مقالات

بخش ۲۵: سنگدانه (قسمت پنجم: مواد زیان آور سنگدانه)

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

بخش ۲۵: سنگدانه (قسمت پنجم: مواد زیان آور سنگدانه)

 

مواد زیان آور سنگدانه

مواد زیان آور سنگدانه به سه گروه کلی تقسیم می‌شوند:

الف) ناخالصی‌ها که در فرآیند هیدراته‌شدن سیمان دخالت می‌کنند

ب) قشرهای پوششی که از توسعه پیوستگی کامل بین سنگدانه‌ها و سیمان جلوگیری به عمل می‌آورند

پ) بعضی از دانه‌های خاصی که ضعیف یا ناسالم می‌باشند.

هم‌چنین تمام و یا بخشی از سنگدانه‌ها می‌توانند از طریق توسعه واکنش‌های شیمیایی با خمیر سیمان زیان‌آور باشند، که این واکنش‌های شیمیایی در بخش‌های بعدی مورد بحث قرار خواهد گرفت.

 

ناخالصی‌های آلی:

سنگدانه‌های طبیعی ممکن است به اندازه کافی مقاومت داشته و در مقابل سایش نیز مقاوم باشند، اما چنان‌چه حاوی بعضی از ناخالصی‌های آلی باشند که در واکنش‌های شیمیایی هیدراته‌شدن دخالت نمایند، ممکن است برای مصرف در بتن مناسب نباشد. مواد آلی که در سنگدانه‌ها یافت می‌شوند معمولا از پوسیدن مواد نباتی (عمدتا اسید تانیک و مشتقات آن) تشکیل می‌گردند و به‌صورت خاک نباتی و یا ذرات گیاهان پوسیده خواهند بود. احتمالا این مواد در ماسه بیشتر از سنگدانه‌های درشت، که به‌آسانی شسته می‌شوند، وجود دارند.

کلیه مواد آلی مضر نیستند و بهترین روش آن است که اثرات آن‌ها با ساخت آزمونه‌های مقاومت فشاری کنترل شود. به‌طور کلی، چنان‌چه ابتدا مشخص شود که میزان مواد آلی به‌حدی است که انجام آزمایش‌های دیگری را ایجاب ننماید، باعث صرفه‌جویی در وقت خواهد شد. این عمل توسط آزمایش رنگ‌سنجی طبق استاندارد ASTM C40، EN 1744-1 یا ISIRI 4979 انجام می‌شود. برای این منظور از محلول NaOH استفاده می‌شود. برای این کار مقادیر تجویز شده از سنگدانه‌ها و محلول را در شیشه‌ای می‌ریزند و مخلوط را به‌شدت تکان می‌دهند تا تماس نزدیک و لازم برای واکنش شیمیایی حاصل شود و سپس اجازه می‌دهند برای مدتی (حدود ۲۴ ساعت) بماند. پس از این مدت می‌توان از رنگ محلول درباره مقدار مواد آلی ماسه قضاوت نمود. هر چه مقدار مواد آلی بیشتر باشد رنگ محلول تیره‌تر خواهد بود. چنان‌چه رنگ مایع روی آزمونه تیره‌تر از زرد استاندارد، تعریف شده در استاندارد نباشد، می‌توان فرض کرد که مقدار ناخالصی‌های موجود در نمونه در حد بی‌ضرر است.

اگر رنگ مشاهده شده تیره‌تر از رنگ زرد استاندارد باشد، یعنی محلول متمایل به قهوه‌ای یا قهوه‌ای رنگ گردد، در این‌صورت مقدار نسبتا زیادی از مواد آلی در سنگدانه‌ها وجود دارد، ولی این امر الزاما بدان معنی نیست که سنگدانه‌ها برای مصرف در بتن مناسب نمی‌باشند. ممکن است مواد آلی موجود برای بتن زیان‌آور نباشند و یا ممکن است رنگ ایجاد شده ناشی از وجود پاره‌ای از مواد معدنی آهن‌دار باشد. به این دلیل، انجام آزمایش‌های دیگری نیز ضرورت دارد. استاندارد ASTM C87 و ISIRI 20857، انجام آزمایش‌های مقاومت بر روی ملات حاوی ماسه مشکوک، در مقایسه با ملات ساخته شده با همان ماسه، اما شسته شده را توصیه می‌نماید. این نسبت برای مقاومت ۷ روزه باید بالاتر از ۹۵ درصد باشد.

