بررسی نفوذپذیری بتن در برابر گاز اکسیژن به عنوان یکی از شاخصه های پایایی بتن

نویسنده : کلینیک بتن ایران
تاریخ ثبت : 1396/10/09

مقدمه

با توجه به اینکه در مطالعات مربوط به پایائى بتن نظیر بررسى پایائى بتن در برابر نفوذ یون کلر و حملات سولفاتى، در اغلب موارد سیال مهاجم از خارج بتن به داخل بتن نفوذ مى‏ کند، بنابراین میزان نفوذ پذیرى، قابلیت بتن را براى سهولت و یا صعوبت ورود سیال به داخل محیط متخلخل بتن مشخص مى ‏نماید. به این ترتیب در بسیارى از منابع معتبر "نفوذ پذیرى" به عنوان کلید پایائى بتن قلمداد شده است.

در سازه ‏هاى بتنى، بتن پوشش سطحى در اولویت نخست، از خوردگی آرماتور ها حفاظت مى‏ کند. بنابراین از دیدگاه خوردگى آرماتور این منطقه سطحى در معرض نفوذ گاز اکسیژن، گاز کربنیک و آب قرار دارد. نفوذ دو سیال گاز کربنیک و آب ریز ساختار بتن را تـغییر مى‏ دهد و بنابرایـن این‏ دو براى انـجام آزمایش قابل تکرار مناسب نیستند. به این جهت است که به نظر مى‏ رسد گاز اکسیژن براى انجام آزمایش نفوذ پذیرى بتن مناسب‏ترین سیال باشد.

در مبحث مربوط به خوردگى آرماتور در بتن و در تشکیل پیل الکتروشیمیایى، وجود اکسیژن براى تشکیل پروسه کاتد ضرورى است. همچنین روند خوردگى از دو مرحله شروع خوردگى و گسترش خوردگى تشکیل مى‏ شود. براساس تحقیقات انجام شده نفوذ اکسیژن در مرحله گسترش خوردگى آرماتور در بتن اهمیت دارد.

غیر قابل نفوذ بودن بتن همچنین در رابطه با آب بندی مخازن مایعات و گازها، راکتورهای اتمی و مخازن فاضلاب و تصفیه گاز مورد توجه می باشد و الزامات معمول آن است که بتن باید از نفوذ هوا تحت فشار داخلی معینی جلوگیری نماید. همچنین نفوذ گاز در بتن با مسائل فشار هیدرواستاتیکی و داخل سدها نیز مورد توجه می باشد. از طرف دیگر اندازه گیری ضریب نفوذپذیری بتن در برابر گاز نیز مزایایی دارد که از جمله این موارد می توان به سریع بودن انجام آزمایش و عدم تغییر شرایط آزمونه در زمان انجام آزمایش اشاره نمود.

نفوذ پذیرى یک ویژگى ریز ساختارى بتن است که میزان قابلیت بتن را براى عبور سیالى با ویسکوزیته مشخص تحت گرادیان فشار نشان مى دهد.

قانون(Darcy 1856) داراى فرم ساده زیر مى ‏باشد و رابطه بین سرعت حرکت سیال و گرادیان فشار را نشان مى‏ دهد:

v=Kv.i

:v سرعت خطى ظاهرى سیال   (v=Q/A)(m/s)

:Kv ضریب نفوذ پذیرى دارسى  (m/s)

:i گرادیان هیدرولیکى، افت فشار (بدون بعد)

حرکت سیالات از درون بتن از طریق منافذ موئینه و یا ناحیه مرزی بین ماتریس و سنگدانه صورت می گیرد. این در حالیست که به دلیلی کوچکی بسیار زیاد منافذ ژلی، عملا امکان عبور سیال از آن وجود ندارد.

یکی از مهمترین پارامترهایی که بر تخلخل بتن تاثیر می گذارد، نسبت آب به سیمان است. تاثیر نسبت آب به سیمان بر اندازه حفرات و تخلخل بتن در شکل زیر آورده شده است. باید متذکر گردید که نفوذ پذیری بتن تنها تابعی از تخلخل آن نمی باشد، بلکه به اندازه، توزیع و پیوستگی منافذ نیز بستگی دارد.

