آب و بتن

آب و بتن : آميزه اي از عشق و نفرت
در نوشته هاي مربوط به بتن ، هرگاه که بحث آب مورد توجه قرار مي گيرد معمولا” هر بار رابطه اي را به صورت جداگانه و منفرد در نظر مي گيرند . متداول ترين اين روابط ، رابطه بين نسبت آب به سيمان و مقاومت بتن مي باشد . مثال ديگر مقدار آب و تاثيرآن بر کارائي بتن است . در کرانه علمي تر موضوع ، تحقيقات زيادي درباره رابطه بين واکنشهاي هيدراتاسيون سيمان و حالات مختلف آب در محصول نهائي هيدراتاسيون ( آبي که به صورت شيميائي ترکيب شده ، آبي که به صورت فيزيکي به سطح ذرات جذب شده ، و آبي که به اسم آب آزاد شناخته مي شود ) صورت گرفته است .

اما بايد توجه داشت که آب را نبايد به صورت مايعي که صرفا” براي ساخت بتن بکار برده مي شود . در نظر گرفت بلکه آب در سراسر عمر بتن ( خواه کيفيت مطلوب و يا مناسب داشته باشد ) دخالت دارد . معمولا” بتن در محيطي که قرار مي گيرد به صورت دائم يا منقطع با آبي که به صورت مايع يا بخار مي باشد در تماس است بيشتر تاثيرات وارد شده بر بتن در هنگام بهره برداري غير از عوامل بارگذاري ناشي از آبي است که به صورت خالص يا حاوي املاح و مواد جامد مي باشد .

روابط متعددي بين آب و بتن وجود دارند که حتي بعضي از آنها چند جانبه مي باشند ولي هرگز بحثي روشنگرانه درباره کليه اين روابط به صورت يکجا و در يک مقاله ارائه نشده است . معهذا اين وضعيت پذيرفته شده است زيرا آب در مرحله اول و بتن در مرحله دوم موادي هستند که بيشتر از ساير مواد توسط انسان مورد استفاده قرار گرفته اند . در اينجا به صورت خلاصه رابطه بين آنها يا در واقع روابط متعدد بين بتن و آب مورد بررسي قرار مي گيرد تا باشد که اين باور از ميان برداشته شود که بحث بتن موضوعي خشک است .

بخش اول : در جريان ساخت
مشاهدات اوليه و شايد واضح ترين آنها بدين صورت است که بتن را نمي توان به صورتي که معمولا” تعريف مي شود بدون آب ساخت . بنابراين نخستين موضوع ، بحث آب مخلوط خواهد بود .
آب مخلوط :
سه جنبه آب مخلوط بايد مورد توجه قرار گيرند :
جنبه اول سلامت آب است : آب مصرفي بايد سالم باشد مانند آب لوله کشي شهري اما چنانچه آي سالم نباشد اثرات ناخالصي هاي آب بر روي خواص بتن مانند زمان گيرش کسب مقاومت ، تغيير رنگ ، و دوام دراز مدت بايد در نظر گرفته شود . اطلاعات نسبتا” کمي درباره محدوديت هاي مربوط به مناسب بودن آب مخلوط وجود دارد . شدت گرفتن کمبود آب در بسياري از نقاط جهان و

ملاحظات زيست محيطي موجب گرديده که مصرف آب حاصل از تصفيه فاضلاب هاي خانگي ، اب هاي پسامند صنعتي و همچنين آب مصرف شده براي شستشوي دستگاههاي مخلوط کن بتن و کاميونهاي بتن آماده مورد توجه قرار گيرد اين آبها را نبايد به داخل آبهاي طبيعي سطحي تخليه نمود .
واضح ترين راه حل بازيافت آب ، شستشو و دوبار مصرف نمودن آن به عنوان بخشي از آب مخلوط بتن است . از آنجا که آب شستشو حاوي قليائي هاي حاصل از ريسمان پرتلند و همچنين مواد جامد به صورت معلق مي باشد لازم است که معيار پذيرش مشخص گردد . مشخصات مربوط به مناسب بودن آب براي مخلوط نمودن وعمل آوردن بتن در مقاله جداگانه اي قبلا” مورد بحث قرار گرفته است .
جنبه دوم ، مقدار آب در واحد حجم بتن است . اين پارامتر را مي توان بر حسب ليتر در متر مکعب بتن بيان نمود که به آن مقدار آب بتن مي گويند . مقدار آب معمولا” برکارائي مخلوط حاصل تاثير مي گذارد .

