بتن مقاومت در برابرکلراید ین با مخلوط سه گانه سیمان

بتن مقاومت در برابرکلراید ین با مخلوط سه گانه سیمان – ایران ترجمه – Irantarjomeh

مقالات ترجمه شده آماده گروه راه – ساختمان، معماری، عمران

مقالات ترجمه شده آماده کل گروه های دانشگاهی

مقالات

چگونگی سفارش مقاله

الف – پرداخت وجه بحساب وب سایت ایران ترجمه(شماره حساب)ب- اطلاع جزئیات به ایمیل irantarjomeh@gmail.comشامل: مبلغ پرداختی – شماره فیش / ارجاع و تاریخ پرداخت – مقاله مورد نظر --مقالات آماده سفارش داده شده پس از تایید به ایمیل شما ارسال خواهند شد.

قابلیت بتن جهت مقاومت در برابر کلراید ین با استفاده از مخلوط سه گانه سیمان

چکیده

مقاومت بتن در برابر کلراید ین از اهمیت حیاتی برای ساختارهای بتن مسلح که در برابر شرایط حاد دریایی قرار می گیرند برخوردار می باشد. این مطالعه یکی از احتمالات مرتبط با افزایش مقاومت و پایداری بتن در برابر نفوذ کلراید، با استفاده از سیمان حاوی مخلوط سه گانه، را مورد بررسی قرار می دهد. ترکیبی از سه ماده معدنی در سیمان نظیر سرباره، خاکستر بادی و سنگ آهن که در این مطالعه مورد بررسی قرار می گیرند، این اطمینان را حاصل خواهد نمود که نفوذ کمتر کلراید ین در بتن حاصل خواهد شد. این موضوع نشان داده می شود که میزان نفوذ یا انتشار کلراید ین در بتنی که با استفاده از انواع مختلف ترکیبات سه گانه سیمان تهیه شده است بطور قابل توجهی، در مقایسه با بتن مرجع، کاهش یافته است. بتن آماده شده سیمان همراه با ۵۰ درصد مواد اضافه شده معدنی دارای تراکم بیشتری می باشد و از منافذ یا تخلخل کمتری نیز برخوردار بوده و تقریباً‌ از خواص مکانیکی مشابهی، نظیر خواص تراکمی و تاب خمشی، در مقایسه با بتن مرجع برخوردار می باشد.

بتن مقاومت در برابرکلراید ین با مخلوط سه گانه سیمان

 ۱- مقدمه

تعداد زیادی از سازه های بتن مسلح در سواحل کرواسی وجود دارند که در معرض شرایط بسیار تهاجمی محیط دریایی می باشند. پس از ۲۰ سال بررسی، اغلب سازه های بتن مسلح از صدمات شدیدی در رنج می باشند. موارد صدمه دیدگی که ناشی از کلراید آب دریا است جزء بخشی از سازه‌هایی به شمار می آیند که بطور مستقیم در معرض هجوم آب دریا می باشند و یا آنکه تنها دستخوش تراوش موقتی آب دریا هستند (شکل ۱) (Bjegovic و همکاران، ۲۰۰۵).

از آنجایی که سرمایه گذاری های دولتی همچنان به سمت توسعه زیر ساختارهای ساحلی متمایل می باشند، تحقیقات بیشتری به منظور ارتقای دوام سازه های بتن مسلح در زمینه تأثیر کلراید انجام شده است. استحکام بتن مسلح منوط به نوع و کیفیت سیمان، کیفیت و نسبت اجزای آن، فرآیند ساخت و ساز و شرایطی است که برمبنای آن بتن مورد استفاده قرار می گیرد، بدان معنا که چنین مواردی در تناسب با استحکام موادی خواهند بود که در داخل سازه ها بکار گرفته می‌شوند (Mays 1992، Waalraven 1999).

فاکتور اصلی که بر روی استحکام سازه های بتن مسلح تأثیر می گذارد ریز ساختارهای بتنی است که به منظور تقویت آن بکار گرفته می شود، همانند چسبندگی منافذ در خمیر سیمان و ناحیه انتقال. تخلخل یا پر منفذی بتن و ساختار منافذ آن دارای تأثیر زیادی بر روی قابلیت نفوذ پذیری بتن می‌باشد و خود سبب نفوذ سیالات گردیده و موجب سرعت گرفتن فرآیند خوردگی و صدمه دیدگی به سطح پوشش بتن می شود.

