Please enter banners and links.
بتن مقاومت بالایی در مقابل آب دارد. برخلاف چوب و فولاد معمولی، توانایی بتن برای مقاومت در مقابل آب و عدم ایجاد خرابی در آن، از مصالحی ایده آل برای کنترل و ذخیره کردن و حمل و انتقال آب ساخته است.سهولت شکل دادن به آن برای ساخت اجزای مختلف سازه که به راحتی به درون قالب ها با شکل های مختلف ریخته می شود. [1].
سیمان پرتلند و سنگدانه به آسانی قابل دسترسی و ارزان می باشند.
بتن مسلح که در آن از فولاد و بتن استفاده می شود، طوری طراحی می شود که دو مصالح بتن و فولاد تواما برای تحمل نیروهای وارد به قطعه مقاومت کنند.
بتن پیش تنیده، که در آن با کشیدن کابل های پیش تنیدگی و آرماتورها در بتن فشاری اولیه ایجاد می کنند، برای تحمل تنش های کششی بیشتر در حین بارگذاری قطعات، طراحی شده اند. [2].
بتن به عنوان یکی از مهمترین مصالح ساختمانی در جهان مطرح میباشد و با توجه به اینکه کمتر از دو قرن از اختراع آن با ترکیبات امروزی میگذرد، کماکان رفتار آن در شرایط مختلف در هالهای از ابهام قرار دارد. بتن علیرغم سادگی آشکار آن، دارای ساختار بسیار پیچیدهای است و روابط بین ساختار ماده و مشخصات آن، که معمولاً برای درک و کنترل مواد مختلف سودمند است، را نمیتوان به سادگی به کار برد. بتن شامل یک توزیع غیرهمگن از تعداد زیادی اجزاء جامد است و نیز دارای منافذی است که دارای شکلها و اندازههای گوناگونی میباشند. تمامی این منافذ و یا بخشی از آنها از محلولهای قلیایی پر شدهاند. روشهای تحلیلی علم مواد و مکانیک جامدات، در مصنوعاتی که نسبتاً همگن هستند و پیچیدگی بسیار کمتری از بتن دارند به خوبی به کار برده میشود. از جمله این مواد میتوان به فولاد، پلاستیکها و سرامیکها اشاره نمود. به نظر نمیرسد که این روشها بتوانند در مورد بتن خیلی موثر واقع شوند[1]. در واقع واژه بتن (Concrete) از واژه لاتین (Concretus) به معنای “رشد کردن” اشتقاق یافته است [1] و بنا بر دانش تکنولوژی بتن فرآیند هیدراتاسیون سیمان و محصولات حاصل از آن تا سالها پس از ساخت ادامه خواهند داشت. این امر سبب مطرح شدن بتن به عنوان یک موجود زنده میباشد. نیاز به آب برای ادامه حیات و بارورتر شدن آن، تاثیرپذیری از شرایط محیطی مانند دما، رطوبت و یونهای مخرب، تغییر خواص با گذشت زمان و بالاخره پیری مصالح تشکیل دهنده آن مؤید زنده بودن این ماده میباشد [2].
در مقایسه با سایر مواد، ساختار بتن یک مشخصه ایستا و ثابت از این ماده نیست. دلیل این امر نیز آن است که دو جزء از سه جزء کاملاً متمایز در ساختار بتن، یعنی خمیر سیمان و ناحیه انتقال بین خمیر و سنگدانه با گذشت زمان و به طور مستمر تغییر میکنند، از طرفی دیگر بر خلاف سایر مصالح، که به صورت یک “کالای آماده برای مصرف” ارائه میشوند، بتن مادهای است که اغلب میباید درست قبل از مصرف در محل کارگاه یا نزدیک آن ساخته شود. از این رو اگر در دو مرحله بتنی با مشخصات یکسان در دو کارگاه متفاوت ساخته شود، نمیتوان از رفتار یکسان آنها مطمئن بود.
به طور کلی، به هر ماده یا محصولی که از یک ماده چسبنده با خاصیت سیمانی شدن، تشکیل شده باشد، بتن اطلاق میشود. تاریخ ساخت و کاربرد بتن به عنوان مصالح ساختمانی از قدمت چند هزار ساله برخوردار میباشد و سازههای ساخته شده از این جنس در ایران و جهان گواه این امر میباشند. با این تعریف، بتن طیف وسیعی از محصولات را شامل میشود ولی در اینجا منظور از بتن، ماده ساخته شده با سیمان پرتلند، آب و سنگدانه (و افزودنی) میباشد.
ساخت بتن با سیمان پرتلند پس از پیدایش سیمان پرتلند در سال 1827 آغاز شده و در طی این دوران به یکی از پرمصرفترین مصالح در صنعت ساختمان تبدیل شده است که این خود گواه پارامترها و ویژگیهای منحصر بفرد آن میباشد. مقاومت عالی بتن در مقابل آب، سهولت فرمپذیری بتن در اشکال و اندازههای مختلف، ارزانتر بودن و سهولت دسترسی به مصالح تشکیلدهنده آن تقریباً در هر نقطه از جهان، از علل متعدد این امر میباشند. طی سالیان گذشته، نوع و کیفیت مصالح بتنی و روشهای ساخت بهطور قابل ملاحظهای تغییر کرده است.
اجزاء اصلی تشکیلدهندة بتن، عبارتند از سنگدانه، سیمان و آب. در سالهای اولیه، استفاده از بتن به دلیل کم بودن مقاومت کششی آن، محدودتر بود ولی در اواسط قرن نوزدهم میلادی برای اولین بار از تسلیح بتن استفاده شد و به این ترتیب با لاغر شدن اعضای بتنی، امکان طرح دهانههای بزرگتر و استفاده از تنشهای طراحی بالاتر، به عنوان یکی از مهمترین پیشرفتها در زمینة استفاده از بتن فراهم گردید. با توجه به اینکه مواد اولیه برای ساخت بتن در همه جای دنیا در دسترس است، استفاده از آن در سطح دنیا از همان ابتدا رو به گسترش گذاشت.
بتن از سه فاز مختلف تشکیل شده است. این فازها عبارتند از: سنگدانه، خمیر و ناحیة انتقال. مشخصات مکانیکی و دوام بتن به هر سه فاز ذکر شده وابسته است. بنابراین برای ارزیابی و تعیین مشخصات بتن باید هر سه فاز بررسی شوند. این بررسیها باید از دو دیدگاه صورت گیرد. دیدگاه اول، بررسی هر یک از سه فاز به صورت مستقل و دیدگاه دوم، بررسی اثر این سه فاز بر یکدیگر.
ساختار بتنساختار فاز سنگدانهدر واقع سنگدانه تعیین کننده وزن واحد حجم، مدول (الاستیسیته) و پایداری ابعادی بتن می باشد. این خواص بتن تا حدود زیادی بستگی به وزن مخصوص ظاهری و مقاومت سنگدانه ها دارد آن هم به نوبه خود به خواص فیزیکی سنگدانه بیشتر از خواص شیمیایی آن وابسته است. [2].
