مقاله تحلیلی: ناسازگاری سیمان و افزودنی‌ ها

عملکرد قابل پیش‌بینی بین مصالح بتن، یکی از چالش‌های تولیدکنندگان بتن است. با گسترده‌تر شدن ترکیب مصالح بتن، احتمال عملکرد غیرقابل‌پیش‌بینی افزایش می‌یابد. مخلوط‌های بتنی به دلایل مختلفی پیچیده‌تر از قبل شده‌اند:

• نیاز به ویژگی‌های مهندسی چالش‌برانگیزتر مانند خودتراکم بودن یا مقاومت‌های اولیه بالاتر
• نیاز به کاهش ردپای دی اکسید کربن (CO₂) در سازه ها
• کمبود فزاینده مصالح خاص بتن مانند سنگ‌دانه‌های قابل‌قبول
• استفاده از افزودنی‌ها

هنگام استفاده از افزودنی‌های شیمیایی، تولیدکنندگان بتن باید بدانند که ترکیب مصالح سیمانی و افزودنی‌های خاص ممکن است با نتایج موردنظر، مانند افزایش کافی اسلامپ یا کاهش آب همراه نباشد. نگرانی در رابطه با ناسازگاری بین مصالح بتن باعث ایجاد روش‌هایی برای تشخیص دلیل مشکلات عملکردی مربوط به افزودنی‌ها و همچنین کمک به سازندگان بتن برای پیش‌بینی تغییرات غیرقابل‌انتظار در مشخصات بتن، شد.

مشکل ناسازگاری کلاسیک

افزودنی‌های کاهنده آب کاربرد گسترده‌ای به‌عنوان افزودنی شیمیایی در بتن داشته‌اند و از همین رو تحقیقات زیادی روی مشکلات ناسازگاری آن‌ها انجام شده است. یکی از مشکلات معمول زمانی اتفاق می‌افتد که تولیدکننده، سیمان را تغییر می‌دهد و متوجه می‌شود که مخلوط استاندارد 4000 psi  که طبق استاندارد ASTM C 494 نیاز به افزودنی کاهنده آب (WRA) لینگوسولفوناتی نوع A دارد، سرعت افت اسلامپ بیشتری نسبت به سیمان قبلی دارد.

یک سطل سیمان و یک بطری افزودنی برای ارزیابی مهیا شده بود. سیمان و افزودنی مطابق با مشخصات ASTM بودند. یک نسخه اصلاح شده از آزمایش گیرش اولیه ملات ASTM C359 به‌عنوان روش مناسب ِبررسی افت اسلامپ انتخاب شد، زیرا این آزمایش روشی برای تعیین تمایل سیمان به گیرش آنی و کاذب است. می‌توان روش آزمایش را به‌راحتی برای در نظرگیری افزودنی‌ها اصلاح کرد. برای احتیاط نتایج هر آزمایش باید با دقت تفسیر شود، زیرا نتایج تنها نشان‌دهنده دلایل و راه‌حل‌های احتمالی هستند که ممکن است در ساخت و استفاده واقعی از بتن پیش‌آیند.

فرآیند C359 اصلاح شده نیازمند ساخت یک ملات است که در آن می‌توان افزودنی شیمیایی را با آب اضافه کرد یا بعد از اینکه سیمان و آب با هم مخلوط شدند آن را اضافه کرد. سپس ملات به مدت از قبل تعیین‌شده‌ای مخلوط می‌شود و بعد در یک محفظه مستطیلی به عمق 50 میلی‌متر قرار می‌گیرد. سپس سرعت سخت شدن با استفاده از نفوذسنج اندازه‌گیری می‌شود. بعد از 5 قرائت که در دقایق سه، پنج، هشت و 11 بعد از قالب‌گیری اولیه انجام می‌شود، ملات دوباره مخلوط شده و برای بار دوم در محفظه قرار داده می‌شود و با نفوذسنج آزمایش تکرار می‌گردد. نفوذ 50 نشان‌دهنده ملات بسیار کارا و صفر نشان‌دهنده سخت شدگی کامل است.

