آزمایش های SEM، دو الگوی متمایز از هیدراسیون سیمان را که ممکن است به طور همزمان در دانه های مختلف سیمان موجود در نزدیکی یکدیگر در یک بتن اتفاق بیفتد، نشان می دهند که این امر منجر به اثرات متفاوتی بر روی ساختارهای حفره ای می گردد.
به خوبی مشخص شده است که دانه های بزرگتر سیمان تمایل دارند که از مرزهای بیرونی خود به سمت داخل هیدراته شوند که این پدیده منجر به شکل گیری «محصولات داخلی» هیدراسیون بتن نسبتا متراکم می گردد. این محصولات داخلی کاملا مشخص هستند، زیر آنها در داخل فضای مشخص شده توسط مرزهای اولیه دانه های سیمان تولید می شوند و فهرست نام های آنها قبلا توسط تاپلین پیشنهاد شده است. محصولات داخلی در درجه اول C-S-H می باشند. این محصولات به سادگی در آزمایش های SEM پس پراکنش قابل تشخیص می باشند و در ابتدا به صورت لایه های نازک خاکستری رنگی به دور هسته های متشکل از دانه های سیمان باقیمانده به رنگ سفید، به نظر می رسند. با ادامه یافتن هیدراسیون، این لایه های نازک بعضا به صورت نامنظم در پاسخ به آرایش داخلی متغیر اجزاء مختلف سیمان در داخل یک دانه سیمان بخصوص، ضخیم تر شده و به سمت داخل پیشروی می کنند. هسته های سیمان هیدراته نشده باقیمانده به طور همزمان منقبض می شوند. در برخی دانه های سیمان، این هسته ها ممکن است سرانجام به طور کامل ناپدید شوند، مگر در مورد خرده های کوچک به رنگ روشن C4AF موجود در داخل آنها که میل به مقاومت در برابر هیدراسیون داشته و ممکن است تا مدت نامحدود باقی بمانند. در داخل یک بتن، دیگر هسته های سیمانی باقیمانده ممکن است تا مدت نامحدودی باقی بمانند خصوصا در نواحی موضی که دارای میزان بالای دانه های سیمان می باشند.
کیورینگ و هیدراسیون بتن
نمونه ای از یک SEM پس پراکنش که نشان دهنده این مشخصات می باشد، در شکل 2-3 ارائه شده است. شکل 2-3 از یک ناحیه موضعی نسبتا متخلخل از خمیری با w:c برابر 30/0 از سیمان پرتلند با مدت زمان هیدراسیون بیش از سه ماه تحت شرایط نفوذناپذیر، پرفته شده است. نمونه هایی از یک پوسته هیدراسیون محصول داخلی، یک هسته سیمانی هیدراته نشده باقیمانده و یک دانه سیمان کاملا هیدراته شده توسط پیکان هایی مشخص شده اند. باید دقت شود که «دانه سیمان کاملا هیدراته شده» تنها بر روی صفحه مشاهده، کاملا هیدراته می باشد در حالی که ممکن است یک هسته باقیمانده در بالا یا پایین صفحه داشته باشد. در شکل 2-3 حدود 12 مورد از هسته ها و پوسته های هیدراسیون محصول داخلی به دور آنها که به رنگ خاکستری هستند، و نیز تعدادی از دانه های سیمان کاملا هیدراته شده بدون هسته ها، قابل مشاهده می باشند. این مشخصات چگونه بر بررسی های ساختارهای حفره ای اثر می گذارند؟
شکل 2-3- تصویر میکروسکوپ الکترونی رویشی (SEM) پس پراکنش از ناحیه ای در خمیر سیمان با نسبت آب به سیمان 30/0، که نشان دهنده محصولات داخلی ژل هیدراته شده دانه های درشت سیمان و احاطه شدن آن توسط توده های متخلخل می باشد.
اغلب دانه های اولیه سیمان پرتلند معمولا دانه های کلینکر غیر متخلخل هستند که در درجه اول از سیلیکات های کلسیم و آلومینات ها تشکیل شده اند. هیدراسیون در داخل مرزهای اولیه دانه های سیمان -یعنی تبدیل موضعی اجزاء سیمان به C-S-H هیدراته شده در داخل دانه ها- ضرورتا نیازمند نفوذ آب به داخل آنها می باشد. این پدیده همچنین مستلزم گسترش فضای داخلی به منظور جای دادن محصول
C-S-H می باشد که تراکم آن از اجزاء سیمانی که این محصول از آن تولید شده است، بسیار کمتر می باشد. این فضا باید از طریق حل و حذف بخشی از ماده سیمان در داخل ناحیه ای صورت گیرد که تبدیل به پوسته محصول داخلی می شود.
