مشخصات فیزیکی و شیمیایی ترکیبات سیمانی

ارائه اطلاعاتی درباره ی جنبه هایی از مشخصات داخلی بتن می باشد که به دوام بتن مربوط می شود. مشخصات شیمیایی و فیزیکی مربوطه بخصوص آنهایی که شامل محلول های حفره ای و ساختارهای حفره ای می باشند، به طور نسبتا دقیق مورد بحث قرار می گیرند، چرا که این مشخصات به میزان قابل ملاحظه ای بر اغلب جنبه های دوام اثرگذار می باشند.
بتن یک ماده مهندسی غیرعادی می باشد. برخلاف اغلب مواد مهندسی، اجزاء این ماده توسط یک چسباننده متخلخل کنار یکدیگر نگهداشته شده اند که این ماده چسباننده مخلوطی از ذرات جامد و حفرات بوده و «خمیر سیمانی هیدراته» نامیده می شود. ماده چسباننده، فاز پیوسته موجود در ترکیب سیمانی می باشد و بنابراین متخلخل بودن آن از نظر حرکت آب و مواد شیمیایی به داخل یا خارج بتن، دارای اهمیت می باشد. این مشخصه ای است که ارتباط تنگاتنگی با دوام بتن در حال بهره برداری دارد.
یکی دیگر از مشخصاتی که بتن را از دیگر مواد مهندسی متمایز می سازد، آبدار بودن طبیعی (ذاتی) آن می باشد. یعنی بجز سیمان هیدراته نشده باقیمانده، از ترکیباتی ساخته شده است که همگی ذرات جامد هیدراته هستند. این ترکیبات (سیلیکات کلسیم هیدراته با C-S-H، هیدروکسید کلسیم، اترینگایت، مونوسولفات و غیره) در نتیجه واکنش های میان آب و سیمان پرتلند به طور خود به خود در ساختار بتن تولید می شوند. این ترکیبات در یک محیط شیمیایی داخلی ویژه از یک بتن خاص، ته نشین می شوند و حین بهره برداری، در یک تعادل موقتی حداقل با آن محیط داخلی قرار دارند. گاهی در معرض بازآرایی قرار گرفتن ترکیبات هیدراته در صورت تغییر محلی محیط شیمیایی داخلی در اثر شسته شدن، ورود نمک های نامحلول یا دیگر فرایندها، کاملا محسوس و قابل شناسایی نمی باشد. این امر منشا بسیاری از مشکلات نامطلوب مربوط به دوام می باشد.
تمایز دیگری نیز وجود دارد که بتن را از بسیاری مواد مهندسی دیگر جدا می سازد. علاوه بر اینکه چسباننده آبدار متخلخل است، حداقل برخی حفرات نیز شامل محلولی با غلظت بالای هیدروکسید قلیایی می باشند. تحت برخی شرایط محیطی نامتعارف، حفرات موجود در یک سازه بتنی ممکن است از این محلول کاملا اشباع باشند. به طور کلی اینگونه نمی باشد، زیرا حفرات بزرگ تر معمولا خالی هستند، خصوصا آنهایی که در نزدیکی سطوح بتن بوده و در معرض تبخیر قرار گرفته اند و یا حفراتی که در بتن هایی با نسبت آب به سیمان پایین کافی وجود داشته و در معرض خود خشک شدگی قرار دارند. از سوی دیگر، حتی قرارگیری طولانی در معرض شرایط خشک حین بهره برداری، موجب خالی شدن کامل حفرات بسیار ریز از این محلول ها نمی گردد.

مشخصات فیزیکی و شیمیایی ترکیبات بتنی

غلظت های واقعی مواد نامحلول موجود در محلول باقیمانده در حفرات بتن ها ممکن است به میزان قابل ملاحظه ای توسط شسته شدن، خشک شدن جزئی یا ورود یون ها و دیگر مواد محلول از خارج از بتن، تحت تاثیر قرار گیرد.
جزئیات مربوط به ساختارهای حفره ای جامد که معرف و تعیین کننده حفرات موجود در چسباننده در یک بتن مشخص هستند، دارای نقش عمده ای در اغلب مسائل دوام بتن می باشد. از آنجا که مصالح سنگی مورد استفاده در اغلب بتن ها دارای حفرات داخلی مرتبط اندکی هستند، ساختارهای حفره ای تقریبا همیشه کنترل کننده نرخ حرکت آب و یون ها می باشند. در این ارتباط، اغلب اظهار می گردد که نفوذپذیری آب، مهم ترین مشخصه ساختاری حفرات است که پتانسیل دوام یک بتن مشخص را کنترل می نماید. به طور دقیق تر، نفوذپذیری به نرخ انتقال جرمی یک سیال (معمولا آب) به صورت تابعی از بار آبی اعمال شده، اطلاق می گردد. در واقع ممکن است این مطلب در زمینه دوام بتن نسبت به پارامترهای مرتبط دیگری مانند نرخ انتقال یون یا نرخ انتقال بخار آب داخلی در بتن های غیر اشباع، از اهمیت کمتری برخوردار باشد.

مطالب مرتبط با این مقاله را در این بخش از کلینیک بتن ایران دنبال نمایید

بتن شامل چه ویژگی ها و خواصی می باشد

به خاطر وجود این جنبه های مختلف، نویسنده مجموعه حاضر، استفاده از یک عبارت کلی تر یعنی «ظرفیت نفوذ» به جای «نفوذپذیری» در بحث مشخصات دوامی بتن ها را پیشنهاد می نماید. توجه شود که تعریف فعل «نفوذ کردن» در واژه نامه عبارت است از «وارد شدن به داخل حفرات، درزها و غیره»، بدون اینکه ماده نفوذکننده یا مکانیزم بخصوصی تعیین شده باشد. به خوبی مشخص شده است که نفوذپذیری بتن به شدت تابع نسبت آب به سیمان (w:c) آن بوده و برای بتنی با یک نسبت آب به سیمان بخصوص، تابع میزان هیدراسیون سیمان می باشد.

شکل 2-1، رابطه کلاسیک به دست آمده توسط پاورز و همکاران، اثر کاملا غیرخطی نسبت آب به سیمان بر نفوذپذیری را نشان می دهد که در آن اندازه گیری ها برای نمونه های نازکی از خمیرهای سیمانی نسبتا کامل هیدراته شده (%93 هیدراته شده) انجام شده است. معمولا مشابه چنین روندی در تاثیر نسبت آب به سیمان بر روی نفوذپذیری، برای بتن ها مورد انتظار می باشد.

شکل 2-1- نفوذپذیری های اندازه گیری شده از خمیرهای سیمان تقریبا کامل هیدراته شده (93%) به صورت تابعی از نسبت آب به سیمان

