در نگاه میکروسکوپی، بتن تنها مجموعه‌ای از خمیر سیمان و سنگدانه نیست، بلکه در بین این دو فاز، لایه‌ای به ضخامت چند ده میکرون وجود دارد که «ناحیه‌ی انتقالی» یا ITZ (Interfacial Transition Zone) نامیده می‌شود.
این ناحیه از لحظه‌ی اختلاط تا ماه‌ها پس از گیرش، به‌طور مداوم تغییر می‌کند و رفتار مکانیکی کل بتن را تحت‌تأثیر قرار می‌دهد.
مطالعات میکروسکوپی نشان داده‌اند که ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی ITZ از جمله تخلخل، ضخامت و مقدار سیمان هیدراته نشده (UH) با عواملی مانند اندازه‌ی سنگدانه، نسبت آب به سیمان (w/c) و زمان عمل‌آوری به‌شدت تغییر می‌کند.
در واقع، مقاومت اولیه‌ی بتن (مثلاً در ۷ روز) بیش از هر بخش دیگری به کیفیت همین ناحیه بستگی دارد، و در بلندمدت نیز چگونگی رشد مقاومت بتن تابع تکامل و تراکم تدریجی این لایه‌ی نازک است.
نقش اندازه سنگدانه در کیفیت ناحیه انتقالی و مقاومت بتن
یکی از عوامل کلیدی در شکل‌گیری ناحیه‌ی انتقالی (ITZ)، اندازه‌ی سنگدانه است.
بررسی‌های میکروسکوپی نشان می‌دهد هرچه اندازه‌ی سنگدانه‌ها کوچک‌تر باشد، توزیع خمیر در اطراف آن‌ها یکنواخت‌تر شده و تمایل به کاهش تخلخل ITZ بیشتر است؛ در مقابل، سنگدانه‌های درشت‌تر به‌دلیل مقیاس بزرگ‌تر خود، آب آزاد (bleeding) بیشتری را در پیرامونشان جمع می‌کنند که نسبت آب به سیمان موضعی را بالا می‌برد ITZ را متخلخل‌تر می‌سازد.
با این حال، رفتار مقاومتی در سنین اولیه و بلندمدت متفاوت است:
- سنین اولیه (مثل ۷ روز): اطراف سنگدانه‌های ریزتر مقدار بیشتری سیمان هیدراته نشده (UH) دیده می‌شود؛ این یعنی هیدراسیون در ITZ هنوز کامل نشده و در صورت ثابت بودن سایر عوامل موقتاً ممکن است مقاومت اولیه‌ی بتن کمتر از مخلوط‌های با سنگدانه درشت‌تر باشد.
- بلندمدت (۲۸ تا ۱۸۰ روز): ذرات هیدراته نشده‌ی اطراف سنگدانه‌های ریز به‌تدریج هیدراته می‌شوند و محصولات هیدراسیون، خلل و فرج ITZ را پر می‌کنند؛ در نتیجه تخلخل کاهش یافته، چسبندگی خمیر سنگدانه بهتر می‌شود و مقاومت نهایی بالاتر به‌دست می‌آید. در مقابل، اطراف سنگدانه‌های درشت به‌دلیل bleeding اولیه، مقدار ذرات هیدراته نشده کم بوده و ITZ برای مدت بیشتری متخلخل‌تر می‌ماند و از نظر اتصال میکروساختاری ضعیف‌تر عمل می‌کند.
نقش نسبت آب به سیمان (w/c) در شکل‌گیری ناحیه انتقالی و مقاومت بتن
نسبت آب به سیمان یکی از مهم‌ترین عوامل مؤثر بر کیفیت ریزساختار خمیر سیمان و ناحیه‌ی انتقالی (ITZ) در بتن است. کاهش نسبت آب به سیمان نه‌تنها بر چگالی و تراکم خمیر اثر می‌گذارد، بلکه مستقیماً ساختار ناحیه‌ی انتقالی را نیز تحت تأثیر قرار می‌دهد. بررسی‌های میکروسکوپی نشان داده است که با کاهش w/c ، ضخامت و تخلخل ITZ به شکل محسوسی کاهش می‌یابد و این ناحیه از نظر ساختاری به خمیر اصلی نزدیک‌تر می‌شود.
در نسبت‌های بالاتر آب به سیمان خمیر سیمان دارای آب آزاد بیشتری است. هنگام گیرش، این آب اضافی تمایل دارد در اطراف سطح سنگدانه‌ها جمع شود و bleeding ایجاد کند. در نتیجه، نسبت آب به سیمان موضعی در مجاورت سنگدانه افزایش یافته و حفرات میکروسکوپی متعددی در ITZ شکل می‌گیرد. این پدیده سبب می‌شود ناحیه‌ی انتقالی در چنین مخلوط‌هایی ضخیم‌تر و متخلخل‌تر باشد و در واقع، به‌عنوان ضعیف‌ترین بخش در مسیر انتقال تنش عمل کند.
در مقابل، زمانی که نسبت آب به سیمان کاهش می‌یابد، مقدار آب آزاد در مخلوط محدود می‌شود و دیگر امکان تجمع آب در مرز بین سنگدانه و خمیر وجود ندارد. در این حالت، ITZ به‌صورت ناحیه‌ای بسیار نازک و فشرده شکل می‌گیرد که از نظر ریزساختار تفاوت چندانی با خمیر اصلی ندارد. در تصاویر میکروسکوپی ملات‌های با w/c کم، ناحیه‌ی انتقالی تقریباً محو شده و مرز مشخصی بین سنگدانه و خمیر دیده نمی‌شود. این تغییر نشان می‌دهد که کاهش نسبت آب به سیمان، یکی از مؤثرترین راه‌ها برای حذف ناحیه‌ی ضعیف بین خمیر و سنگدانه و بهبود پیوستگی در بتن است.
