یک سازه بتنی باید در طول زمان در برابر حملات یا تنش های مختلف و همچنین اعمال مختلف مانند باد، باران، سرما، گرما، محیط مقاومت کند و زیبایی خود را حفظ کند.
در واقع اگر پدیده ای که باعث تخریب بتن فونداسیون می شود کنترل نشود یا تشخیص آن نادرست باشد، این مکانیسم تخریب بر بتن تعمیری نیز تاثیر می گذارد. شناسایی نادرست منشأ مشکل منجر به مداخلات پرهزینه، ناموفق و به ویژه مکرر می شود که مطمئناً برای پایداری کار و برخی بودجه های محدود مدیران جالب نیست.
بتن می تواند در معرض محیط های شیمیایی تهاجمی قرار گیرد که باعث تخریب آن می شود، مانند واکنش های کربناته، واکنش های قلیایی و….
دلایل احتمالی زیادی برای خراب شدن بتن وجود دارد. بتن عمدتاً در اثر کربناته شدن خمیر سیمان سخت شده و خوردگی میلگرد در اثر حمله کلرید در شرایط مرطوب آسیب می بیند. آسیب های شیمیایی در اثر واکنش های شیمیایی مختلف، گونه های شیمیایی تهاجمی (یون های کلرید، سولفات، منیزیم) موجود در آب های زیرزمینی و آب دریا یا تشکیل محصولات متورم تولید شده توسط میکروارگانیسم ها (باکتری ها، قارچ ها و غیره) ایجاد می شود.
تمام این فرآیندهای مضر و مواد آسیب رسان بر مقاومت مکانیکی بتن و دوام آن تأثیر منفی می گذارد. آب احتمالاً مخرب ترین عامل برای سازه ها و اجزای بتنی است. در واقع، آب اغلب بهعنوان یک معرف مستقیماً در واکنشهای شیمیایی دخالت دارد و همیشه به عنوان یک حلال یا محیط واکنش برای انتقال و واکنش املاح مورد نیاز است.
بدون آب، بسیاری از واکنشهای مضر نمیتوانند ادامه یابند، یا آنقدر آهسته پیش میروند که اثرات مضر آنها در طول عمر مورد انتظار ساختوساز ناچیز است. بتن خشک شده عمر بسیار بیشتری نسبت به بتن اشباع از آب در تماس با آب در گردش دارد. بنابراین در صورت امکان ابتدا بتن باید از نفوذ آب محافظت شود.
بتن به عنوان یک سنگ سخت می تواند تنش های فشاری بالا را تحمل کند، اما تنش های کششی را تحمل نمی کند. در نتیجه، زمانی که مراحل انبساط در داخل توده بتن شکل می گیرد، بتن به راحتی آسیب می بیند. گسترده ترین و شناخته شده ترین فاز انبساط احتمالاً اکسید آهن است که توسط اکسیداسیون میلگردهای فولاد کربنی تعبیه شده در بتن تولید می شود.
محصولات خوردگی در اطراف میلگرد در بتن کربناته (بنابراین در برابر خوردگی غیرفعال نمی شوند) یا هنگامی که بتن شروع به ایجاد ترک می کند، مستقیماً در معرض اکسیژن اتمسفر قرار می گیرند. آسیب ناشی از خوردگی میلگرد به وضوح با چشم غیر مسلح قابل مشاهده است و تشخیص را آسان تر می کند. ولی سایر واکنش های شیمیایی انبساط مضر می تواند در بتن رخ دهد که شناسایی آنها دشوارتر است. آنها ابتدا با توجه به جایی که در بتن وجود دارند، یعنی در داخل سنگدانه یا در خمیر سیمان سخت شده، متمایز می شوند.
انواع مختلف سنگدانه ها تحت واکنش های شیمیایی متفاوتی قرار می گیرند و در داخل بتن منبسط می شوند که می تواند منجر به پدیده انبساط مضر شود. متداولترین واکنشهای قلیایی-سیلیکا آنهایی هستند که شامل سیلیس آمورف فعال هستند که میتوانند با قلیایی سیمان (K2O و Na2O) در حضور آب واکنش دهند. ترکیبات معدنی سیلیسی واکنش پذیرتراز برخی سنگدانه هاهستند که عبارتند از: عقیق، کلسدونی، سنگ چخماق و کوارتز صاف شده.
