پیش بینی تغییرات خصوصیات فیزیکی بتن
در تماس با آب قرار می گیرد به این دلیل اتفاق می افتند که مواد تحت این شرایط در اثر جدا شدن از هم و یا ترکیب شدن با هم مبادله می شوند. هر چند که تا کنون روش خاصی برای اندازه گیری مقدار تغییرات خواص یافت نشده است . نویسنده در این مقاله سعی دارد تا کارایی آزمایشات سیمان در شرایط مایع ودقت سازه های بتنی 34 تا 104 ساله را مورد مطالعه قرار دهد و مدلی برای تضعیف خصوصیات فیزیکی به دلیل نشت مواد هیدراته و بر اساس نتایج این مطالعات طراحی کند.
سازه های بتنی مانند مخازن ، تانکرها ، سدها ، لوله های ذخیره آب در طولانی مدت در تماس با آب می باشند و به همین خاطر ممکن است بخشی از مواد آن جدا شده و شسته شود همانند مشکلات محیطی بنابراین نشت مواد هیدراته دلیل اصلی افزایش تحقیقات در این زمینه بوده است. بخشی از اطلاعاتی که اکنون درباره افزایش غلظت مایع به خاطر نشت موادی مانند کلسیم از هیدراتهای سیمانی بدست آمده نتیجه تحقیقات گذشته می باشد ، همچنین تحقیقات بسیاری برای مدل سازی و اندازه گیری تغییرات شیمیا یی حاصل از نشت مواد صورت گرفته است. هرچند که تاکنون روش و راه حل خاصی برای اندازه گیری کاهش غلظت مواد شیمیایی و تحلیل این تغییرات بدست نیامده است که این مسئله حاصل روند بسیار کند واکنشهای تجزیه حاصل از نشت مواد می باشد. به همین ترتیب نتایج بدست آمده از آزمایش خمیر در آب و رزین عایق و تغییرات خصوصیات فیزیکی حاصل از نشت مواد هیدراته سیمان مورد مطالعه قرار گرفتند و به طورهم زمان این نتایج با داده های سازه های حقیقی در بازه سنی 34 تا 104 سال مقایسه شدند. حاصل این تحقیقات شایان توجه می باشد زیرا کارآمدی و وسعت روشهای مطرح شده را در تخمین و اندازه گیری تغییرات خواص فیزیکی در اثر نشت مواد نشان می دهد ، افزون بر آنکه مدلی برای پیش بینی کمی این تغییرات وبر اساس نتایج این اکتشافات ابداع شد.
نمونه های خمیر مورد آزمایش در 4 نوع که از نظر میزان آب سیمان با یکدیگر متفاوتند آماده شده و همانطور که مشاهده می شود نتایج آزمایشات کیفیت سیمان به کار برده شده در نمونه آورده شده است.
سیمان معمولی پورتلند (Portland) که برای این تحقیق در نظر گرفته شده است دارای 100 % OPC می باشد و هیچ ماده زائدی مانند کربنات کلسیم همراه خود ندارد ، از این سیمان برای تهیه نمونه استفاده شده است وآب یونیزه شده برای مخلوط کردن آن به کار برده شده است. برای تهیه این مخلوط از مخلوط کن چرخشی استفاده شد و دمای حفره و رطوبت فضای مخلوط کن برابر با 30 ºC و 60 %RH می باشد. بعد از یک روز که خمیر مورد نظر در شرایط آزمایش قرار داده شد مدت 56 روز زیر آب و در دمای 40 ºC قرار می گیرد این کار به جهت افزایش میزان هیدراتاسیون آن در شروع آزمایش و در طول انجام ان می باشد و پس از این مدت آزمایشات انجام شده جهت تثبیت خواص نمونه تکمیل شده است. سرانجام شش نمونه یک اندازه ازقسمت هسته قطعه اصلی جدا شده و برای آزمایش کنار گزارده می شوند.
