مقدمه ویژگی‌های بتن تازه و سخت‌شده
این مقاله مروری بر ادبیات منتشر شده در خصوص ویژگی‌های بتن تازه و سخت‌شده است که پس از برگزاری دوازدهمین کنگره بین‌المللی شیمی سیمان در مونترال (۲۰۰۷) ارائه شده‌اند.
مقاله به‌طور مشترک توسط کنستانتین کوولر و نیکولا روسل تهیه شده است؛ در حالی که نویسنده دوم مسئول بررسی ویژگی‌های بتن تازه بوده، نویسنده اول به ویژگی‌های بتن سخت‌شده پرداخته است.
در این مقاله، ویژگی‌هایی از قبیل کارایی و خواص رئولوژیکی بنیادی (شامل تغییرات برگشت‌پذیر و برگشت‌ناپذیر، تیکسوتروپی، افت اسلامپ، زمان گیرش، آب‌انداختگی، جدایی سنگدانه‌ها و مسائل عملی مرتبط با پر کردن قالب و فشار قالب) در بتن تازه مورد بررسی قرار گرفته‌اند.
در مورد بتن سخت‌شده، ویژگی‌هایی مانند مقاومت فشاری، مقاومت کششی، خواص الاستیک، جمع‌شدگی، خزش، مقاومت در برابر ترک‌خوردگی و خواص الکتریکی، حرارتی، انتقالی و سایر ویژگی‌ها پوشش داده شده‌اند.
توجه ویژه‌ای نیز به جنبه‌های مربوط به آزمایش ویژگی‌های بتن، تفسیر نتایج آزمایش‌ها، مدل‌سازی و پیش‌بینی ویژگی‌ها و همچنین ارتباط بین ویژگی‌های بتن تازه و دوام بتن، تأثیر چسباننده‌های خاص، سنگدانه‌های بازیافتی و طبیعی، الیاف تقویت‌کننده، افزودنی‌های معدنی و شیمیایی و ویژگی‌های بتن‌های خاص (مانند بتن سبک و بتن خودتراکم) شده است.
نویسندگان اذعان می‌کنند که سبک نگارش بین بخش‌های مربوط به بتن تازه و بتن سخت‌شده تفاوت آشکاری دارد؛ چرا که اختلاف چشمگیری در حجم ادبیات منتشر شده در این دو حوزه وجود دارد که منجر به اتخاذ رویکردهای متفاوتی شده است.
۲. ویژگی‌های بتن تازه
۲.۱. کارایی و خواص رئولوژیکی بنیادی
بتن‌های تازه، همانند بسیاری از مواد موجود در صنعت یا طبیعت، به عنوان سیالات دارای تنش تسلیم رفتار می‌کنند. به بیان دیگر، مقدار حداقلی از تنش باید به ماده اعمال شود تا تغییر شکل و جریان غیرقابل بازگشت آغاز گردد. بنابراین، رفتار بتن تازه در حالت پایدار اغلب با استفاده از یک مدل تنش تسلیم به شکل کلی زیر تقریب زده می‌شود [1-4]:
در صورت عدم وجود جریان (γ̇ = 0): تنش برابر با تنش اولیه (τ₀) است.
در صورت وجود جریان (γ̇ ≠ 0): تنش به صورت τ = τ₀ + f(γ̇) بیان می‌شود.
در این معادله، τ₀ (بر حسب پاسکال) نشان‌دهنده تنش تسلیم، γ̇ (بر حسب ثانیه منفی یک) نشان‌دهنده نرخ برش و f(γ̇) یک تابع افزایشی مثبت از نرخ برش است که مقدار f(0) برابر با صفر می‌باشد. اغلب بتن‌ها به عنوان سیال بینگهام توصیف می‌شوند که دارای ویسکوزیته پلاستیک (μₚ) می‌باشند، به‌طوری که f(γ̇) = μₚγ̇ [1].
