در چند دهه اخیر دوام بتن توجه زیادی را به خود جلب کرده و کماکان از موضوعات اصلی بتن است. در این مقاله سعی میشود موضوعات اصلی در حوزه دوام بتن مورد بررسی قرار گیرد، موضوعاتی شامل معضلات اصلی دوام بتن مانند واکنش-های قلیایی سنگدانه ها (Alkali-aggregate reaction (AAR))، حمله سولفات ها (Sulfate attack)، خوردگی میلگردها (Steel corrosion) و خرابی های ناشی از یخ زدن و ذوب شدن (Freeze thaw)، و تاثیر مرکب بارهای مکانیکی و عوامل محیطی به طور همزمان بر دوام بتن.

معرفی

دوام بتن به معنی توانایی دربرابر هوازدگی، حملات شیمیایی، فرسایش یا هر عامل دیگری که موجب تخریب شکل اصلی بتن، کیفیت یا کارایی آن شود است.

از بین رفتن دوام بتن معمولا با خرابی اعضای سازنده بتن شروع شده، مرحله به مرحله گسترش یافته تا بعنوان تهدید جدی برای سازه شناخته شود.

عوامل خرابی بتن به سه گروه تقسیم بندی میشوند، فیزیکی، شیمیایی و مکانیکی. برای مقابله با مشکلات دوام، محققان بسیاری مطالعات عمیقی در این زمینه داشته اند. براساس یافته های محققان در اغلب موارد خرابی سازههای بتنی نتیجه ترکیب عوامل مختلف محیطی به همراه بارگذاری میباشد.

به همین علت محققان تحقیقات خود را بجای بررسی یک عامل خاص، به بررسی ترکیب عوامل خرابی بتن میپردازند.

مشکلات اصلی دوام بتن

مشکلات اصلی شناخته شده در رابطه با دوام بتن شامل واکنشهای قلیایی دانههای سنگی، حملات سولفاتها، خوردگی میلگردها و ذوب شدن و یخ زدن میشوند که در ادامه بررسی خواهند شد.

واکنشهای قلیایی سنگدانه ها

واکنش قلیایی در بتن واکنشی است بین برخی سنگدانه های فعال و مواد قلیایی در منافذ بتن. آزمون nهای رایج بررسی این نوع خرابی در بتن عبارتند از آزمایش ملات و میله ASTM C227، متد استوانه سنگی ASTM C586، متد آزمایش سریع ASTM C289، آزمایش انقباض شیمیایی، مدول دینامیکی و غیره. در حالت عادی درجه واکنش قلیایی در بتن به حضور آب، مواد قلیایی موجود در بتن، تخلخل بتن و دما وابسته است.

بر این اساس پیشنهاداتی برای مقابله با واکنشهای قلیایی ارائه میشود، این پیشنهادات عبارتند از استفاده از سنگدانه های غیرفعال از نظر شیمیایی، استفاده از سیمان با درجه قلیایی پایین و یا جایگزینی درصدی از آن با مواد پوزولانی، خشک نگه داشتن بتن تا حد امکان، استفاده از مواد پوششی بتن و افزودن نمک نیترات.

در تحقیقی توسط بتی، مکانیسم واکنش های پوزولان ها بر کنترل انبساط سنگدانه های قلیایی مورد بررسی قرار گرفت .نتایج این تحقیق نشان میدهد که پوزولانها با تولید هیدرات سیلیکات کلسیم و هیدرات سیلیکات کلسیم کم آهک، انبساط قلیایی را کاهش می دهند یا به طور کلی حذف میکنند.

این هیدراتها میتوانند قلیای اضافی را درون خود حفظ کرده، بنابراین مقدار قلیاییت موجود برای واکنش با سنگدانههای فعال را کاهش میدهند. به منظور کنترل این انبساط قلیایی توسط افزودن پوزولانی مانند خاکستر بادی، نتایج نشان داده که حدود 33 درصد خاکستر کم آهک مورد نیاز است. با این حال ، اگر بتن حاوی سنگدانه سیلیسی باشد، میتوان این مقدار را تا حد 23 درصد (بر اساس نوع سیمان) کاهش داد.

