمدتا شامل ترکیباتی از کلسیم است اما نتایج تحلیل شیمیایی مرسوم در قالب اکسید عناصر حاضر در فرآورده بیان می‌شود. جهت اختصار، از این پس اکسیدها و ترکیبات زیر را به شکل مختصر روبه‌رویشان نمایش می دهیم:

جدول 1 – نمایش ترکیبات موجود در سیمان و شکل مختصر آن‌ها (برگرفته از کتاب بتن، نوشته مهتا و مونتیرو، ویرایش سوم)

در کارخانه‌های سیمان، مرسوم است که با استفاده از تحلیل اکسیدهای سیمان و با به کارگیری فرمول توسعه یافته توسط Bogue، به ترکیبات تشکیل‌دهنده سیمان و درصد آن‌ها پی برده می‌شود. روش مستقیم تعیین نوع و درصد ترکیبات، نیازمند تجهیزات خاص و مهارت بالاست و برای کنترل کیفیت روتین سیمان نیاز نیست. در کل، دو روش عمده جهت تحلیل کمّی و مستقیم کلینکر سیمان وجود دارد. یکی از این روش‌های مستقیم، روش استفاده از پراش اشعه X (XRD)[32] است و دیگری، استفاده از میکروسکوپ نوری است.

فازهای تشکیل‌دهنده سیمان و محصولات هیدراسیون آن عبارتند از C₃S (Alite)(35 الی 55 درصد وزنی سیمان)، C₂S (Belite)(30 الی 40 درصد وزنی سیمان)، C₃A (5 الی 12 درصد وزنی سیمان) و C₄AF (5 الی 10 درصد وزنی سیمان).

فرمول Bogue جهت تخمین تئوریک و احتمالی درصد فازهای فوق به شرح زیر است:

معادله فوق برای سیمان‌های پرتلند با نسبت A/F برابر با 64/0 یا بیشتر صادق است و برای نسبت کمتر از آن، از معادلاتی استفاده می‌شود که در ASTM C150 به تفضیل شرح داده شده است و شما می‌توانید در همین تارنما، خلاصه آن را در بخش “استانداردها و دستورالعمل‌ها” مشاهده فرمایید.

تغییرات جزیی در تحلیل اکسیدهای سیمان، می‌تواند منجر به تفاوت‌های چشمگیر در ترکیبات آن‌ها شود. این موضوع در جدول 2 نشان داده شده است که پنج نمونه سیمان مورد تحلیل اکسید قرار گرفته‌اند. مقایسه بین سیمان شماره 1 و 2 در جدول نشان می‌دهد که یک درصد کاهش در Al₂O₃ و متعاقبا افزایش Fe₂O₃، منجر به کاهش مقدار C₃A و C₂S به ترتیب به میزان 3/4 و 0/4 درصد و هم‌چنین منجر به افزایش مقدار C₄AF و C₃S به ترتیب به میزان 1/3 و 2/5 درصد شده است. به طور مشابه، در مقایسه بین سیمان‌های شماره 4 و 5، می‌توان مشاهده کرد که 1 درصد کاهش در CaO با افزایش متعاقب SiO₂، منجر به کاهش C₃S و افزایش C₂S به میزان 6/11 درصد شده است.

معادله Bogue فرض می‌کند که واکنش‌های شیمیایی تشکیل کلینکر، کامل شده و حضور ناخالصی‌هایی نظیر MgO و مواد قلیایی‌ها در آن در نظر گرفته نمی‌شود. به این دلیل است که مقادیر محاسبه شده توسط آن فرمول، به عنوان مقادیر احتمالی بیان می‌شود. در مجموع، فرمول Bogue یک روش بسیار راحت جهت تخمین اولیه مقادیر اجزای تشکیل‌دهنده سیمان پرتلند به ما می‌دهد.

جدول 2 – نتایج تحلیل اکسیدهای پنج نمونه سیمان

(برگرفته از کتاب بتن، نوشته مهتا و مونتیرو، ویرایش سوم)

جدول 3 – درصد ترکیبات تشکیل‌دهنده پنج نمونه سیمان ذکر شده

(برگرفته از کتاب بتن، نوشته مهتا و مونتیرو، ویرایش سوم)

• ساختار کریستالی و واکنش‌زایی فازهای تشکیل‌دهنده سیمان

ترکیبات شیمیایی فازهای تشکیل‌دهنده سیمان پرتلند، دقیقا چهار فازی نیست که در بالا به آن اشاره شد. چون در دماهای بالا هنگام تشکیل کلینکر، برخی اجزای موجود در سیستم نظیر ناخالصی‌هایی مانند منیزیم، سدیم، پتاسیم و سولفور، می‌توانند وارد واکنشها شوند. مقدار بسیار کم آن‌ها، تغییر محسوسی در ساختار کریستالی اجزای حاصله ایجاد نمی‌کند؛ اما مقادیر بالای آن‌ها، می‌تواند تغییرات زیادی را به وجود آورد.

