مقالات

بخش ۱۷: ساختار و ریزساختار خمیر سیمان (قسمت اول: خمیر سیمان تازه و در حال هیدراته شدن)

بتن (اجزای تشکیل دهنده، ویژگی‌ها، طرح مخلوط، انواع، آزمایش‌ها)

بخش ۱۷: ساختار و ریزساختار خمیر سیمان (قسمت اول: خمیر سیمان تازه و در حال هیدراته شدن)

 

در خمیر تازه مخلوط شده، ذرات سیمان پرتلند (کلینکر) به‌همراه ذرات سنگ‌گچ و احتمالا پوزولان، سرباره و آب وجود دارد که آب در حالت اختلاط کامل، اطراف ذرات سیمان، سنگ گچ و پوزولان یا سرباره را می‌گیرد.

با توجه به آنچه در مورد ترکیب سیمان پرتلند (کلینکر) با آب گفته شد، واکنش‌ها از همان ابتدا آغاز می‌شود و محصولاتی ایجاد می‌گردد که عمده آنها هیدرات‌های سیلیکاتی هستند. همچنین هیدرات‌های آلومیناتی شامل اترینگایت و سپس هیدرات مونوسولفات ایجاد می‌گردد.

در این بخش فرض می‌شود ذرات سیمان همانند ذرات خاک، با آب ترکیب نشود و بین لحظه‌های اول و بعد از آن تغییری بوجود نیاید.

برای اطلاع از روابط حجمی و وزنی موجود و میزان پوکی و تخلخل اولیه و اشغال فضاها توسط مواد جامد، سه مثال برای خمیرهای سیمان با سه نسبت آب به سیمان مختلف ارائه می‌گردد. در این مثال‌ها چگالی ذرات سیمان ۳.۱۵ فرض شده است.

 

نسبت آب به سیمان ۰.۲ ۰.۳۵ ۰.۵
مقدار سیمان (gr) ۶۳۰ ۶۳۰ ۶۳۰
مقدار آب (gr یا ml) ۱۲۶ ۲۲۰.۵ ۳۱۵
حجم ذرات سیمان (ml) ۲۰۰ ۲۰۰ ۲۰۰
وزن خمیر سیمان (gr) ۷۵۶ ۸۵۰.۵ ۹۴۵
حجم خمیرسیمان متراکم (ml) ۳۲۶ ۴۲۰.۵ ۵۱۵
چگالی خمیرسیمان متراکم (gr/ml) ۲.۳۱۹ ۲.۰۲۳ ۱.۸۳۵
پوکی خمیرسیمان (n) ۰.۳۸۷ ۰.۵۲۴ ۰.۶۱۲
نسبت تخلخل خمیر سیمان (e) ۰.۶۳ ۱.۱۰ ۱.۵۸
روانی خمیر سیمان کم متوسط زیاد

 

شکل شماتیک مخلوط آب و سیمان در زیر مشاهده می‌شود.

همانگونه که دیده می‌شود، خمیر سیمانی که با نسبت آب به سیمان کمتر ساخته می‌شود، از چگالی بیشتر و توپری بیشتر و پوکی کمتری برخوردار است.

بدیهی است اگر ترکیبات سیمان، ریزی سیمان و شرایط محیطی موجود ثابت باشد و حجم معینی از محصولات هیدراته طی زمان خاصی بوجود آید و فضای خاصی را اشغال کند، همواره خمیری که از آب کمتری بهره برده، دارای پوکی کمتری است و انتظار می‌رود از مقاومت و دوام بیشتر و نفوذپذیری کمتری برخوردار باشد.

مسلما خمیری که از آب کمتری برخوردار می‌باشد سفت‌تر است و کارکردن با آن مشکل‌تر می‌باشد.

