بررسي خواص رئولوژيكي و مقاومت در برابر تهاجم اسيدسولفوريك در بتن خودتراكم شامل نانوسيليس كلوئيدي

 

بررسي خواص رئولوژيكي و مقاومت در برابر تهاجم اسيدسولفوريك در بتن خودتراكم شامل نانوسيليس كلوئيدي

 

غلامرضافلاح (مؤلف رابط)، سيد حسين قاسم زاده موسوي نژاد

 

1.كارشناسي ارشد، عمران- سازه، دانشگاه محقق اردبيليPh.D. (استاديار)، عمران، دانشگاه گيلان

 

چكيده

اولين نمونه از بتن خودتراكم توسط Okamura ساخته شد.

سوالات تحقيق:

نظر به اينكه استفاده از SCC در پروژه هاي بتني رو به رشد بوده و مانند ديگر انواع بتن­ها در برابر تهاجم اسيدسولفوريك، آسيب پذير مي­باشد در اين تحقيق خواص رئولوژيكي و مقاومت در برابر حملات اسيدي بتن خودتراكم حاوي نانو سيليس مورد بررسي قرار گرفته است.

روش تحقیق:

جهت دستيابي به خواص خودتراكمي، از يك فوق روان كننده پلي­كربكسيلات اتري (PCE) و هوازا (AEA) به ميزان 2 و 0.2 درصد نسبت به وزن سيمان استفاده نموديم. مقدار سيمان در تمام طرحها Kg/m3 450 و W/C نيز برابر 0.5 بود. نانوسيليس كلوئيدي با نسبتهاي 2.5، 5 و 7.5 درصد نسبت به وزن سيمان اضافه شد.

نتیجه گیری:

 پس از بررسي خواص رئولوژيكي بتن خودتراكم، مقاومت فشاري و درصدهاي كاهش مقاومت فشاري و وزن نمونه هاپس از 2، 4 و 6 هفته قرارگيري در محلول 3درصد اسيدسولفوريك محاسبه گرديدند. نتايج حاصله حاكي از اينست كه در بتن خودتراكم شامل 2.5 درصد نانوسيليس، كمترين و دربتن خودتراكم شامل 5 درصد نانوسيليس بيشترين، كاهش مقاومت فشاري بوقوع مي­پيوندد.

كلمات كليدي: اسيدسولفوريك، بتن خودتراكم، بيوژنيك، خوردگي، نانوسيليس كلوئيدي

 

1. مقدمه

در سرتاسر جهان، سيستم هاي جمع ­آوري آبهاي زائد شهري مواجه با خوردگي اسيد سولفوريك بيوژنيك (زيست زائيده) بتن مي­باشند. اين خوردگي به شدت سلامت زيرساختها را به خطر انداخته و آنها را نيازمند هزينه ­هاي گزاف تعمير و جايگزيني زودتر از موعد سازه هاي زوال يافته مي­نمايد. در شمال غربي اروپا (بلژيك) خوردگي بيوژنيك در حدود 10 درصد از كل مخارج سيستمهاي تصفيه فاضلاب را شامل مي­گردد.[1]

بعنوان يك قانون كلي مي­توان پذيرفت كه اسيدها به بتن آسيب مي­رسانند. آنها وارد واكنشهاي شيميايي پيچيده­اي مانند واكنشهاي حاصل از تهاجم سولفاتها نمي­شوند، درنتيجه موجب انبساط و ترك­خوردگي بتن شده بعلاوه بسادگي اجزاء داراي قابليت انحلال بالا از گيرش سيمان را تجزيه نموده و ساختار كريستالي آن را تخريب و تنها پسماندي فاقد خاصيت چسبندگي بجاي مي­گذارند.