سیلیس (در واقع اسید سیلیسیک هنگامی که هیدراته می شود) به آسانی توسط هیدروکسید سدیم (NaOH) حل می شود و سیلیکات سدیم (Na2SiO3) تشکیل می شود که یک خشک کننده قوی با میل ترکیبی بالا برای آب است. این واکنش هسته واکنش قلیایی-سیلیکا (ASR) است. 2 NaOH + SiO2 → Na2SiO3 H2O پس از این واکنش، یک فاز سیلیکاژل چسبناک، منبسط و چسبناک در داخل آگلومراهای آسیب دیده تشکیل می شود که از داخل منبسط شده و ترک می خورد. انبساط حجمی سنگدانههای متورم سپس به ماتریس بتن آسیب میرساند و ترکهای وسیعی را منتشر میکند و باعث آسیب ساختاری به سازه بتنی میشود.
آنیونهای سولفات میتوانند با فازهای مختلف خمیر سیمان سخت شده (HCPs) واکنش دهند تا محصولات واکنش فراوانتری را تشکیل دهند و سه نوع واکنش تورم را در داخل HCP ایجاد کنند که حملات سولفات نامیده میشود. تشکیل تاخیری اترینگیت (DEF) همچنین به عنوان حمله سولفات داخلی (ISA) شناخته می شود. حمله خارجی سولفات (ESA) و حمله سولفات از نوع توماسیت (TSA).. DEF، ESA و TSA نسبت به واکنشهای ASR و ACR به بتن آسیب میرسانند. وجه مشترک همه این واکنش های انبساط شیمیایی مختلف این است که به آب به عنوان واکنش دهنده و محیط واکنش نیاز دارند.
وجود آب همیشه یک عامل تشدید کننده است. بنابراین سازه های بتنی مستغرق مانند شمع های سد و پل از حساسیت خاصی برخوردار هستند. این واکنش ها بسته به شرایط محیطی مانند دما و رطوبت نسبی نیز با سینتیک آهسته مشخص می شوند. به کندی پیشرفت می کند و ممکن است سال ها طول بکشد تا آسیب آشکار شود. مشاهده پیامدهای زیانبار آن اغلب 10 سال طول می کشد. حفاظت سازه های بتنی در برابر تماس با آب ممکن است پیشرفت آسیب را کند کند.
دی اکسید کربن (CO2) از هوا (تقریباً 412 پی پی ام در حجم) و آنیون های بی کربنات محلول (HCO-3) یا کربنات (CO2-3) در آب، هیدروکسید کلسیم (Ca (OH)2، پورتلندیت هستند. در بتن هیدراته می شود و کربنات کلسیم (CaCO3) تشکیل می دهد و در واکنش بعدی مولکول های آب را آزاد می کند. واکنش کربناته اساساً معکوس فرآیند تکلیس سنگ آهک است که در کوره های سیمان اتفاق می افتد، به استثنای مولکول های آب CO2 + Ca(OH)2 → CaCO3 + H2O.
کربناته شدن بتن CaCO3 → CaO + CO2 یک فرآیند آهسته و پیوسته است که در آن CO2 اتمسفر از سطح بیرونی بتن هوادهی به داخل جرم پخش می شود و با فاز معدنی خمیر سیمان هیدراته واکنش شیمیایی می دهد. این یک فرآیند است. کربناسیون با افزایش عمق انتشار کند می شود. تخلخل ماتریس بتن با رسوب کلسیت کاهش می یابد که فضاهای خالی میکروسکوپی در فضاهای منفذی بتن را پر می کند. بنابراین مقاومت مکانیکی بتن بهبود می یابد.
در عین حال، کربناته شدن پرتلندیت را مصرف می کند و در نتیجه بافر ذخیره قلیایی بتن را کاهش می دهد. شرایط بسیار قلیایی (یعنی شرایط شیمیایی پایه) که با pH بالا (معمولاً 12.5 تا 13.5) مشخص می شود برای غیرفعال کردن سطح فولادی میلگردها (میله های تقویت کننده) و محافظت از آنها در برابر خوردگی لازم است. کمتر از PH 10، حلالیت اکسید آهن افزایش می یابد که یک پوشش محافظ نازک بر روی سطح فولاد کربنی ایجاد می کند.