علاوه به تخلخل، شکل و بافت سنگدانه های درشت نیز در خواص بتن تاثیر دارند .
وجود سنگدانه های با ابعاد بزرگتر و همچنین نسبت زیادی سنگدانه های مسطح و طویل در بتن باعث به وجود آوردن لایه نازک آب در فصل مشترک خمیر و سنگدانه شده و این لایه در ضعیف نمودن پیوستگی خمیر و سنگدانه (در ناحیه انتقال) بسیار موثر است [3].
ساختار سیمان خمیر هیدراتهسیمان پرتلند غیرهیدراته پودر خاکستری رنگی است که از ذرات زاویه داری و در اندازه های بین 1 تا 50 میکرون تشکیل شده است. المانهای اصلی تشکیل دهنده سیمان عبارتند از: کلسیم، سیلیسیوم، آلومینیوم، آهن، منیزیم، سدیم، پتاسیم و گوگرد. این المانها در طبیعت خالص نیستند و به صورت اکسید وجود دارند. سیمان از آسیاب نمودن کلینکر با مقدار کمی سولفات کلسیم به دست می آید. ترکیبات اصلی کلینکر سیمان شامل C3S، C2S، C3A،C4AF است که در دمای 1400 درجه سانتی گراد با ذوب شدن و ترکیب شدن این اکسید ها حاصل می شوند.
هر یک از خواص سیمان تحت تاثیر یکی از اکسیدهای مرکب است، اکسیدهای C3S، C2S حدود 75 درصد سیمان را تشکیل می دهند و ویژگی های مفید سیمان از قبیل چسبندگی مقاومت و ثبات حجمی را این دو اکسید می سازند.
واکنش سیمان با آب را هیدراتاسیون (آبگیری) می گویند. آبگیری C3S خیلی سریع است ولی آبگیری C2S کند می باشد. در نتیجه C3S باعث ایجاد مقاومت کوتاه مدت و C2S باعث ایجاد مقاومت بلند مدت می شود. حرارت ایجاد شده در زمان آبگیری ناشی از واکنش سریع C3S با آب است. C3A اکسید ناپایداری است که شدیدا تحت تاثیر حملات شیمیایی به خصوص حمله سولفات ها قرار می گیرد. از واکنش C3A با سولفاتها ترکیبی به نام اترنژیت حاصل می شود که در مجاورت آب افزایش حجم می دهد و به این ترتیب باعث ترک خوردن و خرد شدن بتن می گردد. C3A در مقاومت سیمان نقش کمی دارد در عوض باعث گیرش آنی سیمان می شود. گیرش آنی به دلیل واکنش سریع C3A با آب رخ می دهد. واکنش C3A خالص با آب بسیار شدید است و به سفت شدن فوری خمیر که به گیرش آنی معروف است منتهی می گردد. برای جلوگیری از این امر در هنگام تولید سیمان سنگ گچ (H2O2، CaSO4) به کلینکر سیمان افزوده می شود. گیرش آنی برگشت ناپذیر است. C4AF در تولید سیمان به شکل کاتالیزور حرارتی عمل می کند. اگر مقدار C4AF در سیمان کم شود حرارت لازم برای تولید کلینکر سیمان افزایش می یابد و باعث غیراقتصادی شدن تولید سیمان می گردد.
هنگامی که پودر سیمان در آب ریخته می شود سولفات کلسیم و ترکیبات دمای بالای کلسیم تمایل به حل شدن پید کرده و مایع جدید سریعا از ذرات یونی مختلف اشباع می شود. در نتیجه تشکیل ترکیبات حاصل از کلسیم سولفات، آلومینات و یون های هیدروکسیل چند دقیقه پس از هیدراتاسیون سیمان ابتدا بلورهای سوزنی شکل سولفوآلومینات کلسیم هیدراته شده، موسوم به اترینگات ظاهر می گردند. پس از چند ساعت بلورهای بزرگ منشوری شکل هیدروکسید کلسیم و بلورهای کوچک الیافی شکل سیلیکات کسلیم هیدراته شده، فضاهای خالی خمیر را که قبلا توسط آب و ذرات سیمان اشغال شده بود پر می کنند. بعد از چند روز بسته به میزان نسبت اکسید آلومینیوم به سولفات سیمان پرتلند، اترینگیات ناپایدار شده و به مونوسولفات هیدراته شده به شکل صفحات شش وجهی در می آید. صفحات شش وجهی شکل همچنان متعلق به هیدروکسید کلسیم هیدراته شده می باشد که در خمیر هیدراته شده کم سولفات یا در سیمان های با C3A زیاد تشکیل می شود [4].
مواد جامد در خمیر هیدراته شده1- هیدروکسید کلسیم
2- سولفوآلومینات کلسیم
3- دانه های کلینکر هیدراته نشده
4- سیلیکات کلسیم هیدراته
فاز سیلیکات کلسیم هیدراته که مختصرا با C–S–H نشان داده می شود، حدود 50 تا 60 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 به شکل C–S–H این است که نسبت به ترکیبات آن کاملا مشخص نشده و در آن نسبت C به S بین 5/1 تا 2 و نیز آب شیمیایی آن بسیار متغیر است. شکل ذرات C–S–H نیز از کریستال های ضعیف الیافی شکل تا شبکه های منسجم تغییر می کند. 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. [5]. با استفاده از دستگاه های مختلف اندازه گیری مساحت سطح C–S–H در حدود 100 تا 700 متر مربع بر گرم پیشنهاد شده است. مقاومت ماده اساسا به نیروهای واندروالس، اندازه حرفات ژلی یا فاصله بین قسمت جامد که در حدود 18 آنگستروم است نسبت داده می شود.
فضاهای خالی در خمیر سیمان هیدراته شدهانواع مختلف فضاهای خالی در خمیر سیمان ایجاد می شود که در خواص آن تاثیر به سزایی دارند (شکل 21)
شکل 21 محدوده های ابعاد قسمت های جامد و فضاهای 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 18 آنگستروم بیان کرده و معتقد است که این فضاهای خالی 28 درصد قسمت جامد C–S–H می باشد. به هر حال فلدمن و سردا این فضا را بین 5 تا 25 آنگستروم پیشنهاد می کنند. با این وجود این فضاهای متخلخل آنقدر کوچکند که نمی توانند تاثیری در مقاومت و تراوایی خمیر سیمان سخت شده داشته باشند. آب درون این فضاهای کوچک می تواند توسط پیوند هیدروژنی نگه داشته شود و خروج آن تحت شرایطی معین می تواند سبب ایجاد جمع شدگی ناشی از خشک شدن و خزش خمیر گردد.
