کربناتاسیون(کربناسیون) در بتن

قبل از تشریح مفهوم کربناتاسیون در بتن، موضوع را از مبحث دوام شروع میکنیم. امروزه بحث درمورد عمر مفید سازه های بتن مسلح از اهمیت زیادی برخوردار است.به دلیل علاقه روبه رشد در این زمینه آیین نامه های طراحی دوام بر اساس مدلسازی فرایندهای خرابی بتن درحال تدوین و تکمیل می باشد. یکی از ارکان اصلی تحلیل عمر مفید و طراحی دوام ، درک صحیح از مکانیزم خرابی و مدلسازی آن است. لازم بذکر است که اساسا دو حوزه کاربرد برای پیش بینی عمرمفید وجود دارد :

1. طراحی کمی دوام سازه های جدید
2. پیش بینی عمر مفید باقی مانده سازه­های موجود به منظور طرح ریزی صحیح نگهداری،تعمیرات و بهسازی آنها

به عبارت دیگر ما دوام بتن را بررسی می­کنیم تا اولا سازه های آتی را با دوام بسازیم و ثانیا بفهمیم سازه های موجود چقدر دوام دارد.

 کربناتاسیون در بتن چیست و چه ارتباطی به مسئله ی دوام دارد؟

به عنوان مقدمه اگر کمی اطلاعات در مورد استفاده از بتن داشته باشید حتما میدانید بتن در تحمل بارهای کششی و گشتاورهای خمشی ضعف دارد و دچار ترک می­شود. ازینرو در بتن فولاد به کار می­رود.به بتنی که فولاد در آن بکار رفته باشد بتن مسلح گویند.

یکی از مهمترین خرابی های بتن مسلح خوردگی فولاد در بتن است. خوردگی به دو دلیل آغاز می­  شود یکی کربناتاسیون در بتن و دیگری نفوذ یون کلراید به داخل بتن.

فولاد های موجود در داخل بتن به علت خاصیت قلیایی بتن میزبان لایه ای نازک و سطحی بر روی خود می­شوند و شروع فرایند کربناتاسیون زمانی است که این لایه ی سطحی که بتن را در برابر خوردگی محافظت می­کند از بین رفته و PH بتن به زیر ۹ برسد.

پدیده ی کربناتاسیون در بتن یکی از دلایل عمده ی خوردگی آرماتورهاست.در اکثر مدلسازی های موجود یا صرفا روش آزمایشگاهی مد نظر بوده و یا به روش های تئوری صرف بسنده می­شود.تحقیقات مختلف نشان می­دهد برای انجام آزمایش های بهتر و نزدیکی بیشتر به واقعیت موضوع باید از دوروش آزمایشگاهی اصلاح شده و طبیعی توامان استفاده شود. در اکثر مدلهای ناشی از آزمایش های کربناتاسیون یکی از روشهای تئوری و یا صرفا آزمایشگاهی مد نظر بوده است.این فرض دو مشکل عمده را در ابتدای کار به وجود می آورد:

1. عدم حصول نتایج مطابق با واقعیت
2. عدم درک صحیح و تبیین روابط موجود بین پارامترها بر اساس یکی از تئوری های شناخته شده و موجود

مراحل بروز کربناتاسیون در بتن به این ترتیب است:

• نفوذ گاز کربن دی اکسید موجود در هوا به منافذ داخلی بتن
• حل شدن کلسیم هیدروکسید جامد موجود در بتن در آب منفذی و انتشار کلسیم هیدروکسید محلول در منافذ
• حل شدن گاز کربن دی اکسید در آب منافذ
• حال هم کربن دی اکسید هم کلسیم هیدروکسید در آب منافذ حل شده اند که باهم واکنش می دهند.
• همچنین کربن دی اکسید محلول می تواند با بقیه جامدات موجود در بتن نیز واکنش دهد.
• کاهش حجم منافذ به علت اشغال آن با محصولات جدید تولید شده
• ایجاد بخار آب متراکم بر روی دیواره منافذ بتن

رابطه های کلی مورد استفاده عبارتند از:

همانگونه که مشاهده می شود نتیجه­ ی ترکیب گاز دی اکسید کربن و آب آهک کربنات کلسیم یا caco₃ است که PH کمتری نسبت به محصولات اولیه دارد.

