واکنش قلیایی سنگدانه ها (Alkali Aggregate Reactions – AAR) یکی از پدیده های مخرب در بتن است که به مرور زمان می تواند باعث کاهش دوام و ایجاد ترک در سازه های بتنی شود. این واکنش زمانی اتفاق می افتد که سنگدانه های موجود در بتن با هیدروکسیدهای قلیایی (نظیر سدیم و پتاسیم) که از سیمان یا منابع دیگر وارد بتن شده اند، وارد واکنش شیمیایی می شوند. حاصل این واکنش، تشکیل ژلی است که خاصیت جذب آب دارد. در شرایطی که رطوبت کافی وجود داشته باشد، این ژل آب را به خود جذب کرده و متورم می شود؛ در نتیجه، فشار داخلی در بتن ایجاد شده و به تدریج باعث بروز ترک و آسیب در ساختار آن می گردد.
واکنش قلیایی سنگدانه ها به طور کلی به دو نوع اصلی تقسیم می شود:
واکنش قلیایی-سیلیسی (Alkali-Silica Reaction – ASR): این نوع واکنش رایج ترین شکل AAR است و زمانی رخ می دهد که سنگدانه های دارای ترکیبات مختلف سیلیسی (مانند اپال، تریپولیت و برخی چرت ها) با قلیاهای موجود در بتن واکنش می دهند. از آن جایی که سنگدانه های سیلیسی در بسیاری از مناطق زمین شناسی فراوان هستند، ASR معمول ترین نوع واکنش قلیایی محسوب می شود.
واکنش قلیایی-کربناتی (Alkali-Carbonate Reaction – ACR): این نوع واکنش به مراتب نادرتر است و در شرایط خاصی رخ می دهد که سنگدانه ها دارای کربنات های خاصی مانند دولومیت ریزبلور باشند. به دلیل ویژگی های ضعیف و نامناسب چنین سنگدانه هایی برای استفاده در بتن، این نوع واکنش به ندرت در پروژه های واقعی دیده می شود.
صرف نظر از نوع واکنش، نتیجه نهایی در هر دو حالت تقریباً یکسان است؛ بتن به مرور زمان دچار زوال شده و با ترک های داخلی و سطحی مواجه می شود. با این حال، تاکنون هیچ سازه ای به طور کامل بر اثر این واکنش فرو نریخته است، اما گزارش هایی وجود دارد که برخی اعضای بتنی در سازه ها به دلیل پیشرفت این واکنش ها به شدت آسیب دیده یا نیازمند تعمیرات گسترده شده اند. سازه هایی که بیشتر در معرض این نوع آسیب هستند معمولاً در محیط های مرطوب یا در تماس با خاک دارای رطوبت بالا قرار دارند. چرا که برای وقوع انبساط قابل توجه در اثر واکنش قلیایی، وجود رطوبت محیطی ضروری است. همچنین میزان بالای قلیاها در ترکیب بتن نیز نقش کلیدی در فعال شدن این واکنش ها دارد.
در این مقاله، به معرفی کامل انواع واکنش های قلیایی سنگدانه ها پرداخته خواهد شد. سپس مکانیزم های شکل گیری و پیشرفت این واکنش ها بررسی می شوند و در نهایت، راهکارهایی جهت کاهش یا پیشگیری از آسیب های ناشی از این واکنش ها ارائه خواهد شد.
در ادامه این مطلب می خوانید
انواع واکنش قلیایی سنگدانه ها
۱. واکنش قلیایی-سیلیسی (ASR)
واکنش قلیایی-سیلیسی (Alkali-Silica Reaction) یکی از رایج ترین انواع واکنش های قلیایی در بتن است. این واکنش زمانی رخ می دهد که سنگدانه های دارای سیلیس آمورف یا واکنش پذیر (مانند اپال، چرت یا تریپولیت) با قلیاهای موجود در بتن وارد واکنش شده و ژل قلیایی سیلیکاتی تشکیل دهند. این ژل در حضور رطوبت آب جذب کرده و متورم می شود که در نهایت، فشار حاصل از این انبساط موجب ترک خوردگی در بتن می شود. علائم رایج این نوع واکنش شامل ترک های تصادفی، ایجاد درزهای بسته و گاهی پوسته شدن سطح بتن است. این ترک ها معمولاً در نواحی مرطوب سازه بیشتر مشاهده می شوند؛ مانند مناطقی نزدیک به سطح آب، اطراف پایه ها، قسمت پایینی دیوارهای حائل یا بخش هایی از ستون ها که در تماس مستقیم با رطوبت هستند.
