واکنش قلیایی سنگدانه ها یا Alkali aggregate reactions (AAR) زمانی رخ می‌دهد که سنگدانه‌ها در بتن با هیدروکسیدهای قلیایی موجود در بتن واکنش داده و یک ژل تولید می‌کنند که در مجاورت رطوبت، آب را جذب می‌کند و باعث انبساط و ترک‌خوردن بتن در طی سالیان متمادی می‌شوند. واکنش قلیایی سنگدانه ها دو شکل دارد: واکنش قلیایی – سیلیس Alkali-silica reaction (ASR) و واکنش قلیایی – کربنات Alkali-carbonate reaction (ACR).
مورد اول بیشتر رخ می‌دهد زیرا سنگدانه‌های حاوی اشکال مختلف سیلیس بسیار رایج هستند؛ درحالی‌که مورد دوم به ندرت به دلیل نامناسب‌بودن کربنات‌ها برای استفاده در بتن رخ می‌دهد.
نوع واکنش هرچه باشد، زوال بتن ناشی از واکنش قلیایی سنگدانه ها مشابه است. باید دانست که تاکنون هیچ سازه‌ای در اثر واکنش قلیایی سنگدانه ها فرو نریخته است، اما مواردی وجود دارد که اجزای سازه‌ای بتنی در اثر این واکنش‌ها تخریب شده‌اند.
اکثر سازه‌هایی که در نتیجه این مکانیزم ترک می‌خورند در معرض آب و هوا یا در تماس با خاک مرطوب هستند. زیرا برای این‌که مقدار قابل توجهی انبساط رخ دهد، وجود رطوبت کافی ضروری است. علاوه بر رطوبت، محتوای قلیایی زیاد در بتن نیز ضروری است.
این مقاله انواع این واکنش‌ها را بررسی کرده، به مکانیزم ایجاد آنها می‌پردازد و در انتها برای پیشگیری از وقوع تخریب ناشی از واکنش قلیایی، راه‌حل‌هایی را ارائه می‌دهد.
انواع واکنش قلیایی سنگدانه ها
واکنش قلیایی سیلیس (ASR)
ترک تصادفی، درزهای بسته، همراه با پوسته‌شدن بتن نشانگر واکنش‌های قلیایی-سیلیسی هستند. همان‌طور که گفتیم، این واکنش به‌طور گسترده رخ می‌دهد، زیرا سنگدانه‌های حاوی مواد سیلیسی واکنش‌پذیر رایج هستند. این واکنش فشار انبساطی کافی برای آسیب‌رساندن به بتن را ایجاد می‌کند.
ترک‌خوردگی در مناطقی با رطوبت زیاد، مانند نزدیک به خط آب در پایه‌ها، نزدیک زمین پشت دیوارهای حائل، یا در پایه‌ها یا ستون‌هایی که در معرض آب هستند، شروع می‌شود.
پیشگیری:
واکنش قلیایی سیلیس (ASR) را می‌توان با استفاده از مواد سیمانی مکمل مانند «دود سیلیس»، «خاکستر بادی» و «سرباره کوره بلند دانه بندی شده» (ground granulated blast-furnace slag) کنترل کرد. از ترکیبات لیتیوم هم می‌توان برای کاهش واکنش قلیایی سیلیس استفاده کرد.
واکنش قلیایی سیلیس (ASR)
واکنش قلیایی کربنات (ACR)
این واکنش قلیایی سنگدانه ها با سنگ‌های دولومیتی خاصی مشاهده می‌شود و ممکن است به شکل قابل توجهی گسترش پیدا کند. در مقایسه با واکنش‌های قلیایی-سیلیکا، ACR نسبتا نادر است، زیرا سنگدانه‌های حساس به این پدیده کمتر رایج هستند.
پیشگیری:
استفاده از مواد سیمانی تکمیلی از انبساط ناشی از ACR جلوگیری نمی‌کند. بنابراین توصیه می‌شود از سنگدانه‌های حساس به ACR در بتن استفاده نشود.
مکانیزم واکنش قلیایی سنگدانه ها
همان‌طور که در مقدمه ذکر شد، واکنش قلیایی سنگدانه ها زمانی شروع می‌شود که هیدروکسید قلیایی در سیمان با سنگدانه‌های ریز یا درشت حاوی مقدار زیادی سیلیس یا کربنات واکنش دهد. در این شرایط مطابق شکل زیر ژلی ایجاد می‌شود که با گرفتن رطوبت منبسط شده و به مرور سبب ترک در بتن می‌گردد.
با توجه به گرانی هایی که برای یونولیت اتفاق افتاد، بسیاری از افراد به جای خرید یونولیت سقفی از یونیپلکس استفاده می کنند.
منابع قلیا در بتن
مواد قلیایی موجود در بتن که واکنش قلیایی را شروع می‌کنند، می‌توانند از منابع مختلفی حاصل شوند.