در برخی از روش‌ها، مقدار مواد آلی در سنگدانه‌ها را از افت جرم نمونه هنگام تماس با آب اکسیژنه به‌دست می‌آورند.

ذکر این نکته جالب توجه است که در بعضی موارد اثرات ناخالصی‌های آلی ممکن است فقط موقتی باشد. بطور مثال، در یک بررسی، مقاومت ۲۴ ساعته بتن ساخته‌شده با ماسه حاوی مواد آلی حدود ۵۰ درصد مقاومت بتن مشابه حاوی ماسه تمیز بود. پس از سه روز این نسبت به حدود ۸۰ درصد و پس از ۷ روز به بیش از ۹۰ درصد افزایش یافت و بالاخره پس از ۲۸ روز مقاومت‌های مساوی به‌ثبت رسید.

رس و مواد ریز:

ممکن است رس به‌صورت لایه‌های سطحی بر روی سنگدانه‌ها وجود داشته باشد که در این‌صورت مانع ایجاد پیوستگی بین دانه‌ها و خمیر سیمان خواهد شد. از آن‌جا که برای حصول اطمینان از رضایت‌بخش بودن مقاومت و دوام بتن، پیوستگی مطلوب بین سنگدانه‌ها و سیمان ضرورت دارد، مساله پوشش رسی اهمیت خاصی می‌یابد.

دو نوع دیگر از مواد ریز نیز می‌تواند در سنگدانه‌ها وجود داشته باشد:

الف) لای

ب) پودر حاصل از سنگ‌شکن

ذرات لای که اندازه آن‌ها بین ۲ و ۶۰ میکرون است، در اثر فرآیندهای طبیعی هوازدگی به این اندازه کاهش یافته‌اند، لذا ممکن است لای در سنگدانه‌هایی که از منابع طبیعی استخراج شده‌اند، یافت شود. از طرف دیگر، پودر حاصل از سنگ‌شکن، پودر نرمی است که در جریان خرد شدن سنگ مادر به سنگدانه‌های ریز شکسته، و یا به‌ندرت از خرد نمودن شن جهت تولید ماسه شکسته، ایجاد می‌شود. در یک کارگاه تولید سنگدانه که به‌نحو مناسبی استقرار یافته باشد این گرد به‌وسیله شستشو از بین می‌رود. لایه‌های نرم یا پوشش‌هایی که به‌طورکامل به سنگدانه نچسبیده‌اند را می‌توان در جریان مراحل تولید از بین برد. لایه‌هایی که کاملا به دانه‌ها چسبیده‌اند را نمی‌توان به این طریق خارج ساخت. اما اگر این لایه ثبات شیمیایی داشته و فاقد هرگونه اثر زیان بار باشد، هیچ‌گونه منعی برای مصرف سنگدانه‌های حاوی این‌گونه لایه‌های سطحی وجود نخواهد داشت، هرچند ممکن است جمع‌شدگی بتن افزایش یابد. به هر حال، سنگدانه‌هایی که روی آن‌ها قشرهایی از مواد شیمیایی فعال وجود داشته باشد، حتی اگر از لحاظ فیزیکی هم با ثبات باشند، می‌توانند سبب ایجاد مسایل جدی گردند.

ممکن است لای و گرد نیز قشرهایی مشابه با رس بر روی سنگدانه‌ها تشکیل دهند و یا ممکن است به‌صورت ذراتی که به سنگدانه‌های درشت نچسبیده‌اند، وجود داشته باشند. حتی در مواردی‌که لای و گرد به‌صورت نچسبیده به ذرات نیز باشند مقدار آن‌ها نباید خیلی زیاد باشد، زیرا به‌علت ریزی ذرات و دارا بودن سطح زیاد، سبب می‌شوند که مقدار آب لازم برای مرطوب ساختن کلیه ذرات در مخلوط بتن افزایش یابد.