از مهمترين عواملي كه در حمله اسيدها دخيل است مي­توان به نفوذپذيري بتن، شرايطي كه بتن در معرض آن بوده و نوع سيمان مصرفي اشاره نمود. از ديگر عوامل، قابليت انحلال نمكهاست به ويژه نمكهاي كلسيم كه توسط واكنش اسيد با تركيبات موجود در سيمان تشكيل مي­گردد. سيمانهاي پرتلند بسيار آسيب پذير بوده زيرا شامل مقدار  زيادي هيدروكسيدكلسيم كه حاصل از هيدراتاسيون سيليكاتهاي كلسيم است، مي­باشند. سيمانهاي پوزولاني كه در آنها اكسيد كلسيم قابل حل كمتري حضور دارد، از مقاومت بيشتري برخوردارند. درجه اسيدي بودن يك محلول از ميزان PH آن تخمين زده مي­شود، كه تابعي لگاريتمي از غلظت يون هيدروژن محاسبه شده در مقياس 1 تا 14 است.[2]

روشهاي متفاومتي جهت كنترل خوردگي اسيد سولفوريك بيوژنيك در سيستمهاي فاضلاب توسعه يافته ­اند. تفاوت اصلي در زنجيره خوردگي وجود دارد: نوع اول، كاربرد فناوري­هاي شيميايي يا بيولوژيكي كه ميزان اشاعه سولفيد هيدروژن را مي­كاهد[3]؛ نوع دوم، كاربرد افزودني­ها [4و5] رويه­ هاي محافظ [9-4] يا سيمانهاي مقاوم در برابر اسيد [10] كه از تهاجم شيميايي به بتن جلوگيري مي­نمايند، نوع سوم، استفاده از پوششهاي ضدميكروبي[13-11] يا افزودني­هايي است كه فعاليت ميكروبي را كاسته يا محو مي­نمايند. كه مورد آخر، براي جلوگيري از رشد جلبكها[14] و قارچها [15] نيز استعمال مي­گردد.

 

1.1. عملكرد بيولوژيكي اسيدهاي غيرآلي

اسيدهاي غيرآلي يا معدني، حاصل از صنايع يا انحلال گازها در آب هستند. استفاده از برخي آنها ممنوع يا به مقادير كم، محدود گشته است. بتن بكار گرفته شده در جاهايي كه اين اسيدها توليد، ذخيره و استفاده مي­شوند نيازمند محافظت مي­باشد. اسيدهاي هيدروكلريك، سولفوريك، نيتريك و فسفريك (كه به ميزان بالايي توليد و مصرف مي­گردند) خطري جدي در آلوده سازي خاكها و آبها محسوب مي­گردند. كه اين امر بطور اتفاقي به علت ريختن يا نشت مواد رخ مي­دهد، با اين حال تخليه غيرمجاز ضايعات اسيد نيز يكي از منابع آلوده كننده مي­باشد.[2]

اين نوع تهاجم در مخازن، برجهاي خنك كننده، لوله ­هاي فاضلاب و بتن­هاي كف مكانهاي پرورش دام و طيور مشاهده شده­است.[16] از اسيدهاي غيرآلي، تنها اسيد سولفوريك است كه بطور طبيعي امكان وجود در خاكها و آبهاي زيرزميني را دارد. اين اسيد حاصل هوازدگي اكسيدي برخي از سولفيدهاي معدني است (عمدتاً سولفيدهاي آهن پيريت و ماركازيت (FeS2) كه به مقادير زيادي يافت مي­شوند). در حضور هوا و رطوبت، اكسيداسيون پيريت به سولفات فروس (Ferrous) و اسيد سولفوريك، به وقوع مي­پيوندد. اين يك واكنش شيميايي بوده و اكسيداسيون بيش از اين پيشروي نمي­نمايد. اگر برخي از باكتريهاي هوازي حضور داشته باشند دو مرحله ديگر نيز اضافه گشته و تجزيه پيريت از شتاب زيادي برخوردار خواهد شد. اين باكتريها متعلق به گونه Thiobacillus Ferrooxidans و Thiobacillus Thiooxidans بوده كه Autotrophic (قابل تغذيه خودبخود) مي­باشند يعني قادر به كسب انرژي از رشد و تكثير خود توسط اكسيداسيون تركيبات غيرآلي در حضور اكسيژن اتمسفر هستند. اين اتوتروفهاي خاص نيازمند محيطي اسيدي در بازه PH، 2 تا 4.5 مي­باشند و در مقادير بالاتر غير فعال خواهند بود. آنها مسبب اكسيداسيون سولفات فروس (Ferrous) به سولفات فريك (Ferric)هستند، واكنشي كه در حضور اسيد سولفوريك بطور شيميايي رخ نمي­دهد. سولفات فريك ، ماده اكسيدكننده­اي است و روي پيريت تغيرنيافته تأثير گذاشته و اسيد سولفوريك و سولفات فروس توليد مي­كند كه محصولات فرآيند مرحله اول مي­باشند. طبق واكنش­هاي زير، چرخه اكسيداسيون مي­تواند تا زمانيكه پيريت در دسترس باشد ادامه يابد:[2]