به روشنی مشخص شده است که نفوذپذیری بتن های جوان در ابتدا بالاست و با میزان هیدراسیون کاهش می یابد. درجه هیدراسیون تجربه شده در بسیاری از بتن های کارگاهی محدود می باشد، خصوصا بتن های با نسبت آب به سیمان پایین. از نظر علمی، بتن ها تقریبا هیچگاه به درجه هیدراسیون نمونه های خمیر سیمان اندازه گیری شده توسط پاورز و همکاران نمی رسند. دیگر مشخصات بتن که ظرفیت نفوذ آن را نشان می دهد مانند ضرایب انتشار یون یا مقادیر هدایت الکتریکی، عموما رفتارهایی مشابه نفوذپذیری را نسبت به تغییرات w:c و درجه هیدراسیون نشان می دهند. اما برخی از این مقادیر ممکن است تحت تاثیر عواملی باشند که الزاما اندازه گیری نفوذپذیری را تحت تاثیر قرار نمی دهند. مثلا ساختار شیمیایی سیمان بخصوص مورد استفاده، تاثیر عمده ای بر غلظت یون ها در محلول حفره ای بن و در نتیجه بر هدایت الکتریکی آن خواهد داشت.
وجود میکروسیلیس، خاکستر بادی و دیگر مواد سیمانی مکمل در بتن، تاثیر بسیار زیادی در کاهش ظرفیت نفوذ خواهد داشت، اگر چه این تاثیر الزاما در انواع مختلف اندازه گیری ها به یک میزان نمی باشد. به طور مشابه، شرایطی که در آن هیدراسیون اتفاق می افتد، خصوصا انجام یا عدم انجام عمل آوری بتن با بخار، ممکن است اثرات مهمی را به دنبال داشته باشد.
پس از انجام بتن ریزی در یک سازه، بتن در معرض شرایط حین بهره برداری قرار می گیرد که ممکن است ترکیب محلول حفره ای و ساختاری حفره ای را تغییر دهد. ورود مواد شیمیایی، شسته شدن، تر و خشک شدن متناوب، یخ زدگی، کربناسیون و غیره، همگی می توانند موجب تغییرات داخلی عمده در ترکیب سیال حفره ای گردند. برخی از این تغییرات می توانند موجب ایجاد مشکلات ویژه دوام گردند.
برخی مشکلات دوام از قبیل واکنش قلیایی سیلیسی (ASR)، خوردگی فولاد، تشکیل تاخیری اترینگایت (DEF) و غیره منجر به ترک خوردگی ناشی از انبساط می گردند. همچنین ترک خوردگی ممکن است به جای انبساط، از انقباض ناشی شود. ترک ها به هر صورت که ایجاد شوند، بدون شک ظرفیت نفوذ موثر را در مقایسه با بتن سالم مشابه، افزایش می دهند. تلاش ها به منظور پیش بینی عمر بهره برداری محتمل سازه های بتنی اغلب براساس چگونگی در نظر گرفتن اثراف ایجاد ترک های آتی بر ظرفیت نفوذ مورد انتظار می باشد.
بینشی را درباره مشخصات فیزیکی و شیمیایی چسباننده خمیر سیمانی در بتن ها، با تمرکز ویزه بر روی محلول ها و ساختارهای حفره ای، در اختیار می گذارد. مباحثی از اندازه گیری های مربوط به ظرفیت نفوذ که به پیوستگی موجود میان حفرات و در موارد ویژه به اثرات محلول های حفره ای بستگی دارد نیز ارائه می گردد.

نویسنده : کلینیک بتن ایران

ساختار حفره در بتن و پیدایش حفرات مویینه

در زمان گیرش بتن، محلول اختلاط به صورت یکپارچه و آب بند جابجا می شود تا به محلول حفره ای موجود در خمیر سخت شده سیمان در بتن، تبدیل شود. شکل گیری و مشخصات حفرات که محلول حفره ای به داخل آنها انتقال می یابد، یک مشخصه مهم و پیچیده ساختار داخلی چسباننده های بتن می باشد. با وجود سال ها تحقیق فعال و هزاران مجموعه تحقیقاتی به چاپ رسیده، هنوز یک درک کاملا واقعی از چگونگی ایجاد ساختار حفره در بتن، موجود نمی باشد. دسته بندی معمول حفرات در چسباننده سیمان پرتلند ارائه شده در کتاب ها و حتی بسیاری از مقالات تحقیقاتی، بسیار ساده می باشد. پس از ارائه طرح کلاسیک پیشنهادی توسط پاورز و برون یارد، حفرات، به طور کلی به صورت «حفرات مویینه» یا «حفرات ژلی» در نظر گرفته می شوند. چنانکه بعدا ملاحظه خواهد شد، چنین دسته بندی چندان کافی به نظر نمی رسد. تصویری واقعی تر و دقیق تر از انواع مختلف حفرات موجود در بتن های شبه اصلی همراه با بینشی محدود درباره چگونگی تکامل ساختارهای حفره ای با زمان، در این بخش ارائه می گردد.
در این بررسی، ساختار حفره ای سنگدانه ها در بتن به طور کلی نادیده گرفته می شود، چنانکه معمولا نیز اینگونه می باشد. با این وجود، اغلب سنگدانه ها دارای مقداری حفرات بوده و برخی سنگدانه ها دارای حفرات بسیاری می باشند و به ویژه سنگدانه های سبک، ساختارهای حفره ای بسیار زیادی را شامل می شوند. بنابراین، حداقل در برخی موارد، حفرات سنگدانه ها می توانند نقش قابل ملاحظه ای را در انتقال سیمان یا یون ها ایفا نمایند و در چنین مواردی، این اثرات باید مورد بررسی قرار گیرند.

تاثیر میکروسیلیس بر بتن

همچنین بررسی مشارکت احتمالی حفرات هوا در ظرفیت نفوذ، خصوصا در بتن های حاوی مواد هوازا ضروری می باشد. حفرات هوا دارای وضعیت مبهمی در مراجع می باشند یعنی گاهی به عنوان حفرات مربوط به خمیرها در بتن ها شناخته می شوند و گاهی تنها به عنوان عامل ثانویه مورد بررسی قرار می گیرند و نیز در بسیاری از بررسی ها در زمینه ساختارهای حفره ای در بتن، وجود آنها کاملا نادیده گرفته می شود. حفرات هوا همواره در بتن های شبه اصلی وجود دارند (و نیز در خمیرهای سیمانی مخلوط شده در آزمایشگاه) و این مطلب در صورت وجود و یا عدم وجود مواد هوازا صحیح می باشد. تنها استثنای ممکن، برای بتن ها یا خمیر سیمان هایی است که معمولا در شرایط خلا مخلوط می شوند.

مطالب مرتبط با این مقاله را در این بخش از کلینیک بتن ایران دنبال نمایید
چگونگی شکل گیری و ساختار شیمیایی محلول های حفره ای در بتن
انواع درزها و درزبندهای بتن

پیدایش «حفرات مویینه» در بتن ها

الگوی معلول هیدراسیون سیمان شامل واکنش های سریع اجزاء سیمان قرار گرفته در معرض سطوح شکسته دانه های مجزای کلینکر می باشد. این مطلب به طور عام پذیرفته شده است که این واکنش های سریع، محصولات هیدراسیون سطحی تولید می کنند (عمدتا اترینگایت یا مشابه اترینگایت) و نیز اینکه این محصولات موجب جداسازی موقت دانه های زیرین سیمان از تماس موثر با محلول اختلاط می شوند که به اصطلاح دوره آرام از هیدراسیون محدود شده ایجاد ی شود. چند ساعت پس از رفع مانع موجود برای هیدراسیون بیشتر، فرایند هیدراسیون سریع خودکاتالیزوری ادامه می یابد. توضیحات دیگر مربوط به دوره آرام شامل مباحث پیشرفته می باشد.
در هر صورت، چند ساعت پس از آغاز هیدراسیون سریع، محصولات کافی هیدراسیون جهت ایجاد گیرش تولید می شود که نشانگر تبدیل بتن تازه (یک مخلوط غلیظ) به بتن تازه سخت شده (یک جامد متخلخل ویسکوالاستیک) می باشد. به غیر از حفرات هوا، حفرات موجود در بتن تازه سخت شده عموما پر یا تقریبا پر از محلول هستند، بجز در مورد بتن های با w:c پایین که دارای ویژگی خود خشک شدگی می باشند. از شکل 2-2 که توسط ک.اُ.کیلسن تهیه شده است، می توان نگرشی راجع به آرایش مکانی ذرات سیمان در بتن تازه به دست آورد.
شکل 2-2 یک تصویر میکروسکوپ الکترونی SEM با حالت پس پراکنش است که از سطح نازکی از یک مخلوط تازه ملات با w:c برابر 4/0 و حاوی خاکستر بادی تهیه شده است که اندکی پس از اختلاط، در هیدروژن مایع به سرعت منجمد شده است. پس از حذف آب منجمد از نمونه سریع منجمد شده، نمونه با رزین اپوکسی اشباع گردید تا فضاهای مربوط به آب حذف شده پر شوند. سپس محصول به دست آمده از تثبیت با رزین اپوکسی به دقت صیقل داده شد  با کربن پوشش داده شد تا برای آزمایش در SEM پس پراکنش آماده گردد.

شکل 2-2- تصویر میکروسکوپ الکترونی رویشی (SEM) پس پراکنش از یک ملات تازه مخلوط شده، تهیه شده از طریق انجماد سریع در نیتروژن مایع، تصعید آب منجمد، و اشباع سازی با رزین اپوکسی. نواحی خاکتری ماسه، نواحی سفید دانه های سیمان، و نواحی سیاه فضاهای پر شده با اپوکسی هستند که قبلا در ملات تازه توسط آب پر شده بودند.

