بتن (اجزای تشکیل دهنده، ویژگی‌ها، طرح مخلوط، انواع، آزمایش‌ها)
بخش ۲۶: سنگدانه (قسمت ششم: سلامت، خواص حرارتی و پیوستگی سنگدانه با خمیر سیمان)
سلامت سنگدانه
منظور از سلامت سنگدانه، قابلیت تحمل تغییرات حجمی زیاد سنگدانه‌ها ناشی از تغییرات شرایط فیزیکی می‌باشد. عدم سلامت سنگدانه‌ها با انبساط حاصل از واکنش‌های شیمیایی بین سنگدانه‌ها و قلیایی‌های موجود در سیمان تفاوت دارد.
عوامل فیزیکی که موجب تغییرات حجمی زیاد و یا دائمی سنگدانه‌ها می‌گردند عبارتند از:
– یخ‌زدن و آب‌شدن
– تغییرات گرمایی در دماهای بالای نقطه انجماد
– تر و خشک‌شدن پی‌درپی
سنگدانه‌ها را وقتی ناسالم می‌گویند که تغییرات حجمی ایجاد شده توسط عوامل فوق سبب خرابی بتن گردد. این خرابی ممکن است به‌صورت پوسته‌شدن موضعی و به اصطلاح بیرون‌پریدگی، تا ترک‌های شدید سطحی و از هم‌پاشیدن در عمق قابل ملاحظه باشد و لذا می‌تواند از بد نما نمودن سطح بتن تا وضعیت خطرناک سازه‌ای تغییر نماید.
عدم سلامت، توسط سنگ‌های چخماق متخلخل و چرت‌ها، به‌ویژه سبکدانه‌های با ساختار منفذی ریز، برخی شیل‌ها (شیست‌های رسی)، سنگ‌های آهکی با لایه‌هایی از رس منبسط‌شونده و هم‌چنین توسط ذرات دیگری که حاوی کانی‌های رسی به‌ویژه از گروه مونت‌موریلونیت (Montmorillonite) یا ایلیت (Illite) باشند، بروز می‌کند. برای مثال، مشاهده شده است که یک دولریت دگرگونی در اثر تر و خشک‌شدن تا حد ۶-۱۰×۶۰۰ تغییرشکل می‌دهد و ممکن است بتن حاوی این نوع سنگدانه‌ها تحت شرایط تر و خشک‌شدن پی‌درپی خراب شود، و مسلما در شرایط یخ‌زدن و آب‌شدن خراب خواهد شد. به همین‌صورت چرت متخلخل در یخ‌زدگی از هم می‌پاشد.
آزمایش تعیین سلامت سنگدانه‌ها در استاندارد BS 812-121 تجویز شده است. در این آزمایش بخشی از سنگدانه‌ها که در پنج چرخه قرار گرفتن پی‌درپی در محلول اشباع‌شده سولفات منیزیم و خشک‌شدن در گرمچال خرد می‌شوند، تعیین می‌گردد. نمونه اولیه حاوی ذرات بین ۰/۱۰ و ۰/۱۴ میلی‌متر می‌باشد و جرم ذراتی که روی الک ۱۰ میلی‌متر باقی می‌مانند برحسب درصد جرم اولیه محاسبه شده و مقدار سلامت نامیده می‌شود. این استاندارد با استاندارد EN 1367-2 جایگزین شده است.
آزمایش تعیین سلامت سنگدانه‌ها در استاندارد ASTM C88 و ISIRI 449 نیز تجویز شده است که در آن نمونه‌ای از سنگدانه‌های دانه‌بندی شده به‌طور پی‌درپی در یک محلول اشباع‌شده سولفات سدیم و یا منیزیم (ماده اخیر اثر شدیدتری دارد) قرار داده می‌شود و سپس در گرمچال خشک می‌گردد. تشکیل بلورهای نمک در منافذ سنگدانه‌ها منجر به خرد و از هم پاشیده شدن ذرات (احتمالا به‌حالتی مشابه با عملکرد یخ) خواهد شد. کاهش در اندازه ذرات پس از تعداد معینی از چرخه‌های فوق که به‌وسیله آزمایش الک کردن نشان داده می‌شود، معرف میزان ناسالم بودن سنگدانه‌ها می‌باشد. این آزمایش بیش از تخمین کیفی عملکرد سنگدانه‌ها تحت شرایط واقعی کارگاهی ارزش ندارد و نمی‌تواند به‌عنوان ضابطه پذیرش یا رد سنگدانه‌های شناخته نشده مورد استفاده قرار گیرد. خصوصا این‌که هیچ دلیل واضحی دال بر آن‌که سلامت، به‌صورتی‌که طبق این روش استاندارد به‌دست می‌آید، سنجشی از عملکرد یک سنگدانه معین در بتنی که در معرض یخ‌زدن و آب‌شدن قرار می‌گیرد باشد، وجود ندارد. اما به هر حال در ASTM C33 و ISIRI 302، نتیجه این آزمایش برای قبول یا رد سنگدانه مورد استفاده می‌باشد.
