بتن (اجزای تشکیل دهنده، ویژگی‌ها، طرح مخلوط، انواع، آزمایش‌ها)
بخش ۲۰: ساختار و ریزساختار خمیر سیمان (قسمت چهارم: ناحیه انتقالی یا وجه مشترک خمیر سیمان و سنگدانه)
در خمیر سیمان، همگنی مناسبی وجود دارد و توزیع بلورهای هیدروکسیدکلسیم و ژل هیدراتهای سیلیکات کلسیمی C-S-H در خمیر سیمان یکنواخت است اما با داشتن سنگدانه در خمیر سیمان تغییری در این همگنی در نزدیکی سنگدانه ایجاد می‌شود.
سالها تصور می‌شد که این همگنی بازهم وجود دارد و ضعف ناحیه اتصال خمیرسیمان بدلایل دیگری ایجاد می‌شود که چنین موردی به عوامل زیر نسبت داده می‌شد. چنین عواملی در ملات یا بتن وجود دارد اما عامل دیگری را از نظر دور نگه می‌داشت.
الف) تفاوت در مدول ارتجاعی خمیرسیمان و سنگدانه
ب) جذب آب توسط سنگدانه خشک از خمیرسیمان و جمع‌شدگی خمیر در این بخش و ایجاد موی‌ترک‌ها
پ) آب انداختن خمیر سیمان و گرفتار شدن این آب‌ها در زیر یا کناره‌های سنگدانه‌ها بویژه سنگدانه‌های بزرگتر
سوالاتی وجود داشت که اغلب جواب کاملی بدان‌ها داده نمی‌شد:
الف: چرا علی‌رغم اینکه بتن در کشش ترد است، در فشار تا حدودی شکل‌پذیرتر بنظر می‌رسد؟
ب: اگر اجزای بتن را جداگانه مورد آزمایش فشار تک محوری قرار دهیم تا هنگام شکست، ارتجاعی باقی می‌ماند اما چرا بتن رفتاری غیرالاستیک از خود نشان می‌دهد؟
پ: چرا مقاومت فشاری بتن به‌مراتب (حدود ۱۰ برابر) بیشتر از مقاومت کششی آن می‌باشد؟
ت: چرا مقاومت ملات با یک نسبت آب به سیمان و در یک سن و با عیار سیمان ثابت همواره بزرگتر از بتن مشابه است؟
ث: چرا هرچه بزرگترین اندازه سنگدانه درشت بیشتر می‌شود مقاومت فشاری بتن کمتر می‌گردد؟
ج: چرا نفوذپذیری بتن حاوی سنگدانه توپر به‌مراتب بیشتر از نفوذپذیری خمیرسیمان متناظر با آن می‌باشد.
چ: چرا در رویارویی با آتش، ضریب ارتجاعی بتن خیلی بیشتر از مقاومت فشاری آن افت می‌کند؟
ح: چرا مقاومت فشاری بتن حاوی میکروسیلیس نسبت به بتن فاقد میکروسیلیس بیشتر از مقاومت فشاری خمیر سیمان حاوی میکروسیلیس نسبت به خمیر سیمان بدون میکروسیلیس افزایش می‌یابد؟
پاسخ به همه این پرسش‌ها با معرفی ناحیه انتقالی (وجه مشترک، Interfacial Transition Zone (ITZ)) بین سنگدانه‌های درشت و خمیرسیمان بتن و ناهمگنی در خمیرسیمان و ضعف در این منطقه انتقالی نهفته است.
Farran قبل از مشاهده این ناحیه با میکروسکپ الکترونی و در دهه ۵۰ میلادی با توجه به برخی از مشاهدات خود در آزمایش‌های مختلف نظریه‌ای را ارائه داد که بعدها درستی آن ثابت شد.
در ابتدا در بتن تازه متراکم غشای نازک آب در سطح ذرات سنگدانه درشت شکل می‌گیرد. این امر به منزله آن است که نسبت آب به سیمان در نزدیک سنگدانه‌های درشت بیشتر از سایر بخش‌های خمیر سیمان می‌باشد.
سپس در خمیرسیمان یون‌های کلسیم، سولفات، هیدروکسیل و آلومینات با انحلال ترکیبات سولفات کلسیم و آلومینات کلسیم تشکیل هیدروکسیدکلسیم و اترینگایت می‌دهد.
در نزدیکی سنگدانه‌های درشت و در محیط دارای نسبت آب به سیمان بیشتر، بلورهای درشت‌تری از این محصولات شکل می‌گیرد و از ساختار متخلخل‌تری نسبت به سایر قسمت‌های خمیرسیمان برخوردار می‌شود.