نواحی خاکستری رنگ صاف در شکل 2-2، دانه های ماسه می باشند. فضاهای میان آنها شامل دانه های سیمان هیدراته نشده به رنگ سفید روشن، برخی ذرات خاکستر بادی به رنگ های خاکستری مختلف و رزین اپوکسی به رنگ سیاه می باشد که این رزین اپوکسی اشغال کننده فضاهایی است که ابتدا توسط آب پر شده است. تا جایی که آرایش و ساختار قبلی دانه ها به هم نخورده باشد، نواحی سیاه رنگ «اجداد» اولیه اغلب حفرات بزرگی محسوب می شوند که در زمان گیرش ملات در آن وجود نخواهند داشت. چنانکه بعدا بحث خواهد شد، واژه «اغلب» از قصد به کار برده شده است. چنانکه برای پاورز و براون یارد نیز شناخته شده نبود، بخش عمده ای از حفرات بزرگ در بسیاری از بتن ها بجای آنکه ناشی از فضای اولیه پر شده توسط آب باشد، از فضای اولیه موجود در میان برخی دانه های سیمان ناشی می شود.
سیمان معمولا به صورت ذراتی با اندازه حدود mµ80 و کمتر تا حدود 1 تا mµ2 آسیاب می شود. اندزه ذرات برای دانه های سفید سیمان که در شکل 2-2 مشاهده می شوند، با این محدوده مورد انتظار تطبیق می نماید. ضخامت فضاهای سیاه رنگ جداکننده آنها -که ممکن است در بررسی پاورز- براون یارد به صورت «حفرات مویینه» مورد توجه قرار گرفته باشد حدود mµ30-20 و کمتر می باشد. در داخل بتن، هنگامی که گیرش موجب ثابت شدن ذرات سیمان در جای خودشان می شود، حفرات جدید ایجاد شده و دارای پیوستگی بالا نیز در جای خود ثابت می شوند. ادامه هیدراسیون و ته نشینی محصولات هیدراسیون به تدریج اندازه حفرات را کاهش داده و ارتباط موجود میان حفرات بزرگ را تغییر می دهد. این فرایندها از نظر هندسی و نیز شیمیایی پیچیده به نظر می رسند و برخلاف فرض قدیمی، مستقیما منجر به تقسیمات کوچکتر فضاهای حفره ای نمی شوند.

نویسنده : کلینیک بتن ایران

حفرات ژلی در بتن و اندازه حفرات در بتن

ساختارهای حفره ای که تاکنون مورد بررسی قرار گرفته اند عبارتند از (1) حفرات هوا که معمولا به اندازه چند ده یا چند صد mµ می باشند؛ (2) حفرات پوسته ای توخالی که معمولا در حدود 3 تا mµ15 و گاهی کوچکتر می باشند؛ (3) فضاهای توده ذرات «حفرات مویینه» که اندازه آنها از چند mµ تا مقادیر کمتر از وضوح SEM پس پراکنش می باشد، و (4) حفرات بسیار ریز در ابعاد nm10 کهدر داخل محصولات داخلی هیدراسیون وجچود دارند. در این مقاله، بحثی پیرامون حفراتی احتمالا ریزتر یعنی «حفرات ژلی» مطرح می گردد که مدت هاست تصور می شود که در خمیر های سیمانی سخت شده، وجود دارند.
وجود حفرات ژلی در خمیرهای سیمان اولین بار توسط پاورز و براون یارد مطرح گردید و بر اساس خطوط همدمای جذب سطحی آب می باشد که پس از خشک نمودن نمونه های نازک خمیر بر روی پرکلرات منیزیم (خشکاندن)، اندازه گیری شده بود. آنها در هر مورد، مساحت سطح BET را از خطوط هم دمای جذب سطحی محاسبه نمودند. این آزمایش ها برای خمیرهای سیمان با نسبت های w:c متفاوت و درجه هیدراسیون متغیر، صورت گرفت.
این نتایج، پاورز و براون یارد را به این نکته راهنمایی کرد که محصول هیدراسیون، یک «ژل سیمان» مشخصه با مساحت سطح بالا می باشد. مشخص شد که حجم آب جذب شده به صورت سطحی توسط این ژل سیمان در مقادیر بالای RH همیشه حداقل مادل چهار تک لایه سطحی با آب تلغیظ شده می باشد. فضاهایی که ین ضخامت 4 لایه ای از آب به داخل آنها جذب سطحی می شدند، به عنوان تشکیل دهنده مجموعه «حفرات ژلی» مشخصه ای در نظر گرفته شدند که در کلیه محصولات هیدراسیون سیمان که به صورت عادی عمل آوری شده اند (نه با بخار)، وجود دارند.
اینگونه پنداشته می شد که آب جذب سطحی شده اضافه بر چهار تک لایه، فضای خالی خارج از ژل سیمانی را اشغال می کند و این آب، «آب مویینه» نامیده می شد و فضای اشغال شده نیز «فضای حفره ای مویینه» نامیده می شد. پاورز و براون یارد تلاش کردند که مدل کلاسیک حفره ژلی/ حفره مویینه را که تقریبا از آن پس به طور عام گرفته شد، ایجاد نمایند. این نویسندگان، اندازه حفرات ژلی را به اندازه nm1 برآورده نمودند و این کار براساس ملاحظات شعاع هیدرولیکی انجام شد. آنها دریافتند که چنین حفراتی حدود 28% حجم ژل سیمان را اشغال می کنند. اندازه حفرات ژلی مجددا توسط نویسندگان بعدی به صورت های مختلفی تعیین گردید.
چند سال بعد، فلدمن و سردا مطالعات گسترده ای را درباره جذب سطحی بخار آب در ظروف حاوی سیمان خشکی که پس از فشرده سازی هیدراته شده بودند، انجام دادند. آنها بجای آنکه ابتدا نمونه های خود را خشک نمایند، ابتدا خطوط همدمای دفع سطحی (رطوبت زدایی) از حالت مرطوب را با خشک کردن به سمت نقاط انتهایی مختلف پیش از آغاز اندازه گیری جذب سطحی، ایجاد نمودند. چرخه های مختلف بررسی خشک و تر شدن اندازه گیری شد و به طور همزمان این نویسندگان برخی از تغییرات فیزیکی و ابعادی صورت گرفته در ظروف هیدراته شده را اندازه گیری نمودند.
استنتاج به دست آمده از نتایج آن بود که ساختار نهایی محصولات هیدراسیون C-S-H شکل گرفته در هیدراسیون سیمان، ساختارهای لایه ای تغییر شکل یافته در ابعاد نانومتر همراه با فضاهای بین لایه ای که در ابتدا توسط آب اشغال شده بودند را شامل می شد. تصور می شد که فضاهای بین لایه ای ضخامتی به اندازه تنها یک یا حداکثر چند تک لایه آبی داشته باشند. بخار آب به سادگی می تواند از این ساختارهای لایه ای تغیر شکل یافته جدا شود، اما چنانکه به عنوان یک گام مقدماتی در مطالعات پاورز و براون یارد بررسی شده بود، اینگونه بیان می شد که این ساختارهای لایه ای فرو ریخته در چرخه های بعدی جذب سطحی، مشکل یا غیرممکن به نظر می رسید، و فلدمن و سردا دریافتند که مساحت های سطح بخار آب اندازه گیری شده از طریق اندازه گیری های جذب سطحی بخار آب پس از خشک کردن، غیرصحیح بوده است. اینگونه به نظر می رسید که این مفاهیم، نتایج پاورز و براون یارد را نفی می کند و در حقیقت فلدمن و سردا در متون مختلف خود، به صورتی اصولی و قاعده مند استفاده از عبارت «حفرات ژلی» ر رد نمودند، یعنی فضاهای بین لایه ای قابل فروریزش اصولا برای آنها به عنوان «حفرات» مورد توجه و پذیرش نبود.

