مکانیسم عمل عامل انبساط در بتن چیست؟

در مهندسی ساختمان، بروز ترک‌های بتن و تراوش آب رایج است و ترک‌های سازه‌ای می‌توانند زیبایی‌شناسی یا در موارد شدید ایمنی ساختمان را تحت تأثیر قرار دهند. با توجه به عواملی مانند افزایش مصرف سیمان، نیاز به مقاومت بیشتر، شرایط ساخت و عمل آوری نامناسب، ایجاد ترک در سازه های بتنی اجتناب ناپذیر است. در حال حاضر، تنها روش عملی در مهندسی، کنترل ترک ها در محدوده های بی ضرر است.

علل ترک خوردگی بتن

دلایل مختلفی برای ترک بتن در پروژه های ساختمانی وجود دارد که از جمله آنها می توان به طراحی سازه، عمل آوری ساخت و ساز و مواد اولیه اشاره کرد. علت اصلی ترک ها تنش کششی است که در هنگام تجربه بار، تغییر شکل و اختلاط بتن در طول فرآیند سخت شدن ایجاد می شود. ترک ها زمانی رخ می دهند که تنش کششی داخلی از مقاومت کششی نهایی بتن بیشتر شود. در این میان ترک‌های غیرسازه‌ای ناشی از تغییر شکل 80 درصد را تشکیل می‌دهند و عمده این ترک‌های غیرسازه‌ای ناشی از جمع‌شدگی بتن (مانند انقباض خودزا، انقباض پلاستیک، انقباض خشک شدن، انقباض حرارتی و غیره) است.

هیچ مشخصات فنی دقیقی برای کنترل ترک‌های غیرسازه‌ای وجود ندارد و روش‌های رایج مورد استفاده در مهندسی شامل طراحی درزهای انبساط یا استفاده از «روش انبار پرشی» در حین ساخت و ساز است. با این حال، این رویکرد دوره ساخت و ساز را طولانی می کند و هزینه های نظافت را افزایش می دهد. کاربردهای مهندسی گسترده نشان داده است که موثرترین روش استفاده از بتن جبران کننده انقباض برای کنترل ترک است.

مکانیسم و ​​کاربرد عوامل انبساطی

مواد منبسط کننده بتن افزودنی هایی هستند که وقتی به بتن اضافه می شوند باعث افزایش حجم آن می شوند و انقباض بتن را جبران می کنند. عوامل انبساط بر اساس اجزای انبساطی خود، مانند سولفوآلومینات کلسیم، بر پایه CaO، بر پایه MgO، سولفوآلومینات کلسیم-اکسید کلسیم و انواع کامپوزیت کلسیم-منیزیم طبقه بندی می شوند. با توجه به اجزای انبساطی مختلف، عملکرد گسترش آنها نیز متفاوت است. پذیرفته‌شده‌ترین مکانیسم‌های عوامل انبساطی شامل نظریه رشد کریستالی، نظریه تورم جذب آب، و نظریه گسترش حجم فاز جامد است.

2.1 عوامل انبساطی مبتنی بر سولفوآلومینات کلسیم

اثر انبساط عوامل منبسط کننده مبتنی بر سولفوآلومینات کلسیم در درجه اول از طریق تشکیل اترینگیت کلسیم (C3A{2}}CaSO{3}}H2O) در طول هیدراتاسیون حاصل می شود. مطالعات موجود نشان می دهد که اثر ترکیبی فشار رشد کریستالی و نیروی تورم جذب آب اترینگیت علت اساسی انبساط است و تورم جذب آب عامل غالب است. بر اساس این تئوری، واکنش هیدراتاسیون اترینگیت به مقدار قابل توجهی آب نیاز دارد که کاربرد آن را در بتن های با مقاومت بالا با نسبت آب به سیمان کم محدود می کند. بعلاوه، بتن حاوی مواد منبسط کننده مبتنی بر سولفوآلومینات کلسیم نیاز به کنترل سختگیرانه دارد. پخت نامناسب نه تنها انقباض را جبران نمی کند بلکه خطر ترک خوردن را نیز افزایش می دهد. علاوه بر این، اترینگیت کلسیم می تواند در محیط های مرطوب و گرم تجزیه شود و بر استحکام و دوام تأثیر بگذارد. بنابراین، هنگام استفاده از عوامل انبساطی مبتنی بر سولفوآلومینات کلسیم در مهندسی باید به دمای محیط توجه ویژه ای شود.