جنبه سوم نسبت آب به سيمان است . مقدار آب در يک مخلوط را مي توان به صورت نسبت آب به سيمان که امروزه اکثرا” جرمي مي باشد بيان نمود . اين نسبت معمولا” به صورت اعشار ( غير از ژاپن که درصد را ترجيح مي دهند ) بيان مي شود . خوشبختانه براي انهائي که در خارج از آمريکا فعاليت مي نمايند واحد گالن براي هر کيسه سيمان ( عبارتي است که در آن از واحدهاي

غيرهمگن استفاده شده است ) موضوع مربوط به گذشته ها است اين واقعيت که نسبت آب به سيمان به ميزان قابل توجهي بر مقاومت بتن تاثير مي گذارد از زمان کار اوليه Duff Abrams بيش از هشتاد سال قبل کاملا” شناخته شده است . اخيرا” نيز مقاله اي در رابطه با مفيد بودن نسبت آب به سيمان توسط نويسنده نوشته شده است .
آب هيدراتاسيون :
وقتي که بتن مخلوط مي شود آب و سيمان براي مدتي طولاني به سادگي در مجاورت يکديگر باقي نمي مانند . پودر سيمان آب جذب مي کند و واکنش ها شيميائي هيدراتاسيون رخ مي دهند و محصولات مختلفي با اين واکنش ايجاد مي شوند . تمامي اين محصولات حاوي آب هستند اما کليه آب ها به شکل واحد نمي باشند . قسمتي از اين آب به صورت شيميائي ترکيب مي شود يعني به صورت بخشي از ماده مرکب در مي آيد مانند هيدروکسيد کلسيم قسمتي از آب به صورت

شيميائي ترکيب مي شود يعني به صورت بخشي از ماده مرکب در مي آيد مانند هيدروکسيد کلسيم قسمتي از آب به صورت فيزيکي در کليه سطوح محصولاتي از هيدراتاسيون که به صورت ژل مي باشند جذب سطحي مي شوند . مقاله حاضر محلي مناسب براي بحث جامع از شکل هاي مختلف آب در خمير هيدراته شده سيمان نمي باشد . ولي فقط کافي است که گفته شود انرژي چسبندگي آب متغير است . بنابراين به سهولت مي توان بين آب قابل تبخير و غير قابل تبخير تفاوت قائل شد اما اين مرز مطلق نبوده و بستگي به روش تبخير آب از نمونه دارد .
کليه فضاهاي داخل مخلوط بتن در جا ريخته شده با محصولات جامد هيدراتاسيون ( عبارت جامد شامل آب ژل نيز مي گردد ) پر نمي شوند . فضاهاي باقيمانده منافذ موئينه را تشکيل مي دهند که حداقل در ابتدا با آبي که آب آزاد ناميده مي شود پر مي گردند . از آنجا که آب آزاد نسبتا” به آساني مي تواند از منافذ موئينه خارج شود لذا امکان دارد که اين منافذ دوباره با آب پر شود . وجود يک حداقل مقدار آب در منافذ موئينه براي هيدراتاسيون سيمانهايي که قبلا” هيدراته نشده اند ضرورت دارد . درضمن بايد توجه داشت که حداقل فشار بخار هشتاد درصد است .