شکل ۱٫ خوردگی اجزای بتن مسلح بواسطه کلراید آب دریا

چالش اصلی در زمینه دانش و مواد مدرن ارتباط ویژگی های میکروسکپی بر مبنای قوانین فیزیکی، و مکانیزم های مرتبط با سطح مزو، میکرو، نانو و حتی سطوح ملوکولی می باشد. توسعه ارتباط فاز جامد به عنوان مبنایی برای توسعه خواص مکانیکی مد نظر می باشد، در حالیکه تشکیل ساختار متخلل به عنوان مبنایی برای ویژگی های انتقال بعدی به شمار خواهد آمد (Scrivener & Pratt 1987، Martys & Ferraris 1997) . بنابراین ویژگی های انتقالی را می‌توان به عنوان موردی جهت ارزیابی ارتقای خواص میکرو ساختار یا ریز ساختار بتن، حاوی سیمان ترکیبی، به کار گرفت که بر اساس موارد ذیل می‌باشد:

• جایگزینی سیمان پرتلند با ترکیبات معدنی.

• تغییر نوع و مقدار مواد اضافه شده معدنی همراه با تأثیر احتمالی بر روی خواص انتقالی.

• توسعه معیارهایی برای ساختارهای متخلخل.

این مقاله بر روی تأثیر مواد اضافه شده معدنی در بتن از طریق استفاده از سیمان دارای ترکیب سه گانه، در زمینه نفوذ کلراید و خواص آن و در نهایت در مبحث استحکام سازه ای کلی، تأکید دارد.

بتن مقاومت در برابرکلراید ین با مخلوط سه گانه سیمان

۲- تأثیر سیمان

استحکام سازه بتنی در یک محیط غیر تهاجمی بواسطه فرآیند هیدراسیون افزایش می یابد. با این وجود، در صورتی که چنین سازه ای در معرض شرایط حاد آب و هوایی قرار گیرد استحکام آن کاهش خواهد یافت.

به طور اساسی دو عامل تأثیر گذار بر روی خوردگی بتن وجود دارد: نوع محصول هیدراسیون و ساختار ماتریس سیمان که در طی دوره فرآیند هیدراسیون تشکیل می شود. در خلال گذشت زمان ممکن است با تجزیه شیمیایی همراه با برآمدگی ساختار خمیر سیمان روبرو شویم که خود سبب افزایش تخلخل و در نتیجه نفوذ می شود. غالباً محصولات جدیدی در مبحث واکنشهای شیمیایی ساخته می شوند که سبب خرد شدگی بتن، کاهش مقدار PH و کاهش در میزان محافظت تقویتی آن می گردد. در نتیجه، شاهد کاهشی در استحکام بتن و همچنین تغییرات بنیادین در حجم آن خواهیم بود (Hewlett 1998، Devillers و همکاران ۲۰۰۶).

منوط به مکانیزم تخریب و تغییرات متعارف اصلی در بتن، تأثیر سیمان بر روی خوردگی بتن را می‌توان به فرآیند های ذیل تقسیم نمود:

• تجزیه محصولات هیدراسیون

• تغییر شکل اجزای جامد

• بادکردگی فاز جامد.

 تجزیه محصولات هیدراسیون و تغییر شکل اجزای جامد به عنوان عوامل تأثیر گذار بر روی خوردگی بتن در نتیجه تجزیه Ca(OH)₂ می باشد که بوسیله هیدراسیون C₃S همانگونه که در معادله ۱ تشریح شده است شکل می پذیرد (Hewlett 1998).

به هنگامی که Ca(OH)₂ تجزیه می‌شود، افزایش نفوذ و ضعیف شدگی ساختار بتن رخ خواهد داد. با عملکرد گاز اسید کربنیک، سولفور (گوگرد) و یا هیدروکلروراید اسید همراه با  Ca(OH)₂ آنها تبدیل به نمک شده که بوسیله معادله ۲ تشریح شده است (Chen 1995).

فولاد مسلح در بتن تحت محافظت محیط قلیایی می باشد که بوسیله هیدراسیون مواد معدنی سیلیسی از سیمان پرتلند شکل می گیرد. در طی آن فرآیند Ca(OH)₂ آزاد شده که در اولین مرحله تشکیل دهنده فیلم یا لایه اکسید در اطراف میله فولادی خواهد بود و از آن در برابر خوردگی متعاقب محافظت می نماید. این محافظت تا زمانی طول می کشد که محیط قلیایی باشد. با این وجود، محیط تهاجمی شیمیایی Ca(OH)₂ در نهایت به انتها رسیده و به هنگامیکه چنین فرآیندی به سطح موارد تقویت شده رسید، کار خوردگی آغاز خواهد شد (Chen 1995). بنابراین استحکام بتن مسلح منوط به احتمال نفوذ عامل های مهاجم به داخل بتن می باشد که ممکن است از طریق جذب، نفوذ و جریان سیال تحت فشار به داخل ساختار خمیر سیمان نفوذ نمایند. فرآیندهای انتقال سیال وابسته به آرایه متخلل و میزان آب در داخل آنها خواهد بود. مهمترین منافذ در داخل ماتریس سیمان و در ناحیه انتقالی، مثل ناحیه تماس خمیر سیمان در امتداد با سنگدانه ها خرد شده، قرار دارند (Scrivener & Pratt 1987).

