دوام بلند مدت بتن ساخته شده با سیمان های مختلف در شرایط ساحلی

امروزه اکثر سازه های عمرانی را سازه های از جنس فولاد تشکیل می دهند اما استفاده از سازه های بتنی نیز روز به روز در حال افزایش است. با این حال در سازه های از جنس بتن در اثر رعایت نکردن اصول ساخت بتن به منظور دوام بتن پس از گذشت مدت زمان اندکی از بهره برداری ، خوردگی هزینه های هنگفتی بر ساختمان سازه اعمال می کند، که حتی در برخی موارد ساخت مجدد سازه نسبت به ترمیم آن اقتصادی تراست . این قضیه در مورد سازه های در معرض آب دریا بحرانی تراست وعمر مفید سازه های ساحلی جنوب کشورتاییدی بر این امر می باشد .

در این حال بهترین کار انجام تحقیقات لازم برای شناخت عوامل خوردگی و راه های کاهش آن می باشد ، که استفاده از این راهکارها موجب کاهش هزینه های ثانویه جهت ترمیم سازه می گردد . در نتیجه امروزه خوردگی به عنوان عاملی که شدیداً سازه بتنی را تحت تاثیر قرار می دهد بسیار مورد توجه قرار گرفته است .
در این مقاله به بررسی نتایج آزمایشات انجام شده بر روی نمونه های بتنی ۳۰ ساله نگهداری شده در شرایط ساحلی که توسط یک گروه محقق ژاپنی انجام گرفته است ، می پردازیم .

مقدمه
ساخت سازه هایی با دوام زیاد در شرایط ساحلی از عمده ترین معضلات بتن سازی می باشد. اکثر سازه های ساحلی به
علت نفوذ کلرید و خوردگی میلگردهای واقع در بتن آسیب می بینند و ساختارهای میکروسکپی بتن در اثر ایجاد محصولات واکنش هیدراته شدن سیمان و آب دریا که غالباً CO2 محلول در آب و نمکهای منیزیم مانند MgCl2 و MgSo4 می باشند ، آسیب می بینند.
سرعت تخریب بتن به نوع سیمان و نسبت آب به سیمان و چنین عواملی بستگی پیدا می کند.
به منظور قضاوت در مورد اثرانواع مختلف سیمان بر دوام طولانی مدت بتن ، آزمایشاتی بر روی نمونه های ۳۰ ساله که با انواع مختلف سیمان ساخته شده، انجام گرفته است .
در این تحقیق مطالعات گسترده ای روی نمونه های بتنی ۳۰ ساله که در شرایط ساحلی قرار داشته اند انجام شد و انواع سیمانهای پرتلند معمولی (OPC) ، پرتلند با مقاومت اولیه زیاد (HES) ، پرتلند با حرارت کم (MH) ، سیمان سرباره ای نوع B یا (SCB) ، و سیمان آلومیناتی (AL) مورد بررسی قرار گرفت. در مورد آب اختلاط ،اثر انواع اب آشامیدنی و آب دریا بررسی گردید. شرایط محیطی بصورت تمام مستغرق و جزر و مدی مورد آزمایش قرار گرفت.
در این تحقیق مقاومت فشاری بتن، غلظت کلرید موجود در بتن ، میزان خوردگی میلگردها ، ساختار میکروسکپی و کانی شناسی بتن و سطوح چسبندگی ملات - فولاد مورد بررسی قرار گرفته است .
بر پایه این آزمایشات نتیجه می شود که انتخاب نوع سیمان تاثیر به سزایی در میزان نفوذ کلرید و خوردگی میلگردهای فولادی داخل بتن دارد. از نتایج این آزمایشات طولانی مدت می توان به منظور مقایسه با تحقیقات آزمایشگاهی کوتاه مدت استفاده کرد.

