منبع: راسخون
مشاهدات مستقيم بر روي اصلاحات ساختاري ايجاد شده در طي هيدراسيون سيمان
دستگاه تفرق اشعه ي X و ميكروسكوپ الكتروني روبشي (SEM) مي تواند براي بررسي استحاله هاي ساختاري ايجاد شده در طي هيدراسيون سيمان پرتلند، مورد استفاده قرار گيرد.
از لحاظ تاريخي، دستگاه تفرق اشعه ي X براي تشخيص فازهاي مختلف موجود در كلينكر سيمان پرتلند و مواد تشكيل شده در حين هيدراسيون، مورد استفاده قرار مي گيرد. بعد از آن، ميكروسكوپ الكتروني روبشي به طور گسترده براي به تصوير كشيدن فازهاي شناسايي شده بوسيله ي ميكروسكوپ الكتروني روبشي، مورد استفاده قرار گرفت. اخيراً SEM هاي محيطي براي مشاهده ي رشد محصولات حاصل از هيدراسيون مورد استفاده قرار گرفته است.
تركيب شدن ميكروسكوپ الكتروني عبوري با ميكروپروب هاي EDAX، تشخيص گونه هاي مينرالي موجود در هيدراسيون سيمان را تسهيل كرد. با استفاده از اين بخش ها امكان بررسي مكان به دام افتادن ناخالصي هاي مختلف در داخل كلينكر سيمان و محصولات حاصل از هيدراسيون سيمان پرتلند، بوجود آمد.
برخي از تصاوير SEM در اين مقاله نشان داده شده است. در شكل 1، يك كريستال هگزاگونال زيبا از فاز پرتلانديت (portlandite: هيدروكسيد كلسيم) نشان داده شده است. سوزن هاي هگزاگونال اترينجيت (شكل 2) نيز همانند صفحات مونوسولفوآلومينات (شكل 3) قابل مشاهده مي باشد. تصاوير زيباتر نسبت به اين تصاوير، در بتن هايي مشاهده مي شود كه داراي نسبت آب/ بايندر بالاتري هستند. البته اين نوع از بتن ها داراي كيفيت كمتري هستند. در تصاوير SEM همچنين كريستال هاي C-S-H نيز قابل مشاهده هستند. اين كريستال هاي كوچك، مانند سوزن هاي كوچك رشد مي كنند و در نتيجه، كريستال هاي و در ساعت هاي اوليه ي هيدراسيون، به صورت جوجه تيغي در مي آيند. كريستال هاي C-S-H از كريستال هاي پرتلانديت، اترينجيت و مونوسولفوآلومينات كوچك تر هستند.
هيدراسيون مي تواند در هر زماني با استفاده از افزودن استون، متوقف شود و بوسيله ي اين كار مي توان ميزان هيدراسيون خمير سيمان پرتلند، در زمان مورد نظر را برآورد كرد. به هر حال، برخي از محققين با اين گونه عمل آوري موافق نيستند و مي گويند، استون اثر سوء بر فرايند هيدراسيون دارد.
ميكروسكوپ الكتروني روبشي مي تواند همچنين براي مشاهده ي اثر نسبت آب/بايندر بر روي مورفولوژي مواد هيدراته شده، مورد استفاده قرار گيرد. اين مشاهده شده است كه وقتي ذرات سيمان پرتلند به همديگر نزديك تر مي شوند (با كاهش نسبت آب/ بايندر)، مشاهده ي كريستال هاي زيبا سخت مي شود و در برخي اوقات نيز ساختاري آمورف مشاهده مي شود (شكل 4). در خميرهاي با نسبت آب/ بايندر بسيار پايين، كريستال پرتلانديت و اترينجيت در تصاوير SEM قابل مشاهده نمي باشند. به هر حال، وقتي همان خميرهاي سيماني بوسيله ي آناليز ترموگراويمتري مورد آزمايش قرار مي گيرد، اين ممكن است كه مقاديري پرتلانديت مشاهده شود زيرا در دماي ℃ 450، اتلاف جرمي مشاهده شده است.
C-S-H مشاهده شده در خمير با نسبت آب/ بايندر پايين (شكل 5) به نظر آمورف مي رسد زيرا هيدراسيون و نتيجه اي از فرايند نفوذي است (شكل 6). اين مسئله برعكس حالتي است كه در زمان هيدراسيون، بواسطه ي فرايند هاي حل شدن و ري كريستاليزاسيون، محصولات كريستالي تشكيل مي شود. شكل 7 فاز را در مراحل مختلف هيدراسيون نشان مي دهد. كاهش در شدت پيك هاي تفرق اشعه ي X فازهاي و و افزايش شدت پيك هاي فازهاي پرتلانديت و اترينجيت مشاهده شده است.
وقتي نسبت C/S با استفاده از ميكروپروب در C-S-H اندازه گيري شد، اين مشاهده شد كه اين نسبت بين 2/1 تا 2 تغيير مي كند كه اين مقدار عددي كاملاً بزرگ است. به هر حال، برخي از محققين به اين نكته اشاره كرده اند كه به دليل اندازه ي بسيار كوچك كريستاليت هاي C-S-H، اين نتيجه مي تواند بوسيله ي كريستال هاي پنهان شده در پشت اين لايه ي C-S-H نازك، تحت تأثير قرار گيرد.
اندازه گيري هاي كمي بوسيله ي ميكروپروب EDAX بسيار مشكل است. تنها آناليز كمي كه مي تواند انجام شود استفاده از آناليز ترموگراويمتري براي بررسي ميزان فاز پرتلانديت است. در واقع با انجام اندازه گيري اتلاف جرم، مي توان مقدار واقعي پرتلانديت دهيدراته شده ي موجود در نمونه را بدست آورد.
مشاهدات غير مستقيم تغييرات فيزيكي- شيميايي و ترموديناميكي اتفاق افتاده در حين هيدراسيون سيمان
اثرات واكنش هيدراسيون مي تواند بواسطه ي ارزيابي آني برخي از پديده هاي ايجاد شده در حين هيدراسيون خمير سيمان، مورد بررسي قرار گيرد. اين پديده ها عبارتند از:
مي رسد.
اين افت كوچك (C) با يك كاهش تدريجي در رسانايي در يك دوره ي زماني كوتاه مي شود (D). اين بخش از نمودار با يك بخش با كاهش شديدتر به نام R دنبال مي شود. اين افزايش بيشتر در بخش R نمودار مربوط به ايجاد ساختار در خمير سيمان هيدراته شده، مي شود.
در اين بخش از فرايند هيدراسيون، اولين مواد هيدراته ي تشكيل شده، پل زني ذرات سيماني است به نحوي كه جنبش يون ها در محلول درون شبكه اي مشكل تر مي شود. علت اين مشكل در حركت، به دليل ايجاد انحنا در مسير حركت آنها مي باشد. علاوه بر اين، در اين حالت، مقدار كمتري آب در محلول هاي درون شبكه اي، موجود مي باشد زيرا مقداري از اين آب ها در محصولات هيدراته وجود دارند.
وقتي رسانايي الكتريكي خميرهاي سيماني مختلف را اندازه گيري مي كنيم، اين ساده است كه اثر يك پارامتر خاص را بر روي هيدراسيون سيمان پرتلند، مورد بررسي قرار دهيم مثلاً مي توان اثر مخلوط شوندگي، اثر افزودن مينرال هاي مختلف، اثر مواد خاص بر روي تشكيل كلينكر، اثر نوع مواد سولفاته و ... را بر روي خواص هيدراسيون سيمان پرتلند، بدست آوريم.
همراه است. در واقع با گذر زمان هيدراسيون در خمير سيمان، درجات مختلفي از ساختار تشكيل مي شود.