(1)   2FeS₂ + 7O₂ + 2H₂O → 2FeSO₄ + 2H₂SO₄

(2)   2FeSO₄ + O₂ + 2H₂SO₄ → 2Fe₂(SO₄)₃ + 2H₂O

(3)   7Fe₂(SO₄)₃ + FeS₂ + 8H₂O → 15FeSO₄ + 8H₂SO₄

براي انجام اين واكنش، هر دو عامل اكسيژن و رطوبت (آب) ضروري مي­باشند.

Nitrosomonas آمونياك را به نيترات و Nitrobacter نيتريت را به نيترات، اكسايش مي­دهد و محصول فرآيند نهايي، اسيد نيتريك مي­باشد كه با حمله اسيد نيتريك به بتن، نيترات كلسيم قابل حلي تشكيل مي­شود و اين عامل باعث سست شدن بتن مي­گردد [17].

شكل 1– عكس SEMاز سطح بتن پس از قرار گيري در معرض اسيدسولفوريك بيوژنيك(احتمالاً ميله هاي 1-3 μm، Thiobacilli هستند)[18]

 

2.1. تهاجم اسيد سولفوريك بيولوژيكي بر بتن فاضلابها

 اسيد سولفوريكي كه توسط فعاليتهاي ديگر انواع ميكروارگانيسم­ها توليد شده موجب حملات شديدي به بتن سيستمهاي فاضلاب مي­گردد. فاضلابهاي معمول، عموماً تأثيري روي بتن نداشته اما در برخي شرايط، مقدار قابل توجهي سولفيد هيدروژن (H2S) توليد گشته كه بطور غيرمستقيم عامل حملات اسيدي به بتن است. اين امر هنگامي كه اكسيژن فاضلاب بخاطر واكنشهاي هوازي به پايان مي­رسد رخ مي­دهد. باكتريهاي Desulfovibrio desulfurican اكسيژن مورد نياز رشدشان را با كاهش تركيبات سولفوري آلي و سولفاتهاي غيرآلي و ديگر تركيبات سولفور بدست مي­آورند و سپس تكثير مي­يابند.[2]

خوردگي بتن توسط اسيد سولفوريك را عموماً توسط واكنشهاي ذيل مشخص مي­نمايند:[19]

(4)   Ca(OH)₂ + H₂SO₄ → CaSO₄.2H₂O

(5)   CaSiO₂.2H₂O + H₂SO₄ → CaSO₄ + Si(OH)₄ + H₂O

(6)   3CaO.Al₂O₃.12H₂O + 3(CaSO₄.2H₂O) + 14H₂O → 3CaO.Al₂O₃.3CaSO₄.32H₂O

محصول واكنش اوليه، كه در سطح بتن مشهود است گچ بوده و همراه با افزايش حجم مي­باشد (2.2 برابر حجم واكنش دهنده ­ها)، كه مي­تواند تنشهاي كششي در بتن ايجاد نموده و سبب ترك خوردگي و تورق آن گردد. اگر اين گچ شسته نشود، تجمع آن روي سطح بتن ممكن است سرعت خوردگي را به علت بستن منافذ سطحي كند نمايد. [20] واكنشهاي بعدي گچ با فازهاي كلسيم آلوميناتي در ماتريس سيماني مي­تواند موجب تشكيل اترينگايت گردد، كه نسبت به گچ، افزايش حجم بيشتري دارد (حدود 7 برابر)، بنابراين منجر به تركهاي ميكروسكوپي و ماكروسكوپي زيادتري مي­شود. در مجموع، اسيد سولفوريك، ماتريس سيماني را توسط از بين بردن هيدرات سيليكات كلسيم (C-S-H) تجزيه نموده و سبب كاهش مقاومت آن مي­گردد.[19]