یک لایه نازک اکسید محافظ شروع به حل شدن می کند و باعث تسریع خوردگی می شود. جرم حجمی اکسید آهن می تواند 6-7 برابر جرم حجمی آهن فلزی (Fe) باشد که نتیجه زیانبار گسترش محصولات خوردگی در اطراف میلگرد می باشد. این باعث ایجاد تنش کششی در زمینه بتن در اطراف میلگردهای تقویت کننده می شود. هنگامی که مقاومت کششی بتن در پوشش بتنی روی میلگرد بیشتر شود، بتن شروع به ریزش می کند.
ترکهایی در پوشش بتنی ایجاد میشود که از میلگرد در برابر خوردگی محافظت میکند و یک مسیر ترجیحی برای ورود مستقیم CO2 به میلگرد است. این باعث تسریع واکنش کربناته شدن و در نتیجه فرآیند خوردگی می شود. این توضیح می دهد که چرا واکنش کربناته بتن مسلح یک فرآیند نامطلوب در شیمی بتن است.
اثر اصلی یون های کلرید بر روی بتن مسلح، ایجاد خوردگی حفره ای میلگردهای تقویت کننده (میله های تقویت کننده) است. به این دلیل است که بخشی از میلگرد را می توان به حدی کاهش داد که میلگرد دیگر نتواند نیروهای کششی را که برای تحمل آن طراحی شده است تحمل کند. اگر سطح مقطع میلگرد خیلی کوچک باشد یا اگر میلگرد به صورت موضعی خراب شود، میلگرد از بین می رود و بتن دیگر بتن مسلح نمی شود. برای کاهش زمان گیرش بتن از کلریدها به ویژه کلرید کلسیم استفاده شده است
با این حال، کلرید کلسیم و (به میزان کمتر) کلرید سدیم می توانند هیدروکسید کلسیم را شسته و باعث تغییرات شیمیایی در سیمان پرتلند شوند که نه تنها مقاومت آن را کاهش می دهد، بلکه به میلگرد موجود در بیشتر بتن ها نیز حمله می کند. نشان داده شده است. بیمارستان 10 طبقه ملکه الیزابت در کوتا کینابالو حاوی مقادیر زیادی کلرید بود که باعث خرابی زودرس شد.
واکنش قلیایی-سیلیکا (ASR) واکنشی بین قلیاهای محلول (Na2O و K2O) به صورت NaOH و KOH در آب حفرهای بتن و سنگدانههای سیلیسی آمورف فعال (آمورف) در حضور رطوبت است. این یک واکنش شیمیایی مضر است بین سادهترین روش برای توصیف واکنش به روشی تلطیفشده این است (نمایشهای دیگر وجود دارد): 2 NaOH + SiO2 → Na2SiO3 H2O (ژل N-S-H جوان) این واکنش یک ماده ژل مانند از سیلیکات سدیم (Na2SiO3) تولید میکند.
n H2O)، Na2H2SiO4 n H2O، یا N-S-H (هیدرات سیلیکات سدیم). این ژل رطوبت سنجی در داخل سنگدانه های واکنشی آسیب دیده منبسط می شود، منبسط می شود و ترک می خورد. سپس باعث انبساط بتن می شود. اگر بتن به شدت تقویت شده باشد، ممکن است ابتدا برخی از اثرات پیش تنیدگی قبل از ترک خوردن یا شکست سازه رخ دهد. ASR روی سنگدانه ها تأثیر می گذارد و توسط سنگدانه های ترک خورده شناسایی می شود. این به طور مستقیم بر خمیر سیمان سخت شده (HCP) تأثیر نمی گذارد.
نکته:
بتن سنگدانه اکسپوز اساساً مشابه یک قطعه صیقلی گرانیت یا مرمر است. این ماده سطحی معمولی که زیبایی فوق العاده ای را نشان می دهد. ظاهر آن با استفاده از سنگدانه های تزئینی به دست می آید که می تواند این سنگدانه ها طبیعی یا تولیدی باشد.