فضاهای مویینهمنافذ مویینه فضاهایی هستند که توسط قسمت جامد 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 به مراتب کمتر است. تخمین زده می شود که هر سانتی متر مکعب سیمان در هیدراتاسیون کامل به حدود 2 سانتی متر 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 به تدریج به فضای پر شده از محصولات هیدراتاسیون تبدیل 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.
در یک خمیر سیمان کاملا هیدراته شده با نسبت کم آب به سیمان فضاهای مویینه ممکن است بین 10 تا 50 نانومتر تغییر کند.
در خمیر با نسبت آب به سیمان بالا، در اوایل هیدراتاسیون فضاهای مویینه ممکن است به بزرگی 3 تا 5 میکرون باشند.
فضاهای مویینه بزرگتر از 50 نانومتر یعنی حفرات بزرگ، در مقاومت و تراوایی تاثیری اساسی دارند، در حالیکه حفرات کمتر از 50 نانومتر یعنی ریز حفرات خمیر بیشتر در جمع شدگی ناشی از خشک شدن و خزش موثرند. [5].
حباب های هوافضاهای مویینه اغلب بدون شکل خاصی می باشند، در حالی که حباب های هوا در بتن یا خمیر، اغلب کروی هستند. هوا ممکن است در حین مخلوط کردن در خمیر سیمان محبوس گردد که ممکن است به بزرگی 3 نانومتر باشند، که قطری بزرگتر از فضاهای مویینه دارند و بنابراین قادر به تاثیر در مقاومت و نفوذپذیری بتن هستند. [6].
آب بین لایه ایاین 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 نگه داشته می شود. آب بین لایه ای تنها در خشک شدن شدید (در رطوبت نسبی کمتر از 11 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 (شکل 22) [5].
شکل 22 انواع آب های موجود در ساختار سیلیکات کلسیم هیدراته شده [5].مقاومتعامل اصلی مقاومت در بخش جامد خمیر سیمان هیدراته شده وجود نیروهای جاذبه واندروالسی است. چسبندگی بین سطوح دو قسمت جامد، به این نیروهای جذبی فیزیکی نسبت داده می شود. 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 غیرهیدراته و نیز دانه های ریز و درشت شن و ماسه نیز می چسبند. [6].
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 تاثیر 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.
حجم فضاهای مویینه در خمیر هیدراته شده به میزان آب اختلاط با سیمان در ابتدای واکنش و درجه هیدراتاسیون سیمان بستگی دارد.
مقاومت مهمترین خاصیت و مشخصه بتن نزد طراحان و مهندسان کنترل کیفیت بتن می باشد. در جامدات رابطه معکوس بین تخلخل و مقاومت وجود دارد. در نتیجه در بتن و مواد ترکیبی نظیر آن تخلخل هر جزء تشکیل دهنده می تواند بر مقاومت تاثیر بگذارد. از آنجا که سنگدانه ها عموما متراکم و با مقاومت بالا هستند لذا تخلخل خمیر سیمان سخت شده و ناحیه انتقال بین سنگدانه و خمیر اغلب تعیین کننده مقاومت مشخصه بتن های معمولی است.
اگر چه پارامتر نسبت آب به سیمان در تعیین و میزان تخلخل خمیر و ناحیه انتقال و در نتیجه مقاومت بتن بسیار اهمیت دارد ولی عواملی نظیر تراکم و عمل آوری بتن (درجه هیدراتاسیون سیمان) اندازه و کانیهای سنگدانه ها، مواد افزودنی، ابعاد و شکل نمونه، شرایط رطوبت، نوع تنش و سرعت بارگذاری نیز در مقاومت بتن اهمیت دارند. [5].
مقاومت ناحیه انتقال
در یک ماده مرکب، ناحیه انتقال همچون پلی بین دو جزء یعنی بخش خمیر ملات و دانه های درشت عمل می کند. 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 با نسبت 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 به هر حال با افزایش سن بتن ممکن است مقاومت ناحیه انتقال برابر یا حتی بیش از مقاومت قسمت توده ملات گردد [7].
مقاومت سیمان
مقاومت مکانیکی سیمان سخت شده خاصیتی از سیمان است که شاید بیش از هر خاصیت دیگری از لحاظ کاربرد سازه ای مورد نیاز می باشد.
مقاومت ملات یا بتن به چسبانندگی خمیر سیمان چسبندگی سیمان به سنگدانه ها و تا حدی به مقاومت خود سنگدانه ها بستگی دارد. در این مرحله عامل اخیر مورد بررسی قرار نمی گیرد و از طریق مصرف سنگدانه های استاندارد شده اثر این عامل بر مقاومت سیمان ثابت نگه داشته می شود.
به دلیل جمع شدگی زیاد سیمان خالص و همچنین مشکلات مربوط به قالب ریزی و آزمایش برلی، آزمایش مقاومت سیمان از ملات ماسه استاندارد سیمان استفاده می گردد. ماسه استاندارد باید عاری از ناخالصی های آلی بوده و کوارتزی به رنگ خاکستری کمرنگ یا کرم رنگ یا سفید باشد. دو نوع ماسه استاندارد وجود دارد:
ماسه DIN آلمان
ماسه اتاوا آمریکا (ASTM)
نفوذ یون کلرایدعموماً مدلسازی رفتار بتن در طول عمر خدمت رسانی به منظور نیل به اهداف طراحی بر اساس دوام، نگهداری و تعمیرات به هنگام و پیشگیرانه انجام میشود، از این رو اهداف نهایی مدلها، پیشبینی مراحل مختلف خرابی و زوال بر اساس مصالح و شرایط محیطی و بهرهبرداری میباشد. اغلب خرابیهای بتن بر اساس دو مرحله آغاز و پیشرفت خرابی مدل میشوند. در مرحله آغاز، معمولاً تحت اثر عوامل محیطی و نفوذ، واکنشهایی در بتن صورت میگیرد و در ادامه به حدی میرسد که خرابی آغاز میگردد. مرحله توسعه و گسترش خرابی معمولاً از زمانی آغاز میشود که خرابی در بتن نظیر شروع خوردگی فولاد مدفون در بتن اتفاق میافتد و تا مرحله ترک پیش میرود.
در مطالعه خرابیهای بتن، سه نوع آن از اهمیت ویژهای برخوردار میباشند که عبارتند از: خوردگی میلگرد در بتن مسلح، واکنش قلیایی سنگدانهها و خرابی ناشی از یخبندان.
