آب دریا و پارامتر های تاثیر آن بر بتن

آب دریا و آب هاى شور حاوى موادى هستند که به بتن و آرماتور داخل بتن صدمه مى زنند.مهمترین این مواد کلراید است.کلراید ، در صورت فراهم بودن شرایط مساعد موجب خوردگى شدید آماتورها از نوع حفره اى مى شود.

شرایط مساعد عبارتند از:  مناسب بودن غلظت کلراید در بتن مجاور آماتور ، مناسب بودن رطوبت بتن و فراهم بودن منبع تامین اکسیژن.

وجود سولفات منیزیم در آب دریا مى تواند موجب تشکیل پوشش هیدروکسید منیزیم  mg(Oh) 2 شده و در نتیجه بر روى قابلیت انتشار کلراید در داخل بتن تاثیر بگذارد.  از جمله واکنش هاى دیگرى که ممکن است رخ دهد تشکیل آراگونیت CaCo 3 است.در اینگونه شرایط قابلیت انتشار بتن هایى که در معرض آب دریا قرار گرفته اند و یا بتن هایى که در آزمایشگاه در مجاورت آب هاى حاوى کلراید قرار گرفته اند ، حتى اگر سایر شرایط  نیز ثابت باقى بماند ، ممکن است تغییر کند.همچنین ، با توجه به تحقیقاتى که هوف در سال 1986 انجام داده است. گیاهان دریایی ، چسبیدن صدفها به سطح بتن سازه هاى بتن مسلح دریایى و تهاجم ارگانیسم هاى موجود در آب دریا مى تواند در این خصوص از اهمیت خاصى برخوردار باشد. 

محیط هاى دریایی

فردیکسن و همکارانش در سال 1997 ، محیط هاى دریایى را از نظر قرارگیرى سازه هاى بتن آرمه در معرض آنها به سه ناحیه تقسیم کردند. این تقسیم بندى در شکل  2-5-1 نشان داده شده است.

الف) ناحیهى محیط جوى مناطق دریایى ، ATM:  بتن هایى که در 3 مترى یا  بیش از 3 مترى بالاتر از حداکثر تراز آب ، شامل محل برخورد امواج ، قرار دارند. در این ناحیه قرار مى گیرند.خود ناحیه ى جوى را هم مى توان در صورت لزوم به نواحى حوى پشت به باد و جوى رو به باد تقسیم بندى کرد.

ب) ناحیه ى پاشش دریای ، SPL:  بتن هایى که بین محدوده هاى 3 متر بالاتر از نقطه ى حداکثر تراز آب ، شامل محل برخورد امواج ، و 3 متر پایین تر از نقطه ى حداقل تراز آب ، شامل محل برخورد امواج ، قرار دارند در این ناحیه قرار مى گیرند. 

ج) ناحیه ى مغروق در آب دریا ، SUB : بتن هایى که در محدوده ى 3 متر پایین تر از حداقل تراز آب ، یا پایین تر از این محدوده قرار می گیرند در ناحیه مغروق قرار دارند.

پارامترهای حاکم بر سازه های دریایی

پارامترهای حاکم بر سازه های دریایی ، هم به ترکیب بتن و هم به ناحیه محیطی بستگی دارند . مقادیر این پارامترها را باید از مشاهدات و بررسی های درجا بر روی سازه های دریایی در محیط مورد نظر به دست آورد . برای انجام این ارزیابی باید مجموعه ای شامل حداقل دو مشاهده برای هر یک از پارامترها داشته باشیم . همچنین این مشاهدات باید یک بازه زمانی تا حد امکان گسترده را پوشش دهند.

مدل پیشنهادی در این تحقیق ، مقادیر به دست آمده پس از گذشت دقیقا یک سال از قرار گیری سازه در معرض محیط را به عنوان اولین مجموعه مقادیر به کار می برد.

بتن های واقع در شرایط محیطی مختلف دریایی

کحاسبات پارامترهای حاکم بر بتن های قرار گرفته در شرایط مختلف محیطی دریایی ( یعنی ناحیه پاشش دریایی ، ناحیه مغروق در آب دریا ، و محیط جوی دریایی ) اساسا به صورتی که در قبل بیان شد انجام گیرد.بر اساس نتایجی که ماگه و همکارانش در سال 1999 و مانگات و همکارانش در سال 1994 گزارش کرده اند ، معلوم شده است که پس از گذشت حدود دو سال از تهاجم کلراید به بتن بر اثر قرار گیری آن در ناحیه پاشش دریایی یا مغروق در آب دریا ، میزان کلراید سطح بتن بر اثر قرار گیری آن در ناحیه پاشش دریایی یا مغروق در آّب دریا ، میزان کلراید سطح بتن ، تقریبا و نه دقیقا ، ثابت باقی می ماند .

در مورد سازه های دریایی موجود توصیه می شود که از مقادیر یک ساله پارامترها استفاده شود در صورتی که قصد داشته باشیم بررسی های دیگری نیز به طور همزمان بر روی بتن انجام دهیم ، می توانیم چندین پروفیل کلراید از نمونه مورد نظر به دست بیاوریم . پس از آن میتوانیم با استفاده از تحلیل رگرسیون غیر خطی ، ضریب انتشار کلراید به دست آمده و نیز میزان کلراید سطحی به دست آمده در بتن را تعیین کنیم .

با این وجود ، در یک سازه دریایی در دست طراحی ما مجبور هستیم که یا از مقادیر 100 ساله مبتنی بر تحقیقات انجام شده قبلی استفاده کنیم و یا یک نوع داده مشابه آن را به کار ببریم.