در خمیر سیمان تازه واکنش‌هایی شکل می‌گیرد و فرض عدم تغییر نمی‌تواند صادق باشد و واکنش‌های بین ذرات سیمان و آب به‌تدریج محصولاتی را بوجود می‌آورد که ساختار خمیرهیدراته یا در حال هیدراته‌شدن را تعیین می‌کند. خمیر سیمان را می‌توان در ادامه کار بویژه پس از گیرش نهایی، به دو صورت در نظر گرفت:

حالت ۱: در محفظه بسته بدون ورود و خروج آب

حالت ۲: درون آب

در هر خمیرسیمان، آب در سطح دانه‌های سیمان که متشکل از ترکیبات اصلی و اکسیدهای فرعی است قرار می‌گیرد و واکنش‌ها از سطح شروع می‌گردد. آب موجود دارای مقداری سنگ گچ حل شده (بصورت اشباع) می‌باشد و آثار سنگ گچ در واکنش‌ها مشاهده می‌شود.

برای سهولت، معمولا فرض می‌شود که همه ذرات سیمان از ترکیبات اصلی سیلیکاتی C۲S و C۳S تشکیل شده باشد.

نکته مهم آن است که هیدراته شدن امری تدریجی است و همچنین آب به تمام حجم ذرات سیمان دسترسی ندارد و صرفا سطح ذرات را تحت تاثیر قرار می‌دهد.

در ابتدا وقتی هیدرات‌های سیلیکاتی C-S-H تولید گردید این ذرات بسیار ریز نمی‌تواند به یکدیگر بچسبد و در فاصله این هیدرات‌ها، آب قرار می‌گیرد. مجموعه هیدرات‌های C-S-H و آب بین این ذرات، ژل سیمان نام دارد.

چنانچه ۱ گرم سیمان (در سطح دانه‌های سیمان) هیدراته شود حدود ۰.۲۳ گرم آب مصرف می‌کند تا هیدرات تشکیل شود (آب شیمیایی غیرقابل تبخیر). اما برای تشکیل ژل (هیدرات + آب‌های بین ذرات هیدرات) نیز مقداری آب لازم است تا تمام فضای بین هیدرات‌ها که ۲۸ درصد حجم ژل می‌باشد را اشغال نماید. وزن این مقدار آب بیش از ۱۵ درصد تا ۱۹ درصد وزن سیمان خشک (غیرهیدراته) اولیه است.

بنابراین وزن آب مصرفی برای تشکیل ژل بیش از ۳۸ درصد وزن سیمان و تا حدود ۴۲ درصد وزن سیمان می‌باشد.

حجم ژل سیمان از حجم سیمان خشک هیدراته شده بیشتر است اما حجم آن به میزان ۰.۲۵۴ حجم آب شیمیایی مصرفی، کمتر از مجموع حجم سیمان خشک هیدراته‌شده و آب شیمیایی مصرفی است.

در صورتی‌که آب ورودی و خروجی نداشته باشیم به مثال زیر توجه گردد:

اگر ۱۰۰ گرم سیمان هیدراته شود و چگالی سیمان خشک ۳.۱۵ در نظر گرفته شود، حجم مطلق سیمان هیدراته نشده معادل ml31.8 خواهد بود. حجم مطلق آب غیرقابل تبخیر، همان‌طور که قبلا گفته شد، در حدود ۲۳ درصد جرم سیمان، یعنی ml 23 است. محصولات جامد هیدراته‌شدن، حجمی معادل مجموع حجم‌های سیمان هیدراته نشده و آب، منهای ۰.۲۵۴ برابر حجم آب غیرقابل تبخیر را اشغال می‌نماید؛ یعنی:

۳۱.۸ + ۰.۲۳ × ۱۰۰ (۱ – ۰.۲۵۴) = ۴۸.۹ ml

پس از هیدراته شدن کامل این ۱۰۰ گرم سیمان، چنانچه ژل سیمان دارای پوکی مشخص حدود ۰.۲۸ باشد، حجم آب ژل مثال فوق با رابطه زیر محاسبه می‌گردد.

Wg / (۴۸.۹ + Wg) = ۰.۲۸

پس Wg = ۱۹ ml، در این حالت حجم ژل سیمان هیدراته‌شده برابر است با:

۴۸.۹ + ۱۹ = ۶۷.۹ ml

بنابراین کل آب موجود در ژل سیمان (آب شیمیایی غیرقابل تبخیر + آب حفرات ژلی) برابر ۴۲ (۲۳+۱۹) گرم یا میلی‌لیتر خواهد بود.