  1. 1)      ساز و کارهای حرکت سیال در داخل بتن

سیال به یکی از روش های زیر درون سیال حرکت می کند :

جذب سطحی     (Adsorption)

انتشار  (Diffusion)

مکش موئینه  (Absorption)

نفوذپذیری  (Permeability)

هر یک از پدیده های نفوذ یون کلر،کربناتاسیون، حملات سولفاتی و انهدام ناشی از سیکل ذوب و یخ در بتن با توجه به یکی از مکانیزم های فوق یا ترکیبی از آن ها صورت می پذیرد.

  1. 2)      روش های اندازه گیری ضریب نفوذپذیری بتن در برابر گاز

تا کنون روش های مختلفی برای اندازه گیری ضریب نفوذپذیری بتن در برابر گاز توسط محققین پیشنهاد شده است. این روش ها عموما به دو دسته، آزمایشهای نفوذپذیری گاز با اختلاف فشار ثابت و آزمایش های نفوذپذیری گاز با افت فشار (فشار کاهنده) تقسیم بندی می شوند. روش های اندازه گیری ضریب نفوذپذیری گاز با اختلاف فشار ثابت عبارتند از :

(CEMBUREAU توصیه انجمن سیمان اروپا)، این روش مورد تائید کمیته RILEM TC 116-PCD می باشد و در استاندارد ملی ایتالیا UNI  با کد 58-E0031 آورده شده است.

(AFGC-AFREM) توصیه انجمن مهندسی عمران فرانسه

روش LNEC E-392 یا توصیه ملی پرتغال: این توصیه نامه استفاده از نفوذسنج تهیه شده توسط پروفسور Cabrera را که در سال 1999 میلادی در دانشگاه Leeds ساخته شده توصیه می کند.

روش انستیتو نفت فرانسه: در دانشگاه Sherbrooke کانادا و آزمایشگاه پایایی و مصالح ساختمانی تولوز فرانسه (LMDC) که تحقیقات گسترده ای را بر روی نفودپذیری گاز انجام داده اند, از این روش استفاده شده است.

استاندارد امریکایی ASTM D 4525-90: این روش که برای تعیین نفوذپذیری سنگ در برابر نفوذ گاز ارائه شده است برای سنجش نفوذپذیری بتن نیز قابل استفاده است.

  1. 3)      همچنین روش های اندازه گیری ضریب نفوذپذیری گاز با افت فشار عبارتند از:

آزمایش های مکش در سوراخ دریل شده در سطح بتن

آزمایش های وارد کردن فشار در سوراخ دریل شده در سطح بتن

آزمایش های مکش سطحی

آزمایش های وارد آوردن فشار سطحی

  1. 4)      توضیح دستگاه اندازه‏ گیرى نفوذ پذیرى بتن در برابر گاز اکسیژن، توصیه AFPC-AFREM,Cembureau

دستگاه اندازه‏ گیرى نفوذ پذیرى بتن در برابر اکسیژن که براساس دبى خروجى گاز اکـسیژن از نـمونه بتنى مـى ‏باشد، براساس توصیه    Cembureau  و AFREM - AFPC ساخته شده است. این دستگاه در حال حاضر در مراکز تحقیقاتى بتن در بسیارى از کشورهاى اروپایى وجود دارد و در پروژه ‏هاى تحقیقاتى و مشاوره‏اى خصوصاً در سازه‏ هاى آبى و همچنین سازه‏ هاى در معرض عوامل خورنده محیطى مورد استفاده قرار مى ‏گیرد.

