مقالات

بخش ۱۹: ساختار و ریزساختار خمیر سیمان (قسمت سوم: منافذ خمیر سیمان و محصولات موجود در آن)

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

بخش ۱۹: ساختار و ریزساختار خمیر سیمان (قسمت سوم: منافذ خمیر سیمان و محصولات موجود در آن)

 

 

کمترین منافذ ژلی تقریبا در حدود ۱.۸ تا ۲ نانومتر هستند لذا کاملا نفوذناپذیرند و آب نمی‌تواند از این منافذ در فشارهای معمولی عبور کند. منافذ ژلی طبق نظر Feldman-Sereda به‌شکل نامنظم و بین nm0.5 تا ۲.۵ هستند.

منافذ مویینه اولیه (درجه ۱) بزرگتر از nm 1000 یا μm1 هستند (حتی به بزرگی μm5 می‌رسند) و آب به‌راحتی از آنها عبور می‌کند اما اغلب پس از هیدراته شدن سیمان از μm1 کوچکترند.

منافذ مویینه ثانویه (درجه ۲) معمولا کوچکتر از nm100 هستند. بهرحال عبور آب از منافذ ریزتر از nm50 میسر نمی‌باشد و در چنین منافذی نیروی واندروالس زیاد است و آب موجود در آن عمدتا با حرارت دادن خارج می‌گردد (منافذ مویینه بزرگتر از nm50 را منافذ مویینه ماکرو و کمتر از آن‌را میکرو می‌نامند).

آب منافذ مویینه اعم از درجه ۱ یا ۲ در دمای °C105 تا ۱۱۰ به‌تدریج خارج می‌گردد. نقطه انجماد این آب نیز در شرایط متعارف نزدیک به صفر است و چگالی این آب نیز در حدود یک می‌باشد.

آب منافذ ژلی بطور کامل می‌تواند در حدود °C 500 تبخیر شود. نقطه انجماد آن °C 78- می‌باشد و چگالی آن در حدود ۱/۱ است. انرژی پیوندی آن J/g1670 است درحالی‌که انرژی پیوندی آب تبلور Ca(OH)۲ برابر J/g3560 می‌باشد.

در شکل زیر، محدوده ابعاد مواد جامد و منفذی خمیر سیمان هیدراته مشاهده می‌شود

چنانچه خمیرسیمان بخوبی متراکم شود، هوا در آن محبوس می‌شود که معمولا به‌راحتی قابل رویت است یعنی از حدود ۰.۳ تا چندین میلی‌متر بعد دارد (Entrapped Air) که آب براحتی به درون آن نشت می‌کند.

چنانچه مواد حبابزا به خمیرسیمان اضافه شود حباب‌های ریزی ایجاد خواهد شد که صرفا برخی از آنها قابل رویت می‌باشد ولی حباب‌های مطلوب و مناسب که باعث افزایش دوام و کاهش جذب و نفوذپذیری هستند قابل رویت نیستند و از ۰.۲ میلی‌متر ریزتر و از حدود ۰.۰۲ میلی‌متر درشت‌تر هستند و آب به‌درون آنها تحت فشارهای کم نشت نمی‌کند. فاصله این حباب‌ها از یکدیگر معمولا از ۰.۲۵ تا ۰.۳ میلی‌متر نباید تجاوز نماید.

در شکل زیر تصویری از جایگاه انواع آب‌های قابل تبخیر خمیرسیمان (آب غیرشیمیایی) دیده می‌شود که سهولت جابجایی و تبخیر آن‌ها در فهم تغییرات حجمی خمیرسیمان موثر است.

در شکل زیر حجم محصولات هیدراته و فضای خالی مویینه و سیمان هیدراته نشده برای آب به سیمان معادل w/c=0.63 در زمان صفر تا یکسال مشاهده می‌گردد.

در شکل زیر برای چهار نسبت آب به سیمان ۰.۴ تا ۰.۷ پس از تکمیل هیدراسیون و پیشرفت ۱۰۰ درصدی آن، مقدار محصولات هیدراته‌شده و حجم منافذ خالی مویینه مشاهده می‌شود.

در شکل زیر تاثیر نسبت حجم محصولات (ژل) به فضای خالی (۱-P) بر نفوذپذیری و مقاومت فشاری مشاهده می‌شود.

همچنین در شکل زیر اثر نسبت آب به سیمان، w/c، بر حجم فضای خالی مویینه (P) با درجه‌های مختلف پیشرفت هیدراته‌شدن دیده می‌شود.

آقای Powers سال‌ها پیش برای یک ملات سیمان پرتلند هیدراته شده عادی (معمولی) نشان داد که مقاومت فشاری از توان سوم نسبت مواد جامد به فضای خالی تبعیت می‌کند.

fc = ax۳ ;           a=234 MPa

حجم ژل تولید شده از حجم سیمان غیرهیدراته (خشک) بیشتر است و گاه تا بیش از دو برابر می‌رسد. بدین‌ترتیب فضای خالی مویینه درجه اول خمیر سیمان تازه به‌تدریج کم می‌شود یعنی محصولات هیدراته‌شده به‌تدریج مویینه درجه ۱ را پر می‌کنند اما بدلیل تفاوت در حجم آب و سیمان خشک مصرفی، با محصولات هیدراته‌شده (ژل) فضای مویینه درجه ۲ به‌مراتب کمتری ایجاد می‌شود.