خرابی ناشی از خوردگی میلگرد در سازههای بتن مسلح که در کشور ما نیز در اغلب نقاط به ویژه در مناطق ساحلی خلیجفارس در وسعت قابل ملاحظهای اتفاق افتاده است از اهمیت ویژهای برخوردار بوده و مدلهای متعدد ارائه شده از سال 1970 توسط کولهپاردی تا به امروز در مقایسه با مدلهای ارائه شده در زمینه دو خرابی دیگر گواه اهمیت این موضوع میباشد. مدلهای خوردگی میلگرد در سازههای بتن مسلح معمولا بر اساس دو پدیده کربناتاسیون و نفوذ یون کلرید استوار میباشد. با توجه به سرعت آغاز و گسترش خوردگیهای ناشی از نفوذ یون کلرید در مقایسه با خوردگیهای ناشی از پدیده کربناتاسیون در شرایط محیطی دریایی، اغلب مدلسازیها بر پایه خوردگی کلریدی میباشد چنانچه در برخی پروژه های عمرانی در سواحل خلیجفارس دیده شده قبل از اتمام پروژه، خوردگی کلریدی اتفاق افتاده و بتن ترک خورده است. باید خاطر نشان کرد که پدیدههای خرابی معلول یک علت نبوده و عملاً اندرکنش پدیدهها، خرابی و زوال را رقم خواهند زد، گاهی جمع پدیدهها باعث سرعتگرفتن خرابی و گاه دفعکننده یکدیگر میباشند. از این رو نمیتوان انتظار تخمینهای بسیار دقیق از مدلها داشته و بدون در نظر گرفتن اساس و پایه علم تکنولوژی بتن و با تکیه به مدلها اهداف طراحی، اجرا و نگهداری را پیش برد. ف. کاپرا[1] در تفسیر نگرش سیستمی سیستمهای زنده بیان میدارد: ” تشریح ارگانیسمها از طریق سادهسازی و کاهش پیچیدگی آنها میتواند سودمند واقع شده و در بعضی مواقع لازم نیز باشد، ولی این روش زمانی خطرناک است که آن را به عنوان یک تفسیر کامل از آن ارگانیسمها در نظر بگیریم” [8].
در این فصل به تفصیل در مورد عمر مفید خدمترسانی و تخمین آن، پارامترهای دخیل، منشأ حضور یون کلرید، مکانیزم نفوذ آن و اساس مدلسازیها بحث شده است و مدلهای گوناگون به اختصار معرفی شده است.
مکانیزمهای انتقال یون کلرید و عوامل مؤثر بر آن
بر اساس تجربیات گذشته، یونهای کلرید هم از محیط خارجی (بیرونی)، در صورت تماس با خاک آلوده یا آب دریا، و هم از محیط داخلی (مصالح حاوی یون کلرید) وارد بتن میشوند. با توجه به اهمیت زیاد نفوذ یون کلرید به عنوان یک عامل بسیار مهم در کاهش عمر مفید بتن مسلح، مکانیزمهای نفوذ یون کلرید به داخل بتن باید به خوبی شناخته شوند. باید توجه داشت که نفوذ یون کلرید به داخل بتن تنها تحت تأثیر یک عامل نیست بلکه عوامل مختلفی به صورت همزمان در این امر دخیل میباشند.
مکانیزمهای انتقال یون کلرید به داخل بتنمکانیزمهای نفوذ یون کلرید به داخل بتن را میتوان به موارد زیر محدود نمود:
انتشاریونی[2]
انتشار یونی در حقیقت حرکت ماده تحت تأثیر اختلاف غلظت میباشد و یا به صورت دقیقتر میتوان گفت انتشار یونی، پتانسیل شیمیایی است از یک محیط با غلظت زیاد به یک محیط با غلظت کم. باید توجه داشت که وقتی در مورد انتقال یون کلرید صحبت میشود، فقط یونهای کلرید آزاد هستند که در این اختلاف غلظت یا پتانسیل شیمیایی میتوانند شرکت داشته باشند [9].
موئینگی[3]
مکش موئینه حرکت (انتقال) آب و یونها در داخل محیط متخلخل بتن به دلیل کشش سطحی منافذ موئینه میباشد [8].
نفوذ[4]
انتقال سیال تحت عمل گرادیان یا تغییر فشار را نفوذ نامند [8].
مهاجرت[5]
مهاجرت عبارت است از حرکت یونها تحت تأثیر گرادیان پتانسیل الکتریکی است [10] .
جذب[6]
حرکت یونها تحت تاثیر گرادیان رطوبت را جذب گویند [8].
انتقال ترکیبی[7]
در ناحیه جزرومدی و منطقه پاشش، یعنی در موقعیتهایی که بتن به طور کامل اشباع نیست و بطور مداوم تر و خشک میشود، نفوذ یون کلرید به داخل بتن بسیار سریعتر نسبت به انتشار خالص صورت میگیرد [10]. در این ناحیه بطور همزمان نمکها با مکانیزم انتشار برای افزایش عمق نفوذ، حرکت میکنند و اثر همزمان انتشار و مکش موئینه مکانیزم ترکیبی از حرکت یونها به داخل بتن را به وجود میآورد. در بتنهای در معرض محیطهای دریایی، نفوذ یون کلرید میتواند تا سه برابر بیشتر از سازههای معمولی باشد [11]. در سازههای دریایی مقادیر زیادی از آب دریای حاوی یون کلرید در هنگام تر شدن بتن به داخل آن مکیده میشود و هنگامی که بتن در معرض هوا قرار میگیرد رطوبت سطح آن خشک میشود و مقدار زیادی از یونهای کلرید بر روی سطح بتن به جای میماند [11]. خشک شدن سریع بتن (بر اثر دمای محیطی زیاد) باعث میشود که اکسیژن زیادی در منافذ بتن وجود داشته باشد و فشار منفی زیادی را ایجاد کند در نتیجه در هنگام تر شدن بتن، آب بیشتری جذب آن میشود. تکرار تروخشک شدن بتن غلظت نمک را در محیط داخلی بتن افزایش داده و ممکن است که غلظت یون کلرید در منافذ حتی بیشتر از غلظت یون کلرید آب دریا شود. به دلیل خاصیت آب دوستی یونهای کلرید، میزان رطوبت داخل بتن با افزایش یونها، افزایش مییابد و در نتیجه اگر رطوبت کافی موجود باشد یونهای کلرید از طریق انتشار به اعماق بیشتری راه مییابند. بطور کلی می توان گفت جز اجزای بتنی که به طور مداوم در آب دریا مغروق میباشند ترکیب تمامی مکانیزمهای انتقال یون کلرید به داخل بتن در بیشتر شرایط وجود دارد ] 10[.
با تمامی این تفاسیر باید دانست که تمامی یونهای کلرید که در داخل بتن وجود دارند و یا نفوذ میکنند به صورت آزاد باقی نخواهند ماند و برخی از آنها با محصولات حاصل از هیدراتاسیون سیمان واکنش داده و به شکل نمک فریدل[8] درمیآیند و برخی از یونهای کلرید به طور فیزیکی جذب هیدراتهای مختلف سیمان میشوند به عبارت دیگر قسمتی از یونهای کلرید به صورت یون کلرید مقید در آمده و فقط بخشی از یونهای کلرید به صورت آزاد باقی میمانند و در حقیقت همین بخش است که مسئول تخریب بتن در ساختمانهای بتن مسلح میباشد. در عمل یون کلرید پیوندی میتواند به عنوان عاملی برای جلوگیری و یا به تأخیر انداختن خوردگی با کاهش غلظت یونهای کلرید در محلول منفذی عمل نماید ]10[ .
