هیدراتاسیون چیست؟
هنگامی که سیمان، آب، سنگدانه‌ها و مواد افزودنی با هم مخلوط می‌شوند، افزایش قابل توجهی حرارت رخ می‌دهد. این به دلیل روند گرمازایی در واکنش بین سیمان و آب است که هیدراتاسیون نامیده می‌شود. اندازه گیری دمای بتن در طول زمان، افراد را قادر می‌سازد تا بدانند تأثیر هیدراتاسیون چقدر است تا بتوانند مقاومت بتن را تخمین بزنند. به دلیل اهمیت بالای این موضوع، ما در این مقاله به تفصیل دربارۀ هدیراتاسیون صحبت می‌کنیم.
تعریف هدیدراتاسیون
هیدراتاسیون یکسری واکنش های شیمیایی است که در اثر برخورد آب و سیمان هیدرولیکی اتفاق میفتد. وقتی آب و سیمان در خمیر سیمان ترکیب می‌شوند، بیشتر دانه‌های سیمان بلافاصله شروع به حل شدن در آب می‌کنند که این امر فرآیند هیدراتاسیون را آغاز می‌کند.
این واکنش‌ها ترکیبات جدیدی را تولید می‌کنند و هرچه هیدراتات سیمان بیشتر شود، آب و سیمان بیشتری مصرف شده و ترکیبات بیشتری تولید می‌شود. ترکیبات گسترش می‌یابند و همچنین شروع به تجمع و اتصال به یکدیگر می‌کنند.
در نهایت، تجمع ترکیبات منجر به سفت شدن، سخت شدن و توسعه مقاومت خمیر سیمانی می‌شود و بتن پلاستیک را به محصولی با دوام و مقاوم تبدیل می‌کند؛ اما هیدراتاسیون بتن فقط ترکیب سیمان و آب نیست! میزان هیدراتاسیون سیمان به عوامل مختلفی بستگی دارد که در ادامه مقاله در مورد آنها صحبت می‌کنیم.
ترکیبات هیدراتاسیون سیمان
محصولات اصلی واکنش‌های هیدراتاسیون سیمان، هیدرات سیلیکات کلسیم (CSH) ، هیدروکسید کلسیم (CH) و فازهای AFt و AFm هستند. فازهای AFt و AFm موجود در سیمان هیدراته، ترکیبات C3A ، آنیدریت و آب هستند. خمیر سیمان پرتلند هیدراته معمولاً از نظر جرمی از حدود 50 درصد CSH و حدود 15 تا 25 درصد از CH تشکیل شده است. اکثر مقاومت نشان داده شده توسط خمیر سیمان هیدراته، مخصوصاً مقاومت را می‌توان به CSH نسبت داد.
C3A از بین چهار فاز اصلی معدنی سیمان واکنش پذیر است اما فقط کمی به افزایش مقاومت اولیه کمک می‌کند. C3A به راحتی با آب موجود در خمیر سیمان واکنش داده و ژلی غنی از آلومینات تولید کرده که این فرآیند مقدار قابل توجهی از گرما را آزاد می‌کند.
گرمای تولید شده به سرعت کاهش می‌یابد و معمولاً فقط چند دقیقه طول می‌کشد. ژل حاصله اما با سولفات‌های مختلف موجود در سیمان از جمله گچ، انیدریت و همی هیدرات واکنش نشان داده و اترینگیت تولید می کند. توسعه اترینگیت در مراحل اولیه هیدراتاسیون به کنترل سخت شدن بتن پلاستیکی کمک خواهد کرد. روزها بعد از هیدراتاسیون، اترینگایت به تدریج از طریق واکنش با C3A مصرف شده و با مونوسولفات جایگزین می‌شود.
C3S و آب در تولید CSH و CH واکنش نشان می‌دهند. C3S که به آن آلیت نیز گفته می‌شود، به سرعت هیدراته شده و واکنش نشان می‌دهد و سخت می‌شود و بیشترین کمک را به مجموعه اولیه بتن و توسعه مقاومت اولیه می‌کند. C2S همچنین با آب واکنش داده تا CSH و CH ایجاد کند. با این حال،C2S یا بلیت به آرامی نسبت به آلیت واکنش نشان می‌دهد و به نوبه خود یک عامل بزرگ در افزایش مقاومت بتن بیش از یک هفته سن است.
فرآیند هیدراتاسیون چگونه است؟
واکنش اولیه پس از مخلوط شدن سیمان و آب رخ می‌دهد و اوج دما اتفاق میفتد. آلومینات (C3A) با H2O (یون های کلسیم و سولفات) واکنش داده و اترینگایت (هیدرات آلومینات) را تشکیل می‌دهد. ترشح انرژی از این واکنش‌ها باعث اوج گیرش اولیه می‌شود. نتیجه این واکنش، پوشش سطحی ذرات سیمان است. این پوشش سرعت واکنش را کاهش خواهد داد زیرا دسترسی به H2O به اندازه زمان مخلوط شدن بتن، مناسب نیست. از این فاز برای انتقال و ریختن بتن استفاده می‌شود.