نفوذ کلراید ها در داخل بتن به عنوان عامل متوالی خوردگی فولاد مسلح به شمار می آید. به هنگامی که غلظت کلراید ین در سطح مواد تقویتی به یک حد بحرانی رسید ( مقدار آستانه)، لایه محافظتی تخریب شده و احتمالا فرآیند خوردگی آغاز می‌گردد. این آستانه منوط به چندین پارامتر می باشد. با این وجود پتانسیل الکترو شیمیایی این مواد، که مرتبط با میزان اکسیژنی است که می‌تواند به سطح فولاد برسد از تأثیر عمده ای برخوردار است. سطوح نسبتاً ‌اندک کلراید جهت آغاز خوردگی در ساختارهایی که در معرض اتمسفر/ جوی قرار دارند که در آن اکسیژن به آسانی می‌تواند به مواد تقویت شده و مسلح برسد به اندازه کافی مؤثر خواهد بود، همانند بتن منفذ دار. حضور کلراید ین تشکیل دهنده کلراید آهنی را داده که در واکنش با اکسیژن و آب سبب تشکیل Fe(OH)₂ می شود، کلراید ین های و هیدروژن آزاد، که خود سبب تخریب لایه غیر فعال بر روی سطح فولاد شده و موجب خوردگی بین نواحی آنودی و کاتودی سطح فولاد می شوند (Bertolini  و همکاران، ۲۰۰۴). این مورد به شرح ذیل تشریح شده است :

نوع سیمان از تأثیر قابل ملاحظه ای بر روی مقاومت بتن در برابر نفوذ کلراید ین برخوردار می‌باشد. نقش ترکیب معدنی در ارتقای استحکام بتن با توجه به ویژگی های خاص و تأثیرات آن تشریح شده است که بطور کلی بوسیله واکنش پوزولانی توصیف می شود (خاکستر بادی، فوم سلیکا و سرباره کوره ذوب آهن) وحجم پر شدگی منافذ (فوم سلیکا یا همان نرمه سیلیس و فیلر سنگ آهن). هیدراسیون سیمان پرتلند همراه با مواد اضافه شده معدنی را می توان به سادگی به شرح ذیل تشریح نمود:

سیمان پرتلند معمولی در ناحیه انتقال (منطقه تماس سنگ دانه و سنگ سیمان) بوسیله محتوای بلور آهک که سبب افزایش تخلخل می گردد، افزایش می یابد. در مورد سیمان مخلوط، میزان مشارکت ترکیبات معدنی  به دو روش حاصل می شود (Sarkar، Ghosh 1993)، از طریق واکنش پوزولانی با تخریب آهک و از طریق پرشدگی حجم منافذ.

بتن مقاومت در برابرکلراید ین با مخلوط سه گانه سیمان

 ۳- آزمایش و نتایج تجربی

برای آزمایش تجربی ۳ نوع از ترکیب سیمان مورد استفاده قرار گرفت. یکی از این انواع تنها با استفاده از کلینکر سیمان تهیه شد و دو نوع دیگر با استفاده از ترکیبات ۳ گانه سیمان همراه با ۳۰ و۵۰ درصد مواد اضافه شده معدنی نظیر سرباره، خاکستر بادی و سنگ آهن مهیا گردیدند. ترکیبات مواد شیمیایی استفاده شده در جدول ۱ نشان داده شده اند و منحنی های دانه سنجی سنگ دانه‌ها نیز در شکل۲ نشان داده شده اند.

آزمایشات تجربی بر روی این ۳ نوع از بتن انجام شدند که به شرح ذیل می باشند:

1. RC = بتن مرجع

2. C1 بتن، همراه با ترکیب ۳ گانه سیمان با ۳۵ درصد مواد معدنی اضافه شده.

3. C2 بتن، همراه با ترکیبات ۳ گانه سیمان با ۵۰ درصد مواد معدنی اضافه شده.

اولین بتن با سیمان مرجع – سیمان پرتلند معمولی ساخته شد و تحت عنوان  RC مشخص گردید. بتن دوم با استفاده از کاربرد سیمان ترکیبی ۳ گانه که شامل ۶۵ درصد از سیمان مرجع، ۲۰درصد سرباره، ۱۰درصد خاکستر بادی و ۵۰ درصد سنگ آهن می باشند تولید شده و تحت عنوان C1 مشخص شد. سومین بتن با ۵۰ درصد سیمان مرجع،۲۰ درصد سرباره، ۲۰ درصد خاکستر بادی و ۱۰ درصد سنگ آهن ساخته شد و تحت عنوان C2  مشخص گردید. ترکیب بتن کلیه این موارد در جدول ۲ نشان داده شده است.