مواد مصرفی و نسبت اختلاطدر ساخت نمونه ها انواع سیمانهای پرتلند معمولی (OPC) ، پرتلند با مقاومت اولیه زیاد (HES) ، پرتلند با حرارت کم (MH) ، سیمان سرباره ای نوع B (SCB) و (SCB) اضافه گردید. ترکیبات سیمانها در جدول شماره ۱ آورده شده است. برای سنگدانه از شن شکسته و ماسه رودخانه ای به ترتیب به عنوان درشت دانه و ریز دانه استفاده شده و بزرگترین اندازه سنگدانه برابر ۲۵ میلیمتر بود. از میلگردهای فولادی با قطر ۹ میلیمتر برای مسلح کردن نمونه ها استفاده گردید.
نسبت اختلاط بتن در جدول شماره ۲ نشان داده شده است. عیار سیمان در همه نمونه ها ثابت و برابر kg/m³ 290 بود.
OPC-T به معنی نمونه ساخته شده با سیمان پرتلند معمولی (OPC) میباشد که آب اختلاط آن آب آشامیدنی است و OPC-S به معنی نمونه ای است که با (OPC) ساخته شده و آب اختلاط آن آب دریا می باشد.

جدول شماره 1 – ترکیبات فیزیکی و شیمیایی سیمانها

جدول شماره 2- نسبتهای اختلاط بتن

ابعاد نمونه ها و شرایط نگهدارینمونه های بتنی بصورت استوانه ای به قطر ۱۵۰ میلیمتر و ارتفاع ۳۰۰ میلیمتر ساخته شدند.در هر نمونه مسلح سه عدد میلگرد به قطر ۹ میلیمتر و طول ۱۸۰ میلیمتر با پوشش هایی به ضخامتهای ۴۰،۲۰ و ۷۰ میلیمتر در بتن قرار داده شد (شکل شماره ۱) . پس از قالب گیری تمام نمونه ها در یک اتاق با دما و رطوبت ثابت نگهداری شدند. پس از یک روزقالب ها برداشته شده و نمونه ها به داخل تانک آب استاندارد (حرارت 21 درجه) منتقل شدند. نمونه های (HES) به مدت سه روز و سایر نمونه ها به مدت ۶ روز عمل آوری شدند. همه نمونه ها پس از عمل آوری به شرایط محیطی ساحلی منتقل شدند. نمونه های بتن غیر مسلح (OPC) ، (MH) و (SCB) برای برآورد مقاومت فشاری ۲۸ روزه مورد آزمایش قرار گرفتند. سایر نمونه ها تا پایان ۳۰ سال در شرایط محیطی مستغرق و جزر و مدی قرار گرفتند. ارتفاع آب و محل قرار گیری نمونه ها در حوضچه جزر و مد در شکل ۲ نشان داده شده است. در حالت مستغرق نمونه ها در حدود ۰,۶ متر زیر سطح آب قرار داشتند. نمونه های جزر و مدی در معرض سیکل های ۵ ساعت مرطوب و ۷ ساعت خشک قرار گرفتند. آب دریا بصورت اتوماتیک مستقیماً از دریا به داخل حوضچه پمپ شده و با وقفه منظم از حوضچه به دریا خالی می شد.

شکل 1 - شکل و ابعاد نمونه ها

شکل 2- تغییرات سطح آب در حوضچه جزر و مد و محل قرارگیری نمونه ها

نتایج آزمایش ها و بررسی آن
عمق کربناسیون
بیشترین عمق کربناسیون برای نمونه های سیمانی (HES) ، (OPC)و (MH) بدست آمده که برابر ۵ میلیمتر بود . برای نمونه (SCB) این عمق حدوداً برابر ۲ میلیمتر و برای نمونه (AL) بسیار ناچیز بود. با توجه به اینکه کمترین عمق پوشش روی میلگرد ها ۲۰ میلیمتر بوده است بنابراین نمونه ها تنها در معرض خوردگی ناشی از نفوذ کلرید قرار داشته اند.