انواع ساز و کارهای انتقال کلراید به داخل بتن

سازو کارهای انتقال کلراید به داخل بتن را معمولا می توان به صورت زیر تقسیم بندی کرد :

- انتشار

در این حالت ، مکانیسم انتقال کلراید به داخل بتن ناشی از تفاوت غلظت کلراید در نواحی مختلف بتن است . کلراید همواره به مناطقی نفوذ پیدا می کند غلظت کلراید در آن مناطق کمتر است .

- تراوش یا نفوذ

مکانیسم انتقال در این حالت ناشی از تفاوت فشار هیدرولیکی در نواحی مختلف بتن است . کلراید همواره به طرف مناطقی حرکت می کند که فشار هیدرولیکی در آن مناطق کمتر است انقال کلراید به بتن از طریق مکانیسم تراوش ، در بتن هایی می تواند صورت گیرد که میزان زیادی ، ترک و خرابی در آنها وجود داشته باشد.

- مهاجرت

در این حالت ، انتقال کلراید به داخل بتن ناشی از اختلاف پتانسیل الکتریکی است . کلراید همواره به طرف آن نواحی حرکت می کند که پتانسیل الکتریکی کمتری دارند . انتقال کلراید به داخل بتن از طریق مکانیسم مهاجرت هنگامی می تواند رخ دهد که بتن در معرض جریان هرز ، یعنی جریانی که از مداری غیر از مدار نظر عبور کند ، قرار گیرد . یونهای منفی کلراید ( که مثلا می تواند ناشی از خاکی باشد که در تماس با بتن قرار گرفته است ) ، به طرف نواحی آندی ( مثبت )  آرماتور ها مهاجرت می کنند و در آن نواحی آهنگ خوردگی آرماتور را افزایش داده و موجب خوردگی به صورت حفره ای می شوند . برای ایجاد شرایط مهاجرت کلراید را به داخل بتن ، مطابق با استاندارد [39]NCTI991 و یا سایر روشهای آزمایشگاهی ، کلراید را به طریق الکتروشیمیایی از درون بتن بیرون می کشند . سپس ضریب انتشار کلراید در داخل بتن را بر اساس استانداردهای مختلف ، از جمله استاندارد [40]ASTM C 1202-94 تعیین می کنند.

- همرفت

این مکانیسم هنگامی رخ می دهد که بین نقاط مختلف بتن اختلاف میزان رطوبت یا اختلاف فشار بین رطوبت نواحی مختلف مختلف بتن موجود باشد . آب ( حاوی کلراید ) همواره به طرف ناحیه ای حرکت می کند که میزان رطوبت در آنجا کمتر باشد ، مشروط بر آنکه سایر پارامترها در نقاط مختلف با یکدیگر برابر و یکسان باشند .

یکی از موارد خاص در این حالت آن است که سطح بتن خشک شود . در این صورت مایع منفذی بتن به طرف سطحی حرکت می کند که در معرض تبخیر قرار دارد . در حالتی که در داخل بتن کلراید موجود باشد ، تبخیر موجب افزایش غلظت کلراید بر روی سطحی می شود که بر روی آن تبخیر رخ می دهد . این پدیده را عملکرد فیتیله ای می نامند . یکی دیگر از حالتهای خاص تر و خشک شدن های مکرر است که می تواند موجب آن شود که غلظت کلراید بر روی سطح بتن بسیار زیاد بشود.

خوردگی آرماتور فولادی در بتن

دوام بتن یکی از مهمترین مخصه های آن است که باید در هنگام طراحی و ساخت بتن ، تمهیدات لازمی برای تامین آن در نظر گرفته شود . علاوه بر آن ، می باید با روشهای مناسب علمی ، طول عمر خدمت دهی سازه های مختلف بتنی ، نحوه رفتار آن ها در شرایط مختلف محیطی ، وجود خوردگی ها و تخریب های احتمالی و علل ان ها و نحوه تعمیر و زمان انجام آنها را مشخص سازیم .

خوردگی فولاد مدفون در داخل بتن بر اثر نفوذ یون کلراید و پیامد های آن ، یکی از مهمترین انواع خرابی های سازه های بتن مسلح است که بویژه به دلیل کثرت میزان آن ، هر ساله خسارات بسیار زیادی را بر ابنیه بتنی وارد می آورد . علی رغم تحقیقات فراوانی که در این زمینه صورت گرفته است ، معهذا به دلیل اهمیت فنی و اقتصادی موضوع ، هنوز هم بخش عمده ای از تحقیقات مربوط به دوام بتن در این زمینه انجام می گیرد .

این موضوع در کشور ما نیز ، به دلیل جدی بودن مسئله ، بویژه در مناطق حاشیه سواحل و جزایر خلیج فارس و دریای عمان از اهمیت زیادی برخوردار است .

سازه و کارخوردگی فولاد بر اثر تهاجم کلراید

در این قسمت ، ابتدا در مورد ساز و کار خوردگی فولاد و سپس در مورد نقش کلراید بر آن بحث می کنیم . در واقع می توان گفت که سازه های بتن مسلح از نقطه نظر خوردگی ، یک نوع سازه بسیار مناسب به شمار می آیند ، زیرا محیط قلیایی بتن موجب حفاظت از لایه غیر فعال (Passive ) فولاد می شود. لایه مذکور آرماتور را در برابر خوردگی محافظت کرده و به آرماتور برسد ، آنگاه لایه مزیبور صدمه خورده و یا از بین می رود و لذا فولاد مستعد خوردگی می شود .

