بتن (اجزای تشکیل دهنده، ویژگی‌ها، طرح مخلوط، انواع، آزمایش‌ها)
بخش ۱۸: ساختار و ریزساختار خمیر سیمان (قسمت دوم: ریزساختار خمیر سیمان هیدراته- منافذ مویینه و ژلی)
منافذ مویینه
در هر مرحله از هیدراته‌شدن، منافذ مویینه معرف آن قسمت از حجم ناخالص می‌باشند که با محصولات هیدراته‌شدن پر نشده‌اند. به‌علت آن‌که این محصولات به‌تنهایی بیش از دو برابر حجم اولیه مواد جامد (یعنی سیمان) را پر می‌کنند، بنابراین حجم شبکه مویینه با پیشرفت هیدراته‌شدن کاهش می‌یابد.
بنابراین، پوکی مویینه خمیر به نسبت آب به سیمان خمیر و درجه پیشرفت هیدراته‌شدن بستگی دارد. آهنگ هیدراته‌شدن سیمان به‌خودی‌خود از اهمیت برخوردار نیست ولی نوع سیمان بر درجه هیدراته‌شدن در هر عمر معین، تاثیر دارد. همان‌طور که قبلا گفته شد در نسبت‌های آب به سیمان زیادتر از حدود ۰.۳۸، حجم ژل برای پر کردن کلیه فضای در دسترس آن، کافی نخواهد بود. بنابراین، قسمتی از حجم‌مویینه، حتی پس از کامل‌شدن فرآیند هیدراته‌شدن، خالی باقی خواهد ماند.
منافذ مویینه را نمی‌توان به‌طور مستقیم مشاهده نمود، اما اندازه متوسط آن‌ها با استفاده از روش اندازه‌گیری فشار بخار آب، حدود μm1.3 تخمین زده شده است. در واقع، اندازه منافذ در خمیر سیمان هیدراته بسیار متغیر است. مطالعات نشان می‌دهد که خمیرهای سیمان بلوغ‌یافته، حاوی تعداد کمی منافذ بزرگ‌تر از μm1 می‌باشند، و اغلب این منافذ کوچکتر از nm100 هستند و شکل آن‌ها متغیر است. اما چنان‌که گزارش‌های سنجش نفوذپذیری نشان می‌دهند، این لوله‌ها، شبکه مرتبطی را تشکیل می‌دهند که به‌طور پراکنده در سراسر خمیر سیمان توزیع شده‌اند. این منافذ مویینه مرتبط، عامل اصلی نفوذپذیری خمیر سیمان سخت‌شده و در نتیجه آسیب‌پذیری آن در برابر چرخه‌های یخ‌زدن و آب‌شدن می‌باشند.
به‌هرحال، پیشرفت هیدراته‌شدن موجب افزایش مقدار مواد جامد در خمیر می‌گردد، در خمیرهای بلوغ‌یافته و متراکم، لوله‌های مویینه به‌وسیله ژل مسدود و قطعه‌قطعه می‌شوند و در نتیجه آن‌ها به منافذ مویینه غیرمرتبط تبدیل می‌گردند که فقط از طریق منافذ موجود در ژل با یکدیگر ارتباط دارند. عدم وجود لوله‌های مویینه یکسره، معلول ترکیبی از نسبت آب به سیمان مناسب و مدت زمان کافی برای عمل‌آوری مرطوب می‌باشد. درجه بلوغ لازم برای نسبت‌های مختلف آب به سیمان، برای سیمان‌های پرتلند معمولی در شکل نشان داده شده است.
زمان واقعی برای حصول بلوغ لازم، به مشخصه‌های سیمان مصرفی بستگی دارد. مقادیر تقریبی زمان لازم برای رسیدن به هیدراته‌شدن کامل را می‌توان از داده‌های جدول زیر سنجید. برای نسبت‌های آب به سیمان زیادتر از حدود ۰.۷ حتی هیدراته‌شدن کامل نیز نمی‌تواند به‌مقدار کافی ژل تولید کند تا کلیه لوله‌های مویینه را منقطع نماید. برای سیمان فوق‌العاده نرم، حداکثر نسبت آب به سیمان زیادتر خواهد بود و احتمالا به یک می‌رسد. به‌عکس، در مورد سیمان‌های درشت‌دانه مقدار آن کمتر از ۰.۷ است. اهمیت حذف لوله‌های مویینه یکسره به‌حدی است که می‌توان آن را به‌عنوان شرطی لازم برای یک بتن «خوب» در نظر گرفت.