ذکر اين نکته مفيد است که محصولات هيدراتاسيون سيمان از درجه حلاليت کمي در اب برخوردارند . در واقع مبناي نامگذاري سيمان هيدروليک ( که سيمان پرتلند نمونه بارز آن است ) بدين منظور بوده که در آب پايدار است . بنابر اين در اين مرحله خمير سيمان هيدراته شده و آب حداقل تا حد زيادي در کنار يکديگر وجود دارند .
آب رانده شده به سطح بتن :
علاوه بر شکلهاي مختلف آب هيدراتاسيون ، در بتن ، کاملا” متمايز از خمير سيمان ، همچنين ممکن است آب محبوس شده اي در هنگام آب انداختن بتن ايجاد گردد . به نظر مي رسد که اين آب از ميان جرم بتن حرکت کند اما در حقيقت ذرات جامد هستند که از آب سنگين تر بوده و در اثر نيروي ثقل ته نشين مي شوند . چنانچه آب رانده شده به طرف بالا به سطح قطعه بتني برسد مي تواند تبخير گردد . رابطه بين روند تبخير و روند جايگزيني آب رانده شده بر توسعه جمع شدني خميري و احتمالا” ترک خوردگي ناشي از جمع شدگي خميري موثر است .

چنانچه آب به سطح رانده شده در مسير خود به طرف بالا در زير سنگدانه هاي درشت محبوس گردد منافذي را تشکيل ميدهد که در عمرهاي بعدي مي تواند اثرات نامساعدي بر دوام بتن داشته باشند ( از طريق فراهم نمودن مجاري که مواد مهاجم به راحتي مي توانند به داخل آنها نفوذ نمايند ) منافذ ناشي از آب انداختن در ابتدا با آب پر مي شوند اما به مرور زمان اين آب مي تواند صرف تداوم هيدراتاسيون سيمان گردد و يا به طرف خارج حرکت نمايد . اما حتي اگر بصورت آب در جاي خود باقي بماند مسيرهاي ترجيهي را براي نفوذ عوامل مهاجم به داخل بتن فراهم نمايد . ميزان کم يا زياد آب انداختن در يک مخلوط معين بستگي به برخي از خواص مخلوط دارد اما اينکه اين آب زير سنگدانه ها و مهمتر از همه به شکل آنها وابسته است .

در سنگدانه هاي پولکي امکان جلوگيري از حرکت آبي که به طرف بالا صعود مي نمايد و محبوس شدن آن خيلي بيشتر از سنگدانه هائي است که ابعاد همسان داشته باشند بنابر اين مشاهده مي شود اندر کنشي بين شکل سنگدانه ها و آب موجود در مخلوط بتن وجود دارد . چنانچه آب حاصل از آب انداختن به آساني به سطح قطعه بتني برسد و تبخير رخ دهد سبب کاستن از دماي نواحي سطحي بتن مي شود زيرا مقدار نسبتا” زيادي از حرارت که براي تبخير آب لازم است از اين ناحيه گرفته مي شود . اين موضوع ممکن است در مناطق گرمسير مفيد واقع شود به ويژه آنکه دماي بتن در هنگام گيرش همچنين بر توسعه ترک هاي حرارتي موثر است چنانچه يک قطعه بتني اعاد نهائي خود را در يک دماي زيادتر به دست آورد ، کاهش بعدي دما ممکن است سبب ايجاد ترک شود .
عمل آوري با آب :
دماي سطح بتن پس از آنکه بتن گيرش حاصل نمود همچنين تحت تاثير آبي که از خارج براي عمل آوري بتن به کار گرفته مي شود قرار مي گيرد . چنانچه اين آب تبخير گردد حرارت از بتن گرفته مي شود و اگر آب عمل آوري سرد باشد بتن در اثر انتقال حرارت سرد مي شود . اين امر ممکن است در آب و هواي گرم سودمند باشد بالعکس چنانچه دما کاهش يابد و خطر يخ زدگي وجود داشته

