آزمون های نفوذپذیری بتن

مقدمه

آب به دو صورت مایع  و بخار می تواند از طریق لوله های مویینه وارد بتن متخلخل شود. این نفوذ می تواند در اثر فشار صورت پذیرد. همچنین حرکت آب از میان جسم ممکن است اثرات اسمزی نیز داشته باشد. منظور از جذب، روندی است که طی آن بتن آب را به درون منافذ و لول هاهی مویینه می کشاند. نفوذ پذیری بتن در مقابل آب یا بخار خاصیتی است که اجازه ی عبور سیال یا بخار را از میان بتن می دهد.

عوامل موثر بر نفوذپذیری

عوامل موثر بر نفوذپذیری بتن عبارتند از مصالح، نسبت های اختلاط، جایگیری و عمل آوری، درزهای اجرایی و نفوذ پذیری هوا و گاز که در زیر به بررسی تک به تک این موارد می پردازیم:

مصالح

نفوذپذیری خمیرهای سیمان بر پایه سیمان های پرتلند با ترکیبات شیمیایی متفاوت که نسبت آب به سیمان اولیه (اصلاح شده برای آب انداختن) یکسان و بخش های سیمان هیدراته شده مساوی دارند، مشابه خواهند بود. اما برای سن مشخص و نسبت آب به سیمان یکسان، نفوذ پذیری خمیرهای شامل سیمان های کندگیر نسبت به سیمان های زودگیر بیشتری می باشد.میزان ریزی سیمان نیز تاثیر به سزایی در نفوذپذیری دارد و افزایش آن نفوذپذیری را کاهش می دهد.

نسبت آب به سیمان علاوه بر مقاومت بر روی نفوذ پذیری هم تاثیر گذار است. هنگامی که نسبت وزنی آب به سیمان از 0.65 بیشتر می شود ، نفوذپذیری بتن با یک نرخ سریع رو به افزایش است. برای مصالح و شرایط مشخص ، افزایش نسبت آب به سیمان از 0.4 تا 0.8 می تواند نفوذپذیری را 100 برابر افزایش دهد.

نفوذپذیری با افزایش حداکثر اندازه سنگدانه ها به ازای نسبت آب به سیمان مشخص، بیشتر می شود. به احتمال زیاد دلیل این است که  با افزایش حداکثر اندازه ی سنگدانه ها حفره های آبی که در زیر سنگدانه های درست وجود دارند افزایش می یابد. سنگدانه های متراکم با تخلخل کم و دانه بندی صحیح نقش عمده ای در کاهش نفوذپذیری بتن دارند. برای اینکه از جا دادن بتن بدون کرمو شدگی اطمینان لازم حاصل شود باید در مخلوط، مقدار کافی سنگدانه ریز استفاده نمود.

هوای عمدی در بتن در حالت کلی  به دلیل افزایش کارایی، کاهش آب انداختن و تاپیر حفرات مجرزا در تغییر ساختار لوله های مویینه باعث کاهش نفوذپذیری می شود. جایگزینی خاکستر بادی به جای بخشی از سیمان پرتلند معمولا باعث کاهش نفوذپذیری بتن می شود.

نسبت های اختلاط

دانه بندی و شکل ذرات سنگدانه، شرایط جا دادن بتن و مختصات نفوذپذیری مطلوب به طور مستقیم بر نسبت های اختلاط صحیح بتن تاثیر می گذارند. مقدار صحیح آب باید محاسبه شده و مورد استفاده قرار گیرد. مصرف زیاد آب باعث کاهش دانسیته و افزایش روانی می شود. اجرای مخلوط بتنی خشک باعث به وجود روزنه های سوزنی و راه های نفوذ بزرگ مخصوصا در مخلوط های کم مایه می گردد. معمولا یک مقدار جزئی آب اضافی قابلیت نفوذ کمتری نسبت به حالت فوق ایجاد می نماید.

برای بتن های متراکم شده با ویبراتور، مقادیر اسلامپ از 1.25 تا 5 سانتی متر را غالبا می توان به طور موثر به منظور ساخت بتن با نفوذپذیری کم استفاده نمود.