در آزمایشهای اولیه سعی در تثبیت خواص فیزیکی است و این آزمایشها بر اساس JIS R5210 انجام شده اند. در تمامی این آزمایشها سختی آب به صورت تصادفی در نقاط مختلف اندازه گیری شده و برای هر نمونه ایت کار 30 بار انجام گرفته است . همچنین آزمایشهای خمیر در مایع و در دمای 20ºC انجام شده است و آب حاصل از تبادل یونها و کاتیونها با میزان غلظت اسیدی بالا در واکنش با سولفات کلسیم با کمترین خسارت در مقایسه با یونهای سیلیس قرار داده شده و بر این اساس تمام کلسیم موجود در خمیر نمونه دارای یونهای تغییر یافته بود برای آماده سازی آب در تهیه خمیر نمونه و سرانجام پس از مدت زیاد وبا ادامه این آزمایشات میزان سختی و خوردگی را می توان در کنار هم بدست آورد. از نتایخ این آزمایشات مشاهده شد که درجه هیدارات F را می توان 9.77 در نظر گرفت ودر اینصورت نتایج آزمایش فرقی نخواهد کرد. همچنین مشاهده شد که به طور تجربی تغییرات خطی در میان درصد آب سیمان است.
همانگونه که از نتایج بر می آمد ، نیروی قوی در این آزمایشها وجود دارد و واکنشی که سبب تضیف بود به جهت نشت مواد بسیار کند پیش رفته و به همین خاطر تعیین نیروی پس از تضعیف دشوار است.
در مطالعه سازه های نمونه و در پیش بینی میزان تخلخل روشهای به کار برده شده ، این تحقیقات بر روی مجموع 5 سازه متفاوت انجام شده اند که ازحدود 34 تا 104 ساله و در تماس با آب بوده اند و به همین ترتیب 9 نمونه متفاوت از ملات و سیمان که میزان تخلخل در نظر گرفته شده برای سازه اصلی همان میزان تخلخل ملات می باشد . هرچند به طور معمول هرگاه میزان این مقادیر اندازه گیری شده افزایش میابد مقادیر پیش بینی شده نیز افزوده می شوند و این در حالیست که کاملا واضح است که مقادیراندازه گرفته شده از مقادیر پیش بینی شده بزرگتر هستند . بنابراین پیش بینی های انجام شده با در نظر گرقتن کلیه احتمالات ممکن انجام می گیرد. بر اساس نمودارهای بدست آمده مقادیر پیش بینی شده و اندازه گیری شده به خوبی با هم مطابقت داشته و نقطه شاخص آنها نشاند هنده ضرورت توجه به میزان خلل پذیری و شدت آن در ملات و سیمان وهمچنین تثبیت تاثیرات زیاد این روش می باشد.
به همین ترتیب یک سری آزمایشهای انجام شده در شرایط مطلوب آزمایشگاه نیز وجود دارند که به بررسی ارتباط میزان تمرکزخمیر سفت کلسیم در آزمایشهای یاد شده می پردازند. با کمک میزان آب سیمان مشاهده می شود که میزان تمرکزخمیر سفت کلسیم کاهش میابد و میزان سختی رو به افزایش می گذارد و به این ترتیب می توان در یک نمودار این روند را نمایش داد. دلیل این امر می تواند این باشد که تمرکز یونهای موجود در آب در طی آزمایشها زیاد شده وسرعت تجزیه و تخلخل تا حد زیادی افزایش میابد همانطور که قبلا هم ذکر شد. و بر اساس منحنی ها می بینیم که در یک طیف ±50 %
از محدوده نمودار این شرایط قابل پیش بینی هستند .