در کنار اندازه ذرات و دمای هیدراسیون، واکنش‌زایی اجزای سیمان پرتلند با آب، به وسیله ساختار کریستالی آن‌ها تعیین و شکل می‌گیرد. تفاوت میان واکنش‌پذیری دو جز سیمان که ترکیب شیمیایی یکسانی دارند، تنها می‌تواند ناشی از درجه ناپایداری سازه‌ای[33] آن‌ها باشد. این ناپایداری، از عدم تشکیل ساختار کریستالی به صورت کامل منشا می‌گیرد که آن هم به عواملی نظیر دمای پایین کوره، وجود ناخالصی و … باز می‌گردد.

حال به تشریح فازهای تشکیل‌دهنده سیمان به طور مفصل خواهیم پرداخت.

• فازهای کلسیم سیلیکات

تری‌کلسیم سیلیکات (C₃S) و بتا‌دی‌کلسیم سیلیکات (βC₂S)، دو جز سیلیکاتی هیدرولیکی عمده‌ای هستند که در کلینکر سیمان پرتلند صنعتی یافت می‌شوند. هر دو شامل مقدار اندکی یون منیزیم، آلومینیوم، آهن، پتاسیم، سدیم و سولفور هستند. فرم ناخالص آن دو به ترتیب به عنوان Alite و Belite شناخته می‌شود. سه فرم کریستالی Alite – شامل Triclininc، Monoclinic و Trigonal – در سیمان یافت می‌شود. ساختار این فرم‌ها، دارای نامنظمی بوده و فضاهای زیادی به جا می‌گذارد که عامل اصلی واکنش‌زایی و آزادشدن انرژی است. به طور مشابه، ساختار Belite نیز دارای نامنظمی است؛ اما فضاهای آن کوچکتر بوده و باعث واکنش‌زایی کمتر آن نسبت به Alite می‌شود. البته نوع کریستالی دیگری نیز از آن وجود دارد که دارای ساختار منظم بوده و واکنش‌زا نیست.

• کلسیم آلومینات و فروآلومینات

چندین نوع از آلومینات کلسیم هیدرولیکی می‌تواند در سیستم CaO-Al₂O₃ شکل گیرد؛ هرچند، تری‌کلسیم آلومینات (C₃A)، ترکیب آلومیناتی اصلی تشکیل شده در کلینکر سیمان است. کلسیم فریت‌ها در کلینکر سیمان پرتلند معمولی یافت نمی‌شود؛ بلکه کلسیم‌فرو‌آلومینات‌هایی تشکیل می‌شوند که عمده‌ترین حالت آن‌ها، C₄AF است. این فازها نیز مانند فازهای قبلی، در ساختار خود ناخالصی‌هایی داشته و دارای حفرات بزرگی هستند که آن‌ها را بسیار واکنش‌پذیر می‌کند.

• منیزیم اکسید و کلسیم اکسید

منبع تشکیل منیزیم اکسید در سیمان، عمدتا دولومیت است که به صورت ناخالصی در اکثر سنگ‌آهک‌ها وجود دارد. بخشی از کل منیزیم اکسید درون کلینکر سیمان (نهایتا تا 2 درصد)، می‌تواند وارد واکنش شود. اما باقی آن به صورت کریستاله در آمده که تحت نام پریکلاز[34] شناخته می‌شود. هیدراسیون پریکلاز و تبدیل آن به منیزیم هیدروکسید، واکنشی کند و منبسط‌شونده بوده و تحت شرایطی، می‌تواند منجر به ناسالمی[35] سیمان (ترک‌خوردگی و قلوه‌کن‌شدن[36] در محصولات حاصل از سیمان) شود.

کلسیم اکسید(CaO) آزاد یا ترکیب نشده، به ندرت در مقادیر بالا در سیمان پرتلند امروزی یافت می‌شود. عدم رعایت نسبت درست مصالح خام، آسیاب‌کردن نامناسب و عدم همگن‌سازی ترکیب مواد خام و دمای ناکافی کوره، از جمله عوامل اصلی است که موجب شکل‌گیری کلسیم اکسید کریستاله یا آزاد می‌شود. مانند MgO، CaO کریستاله نیز که در معرض دمای بالای کوره قرار گرفته، هیدراسیون کندی داشته و واکنش‌زایی آن می‌تواند منجر به ایجاد نقصان در فرآورده‌های حاصل از سیمان شود.