یون کلراید اساسا بر روی میلگرد فولادی موجود در بتن تاثیر می گذارد . این تاثیر به صورت خوردگی فولاد است . خوردگی فولاد د اصل یک نوع واکنش الکترو شیمیایی است. مکانیسم خوردگی فولاد در حالت کلی ناشی یونیزه شدن محیط و تشکیل پیل شمیایی است. البته ، تمامی واکنش های شمیایی اساساً ماهیت الکتریکی دارند ، زیرا الکترون ها در تمامی انواع پیوندهای شمیایی یک نوع پدیده اکسایش – کاهش (یا اکسیداسیون و احیاء) است. د اینگونه واکنش ها ، دو الکترود فلزی ، موسوم به آند و کاتد ، وجود دارند که اختلاف پتانسیلی بین آنها  برقرار ست . اگر این دو الکترود در داخل یک محلول الکترولیت قرار گیرند ، رسانایی الکتریکی باعث آن می شود که یک جریان الکترولیتی بین آند وکاتد برقرار شود. روند خوردگی معمولی فولاد، که به زنگ زدن آن می انجامد، بر تشکیل پیل خوردگی است. شرایط بروز این امر، وجود سه عامل آهن، آب و اکسیژن است.

انجام واکنش خوردگی نیازمند وجود آب و اکسیژن است. نتیجه این عمل، ایجاد ناحیه سلول یا پیل ولتایی کوچک است، الکترون های تولید شده در ناحیه آندی، به سوی ناحیه کاتدی حرک می کنند. کاتیون ها ، یعنی یونهای Fe++ ، که در آند تولید شده اند از طریق الکترولیت به سوی  کاتد می روند. آنیون ها ، یعنی OH- که در کاتد تولید شده اند به طرف آند حرکت می کنند.

این یون ها، در جایی، میان این دو ناحیهبه هم می رسند و 2(OH) Fe را بوجود می آورند. این هیدروکسید، نیز  خود در حضو اکسیژن و رطوبت پایدار نیست و به 3(OH) Feتبدیل می شود که دراصل همان اکسید آبپوشیده یا زنگ آهن، O 2H x و O3 Fe2است.

در شکل 2-2-1، فرایند خوردگی فولاد در داخل بتن، نشان داده شده است.

نکته شایان ذکر این است که برای تشکیل پیل و انجام واکنش فوق ، به دو فلز به عنوان الکترود ، که با هم اهتلاف پتانسیل دارند ، نیاز داریم . در حالتهای خوردگی فولاد ، معمولا نقاط مختلف یک قطعه فلز به عنوان دو الکترود مزبور  یعنی کاتد و آند ، رفتار می کنند . علل وجود اختلاف پتانسیل بین نقاط مختلف یک قطعه فلز را می توانیم به صورت زیر بیان کنیم :

-         غیر یکنواختی ویژگیهای فلزی نظیر غیر یکنواختی سطح فلز ، غیر یکنواختی لایه های حفاظتی و یکسان نبودن کرنش ها و تنش های داخلی .

-         غیر یکنواختی مایع الکترولیت اطراف فولاد نظیر یکنواخت نبودن غلظت ها و یونهای مختلف .

-         غیر یکنواختی شرایط فیزیکی نظیر دما و میدان الکتریکی .

لذا بر اثر این شرایط ، قسمتی از فلز که نقش آند را بازی می کند ، بر اثر واکنش الکترو شیمیایی خورده می شود . در شکلهای 2-2-2 و 2-2-3 ، فرآیند خوردگی فولاد به صورت شماتیک نشان داده شده است . 

شرایط مورد نیاز برای انجام یا تسریع واکنش خوردگی فولاد

برای انجام فعل و انفعالات خوردگی فولاد، حتماً باید مطابق شکل 2-2-4 سه عامل آهن، اکسیژن، و الکترولیت آب حضور داشته باشند.

همانگونه که مشاهده میکنیم، آب باید حتماً به صورت الکترولیت باشد و لزمه این امر وجود املاح یا گازها در آن است. آب مقطر الکترولیت نیست، لذا فولاد در آب مقطر زنگ نمی زند.

آهن د هوا نیز زنگ می زند و این امر ناشی از وجودO2و بخار آب در هوا است و در نتیجه ، پیل در هوا تشکیل می شود، البته بخار آب موجود در هوا نیز معمولاً املاح ندارد و مانند آب مقطر است، ولی گرد و غبار و کثیفی های روی آهن و نیز گازهای موجود در هوا، نظیر co , so آب را الکنرولیت می کنند و موجب فراهم آوردن شرایط زنگ زدگی فولاد می شوند . به همین دلیل کثیفی فولاد و نیز آلودگی هوا موجب تسریع فرآیند خوردگی می شوند . وجود املاح گوناگون در خام و بتن موجب تسریع خوردگی فولاد داخل آنان می شود .

از سوی دیگر ، فرآیند خوردگی نیازمند وجود اکسیژن به عنوان قطبی کننده است . لرا خوردگی فولاد مستغرق در آب ، که حاوی اکسیژن ، به عنوان قطبی کننده است . لدا خوردگی فولادهای مستعرق در آب ،که حاوی اکسیژن بسیار کمی است ، معمولا بسیار ناچیز است .

نکته شایان ذکر دیگر این است که هر چه اختلاف پتانسیل بین ند و ماتد بیشتر باشد . شدت خوردگی نیز بیشتر است .