2.2 عوامل انبساطی مبتنی بر اکسید کلسیم

مکانیسم انبساط عوامل منبسط کننده مبتنی بر اکسید کلسیم شامل هیدراته شدن اکسید کلسیم (CaO) برای تشکیل هیدروکسید کلسیم (Ca(OH)2) است. این فرآیند حجم فاز جامد را افزایش می‌دهد و تجمع موضعی محصولات هیدراتاسیون باعث بزرگ‌تر شدن حجم منافذ و در نتیجه افزایش حجم خمیر می‌شود. در مقایسه با مواد منبسط کننده مبتنی بر سولفوآلومینات کلسیم، مواد منبسط کننده مبتنی بر اکسید کلسیم به آب کمتری نیاز دارند، راندمان انبساط بالاتری دارند و مقرون به صرفه تر هستند، که باعث استفاده گسترده تر از آنها می شود. با این حال، CaO به صورت گرمازا با آب واکنش می دهد که برای کنترل ترک های دما در بتن مضر است. علاوه بر این، سرعت هیدراتاسیون سریع CaO منجر به انبساط قابل توجهی می شود که در مرحله پلاستیکی بتن مصرف می شود و آن را برای جبران انقباض در مراحل بعدی بی اثر می کند. CaO همچنین به رطوبت محیط حساس است و برای جلوگیری از جذب رطوبت به بسته بندی دقیق نیاز دارد که می تواند اثر انبساط آن را کاهش دهد. علاوه بر این، Ca(OH)2 تحت فشارهای خاص آب محلول است، بنابراین هنگام استفاده از عوامل منبسط کننده مبتنی بر اکسید کلسیم در پروژه های ساخت و ساز زیر آب، احتیاط لازم است.

2.3 عوامل انبساطی مبتنی بر اکسید منیزیم

اثر انبساط عوامل منبسط کننده مبتنی بر اکسید منیزیم از طریق هیدراته شدن اکسید منیزیم (MgO) برای تشکیل هیدروکسید منیزیم (Mg(OH)2) رخ می دهد، با تغییر حجم ناشی از نیروی تورم جذب آب Mg(OH)2 در مراحل اولیه هیدراتاسیون و فشار رشد کریستالی Mg(OH)2 در مراحل بعدی. مطالعات گسترده و کاربردهای مهندسی نشان داده‌اند که عوامل انبساط‌کننده مبتنی بر اکسید منیزیم انبساط تاخیری و یک چرخه انبساط طولانی را نشان می‌دهند که می‌تواند به طور موثر انقباض دما را در طول انقباض خنک‌کننده و خشک‌کن جبران کند. خواص مکانیکی آنها پایدار است و برای هیدراتاسیون به آب کمتری نیاز دارند. عوامل انبساطی مبتنی بر اکسید منیزیم همچنین دارای مزایای محصولات هیدراتاسیون پایدار و خواص انبساط قابل تنظیم هستند که آنها را به طور گسترده در پروژه های بتنی در مقیاس بزرگ مانند سدها قابل استفاده می کند. در عمل، عواملی مانند درجه مقاومت بتن، ابعاد سازه و محیط ساخت باید در هنگام انتخاب عوامل مقاوم در برابر ترک بتن با کارایی بالا یا عوامل منبسط کننده اکسید منیزیم با واکنش پذیری متفاوت (نوع R، نوع M، نوع S) در نظر گرفته شوند. انقباض بتن را جبران می کند، در نتیجه کنترل ترک کامل چرخه و اقدامات کنترل دما را ساده می کند. با این حال، باید به دوز مواد منبسط کننده مبتنی بر اکسید منیزیم توجه شود، زیرا مقادیر بیش از حد ممکن است باعث انبساط بیش از حد شود که منجر به ثبات حجم ضعیف شود.

2.4 عوامل گسترش دهنده منبع دوگانه

عوامل انبساط با منبع انبساط دوگانه رایج در بازار عبارتند از عوامل انبساط کننده مبتنی بر سولفوآلومینات کلسیم-اکسید کلسیم (مانند HCSA، CSA، FQY، و غیره) و مواد منبسط کننده کامپوزیت کلسیم-منیزیم.

کلسیم سولفوآلومینات- عوامل انبساطی مبتنی بر اکسید کلسیم: منابع انبساط این عوامل اترینگیت و Ca(OH)2 می باشد. هنگامی که این عوامل در بتن استفاده می شوند، Ca(OH)2 انقباض اولیه را جبران می کند، در حالی که اترینگیت انقباض را در مراحل بعدی جبران می کند. انبساط از این منابع در مراحل مختلف رخ می دهد و به یک اثر جبران انقباض موثر دست می یابد. در مقایسه با عوامل منبسط با منبع تک انبساط، عوامل منبسط کننده مبتنی بر سولفوآلومینات کلسیم-اکسید کلسیم از مزایای انبساط بیشتر، تقاضای آب کمتر و دوره انبساط پایدار زودتر برخوردار هستند. آنها به طور گسترده در پروژه هایی مانند سازه های بتنی خود عایق و ساخت یکپارچه سازه های فوق طولانی استفاده می شوند.

مواد منبسط کننده کامپوزیت کلسیم-منیزیم: این عوامل از ترکیب اکسید منیزیم با سوختن کم با اکسید کلسیم، با منابع انبساط Ca(OH)2 و Mg(OH)2 ساخته می شوند. سرعت انبساط این عوامل کامپوزیتی با سرعت هیدراتاسیون سریع اکسید کلسیم و سرعت هیدراتاسیون کندتر اکسید منیزیم تنظیم می شود. این تنظیم امکان جبران مرحله ای و کامل انقباض بتن را فراهم می کند. علاوه بر این، عوامل منبسط کننده کامپوزیت کلسیم-منیزیم بر حساسیت دمایی عوامل منبسط کننده مبتنی بر اکسید کلسیم غلبه می کنند و آنها را برای پروژه هایی با الزامات کنترل دما سخت تر مناسب می کند.