عوامل مؤثر بر انتقال یون کلرید
به طور کلی میتوان گفت کاهش نفوذپذیری بتن راه حل و کلید مسئله پایایی میباشد و باید توجه داشت که عوامل مؤثر بر نفوذپذیری بتن تنها به طرح اختلاط آن (از جمله نسبت آب به سیمان زیاد و یا کم) محدود نمیشود. بلکه در بتنی با طرح اختلاط خوب نیز ممکن است عواملی مانند اجرای نادرست، عدم تراکم کافی و عملآوری نامناسب منجربه نفوذپذیری زیاد شود. به طورکلی میتوان گفت پارامترهای اصلی که بر نفوذپذیری بتن بطور اعم و نفوذ یون کلرید بطور اخص مؤثرند به صورت شماتیک به شرح
جدول 21 میباشد ] 12 و 13[.
جدول 21 پارامترهای موثر در نفوذ یون کلرید به بتناجزا تشکیل دهنده و طرح اختلاط ملاحظات طراحی و اجرا شرایط رویارویی شرایط بارگذاری
W/C
نوع سیمان
مواد افزودنی معدنی پوشش بتن
تراکم
عملآوری
پوششهای سطحی روی بتن رطوبت
درجه حرارت
شرایط رویارویی
زمان رویارویی سطح تنش
مشخصات ترکها
عیار سیمان
حداکثر اندازه دانه
نوع دانهبندی درزهای اجرایی و درز سرد
دمای بتن ریزی کربناسیونفولاد مدفون در بتن توسط یک لایه اکسید بسیار نازک که بر سطح بیرونی آرماتورها قرار میگیرد در برابر خوردگی محافظت میشود. این لایه در محیط به شدت قلیایی (pH در حدود 13 ) بتن اطراف آرماتورها تشکیل شده و پایدار میماند. در صورتی که pH محیط پیرامون این لایه به مقادیری در حدود 9 برسد، این لایه از بین رفته و خوردگی آرماتورها آغاز میشود.]14[
pH بتن با نفوذ و انتشارگازهای موجود در محیط و تشکیل اسیدها تغییر مییابد. گازهای موثر اصلی عبارتند از هوا ((0.6- 1 و موجود در آب باران) (6-10 ]15[.
در این میان دی اکسید کربن موجود در هوا از اهمیت بیشتری برخوردار میباشد و در نتیجه نفوذ آن به درون بتن پدیده کربناتاسیون روی خواهد داد.
کربناتاسیون بتن یک واکنش شیمیایی بین دی اکسید کربن نفوذ کرده به درون بتن با محصولات قلیایی حاصل از هیدراتاسیون سیمان در بتن میباشد. این واکنش ، جزو واکنشهای تبادلی بین سیال مهاجم و خمیر سیمان که منجر به تشکیل نمک های کلسیم قابل حل میشوند، تقسیم بندی میشود.
لازم به ذکر است که تفاوت بسیار زیادی بین نرخ انتشار دی اکسید کربن در هوا و نرخ انتشار آن در آب وجود دارد. در آب نرخ انتشار دی اکسید کربن در حدود 10000 بار کمتر از هوا میباشد[38]. از آنجا که بتن مادهای متخلخل با منافذ ریز (micro porous) میباشد، نفوذ دی اکسید کربن به شکل ساختاری منافذ اشباع و غیر اشباع از آب بستگی خواهد داشت. اگر منافذ خشک باشند، گاز دی اکسید کربن به راحتی نفوذ میکند ولی به علت کمبود آب، فرآیند کربناتاسیون بتن روی نمیدهد. در حالتی که منافذ از آب اشباع شوند، به علت نرخ انتشار کم گاز دی اکسید کربن در آب، کربناتاسیون به سختی روی خواهد داد. اگر منافذ به صورت جزیی از آب پر شوند (حالتی که معمولاً در سطح بتن وجود دارد)، کربناتاسیون میتواند پیشروی کند.
فرآیند شیمیایی- فیزیکی کربناتاسیونمعادلات شیمیایی فرآیند کربناتاسیون بتن عبارتند از]16[ :
(3-1)
(3-2)
(3-3)
(3-4)
عوامل موثربر فرآیند کربناتاسیون بتنعوامل بسیاری بر روند فرآیند کربناتاسیون بتن موثر میباشند. برای درک بهتر این فرآیند، شناخت عوامل موثر بر آن اجتناب ناپذیر است. از این رو در این قسمت بصورت اجمالی عوامل موثر معرفی میشوند.
بطور کلی میتوان عوامل موثر بر کربناتاسیون بتن را به سه گروه عمده تقسیم بندی نمود]17[:
عوامل داخلی یا ساختاری بتن
عوامل خارجی یا شرایط محیطی
تاثیر شرایط اجرایی و بهره برداری
در ادامه پارامترهای موثر بر کربناتاسیون بتن در قالب این گروه ها مورد بررسی بیشتر قرار خواهند گرفت:
تاثیر عوامل داخلی بتن بر کربناتاسیون
زمان
بطور کلی پدیده کربناتاسیون بتن، پدیدهای وابسته به زمان میباشد. بدین ترتیب که با گذشت زمان، میزان پیشروی جبهه کربناتاسیون در بتن (عمق کربناتاسیون) افزایش مییابد. همچنین باید به این نکته اشاره نمود که آهنگ پیشروی جبهه کربناتاسیون در بتن (سرعت افزایش عمق کربناتاسیون) با گذشت زمان کاهش مییابد که این امر میتواند به علت تغییر در ریزساختار بتن در اثر کربناتاسیون و هیدراتاسیون در طول زمان باشد.
بطور کلی رابطه بین زمان و عمق کربناتاسیون حاصل از تئوری انتشار فیک که مبنای پایهریزی اکثر مدل ها و مطالعات بوده است، قانون جذر زمان میباشد]18[:
(3-5)
یعنی عمق کربناتاسیون متناسب با جذر زمان کربناته شدن بتن میباشد.
k ضریب کربناتاسیون میباشد که در بر گیرنده پارامترهای ساختاری و درونی بتن و شرایط محیطی محل قرارگیری بتن میباشد و با تغییر خواص بتن و شرایط رویارویی تغییر خواهد نمود. مقدار k بصورت تجربی و یا مشاهده مستقیم قابل محاسبه میباشد.