با در نظر گرفتن مراتب فوق لازم است که مقادیر رس، لای و گرد در سنگدانه‌ها کنترل شود. امروزه در مشخصات سنگدانه‌ها برای سنگدانه ریز (ماسه) در ASTM C33 و ISIRI 302 ذرات گذشته از الک ۷۵ میکرون (شماره ۲۰۰) از مواد زیان آور خارج شده و برای آن در دانه‌بندی محدودیت وضع شده است. در صورتی‌که بتوان نشان داد ذرات گذشته از الک ۷۵ میکرون، حاوی رس نباشد، محدودیت ۳ درصد موجود قابل افزایش تا ۵ درصد می‌باشد. در صورتی‌که بتن تحت سایش نباشد، این مقادیر را می‌توان ۲ درصد افزایش داد. برای سنگدانه درشت (شن)، محدودیت ۱ درصد موجود قابل افزایش تا ۵/۱ درصد است.

برای توصیف ذرات ریزتر الک ۷۵ میکرون می‌توان از روش‌های تحلیل سنگ‌نگاری (ASTM C295، EN 932-3 یا ISIRI 13552)، روش هیدرومتری (ASTM D422 یا BS 812-103.2)، روش جذب متیلن بلو (ASTM C177، EN 933-9 یا ISIRI 10447-9)، یا روش تجزیه پراش اشعه X استفاده نمود. فعلا حد مشخصی برای پیش بینی عملکرد این ذرات بر اساس روش‌های مذکور محرز نشده است. برای تشخیص رسی بودن این ذرات، می‌توان از آزمایش حد روانی (ISIRI 10731) استفاده کرد. اگر نتیجه نشانه خمیری (PI) کمتر از ۲ باشد، می‌توان ذرات را غیر رسی فرض نمود.

قابل ذکر است که روش‌های آزمایش متفاوتی برای تعیین مقدار مواد ریز در استانداردهای مختلف تجویز شده‌اند که نتایج آن‌ها مستقیما با یکدیگر قابل مقایسه نمی‌باشند. ساده ترین روش اسن است که سنگدانه‌ها را روی الک mm۷۵ (شماره ۲۰۰) به‌صورت تر، طبق استاندارد BS 812103.1، ASTM C117، EN 1367-2 یا ISIRI 446 شست. دلیل استفاده از این نوع الک کردن آن است که ذرات ریز گرد یا رس چسبیده به سطح ذرات درشت‌تر در الک کردن به روش خشک معمول جدا نمی‌شوند. از طرف دیگر در روش الک نمودن تر سنگدانه‌ها را در آب می‌ریزند و با شدت کافی به‌هم می‌زنند تا ذرات ریز به‌حالت معلق در آیند. آب روی سنگدانه‌ها را به آرامی خالی می‌کنند و مواد را روی الک μm۷۵ (شماره۲۰۰) می‌ریزند تا کلیه مواد ریزتر از این الک عبور نمایند.

برای ماسه‌های طبیعی و ماسه‌های حاصل از شکستن و خرد کردن شن، یک آزمایش کارگاهی نیز موجود است که می‌توان آن را به‌آسانی و با سرعت، و با تعداد کمی از وسایل آزمایشگاهی انجام داد. در این آزمایش استاندارد نشده، ml۵۰ از محلول تقریبا یک درصد نمک طعام معمولی را در استوانه مدرج ml۲۵۰ می‌ریزند. ماسه تهیه شده از کارگاه را به‌داخل استوانه می‌ریزند تا سطح مایع به درجه ml۱۰۰ برسد و سپس آن‌قدر از محلول فوق به آن اضافه می‌کنند تا حجم کل مخلوط در استوانه به ml۱۵۰ برسد. بالای استوانه را با کف دست می‌پوشانند و آن را به‌شدت تکان داده و مرتبا پشت و رو می‌کنند و سپس اجازه می‌دهند برای مدت ۳ ساعت بماند. لایی که در جریان به‌هم زدن پخش شده بود به‌صورت قشری بر روی ماسه رسوب می‌نماید. ضخامت این لایه را می‌توان به‌صورت درصدی از ارتفاع ماسه زیر آن بیان نمود. باید به‌خاطر داشت که این نسبت حجمی بوده و به آسانی نمی‌توان آن را به نسبت جرمی تبدیل نمود، زیرا ضریب تبدیل، به نرمی ذرات مواد بستگی خواهد داشت. پیشنهاد شده است که برای ماسه طبیعی، نسبت جرمی از حاصل‌ضرب نسبت حجمی در ضریب ۲۵/۰ به‌دست می‌آید و عدد متناظر برای ماسه حاصل از شکستن شن، ۵/۰ است. اما در مورد بعضی از سنگدانه‌ها حتی دامنه تغییرات وسیع‌تری به‌دست می‌آید. این درصدها قابل اعتماد نمی‌باشند و لذا وقتی‌که نسبت حجمی بیش از ۸ درصد گردد، آزمایش با روش دقیق‌تری که قبلا تشریح شد، باید انجام شود.

