مقالات

بخش ۲۸: سنگدانه (قسمت هشتم: واکنش‌زایی سنگدانه‌ها با قلیایی‌های سیمان)

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

بخش ۲۸: سنگدانه (قسمت هشتم: واکنش‌زایی سنگدانه‌ها با قلیایی‌های سیمان)

 

واکنش قلیایی – سیلیسی

در سال‌های اخیر تعداد فزاینده‌ای از واکنش‌های شیمیایی مخرب بین سنگدانه‌ها و خمیر سیمان هیدراته اطراف آن‌ها مشاهده شده است. متداول‌ترین واکنش بین اجزای سیلیسی فعال سنگدانه‌ها و قلیایی‌های موجود در سیمان اتفاق می‌افتد. شکل‌های فعال سیلیس عبارتند از اوپال (غیربلوری)، کلسدونی (نهان‌بلور) و تری‌دیمیت (Tridymite) (بلوری). این مواد واکنش‌زا در چرت‌های اوپالی یا چرت‌های کلسدونی، سنگ آهک سیلیسی، ریولیت و توف‌های ریولیتی، داسیت و توف‌های داسیتی، آندزیت و توف‌های آندزیتی، و فیلیت‌ها وجود دارند.

این واکنش با حمله هیدروکسیدهای قلیایی، که از قلیایی‌های موجود در سیمان (Na۲O و K۲O) مشتق می‌شوند، به برخی از کانی‌های سیلیسی موجود در سنگدانه‌ها شروع می‌شود. در نتیجه یک ژل قلیایی سیلیکاتی به‌صورت صفحات ضعیف یا در منافذ سنگدانه‌ها (جایی‌که سیلیس فعال وجود دارد) یا بر سطح ذرات سنگدانه‌ها ایجاد می‌شود. در مورد اخیر، یک سطح تغییریافته مشخص به‌وجود می‌آید که می‌تواند پیوستگی بین سنگدانه‌ها و خمیر هیدراته اطراف خود را از بین ببرد.

ژل حاصل از نوع «ورم‌کننده (منبسط‌شونده) نامحدود» می‌باشد که آب را به خود راه می‌دهد و در نتیجه افزایش حجم می‌یابد. از آن‌جا که این ژل به‌وسیله خمیر سیمان هیدراته اطراف خود احاطه شده است، فشارهای داخلی به‌وجود می‌آید که بالاخره به انبساط، ترک‌خوردگی و از هم پاشیدن خمیر سیمان منتهی می‌گردند. بنابراین به‌نظر می‌رسد که انبساط ناشی از فشار هیدرولیکی توسط خاصیت اسمزی ایجاد شده باشد، اما انبساط می‌تواند به‌علت فشار تورم‌زای محصولات واکنش قلیایی سیلیسی که هنوز جامدند، نیز به‌وجود آید. به این‌دلیل، عقیده بر آن است که تورم (انبساط) ذرات سنگدانه‌ها بیشترین خسارت را به بتن وارد می‌سازد. متعاقبا مقداری از ژل نسبتا سست توسط آب به خارج راه می‌یابد و در ترک‌هایی که قبلا به‌علت تورم سنگدانه تشکیل شده‌اند رسوب می‌نماید. اندازه ذرات سیلیسی، سرعت ایجاد واکنش را کنترل می‌نماید. ذرات بسیار ریز (۲۰ تا ۳۰ میکرون) طی یک یا دو ماه انبساط ایجاد می‌کنند ولی ذرات درشت‌تر پس از سال‌ها می‌توانند موجب انبساط شوند.

