Please wait, loading...
Please wait, loading...
واکنشهای قلیایی–سنگدانهها در بتن از آن پدیدههایی هستند که آرام شروع میشوند، در سکوت پیش میروند و وقتی نشانههایشان ظاهر میشود، معمولاً بخش قابل توجهی از آسیب قبلاً اتفاق افتاده است. مهمترین این واکنشها، واکنش سلیسی–قلیایی است؛ واکنشی که از تماس قلیاهای محلول در خمیر سیمان با سنگدانههایی آغاز میشود که در ساختارشان سیلیس واکنشپذیر وجود دارد. این سیلیس وقتی در محیط قلیایی قرار میگیرد، بهآرامی حل میشود و در ترکیب با یونهای سدیم و پتاسیم، ژل قلیایی–سلیسی را تشکیل میدهد؛ ژلی که در حضور رطوبت، جذب آب داشته و متورم میشود.
تورم همین ژل است که بتن را از درون تحت فشار قرار میدهد. ابتدا ریزترکها شکل میگیرد، بعد ترکهای پراکنده و در نهایت الگوی ترکهای شبکهای که انگار سطح بتن مثل نقشهای جزیرهجزیره شده باشد. در مراحل پیشرفتهتر، بتن نهتنها ترک میخورد، بلکه دچار انبساط کلی هم میشود و همین موضوع میتواند باعث جابهجایی اعضا، گیرکردن درزهای انبساط و حتی ایجاد تنش اضافی در آرماتورها شود. سازههای مرطوب، سازههای حجیم و سازههایی که در تماس با آب یا خاک اشباع هستند معمولاً بیشتر در معرض این واکنشاند.
سه عامل برای وقوع این پدیده لازم است: سنگدانه واکنشپذیر، مقدار کافی قلیا در خمیر سیمان، و رطوبت مناسب. اگر یکی از این سه عامل حذف شود، واکنش یا اتفاق نمیافتد یا سرعت آن ناچیز میشود. این موضوع همان چیزی است که در چارچوب استانداردهای ارزیابی نیز به آن اشاره میشود. برای مثال، در روندهایی که در استاندارد ملی ایران ISIRI 7882 مطرح شده، تأکید بر این است که سنگدانه قبل از مصرف باید از حیث قابلیت واکنشپذیری بررسی شود. این بررسی معمولاً با قرار دادن نمونه در محیطی قلیایی و ارزیابی رفتار آن در برابر انحلال سیلیس و تشکیل ژل انجام میشود. نکته مهم این است که معیار تنها وجود سیلیس نیست، بلکه سرعت انحلال و شدت واکنشپذیری اهمیت دارد؛ موضوعی که پروژههای سد سازی، سازههای دریایی و بتنهای حجیم بهطور ویژه به آن توجه دارند.
از سوی دیگر، استاندارد ASTM C289 – که روشی شیمیایی برای شناسایی سنگدانههای مستعد واکنش بوده – بر سنجش تغییرات قلیای محلول و سیلیس آزادشده از سنگدانه تأکید داشت. مفهوم اصلی این استاندارد همچنان معتبر است:
سنگدانهای که در محیط قلیایی مقدار قابل توجهی سیلیس آزاد کند، احتمال واکنشزایی بالاتری دارد. به بیان ساده، اگر سنگدانه در تماس با محلول قلیایی شروع به آزادکردن سیلیس کند، یعنی ساختار آن از ابتدا پایداری کافی ندارد و در بتن نیز رفتار مشابهی بروز خواهد داد.
رطوبت نیز نقش تعیینکنندهای دارد. ژل قلیایی–سلیسی بدون آب نمیتواند متورم شود، بنابراین محیطهایی با رطوبت نسبی بالاتر از حدود ۷۵ درصد شرایط مناسب برای پیشروی واکنش را فراهم میکنند. برای همین است که سازههای داخل خاک، سازههای ساحلی، مخازن، و قطعات بتنی که دائماً در معرض تر و خشک شدن قرار میگیرند بسیار گرفتار ASR میشوند. در واقع حتی اگر سنگدانه واکنشپذیر باشد، بتن خشک ممکن است سالها پایدار بماند.
پیامدهای این واکنش تنها به ایجاد ترک محدود نمیشود. کاهش مدول الاستیسیته، افزایش نفوذپذیری، تسریع خوردگی میلگردها، ازبینرفتن پیوستگی سنگدانه–خمیر سیمان و افزایش تغییر شکلهای بلندمدت، همگی از تبعات ASR هستند. این نکات در بسیاری از دستورالعملها و استانداردهای ارزیابی دوام بتن نیز مورد تأکید است؛ چرا که کنترل این واکنش در مرحله ساخت بسیار کمهزینهتر از مواجهه با خرابی آن در مرحله بهرهبرداری است.
واکنش قلیایی–کربناتی نیز یکی دیگر از انواع واکنشهای قلیایی–سنگدانههاست، هرچند نسبت به ASR کمتر دیده میشود. این واکنش عمدتاً در سنگدانههای دولومیتی رخ میدهد و برخلاف ASR، اصلاحپذیری محدودی دارد. در بسیاری از دستورالعملها حتی توصیه میشود که اگر نوع سنگدانه بهعنوان "حساس" تشخیص داده شود، بهترین راهکار، صرفاً عدم استفاده از آن است.
در مجموع، واکنش سلیسی–قلیایی زمانی شکل میگیرد که سه عامل – سنگدانه واکنشپذیر، قلیاهای محلول و رطوبت – در کنار یکدیگر قرار گیرند. نقش استانداردهایی مانند ISIRI 7882 بیشتر در مرحله شناسایی و غربالگری سنگدانههاست، در حالی که استانداردهایی مانند ASTM C289 پایههای اولیه درک رفتار شیمیایی سنگدانه و قلیاها را شکل دادهاند. نتیجه نهایی اگر این عوامل کنترل نشوند، بتن متورم، ترکخورده و ضعیفشدهای است که دوام آن بهشدت کاهش مییابد.