خرابی تحت اثر حمله سولفات ها

حمله سولفاتی یکی از عوامل اصلی خرابی سازه بتنی به شکل افزایش حجم است. این افزایش حجم ناشی از واکنش بین یونهای سولفات و برخی از محصولات واکنش هیدراسیون در سازه بتنی میباشد.

آزمونهای بررسی مقاومت دربرابر سولفاتها معمولا به شکل قرار دادن نمونه های بتنی در محلول سدیم سولفات یا منیزیم سولفات و یا ترکیبی از آنها است. درحال حاضر، اثر حمله سولفات ها معمولا از طریق چندین شاخص بررسی میشود: تغییرات طول، کاهش یا افزایش جرم، تفاوت در سختی سطح، مقاومت و کاهش مدول الاستیک .

با این حال ، این شاخص ها اطلاعات کافی برای ارزیابی واکنش های شیمیایی و درک مکانیسم های آسیب را ارائه نمیدهند و همچنین هیچ کدام نمی-تواند الزاما مربوط به عملکرد در شرایط واقعی باشد. بنابراین همواره بررسی روش های نوین برای مطالعه تخریب ناشی از حملات سولفات ها باید انجام شود.

بررسی مقابله با حمله سولفاتی داخلی به بتن عنوان مقال هایست که توسط مجید احمدخانیها در این رابطه انجام شده است. در این تحقیق پس از شناسایی این پدیده و مکانیسم آسیب به بتن، عوامل مؤثر در بروز این پدیده دمای بالای هوا، مقدار فراوان سولفات در مخلوط بتن، درصد بالای C3A در سیمان مصرفی، نفوذپذیری بالای بتن و همچنین تماس آب با بتن معرفی شده است. به این ترتیب جهت کنترل انبساط های ناشی از این حمله، راهکارهایی که منجر به نتیجه مطلوب می شوند ،ارائه گشته است. این راهکارها عبارتند از کاهش دمای بتن و مقدار سولفات موجود در مخلوط بتن و همچنین جایگزین نمودن بخشی از سیمان در طرح اختلاط با مواد افزودنی معدنی که حاوی مقادیر معینی  Al2O3 هستند.

نمودار شکل 1 نتایج افزایش حجم ملات ماسه سیمان تحت تاثیر دماهای مختلف را نشان میدهد.

نتایج حاصل

براساس نتایج بدست آمده در این تحقیق دوده سیلیس باوجود ایجاد تاخیر درشروع انبساط ها، در کنترل انبساط های حمله سولفاتی داخلی حاصل از اترینگایت ثانویه تاثیر مفیدی نداشته است. بنابراین با توجه به تولید سرباره آهن گدازی در ایران که دارای کیفیت مطلوب نیز می باشد، این ماده افزودنی معدنی برای جایگزینی بخشی از سیمان به عنوان تنها گزینه بومی مورد توجه قرار گرفت.

البته متاکائولین و خاکستر بادی نیز تاثیرات مثبتی بر این پدیده داشته اند، اما به علت هزینه بالای تولید در ایران گزینه سرباره آهن گدازی مطلوبتر است. از آنجا که استفاده از سرباره باعث کند شدن روند مقاومت گیری بتن می شود، در تعیین درصد جایگزینی سرباره به جای سیمان، می بایست الزامات مقاومتی بتن در کنار تامین مقدار کافی اکسید آلومینیوم آزاد و فعال مورد توجه قرار گیرد. براساس بررسی انجام شده لازم است حداقل 7 درصد اکسید آلومینیوم آزاد در سیمان سربارهای موجود باشد. ولی به هر ترتیب برای اطمینان از کارایی سیمان سربارهای لازم است حداقل 33 درصد جایگزینی برای سرباره به جای سیمان رعایت گردد.