در مطالعات مشروحی (انجام شده توسط Diamond و Helmuth) نشان داده شده است که تشکیل ژل فقط با وجود یون‌های کلسیم اتفاق می‌افتد. این امر در رابطه با جلوگیری از انبساط واکنش‌های سیلیسی سنگدانه‌ها از طریق وارد نمودن مواد پوزولانی در مخلوط بتن که سبب از بین رفتن Ca(OH)۲ می‌گردد، اهمیت دارد (در بخش دوام بتن بیشتر شرح داده می‌شود). پیشرفت واکنش‌ها پیچیده است اما باید توجه نمود که وجود ژل قلیایی سیلیسی به‌خودی‌خود نمی‌تواند باعث ترک‌خوردن بتن شود، بلکه عکس‌العمل فیزیکی- شیمیایی واکنش‌ها است که باعث این عمل می‌گردد.

واکنش قلیایی سیلیسی فقط با وجود آب اتفاق می‌افتد. حداقل رطوبت نسبی داخل بتن برای آن‌که واکنش ادامه یابد حدود ۸۵ درصد در دمای °C۲۰ می‌باشد. در دماهای زیادتر واکنش می‌تواند در رطوبت‌های نسبی کمتری اتفاق افتد. عموما افزایش دما پیشرفت واکنش قلیایی-سیلیسی را تشدید می‌نماید اما کل انبساط ناشی از واکنش را افزایش نمی‌دهد. تاثیر دما ممکن است ناشی از این حقیقت باشد که افزایش دما باعث پایین آمدن قابلیت انحلال Ca(OH)۲ می‌گردد و به‌عکس قابلیت انحلال سیلیس را افزایش می‌دهد.

از آن‌جا که آب برای تداوم واکنش قلیایی-سیلیسی ضروری است، خشک نمودن بتن و جلوگیری از تماس بعدی آن با آب روش مناسبی برای توقف این نوع واکنش است و در واقع تنها راه‌حل به‌شمار می‌آید. به‌عکس، تر و خشک‌شدن پی‌درپی بتن، مهاجرت یون‌های قلیایی (که از نقاط مرطوب به‌طرف قسمت‌های خشک‌تر بتن در حرکتند) را تشدید می‌نماید. یک شیب رطوبتی دارای اثر مشابهی می‌باشد.

واکنش قلیایی-سیلیسی بسیار کند است و اثرات آن ممکن است تا سال‌ها ظاهر نشود. دلایل این امر پیچیده‌اند و فرآیند مربوطه، با غلظت موضعی یون‌های مختلف مرتبط می‌باشد و هنوز مورد بحث و جدل است.

اگرچه با مصالح معین می‌توان احتمال وقوع واکنش قلیایی- سنگدانه‌ها را پیش‌بینی نمود، معمولا نمی‌توان میزان خسارت را فقط از داشتن مقادیر مواد واکنش‌زا تخمین زد. برای مثال واکنشی‌زایی واقعی سنگدانه‌ها تحت تاثیر اندازه ذرات و پوکی آن‌ها قرار می‌گیرد؛ زیرا این عوامل بر سطحی که می‌تواند روی آن واکنش رخ دهد اثر می‌گذارند. وقتی‌که منشأ قلیایی‌ها فقط سیمان باشد، تمرکز آن‌ها در سطح واکنش‌زای سنگدانه‌ها به‌وسیله وسعت این سطح کنترل خواهد شد. در حدود معینی، هرچه مقدار قلیایی سیمان بیشتر باشد (و برای یک مقدار معین قلیایی سیمان هر چه ذرات سیمان نرم باشند)، انبساط بتن ساخته شده با سنگدانه‌های واکنش‌زا زیادتر خواهد بود.

