تخریب بتن

۱) مقدمه
ضريب نفوذ پذيرى مشخصه‏اى از بتن است كه بوسيله آن مى‏توان اطلاعات مناسبى از ريز ساختار و كيفيت بتن بدست آورد. با توجه به اينكه در مطالعات مربوط به پايائى بتن نظير بررسى پايائى بتن در برابر نفوذ يون كلر و حملات سولفاتى، در اغلب موارد سيال مهاجم از خارج بتن به داخل بتن نفوذ مى‏كند، بنابراين ميزان نفوذ پذيرى، قابليت بتن را براى سهولت و يا صعوبت ورود سيال به داخل محيط متخلخل بتن مشخص مى‏نمايد. به اين ترتيب در بسيارى از منابع معتبر “نفوذ پذيرى به عنوان كليد پايائى بتن قلمداد شده است.

در سازه ‏هاى بتنى، بتن پوشش سطحى در اولويت نخست، آرماتورها را از خوردگى حفاظت مى‏كند. بنابراين از ديدگاه خوردگى آرماتور اين منطقه سطحى در معرض نفوذ گاز اكسيژن، گاز كربنيك و آب قرار دارد. نفوذ دو سيال گاز كربنيك و آب ريز ساختار بتن را تـغيير مى‏دهد و بنابرايـن اين‏دو براى انـجام آزمايش قابل تكرار مناسب نيستند. به اين جهت است كه به نظر مى‏رسد گاز اكسيژن براى انجام آزمايش نفوذ پذيرى بتن مناسب‏ترين سيال باشد.

در مبحث مربوط به خوردگى آرماتور در بتن و در تشكيل پيل الكتروشيميايى، وجود اكسيژن براى تشكيل پروسه كاتد ضرورى است. همچنين روند خوردگى از دو مرحله شروع خوردگى و گسترش خوردگى تشكيل مى‏شود. براساس تحقيقات انجام شده نفوذ اكسيژن در مرحله گسترش خوردگى آرماتور در بتن اهميت دارد.

غير قابل نفوذ بودن بتن همچنين در رابطه با آب بندي مخازن مايعات و گازها، راکتورهاي اتمي و مخازن فاضلاب و تصفيه گاز مورد توجه مي باشد و الزامات معمول آن است که بتن بايد از نفوذ هوا تحت فشار داخلي معيني جلوگيري نمايد. همچنين نفوذ گاز در بتن با مسائل فشار هيدرواستاتيکي و داخل سدها نيز مورد توجه مي باشد. از طرف ديگر اندازه گيري ضريب نفوذپذيري بتن در برابر گاز نيز مزايايي دارد که از جمله اين موارد مي توان به سريع بودن انجام آزمايش و عدم تغيير شرايط آزمونه در زمان انجام آزمايش اشاره نمود.

نفوذ پذيرى يك ويژگى ريز ساختارى بتن است كه ميزان قابليت بتن را براى عبور سيالى با ويسكوزيته مشخص تحت گراديان فشار نشان مى‏دهد.
قانون Darcy(1856) داراى فرم ساده زير مى‏باشد و رابطه بين سرعت حركت سيال و گراديان فشار را نشان مى‏دهد:
v=Kv.i
:v سرعت خطى ظاهرى سيال (v=Q/A)(m/s)
:Kv ضريب نفوذ پذيرى دارسى (m/s)
:i گراديان هيدروليكى، افت فشار (بدون بعد(

حرکت سيالات از درون بتن از طريق منافذ موئينه و يا ناحيه مرزي بين ماتريس و سنگدانه صورت مي گيرد. اين در حاليست که به دليلي کوچکي بسيار زياد منافذ ژلي، عملا امکان عبور سيال از آن وجود ندارد. Powers رابطه بين منافذ موئينه و نفوذپذيري را به صورت زير نشان مي دهد :