• ترکیبات قلیایی و سولفاتی

ترکیبات قلیایی (حاوی سدیم و پتاسیم) در کلینکر سیمان پرتلند عمدتا از ترکیبات رسی درون مواد خام و نپخته کلینکر ناشی شده و مقدار کل آن که به عنوان Na₂O معادل شناخته می‌شود (Na₂O+0.64K₂O)، بین 3/0 الی 5/1 درصد متغیر است. سولفات‌های درون کوره سیمان به طور کلی از سوخت نشات می‌گیرد. بر مبنای مقدار سولفات در دسترس، قلیایی‌های محلول دارای سولفات مضاعف نظیر لانگبنیت[37] (2CS.NS) و آفتیتالیت[38] (3NS.KS) درون کلینکر وجود دارند. حضور آن‌ها، تاثیر شگرفی بر واکنش‌های اولیه هیدراسیون سیمان خواهد گذاشت.

گاهی اوقات مقادیر زیادی از سولفات به شکل گچ، عمدا به ترکیب خام سیمان اضافه می‌شود تا دمای پخت را کاهش دهد یا فاز C₃A را اصلاح و آن را به C₄A₃S تبدیل نماید که جهت تولید انواع خاصی از سیمان به کار می‌رود که به آن‌ها خواهیم پرداخت.

در سیمان پرتلند معمولی، منبع عمده سولفات (SO₃)، کلسیم سولفات در یکی از انواع شکل‌هایش بوده که در حین آسیاب شدن، به کلینکر اضافه شده است. دلیل اصلی این کار، جلوگیری از تمایل کلینکر سیمان آسیاب‌شده به گیرش سریع و آنی است که به فاز C₃A مربوط است.

• نرمی[39] (ریزی)

علاوه بر ترکیبات سیمان، نرمی یا ریزی آن نیز بر واکنش‌زایی آن با آب تاثیر خواهد گذاشت. به طور کلی، هرچه سیمان ریزتر باشد، سریعتر واکنش می‌دهد. برای یک ترکیب مشخص، نرخ واکنش‌زایی و توسعه مقاومت ملات سیمان یا بتن، می‌تواند با ریزتر آسیاب شدن سیمان بهبود یابد؛ هرچند، هزینه آسیاب اضافه و گرمایی که از هیدراسیون ناشی می‌شود، حدود و موانعی را برای ریزی بیش از حد سیمان ایجاد می‌کند.

جهت کنترل کیفیت در کارخانجات سیمان، نرمی سیمان به راحتی و با اندازه‌گیری مانده سیمان روی الک‌های استاندارد نظیر الک شماره 200 و شماره 325 تعیین می‌گردد. به طور عام بر این موضوع اتفاق نظر وجود دارد که ذرات سیمان بزرگتر از اندازه الک شماره 325 (45 میکرومتر)، به آرامی هیدراته شده و ذرات بزرگتر از الک شماره 200 (75 میکرومتر) ممکن است هیچ‌گاه به طور کامل هیدراته نشوند. در نهایت، تخمینی از نرخ نسبی واکنش‌زایی سیمان‌ها با ترکیبات مشابه نمی‌توان داشت؛ مگر این‌که توریع کامل اندازه ذرات آن‌ها بدست آید. روش مرسوم در صنعت جهت مشخص کردن اندازه نسبی ذرات و توزیع آن‌ها، استفاده از تحلیل مساحت سطح[40] سیمان با استفاده از روش نفوذ هوای بلین[41] (ASTM C 204) می‌باشد.

• هیدراسیون سیمان پرتلند

سیمان پرتلند هیدراته نشده (انیدر[42]) نمی‌تواند ماسه و سنگدانه را متصل کرده و به یکدیگر بچسباند؛ بلکه وقتی خاصیت چسبانندگی خواهیم داشت که سیمان با آب ترکیب شود. ترکیب آب و سیمان و پیشرفت فرآیند هیدراسیون، محصولاتی ایجاد می‌کند که دارای خصوصیات گیرش[43] و سخت‌شدگی[44] است. برونائور[45] و کوپلند[46]، هیدراسیون سیمان پرتلند را این‌طور شرح می‌دهند:

« شیمی بتن، همان شیمی واکنش بین سیمان و آب است… در هر واکنش شیمیایی، ویژگی‌های اصلی شامل تغییرات حالت، تغییرات انرژی و سرعت واکنش است. این سه جنبه از یک واکنش، کاربردهای عملی مهمی برای استفاده کنندگان از سیمان پرتلند دارد. شناخت مواد تولیدشده هنگام واکنش‌زایی سیمان مهم است؛ زیرا سیمان به خودی خود، ماده چسباننده نیست، بلکه این فرآورده‌های هیدراسیون آن هستند که نقش چسبانندگی را ایفا می‌کنند. شناخت میزان گرمای آزاد شده نیز دارای اهمیت است؛ زیرا این گرما و حرارت آزاد شده، گاهی کمک‌کننده و گاهی مانع و محدود‌کننده است… شناخت سرعت واکنش نیز دارای اهمیت است؛ چون زمان گیرش و سخت‌شدگی را مشخص می‌کند. واکنش اولیه باید به اندازه‌ای آرام باشد تا به بتن اجازه دهد حمل شده و در قالب ریخته شود. از سوی دیگر، پس از بتن‌ریزی، سخت‌شدگی سریع اغلب مطلوب و موردانتظار است.»