باشد عمل آوري با آب سرد مي تواند خطرناک باشد . عموما” عمل آوردن با آب بايد خيلي زودتر آغاز شود و براي مدتي ادامه يابد . واضح است که آب به عمل آوري نبايد حاوي يونهايي باشد که به بتن يا ميلگردهاي داخل آن حمله نمايد : آب هاي مهاجم در بندهاي بعدي مورد بحث قرار خواهند گرفت . نبايد از اب دريا براي عمل آوري قطعات بتني حاوي ميلگرد فولادي استفاده شود .
قابل توجه است که الزامات آب مخلوط بتن و آب عمل آوري يکسان نيستند براي مثال آب خالص ، مانند آب مقطر يا آبهايي که املاح آن گرفته شده است براي مخلوط بتن کاملا” مناسب است اما

همانطور که بعدا” اشاره خواهد شد اين آبها به بتن سخت شده حمله مي کنند بالعکس بسياري از آبهاي حاوي برخي از ترکيبات آلي که ممکن است در هيدراتاسيون سيمان دخالت نمايند وقتي که به عنوان آب عمل آوري مورد استفاده قرار مي گيرند بي ضرر خواهند بود تنها استثناء وقتي است که اين ترکيبات ممکن است باعث از بين بردن رنگ سطح بتني که در معرض ديد قرار دارد بشود به طور خلاصه بايد يادآور شد که در گذشته وقتي که از سيمان پرآلومين براي ساختمان

سازي استفاده مي شد سرد کردن شديد از طريق به کار بردن آب توسط توليد کنندگان اين سيمان توصيه مي شد . دليل اين امر آن بود که جلوگيري از افزايش زياد دما در هنگام هيدراتاسيون سيمان از ايجاد پديده اي به نام تبديل محصولات هيدراته شده جلوگيري مي کند و اين موضوع توام با افت مقاومت بتن است امروزه شناخته شده است که پديده تبديل را نمي توان از بين برد و در بسياري از کشورها سيمان پرآلومين را ديگر در ساختمان سازي به کار نمي برند با توجه به سرد شدن سطح قطعه بتني توسط آب عمل آوري ، بايد اختلاف دماي بين سطح و داخل بتن را در نظر داشت اگر اين اختلاف موجب ايجاد گراديان حرارتي زياد شود ، امکان بوجود آمدن تنش هاي حرارتي زياد و احتمالا” ترک خوردن بتن وجود دارد . کاملا” شناخته شده است که تامين آب براي عمل آوري در پيشرفت هيدراتاسيون سيمان در مخلوطهاي با نسبت آب به سيمان متوسط و کم ضرورتي اجتناب ناپذير است . در اغلب موارد اين جنبه از عمل آوري با آب جنبه هاي حرارتي را تحت الشعاع قرار مي دهد اما هردوي اين جوانب اندر کنش واضحي را بين آب عمل آوري و کيفيت بتن منتجه نشان مي دهد .
بخش دوم : در زمان بهره برداري :
اهميت نقش آب در بتن در زمان بهره برداري ادامه مي يابد و جنبه هاي متعددي از اين نقش وجود دارند .

جمع شدگي ناشي از خشک شدن :
در بحث از دست رفتن آب از بتن تازه يعني قبل از گيرش جمع شدگي خميري مطرح شد حال در اثر ازدست رفتن آب از بتن سخت شده نيز جمع شدگي ناشي از خشک شدن مي تواند ايجاد شود وليکن از دست رفتن تمام آب باعث جمع شدگي نمي شود : از دست رفتن آب آزاد جمع شدگي ايجاد نمي نمايد پس از خارج شدن آب آزاد آب چسبيده به سطح به محيط اطراف راه مي يابد و جمع شدگي رخ ميدهد . تحت برخي شرايط ، جمع شدگي ناشي از خشک شدن مي تواند منجر به ترک خوردگي جمع شدگي گردد که در واقع بزرگترين نقص بتن محسوب مي گردد و متداولترين علت مسائل بتن در سازه هائي است که در معرض هوا قرار مي گيرند يعني کليه سازه ها به استثناء آنهائي که در آب قرار گرفته و يا کاملا” در خاکي که مرطوب است جاي مي گيرد بنابراين جمع شدگي ناشي از خشک شدن معرف رابطه به ويژه مهمي بين اب در بتن سخت شده و تغيير شکل و از هم گسيختگي آن است .
خزش :
خزش بتن که تغيير شکل وابسته به زمان تحتن بار ثابت مي باشد همچنين به حرکت آن وابسته است ، گو اينکه اين مسئله پيچيده تر بوده و کمتر ازحالت جمع شدگي مورد تائيد قرار گرفته است . معهذا ثابت شده است که وقتي بتن تحت بار ثابت قرار دارد خشک مي شود انقباضي که به