حفرات در ساخت بتن

با این وجود، نویسندگان بعدی تا حدی در ترکیب این دو مفهوم، موفق شدند. متن مصوری که ابتدا توسط فلدمن و سردا به منظور نشان دادن مفاهیم مورد نظرشان به چاپ رسیده بود، مجددا همراه با مدل پاورز و براون یارد و محاسبات مربوط به تخلخل ژلی آن به صورتی مشابه، بارها به چاپ رسید. همچنین باید توجه نمود که این حفرات زلی یا ساختارهای لایه ای قابل فروریزش که هر دو در حد mµ1 یا کمتر تصور می شوند، کوچکتر از حفرات با اندازه حدود nm10 که در داخل محصول داخلی هیدراسیون برطبق گزرش ریچاردسون وجود ندارند، می باشند. نتیجه نهایی هرچه که باشد، اینگونه به نظر می رسد که نه حفرات ژلی و نه ساختارهای لایه ای تغییر شکل یافته در ابعاد نانومتر، احتمالا نقش قابل ملاحظه ای در انتقال سیال در بتن ندارند.

بررسی های مربوط به توزیع اندازه حفرات

از منابع موجود کاملا مشخص است که تخلخل سنجی با نفوذ جیوه (MIP) به منظور ارزیابی توزیع اندازه حفرات در بتن ها و خمیرهای سیمان، تاکنون پرکاربردترین روش مورد استفاده بوده است. متاسفانه روش MIP که یک روش آزمایشگاهی ساده، مناسب و بسیار تکرارپذیر می باشد، توزیع ذرات را برای مصالح سیمانی هیدراته شده ای ارائه می کند که به شدت ترک خورده و معیوب باشند. در حقیقت درزها و ترک خوردگی بتن این مصالح طوری شدید است که نتایج به دست آمده هیچگاه به معنی واقعی، اندازه واقعی حفرات موجود را بیان نمی کند.
نتایج آزمایش های مقایسه ای انجام شده بر روی خمیرهای سیمان یکسان توسط MIP و تحلیل تصاویر SEM پس پراکنش چند سال پیش منتشر گردید. برای خمیرهای با w:c برابر 40/0 و سن 28 روزه، مقادیر قابل ملاحظه ای از حفرات با اندازه های بین حدود mµ10 و حد پایین اندازه گیری mµ8/0، متناظر با حفرات مشاهده شده به صورت مستقیم در بررسی های چشمی SEM از همان نمونه ها، مورد توجه قرار گرفت. دستگاه MIP نیز همان حفرات را مشخص نمود. اما با اندازه هایی که کلا کوچکتر از حدود nm200 بودند. حفرات هوا که عمدا در برخی خمیرها وارد شده بودند نیز در نتایج MIP با اندازه هایی که کلا کوچکتر از حدود nm200 بودند، مشاهده شدند. مشکلی که در آزمایش MIP وجود دارد و در یک مقاله اخیر نیز مجددا بهخ آن اشاره شده است آن است که در این آزمایش، جیوه باید از خارج نمونه به طور متوالی به داخل ده ها (یا صدها) درز و شکاف محصول وارد شود تا بتواند در مسیر خود به حفرات بزرگتر موجود در فضای داخلی نمونه برسد.
شکل 2-8 مفهوم این درز و ترک های محصور شده در طول مسیر جریان را نشان می دهد. این شکل، چند سال پیش توسط هرن و همکاران منتشر گردید تا اثر اینگونه درز وترک ها بر روی انتقال بخار آب را نشان دهد، اما به خوبی می تواند برای بررسی نفوذ جیوه نیز به کار برده شود، البته با درک اینکه نمونه های MIP خشک شده و آب تغلیظ شده در درز و شکاف ها تبخیر می گردد. نفوذ کلی جیوه به داخل یک سری از «نقاط انسداد» متوالی مانند آنهایی که در شکل 2-8 نشان داده شده است، تا زمانی که فشار مورد نیاز تامین نگردد، اتفاق نمی افتد که این فشار نیز متناظر با محدوده اندازه درز و ترک ها می باشد. هنگامی که این «آستانه فشار» تامین گردد، جیوه می تواند به حفرات داخلی با هر اندازه (شامل حفرات هوا، چنانکه در مرجع 37 نشان داده شده است) برسد و این حفرات به صورت یکسان و بدون تمایز توسط جیوه در حال جریان، پر می شوند. در شمارشگر MIP، این حفرات با اندازه هایی کمتر از قطر آستانه ظاهر می شوند. چند سال پس از شرح این آزمایش ها در مرجع 37، آنها به طور مستقل تکرار شدند.

شکل 2-8- تصویر شماتیک نشان دهنده مفهوم خلل و فرج محصور شده یا «نقاط انسداد» در امتداد یک مسیر جریان برای جریان انتشاری بخار آب

شکل 2-9- مقایسه توزیع اندازه حفرات بدست آمده توسط تحلیل تصویر SEM پس از انتشار با توزیع اندازه ذرات بدست آمده توسط MIP بر روی یک خمیر سیمان. خمیر با نسبت آب به سیمان 40/0 بوده و به مدت 14 روز هیدراته شده است.

اخیرا شخصی به نام یو، مقایسه های مشابهی را از MIP و تحلیل تصاویر برای توزیع اندازه حفرات در دانشگاه دلف انجام داده است. یافته های او با نتایج اولیه دیاموند و لیمن کاملا مطابقت دارد. نمونه ای از نتایج یو در ارتباط با مقایسه توزیع اندازه حفرات که به دو روش برای خمیر با w:c برابر 40/0 و سن 14 روزه انجام شده، در شکل 2-9 ارائه شده است.
این نتایج تایید و تاکید می نماید که ادامه تکیه و اطمینان به MIP برای اندازه گیری توزیع اندازه حفرات در بتن ها وخمیرهای سیمان منطقی نمی باشد، چنانکه اندازه های به دست آمده توسط MIP حتی به صورت تقریبی نیز صحیح نمی باشد.
با این وجود، نتایج MIP، دو پارامتر مفید را در اختیار می گذارد. مقدار قطر آستانه تعیین شده در یک بتن مشخص، مقیاسی از درجه محدودیت رسیدن جیوه به بخش داخلی نمونه را به دست می دهد. با فرض آنکه محدودیت های یکسان، بر حرکت آب و یون ها نیز اثر بگذارند، قطر آستانه می تواند شاخص مقایسه ای مفیدی از ظرفیت نفوذ را در اختیار ما قرار دهد. به علاوه، کل فضای حفره ای که در حالت اعمال بیشترین فشار توسط جیوه اشغال می شود، شاخص مقایسه ای مفید و البته غیرکاملی را از تخلخل کلی نمونه، به دست می دهد.

