واکنش مخرب سیلیس قلیایی در بتن
واکنش سیلیس قلیایی در بتن یک واکنش داخلی می‌باشد که برای سلامت آن بسیار مضر است. این واکنش بین سیلیس فعال و واکنش‌پذیر برخی سنگدانه‌ها و مواد قلیایی موجود در سیمان رخ می‌دهد. در نتیجه این واکنش بتن منبسط می‌شود و ترک می‌خورد. این واکنش که به سرطان بتن نیز شهرت دارد می‌تواند تاثیرات بسیار مخربی از خود برجای بگذارد.
واکنش سیلیس قلیایی در بتن چگونه رخ می‌دهد؟
از عمده‌ترین مشکلات در رابطه با دوام بتن که به طرز قابل‌توجهی موجب کاهش طول عمر بتن می‌شود واکنش بین سیلیس قلیایی برخی از سنگدانه‌ها که فعال و واکنش‌پذیر هستند و قلیایی‌های سیمان است. این واکنش باعث تولید ژلی آب‌دوست می‌شود که در میان فضاهای خالی حرکت می‌کند و رطوبت بتن را به خود می‌کشد.
طی گذشت زمان حجم این ژل با جذب رطوبت افزایش می‌یابد و موجب فشار به دیواره‌های داخلی بتن و در نتیجه موجب ترک خوردن بتن می‌شود. وجود این ترک‌ها موجب تضعیف داخلی بتن می‌شود و نهایتا می‌تواند بر روی خواص مکانیکی بتن تاثیرات به‌سزایی به جا بگذارد.
مکانیسم واکنش
با توجه به نام واکنش، می‌توان نتیجه گرفت که این واکنش بین سیلیس فعال و قلیایی سیمان رخ می‌دهد؛ اما این تعریف یک ساده‌سازی از این واکنش است. در حقیقت زنجیره‌ای از واکنش‌ها است که در نهایت موجب واکنش قلیایی‌ها با سیلیس فعال می‌شوند. در ابتدا سیلیس‌ها فعال نیستند. اما با حمله یون‌های هیدروکسید موجود در رطوبت منافذ، آنها خود را به اکسیژن‌های سیلیس می‌چسبانند.
این واکنش موجب می‌شود که اتصالات بین اتم‌های سیلیس از هم بپاشند و یون هیدروکسید به راحتی وارد ساختار شود. معمولا در سیلیسی که دارای ساختار منظم و کریستالی است پس از واکنش یون هیدروکسید با اتم‌های اکسیژن انتهایی، شبکه سیلیس از هم نمی‌پاشد و پس از مدتی که اکثر اتم‌های اکسیژن انتهایی مصرف شدند واکنش متوقف می‌شود. برخلاف آن در سیلیس فعال با رخداد این واکنش یون هیدروکسید و اکسیژن شاهد فروپاشی ساختار سیلیس هستیم.
با فروپاشی ساختار سیلیس بار منفی در آن ایجاد می‌شود که pH آن را افزایش می‌دهد. این بار منفی با نفوذ کاتیون‌های قلیایی به داخل ساختار خنثی می‌شود و حاصل نهایی ژلی است که باعث تغییرات در ساختار مکانیکی بتن می‌شود.
واکنش سیلیس قلیایی در بتن چه ریسک‌هایی را ایجاد می‌کند؟
واکنش سیلیسی-قلیایی باعث تولید ژلی آب‌دوست شده می‌شود که رطوبت بتن را به خود جذب می‌کند. در نتیجه جذب رطوبت، حجم ژل افزایش می‌یابد و به دیواره‌های داخلی بتن فشار می‌آورد و با حرکت در میان فضاهای خالی بتن و حجم گرفتن باعث می‌شود بتن ترک بخورد. ایجاد ترک بعد از سفت شدن بتن باعث تضعیف داخلی آن می‌شود و یکپارچکی بتن از دست می‌رود. این واکنش خواص مکانیکی بتن را دستخوش تغییراتی می‌کند که در ادامه به آنها می‌پردازیم.