راهکارهای پیشگیری از ASR:
برای کاهش یا مهار واکنش قلیایی-سیلیسی، می توان از مواد سیمانی مکمل استفاده کرد که واکنش پذیری قلیاها را کاهش می دهند. از مهم ترین این مواد می توان به موارد زیر اشاره کرد:
- دود سیلیس (Silica Fume)
- خاکستر بادی (Fly Ash)
- سرباره کوره بلند دانه بندی شده (Ground Granulated Blast-Furnace Slag – GGBFS)
همچنین استفاده از ترکیبات لیتیومی (مانند نیترات لیتیوم) نیز یکی دیگر از روش های موثر در کنترل و کاهش شدت ASR به شمار می آید.
۲. واکنش قلیایی-کربناتی (ACR)
واکنش قلیایی-کربناتی (Alkali-Carbonate Reaction) نوعی دیگر از واکنش های قلیایی سنگدانه هاست که در مقایسه با ASR بسیار نادرتر است. این واکنش عمدتاً در شرایطی رخ می دهد که سنگدانه های مورد استفاده حاوی سنگ های دولومیتی خاص با ساختار بلوری حساس باشند. بر خلاف ASR که در بسیاری از نواحی با سنگدانه های سیلیسی دیده می شود، بروز ACR به دلیل محدودیت در منابع سنگدانه ی حساس، بسیار کم تر است. در صورت وقوع، ACR می تواند باعث گسترش تدریجی ترک و تخریب در بتن شود، اما رفتار و الگوی آسیب آن با ASR متفاوت است.
راهکارهای پیشگیری از ACR:
برخلاف ASR، استفاده از مواد سیمانی مکمل نظیر خاکستر بادی یا سرباره نمی تواند از وقوع یا پیشرفت واکنش قلیایی-کربناتی جلوگیری کند. بنابراین تنها راهکار مؤثر در کنترل ACR، اجتناب از به کارگیری سنگدانه های حساس به این واکنش در ترکیب بتن است.
مکانیزم واکنش قلیایی سنگدانه ها
همان طور که در بخش مقدمه اشاره شد، واکنش قلیایی سنگدانه ها زمانی آغاز می شود که یون های هیدروکسید قلیایی موجود در خمیر سیمان، با سنگدانه های ریز یا درشت دارای ترکیبات واکنش پذیر مانند سیلیس فعال یا کربنات های خاص وارد واکنش شیمیایی می شوند. در نتیجه ی این واکنش، یک ژل قلیایی تشکیل می گردد که قابلیت جذب آب بالایی دارد. این ژل در حضور رطوبت، شروع به تورم و انبساط می کند. فشار ناشی از این انبساط تدریجی، به ساختار داخلی بتن وارد شده و به مرور زمان باعث ایجاد ترک های سطحی یا عمقی در بتن می شود. این ترک ها نه تنها دوام سازه را کاهش می دهند، بلکه نفوذپذیری بتن را افزایش داده و آن را در برابر عوامل مخرب خارجی آسیب پذیرتر می کنند.
با توجه به گرانی هایی که برای یونولیت اتفاق افتاد، بسیاری از افراد به جای خرید یونولیت سقفی از یونیپلکس استفاده می کنند.
منابع قلیایی در بتن
قلیاهایی که موجب آغاز واکنش های قلیایی در بتن می شوند، ممکن است از منابع مختلفی وارد ترکیب بتن شوند. در ادامه، مهم ترین منابع قلیایی مورد بررسی قرار می گیرند:
۱. سیمان
سیمان معمولاً اصلی ترین منبع قلیا در بتن محسوب می شود. هرچند تمامی اجزای تشکیل دهنده بتن می توانند در مجموع بر میزان قلیای نهایی مؤثر باشند، اما سهم عمده قلیاهای اولیه از ترکیبات موجود در سیمان ناشی می شود.