نوع و خواص فیزیکی-شیمیایی سیمان
H.Ropper تحقیقاتی در ارتباط با تاثیر نوع سیمان بر کربناتاسیون انجام داده است. بر اساس نتایج ارائه شده توسط Ropper وهمکارانش ]19[ میتوان گفت که افزایش در میزان و در سیمان باعث کاهش در کربناتاسیون میشود. بر همین اساس ترتیب مقاومت در برابر کربناتاسیون برای انواع سیمانها به ترتیب زیر میباشد:
سیمان زود سخت شونده (بیشترین مقاومت)، سیمان پرتلند عادی، سیمان با حرارت پایین و سیمان ضد سولفات ( کمترین مقاومت).(شکل 23)
104775013335000شکل 23 ترتیب مقاومت در برابر کربناتاسیون برای انواع سیمانها ]43[
کربناتاسیون، واکنش دی اکسید کربن نفوذ کرده به درون بتن با قلیایی های موجود در بتن به ویژه میباشد. تغییر در خواص فیزیکی- شیمیایی سیمان مصرفی باعث ایجاد تغییر در سرعت تولید قلیاییها و همچنین میزان آنها در ترکیب بتن خواهد بود.
به عنوان مثال، با افزایش میزان اکسید کلسیم موجود در سیمان، عمق کربناتاسیون بتن کاهش مییابد. علت این امر را میتوان درمیزان تولید بیشتر در بتن دانست که باعث میشود نفوذ کرده به درون بتن در هر عمق با میزان CH قابل کربناته شدن بیشتر مواجه شده و سرعت نفوذ دی اکسید کربن به عمق بتن کاهش پیدا میکند. همچنین مشاهده شده است که با افزایش نرمی بلین سیمان، عمق کربناتاسیون بتن کاهش مییابد. (
جدول 22)
جدول 22 اثر نرمی بلین بر عمق کربناتاسیون بتن[38](mm) عمق کربناتاسیون بتن نرمی بلین
14 2500
13 3000
13 3500
10.5 4000
10.5 4500
10 5000
عیار سیمان در بتن
از آنجاییکه با افزایش عیار سیمان درترکیب بتن شاهد افزایش میزان قلیاییها بویژه CH در بتن خواهیم بود، انتظار میرود که با افزایش عیار سیمان در بتن شاهد کاهش عمق کربناتاسیون بتن باشیم. در این مورد نیز افزایش میزان قلیاییهای واکنشزا با در هر عمق، باعث تاخیر در نفوذ دی اکسید کربن به عمق بتن میشود. علت دیگر این امر کاهش نفوذپذیری خمیر سیمان در اثر افزایش میزان سیمان در خمیر میباشد.
چگالی
افزایش چگالی بتن نمایانگر کاهش تخلخل و در نتیجه کاهش نفوذپذیری بتن میباشد. بنابراین با افزایش چگالی، شاهد کاهش عمق کربناتاسیون خواهیم بود. (شکل 24)
شکل 24 اثر چگالی بتن بر عمق کربناتاسیون ]43[.مقاومت فشاری
معمولاً با افزایش مقاومت، عمق کربناتاسیون کاهش مییابد. محققینی از قبیل Richardson بیان کردهاند که که در مقاومتهای بیشتر از MPa 60، کربناتاسیون فقط در پوستهای از بتن روی میدهد ]20[.
نسبت آب به مواد سیمانی
بطور کلی با افزایش نسبت آب به مواد سیمانی، شاهد افزایش عمق کربناتاسیون خواهیم بود. با افزایش نسبت آب به مواد سیمانی، شاهد افزایش تخلخل و ارتباط بیشتر بین منافذ خواهیم بود. در نتیجه نفوذ سیال به عمق بتن راحت تر شده و عمق کربناتاسیون افزایش خواهد یافت.
Houst در تحقیقات خود نشان داده است که در نسبتهای زیاد آب به سیمان ، شبکهای یکنواخت و همگن از حفرات تشکیل میشود که مسیرهای مناسبی را جهت نفوذ دی اکسید کربن به درون بتن فراهم میکنند. در این نوع بتنها، جبهه کربناتاسیون کاملاً قابل تشخیص بوده و مرز مشخصی بین نواحی کربناته شده و غیر کربناته قابل رویت میباشد]21[.
همچنین باید توجه داشت که در نسبتهای آب به سیمان کم، خشک شدن و جمع شدگی خودبخودی باعث ایجاد ترک در سطح بتن و نفوذ دی اکسید کربن به عمق بتن در برخی نقاط میگردد. (این نوع کربناتاسیون در بتنهای با نسبتهای زیاد آب به مواد سیمانی وجود ندارد.) در نتیجه در نسبتهای کم آب به مواد سیمانی، جبهه کربناتاسیون به راحتی قابل تفکیک نمیباشد (شکل 25)
همچنین در نسبتهای آب به مواد سیمانی خیلی کم، در صورت عدم استفاده از روانساز مناسب، به خصوص در کارگاههای با شرایط اجرایی نامناسب، امکان متراکم کردن بتن به صورت مناسب و مطلوب وجود نخواهد داشت. این امر میتواند منجر به ایجاد ترک و نفوذ دی اکسید کربن به عمق بتن بدون درگیر شدن در جبهه کربناتاسیون سطحی بشود.
شکل 25 سهولت در تشخیص جبهه کربناتاسیون با افزایش نسبت آب به مواد سیمانی
سنگدانهها
نوع، شکل و ابعاد سنگدانهها میتواند بر کربناتاسیون بتن موثر باشد. استفاده از سنگدانههای بزرگ و متخلخل میتواند باعث ایجاد مسیرهای کوتاه برای نفوذ دی اکسید کربن وافزایش سرعت و عمق کربناتاسیون شود. همچنین در مورد سنگدانههای متراکم نیز مشکلاتی وجود دارد. جمع شدگی ناشی از کربناتاسیون خمیر سیمان در بتنهای حاوی این سنگدانهها که باعث ایجاد مسیرهای نفوذپذیر در امتداد نواحی انتقالی بین خمیر سیمان و سنگدانه و در نتیجه افزایش نفوذپذیری میشود، از این قبیل مشکلات میباشد. همچنین استفاده از سنگدانههای گردگوشه به جای سنگدانههای شکسته باعث کاهش نیاز به آب و در نتیجه کاهش در نفوذپذیری میشود]22[.