تعيين اين دو زمان گيرش، در زماني مفيد است كه بخواهيم توليد سيمان پرتلند را كنترل كنيم زيرا اين زمان ها شاخص مناسبي از يكنواختي توليد مي باشد. علاوه بر اين، اين پارامترها، ايده ي خوبي در زمينه ي كنترل رئولوژي خمير سيمان (گيرش اوليه) و سرعت اوليه ي سخت شدن (گيرش نهايي) را به ما مي دهد.
قبل از اينكه بخواهيم اين نمودار را به صورت مستقيم تفسير كنيم، بهتر است به تغيير در سرعت ايجاد حرارت خميرهاي و نگاه كنيم. اين نمودارهاي در شكل 10 و 11 آورده شده است.
نمودار سرعت تغيير حرارت (شكل 10) مي تواند به 5 بخش مختلف تقسيم شود كه با اعداد 1 تا 5 نامگذاري شده اند. مرحله ي 1 مربوط به آزاد سازي كوتاه مدت حرارت است كه به دليل برخورد آب با سيمان ايجاد مي شود. اين آزاد سازي حرارت مربوط به انحلال بيشتر گونه هاي يوني فعال است كه در سطح ذرات قرار دارند. اين مسئله موجب مي شود تا يك لايه ي نازك از جنس C-S-H بر روي ذرات مي شود. اين لايه ي نازك از جنس C-S-H ادامه ي هيدراسيون C_3 S را متوقف يا آهسته مي كند. اين مرحله ي اوليه در حدود 15 دقيقه طول مي كشد.
مرحله ي دوم مربوط به دوره اي است كه معمولاً آن را دوره ي سكون (dormant period) مي نامند. اين دوره اي نيست كه در آن هيچ اتفاقي نيفتد، زيرا در طي اين دوره، مشاهده شده است كه pH و رسانايي الكتريكي افزايش و خمير اندكي سفت مي شود. اين مرحله داراي زماني در حدود 1 تا 5/1 ساعت است.
مرحله ي سوم، مربوط به آزاد سازي سريع حرارت در طي هيدراسيون است كه بعد از تشكيل اولين كريستال هاي پرتلانديت، رخ مي دهد. نرخ تغيير حرارت به گونه اي است كه يك پيك در نمودار آن قابل مشاهده است و بعد از آن، اين نمودار همانگونه كه سريعاً افزايش يافته، كاهش مي يابد. اين كاهش مربوط به كاهش سرعت هيدراسيون است. در واقع اولين مواد هيدراته شده در سطح ذرات C_3 S تشكيل مي شوند. اين تشكيل بواسطه ي انجام فرايند انحلال/ رسوب دهي و مهاجرت آب به سمت بخش داخلي ذرات C_3 S ايجاد شده است. در نتيجه، واكنش هيدراسيون پيشرفت مي كند و بعد از آن، اين فرايند، مشابه يك فرايند نفوذي عمل مي كند نه يك فرايند انحلال / رسوب دهي.
مرحله ي آخر نمودار نرخ تغيير حرارت يعني بخش 5 نشاندهنده ي آزاد شدن مقدار اندكي حرارت است كه اين مقدار حرارت آزاده شده با گذر زمان، كاهش مي يابد. در اين حالت واكنش هيدراسيون به آهستگي ادامه مي يابد اما متوقف نمي شود.
در شكل 11، اين مشاهده مي شود كه نرخ تغيير حرارت در نمودار نسبت به نمودار تيزتر است. به هر حال، بر روي محور y، اين به نظر مي رسد كه نرخ تغيير حرارت بزرگتر است. به هر حال، بر روي محور x، اين به نظر مي رسد كه پيك دوم در مكاني دورتر نسبت به نمودار ايجاد شده است.
اولين پيك مشاهده شده در نمودار مربوط به تشكيل اوليه ي اترينجيت بر روي كريستالهاي است. اولين لايه از اترينجيت بطور موقت، هيدراسيون را متوقف مي كند (مشابه همان حالتي كه براي تشكيل لايه ي C-S-H بر روي كريستال هاي ايجاد مي شود). اين اولين پيك مربوط به دوره ي زماني 15 دقيقه است. بعد از آن، وقتي اترينجيت شروع به تبديل شدن به مونوسولفوآلومينات مي كند، محافظت اين لايه ي اول متوقف مي شود و در نتيجه، هيدراسيون C_3 A از سر گرفته مي شود. اين آزاد شدن سريع حرارت به صورت يك پيك ثانويه، نشان داده مي شود. وقتي يك سيمان، داراي مقادير بالايي گچ باشد، پيك دوم تا حدي ديرتر تشكيل مي شود. اين پيك ثانويه، معمولاً در بين 10 تا 15 ساعت بعد از مخلوط كردن اوليه رخ مي دهد. در واقع اين پيك وقتي ايجاد مي شود كه خمير سيمان هيدراته سخت شده باشد و چندين ساعت از زمان شكل دهي بتن رد شده باشد. نرخ تغيير حرارت براي C_2 S و C_4 AF نشان مي دهد كه اين دو تركيب نسبت به C_3 A فعاليت كمتري دارند و C_4 AF و اثر آن بر روي تغيير حرارت در سيمان پرتلند، ناچيز است.
وقتي به شكل 7 نگاه كنيد، اين فهميده مي شود كه اين نمودار را مي توان با تركيب كردن نمودارهاي بدست آمده از و ، بدست آورد. اين مسئله را بايد در نظر گرفت كه ميزان موجود در سيمان پرتلند 5 تا 10 برابر مقدار است. در نتيجه، علارغم اين حقيت كه نسبت به مقدار جرمي مشابه از فاز C_3 S، حرارت بيشتري توليد مي كند، اين حرارت توليد شده بوسيله ي C_3 S است كه غالب است.
به هر حال، اگر به هيدراسيون سيمان پرتلند به طور نزديك تر، نگاه كنيم، اين به نظر مي رسد كه نمودار مبين تغيير حرارت در سيمان پرتلند، دقيقاً مجموع نمودارهايس مربوط به، ، و نيست زيرا برخي فرايندهاي توأمان در طي فرايند هيدراسيون اتفاق مي افتد. براي مثال، C_3 A و C_4 AF به طور مستقيم براي رسيدن به يون هاي سولفاته در رقابت هستند اما چون C_3 A فعال تر از C_4 AF است، اين فاز يون هاي SO_4^(2-) را زودتر مصرف مي كند. بنابراين، كلسيم سولفات سريع تر حل مي شود كه اين مسئله به طور غير مستقيم موجب فعال شدن هيدراسيون C_4 AF مي شود.
علاوه بر اين، گچ به عنوان يك عامل شتاب دهنده ي هيدراسيون و شناخته مي شود و برخي از يون هاي در طي هيدراسيون و مي توانند در C-S-H به دام افتند. با توجه به كارهاي انجام شده بوسيله ي Mindess و Young (1981) و Bensted (2001)، مقدار مونوسولفوآلومينات موجود در سيمان پرتلند، معمولاً نصف مقدار تئوري است كه بايد در اين سيمان وجود داشته باشد.
توليدكنندگان سيمان همواره مقدارگچي كه بايد به سيمان پرتلند اضافه شود را تنظيم مي كنند. در حقيقت، مقدار زياد اترينجيت موجب بادكردن خمير سيمان و در نيتجه ايجاد ميكروترك در اين ساختار مي شود، در حالي كه مقدار بسيار كم از گچ مي تواند موجب تشكيل پيش از موعد مونوسولفونوآلومينات مي شود. اين تشكيل سريع مونوسولفونوآلومينات موجب مصرف شدن مقداري از آهك مي شود و در نتيجه، موجب كاهش سرعت هيدراسيون مي شود. برخي محققين مدعي شده اند كه وجود مقدار بهينه اي از گچ موجب تسريع هيدراسيون مي شود اما در همين حالت، به دليل وجود يون هاي سولفات به دام افتاده در داخل C-S-H، ساختار C-S-H تضعيف مي شود.