مقاومت فشاری
مقاومت های فشاری بتن در سن ۲۸ روزه یا کمتر در جدول شماره ۳ آورده شده است. بدون درنظر گرفتن نوع سیمان ، استفاده از آب دریا باعث بالا رفتن مقاومت های اولیه می گردد (بغیر از سیمان آلومیناتی). با نادیده گرفتن نوع سیمان مقاومت بتن واقع در شرایط ساحلی تا سن ۵ سالگی افزایش می یابد و بعد از این سن شروع به کاهش یافتن می کند بطوریکه در سن ۲۰ سالگی مقاومت آن به مقاومت ۲۸ روزه و یا کمتر از آن میرسد. AL-S در سن ۲0 سالگی و شرایط ساحلی در مقایسه با سایر سیمان ها بیشترین مقاومت فشاری را از خود نشان داد که نسبت به AL-T 20 % بیشتر بود. این امر نشان می دهد که سیمان آلومیناتی مخلوط شده با آب دریا عملکرد بهتری در مقاومت دراز مدت داراست.
سولفات باعث کاهش ناچیزی در مقاومت های فشاری اولیه می شود ، اما تاثیر آن در کاهش مقاومت سنین بالاتر بسیار محسوس می باشد. کمترین مقاومت فشاری برای نمونه آلومیناتی بدست آمد ، که با توجه به بزرگی حجم حفرات ایجاد شده در نمونه های ساخته شده با سیمان آلومیناتی مخصوصاً در قسمت های داخلی، قابل توجیه می باشد. حفرات ریز موجود در قسمت های داخلی ناشی از تغییر فاز محصول هیدراسیون از CAH10 و C3AH6 در سیمان آلومیناتی مخلوط با آب آشامیدنی می باشد که در مورد آب دریا این تغییر فاز دیده نمی شود. تغییر فاز محصول هیدراسیون مقدار کمی آب آزاد می کند که باعث ایجاد فضاهای خالی می گردد. نفوذ یونهای سولفات و منیزیم به داخل نمونه ها مخصوصاً نمونه های ساخته شده با (SCB) و (AL) فقط به بخش نازک و سطحی نمونه ها محدود می شود. این نتایج نشان می دهد که ساختار میکروسکوپی بتن در طولانی مدت تحت شرایط نرمال آب دریا قادر است سالم باقی بماند.

جدول شماره 3 – مقاومت های سنین اولیه و ۳۰ ساله

نفوذ کلریدغلظت محلول کلرید برای حالت های مخلوط شده با آب آشامیدنی در شکل شماره ۳ نشان داده شده است . الگوی نفوذ کلرید برای (HES) ، (OPC) و (MH) تقریباً شبیه هم می باشد نفوذ کلرید در نمونه از (SCB) از (HES) ، (OPC) و (MH) کمتر است . برای (AL) نفوذ کلرید کمترین مقدار است . در مورد(MH) ، (HES) ، (OPC)و همچنین (SCB) غلظت کلرید در فاصله کمی از قسمت سطحی مشاهده می شود . برای (AL) بیشترین غلظت کلرید درقسمت سطحی مشاهده شده و با افزایش عمق مرتباً کاهش می یابد. برای نمونه های ساخته شده با محتوی سولفات بیشتر، نفوذ کلرید نسبتاً کمتری مشاهده شده است . با مطالعه ساختار میکروسکپی دیده می شود که در مورد (SCB) و (AL) قسمت بیرونی نمونه ها پس از سی سال چگالتر گردیده است و بهبود ناچیزی برای نمونه های(MH) ، (HES) ، (OPC) مشاهده می شود. به نظر میرسد چگالتر بودن ساختار (SCB) و (AL) باعث بلوکه شدن کلرید در ناحیه خارجی باشد که به بهبود ساختار میکروسکپی بتن کمک می کند غلظت محلول کلرید برای حالت های مخلوط شده با آب دریا در شکل شماره ۴ نشان داده شده است. این نتایج برای بتن مخلوط شده با آب آشامیدنی نیز قابل تعمیم می باشد. صرفنظر از نوع نمونه ها سطح کلرید در ناحیه داخلی (حتی ۷۰ میلیمتری پوشش بتن) از حد مجاز کلرید تعریف شده که ۰,۴ % مقدار سیمان می باشد ، تجاوز میکند. این بیانگر آن است که امکان خوردگی میلگردهای فولادی در تمامی نمونه ها زیاد می باشد. امکان حتمی خوردگی برای حالتهای(MH) ، (HES) ، (OPC) با صرفنظر از عمق پوشش وجود دارد ، این بدین معنی است که با استفاده از این سیمانها نمی توان نفوذ کلرید را محدود کرد تا مانع از خوردگی میلگردهای فولادی داخل بتن در یک دوره ۳۰ ساله یا کمتر شد.بر پایه نتایج اشاره شده در بالا نفوذ کلرید در نمونه های بتنی به ترتیب عبارت است از:

(OPC),(HES),(MH)>(SCB)>(AL)

شکل 3 – غلظت کلرید محلول درنمونه های با آب اختلاط آشامیدنی

شکل 4 – غلظت کلرید محلول در نمونه های با آب اختلاط دریا

برآورد فیزیکی خوردگیمساحت خوردگی روی میلگرد های فولادی با عمق پوشش مختلف در شکل شماره ۵ نشان داده شده است. کمترین مساحت خوردگی برای (SCB) مشاهده می شود. نمونه های واقع در شرایط جذر و مدی مساحت خوردگی نسبتاً بیشتری را نشان می دهد. جالب توجه است که برای (AL) مخلوط شده با آب دریا در مقایسه با (AL) مخلوط شده با آب آشامیدنی مساحت خوردگی خیلی کمتر می با شد. همچنین نواحی خوردگی بیشتری برای نمونه (AL) مخلوط شده با آب آشامیدنی در محیط جذر و مدی دیده می شود. که به خاطر وجود خلل و فرج در سطح تماس بین فولاد- بتن به وجود آمده است و علت آن تغییر فاز محصول هیدراسیون از CAH10 به C3AH6 می باشد . با وجود خلل و فرج در سطح تماس فولاد و بتن نفوذ اندکی کلرید موجب خوردگی میلگرد فولادی می گردد.

شکل 5 - مساحت خوردگی میلگردهای فولادی (شکل بالا حالت مستغرق- شکل پایین حالت جزرومدی)

ساختار میکروسکپی ملات هیدراته شدهحجم خلل و فرج در ناحیه داخلی نمونه های (SCB) و (AL) در مقایسه با ناحیه داخلی کمتر می باشد. برای (OPC) و (HES) مقدار کمی افزایش در خلل و فرج قسمت خارجی نسبت به قسمت داخلی وجود دارد. کاهش خلل و فرج مویینه در ناحیه خارجی برای نمونه های (SCB) و (AL) باعث کاهش نفوذ کلرید در بتن می شود. قابل توجه است که در نمونه (AL) مخلوط شده با آب آشامیدنی در مقایسه با سایر نمونه ها ، در نلحیه داخلی خلل و فرج نسبتا بیشتری دیده می شود.
ساختار میکروسکپی خلل و فرج در ناحیه داخلی نمونه ساخته شده از (AL) مخلوط شده با آب آشامیدنی به خاطر تغییر فاز محصولات هیدراسیون CAH10 به C3AH6 می باشد که در نتیجه آن آب آزاد شده و باعث افزایش خلل و فرج می شود .افزایش ناچیزی در حجم حفرات در قسمت داخلی نمونه AL مخلوط شده با آب دریا مشاهده می شود ، چرا که در نمونه AL مخلوط شده با آب دریا تغییر فاز محصول هیدراسیون از CAH10 به C3AH6 رخ نمی هد. آزمایشات نشان می دهد یونهای سولفات و منیزیم فقط در ناحیه سطحی متمرکز شده اند اما کلرید به سمت ناحیه داخلی پخش شده است. قسمت بیرونی نمونه های سبوده و تخریب زیادی در ملات سخت شده موارد دیگر مشاهده نشد. این نتایج بیانگر است که بطور کلی آب دریا برای ملات سخت شده مضر نمی باشد. حتی به بهبود ساختار میکروسکپی بتن در ناحیه خارجی نمونه ها مخصوصاً برایاخته شده با AL نسبت به سایر نمونه ها خیلی چگالتر نمونه های (SCB) و (AL) کمک می کند.
3-7 سطح تماس ملات – فولادمیکرو گراف های شکل شماره 6 سطح جدا شده بتن از میلگردهای فولادی را برای نمونه های (SCB) ، (AL) و (OPC) نشان می دهد. میکرو گراف های شکل شماره ۷ سطوح جدا شده و ترک خوردگی های عمود بر میلگردهای فولادی را نشان می دهد. بخش بالای خط چین نشان دهنده سطح جدا شده و بخش زیرین آن نشان دهنده نواحی ترک خورده بتن محیط بر میلگردهای فولادی میباشد. بدلیل خاصیت جمع شدگی دانه های سیمان عموماً فضاهای خالی در اطراف میلگردها بوجود می آید. در شکل شماره ۶ دیده می شود که بعد از قرار داشتن طولانی مدت نمونه ها در شرایط ساحلی ، به علت رسوب اترینجیت ، مونوسولفات و سایر نمکها فضاهای خالی به تدریج پر گشته و ناپدید شده اند. همچنین دیده می شود که در مورد AL-S سطح جدا شده بتن محیط بر میلگردهای فولادی نسبت به AL-T چگالتر است و دلیل آن شاید این امر باشد که در محصولات واکنش هیدراسیون با آب دریا تغییر فاز از CAH10 به C3AH6 وجود ندارد. با انجام این آزمایشات دیده شد که فضاهای خالی کوچک پس از ۳۰ سال قرار گرفتن نمونه در شرایط ساحلی بصورت ناچیزی ترمیم شده است و نتایج نشان می دهد که با قرار گیری طولانی مدت نمونه ها در معرض آب دریا بتن در سطح تماس بتن- فولاد بهبود یافته است.