هر گاه فاصله بین آند و کاتد بسیار کم باشد ، میکرو پیل و هرگاه این فاصله زیاد باشد ماکرو پیل تشکیل می شود . در شکل 2_2_5 ،میکرو پیل و ماکرو پیل به صورت شماتیک نشان داده شده اند .

خوردگی یک تکدمیلگرد داخل بتن نمونه ای از میکرو پیل و خوردگی دو میلگرد طولی ، که با خاموت به هم متصل شده اند ، نمونه ای از ماکرو پیل است . در ماکرو پیل اختلاف پتانسیل بین آند و کاتد بیشتر است .

ناخالصی موجود در آهن نیز سبب پیشترفت زنگ زدگی می شوند . آهن بسیار خالص به سرعت زنگ نمی زند ، بعصی از انواع ناخالصی ها ، کشیدگی ها و نقصهای بلوری موجود در آهن ، الکترون ها را جذب کرده و آنها را از ناحیه هایی که موقعیت آندی پیدا می کنند دور می کنند .

می شود . افزایش حجم ناشی از زنگ زدن ، موجب تضعیف مقطع و حتی خرابی آن و نیز گسترش و تسریع پدیده خوردگی می شود . زیرا بر اثر افزایش حجم مزبور ، ترک هایی ، عمدتا در امتداد طول فولاد ، ایجاد شده که به تدریج و با گسترش خوردگی ، عرض ترک ها بیشتر شده و ترک ها بازتر می شوند . این امر ، علاوه بر وارد آوردن صدمه به بتن و تخریب آن ، که موجب تضعیف مقطع می شود ، باعث آن می گردد که محیط خورنده و مهاجم از طریق ترک ها و درزهای ایجاد شده بهتر و سریعتر بتوانند وارد محیط شده و لذا خوردگی فولاد از این طریق نیز تسریع شود .

نقش یون کلراید در فرآیند زنگ زدن فولاد

 کلر ، جزء هالوژنها است . هر اتم هالوژن ، از گاز نجیبی که پس از آن در جدول تناوبی عناصر قرار گرفته است یک الکترون کمتر دارد . بنابراین ، هر اتم هالوژن تمایل زیادی دارد که با تشکیل یک یون با یک بار منفی و یا یک پیوند کووالانسی ، آرایش الکترونی یک گاز نجیب را به خود بگیرد . هر یک از هالوژن ها واکنش پذیرترین نافلز در دوره خود در جدول تناوبی است و کلر ، پس از فلوئور ، واکنش پذیرترین نافلزات است . الکترونگاتیویته کلر نیز پس از فاوئور ، بیش از هر عنصر دیگری است و لذا یکی از قوی ترین عوامل اکسید کننده ای است که تا کنون شناخته شده است . توانایی اکسید کنندگی هال.ژن ها و از جمله کلر را می توان در واکنش های جانشینی آن ها مشاهده کرد . کلر حتی می تواند جانشین هالوژن ها ی پتیین تر از خود ، برم و ید ، در نمکهای آن ها گردد.

نکته ای که باید متذکر گردیم این است که کلر اثر منفی و بدی بر روی بتن ساده ندارد و حتی به دلیل ترکیب کلر با  C A  موجود در بتن ، نمک نسبتا پایدار فریدل یا کلرو آلومینات کلسیم { C A CacI ( OH)  } تشکیل می شود که باعث افزایش تراکم بتن و ریزش شدن منافذ آن می شود . تاثیر منفی کلر در هنگامی است که بتن همراه با فولاد ، یعنی به صورت بتن مسلح باشد . زیرا به طوری که خواهیم گفت ، کلر موجب تسریع خوردگی فولاد می شود .

یون کلراید  C I  نیز همانند یون (  O H  ) ، البته با شدت بسیار بیشتر ، موجب واکنش الکترو شیمیایی می شود .

در شکل 2-2-6- ، فرآیند خوردگی فولاد داخل بتن بر اثر نفوذ یون کلراید نشان داده شده است .

از سوی دیگر ، همان گونه که گفتیم ، وجود قلیائیت زیاد محلول منفذی بتن باعث آن می شود که لایه اکسید غیر فعال واقع بر روی آرماتور ( به ویژه لایه مگنتیت  Fe O  و مگهمیت   ( Y-Fe o  به نحو مطلوبی محافظت بشود و از خوردگی بیشتر آن تا حد زیادی جلوگیری شود . تهاجم کلر باعث آن می شود که قلیائیت بتن کاهش یافته و با کم شدن  PH ، محیط به سمت اسیدی بودن میل کند و لذا لایه نازک اکسید محافظ فولاد ار بین رفته و روند زنگ زدگی تسریع شود . تهاجم اسید ها و کربناسیون بتن نیز تاثیر مشابهی را دارد .

شایان ذکر است که خوردگی فولاد بر اثر تهاجم یون کلراید به صورت حفره ای شدن است . مکانیسم خوردگی از نوع حفره ای آرماتور داخل بتن بر اثر تهاجم یون کلراید در شکل 2-2-7 نشان داده شده است .  

طراحی در برابر خوردگی بتن

 گرچه امروزه در ایین نامه ها به طراحی سازه های بتن مسلح در برابر خوردگی ناشی از قرار گیری ان ها در محیط های مهاجم توجه می شود و برخی از ضوابط و دستورالعمل های فنی بدین منظور تدوین شده اند . ولی بسیاری از سوالات دخیل در تصمیم گیری طراح وجود دارند که در آیین نامه ها بطور مشخص به آن اشاره نمی شود و طراح باید براساس تجربه خود و مبتنی بر نتایج آزمایشگاهی تصمیم گیری نماید .