مقاومت فشاری و الاستیسیته
تولید ژل واکنش سیلیسی-قلیایی و ترک خوردن بتن با پیشروی این ژل باعث ایجاد تغییراتی در مقاومت فشاری و مدول الاستیسیته بتن می‌شود. طی مطالعه‌ای با استفاده از نمونه‌های مکعبی ۲۵ میلی‌متری بتن که دارای شرایط واکنش سیلیسی-قلیایی بودند، با بررسی شش ماهه اثرات این واکنش بر مکعب‌ها ثابت کردند که این واکنش موجب کاهش مقاومت فشاری بتن می‌شود.
از مهم‌ترین فاکتورهای مقدار کاهش مقاومت فشاری بتن در طی واکنش سیلیسی-قلیایی، درجه واکنش‌پذیری سنگدانه‌های آن است. هرچه سنگدانه‌ها واکنش‌پذیرتر باشند مقدار کاهش نیز بیشتر است. این درحالی است که سنگدانه‌های غیرواکنش‌پذیر خاصیتی معکوس دارند و مقدار مقاومت فشاری و مدول الاستیسیته را همواره بیشتر می‌کنند.
مقاومت خمشی و کششی
مانند خاصیت مقاومت فشاری و مدول الاستیسیته، مقاومت خمشی و کششی بتن از مشخصات مکانیکی بسیار مهم و کاربردی آن است. بنابراین ارزیابی تاثیر واکنش سیلیسی-قلیایی و ژل تولیدی بر روی این دو فاکتور اهمیت بسیار دارد.
در مطالعه‌ای که در سال ۲۰۱۶ انجام شد مقاومت خمشی بتن در نمونه‌های ملاتی با عملکرد بالا مورد آزمایش قرار گرفت و این خاصیت طی تغییرات در مقدار قلیایی سیمان مورد بررسی قرار گرفت. نتایج این مطالعه نشان‌دهنده این بوده که مقدار قلیایی سیمان با شدت واکنش سیلیسی-قلیایی رابطه مستقیم دارد و واکنش سیلیسی-قلیایی مقدار مقاومت خمشی نمونه‌ها را کاهش می‌دهد.
اثر واکنش سیلیسی-قلیایی بر مقاومت کششی بتن مشابه مقاومت خمشی آن است. با پیشرفت این واکنش مقدار مقاومت کششی نیز کاهش می‌یابد. افت مقاومت کششی بتن در مواجهه با پیشروی ژل تولیدی واکنش سیلیسی-قلیایی بسیار چشم‌گیرتر از کاهش مقاومت خمشی است.
چطور از بروز واکنش سیلیس قلیایی در بتن جلوگیری کنیم؟
واکنش سیلیس قلیایی در بتن به سه عامل سیلیس فعال، قلیایی و رطوبت کافی نیاز دارد. حذف هرکدام از آنها موجب رخ ندادن این واکنش می‌شود. حذف رطوبت ممکن نیست و باید یکی از دو عامل قلیایی و یا سیلیس را تغییر داد. بهترین و مطمئن‌ترین راهکار استفاده از سنگدانه‌های واکنش‌ناپذیر است. اما این عمل به دلایلی مثل دسترسی سخت به سنگدانه غیر واکنش‌زا و نبود آزمایشی قابل اعتماد برای اثبات واکنش‌زا نبودن سنگدانه تقریبا غیرممکن است.
کنترل میزان قلیایی سیمان تنها راه‌حل باقی‌مانده است. استانداردها مقدار مجاز قلیایی سیمان را ۶/۰ مشخص کرده‌اند. به این سیمان‌ها، سیمان‌های کم‌قلیا می‌گویند. هرچند با وجود استفاده از سیمان کم‌قلیایی ممکن است مجددا به مشکل تولید ژل واکنش بخورید.