عامل دیگری که بر توسعه واکنش قلیایی-سنگدانه‌ها اثر می‌گذارد نفوذپذیری خمیر سیمان هیدراته است، زیرا این عامل، کنترل‌کننده حرکت آب، یون‌های مختلف و هم‌چنین ژل سیلیسی می‌باشد. بنابراین مشاهده می‌گردد که عوامل متعدد فیزیکی و شیمیایی، مشکل واکنش قلیایی-سنگدانه‌ها را بسیار پیچیده می‌سازند. به‌ویژه ممکن است در اثر جذب آب، ترکیبات ژل تغییر کند و فشار قابل ملاحظه‌ای اعمال نماید؛ در حالی‌که در مواقع دیگر پخش‌شدن ژل به خارج از محیطی که در آن محصور شده است رخ می‌دهد. قابل ذکر است که با پیشرفت هیدراته‌شدن سیمان، قسمت عمده قلیایی‌ها در فاز مایع متمرکز می‌شوند و در نتیجه pH افزایش می‌یابد و کلیه کانی‌های سیلیسی به‌صورت محلول در می‌آیند.

واکنش قلیایی – کربناتی

نوعی دیگر از واکنش مخرب بین بعضی از سنگدانه‌های سنگ‌آهکی دولومیتی و قلیایی‌های موجود در سیمان رخ می‌دهد. حجم محصولات این واکنش کمتر از حجم مواد اولیه می‌باشد و لذا علت این واکنش مخرب را باید در پدیده‌ای متفاوت از آن‌چه که در مورد واکنش قلیایی-سیلیسی وجود داشت جستجو نمود. احتمال دارد که ژل تشکیل شده به‌صورت مشابه با رس منبسط‌شونده در معرض تورم قرار گیرد. لذا تحت شرایط مرطوب، انبساط بتن رخ می‌دهد. به‌طور نمونه، منطقه‌های واکنشی تا ۲ میلی‌متر اطراف ذرات فعال سنگدانه‌ها تشکیل می‌گردد. ترک‌ها در این لبه‌ها توسعه می‌یابند و شبکه‌ای از ترک‌ها را ایجاد می‌نماید و سبب کاهش پیوستگی بین سنگدانه‌ها و خمیر سیمان می‌شود.

آزمایش‌ها نشان داده‌اند که تجزیه دولومیتی (تغییر دولومیت CaMg(CO۳)۲ به Mg(OH)۲ و CaCO۳) رخ خواهد داد. اما هنوز این واکنش‌ها به‌طور کامل شناخته نشده‌اند؛ به‌ویژه نقش رس در سنگدانه‌ها روشن نیست. ولی چنین به‌نظر می‌رسد که تقریبا همیشه واکنش‌های منبسط‌کننده با وجود رس مرتبط‌اند. هم‌چنین در سنگدانه‌های منبسط‌شونده، بلورهای دولومیتی وکلسیت، بسیار ریز می‌باشند. یک پیشنهاد آن است که انبساط به‌وسیله جذب رطوبت توسط رس قبلا مرطوب نشده صورت می‌گیرد، تجزیه دولومیتی فقط تا آن اندازه لازم است که دسترسی رطوبت به رس محبوس‌شده در سنگدانه‌ها را میسر سازد. پیشنهاد دیگر آن است که رس، واکنش‌زایی سنگدانه‌ها را افزایش می‌دهد به‌طوری‌که دولومیت و هیدرات سیلیکات کلسیم باعث تولید Mg(OH)۲، ژل سیلیس و کربنات کلسیم همراه با یک افزایش حجم در حدود ۴ درصد می‌شوند.

لازم به تاکید است که فقط بعضی از سنگ‌های آهکی دولومیتی سبب واکنش انبساط‌زا در بتن می‌گردند. هیچ‌گونه آزمایشی ساده‌ای جهت تشخیص این سنگ‌ها توسعه نیافته است؛ در مواردی‌که سنگدانه مشکوک باشد می‌توان از بررسی بافت سنگ یا انبساط سنگ در هیدروکسید سدیم (استاندارد ASTM C586 یا ISIRI 7656) کمک گرفت. اگر انبساط نمونه سنگ در آزمایش ASTM C586 بیش از ۱/۰ درصد گردد (پس از ۲۸ روز قرارگیری در محلول ۱ نرمال سود سوزآور)، تغییر طول بتن ساخته‌شده با سنگدانه مشکوک و نگهداری شده در هوای مرطوب، بر اساس استاندارد ASTM C1105 تعیین می‌گردد، این استاندارد هم‌چنین راهنمایی برای تفسیر نتایج آزمایش ارائه می‌نماید (برای تفسیر نتایج می‌توان به ACI 221.1R نیز مراجعه نمود).