پایایی سازه های بتن مسلح در یک محیط تهاجمی کلرایدی عمدتا با پارامترهای زیر تعیین می شود :

-         ضخامت پوشش بتن روی آرماتور

-         نقشه های جزئیات سازه ای در سازه مورد نظر و طرحهای عملی مناسب به منظور تسهیل امکان بازرسی ، نگهداری و تعمیر

-         قابلیت انشار یون کلراید در پوشش بتن روی آرماتور ؛ این ویژگی را عمدتا بر اساس نشبت آب به مواد سیمانی ، تراکم بتن و شدت و عرض ترکها تعیین می کنند .

-         نوع و ترکیبات مواد سیمانی بتن

-         نوع آرماتور های مصرفی

دوده  سیلیس

دوده سلیس ، که به نام میکروسیلیس ، یا silica fume  نیز خوانده می شود ، یکی از مهمترین پوزولان های مصنوعی است .

این فراورده پودری که به رنگ خاکستری روشن تا تیره تا به رنگ خاکستری شبز گون متمایل به آبی ، محصولی از عملیات احیای کوارتز ناخالص در یک کوره قوس الکتریکی در کارخانه های تولید فلز سیلیسیم ، آلیاژ های سیلیسیم ، بویژه آلیاژ فرو سلیس است .

دوده سیلیس به شکل غباری اکسید شده از کوره با دمای 2000 درجه سانتیگراد به هوا بر می خیزد . این غبار سرد را متراکم کرده و جمع آوری می کنند . سپس عملیات فرآوری به منظور زدودن ناخالصی ها و کنترل ابعاد ذرات ، بر روی دوده سلیس متراکم شده انجام می گیرد .

بیش از 90 درصد ار دوده سیلیس متراکم شده ، از دی اکسید سیلیسیم غیر بلورین تشکیل شده است .

هدف استفاده از دوده سیلیس در بتن عمدتا می تواند تامین یک یا چند ویژگی بادش :

-  ساخت بتن با مقاومت زیاد

- افزایش پایایی بتن از طریق کاهش نفوذ پذیری

- جایگیزینی با سیمان بشرط وجود توجیه اقتصادی

هر چند کاربرد دوده سلیس در بتن ، کیفیت آن را بهبود می بخشد اما دست یابی به چنین کیفیتی مستلزم شناخت برخی ویژگیهای دوده سیلیس و در عین حال مراعات برخی اصول علمی و ضوابط فنی است . قطر ذرات دوده سیلیس همواره کمتر از 1 میکرون ، میانگین قطر ذرات آن 1/0 میکرون ، و سطح مخصوص متوسط آن  m/kg  20000 است . در جدول 2-1-1 ، سطح مخصوص دوده سیلیس ، خاکستر بادی ، روباره اهن گدازی و سیمان به صورت مقایسه ای ارائه شده است . 

با میکروسیلیس یا ژل میکروسیلیس با پودر ذرات سیلیسی بلورین تفاوت اساسی دارد و نباید این دو را با یکدیگر اشتباه گرفت .

دوده سیلیس بر اثر واکنش پوزولانی ، با هیدروکسید کلسیم حاصل از هیدراسیون سیمان ، ترکیب شده و سیلیکات کلسیم هیدراته یا  CHS تشکیل می دهد .
با استفاده از دوده سیلیس می توان بتنی با مقاومت زیاد ، با نفوذ پذیری کم و پایانی زیاد در برابر عوامل مخرب شیمیایی ساخت . مقدار وزنی دوده سیلیس بعنوان جایگزین سیمان معمولا حدود 7 درصد وزن سیمان است .
دوده سیلیس موجب کاهش کارایی و در نتیجه افزایش نیاز به آب اختلاط بتن می شود . برای جلوگیری از افزایش میزان آب نخلوط ، باید از روان کننده ها و بویژهفوق روان کننده ها ، همراه با دود سیلیس استفاده کرد .
مدت زمان اختلاط بتن حاوب دوده سیلیس به درصد دوده سیلیس مصرفی و شرایط اختلاط بستگی دارد که در صورت لزوم باید افزایش یابد .
مصرف افزودنی های شیمیایی کاهنده قوی آب ، توزیع یکنواخت دوده سیلیس در بتن را تامین می کند .
بتن تازه حاوی دوده سیلیس ، در مقایسه بل بتن معمولی از چسبندگی بیشتر و گرایش کمتر به جداشدگی و نیز کاهش آب انداختن و افزایش قابلیت پمپ شدن برخوردار است .
بتنی که درصد وزنی دوده سیلیس آن نسبت به وزن کل مواد سیمانی بیش از 10 درصد باشد چسبنده و خمیری است . برای حفظ کارایی مورد نظر برای چنین بتنی در موقع بتن ریزی و جادادن ، توصیه می شود که اسلامپ آن ، در حدود 50 میلیمتر بیشتر از بتن فاقد دوده سیلیس در نظر گرفته شود .
مصرف انواع متفاوت افزودنی های شیمیایی فوق کاهنده آب در بتن حاوی دوده سیلیس می توانند بر زمان گیرش بتن تاثیر بگذارد . تجربه نشان داده است که دوده سیلیس نقشی در این امر ندارد . تغییرات زمان گیرش را باید باتوجه به نوع و کیفیت و مقدار مصرف مواد افزودنی مصرفی کنترل کرد .
دوده سیلیس ، آب آزاد موجود در بتن را به سرعت جذب می نماید و بروز ترک های ناشی از نشست خمیری و خشک شدن سطح بتن را تشدید و تسریع می کند . بدین علت ، بتن حاوی دوده سیلیس را باید بلافاصله پس از جای دادن و پرداخت سطح ، سیلیس را با بخش از آب اختلاط بتن مخلوط کرده و آن را به صورت دوغاب در آورد ، سپس مخلوط دوغاب را به تدریج به سایر اجزا افزود . این امر موجب آن می شود که دوده سیلیس به صورت همگن تری در داخل بتن توزیع شود . 

