راتیان نوآوری و خلاقیت
پدیده واکنش قلیایی- سیلیسی در بتن ، نتیجه‌ی واکنش میان هیدروکسیدهای قلیایی موجود در سیمان و مواد معدنی سیلیسی سنگدانه‌ها است که منجر به تشکیل ژل سیلیکاتی قلیایی می‌گردد. این واکنش ، که معمولاً پس از 5 تا 15 سال بروز می‌کند ، یکی از عوامل مخرب بتن محسوب می‌شود.
این واکنش به دلیل آغاز از درون بتن ، کنترل یا جلوگیری از وقوع آن دشوار و در بسیاری از موارد غیرممکن است. در اکثر موارد ، این پدیده پس از شروع تا تخریب کامل سازه ، به صورت مستمر ادامه پیدا می‌کند. بررسی خسارات ناشی از واکنش قلیایی- سیلیسی در سازه‌های بتنی ، به درستی اصطلاح" سرطان بتن" را برای این پدیده روشن می‌سازد. برای کاهش اثرات این واکنش ، استفاده از سیمان با قلیایی پایین به تنهایی کافی نیست و باید بخشی از سیمان با خاکستر بادی ، سرباره کوره آهن‌گدازی ، یا ترکیبی از هر دو جایگزین شود. علاوه بر آن ، استفاده از دوده سیلیسی( میکروسیلیس) نیز می‌تواند به کاهش واکنش کمک کند.
همچنین ، به منظور مقابله با سنگدانه‌های واکنش‌زا ، می‌توان نمک‌های لیتیوم را به مخلوط بتن اضافه کرد. در هر حال ، استفاده از خاکستر بادی یا سرباره کوره آهن‌گدازی به دلایل اقتصادی و فنی ، گزینه‌های مناسب‌تری محسوب می‌شوند. به کارگیری این مواد علاوه بر کاهش واکنش قلیایی- سیلیسی ، مزایای دیگری همچون کاهش هزینه ساخت بتن ، کاهش دمای هیدراسیون ، کاهش نفوذپذیری ، و کاهش تولید گاز CO2 را به دنبال دارد. در کشور ما ، بتن یکی از مهم‌ترین مصالح مورد نیاز برای توسعه و عمران سازه‌های آبی است.
افزایش تولید و مصرف سرانه بتن در هر کشور ، نشانه‌ای از توسعه و رونق ساخت‌وساز آن کشور محسوب می‌شود. به عنوان مثال ، در سد کرخه ، حجم بتن مصرفی در سازه‌های جانبی و سرریز برابر با یک میلیون و 540 هزار مترمکعب ، و حجم بتن پلاستیک دیوار آب‌بند 210 هزار مترمکعب بوده است. در سد کارون 3 ، حجم کل بتن مصرفی دو میلیون و 650 هزار مترمکعب بوده که یک میلیون و 320 هزار مترمکعب در بدنه سد و سرریز جانبی و یک میلیون و 330 هزار مترمکعب در سازه نیروگاه و سایر سازه‌های جانبی به کار رفته است.
هرگونه آسیب در سازه بتن بدنه سد ، ناشی از پل یا زلزله ، می‌تواند ایمنی سد را به خطر اندازد و منجر به فجایعی انسانی و خسارات مالی سنگین در پایین‌دست شود. آسیب به سازه‌های آبگیر و تونل‌های آبرسان نیروگاه‌ها نیز علاوه بر هزینه بازسازی ، موجب خسارات ناشی از عدم تولید برق می‌شود.
مقاومت بتن در برابر خوردگی ، به ویژه در تأسیسات آب و فاضلاب ، و ترکیدگی بتن در سازه‌های بتنی مانند مخازن ذخیره آب و تصفیه‌خانه‌های فاضلاب نیز بسیار مهم است. خوردگی لوله‌های فاضلاب و آبرسانی می‌تواند خسارات اقتصادی و زیست‌محیطی بزرگی ایجاد کند. بنابراین ، شناسایی همه عوامل مؤثر بر بتن ضروری است. عدم رعایت کیفیت در انتخاب مواد مناسب برای بتن در ساختارهای آبی، از جمله مواد سنگی، سیمان، مواد افزودنی آب، آماده سازی مخلوط کردن طراحی بهینه، تولید بتن مطلوب، پیاده سازی بتن و نگهداری بتن، خطر بالایی دارد.