توزیع مکانی حفرات در بتن ها: ITZ

حفرات، به ویژه حفرات بزرگتر که در SEM پس پراکنش قابل مشاهده می باشند، به صورت کاملا یکنواختی در داخل خمیر سیمان موجود در بتن توزیع نمی شوند. جنبه ای از این عدم یکنواختی که معمولا مورد بحث می باشد، به ناحیه انتقال میانی یا ITZ مربوط می شود؛ یعنی ناحیه موضعی از خمیر سیمان که دانه های ماسه و سنگدانه های درشت را احاطه نموده است (و در تماس با آنها می باشد).
خمیر سیمان در بتن توسط نویسندگان بسیاری مورد بررسی قرار گرفته و به نظر ایشان، این خمیر شامل دو قسمت متمایز می باشد. خمیر سیمان «حجمی» حذف شده از اثر موضعی ماسه یا سنگدانه ها، و «خمیر سیمان ITZ» که به نزدیکترین سنگدانه به اندازه کافی نزدیک است که بر آن تاثیر بگذارد. هبارت «به اندازه کافی» چندین بار تعریف مجدد شده است، اما عموما به صورت فاصله mµ35 از نزدیکترین سنگدانه، در نظر گرفته می شود. در عین حال که تفاوت های متعددی بین دو «خمیر سیمان» از طریق تحلیل تصویر قابل شناسایی می باشد –به ویژه در توده های سیمان هیدراته نشده باقیمانده- معمولا مقدار حفرات به عنوان تفاوت مهم در نظر گرفته می شود، خصوصا مجموعه حفراتی که به اندازه کافی بزرگ هستند که در SEM پس پراکنش قابل مشاهده و بررسی باشند.
اسکریونر داده های تخلخل مرتبط از نظر مکانی، حاصل از تحلیل SEM پس پراکنش را که توسط کرومبیه برای بتن با w:c برابر 40/0 در سنین مختلف به دست آمده، گزارش نموده است. مقدار متوسط حفرات قابل تشخیص در خمیر «حجمی» موجود در بتن بالغ حدود %10 بوده است. مقادیر متوسط حفرات گزارش شده برای «قطعات» متوالی ITZ کهبه صورت پیش رونده به سمت داخل از خمیر حجمی به سمت سطح خود سنگدانه، گرفته شده اند، با نزدیک شدن به سنگدانه به تدریج بزرگ تر شده و برای داخلی ترین قطعه به رض mµ5 دارای جهش قابل ملاحظه ای بوده است. این داخلی ترین قطعه مجاور سنگدانه، دربردارنده حدود %26 حفرات قابل تشخیص توسط SEM، در زمان یک سال بوده است.
دیاموند و هانگ پس از مطالعه مجموعه ای از بتن ها با w:c برابر 50/0، مقادیر متوسط کمی کوچکتر را برای تخلخل خمیر «حجمی» به دست آوردند و افزایش های نسبتا کمتری را با نزدیک شدن به سطوح سنگدانه ثبت نمودند.
از آنجا که عرض قطعات مورد بررسی آنها mµ10 و عرض قطعات مربوطه در داده های گزارش شده توسط اسکریونر mµ5 بود، هیچگونه مقایسه مستقیمی برای نزدیک ترین قطعه mµ5 میسر نبود. با این وجود، آزمایش های وسیع تصویری از نواحی کاملا مجاور سنگدانه ها که توسط دیاموند و هانگ در ارتباط با نمونه های خودشان گزارش شده بود، تنها مقدار محدودی از حفرات قابل تشخیص را نشان داد که هیچیک با مقادیر بسیار بالای گزارش شده توسط اسکریونر متناسب نبودند. در واقع، مشخص شد که بخش قابل ملاحظه ای از نواحی بسیار نزدیک به مرز سنگدانه ها، توسط لایه های Ca(OH)2 که مستقیما بر روی سطح سنگدانه ها رسوب کرده بودند، کاملا پوشیده شده و عموما به میزان mµ5 یا بیشتر به داخل خمیر اطراف ادامه یافته بودند.

مطالب مرتبط با این مقاله را در این بخش از کلینیک بتن ایران دنبال نمایید

شن مصرفی در بتن براساس نشریه 101 و 55

کانسر یا سرطان بتن چیست

اخیرا الشریف و همکاران مقادیر متوسط حفرات را برای یک ملات (نه بتن) با w:c برابر 40/0 در سن بلوغ آن (180 روزه) برابر %8 گزارش نموده اند؛ مقدار متوسط حفرات تعیین شده برای داخلی ترین بخش های مجاور سنگدانه ها در سن بلوغ برابر حدود %15 بوده است که بیشتر از مقادیر گزارش شده توسط دیاموند و هانگ و بسیار کمتر از مقادیر گزارش شده توسط اسکریونر می باشد.
دیاموند و هانگ توجه ویژه ای را به این حقیقت معوف نمودند که مقادیر متوسط هرچه که باشند، گردآوری مقادیر متوسط، تغییرات بزرگی را که در تخلخل واحدهای نمونه برداری مجاور وجود دارد، پنهان نموده است.
برخی بخش های مجاور در فاصله مشخصی از سنگدانه ها، بسیار متخلخل بودند و برخی دیگر هیچگونه حفرات قابل تشخیصی نداشتند. ناهمگنی کلی ناحیه میانی ITZ نیز توسط اسکریونر و دیگران، مورد تاکید قرار گرفته است. اثرات احتمالی وجود یک ITZ متخلخل تر بر روی خواص مختلف بتن، توسط شماری از نویسندگان مورد بررسی قرار گرفته است. نمونه ای از نتایج این بررسی ها توسط دیلاگریو و همکاران به دست آمده و آنها دریافتند که8 تعداد بسیاری از ITZها در ملاتی که آنها مطالعه کرده بودند، هیچگونه اثر قابل اندازه گیری بر حرکت شناسی آب شستگی هیدروکسید کلسیم ندارد. مطالعات بسیاری در جهت روشن ساختن اثرات ITZها بر روی خواص مربوط به ظرفیت نفوذ نیز به صورت مشابه اثرات کوچک یا ناچیزی را نشان دادند. اسکریونر با خلاصه نمودن برخی از آنها نتیجه گرفت که در عین حال که برای افزایش نفوذپذیری ممکن است تخلخل بیشتری در ITZ انتظار برود، وجود ذرات نفوذناپذیر مصالح سنگی که ITZها به دور آنها شکل می گیرند، همراه با w:c موضعی پایین تر ایجاد شده در خمیر «حجمی» در جهت مخالف عمل می نماید؛ بنابراین تخلخل افزایش یافته ITZ در مقایسه با دیگر عوامل، از اهمیت کمتری برخوردار می باشد.

نویسنده : کلینیک بتن ایران

حالت های هیدراسیون بتن

آزمایش های SEM، دو الگوی متمایز از هیدراسیون سیمان را که ممکن است به طور همزمان در دانه های مختلف سیمان موجود در نزدیکی یکدیگر در یک بتن اتفاق بیفتد، نشان می دهند که این امر منجر به اثرات متفاوتی بر روی ساختارهای حفره ای می گردد.
به خوبی مشخص شده است که دانه های بزرگتر سیمان تمایل دارند که از مرزهای بیرونی خود به سمت داخل هیدراته شوند که این پدیده منجر به شکل گیری «محصولات داخلی» هیدراسیون بتن نسبتا متراکم می گردد. این محصولات داخلی کاملا مشخص هستند، زیر آنها در داخل فضای مشخص شده توسط مرزهای اولیه دانه های سیمان تولید می شوند و فهرست نام های آنها قبلا توسط تاپلین پیشنهاد شده است. محصولات داخلی در درجه اول C-S-H می باشند. این محصولات به سادگی در آزمایش های SEM پس پراکنش قابل تشخیص می باشند و در ابتدا به صورت لایه های نازک خاکستری رنگی به دور هسته های متشکل از دانه های سیمان باقیمانده به رنگ سفید، به نظر می رسند. با ادامه یافتن هیدراسیون، این لایه های نازک بعضا به صورت نامنظم در پاسخ به آرایش داخلی متغیر اجزاء مختلف سیمان در داخل یک دانه سیمان بخصوص، ضخیم تر شده و به سمت داخل پیشروی می کنند. هسته های سیمان هیدراته نشده باقیمانده به طور همزمان منقبض می شوند. در برخی دانه های سیمان، این هسته ها ممکن است سرانجام به طور کامل ناپدید شوند، مگر در مورد خرده های کوچک به رنگ روشن C4AF موجود در داخل آنها که میل به مقاومت در برابر هیدراسیون داشته و ممکن است تا مدت نامحدود باقی بمانند. در داخل یک بتن، دیگر هسته های سیمانی باقیمانده ممکن است تا مدت نامحدودی باقی بمانند خصوصا در نواحی موضی که دارای میزان بالای دانه های سیمان می باشند.

کیورینگ و هیدراسیون بتن

نمونه ای از یک SEM پس پراکنش که نشان دهنده این مشخصات می باشد، در شکل 2-3 ارائه شده است. شکل 2-3 از یک ناحیه موضعی نسبتا متخلخل از خمیری با w:c برابر 30/0 از سیمان پرتلند با مدت زمان هیدراسیون بیش از سه ماه تحت شرایط نفوذناپذیر، پرفته شده است. نمونه هایی از یک پوسته هیدراسیون محصول داخلی، یک هسته سیمانی هیدراته نشده باقیمانده و یک دانه سیمان کاملا هیدراته شده توسط پیکان هایی مشخص شده اند. باید دقت شود که «دانه سیمان کاملا هیدراته شده» تنها بر روی صفحه مشاهده، کاملا هیدراته می باشد در حالی که ممکن است یک هسته باقیمانده در بالا یا پایین صفحه داشته باشد. در شکل 2-3 حدود 12 مورد از هسته ها و پوسته های هیدراسیون محصول داخلی به دور آنها که به رنگ خاکستری هستند، و نیز تعدادی از دانه های سیمان کاملا هیدراته شده بدون هسته ها، قابل مشاهده می باشند. این مشخصات چگونه بر بررسی های ساختارهای حفره ای اثر می گذارند؟

شکل 2-3- تصویر میکروسکوپ الکترونی رویشی (SEM) پس پراکنش از ناحیه ای در خمیر سیمان با نسبت آب به سیمان 30/0، که نشان دهنده محصولات داخلی ژل هیدراته شده دانه های درشت سیمان و احاطه شدن آن توسط توده های متخلخل می باشد.