عوامل ایجاد کننده خرابی های بتن

خرابی های بتن را می توان از دیدگاه های مختلف ، از جمله عوامل ایجاد کننده آن ها ، تقسیم بندی کرد ، عوامل ایجاد کننده خرابی های بتن را می توان به دو دسته کلی زیر تقسیم بندی کرد :

-         عوامل داخلی و ساختاری

-         عوامل خارجی و محیطی

 تهاجم کلراید به سازه های بتن مسلح

سوابق تاریخی نشان نی دهند که از دیر باز ، از بتن مسلح برای ساخت سازه های دریایی و نیز سایر سازه های در معرض کلراید – نظیر اسکله ها ، دیوار های عمود بر ساحل ، موج شکن ها ، پل ها ، رو سازی راه ها ، سکوهای شناور و سایر سازه های دور از ساحل استفاده می شده است .

با مراجعه به منابع علمی فنی قدیمی در مورد سازه های بتن مسلح در می یابیم که اگر چه در آن زمان ، مکانیزم انتقال کلراید به داخل بتن شناخته نشده بود ، معهذا موضوع تهاجم آب دریا یک زمینه تحقیقاتی مهم برای بشر بوده است . از آن زمان مطالعات و ازمایش های متعددی در مورد سازه های بتنی موجود که در معرض کلراید قرار داشته اند . صورت گرفته است و نتایج این تحقیقات در قالب گزارش ها و مقالاتی به چاپ رسیده است که از جمله آن ها می توان به گزارش های آ وود و جانسون در سال 1924{7} و فلد در سال 1968 { 8 } اشاره نمود . دانش بشر در آن زمان در خصوص تبعات ناشی از تهاجم آب دریا به سازه های بتن مسلح ، بطور عمده حول مسائل اجرایی متمرکز و ضمنا مبتنی بر تجربیات اجرایی مهندسان بوده است .

البته فقط سازه های بتن مسلح دریایی نیستند که در معرض کالراید ناشی از آب دریا قرار دارند ، سازه های بتنی مسلح مورد استفاده در ساخت راه ها نیز بر اثر تهاجم کلراید ناشی از استفاده از مواد یخ زدایی که حاوی کلراید هستند دچار مشکل و خرابی می شوند .

همچنین در برخی از مناطق جغرافیایی ، ممکن است خاک ها حاوی کلراید باشند که از جمله می توان به پشته های خاکی دریایی اشاره نمود . در این نوع خاک ها ، کلراید می تواند در صورت تماس بتن با خاک ، به داخل بتن وارد شود .

همچنین ، برخی از پساب های صنعتی حاوی کلراید است که می تواند به داخل ساختار بتن وارد شود .

کلراید ناشی از منابع مختلف را می توان به دو دسته عمده تقسیم بندی کرد :

-         کلراید ی که در حین تولید بتن تازه وارد آن می شود . این کلراید اساسا ناشی از سنگدانه های آغشته به نمک ، آب اختلاط دارای نمک و مواد افزودنی حاوی کلراید هستند .

-         کلرایدی که بر اثر عوامل محیطی به داخل بتن ( بتن سخت شده ) وارد می شود . این کلراید می تواند ناشی از آب دریا ، آب های نمک دار زیر زمینی ، پاشش آب دریا ، نمک های یخ زدا و یا پساب های صنعتی باشد .

فقط در حدود بیست سال پیش بود که بشر به این باور رسید که کلرایدی که در هنگام اختلاط بتن به داخل آن وارد می شود کلراید پیوند یافته یعنی کلراید نامحلول است و بنابراین تا زمانی که میزان آن از 2 درصد جرم ماده چسباننده بتن بیشتر نشود نباید آن را خط آفرین به حساب آوزد . در حال حاضر ، تحقیقات آزمایشگاهی و بررسی های کارگاهی نشان داده اند که پدیده هایی نظیر کربناسین نیز می توانند موجب آزاد سدن کلراید پیوند یافته شده و این امر منجر به خوردگی آرماتور ها بشود . بدین علت بوده ات که در حال حاضر در ایین نامه ها ، از جمله آیین نامه های اروپایی EN206  {9} ، تصریح شده است که باید برای میزان کلراید در سازه های بتن مسلح ، یک حد کران بالایی در نظر گرفته شود . این کران ، کسر معینی از میزان آستانه کلراید در بتن است .

تاثیر کلراید بر روی بتن

بخشی از کلراید وارده به بتن با ترکیبات بتن ، پیوند شیمیایی برقرار می کند از تر کیب کلراید و  A  و  C  که در بتن سخت شده به صورت هیدراته ، یعنی به صورت ژل آلومیناتی ، حضور دارد ، کلرور آلومینات کلسیم به فرمول C A . CaCI در می آید ترکیب اخیر را نمک فریدل می نامند .

نمک فریدل دارای انبساط کمی است . این انبساط موجب پر کردن فضای خالی و کاهش نفوذ پذیری بتن می شود و در نتیجه از این نظر سودمند است .