در بسیاری از سدهای بتنی ساخته شده در ایران، نمونه کارها با موفقیت مورد استفاده قرار می گیرد. اما نگرانی اصلی در این مورد ، واکنش قلیایی میان سنگدانه‌ها و سیمان است که متأسفانه آثار آن در کوتاه‌مدت نمایان نمی‌شود.
این واکنش را به درستی" سرطان بتن" نامیده‌اند. برای جلوگیری از این مشکل ، توصیه می‌شود که حداقل یک سال قبل از آغاز بتن‌ریزی در سازه‌های آبی ، مطالعات و آزمایش‌های کافی انجام شود و از مصرف مصالح واکنش‌زا پرهیز گردد. در غیر این صورت ، آثار مخرب این واکنش‌ها به مرور زمان نمایان خواهد شد و در آن زمان دیگر راهی برای بازگشت وجود ندارد. همچنین ، استفاده از سیمان‌های با قلیایی کم ، ثابت شده که اگر معادل قلیایی سیمان کمتر از 0.6 درصد باشد ، واکنش‌ها به حداقل می‌رسد. با این حال ، تولید سیمان با قلیای کم در بسیاری از کارخانه‌های سیمان به دلیل جنس طبیعی مواد اولیه با مشکل مواجه است. در ساخت برخی از سدهای کشور ، مصرف مواد پوزولانی مورد استفاده قرار گرفته است. ایران دارای منابع غنی از پوزولان‌های طبیعی است که با فرآوری مناسب ، می‌توانند مورد استفاده قرار گیرند. در بسیاری از کشورها نیز از خاکستر بادی به عنوان یک ماده پوزولانی مناسب استفاده می‌شود.
واکنش‌های مخرب ناشی از نفوذ رطوبت
واکنش سیلیکا-قلیایی
مواد ساختمانی سیمانی معمولی به طور ذاتی دارای خاصیت قلیایی هستند. ساختار اصلی سیمان از پیوندهای سیلیکاتی تشکیل شده است. این پیوندها در محیط‌های قلیایی تحت تأثیر قرار گرفته و به کریستال‌های آلکالی تبدیل می‌شوند. این کریستال‌ها ممکن است مورد حمله قرار گیرند و با تشکیل گروه‌های هیدروفیلیک، مصالح سیمانی خاصیت آبدوستی پیدا کنند. این واکنش به دلیل تبدیل پیوند Si-O-Si به دو گروه سیلانول رخ می‌دهد. سیلیکاژل ایجاد شده از این واکنش، حجمی چهار برابر پیوند Si-O-Si معمولی دارد که منجر به افزایش فشار و در نتیجه ایجاد ترک در سیمان می‌شود. سیلیکاژل اضافی، آب بیشتری جذب کرده و واکنش‌های ASR را تسریع می‌کند.
کربنات شدگی
کربنات شدگی یک فرآیند طبیعی تخریب مصالح ساختمانی است. هوا حاوی حدود 0.03 درصد گاز دی‌اکسید کربن است. هنگامی که دی‌اکسید کربن در آب حل می‌شود، به دلیل تشکیل اسید کربنیک، محیط اسیدی می‌شود. این اسید می‌تواند با مصالح سیمانی واکنش داده و کربنات کلسیم (CaCO3) ایجاد کند که این واکنش باعث کاهش pH مصالح می‌شود. زمانی که pH به حدود 8 نزدیک می‌شود، تقریباً تمام Ca(OH)2 به CaCO3 تبدیل می‌شود. Ca(OH)2 ماده‌ای کریستالی و مقاوم است که با CaCO3 غیرکریستالی جایگزین شده و باعث ضعف سازه می‌گردد. عمر مفید سازه‌های سیمانی به سرعت واکنش کربنات شدگی بستگی دارد.