در مورد مشکل افت اسلامپ سریع ، چهار ملات زیر با نسبت آب به سیمان 0.3 آماده و آزمایش نفوذ روی آن‌ها انجام شد:

1.  ملات بدون افزودنی
2. ملات با WRA رقیق‌شده در آب
3. ملات با WRA اضافه‌شده یک دقیقه بعد از اختلاط آب و سیمان
4. ملات با WRA اضافه‌شده دو دقیقه بعد از اختلاط آب و سیمان

نمودارهای نفوذ ملات نسبت به زمان برای چهار ملات در شکل 1 نشان داده شده‌اند. ملات اول افت آنی کارایی را بر اساس میزان نفوذ نشان می‌دهد که بیانگر تمایل آن به گیرش کاذب است. بعد از مخلوط کردن دوباره ملات در 11 دقیقه، ملات به سفت شدن ادامه می‌دهد که نشان‌دهنده این است که بتن تولیدشده با این سیمان می‌تواند تمایل به افت اسلامپ داشته باشد.

شکل ۱ – نفوذ (نشان‌دهنده سختی یا گیرش) ملات ها هنگامی که افزودنی کاهنده آب به‌صورت مستقیم به آب یا با کمی تأخیر اضافه‌شده‌اند

برای ملات دوم که افزودنی به آب اضافه‌شده است، نفوذ اولیه تقریباً کمتر است و ملات با سرعت بیشتری نسبت به مخلوط اول سفت می‌شود. این مقایسه بین دو نمونه اول نشان ناسازگاری بین افزودنی و سیمان است. به‌جای اینکه افزودنی کاهنده آب ملاتی با کارایی بیشتر تولید کند، باعث شد ملات با سرعت بیشتری نسبت به ملات اول سفت می‌شود.

در ملات سوم و چهارم، افزودنی به ترتیب با یک و دو دقیقه تأخیر اضافه شد. نفوذ بالاتر در این حالت نشان‌دهنده مشکل سازگاری بین سیمان و افزودنی است.

شیمی

به دلیل فرآیندهای شیمیایی و فیزیکی پیچیده‌ای که هنگام هیدراسیون سیمان اتفاق می‌افتد، دلیل ناسازگاری سیمان و افزودنی را کامل نمی‌توانیم درک کنیم. به نظر می‌رسد یکی از عوامل تشکیل کلسیم آلومینیوم هیدرات (C3A) در دقایق ابتدایی بعد از تماس سیمان و آب باشد. محصول هیدراسیونی که ما می‌خواهیم در مرحله ابتدایی ببینیم یک ماده معدنی به نام اترینگایت است؛ اما اگر مقدار کافی گچ برای کنترل گیرش آنی وجود نداشته باشد، سیمان و آب با هم مخلوط شده و ترکیب نامطلوبِ آلومینات هیدرات به وجود می‌آید. 

آلومینات هیدرات‌ها گرمای زیادی تولید کرده، باعث از دست رفتن سریع کارایی شده و باعث ترکیب برگشت‌ناپذیر بسیاری از مواد شیمیایی موجود در افزودنی‌های بتن می‌شود.

شکل ۲ – دانه سیمان ، نقاط خیلی ریز در سطح سیمان که فاقد گچ هشتند امکان هیدراسیون مستقیم C3A و تشکیل C3A هیدرات را ایجاد می‌کنند.

شکل 2 یکی از راه‌های احتمالی تشکیل آلومینات هیدرات را نشان می‌دهد. هنگام آسیاب کردن کلینکر سیمان با گچ (خط قرمز)، ممکن است نقاط خیلی ریزی از سطح سیمان فاقد گچ باشد. در این محل‌ها فاز آلومینات به‌شدت فعال ممکن است مستقیماً با آب واکنش داده و کلسیم آلومینات هیدرات تشکیل دهد. بخشی از افزودنی کاهنده آب که توسط آلومینات هیدرات جذب نشده است به‌سرعت سیمان را پخش کرده و باعث ایجاد محل‌های فعال بیشتری برای تشکیل کلسیم آلومینیوم هیدرات می‌شود. این فرآیند باعث افت سریع اسلامپ می‌شود؛ بنابراین ملات با افزودنی حل شده در آب می‌تواند کاهش کارایی بیشتری نسبت به مخلوط اول داشته باشد، زیرا تشکیل زودهنگام آلومینات هیدرات در آن ادامه پیدا می‌کند.

