ناحیه انتقال در بتن (ITZ): اتصال بتن خمیر سیمان و سنگدانه

تا کنون بسیاری از شما با سؤالاتی از قبیل: «دلیل کمتر بودن مقاومت کششی بتن نسبت به مقاومت فشاری»، «دلیل رفتار ارتجاعی اجزای بتن در آزمایش تک محوری» یا «دلیل نفوذپذیری بیشتر بتن نسبت به ملات معادلش» برخورد کرده‌اید و به دنبال پاسخی برای آنها هستید. در این مقاله بر آن هستیم تا در کمتر از 10 دقیقه به تمام این سؤالات پاسخ گفته و به بررسی بسیاری از رفتارهای شناخته نشده بتن در مقیاس میکروسکوپی در ناحیه انتقال بتن بپردازیم. پس تا انتها همراه ما باشید.

ساختار ناحیه انتقال (ITZ)

به مرز بین سنگدانه و خمیر سیمان، منطقه گذار یا ناحیه انتقال (ITZ) گفته می‌شود. وقتی بتن تازه را متراکم می‌کنیم، اطراف سنگدانه‌های درشت لایه‌ای نازک یا فیلمی از آب تشکیل می‌شود که به دلیل بالا بودن نسبت آب به سیمان در ناحیه ITZ ایجاد می‌شود.

از سوی دیگر داخل توده خمیر سیمان، سه یون هیدروکسیل، کلسیم و آلومینات وجود دارد. این سه یون از حل شدن آلومینات کلسیم و سولفات کلسیمی موجود در سیمان به وجود می‌آیند. زمانی که این سه یون با هم شروع به واکنش می‌کنند، دو ساختار بلوری شکل در خمیر سیمان و ناحیه انتقال تشکیل می‌شود. این ساختارهای بلوری شکل، اترینگایت و هیدروکسید کلسیم هستند.

در قاعده‌ای کلی، ساختارهای بلوری شکل در مکان‌هایی که دارای آب بیشتری بوده و خلل و فرج بزرگ‌تری دارد، در سایزهای درشت‌تر تشکیل می‌شوند. بر این اساس، اطراف سنگدانه‌های درشت که آب بیشتری وجود دارد، ساختارهای بلوری شکل بزرگ‌تر تشکیل شده و مقاومت کاهش می‌یابد؛ اما با ادامه یافتن روند هیدراتاسیون سیمان، ساختارهای بلوری دیگری مانند C-S-H و نسل دوم اترینگات و هیدروکسید کلسیم ریزبلورتر تشکیل می‌شوند. این ساختارها خلل و فرج‌های موجود میان ساختارهای بلوری نسل اول را در ناحیه انتقال پوشش می‌دهند. به همین دلیل است که مقاومت بتن در ناحیه انتقال با افزایش سن بتن و بلوغ بتن افزایش پیدا می‌کند.

عوامل مؤثر بر مقاومت ناحیه انتقال

عاملی که باعث چسبندگی عناصر ناشی از هیدراتاسیون سیمان و سنگدانه بتن در ناحیه انتقال می‌شود، نیروی جاذبه واندروالسی است؛ درست همانند خمیر سیمان هیدراته شده. طبق تعریف نیروی جاذبه واندروالسی، در هر نقطه‌ که حفرات بزرگ‌تر و خلل و فرج بیشتر باشد، چسبندگی کاهش می‌یابد. برای همین است که نیروی جاذبه و چسبندگی در ناحیه انتقال کمتر است و ناحیه انتقال، ضعیف‌ترین نقطه در خمیر سیمان است. اما گاهی دیده شده میزان چسبندگی و مقاومت در ناحیه انتقال از خود توده خمیر سیمان و ملات بیشتر می‌شود. برای آنکه با عوامل مؤثر بر مقاومت ناحیه انتقال بیشتر آشنا شوید، در ادامه این مقاله همراه ما باشید.

کاهش فضاهای مویینه

کاهش فضاهای مویینه زمانی روی می‌دهد که ما در بتن از سنگدانه سیلیسی یا سنگدانه آهکی استفاده کنیم. در چنین مواقعی، خمیر سیمان با این سنگدانه‌ها واکنش داده و به این ترتیب در ناحیه انتقال، یک سری ساختارهای بلوری ایجاد می‌شود که خلل و فرج موجود در این ناحیه را می‌پوشاند. بنابر آنچه پیش از این گفته شد، سنگدانه سیلیسی در واکنش با خمیر سیمان، تولید ساختارهای بلوری سیلیکات کلسیم هیدراته و سنگدانه‌های آهکی تولید کربوآلومینات هیدراته می‌کنند. ادامه این واکنش‌ها طی مراحل هیدراتاسیون سیمان و تکمیل فرآیند عمل‌آوری، باعث می‌شود ناحیه انتقال از ساختارهای بلوری پر شده و مقاومت ناحیه انتقال افزایش یابد.