میزان سنگدانه در طرح اختلاط
تغییرات نسبت ماسه به سیمان در بتن تاثیر قابل توجهی بر نفوذپذیری و در نتیجه کربناتاسیون دارد. در صورتیکه میزان ماسه مورد نیاز از حد مورد نیاز کمتر باشد، با افزایش حفرات(تخلخل) و نفوذپذیری مواجه خواهیم شد. همچنین در صورتیکه بیش از حد مورد نیاز در بتن ماسه وجود داشته باشد، خمیر سیمان کافی جهت پوشاندن محیط تمام سنگدانهها فراهم نشده و در نتیجه افزایش نفوذپذیری خواهیم داشت. نکته بسیار مهمی که در ارتباط با تاثیر سنگدانهها بر کربناتاسیون باید مد نظر داشت اینست که تاثیر میزان ماسه در بتن بر کربناتاسیون میتواند تقریباً به اندازه تاثیر نسبت آب به سیمان بر کربناتاسیون باشد]19[.(شکل 26)
شکل 26 تاثیر میزان ماسه در بتن بر کربناتاسیون ]43[در آزمایشات انجام شده توسط Houst عنوان شده که در غلظت 60 درصد حجمی ماسه در ملات، حداقل میزان نفوذپذیری دیاکسید کربن مشاهده می شود ]23[.(شکل 27)
شکل 27 تاثیر غلظت ماسه در ملات بر ضریب نفوذپذیری دیاکسید کربن در بتن ]23[.پوزولانها
به طور کلی می توان تاثیر پوزولان ها بر کربناتاسیون را از دو جنبه مورد بررسی قرار داد :
اضافه کردن پوزولان به سیمان موجود
جایگزینی پوزولان با بخشی از سیمان موجود
معمولاً مشاهده می شود که در صورت اضافه نمودن پوزولان ها به سیمان موجود،کاهش در عمق کربناتاسیون بوجود می آید. البته میزان این تاثیر مثبت به نوع پوزولان و ترکیب شیمیایی آن بویژه از نظر محتوای سیلیس فعال که مصرف کننده هیدروکسید کلسیم (CH) بتن و در نتیجه کاهنده قلیائیت بوده و همچنین محتوای موجود در ترکیب آن که افزاینده قلیائیت بتن پوزولانی است وابسته است. ]24[ همچنین اصلاح ساختار منفذی و کاهش نفوذپذیری در اثر اضافه کردن پوزولان ها نیز می تواند در کاهش عمق کربناتاسیون موثر باشد. اما در صورتیکه پوزولان ها جایگزین بخشی از سیمان شوند، از آنجائیکه با کاهش میزان سیمان پرتلند میزان CH تولید شده کم می شود و از طرفی در اثر واکنشهای پوزولانی بخشی از CH تولید شده نیز مصرف می شود، بطور کلی با افزایش میزان جایگزینی پوزولان ها بجای سیمان انتظار میرود که شاهد کاهش قلیائیت بتن و افزایش کربناتاسیون باشیم. البته این موضوع در درصدهای بالای جایگزینی بیشتر به چشم می خورد.(شکل 28)
شکل 28 تاثیر جایگزینی 5و10و15 درصد دوده سیلیس بجای سنگدانه (SFA) و10درصد دوده سیلیس بجای سیمان (SFC) بر میزان CH ]24[با توجه به اینکه پایان نامه حاضر بر روی دوده سیلیس متمرکز شده است لذا تاثیر این پوزولان به صورت خاص بر روی کربناتاسیون بررسی میشود. بطور کلی میتوان تاثیر دوده سیلیس بر کربناتاسیون بتن را بصورت زیر خلاصه و جمع بندی نمود:
استفاده از دوده سیلیس باعث کاهش میزان قلیائیت بتن شده و با مصرف هیدروکسید کلسیم(CH) بتن، بویژه در صورت جایگزینی بجای سیمان، می تواند سرعت کربناته شدن بتن را افزایش دهد.
استفاده از دوده سیلیس باعث اصلاح ساختار منفذی بتن بوده و می تواند باعث بهبود ریز ساختار بتن و بهبود خواص پایایی بتن باشد.
تاثیر دوده سیلیس بر کربناتاسیون در حقیقت نتیجه اندرکنش بین دو مورد فوق الذکر (قلیائیت و ریز ساختار) بوده و در حقیقت اینکه کدامیک از دو مورد بهبود ریزساختار و یا کاهش قلیائیت بر دیگری غلبه کند، تعیین کننده نتیجه نهایی می باشد.
تاثیر عوامل خارجی (شرایط محیطی) بر کربناتاسیون بتنغلظت گاز دیاکسید کربن
مکانیزم غالب انتقال دیاکسید کربن به درون بتن از نوع انتشار میباشد. انتشار عبارت است از انتقال سیال در محیط متخلخل تحت اثر گرادیان غلظت. در اثر اختلاف غلظت دیاکسید کربن در محیط پیرامون بتن و میزان غلظت در جبهه کربناتاسیون درون بتن(در جبهه کربناتاسیون غلظت تقریباً برابر با صفر میباشد)، دیاکسید کربن به درون بتن نفوذ مینماید. بنابراین هرچه میزان غلظت دیاکسید کربن در محیط پیرامون بتن بیشتر باشد، نفوذ دیاکسید کربن به درون بتن راحت تر و سریعتر شده و در نتیجه سرعت پیشروی و عمق کربناتاسیون افزایش مییابد. این امر اساس پایهریزی و ساخت دستگاههای آزمایش کربناتاسیون تسریع یافته میباشد.
لازم به ذکر است که غلظت معمول و متعارف گاز دیاکسید کربن در جو در حدود 03/0 درصد است . مقادیر بیشتری برای شرایط خاص گزارش شده است. در خشکی این مقدار برابر با 1/0 درصد و در نواحی شهری بین 3/0 تا 0/1 درصد میباشد]25[. از آنجاییکه افزایش غلظت دیاکسید کربن هوا باعث سریعتر شدن نرخ واکنشهای کربناتاسیون بتن میگردد، در محیط های صنعتی و آلوده، امکان افزایش عمق کربناتاسیون بتن نسبت به محیطهای متعارف وجود خواهد داشت ]26[.(شکل 29)
با توجه به این امر، لزوم بررسی پایایی سازههای بتن مسلح در مناطق شهری و صنعتی بیش از پیش آشکار میشود. چرا که در نواحی شهری و صنعتی با رشد روز افزون آلایندههایی از قبیل دیاکسید کربن در جو مواجه هستیم و این مساله، تاثیر مستقیمی بر پدیدههای مخربی از قبیل وقوع کربناتاسیون در سازههای بتن مسلح خواهد داشت.
شکل 29 روند روبه رشد غلظت دیاکسیدکربن در جو ]49[لازم به ذکر است که نمود این خطر بویژه در اماکن و در سازههایی که در معرض یون کلرید نیز قرار دارند بیشتر است. سازههایی از قبیل عرشه پلها و تونلها و … که با توجه به غلظت آلاینده دیاکسید کربن در مناطق شهری در معرض وقوع کربناتاسیون هستند و از سوی دیگر با توجه به استفاده از نمکهای یخ زدا در فصول سرد سال، منشاء غنی از یون کلرید را نیز در مجاورت خود حس میکنند، از این دسته بشمار میآیند. در این ارتباط در ادامه بیشتر بحث خواهد شد.
