بررسی نسبت آب به سیمان در بتن­ های ناتراوا

چکیده

میکرو سیلیس و فوق روان کننده ها در طرح اختلاط بتنهای ناتراوا نقش مهمی در بهبود دوام ایجاد می­کند.

سوالات تحقيق:

در این تحقیق سعی بر آن است میزان نفوذپذیری نمونه­های بتنی با نسبت­های مختلف آب به سیمان و میکروسیلیس مورد بررسی و ارزیابی قرار گیرد.

روش تحقیق:

در این تحقیق با طرح اختلاطهایی مختلف نمونه های مکعبی بتن با سه نسبت آب به مواد سیمانی با افزودن میکروسیلیس و بدون استفاده از آن ساخته شده و مورد آزمایش قرار گرفت . در طرح اختلاط بتن از فوق روان­کننده و میکروسیلیس به عنوان متغیر وابسته بهره  گرفته شد.

نتیجه گیری:

در این تحقیق با توجه به آزمایش روی نمونه های ساخته شده مکعبی با نسبتهای مختلف آب به سیمان و افزودن فوق روان کننده و میکروسیلیس میزان نسبت جذب آب مورد بررسی قرار گرفت. نتایج حاکی از آن است که فوق روان­کننده­ها و میکروسیلیس موجب کاهش نست آب به سیمان و سبب بهبود دوام و کاهش میزان نفوذ آب به بتن می­شود.

کلمات کلیدی: دوام بتن، نسبت آب به مواد سیمانی، میکروسیلیس

1. مقدمه

بتن مخلوطی است سیال ساخته شده از دانه های سنگی ، سیمان بعنوان چسباننده ، آب و افزودنی های شیمیائی که برای بهبود کیفیت بتن یا ایجاد برخی کارایی های خاص مانند روانی بیشتر بدون افزایش آب ، مقاومت در برابر یخ زدگی و ... استفاده می شوند]1[. یکی از کاربرد های بتن ساخت مخازن ذخیره آب شرب می باشد و لذا طراحان و مجریان مخازن انتظار دارند بتن های بکار برده شده در مخازن آب را از خود عبور نداده و حتی در مقابل تراوش آب از جسم خود مقاوم باشد، بحثي كه در مورد بتن تا كنون بسيار مورد توجه بوده و در ساخت بتن بسيار مهم است و به آن به خوبي پرداخته مي شود، بحث Mix Design  يا طرح اختلاط بتن است، اما جنبه ديگري از ساخت بتن كه بايد مورد توجه واقع شود موضوع Mix Proportion يا نسبت اختلاط بتن است]2و3[ كه با طراحي و كنترل آن مي توان ميزان خلل و فرج هاي ايجاد شده در بتن را به فراخور استفاده كمتر يا بيشتر كرد و باعث كمتر مصرف شدن سيمان شد. خلل و فرج موجود در در بتن مهمترين عامل تضعيف آب بند بودن بتن مي باشد و بايد به دقت از داخل بتن خارج شده با موادي كه به سلامت ، مقاومت و پايايي بتن صدمه نزنند جايگزين شود. در ساخت بتن عوامل بسياري چون طرح اختلاط نامناسب ، ميزان آب به سيمان بالاتر از حد مجاز ، استفاده غلط از مواد افزودني ، استفاده بيش از حد مجاز از مواد هوازا در بتن ، عمل آوري نا مناسب ، ميزان سيمان ناكافي ، دانه بندي نامناسب كه در آن شكاف وجود داشته باشد و يا عدم وجود يا ميزان ناكافي از سنگ دانه هاي با قطر مورد نياز در بتن  مي تواند منجر به ايجاد خلل و فرج زياد و در نتيجه افت آب بندي شديد بتن شود]1[. که امروزه  ساخت بتن های آببند یا ناتراوا را به یک تخصص و علم خاص بدل نموده است و اجرای مخازن آب بتنی نیاز به تجربه بالائی در این زمینه دارد.

1. دوام بتن

در هر سازه بتنی لازم است عملکردی که برای آن در نظر گرفته شده است تداوم یابد، یعنی مقاومت و بهره­دهی آن، در عمر مشخص حفظ گردد. چنین نتیجه می­شود که بتن باید بتواند فرآیندهای از هم پاشیدگی ای را که انتظار می­رود با آن متوجه شود، تحمل نماید. به چنسن بتنی بتن بادوام می­گویند]4[.