حرارت هيدراسيون هر فاز مي تواند به طور مجزا اندازه گيري شود. به طور قطع تركيبي است كه بالاترين مقدار حرارت را بر واحد جرم، آزاد مي كند (900 KJ/Kg). مقدار حرارت توليد شده بوسيله ي ، و در نهايت به ترتيب برابر است با 500 KJ/Kg، 400 KJ/Kg و 250 KJ/Kg. به دليل اينكه سيمان پرتلند داراي 50 تا 60 % فاز C_3 S ، 20 تا 30 % فاز و 5 تا 10 % فاز و فاز است، اين واضح است كه حرارت آزاد شده بوسيله ي هيدراسيون داراي اثر قابل توجهي بر روي حرارت آزاده شده بوسيله ي هيدراسيون سيمان پرتلند مي باشد و بنابراين سهم فازهاي ، و به طور قابل توجهي كمتر است. وقتي سيمان پرتلند را براي ساخت بتن هاي توده اي، توليد مي شوند، اين ضروري است كه مقادير فازهاي و را كاهش دهيم و بنابراين بايد درصد فازهاي و را افزايش دهيم.
تغييرات حجمي خمير سيمان در طي هيدراسيون در زماني كه بيشتر بتن هاي صنعتي داراي نسبت آب/ بايندر بيش از 50/0 هستند، از لحاط فني ناچيز است. به طور نمونه وار، اين تغييرات حجمي معمولاً كمتر از 10 % است كه به عنوان انقباض در حين خشك كردن در نظر گرفته مي شود. به هر حال، از آنجايي كه بتن هاي با نسبت آب/ سيمان پايين، براي توليد بتن هاي با استحكام بالا يا كارايي بالا مورد استفاده قرار مي گيرند، اين فهميده شده است كه عدم انجام عمل آوري مناسب با آب كافي مي تواند موجب ايجاد انقباض هاي ويران كننده در اين بتن ها شود كه اين انقباض ها برابر يا بيشتر از انقباض خشك كردن بتن هاي معمولي است. اين بدين معناست كه وقتي اين بتن ها در حال خشك شدن هستند، آنها مي توانند انقباضي دو برابر نسبت به انقباض هاي خشك شدن متداول داشته باشند. البته نسبت آب/ بايندر پايين تر موجب پديد آمدن انقباض هاي ويران كننده ي بيشتري مي شود. عدم توجه به اهميت اين انقباض هاي ويران كننده موجب پديد آمدن رفتار تضعيف شده در برخي بتن هاي با كارايي بالا در هنگام استفاده در محل مورد نظر مي شود.
اولين نوع از اين آب ها، از مولكول هاي آبي تشكيل شده است كه در داخل C-S-H به صورت شيميايي اتصال پيدا كرده اند. اين نوع از آب تنها مي تواند در دماهايي بالاتر از ℃ 105 تبخير شوند. نوع ديگر اين آب ها، آب آزاد ناميده مي شوند. و در واقع آب آزاد، آبي است كه درشبكه ي كاپيلاري واقع شده اند. Powers نشان داده است كه علاوه بر اين دو نوع آب، يك نوع آب ديگر وجود دارد كه به صورت فيزيكي به C-S-H متصل شده اند اما اين آب نيز در ℃ 105 تبخير مي شود و به آن آب ژله اي (gel water) مي گويند.
Power قادر به اندازه گيري انقباض شيميايي مربوط به هيدراسيون سيمان پرتلند، شد و فهميد كه اين مقدار از انقباض برابر با 4/6 ميلي ليتر بر 100 گرم سيمان است. Aitcin و همكارانش (1998) نشان دادند كه اين مقدار دقيقاَ همان مقداري است كه 50 سال قبل تر بوسيله ي Le Chatelier، گزارش شده است. Le Chatelier اين انقباض حجمي را برابر با 8 % گزارش كرده است.
به طور عكس، اشكال 16، 17 و 18 بيان كننده ي هيدراسيون در داخل يك سيستم باز (سيستمي كه داراي تبادل آب با منبع خارجي است) است.
اين ساده است كه بفهميد چرا در يك سيستم بسته، در شرايط ايزوترمال و در غياب هر بار خارجي، انقباض شيميايي موجب خود خشك شوندگي مي شود؛ كه اين مسئله در حقيقت، موجب انقباض حجمي بتن مي شود. اين انقباض حجمي ظاهري است كه بوسيله ي Lynam، انقباض خود به خودي (autogenous shrinkage) ناميده مي شود.
مادامي كه خمير سيمان در حال هيدراسيون، مانند يك ماده ي نرم با قابليت تغيير شكل، عمل مي كند، انقباض شيميايي و انقباض خود به خودي برابر هستند. اما بعد از سخت شدن، انقباض خود به خودي، كوچكتر از انقباض شيميايي است. زيرا وقتي ساختار خمير سيمان ايجاد مي شود، اين انقباض مخالف انقباض شيميايي است.
وقتي هيدراسيون در شرايط غير ايزوترمال اتفاق افتد و انبساط گرمايي ايجاد شود، از لحاظ تئوري صحيح تر است كه در مورد انقباض ايزوترمال صحبت كنيم. زيرا دما، كينتيك واكنش هاي هيدراسيون را اصلاح مي كند. معمولاً وقتي افزايش دما در هنگام هيدراسيون بسيار بالا نباشد، محققين تفاوتي ميان انقباض خود به خودي و انقباض ايزوترمال قائل نمي شوند.
در نهايت، ما تغييرات حجمي خمير سيمان را در طي هيدراسيون آن در نظر مي گيريم و سپس به اثر شن و ماسه بر روي انقباض يك بتن، توجه مي كنيم. بيان شماتيكي ارائه شده بوسيله ي Jensen و Hansen در سه وضعيت خاص مورد استفاده قرار مي گيرند:
يك خمير سيمان كه داراي يك نسبت آب/ بايندر بزرگتر از 42/0 است. اين خمير، خميري است كه در آن آبي بيش از آب مورد نياز براي هيدراسيون كامل، وجود دارد (در يك سيستم بسته(شكل 13).
يك خمير سيمان كه داراي نسبت آب/ بايندر برابر با 42/0 است (شكل 14)، اين خمير تنها داراي آب كافي براي انجام كامل هيدراسيون ذرات سيمان، وجود دارد.
يك خمير سيمان كه داراي يك نسبت آب/ بايندر كوچكتر از 42/0 است. اين خمير داراي آب كافي براي هيدراسيون ذرات سيمان ندارد (شكل 15).
در نهايت، ما هيدراسيون خميرهاي سيمان را در هنگامي مورد بررسي قرار مي دهيم كه يك منبع آب خارجي وجود داشته باشد (شكل 16، 17 و 18).
در بيان گرافيك آنها، Jensen و Hansen در محورX درجه ي هيدراسيون را نشان مي دهد و α كه بيان كننده ي جرم سيمان هيدراته شده است (با توجه به جرم اوليه ي سيمان بي آب). در محور y، حجم مطلق اشغال شده بوسيله ي هر فاز است. هواي به دام افتاده در محاسبات در نظر گرفته نشده است.
در زمان t=0، وقتي سيمان با آب برخورد مي كند، سيستم از دو فاز تشكيل شده است: يكي سيمان پرتلند و ديگري، آب. وقتي واكنش هيدراسيون شروع به توسعه پيدا كردن بكند، يك حجم معين از ژل (C-S-H) تشكيل مي شود و يك مقدار معين از آب به صورت فيزيكي با اين ژل اتصال پيدا مي كند، اين آب را Powers، آب ژله اي ناميد. به موازات اين كار، يك كاهش در مقدار آب كاپيلاري ايجاد مي شود و حجم گازي در داخل سيستم بسته ايجاد مي شود كه به دليل انقباض شيميايي ايجاد مي شود.