مراحل خرابی میلگرد داخل بتن ، بر اثر نفوذ یون کلراید { 10}

این مراحل ، مطابق شکل 2-1-1-ف به ترتیب وقوع ، عبارتند از :

-         ورود کلراید به داخل بتن ، عبور از پوشش بتنی روی میلگرد و رسیدن آن به ارماتور فولادی .

-         رسیدن به غلظت کلراید در مجاورت آرماتور فولادی به حد کافی برای شروع خوردگی و شروع شدن خوردگی آرماتور

-         پیشترفت و توسعه خوردگی آرماتور و افزایش تدریجی تنش وارده بر بتن ، از طرف آرماتور ها ، بر اثر زنگ زدگی و ابساط ناشی از آن .

-         رسیدن تنش وارد بر بتن بر اثر زنگ زدگی آرماتور ها ، به حد کافی برای ایجاد ترک در بتن و شروع ترک خوردن اولیه بتن

-         پیشترفت و توسعه ترک ها در بتن ، بازشدن ترک ها و فراهم شدن شرایط برای نفوذ و تهاجم بیشتر بودن کلراید به بتن

پکیدگی لایه پوشش بتنی روی آرماتور ، بر اثر شدت ترک خوردگی 

آسیب های بتن و انواع شرایط محیطی

آب را می توان یکی از مهمترین عامل آسیب رسان به بتن و سازه های بتنی برشمرد . آب ، عنصر اولیه بوجود آوردن و تخریب کردن بسیاری از مصالح طبیعی و همچنین منشا اغلب مسائل مربوط به دوام بتن می باشد . آب به عنوان عامل بسیاری از انواع فرایند های فیزیکی کاهنده کیفیت نیز در اجسام متخلخل شناخته شده است . همچنین آب ، به عنوان وسیله ای برای انتقال یون های مهاجم ، می تواند سر چشمه فرآیند های شیمیایی کاهش دهنده کیفیت نیز باشد .

دومین نکته این است که عامل نعیین کننده و کنترل کننده پدید ه های فیزیکی – شیمیایی مرتبط با حرکات آب در اجسام متخلل ، نفوذ پذیری جامدات است . به عنوان مثال ، میزان آسیب ددیگی شیمیایی به این بستگی دارد که آیا حمله شیمیایی محدود به سطح بتن است و یا اینکه به داخل آن نیز رسوخ کرده است .

آب ف در انواع صورت های آب دریا ، اب زیر زمینی ، رودخانه ، دریاپچه ، باران ، برف و بخار ، بدون شک فراوانترین مایع در طبیعت است . مولکول های آب ، به دلیل کوچک بودن ، قادر به نفوذ به حفره های خیلی ریز می باند . آب ، به عنوان حلال ، قادر به حل کردن مواد زیادتری ، در مقایسه با سایر مایعات شناخته شده دیگر ، تشخیص داده شده است . این خاصیت ، به دلیل وجود یون ها و گازهای زیادی در بعضی از آب ها است که آب بیشترین گرمای تبخیر را در بین مایعات معمولی داراست . بنابراین در دماهای معمولی ، آب تمایل دارد که به جای آنکه تبخیر شده و مواد جامد را بر جای بگذارد ، در حالت مایع باقی بماند .

 اسیب دیدگی بر اثر واکنشهای شیمیایی

آسیب های شیمیایی وارد بر بتن و آرماتور را می توان عمده ترین و وسیع ترین آسیب ها بر شمرد و. مهمترین این آسیب ها که خسارات بسیار وسیعی را به دنبال دارد ،خوردگی آرماتور بر اثر تهاجم کلراید است .

از نظر تئوری ، هر محیطی با  PH  کمتر از 5/12 را می توان مهاجم نامید ، زیرا کاهش درجه قلیایی بودن مایع منفذی ، در نهایت منجر به ناپایدار شدن محصولات سیمانی ناشی از هیدراسیون می گردد .

از نقطه نظر تهاجم به بتن دارای سیمان پرتلند ، اغلب آبهای صنعتی و طبیعی می توانند در گروه مهاجم قرار گیرند . باید گفت که میزان حمله شیمیایی به بتن ، تابعی از  PH  مایع مهاجم و تراوایی بتن خواهد بود . وقتی که تراوایی بتن کم و  PH  آب مهاجم بالای 6 است ، میزان حمله شیمیایی آن قدر کند است که جدی تلقی نمی شود .

CO  آزاد در آب سبک و آب های راکد ، یونهای اسیدی مثل یون سولفات (  SO ) و یون کلراید ( CI ) در آب زیر زمینی و آب دریا و یون  H  در بعضی از آبهای صنعتی ، که اغلب عامل پایین آوردن  PH  به زیر 6 می باشند . برای بتن حاوی سیمان پرتلند زیان آور محسوب می شوند .

تاکید می شود که واکنشهای شیمیایی به صورت آثار فیزیکی زیان آور ، مثل افزایش تخلخل و تراوایی ، کاهش مقاومت ، ترک خوردگی و پکیدن ظاهر می شوند . در عمل ، چندین فرآیند فیزیکی و شیمیایی آسیب دیدگی ، همزمان با هم عمل کرده و حتی ممکن است یکدیگر را نیز تقویت نمایند .

نفوذ پذیری یا تراوایی

نفوذ پذیری ، از جمله مهمترین پارامتر های بتن از نظر دوام است . بسیاری از مواد مهاجم به بتن ، که عموما محلول در آب هستند . از طریق منافذ مختلف بتن به داخل آن وارد می شوند . همچنین ، بتن با منافذ کمتر از کیفیت بهتری ، چه از نظر دوام و چه از نظر مقاومت ، برخوردار است .