اغلب دانه های اولیه سیمان پرتلند معمولا دانه های کلینکر غیر متخلخل هستند که در درجه اول از سیلیکات های کلسیم و آلومینات ها تشکیل شده اند. هیدراسیون در داخل مرزهای اولیه دانه های سیمان -یعنی تبدیل موضعی اجزاء سیمان به C-S-H هیدراته شده در داخل دانه ها- ضرورتا نیازمند نفوذ آب به داخل آنها می باشد. این پدیده همچنین مستلزم گسترش فضای داخلی به منظور جای دادن محصول
C-S-H می باشد که تراکم آن از اجزاء سیمانی که این محصول از آن تولید شده است، بسیار کمتر می باشد. این فضا باید از طریق حل و حذف بخشی از ماده سیمان در داخل ناحیه ای صورت گیرد که تبدیل به پوسته محصول داخلی می شود.
اجزاء سیمان حل و حذف شده از داخل این ناحیه هیدراته، به صورت محصولات هیدراسیون در جای دیگری جدا می شوند که اغلب (احتمالا و نه کاملا) در فضای پر از آب مجاور می باشد. این رسوبات، «محصولات خارجی» هیدراسیون را تشکیل می دهند، به این صورت که توده ای از ذرات با اندازه کوچکتر را ایجاد می نمایند که این ذرات دانه های بزرگتر سیمان را احاطه کرده و فضای میان آنها را که قبلا توسط آب پر شده بوده، اشغال می نمایند. این محصولات خارجی در شکل 2-3 به صورت ذرات کوچکی با شکل های متغیر و به رنگ خاکستری قابل مشاهده می باشند. این محصولات اغلب شامل C-S-H می باشند اما معمولا مقدار قابل ملاحظه ای از هیدروکسید کلسیم و مقداری اترینگایت و مونوسولفات را نیز در بر دارند.
در شکل 2-3 مشاهده می شود که نواحی توده ذرات به طور کامل از ذرات جامد ته نشین شده پر نمی باشند؛ یعنی حفرات مجزای سیاه رنگ بسیاری که از اپوکسی پر شده اند و دارای ابعادی در حد چند mµ می باشند نیز قابل تشخیص هستند. رنگ سیاه بخش عمده ای از ناحیه توده ذرات، نشان دهنده وجود تعداد بیشماری از فضاهای حفره ای با اندازه کوچکتر از mµ می باشد.
میزان پر شدن فضای توده ذرات با رسوبات محصول خارجی تا حد زیادی به نسبت w:c، که کنترل کننده مقدار فضاهای خالی است که باید پر شوند، و نیز پیشرفت هیدراسیون بستگی دارد. در بتن های با  w:c پایین، انتظار می رود که چنین رسوباتی سرانجام فضاهای خالی را تقریبا پر نمایند. عکس این حالت برای بتن های با w:c بالا این انتظار صحیح وجود دارد که نواحی عریض تر توده ذرات احاطه کننده دانه های بزرگ سیمان، همواره فضای حفره ای قابل ملاحظه ای را با اندازه های بزرگ حفظ نمایند.
شکل 2-3 با بزرگنمایی نسبتا کمی تهیه شده است به گونه ای که ناحیه به حد کافی بزرگی را برای ارائه ویژگی های مختلف موجود نشان دهد. یکی از جزئیاتی که در شکل 2-3 قابل مشاهده نمی باشد آن است که محیط های پیرامونی دانه های محصول داخلی و برخی ذرات در داخل توده دارای برآمدگی های خار مانند می باشند.      
این برآمدگی ها در تضویر الکترونی ثانویه از سطوح شکسته در روزهای اولیه آزمایش های SEM، به عنوان ذرات C-S-H نوع I ثبت گردید. این برآمدگی ها در SEM پس پراکنش قابل مشاهده می باشند اما برای مشخص نمودن آنها نیاز به وضوح تصویر بیشتری نسبت به حالت عادی می باشد.

مطالب مرتبط با این مقاله را در این بخش از کلینیک بتن ایران دنبال نمایید

هیدراتاسیون و کیورینگ بتن
نرخ هیدراسیون بتن به چه چیزی بستگی دارد؟

شکل 2-4 با استفاده از SEM پس پراکنش با انتشار میدانی در ولتاژ پایین تهیه شده است و بنابرای وضوح آن بیشتر از حالت عادی می باشد. این نمونه از خمیری با نسبت w:c برابر 40/0 با مدت هیدراسیون 28 روزه تهیه شده است. در شکل 2-4، 'A' نشان دهنده هسته هیدراته نشده، 'B' محصول داخلی هیدراسیون، 'C' توده ذرات شامل محصولات خارجی هیدراسیون و فضای اشغال نشده باقیمانده، و 'D' رسوب مونوسولفات در داخل توده ذرات می باشد. در اینجا مشاهده می شود که مثلا در شکل 2-3 با وضوح بالا، محصول داخلی تا آن اندازه که به نظر می رسد، یکنواخت نمی باشد. ساختار «برآمده» در اطراف مرز محصول داخلی چندان واضح نمی باشد، در حالی که در داخل توده ذرات، به وضوح قابل مشاهده می باشد. عمده فضای حفره ای در توده ذرات نگه داشته می شود؛ یعنی در داخل ناحیه کوچک نشان داده شده، یک حفره به اندازه حدود mµ5 (شامل یک رسوب برآمده C-S-H در داخل آن)، چهار یا پنج حفره متمایز با اندازه حدود mµ5/0 و تعداد بیشماری از فضاهای کوچکتر با وضوح نامطلوب وجود دارند. وضوح شکل 2-4 برای اشاره به وجود تخلخل داخلی با تقسیمات کوچک در داخل محصول داخلی کافی است اما برای شناسایی حفرات کافی نمی باشد.

شکل 2-4- تصویر پس پراکنش FE-SEM از یک نمونه خمیر سیمان هیدراته (hcp) که نشان دهنده ناحیه ای در اطراف یک دانه سیمان هیدراته شونده می باشد. 'A' هسته هیدراته باقیمانده، 'B' محصولات داخلی، 'C' توده احاطه کننده، و 'D' رسوب مونوسولفات در داخل توده می باشد.

نتایج آزمایش های TEM که توسط ریچاردسون گزارش شده است نشان می دهد که چنین محصولات داخلی عموما در بردارنده حفرات بسیار ریزی با قطرهای در ابعاد nm10 می باشند. چنین حفراتی بسیار کوچک تر از آن هستند که در آزمایش SEM پس پراکنش قابل تشخیص باشند.
بنابراین حداقل دو خانواده از حفرات با منشا متفاوت وجود دارند: حفرات با اندازه متغیر از چند mµ به پایین در داخل توده ذرات و حفرات بسیار ریز (حدود nm10) در داخل محصول داخلی. نوع اول ضرورتا در حرکت آب و یون ها در داخل خمیر نقش دارد و نوع دوم تقریبا به طور قطع نقشی ندارد.
اکنون مجموعه دیگری از پیچیدگی ها باید مورد بررسی قرار گیرد. در مقابل الگوی هیدراسیون «محصول داخلی» که در بالا نشان داده شده و توصیف گردید، الگوی هیدراسیون موضعی کاملا متفاوتی برای بسیاری از دانه های کوچکتر سیمان اتفاق می افتد. مرز تفکیک عموما در حدود mµ15 می باشد.
با این دانه های کوچکتر سیمان، پوسته نازکی از محصول هیدراسیون به سرعت به دور دانه ها رسوب می نماید، اما این پوسته به تدریج ضخیم تر نمی شود. در عوض، هسته داخل آن بر اثر حل شدن تدریجی توخالی می شود.
نتیجه حاصل بارت است از تولید «دانه های پوسته ای توخالی» که به طور جزئی یا کامل خالی شده اند و «دانه های هدلی» نام دارند. این پوسته های توخالی، گروهی از حفرات موجود در خمیر سیمان را در بر می گیرند که برای پاورز و براون یارد شناخته شده نبودند.