یون کلرید و سولفات:

ماسه به‌دست آمده از ساحل دریا و یا استخراج شده از دریا یا مصب رودخانه و هم‌چنین ماسه کویری، می‌تواند حاوی یون کلرید باشد و باید قبل از مصرف، عملیاتی بر روی آن‌ها صورت گیرد. ساده‌ترین روش آن است که ماسه با آب تازه و تمیز شسته شود.

به‌علت خطر خوردگی ناشی از کلریدها در میلگردهای فولادی بتن مسلح، حداکثر مقدار یون کلرید موجود در مخلوط بتن در آیین‌نامه‌ها محدود شده است. کلریدها ممکن است در کلیه اجزای بتن وجود داشته باشند. تا آن‌جا که به سنگدانه‌ها ارتباط دارد، استاندارد ISIRI 302 حداکثر مقدار یون کلرید محلول در آب سنگدانه‌ها تعیین نموده است. این مقدار برای وجود شرایط مهاجم کلریدی ۰۴/۰ و برای شرایط غیر مهاجم ۰۲/۰ درصد جرمی تعیین شده است.

وجود سولفات در سنگدانه‌ها نیز به علت خطرات حمله سولفاتی به بتن، محدود شده است. این محدودیت در استاندارد ISIRI 302 به شکل سولفات محلول در آب به مقدار ۴/۰ درصد جرمی سنگدانه وجود دارد.

به‌غیر از خطر حملات یونی، چنان‌چه نمک‌های سنگدانه‌ها خارج نشود، از هوا رطوبت جذب نموده و سبب سفیدک (رسوب‌های بد منظره سفید رنگ) روی سطح بتن می‌شوند که در بخش مربوطه بیشتر شرح داده خواهد شد.

ذرات ناسالم:

دو نوع کلی از ذرات ناسالم وجود دارند، آن‌هایی که نمی‌توانند یکپارچگی خود را حفظ نمایند و آن‌هایی که هنگام یخ‌زدن و یا حتی رویارو با آب، انبساط‌های مخرب ایجاد می‌کنند. خواص مخرب از ویژگی‌های بعضی از گروه‌های سنگ‌ها می‌باشد و بنابراین به‌طور کلی در رابطه با دوام سنگدانه‌ها مورد بحث قرار خواهد گرفت.

شیل (شیست رسی) و سایر دانه‌های کم‌چگالی (سبک) و هم‌چنین ذرات سست (نرم)، مانند کلوخه‌های رسی، چوب، زغال و زغال سنگ جزو مواد ناسالم محسوب می‌شوند، زیرا سبب آبله‌رویی و پوسته‌شدن بتن می‌گردند. اگر مقادیر زیادی از این ذرات در سنگدانه وجود داشته باشد، ممکن است بر مقاومت بتن اثر نامطلوب بگذارد و مسلما نباید در بتن‌هایی که در معرض سایش قرار می‌گیرند موجود باشد.

زغال‌سنگ علاوه بر این‌که سست است از جهات دیگر نیز نامطلوب است، زیرا می‌تواند ورم نماید و سبب خرابی بتن گردد، و چنان‌چه مقادیر زیادی از آن به‌صورت پودر نرم موجود باشد، می‌تواند در فرآیند سخت‌شدن خمیر سیمان اختلال ایجاد نماید.