بنا به دلایل فوق ، آزمایش های نفوذ پذیری به عنوان یکی از شاخص های مهم دوام بتن در نظر گرفته می شوند .

نفوذ پذیری اساسا به ساختار متراکم خمیر سیمان و ناحیه انتقال و پیوند داخلی قوی ساختار بتن سخت شده بستگی دارد .

توصیه می شود که حتی المکان نسبت آب به سیمان از 45% کمتر اختیار شود . در این حالت خمیر سیمان دارای تخلخل کمتر خواهد بود . در شرایط مساوی ، چنانچه نسبت آب به سیمان از 45% به 8 % افزایش یابد ، ضریب نفوذ پذیری بتن ، 100 برابر افزایش می بابد .

یادآوری می شود که استفاده از نسبت آب به سیمان کمتر ، نیازمند توجه جدی تر و بیشتری به تراکم  وعمل آوری است وگرنه ممکن است نتایج معکوسی از آن نیز حاصل شود .

نفوذ پذیری بتن ، عامل عمده موثر برفرایند خوردگی میلگرد ها در بتن بشمار می آید . در بتنی با نفوذ پذیری کم ، آب نمی تواند به راحتی نفوذ کند . چنین بتنی احتمالا مقاومت الکتریکی بیشتری نیز دارد . بتنی با این ویژگی در مقابل جذب نمک ها و تاثیر آن ها بر میلگرد مقاومت می کند و مانع نفوذ اکسیژن نیز می شود .

هر چند بتن های معمولی ، کاملا غیر قابل نفوذ نیستند ، لیکن رعایت دقیق نسبت های اختلاط استفاده از نیروی ماهر انشانی و عمل آوری صحیح بتن ، نفوذ پذیری را بسیار کم می کند .

از جمله عوامل مهم موثر بر کاهش نفوذ پذیری بتن عبارتند از :

-         کاهش و محدود نمودن نسبت آب به مواد سیمانی ( شامل سیمان و پوزولان و مواد جایگزینی سیمانی )

-         عمل آوری مناسب و دقیق و کافی بویژه در سنین اولیه بتن ، بت روش های مناسب

-         استفاده از پوزولان ها

-         استفاده از مواد افزودنی کاهنده آب

-         استفاده از سیمان مناسب

-         تامین حداکثر تراکم با وسایل و روشهای مناسب

-         انتخاب صحیح و مناسب نسبت ها ی اختلاط بتن

انواع شرایط محیطی { 5 و 6 }

طبق آیین نامه بتن ایران و مقررات ملی ساختمان ، انواع شرایط محیطی موثر بر بتن به 5 دسته تقسیم می شود :

الف ) شرایط محیطی ملایم : به شرایطی اطلاق می شود که در آن هیچ نوع عامل مهاجمی از قبیل رطوبت ، تعریق تر و خشک شدن متناوب ، یخ زدن و ذوب شدن ، سرد و گرم شدن متناوب ، تماس با خاک مهاجم یا غیر مهاجم ، مواد خورنده ، فرسایش شدید ، عبور وسایل نقلیه یا ضربه موجود نباشد . یا عضو بتنی در مقابل این گونه عوامل مهاجم به گونه ای مطلوب محافظت شده باشد .

ب ) شرتیط محیطی متوسط : به شرایطی اطلاق می شود که در آن قطعات بتنی ، در معرض رطوبت و گاهی تعریق قرار می گیرند .

قطعاتی که بطور دائم با خاک های غیر مهاجم یا آب تماس دارند یا زیر آب با  PH  بیشتر از  5 قرار می گیرند دارایی شرایط محیطی متوسط تلقی می شوند .

ج ) شرایط محیطی شدید : به شرایطی اطلاق می شود که در آن قطعات بتنی در معرض رطوبت یا تعریق شدید یا تر و خشک شدن متناوب یا یخ زدن و آب شدن و سرد شدن و گرم شدن متناوب نه چندان شدید قرار می گیرند .

قطعاتی که در معرض پاشش آب دریا باشند یا در آب غوطه ور شوند ، به گونه ای که یک وجه آن ها در تماس یا هوا قرار گیرند ، قطعات واقع در هوای دارای یون های نمک و نیز قطعاتی که سطح آن ها در معرض خوردگی شدید ناشی از مصرف مواد یخ زدا قرار می گیرند دارای شرایط محیطی شدید محسوب می شوند .

د) شرایط محیطی بسیار شدید: به شرایطی اطلاق می شود که در آن قطعات بتنی در معرض گازها ، آب و فاضلاب ساکن با  PH  حداکثر 5 ، مواد خورنده ، یا رطوبت همرا ه با یخ زدن و آب شدن سدید قرار می گیرند . همچنین د رنمونه های ذکر شده در مورد شرتیط محیطی شدید ، در صورتی که عوامل مذکور حادتر باشند در این دسته جای می گیرند .

ه ) شرایط محیطی بسیار شدید : به شرایطی اطلاق می شود که در آن قطعات بتنی در معرض  فرسایش شدید ، عبور وسایل نقلیه ، یا آب فاضلاب جاری با  PH  حداکثر 5 قرار می گیرند . رویه بتنی محافظت نشده پارکینگ ها و قطعات بتنی در معرض آب هایی که اجسام صلبی را با خود جابجا می کند . دارای شرایط محیطی فوق العاده شدید تلقی می شوند .  شرایط محیطی جزایر و حاشیه خلیج فارس و دریای  عمان به طور عمده جزء این شرایط محیطی قرار می گیرند .