در مرحله بعد، افزایش گرما به دلیل واکنش بین سیلیکات کلسیم (C3S و C2S) ایجاد شده که باعث ایجاد هیدرات سیلیکات CSH می‌شود. ایجاد هیدرات سیلیکات همچنین تأثیر عمده ای بر مقاومت بتن در گیرش ثانویه دارد. نظارت بر دمای داخلی بتن می‌تواند بسیار مهم باشد زیرا دمای بتن در این مرحله می‌تواند به سرعت افزایش یابد تا به دمایی در حدود 70 تا 80 درجه سانتی‌گراد برسد.
سپس حداکثر درجه حرارت حاصل شده و در دسترس بودن ذرات آزاد کاهش یافته است و بنابراین این مهم سرعت دما را نیز کاهش می‌دهد. این مرحله غالباً با مقاومت مطلوبی به پایان می‌رسد و اکنون می‌توان قالب اطراف بتن را باز کرد. روند هیدراتاسیون اکنون کند شده و به آرامی ادامه خواهد یافت تا ذرات موجود در سیمان و آب به واکنش نهایی خود ادامه داده تا مقاومت بتن به حداکثر مقدار خود برسد.
اثرات دما بر هیدراتاسیون
سرعت هیدراتاسیون با افزایش دما بیشتر می‌شود و در نتیجه زمان کاهش پیدا می‌کند. بالاتر از 230 درجه فارنهایت (110 درجه سانتی‌گراد)، محصولات هیدراتاسیون تشکیل شده تفاوت قابل ملاحظه ای با محصولات به دست آمده در دمای پایین دارند. فازهای آلیت و بلیت هیدراته می‌شوند تا α-C2SH متبلور به جای C-S-H آمورف به دست آید.
α-C2SH ماده ای متبلور و نسبتاً متراکمی است و از این جهت که نفوذ پذیری بالا و مقاومت فشاری کمی را ایجاد می‌کند، مضر است. با افزودن سیلیس ریز آسیاب شده مانند آرد سیلیس به سیمان، می‌توان از تشکیل α-C2SH جلوگیری کرد یا آن را به حداقل رساند.
دمای محیط هنگام اختلاط، بتن ریزی و عمل آوری بتن، در هیدراتاسیون سیمان نقش دارد. اگرچه همۀ سیمان‌ها واکنش یکسانی از خود نشان نمی‌دهند اما به طور معمول با افزایش دما، زمان گیرش کاهش می‌یابد.
به طور کلی، نوسان 10 درجه فارنهایت می‌تواند حدود 33 درصد زمان گیرش را تغییر دهد. دمای ایده آل پخت به طور معمول از 50 تا 70 درجه متغیر است. دمای زیر 50 درجه باعث پیشرفت هیدراتاسیون با سرعت بسیار کندتری می‌شود. هنگامی که دما به زیر 40 درجه می‌رسد، رشد مقاومت اولیه به طور قابل توجهی کم می‌شود.
ا این حال، هنگامی که دمای محیط از 70 درجه عبور می‌کند، هیدراتاسیون بیش از حد سریع می‌شود و می‌تواند منجر به نتایج مضر مانند ترک خوردگی و جمع شدگی پلاستیک، مقاومت‌های 28 روزه پایین تر و کاهش دما شود. دمای آب مخلوط نیز در هیدراتاسیون نقش اساسی دارد زیرا دمای بتن را تغییر می‌دهد. دمای آب مخلوط را می‌توان تنظیم کرد، اغلب از طریق گرم کردن آب یا افزودن یخ به آب.
نقش تکنیک‌های عمل آوری در هیدراتاسیون
رطوبت اضافی در طی عمل آوری می‌تواند جای آب از دست رفته در اثر هیدراتاسیون و تبخیر آن را بگیرد. با افزودن رطوبت اضافی، میزان هیدراتاسیون تا حد زیادی بی‌تأثیر است. با این حال، این مهم اطمینان می‌دهد که رطوبت کافی در طول هیدراتاسیون و عمل آوری موجود است.
رطوبت ناکافی می‌تواند منجر به بی‌آب ماندن سیمان شود و هیچ خاصیت مفیدی برای بتن یا خشک شدن زودرس بتن نداشته باشد و حتی منجر به ترک سطح کوچکی می‌شود. رطوبت اضافی را می‌توان از طریق خیس کردن گونی، آبپاشی روزانه و روش های دیگر اعمال کرد.
روش‌های نگهداری رطوبت به نایلون، پوشش‌ها یا ترکیبات سازنده غشا و فرآیندهای غشایی بستگی دارد که روی سطح خارجی بتن برای به دام انداختن رطوبت اعمال می‌شوند. احتباس رطوبت تأثیر کمی بر میزان آبرسانی دارد. در عوض، روش‌های نگهداری با اطمینان از وجود رطوبت کافی برای هیدراتاسیون، به بهبود محیط عمل آوری کمک می‌کنند.
