شلدن ( Sheldon ) اثر سولفات ها بر C3A را کشف کرد و فهمید تاثیر سولفات ها بر بتن یک مسئله فیزیکی است و از تغییر حجم اترنژیت یا اترینگایت (سولفو آلومینات کلسیم ) حاصل می شود که از ترکیب سولفات ها و C3A به وجود می آید .
برای ساخت سیمان ضد سولفات ( SRPC ) باید مقدار C3A را کاهش داد ( مقدار C3A در سیمان پرتلند تیپ پنج به کمتر از 5 درصد محدود می شود ) . برای این منظور خاک رس را در پروسه تولید سیمان کاهش داده و به جای آن از آهن و سیلیس استفاده می کنند که این امر موجب بالا رفتن هزینه تولید سیمان می شود . در مواقعی که درصد سولفات ها بین 0.2 تا 2 درصد است و خطر کنش کلریدها وجود ندارد ، می توان از این تیپ سیمان استفاده کرد . ولی در صورت وجود بیش از 2 درصد سولفات باید از روشهای دیگری مانند استفاده از سیمان ضد سولفات به همراه مواد پزولانی استفاده کرد .
در مورد کنش سولفات ها باید به نکات زیر توجه داشت :
1 ) سولفات ها تنها وقتی توانایی کنش در بتن را دارند که محلول در آب باشند . در نتیجه یک راه مقابله با سولفات ها کاهش مقدار آب محیط است . برای این منظور در اطراف فونداسیون ها قلوه سنگ می ریزند و اطراف ساختمان را شیب می دهند و با قیرگونی ایزوله می کنند تا آب به پی نفوذ نکند . سولفات ها در آزمایشگاه به دو صورت اندازه گیری می شوند :
الف _ کل سولفات های موجود .
ب _ سولفات های محلول در آب .
در مورد کنش سولفات ها در بتن ، سولفات های محلول در آب مدنظر است و در محدوده کاربرد انواع سیمانها با توجه به درصد سولفات های موجود که قبلا” گفته شد ، درصد سولفات محلول در آب موردنظر است .
2 ) خشک و تر شدن متناوب باعث تشدید کنش سولفات ها می شود . بطور مثال در کنار دریا بیشترین نقطه ای که آسیب می بیند ، بتن بین خطوط جذر و مد می باشد .
برای هیدراته کردن تمام سیمان های موجود در بتن ، نسبت آب به سیمان 0.2 تا 0.25 کافی است . از طرفی اگر بتن با این نسبت آب به سیمان ساخته شود کارایی کمی خواهد داشت و قابلیت انتقال ، پمپ و ویبره شدن ندارد . به این دلیل ناگزیریم نسبت آب به سیمان را به 0.45 تا 0.5 افزایش دهیم . حال اگر بتوان بمنظور کارا کردن بتن به جای استفاده از آب ، از مواد شیمیایی روان کننده ( Plasticizer ) یا فوق روان کننده ( Super Plasticizer ) استفاده کرد ، می توان نسبت آب به سیمان را تا حد زیادی کاهش داد . بطور کلی کاهش مقدار آب ، تاثیرات مطلوبی بر خواص بتن دارد که می توان به افزایش مقاومت و کاهش نفوذپذیری اشاره کرد . با کاهش نفوذپذیری بتن ، نفوذ سولفات های محلول در آب و کلریدها کاهش می یاید . در نتیجه یکی از روشهای کاهش خطر کنش سولفات ها و کلریدها ، کاهش نسبت آب به سیمان می باشد .
پارامتر دیگری ( غیر از C3A ) که سولفات ها به آن کنش نشان می دهند ، Ca(OH)2 یا همان هیدروکسید کلسیم کریستالی است که از محصولات هیدراتسیون سیمان است . ( منظور از هیدراتسیون سیمان در اصل این است که سیلیکاتهای کلسیم ، به ویژه سه کلسیم سیلیکات ( C3S ) در سنین اولیه بتن ، حین فعل و انفعالات شیمیایی با آب تشکیل هیدروکسید کلسیم کریستالی Ca(OH)2 و همچنین هیدرات میکروکریستالی C3S2H3 می دهد . C2S هم محصولات مشابهی تولید می کند . امروزه به سیلیکاتهای کلسیم هیدراته شده C-S-H گفته می شود که قبلا” بنام ژل توبرموریتی بوده است ) .
معایب Ca(OH)2 عبارتند از :
1 ) آب باران به داخل بتن نفوذ می کند و ( هر چه بتن متراکم تر باشد ، میزان این نفوذ کمتر خواهد بود ) هنگام خروج از لوله های مویین ، Ca(OH)2 ایجاد شده در بتن را در داخل خود حل کرده و به بیرون از بتن می آورد . در مجاورت هوا Ca(OH)2 با دی اکسید کربن ترکیب می شود و CaCO3 تشکیل می شود :
Ca(OH)2 + CO2 ” CaCO3 + H2O
پس از تبخیر H2O که همان آب است ، CaCO3 بصورت سفیدک در سطح بتن ظاهر می شود . همچنین با خارج شدن CaCO3 از بتن و خالی ماندن جای آن ، بتن آماده کنش سولفات ها و کلریدها می شود .
