حفرات ژلی در بتن و اندازه حفرات در بتن

نویسنده : کلینیک بتن ایران
تاریخ ثبت : 08 اردیبهشت ، 1400

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

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.

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

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

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

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.

6LejitwhAAAAANvn8APaMURvuVWIRBhNqoFP0e9r