در نهایت برای حل این مشکل دو راه‌حل وجود دارد:
- مکمل‌های سیمانی
- ترکیبات نمک لیتیمی
جلوگیری از سرطان بتن با مواد مکمل سیمان
مواد مکمل سیمانی گوناگون با مقادیر جایگزینی متفاوتی مورد آزمایش قرار گرفته‌اند و نتایج مطلوبی از آنها حاصل شده است. مطالعات نشان داده‌اند که این مواد با وجود داشتن مواد قلیایی حتی بیشتر از سیمان، در مقادیر مناسب عملکرد خوبی در سرکوب واکنش قلیایی-سیلیسی دارند. مواد قلیایی مکمل‌های سیمان در واکنش سیلیسی-قلیایی سیمان و سنگدانه‌ها شرکت نمی‌کنند. دلیل عدم مشارکت این مواد در واکنش با وجود مطالعات بسیاری که روی آن صورت گرفته است هنوز در پرده ابهام می‌باشد؛ هرچند گمان می‌رود این اتفاق به دلیل استفاده این مواد از یون‌های هیدروکسید سیمان و تولید ژل ثانویه‌ای رخ می‌دهد. این واکنش یون‌ها را مصرف می‌کند و دیگر یون هیدروکسید برای واکنش با سیلیس باقی نمی‌گذارد.
از دیگر راه‌های کنترل این واکنش استفاده از موادی مثل نمک لیتیم است. با توجه به تحقیقات و مطالعات انجام شده روی واکنش سیلیسی-قلیایی، ترکیبات لیتیمی تاثیر بسزایی در سرکوب این واکنش دارند. در میان این ترکیبات لیتیم نیترات بیشترین اثربخشی را از خود نشان داده است.
بتن باکیفیت را از مجموعه‌های معتبر خریداری کنید
گذشت زمان و سپری شدن عمر بتن ممکن است با واکنش سیلیسی-قلیایی همراه باشد و باعث ایجاد ژلی آب‌دوست شود که با کشیدن رطوبت بتن حجم آن افزایش می‌یابد و به دیوار‌های داخلی بتن فشار وارد می‌کند. درنتیجه این فشار ترک‌هایی در بتن ایجاد می‌شوند که یکپارچگی ساختار آنرا از بین می‌برند و مقاومت فشاری و مدول الاستیسیته آن را کاهش می‌دهند. همچنین باعث افت مقاومت خمشی و کششی بتن می‌شوند.
مجموعه ستوده بتن با کادری مجرب و به‌کارگیری تجهیزات و ماشین‌آلات تخصصی از معتبرترین مجموعه‌های تولید بتن آماده در کشور است. متخصصین ما با دانش و تخصص بالا در زمینه تولید بتن و جلوگیری از ریسک‌های احتمالی مانند واکنش سیلیسی-قلیایی که در بتن رخ می‌دهد، همواره در حال خدمت‌رسانی به مشتریان هستند.
سوالات متدوال
سرطان بتن چیست؟
طی گذر زمان درصورتی‌که برای پیشگیری اقدامی نشده باشد، بتن با واکنش سنگریزه‌های حاوی سیلیس فعال و قلیایی‌های داخل سیمان مواجه می‌شود که ژلی آب‌دوست تولید می‌کنند. این ژل موجب ترک خوردن سیمان و کاهش مقاومت آن می‌شود که به آن سرطان بتن نیز می‌گویند.
واکنش سیلیسی-قلیایی چه عواقبی دارد؟
ژل تولیدی از واکنش-سیلیسی موجب فشار به دیواره داخلی بتن و ترک خوردن آن می‌شود. در نتیجه خواص مکانیکی آن تغییر پیدا می‌کند و مقاومت فشاری، مدول الاستیسیته، مقاومت خمشی و کششی بتن کاهش می‌یابد.
از چه موادی برای جلوگیری از واکنش سیلیسی-قلیایی یا سرطان بتن استفاده می‌شود؟
برای جلوگیری از بروز واکنش سیلیسی-قلیایی می‌توان از مکمل‌های سیمانی و یا ترکیبات نمک لیتیمی استفاده کرد.