برای بیان نحوه هیدراسیون سیمان پرتلند، دو مکانیسم پیشنهاد شده است. مکانیسم «هیدراسیون از طریق محلول[47]»  شامل انحلال ترکیبات انیدر درون اجزای یونی‌شان بوده که در محلول، فرم هیدراته ساخته و بخاطر انحلال‌پذیری کم آن‌ها، شروع به ته‌نشینی در محلول فوق‌اشباع می‌کنند. بنابراین طبق مکانیسم فوق، انتظار می‌رود طی هیدراسیون سیمان، اجزای ترکیب اصلی به طور کامل بازپخش می‌شوند. طبق مکانیسم پیشنهادی دیگر که به عنوان «هیدراسیون حالت جامد[48]» یا Topochemical نامیده می‌شود، واکنش‌ها مستقیما در سطح اجزای سیمان انیدر رخ داده، بدون آن که اجزا وارد محلول شوند. طبق مطالعات میکروسکوپ الکترونی خمیر سیمان هیدراته شده (تصویر 6)، مشخص می‌شود که مکانیسم نخست در زمان‌های اولیه فرآیند هیدراسیون، غالب بوده و در سنین بعدی، هنگامی قابلیت انتقال یون‌ها در محلول محدود شود، هیدراسیون باقی ذرات سیمان با مکانیسم دوم پیش خواهد رفت.

هیدراسیون فاز C₃A با آب به صورت فوری خواهد بود. کریستال‌های هیدراته‌شده سریعا شکل گرفته و گرمای زیادی در این حین آزاد می‌شود. تا زمانی که هیدراسیون این فاز به کمک برخی روش‌ها کاهش نیابد، عملا نمی‌توان از سیمان پرتلند برای مقاصد ساختمانی استفاده نمود. این امر با اضافه نمودن گچ محقق می‌شود. بنابراین، برای مقاصد عملی، واکنش هیدراسیون فاز C₃A به تنهایی مهم نیست؛ بلکه واکنش آن در حضور گچ است که برای ما اهمیت دارد.

از دیدگاه هیدراسیون سیمان پرتلند، بهتر است که واکنش هیدراسیون C₃A و فروآلومینات‌ها با یکدیگر مورد بررسی قرار گیرد؛ زیرا وقتی که فروآلومینات‌ها با آب در حضور یون سولفات واکنش می‌دهند، فرآورده حاصل از لحاظ ساختاری مشابه محصولات فاز C₃A است. به طور کلی، واکنش‌پذیری فاز فریت از C₃A کمتر است؛ اما این واکنش‌پذیری با افزایش میزان آلومینا و کاهش دما طی فرآیند تشکیل کلینکر، افزایش می‌یابد.

 

چندین فرضیه جهت بیان مکانیسم تاخیر هیدراسیون C₃A در حضور گچ بیان شده است. طبق یک نظریه، چون گچ و قلیایی‌ها به سرعت وارد محلول می‌شوند، انحلال‌پذیری C₃A در حضور یون‌های هیدروکسیل[49]، قلیایی و سولفاتی مورد بررسی قرار می‎‌گیرد. برحسب غلظت یون‌های سولفات و آلومینات محلول، فرآورده کریستالی ته‌نشین‌شده یا کلسیم آلومینات تری‌سولفات هیدراته است یا کلسیم آلومینات مونوسولفات هیدراته. در محلول‌های اشباع‌شده با یون‌های هیدروکسیل و کلسیم، کریستال‌های تری‌سولفات به صورت سوزنی و منشوری شکل کوتاه به وجود خواهد آمد که به آنها سولفات-بالا[50] گفته می‌شود یا با نام معدنی‌شان، اترینگایت[51] شناخته می‌شوند. مونوسولفات[52]‌ها به صورت صفحات نازک شش‌ضلعی کریستاله شده که با نام سولفات-پایین[53] شناخته می‌شود. واکنش‌های مربوط به آن‌ها به شرح زیر است:

اترینگایت، اولین هیدراتی است که کریستاله می‌شود؛ چون نسبت بالایی از سولفات به آلومینات در محلول طی ساعات اولیه هیدراسیون وجود دارد. در سیمان پرتلند کندگیرشده معمول که حاوی 5 الی 6 درصد گچ است، ته‌نشینی اترینگایت به سفت‌شدگی[54] (کاهش ثبات)، گیرش[55] (جامدشدن خمیر) و توسعه مقاومت اولیه مربوط می‌شود. پس از تخلیه سولفات محلول و افزایش غلظت یون‌های آلومینات به دلیل هیدراسیون مجدد فازهای C₃A و C₄AF، اترینگایت مجدد ناپایدار شده و تدریجا به فاز مونوسولفات تبدیل می‌شود که محصول نهایی هیدراسیون سیمان پرتلندی است که حاوی 5 درصد C₃A است.