يکي از مهمترين پارامترهايي که بر تخلخل بتن تاثير مي گذارد، نسبت آب به سيمان است. تاثير نسبت آب به سيمان بر اندازه حفرات و تخلخل بتن در شکل زير آورده شده است. بايد متذکر گرديد که نفوذ پذيري بتن تنها تابعي از تخلخل آن نمي باشد، بلکه به اندازه، توزيع و پيوستگي منافذ نيز بستگي دارد.
۲) ساز و كارهاي حرکت سيال در داخل بتن
سيال به يکي از روش هاي زير درون سيال حرکت مي کند :
۱- جذب سطحي (Adsorption)
2- انتشار (Diffusion)
3- مکش موئينه (Absorption)
4- نفوذپذيري (Permeability)

هر يک از پديده هاي نفوذ يون کلر،کربناتاسيون، حملات سولفاتي و انهدام ناشي از سيکل ذوب و يخ در بتن با توجه به يکي از مکانيزم هاي فوق يا ترکيبي از آن ها صورت مي پذيرد.

خوردگي آرماتور در اثر نفوذ يون کلر خوردگي آرماتور در اثر کربناتاسيون

حملات سولفاتي در بتن پديده سيکل ذوب و يخ در بتن
۳) روش هاي اندازه گيري ضريب نفوذپذيري بتن در برابر گاز
تا کنون روش هاي مختلفي براي اندازه گيري ضريب نفوذپذيري بتن در برابر گاز توسط محققين پيشنهاد شده است. اين روش ها عموما به دو دسته، آزمايشهاي نفوذپذيري گاز با اختلاف فشار ثابت و آزمايش هاي نفوذپذيري گاز با افت فشار (فشار کاهنده) تقسيم بندي مي شوند. روش هاي اندازه گيري ضريب نفوذپذيري گاز با اختلاف فشار ثابت عبارتند از :

۱- توصيه CEMBUREAU (توصيه انجمن سيمان اروپا)، اين روش مورد تائيد کميته RILEM TC 116-PCD مي باشد و در استاندارد ملي ايتالياUNI با کد ۵۸-E0031 آورده شده است.
۲- توصيه AFGC-AFREM(انجمن مهندسي عمران فرانسه)

۳- روش LNEC E-392 يا توصيه ملي پرتغال؛ اين توصيه نامه استفاده از نفوذسنج تهيه شده توسط پروفسور Cabrera را که در سال ۱۹۹۹ ميلادي در دانشگاه Leeds ساخته شده توصيه مي کند.
۴- روش انستيتو نفت فرانسه؛ در دانشگاه Sherbrooke کانادا و آزمايشگاه پايايي و مصالح ساختماني تولوز فرانسه (LMDC) که تحقيقات گسترده اي را بر روي نفودپذيري گاز انجام داده اند, از اين روش استفاده شده است.
۵- استاندارد امريکايي ASTM D 4525-90؛ اين روش که براي تعيين نفوذپذيري سنگ در برابر نفوذ گاز ارائه شده است براي سنجش نفوذپذيري بتن نيز قابل استفاده است.
همچنين روش هاي اندازه گيري ضريب نفوذپذيري گاز با افت فشار عبارتند از:
۱- آزمايش هاي مکش در سوراخ دريل شده در سطح بتن
۲- آزمايش هاي وارد کردن فشار در سوراخ دريل شده در سطح بتن
۳- آزمايش هاي مکش سطحي
۴- آزمايش هاي وارد آوردن فشار سطحي

۴) توضيح دستگاه اندازه‏گيرى نفوذ پذيرى بتن در برابر گاز اكسيژن، توصيه AFPC-AFREM,Cembureau
دستگاه اندازه‏گيرى نفوذ پذيرى بتن در برابر اكسيژن كه براساس دبى خروجى گاز اكـسيژن از نـمونه بتنى مـى‏باشد، براساس توصيه Cembureau و AFREM – AFPC ساخته شده است. اين دستگاه در حال حاضر در مراكز تحقيقاتى بتن در بسيارى از كشورهاى اروپايى وجود دارد و در پروژه‏هاى تحقيقاتى و مشاوره‏اى خصوصاً در سازه‏هاى آبى و همچنين سازه‏هاى در معرض عوامل خورنده محيطى مورد استفاده قرار مى‏گيرد.

