آزمایش های نفوذپذیری بتن
آزمایش های نفوذپذیری بتن در برابر آب و گازهای مختلفو حتی برخی سیال های خاص دیگر انجام می شود.
آزمایش های نفوذپذیری در برابر آب
آزمایش های نفوذپذیری بتن در برابر آب از گذشته دوربراساس رابطه دارسی انجام می شده است. ارتش آمریکا و USBR آزمایش هایی را برای تعیین ضریب نفوذپذیری بتن در برابر آب ارائهکرده اند که بسیار مشکل است. در روش ارتش آمریکا (CRD-C48) فشار حدود 14 اتمسفر و در روش USBR4913 فشار 5/28 اتمسفر بکار می رود [25 و 26].در این آزمایشها مقدار k با بعد L/T بدست میآید. در هر پروژهمقدار حداکثر k مشخص میشود ولازم است بتن موردنظر این خواسته را برآورد کند.
بتن هایی که در حال حاضر برای پروژه های آبی ساخته میشود دارای نفوذپذیری پایینی است و عملا انجام این آزمایش و تعیین k بصورت مستقیم غیرممکن گشته است. بدین دلیلسعی شده است با اندازه گیری عمق نفوذ آب در این آزمایش و با استفاده از یک سریروابط تجربی بر اساس فرضیات مختلف، از عمق نفوذ مقدار k را بدست آورد که نتایج آن قابل اعتماد نمی باشد.
جدول 2-تقسیم بندی کیفیت نفوذناپذیری بتن بر اساس ضریب نفوذپذیری آب [27]
|
کیفیت نفوذناپذیری بتن |
خیلی ضعیف |
ضعیف |
متوسط |
خوب |
خیلی خوب |
عالی |
|
ضریب نفوذپذیری (m/s) |
بیشتر از 6-10 |
6-10 تا 7-10 |
7-10 تا 8-10 |
8-10 تا 9-10 |
9-10 تا 10-10 |
کمتر از 10-10 |
همچنین روش های درجا و آزمایشگاهی معروف دیگری نیزوجود دارند که به جای ارائه ضریب نفوذپذیری، شاخص های نفوذپذیری را بدست می دهند.از جمله این آزمایش ها می توان به آزمایش فیگ (Figg) و یا آزمایش Autoclam اشاره کرد. این آزمایش ها در ایران رایج نیست و ممکن است به ندرتدر کارهای تحقیقاتی استفاده شده باشد. به هرحال محققین بر اساس این آزمایش هامعیارها و طبقه بندی هایی را برای کیفیت بتن ارائه کرده اند.
آزمایش های نفوذپذیری در برابر گاز
آزمایش های نفوذپذیری با گاز به ویژه اکسیژن روش هایمختلفی دارد که معروف ترین آن مربوط به روش CemBureau (انجمن سیمان اروپا) می باشد که در RILEM و استاندارد ایتالیا (UNI) نیز آورده شده است [28 و 29].
در این روش، نمونه قرصی شکل بتنی در محفظهای با تیوبدورگیر تحت فشار قرار گرفته و در فشارهای مختلف اعمالی، دبی عبوری گاز بدست آمده وبا رابطه اصلاحشده دارسی برای سیال تراکم پذیر، ضریب نفوذپذیری محاسبه میگردد.نتیجه این روش آزمایش به درصد رطوبت نمونه بتنی بسیار وابسته می باشد. به همیندلیل، در روش پیشنهادی این آزمایش، دو رژیم نمونه کاملا خشک و با درصد رطوبت مشخص،پیشنهاد شده است [28و 29].
معیار میزان نفوذپذیری در برابر اکسیژن در مشخصات فنیداده می شود اما تلاش شده است بتن ها از این نظر تقسیم بندی شوند که در زیر دیدهمی شود.
جدول 3-تقسیم بندی کیفیت بتن بر اساس نفوذپذیری بتن در برابر اکسیژن به روش CemBureau (نمونه خشک) [30]
|
کیفیت |
عالی |
خیلی خوب |
متوسط |
ضعیف |
خیلی ضعیف |
|
ضریب نفوذپذیری (m2 16-10) |
کمتر از 1/0 |
5/0 – 1/0 |
5/2 – 5/0 |
5/12 – 5/2 |
بیشتر از 5/12 |
در منطقه خلیج فارس با توجه به آیین نامه پایایی بتن،برای شرایط D، E و F کیفیت عالی و برای B و C خیلی خوب و برای شرایط A حالت کیفی متوسط پیشنهاد می شود. هرچند ممکناست با بکارگیری چنین بتن هایی در عمل به نتیجه چندان خوبی هم دست نیافت.
