مقالات

آب بندی بتن با استفاده از تکنولوژی مواد نفوذگر کریستال شونده

چکیده

بتن، پرمصرفترین و مهمترین ماده در ساخت انواع مختلف سازه ها و ابر سازه ها می باشد. و اگر چه مستحکم است، اما به جهت ماهیت و ساختار ترکیبی آن، از ضعف هایی نیز برخوردار است. این ضعف ها بتن را خصوصا در برابر نفوذ آب و مواد شیمیایی، تغییرات شرایط جوی و بارگذاری آسیب پذیر نموده و باعث تضعیف عملکرد  و کاهش قابل ملاحظه عمر و دوام سازه بتنی می شود. راه های زیادی برای مقابله با  عوامل مخرب بتن وجود دارد. یکی از مهمترین این راه ها استفاده از تکنولوژی مواد نفوگر کریستال شونده و نتیجتا بهبود دوام و طول عمر بتن می باشد. به کمک سیستم های نفوذگر کریستال شونده، می توان بر این ضعف ها غلبه نمود و هزینه تعمیرات بلند مدت را به مراتب کاهش داد. در این مقاله نحوه عملکرد مواد کریستال شونده و فواید استفاده از این گروه محصولات در افزایش راندمان سیستم آورده شده است.

بتن

ساختار بتن متشکل از سنگدانه، سیمان و آب است. زمانی که ذرات سیمان در واکنش با آب اختلاط هیدراته می شوند، تشکیل سیلیکات کلسیم می دهند. این ترکیب سپس سخت شده و به شکل توده صخره ای در می آید. بتن یک ماده پایه آبی است. جهت کارایی بهتر بتن، سهولت بتن ریزی و تحکیم آن، به میزان آبی بیشتر از آب لازم جهت هیدراسیون نیاز است. این آب اضافی در توده بتن باقیمانده و به مرور تبخیر می شود. در اثر این تبخیر، مجراها و منافذ موئین در بتن باقی می ماند که مهمترین علت متخلخل و نفوذپذیر بودن بتن محسوب می شود. منافذ، سوراخ ها، لوله های مویین و تخلخل ها در بتن سخت نیز باقیمانده و مسیر ورود و نفوذ آب و مواد شیمیایی خورنده به بتن را باز می گذارند. هر چه این منافذ متصل تر باشند بتن نفوذپذیرتر است. آب اضافی همچنین منجر به افزایش میزان ترک های جمع شدگی (shrinkage) در حین کیورینگ می گردد. این ترک ها خود مسیر عبور آب و مواد شیمیایی هستند. ترک های عمیقتر، سریعتر به خوردگی میلگردها منتهی می شوند.

به منظور کاهش میزان آب در مخلوط بتن می توان از روان کننده ها استفاده نمود. هر چند منافذ موئینه، تخلخل ها و سوراخ ها در بتن کماکان باقی می مانند، ولیکن ابعاد آنها کاهش می یابد و نفوذپذیری تا حدودی کاهش می یابد. اما راه ورود آب، املاح و مواد شیمیایی خورنده به بتن به دلیل مسدود نشدن منافذ همچنان وجود دارد و حتی استفاده از مواد فوق روان کننده به تنهایی، به هیچ وجه بتن را آب بند نخواهد کرد. جز مهم در بتن های مسلح فولاد است. میلگردهای تقویت کننده به منظور مقابله با تنش های کششی ناشی از بارهای اعمال شده به سازه در مقاطع بتنی استفاده می شوند. در این گونه سازه ها مقاومت فشاری بالای بتن در تکامل با خواص حرراتی و مقاومت کششی خوب فولاد قرار گرفته و امکان افزایش ظرفیت باربری سازه را به وجود می آورد.

طبیعت متخلخل و نفوذپذیر بتن

بتن یک ماده متخلخل و نفوذپذیر است. تخلخل به میزان سوراخ ها و منافذ باقی مانده در بتن بر می گردد و به عنوان درصدی از حجم کل تعریف می شود. نفوذپذیری به میزان ارتباط منافذ مرتبط است. این موارد راه را برای حرکت آب در داخل بتن باز می کنند. همچنین ترک های حاصل از جمع شدگی (shrinkage) نیز مسیر مناسبی برای حرکت آب به داخل بتن هستند. نفوذپذیری (permeability) مبحثی مفصلتراز بحث تخلخل (porosity) است. نفوذپذیری یعنی امکان جریان آب مایع-تحت فشار-در ماده متخلخل.

نفوذپذیری با کمیتی به نام ضریب نفوذپذیری تعریف می شود. میزان نفوذپذیری ترکیب بتن، شاخص خوبی برای تعیین کیفیت و دوام بتن است. هر چه ضریب نفوذپذیری کمتر باشد بتن نفوذ ناپذیرتر بوده و نتیجتا کیفیت آن بالاتر است. گرچه ممکن است بتنی از نفوذپذیری کم و نتیجتا دوام نسبی برخوردار باشد اما کماکان به عامل آب بند کننده جهت ممانعت از تراوش و نشتی از میان ترک ها نیازمند است.