حمله باران اسیدی
باران اسیدی بیشتر به دلیل عوامل محیطی ایجاد می‌شود. استفاده از سوخت‌های فسیلی در خودروها، محیط‌های صنعتی و نیروگاه‌ها می‌تواند اکسید سولفور و اکسید نیتروژن تولید کند. این اکسیدها با آب ترکیب شده و اسید سولفوریک و اسید نیتریک ایجاد می‌کنند که هر دو اسیدهایی بسیار قوی هستند. این اسیدها می‌توانند با تمامی مصالح ساختمانی، از جمله مصالح سیمانی، ماسه‌سنگ و آجر واکنش دهند. در مصالح بتنی، واکنش Ca(OH)2 می‌تواند منجر به تشکیل کلسیم نیترات (Ca(NO3)2) و کلسیم سولفات (CaSO4) شود. این نمک‌ها با تشکیل ساختاری بسیار ضعیف‌تر نسبت به ساختار کریستالی Ca(OH)2، باعث کاهش استحکام بتن می‌شوند.
خوردگی فولاد در بتن مسلح
خوردگی فولاد در بتن مسلح مشکلات جدی سازه‌ای ایجاد می‌کند. این فرایند یک واکنش الکتروشیمیایی است که در آن فولاد (Fe) الکترون از دست داده و اکسیژن (O2) الکترون‌ها را می‌گیرد. در نتیجه، آهن اکسید شده و اکسیژن کاهش می‌یابد. این واکنش‌ها به واسطه‌ای نیاز دارند که بتواند الکترون‌ها را منتقل کند. اگر بتن مرطوب باشد، آب می‌تواند این واسطه را فراهم کند. بنابراین، آب یکی از عوامل اصلی آغاز خوردگی است. حضور کلرید نیز در این فرایند مهم است. کلرید که به طور معمول در بتن وجود دارد، در شرایط مرطوب و با آب باران فعال شده و با فولاد واکنش می‌دهد. این واکنش‌ها منجر به تخریب لایه محافظ اکسید آهن بر روی فولاد می‌شود که باعث افزایش خوردگی فولاد و نهایتاً زنگ‌زدگی آن می‌گردد. کلرید در این فرآیند به عنوان یک کاتالیزور عمل کرده و خوردگی را تا تخریب کامل سازه فولادی تسریع می‌کند.
روش‌های جلوگیری از نفوذ رطوبت و تخریب مصالح
برای محافظت از مصالح ساختمانی در برابر این فرآیندها، ضد آب‌سازی آنها ضروری است. ایجاد یک مانع ضد آب می‌تواند به کاهش جذب آب کمک کرده و سازه را در برابر رطوبت و تخریب‌های مرتبط محافظت کند.
مزایای آب‌گریزی سطح مصالح:
بررسی روش‌های محافظت از سازه‌ها در برابر آب
الف- متیل سیلیکونات پتاسیم: یکی از رایج‌ترین مواد برای حفاظت از مصالح بنایی، متیل سیلیکونات پتاسیم بود. این ماده برای آب‌بندی و ضدآب‌سازی مصالحی مانند آجر پخته، بتن هوادار و گچ مورد استفاده قرار می‌گرفت. با این حال، استفاده از سیلیکونات‌ها به دلیل ایجاد لایه‌ای سفید و شسته‌شدن تحت تأثیر باران کاهش یافته است. مشکلاتی نظیر آب‌بندی ضعیف و عدم مقاومت کافی این رزین‌ها، به همراه رفتار و خصوصیات نمکی آنها، موجب شده است که تحقیقات به سمت استفاده از مواد مؤثرتر سوق یابد.