آزمایش‌های دیگر شامل قرار دادن سنگدانه‌ها در معرض چرخه‌های پی‌درپی یخ‌زدن و آب‌شدن (EN 1367-1) می‌باشد و در بعضی مواقع این آزمایش‌ها بر روی ملات و یا بتن ساخته‌شده با سنگدانه‌های مشکوک انجام می‌شوند. متاسفانه هیچ‌کدام از آزمایش‌ها نشانگر دقیقی از عملکرد سنگدانه‌ها شرایط واقعی تغییرات رطوبت و دما در بالای نقطه یخ‌زدن آب نمی‌باشد.
به‌همین‌صورت، هیچ‌گونه آزمایشی که بتواند به‌نحو رضایت‌بخشی دوام سنگدانه‌ها در بتن را تحت شرایط یخ‌زدن و آب‌شدن تخمین بزند، وجود ندارد (در ASTM C682 دستورالعملی برای این امر وجود داشت که این استاندارد در سال ۲۰۰۳ باطل شد). دلیل عمده این امر آن است که عملکرد سنگدانه‌ها تحت تاثیر وجود خمیر سیمان هیدراته‌ای که آن‌ها را احاطه نموده است، قرار می‌گیرد و لذا سابقه عملکرد واقعی سنگدانه‌ها است که می‌تواند به‌نحو رضایت‌بخشی موید دوام آن‌ها باشد.
به هر حال، روشن شده است که برخی از سنگدانه‌ها در برابر یخ‌زدگی آسیب‌پذیرتر می‌باشند. این نوع دانه‌ها عبارتند از چرت‌های متخلخل، شیل (شیست‌های رسی)، بعضی از سنگ‌های آهکی، به‌ویژه سنگ‌های آهکی لایه‌لایه و بعضی از ماسه‌سنگ‌ها. مشخصه مشترک این سنگ‌های ضعیف، جذب آب زیاد آن‌ها می‌باشد (به شکل زیر رجوع شود). اما لازم به تاکید است که بسیاری از سنگ‌های با دوام نیز جذب آب زیادی دارند.
توزیع نمونه‌های سنگدانه سالم و ناسالم به‌صورت تابعی از جذب آب
برای آن‌که خسارت ناشی از یخ‌زدگی رخ دهد، باید شرایط بحرانی درصد رطوبت در آن‌ها به‌وجود آید و این آب نتواند به خارج راه یابد. این عوامل به‌نوبه خود به اندازه، شکل و پیوستگی منافذ داخل سنگدانه‌ها بستگی دارند، زیرا این مشخصه‌های منافذ، کنترل‌کننده آهنگ و مقدار جذب آب و هم‌چنین آهنگی که آب می‌تواند از ذرات سنگدانه خارج شود، می‌باشند. در واقع این مشخصه‌های منافذ صرفا از کل حجم منافذ که با مقدار جذب آب نشان داده می‌شود، مهم‌ترند.
تحقیقات نشان داده است که منافذ کوچک‌تر از ۴ تا ۵ میکرون بحرانی می‌باشند، زیرا به اندازه کافی بزرگ هستند که اجازه دهند آب به داخل آن‌ها راه یابد اما به‌حد کافی بزرگ نیستند تا آب بتواند تحت فشار یخ به آسانی از آن‌ها خارج گردد. این فشار در دمای ۲۰- درجه سانتی‌گراد و در فضای کاملا محصور ممکن است به بزرگی MPa۲۰۰ برسد. لذا برای اجتناب از ترکیدن سنگدانه‌ها و از هم پاشیدن خمیر سیمان اطراف آن‌ها، لازم است قبل از این‌که فشار هیدرولیکی به حد کافی زیاد و سبب گسیختگی گردد، آب بتواند به طرف منافذ پر نشده داخل سنگدانه‌ها و یا به داخل خمیری که آن‌ها را احاطه نموده است جریان یابد.
این بحث، روشنگر بیان قبلی است که گفته شد دوام سنگدانه‌ها را نمی‌توان به‌جز وقتی‌که در داخل خمیر سیمان قرار گرفته‌اند به‌طور کامل تعیین نمود؛ سنگدانه‌ها ممکن است به حد کافی قوی باشند تا بتوانند فشار یخ را تحمل نمایند اما ممکن است انبساط آن‌ها باعث گسیختگی ملات اطراف آن‌ها شود.