۲. سنگدانه ها
برخی سنگدانه ها به ویژه آن هایی که حاوی فلدسپات، میکا، شیشه طبیعی یا سنگ شیشه ای هستند، می توانند در زمان واکنش با قلیاهای بتن، خود نیز قلیا آزاد کنند. همچنین شن و ماسه هایی که از منابع دریایی استخراج شده اند – در صورت شسته نشدن کامل – ممکن است حاوی کلرید سدیم باشند که خود منبعی برای ورود قلیا به ترکیب بتن به حساب می آید.
۳. مواد افزودنی شیمیایی
افزودنی ها موادی هستند که در مرحله اختلاط بتن برای بهبود خواص آن به کار می روند و شامل مواردی چون:
- تسریع کننده ها (Accelerators)
- روان کننده ها یا کاهش دهنده های آب (Plasticizers)
- کندکننده ها (Retarders)
- فوق روان کننده ها (Superplasticizers)
- مواد حباب ساز (Air-entraining agents)
برخی از این افزودنی ها ممکن است دارای ترکیبات سدیم یا پتاسیم باشند که در نهایت به افزایش محتوای قلیایی بتن منجر می شوند.
۴. آب اختلاط
آبی که برای ساخت بتن استفاده می شود نیز می تواند حاوی مقدار مشخصی از قلیاها باشد. به ویژه اگر آب از منابع نامناسب یا شور برداشت شود، ممکن است به طور غیرمستقیم بر واکنش های قلیایی در بتن تأثیر بگذارد.
۵. منابع قلیایی خارجی
برخی عوامل خارجی نیز می توانند در طول زمان، قلیا را به بتن وارد کنند. به عنوان مثال:
- نمک های ضد یخ زدگی که در مناطق سردسیر برای ذوب برف و یخ استفاده می شوند و حاوی ترکیبات سدیم هستند، قادرند قلیای سطحی بتن را افزایش دهند.
- همچنین خاک های اطراف سازه که دارای میزان بالایی از قلیا باشند، می توانند به مرور زمان باعث افزایش محتوای قلیایی در لایه های سطحی بتن شوند.
اثرات واکنش قلیایی سنگدانه ها بر بتن
واکنش قلیایی بین سنگدانه ها و قلیاهای موجود در بتن، اگر کنترل نشود، می تواند در بلندمدت پیامدهای جدی برای عملکرد و دوام سازه های بتنی به همراه داشته باشد. مهم ترین اثرات این پدیده عبارتند از:
کاهش مقاومت، سختی و نفوذناپذیری بتن : این واکنش با ایجاد ترک های میکروسکوپی و گسترش آن ها، منجر به افت استحکام مکانیکی و کاهش توانایی بتن در مقاومت در برابر نفوذ آب، یون ها و سایر عوامل مخرب می شود.
تأثیرات منفی بر ظاهر سازه : ترک های سطحی، پوسته شدن و تغییر رنگ، از جمله مشکلاتی هستند که ظاهر سازه را تحت تأثیر قرار داده و ممکن است موجب نگرانی کاربران یا کاهش ارزش بصری و تجاری سازه شوند.
شکست زودهنگام اجزای سازه ای : در اثر تورم ژل قلیایی و فشار داخلی ناشی از آن، بخش هایی از سازه ممکن است پیش از موعد مقرر دچار گسیختگی یا خرابی شوند، به ویژه اگر در معرض رطوبت بالا قرار گیرند.
کاهش عمر مفید سازه بتنی : ادامه دار بودن واکنش ها و افزایش ترک ها در طول زمان باعث می شود طول عمر سازه کاهش یابد و نیاز به تعمیر یا بازسازی زودتر از حد معمول احساس شود.
افزایش هزینه های تعمیر و نگهداری : تعمیر ترک ها، ترمیم آسیب ها و اجرای عملیات محافظتی برای جلوگیری از پیشرفت تخریب، هزینه های نگهداری را به طور قابل توجهی افزایش می دهد.