در بتن هايي كه در يك سيستم بسته هيدراته مي شوند، خمير سيمان در حال هيدراسيون، متحمل انقباض شيميايي مي شوند اما اين انقباض شيميايي با تشكيل ساختار خمير، به خودي خود، مهار مي شود. اين تشكيل ساختار موجب گير كردن ساختار شن و ماسه ي موجود در هم مي شود و ميزان تغيير شكل كل بتن را محدود مي كند. در نتيجه، بتن همواره داراي انقباض خود به خودي كمتري نسبت به يك خمير سيماني با نسبت آب/ بايندر مشابه است. اين محدود شدن انقباض خمير سيمان هيدراته شده، احتمالاً موجب ايجاد ميكرو ترك درخمير سيمان هيدراته شده، مي شود.
علاوه بر اين، اين خوب است كه بدانيد، يك راه ساده براي كاهش انقباض در بتن، افزايش مقدار شن و ماسه در داخل بتن مي باشد. در اين حالت، انقباض شيميايي اين خمير يكسان است اما اين انقباض محدود تر شده است. در نتيجه، تغيير شكل حجمي كل در بتن كاهش مي يابد. اما در اين حالت، خمير سيمان هيدراته احتمال زيادي براي ترك خوردن دارد.
وقتي تنش هاي كششي بزرگ در بتني ايجاد شود كه هنوز سخت نشده است، ميكروترك ها در ساختار ايجاد مي شود. اين ميكروترك ها به هم مي پيوندند و ترك هاي بزرگ تشكيل مي دهند. با ايجاد اين ترك هاي بزرگ، يون هاي خورنده در داخل بتن نفوذ مي كنند. در مورد بتن هاي مسلح، ميله هاي فولادي و يا ساير مواد، در محدود كردن بتن مشاركت دارند.
بنابراين، از نقطه نظر عملي و ميزان دوام، اين بسيار مهم است كه انقباض خود به خودي اتفاق افتاده در شروع هيدراسيون بتن هاي با نسبت آب/ بايندر پايين را، كنترل كنيم. علت اين مسئله اين است كه اين انقباض زماني رخ مي دهد كه بتن هنوز مقاومت بسيار بالايي پيدا نكرده است.
حرارت هيدراسيون اطلاعاتي در مورد مقدار ماده ي چسبنده اي تشكيل شده به ما مي دهد اما فرايند شيميايي به ما نشان مي دهد كه تشكيل C-S-H موجب ايجاد انقباض حجمي مي شود. اگر اين فرايندها به طور منفرد، عمل مي كردند، يك رابطه ي ساده ميان استحكام فشاري و ميزان هيدراسيون است كه مي تواند ايجاد شود. اگر چه اين ضروري است كه اثر چسبندگي كمتري را در نظر بگيريم (به دليل انقباض حجمي). علاوه بر اين، برخي از اين واكنش هاي شيميايي كريستال هايي توليد مي كنند كه در طي رشد آنها، يك فشار كريستاليزاسيون با نرخ فوق اشباع آنها (μ) در ارتباط است:
P=R.T.Ln μ/υ
كه در اينجا، υ حجم مولي نمونه هاي در نظر گرفته شده، R ثابت گازها و T دماي مطلق در واحد كلوين است. در طي رشد آنها، كريستال ها مشابه با ميكروترك هايي عمل مي كنند كه موجب ايجاد ترك هاي اضافي مي شوند. اين مسئله در كريستال هاي اترينجيت و پرتلانديت نيز مشاهده مي شود (شكل 19).
بنابراين، استحكام مكانيكي نتيجه اي از وضعيت بسيار پيچيده اي است. در طي فرايند سخت شدن، وقتي رشد كريستال ها سريع تر باشد، نرخ افزايش حرارت براي افزايش استحكام، كافي مي باشد. از نتايج تجربي اين فهميده شده است كه در طي دوره ي سخت شدن، فشار كريستاليزاسيون بسيار بالاست؛ در حالي كه توليد C-S-H آهسته است. اين مسئله علت وجود تغيير در شيب نمودار استحكام را توضيح مي دهد.
اخيراً مشاهدات انجام شده بر روي C-S-H توليد شده از واكنش پزولاني، با استفاده از ميكروسكوپ هاي الكتروني با رزوليشن بالا نشان داده است كه C-S-H داراي ساختاري لايه اي است (شكل 22). اين شكل مشابه شكلي است كه بوسيله ي Yada (1967) از آزبست هاي كريسوتايل (chrysotile asbests) گرفته شده است.
تمام محققين براين نكته توافق دارند كه كريستاليت هاي C-S-H نمي تواند درفاصله ي وسيعي (مانند آن چيزي كه در ساختار لايه اي بر پايه ي وجود دارد) گسترش يابند. بنابراين بايد مدل هايي غير از مدل آرايش يوني استفاده شود.
نتايج اوليه كه با استفاده از رزونانس مغناطيسي بدست آمده است، نشان داده است كه ساختار لايه اي ايجاد شده بوسيله ي يون هاي مي تواند در 4 يا 5 فاصله ي شبكه اي ايجاد شود (قبل از اينكه اعوجاج قابل توجهي ايجاد گردد و در نتيجه رشد كريستاليت هاي متوقف شود). با تجميع اين نتايج مدل هايي توسعه يافته اند كه ساختار C-S-H را به صورت يك زنجيره ي تتراهدرال سيليسي نشان داده اند كه در اين ساختار، يون هاي با عدد كوئورديناسيون 6 به هم متصل شده اند. در اين ساختار همچنين زنجيره هاي سيليسي منظم در هر دو سمت جفت شده اند. در شكل 23، مدل ساختاري پيشنهاد شده بوسيله ي Zhang و همكارانش را نشان مي دهد.
ساختار C-S-H مشابه ساختار توبرموريت (tobermorite) است. توبرموريت يك شكل كريستالي است كه در زمان اتوكلاو كردن سيمان پرتلند در فشار 15MPa و دماي ℃ 180حاصل مي شود. وقتي نسبت C/S در C-S-H افزايش مي يابد، اندازه ي كريستاليت ها كاهش مي يابد. براي نسبت C/S برابر با 1، كريستاليت هاي C-S-H از بخش هاي پنتامري تشكيل مي شوند. به هر حال، در نسبت C/S برابر با 5/1، كريستاليت هايي تشكيل مي شود كه از ديمرها تشكيل شده اند.
البته، از زمان انجام اولين مطالعات بر روي سيمان بوسيله ي افرادي همچون Le Chatelier، Powers و ساير محققين، علوم مرتبط با سيمان پرتلند و بتن قطعاً پيشرفت داشته است و اين پيشرفت نيز ادامه خواهد يافت. هيدراسيون با استفاده از دستگاه هاي پيچيده تر مورد ارزيابي قرار خواهد گرفت و استفاده از اين ابزارها اجازه ي بررسي اين ماده در ابعاد نانو را به ما مي دهد.
پيچيدگي علمي هيدراسيون سيمان اين مسئله را توجيه مي كند كه چرا هنوز هم در كارخانجات توليد سيمان مشكلاتي وجود دارد. در واقع هنوز پيچيدگي هاي اين علم شناخته نشده است. يكي ديگر از دلايل اين مسئله اين است كه افراد اندكي وجود دارند كه در مورد اطلاعات منتشر شده در اين زمينه اطلاع داشته باشند. براي كساني كه فكر مي كنند چند سال تجربه براي استاد شدن در زمينه ي سيمان كافي است، بايد بگوييم كه آيا در اين مدت، يادگيري در زمينه ي سيمان به خوبي انجام شده است يا نه!
قطعاً هيدراسيون سيمان پرتلند يك پديده ي پيچيده است اما اين پديده نيز از قوانين فيزيكي، شيميايي و ترموديناميكي تبعيت مي كنند. تنها مزيت ها در زمينه ي توليد سيمان وقتي حاصل مي شود كه آگاهي بهتري در زمينه ي واكنش هيدراسيون سيمان، بدست آيد.
استفاده از مطالب اين مقاله با ذكر منبع راسخون بلامانع مي باشد.