 

شكل 2– محصولات حاصل از واكنش بتن با اسيدسولفوريك[21]

 

شكل3 – سطح خورده شده نمونه هاي ساخته شده با سنگدانه آهكي (سمت راست) و سنگدانه آذرين(سمت چپ) پس از آزمايش ميكروبيولوژيكي.[22]

 

2. پيشينه تحقيق

Chang و همكاران [21] براي بهبود مقاومت بتن در برابر حملات اسيدي، از دو نوع سنگدانه سيليسي و آهكي استفاده نمودند. سيمانهاي مورد استفاده شامل يك نمونه با سيمان معمولي و ديگري با سيمان دوگانه شامل سرباره كوره بلند و دو سيمان سه­گانه شامل سرباره، دوده ­سيليس يا خاكستربادي و دوده ­سيليس بود كه نسبت W/C در تمامي نمونه هابرابر 0.4 و مقاومت فشاري آنها در بازه MPa 45 تا MPa 58 بود. استوانه هاي بتني را در محلول 1 درصد اسيدسولفوريك قرار داده و بطور متناوب تغييرات وزني و مقاومت فشاري آنها مورد بررسي قرار گرفت. بتن شامل سنگدانه هاي آهكي و سيمان سه­گانه شامل دوده سيليس (7درصد) و خاكستربادي (33درصد)، خواص بهتري (پس از 28 روز غوطه­وري تحمل بار KN 448.4، پس از 56 روز KN 463 و پس از 168 روز KN 389) از خود بروز داد.

در پژوهش ديگري [23] تأثير افزودن پليمرهاي مختلف (استايرن اكريليك استر، وينيل كوپليمر و استايرن بوتادين) و دوده­سيليس را روي بتنهاي قرار گرفته در محيط اسيدسولفوريك بررسي نمودند كه مشاهده شد افزودن استايرن اكريليك استر مقاومت بهتري دارد.

در تحقيقي كه توسط Aydin و همكاران [24] صورت پذيرفت تأثير خاكستربادي كلاس C در بهبود خصوصيات مكانيكي و مقاومت بتن در برابر حمله اسيدسولفوريك را مطالعه نموده­اند. سيمان را تا  70 درصد با خاكستربادي جايگزين كرده و نتايج نشان داده­اند كه مقاومت بتن­هاي عمل­آوري شده در بخار و شامل خاكستربادي بميزان محسوسي بهبود يافته است و مقاومت طولاني مدت بتن­هايي كه بيش از 30 درصد از سيمان آنها با خاكستربادي جايگزين شده كاهش قابل ملاحظه­اي داشته (در عمل­آوري با بخار) و در بتن­هايي كه 60 درصد از سيمان آنها با خاكستربادي جايگزين شده نيز (در عمل­آوري استاندارد) به همين منوال مي­باشد.

Tamimi و همكاران [25] نيز مخلوطهاي بتني فوق توانمند ساخته شده از 10 درصد دوده­سيليس با درصدهاي متفاوتي از خاكستربادي كه جايگزين سيمان پرتلند شده­اند ساخته و در معرض اسيدسولفوريك و اسيدهيدروكلريك قرار دادند. هدف از اين تحقيق بررسي حدود متفاوت از مصالح جايگزين و كسب مخلوط بهينه­اي بود كه بيشترين مقاومت را در برابر حمله اسيدها داشته باشد. پارامتر مورد بررسي، زمان (برحسب هفته) بود كه 20 درصد كاهش وزني نمونه هاي غوطه­ور در محلول اسيدسولفوريك 1 درصد و همين مقدار كاهش وزن، در محلول اسيدهيدروكلريك 1 درصد مشاهده گرديد.