کاهش بلورهای هیدروکسید کلسیم

با تولید ساختارهای بلوری سیلیکات کلسیم هیدراته و کربوآلومینات هیدراته، مقدار بلور هیدروکسید کلسیم موجود در ناحیه انتقال کاهش یابد. بلورهای هیدروکسید کلسیم، بلورهای ضعیف با ساختار بلوری صفحه‌ای شکل بوده و به همین دلیل، دارای سطح جانبی کمی هستند. این موضوع باعث شده این بلورها از نیروی واندروالسی ضعیفی برخوردار باشند. از سوی دیگر بلورهای هیدروکسید کلسیم عمود بر سطح سنگدانه تشکیل می‌شوند که این مسأله استعداد ایجاد شکاف، شکست و ترک را در ناحیه انتقال افزایش می‌دهد. به همین دلیل کاهش مقدار این بلورها در ناحیه گذار باعث افزایش مقاومت می‌شود.

ریز ترک‌ها

علاوه بر فضاهای مویینه و ساختارهای بلوری که گفته شد، عامل دیگری که بر مقاومت ناحیه انتقال تأثیر دارد، وجود ریزترک‌ها در ناحیه انتقال است. توجه داشته باشید وجود ریز ترک‌ها در ناحیه انتقال به عوامل زیادی مانند اندازه و دانه‌بندی سنگدانه‌ها، مقدار سیمان، نسبت آب به سیمان، درجه تراکم بتن، سابقه حرارتی بتن، شرایط عمل‌آوری و… وابسته است. برای مثال اگر بتنی که متراکم می‌کنیم دارای دانه‌بندی مناسبی نباشد، اطراف سنگدانه‌های درشت، بخصوص زیر آن فیلمی ضخیم از آب تشکیل می‌شود. ایجاد این لایه ضخیم از آب به خاطر تمایل به جداشدگی و آب‌انداختگی مخلوط بتن تازه است. حال چنین تصور کنید در شرایط گفته شده، Dmax سنگدانه‌ها بیشتر باشد. این مسأله باعث افزایش بیشتر ضخامت فیلم آب اطراف سنگدانه خواهد شد.

با ضخیم‌تر شدن فیلم آب، ناحیه انتقال ضعیف و ضعیف‌تر شده و میزان حساسیت آن نسبت به تنش‌های کششی داخل بتن بیشتر می‌شود. این تنش‌ها که ناشی از تغییر مکان نسبی، جانبی میان خمیر سیمان و سنگدانه است، در مراحل سرد و سخت شدن بتن ایجاد می‌شود و باعث حساس‌تر شدن ناحیه انتقال می‌گردد. توجه داشته باشید در نهایت ضعف ناحیه انتقال و وجود تنش‌های کششی باعث ایجاد ترک می‌شود.

دقت داشته باشید این ریز ترک‌ها در صورت عدم دقت در زمان ساخت بتن و پیش از اینکه بتن بارگذاری شود، در ناحیه انتقال به وجود آمده است و پس از بارگذاری، تنها سایز آن‌ها بزرگ‌تر شده و بر تعداد آن‌ها افزوده می‌شود.

تأثیر ناحیه انتقال بر خواص بتن

ناحیه انتقال، ضعیف‌ترین حلقه در زنجیره بتن است. به عبارت دیگر، عامل محدود کننده مقاومت در بتن ناحیه انتقال است. همین موضوع باعث شده مقاومت بتن در زمان شکست، در تنشی پایین‌تر از مقاومت نهایی سیمان و سنگدانه قرار داشته باشد.

همان‌طور که گفته شد، تشکیل ریزترک‌های ناحیه انتقال در زمان ساخت بتن امری اجتناب‌ناپذیر است. از سوی دیگر برای گسترش تعداد و اندازه آن‌ها، نیاز به انرژی فشاری بالایی نیست. کسانی که در آزمایشگاه‌ها کار کرده‌اند، متوجه شده‌اند وقتی بتن نمونه زیر جک قرار می‌گیرد، در مقدار فشار 40 تا 70 درصدی مقاومت نهایی، مقدار تنش ثابت می‌شود، در حالی که جک همچنان در حال پایین آمدن است.