دستگاه تفرق اشعه ي X و ميكروسكوپ الكتروني روبشي (SEM) مي تواند براي بررسي استحاله هاي ساختاري ايجاد شده در طي هيدراسيون سيمان پرتلند، مورد استفاده قرار گيرد.
از لحاظ تاريخي، دستگاه تفرق اشعه ي X براي تشخيص فازهاي مختلف موجود در كلينكر سيمان پرتلند و مواد تشكيل شده در حين هيدراسيون، مورد استفاده قرار مي گيرد. بعد از آن، ميكروسكوپ الكتروني روبشي به طور گسترده براي به تصوير كشيدن فازهاي شناسايي شده بوسيله ي ميكروسكوپ الكتروني روبشي، مورد استفاده قرار گرفت. اخيراً SEM هاي محيطي براي مشاهده ي رشد محصولات حاصل از هيدراسيون مورد استفاده قرار گرفته است.
تركيب شدن ميكروسكوپ الكتروني عبوري با ميكروپروب هاي EDAX، تشخيص گونه هاي مينرالي موجود در هيدراسيون سيمان را تسهيل كرد. با استفاده از اين بخش ها امكان بررسي مكان به دام افتادن ناخالصي هاي مختلف در داخل كلينكر سيمان و محصولات حاصل از هيدراسيون سيمان پرتلند، بوجود آمد.
و 
در ساعت هاي اوليه ي هيدراسيون، به صورت جوجه تيغي در مي آيند. كريستال هاي C-S-H از كريستال هاي پرتلانديت، اترينجيت و مونوسولفوآلومينات كوچك تر هستند.
و نتيجه اي از فرايند نفوذي است (شكل 6). اين مسئله برعكس حالتي است كه در زمان هيدراسيون، بواسطه ي فرايند هاي حل شدن و ري كريستاليزاسيون، محصولات كريستالي تشكيل مي شود. شكل 7 فاز را در مراحل مختلف هيدراسيون نشان مي دهد. كاهش در شدت پيك هاي تفرق اشعه ي X فازهاي و و افزايش شدت پيك هاي فازهاي پرتلانديت و اترينجيت مشاهده شده است.وقتي نسبت C/S با استفاده از ميكروپروب در C-S-H اندازه گيري شد، اين مشاهده شد كه اين نسبت بين 2/1 تا 2 تغيير مي كند كه اين مقدار عددي كاملاً بزرگ است. به هر حال، برخي از محققين به اين نكته اشاره كرده اند كه به دليل اندازه ي بسيار كوچك كريستاليت هاي C-S-H، اين نتيجه مي تواند بوسيله ي كريستال هاي
پنهان شده در پشت اين لايه ي C-S-H نازك، تحت تأثير قرار گيرد.
مشاهدات غير مستقيم تغييرات فيزيكي- شيميايي و ترموديناميكي اتفاق افتاده در حين هيدراسيون سيمان
اثرات واكنش هيدراسيون مي تواند بواسطه ي ارزيابي آني برخي از پديده هاي ايجاد شده در حين هيدراسيون خمير سيمان، مورد بررسي قرار گيرد. اين پديده ها عبارتند از:
تغيير در رسانايي الكتريكي محلول بين شبكه اي
گيرش خمير
ايجاد حرارت
تغييرات حجمي
افزايش استحكام فشاري و مدول الاستيك
تغيير در رسانايي الكتريكي
مي رسد.
در اين بخش از فرايند هيدراسيون، اولين مواد هيدراته ي تشكيل شده، پل زني ذرات سيماني است به نحوي كه جنبش يون ها در محلول درون شبكه اي مشكل تر مي شود. علت اين مشكل در حركت، به دليل ايجاد انحنا در مسير حركت آنها مي باشد. علاوه بر اين، در اين حالت، مقدار كمتري آب در محلول هاي درون شبكه اي، موجود مي باشد زيرا مقداري از اين آب ها در محصولات هيدراته وجود دارند.
وقتي رسانايي الكتريكي خميرهاي سيماني مختلف را اندازه گيري مي كنيم، اين ساده است كه اثر يك پارامتر خاص را بر روي هيدراسيون سيمان پرتلند، مورد بررسي قرار دهيم مثلاً مي توان اثر مخلوط شوندگي، اثر افزودن مينرال هاي مختلف، اثر مواد خاص بر روي تشكيل كلينكر، اثر نوع مواد سولفاته و ... را بر روي خواص هيدراسيون سيمان پرتلند، بدست آوريم.
گيرش سيمان پرتلند
گيرش سيمان پرتلند مي تواند با استفاده از يك آزمون ساده مانند روش Vicat مورد بررسي قرار گيرد. اين روش شامل اندازه گيري نفوذ يك سوزن استاندارد درداخل خمير سيمان بر اثر اعمال يك بار استاندارد مي باشد. با استفاده از اين روش مي توان زمان هاي گيرش سيمان را بدست آوريم. يكي زمان اوليه ي گيرش و ديگري زمان پايان گيرش. اين دو زمان گيرش با رسوب دهي پرتلانديت و تسريع هيدراسيون فاز همراه است. در واقع با گذر زمان هيدراسيون در خمير سيمان، درجات مختلفي از ساختار تشكيل مي شود.تعيين اين دو زمان گيرش، در زماني مفيد است كه بخواهيم توليد سيمان پرتلند را كنترل كنيم زيرا اين زمان ها شاخص مناسبي از يكنواختي توليد مي باشد. علاوه بر اين، اين پارامترها، ايده ي خوبي در زمينه ي كنترل رئولوژي خمير سيمان (گيرش اوليه) و سرعت اوليه ي سخت شدن (گيرش نهايي) را به ما مي دهد.
ايجاد حرارت ناشي از هيدراسيون
ايجاد حرارت در طي فرايند هيدراسيون يا سرعت تغيير حرارت (تغيير در سرعت حرارت با زمان) مي تواند در شرايط بي هوازي، مورد ارزيابي قرار گيرد. يك نمودار نمونه وار در شكل 9 نشان داده شده است.
و نگاه كنيم. اين نمودارهاي در شكل 10 و 11 آورده شده است.
(شكل 10) مي تواند به 5 بخش مختلف تقسيم شود كه با اعداد 1 تا 5 نامگذاري شده اند. مرحله ي 1 مربوط به آزاد سازي كوتاه مدت حرارت است كه به دليل برخورد آب با سيمان ايجاد مي شود. اين آزاد سازي حرارت مربوط به انحلال بيشتر گونه هاي يوني فعال است كه در سطح ذرات قرار دارند. اين مسئله موجب مي شود تا يك لايه ي نازك از جنس C-S-H بر روي ذرات مي شود. اين لايه ي نازك از جنس C-S-H ادامه ي هيدراسيون C_3 S را متوقف يا آهسته مي كند. اين مرحله ي اوليه در حدود 15 دقيقه طول مي كشد.مرحله ي دوم مربوط به دوره اي است كه معمولاً آن را دوره ي سكون (dormant period) مي نامند. اين دوره اي نيست كه در آن هيچ اتفاقي نيفتد، زيرا در طي اين دوره، مشاهده شده است كه pH و رسانايي الكتريكي افزايش و خمير
اندكي سفت مي شود. اين مرحله داراي زماني در حدود 1 تا 5/1 ساعت است.مرحله ي سوم، مربوط به آزاد سازي سريع حرارت در طي هيدراسيون
است كه بعد از تشكيل اولين كريستال هاي پرتلانديت، رخ مي دهد. نرخ تغيير حرارت به گونه اي است كه يك پيك در نمودار آن قابل مشاهده است و بعد از آن، اين نمودار همانگونه كه سريعاً افزايش يافته، كاهش مي يابد. اين كاهش مربوط به كاهش سرعت هيدراسيون است. در واقع اولين مواد هيدراته شده در سطح ذرات C_3 S تشكيل مي شوند. اين تشكيل بواسطه ي انجام فرايند انحلال/ رسوب دهي و مهاجرت آب به سمت بخش داخلي ذرات C_3 S ايجاد شده است. در نتيجه، واكنش هيدراسيون پيشرفت مي كند و بعد از آن، اين فرايند، مشابه يك فرايند نفوذي عمل مي كند نه يك فرايند انحلال / رسوب دهي.مرحله ي آخر نمودار نرخ تغيير حرارت يعني بخش 5 نشاندهنده ي آزاد شدن مقدار اندكي حرارت است كه اين مقدار حرارت آزاده شده با گذر زمان، كاهش مي يابد. در اين حالت واكنش هيدراسيون به آهستگي ادامه مي يابد اما متوقف نمي شود.