وجود زغال‌سنگ و سایر مواد کم چگالی (سبک) را می‌توان به‌وسیله شناور نمودن در یک مایع با چگالی مناسب، مثلا طبق روش استاندارد ASTM C123 و ISIRI 4984 تعیین نمود. چنان‌چه خطر آبله‌رویی و پوسته‌شدن بتن حائز اهمیت نباشد و عمدتا مقاومت بتن در نظر گرفته شود، در این‌صورت باید مخلوط آزمایشی را ساخت.

از میکا در سنگدانه باید اجتناب ورزید، زیرا ممکن است میکا در حضور عوامل شیمیایی فعالی که در جریان هیدراته‌شدن سیمان تولید می‌شوند به شکل‌های دیگری تبدیل گردد. هم‌چنین وجود میکای آزاد در سنگدانه‌های ریز، حتی در مقادیر چند درصدی وزن‌سنگدانه، بر مقدار آب‌لازم بتن و در پی آن بر مقاومت بتن اثر نامطلوب خواهد داشت. وجود  ۵ درصد میکا در ماسه، مقاومت ۲۸ روزه بتن حاصله را حدود ۱۵ درصد (حتی وقتی‌که نسبت آب به سیمان ثابت بوده است) کاهش می‌دهد. دلیل احتمالی این امر چسبندگی ضعیف خمیر سیمان به سطح ذرات میکا می‌باشد. میکا به‌صورت مسکویت (Muscovite) خیلی زیان‌آورتر از نوع بیوتیت آن می‌باشد. لازم است در مواردی‌که موادی مانند ماسه از جنس رس چینی برای مصرف در بتن در نظر گرفته می‌شوند این موضوع مد نظر قرار گیرد.

هیچ روش استانداردی برای تعیین مقدار میکای موجود در ماسه و یا حتی آزمایشی برای تعیین اثر میکا بر خواص بتن وجود ندارد. اگر ماسه حاوی میکا باشد احتمالا این ذرات بین ذرات ریزتر متمرکز می‌شوند. روش شمارش میکروسکوپی ذرات میکا در بخش ماسه بین ۱۵۰ تا ۳۰۰ میکرون (الک شماره ۵۰ تا ۱۰۰) توصیه شدت است. چنان‌چه کمتر از حدود ۱۵درصد میکا، به‌صورت تعداد ذرات، در قسمتی از ماسه وجود داشته باشد، احتمال ندارد که خواص بتن به‌نحو چشمگیری تحت تاثیر قرار گیرد. باید تاکید نمود که مقدار میکای ذرات درشت‌تر باید چندین برابر کمتر باشد.

پیریت‌های آهن و مارکازیت (Marcasite) معرف متداول‌ترین نوع مواد منبسط‌شونده در سنگدانه‌ها می‌باشند. این سولفیدها با آب و اکسیژن هوا واکنش نشان داده و تشکیل سولفات آهن می‌دهند که بالاخره تجزیه شده و هیدروکسید به‌وجود می‌آورند؛ در حالی‌که یون‌های سولفات با آلومینات‌کلسیم موجود در سیمان عکس‌العمل نشان می‌دهند. اسید سولفوریک نیز می‌تواند تشکیل شود و خمیر سیمان هیدراته را مورد حمله قرار دهد. این امر ممکن است به لکه‌دار شدن سطح بتن و از هم پاشیدن خمیر سیمان (بیرون پریدن) به‌ویژه تحت شرایط گرم و مرطوب، منجر شود. ایجاد بیرون پریدگی می‌تواند برای چندین سال، تا زمانی‌که آب و اکسیژن حضور به‌هم رسانند، به‌تاخیر افتد. مشکل بد منظره بودن بیرون پریدگی را می‌توان با به‌کار بردن سنگدانه‌های با حداکثر اندازه کوچک‌تر بهبود بخشید.