این رفتار ناشی از تعاملات پیچیده میان پدیده‌های فیزیکی متعدد است که درک آن‌ها همچنان در حال پیشرفت می‌باشد [3,4]. لازم به ذکر است که پراکندگی گسترده اجزای بتن، حداقل چهار نوع تعامل اصلی (نیروهای سطحی یا تعاملات کلوییدی، نیروهای برونی، نیروهای هیدرودینامیکی و نیروهای تماسی میان ذرات) را در بر می‌گیرد. بسته به اندازه ذرات، کسری حجمی آن‌ها در مخلوط و نیروهای خارجی (مانند میزان تنش یا نرخ کرنش اعمال شده)، یک یا چندی از این تعاملات غالب می‌شوند [5,6].
از نظر کارایی و کاربردی، تنش تسلیم می‌تواند نشان‌دهنده ظرفیت پرکردن قالب و به طور کلی تعیین کند که آیا بتن تحت یک تنش اعمال‌شده جاری خواهد شد یا جریان آن متوقف می‌شود؛ در حالی که ویسکوزیته پلاستیک می‌تواند سرعت جریان بتن را پس از شروع جریان نشان دهد. قابل ذکر است که در فرآیند ریخته‌گری بتن، بر خلاف ریخته‌گری پلیمر یا فلز، تنش اعمالی عمدتاً ناشی از نیروی گرانش است.
۲.۲. اندازه‌گیری خواص رئولوژیکی
تنش تسلیم یک ویژگی منحصر به فرد ماده است و در مورد خمیر سیمانی (یعنی ذرات ریز) می‌توان آن را با استفاده از ابزارهای رئولوژیکی متعارف مانند ویسکومتر کوئت [8] یا رئومتر صفحات موازی [9] اندازه‌گیری کرد. در مورد بتن تازه، به دلیل وجود سنگدانه‌های درشت، نیاز به توسعه رئومترهای با مقیاس بزرگ احساس شد [10-12]. حتی در محل، آزمون‌های ساده‌تر و ارزان‌تری مانند آزمون اسلامپ [13] اغلب ترجیح داده می‌شوند، اما این دستگاه‌ها گامی بزرگ در پیشرفت علم بتن محسوب می‌شوند. با این حال، اختلاف‌هایی میان مقادیر اندازه‌گیری شده توسط رئومترهای مختلف وجود دارد [14,15]. اگرچه طبقه‌بندی رئولوژیکی مواد یکسان به دست می‌آید، اما مقادیر مطلق پارامترهای رئولوژیکی (مانند τ₀ و μₚ) متفاوت است.
در خصوص اندازه‌گیری تنش تسلیم، طی سالیان ثابت شده است که نتیجه آزمون اسلامپ، که رایج‌ترین آزمون صنعتی برای بتن تازه است، می‌تواند تحت شرایط خاص با تنش تسلیم یک بتن همبستگی داشته باشد.
به طور کلی پذیرفته شده است که همانند ریخته‌گری، در طول آزمون اسلامپ، جریان متوقف می‌شود زمانی که تنش برشی در نمونه برابر یا کمتر از تنش تسلیم می‌شود [2]. از این رو، شکل نهایی نمونه مستقیماً با تنش تسلیم ماده مرتبط است. از منظر عملی در مهندسی عمران، دو کمیت هندسی قابل اندازه‌گیری وجود دارد: “اسلامپ” که تفاوت ارتفاع قالب در آغاز آزمون و پس از توقف جریان را نشان می‌دهد و “گستردگی” که قطر نهایی نمونه پس از افتادن را مشخص می‌کند. در اکثر کاربردهای مخروط ASTM Abrams که ارتفاع اولیه آن 30 سانتی‌متر است، اگر اسلامپ کمتر از 25 سانتی‌متر باشد، آن را اندازه‌گیری می‌کنند؛ در غیر این صورت، گستردگی اندازه‌گیری می‌شود (آزمون جریان اسلامپ برای بتن خودتراکم).
۲.۳. تأثیر زمان بر خواص بتن تازه
۲.۳.۱. تغییرات برگشت‌پذیر و تیکسوتروپی
در بسیاری از مواد سیمانی مدرن، دانستن مقدار تنش تسلیم در پایان مرحله اختلاط برای توصیف رفتار مشاهده‌شده از کارگاه اختلاط تا مرحله ریخته‌گری کافی نیست. تغییراتی در رفتار رئولوژیکی ماده در این بازه زمانی مشاهده می‌شود که عمدتاً ناشی از رفتار تیکسوتروپیک مواد سیمانی است.