در شكل 11، اين مشاهده مي شود كه نرخ تغيير حرارت در نمودار
نسبت به نمودار تيزتر است. به هر حال، بر روي محور y، اين به نظر مي رسد كه نرخ تغيير حرارت بزرگتر است. به هر حال، بر روي محور x، اين به نظر مي رسد كه پيك دوم در مكاني دورتر نسبت به نمودار ايجاد شده است.اولين پيك مشاهده شده در نمودار
مربوط به تشكيل اوليه ي اترينجيت بر روي كريستالهاي است. اولين لايه از اترينجيت بطور موقت، هيدراسيون را متوقف مي كند (مشابه همان حالتي كه براي تشكيل لايه ي C-S-H بر روي كريستال هاي ايجاد مي شود). اين اولين پيك مربوط به دوره ي زماني 15 دقيقه است. بعد از آن، وقتي اترينجيت شروع به تبديل شدن به مونوسولفوآلومينات مي كند، محافظت اين لايه ي اول متوقف مي شود و در نتيجه، هيدراسيون C_3 A از سر گرفته مي شود. اين آزاد شدن سريع حرارت به صورت يك پيك ثانويه، نشان داده مي شود. وقتي يك سيمان، داراي مقادير بالايي گچ باشد، پيك دوم تا حدي ديرتر تشكيل مي شود. اين پيك ثانويه، معمولاً در بين 10 تا 15 ساعت بعد از مخلوط كردن اوليه رخ مي دهد. در واقع اين پيك وقتي ايجاد مي شود كه خمير سيمان هيدراته سخت شده باشد و چندين ساعت از زمان شكل دهي بتن رد شده باشد. نرخ تغيير حرارت براي C_2 S و C_4 AF نشان مي دهد كه اين دو تركيب نسبت به C_3 A فعاليت كمتري دارند و C_4 AF و اثر آن بر روي تغيير حرارت در سيمان پرتلند، ناچيز است.وقتي به شكل 7 نگاه كنيد، اين فهميده مي شود كه اين نمودار را مي توان با تركيب كردن نمودارهاي بدست آمده از
و ، بدست آورد. اين مسئله را بايد در نظر گرفت كه ميزان موجود در سيمان پرتلند 5 تا 10 برابر مقدار است. در نتيجه، علارغم اين حقيت كه نسبت به مقدار جرمي مشابه از فاز C_3 S، حرارت بيشتري توليد مي كند، اين حرارت توليد شده بوسيله ي C_3 S است كه غالب است.به هر حال، اگر به هيدراسيون سيمان پرتلند به طور نزديك تر، نگاه كنيم، اين به نظر مي رسد كه نمودار مبين تغيير حرارت در سيمان پرتلند، دقيقاً مجموع نمودارهايس مربوط به
، ، و 
نيست زيرا برخي فرايندهاي توأمان در طي فرايند هيدراسيون اتفاق مي افتد. براي مثال، C_3 A و C_4 AF به طور مستقيم براي رسيدن به يون هاي سولفاته در رقابت هستند اما چون C_3 A فعال تر از C_4 AF است، اين فاز يون هاي SO_4^(2-) را زودتر مصرف مي كند. بنابراين، كلسيم سولفات سريع تر حل مي شود كه اين مسئله به طور غير مستقيم موجب فعال شدن هيدراسيون C_4 AF مي شود.علاوه بر اين، گچ به عنوان يك عامل شتاب دهنده ي هيدراسيون
و شناخته مي شود و برخي از يون هاي 
در طي هيدراسيون و مي توانند در C-S-H به دام افتند. با توجه به كارهاي انجام شده بوسيله ي Mindess و Young (1981) و Bensted (2001)، مقدار مونوسولفوآلومينات موجود در سيمان پرتلند، معمولاً نصف مقدار تئوري است كه بايد در اين سيمان وجود داشته باشد.توليدكنندگان سيمان همواره مقدارگچي كه بايد به سيمان پرتلند اضافه شود را تنظيم مي كنند. در حقيقت، مقدار زياد اترينجيت موجب بادكردن خمير سيمان و در نيتجه ايجاد ميكروترك در اين ساختار مي شود، در حالي كه مقدار بسيار كم از گچ مي تواند موجب تشكيل پيش از موعد مونوسولفونوآلومينات مي شود. اين تشكيل سريع مونوسولفونوآلومينات موجب مصرف شدن مقداري از آهك مي شود و در نتيجه، موجب كاهش سرعت هيدراسيون
مي شود. برخي محققين مدعي شده اند كه وجود مقدار بهينه اي از گچ موجب تسريع هيدراسيون مي شود اما در همين حالت، به دليل وجود يون هاي سولفات به دام افتاده در داخل C-S-H، ساختار C-S-H تضعيف مي شود.حرارت هيدراسيون هر فاز مي تواند به طور مجزا اندازه گيري شود.
به طور قطع تركيبي است كه بالاترين مقدار حرارت را بر واحد جرم، آزاد مي كند (900 KJ/Kg). مقدار حرارت توليد شده بوسيله ي ، و در نهايت به ترتيب برابر است با 500 KJ/Kg، 400 KJ/Kg و 250 KJ/Kg. به دليل اينكه سيمان پرتلند داراي 50 تا 60 % فاز C_3 S ، 20 تا 30 % فاز و 5 تا 10 % فاز و فاز است، اين واضح است كه حرارت آزاد شده بوسيله ي هيدراسيون داراي اثر قابل توجهي بر روي حرارت آزاده شده بوسيله ي هيدراسيون سيمان پرتلند مي باشد و بنابراين سهم فازهاي ، و به طور قابل توجهي كمتر است. وقتي سيمان پرتلند را براي ساخت بتن هاي توده اي، توليد مي شوند، اين ضروري است كه مقادير فازهاي و را كاهش دهيم و بنابراين بايد درصد فازهاي و را افزايش دهيم.تغييرات حجمي مربوط به واكنش هيدراسيون
100 سال پيش، Le Chatelier به اين نكته اشاره كرده است كه تغيير حجمي ظاهري يك خمير سيمان، مي تواند مثبت يا منفي باشد. اين مسئله به شرايطي كه تحت آن واكنش هيدراسيون رخ مي دهد، بستگي دارد (شكل 12).
هيدراسيون سيمان پرتلند
50 سال بعد از كارهاي انجام شده بوسيله ي Le Chatelier، Powers و Brownyard (1948) يك سري آزمايشات كمي اساسي بر روي هيدراسيون سيمان پرتلند انجام داد. اين آزمايشات در آزمايشگاه مؤسسه ي سيمان پرتلند در الينويز انجام شد. اين كار موجب بدست آمدن يك مدل فيزيكي- شيميايي از واكنش هيدراسيون شده است كه تا به امروز مورد ترديد واقع نشده است. بر اساس اين كارهاي تجربي، Powes توانست سه نوع آب را در خمير سيمان هيدراته شده را از هم تفكيك كند؛ اگر چه اين مشكل است كه يك مزر واضح ميان آنها ايجاد كنيم.اولين نوع از اين آب ها، از مولكول هاي آبي تشكيل شده است كه در داخل C-S-H به صورت شيميايي اتصال پيدا كرده اند. اين نوع از آب تنها مي تواند در دماهايي بالاتر از ℃ 105 تبخير شوند. نوع ديگر اين آب ها، آب آزاد ناميده مي شوند. و در واقع آب آزاد، آبي است كه درشبكه ي كاپيلاري واقع شده اند. Powers نشان داده است كه علاوه بر اين دو نوع آب، يك نوع آب ديگر وجود دارد كه به صورت فيزيكي به C-S-H متصل شده اند اما اين آب نيز در ℃ 105 تبخير مي شود و به آن آب ژله اي (gel water) مي گويند.