3. برنامه آزمايشگاهي

در عناصر سازه­اي بتني متعددي، شامل فنداسيون­ها (آبهاي زيرزميني حاوي اسيدسولفوريك ناشي از اكسيداسيون پيريت در خاكريزها)، كفهاي صنعتي كارخانه هاي شيميايي، ديوار زيرزمين ساختمانهاي نزديك به كارخانجات شيميايي، قسمتهاي فوقاني سازه ها (به علت باران اسيدي) و غيره،امكان آسيب ديدگي توسط حمله اسيد سولفوريك وجود دارد. [20] بطور مقايسه­اي، لوله هاي فاضلاب نوع ويژه­اي از خوردگي توسط اسيد بيوژنيك را متحمل مي­گردند. در موارد قبل، غوطه­وري در اسيد شيميايي توانايي شبيه­سازي تهاجم توسط اسيد سولفوريك را داراست زيرا كه باكتري در آنها دخيل نمي­باشد. با اين حال، در مورد سيستمهاي جمع­آوري فاضلاب، تركيبي از آزمايشات شيميايي و ميكروبيولوژيكي مي­تواند از دقت كافي برخوردار باشد. در تحقيق حاضر، آزمايش غوطه­وري شيميايي جهت ارزيابي مقاومت SCC كه در موارد متنوعي مانند فونداسيونها، ديوارها، كفها، لوله ها و غيره استفاده مي­شود در مقابل اسيدسولفوريك، اتخاذ گرديده است. آزمايش غوطه­وري شيميايي بهترين تناسب را با اين هدف دارد زيرا اطلاعات ناچيزي درباره مقاومت SCC در برابر تهاجم اسيدسولفوريك وجود دارد. اين نگرش آزمايشي نتايج عمومي و كلي­تري در بازه گسترده كاربردها نسبت به آزمايشات ويژه بيوژنيك ارائه مي­نمايد.

جهت بررسي مقاومت بتن در برابر اسيدسولفوريك، 3 ديدگاه آزمايشي در تحقيقات اتخاذ گرديده است: شيميايي، ميكروبيولوژيكي و تستهاي در محل.[20]

4. مصالح مصرفي

سيمان نوع I مطابق با استاندارد ASTM مورد استفاده قرار گرفت كه تركيب شيميايي آن در جدول (1) ارائه گرديده است. نانوسيليس مورد استفاده از كارخانجات داخل كشور تهيه­شده كه نتيجه تجزيه شيميايي آن در جدول (1) نشان داده شده است. از مواد افزودني شيميايي جهت دستيابي به خصوصيات خود تراكمي شامل فوق روان كننده پلي كربكسيلاتي اتري (PCE)، 2 درصد وزني سيمان و هوازا (AEA)، 0.2 درصد وزني سيمان جهت افزايش لزجت استفاده شد. سنگدانه هاي مورد استفاده از مصالح محلي تهيه گرديدند که درشت دانه مصرفي با حداکثر اندازه 19mm و ريزدانه با حداکثر اندازه 4.75mm که هردو با رطوبت طبيعي مورد استفاده قرار گرفتند. چگالي شن مصرفي در حدود 2.68  و جذب آب آن 0.5% و چگالي ماسه مصرفي در حدود 2.73 و جذب آب آن 0.8% مي­باشد.

 

جدول 1-  تركيب شيميايي سيمان ونانوسيليس مصرفي

	SiO2	Al2O3	Fe2O3	CaO	MgO	SO3	Na2O	K2O
nanosilica	97.6	0.06	-	-	-	-	-	-
cement	20.1	5.04	3.08	64.3	1.13	2.09	0.3	0.38

آماده سازي نمونه ­ها

در اين مقاله از 3 طرح اختلاط  استفاده شده است که در جدول (2) قابل مشاهده مي­باشند. مقدار سيمان در تمامي طرحها 450Kg/m3 و درصد آب به سيمان (w/c) 50% مي­باشد.

 

جدول 2 – طرح اختلاطهاي مورد استفاده

Mixture	w/c	Water (Kg/m3)	Cement (Kg/m3)	S1 (Kg/m3)	G2 (Kg/m3)	SP3(%)	AEA4(%)	NS5(%)
2.5%nano	0.5	225		960	640	2	0.2	2.5
5%nano	0.5	225	450	960	640	2	0.2	5
7.5%nano	0.5	225	450	960	640	2	0.2	7.5

1. S: Sand   2. G: Gravel   3. SP: Superplasticizer   4. AEA: Air Entraining Agent   5. NS: Nano silica

 

آزمايشهاي انجام شده

آزمايش اسلامپ: اين آزمايش جهت ارزيابي خاصيت پرکنندگي بوده [26] که شامل يک مخروط ناقص با قطر 200mm در پايين و 100mm در بالا و ارتفاع 300mm مي­باشد که قطر بتن تخليه شده در دو جهت را اندازه­گيري کرده و ميانگين آنها گزارش مي­گردد.