بر همین اساس نتایج نشان می دهند که در سازه های حقیقی میان دو فاکتور تمرکز خمیر جامد کلسیم و میزان سختی ارتباطی وجود دارد و این رابطه کاملا پایدار و ثابت است وهمینطور مشاهده شد که میزان سختی قابل پیش بینی است در صورتیکه تمرکز کلسیم در ملات یا سیمان مشخص باشد. هرچند منحنیهای مشابهی در مورد نتایج آزمایشهای تبادل یون درشرایط آزمایشگاه و همچنین در مورد سازه های اصلی دیده می شوند اما نتایج آزمایش در شرایط آزمایشگاه از تنوع یکنواخت تری برخوردار است و هرچند تفاوتهایی میان ملات ، سیمان و خمیر مورد آزمایش مشاهده می شود اما ارتباط یافت شده در بررسیها آنها را از نظرکاربردی مشابه نشان می دهد. بر این اساس هدف یافتن ارتباط اولیه و ریشه ای میان میزان تمرکز خمیر جامد کلسیم و میزان سختی مطابق اطلاعات داده شده و تبادل یونهای رزین در آزمایشگاه با تنایج حاصل از سازه های اصلی می باشد. هرچند شرایط مخلوط را می توان نادیده گرفت و بدین ترتیب میزان سختی را در طیف ±50 % بر اساس این تناسب پیش بینی نمود. همانطور که از مقایسه نمونه ها بدست آمده است قبل و بعد از تجزیه ای که به دلیل نشت مواد اتفاق می افتد هیچگونه تغییری در ارتباط میان تخلخل و سختی رخ نمی دهد و اگر هم چنین چیزی مشاهده شود به دلیل تشابه تغییرات سختی و ارتباط آن با قدرت خلل پذیری می باشد و به هر حال برای این سری از نتایج نمونه ها و ؛آزمایشهای جداگانه ای لازم است .
نتایج بدست آمده از این سری آزمایشها و بررسیها به این شرح می باشند ،
1. هیچگونه تفاوت قابل توجهی در مکانیسم واکنشها میان آزمایشهای داخل آبی که بر روی رزین با تبادل کاتیونهای با شدت اسیدی بالا و همچنین بدون رزین مشاهده نشد. و از آنجا که بیشترین میزان تجزیه در آزمایشات داخل آب اتفاق می افتد ، می توان این آزمایش را به عنوان یک روش کارآمد آزمایش درمورد نست مواد در نظر گرفت.
2. میزان خلل پذیری خمیر مورد آزمایش پس از تجزیه حاصل از نشت را می توان بوسیله مدل سازی پیش بینی نمود و همچنین مدلی که نشان دهنده کاهش خلل پذیری در طول نشت است.
3. در شرایطی که که سیمان یا ملات را نیز منظور می کنیم پیش بینی ها را می توان بر اساس استانداردهای آئین نامه در نظر گرفت.
4. مدلی که برای مشخص کردن درجه سختی از میزان پراکندگی شاخص تمرکز خمیر جامدکلسیم و همچنین مدل جدا کننده درجه سختی از تخلخل با یکدیگر مقایسه شده اند و مدل دوم طبق مشاهدات بسیار دقیق تر می باشد.
5. میزان تخلخل را می توان با محاسبه میزان نغوذ خمیرجامد کلسیم بدست آورد ، و تغییرات قدرت تحمل فشار ، قدرت تطبیق و شدت تجزیه را می توان برای تک تک مواد حاصل از تجزیه در اثر نشت محاسبه نمود.
سیمان چیست؟
سیمان ها مواد چسبنده اى هستند که قابلیت چسبانیدن ذرات به یکدیگر و بوجود آوردن جسم یک پارچه از ذرات متشکله را دارند. این تعریف از سیمان داراى آن چنان جامعیتى است که مى تواند شامل انواع چسبها از جمله چسبهاى مایع که در چسبانیدن قطعات سنگ یا سنگ و فلزات به یکدیگر بکار مى روند نیز بشود.
نمونه اى از این چسبها در صنعت سیمان در کار گذاشتن آجر نسوز در کوره سیمان مورد مصرف دارد و خاصیت اصلى آن این است که آجر نسوز ( که یک جسم سرامیکى است ) را به بدنه کوره ( آهن ) مى چسباند، همچنین انواع سیمان هاى دیگر که در دندانپزشکى مورد مصرف دارند، از جمله چسب ها مى باشد. آنچه که از کلمه سیمان در این متن مورد نظر است، آن نوع از سیمان ها است که داراى ریشه آهکى مى باشند. به عبارت دیگر سیمان هایى که ماده اصلى تشکیل دهنده آنها آهک و ماده اولیه اصلى آنها سنگ آهک است. بر این اساس سیمان ترکیبى است از اکسید کلسیم ( آهک ) با سایر اکسیدها نظیر اکسید آلومینیم، اکسید سیلیسیم، اکسید آهن، اکسید منیزیم و اکسیدهاى قلیایى که میل ترکیب با آب داشته و در مجاورت هوا و در زیر آب بمرور سخت مى گردد و داراى مقاومت مى شود.