آزمایش های نفوذپذیری در برابر یون کلرید (آزمایش هایانتشار یون کلرید)
کامل ترین راه برای تعیین ضریب انتشار یون کلرید دربتن طبق روش جدید ASTM C1556 [31] کهمشابه روش NTBuild 443 [32] است، میباشد. در این روش بتن سخت شده در محلول نمک طعام با غلظت معین قرار می گیرد و درسن موردنظر پس از خشک کردن آن، با تعیین یون کلرید در اعماق مختلف، با توجه بهقانون فیک (Fick) ضریب انتشاریون کلرید بدست می آید که بعد آن L2/T است.
برای بتن هر پروژه می توان ضریب انتشار خاصی را درنظرگرفت. بتن ها از این نظر به ویژه در شرایط رویارویی با یون کلرید تقسیم بندی میشوند که در زیر مشاهده می گردد.
جدول 4-تقسیم بندی نفوذپذیری بتن بر اساس ضریب انتشار یون کلرید [33]
|
طبقه بندی نفوذپذیری |
شدید |
متوسط |
کم |
ناچیز |
|
ضریب انتشار یون کلرید (m2/s×12-10) |
بیشتر از 5 |
1 تا 5 |
2/0 تا 1 |
کمتر از 2/0 |
|
ضریب انتشار یون کلرید (mm2/Year)* |
بیشتر از 15 |
3 تا 15 |
6/0 تا 3 |
کمتر از 6/0 |
* اعداد ذکر شده دقیقا با ردیف فوق یکسان نیست.
یکی از پارامترهای منحصربفردی که می توان به کمک آن وبهره گیری از اطلاعات و فرضیات دیگر در هر سنی غلظت یون کلرید پیش بینی نمود در هرعمقی به چه میزان است، ضریب انتشار یون کلر می باشد و بر این اساس زمان رسیدن غلظتیون کلرید در مجاورت میلگرد به حد آستانه تعیین می گردد که زمان شروع خوردگی رامشخص می کند [34].
معمولا از آنجا که تعیین این پارامتر دشوار است، سعیمی شود بجای آن، پارامترهای دیگری مشخص شود و جایگزین آن گردد در حالی که عملا نمیتوانند جای آن را بگیرند.
یکی از آزمایش های رایج AASHTOT259 است که سطح بتن در معرض محلول کلرید قرار میگیرد و مقدار یون کلرید در سنین خاص و در عمق های خاص اندازه گیری می شود و عمقنفوذ یون کلرید بدست می آید که به کمک آن می توان کیفیت بتن ها را در مقایسه بایکدیگر ارزیابی نمود و می توان بتن ها را نیز از این نظر طبقه بندی کرد. به هرحالنتیجه این آزمایش از جنس نفوذپذیری نیست اما نفوذپذیری را نشان می دهد [35].
روش دیگر برای تعیین نفوذ سریع یون کلرید (مهاجرت)توسط دستور NTBuild 492 [36] ارائهشده است که AASHTO T277 [37] روشمشابه آن را ارائه کرده است.
استاندارد ASTM C1202 روش را برای تعیین سریع نفوذپذیری کلرید در بتن سخت شده ارائه می دهد کهدر این روش در دو سمت یک قرص بتنی کاملا اشباع شده در خلا به قطر حدود 100 میلیمترو ضخامت 50 میلیمتر محلول های کلرید سدیم و سود سوزآور با غلظت معین قرار می گیردو جریان الکتریکی با اختلاف پتانسیل 60 ولت برقرار می شود و شدت جریان عبوری ازبتن اشباع بدست می آید و طی 6ساعت، مقدار جریان عبوری از بتن برحسب کولمب محاسبهمی گردد که نشانه مقاومت بتن در برابر این جریان است و به عبارتی به نوعی بهمقاومت الکتریکی مربوط می باشد. هرچه این جریان عبوری بیشتر باشد نشانه نفوذپذیریبیشتر بتن به ویژه در برابر یون کلرید است. طبقه بندی بتن ها را می توان طبق ASTM C1202 بصورت زیر دانست [38].
جدول 5-نفوذپذیری در برابر یون کلرید براساس میزان جریان عبوری
|
نفوذپذیری در برابر یون کلر |
زیاد |
متوسط |
کم |
خیلی کم |
ناچیز |
|
میزان جریان عبوری (کولومب) |
بیشتر از 4000 |
2000 تا 4000 |
1000 تا 2000 |
100 تا 1000 |
کمتر از 100 |
در آیین نامه پیشنهادی پایایی بتن در محیط خلیج فارسو دریای عمان (نشریه شماره ض428 مرکز تحقیقات ساختمان و مسکن) معیارهای زیر برایشرایط مختلف طبق روش ASTM C1202 ارائهشده است [34].