اجزاء سیمان حل و حذف شده از داخل این ناحیه هیدراته، به صورت محصولات هیدراسیون در جای دیگری جدا می شوند که اغلب (احتمالا و نه کاملا) در فضای پر از آب مجاور می باشد. این رسوبات، «محصولات خارجی» هیدراسیون را تشکیل می دهند، به این صورت که توده ای از ذرات با اندازه کوچکتر را ایجاد می نمایند که این ذرات دانه های بزرگتر سیمان را احاطه کرده و فضای میان آنها را که قبلا توسط آب پر شده بوده، اشغال می نمایند. این محصولات خارجی در شکل 2-3 به صورت ذرات کوچکی با شکل های متغیر و به رنگ خاکستری قابل مشاهده می باشند. این محصولات اغلب شامل C-S-H می باشند اما معمولا مقدار قابل ملاحظه ای از هیدروکسید کلسیم و مقداری اترینگایت و مونوسولفات را نیز در بر دارند.
در شکل 2-3 مشاهده می شود که نواحی توده ذرات به طور کامل از ذرات جامد ته نشین شده پر نمی باشند؛ یعنی حفرات مجزای سیاه رنگ بسیاری که از اپوکسی پر شده اند و دارای ابعادی در حد چند mµ می باشند نیز قابل تشخیص هستند. رنگ سیاه بخش عمده ای از ناحیه توده ذرات، نشان دهنده وجود تعداد بیشماری از فضاهای حفره ای با اندازه کوچکتر از mµ می باشد.
میزان پر شدن فضای توده ذرات با رسوبات محصول خارجی تا حد زیادی به نسبت w:c، که کنترل کننده مقدار فضاهای خالی است که باید پر شوند، و نیز پیشرفت هیدراسیون بستگی دارد. در بتن های با w:c پایین، انتظار می رود که چنین رسوباتی سرانجام فضاهای خالی را تقریبا پر نمایند. عکس این حالت برای بتن های با w:c بالا این انتظار صحیح وجود دارد که نواحی عریض تر توده ذرات احاطه کننده دانه های بزرگ سیمان، همواره فضای حفره ای قابل ملاحظه ای را با اندازه های بزرگ حفظ نمایند.
شکل 2-3 با بزرگنمایی نسبتا کمی تهیه شده است به گونه ای که ناحیه به حد کافی بزرگی را برای ارائه ویژگی های مختلف موجود نشان دهد. یکی از جزئیاتی که در شکل 2-3 قابل مشاهده نمی باشد آن است که محیط های پیرامونی دانه های محصول داخلی و برخی ذرات در داخل توده دارای برآمدگی های خار مانند می باشند.
این برآمدگی ها در تضویر الکترونی ثانویه از سطوح شکسته در روزهای اولیه آزمایش های SEM، به عنوان ذرات C-S-H نوع I ثبت گردید. این برآمدگی ها در SEM پس پراکنش قابل مشاهده می باشند اما برای مشخص نمودن آنها نیاز به وضوح تصویر بیشتری نسبت به حالت عادی می باشد.
