در این مقاله می خوانید:
انبساط و ترک خوردگی ای که منجر به کاهش مقاومت ، الاستیسیته ، و دوام بتن می شود ، می توانند به علت واکنش های شیمیایی بین یون های قلیایی ناشی از سیمان پرتلند (یا از منابع دیگر) ، یون های هیدروکسیل ، و بعضی از مواد متشکله سیلیسی ای که ممکن است در سنگدانه ها موجود باشند ، به وجود آیند.
در نوشتار جدید ، از این پدیده بنام واکنش قلیایی – سیلیسی یاد می کنند. بیرون پریدگی و تراوش مایع لزج قلیایی – سیلیکاتی ، از ظواهر دیگر این پدیده می باشد که تشریح آن اولین بار به وسیله استنتون (Stanton) در سال ۱۹۴۰ از بررسی های سازه های بتنی ترک خورده کالیفرنیا ، انتشار یافت.
از آن موقع تاکنون ، موارد متعددی از آسیب دیدگی بتن از جاهای دیگر دنیا گزارش شده اند که نشان می دهد واکنش قلیایی – سیلیسی ، حداقل یکی از علل آسیب دیدگی سازه های واقع در محیط های مرطوب ، مانند: سدها، پایه های پل ها ، و دیوارهای دریایی ، می باشد.
مصالح خام استفاده شده در ساخت سیمان پرتلند ، علت وجود قلیائی ها در سیمان می باشند. مشخصا در محدوده ۰/۲ تا ۱/۵ درصد معادل Na2O ، بسته به مقدار قلیایی سیمان ، PH مایع منفذی در بتن معمولی به طور کلی ۱۲/۵ تا ۱۳/۵ می باشد.
این PH نشان دهنده مایع سوز آور یا با درجه قلیایی بالا است که بعضی از سنگ های اسیدی (یعنی سنگدانه های متشکله از سیلیس و مواد معدنی سیلیسی) در آن در دراز مدت پایدار نمی مانند.
هم داده های آزمایشگاهی و هم داده های کارگاهی به دست آمده از چندین مطالعه انجام شده در ایالات متحده ، نشان می دهند که سیمان های پرتلند دارای بیش از ۰/۶ درصد معادل Na2O ، وقتی که به صورت مخلوط با سنگدانه های قلیایی واکنش زا استفاده شوند، موجب انبساط های زیاد ناشی از واکنش قلیایی سنگدانه ها می شوند. بنابراین ، استاندارد ۱۵۰ ASTM C سیمان های با کمتر از ۰/۶ درصد معادل Na2O را به عنوان با قلیائیت کم و سیمان های با بیشتر از ۰/۶ درصد معادل Na2O را به عنوان با قلیائیت زیاد معرفی می کند.
در عمل ، مقادیر ۰/۶ درصد یا کمتر برای قلیایی سیمان ، معمولا برای جلوگیری از آسیب دیدگی ناشی از واکنش قلیایی سنگدانه ها ، بدون توجه به نوع سنگدانه های واکنش زا ، کافی شناخته شده اند.
در بتن های دارای مقدار سیمان خیلی زیاد ، حتی مقادیر کمتر از ۰/۶ درصد قلیایی در سیمان نیز ممکن است مضر باشد بررسی های انجام شده در آلمان و انگلستان نشان داده اند که اگر مقدار کل قلیایی بتن حاصل از همه منابع کمتر از ۳ کیلوگرم در متر مکعب باشد، احتمالا اسیب دیدگی اتفاق نخواهد افتاد.
همانطور که در زیر بحث شده است ، وجود هم یون هیدروکسیل و هم فلز قلیایی برای بدیده انبساط لازم به نظر می رسد. به علت مقدار زیاد هیدروکسید کلسیم در سیمان های پرتلند هیدراته شده غلظت یون هیدروکسیل در مایع منفذی ، حتی در سیمان های با قلیائیت کم ، در حد بالایی باقی می ماند. بنابراین ، در این صورت پدیده انبساط زایی با ذخیره کم یون های فلز قلیایی محدود خواهد شد مگر اینکه این یون ها به وسیله منبع دیگری مانند مواد افزودنی محتوی قلیاء سنگدانه های آلوده به نمک و نفوذ آب دریا با محلولهای یخ زدای دارای کلرید سدیم به داخل بتن ، فراهم گردند.