 

شكل 4- آزمايش جريان اسلامپ

 

 

آزمايش رينگ J: آزمايش رينگ J در دانشگاه paisley توسعه يافت. اين روش جهت بررسي خاصيت عبوري بتن طراحي شده است که شامل مخروط ناقص آزمايش اسلامپ و يک حلقه فلزي با قطر 300mm و ارتفاع 100mm با ميلگردهاي عمود بر صفحه پاييني مي­باشد (شکل 5).[26]

 

 

 

شكل 5- آزمايش رينگ J

 

آزمايش قيف V: اين آزمايش توسط Ozawa  و همکارانش در ژاپن توسعه يافت که جهت بررسي خاصيت پرکنندگي بتن با ماکزيمم اندازه سنگدانه 20mm طراحي گرديده است. در اين آزمايش زمان تخليه بتن از داخل قيف مورد بررسي قرار مي­گيرد (شکل 6).[26]

شكل 6- آزمايش قيف V

 

آزمايش قيف U: اين آزمايش توسط مرکز تحقيقات فناوري مؤسسه Taisei در ژاپن ابداع گرديد که يک طرف آن را با بتن پر کرده و سپس دريچه را مي­گشاييم که در قسمت پاييني دريچه­اي با سه ميلگرد φ13 قرار دارد. قيف U  خاصيت عبوري SCC را مورد ارزيابي قرار مي­دهد(شکل 7).[26]

 

 

شكل 7- آزمايش جعبه U 

آزمايش قيف L: اين آزمايش شامل يک جعبه با مقطع مستطيل شکل (شکل 8) مي­باشد که جهت اندازه­گيري خاصيت عبوري بکار مي­رود بدين منظور ارتفاع بتن در ابتدا و انتهاي قسمت پاييني قيف اندازه گرفته شده و نسبت آنها مورد ارزيابي قرار مي­گيرد.[26]

 

 

شكل 8- آزمايش جعبه L

 

آزمايش مقاومت فشاري نمونه استوانه­اي: نمونه هاي استوانه­اي به ابعاد 30*15 سانتي­متر برطبق دستورالعمل ASTM C39 پس از قرار گيري در آب معمولي، در سنين 14، 28 و 90 روزه مورد آزمايش قرار گرفتند.

آزمايش كاهش مقاومت و وزن اسيدي: پس از 14 روز عمل­آوري در آب، سه نمونه از هر طرح اختلاط در محلول اسيدسولفوريك (H2SO4) 3 درصد براي 2، 4 و 6 هفته در يك ظرف پلاكسي­گلاس غوطه­ور گرديدند. پس از هر دو هفته قرارگيري در اسيد، سطح نمونه هاكه بوسيله اسيد خورده شده بود با آب شير شسته و پاك گرديد. مقاومت شيميايي توسط اندازه گيري كاهش وزن (WL) و كاهش مقاومت فشاري (SL) نمونه هابه ترتيب توسط معادلات زير مورد ارزيابي قرار گرفت.

(7)   

(8)

كه W1 و W2 وزن نمونه ها(برحسب گرم) به ترتيب پيش و پس از هر دوره از غوطه­وري مي­باشند. و fc1 مقاومت فشاري نمونه هاي كنترل و fc2 مقاومت فشاري نمونه هاپس از قرارگيري در محيط 3 درصد اسيدسولفوريك در هر دوره است.