عمل آوری سریع با استفاده از گرما و بخار، میزان هیدراتاسیون و سرعت توسعه مقاومت بتن را افزایش می‌دهد. بهبود سریع به ویژه در دستیابی به مقاومت اولیه بسیار مفید است. این روش‌ها اغلب در بتن ریزی در هوای سرد برای ایجاد محیط مناسب‌تر برای هیدراتاسیون سیمان استفاده می‌شوند.
عمل آوری داخلی شامل استفاده از سنگدانه سبک کاملاً اشباع شده است، که با ایجاد یک منبع داخلی برای تأمین آب به حفظ رطوبت کافی بتن کمک می‌کند. عمل آوری داخلی تأثیر کمی بر میزان آبرسانی دارد و به شما کمک می‌کند تا یک محیط مطلوب برای هیدراتاسیون ایجاد کنید. عمل آوری رطوبت داخلی اغلب برای انواع بتن هایی استفاده می‌شود که حاوی مقادیر بالایی از مواد سیمانی هستند.
نقش افزودنی‌ها در هیدراتاسیون
مواد افزودنی تسریع کننده، گزینه هایی را برای افزایش میزان آبرسانی، افزایش قدرت اولیه و کاهش مدت زمان تنظیم اولیه ارائه می‌دهند که این مهم اغلب بر دوام بتن بی‌تاثیر است. شتاب دهنده ها با تضعیف مانع در اطراف ذرات سیمان، اجازه می‌دهند که آب با سهولت بیشتری به فازهای C3S و C2S دسترسی داشته باشد و در نتیجه میزان هیدراتاسیون مواد معدنی افزایش می‌یابد.
از شتاب دهنده‌ها غالباً برای جبران اثرات عقب ماندگی در گیرش بتن در هوای سرد استفاده می‌شود. برعکس، مواد افزودنی با تأخیر در گیرش، میزان هیدراتاسیون و افزایش مقاومت اولیه را کاهش می‌دهند و طول مدت زمان تنظیم اولیه و نهایی را افزایش خواهند داد.
بازدارنده‌ها با جلوگیری از تشکیل و رشد برخی از محصولات آبرسانی، هیدراتاسیون را کند می‌کنند. آنها معمولاً برای خنثی کردن سرعت پخت سریع ناشی از هوای گرم یا تاخیر تنظیم شده برای استفاده از تکنیک های خاص تکمیل یا موقعیت‌های دشوار قرارگیری استفاده می‌شوند.
مواد افزودنی تسریع کننده و افزودنی‌های بازدارنده گیرش، هر دو به اشکال مختلف وجود دارند اما اغلب به عنوان مواد افزودنی شیمیایی مایع ظاهر می‌شوند. نحوه عملکرد این مواد افزودنی به ترکیب، دوز، زمان و ترتیب افزودن آنها به مخلوط و همچنین دمای محیط و دمای بتن بستگی دارد.
برای هیدراتاسیون کامل سیمان، به طور معمول 0.4 ترکیب، آب نیاز است. میزان هیدراته شدن مواد تشکیل دهنده به عوامل مختلفی بستگی دارد. با این حال، اگر نسبت آب به سیمان بیش از حد زیاد باشد، آب اضافی در ماتریس بتن باقی می‌ماند. آب اضافی تا زمان تبخیر باقی مانده که علاوه بر اینکه به مقاومت فشاری کمک نکرده، حساسیت بتن به ایجاد ترک را افزایش می‌دهد.
برعکس، اگر نسبت آب به سیمان بیش از حد کم باشد، در حالی که سیمان بدون آب در ماتریس باقی می‌ماند، آب مخلوط مصرف شده یا بخار می‌شود. این موضوع این هیچ فایده ای برای مقاومت و دوام بتن ندارد! مواد سیمانی تکمیلی (SCM) اغلب به عنوان جایگزین بخشی از سیمان پرتلند در مخلوط بتن اضافه می‌شوند. مواد سیمانی تکمیلی رفتاری مشابه سیمان سنتی را از خود نشان می‌دهند.
با این حال، انواع مختلف مواد سیمانی تکمیلی برخی از اقدامات آبرسانی را تقویت یا مهار می‌کنند. مواد سیمانی تکمیلی معمولاً مورد استفاده شامل خاکستر بادی، بخار سیلیس و سرباره کوره بلند هستند که مانند خاکستر بادی و سیمان سرباره باعث کاهش گرمای هیدراتاسیون بتن و افزایش زمان گیرش می‌شوند. در حالی که برخی از پوزولان‌های طبیعی مانند کلسی شیل یا خاک رس و متاکائولین گرمای هیدراتاسیون را کاهش می‌دهند اما تأثیری در زمان گیرش ندارند.
کلام آخر
هیدراتاسیون را باید مهمترین مرحله از تولید بتن دانست. این مرحله در مقاومت، دوام و کلیه خصوصیات بتن تأثیر می گذارد. هیدراتاسیون سیمان به دمای محیط، نسبت آب به سیمان، نوع سیمان و موارد دیگر بستگی دارد. به طور کلی، برای تولید بتن مورد نظر مهم است که مهندسان از روند هیدراتاسیون و عوامل مؤثر بر آن آگاه باشند.
منابع :
ثبت ديدگاه