وقتی یک سازه بتنی در معرض یک محیط غنی از سولفات مثل نمک‌های سولفات که در ترکیبات آن مثل آب، سنگدانه‌ها یا سیمان وجود دارند قرار می‌گیرد، می‌تواند به سرعت تخریب‌شده و مقاومت آن کاهش یابد. این فرآیند که به آن حمله سولفات می‌گویند با حضور آب و خمیر سیمانی به وقوع می‌پیوندد.
حمله سولفات چیست؟
حمله سولفات به بتن یک مکانیسم تجزیه شیمیایی است که در آن یون‌های سولفات به اجزای خمیر سیمان حمله می‌کنند. ترکیبات مسئول حمله سولفات به بتن، نمک‌های حاوی سولفات محلول در آب، مانند سولفات‌های قلیایی خاک (alkali-earth) (کلسیم، منیزیم) و همچنین سولفات‌های سدیم و پتاسیم هستند که قادر به انجام واکنش شیمیایی با اجزای بتن هستند.
هنگامی که سولفات وارد بتن می‌شود با «آلومینات کلسیم هیدراته» و/یا جزء «هیدروکسید کلسیم» خمیر سیمان سخت‌شده ترکیب می‌شود و شروع به تخریب خمیری می‌کند که بتن را در کنار هم نگه داشته است. با خشک‌شدن سولفات، ترکیبات منبسط‌شونده جدیدی ایجاد می‌شوند که اغلب «اترینگیت» (ettringite) نامیده می‌شوند. این کریستال‌های جدید فضای خالی را اشغال می‌کنند و همچنان که بیشتر ایجاد می‌شوند، باعث ترک‌خوردن خمیر شده و به بتن آسیب بیشتری می‌رسانند. افزایش حجم و شکل سوزنی شکل کریستال‌های اترینگیت مسئول ایجاد تنش‌های داخلی است که باعث ایجاد ترک می‌شود.
حمله سولفات به‌عنوان یک فرآیند شیمیایی شناخته می‌شود. با این وجود می‌تواند نتیجه یک فرآیند فیزیکی هم باشد. این فرآیند زمانی به وقوع می‌پیوندد که نمک‌های محلول در آب از بتن عبور می‌کنند و در سطح رسوب می‌کنند و باعث ایجاد پوسته در سطح و در نهایت ریزش آن می‌شوند.
حمله سولفات به بتن بسته به موارد زیر ممکن است به اشکال مختلف ظاهر شود:
- شکل شیمیایی سولفات
- محیط جوی که بتن در معرض آن قرار می‌گیرد
حمله سولفات داخلی و خارجی
یون‌های سولفات که به بتن حمله می‌کنند می‌توانند از منابع داخلی یا خارجی باشند. برای این‌که منابع داخلی سبب حمله سولفات شوند، یون‌های سولفات باید در هنگام مخلوط‌شدن اجزاء، در بتن وارد شده باشند. به عنوان مثال می‌توان به استفاده از سنگدانه‌های غنی از سولفات، اضافه‌شدن گچ در سیمان یا استفاده از مواد افزودنی حاوی مقادیر کمی سولفات اشاره کرد. روش‌های غربالگری مناسب و آزمایش مواد کمک می‌کند تا از حمله سولفات به شکل داخلی جلوگیری شود.
منابع خارجی سولفات رایج‌تر هستند و معمولاً در نتیجه خاک‌ها و آب‌های زیرزمینی که سولفات بالایی دارند ایجاد می‌شوند. همچنین می‌توانند در نتیجه آلودگی اتمسفر یا آب‌های صنعتی باشند. برای مثال آب دریا دارای سطح «متوسط» یون‌های سولفات محلول در آب است. تشکیل گچ و اترینگیت که در هنگام حمله خارجی سولفات ایجاد می‌شود ممکن است باعث ترک‌خوردگی و رسوب بر روی بتن شود. برای حمله خارجی سولفات، واکنش از سطح به سمت هسته بتن منتشر می‌شود. زمینه خاصی از حمله سولفات، مربوط به سیستم فاضلاب است که در آن فرآیندهای بیولوژیکی و تهویه هوای ناکافی می‌تواند باعث تجمع سولفید هیدروژن (H2S) شود که پس از تبدیل به اسید سولفوریک (H2SO4) توسط باکتری سولفو، به خمیر سیمان حمله می‌کند و شیرابه را خارج می‌کند و پورتلندیت و همچنین اترینگیت ثانویه را تشکیل می‌دهد.
اولین مورد حمله سولفات داخلی در سال 1987 در فنلاند، در نمونه‌های بتن پیش‌ساخته برای خطوط راه‌آهن شناسایی شد. با این حال حمله خارجی سولفات قدری پیش‌تر از آن در سال 1887 با مشاهده مشکلات ناشی از برهمکنش بتن با گچ روی دیوارها در پاریس شناسایی شده بود.