تأثیر این تغییر ساختاری به‌طور مستقیم در رفتار مکانیکی بتن نیز نمایان می‌شود. در سنین اولیه، بتن‌هایی با نسبت آب به سیمان پایین‌تر معمولاً مقاومت فشاری بیشتری دارند، زیرا ریزساختار متراکم ITZ مانع از گسترش ترک‌های ریز در اطراف سنگدانه می‌شود. در بلندمدت نیز تراکم بالای اولیه در این ناحیه، باعث افزایش دوام، کاهش نفوذپذیری و رشد پیوسته‌ی مقاومت فشاری می‌شود. در مقابل، بتن‌هایی با نسبت آب به سیمان بالا حتی با وجود ادامه‌ی هیدراسیون در گذر زمان، به‌دلیل تخلخل اولیه‌ی زیاد در ITZ، همواره دچار ضعف موضعی و تمرکز تنش در اطراف سنگدانه‌ها خواهند بود.
تأثیر زمان بر تکامل ناحیه‌ی انتقالی و مقاومت بتن
رفتار ناحیه‌ی انتقالی (ITZ) در بتن با گذشت زمان به‌طور پیوسته تغییر می‌کند و این تغییرات به‌شدت از اندازه‌ی سنگدانه و نسبت آب به سیمان تأثیر می‌پذیرد. بررسی‌های میکروسکوپی نشان داده است که نحوه‌ی تکامل ITZ در مخلوط‌های مختلف، نتیجه‌ی تعامل سه عامل زمان، اندازه‌ی سنگدانه و نسبت آب به سیمان است. در واقع، تفاوت رشد مقاومت بتن در سنین مختلف را باید در همین تعامل جست‌وجو کرد.
در بتن‌هایی که نسبت آب به سیمان آن‌ها بالاتر است (مانند 55/0)، در سنین اولیه ناحیه‌ی انتقالی در اطراف سنگدانه‌ها به‌ویژه سنگدانه‌های درشت‌تر، تخلخل بیشتری نسبت به خمیر اصلی دارد. علت این پدیده تجمع آب آزاد در سطح تماس خمیر و سنگدانه است که نسبت آب به سیمان موضعی را افزایش می‌دهد و تشکیل ساختار هیدراته را در این ناحیه کند می‌کند. در طول زمان، خمیر اصلی به دلیل چگالی بالاتر و سرعت بیشتر هیدراسیون، زودتر از ITZ متراکم می‌شود و در نتیجه اختلاف تخلخل بین این دو ناحیه افزایش می‌یابد. در چنین شرایطی، حتی با گذشت زمان، ITZ همچنان به‌عنوان نقطه‌ی ضعیف بتن باقی می‌ماند و اختلاف مقاومت کوتاه‌مدت و بلندمدت محسوس‌تر خواهد بود.
در مقابل، در بتن‌هایی با نسبت آب به سیمان پایین‌تر (مثلاً 4/0)، ساختار خمیر از ابتدا متراکم‌تر است و در اطراف سنگدانه‌ها آب آزاد کمتری وجود دارد. در این حالت، ITZ نازک‌تر و چگال‌تر تشکیل می‌شود و bleeding در حداقل مقدار خود است. در سنین اولیه ممکن است مقدار زیادی ذرات سیمان واکنش‌نداده (UH) در اطراف سنگدانه‌ها باقی بماند، اما این ذرات در طول زمان به‌تدریج وارد واکنش شده و محصولات هیدراسیون جدیدی را در فضای خالی ایجاد می‌کنند. این فرآیند باعث می‌شود که با افزایش سن بتن، تخلخل ITZ کاهش یافته و چسبندگی میان خمیر و سنگدانه تقویت شود.
اثر اندازه‌ی سنگدانه نیز در این میان بسیار قابل توجه است. سنگدانه‌های درشت‌تر به دلیل سطح تماس کمتر و تمایل بالاتر به نگهداری آب آزاد، در تمام سنین ITZ متخلخل‌تر و ضخیم‌تری دارند. در مقابل، سنگدانه‌های ریزتر با سطح ویژه‌ی بیشتر، توزیع یکنواخت‌تری از خمیر سیمان در اطراف خود ایجاد می‌کنند و در بلندمدت به‌واسطه‌ی هیدراسیون تدریجی UH، ناحیه‌ی انتقالی را به ناحیه‌ای چگال و پیوسته تبدیل می‌کنند.
در نتیجه، می‌توان گفت در مخلوط‌هایی که نسبت آب به سیمان پایین و سنگدانه‌ها ریزتر هستند، تغییرات ریزساختاری در طول زمان در جهت بهبود خواص مکانیکی بتن پیش می‌رود ITZ در این مخلوط‌ها به مرور از ناحیه‌ای ضعیف و متخلخل به لایه‌ای متراکم و مقاوم تبدیل می‌شود که انتقال تنش بین سنگدانه و خمیر را به‌صورت مؤثرتری انجام می‌دهد. این پدیده علت اصلی رشد پیوسته‌ی مقاومت فشاری در بتن‌های متراکم و باکیفیت در بازه‌ی زمانی ۷ تا ۱۸۰ روز است.
تغییرات تخلخل نرمال‌شده در ITZ برای نسبت آب به سیمان 55/0 و 4/0 برای سنگدانه الف‌وب) ریزدانه ج ود)درشت‌دانه