2 ) سولفات های محیط با CaCO3 واکنش داده ، سنگ گچ تولید می کنند و موجب افزایش حجم مواد جامد می گردند که نوع دیگری از کنش سولفات ها می باشد .
راه حل کاهش Ca(OH)2 استفاده از مواد پزولانی است . پزولان با Ca(OH)2 موجود در سیمان واکنش می دهد و سیلیکات کلسیم تولید می کند که خاصیت چسبندگی دارد .
حمله سولفاتها به بتن
بتنی که توسط سولفاتها مورد حمله قرار گرفته ، دارای ظاهری سفیدرنگ می باشد . معمولا” خرابی از لبه ها و گوشه ها شروع شده و با ترک خوردن و تجزیه بتن ادامه می یابد . دلیل بروز این علائم آن است که حمله سولفاتها باعث تشکیل سولفات کلسیم ( گچ ) و سولفوآلومینات کلسیم ( اترینگایت ) می گردد . هر دوی این محصولات نسبت به ترکیباتی که جایگزین آنها شده اند ، دارای حجم بیشتری بوده و باعث انبساط و ریختن بتن سخت شده می گردند .
لازم به ذکر است که دلیل این واکنشها وجود عنصر C3A ( سه کلسیم آلومینات ) در ترکیب اصلی سیمان مصرفی در بتن می باشد . در روند پروسه تولید سیمان مقداری گچ به کلینکر سیمان اضافه می شود تا از گیرش آنی که در نتیجه هیدراتاسیون C3A ایجاد می شود ، جلوگیری گردد . گچ به سرعت با C3A واکنش انجام داده و اترینگایت ( سولفو آلومینات کلسیم ) بی ضرری را ایجاد می کند .زیرا در این مرحله بتن تولیدی هنوز در حالت نیمه خمیری می باشد و می تواند افزایش حجم را در خود جای دهد .
هنگامی که بتن سخت شده از طریق منابع خارجی در معرض حمله سولفاتها قرار می گیرد ، واکنشهای مشابهی انجام می شود . نوعی از محلولهای سولفاتی ، آبهای زیرزمینی داخل بعضی رسها هستند که حاوی سولفاتهای سدیم ، کلسیم و منیزیم می باشند . این سولفاتها با Ca(OH)2 و C3A هیدراته شده ، واکنش انجام داده و به ترتیب گچ و اترینگایت تشکیل می دهند .
سولفات منیزیم دارای تاثیر مخرب بیشتری نسبت به سولفاتهای دیگر می باشد زیرا به تجزیه شدن سیلیکاتهای کلسیم ( C2S و C3S ) هیدراته شده و همچنین Ca(OH)2 و C3A هیدراته شده منتهی می گردد . سپس سیلیکات منیزیم هیدراته شده که دارای هیچ خاصیت چسبندگی نمی باشد ، تشکیل می شود .
مقدار تاثیر حمله سولفاتها به غلظت آنها و نفوذپذیری بتن بستگی دارد . اگر بتن خیلی نفوذپذیر باشد ، آب به راحتی در داخل آن نفوذ کرده و Ca(OH)2 شسته خواهد شد . تبخیر در سطح بتن رسوبات کربنات کلسیم را که از واکنش Ca(OH)2 با دی اکسید کربن تشکیل شده ، باقی میگذارد . این رسوب با ظاهری سفید رنگ به نام سفیدک شناخته می شود . معمولا” سفیدک بی ضرر می باشد . هر چند شستشوی زیاد Ca(OH)2 تخلخل را افزایش خواهد داد ، طوری که بتن به طور مستمر ضعیف تر و در مقابل حملات شیمیایی مستعدتر می شود . تبلور نمکهای دیگر هم باعث سفیدک می گردد .
از آنجا که C3A توسط سولفاتها مورد حمله قرار می گیرد ، با مصرف سیمانهایی با C3A کم نظیر سیمانهای ضد سولفات ( نوع V ) ، می توان آسیب پذیری بتن در مقابل حمله سولفاتها را کاهش داد . همچنین می توان با استفاده از سیمان پرتلند روباره آهنگدازی ( نوع IS ) و سیمان پرتلند پوزولانی ( نوع IP ) مقاومت بتن را افزایش داد . مکانیزم دقیقی که توسط آن این سیمانها باعث تاثیر مثبت می شوند ، نا مشخص است . هر چند باید تاکید نمود که نوع سیمان در مرتبه دوم اهمیت و یا حتی بی اهمیت می باشد ، مگر اینکه بتن متراکم و دارای نفوذپذیری پایین ، یعنی دارای نسبت آب به سیمان پایین باشد . نسبت آب به سیمان عامل اساسی می باشد ، اما مصرف سیمان زیاد هم متراکم نمودن بتن در نسبتهای آب به سیمان پایین را ساده می کند .
نویسنده : سعید محمدی اصل