1-4)    شرح اجزاى دستگاه نفوذ هوا و شکل شماتیک آن

این دستگاه وسیله‏ اى براى اندازه ‏گیرى دبى اکسیژن است که شامل قطعات زیر مى‏ باشد:

شیر تنظیم فشار تنظیم کننده فشار ورودى سلول

لوله‏ هاى شیشه‏ اى با حجم‏هاى مختلف (160 و 20 و 5 و 2 میلى لیتر)

سلول انجام آزمایش که خود شامل پنج بخش مى ‏باشد: 1- محفظه آلومینیومى 2- دو صفحه پخش کننده هوا براى کسب اطمینان از عبور اکسیژن از تمام سطح قطعه بتنى 3- غشاى پلى اورتان به دور دیسک بتنى 4- تیوپ هوا 5 درپوش ضمناً براى انجام آزمایش از دو کپسول بزرگ مایع استفاده میگردد:

کپسول اکسیژن براى تامین گاز عبورى از آزمونه

کپسول ازت براى باد کردن تیوپ به دور دیسک بتنى تا فشار حداکثر 12 اتمسفر

2-4)    مشخصات آزمونه

آزمونه‏ ها با توجه به حداکثر بعد سنگدانه موجود در بتن به صورت قطعاتى با قطر 15 سانتیمتر و ضخامت 50 یا 65 میلیمتر تهیه مى‏ شوند. ضخامت نمونه باید از 2/5 برابر حداکثر بعد سنگدانه بزرگتر باشد. بعد بزرگترین سنگدانه تا 25 میلیمتر توصیه شده است . براى تهیه این دیسک هاى بتنى باید نمونه‏ هاى استوانه‏ اى استاندارد (استوانه ‏هاى با قطر 15 سانتیمتر و ارتفاع 30 سانتیمتر) را با ضخامت مورد نیاز برش زده و سپس با تهیه حداقل 3 دیسک بتنى از یک نمونه استوانه‏ اى استاندارد، آزمایش را بر روى هر سه نمونه به صورت متوالى انجام داد.

چنانچه از مغزه‏ هاى کرگیرى شده براى انجام آزمایش استفاده شود باید مطمئن بود که نمونه تهیه شده ترک خورده و آسیب دیده نباشد. چنانچه قطر و یا ارتفاع مغزه از مقادیر گفته شده قبلى کمتر باشد مى‏ توان با استفاده از رزین غیر قابل نفوذ براى جبران کمبود قطر و یا جدا کننده (براى جبران کمبود ارتفاع) استفاده کرد. البته در تحلیل نتایج بدست آمده باید دقت زیادى نمود.

این روش براى بتن‏ هاى با عـیار سیـمان حـدود 200 تا kg/m3 450 و مقادیر ضریب نـفوذ پذیرى در برابر اکسیژن بین 10-19 m2 تا 10-14m2  نتایج قابل قبولى مى‏دهد.

  1. 5)      رابطه ضرایب نفوذ پذیرى بتن در برابر آب و در برابر گاز اکسیژن

اندازه‏ گیرى ضریب نفوذ پذیرى بتن در برابر آب از سالها پیش در کشورمان متداول بوده است و خصوصاً در پروژه ‏هاى سد سازى مورد کاربرد قرار گرفته است. در عین حال در ساختمان هاى معمول، بتن سطحى که حفاظت آرماتورها را بر عهده دارد در معرض نفوذ اکسیژن، گاز کربنیک و آب قرار دارد. عملاً انجام آزمایش نفوذ پذیرى با گاز اکسیژن از دو سیال دیگر ساده‏تر و قابل تکرارتر است و این گاز واکنشى هم با محیط بتن نخواهد داد.

چنانچه مقادیر محاسبه شده براى ضرائب نفوذ پذیرى آب و گاز بر حسب m2 ضریب نفوذ پذیرى واقعى بتن بود باید این مقادیر یکسان باشند ولى عملاً ضریب نفوذ پذیرى در برابر گاز بزرگتر است و براى بتن‏هاى با ضریب نفوذ پذیرى کم این اختلاف زیادتر است.

اختلاف بین ضرائب نفوذ پذیرى بتن در برابر گاز و آب را مى‏ توان به موارد زیر نسبت داد:

فعل و انفعال شیمیایى آب با سیمان موجب دوباره هیدراته شدن ذرات سیمان هیدراته نشده مى‏شود و انحلال، ته نشینى و جابجائى ذرات ریز و جذب آب در تخلخل‏هاى کوچک ماتریس سیمان موجب کاهش نفوذ پذیرى مى‏گردد.