چون تعادل نسبت آلومینات به سولفات در فاز محلول خمیر سیمان پرتلند هیدراته شده در وهله نخست تعیین می‌کند که رفتار گیرش ملات نرمال خواهد بود یا خیر، پدیده‌های مختلفی در خصوص گیرش در زمان برهم خوردن این تعادل به وجود می‌آید که در جدول 4 نشان داده شده است.

جدول 4 – تاثیر نسبت آلومینات به سولفات در فاز محلول بر خصوصیات گیرش خمیر سیمان پرتلند

(Locher, F.W., W. Richartz, and S. Sprung, Zement-KalkGips, No. 6, pp. 271–277, 1980)

در حالت اول (CASE I)، وقتی که میزان یون آلومینات و سولفات در محلول کم باشد، خمیر سیمان کارآیی[56] خود را در حدود 45 دقیقه حفظ خواهد کرد و پس از آن، شروع به سفت‌شدگی کرده و فضایی که با آب پر شده بود، با کریستال‌های اترینگایت پر می‌شود. اغلب به این حالت، گیرش نرمال[57] گفته می‌شود. خمیر پس یک الی دو ساعت از زمان افزودن آب، کارآیی خود را به تدریج از دست داده و پس از 2 الی 3 ساعت، به حالت جامد در می‌آید.

در حالت دوم (CASE II)، وقتی هم یون‌های آلومینات و هم سولفات در محلول زیاد باشند، مقادیر بالایی اترینگایت به سرعت تشکیل شده و ثبات محلول را به طرز قابل ملاحظه‌ای طی 10 الی 45 دقیقه کاهش می‌دهد و همراه با تبدیل خمیرسیمان به حالت جامد طی 1 الی 2 ساعت خواهد بود. سیمان‌های حاوی فاز C₃A زیاد که مقادیر بیش از حدی سولفات‌های قلیایی یا کلسیم سولفات نیمه‌هیدراته‌شده دارند، عموما این رفتار را خواهند داشت.

در حالت سوم (CASE III)، وقتی میزان یون آلومینات بالا بوده ولی میزان سولفات محلول جهت کندگیرکردن ترکیب، از حد معمول کمتر باشد، کریستال‌های شش‌ضلعی صفحه‌ای مونوسولفات و هیدرات‌های کلسیم آلومینات به سرعت و در حجم بالا ایجاد شده و باعث می‌شود خمیر سیمان در مدتی کمتر از 45 دقیقه پس از افزودن آب، گیرش پیدا کند. به این پدیده، گیرش سریع[58] گویند.

در حالت چهارم (CASE IV)، وقتی گچ به کلینکر سیمان آسیاب‌شده اضافه نشود یا مقدار آن بسیار کم باشد، هیدراسیون فاز C₃A سریع صورت گرفته و هیدرات‌های کلسیم آلومینات صفحه‌ای شش ضلعی در مقادیر زیاد تولید شده و موجب گیرش آنی[59] همراه با آزادسازی فراوان انرژی و مقاومت نهایی ضعیف خواهد شد.

در حالت پنجم (CASE V)، وقتی میزان فاز C₃A کم ولی میزان کلسیم سولفات نیمه‌هیدراته‌شده در سیمان بالا باشد، محلول دارای غلظت پایین آلومینا بوده ولی به سرعت فوق‌اشباع می‌شود (به دلیل حضور‌ یون‌های کلسیم و سولفات). این وضعیت منجر به تشکیل سریع کریستال‌های بزرگ گچ شده و ثبات محلول را کاهش می‌دهد. این پدیده گیرش کاذب[60] نامیده شده و گرمای زیادی آزاد نمی‌کند و با اختلاط مجدد خمیر سیمان، می‌تواند برطرف شود.

هیدراسیون فازهای سیلیکاتی سیمان پرتلند، گروهی از هیدرات‌های کلسیم سیلیکات ایجاد می‌کند که از لحاظ ساختاری به یک‌دیگر شباهت داشته اما در نسبت کلسیم به سیلیس و هم‌چنین، میزان آب ترکیبی شیمیایی، بسیار تفاوت دارند. چون ساختار، خصوصیات را مشخص می‌کند، تفاوت در اجزای سازنده آن‌ها، تاثیر اندکی بر خصوصیات فیزیکی‌شان خواهد داشت.