جا دادن و عمل آوری

حمل، جا دادن و تراکم مناسب بتن در قالب ها یکی از مراحل مهم در جریان تولید بتن آب بند است. برای جلوگیری از بروز جدایی که می تواند موجب کرموشدگی و یا ساختار متخلخل گردد، باید تلاش های لازم به عمل آید.عمل آوری طی سنین اولیه بتن تاثیر بسیار زیادی در کاهش نفوذپذیری دارد.

درزهای اجرایی

به این دلیل که درزهای اجرایی مواضعی هستند که غالبا نفوذ آب از آنها صورت میگیرد، لذا باید تا جاییکه امکان دارد از آنها اجتاب شود. در سازه های بتنی حجیم، هنگامی که درزهای انبساط در نظر گرفته می شود، بتن ریزی بین درزها باید به صورت پیوسته اجرا گردد. در صورت نیاز به درزهای انبساط ، پیش بینی ها و احتیاطات لازم جهت اطمینان به حصول چسبندگی خوب بین بتن جدید و قدیم باید مدنظر باشد. به منظور جلوگیری از تشکیل لایه ی ضعیف و متخلخل بر روی سطح بتن قدیم که یاعث چسبندگی ضعیف با لایه ی بعدی می گردد، استفاد ه از مخلوط یا نسبت های اختلاط مناسب و حداقل آب انداختن ضروری است.

نفوذپذیری هوا و گاز

نفوذپذیری بتن در مقابل هوا و گاز در انواع مختلف تانک ها و مخازن تحت فشار دارای اهمیت است. جریان هوا و بخار آب بستگی به فشار هوا یا بخار، شخامت بتن ، خواص بتن و خواص هوا، گاز یا بخار دارد. بتن ساخته شده با نسبت آب به سیمان پایین، سنگدانه های خوب دانه بندی شده با یک افزودنی پوزولانی و عمل آوری صحیح به مدت کافی نسبتا در مقابل جریان هوا، گاها یا بخار آب نفوذناپذیر خواهد بود. خشک شدن شدید باعث افزایش نفوذپذیری هوا می گردد( احتمالا به علت تشکیل ترک های انقباضی) ولی ظاهرا نفوذپذیری بخار افزایش نمی یابد. به نظر می رسد، رابطه ی مهمی بینم نفوذپذیری هوا و گاز با نفوذپذیری آب در بتن وجود نداشته باشد.

روش های آزمایش

آزمایش های جذب توسط غوطه ور نمودن بتن در آب به مدت 48 ساعت، وزن کردن آن پس از خشک کردن سطح، خشک کردن در کوره و مجددا وزدن کردن انجام می شود. سپس جذب را می توان از تقسیم مقدار افت وزن به وزن خشک شده در کوره به دست آورد. در بعضی موارد ممکن است بتن را به مدت 5 ساعت جوشاند و سپس خشک نمود. اگر نرخ جذب مد نظر باشد، می تواند وزن نمونه پس از دوره های زمانی کوتاه غوطه وری، مثلا 30 دقیقه را با وزن آن پس از دوره کامل 24 یا 48 مقایسه نمود. میزان جذب کل معیاری برای دوام بتن در نظر گرفته می شود ولی معمولا ارتباط بین آنها خیلی رضایت بخش نیست و به نظر می رسد نرخ جذب ارتباط بهتری را برقرار نماید.

هدف اصلی از آزمایش های نفوذپذیری تعیین ویژگی های نفوذپذیری بتن است ولی به دلیل وجود ترک ها و اتصالات ضعیف، آزمایش ها ممکن است ارتباط مستقیم کمی با نفوذ ناپذیری سازه ی ساخته شده با بتن داشته باشد. به هر حال آزمایش ها علاوه بر ارائه بر اطلاعاتی پیرامون خواص نفوذپذیری بتن، جهت محاسبه ی اثرات خورندگی آب های نفوذ کرده که آهک آزاد را شسته و به خارج هدایت می کنند و به تدریج به آهک موجود در سه کلسیم سیلیکات حمله می نمایند، نیز مفید است. آزمایش ها همچنین اطلاعاتی در خصوص بازدهی نسبی سیمان ها، استفاده از عوامل آب بندکننده ی سطحی و حجمی ساختار منفذی اساسی بتن که با خواص دیگر از جمله جذب، مویینگی، بالازدگی، مقاومت در برابر یخ زدن و آب شدن و غیره مرتبط است، را فراهم می نمایند.

