ناحیه انتقال مرزی بتن چیست؟

ناحیه انتقال مرزی بتن(فصل مشترک):

بتن اغلب به عنوان یک ماده­ی کامپوزیت دوفاز با سنگدانه بی اثر و خمیر سیمان هیدراته در نظر گرفته می­شود. سنگدانه­ ها، خمیر سیمان هیدراته و خواص مختلف بتن با مواد تشکیل دهنده آن متفاوت است. شکل 1 نشان می­دهد که هم سنگدانه و هم خمیر سیمان دارای رفتار ارتجاعی شکننده هستند، در حالی که بتن دارای رفتار شبه شکل پذیر است. یکی از افزودنی های بسیار پرکاربرد این صنعت روان کننده بتن است که این محصول با کیفیت بسیار بالا در مجموعه همگرایان تولید ساخته می شود.حتی مقاومت بتن نیز به میزان قابل توجهی کمتر از سنگدانه و خمیر سیمان است. بنابراین می­توان حضور یک فاز سوم را نتیجه گرفت. این موضوع بیانگر انتقال مرزی بتن می باشد.

ناحیه انتقال میان سطحی یا سطح مشترک (Interfacial Transition Zone) یک منطقه نازک و ناهمگن از خمیر سیمان در مجاورت سطح سنگدانه است. اثر دیوار دلیل اصلی تشکیل ناحیه انتقال است. ذرات درشت­دانه، دانه­بندی سیمان را مختل می­کنند و در نتیجه دانه­های ریز در نزدیکی سنگدانه­ها بازآرایی می شوند و دانه­های بزرگتر از سنگدانه­ها دور می­شوند.

این اثر مقدار سیمان را کاهش و نسبت آب به سیمان (w/c) را در نزدیکی سطح سنگدانه افزایش می­دهد. بنابراین ناحیه انتقال در مقایسه با توده خمیر سیمان، متخلخل­تر و ضعیف­تر است. اثر دیواره و آب انداختگی هر دو منجر به تشکیل فضاهای پر از آب در اطراف سنگدانه­ها می­شوند. این فضاهای پر آب، به دلیل تمایل هیدروکسید کلسیم به هسته‌زایی در منافذ بزرگ‌تر، هسته‌زایی هیدروکسید کلسیم (CH) را در نزدیکی سطح سنگدانه‌ها تقویت می‌کنند.

این مطلب را هم بخوانید: ترمیم سطوح بتنی متخلخل

در مخلوط‌های تازه، ریزساختار ناحیه انتقال با تخلخل بالاتر، نسبت آب به سیمان بالاتر و محتوای سیمان کمتر در مقایسه با توده خمیر سیمان مشخص می‌شود. در حالی که مقدار هیدروکسید کلسیم و تخلخل بالاتر از ویژگی‌های ناحیه انتقال در سیستم‌های سخت شده است. ریزساختار ITZ از سطح سنگدانه تا توده خمیر سیمان متفاوت است. براساس سن بتن، ناحیه انتقال با تغییرات ریزساختاری­ در طول زمان، میزان سیمان هیدراته نشده، نسبت آب به سیمان، تخلخل و مقدار هیدروکسید کلسیم مشخص می­شود.

این مطلب را هم بخوانید: سازوکارهای انتقال یون کلر به بتن

معمولا از فاصله­ی سطح سنگدانه تا آن بخش از خمیر سیمان که تخلخل یا چگالی آن برابر توده­ی سیمان می­شود، ناحیه­ی انتقال در نظر گرفته می­شود. اثر دیواره نیز، به اندازه سنگدانه­ها و دانه­های سیمان بستگی دارد. بنابراین ضخامت ناحیه انتقال، با اندازه سیمان مقایسه می­شود. محققین مقدارهای متفاوتی را برای ضخامت ناحیه­ی انتقال پیشنهاد داده­اند: الف) اندازه متوسط دانه­های سیمان، ب) قطر متوسط دانه­های سیمان، ج)40-50 میکرومتر (براساس ذرات سنگدانه) و د) 30-100 میکرومتر .