اسم خزش خشک شدن بيشتر از حالتي است که هرگونه حرکت آب به داخل يا خارج از آن تحت بار وجود داشته باشد : تغيير شکل تحت شرايط اخير را خزش بنيادي مي نامند . بنابراين آب نقش مهمي در تغيير شکل وابسته به زمان بتن تحت بار ثابت دارد . اين نقش با نقشي که آب در جمع شدگي بتن وقتي که باري وارد نمي شود کاملا” متفاوت است مکانيزم اين دونوع خزش هنوز کاملا” شناخته شده نيست البته از زماني که کتاب جامعي در مورد بتن در سال ۱۹۸۳ به چاپ

رسيده ( به غير از مجموعه مقالات داده شده در سمينارها ) پيشرفت کمي در اين رابطه حاصل شده است امروزه هنوز مطالعات خزش ادامه دارد اما صرفا” براي درک مکانيزم آن بلکه براي توسعه دادن مدل هاي رياضي براي تخمين آن مي باشد که هيچکدام تائيد عمومي را به دست نياورده اند به نظر مي رسد که درک مکانيزم خزش شامل نقش آب بايد قبل از اتکاء بر عبارات رياضي پيچيده صورت گيرد .
تر و خشک شدن
بتن خشکي که در تماس با آب قرار گيرد به سرعت آب جذب مي کند آب تدريجا” به اعماق بيشتر قطعه بتني نفوذ مي کند و احتمال دارد که به سرعت اشباع کامل رخ دهد . اين فرايند برگشت پذير مي باشد اما نه با روندي يکسان : خشک شدن بي اندازه به کندي صورت مي گيرد به طوري که آن قسمتهائي از قطعه بتني که به فرض بيشتر از ۵۰۰ ميلي متر از سطح خشک شده فاصله دارند ممکن است هرگز کاملا” خشک نشوند و يا حداقل در عمر بهره برداري بتن اين اتفاق نيفتد . تر و خشک شدن وسيلهخاي براي دخول املاح به داخل بتن مي باشد زيرا محلول آنها به داخل بتن نفوذ مي کند ولي فقط آب تبخير مي شود .
در بتن توانمند ، وقتي که نسبت آب به سيمان بسيار کم است جمع شدگي خود به خودي ممکن است توسعه يابد که اخيرا” فقط به عنوان يک عامل مهم در رفتار بتن تشخيص داده شده است .
آب در بتن توانمند :

در بتن توانمند وقتي که نسبت آب به سيمان بي اندازه کم است جمع شدگي خودبخود ممکن است توسعه يابد که فقط اخيرا” به عنوان يک عامل مهم در رفتار بتن تشخيص داده شده است . جمع شدگي خودبخود مانند جمع شدگي ناشي از خشک شدن در اثر از دست رفتن آب از خمير سيمان هيدراته شده رخ مي دهد اما در اينجا از دست رفتن آب به علت مصرف شدن آب در واکنشهاي شيميائي مربوط به ادامه هيدراتاسيون مي باشد و نه در اثر حرکت آب به محيط اطراف . همچنين در مقابله با آتش ، بتن توانمند مشکل ويژه اي را تا آنجا که به آب داخل خمير سيمان

 