عوامل دیگری بر روی نتایج آزمایش های نفوذپذیری تاثیر می گذارند. آب نفوذی مهاجم نفوذپذیری ناشی از آب شستگی آهک سیمان افزایش می ذهذ. آب نفوذی که شامل مواد رسوبی یا باکتری باشد، باعث بستن منافذ و کاهش نفوذپذیری می گردد.جهت جریان آب از میان بت در رابطه با جهت قرارگیری نمونه به دلیل تمرکز ملات و خمیر نزدیک سطوح مهم است. نتیجتا نمونه های کوتاه نسبت به نمونه های بلند در ازای واحد طول نفوذپذیری کمتری دارند.

آزمایش های انجام شده بر روی بتن حجیم سد بولدر یا درشت دانه به اندازه cm22.5 و 5 کیسه سیمان کم حرارت زا در هر مترمکعب بتن نشان داد که نسبتا نفوذناپذیر بوده جریان از میان ساختار منفذی آن ناچیز است.

آزمایش های نفوذپذیری بتن در برابر آب و گارهای مختلف و حتی برخی سیال های خاص دیگر انجام می شود. آزمایش های نفوذپذیری بتن در برابر آب، از گذشته براساس رابطه دارسی انجام میشده است که برای تعیین ضریب نفوذپذیری (K) نمونه های مکعبی و استوانه ای شکل بتن اشاره نمود.در آزمایش های نفوذپذیری بتن با گاز بویژه اکسیژن، نمونه قرصی شکل بتن در محفظه ای با تیوب دورگیر تحت فشار قرار گرفته و در فشار های مختلف اعمالی، دبی عبوری گاز، بدست آمده و با رابطه اصلاح شده دارسی برای سیال تراکم پذیر، ضریب نفوذپذیری محاسبه می گردد.

نتیجه این روش آزمایش به درصد رطوبت نمونه بسیار وابسته می باشد. به همین دلیل، در روش پیشنهادی این آزمایش، دو رژیم نمونه کاملا خشک و نمونه با درصد رطوبت مشخص پیشنهاد شده است.

آب تحت فشار روی سطح بتن سخت شده اعمال می شود. سپس نمونه شکسته شده و عمق نفوذ آب نما اندازه گیری می شود.

از آنجا که دوام سازه های بتنی به طور قابل ملاحظه ای به نفوذپذیری آنها بستگی دارد، در این تحقیق، نفوذپذیری نمونه های بتنی با نسبت های آب به سیمان و سن های مختلف مورد ارزیابی قرار گیرد. در استانداردهای موجود برای اندازه گیری نفوذپذیری بتن، مانند EN BS 12390-8 و DIN 1048  ،مقدار فشار و زمان اعمالی به مقدار ثابتی محدود شده است (5 بار و 72 ساعت). درصورتی که در واقعیت مقدار فشار و زمان اعمال آن ثابت نیستند. برای مثال ارتفاع آب در پشت سدهای بتنی در فصل های مختلف متغیر است و در نتیجه، فشار اعمالی نیز متفاوت خواهد بود. در این تحقیق، اثر مقدار فشار و مدت زمان اعمال در جهت های بتن ریزی و عمود بر آن و رابطه آنها با پارامترهای به دست آورده شده با استفاده از آزمایش نفوذپذیری ارزیابی شده است. برای اندازه گیری نفوذپذیری از روش محفظه استوانه ای  استفاده گردیده است. از مزایای این روش میتوان به هزینه ناچیز انجام آزمایش، دقت بالا و امکان انجام آزمایش در محل نام برد. همچنین برای ارزیابی مقاومت نمونه ها از روش ابداعی “پیچش استفاده گردیده و با استفاده از نتایج حاصله، رابطه بین نفوذپذیری و مقاومت نمونه ها بررسی شده است.