عوامل اصلی موثر بر حمله سولفات
عوامل اصلی موثر بر حمله سولفات شامل موارد زیر هستند:
1. نوع سیمان و محتوای آن
مهمترین فازهای کانی‌شناسی سیمان که بر شدت حمله سولفات تأثیر می‌گذارد عبارتند از: C3A، نسبت C3S/C2S و C4AF
2. اضافه‌کردن خاکستر بادی (Fly ash)
افزودن یک ماده افزودنی پوزولانی (pozzolanic) مانند خاکستر بادی باعث کاهش محتوای C3A سیمان می‌شود.
3. غلظت سولفات
حمله سولفات با افزایش غلظت محلول سولفات تا یک سطح مشخص افزایش می‌یابد.
4. یون کلرید
یون کلرید یکی از عوامل موثر بر حمله سولفات است. سایر عوامل شامل موارد زیر هستند:
- سطح ایستابی (water table) و تغییرات فصلی آن
- جریان آب زیرزمینی و تخلخل خاک
- شکل سازه
- کیفیت بتن
پس از گرانی یونولیت بسیاری از عاملان ساخت و ساز سراغ قیمت سقف فوم لس را می گیرند، در این صفحه می توانید قیمت این محصول را مشاهده نمایید!
آسیب‌های مرتبط با حمله سولفات
حمله سولفات به‌طور کلی باعث ایجاد الگویی از ترک‌های ریز در بتن می‌شود. در نتیجه، پوسته‌پوسته‌شدن و از هم پاشیدگی سطح و به دنبال آن زوال توده بتن ایجاد می‌شود. حمله سولفات را می‌توان به صورت بصری با موارد زیر شناسایی کرد:
لکه‌های ناشی از تجمع نمک روی سطوح بتن، پوسته‌پوسته‌شدن سطح، جداشدن ارتباط بین سنگدانه‌ها و خمیر و تغییر بافت بتن مانند خمیردندان که مورد آخر در مراحل نهایی حمله سولفات اتفاق می‌افتد.
این پدیده عمدتاً در قسمت‌های مدفون بتن یا بخش‌های نزدیک به‌سطح مانند پایه‌ها، ستون‌ها، دال‌ها و فونداسیون مشاهده می‌شود که در آنها آلودگی سولفات در خاک یا آب اطراف یافت می‌شود.
آزمایشات برای تعیین محتوای سولفات
آزمایشات شیمیایی برای تعیین محتوای یون سولفات محلول در آب در سیمان وجود دارد. علاوه بر این، آب و خاک اطراف بدنه بتنی را می‌توان برای بررسی سطح آلودگی سولفات آزمایش کرد. غلظت سولفات با استفاده از اندازه‌گیری وزنی تعیین می‌شود. با افزودن «کلرید باریم»، سولفات به رسوبات «سولفات باریم» تبدیل می‌شود که بسیار نامحلول هستند. بنابراین، می‌توانیم آن را جمع‌آوری کنیم، خشک کنیم و دوباره وزن کنیم تا غلظت اولیه سولفات در نمونه مشخص شود.
عکس میکروسکپی از حمله سولفات
پیشگیری از حمله سولفات
روش‌های مختلفی برای جلوگیری یا کاهش حمله سولفات وجود دارد. در اینجا به برخی از آنها اشاره می‌کنیم:
- ضخامت مناسب بتن
- استفاده از نوعی سیمان که در برابر حمله سولفات مقاوم باشد
- استفاده از بتن با نفوذپذیری کم
- نسبت کم آب به سیمان (<0.45)
- تراکم و پخت خوب سیمان
- جداکردن نمک‌ها از ترکیبات مخلوط
- اعمال یک غشاء عایق برای سطوح بتنی در تماس با خاک/آب آلوده به سولفات
سخن آخر
حمله سولفات به بتن فرآیند پیچیده‌ای است که شامل حمله فیزیکی نمک به‌دلیل کریستال‌شدن آن و حمله شیمیایی سولفات ناشی از خاک، آب‌های زیرزمینی یا آب دریا می‌شود. حمله سولفات می‌تواند منجر به انبساط، ترک‌خوردگی، کاهش مقاومت و از هم پاشیدگی بتن شود. این نوع حمله به دو نوع داخلی و خارجی تقسیم می‌شود. برای جلوگیری از حمله سولفات باید موارد تشکیل دهنده بتن عاری از سلفور باشند و همچنین محیط اطراف آن از نظر وجود سولفور بررسی شود.
https://www.ctlgroupqatar.com/single-post/2019/06/30/an-overview-on-sulfate-attack
Sulphate Attack on Concrete – Process and Control of Sulphate Attack
https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/sulfate-attack#:~:text=4%20Sulfate%20attack-,Sulfate%20attack%20of%20concrete%20is%20a%20complex%20process%2C%20which%20includes,and%20disintegration%20of%20the%20concrete