اثر klinkenberg  و یا تئورى لغزش گازها، براساس این تئورى گاز نزدیک به دیواره موئینه یک سرعت حدى دارد و بنابراین کمیت جریان گاز از طریق موئینه‏ ها بیش از مقدارى است که با قانون Poiseuille پیش بینى شده است. همچنین این اثر زمانى پدید مى‏آید که مسیر آزاد در مولـکول هاى گـاز نسبت به قطر منافذ موئینه به قدر کافى بزرگ باشد. میزان اثر Klinkenberg به توزیع اندازه تخلخل‏ها و مقدار متوسط فشار آزمایشى دارد. این اثر وقتى که فشار آزمایش زیاد باشد کمتر مى‏شود. البته این اثر تا حدود کمى اختلاف بین دو ضریب نفوذ پذیرى را توجیه مى‏کند.

در اندازه‏ گیرى ضریب نفوذ پذیرى ذاتى مصالح، مقادیر بدست آمده براساس آزمایش با آب به نحو بهترى ریز ساختار بتن را نشان مى‏دهد. براى اندازه‏گیرى ضریب نفوذ پذیرى بتن در برابر گاز که به مقادیر ضریب نفوذ پذیرى ذاتى نزدیکتر باشد باید از فشارهاى زیاد استفاده کرد. در شکل زیر رابطه بین ضرائب نفوذپذیرى نشان داده شده است.

اختلاف بین ضرایب نفوذ پذیرى بتن در برابر گاز و مایع براى بتن‏هاى با ضریب نفوذ پذیرى کم، زیادتر است. براى یک بتن متداول سازه‏اى که ضریب نفوذ پذیرى آن در برابر آب حدود 10-18 m2است، ضریب نفوذ پذیرى در برابر گاز براى فشار حدود 6 اتمسفر ممکن است 100 برابر زیادتر باشد. نتـایج بـدست آمـده از آزمایشها بـراى بـتن معمولى نسبت‏هاى کوچکتر از 100 را نشان مى‏دهد.

روابط زیر براى بدست آوردن ضریب نفوذپذیرى در برابرآب (Kl) با داشتن ضریب نفوذپذیرى در برابر گاز Kg بکار مى‏ رود. kl=kg/(1+b/pm)

 b از رابطه زیر قابل محاسبه است:

در بسیاری از کشورها، ضریب نفوذپذیری بتن در برابر گاز اکسیژن به عنوان یک از معیارهای پذیرش پایایی بتن شناخته می شود. به عنوان نمونه، Torrent بتن ها را از نظر کیفی بر اساس میزان ضریب نفوذپذیریست .

  1. 6)      فعالیت های پژوهشی و مشاوره ای

دستگاه نفوذپذیری بتن در برابر گاز اکسیژن بر اساس روش CEMBUREAU TC 116-PCD RILEM در سال 1382 در این انستیتو راه اندازی شد و از همان زمان پروژه های متعدد پژوهشی و مشاوره ای انجام گرفت.

رئوس فعالیت های پژوهشی و مشاوره ای انجام شده عبارتند از:

تاثیر پوزولان

تاثیر مواد حباب ساز

مقایسه نفوذپذیری بتن در برابر گاز اکسیژن و عمق نفوذ آب

بررسی رابطه بین مقاومت فشاری بتن و ضریب نفوذپذیری بتن در برابر گاز اکسیژن

مقایسه ضریب نفوذپذیری بتن در برابر گاز و آب

نتیجه گیری

نفوذپذیری یک ویژگی ریز ساختاری بتون است که میزان قابلیت این ماده ساختمانی را برای عبور سیالی با ویسکوزیته مشخص و تحت گرادیان فشار نشان می دهد. ضریب نفوذپذیری ارتباط مستقیمی با ریز ساختار و کیفیت بتن دارد. در بسیاری از منابع معتبر ضریب نفوذپذیری به عنوان کلید پایایی بتن قلمداد شده است.

به نظر می رسد با توجه به اهمیت پایایی بتن در شرایط محیطی مختلف در نواحی گوناگون کشور، باید در راستای گسترش روش های متداول و معتبر برای ارزیابی کیفی بتن و ضوابط پذیرش بتن اقدام نمود و بر اساس نتایج بدست آمده معیارهایی نظیر ضریب نفوذپذیری بتن دربرابر گاز اکسیژن را نیز در آیین نامه های ملی منظور نمود.