با توجه به مشخصه فوق سیمان مى تواند داراى ترکیبات متفاوتى باشد و اصولا جزو ملاتهاى آبى محسوب مى گردد. ملاتهاى آبى از دوران گذشته شناخته شده بودند، از جمله این ملاتها آهک است که مصرى ها و یونانى ها با مخلوط کردن آن با خاکستر آتش فشانى، خاک آجر و آب به نوعى آهک آبى دست مى یافتند که خاصیت سخت شدن و فشار پذیرى داشت. با بکار بردن این ساروج رومى ها توانسته اند ساختمانهاى عظیمى بسازند که هنوز بقایاى آنها پس از گذشت چند هزار سال پا بر جا و قابل مشاهده است.
تاریخچه سیمان
- ریشه کلمه سیمان
در رم قدیم مخلوطى از خرده سنگ و آهک پخته درست مى کردند که از ترکیب این مخلوط با آب، بتن حاصل مى گردید و از این بتن براى کارهاى ساختمانى استفاده مى شد. این نوع ساختمانها را ( Opus Cdementitium ) مى نامیدند. به مرور کلمه Cementum به مخلوطهاى مورد استفاده در این نوع ساختمان سازى اطلاق گردید. منظور از Cementum نوع خاصى خرده سنگ بود که وقتى پودر آنها با آهک مخلوط مى گشت داراى خاصیت هیدرولیکى بیشتر و به مرور در مجاورت هوا و در زیر آب سخت مى گشت و داراى مقاومت قابل توجهى مى شد.
این خرده سنگ ها یا از باقیمانده هاى آتشفشان ( خاکستر آتشفشانى ) بودند و یا از خرده آجرهاى کوره آجرپزى.
- تاریخچه کشف سیمان
با توجه به اشاره اى که به ریشه کلمه سیمان شد و با توجه به اینکه سابقه ساخت آهک به زمانه قدیم ( بیش از دو هزار سال پیش ) بر مى گردد، مى توان ریشه و سابقه تولید سیمان ( منظور سیمان طبیعى ) را چیزى در حد تاریخ تولید آهک دانست. در سیمان طبیعى از گرد حاصل از خاکستر آتشفشان و سنگهاى آتشفشانى ( Volcanic Tuff or Pozzolana ) و مخلوط کردن این گرد با آهک شکفته استفاده مى شود.
تا پایان نیمه اول قرن هجدهم، عواملى که ایجاد خاصیت هیدرولیکى و چسبندگى در برخى مواد مى کرد در پرده اسرار بود تا اینکه یک مهندس انگلیسى به نام جان اسمیتون به خواص مهم ترکیبات موجود در خاک رس و خاصیت سخت شدن این ترکیبات پى برد. این اکتشاف در سال 1765 و در موقعى که نامبرده بدنبال پیدا کردن مصالحى بود که داراى چسبندگى و مقاومت کافى در مقابل آب باشند، حاصل ماده این مصالح براى تجدید بناى فانوس دریایى ( Eddystone ) در نزدیکى پلیموت بود.
اسمیتون در ساختن ملاتهاى آزمایشى خود، چند جور آهک مصرف کرد و از هر یک نمونه هایى ساخت، پس از آنکه نمونه ها خود را گرفت، آنها را زیر آب گذاشت و با هم سنجید و به این نتیجه رسید که بهترین آهک از پختن نوعى سنگ آهک به نام Glamorgan بدست مى آید. از تجزیه این سنگ آهک روشن شد که حاوى مقدارى خاک رس است. این نکته سر نخ اکتشاف خواص هیدرولیکى ترکیبات خاک رس بود. در حقیقت علت کشف فوق این بود که اسمیتون در ضمن تجزیه انواع آهک ها متوجه شد آن نوع آهکى که داراى باقیمانده محلول بیشترى در اسید نیتریک باشد، داراى خاصیت هیدرولیکى بیشترى می باشد. این باقیمانده ها ( Insoluble Residue ) به علت وجود کوارتز و خاک رس در سنگ آهک مورد استفاده جهت پخت آهک مى باشند.