عمر تقریبی لازم برای تولید بلوغی که در آن لوله‌های مویینه قطعه‌قطعه می‌شوند
بطورکلی دو نوع منافذ مویینه بزرگ اولیه و منافذ مویینه کوچکتر ثانویه در خمیر سیمان و در لابلای ژل وجود دارد.
منافذ ژلی
حال می‌توان خود ژل را مورد بررسی قرار داد. از آن‌جا که ژل مقادیر زیادی از آب قابل تبخیر را در خود نگه می‌دارد، چنین بر می‌آید که ژل ماده‌ای متخلخل است. ولی در واقع منافذ ژلی، فضاهای بین ذرات ژل مرتبط به یکدیگر هستند که به‌شکل صفحات سوزنی یا ورقه‌ای درآمده‌اند. منافذ ژلی بسیار کوچکتر از منافذ مویینه هستند و قطر اسمی آن‌ها کمتر از ۲ یا nm3 است. این فقط یک مرتبه (ده برابر) بزرگ‌تر از اندازه مولکول‌های آب است. به همین دلیل فشار بخار و قابلیت تحرک آب جذب شده سطحی با خواص متناظر آب آزاد تفاوت دارد. مقدار آب برگشت‌پذیر مستقیما نشانگر پوکی ژل می‌باشد.
منافذ ژلی حدود ۲۸% کل حجم ژل را تشکیل می‌دهند. موادی که پس از خشک‌شدن با روش استاندارد باقی می‌مانند، به‌عنوان مواد جامد در نظر گرفته می‌شوند. مقدار واقعی به‌دست آمده، مشخصه‌ای از یک سیمان معین می‌باشد ولی عمدتا مستقل از نسبت آب به سیمان مخلوط و درجه پیشرفت هیدراته‌شدن است. این امر نشانگر آن است که ژل با خواص مشابه، در کلیه مراحل تشکیل می‌گردد و تداوم هیدراته‌شدن بر محصولات قبلی تاثیری ندارد. لذا هم‌چنان که حجم کل ژل در اثر پیشرفت هیدراته‌شدن افزایش می‌یابد، کل حجم منافذ ژلی نیز زیاد می‌شود. از طرف دیگر همان‌طور که قبلا اشاره شد با پیشرفت هیدراته‌شدن، حجم منافذ مویینه کاهش می‌یابد.
از سنجش آبی که جذب سطحی شده است، سطح‌ویژه ژل در حدود m۲/m۳ ۱۰۸×۵.۵ یا تقریبا m۲/kg200000 تخمین زده شده است. سنجش‌های پخش پرتو ایکس با زاویه کم، مقادیری در حدود m۲/kg600000 را به‌دست داده‌اند که این ارقام نشانگر سطح داخلی زیاد بین ذرات است. از طرف دیگر سیمان هیدراته نشده سطح‌ویژه‌ای در حدود ۲۰۰ تا m۲/kg500 دارد. در کرانه حدی دیگر، دوده سیلیسی دارای سطح‌ویژه m۲/kg 22000 می‌باشد.
در منافذ ژلی، حداقل ۲ ملکول آب می‌تواند قرار گیرد (باریک‌ترین محل) اما تعداد ملکول‌های آب در برخی قسمت‌های ژل در فاصله هیدرات C-S-H (هیدرات کلسیم سیلیکات) می‌تواند بیشتر از ۲ باشد.
توجه شود که همه ژل از C-S-H تشکیل نمی‌شود و CH (آهک هیدراته) با بلورهایی به‌مراتب درشت‌تر از C-S-H وجود دارد که آب را بین خود نگه نمی‌دارد. همچنین هیدرات مونوسولفات و هیدرات‌های آلومیناتی وضعیتی متفاوت دارند.
قابل ذکر است که هر ملکول آب، دارای اندازه ۰.۹ نانومتر، فاصله صفحات C-S-H حدود ۵ نانومتر، و ذرات CH دارای اندازه ۶۰۰ تا ۲۰۰۰ نانومتر هستند.
ریزساختار خمیرسیمان هیدراته
عکس میکروسکپی مونوسولفات هیدرات و اترینگایت
مدل خمیرسیمان خوب هیدراته شده