مربوط مي شود ايجاد مي نمايد نفوذپذيري خيلي کم اين بتن ها ( به دليل نسبت آب سيمان خيلي کم ) بدان معنا است که آبي که هنوز در داخل خمير سخت شده وجود دارد نمي تواند به آساني به داخل خمير راه يابد .
دماي زياد در جريان آتش سوزي سبب بخار شدن ، و همزمان افزايش حجم آبي که به صورت مايع بوده است ، مي گردد . تغيير فاز و فشار بخار زياد مي تواند منجر به منفجر شدن قسمت خارجي بتن گردد . در نتيجه تحت شرايط ويژه آنچه که در نظر بود به عنوان بتن توانمند عمل مي کند ممکن است به عملکردي پائين تر از بتن معمولي منجر گردد وقتي که در جريان خاموش نمودن آتش از آب سرد استفاده شود بتني که دماي سطح آن در مقابله با آتش بسيار زياد شده است يکباره در معرض آب قرار مي گيرد اين عمل مي تواند عواقب بسيار وخيمي براي بهره دهي و مقاومت بتن ببار آورد . بحث فوق نشان مي دهد که اگرچه نسبت آب به سيمان خيلي کم است وليکن بتن توانمند حساسيت فوق العاده اي را نسبت به آب نشان مي دهد .
التيام پذيري خودبخود
کاملا” شناخته شده است که وجود ترک در بتن عملا” اجتناب ناپذير است . وليکن وقتي بتن با ترک هاي ريزسطحي در تماس با آب ساکن يا با سرعت حرکت کم قرار مي گيرد التيام يافتن ترک آن امکان پذير است . اين عمل در اثر هيدراتاسيون سيماني که تا ان زمان هيدراته نشده است . و يا از تشکيل کربنات کلسيم از هيدراکسيد کلسيم که به خارج راه مي يابد ( در صورتي که کربناته شدن رخ مي دهد ) صورت مي گيرد .

آب هاي مهاجم
ممکن است بتن در عمل در معرض آب هاي مهاجم قرار مي گيرد . در بسياري از کشورها متداول ترين يون مخرب سولفات همراه با يکي از چندين کاتيون مي باشد . در ساير اب ها ممکن است اسيدهاي ناشي از محصولات جانبي شيميائي حاصل از فرايندهاي صنعتي وجود داشته باشد .
در برخي از مواضع آب در تماس با بتن آب دريا يا آب لب شور مي باشد . کلريدهاي موجود در چنين آب هائي چنانچه به داخل بتن راه يابند اغلب منجر به خوردگي ميلگردهاي فولادي مي شوند .

يادآوري اين نکته مهم است که فقط املاح محلول به بتن حمل مي کنند : چنانچه انباشته اي از سولفات کلسيم بر روي کف خشک بتني قرار داشته باشدبي ضرر است عملکرد انباشته اي از نمک طعام يعني کلرو سديم بر روي بتن نيز به همين صورت است فقط با اين تفاوت که نمک طعام جاذب رطوبت بوده و اگر چنانچه هوا مرطوب باشد اين نمک نهايتا محلولي را ايجاد مي کند که در آن يون هاي کلريد وجود خواهند داشت واين يون ها نهايتا به داخل بتن نفوذ مي کنند ولي اين عمل فقط مي تواند در آب صورت پذيرد

+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
عايق حرارتي

بتن عايق حرارتي نسبتا خوبي است و در اين رابطه بتن سبک به ويژه موثر است هدايت حرارتي بتن از اهميت ويژه اي برخوردار است و تعريف آن عبارت است از نسبت جريان ورودي حرارت به شيب حرارتي . از آنجا که قابليت هدايت هوا از آب کمتر است لذا قابليت هدايت حرارتي بتن معين به درجه اشباع منافذ داخل بتن با آب بستگي دارد . اين اثر به ويژه در بتن سبک که در مقايسه با بتن معمولي از نسبت بيشتري از منافذ هوا برخوردار است چشمگير است . براي مثال افزايش ده درصد در ميزان رطوب هدايت حرارتي بتن را به ميزان۵۰ درصد افزايش ميدهد چنين نتيجه ميشود