شکل 2-5- تصویر SEM الکترونی ثانویه از دانه پوسته ای توخالی در سنین اولیه. پوسته در زمان آماده سازی نمونه با سطح شکسته عمدا شکسته شده است.

ساختار درونی این حفرات توخالی را می توان به بهترین صورت در تصاویر الکترونی ثانویه سطوح شکسته که دارای بزرگنمایی بالایی هستند، به تصویر کشید، مانند شکل 2-5 که سالها پیش توسط د.و.هدلی تهیه شده است. این پوسته توخالی را در بتن های شبه اصلی نشان می دهد. نمونه مورد نظر، بتنی با w:c برابر 45/0 مخلوط شده در آزمایشگاه می باشد که به مدت سه روز هیدراته شده است. ناحیه تصویر برداری شده نسبتا متخلخل بوده است.
برخی پیکان های سفید به دانه هایی اشاره می کنند که در فرآیند توخالی شدن قرار داشته و برخی دیگر به دانه های غالبا ریزتری اشاره می کنند که کاملا توخالی شده اند.
این فضاهای خالی موجود در پوسته های توخالی، گروهی از حفرات با اندازه قابل توجه را تشکیل می دهند که دارای اندازه هایی تا حدود mµ15 می باشند. در عین حال که پوسته های احاطه کننده آنها از انتقال سیال و یون ها میان این فضاها ممانعت می کنند، این پوسته ها باید «تراوا» فرض شوند چرا که امکان انتقال اجزاء محلول سیمان را به فضای اطراف حین فرآیند توخالی شدن، فراهم می کنند. دو حالت هیدراسیون یعنی «محصول داخلی» و «پوسته توخالی» ضرورتا به طور کمل و متقابل ناسازگار نیستند. در حقیقت، اسکریونر توجه نمود که در داخل دانه های بزرگ در حال هیدراته شدن در حالت محصول داخلی، یک حلقه پر از محلول با ضخامت قابل ملاحظه، لایه پیشرونده محصول داخلی هیدراته را از هسته جامد پس رونده، جدا می نماید. 
حفرات پوسته ای توخالی، محدود به خمیرهای سیمان و بتن های شبه اصلی نمی باشند. چنانکه توسط کیلسن و هلسینگ اتلسی مشخص شده است، پوسته های توخالی به اندازه چند mµ در بتن های توانمند شامل میکروسیلیس، قابل توجه بوده و نیز تنها فضای حفره ای قابل مشاهده در ریزساختارها به غیر از ریزساختارهای بسیار متراکم می باشند.
حالت غیرعادی دیگری در ارتباط با حفرات پوسته ای توخالی آن است که برخی از آنها را می توان تنها به عنوان حفرات موقت مورد توجه قرار داد. تشکیل رسوب C-S-H ممکن است در نهایت برخی از آنها را پر کند و چنانکه توسط کیلسن و هلسینگ اتلسی نشان داده دشه است، برخی پوسته های توخالی ممکن است سرانجام با رسوبات CH پر شوند.

شکل 2-6- تصویر SEM الکترونی ثانویه از ناحیه ای متخلخل از بتن 3 روزه با نسبت آب به سیمان 45/0 که نشان دهنده پخش موضعی دانه های پوسته ای توخالی می باشد.

شکل 2-7- تصویر SEM الکترونی ثانویه که نشان دهنده ناحیه توده ای نسبتا متراکم در یک بتن 28 روزه و نسبت آب به سیمان 45/0 می باشد. دانه های پوسته ای توخالی کوچک و حفرات دیگر هنوز قابل مشاهده می باشند.

شکل 2-6 از یک ناحیه موضعی نسبتا متخلخل تهیه شده است تا نمایش مشخصات ریخت شناسی فضاهای حفره ای را تسهیل نماید خمیرهای سیمان در بتن های شبه اصلی، اغلب شامل چنین نواحی باز متخلخلی هستند، اما ممکن است نواحی نسبتا متراکم را نیز شامل شوند. نمونه ای که در شکل 2-7 نشان داده شده است، مربوط به بتنی با w:c برابر 45/0 مخلوط شده در آزمایشگاه با سن 25 روز می باشد. توده ذرات هنوز کاملا متخلخل است و دانه های پوسته ای توخالی را هنوز می توان تفکیک نمود، اما پر شدن کلی ناحیه داخلی با محصولات هیدراسیون، اندازه حفرات و مقدار آنها را به صورت قابل ملاحظه ای کاهش داده است. این فرآیند تا ادامه یافتن هیدراسیون، تداوم می یابد. بتن هایی که با تداوم حضور آب امکان هیدراته شدن مداوم را دارند، ممکن است ساختارهای توده ای بسیار متراکمی را حداقل در برخی نواحی با کاهش هرچه بیشتر تخلخل، از خود نشان دهند. عبارت کلیدی در جمله قبل عبارت است از نواحی مجاور که دارای حفرات باز نسبتا بزرگ و دانه های پوسته ای توخالی می باشند، مرزبندی و تفکیک شوند. این ساختار نامنظم «وصله ای» در مقالات  بعدی کلینیک بتن ایران مورد بررسی قرار خواهد گرفت.

نویسنده : کلینیک بتن ایران

چگونگی شکل گیری و ساختار شیمیایی محلول های حفره ای در بتن

ساختار شیمیایی محلول حفره ای موجود در حفرات یک بتن، ممکن است دوام بالقوه آن را به شدت تحت تاثیر قرار دهد. پتانسیل ایجاد واکنش قلیایی سیلیسی ASR، خوردگی فولاد، حمله سولفات، «حمله آب دریایی» و تورق بتن همگی مستقیما تاثیر ساختار شیمیایی محلول حفره ای و تغییراتی که ممکن است در آن اتفاق بیفتد را منعکس می نمایند. متاسفانه، محلول های حفره ای بتن و تغییرات احتمالی آنها در شرایط محیطی مختلف موجود در محل، به خوبی توسط افرادی که به بحث دوام بتن اشتغال دارند شناخته نشده است.
در این بخش، امید آنمی رود که راهکاری واقع بینانه در ارتباط با منشا پیدایش و گسترش محلول های حفره ای در بتن ها و برخی تغییراتی که ممکن است بر اثر قرار گیری در معرض محیط های خارجی متفاوت ایجاد گردند، ارائه می شود.