در سنگدانه های مستعد واکنش قلیایی ، تمام سیلیکات یا مواد معدنی سیلیسی ، به علاوه سیلیس آبدار (اپال) یا سیلیس بی شکل (آمورف) (أبسیدین، شیشه سیلیسی) ، می توانند با محلولهای قلیایی واکنش انجام دهند ، اگر چه تعداد زیادی از مواد معدنی فقط تا درجه خیلی کمی واکنش انجام می دهند. میزان این واکنش، به زمان، دما، و اندازه ذره بستگی دارد. فلدسپار ها ، بیروکسینها ، آمفیبولها ، میکاها و کوارتز ، که مواد معدنی متشکله گرانیتها ، گنایسها ، شیستها ، ماسه سنگها ، و بازالتها هستند ، جزء مواد معدنی بی ضرر طبقه بندی شده اند. اپال ، شیشه سنگ ، کریستوبالیت ، تری دیمیت کلسدونی ، چرت ، سنگهای آتشفشانی نهان بلورین (آندزیتها و ریولیتها) ، و کوارتز فشرده یا کوارتز دگرگونی ، که به ترتیب کاهش میزان واکنش زایی شان ذکر شدند ، به عنوان مواد مستعد واکنش قلیایی شناخته شده اند. فهرست جامعی از مواد مسبب آسیب دیدگی بتن بر اثر واکنش قلیایی سنگدانه در شکل زیر ارائه شده است. تعداد کمی از موارد واکنش بین قلیایی و سنگهای کربناتی گزارشها و منابع فنی درج شده اند که در اینجا در مورد آنها بحث نمی شود.
بسته به درجه بی نظمی ساختمان سنگدانه و تخلخل و اندازه ذرات آن ، ژلهای قلیایی – سیلیکاتی با ترکیب شیمیایی متغیر در حضور هیدروکسیل و یونهای فلز قلیایی تشکیل می شوند نوع حمله بتن می تواند شامل پلیمریزاسیون زدایی یا شکستن ساختمان سیلیسی سنگدانه توسط یون های هیدروکسیل ، و به دنبال آن جذب یون های فلز قلیایی واقع بر روی سطح محصولات تا وجود آمده حاصل از واکنش ، باشد.
در این جا نیز ، مثل خاکهای دریایی دارای سدیم با پتاسیمی سطح آنها جذب شده اند، وقتی که ژل های سیلیکات قلیایی در تماس با آب قرار می گیرند، بر اثر جذب کردن مقدار زیادی آب از طریق اسمزی، متورم می شوند. فشار هیدرولیکی ای که به این صورت توسعه می یابد ممکن است منجر به انبساط و ترک خوردگی ذرات سنگدانه ای که تحت تأثیر قرار می گیرند، ماتریس خمیر سیمان احاطه کننده سنگدانه ها، و بتن شود.
حلالیت ژلهای سیلیکاتی قلیایی در آب، دلیل تحرک آنها از داخل سنگدانه به نواحی ریز ترکهای موجود در هم داخل سنگدانه و هم داخل بتن ، می باشد. در دسترس بودن پیوسته آب در داخل بتن، باعث بزرگ شدن و توسعه یافتن این ریز ترکها می شود تا آنکه نهایتا به سطح بیرونی بتن برسند. شکل ترک، نامنظم و بی قاعده است و در نتیجه به آن ترک نقشه ای گفته می شود.
بایستی دانست که شواهد دال بر واکنش قلیایی سنگدانه ها در بتن ترک خورده ، لزوما ثابت نمی کند که علت اصلی ترک خوردگی ، این واکنش می باشد. در بین عوامل دیگر ، توسعه تنش های داخلی بستگی به مقدار ، اندازه ، و نوع سنگدانه واکنش زای موجود و ترکیب شیمیایی ژل سیلیکات قلیایی تشکیل شده دارد.