1. سیمان
تمام مواد تشکیل‌دهنده بتن ممکن است در کل محتوای قلیایی نقش داشته باشند، اما منبع اصلی قلیا معمولا سیمان است.
2. سنگدانه‌ها
سنگدانه‌های حاوی فلدسپات، میکا، سنگ شیشه‌ای و شیشه ممکن است قلیا در بتن آزاد کنند. شن و ماسه لایروبی شده دریا، اگر به‌درستی شسته نشود، ممکن است حاوی کلرید سدیم باشد که می‌تواند قلیای قابل توجهی را در بتن ایجاد کند.
3. مواد افزودنی
افزودنی‌ها به معنای مواد شیمیایی اضافه شده به بتن در مرحله اختلاط است. این‌ها عبارتند از تسریع کننده‌ها (accelerators)، کاهش دهنده‌های آب (روان کننده ها) (plasticizers)، کندکننده‌ها (retarders)، فوق‌روان‌کننده‌ها (superplasticizers)، حباب کننده هوا (air-entraining) و غیره. برخی از مواد شیمیایی حاوی ترکیبات سدیم و پتاسیم هستند که ممکن است به محتوای قلیایی بتن کمک کنند.
4. آب
آب ممکن است حاوی مقدار معینی قلیا باشد.
5. قلیای از خارج بتن
نمک یخ‌زدایی حاوی ترکیبات سدیم که به عنوان ضد یخ استفاده می‌شود، ممکن است باعث افزایش محتوای قلیایی در لایه سطحی بتن شود. خاک‌های حاوی قلیا نیز ممکن است محتوای قلیا را در سطح بتن افزایش دهند.
اثرات واکنش قلیایی سنگدانه ها
واکنش قلیایی سنگدانه ها می‌تواند در بلند مدت نتایج زیر را به دنبال داشته باشد:
- از دست دادن استحکام، سفتی و نفوذ ناپذیری
- تاثیر بر ظاهر
- شکست زودرس سازه‌های بتنی
- کاهش عمر سازه بتنی
- افزایش هزینه نگهداری
خرید فوم لس از یونیپلکس
پیشگیری از واکنش قلیایی سنگدانه ها
یک روش برای جلوگیری از اختلالات ناشی از واکنش قلیایی در بتن‌های حاوی سنگدانه‌های واکنش‌پذیر، استفاده از افزودنی‌های شیمیایی (نمک‌های لیتیوم) یا مواد افزودنی معدنی مانند خاکستر بادی، دود سیلیس، سرباره دانه‌بندی شده یا متاکائولین است.
به طور کلی اقدامات توصیه شده برای پیشگیری از واکنش قلیایی سنگدانه ها عبارتند از:
- محدود کردن کل محتوای قلیایی بتن (از سیمان پرتلند و سایر منابع)
- استفاده از مواد سیمانی تکمیلی (SCMs) مانند خاکستر بادی یا سرباره
راهکارهای عملی شامل موارد زیر هستند:
- استفاده از سیمان کم قلیا برای محدودکردن محتوای قلیایی در بتن
- استفاده از مواد جایگزین سیمانی مانند PFA و GGBS در بتن برای کاهش محتوای قلیایی
- کاهش دسترسی به رطوبت و خشک نگه‌داشتن بتن
- خودداری از استفاده از سنگدانه‌های راکتیو
- تغییر خواص ژل به گونه‌ای که انبساط نداشته باشد، به‌عنوان مثال با استفاده از نمک‌های لیتیوم
سخن آخر
در بیشتر بتن‌ها، سنگدانه‌ها از نظر شیمیایی کم‌وبیش بی‌اثر هستند. با این حال، برخی از سنگدانه‌ها با هیدروکسیدهای قلیایی موجود در بتن واکنش داده و باعث انبساط و ترک‌خوردن در طی سالیان متمادی می‌شوند. این واکنش، واکنش قلیایی سنگدانه‌ها نامیده می‌شود و دو شکل دارد: واکنش قلیایی – سیلیس (ASR) و واکنش قلیایی – کربنات (ACR). ترک خوردن بتن و انبساط آن می‌تواند ظاهر سازه بتنی را زشت کند و به مرور از استحکام آن بکاهد. اگرچه به ندرت اتفاق می‌افتد که سازه در اثر این واکنش ها فرو بریزد، اما واکنش قلیایی سنگدانه‌ها در بلندمدت می‌تواند سبب تخریب سازه شده و هزینه‌های تعمیر بتن و نگهداری آن را زیاد کند. برای جلوگیری از این امر، لازم است محتوانی قلیا در بتن تا حد ممکن کاهش یافته و از مواد تکمیلی مانند خاکستر سرباره برای کنترل ایجاد آسیب استفاده شود.
https://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1080/19648189.2021.1960899?journalCode=tece20#:~:text=It%20arises%20due%20to%20the,moisture%20and%20initiates%20internal%20expansion.
https://link.springer.com/article/10.1617/s11527-006-9220-y