ب- پوشش‌های فیلم تشکیل‌دهنده: روش دیگری که در محافظت از سازه‌ها استفاده می‌شود، بهره‌گیری از پوشش‌های فیلم تشکیل‌دهنده همچون آکریلیک، پلی اورتان و رزین‌های اپوکسی است. این پوشش‌ها با جلوگیری از تعرق و تبخیر سطحی، تمایل به محبوس کردن رطوبت در بستر دارند که منجر به تخریب داخلی و پوسته‌شدن لایه رنگ در نما می‌شود. به‌رغم اینکه این پوشش‌ها متداول هستند، عمر کوتاهی دارند و نیازمند تعمیرات دوره‌ای می‌باشند. محافظت در برابر جریان‌های شریانی یکی از راه‌های مؤثر برای جلوگیری از آسیب‌های ناشی از رطوبت است.
ج- پرکننده‌های ریزمولکول: در دهه‌های اخیر، استفاده از فناوری نانو برای ضدآب‌سازی بسیار متداول شده است. این مواد به دو شکل عمل می‌کنند: یکی با تشکیل غشاهای نازک که آب‌بندی حداکثری ایجاد می‌کنند، اما دوام کمی دارند و دیگری با نفوذ در سازه و پرکردن فضاهای خالی، که با وجود کارایی بالا، به دلیل کاهش قدرت تنفس داخلی سازه، کاربری محدودی دارند.
د- رزین‌های سیلیکونی: رزین‌های سیلیکونی به دلیل ساختار مشابه با کوارتز طبیعی، به‌عنوان عوامل مهمی در آب‌گریزی شناخته شده‌اند. این مواد در برابر آب و بسیاری از مواد شیمیایی و فیزیکی مقاوم هستند. استفاده از اورگانو سیلیکون‌ها و ترکیبات آنها به‌عنوان مواد آب‌گریز بیش از چهار دهه است که شناخته شده‌اند. رزین‌های سیلیکونی دارای ساختار پلیمرهای سه‌بعدی هستند که با تشکیل پیوندهای قوی با مصالح ساختمانی، محافظتی مناسب ایجاد می‌کنند.
مشکلات رزین‌های سیلیکونی: رزین‌های سیلیکونی حلال در آب امروزه اهمیت کمتری دارند، زیرا به دلیل ساختار مولکولی سنگین، قدرت نفوذ کافی ندارند و در محیط‌های قلیایی پایداری کمی نشان می‌دهند. این مشکلات منجر به حرکت دانشمندان به سمت کشف مواد مؤثرتر شده است.
خواسته‌ها از ترکیبات آب‌گریز ایده‌آل: هدف اصلی از ضدآب‌سازی، حفاظت طولانی‌مدت از سازه است که این امر با پوشش‌های فیلم تشکیل‌دهنده یا رزین‌های سیلیکونی موجود حاصل نمی‌شود.
نسل جدید ضدآب‌ها: سیلان‌ها و سیلوکسان‌ها نسل جدیدی از ضدآب‌ها را به‌وجود آورده‌اند که به‌راحتی با مواد مختلف ترکیب می‌شوند و پایداری بیشتری دارند. این مواد به دلیل اندازه مولکولی کوچک‌تر، نفوذپذیری و کارایی بهتری در ضدآب‌سازی سازه‌ها دارند.
ترکیب سیلان‌ها و سیلوکسان‌ها: ترکیب این دو ماده به‌عنوان یک راهکار مؤثر شناخته شده است، که با ترکیب خواص نفوذپذیری بالا و مقاومت در برابر قلیاها، می‌تواند به حفاظت مؤثرتر سازه‌های مختلف کمک کند.
محصولات خاص: سیلفیکس و کاورفیکس از جمله محصولات ویژه‌ای هستند که با استفاده از ترکیب سیلان‌ها و سیلوکسان‌ها تولید شده‌اند. این محصولات با ارائه حفاظت طولانی‌مدت، مقاومت در برابر اشعه ماوراء بنفش و سازگاری با محیط زیست، بهترین راه‌حل برای محافظت از سازه‌ها در برابر رطوبت می‌باشند.