مطالب مرتبط با این مقاله را در این بخش از کلینیک بتن ایران دنبال نمایید
هیدراتاسیون و کیورینگ بتن
نرخ هیدراسیون بتن به چه چیزی بستگی دارد؟
شکل 2-4 با استفاده از SEM پس پراکنش با انتشار میدانی در ولتاژ پایین تهیه شده است و بنابرای وضوح آن بیشتر از حالت عادی می باشد. این نمونه از خمیری با نسبت w:c برابر 40/0 با مدت هیدراسیون 28 روزه تهیه شده است. در شکل 2-4، 'A' نشان دهنده هسته هیدراته نشده، 'B' محصول داخلی هیدراسیون، 'C' توده ذرات شامل محصولات خارجی هیدراسیون و فضای اشغال نشده باقیمانده، و 'D' رسوب مونوسولفات در داخل توده ذرات می باشد. در اینجا مشاهده می شود که مثلا در شکل 2-3 با وضوح بالا، محصول داخلی تا آن اندازه که به نظر می رسد، یکنواخت نمی باشد. ساختار «برآمده» در اطراف مرز محصول داخلی چندان واضح نمی باشد، در حالی که در داخل توده ذرات، به وضوح قابل مشاهده می باشد. عمده فضای حفره ای در توده ذرات نگه داشته می شود؛ یعنی در داخل ناحیه کوچک نشان داده شده، یک حفره به اندازه حدود mµ5 (شامل یک رسوب برآمده C-S-H در داخل آن)، چهار یا پنج حفره متمایز با اندازه حدود mµ5/0 و تعداد بیشماری از فضاهای کوچکتر با وضوح نامطلوب وجود دارند. وضوح شکل 2-4 برای اشاره به وجود تخلخل داخلی با تقسیمات کوچک در داخل محصول داخلی کافی است اما برای شناسایی حفرات کافی نمی باشد.
شکل 2-4- تصویر پس پراکنش FE-SEM از یک نمونه خمیر سیمان هیدراته (hcp) که نشان دهنده ناحیه ای در اطراف یک دانه سیمان هیدراته شونده می باشد. 'A' هسته هیدراته باقیمانده، 'B' محصولات داخلی، 'C' توده احاطه کننده، و 'D' رسوب مونوسولفات در داخل توده می باشد.
نتایج آزمایش های TEM که توسط ریچاردسون گزارش شده است نشان می دهد که چنین محصولات داخلی عموما در بردارنده حفرات بسیار ریزی با قطرهای در ابعاد nm10 می باشند. چنین حفراتی بسیار کوچک تر از آن هستند که در آزمایش SEM پس پراکنش قابل تشخیص باشند.
بنابراین حداقل دو خانواده از حفرات با منشا متفاوت وجود دارند: حفرات با اندازه متغیر از چند mµ به پایین در داخل توده ذرات و حفرات بسیار ریز (حدود nm10) در داخل محصول داخلی. نوع اول ضرورتا در حرکت آب و یون ها در داخل خمیر نقش دارد و نوع دوم تقریبا به طور قطع نقشی ندارد.
اکنون مجموعه دیگری از پیچیدگی ها باید مورد بررسی قرار گیرد. در مقابل الگوی هیدراسیون «محصول داخلی» که در بالا نشان داده شده و توصیف گردید، الگوی هیدراسیون موضعی کاملا متفاوتی برای بسیاری از دانه های کوچکتر سیمان اتفاق می افتد. مرز تفکیک عموما در حدود mµ15 می باشد.
با این دانه های کوچکتر سیمان، پوسته نازکی از محصول هیدراسیون به سرعت به دور دانه ها رسوب می نماید، اما این پوسته به تدریج ضخیم تر نمی شود. در عوض، هسته داخل آن بر اثر حل شدن تدریجی توخالی می شود.
نتیجه حاصل بارت است از تولید «دانه های پوسته ای توخالی» که به طور جزئی یا کامل خالی شده اند و «دانه های هدلی» نام دارند. این پوسته های توخالی، گروهی از حفرات موجود در خمیر سیمان را در بر می گیرند که برای پاورز و براون یارد شناخته شده نبودند.
شکل 2-5- تصویر SEM الکترونی ثانویه از دانه پوسته ای توخالی در سنین اولیه. پوسته در زمان آماده سازی نمونه با سطح شکسته عمدا شکسته شده است.
ساختار درونی این حفرات توخالی را می توان به بهترین صورت در تصاویر الکترونی ثانویه سطوح شکسته که دارای بزرگنمایی بالایی هستند، به تصویر کشید، مانند شکل 2-5 که سالها پیش توسط د.و.هدلی تهیه شده است. این پوسته توخالی را در بتن های شبه اصلی نشان می دهد. نمونه مورد نظر، بتنی با w:c برابر 45/0 مخلوط شده در آزمایشگاه می باشد که به مدت سه روز هیدراته شده است. ناحیه تصویر برداری شده نسبتا متخلخل بوده است.