اندازه منافذ، یک عامل مهم در دوام سنگدانه‌ها می‌باشد. در بسیاری از سنگدانه‌ها اندازه‌های مختلفی از منافذ وجود دارد، به‌طوری‌که در واقع گستره‌ای از اندازه منافذ باید در نظر گرفته شوند. روشی جهت بیان کمّی این موضوع توسعه یافته است. در این روش سطح‌ویژه سنگدانه‌ها را از مقدار گاز قابل جذبی که برای تشکیل لایه‌ای به ضخامت یک مولکول بر روی تمام سطوح داخلی منافذ سنگدانه لازم است، به‌دست می‌آورند. کل حجم منافذ را به‌وسیله جذب آب اندازه می‌گیرند و نسبت حجم منافذ به سطح آن‌ها معرف شعاع هیدرولیکی منافذ است. این کمّیت که در مسایل مربوط به جریان هیدرولیکی، کمّیتی آشنا است، نشانه‌ای از فشار لازم برای ایجاد جریان آب می‌باشد. قابل ذکر است که این روش استاندارد نشده است.
در هر صورت، مناسب‌ترین روش برای تخمین مقاومت بتن در برابر یخبندان، استفاده از روش استاندارد آزمایش مقاومت بتن در برابر یخ‌زدن و آب شدن طبق استاندارد ASTM C666، ISIRI 19227 یا EN 15177 می‌باشد.
خواص حرارتی سنگدانه
سه خاصیت حرارتی در سنگدانه‌ها وجود دارد که ممکن است در عملکرد بتن حائز اهمیت باشد:
– ضریب انبساط حرارتی
– گرمای ویژه
– ضریب انتقال حرارت
دو ویژگی اخیر در بتن جسیم و یا در مواضعی که عایق‌بندی حرارتی لازم باشد مهم می‌باشند ولی در کارهای ساختمانی معمولی اهمیت چندانی ندارند. این عوامل در بخش بررسی خواص حرارتی بتن مورد بحث قرار خواهند گرفت.
ضریب انبساط حرارتی سنگدانه‌ها بر مقدار ضریب انبساط بتن حاوی سنگدانه معین تاثیر می‌گذارد. هرچه ضریب انبساط سنگدانه‌ها بیشتر باشد، ضریب انبساط بتن زیادتر خواهد شد، اما ضریب انبساط بتن هم‌چنین به مقدار سنگدانه‌ها در مخلوط بتن و به‌طور کلی به نسبت‌های مخلوط بستگی دارد.
چنان‌چه ضریب انبساط حرارتی سنگدانه‌های درشت و خمیر سیمان به‌مقدار زیادی با یکدیگر تفاوت داشته باشند، ممکن است تغییر زیاد دما، انبساط‌های متفاوتی را در آن‌ها ایجاد کند و پیوستگی بین سنگدانه‌ها و خمیر سیمان اطراف آن‌ها را از بین ببرد. به هر حال، چون احتمالا تغییرشکل نسبی تحت تاثیر نیروهای دیگری مانند نیروهای ناشی از جمع‌شدگی نیز قرار می‌گیرد، لذا وقتی‌که دما خارج از بازه ۴ تا ۶۰ درجه سانتی‌گراد نباشد، اختلاف زیاد بین ضرایب انبساط، الزاما مخرب نخواهد بود. به هر حال، وقتی‌که اختلاف بین ضرایب انبساط بیش از ۶-۱۰×۵/۵ در هر درجه سانتی‌گراد گردد، ممکن است بر دوام بتنی که در معرض یخ‌زدن و آب‌شدن قرار می‌گیرد اثر بگذارد.
ضریب انبساط حرارتی را می‌توان به‌وسیله دستگاه سنجش تغییرطول (ابداع شده توسط Verbeck و Hass) برای هر دو نوع سنگدانه ریز و درشت، تعیین نمود. ضریب انبساط حرارتی خطی با نوع سنگ‌مادر تغییر می‌نماید. دامنه تغییر برای اکثر سنگ‌های معمولی حدود ۶-۱۰×۹/۰ تا ۶-۱۰×۱۶ در هر درجه سانتی‌گراد می‌باشد، اما اکثر سنگدانه‌ها (مطابق جدول زیر) در بازه ۶-۱۰×۵ تا ۶-۱۰×۱۳ در هر درجه سانتی‌گراد قرار می‌گیرند. برای خمیر سیمان پرتلند هیدراته ضریب فوق بین ۶-۱۰×۱۱ و ۶-۱۰×۱۶ در هر درجه سانتی‌گراد تغییر می‌کند، اما مقادیری تا ۶-۱۰×۷/۲۰ نیز گزارش شده‌اند. ضریب انبساط با درجه اشباع تغییر می‌نماید. بنابراین اختلاف جدی در ضرایب انبساط فقط وقتی رخ می‌دهد که سنگدانه‌ها با انبساط خیلی کم به‌کار برده شده باشند؛ این سنگدانه‌ها شامل بعضی گرانیت‌ها، سنگ آهک و مرمر می‌باشند.