جدول 6-مقادیر مجاز میزان جریان عبوری در شرایط مختلف محیطی در آیین نامه پایایی
|
شرایط محیطی |
A |
B و C |
D، E و F |
|
میزان جریان عبوری (کولومب) |
حداکثر 3000 |
حداکثر 3000 |
حداکثر 2000 |
بهتر است در آینده با تجدید نظر در طبقه بندی موجودبرای برخی رده های مورد نظر مانند E یا F شرط سخت گیرانه تری مانند 1200 یا 1000کولومب منظور شود. در عوض برای شرایط محیطی A حداکثر 4000 کولومب نیز پذیرفته گردد.
به هرحال این آزمایش و نتایج آن محل تردید است. برخیمعتقدند که بهتر است اختلاف پتانسیل را کم کرده و مدت را متناسبا زیاد نمود تادمای بتن و محلول ها حین آزمایش بطور شدید بالا نرود و شرایط واقعی تری برقرارباشد [39].ظاهرا قرار است تغییری در یکی از محلول ها نیز در دستور کار قرار گیرد. به هرحالاین آزمایش طی یک روز منجر به اخذ نتیجه می شود و این امر بسیار مهم است.
آزمایش های عمق نفوذ آب
از آنجا که آزمایش های نفوذپذیری در برابر آب همراهبا چالش های فراوانی است، در برخی کشورهای اروپایی مانند آلمان آزمایش دیگری انجاممی شد که تحت فشار آب، در زمان معینی، عمق آب نفوذی در بتن بدست می آمد (DIN 1048-5) [40]. سپس در EN12390-8 با تغییرات مختصر، این آزمایش با سهولتبیشتر ارائه شد که در آن نمونه بتنی سه روز از سطح زیرین تحت فشار MPa 5/0 (5 بار) قرار می گیرد و سپس حداکثر عمقنفوذ آب بدست می آید که پارامتری در جهت ارزیابی نفوذ آب در بتن می باشد [41]. درمنابع مختلف طبقه بندی بتن ها در آزمایش DIN 1048 آمده است اما هنوز این طبقه بندی برای آزمایش براساس روش EN ارائه نشده است. پراکندگی نتایج آزمونه هایمختلف یک نوع بتن در این آزمایش زیاد است و چندان قابل اعتماد نمی باشد [33].
در آیین نامه پیشنهادی پایایی بتن در حاشیه خلیجفارس، معیارهای زیر برای شرایط مختلف محیطی حاکم ارائه شده است [34].
جدول 7-مقادیر مجاز عمق نفوذ آب در شرایط مختلف محیطی در آیین نامه پایایی
|
شرایط محیطی |
A |
B و C |
D، E و F |
|
عمق نفوذ آب در سن 28 روز (mm) |
حداکثر 50 |
حداکثر 30 |
حداکثر 10 |
دستیابی به حداکثر عمق نفوذ آب 10 میلیمتر عملا بسیارمشکل است و با ضوابط دیگر انطباق مناسبی ندارد و تجدیدنظر در معیار آن ضروری بهنظر می رسد. شاید حداکثر عمق نفوذ آب برای طبقه D را بتوان 20 میلیمتر و برای E و F حداکثر 10 یا 15میلیمتر منظور نمود.
به هرحال الزاما در شرایط واقعی، فشار تا این حد وجودندارد اما این آزمایش به نوعی تعیین کننده کیفیت بتن می باشد.
آزمایش های جذب آب
آزمایش های جذب آب به شکل های مختلفی وجود دارد کهمهم ترین آنها عبارتند از:
-جذب آب کوتاه مدت نیم ساعته (Early Water Absorption)
-جذب آب نهایی (بلند مدت) 2 روزه یا بیشتر در شرایط عادی یا جوشانده شده (Final Water Absorption)
-جذب آب سطحی اولیه ISAT (Initial Surface Water Absorption Test)
-جذب آب مویینه ( Capillary Water Absorption و Water Sorptivity)
هرکدام از این آزمایش ها یک ویژگی خاص از بتن را بهنمایش می گذارد و لازم است از هر آزمایش زمانی استفاده نمود که به واقعیت موجودشباهتی داشته باشد [42].
آزمایش جذب آب کوتاه مدت
در BS 1881 در سال های گذشته آزمونه مکعبی خشک 100میلی لیتری در آب غرق می شدو پس از یک ساعت درصد وزنی آب جذب شده بدست می آید که گزارش می شد. در BS 1881 part122 این آزمایش عمدتا برای قطعات بتنی پیش ساختهپس از مغزه گیری به قطر 75 میلیمتر انجام می شود که باید دارای طول معینی باشد ونمونه کاملا خشک شده در آون، غرقاب می شود و درصد جذب آب نیم ساعته بدست می آید [43]. اینآزمایش کیفیت سطحی بتن موردنظر را بدست می دهد.