برخی پیکان های سفید به دانه هایی اشاره می کنند که در فرآیند توخالی شدن قرار داشته و برخی دیگر به دانه های غالبا ریزتری اشاره می کنند که کاملا توخالی شده اند.
این فضاهای خالی موجود در پوسته های توخالی، گروهی از حفرات با اندازه قابل توجه را تشکیل می دهند که دارای اندازه هایی تا حدود mµ15 می باشند. در عین حال که پوسته های احاطه کننده آنها از انتقال سیال و یون ها میان این فضاها ممانعت می کنند، این پوسته ها باید «تراوا» فرض شوند چرا که امکان انتقال اجزاء محلول سیمان را به فضای اطراف حین فرآیند توخالی شدن، فراهم می کنند. دو حالت هیدراسیون یعنی «محصول داخلی» و «پوسته توخالی» ضرورتا به طور کمل و متقابل ناسازگار نیستند. در حقیقت، اسکریونر توجه نمود که در داخل دانه های بزرگ در حال هیدراته شدن در حالت محصول داخلی، یک حلقه پر از محلول با ضخامت قابل ملاحظه، لایه پیشرونده محصول داخلی هیدراته را از هسته جامد پس رونده، جدا می نماید.
حفرات پوسته ای توخالی، محدود به خمیرهای سیمان و بتن های شبه اصلی نمی باشند. چنانکه توسط کیلسن و هلسینگ اتلسی مشخص شده است، پوسته های توخالی به اندازه چند mµ در بتن های توانمند شامل میکروسیلیس، قابل توجه بوده و نیز تنها فضای حفره ای قابل مشاهده در ریزساختارها به غیر از ریزساختارهای بسیار متراکم می باشند.
حالت غیرعادی دیگری در ارتباط با حفرات پوسته ای توخالی آن است که برخی از آنها را می توان تنها به عنوان حفرات موقت مورد توجه قرار داد. تشکیل رسوب C-S-H ممکن است در نهایت برخی از آنها را پر کند و چنانکه توسط کیلسن و هلسینگ اتلسی نشان داده دشه است، برخی پوسته های توخالی ممکن است سرانجام با رسوبات CH پر شوند.
شکل 2-6- تصویر SEM الکترونی ثانویه از ناحیه ای متخلخل از بتن 3 روزه با نسبت آب به سیمان 45/0 که نشان دهنده پخش موضعی دانه های پوسته ای توخالی می باشد.
شکل 2-7- تصویر SEM الکترونی ثانویه که نشان دهنده ناحیه توده ای نسبتا متراکم در یک بتن 28 روزه و نسبت آب به سیمان 45/0 می باشد. دانه های پوسته ای توخالی کوچک و حفرات دیگر هنوز قابل مشاهده می باشند.
شکل 2-6 از یک ناحیه موضعی نسبتا متخلخل تهیه شده است تا نمایش مشخصات ریخت شناسی فضاهای حفره ای را تسهیل نماید خمیرهای سیمان در بتن های شبه اصلی، اغلب شامل چنین نواحی باز متخلخلی هستند، اما ممکن است نواحی نسبتا متراکم را نیز شامل شوند. نمونه ای که در شکل 2-7 نشان داده شده است، مربوط به بتنی با w:c برابر 45/0 مخلوط شده در آزمایشگاه با سن 25 روز می باشد. توده ذرات هنوز کاملا متخلخل است و دانه های پوسته ای توخالی را هنوز می توان تفکیک نمود، اما پر شدن کلی ناحیه داخلی با محصولات هیدراسیون، اندازه حفرات و مقدار آنها را به صورت قابل ملاحظه ای کاهش داده است. این فرآیند تا ادامه یافتن هیدراسیون، تداوم می یابد. بتن هایی که با تداوم حضور آب امکان هیدراته شدن مداوم را دارند، ممکن است ساختارهای توده ای بسیار متراکمی را حداقل در برخی نواحی با کاهش هرچه بیشتر تخلخل، از خود نشان دهند. عبارت کلیدی در جمله قبل عبارت است از نواحی مجاور که دارای حفرات باز نسبتا بزرگ و دانه های پوسته ای توخالی می باشند، مرزبندی و تفکیک شوند. این ساختار نامنظم «وصله ای» در مقالات بعدی کلینیک بتن ایران مورد بررسی قرار خواهد گرفت.
نویسنده : کلینیک بتن ایران