ضریب انبساط حرارتی خطی انواع مختلف سنگ‌ها
اگر انتظار دماهای کرانه‌ای وجود داشته باشد، در این‌صورت باید مشروح خواص هر نوع معین از سنگدانه معلوم شود. برای مثال کوارتز در دمای ۵۷۴ درجه سانتی‌گراد دگرگونی حاصل می‌کند و ناگهان به اندازه ۸۵/۰ درصد منبسط می‌شود. این انبساط باعث از هم پاشیدن بتن می‌گردد و به‌همین دلیل هرگز بتنی را که لازم است در مقابل آتش مقاومت نماید با سنگدانه‌های کوارتزی نمی‌سازند.
پیوستگی سنگدانه و خمیر سیمان
پیوستگی بین سنگدانه و خمیر سیمان عامل مهمی در مقاومت بتن، به‌ویژه مقاومت خمشی آن می‌باشد اما ماهیت پیوستگی کاملا روشن نشده است.
بخشی از این پیوستگی ناشی از قفل و بست بین سنگدانه و خمیر سیمان هیدراته در اثر ناصافی سطح سنگدانه‌ها می‌باشد. سطح ناصاف‌تر، منجر به پیوستگی بیشتر ناشی از قفل و بست مکانیکی می‌شود. معمولا در مورد سنگدانه‌های سست‌تر، متخلخل و حاوی کانی‌های ناهمگن نیز پیوستگی بهتری ایجاد می‌شود. به‌طور کلی، می‌توان گفت که آن دسته از خصوصیات بافت سطحی که مانع هر گونه نفوذ به درون دانه‌ها شوند، پیوستگی مناسب را ایجاد نخواهند کرد.
به‌علاوه، پیوستگی تحت تاثیر سایر خواص فیزیکی و شیمیایی سنگدانه‌ها، که با ترکیبات کانی و شیمیایی و شرایط الکترواستاتیکی سطح دانه مرتبط است، نیز قرار می‌گیرد. برای مثال در مورد سنگدانه‌های سنگ‌آهکی، دولومیتی و احتمالا سیلیسی، ممکن است قدری پیوستگی شیمیایی وجود داشته باشد.
هم‌چنین ممکن است در مورد دانه‌هایی که سطح آن‌ها صیقلی می‌باشد نیز قدری نیروهای مویینگی ایجاد گردد، ولی اطلاعات کمی درباره این پدیده‌ها در دست است و هنوز لازم است به‌منظور تخمین پیوستگی بین سنگدانه‌ها و خمیر سیمان هیدراته اطراف آن‌ها، به تجربیات اتکا نمود. در هر صورت، برای ایجاد یک پیوستگی خوب، تمیز بودن سطح سنگدانه و عاری بودن از هرگونه رس چسبیده به آن الزامی است.
تعیین کیفیت پیوستگی سنگدانه‌ها نسبتا مشکل است و هیچ‌گونه آزمایش قابل قبولی در این مورد وجود ندارد. به‌طور کلی، وقتی پیوستگی بین سنگدانه‌ها و سیمان خوب باشد، پس از خردشدن آزمونه بتنی با مقاومت معمولی، علاوه بر تعداد زیادی از دانه‌ها که از غلاف سیمانی اطراف خود بیرون کشیده می‌شوند، تعدادی از دانه‌ها نیز می‌شکنند. به هر حال، اگر تعداد دانه‌های شکسته‌شده بیش حد زیاد گردد، ممکن است دالّ بر ضعف شدید سنگدانه‌ها باشد.
از آنجا که مقاومت پیوستگی، هم به مقاومت خمیر سیمان هیدراته و هم به خواص سطح سنگدانه‌ها بستگی دارد، لذا مقدار آن با افزایش عمر بتن افزایش می‌یابد. چنین به‌نظر می‌رسد که نسبت مقاومت پیوستگی به مقاومت سیمان هیدراته متناسب با عمر بتن افزایش می‌یابد.
بنابراین اگر مقاومت پیوستگی کافی باشد، ممکن است این مقاومت به‌خودی‌خود عاملی در کنترل مقاومت معمولی بتن نباشد. به هر حال، در بتن پر مقاومت احتمال دارد مقاومت پیوستگی از مقاومت کششی خمیر کمتر گردد و بنابراین گسست پیوستگی رخ خواهد داد. در واقع اگر سنگدانه‌های درشت دلیل ناپیوستگی و اثرات دیواره در نظر گرفته شوند، فصل مشترک بین سنگدانه و خمیر سیمان اطراف آن حائز اهمیت خواهد بود.
در مورد منطقه فصل مشترک سنگدانه و خمیر سیمان در بخش ریزساختار خمیر سیمان توضیحاتی داده شد. توضیحات تکمیلی در بخش‌های آتی ارائه خواهد شد.