جرم آب و سیمان هیدراته شده برابر ۱۴۲ گرم و حجم ژل سیمان هیدراته شده برابر ۶۷.۹ میلی‌لیتر است، بنابراین چگالی ژل موجود برابر ۲.۰۹ بدست می‌آید.

در این حالت حجم اولیه خمیر سیمان تازه:

۱۰۰ / ۳.۱۵ + ۲۳ + ۱۹ = ۷۳.۸ ml

که فرض شده است در ابتدا خمیر سیمان با همان ml 42 آب مخلوط شده است و در این حالت ml 5/9 (= 67.9 – ۷۳.۸) از حجم خمیر کم شده است و ml 67.9 ژل وجود دارد. چگالی خمیر سیمان متراکم تازه در این حالت ۱.۹۲۵ می‌باشد.

اگر نسبت آب به سیمان اولیه ۰.۵ باشد، حجم خمیر متراکم اولیه ml 81.8 می‌گردد و فضای خالی اعم از فضای مویینه درشت اولیه و فضای مویینه ریز ثانویه (یعنی ml 5.9) جمعا ml 13.9 خواهد شد و چگالی خمیرسیمان تازه ۱.۸۳۴ می‌گردد درحالی‌که چگالی ژل همان ۲.۰۹ خواهد بود.

نمای شماتیک تغییر حجمی ناشی از هیدراته‌شدن خمیر با یک نسبت آب به سیمان ۰.۴۲ در شکل زیر مشاهده می شود

ارقام داده شده در شکل تقریبی هستند، اما اگر مقدار کل آب کمتر از حدود  ml42 بود برای هیدراته‌شدن کامل سیمان کافی نبود زیرا ژل فقط در صورت موجود بودن آب کافی برای واکنش‌های شیمیایی و هم‌چنین برای پر کردن منافذ ژلی در حال تشکیل، می‌تواند به‌وجود آید. از آن‌جا که آب ژل با قدرت به محصولات هیدراته‌شدن چسبیده است، نمی‌تواند به داخل لوله‌های مویینه حرکت نماید و از این رو برای هیدراته‌شدن بخش هیدراته نشده سیمان در دسترس نمی‌باشد.

بنابراین، وقتی هیدراته‌شدن درون یک آزمونه کاملا محصور شده تا آن حد پیشرفت نماید که آب ترکیبی، حدود نصف مقدار اولیه خود شود، هیدراته‌شدن بیشتری اتفاق نخواهد افتاد. هم‌چنین نتیجه می‌شود که هیدراته‌شدن کامل در یک آزمونه محصور شده فقط وقتی رخ خواهد داد که آب مخلوط حداقل دو برابر آب لازم برای واکنش شیمیایی باشد، یعنی نسبت جرمی آب به سیمان این مخلوط باید ۰.۵ گردد. در عمل در مثال فوق هیدراته‌شدن در واقع به حد کمال نمی‌رسد زیرا حتی قبل از خالی شدن لوله‌های مویینه، هیدراته‌شدن متوقف می‌گردد. تحقیقات نشان داده است که وقتی فشار بخار آب به کمتر از حدود ۰.۸ فشار اشباع می‌رسد، هیدراته‌شدن بسیار کند می‌شود.

 

در مثال بعدی خمیرسیمان پس از گیرش در زیر آب قرار داده می‌شود.

همان‌طور که بعضی از لوله‌های مویینه در اثر هیدراته‌شدن خالی می‌شوند، آب می‌تواند جذب گردد. به‌صورتی که قبلا توضیح داده شد، g100 از سیمان (ml 31.8) در جریان هیدراته‌شدن کامل، فضایی معادل ml 67.9 را اشغال خواهد کرد. بنابراین برای آن‌که سیمان هیدراته نشده باقی نماند و هیچ‌گونه منافذ مویینه وجود نداشته باشد، آب اولیه مخلوط باید تقریبا ml 36.1 (31.8 – ۶۷.۹) باشد که متناظر با یک نسبت حجمی آب به سیمان ۱.۱۴ یا نسبت جرمی ۰.۳۶ می‌باشد. نتایج حاصله از کارهای مشابه دیگر به‌ترتیب نسبت‌های ۱.۲۲ و ۰.۳۸ را پیشنهاد نموده‌اند.