با وجود دانسیته ظاهری، بتن ماده ای متخلخل و نفوذپذیر است که در اثر نشتی به سرعت در معرض آب و مواد شیمیایی خورنده چون دی اکسید کربن، کلریدها، سولفات ها و ... تخریب می شود.

تخریب بتن

عموما عمر مفید سازه بتنی به سرعت خوردگی میلگردهای تقویت کننده و سرعت تخریب مستقیم بتن وابسته است. خوردگی میلگردها معمولا در اثر نفوذ یون کلراید و دی اکسید کربن اتفاق می افتد. آسیب های مکانیکی، فیزیکی و شیمیایی منجر به تخریب مستقیم بتن می گردند. عوامل اصلی آسیب بتن عبارتند از: وجود آب اضافی در ترکیب بتن، طرح اختلاط نامناسب، استفاده از سیمان یا سنگدانه های آلوده و بی کیفیت، استفاده از آب آلوده، ویبراسیون نامناسب، کیورینگ ناکافی، طراحی نامناسب درزهای انبساط و اجرایی، پوشش بتنی (cover) ناکافی بر روی میلگردها، کرموشدگی ( Honeycombing، سیکل های ذوب ویخ، بارگذاری بیش از ظرفیت، قرارگیری در معرض اسید، حملات سولفاتی، واکنش قلیایی سنگدانه ها( Alkali-silica reaction) و ...

این عامل منجر به آسیب هایی چون ترک خوردگی، سایش و فرسایش، تخریب سولفاتی، کاویتاسیون، خوردگی میلگردها، کربناسیون، جداشدگی لایه ها، شوره زدگی، نشتی و ... در بتن می شوند.

عملکرد مواد نفوذگر کریستال شونده:

مواد نفوذگر کریستال شونده بر پایه مواد سیمانی و مواد شیمیایی واکنش پذیر است. این مواد با ایجاد واکنش شیمیایی، بتن را از عمق آب بندی می نمایند.

تاثیر آب بندی ناشی از دو واکنش ساده است: واکنش شیمیایی و واکنش فیزیکی. بتن طبیعت شیمیایی دارد. زمانی که ذرات سیمان هیدراته می شوند واکنش بین آب وسیمان منجر به سخت شدن بتن و تشکیل توده صلب می شود. همچنین این واکنش محصولات فرعی تولید می نماید که به صورت آهک آزاد 5/3 % وزنی بتن را شامل می شوند، در منافذ موجود هستند و در حالت سکون در بتن می مانند.

آب بندی کریستالی دسته دیگری از مواد شیمیایی را به مخلوط بتن می افزاید. زمانی که مواد نفوذ گر کریستال شونده در تماس با بتن قرار می گیرند عوامل فعال آنها شروع به نفوذ در منافذ مویین بتن می نمایند و فرآیند انتشار شیمیایی اتفاق می افتد. تئوری پشت انتشار، مهاجرت محلول با دانسیته بالاتر به سمت محلول با دانسیته پائین تر تا زمان تعدیل است. بنابراین زمانی که بتن پیش از اعمال سیستم آب بندی با آب اشباع است یک محلول با دانسیته پائین صورت گرفته و آب بندی کریستالی بر بتن اعمال می شود. محلول با دانسیته شیمیایی بالا در سطح تشکیل می شود و فرایند انتشار شیمیایی را راه اندازی می کند. مواد شیمیایی آب بندی کریستالی باید به سمت آب (محلول با دانسیته پائین) مهاجرت نمایند تا محلول تعدیل شود.

مواد شیمیایی آب بندی کریستالی در بتن پخش می شوند و در دسترس محصول جانبی هیدراسیون بتن قرار گرفته و به واکنش شیمیایی اجازه وقوع می دهند. وقتی این دو گروه مواد شیمیایی- محصول جانبی هیدراسیون سیمان و مواد کریستالی- در حضور رطوبت در کنار هم قرار می گیرند واکنش شیمیایی اتفاق می افتد. در اثر این واکنش میلیون ها کریستال نامحلول تشکیل شده و لوله های مویین، ترک ها و منافذ را مسدود می کنند. تشکیل این ساختار کریستالی تنها در حضور رطوبت اتفاق می افتد و لذا در منافذ، مجراهای موئینه و ترک های حاصل از جمع شدگی تشکیل می شود. با ورود آب، آب بندی کریستالی شکل می گیرد و سوراخ ها، منافذ و ترک ها را آب بند می کند. مواد نفوذگر کریستال شونده به صورت یکپارچه با بتن در آمده و بتن را جزئی از سیستم آب بندی می کنند. ساختار کریستالی تشکیل شده و با ادامه انتقال مواد شیمیایی به آب، این رشته کریستالی بلندتر می شود. واکنش تا اتمام مواد شیمیایی کریستالی یا اتمام آب ادامه می یابد.