هر آنچه باید در رابطه با قالب سقفی لایت فرم و خرید آن از یونیپلکس بدانید
روش های پیشگیری از واکنش قلیایی سنگدانه ها در بتن
برای جلوگیری از بروز آسیب های ناشی از واکنش قلیایی سنگدانه ها، به ویژه در بتن هایی که از سنگدانه های بالقوه واکنش پذیر استفاده می شود، می توان از راهکارهای متنوعی بهره گرفت. مهم ترین این راهکارها شامل افزودن مواد شیمیایی خاص (مانند نمک های لیتیوم) و استفاده از افزودنی های معدنی نظیر خاکستر بادی، دود سیلیس، سرباره دانه بندی شده یا متاکائولین می باشد.
مشاوره رایگان جهت خرید و یا اجاره قالب های جایگزین یونولیت سقفی
جهت دریافت مشاوره رایگان و اطلاع از آخرین قیمت ها ، با پر کردن فرم زیر مشاورین ما در اولین فرصت با شما تماس خواهند گرفت
اقدامات کلیدی در پیشگیری:
کاهش مقدار کلی قلیا در بتن: از طریق استفاده از سیمان پرتلند با محتوای قلیایی پایین و کنترل سایر منابع تأمین کننده قلیا در طرح اختلاط بتن.
استفاده از مواد سیمانی مکمل (SCMs): مانند خاکستر بادی (PFA)، سرباره کوره بلند (GGBS)، دود سیلیس و سایر پوزولان های طبیعی یا مصنوعی که می توانند محتوای قلیایی را کاهش داده یا واکنش پذیری را خنثی کنند.
راهکارهای عملی توصیه شده:
- به کارگیری سیمان کم قلیا به منظور محدودسازی قلیای فعال در بتن
- جایگزینی بخشی از سیمان با مواد سیمانی مکمل نظیر خاکستر بادی (PFA) یا سرباره (GGBS) برای کنترل واکنش های احتمالی
- کاهش دسترسی بتن به رطوبت از طریق طراحی مناسب سازه و اجرای صحیح پوشش ها و آب بندها
- پرهیز از استفاده از سنگدانه های راکتیو یا واکنش پذیر در صورت شناسایی آن ها در منابع تأمین
- اصلاح خواص ژل قلیایی با استفاده از ترکیباتی مانند نمک های لیتیوم، به گونه ای که ژل حاصل قابلیت انبساط نداشته باشد و واکنش متوقف شود
سخن آخر
در اغلب موارد، سنگدانه های مورد استفاده در بتن از نظر شیمیایی بی اثر یا کم واکنش هستند. با این حال، برخی سنگدانه ها می توانند با هیدروکسیدهای قلیایی موجود در خمیر سیمان واکنش داده و در طول زمان منجر به انبساط، ایجاد ترک و در نهایت آسیب به ساختار بتن شوند. این پدیده تحت عنوان «واکنش قلیایی سنگدانه ها» شناخته می شود و به طور کلی در دو نوع اصلی بروز می یابد:
- واکنش قلیایی – سیلیس (ASR)
- واکنش قلیایی – کربنات (ACR)
ترک خوردگی و انبساط ناشی از این واکنش ها نه تنها ظاهر سازه را مخدوش می کند، بلکه می تواند به مرور از مقاومت و دوام آن بکاهد. هرچند این آسیب ها به ندرت باعث فروپاشی کامل سازه می شوند، اما در بلندمدت سبب کاهش عمر مفید سازه، افزایش هزینه های نگهداری و لزوم تعمیرات مکرر خواهند شد. برای جلوگیری از این خسارات، لازم است قلیاهای موجود در ترکیب بتن تا حد امکان کنترل و محدود شوند. همچنین بهره گیری از مواد سیمانی مکمل مانند خاکستر بادی، دود سیلیس یا سرباره کوره بلند دانه بندی شده می تواند نقش موثری در کاهش احتمال بروز این واکنش ها و حفظ دوام بتن در بلندمدت ایفا کند.