اگر نسبت جرمی آب به سیمان واقعی مخلوط کمتر از ۰.۳۸ باشد، هیدراته‌شدن کامل امکان‌پذیر نیست زیرا حجم آب موجود به اندازه کافی نبوده تا بتواند کلیه محصولات هیدراته‌شدن را در خود جای دهد. باید به‌خاطر آورد که هیدراته‌شدن فقط می‌تواند در داخل آب موجود در لوله‌های مویینه اتفاق افتد.

برای مثال، اگر مخلوطی حاوی g100 از سیمان و g30 آب باشد، آب موجود برای هیدراته کردن x گرم سیمان که بر اساس روابط زیر محاسبه می‌شود، کافی خواهد بود.

کاهش حجم ناشی از هیدراته‌شدن:

۰.۲۳x × ۰.۲۵۴ = ۰.۰۵۸۵x

حجم اشغال شده به‌وسیله محصولات جامد هیدراته‌شدن:

x/3.15 + 0.23x – ۰.۰۵۸۵x = 0.489x

پوکی:

Wg / (۰.۴۸۹ + Wg) = ۰.۲۸

وزن کل آب برابر است با ۰.۲۳x + Wg = ۳۰ در نتیجه x = 71.5 g = 22.7 ml و Wg = ۱۳.۵ g، بنابراین حجم سیمان هیدراته:

۰.۴۸۹ × ۷۱.۵ + ۱۳.۵ = ۴۸.۵ ml

حجم سیمان هیدراته نشده برابر است با:

۳۱.۸ – ۲۲.۷ = ۹.۱ ml

بنابراین، حجم فضاهای خالی مویینه:

(۳۱.۸ + ۳۰) – (۴۸.۵ + ۹.۱) = ۴.۲ ml

اگر آب از بیرون در دسترس قرار گیرد، مقدار بیشتری از سیمان می‌تواند هیدراته شود و مقدار آن به‌حدی می‌رسد که محصولات هیدراته‌شدن ml 4.2 بیشتر از حجم سیمان خشک را اشغال می‌نماید. چنین نتیجه می‌شود که ml 22.7 سیمان پس از هیدراته شدن، ml 48.5 فضا را اشغال می‌نماید. یعنی محصولات هیدراته‌شدن مربوط به ml 1 سیمان، حجمی معادل ml 2.13 (= 22.7 / 48.5) را اشغال می‌نماید. بنابراین حجم ml 4.2 به‌وسیله محصولات هیدراته‌شده y میلی‌لیتر سیمان پر خواهد شد به‌طوری‌که (۴.۲ + y) / y = 2.13 شده و از آن‌جا y = 3.7 ml می‌شود. بنابراین حجم سیمان هنوز هیدراته‌نشده برابر است با ml 5.4 (= (3.7 + 22.7) – ۳۱.۸) که g 17 جرم دارد.

به‌عبارت دیگر ۱۹ درصد جرم اولیه سیمان به‌صورت هیدراته نشده باقی‌مانده و هرگز هیدراته نخواهد شد، زیرا که ژل قبلا همه فضای موجود را اشغال نموده است. یعنی در خمیر هیدراته، نسبت ژل به فضای خالی ۱.۰ می‌باشد.

سیمان هیدراته‌نشده، در ایجاد مقاومت سیمان خللی به‌وجود نمی‌آورد و در واقع از میان خمیرهایی که نسبت ژل آن‌ها به فضای خالی برابر با ۱.۰ می‌باشد، آن‌هایی که درصد بیشتری سیمان هیدراته نشده دارند (یعنی نسبت آب به سیمان کمتر دارند) دارای مقاومت بیشتری خواهند بود، زیرا احتمالا در چنین خمیرهایی لایه‌های خمیر هیدراته که اطراف ذرات خمیر هیدراته نشده را احاطه نموده‌اند نازک‌تر می‌باشند.