آزمایش نفوذ کلراید بر مبنای استاندارد ASTM C 1202:1997  و با استفاده از ادوات PROVE آلمانی انجام گردید که در شکل ۳ مشخص شده است. این روش معرف آزمایش لابراتور رسانایی الکتریکی نمونه مواد می باشد تا بدین ترتیتب قابلیت تشخیص سریع مقاومت در برابر نفوذ کلراید ین مشخص شود. نمونه های برای تعیین نفوذ کلراید شامل استوانه های Ø۱۰۰ mm می باشند که در ابتدا از قطعات معکبی مته شده و به بلندای ۵۰ میلیمتر بریده شدند. ۳ نمونه از هر ترکیب بتن مورد آزمایش قرارگرفت و نتایج در جدول ۳ مشخص شده اند.

بتن هایی که در آن ترکیب معدنی استفاده شده اند دارای محتوای هوای کمتری در بتن تازه و میزان قابلیت کمتری در زمینه مقاومت در برابر کلراید ین بوده اند که این آزمایش در تناسب افزایش مقدار مواد معدنی ترکیبی انجام گردید که نتایج آن در شکل ۴ نشان داده شده است.

استحکام سازه بتنی بطور اولیه منوط به تأثیرات محیطی می باشد، یعنی نفوذ مواد خورنده در اجزای ساختاری از طریق محیط. فرآیند های جذب، جریان مواد به داخل بتن بر حسب سیستم منفذی (اندازه و رسانایی منافذ) و کیفیت آب در این منافذ متفاوت می باشند. از شکل ۴ این موضوع مشخص می‌گردد که با توجه به افزایش مواد اضافه شده معدنی به ترکیب مخلوط ۳ گانه سیمان، نفوذ کلراید به داخل بتن به میزان قابل توجهی کاهش می یابد که تأثیری را بر روی استحکام افزایش یافته سازه بتن مسلح خواهد داشت. از طریق افزایش محتوای ترکیبی مواد معدنی در سیمان، مقدار کلینکر در یک متر مکعب بتن کاهش خواهد یافت، که به میزان قابل توجهی در تولید سیمان نظر به کارایی بهتر اقتصادی و توسعه پایدار موثر خواهد بود. بر این مبنا پارامترهای ذیل قابل توجه هستند.

• مصرف منابع طبیعی و سوخت فسیلی کاهش می یابد.

• نشر CO₂ کاهش می یابد (Roskovic 2007، Roskovic & Bjegovic 2005، Bjegovic و همکاران ۲۰۰۴).

بتن مقاومت در برابرکلراید ین با مخلوط سه گانه سیمان

 ۴- نتیجه گیری

از طریق اضافه نمودن سرباره و پوزولان، با توجه به واکنش پوزولانی، مقدار Ca(OH)₂ کاهش خواهد یافت. کاهش درمقدار Ca(OH)₂ سبب فعال شدن واکنش با کلراید از طریق محیط تهاجمی شده و از تشکیل ژل C-S-H جلوگیری می نماید. از طریق استفاده از فیلر سنگ آهن ظریف یک تأثیر توام با کاهش بیشتر منافذ حاصل خواهد شد (Roy و همکاران ۱۹۹۲).

نتایج تحقیقاتی که در این مطالعه ارائه شده اند معرف آن هستند که با استفاده از ترکیبات معدنی به سیمان، موارد ذیل حاصل خواهند شد:

• کاهش در مقدار منافذ،

• کاهش نفوذ کلراید ین با استفاده از مخلوط سه گانه سیمان.

تعدادی از تحقیقات قبلی به احتمال افزایش پایداری بتن در برابر نفوذ سیال از طریق اضافه نمودن ترکیبات معدنی به سیمان اشاره داشته اند.  این تحقیق بر روی مخلوط سه گانه سیمان، با توجه به اهداف خود جهت ارتقای خواص کلی بتن و از طریق اعمال و بکارگیری دیگر مواد شیمیایی و معدنی اضافه شده، همچنان به روند خود ادامه خواهد داد.