مشاهده گردیده است که وقتی مقدار زیادی از مصالح واکنش زا به صورت ذرات ریز جدا از هم (یعنی کمتراز ۷۵um) باشند ، ممکن است شواهد قابل توجهی از واکنش وجود داشته باشد، ولی انبساطی به اندازه قابل توجه ، رخ ندهد. از طرف دیگر ، خیلی از سوابق مورد مطالعه در مورد انبساط و ترک خوردگی بتن ، که به واکنش قلیایی سنگدانه ها نسبت داده می شوند همراه با وجود ذرات واکنش زای قلیایی ، به اندازه ماسه ، در سنگدانه ، خصوصا در اندازه بین ۱ تا ۵ میلیمتر هستند. توضیحات قانع کننده ای برای این مشاهدات ، به علت فعل و انفعال همزمان چند عامل پیچیده، در دسترس نمی باشد. به هر حال، تمایل به جذب آب کمتر ژلهای قلیایی – سیلیسی با نسبت سیلیس به قلیایی بیشتر ، و آزاد شدن فشار هیدرولیکی در سطح ذره واکنش زا وقتی که اندازه آن خیلی کوچک است ، ممکن است به طور جزیی این مشاهدات را توجیه نماید.
به توجه به گزارش های انتشار یافته در مورد آسیب دیدگی بتن بر اثر واکنش قلیایی سنگدانه ها ، به نظر می رسد که ذخایر سنگدانه های قلیایی واکنش زا ، به طور کاملا گسترده ای در ایالات متحده و کانادا ، استرالیا ، نیوزیلند ، افریقای جنوبی ، دانمارک ، آلمان ، انگلستان و ایسلند ، وجود دارند.
بلنکس و کندی (Blanks & Kennedy) بعضی از موارد اولیه را در ایالات متحده ، تشریح نمودند. طبق گفته مولفین ، آسیب دیدگی ناشی از این امر ، اولین بار در سال ۱۹۲۲ ، یعنی ده سال پس از ساخت نیروگاه هیدرولیکی باک (BUCK) بر روی رودخانه نیوریور (New River) واقع در ایالت ویرجینیا (Virginia) مشاهده گردید. هولین (Holden) در سال ۱۹۳۵ از مطالعات سنگ شناسی بتن نتیجه گیری کرد که انبساط و ترک خوردگی ، ناشی از واکنش شیمیایی بین سیمان و سنگ فیلیت استفاده شده به عنوان سنگدانه، بوده است.
بر اثر واکنش قلیایی سنگدانه ها ، انبساط خطی بیش از ۰/۵ درصد در بتن یافت شده بود. تغییر شکل تاج یک سد قوسی در کالیفرنیا، در بالا دست آن، ۹ سال پس از ساخت آن در سال ۱۹۴۱ ، به میزان حدود ۱۲۷ میلیمتر بود. اندازه گیری های انجام شده بر روی سد پارکر (Parker) (در ایالات کالیفرنیا و آریزونا) نشان دادند که انبساط بتن ، به تدریج از سطح تا عمق ۳ متری افزایش داشت و انبساط خطی تا حدود ۰/۱ درصد نیز یافت گردید.
از آنجا که واکنش های شیمیایی تابعی از دما هستند ، در ابتدا فکر می شد که در کشورهای سردسیر ، مثل دانمارک ، آلمان و انگلستان ، واکنش قلیایی سیلیسی ممکن نیست که مشکل ساز باشد. تجربه بعدی با بعضی از سنگهای قلیایی واکنش زا نشان داده است که این فرض نادرست بوده است.
برای مثال ، در سال ۱۹۷۱ کشف کردند که بتن سد Val – de – La – Mare در انگلستان ، بر اثر واکنش قلیایی – سیلیسی آسیب دیده است. این واکنش احتمالا در نتیجه استفاده از سنگ “دیوریت شکسته شده دارای رگه های سیلیس بی شکل بوده است.