برخي از داده هاي تجربي در زمينه ي واكنش هيدراسيون
Power فهميد كه مقدار آبي كه به صورت شيميايي به ساختار متصل شده است، برابر با 23/0 گرم براي هر گرم سيمان است و آب ژله اي كه به صورت فيزيكي به به ساختار متصل شده است، معمولاً 19/0 گرم براي هر گرم سيمان است. بنابراين در كل براي 1 گرم سيمان، حداقل 0.23+0.19=0.42 گرم آب مورد نياز است. بنابراين، حداقل نسبت آب/ سيمان كه براي رسيدن به هيدراسيون كامل 1 گرم سيمان، ضروري است، برابر 42/0 گرم است. وقتي نسبت آب/ بايندر بزرگتر از اين مقدار باشد، خمير سيمان هيدراته بعد از انجام كامل هيدراسيون، هنوز هم داراي مقداري آب است. اگر نسبت آب/ بايندر كوچكتر از اين مقدار باشد، هيدراسيون متوقف خواهد شد. علت اين توقف نبود آب كافي است و از اين رو، برخي از ذرات سيمان هيدراته نمي شوند.Power قادر به اندازه گيري انقباض شيميايي مربوط به هيدراسيون سيمان پرتلند، شد و فهميد كه اين مقدار از انقباض برابر با 4/6 ميلي ليتر بر 100 گرم سيمان است. Aitcin و همكارانش (1998) نشان دادند كه اين مقدار دقيقاَ همان مقداري است كه 50 سال قبل تر بوسيله ي Le Chatelier، گزارش شده است. Le Chatelier اين انقباض حجمي را برابر با 8 % گزارش كرده است.
بيان گرافيكي Jensen و Hansen از واكنش هيدراسيون
اخيراً O. Jensen و F.Hansen (2001) يك بيان شماتيك از روابط و معادلات توسعه يافته بوسيله ي Powers را ارائه كرده اند. اين بيان گرافيكي در اشكال 13، 14 و 15 نشان داده شده است. وقتي اين اشكال را نگاه مي كنيم، اين ساده است كه به منشاء خود خشك شوندگي را در داخل هر خمير بتني، پي ببريم (اين هيدراسيون در داخل يك سيستم بسته (سيستمي كه هيچ تبادل آبي با خارج ندارد) انجام شده است).
اين ساده است كه بفهميد چرا در يك سيستم بسته، در شرايط ايزوترمال و در غياب هر بار خارجي، انقباض شيميايي موجب خود خشك شوندگي مي شود؛ كه اين مسئله در حقيقت، موجب انقباض حجمي بتن مي شود. اين انقباض حجمي ظاهري است كه بوسيله ي Lynam، انقباض خود به خودي (autogenous shrinkage) ناميده مي شود.
وقتي هيدراسيون در شرايط غير ايزوترمال اتفاق افتد و انبساط گرمايي ايجاد شود، از لحاظ تئوري صحيح تر است كه در مورد انقباض ايزوترمال صحبت كنيم. زيرا دما، كينتيك واكنش هاي هيدراسيون را اصلاح مي كند. معمولاً وقتي افزايش دما در هنگام هيدراسيون بسيار بالا نباشد، محققين تفاوتي ميان انقباض خود به خودي و انقباض ايزوترمال قائل نمي شوند.
در نهايت، ما تغييرات حجمي خمير سيمان را در طي هيدراسيون آن در نظر مي گيريم و سپس به اثر شن و ماسه بر روي انقباض يك بتن، توجه مي كنيم. بيان شماتيكي ارائه شده بوسيله ي Jensen و Hansen در سه وضعيت خاص مورد استفاده قرار مي گيرند:
يك خمير سيمان كه داراي يك نسبت آب/ بايندر بزرگتر از 42/0 است. اين خمير، خميري است كه در آن آبي بيش از آب مورد نياز براي هيدراسيون كامل، وجود دارد (در يك سيستم بسته(شكل 13).
يك خمير سيمان كه داراي نسبت آب/ بايندر برابر با 42/0 است (شكل 14)، اين خمير تنها داراي آب كافي براي انجام كامل هيدراسيون ذرات سيمان، وجود دارد.
يك خمير سيمان كه داراي يك نسبت آب/ بايندر كوچكتر از 42/0 است. اين خمير داراي آب كافي براي هيدراسيون ذرات سيمان ندارد (شكل 15).
در نهايت، ما هيدراسيون خميرهاي سيمان را در هنگامي مورد بررسي قرار مي دهيم كه يك منبع آب خارجي وجود داشته باشد (شكل 16، 17 و 18).
در بيان گرافيك آنها، Jensen و Hansen در محورX درجه ي هيدراسيون را نشان مي دهد و α كه بيان كننده ي جرم سيمان هيدراته شده است (با توجه به جرم اوليه ي سيمان بي آب). در محور y، حجم مطلق اشغال شده بوسيله ي هر فاز است. هواي به دام افتاده در محاسبات در نظر گرفته نشده است.
در زمان t=0، وقتي سيمان با آب برخورد مي كند، سيستم از دو فاز تشكيل شده است: يكي سيمان پرتلند و ديگري، آب. وقتي واكنش هيدراسيون شروع به توسعه پيدا كردن بكند، يك حجم معين از ژل (C-S-H) تشكيل مي شود و يك مقدار معين از آب به صورت فيزيكي با اين ژل اتصال پيدا مي كند، اين آب را Powers، آب ژله اي ناميد. به موازات اين كار، يك كاهش در مقدار آب كاپيلاري ايجاد مي شود و حجم گازي در داخل سيستم بسته ايجاد مي شود كه به دليل انقباض شيميايي ايجاد مي شود.
تغييرات حجمي در حين سخت شدن بتن
حال ما خميرهاي سيماني هيدراته را رها كرده و بتن را در نظر مي گيريم. اول از همه، ما در مورد تغييرات حجمي بتن صحبت مي كنيم كه در شرايط سخت شدن ايزوترمال و بدون هيچ منبع آب خارجي و بدون هيچ اتلاف آبي در حين خشك شدن، ايجاد شده است. در اين شرايط، بتن ايجاد شده تنها اندكي انقباض پيدا مي كند.در بتن هايي كه در يك سيستم بسته هيدراته مي شوند، خمير سيمان در حال هيدراسيون، متحمل انقباض شيميايي مي شوند اما اين انقباض شيميايي با تشكيل ساختار خمير، به خودي خود، مهار مي شود. اين تشكيل ساختار موجب گير كردن ساختار شن و ماسه ي موجود در هم مي شود و ميزان تغيير شكل كل بتن را محدود مي كند. در نتيجه، بتن همواره داراي انقباض خود به خودي كمتري نسبت به يك خمير سيماني با نسبت آب/ بايندر مشابه است. اين محدود شدن انقباض خمير سيمان هيدراته شده، احتمالاً موجب ايجاد ميكرو ترك درخمير سيمان هيدراته شده، مي شود.
علاوه بر اين، اين خوب است كه بدانيد، يك راه ساده براي كاهش انقباض در بتن، افزايش مقدار شن و ماسه در داخل بتن مي باشد. در اين حالت، انقباض شيميايي اين خمير يكسان است اما اين انقباض محدود تر شده است. در نتيجه، تغيير شكل حجمي كل در بتن كاهش مي يابد. اما در اين حالت، خمير سيمان هيدراته احتمال زيادي براي ترك خوردن دارد.