شایان ذکر است که دوام بتن به معنای عمر بی­نهایت نبوده و همچنین به این معنا نمی­باشد که بتن   می­تواند هرگونه شرایط رویارویی را تحمل نماید. سه نوع سیال وجود دارند که اساساً بر دوام بتن اثر   می­گذارند و می­توانند به داخل بتن وارد شوند شامل آب، دی­اکسید کربن و اکسیژن می­باشند. این مواد می­توانند به روش­های مختلفی در داخل بتن جابجا شوند، اما کلیه این جابجایی­ها عمدتاً به ساختار خمیر هیدراته شده سیمان وابسته­اند. دوام بتن عمدتاً به سهولتی که سیالات می­توانند به داخل بتن وارد شوند و از میان آن بگذرند که به اصطلاح به نفوذپذیری بتن بستگی دارد]1[. نفوذپذیری بتن تنها تابع ساده­ای از تخلخل نمی­باشد  و علاوه بر آن، به اندازه، توزیع، شکل، پیچ و خم مسیر و پیوستگی منافذ بستگی دارد]5[. برای خمیرهای سیمانی که به یک اندازه هیدراته شده باشند، هر چه مقدار سیمان خمیر بیشتر باشد، یعنی نسبت آب به سیمان کمتر باشد، نفوذپذیری کمتر است]6[. نفوذپذیری بتن همچنین تحت تاثیر خواص سیمان قرار می گیرد. در یک نسبت آب به سیمان ثابت، سیمان درشت دانه تمایل به ایجاد خمیری با نفوذپذیری بیشتر از سیمان ریزدانه دارد. ساختار مرکب سیمان تا آنجا بر نفوذپذیری اثر دارد که بر روند هیدراتاسیون اثر می­گذارد، اما تخلخل و نفوذپذیری نهایی تحت تاثیر این ترکیبات قرار    نمی­گیرند. به طور کلی می­توان گفت که هر چه مقاومت خمیر سخت شده سیمان بیشتر باشد نفوذپذیری آن کمتر خواهد بود زیرا مقاومت تابعی از حجم نسبی ژل در فضای موجود می­باشد. یک استثنا بر این مطلب وجود دارد که خشک شدن خمیر سیمان، نفوذپذیری آن را افزایش می­دهد، احتمالاً به این دلیل که جمع شدگی ممکن است قسمتی از ژل موجود بین لوله­های مویینه را بشکند و مجاری جدیدی را برای عبور آب به وجود آورد. اختلاف بین نفوذپذیری خمیر سخت شده سیمان و بتنی که حاوی خمیری با همان نسبت آب به سیمان باشد، بایستی مورد توجه قرار گیرد، زیرا نفوذپذیری سنگدانه­ها خود بر عملکرد بتن تاثیر می­گذارد.

اگر نفوذپذیری سنگدانه­ها خیلی کم باشد، وجود آنها در بتن، سطح موثری را که آب می­تواند در آن جریان یابد، کاهش می­دهد. به­علاوه از آنجا که مسیر جریان آب در بتن باید ذرات سنگدانه­ها را دور بزند، مسیر موثر به میزان قابل ملاحظه­ای طولانی­تر خواهد شد، به طوری که ممکن است اثر سنگدانه­ها در کاستن از نفوذپذیری بتن، چشمگیر باشد. به طور کلی مقدار سنگدانه­ها در مخلوط، تاثیر کمی بر نفوذپذیری بتن دارد، زیرا سنگدانه­ها به وسیله خمیر سیمان احاطه می­شوند و در بتن کاملاً متراکم شده، نفوذپذیری خمیر سخت شده سیمان بیشترین تاثیر را بر نفوذپذیری بتن دارد.