اگر این کاهش (اختلاف) حجم نبود، ژل سیمان نفوذناپذیر، سطح سیمان خشک زیرین را می‌پوشانید و دسترسی آب به سیمان بلافاصله پس از اولین مرحله هیدراته‌شدن متوقف می‌گردید و برای همیشه، سیمان هیدراته‌نشده درون خمیر احاطه شده با ژل باقی می‌ماند (مانند محفوظ ماندن آلومینیوم توسط اکسید آلومینیوم سطح آن).

وجود این اختلاف حجم، فاصله‌ای بین بخش‌های ژل (محصول هیدراته) ایجاد شده بر روی سیمان خشک بوجود می‌آورد که محلی برای نشت آب و رسیدن آن به سیمان خشک زیرین است. به‌همین دلیل عملا آهنگ هیدراته‌شدن سیمان با پیشرفت آن رو به کاهش می‌گذارد.

چنانچه راه نفوذ آب به درون ژل بسته شود (تنگ‌تر شدن شدید حفرات مویینه درجه ۲ اطراف سیمان خشک) عملا قبل از آنکه همه سیمان هیدراته شود، هیدراته‌شدن (برای همیشه) متوقف می‌گردد.

چنانچه ژل همه فضای خالی مویینه (درجه ۱ و ۲) را پر کند یا فضای مویینه درجه ۲ بسیار ریز شود، آب نمی‌تواند حرکت نماید و هیدراته شدن سیمان متوقف می‌شود حتی اگر خمیر سیمان در آب غوطه‌ور باشد.

محاسبات Powers و بعدا توسط سایرین نشان می‌دهد اگر قطر ذرات سیمان از حدود μm45 (حتی تا μm35 هم گفته شده است) بیشتر باشد بخش‌های مرکزی دانه‌های سیمان هرگز هیدراته نمی‌شوند حتی اگر در فضای مویینه آب موجود باشد. اما این عدم هیدراته‌شدن مغز دانه سیمان ممکن است چندان مهم نباشد.

مسلما اگر دمای خمیر سیمان از حدود °C4 کمتر شود، هیدراته شدن سیمان علی‌رغم حضور آب تقریبا (عملا) متوقف محسوب می‌شود.

اگر نسبت آب به سیمان کم باشد، فضای خالی مویینه درجه ۱ در ابتدا بسیار کم می‌شود و لذا حجم محصولات هیدراته (شامل ژل C-S-H) می‌تواند سریع‌تر و بزودی فضاهای مویینه را پر کند. بنابراین طبق آنچه گفته شد چون ژل سیمان عملا نفوذناپذیر است عمل هیدراته‌شدن متوقف می‌گردد.

بنابراین در خمیرسیمان با نسبت آب به سیمان کم، نباید انتظار داشت که همه ذرات سیمان هیدراته شود و نباید تصور نمود که بالاترین مقاومت‌ها و کمترین نفوذپذیری‌ها مربوط به هیدراته‌شدن همه ذرات سیمان است.

البته با پیشرفت هیدراته‌شدن و پرشدن فضای مویینه و خالی، مقاومت‌ها به‌شدت افزایش و نفوذپذیری‌ها کاهش می‌یابد. بهرحال در چنین حالتی وجود بخش‌هایی از سیمان غیرهیدراته مشکلی برای کسب مقاومت بوجود نمی‌آورد و در این حالت بالاترین مقاومت‌ها قابل دستیابی است.

با کاهش نسبت آب به سیمان، ضخامت ژل برای پرکردن فضای مویینه کم، نازک‌تر خواهد بود و دلیلی برای افزایش هرچه بیشتر مقاومت بتن می‌باشد.

عقیده بر آنست که اگر درصد اشباع حفرات مویینه کمتر از ۸۰ درصد شود، سرعت هیدراسیون کند می‌گردد و در ادامه هیدراته شدن سیمان با کاهش درصد اشباع در لوله‌های مویینه، جداره این لوله‌ها به هم نزدیک می‌شود و تنش کششی در خمیر سیمان بوجود می‌آید و می‌تواند به ترک‌های مویینه منجر گردد.

چنانچه کماکان به خمیرسیمان آبرسانی نشود و هیدراته شدن ادامه یابد، پدیده خشک‌شدگی در خمیرسیمان بوجود می‌آید و نتیجه آن افزایش موی ترک‌ها است. این پدیده در خمیرسیمان با نسبت آب به سیمان کم بصورت شدیدتر مشاهده می‌گردد مگر با رسانیدن آب، خمیرسیمان اشباع شود.

در تصاویر زیر شمای کلی ریزساختار نسبت‌های آب به سیمان مختلف و میزان پیشرفت هیدراته شدن تا حداکثر مقدار ممکن (برای دانه‌بندی فرضی سیمان)، نمایش داده شده است:

آب به سیمان ۳۵/۰ پس از ۵۰% هیدراته شدن:

آب به سیمان ۳۵/۰ پس از ۷۰% هیدراته شدن:

آب به سیمان ۳۵/۰ پس از حداکثر هیدراته شدن (معادل ۷۱ درصد پیشرفت)):

آب به سیمان ۵/۰ پس از ۵۰% هیدراته شدن:

آب به سیمان ۵/۰ پس از ۷۰% هیدراته شدن:

آب به سیمان ۵/۰ پس از حداکثر هیدراته شدن (معادل ۷۷ درصد پیشرفت)):

دیدگاهتان را بنویسید

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