به طور کلی، کلسیم سیلیکات هیدراته خیلی خوب کریستالی نشده و یک توده متخلخل را ایجاد می‌کند که نشان‌دهنده خصوصیات ژل جامد است. در ادبیات فنی، به این ژل گاها ژل توبرموریت[61] گویند؛ البته استفاده از این نام دیگر مرسوم نیست. از آن جایی که ترکیب شیمیایی کلسیم سیلیکات هیدراته‌ها در فرآیند هیدراسیون خمیر سیمان پرتلند به سبب عواملی نظیر نسبت آب به سیمان، دما و سن هیدراسیون، تغییر می‌یابد، به طور کلی و در جهت سهولت با نام C-S-H شناخته می‌شوند که به یک ترکیب شیمیایی ثابت اشاره ندارد. در هیدراسیون کامل، ترکیب تقریبی مصالح به شکل C₃S₂H₃ درخواهد آمد و در روابط استوکیومتری به کار خواهد رفت. روابط استوکیومتری برای هیدراسیون کامل C₃S و C₂S به شرح زیر است:

از آنجایی که محصولات دو معادله فوق یکسان است، توجه به این نکته ضروری است که در هیدراسیون C₃S، 61 درصد محصولات شامل C₃S₂H₃ و 39 درصد شامل CH خواهد بود؛ در حالی که در هیدراسیون C₂S، این مقادیر به ترتیب برابر 82 و 18 درصد خواهد شد. به دلیل سطح مخصوص بالا و خاصیت چسبندگی خمیر سیمان هیدراته ناشی از تشکیل کلسیم سیلیکات هیدراته، انتظار می‌رود مقاومت نهایی سیمان حاوی C₃S بالا، کمتر از سیمان حاوی مقدار زیاد C₂S باشد. این موضوع طی تحقیقات متعددی نشان داده شده است. هم‌چنین اگر دوام خمیر سیمان سخت‌شده در محیط‌های سولفاتی و اسیدی به دلیل وجود کلسیم هیدروکسید (CH) کاهش یابد، انتظار می‌رود که سیمانی که حاوی مقادیر بالایی از C₂S باشد، در این شرایط دوام بیشتری خواهد داشت. این نتیجه‌گیری به وسیله تحقیقات آزمایشگاهی و میدانی تایید شده است.

از نقطه‌نظر دوام در برابر حملات شیمیایی، برخی محدودیت‌‌ها در خصوص حداکثر میزان C₃S موجود در سیمان اعمال شده است. برخی توصیه‌ها هم در خصوص استفاده از پوزولان در جهت حذف کلسیم هیدروکسید اضافی از خمیر سیمان هیدراته داده شده است. ضمنا از معادلات فوق نیز به دست می‌آید که C₃S و C₂S به ترتیب نیاز به 24 و 21 درصد آب جهت تکمیل فرآیند هیدراسیون دارند.

معادلات استوکیومتری، اطلاعاتی در خصوص نرخ واکنش‌پذیری به ما نمی‌دهد. از نظر ناپایداری ساختار کریستالی و گرمای آزادشده ناشی از هیدراسیون، نشان داده‌شده است که C₃S نرخ واکنش‌زایی سریعتری نسبت به C₂S دارد و این موضوع، عامل مهمی در تولید سیمان پرتلند با مقاومت اولیه بالا خواهد داشت.

• گرمای هیدراسیون[62]

اجزای سیمان پرتلند، محصولات واکنش‌ها در دمای بالا بوده و بنابراین در شرایط اوج انرژی هستند. وقتی سیمان هیدراته می‌شود، اجزا با آب واکنش داده تا به حالت پایدار برسند، سطح انرژی‌شان کاهش یابد و انرژی آزاد شده به صورت گرما منتقل شود. اهمیت گرمای هیدراسیون سیمان در تکنولوژی بتن، مبحث گسترده‌ای است. این گرما، گاهی می‌تواند مضر باشد (نظیر بتن‌ریزی حجیم) و گاهی مفید (بتن‌ریزی در فصول سرد و جایی که انرژی فعالسازی جهت واکنش هیدراسیون وجود نداشته باشد). گرمای آزادشده و نرخ آزادسازی گرمای هر جز از سیمان، به عنوان شاخصی از واکنش‌پذیریشان قلمداد می‌شود.

با استفاده از تعبیه گرماسنج، لِرک[63] نرخ تغییرات گرمای سیمان پرتلند حین گیرش و سخت‌شدگی اولیه را ضبط کرد که در تصویر 7 قابل مشاهده است.