دما
افزایش دما منجر به افزایش انرژی جنبشی ذرات گاز و در نتیجه افزایش سرعت نفوذ گاز به درون بتن میشود. همچنین بطور کلی با افزایش دما، سرعت انجام واکنشهای شیمیایی بیشتر میشود. بنابراین توقع میرود که با افزایش دمای محیط شاهد افزایش در عمق کربناتاسیون باشیم.
همچنین باید در نظر داشت که افزایش بیش از حد دما در حین عمل آوری و یا در روزهای نخستین عمر بتن موجب تبخیر رطوبت سطح بتن و در نتیجه کاهش میزان هیدراتاسیون سیمان و در نتیجه افزایش نفوذپذیری بتن میگردد که میتواند منجر به افزایش کربناتاسیون بتن گردد. از طرفی باید توجه داشت که چنانچه افزایش دمای پیرامون بتن به حدی باشد که موجب تبخیر کامل رطوبت حفرات بتن گردد، نرخ کربناتاسیون کاهش خواهد داشت.
رطوبت نسبی
رطوبت نسبی تاثیر قابل توجهی بر کربناتاسیون بتن دارد. واکنش های کربناتاسیون در آب درون حفرات انجام می شوند. بنابراین وجود آب درون حفرات جهت وقوع کربناتاسیون ضروری است. از طرفی اشباع حفرات توسط آب، مانع نفوذ دی اکسید کربن به درون بتن بوده و باعث توقف پیشروی کربناتاسیون میشود. بنابراین یک حد بهینه در تاثیر رطوبت نسبی بر کربناتاسیون وجود خواهد داشت. به اعتقاد بسیاری از محققین کربناتاسیون در محیطهایی با رطوبت نسبی 70-50 درصد بیشترین سرعت را خواهد داشت ]27[. همچنین باید توجه داشت که در حین فرآیند کربناتاسیون، آب آزاد شده در بتن رطوبت داخلی را تغییر میدهد.
شرایط بهینه برای کربناتاسیون و خوردگی متفاوت هستند. دوره خشک طولانی و سپس هوای مرطوب به خرابی میانجامد. زیرا شرایط اولیه برای کربناتاسیون و دوره مرطوب برای خوردگی مناسب میباشند]25[.
میکرو اقلیم
بخش های مختلف یک سازه می توانند در معرض شرایط مختلف اقلیمی قرار بگیرند که بر رفتار آنها در برابر کربناتاسیون تاثیر گذار می باشد. به عنوان مثال، کربناتاسیون در بخش های در معرض بارش کندتر از بخش هایی از سازه که در برابر بارش محافظت می شوند پیشروی می کند.(به عنوان مثال اختلاف بین عمق کربناتاسیون در سطح رویی و زیرین عرشه پل ها ) و یا در محیط های ساحلی، در نزدیکی آب دریا با افزایش فاصله از ساحل و فاصله گرفتن از شرایط رطوبتی نزدیک به اشباع ،کربناتاسیون افزایش می یابد ولی به تدریج و با افزایش فاصله از ساحل به علت کاهش رطوبت نسبی از حد مورد نیاز،کاهش عمق کربناتاسیون دیده می شود.هم چنین قرار گیری در جهت وزش باد غالب و یا قرار گیری در معرض تابش آفتاب و یا حتی انسداد بخش هایی از سازه در برابر وزش باد و غیره می تواند با تغییر دادن شرایط دما و رطوبت در سطح بتن بر کربناتاسیون تاثیر گذار باشد. نمونه ای از این تاثیرات در مطالعات Castro در خلیج مکزیک دیده شده است(شکل 210) ]28[.
شکل 210 تاثیر فاصله نمونههای بتنی از ساحل بر کربناتاسیون ]51[تاثیرشرایط اجرایی بر کربناتاسیون بتنعمل آوری
عمل آوری از دو جهت می تواند بر کربناتاسیون بتن تاثیر بگذارد :
نفوذ پذیری
میزان قلیائیت
افزایش زمان عمل آوری باعث تکمیل هیدراتاسیون سیمان و در نتیجه افزایش میزان قلیائیت و کاهش نفوذپذیری بتن می گردد. در نتیجه کاهش کربناتاسیون با افزایش زمان عمل آوری مورد انتظار می باشد]29[. در مورد نحوه عمل آوری نیز ترجیح بر عمل آوری با بخار و یا غوطه وری در محلول آب آهک اشباع می باشد. زیرا عمل آوری در آب خالص بویژه در مورد بتن های با کیفیت نامطلوب میتواند منجر به آهک شستگی (Leaching) و افزایش عمق کربناتاسیون شود.
همچنین باید توجه داشت که تاثیر عمل آوری بر عمق کربناتاسیون با افزایش عمر نمونه کم رنگ تر میشود و تاثیر نوع و طول مدت عمل آوری بر کربناتاسیون در عمرهای اولیه نمونهها (به ویژه در آزمایشهای تسریع شده) بیشتر به چشم میخورد و در عمرهای زیاد بتن (در حدود چند سال) این تاثیر کم رنگتر میشود]30[.
تراکم بتن
افزایش تراکم بتن باعث افزایش غلظت قلیایی ها در واحد حجم بتن می شود. این امر باعث کاهش سرعت نفوذ و عمق کربناتاسیون می شود. همچنین در اثر تراکم مناسب حجم حفرات خالی درون بتن کاهش یافته و نفوذپذیری بتن کم می شود که این امر باعث کاهش عمق کربناتاسیون می گردد ] 19[. (شکل 211)
وجود نواحی آسیب دیده و ترک در سطح بتن
وجود نواحی آسیب دیده و درز و ترک در سطح بتن موجب نفوذ سریع و بدون مزاحمت دی اکسید کربن به درون بتن می گردد که در نتیجه آن در مدت زمان اندک کربناتاسیون تا اعماق بتن می تواند پیشروی نموده و موجبات خوردگی را فراهم سازد[38].
بارگذاری و تنش های موجود در سازه
تنش های کششی در اعضای بتنی باعث ایجاد ترک و در نتیجه نفوذ سریع دی اکسید کربن به درون بتن می شود که این امر می تواند باعث خوردگی های موضعی شود.از سوی دیگر در مقاطع تحت فشار ترک ها بسته شده و نفوذپذیری کاسته خواهد شد[19].
شکل 211 تاثیر میزان تراکم بتن بر عمق کربناتاسیون بتن ]19[.تاثیر کربناتاسیون بر خواص بتنترک خوردگی
کربناتاسیون میتواند باعث ایجاد ترکهای سطحی در بتن گردد. علت این امر را میتوان تغییر حجم در اثر تبدیل هیدروکسید کلسیم به کربنات کلسیم دانست ]31[. همچنین پس از کربناتاسیون سطح بتن ترد و شکننده میشود. در برخی منابع علت این امر تبدیل واتریت یا آراگونیت به کلسیت ذکر شده است]19[.