برای حصول اطمینان از ایمنی سد به روش های مفید زیادی احتیاج بود. تا سال ۱۹۸۱ ، شواهد آسیب دیدگی بتن مربوط به واکنش قلیایی – سیلیسی ، در ۲۳ سازه به عمرهای ۶ تا ۱۷ سال ، واقع در اسکاتلند ، میدلندز ، ولز ، و جاهای دیگر جنوب غربی انگلستان یافت شدند.
در بسیاری از این سازه ها بتنی به کار رفته شده بود که در آن از سنگدانه های لایروبی شده از دریایی که در حد مطلوب شکسته شده بودند استفاده گردیده است بود.
از توضیحاتی که در مورد سوابق آسیب دیدگی و مکانیزمهای اساسی انبساط مربوط به واکنش قلیایی سنگدانه ها ، داده شد می توان نتیجه گرفت که مهم ترین عامل های موثر در این پدیده عبارتند از :
هنگامی که سیمان تنها منبع یون های قلیایی بتن باشد و ضمنا به وجود اجزای تشکیل دهنده قلیایی واکنش زا در سنگدانه مشکوک باشیم ، تجربه نشان می دهد که استفاده از سیمان پرتلند قلیایی کم (کمتر از ۰/۶ درصد معادل Na2O) ، بهترین روش محافظت در برابر حمله قلیایی می باشد. اگر قرار است که از ماسه ساحلی یا ماسه و شن لایروبی شده از دریا استفاده شود سنگدانه ها بایستی با آب شیرین شسته شوند تا این اطمینان حاصل شود که مقدار کل قلیایی های ناشی از سیمان و سنگدانه ها ، از ۳ کیلوگرم بر متر مکعب بتن تجاوز نمی کند. در صورتی که سیمان پرتلند با قلیایی کم ، در دسترس نباشد ، برای کاهش مقدار کل قلیائی های بتن می توان مقداری از سیمان با قلیایی زیاد را با مواد افزودنی سیمانی یا پوزولانی ، نظیر روباره آهنگدازی دانه ای شده ، شیشه آتشفشانی (پامیس آسیاب شده) ، رس کلسینه، خاکستر بادی یا دوده سیلیس متراکم جایگزین کرد.
شایان ذکر است که در این جا هم نظیر قلیاهای به خوبی پیوند بافت موجود در بیشتر مواد معدنی فلدسپاری، قلیاهای موجود در سرباره ها و پوزولانها نیز در اسید حل نمی شوند و ضمنا نیز برای انجام واکنش با سنگدانه ها در دسترس نیستند.
استفاده از مواد افزودنی پوزولانی ، علاوه بر کاهش مقدار موثر قلیایی ها ، موجب تشکیل محصولات قلیایی – سیلیکاتی با انبساط کم و نسبت سیلیس به قلیایی بالا می شود. در کشورهایی نظیر ایسلند ، که فقط سنگهای آتشفشانی مستعد واکنش قلیایی در دسترس هستند و مصالح اولیه سیمان به گونه ای است که فقط سیمان پرتلند با قلیایی زیاد تولید می شود ، امروزه تمامی سیمانهای پرتلند با دوده سیلیس تغلیظ شده مخلوط می گردند.
در سنگدانه های با استعداد واکنش زایی ملایم ، یک راه دیگر برای کاهش انبساط بتن ، در صورت اقتصادی بودن ، شیرین کردن سنگدانه های واکنش زا با ۲۵ تا ۳۰ درصد سنگ آهک یا هر سنگدانه غیر واکنش زای دیگر می باشد. در خاتمه ، بایستی یاد آوری شود که برای صورت پذیرفتن انبساط ، دسترسی به رطوبت ، متعاقب یا همزمان با پیشرفت واکنش ، ضروری است. بنابراین ، کنترل امکان دسترسی آب به بتن ، از طریق تعمیر فوری درزهایی که آب را از خود عبور می دهند، به منظور جلوگیری از انبساط های بیش از حد بتن بسیار مطلوب می باشد.