راه دیگر برای درک مشکل اضافه کردن افزودنی‌های شیمیایی به آب این است که کاهنده آب برای این سیمان خاص ظاهراً یک عدم تعادل در میزان سولفات موجود برای کنترل واکنشی پذیری C3A ایجاد کرده که باعث می‌شود فاز آلومینات سیمان به‌جای اترینگایت، آلومینات هیدرات تولید کند. آلومینات هیدرات به‌سرعت انواع زیادی از افزودنی‌های شیمیایی را به هم چسبانده و عملکرد آن‌ها را مختل می‌کند. همچنین به‌سرعت یک ساختار در بتن تازه ایجاد می‌شود که باعث افت اسلامپ سریع می‌گردد.

 متغیر بودن اسلامپ

شکل 3 مثالی از عملکرد بسیار متغیر بین سیمان و افزودنی را نشان می‌دهد. یک سازنده بتن پیش‌ساخته، تغییرات اسلامپ زیادی با استفاده از دو روان کننده مختلف، ملامین سولفونات فرمالدهید (SP) و پلی کربوکسیلات (SSP) که به آب اضافه شدند را تجربه کرد. تعدادی از نمونه‌های سیمانی که برای ارزیابی نگه‌داشته شده بودند ، آزمایش شدند. نتایج جریان ملات نشان‌دهنده جریان یکنواخت بدون افزودنی است، اما با اضافه شدن ملامین سولفونات و پلی کربوکسیلات تغییرات قابل‌توجهی در جریان مشاهده شد.

راه‌حل

یک راه‌حل راحت و مؤثر برای حل مشکل ، تأخیر انداختن در اضافه کردن افزودنی تا هنگام اختلاط کامل آب و سیمان است. باوجوداینکه این کار ممکن است همیشه امکان‌پذیر نباشد، اما تأخیر انداختن در اضافه کردن افزودنی می‌توان اثربخشی را بهبود بخشید و باعث بهبود ثبات عملکرد آن شد. بهبود قابل‌توجه ملات هایی که افزودنی با تأخیر به آن‌ها اضافه‌شده بود، در شکل 1 را به خاطر بیاورید. حتی سخت شدن اولیه ملات اول هم باتاخیر 2 دقیقه‌ای در اضافه کردن افزودنی کاهنده آب حذف شد.

شکل ۴ – جریان اسلامپ برحسب زمان اضافه کردن کاهنده آب پلی کربوکسیلات نشان می‌دهد که جریان بعد از 45 ثانیه پایدار می‌شود.

یک مثال خوب دیگر از بهبود کارایی با تأخیر در اضافه کردن پلی کربوکسیلات پلیمر (PCE) مشاهده شد. مقادیر مختلف روان کننده پلی کربوکسیلات به مخلوط خمیر نمونه باسیمان پرتلند با مقاومت اولیه بالا و نسبت آب به سیمان 0.30، با آب و زمان‌های تأخیر متفاوت اضافه شد. نتایج جریان اسلامپ که در شکل 4 نشان داده شده، افزایش جریان خمیر و رسیدن به مقدار ثابت پس از 50 ثانیه را نشان می‌دهد.

 به‌علاوه شیب خط قبل از 50 ثانیه نشان می‌دهد که تغییرات احتمالی در کارایی به مقدار پیشرفت هیدراسیون اولیه سیمان قبل از اضافه شدن افزودنی بستگی دارد.

مزیت‌های تأخیر در اضافه کردن افزودنی را می‌توان به امکان هیدراسیون اولیه سیمان (در غیاب افزودنی) و تشکیل اترینگایت به‌جای کلسیم آلومینات هیدرات ارتباط داد.

منبع

نوشته شده توسط تیم مترجمین موسسه 808

اگر دوست دارید به تیم مترجمین 808 بپیوندید، با ما تماس بگیرید.

دریافت فایل PDF مقاله برای اعضای VIP رایگان است. سایر کاربران با پرداخت ۵۰۰ تومان می توانند اقدام به دریافت این فایل کنند.