تعدادی از مراجع

1) Bakhshi, M., Mahoutian, M. and Shekarchi, M., “The Gas Permeability of Concrete and Its Relationship with Strength”; Second International fib Congress, Naples, Italy, June 2006.

2) Mahoutian M., Bakhshi, M. and Shekarchi, M., “Study on Gas Permeability of Air-Entrained Concrete” Ninth CANMET/ACI International Conference on Advances in Concrete Technology, Poland, May - June 2007(accepted).

3)Mahoutian M., Bakhshi, M.,Bonakdar A. and Shekarchi, M., “Effect of High Reactivity Metakaolin on the Gas Permeability of High Performance Concrete Mixture” Ninth CANMET/ACI International Conference on Fly Ash, Silica Fume, Slag and Natural Pozzolans in Concrete, POLAND, May - June 2007(accepted).

4)محمد شکرچی زاده، مهدی بخشی، " نفوذپذیری بتن در برابر گاز اکسیژن"، مجله انجمن بتن ایران‏‌‏‏‏‏‏‏‏‏، شماره 13، صفحه 21-16 بهار1383.

5)محمد شکرچی زاده، مهدی بخشی و مهرداد ماهوتیان ، " نفوذپذیری بتن در برابر گاز اکسیژن"، دومین کنفرانس بین المللی بتن وتوسعه، جلد 2، صفحه 777-767، 1384.

مهندس محمد شکرچی زاده

 

 

سایر مقالات
تاثیر ناخالصی های آب بر روی مقاومت بتن
تاثیر ناخالصی های آب بر روی مقاومت بتن
وجود ناخالصی در آب مخلوط بتن باعث تغییراتی در ویژگی‌های سازه‌ای بتن نظیر مقاومت و دوام می‌شود. به طور کلی، تاثیر ناخالصی‌ها بر روی ویژگی‌های بتن را می‌توان به دو صورت بررسی کرد. نخست: تغییرات زمان گیرش سیمان پرتلند در زمان استفاده از آب حاوی ناخالصی و آب مقطر. دوم: تغییرات مقاومت بتن در زمان استفاده از آب حاوی ناخالصی و آب مقطر.
ادامه مطلب
خوردگی بتن مسلح در برابر آب دریا
خوردگی بتن مسلح در برابر آب دریا
به دلیل پیچیدگی تاثیرات محیط بر سازه ها و عکس العمل های وارد شده، برخی بر این باورند که برای به دست آوردن عملکرد واقعی، تنها اصلاح خصوصیات مصالح، پاسخگو نیست و باید اجزای معماری، طراحی سازه، فرایند اجرایی، روش های ارزیابی و سیستم نگهداری، تعمیرات و پیش گیری نیز اصلاح شود.
ادامه مطلب
طریقه اضافه کردن فوق روان کننده ها به بتن
طریقه اضافه کردن فوق روان کننده ها به بتن
اضافه کردن افزودنی فوق روان کننده در محل ساخت بتن : یکی از فواید اضافه کردن افزودنی های فوق روان کننده در محل تولید بتن این است که کنترل روانی بتن معمولاً توسط یک فرد مشخص انجام میشود.  در واحد مرکزی تولید بتن باید دستورالعمل ها و روش های برای اندازه گیری و کنترل نسبت آب به سیمان و اسلامپ بتن پیش از اضافه کردن افزودنی فوق روان کننده وجود داشته باشد.
ادامه مطلب
انتخاب مواد ترمیم کننده ی بتن
انتخاب مواد ترمیم کننده ی بتن
بتن‌ها بنا به دلایل مختلف محیطی، بارگذاری و به وجود آمدن شرایط پیش‌بینی نشده، ممکن است که آسیب ببینند. هر چند امروزه با پیشرفت صنعت ساخت و ساز، اغلب آسیب دیدگی‌ها پیش بینی می‌شود و از وقوع آن‌ها در آینده جلوگیری می‌شود
ادامه مطلب