شکل 6- سطح جدا شده بتن از میلگرد های فولادی

شکل 7- سطح تماس بتن – فولاد

نتیجه گیریبا انجام آزمایشات روی نمونه های بتنی ۳۰ ساله که با انواع مختلف سیمانهای پرتلند معمولی (OPC) ، پرتلند با مقاومت اولیه زیاد (HES) ، پرتلند با حرارت کم (MH) ، سرباره ای نوع B (SCB) و سیمان آلومیناتی (AL) ساخته شده اند ، نتایج زیر بدست آمده است:
1- ازنظر نفوذ کلرید در بتن: (OPC),(HES),(MH)>(SCB)>(AL) می باشد.
2- برای بتن با آب آشامیدنی میزان خوردگی میلگردهای فولادی به ترتیب زیر می باشد:
(OPC),(HES),(MH),(AL)>(SCB)
ولی AL مخلوط با آب دریا کمترین میزان خوردگی میلگرد را از خود نشان داده است.
3- AL مخلوط با آب دریا جلوی تغییر فازمحصول هیدراسیون CAH10 به C3AH6 را می گیردو تحت شرایط خاص می توان برای اختلاط با آب دریا ، سیمان آلومیناتی را پیشنهاد داد.
4- گرفتن نمونه در شرایط ساحلی بصورت ناچیزی ترمیم شده است و نتایج نشان می دهد که با قرار گیری طولانی مدت نمونه ها در معرض آب دریا بتن در سطح تماس بتن- فولاد بهبود یافته است.
5- فضاهای کوچک موجود در سطح تماس بتن و فولاد به علت رسوب اترینجیت ، مونوسولفات و ... پس از ۳۰ سال التیام ناچیزی داشته است.
6- در شرایط عادی آب دریا برای ملات سخت شده مضر نمی باشد.

منابعبتن شناسی (خواص بتن )- تالیف پروفسور نویل - ترجمه دکتر هرمز فامیلی
رمضانیانپور- دکتر علی اکبر - دوام بتن با سیمانهای پوزولانی در شرایط آزمایشگاهی مشابه خلیج فارس 1380
سایتهای اینترنتی مختلف از جمله :www.j-act.org ، www.elsevier.com