در کنار تمام این مباحث مربوط به وقوع واکنش سلیسی–قلیایی، یکی از راهکارهایی که طی سالهای اخیر بسیار مورد توجه قرار گرفته، استفاده از ژل میکروسلیسی یا همان میکروسیلیس ژلشده است. این ماده در اصل از دود سیلیسی با خلوص بالا بهدست میآید اما در قالب ژل درآورده میشود تا هم مصرف آسانتری داشته باشد و هم توزیع آن در خمیر سیمان یکنواختتر و مؤثرتر باشد. نکته مهم این است که برخلاف تصور، میکروسلیس خودش آغازگر ASR نیست؛ بلکه دقیقاً برعکس، یکی از مؤثرترین مواد در مهار این واکنش بهشمار میرود.
عملکرد ژل میکروسلیسی را میتوان در چند سطح توضیح داد. نخست اینکه ذرات بسیار ریز آن وارد ساختار خمیر سیمان میشوند و با پر کردن فضاهای خالی میان محصولات هیدراتاسیون، شبکه موئینه بتن را ریزتر و بستهتر میکنند. وقتی شبکه موئینه اینقدر فشرده شود، مقدار آب آزاد و مسیرهای حرکت رطوبت کاهش مییابد و این موضوع بهتنهایی سرعت پیشروی ژل قلیایی–سلیسی را کم میکند، چون همانطور که گفته شد ژل ASR بدون آب قابلیت تورم و خرابی ندارد.
نکته دوم، واکنش پوزولانی قوی ژل میکروسلیسی است. میکروسیلیس با آهک آزاد حاصل از هیدراتاسیون سیمان واکنش میدهد و آن را تبدیل به محصولات پایدارتر C-S-H میکند. یکی از چیزهایی که در استانداردهای مرتبط – از جمله الگوهای ارزیابی ISIRI 7882 – به آن اشاره میشود این است که کاهش مقدار آهک آزاد و کاهش قلیای محلول در خمیر سیمان، یکی از عوامل بازدارنده ASR است. ژل میکروسلیسی دقیقاً همین کار را انجام میدهد: با مصرف Ca(OH)₂، محیط را از نظر قلیای آزاد "فقیر"تر میکند و عملاً مواد اولیه لازم برای رشد ژل قلیایی–سلیسی را محدود میسازد.
مسئله سوم مربوط به قلیاهاست. ذرات میکروسلیسی میتوانند بخشی از قلیای آزاد محیط را جذب و در ساختار محصولات هیدراتاسیون جدید محبوس کنند. این رفتار تا حدودی مشابه مفهومی است که در آزمایشهای شیمیایی قدیمیتر مانند روش ASTM C289 دیده میشود؛ یعنی اینکه اگر محیط قلیایی نتواند آزادانه با سیلیس واکنش دهد یا مقدار قلیای آزاد کاهش یابد، خطر ایجاد ژل انبساطی کمتر میشود. بنابراین حضور میکروسلیس عملاً مثل یک "تنظیمکننده" برای قلیا عمل میکند و اجازه نمیدهد یونهای سدیم و پتاسیم آزاد در محیط، به میزانی برسند که موجب انحلال سیلیس سنگدانه و ایجاد ASR شوند.
چهارمین اثر، ایجاد یک ساختار بسیار متراکم و مقاوم در برابر نفوذپذیری است؛ ساختاری که حتی اگر بخشی از واکنش بالقوه آغاز شود، امکان گسترش، مهاجرت یا انبساط شدید ژل را محدود میکند. بتنهای حاوی ژل میکروسلیسی معمولاً نفوذپذیری بسیار پایینی دارند و همین ویژگی باعث میشود آب و رطوبتی که ژل ASR برای تورم نیاز دارد، در دسترسش قرار نگیرد. در نتیجه حتی در سازههایی با رطوبت بالا، میزان خرابی قابل توجهی کمتر خواهد بود.
به همین دلیل است که در بسیاری از پروژههای صنعتی و زیرساختی، استفاده از ژل میکروسلیسی نهتنها بهعنوان یک افزودنی دوامزا، بلکه بهعنوان یک راهکار مستقیم برای کنترل واکنش قلیایی–سنگدانهها توصیه میشود. تجربه میدانی بسیاری از سازهها نیز نشان داده که زمانی که سنگدانه کمی واکنشپذیر باشد و از میکروسلیس مناسب استفاده شود، عملاً احتمال فعالشدن ASR به سطح قابل چشمپوشی میرسد.
در واقع ژل میکروسلیسی علاوه بر اینکه ساختار بتن را متراکمتر و کمنفوذتر میکند، محیط شیمیایی را هم بهگونهای تغییر میدهد که قلیاها کمتر آزاد باشند و سیلیس واکنشپذیر کمتر در معرض انحلال قرار گیرد. به بیان سادهتر، میکروسلیس هم "مواد اولیه" واکنش را محدود میکند و هم "فضای رشد" محصول واکنش را میبندد. مجموع این دو اثر باعث میشود واکنش سلیسی–قلیایی حتی اگر در سطح مولکولی آغاز شود، به مرحله خطرناک نرسد و بتن در بلندمدت پایدار بماند.
سوالات متداول:
بنابراین برای بسیاری از پروژه ها به خصوص در مناطق مرطوب یا با سنگدانه های مرزی ژل میکروسیلیسی یکی از بهترین روش ها برای پیشگیری قطعی یا حداقل کاهش خطر ASR است.