 

به طور کلی، پس از اختلاط سیمان و آب، تغییرات گرمایی زیادی به مدت چند دقیقه رخ می‌دهد (نقطه A) که احتمالا از حل‌شدن آلومینات‌ها و سولفات‌ها در آب نشات می‌گیرد. بعد از 4 الی 8 ساعت، پیک دیگری خواهیم داشت (نقطه B) که نشان‌دهنده گرمای حاصل از تشکیل اترینگایت است. خمیر دارای سیمان معمول، بیشترِ خاصیت پلاستیک خود را پیش از شروع این فاز، حفظ نموده و پس از آن، شروع به سخت شدگی و گیرش اولیه[64] (شروع فاز جامدشدن) خواهد کرد و در نقطه B، به گیرش نهایی[65] (تکمیل‌شدن فاز جامدشدن و شروع سخت‌شدگی) خواهد رسید.

از تحلیل داده‌های گرمای هیدراسیون سیمان، وِربک[66] و فوستر[67] بدست آوردند که نرخ نسبی آزادسازی گرما به چهار عامل اصلی بستگی دارد که به شرح زیر است:

در فرمول فوق، H بیانگر گرمای آزادشده در سن مشخص و تحت شرایط تعیین‌شده است. پارامترهای A، B، C و D به ترتیب مربوط به درصد مقادیر C₃S، C₂S، C₃A و C₄AF است. ضرایب a، b، c و d بیانگر مشارکت 1 درصد از هر جز در گرمای حاصله در هیدراسیون است و مقادیر آن در سنین مختلف متفاوت است. برای یک سیمان پرتلند معمول، تقریبا 50 درصد گرمای آزادشده طی سه روز نخست رخ داده و 70 درصد گرما طی 7 روز اول آزاد خواهد شد.

• جنبه‎‌های فیزیکی فرآیند‌های گیرش و سخت‌شدگی

تا اینجا، جنبه‌های شیمیایی هیدراسیون سیمان پرتلند مورد بررسی قرار گرفت. جهت بتن‌ریزی و موارد اجرایی، لازم است در خصوص جنبه‌های فیزیکی نظیر سفت‌شدگی، گیرش و سخت‌شدگی نیز دقت لازم به عمل آید.

سفت‌شدگی، عبارتست از افت ثبات در خمیر سیمان پلاستیک که همراه با افت اسلامپ[68] بتن همراه خواهد بود. آب آزاد درون سیمان است که مسئول حفظ خاصیت پلاستیسیته بتن تازه می‌باشد. از دست رفتن تدریجی این آب، یکی از نتایج تشکیل فرآورده‌های هیدراسیون، جذب سطحی توسط محصولات کریستالی ضعیف نظیر اترینگایت و C-S-H و هم‌چنین تبخیر است که منجر به سفت‌شدگی، گیرش و در نهایت، سخت‌شدگی بتن می‌شود.

گیرش، به فرآیند جامدشدن خمیر سیمان پلاستیک اشاره دارد. شروع جامدشدن، که به عنوان گیرش اولیه شناخته می‌شود، زمانی است که کارایی خمیر سیمان از دست می‌رود و بتن‌ریزی و پرداخت سطحی از این زمان به بعد، مشکل خواهد بود. البته خمیر سیمان به یکباره جامد نشده و زمانی طول خواهد کشید. زمانی که توده بتن صلب و کاملا جامد شود، زمان گیرش نهایی خواهد بود. تقریبا در تمام نقاط دنیا، این زمان‌ها را با استفاده از دستگاه آزمون ویکات[69] اندازه‌گیری می‌کنند.

هنگام گیرش نهایی، خمیر سیمان پرتلند تقریبا هیچ مقاومتی ندارد؛ چون ابتدای هیدراسیون C₃S می‌باشد. با شروع هیدراسیون این فاز، واکنش‌ها به سرعت طی چندین هفته ادامه می‌یابد. با تولید محصولات هیدراسیون، فضاهای خالی پرشده و نفوذپذیری[70] و تخلخل[71] کاهش یافته و مقاومت افزایش می‌یابد. در تکنولوژی بتن، به پدیده کسب مقاومت با زمان، سخت‌شدگی گویند. تصویر 9، نشان‌دهنده ارتباط بین شیمی فرآیند هیدراسیون خمیر سیمان پرتلند معمول و پدیده‌های فیزیکی تدریجی نظیر سفت‌شدگی، گیرش و سخت‌شدگی را نشان می‌دهد.