تجهیزات آزمایشگاهی

محفظه استوانه ای اندازه گیری نفوذپذیری با روش های مرسوم نیاز به صرف زمان زیاد و تجهیزات گوناگون و با حجم بالا است. همچنین به دلیل زمان بر بودن انجام این آزمایش ها، هزینه انجام آنها نیز زیاد است. از طرفی اکثر آزمایش های موجود تنها در شرایط آزمایشگاهی قابل اعمال بوده و قابلیت انجام به صورت درجا را ندارند. در این پژوهش بررسی نفوذپذیری با استفاده از دستگاه “محفظه استوانه ای” که روشی نوین برای اندازه گیری نفوذپذیری است، انجام شده است. این روشی دقیق با کاربردی گسترده در تعیین میزان نفوذپذیری بتن و سایر مصالح ساختمان چه در محیط آزمایشگاه و چه در محل پروژه است. این دستگاه به نام دستگاه “سیلندریکال چمبر” یا “محفظه استوانه ای” در دنیا شناخته شده است. این دستگاه قابلیت آزمایش بر روي اتصالات بتنی و ژئوممبرانها با امکان انجام آزمایش قبل و بعد از نصب آنها در صنعت راه سازي را دارد.

در ابتداي آزمایش یک صفحه فلزی زیر سری به کمک چسب اپوکسی بر روي سطح بتن چسبانده شده و چسب اضافه از روی سطح نمونه برداشته میشود. در ادامه، قسمت فوقانی که شامل محفظه فشار به همراه گیج اندازه گیري فشار و میکرومتر است، بر روي صفحه زیرسري به کمک پیچاندن آن بر صفحه زیرسری محکم میشود. سپس درون ً محفظه کامل با آب پر میشود. به منظور خروج هواي احتمالی موجود در محفظه یک شیر تخلیه هوا در دستگاه تعبیه شده است. با چرخاندن دسته تنظیم فشار، فشار به مقدار دلخواه مورد نظر تنظیم میگردد. با گذشت زمان از شروع آزمایش، به دلیل وجود اصطکاک داخلی با منافذ بتن و لزجت آب از مقدار فشار اعمالی کاسته میشود. فشار دستگاه را میتوان به کمک چرخاندن مجدد دسته تنظیم فشار ثابت نگه داشت. با چرخاندن دسته تنظیم فشار، پیستون فشار به سمت پایین حرکت میکند. حرکت به سمت پایین پیستون توسط میکرومتر قابل قرائت است. در فواصل زمانی دلخواه از شروع آزمایش عدد میکرومتر قرائت میشود. با داشتن قرائت میکرومتر و سطح اعمال فشار سطح داخلی صفحه زیرسری، حجم آب نفوذ کرده به بتن و نرخ نفوذ آب در زمان قرائت میکرومتر توسط روابط V=H*A و Q=dv/dt محاسبه میشود.

پس از انجام آزمایش بلافاصله نمونه توسط جک فشاری به دو قسمت تقسیم شده و پس از مدت کوتاهی که بیشینه عمق نفوذ قابل تشخیص باشد، از سطح مقطع تر شده توسط آب عکس گرفته شده تا با استفاده از برنامه آنالیز عکس مقدار بیشینه عمق نفوذ در مقطع تعیین شود.این آزمایش قابلیت انجام روي سطوح افقی (دالها و عرشه پل) و عمودي (ستونها) را دارد.

روش پیچش Twist-Off

در این روش که در سال 2005 ابداع گردید، ابتدا سطح نمونه توسط برس سیمی زبر شده و آلودگی ها از سطح نمونه زدوده میشود. سپس صفحات فلزی با ابعاد مشخص توسط چسپ اپوکسی بر روی سطح نمونه چسبانده میشود و پس از کسب مقاومت کافی توسط چسب، با استفاده از یک دستگاه پیچش سنج، لنگر پیچشی لازم جهت جدا کردن صفحه فلزی از سطح نمونه اندازه گیری میشود. پس از جدا شدن صفحه، باید به طور چشمی محل جدا شدن صفحه از نمونه را بررسی کرد تا اطمینان حاصل شود که جدا شدگی از سطح بتن باشد. در صورتیکه جدا شدگی از سطح چسب باشد، نتایج آزمایش نامعتبر خواهد بود. از این روش نیز میتوان در محل استفاده کرد. همچنین خرابی جزئی به وجود آمده پس از جدا شدن صفحه فلزی به سادگی با استفاده از ملات قابل ترمیم است. بر اساس تحقیق انجام شده، رابطه خطی بین گشتاور پیچشی (یا تنش برشی حاصل از پیچش) به دست آمده با استفاده از این آزمایش و مقاومت فشاری نمونه وجود دارد و با داشتن مقدار گشتاور پیچشی میتوان مقاومت فشاری را محاسبه کرد. در نتیجه با استفاده از منحنی های از پیش رسم شده به وسیله نتایج به دست آمده با استفاده از روش پیچش که رابطه بین تنش برشی ناشی از پیچش و مقاومت فشاری را نشان میدهد، میتوان مقاومت فشاری را در محل تخمین زد. هدف از انجام این آزمایش در این تحقیق بررسی رابطه بین تنش برشی به دست آمده ناشی از پیچش با استفاده از این روش و نفوذپذیری نمونه ها است. 