در سال 1776 یک نفر انگلیسى دیگر به نام James Parker سیمان هیدرولیکى دیگرى ساخت و نام آنرا سیمان رومى ( Roman Cement ) گذاشت. این سیمان ( آهک آبى ) از پختن قلوه سنگ هاى آهکى رسى ( گلاهک Septaria ) بدست آمد. این سیمان در همان سال در انگلستان به ثبت رسید.
اولین اقدم بشر که در زمینه تهیه مخلوط مصنوعى از سنگ آهک و خاک رس براى تهیه سیمان ( آهک آبى ) صورت گرفت در فرانسه و توسط ویکات ( Vicat ) در ابتدى قرن نوزدهم بود. ویکات، سنگ آهک و خاک رس را با هم مخلوط کرد و سپس به همراه آب این مخلوط را آسیاب نمود و دوغاب حاصله را پخت. گرچه نتیجه حاصله موفقیت آمیز بود، ولى عملا در فرانسه این روش ادامه داده نشده تا اینکه در انگلستان یک بناى آجرچین به نام ( Joseph Aspdin ) موفق شد از پختن مخلوطى از سنگ آهک و خاک رس ( به نسبت متفاوت و به صورت دوغاب ) در درجه حرارت بالا به نوعى آهک آبى فوق العاده جالب دست یابد. وى نام این محصول به دست آمده را سیمان پرتلند ( Port Land Cement ) گذاشت و در 21 اکتبر 1824 سیمان اختراعى خود را به ثبت رسانید.
علت این نام گذارى هوشیارانه این بود که بتن ( سنگ مصنوعى ) حاصل از این آهک آبى و خرده سنگ شباهت هاى زیادى ( خصوصا از نظر رنگ ) با نوعى سنگ آهک داشت که در جنوب انگلستان و در جزیره پرتلند یافت مى شد. البته این سیمان با آنچه هم اکنون به نام سیمان پرتلند معروف است تفاوت دارد و کاملا مشابه نیست.
کار اسپدین توسط پسرش ویلیام ( William ) پیگیرى شد و نامبرده موفق گردید در سال 1843 با دست یابى به تکنیک استفاده از درجات حرارت بالاتر و ایجاد حالت عرق کردن در حین پخت به محصولى دست یابد که درصد قابل توجهى از مواد مورد استفاده به صورت گداخته شده ( Sintered ) و مابقى به صورت پخته شده درآید. منظور از گداخته شدن ( Sintering ) همان پختن در درجات حرارت بالاست، به طوریکه بخشى از مواد در حال پخت به صورت گداخته ( مذاب ) درآیند. سیمان ساخته شده توسط ویلیام اسپدین واقعا بهتر و عالى تر از سیمان هاى قبلى بوده و داراى مقاومت بیشترى بود. از این سیمان در ساختمان جدید پارلمان انگلستان ( 1840-1852 ) استفاده گردید
روشهای ساخت سیمان
روشهاى مختلفى براى تولید سیمان وجود دارد. اصولا چهار روش براى تولید سیمان وجود دارد :
1- روش تر
2- روش نیمه تر
3- روش نیمه خشک
4- روش خشک
- روش تر و نیمه تر
در روش تر و نیمه تر خاک رس مصرفى در دستگاه دوغاب ساز ( Wash mill ) ، تبدیل به دوغاب مى گردد. سپس دوغاب خاک رس به همراه سنگ آهک در آسیاب مواد خام مخلوط و نرم گشته و تبدیل به دوغاب با غلظت بیشترى مى شود. پس از تنظیمات لازم توسط آزمایشگاه، بعنوان خوراک کوره مورد مصرف قرار مى گیرد. در روش نیمه تر، مواد خروجى از آسیاب مواد به صورت دوغاب است و قبل از ورود به کوره بوسیله فیلتر پرس آب آن گرفته مى شود و بصورت کیک یا آماج ( حبه ) به کوره تغذیه مى گردد.