وقتي تنش هاي كششي بزرگ در بتني ايجاد شود كه هنوز سخت نشده است، ميكروترك ها در ساختار ايجاد مي شود. اين ميكروترك ها به هم مي پيوندند و ترك هاي بزرگ تشكيل مي دهند. با ايجاد اين ترك هاي بزرگ، يون هاي خورنده در داخل بتن نفوذ مي كنند. در مورد بتن هاي مسلح، ميله هاي فولادي و يا ساير مواد، در محدود كردن بتن مشاركت دارند.
بنابراين، از نقطه نظر عملي و ميزان دوام، اين بسيار مهم است كه انقباض خود به خودي اتفاق افتاده در شروع هيدراسيون بتن هاي با نسبت آب/ بايندر پايين را، كنترل كنيم. علت اين مسئله اين است كه اين انقباض زماني رخ مي دهد كه بتن هنوز مقاومت بسيار بالايي پيدا نكرده است.
ارتباط ميان هيدراسيون و استحكام مكانيكي
يكي از شاخص هاي قابل توجه كه در روش هاي ارزيابي هيدراسيون مورد استفاده قرار مي گيرد، ارزيابي تفاوت ميان حرارت ايجاده شده و استحكام فشاري در حين فرايند سخت شدن است. Vernet اين تفاوت را با تغييرات ايجاد شده در سطح ميكروسكوپيك، توصيف كرده است. درطي سخت شدن، پديده هايي ايجاد مي شود كه منجر به ايجاد خاصيت چسبندگي در بتن مي شود (ضرورتاً تشكيل C-S-H و مقادير اندكي اترينجيت) اما پديده هايي نيز بوجود مي آيد كه موجب ايجاد تنش هاي اوليه و حتي ميكروترك مي شود.حرارت هيدراسيون اطلاعاتي در مورد مقدار ماده ي چسبنده اي تشكيل شده به ما مي دهد اما فرايند شيميايي به ما نشان مي دهد كه تشكيل C-S-H موجب ايجاد انقباض حجمي مي شود. اگر اين فرايندها به طور منفرد، عمل مي كردند، يك رابطه ي ساده ميان استحكام فشاري و ميزان هيدراسيون است كه مي تواند ايجاد شود. اگر چه اين ضروري است كه اثر چسبندگي كمتري را در نظر بگيريم (به دليل انقباض حجمي). علاوه بر اين، برخي از اين واكنش هاي شيميايي كريستال هايي توليد مي كنند كه در طي رشد آنها، يك فشار كريستاليزاسيون با نرخ فوق اشباع آنها (μ) در ارتباط است:
P=R.T.Ln μ/υ
كه در اينجا، υ حجم مولي نمونه هاي در نظر گرفته شده، R ثابت گازها و T دماي مطلق در واحد كلوين است. در طي رشد آنها، كريستال ها مشابه با ميكروترك هايي عمل مي كنند كه موجب ايجاد ترك هاي اضافي مي شوند. اين مسئله در كريستال هاي اترينجيت و پرتلانديت نيز مشاهده مي شود (شكل 19).
بنابراين، استحكام مكانيكي نتيجه اي از وضعيت بسيار پيچيده اي است. در طي فرايند سخت شدن، وقتي رشد كريستال ها سريع تر باشد، نرخ افزايش حرارت براي افزايش استحكام، كافي مي باشد. از نتايج تجربي اين فهميده شده است كه در طي دوره ي سخت شدن، فشار كريستاليزاسيون بسيار بالاست؛ در حالي كه توليد C-S-H آهسته است. اين مسئله علت وجود تغيير در شيب نمودار استحكام را توضيح مي دهد.
مدل هاي ساختاري C-S-H
اين ترديد وجود دارد كه C-S-H داراي يك ساختار لايه اي است. در بين دهه هاي 1950 تا 1970، برخي محققين بيان هاي تئوري و شماتيكي از C-S-H ارائه كرده اند كه مي تواند خواص عمومي C-S-H را توصيف كند اما هيچ كدام از آنها از لحاظ تجربي مورد حمايت نيستند. متداول ترين ابزارهايي كه براي توصيف شبكه ي كريستالوگرافي مينرال ها مورد استفاده قرار مي گيرد، براي توصيف C-S-H مناسب نيستند. از بين اين مدل ها، مدل هاي ارائه شده بوسيله ي Powers (1958)، Fledman و Sereda (1970) و مدل مونيخ در شكل 20 نشان داده شده اند. به عنوان مقايسه، در شكل 21 به طور شماتيك مدل ساختاري يك رس و C-S-H نشان داده شده است.
وجود دارد) گسترش يابند. بنابراين بايد مدل هايي غير از مدل آرايش يوني استفاده شود.نتايج اوليه كه با استفاده از رزونانس مغناطيسي بدست آمده است، نشان داده است كه ساختار لايه اي ايجاد شده بوسيله ي يون هاي
مي تواند در 4 يا 5 فاصله ي شبكه اي ايجاد شود (قبل از اينكه اعوجاج قابل توجهي ايجاد گردد و در نتيجه رشد كريستاليت هاي متوقف شود). با تجميع اين نتايج مدل هايي توسعه يافته اند كه ساختار C-S-H را به صورت يك زنجيره ي تتراهدرال سيليسي نشان داده اند كه در اين ساختار، يون هاي با عدد كوئورديناسيون 6 به هم متصل شده اند. در اين ساختار همچنين زنجيره هاي سيليسي منظم در هر دو سمت جفت شده اند. در شكل 23، مدل ساختاري پيشنهاد شده بوسيله ي Zhang و همكارانش را نشان مي دهد.
نتيجه گيري
اين مسئله جالب توجه است كه بگوييم، با وجود تلاش هاي فراوني كه در 100 سال گذشته به منظور بررسي واكنش هيدراسيون انجام شده است، آگاهي در زمينه ي واكنش هيدراسيون سيمان، بيشتر نشده است. علت اين مسئله، اين است كه اين واكنش از نقطه نظر فني، واكنشي ساده و مهم مي باشد.البته، از زمان انجام اولين مطالعات بر روي سيمان بوسيله ي افرادي همچون Le Chatelier، Powers و ساير محققين، علوم مرتبط با سيمان پرتلند و بتن قطعاً پيشرفت داشته است و اين پيشرفت نيز ادامه خواهد يافت. هيدراسيون با استفاده از دستگاه هاي پيچيده تر مورد ارزيابي قرار خواهد گرفت و استفاده از اين ابزارها اجازه ي بررسي اين ماده در ابعاد نانو را به ما مي دهد.
پيچيدگي علمي هيدراسيون سيمان اين مسئله را توجيه مي كند كه چرا هنوز هم در كارخانجات توليد سيمان مشكلاتي وجود دارد. در واقع هنوز پيچيدگي هاي اين علم شناخته نشده است. يكي ديگر از دلايل اين مسئله اين است كه افراد اندكي وجود دارند كه در مورد اطلاعات منتشر شده در اين زمينه اطلاع داشته باشند. براي كساني كه فكر مي كنند چند سال تجربه براي استاد شدن در زمينه ي سيمان كافي است، بايد بگوييم كه آيا در اين مدت، يادگيري در زمينه ي سيمان به خوبي انجام شده است يا نه!
قطعاً هيدراسيون سيمان پرتلند يك پديده ي پيچيده است اما اين پديده نيز از قوانين فيزيكي، شيميايي و ترموديناميكي تبعيت مي كنند. تنها مزيت ها در زمينه ي توليد سيمان وقتي حاصل مي شود كه آگاهي بهتري در زمينه ي واكنش هيدراسيون سيمان، بدست آيد.
استفاده از مطالب اين مقاله با ذكر منبع راسخون بلامانع مي باشد.
/ج