بیشتر بدانیم : بررسي عوامل موثر برآب بند نمودن ساختار جسم بتن

1. اثرات یخ زدن و آب شدن

با کاهش دمای بتن سخت و اشباع شده در هنگام بهره­برداری، آب موجود در منافذ مویینه خمیر سخت شده سیمان یخ می­زند و بتن منبسط می­شود. اگر پس از آب شدن بعدی، یخ زدن مجدد اتفاق افتد، انبساط بیشتری رخ می­دهد و لذا چرخه­های متوالی یخ زدن و آب شدن اثر تجمعی دارند. این عمل عمدتاً در خمیر سخت شده سیمان اتفاق می­افتد؛ منافذ بزرگتر بتن که در اثر تراکم ناقص به وجود    می­آیند، معمولاً پر از هوا می­باشند و بنابراین به میزان قابل ملاحظه­ای در معرض اثر یخ زدن واقع    نمی­شوند. اثر یخ زدن در بتن تدریجی است، یخ زدن از بزرگ­ترین منافذ شروع می­شود و به تدریج به منافذ کوچک­تر گسترش می­یابد. مقاومت بتن در برابر یخ زدن و آب شدن به خواص مختلف آن یستگی دارد، عوامل اصلی درجه اشباع و چگونگی بافت منافذ خمیر سخت شده سیمان می­باشند. اگر درجه اشباع بتن کمتر از مقدار بحرانی معینی باشد، در برابر یخ زدن مقاوم خواهد بود و بتن خشک به هیچ وجه تحت تاثیر یخ زدگی قرار نمی­گیرد. به عبارت دیگر چنانچه بتن در عمل هرگز با آب اشباع نگردد خطری از بابت یخ زدن و آب شدن آن را تهدید نمی­نماید. اگر خمیر سخت شده سیمان به وسیله حباب هوا به لایه­های به اندازه کافی نازک تقسیم شود، این خمیر درجه اشباع بحرانی نخواهد داشت. ایجاد حباب هوا در بتن مقاومت آن را در برابر چرخه­های یخ زدن و آب شدن به میزان گسترده­ای افزایش می­دهد، ولیکن برای کاستن از حجم منافذ مویینه در بتن، کم بودن نسبت آب به سیمان ضرورتی اجتناب ناپذیر است. همچنین لازم است که قبل از رویارویی با یخ زدن، هیدراتاسیون قابل توجهی صورت گرفته باشد. چنین بتنی نفوذپذیری کمی داشته و آب کمی را در هوای مرطوب جذب می­نماید. حباب هوا در بتن سبب  می­شود که در خمیر سیمان منافذ ریز تقریباً کروی شکل جدا از یکدیگر به وجود آیند به صورتی که هیچ­گونه مجرایی برای عبور آب ایجاد نگردد و لذا نفوذپذیری بتن افزایش نمی­یابد. این منافذ هرگز با محصولات هیدراتاسیون سیمان پر نمی­شوند زیرا ژل فقط در آب تشکیل می­گردد]7[.

1. روش کار

سیمان مصرفی در این تحقیق جهت ساخت تمامی طرحهای اختلاط از نوع سیمان معمولی پرتلند تیپ 1 که در آن الزامات مربوط به ASTM C150 می­باشد. آب مصرفی جهت ساخت بتن و همچنین عمل­آوری نمونه­ها، آب آشامیدنی بوده که ضوابط ASTM D 1129 را برآورده می­نماید. همچنین ماسه مصرفی با قطر ذرات بین 0 تا 36/2 میلیمتر از نوع معمولی و پوکه معدنی با مدول نرمی 92/2می­باشد. شن مصرفی از نوع شکسته با وزن ظاهری Kg/m 31410 و با اندازه اسمی 5/9 میلیمتر در حالت SSD می­باشد. به منظور پر نمودن فاصله بین سیمان، سیمان و سنگدانه و افزایش مقاومت بتن با مقادیر مختلف افزوده شده است. همچنین برای دستیابی به روانی مطلوب و کاهش نسبت آب به سیمان در حدود 5/2 درصد سیمان و میکروسیلیس، فوق روان­کننده به عنوان مواد افزودنی در طرحهای اختلاط استفاده شده است که خصوصیات آن در جدول شماره (2) موجود  می­باشد.