چندین نویسنده نشان داده‌اند که زمانی که بتن در حالت سکون باقی بماند، ساختار داخلی آن تقویت شده و تنش تسلیم ظاهری آن افزایش می‌یابد؛ در حالی که هنگام جریان، روانی ماده با نرخ افزایشی که تابعی از نرخ برش اعمال‌شده است، بهبود می‌یابد.
اثبات شده است که این تحول در خمیرهای سیمانی می‌تواند به نرخ برش اعمال‌شده و تاریخچه جریان اخیر ماده وابسته باشد. از منظر عملی، بتن اغلب در مرحله اختلاط به بیشترین حالت تخریب‌شده خود می‌رسد. بنا به تاریخچه جریان بین کارگاه اختلاط و قالب (مانند کامیون مخلوط‌کن، دوره سکون و مرحله ریخته‌گری)، تنش تسلیم ظاهری به‌طور مداوم تغییر می‌کند در حالی که تنش تسلیم ذاتی ثابت باقی می‌ماند.
۲.۳.۲. تغییرات برگشت‌ناپذیر و افت اسلامپ
متأسفانه، در مورد بتن، فرآیندهای هیدراتاسیون بلافاصله پس از اختلاط سیمان و آب آغاز می‌شود. تنش تسلیم ذاتی یا دینامیکی ماده به دلیل واکنش‌های شیمیایی به‌طور مداوم تغییر می‌کند. مطالعات اخیر نشان داده‌اند که در بازه‌های زمانی کوتاه، اثرات تیکسوتروپیک غالب هستند، اما در بازه‌های زمانی طولانی‌تر، فرآیندهای برگشت‌ناپذیر حاکم می‌شوند که در نهایت منجر به افت اسلامپ در مراحل اولیه ریخته‌گری می‌گردند.
۲.۳.۳. هیدراتاسیون و زمان گیرش
به دلیل وجود تیکسوتروپی و اثرات برگشت‌ناپذیر، تنش تسلیم ظاهری به‌طور پیوسته افزایش می‌یابد. امروزه پذیرفته شده است که ساختار گلوله‌ای سیمان بلافاصله پس از اختلاط یا اختلاط مجدد تثبیت می‌شود و تنها دامنه نیروهای تعامل با گذشت زمان تغییر می‌کند. افزون بر این، در زمان گیرش، تحول خاصی رخ نمی‌دهد؛ از این رو زمان گیرش به‌عنوان یک پارامتر فناوری طبق استانداردها تعریف می‌شود.
آزمایش‌های تجربی مختلفی مانند استفاده از سوزن ویکات، پنیترومترها و دستگاه‌های دیگر برای بررسی سخت‌شدگی و زمان گیرش مواد سیمانی به کار می‌روند. پیشرفت‌های اخیر در طیف‌سنجی اولتراسوند و رئومتری نوسانی امکان اندازه‌گیری تکامل مدول‌های الاستیک (هم شِر و هم حجمی) در طول زمان گیرش خمیر سیمانی را فراهم آورده است.
۲.۴. پایداری بتن تازه
بتن یک ماده چندفازی است که اجزای آن دارای چگالی‌های متفاوتی هستند. ناهمگونی‌های ناشی از نیروی گرانش به دو دسته تقسیم می‌شوند:
آب‌انداختگی (Bleeding): این پدیده ناشی از تفاوت چگالی بین دانه‌های سیمان و آب است؛ به‌عبارتی، آب آزاد به سمت سطح خمیر حرکت می‌کند. برای کاهش این پدیده، از عوامل افزایش ویسکوزیته (viscosity agents) استفاده می‌شود که باعث ضخیم‌شدن آب می‌شوند.
جدایی سنگدانه‌ها (Segregation): در این حالت، سنگدانه‌های درشت به دلیل چگالی بالاتر نسبت به فاز معلق، به سمت پایین رسوب می‌کنند. این پدیده به رفتار رئولوژیکی فاز معلق (خمیر یا ملات) وابسته است.
ادامه این مقاله در پست های بعدی در اختیار شما علم آموزان عزیزم قرا خواهد گرفت. با ما همراه باشید!