مقاومت‌هایی در حدود MPa 280 با استفاده از مخلوط‌هایی با نسبت جرمی آب به سیمان ۰.۰۸ به‌دست آمده، اما روشن است که فشار قابل ملاحظه‌ای باید اعمال شود تا بتوان مخلوط کاملا متراکمی را با چنین نسبت‌هایی به‌دست آورد. با استفاده از روش‌های معمول در مورد پودرها در متالورژی، قرص‌هایی از پودر سیمان در پرس مخصوصی با فشار زیاد تا حد MPa 672 ساخته شده که پس از هیدراته‌شدن به‌مدت ۲۸ روز، مقاومت‌های فشاری تا MPa 375 و مقاومت کششی تا MPa 25 به‌دست آمد. پوکی چنین مخلوط‌هایی و همین‌طور نسبت آب به سیمان آن‌ها بسیار کم می‌شود. حتی مقاومت‌های زیادتری تا حد MPa 655 با بکار بردن فشار خیلی زیاد و دمای بالا به دست آمده است. البته، در این قرص‌ها محصولات واکنش با محصولات هیدراته‌شدن معمولی سیمان تفاوت دارند.

برخلاف حالت این قرص‌ها که نسبت آب به سیمان خیلی کمی داشتند، اگر نسبت آب به سیمان بیشتر از حدود ۰.۳۸ جرمی باشد، تمام سیمان می‌تواند هیدراته شود، اما منافذ مویینه نیز به‌وجود خواهند آمد. بعضی از منافذ مویینه، آب اضافی مخلوط را در خود جذب می‌کنند و بقیه نیز با مکیدن آب از بیرون، پر می‌شوند. شکل زیر حجم‌های نسبی سیمان هیدراته نشده، محصولات هیدراته‌شدن و منافذ مویینه را برای مخلوط‌هایی با نسبت‌های مختلف آب به سیمان نشان می‌دهد.

در مثالی مشخص‌تر، می‌توان هیدراته‌شدن خمیری با نسبت آب به سیمان ۰.۴۷۵ را در نظر گرفت که در یک لوله کاملا بسته قرار دارد. برای مثال اگر جرم سیمان خشک برابر g 126 (معادل ml 40) باشد، در این‌صورت حجم آب برابر ml 60 (= 0.475 × ۱۲۶) است. این نسبت‌های اختلاط در سمت چپ شکل نشان داده شده‌اند، اما در واقع سیمان و آب با یکدیگر آمیخته می‌شوند و آب، شبکه‌ای از لوله‌های مویینه را بین ذرات سیمان هیدراته نشده می‌سازد.

حال وضعیتی در نظر گرفته می‌شود که در آن سیمان کاملا هیدراته شده باشد، حجم آب غیرقابل تبخیر برابر است با ml 29.0 (= 126 × ۰.۲۳) و آب ژل از رابطه زیر محاسبه می‌گردد:

بنابراین، حجم آب ژل ml 24.0 و حجم سیمان‌هیدراته ml 85.6 خواهد بود. به این‌ترتیب ml 7.0 (= (24 + 29) – 60) آب، به‌عنوان آب مویینه در خمیر باقی خواهد ماند. به‌علاوه، ml 7.4 (= (7 + 85.6) – 100) منافذ مویینه خالی را تشکیل می‌دهند. اگر خمیر سیمان در جریان عمل‌آوری به آب دسترسی می‌داشت، منافذ مویینه با آب مکیده شده از خارج پر می‌شدند.

بنابراین همان‌طور که در سمت راست بالا نشان داده شده است چنین وضعیتی در حالت هیدراته‌شدن ۱۰۰ درصد و با نسبت ژل به فضای خالی ۰.۸۵۶ وجود خواهد داشت. به‌منظور بیان روشن‌تر مطلب، حجم‌های اجزای مختلف برای حالتی که فقط نیمی از سیمان هیدراته شده است، در شکل میانی تشریح گردیده است. در این‌صورت نسبت ژل به فضا از رابطه زیر محاسبه می‌گردد:

دیدگاهتان را بنویسید

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