بیشتر بدانیم : كاربرد تركيب ژئوممبران و ژئو تكستيايل در ايزولاسيون مخازن بتني

مواد افزودنی را می­توان به صورت محصولی شیمیایی در نظر گرفت که به جز در موارد خاص بیشتر از پنج درصد جرم سیمان را تشکیل نمی­دهد و در ضمن عملیات مخلوط نمودن به آن افزوده می­شود. علت رشد زیاد کاربرد مواد افزودنی آن است که این مواد قادرند امتیازات فیزیکی و اقتصادی قابل ملاحظه­ای برای بتن ایجاد نمایند. فوق روان کننده­های پلی کربوکسیلاتها با دارا بودن زنجیره­های بلند جانبی متصل به زنجیره اصلی از مکانیزم دیگری علاوه بر دافعه الکترواستاتیکی استفاده می­کنند و آن دور نگه داشتن ذرات از یکدیگر و در معرض قرار دادن سطح بیشتری از ذرات است که این امر باعث کاهش آب مازاد بتن و در نتیجه کاهش فضای بین ذرات و رسیدن به بتنی چگالتر و نفوذناپذیرتر با فاصله ذرات کمتر می­گردد. فوق روان کننده­ها مواد افزودنی هستند که آب را کاهش می­دهند و کارایی بتن را افزایش می­دهند. میکروسیلیس یا دوده سیلیسی محصول فرعی تولید آلیاژهای سیلیسیم و فروسیلیسیم، تولید شده از کوارتز با درجه خلوص زیاد وذغال در کوره­های الکتریکی با قوس مستغرق می­باشد. ­Sio­2 گازی شکل خروجی اکسیده می­شود و به شکل ذرات بسیار نرم و کروی سیلیس بی­شکل متراکم می­گردد؛ لذا نام دوده سیلیسی به آن داده شده است. سیلیس به صورت شیشه بسیار فعال است و ریزی ذرات آن واکنش با هیدروکسید کلسیم حاصل از هیدراتاسیون سیمان پرتلند را تسریع می­نماید، ذرات خیلی کوچک دوده سیلیسی می­توانند در فضای بین ذرات سیمان جای گیرند و تراکم را بهبود بخشند. میکرو سیلیس در ساخت بتن توانمند مفید است منظور از بتن توانمند بتنی است با مقاومت زیاد و یا نفوذپذیری کم است. از فواید دیگر میکروسیلیس، کاهش آب انداختن و بهبود چسبندگی مخلوط می­باشد. میکروسیلیس به علت نرمی زیاد ذرات آن، آب انداختن را کاهش می­دهد، به­طوری که هیچ­گونه آب حاصل از آب انداختن در زیر سنگدانه­های درشت محبوس نمی­شود. در نتیجه تخلخل منطقه فصل مشترک در مقایسه با مخلوطی که حاوی میکروسیلیس نباشد، کاهش می­یابد. واکنش شیمیایی بعدی میکروسیلیس منجر به تخلخل حتی کمتر در منطقه فصل مشترک می­شود که در نتیجه از نظر مقاومت یا نفوذپذیری دیگر ضعیف نخواهد بود. به عبارت دیگر حجم میکروسیلیس به مقدار کم نمی­تواند سطح کل سنگدان­های درشت را بپوشاند و به مقدار اضافی نیز نمی­تواند در سطح سنگدانه­ها جای گیرد.

بیشتر بدانیم : طراحی و ساخت صفحات تصفیه آب

مساحت خیلی زیاد سطح ذرات میکروسیلیس که باید مرطوب شوند، نیاز به آب را افزایش می­دهد به طوری که در مخلوط­های با یک نسبت آب به سیمان کم، لازم است فوق­روان­کننده به­کار برده شود زیرا مصرف توام میکروسیلیس و یک فوق روان کننده مناسب امکان کاربرد نسبت آب به سیمان کم در یک کارایی معین را فراهم می­آورد و به این طریق می­توان نسبت آب به سیمان مورد نیاز و کارایی لازم را تواماً حفظ نمود ]8[.

برای ساخت بتن در محیط آزمایشگاه در بتونیر با ظرفیت تولید 100 لیتر بتن ابتدا سنگدانه­ها به همراه مقداری آب مصرفی در بتونیر به مدت 2 دقیقه مخلوط شد، سپس سیمان و میکروسیلیس اضافه گردید و در نهایت باقیمانده آب و فوق روان­کننده را در حالیکه عمل اختلاط ادامه دارد اضافه می­کنیم. مخلوط در نهایت به مدت 4 تا 5 دقیقه دیگر در بتونیر مخلوط شد. ضروری است که میکروسیلیس به صورت کامل و یکنواخت در مخلوط پخش شده باشد. سپس آزمایش اسلامپ بر روی مخلوط انجام پذیرفت و بتن در درون قالب­های مربوطه ریخته و در محیط آزمایشگاه به مدت 24 ساعت قرار گرفت.

نتایج نشان می­دهد که کمترین مقدار جذب آب زمانی است که میزان نسبت آب به سیمان کمتر و مقدار میکروسیلیس بیشتر باشد و بیشترین مقدار جذب نیز زمانی است که بتن فاقد میکروسیلیس بوده و نسبت آب به سیمان نیز بیشتر باشد. (شکل 1) استفاده از میکروسیلیس در حدود 25 درصد، ضریب نفوذپذیری را به اندازه 5/1 برابر کاهش داد.

منبع : سایت بتن پلاست