۴-۱) شرح اجزاى دستگاه نفوذ هوا و شكل شماتيك آن
اين دستگاه وسيله‏اى براى اندازه‏گيرى دبى اكسيژن است كه شامل قطعات زير مى‏باشد:
– شير تنظيم فشار تنظيم كننده فشار ورودى سلول
– لوله‏هاى شيشه‏اى با حجم‏هاى مختلف (۱۶۰ و ۲۰ و ۵ و ۲ ميلى ليتر(
– سلول انجام آزمايش كه خود شامل پنج بخش مى‏باشد: ۱- محفظه آلومينيومى ۲- دو صفحه پخش كننده هوا براى كسب اطمينان از عبور اكسيژن از تمام سطح قطعه بتنى ۳- غشاى پلى اورتان به دور ديسك بتنى -۴تيوپ هوا ۵ – درپوش

دياگرام دستگاه نفوذ پذيرى بتن در برابر اكسيژن
ضمناً براى انجام آزمايش از دو كپسول بزرگ مايع استفاده ميگردد:
-۱ كپسول اكسيژن براى تأمين گاز عبورى از آزمونه
-۲ كپسول ازت براى باد كردن تيوپ به دور ديسك بتنى تا فشار حداكثر ۱۲ اتمسفر

۴-۲) مشخصات آزمونه
آزمونه‏ها با توجه به حداكثر بعد سنگدانه موجود در بتن به صورت قطعاتى با قطر ۱۵ سانتيمتر و ضخامت ۵۰ يا ۶۵ ميليمتر تهيه مى‏شوند. ضخامت نمونه بايد از ۲/۵ برابر حداكثر بعد سنگدانه بزرگتر باشد. بعد بزرگترين سنگدانه تا ۲۵ ميليمتر توصيه شده است .

براى تهيه اين ديسكهاى بتنى بايد نمونه‏هاى استوانه‏اى استاندارد (استوانه‏هاى با قطر ۱۵ سانتيمتر و ارتفاع ۳۰ سانتيمتر) را با ضخامت مورد نياز برش زده و سپس با تهيه حداقل ۳ ديسك بتنى از يك نمونه استوانه‏اى استاندارد، آزمايش را بر روى هر سه نمونه به صورت متوالى انجام داد.
چنانچه از مغزه‏هاى كرگيرى شده براى انجام آزمايش استفاده شود بايد مطمئن بود كه نمونه تهيه شده ترك خورده و آسيب ديده نباشد. چنانچه قطر و يا ارتفاع مغزه از مقادير گفته شده قبلى كمتر باشد مى‏توان با استفاده از رزين غير قابل نفوذ براى جبران كمبود قطر و يا جدا كننده (براى جبران كمبود ارتفاع) استفاده كرد. البته در تحليل نتايج بدست آمده بايد دقت زيادى نمود.

اين روش براى بتن‏هاى با عـيار سيـمان حـدود ۲۰۰ تـا kg/m3 450و مقادير ضريب نـفوذ پذيرى در برابر اكسيژن بين۱۰-۱۹ m2 تا۱۰-۱۴m2 نتايج قابل قبولى مى‏دهد..

۵) رابطه ضرايب نفوذ پذيرى بتن در برابر آب و در برابر گاز اكسيژن
اندازه‏گيرى ضريب نفوذ پذيرى بتن در برابر آب از سالها پيش در كشورمان متداول بوده است و خصوصاً در پروژه‏هاى سد سازى مورد كاربرد قرار گرفته است. در عين حال در ساختمانهاى معمول، بتن سطحى كه حفاظت آرماتورها را بر عهده دارد در معرض نفوذ اكسيژن، گاز كربنيك و آب قرار دارد. عملاً انجام آزمايش نفوذ پذيرى با گاز اكسيژن از دو سيال ديگر ساده‏تر و قابل تكرارتر است و اين گاز واكنشى هم با محيط بتن نخواهد داد.