• تاثیر خصوصیات سیمان بر مقاومت و گرمای حاصل از هیدراسیون

از آن جایی که نرخ واکنش‌پذیری هر کدام از اجزای سیمان پرتلند با آب، با یکدیگر متفاوت است، این امکان وجود خواهد داشت که روند توسعه و کسب مقاومت سیمان را با تغییر در اجزای ترکیب، تغییر داد. به عنوان مثال، کسب مقاومت در سنین 3، 7 و 28 روز می‌تواند بالا باشد؛ به شرطی که مقدار C₃S و C₃S در سیمان زیاد باشد. می‌توان روند کسب مقاومت در این سنین را با زیادکردن C₂S کاهش داد. هم‌چنین از فرضیات صورت گرفته و معادلات بیان‌شده در همین مقاله، می‌توان استنباط کرد که مقاومت نهایی سیمان با مقدار C₂S بالا، باید بیشتر از سیمان با مقدار کم از این فاز باشد.

نرخ کسب مقاومت و تبادل گرما، می‌تواند با کنترل نرمی سیمان نیز تحت پایش قرار گیرد. به طور مثال برای یک سیمان با اجزای مشخص، با تغییر سطح ویژه سیمان از 300 به 500 مترمربع به ازای هرکیلوگرم سیمان، مقاومت ملات در سنین 1، 3 و 7 روز می‌تواند به ترتیب 50 تا 100 درصد، 30 تا 60 درصد و 15 تا 40 درصد افزایش یابد.

 

تا این قسمت، سیمان پرتلند معرفی و خصوصیات کلی سیمان مورد بررسی قرار گرفت. قسمت دوم این مقاله، تحت عنوان “انواع سیمان و آزمایش‌های مربوط به آن‌ها” نیز در تارنمای فهاب تدوین شده که می‌توانید با کلیک بر روی نام مقاله فوق، آن را ملاحظه فرمایید.

 

مراجع

• Brunauer, S., and L.E. Copeland, The Chemistry of Concrete, Sci. Am., April 1964.
• Hoff, G.C., B.J. Houston, and F.H. Sayler, S. Army Engineer Waterway Experiment Station, Vicksburg, MS, Miscellaneous Paper C-75-5, 1975.
• Lea, F.M. The Chemistry of Cement and Concrete, Chemical Publishing Company, I New York, 317–337,1971.
• Lerch, W., Proceedings of the American Society for Testing and Materials, Vol. 46, p. 1252, 1946.
• Mehta, P.K., ASTM STP 663, pp. 35–60, 1978.
• Mehta, P.K., World Cement Technology, pp. 166–177, May 1980.
• Mehta P.K., and P.J.M. Monteiro, Concrete: Microstructure, Properties and Materials, 4^th McGraw-Hill, New York, 2014.
• Neville A.M., Properties of Concrete, 5^th Pearson, Harlow, England, 2011.
• Neville A.M., and J.J. Brooks, Concrete Technology, 2^nd Prentice Hall, Pearson, Harlow, England, 2010.
• Tennis, P.D., Tech. Today, Vol. 20, No. 2, Portland Cement Association, August 1999.
• Verbeck, G.J., and C.W. Foster, Proceedings of the American Society for Testing and Materials, 50, p. 1235, 1950.

[1] Cement

[2] Hydraulic Cement

[3] Calcium Silicate

[4] Calcium Aluminate

[5] Hydration Process

[6] Special Cements

[7] Gypsum

[8] Calcination

[9] Calcium Carbonates

[10] Nonhydraulic Cement

[11] Pozzolanic Materials

[12] Calcium Hydroxide

[13] Clinker

[14] Calcium Sulfate

[15] Limestone

[16] Chalk

[17] Marl

[18] Sea-Shells

[19] Clay

[20] Dolomite

[21] Shales

[22] Quartz

[23] Aluminate

[24] Mineralizing Effect

[25] Bauxite

[26] Iron Ore

[27] Aluminoferrite

[28] Dry

[29] Wet

[30] Rotary Kiln

[31] Fuzzy Logic

[32] X-Ray Diffraction

[33] Structural Instability Degree

[34] Periclase

[35] Unsoundness

[36] Pop-Out

[37] Langbeinite

[38] Aphthitalite

[39] Fineness

[40] Surface Area Analysis

[41] Blaine Air Permeability Method

[42] Anhydrous

[43] Setting

[44] Hardening

[45] Brunauer

[46] Copeland

[47] Through-Solution Hydration

[48] Solid-State Hydration

[49] Hydroxyl

[50] High-Sulfate

[51] Ettringite

[52] Monosulfate

[53] Low-Sulfate

[54] Stiffening

[55] Setting

[56] Workability

[57] Normal Setting

[58] Quick Set

[59] Flash Set

[60] False Set

[61] Tobermorite Gel

[62] Heat of Hydration

[63] Lerch

[64] Initial Set

[65] Final Set

[66] Verbeck

[67] Foster

[68] Slump

[69] Vicat Apparatus

[70] Permeability

[71] Porosity