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 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.