چنانچه مقادير محاسبه شده براى ضرائب نفوذ پذيرى آب و گاز بر حسب m2 ضريب نفوذ پذيرى واقعى بتن بود بايد اين مقادير يكسان باشند ولى عملاً ضريب نفوذ پذيرى در برابر گاز بزرگتر است و براى بتن‏هاى با ضريب نفوذ پذيرى كم اين اختلاف زيادتر است.
اختلاف بين ضرائب نفوذ پذيرى بتن در برابر گاز و آب را مى‏توان به موارد زير نسبت داد:
-۱ فعل و انفعال شيميايى آب با سيمان موجب دوباره هيدراته شدن ذرات سيمان هيدراته نشده مى‏شود و انحلال، ته نشينى و جابجائى ذرات ريز و جذب آب در تخلخل‏هاى كوچك ماتريس سيمان موجب كاهش نفوذ پذيرى مى‏گردد.

-۲ اثرklinkenberg و يا تئورى لغزش گازها، براساس اين تئورى گاز نزديك به ديواره موئينه يك سرعت حدىدارد و بنابراين كميت جريان گاز از طريق موئينه‏ها بيش از مقدارى است كه با قانون Poiseuille پيش بينى شده است. همچنين اين اثر زمانى پديد مى‏آيد كه مسير آزاد در مولـكولهاى گـاز نسبت به قطر منافذ موئينه به قدر كافى بزرگ باشد. ميزان اثر Klinkenberg به توزيع اندازه تخلخل‏ها و مقدار متوسط فشار آزمايشى دارد. اين اثر وقتى كه فشار آزمايش زياد باشد كمتر مى‏شود. البته اين اثر تا حدود كمى اختلاف بين دو ضريب نفوذ پذيرى را توجيه مى‏كند.

 

در اندازه‏گيرى ضريب نفوذ پذيرى ذاتى مصالح، مقادير بدست آمده براساس آزمايش با آب به نحو بهترى ريز ساختار بتن را نشان مى‏دهد. براى اندازه‏گيرى ضريب نفوذ پذيرى بتن در برابر گاز كه به مقادير ضريب نفوذ پذيرى ذاتى نزديكتر باشد بايد از فشارهاى زياد استفاده كرد. در شكل زير رابطه بين ضرائب نفوذپذيرى نشان داده شده است.

رابطه تئورى بين ضرايب نفوذ پذيرى مايع و گاز

اختلاف بين ضرايب نفوذ پذيرى بتن در برابر گاز و مايع براى بتن‏هاى با ضريب نفوذ پذيرى كم، زيادتر است. براى يك بتن متداول سازه‏اى كه ضريب نفوذ پذيرى آن در برابر آب حدود ۱۰-۱۸ m2است، ضريب نفوذ پذيرى در برابر گاز براى فشار حدود ۶ اتمسفر ممكن است ۱۰۰ برابر زيادتر باشد. نتـايج بـدست آمـده از آزمايشها بـراى بـتن معمولى نسبت‏هاى كوچكتر از ۱۰۰ را نشان مى‏دهد.
روابط زير براى بدست آوردن ضريب نفوذپذيرى در برابرآب(Kl)با داشتن ضريب نفوذپذيرى در برابر گاز Kg بكار مى‏رود. kl=kg/(1+b/pm)

b از رابطه زير قابل محاسبه است:

در بسياري از کشورها، ضريب نفوذپذيري بتن در برابر گاز اکسيژن به عنوان يک از معيارهاي پذيرش پايايي بتن شناخته مي شود. به عنوان نمونه، Torrent بتن ها را از نظر کيفي بر اساس ميزان ضريب نفوذپذيري در برابر گاز به صورت زير تقسيم بندي مي کند :

کيفيت ضريب نفوذپذيري(۱۶-۱۰) m2 رديف
عالي >0.01 1
خيلي خوب ۰٫۱-۰٫۰۱ ۲
متوسط ۰٫۱-۱٫۰ ۳
بد ۱-۱۰ ۴
خيلي بد <10 5