تاثیر ناحیه انتقال مرزی بتن بر خواص ملات و بتن:

تخلخل بالا و ریزترک­ها از ویژگی­های ذاتی ریزساختار ناحیه انتقال هستند که تا حد زیادی بر مدول الاستیک بتن تأثیر می­گذارد. ناحیه انتقال به عنوان یک زنجیره ارتباطی بین سنگدانه و خمیر عمل می­کند. این ناحیه نسبت به سنگدانه و خمیر سیمان مدول الاستیک کمتری دارد که باعث کاهش مدول الاستیک کلی بتن می­شود. مدول الاستیک ناحیه انتقال، بسته به ضخامت آن، 2/0 تا 7/0 برابر مدول الاستیک خمیر سیمان است. مقاومت بتن به دلیل وجود ناحیه انتقال به طور قابل توجهی کمتر از مقاومت هر یک از دو جزء سنگدانه و خمیر است. تشکیل و گسترش ریزترک­ها در ناحیه انتقال نیز، در مقایسه با ماتریس سیمان و سنگدانه آسان­تر است. بنابراین مسیر شکست بتن معمولاً در امتداد سطح سنگدانه اتفاق می­افتد.

روش­های بهبود ویژگی­های ناحیه انتقال مرزی بتن:

• طرح مخلوط

تغییر پارامترهای طرح مخلوط، انباشتگی ذرات سیمان در اطراف سنگدانه­ها و در نتیجه ریزساختار ناحیه انتقال را تغییر می­دهد. ذرات سیمان در نسبت آب به سیمان کم، نه تنها در توده سیمان بلکه در ناحیه انتقال به طور موثر انباشته می­شوند. همچنین افزایش نسبت سنگدانه به سیمان، نحوه­ی قرارگیری دانه­های سیمان را فقط در فواصل کوچک محدود می­کند و در نتیجه ناحیه­ی انتقال باریک­تر می­شود.

• نحوه­ی توزیع ذرات

چگالی انباشتگی موثر سیمان در نزدیکی سطح سنگدانه، ضخامت و تغییرات ریزساختاری ناحیه انتقال را کاهش می­دهد. همانطور که در شکل زیر قابل مشاهده است، چگالی حجمی ذرات با سایز کوچک تا فاصله­ی 10 میکرومتری سطح سنگدانه­ها بیشتر است در صورتی که ذرات با سایز بزرگ با فاصله­ی بیشتری قرار می­گیرند. بنابراین دانه­بندی گسسته مواد سیمانی، یک روش موثر برای بهبود ریزساختار ناحیه انتقال است.

• استفاده از مواد مکمل سیمانی (SCMs)

مواد سیمانی مکمل، بسته به درجه هیدراتاسیون، اثرات فیزیکی و شیمیایی متفاوتی از خود نشان می­دهند. استفاده از مواد افزودنی بتن و افزودن این مواد باعث: رقیق‌سازی، تغییر توزیع اندازه ذرات و هسته‌زایی می­شود. در صورتی که اثر شیمیایی اضافه کردن مواد مکمل سیمانی، واکنش پوزولانی است. بنابراین، SCMها به طور گسترده­ای برای بهبود ریزساختار کلی سیستم­های سیمانی مورد استفاده قرار می­گیرند. تاثیر افزودن SCMها در قسمت­های سطحی مصالح سیمانی بیشتر است.

شکل 7 و 8 نشان می­دهند که بتن حاوی دوده سیلیس، متاکائولن و سرباره نسبت به بتن معمولی ریزسختی بالاتری دارد. در سنین اولیه، افزودنی­های معدنی با ابعاد ریزتر به دلیل پر کردن منافذ میکرومقیاس، بهترین عملکرد را برای بهبود ریزسختی ناحیه انتقال دارند. در سنین بعدی، افزودنی­های معدنی ریزسختی ناحیه انتقال را با واکنش پوزولانی بهبود می­دهند و ضخامت این ناحیه نیز، کاهش می­یابد. همانطور که در شکل 8 ارائه شده است، ضخامت ناحیه انتقال با اضافه کردن مواد افزودنی معدنی تقریباً از 70 به 40 میکرومتر کاهش یافته است. گزارش شده است با افزودن 10 درصد دوده سیلیس، می­توان ضخامت ناحیه­ی انتقال را بیش از 36 درصد کاهش داد.

• استفاده از مواد نانو

استفاده از مواد نانو در بتن یک رویکرد جدیدتر است. پیشنهاد شده است که استفاده از نانومواد مانند نانو SiO₂، نانو TiO₂ و نانو آلومینا ریزساختار ناحیه انتقال را به طور قابل توجهی بهبود می­بخشد. نانو مواد، به دلیل انرژی سطحی بالایی که دارند، توسط نیروی واندروالس، روی سطح ماسه جذب می­شوند و به عنوان پرکننده در ناحیه انتقال عمل کرده و این ناحیه متراکم­تر می­شود. در نتیجه مدول الاستیک و مقاومت فشاری ملات بهبود و ضخامت ناحیه انتقال کاهش می­یابد.