وجه تمایز مشخص بین واکنش‌های قلیایی-سیلیسی و قلیایی-کربناتی آن است که در مورد اخیر قلیایی‌ها مجددا احیا می‌گردند. احتمالا به‌همین دلیل است که مواد پوزولانی شامل دوده سیلیسی در کنترل انبساط قلیایی-کربناتی موثر نمی‌باشند. اما سرباره آهن‌گدازی دان و آسیاب‌شده (سکادا) که نفوذپذیری بتن را کاهش می‌دهد نسبتا موثر است. خوشبختانه سنگ‌های واکنش‌زای کربناتی به‌صورت گسترده یافت نمی‌شوند و معمولا می‌توان از آن‌ها اجتناب ورزید.

آزمایش‌های واکنش‌زایی سنگدانه‌ها

مطالب فوق نشان می‌دهد که چرا با این‌که روشن است بعضی از انواع سنگدانه‌ها تمایل به واکنش‌زایی دارند و وجود آن‌ها را می‌توان با آزمایش سنگ‌نگاری (یا پتروگرافی مطابق ASTM C295، EN 932-3 و ISIRI 13552) تایید نمود، روش ساده‌ای برای مشخص نمودن آن‌که یک سنگدانه معین می‌تواند انبساط بیش از حدی را در اثر واکنش با قلیایی‌های موجود در سیمان ایجاد نماید، وجود ندارد. عموما باید به سوابق عملکرد سنگدانه‌ها اتکا نمود، اما سنگدانه‌های مضر حتی تا مقدار کم ۵/۰ درصد نیز می‌توانند باعث ایجاد خسارت گردند. چنان‌چه هیچ‌گونه سابقه‌ای در دست نباشد امکان دارد که فقط استعداد واکنش‌زایی سنگدانه‌ها را تعیین نمود، اما نمی‌توان ثابت نمود که واکنش قطعا رخ خواهد داد یا خیر. آزمایش شیمیایی سریعی در استاندارد ASTM C289 توصیه شده است که در آن کاهش قلیاییت محلول نرمالی از NaOH که در تماس با پودر سنگدانه‌ها، در دمای °C۸۰ قرار گرفته تعیین می‌شود و سپس مقدار سیلیس حل‌شده را می‌سنجند. در بسیاری از موارد نحوه تفسیر نتایج روشن نیست اما به‌طور کلی اگر نتایج ترسیم شده در سمت راست خط مرزی شکل زیر قرار گیرند معرف وجود استعداد ایجاد واکنش زیان‌آور خواهد بود. به هر حال، سنگدانه‌هایی که مستعد ایجاد واکنش‌های زیان‌آور می‌باشند و در بالای خط نقطه‌چین قرار می‌گیرند، می‌توانند شدیدا با قلیایی‌ها واکنش نشان دهند، به‌طوری‌که انبساط نسبتا زیادی نتیجه شود. بنابراین لازم است آزمایش‌های بیشتری بر روی این نوع سنگدانه‌ها انجام گیرد تا تعیین گردد که آیا در آزمایش منشور ملات توصیف شده در زیر، واکنش زیان‌آور نشان می‌دهند یا خیر. این آزمایش در رابطه با سبکدانه‌ها از ارزش زیادی برخوردار نیست. این روش در سال ۲۰۱۶ باطل اعلام شد.