منشا پیدایش و گسترش اولیه ی محلول های حفره ای

هنگامی که بتن مخلوط می شود، واکنش های شیمیایی بلافاصله پس از اضافه نمودن آب به مخلوط، آغاز می شوند.
آب مورد استفاده معمولا آب «آشامیدنی» می باشد. این واکنش ها به سرعت منجر به تغییر شدید ساختار شیمیایی آب می گردد. تنها در مدت چند دقیقه، این آب آشامیدنی تبدیل به یک محلول یونی قوی با خواص شیمیایی بسیار تغییر یافته می گردد. ساختار شیمیایی این محلول تا حد زیادی به ساختار شیمیایی سیمان بخصوص مورد استفاده، بستگی دارد.
پیش از آنکه گیرش اتفاق بیفتد، این «محلول اختلاط» غلیظ، فاز پیوسته ای را که ذرات سیمان و سنگدانه ها در آن معلق هستند، تشکیل می دهد. در طی گیرش، محلول اختلاط به صورت یکپارچه انتقال می یابد تا تبدیل به «محلول حفره ای» موجود در حفرات بتن گردد.
ترکیب این محلول اختلاط/محلول حفره ای همراه با وقوع تغییرات اساسی خصوصا در روز اول، به مرور زمان کامل می شود. این روند تکامل را می توان به طور همزمان در آزمایشگاه دنبال نمود. می توان محلول اختلاط را برای تحلیل شیمیایی، از خمیر مخلوط تازه سیمان (یا بتن) از طریق فیلتراسیون به کمک فشار، جداسازی نمود. نمونه گیری مکرر را می توان در فواصل زمانی انجام داد تا اینکه روند گیرش انجام نمونه گیری را ناممکن سازد.
پس از گیرش و ایجاد مقداری مقاومت، محلول های حفره ای را می توان مجددا برای تحلیل جدا نمود، مثلا توسط تجهیزات حداسازی محلول حفره ای که توسط بارنی بک و دیاموند، توصیف شده اند.
جدول 2-1 مجموعه ای گویا از نتایج تحلیل های مربوط به یک سری از چنین محلول های اختلاط/حفره ای را که در خمیر سیمان پرتلند ایجاد شده اند و ممکن است در یک بتن شبه اصلی نیز یافت شوند، ارائه می نماید. این خمیر از یک سیمان پرتلند با خاصیت قلیایی نسبتا پایین تهیه گردید (45% Na2Oequiv) و با یک نسبت w:c برابر 5/0 مخلوط شده است. این داده ها از پایان نامه پنکو گرفته شده است. انواع یون های فهرست شده در جدول 2-1 عموما با غلظت های بالا در محلول های اختلاط/ حفره ای تشکیل شده در مدت زمان هیدراسیون اولیه سیمان های پرتلند، یافت می شوند. این یون ها عبارتند از k+، Na+، Ca2+، 〖SO〗_4^(2-) و OH-. یون های آلومینیم، آهن و سیلیکات تنها در غلظت هایی با مرتبه بزرگی کمتر از غلظت های پنج یون فهرست شده، موجود می باشند.

جدول 2-1- تغییرات غلظت محلول حفره ای اندازه گیری شده در طول اولین روز هیدراسیون برای خمیر سیمان پرتلند با نسبت آب به سیمان 5/0

غلظت یون برحسب میلی اکیوالان بر لیتر
زمان (ساعت)	K+	NA+	Ca2+	SO42-	OH-
1 2 3 4 6 12 15 18	0/27 0/27 0/27 0/27 0/28 0/30 0/31 0/31	0/03 0/03 0/03 0/03 0/04 0/04 0/04 0/04	0/07 0/072 0/06 0/06 0/06 0/06 0/006 0/006	0/17 0/17 0/17 0/18 0/20 0/15 0/09 0/05	0/15 0/15 0/16 0/15 0/14 0/24 0/29 0/32

غلظت های بالای یون های فلز قلیایی و یون های سولفات که در جدول 2-1 مشاهده می شوند، از «ناخالصی های» سولفات قلیایی حمل شده توسط سیمان، به وجود می آیند. حتی با میزان قلیایی نسبتا پایین یک سیمان بخصوص، غلظت اولیه یون سولفات در محلول به میزان قابل ملاحظه ای نسبت به یک محلول اشباع سنگ گچ بیشتر می باشد. مهم تر آنکه این مقدار نسبت به مقدار موجود برای اترینگایت نیز بیشتر می باشد، و اترینگایت به محض ایجاد یون های آلومینات پس از دوره آرام، به سرعت عمل می کند.
برای خمیر مربوط به جدول 2-1، دوره آرام در یک مدت کمتر از سه ساعت پس از اختلاط، پایان یافته است. گیرش اولیه پس از حدود 5/3 ساعت و گیرش نهایی در کمی بیشتر از 5 ساعت اتفاق افتاده است. دمای حداکثر نشانگر حداکثر سرعت هیدراسیون پس از مدت 5/8 ساعت به دست آمد.
ملاحظه می شودکه غلظت های تقریبا مشابهی از یون های هیدروکسید از زمان اولین تحلیل، مشخص می سازد که اولین واکنش به انحلال سولفات های قلیایی محدود نشده، بلکه واکنش با C3S نیز وجود داشته است. در مورد کاتیون های فلز قلیایی، مشاهده می شود که غلظت K+ در کلیه مراحل تا حد زیادی از غلظت Na+ بیشتر می باشد. این یک ویژگی مشترک در سیمان های جدید می باشد که البته کلیت ندارد.

حفره در بتن

در جدول 2-1 مشاهده می شود که برخلاف آنکه در مدت حداقل شش ساعت اول، دوره آرام پایان یافته و هر دو گیرش اولیه و نهایی روی داده است، تغییر غلظت های هر یک از یون ها در طول این مدت اندک می باشد. این یک الگوی مشترک است یعنی آغاز هیدراسیون فعال پس از دوره آرام و وقوع گیرش، هیچکدام تغییرات عمده ای را در غلظت یونی محلول اختلاط/ حفره ای به وجود نمی آورند.
چند سال پیش مشخص شد که تشکیل سریع اترینگایت پس از پایان دوره آرام، موجب حذف سریع سولفات از محلول حفره ای می شود اما سولفات حذف شده از محلول به طور پیوسته توسط حل شدن پیوسته سنگ گچ، جایگزین می گردد. بنابراین، غلظت یون سولفات حل شده، لااقل تا زمانی که مقداری سنگ گچ جامد باقی مانده باشد، تقریبا ثابت می ماند و این پاسخ به تعادلی است که شامل حضور همزمان سینگانایت، سنگ گچ و اترینگایت می باشد. حل آخرین ذرات سنگ گچ جامد، نقطه عطفی محسوب می شود که درآن ته نشینی اترینگایت به صورت پیوسته منجر به کاهش غلظت سولفات محلول حفره ای می گردد که البته این روند برای سیمان های پرتلند ب فرمول بندی مناسب به صورت کاهش غلظت تا سطوح بسیار پایین تا انتهای روز اول می باشد. برای خمیر بخصوص مربوط به جدول 2-1، نقطه عطف مشخص شده توسط تقلیل سنگ گچ جامد، مشخصا اندکی پس از 6 ساعت اتفاق افتاده است.

مطالب مرتبط با این مقاله را در این بخش از کلینیک بتن ایران دنبال نمایید
دلایل ترک خوردگی بتن بعد از بتن ریزی

یک مشخصه بسیار مهم از تغییرات پس از نقطه عطف در ترکیب محلول حفره ای آن است که به موازات کاهش غلظت سولفات، خنثی بودن الکتریکی با افزایش تدریجی یون OH- به جای کاهش غلظت کاتیون های قلیایی، ایجاد می شود. بنابراین، با تقلیل سولفات در محلول، pH به شدت بالا می رود. با بالا رفتن pH، غلظت یون کلسیم که قبلا نسبتا در حد متوسط بوده است (متوسط به مفهوم مطلق و نه برحسب درجه فوق اشباع)، به میزان بسیار اندکی کاهش می یابد. نتیجه این تغییرات آن است که محلول اختلاط/ حفره ای موجود اولیه به تدریج به یک محلول غلیظ هیدروکسید سدیم پتاسیم تبدیل می شود. این تبدیل از نظر ایجاد احتمالی  ASR و حفظ و نگهداری و منفعل ساختن فولاد در انواع بتن، اثرات قابل ملاحظه ای دارد.
به نظر می رسد که این افزایش pH که در سیمان های پرتلند با فرمول بندی مناسب کلیت دارد، اجتناب ناپذیر می باشد. نشان داده شده است که در صورت اضافه نمودن سنگ گچ اضافی به میزان کافی در سیمان، خروج آلومینات موجود می تواند به ته نشینی اترینگایت پیش از تمام شدن کامل سنگ گچ جامد، پایان دهد. تحت این شرایط، تغییر معمول pH می تواند به طور نامحدودی به تاخیر اافتاده و یا از آن جلوگیری شود. برعکس در غیاب سنگ گچ، مثلا در آزمایش های آزمایشگاهی، هنگامی که کلینکر آسیاب شده بدون هرچونه سنگ گچ آسیاب شده میانی هدراته شود، کاهش غلظت یون سولفات و افزایش pH به همراه آن تقریبا بلافاصله پس از اختلاط آغاز شده و به سرعت کامل می شود.

نویسنده : کلینیک بتن ایران