با توجه به کندی روند فرایند کربناتاسیون بتن استفاده از آزمایش های تسریع شده ضرورت دارد . از سوی دیگر برای دستیابی به قابلیت اعتماد بیشتر نسبت به نتایج بدست آمده به موازات آزمایش های تسریع شده آزمایشهای کوتاه مدتی هم تدارک دیده می­شود و نتایج هردو آزمایش مدل خواهد شد تا براساس آنها بتوان رابطه ای براساس پارامتر زمان و تعیین خرابی حاصل از کربناتاسیون بدست آورد.

در اینجا دوروش برای آزمایش کربناتاسیون بتن با توجه به معیار سنجش واقعی بودن این آزمایش ها معرفی میگردد:

1. انجام آزمایش های کربناتاسیون تسریع شده
2. قرار دادن نمونه ها در شرایط واقعی و بررسی تاثیر محیط طبیعی مشخص بر روی نمونه ها

به آزمایش مورد دوم آزمایش دراز مدت گفته می شود.

برای انجام آزمایشهای کربناتاسیون تسریع شده دستگاه خاصی تعبیه شده است که با افزایش غلظت گاز دی اکسید کربن در آن مدت زمان لازم برای اندازه گیری عمق کربناته شدن بتن کاهش یابد. صورت کار به این ترتیب است که دو محفظه برای قرار دادن ۱۰۸ نمونه استوانه ای کوچک به طول ۲۰ساتیمتر و قطر ۵ سانتیمتر ساخته شدند که در یک مدار بسته قرار می­گیرند. در مدار بسته مذکور جریانی از مخلوط ۵۰ درصد هوا و ۵۰ درصد گاز دی اکسید کربن برقرار می­گردد. نسبت­های فوق حجمی می باشند. با توجه به اینکه در واکنشهای کربناتاسیون بتن، آب تولید می شود، رطوبت نسبی تغییر خواهد داشت به همین دلیل در مدار مذکور از خشک کن های شیمیایی (ژل سیلیکاتی جاذب رطوبت) به منطور دستیابی به رطوبت های نسبی  ۴۰-۶۰ -۷۰- ۹۰ درصداستفاده می گردد.دما که عموما با افزایش همراه است بواسطه ی قرار دادن محفظه های فوق در داخل مخازن آب ، کنترل شده و با چرخش آب با دمای کمتر و تنظیمات ارتفاع آن، در حدود ۲۷ درجه سانتی گراد ثابت نگه داشته میشود.

بوسیله ی دستگاه دیجیتالی حساس دما و رطوبت نسبی داخل محفظه ها اندازه گیری و کنترل می­شود.

نمونه های استوانه ای بتن در دو انتها با محیط در تماس بوده ولی در سطح جانبی آنها از پوشش محافظ در برابر نفوذ گاز استفاده می شود. لذا نفوذ گاز یک بعدی خواهد بود.

در سنین یک، سه، هفت، ده، پانزده، و بیست و یک روز، نمونه ها از محفظه خارج شده و عمق کربناتاسیون آنها تعیین می گردد.

تعیین عمق کربناتاسیون در بتن:

در هر دو آزمایش تسریع شده و دراز مدت، ابتدا نمونه ها در راستای طولی در دستگاه اعمال نیرو خوابانیده می شود و همانند آزمایش برزیلی به دو نیم تقسیم میشود. سپس محلولی از فنل فتالئین و الکل اتیلیک روی سطح شکست پاشیده شده و حد فاصل بین رنگ ارغوانی و عدم تغییر رنگ نسبت به سطح خارجی نمونه به عنوان عمق کربناتاسیون در بتن گزارش می شود. عمل قرائت و ثبت عمق یک ساعت پس از پاشیدن محلول و ۲۴ ساعت بعد از آن صورت می گیرد.

بر اساس اعداد بدست آمده از نمونه ها  و استفاده از رابطه ی مجذور زمان و همچنین رسم نمودار با استنباط از مقادیر مورد تایید مطابق با آزمایش دراز مدت محلی نتایج زیر بدست می آید:

1. با افزایش نسبت آب به سیمان ضریب کربناتاسیون به صورت خطی افزایش می یابد.
2. در درصد های رطوبت بین ۵۰ و ۷۰ بیشترین مقدار کربناتاسیون اتفاق می افتد.
3. استفاده از میکروسیلیس با عث افزایش جزئی ضریب کربناتاسیون میشود.
4. بهترین روش کاهش عمق کربناتاسیون در بتن کاهش نسبت آب به سیمان است.

محمد طاهری فرد

۹۷/۱۱/۰۵