در واقع در این نقطه، ترک‌های موجود در ناحیه انتقال شروع به گسترش اندازه و تعداد کرده و بتن در حال کرنش است. این موضوع نشان می‌دهد بتن رفتار ارتجاعی ندارد، حال آنکه عناصر تشکیل‌دهنده بتن – یعنی خمیر سیمان (ملات) و سنگدانه – به تنهایی رفتار ارتجاعی دارند.

حال اگر تنش را به بیش از 70% مقاومت نهایی بتن افزایش دهیم، تمرکز تنش درون حفرات موجود در خمیر سیمان افزایش یافته و این حفره‌ها نیز تبدیل به ترک می‌شوند. با افزایش تنش، این ترک‌ها گسترش یافته و به سمت ترک‌های ناحیه انتقال رشد می‌کنند تا در نهایت به آن‌ها می‌پیوندند. زمان رسیدن این دو نوع ترک به هم، زمان شکست در بتن است که با نام نقطه شکست شناخته می‌شوند.

توجه داشته باشید ایجاد ترک‌ها در خمیر سیمان، در اثر تنش کششی بسیار کمتری نسبت به تنش فشاری اعمال شده به بتن ایجاد می‌شود. همین موضوع باعث شده خمیر سیمان دارای مقاومت کششی بسیار کمتری نسبت به مقاومت فشاری باشد.

بیشتر بخوانید: انواع ترک در بتن

نقش ناحیه انتقال در مدول ارتجاعی و سختی بتن

در مواد مرکب، هرقدر هم که سختی و مدول ارتجاعی عناصر سازنده بالا باشند، اگر پل ارتباطی این عناصر ضعیف باشد. مدول ارتجاعی کلی ماده مرکب پایین میاد. از آن‌جا که بتن نیز ماده‌ای مرکب است، وجود ناحیه انتقال به عنوان ناحیه ضعیف -به خاطر ریزترک‌ها و حفرات- مانع از انتقال مناسب تنش بین عناصر بتن می‌شود.

همین موضوع باعث شده تا مدول ارتجاعی و سختی بتن از مدول ارتجاعی و سختی عناصر سازنده آن کمتر باشد. همچنین این موضوع باعث شده تا در آتش‌سوزی‌ها شاهد کاهش سریع‌تر مدول ارتجاعی بتن نسبت به مقاومت فشاری آن باشیم.

تاثیر ناحیه انتقال بر دوام بتن

طبق یک رابطه کلی، نفوذپذیری با دوام رابطه عکس دارد؛ یعنی هر چه نفوذپذیری بتن بیشتر باشد، دوام بتن کمتر است. دلیل این موضوع امکان نفوذ بیشتر عوامل مخرب شیمیایی همراه با آب به درون عنصر متخلخل است. بنابراین، هر قدر ناحیه انتقال به خاطر خلل‌وفرجی که در آن وجود دارد ضعیف‌تر و نفوذپذیرتر باشد، دوام بتن کاهش می‌یابد. برای افزایش دوام، راهکارهای بسیاری وجود دارد که مهم‌ترین آن‌ها برای داشتن بتنی بادوام و آب‌بند به شرح زیر است.

• کاهش مقدار Dmax: کاهش Dmax باعث می‌شود تا مقدار سنگدانه‌های درشت کاهش یافته و به این ترتیب، ضخامت فیلم آب اطراف سنگدانه درشت کمتر شود.
• استفاده از مواد پوزولانی: استفاده از پوزولان‌ها باعث تشکیل C-S-H در ناحیه انتقال می‌شود. به این ترتیب، مقدار مقاومت در این ناحیه افزایش یافته و مقاوم‌تر از توده ملات می‌شود.

در نهایت باید بگوییم بهترین راه برای شناخت دقیق بتن و تحلیل رفتار آن، شناخت ساختار بتن آن است و برای شناخت ساختار بتن، بررسی ریزساختاری آن و کسب شناخت کافی نسبت به آن به شما کمک بسیاری می‌کند. خوشحال می‌شویم با قرار دادن نظرات خود در انتهای این مقاله، ما را در روند بهبود مقاله همراهی کنید.