در انگلیس کیفیت جداول بتنی و برخی قطعات پیش ساختهبا این آزمایش کنترل می شود. برای مثال جذب آب نیم ساعته یک جدول نباید از 2درصدبیشتر باشد [44].در آزمایش های جذب آب کوتاه مدت حساسیتی در مورد شکل و اندازه نمونه وجود دارد ونسبت سطح به حجم اهمیت پیدا می کند. در استاندارد BS1881 ضرایب تصحیح خاصی پیش بینی شده است تا درصورت تغییر قطر و طول نمونه نسبت به قطر و طول استاندارد، بتوان نتایج تصحیح شدهرا محاسبه نمود [43].
در توصیه های CIRIA برای مناطق عربی در حاشیه خلیج فارس و دریای سرخ و غیره، حداکثرجذب آب کوتاه مدت طبق BS 1881 را 2 درصد مطرحنموده است [45].
در آیین نامه پیشنهادی پایایی بتن در حاشیه خلیجفارس، معیارهای زیر برای شرایط مختلف محیطی حاکم با روش BS1881 part122 ارائه شده است [34].
جدول 8-مقادیر مجاز درصد جذب آب کوتاه مدت در شرایط مختلف محیطی در آیین نامه پایایی
|
شرایط محیطی |
A |
B و C |
D، E و F |
|
درصد جذب آب (%) |
حداکثر 4 |
حداکثر 3 |
حداکثر 2 |
به نظر می رسد لازم است با تجدید نظر در مورد شرایط E و F مقدار حداکثر جذب آب نیم ساعته را به 5/1درصد محدود کرد.
آزمایش جذب آب نهایی
هرچند در آزمایش جذب آب کوتاه مدت قدیمی و جدید BS 1881 می توان با تداوم آزمایش تا رسیدن به وزنثابت، جذب آب نهایی را بدست آورد و حتی با جوشاندن آن در آب به جذب آب نهاییبیشتری دست یافت، اما در این دستور چنین پیش بینی هایی صورت نگرفته است.
در ASTM C642 مقدار جذب آب نهایی بدست می آید و می توان چگالی و تخلخل را نیزبدست آورد، حتی جوشاندن نمونه در آب نیز پیش بینی شده است. در این استاندارد درمورد شکل و اندازه نمونه حساسیتی وجود ندارد اما حداقل جرم و حجم مشخص شده استزیرا به موضوع جذب آب نهایی پرداخته است. این آزمایش عمدتا برای قطعات پیش ساختهبکار می رود [46].
در استاندارد EN 1340 جذب آب نهایی قطعات پیش ساخته ای مانند جداول بتنی به چشم می خوردکه حداقل برای حجم یا جرم نمونه مطرح شده است [7]. دراستانداردهایی همچون ASTM C497، مقدار جذب آبلوله های بتنی بدست می آید که دو روش A و B با توجه به نحوه خشک کردن و زمان جوشاندننمونه در آب دارد [47].
برای مثال در برخی استانداردهای قطعات پیش ساخته در ASTM C76 مانند لوله های بتن مسلح آب و فاضلاب،حداکثر جذب آب نهایی طبق ASTM C497 به میزان 9درصد برای روش A و 5/8درصد برای روش B مطرح شده است [48] و از ایننظر می توان معیار و طبقه بندی برای کیفیت دوامی بتن ارائه نمود، بویژه اگر قطعهبتنی بصورت غرقاب باشد و آب همواره در مجاورت آن حضور داشته باشد. در استانداردلوله های بتنی آب و فاضلاب ایران به شماره 8906 از چنین مشخصاتی استفاده شده است [49].
در استاندارد EN 1340 در مواردی که شرایط یخبندان و آب شدگی حادی در برابر نمک های یخزدا وجود ندارد. حداکثر جذب آب نهایی 6 درصد برای جداول بتنی پیش ساخته ارائه شدهاست [7].
به نظر می رسد برای بتن های با دوام، حداکثر جذب آبنهایی بتن بهتر است به 6 درصد و برای حالت جوشانده شده به 5/5 درصد محدود شود.برای مناطق حاشیه خلیج فارس بتن های موردنظر در شرایط محیطی طبقه بندی شده در آییننامه پایایی بتن پیشنهادی، مقدار جذب آب نهایی زیر توسط اینجانب پیشنهاد می شود.
جدول 9-مقادیر مجاز درصد جذب آب کوتاه مدت در شرایط مختلف محیطی در آیین نامه پایایی
|
شرایط محیطی |
A |
B و C |
D |
E و F |
|
حداکثر درصد جذب آب نهایی (%) |
6 |
5 |
4 |
5/3 |
|
حداکثر جذب آب نهایی جوشانده (%) |
7 |
5/5 |
5/4 |
4 |
در برخی مشخصات استاندارد قطعاتی مانند بلوک سیمانی وموزاییک و آجرهای سیمانی به جذب آب نهایی پرداخته شده است [50، 51 و 52].