کلیه انواع پیریت‌ها واکنش‌زا نمی‌باشند، اما از آن‌جا که تجزیه پیرت‌ها فقط در آب آهک صورت می‌گیرد، می‌توان سنگدانه‌های مشکوک را از جهت واکنش‌زایی، با قرار دادن در یک محلول اشباع شده با آهک، مورد آزمایش قرار دارد. چنان‌چه سنگدانه‌ها واکنش‌زا باشند یک رسوب ژله‌ای آبی-سبز رنگ از سولفات دو ظرفیتی در خلال چند دقیقه ظاهر می‌شود و هنگام تماس با هوا به هیدروکسید قهوه‌ای رنگ آهن سه‌ظرفیتی تبدیل می‌گردد. عدم وجود این واکنش دال بر این است که نباید از لکه‌دار شدن سطح بتن هراس داشت. عدم واکنش‌زایی در ارتباط با وجود تعدادی از کاتیون‌های فلزی می‌باشد، و حال این‌که عدم وجود این مواد، پیریت‌ها را فعال می‌سازد. به‌طور کلی، ذرات پیریتی که می‌توانند مشکلاتی را به‌وجود آورند، آن‌هایی هستند که اندازه آن‌ها بین ۵ و mm۱۰ می‌باشد.

وجود کلوخه‌های رسی، ذرات سست، زغال سنگ، لیگنیت و ذرات از جنس چرت (ذرات با چگالی کمتر از ۴/۲) در سنگدانه ریز و درشت در استانداردهای مشخصات سنگدانه (ASTM C33 و ISIRI 302) محدود شده است.

مقادیر کلوخه‌های رسی و ذرات رسی برای سنگدانه ریز به ۳ درصد و برای سنگدانه درشت به ۲ درصد جرمی سنگدانه محدود شده است.

مقدار زغال سنگ و لیگنیت برای سنگدانه‌های ریز به ۵/۰ تا ۱ درصد (با توجه به اهمیت ظاهر بتن) و برای سنگدانه‌های درشت به ۵/۰ درصد جرمی سنگدانه محدود شده است.

در سنگدانه‌های درشت، مقدار ذرات چرت (در صورتی‌که بتن در معرض رطوبت باشد) به ۳ درصد جرمی سنگدانه محدود می‌شود. مجموع کلوخه‌های رسی، ذرات سست و ذرات چرت در سنگدانه‌های درشت نیز به ۳ درصد جرمی سنگدانه محدود شده است.

بعضی از سنگدانه‌هایی که فرآیند تولید ویژه‌ای دارند، مانند پس‌مانده‌های معدن می‌توانند حاوی مواد زیان‌بار باشند. برای مثال، مقادیر کم سرب محلول در آب آهک (مثلا ۱/۰ درصد جرم سنگدانه‌ها از PbO) به مقدار زیادی گیرش را به‌تاخیر می‌اندازد و مقاومت اولیه بتن را کاهش می‌دهد اما مقاومت دراز مدت بتن تحت تاثیر واقع نمی‌گردد.

ممکن است سنگدانه‌های درشت استخراج شده از دریا، حاوی مقدار زیادی صدف باشند. این مواد اثر نامطلوبی بر مقاومت نخواهند داشت اما کارآیی بتن حاوی مقادیر زیاد صدف، قدری کاهش می‌یابد. مقدار صدف سنگدانه‌های بزرگ‌تر از mm۵ را می‌توان با دست‌چین نمودن با استفاده از روش توصیه‌شده در استاندارد BS 812-106 یا EN 933-7 تعیین نمود. استاندارد BS 882 مقدار صدف سنگدانه درشت تا حداکثر اندازه mm۱۰ را به ۲۰ درصد، و برای حداکثر اندازه بیش از mm۱۰، به ۸ درصد محدود نموده است. در استاندارد EN 12620 محدودیتی برای مقدار صدف مشخص نشده و فقط دسته‌بندی بر اساس مقدار صدف سنگدانه (کمتر یا بیشتر از ۱۰ درصد) ارائه شده است. با این وجود سنگدانه‌های حاوی مقادیر خیلی زیادتر صدف، به‌صورت موفقیت‌آمیزی در برخی از جزایر اقیانوس آرام به‌کار برده شده‌اند. هیچ‌گونه محدودیتی درباره مقدار صدف در سنگدانه‌های ریز تعیین نگردیده است.

دیدگاهتان را بنویسید

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