بلورهای شش ضلعی صفحه‌ای (تخت) هیدروکسیدکلسیم، تمایل به ایجاد لایه‌های جهت‌دار با محور عمود بر سطح سنگدانه دارد.
درنهایت با پیشرفت عمل هیدراته‌شدن سیمان، C-S-H با بلورهای ضعیف و بلورهای کوچکتر اترینگایت و هیدروکسیدکلسیم منطقه حاوی بلورهای درشت‌تر هیدروکسیدکلسیم و اترینگایت را پر می‌کند و کمک می‌کند تا کیفیت ناحیه انتقالی و مقاومت آن نسبتا بهبود یابد.
عکس میکروسکپی و تصویر شماتیک این پدیده در زیر مشاهده می‌شود.
ترک‌ها می‌تواند به‌آسانی در منطقه انتقال درجهت عمود بر محور عمود بر صفحه شکل گیرد. این امر ضعف مقاومتی (بویژه کششی) در منطقه انتقالی را توجیه می‌کند.
چسبیدگی هیدروکسیدکلسیم کم است و ناحیه انتقالی اصولا ناحیه ضعیفی است. همچنین جهت‌دار بودن هیدروکسیدکلسیم و درشتی آنها در این منطقه ضعف خاصی را بوجود می‌آورد.
گفته می‌شود هرچه ذرات سنگدانه درشت‌تر باشد غشا آب اطراف آن و ضخامت ناحیه انتقالی اطراف آن بیشتر می‌گردد. به‌دلیل تغییرات دمایی و خشک‌شدگی و جمع‌شدگی ناشی از آن، ناحیه انتقالی می‌تواند قبل از اعمال بار دارای ترک باشد.
مسلما بارهای ضربه‌ای، جمع‌شدگی ناشی از خشک‌شدن در بتن سخت‌شده و بارهایی که تنش‌های زیاد تولید می‌کنند، می‌توانند این ترک‌های مویینه را افزایش دهد و بزرگتر کند.
بهرحال ناحیه انتقالی به‌عنوان ضعیف‌ترین حلقه زنجیر شناخته می‌شود و تعیین‌کننده مقاومت بتن است. این موضوع دلیل عملکرد غیر ترد و تفاوت نحوه عملکرد غیرارتجاعی بتن است.
به‌علت ترک‌های ریز در بتن، اگر بتن در معرض آتش قرار گیرد مدول ارتجاعی آن سریع‌تر از مقاومت فشاری کاهش می‌یابد.
ناحیه انتقال در دوام بتن تاثیر دارد. هرچند حفرات مویینه عامل مهمی در تراوایی است، اما ناحیه انتقالی نیز تاثیر قابل توجهی دارد.
زمانی‌که پوزولان در بتن وجود دارد، کیفیت ناحیه انتقالی بیش از سایر بخش‌های سیمان بهبود می‌یابد زیرا پوزولان با بلورهای آهک هیدراته (هیدروکسیدکلسیم) و آب ترکیب می‌شود و ضعف ناحیه انتقالی بهبود می‌یابد و میزان این ارتقا کیفیت در ناحیه انتقالی بیش از بقیه خمیر است.
پوزولان‌های ریز (مانند میکروسیلیس) می‌توانند در این ناحیه نازک قرار گیرند و تاثیر بیشتری بجا گذارند.
ضخامت این ناحیه از ۱۰ تا ۱۰۰ میکرون گفته شده است (عمدتا ۲۰ تا ۵۰ میکرون)، که با گذشت زمان این ناحیه نازک‌تر می‌شود و در سنین بالا ۱۰ تا ۲۰ میکرون خواهد بود.
تغییرات در پوکی خمیر سیمان هیدراته با فاصله از سطح سنگدانه
در منطقه ناحیه انتقالی، عملا سیمان هیدراته نشده وجود ندارد که نشانه w/c زیاد در این منطقه است.
هرچند به ناحیه انتقالی اطراف سنگدانه درشت توجه بیشتری می‌شود اما در اطراف سنگدانه‌های ریز نیز متناسبا این ناحیه وجود دارد.
با کاهش شدید ضخامت خمیرسیمان اطراف سنگدانه‌ها، احتمال تداخل این ناحیه وجود دارد که باعث افزایش شدید نفوذپذیری و ضعف می‌گردد.
گاه در ناحیه انتقالی بسته به جنس سنگدانه‌ها، واکنش‌هایی بین سنگدانه و خمیرسیمان ایجاد می‌شود و متراکم‌تر می‌گردد (مانند سنگدانه‌های آهکی ریز و برخی سنگدانه‌های سیلیسی)
در مورد سبکدانه‌هایی که لایه خارجی آنها پوک‌تر است، ناحیه انتقالی متراکم‌تری نسبت به سبکدانه‌ها با لایه خارجی توپر بوجود می‌آید.