نفوذپذیری، مقاومت فشاری و لنگر پیچشی الزم برای جدا کردن صفحه های فلزی از سطح نمونه های بتنی 7 ،28 و 91 روزه با نسبت های آب به سیمان برابر با 0.4 ،0.5 و 0.6 مورد ارزیابی قرار گرفته است. 0.4 ،0.5 و 0.6 مقادیر معمول برای نسبت آب به سیمان برای بتن های ساخته شده با استفاده از سیمان پرتلند می باشند. سیمان مورد استفاده، سیمان پرتلند تیپ 2 با نرمی برابر با cm2/gr 3081 است.  PH  آب مصرفی 7.5 ،سختی کل 241 میلیگرم بر لیتر، مقدار کلرید 21.60 میلیگرم بر لیتر و مقدار سولفات 84.75 میلیگرم بر لیتر است که در محدوده مقادیر مجاز ذکر شده در استاندارد BS EN 1008 قرار دارند. برای انجام آزمایش ها از نمونه های مکعبی با ابعاد 150×150×150 میلیمتر که در آب-آهک عمل آوری شده بودند، استفاده گردید. از سنگدانه های خشک برای ساخت نمونه ها استفاده گردید. جهت خشک کردن سنگدانه ها، آنها را در کنار سیستم گرمایشی محیط آزمایشگاه پهن کرده و جرم آنها در فواصل زمانی 24 ساعت اندازه گیری میگردید و این عمل تا زمانی ادامه می یافت که تفاوتی بین دو جرم اندازه گیری شده مشاهده نمی گردید. جهت انجام آزمایش نفوذپذیری از حداقل 2 نمونه برای هر طرح اختلاط استفاده گردید. آزمایش مقاومت فشاری و “پیچش” نیز بر روی حداقل 3 نمونه برای هر طرح اختلاط انجام گرفت.

شرکت آبادگران برای نفوذ ناپذیر کردن بتن ها یکسری ژل ها و همچنین مواد واتر پروف هست که در حین اجرای بتن و قبل از بتن ریزی باید به داخل بتن آماده اضافه شوند .

مواد افزودنی دارای ژل بهبود دهنــده خواص رئولوژیک در حالت خمیری و ارتقاء دهنده کیفیت بتن سخت شده به لحاظ افزایش مقاومت فشاری و کاهش مقادیر جذب آب و نفوذپذیری می باشد. افزایش مدت زمان کارپذیری بتن در حالت خمیری از مشخصات ویژه این ماده است. مواد اصلی سازنده ژل ها به دو دسته دوده سیلیسی و کاهنده قوی آب بتن با بنیان پلی کربوکسیالت می باشند.

مواد واتر پروف نوعی ماده آببند کننده می باشــد که تمام مقطع بتن را به جســمی آبگریز تبدیل مینماید. واتر پروف بتن با دو حالت فيزيكي مايع و پودري عرضه ميگردد. نوع مايع آن افزودني مناســبي براي آببندي و نفوذناپذير ســاختن انواع مالتهاي بنايي و دوغاب كاري میباشد. نوع پودری واترپروف با سایز ذرات میکرونیزه، فیلر ضد آب موثری برای پر نمودن فضاهای خالي ناشــی از کسری فیلر سنگدانه ها میباشد. با به کارگیری این فیلر مناسب علاوه بر دانه بندی مصالح، خواص رئولوژی مخلوط بتن تازه نیز بهبود پیدا می نماید.

منابع:

دستنامه ی اجرای بتن دکتر علی اکبر رمضانپور

نشریه مهندسی عمران امیرکبیر

INSO 1608-8 (BS EN 12390-8)

DIN 1048

BS EN 1008

INSO 1608-122 (BS 1881-122)