در آزمایش منشور ملات که روش فیزیکی تعیین واکنش‌زایی سنگدانه‌ها می‌باشد و در استاندارد ASTM C227 تجویز شده است، سنگدانه‌های مشکوک (که در صورت لزوم خرد می‌شوند و به دانه‌بندی توصیه شده در می‌آیند) را برای ساخت منشورهای ملات ماسه-سیمان ویژه‌ای به‌کار می‌برند، قلیایی معادل سیمان مصرفی آن بیش از ۶/۰ درصد و ترجیحا بیش از ۸/۰ درصد باشد. منشورها را در بالای سطح آبی که دمای آن °C۳۸ است نگاه می‌دارند زیرا در این دما انبساط سریع‌تر رخ می‌دهد و معمولا مقدار آن بیشتر از انبساط در دماهای زیادتر و یا کمتر خواهد بود.

هم‌چنین با به‌کار بردن نسبت آب به سیمان نسبتا زیاد، این واکنش شدت داده می‌شود. سنگدانه‌های مورد آزمایش به‌شرطی مضر تشخیص داده می‌شوند که پس از ۶ ماه بیش از ۱/۰ درصد و یا پس از ۳ ماه (چنان‌چه نتایج ۶ ماهه در دسترس نباشد) بیش از ۰۵/۰ درصد  انبساط حاصل نماید.

آزمایش منشور ملات استاندارد ASTM C227 رابطه خیلی نزدیکی با تجربیات کارگاهی نشان داده است اما زمان قابل ملاحظه‌ای لازم است تا بتوان به‌طور قطعی درباره سنگدانه‌های معین قضاوت نمود. در مورد سنگدانه‌های حاوی کوارتز ممکن است زمان آزمایش تا یک‌سال به‌طول انجامد. از طرف دیگر، همان‌طور که قبلا ذکر شد، نتایج آزمایش‌های شیمیایی که سریع می‌باشند اغلب قاطعیت ندارد. این روش در سال ۲۰۱۸ باطل اعلام شده است.

به‌همین‌صورت، با این‌که آزمایش‌های سنگ‌نگاری ابزار مفیدی جهت تشخیص کانی‌های تشکیل‌دهنده سنگدانه‌ها می‌باشند، اما با این آزمایش‌ها نمی‌توان تعیین نمود که یک کانی خاص باعث ایجاد انبساط‌های مخرب می‌گردد یا خیر. روش‌های آزمایش تسریع‌شده مختلفی پی‌در‌پی توسعه می‌یابند اما این آزمایش‌ها اغلب از دمای زیاد استفاده می‌نمایند (تا °C۸۰) که باعث مختل‌شدن رفتار سنگدانه‌ها می‌شود. امروزه از آزمایش‌های ASTM C1260 و یا ASTM C1293 استفاده می‌شود و اعتبار بیشتری دارد.

کمبود نتایج آزمایشگاهی که با رفتار کارگاهی بتن حاوی همان مصالح رابطه داشته باشد، محسوس است. دلیل احتمالی این امر زمان طولانی لازم برای بروز اثرات واکنش قلیایی-سیلیسی در مدت بهره‌برداری می‌باشد. نتیجه می‌شود که روش‌های آزمایش جدید را نمی‌توان با عجله، معتبر شناخت و هنوز لازم است یک آزمایش سریع و قاطع برای واکنش‌زایی سنگدانه‌ها توسعه یابد. در حال‌حاضر بهترین روش به‌کار بردن بیش از یکی از آزمایش‌های موجود می‌باشد.

بحث قبل درباره واکنش‌زایی قلیایی-سنگدانه‌ها به‌منظور حصول اطمینان از ایجاد آگاهی از مشکلات بالقوه برخی سنگدانه‌ها انجام شد. پیامدهای واکنش قلیایی-سنگدانه‌ها در بتن و روش‌های اجتناب از آن در بخش دوام بتن مورد بحث قرار خواهد گرفت. مهم، تشخیص این نکته می‌باشد که خطر واکنش مخرب قلیایی با سنگدانه‌ها را باید در مرحله انتخاب اجزای بتن در نظر داشت.

دیدگاهتان را بنویسید

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