 

7. بحث و بررسي

در مورد تهاجم اسيدسولفوريك، اگرچه غالباً تشكيل گچ گزارش شده اما در مورد نتايج تشكيل آن، اتفاق نظر وجود ندارد. برخي از مؤلفين معتقدند كه غيرقابل­حل بودن نسبي گچ تشكيل يافته سبب مي­گردد تا سرعت فرآيند تخريب كاهش يابد در حاليكه برخي ديگر از مؤلفين گزارش نموده­اند كه بخاطر تشكيل گچ، انبساط و ترك­خوردگي رخ خواهد داد [27].

جريان اسلامپ: چنانچه از شكل 9 مشخص مي­باشد نمونه شامل 5 درصد نانوسيليس، بيشترين قطر را در آزمايش جريان اسلامپ از خود نشان داده است و در رده دوم مقدار پيشنهادي مؤسسه EFNARC [26] جاي مي­گيرد (66 تا 77 سانتي­متر) كه بتني مناسب تلقي مي­گردد. اما در بتن­هاي 2.5 و 7.5 درصد نانو، لزجت بتن زياد بوده و در رده اول، قرار دارند (55 تا 65 سانتي­متر) همچنين در هيچ­يك از بتن­ها آب ­انداختگي مشاهده نگرديد.

 

شكل 9- نتايج آزمايش جريان اسلامپ

 

حلقه J: هرچه اين اختلاف ارتفاع بيشتر باشد بيانگر قابليت عبوري كمتر بتن موردنظر خواهد بود. در بتن شامل 5 درصد نانوسيليس اين اختلاف كمتر از ساير موارد بوده كه نشانگر قابليت عبور برتر اين بتن مي­باشد. با اين حال، طبق پيشنهاد EFNARC[26] بتن شامل 2.5 درصد نانوسيليس نيز شرط لازم در اين آزمايش را راضی مي­نمايد (اختلاف ارتفاع كمتر از 1 سانتي­متر) اما بتن شامل 7.5 درصد نانوسيليس كه در آزمايش نيز به شكل گلبرگ بود خاصيت عبوري لازم را ندارد. (شكل 10)

 

شكل 10- نتايج آزمايش حلقه J

 

قيف V: اين آزمايش جهت بررسي قابليت پركنندگي بتن خودتراكم، بكار گرفته مي­شود. علاوه بر اينكه زمان تخليه بتن از قيف گزارش مي­گردد با مشاهدات ديداري، مي­توان نظر خود را در مورد يكنواختي و كيفيت بتن تخليه شده نيز ثبت نمود. زمان عبور در بتن شامل 5 درصد نانوسيليس از سايرين، كمتر بوده و با توجه به پيشنهاد EFNARC[26] در خصوص زمان عبور كه بين 6 تا 12 ثانيه مي­باشد، مشاهده مي­گردد كه در بتن شامل 7.5 در نانو با زمان 13.4 ثانيه، ضعيف­ترين خاصيت عبوري كسب شد.

 

شكل 11- نتايج آزمايش قيف V

 

جعبه L: از اين آزمايش جهت ارزيابي خاصيت عبوري بتن خودتراكم، استفاده مي­شود. بنابر پيشنهاد EFNARC[26] جهت اقناع شرايط خودتراكمي، نسبت h2/h1 بايد بين 0.8 تا 1 باشد. چنانچه در شكل 12 مشاهده مي­گردد تنها بتن شامل 5 درصد نانو است كه اين شرط را راضی مي­نمايد و دو بتن ديگر فاقد نسبت مناسب هستند.

 

شكل 12- نتايج آزمايش جعبه L

 

جعبه U: اين آزمايش نيز جهت بررسي توانايي بتن خودتراكم در عبور از موانع مي­باشد، اما تفاوت آن با ديگر آزمايش­هاي عبوري در اينست كه بتن مورد نظر بايد بتواند برخلاف جهت جاذبه زمين (وزن خود) حركت نمايد. حداكثر اختلاف ارتفاع در طرفين جعبه كه توسط EFNARC[26] پيشنهاد گرديده 3 سانتي­متر مي­باشد. با توجه به شكل 13 مشاهده مي­گردد كه بتن شامل 7.5 درصد نانوسيليس اين شرط را اقناع نكرده و در بتن داراي 5 درصد نانوسيليس بهترين نتيجه كسب شده­است.

 

شكل 13- نتايج آزمايش جعبه U

 

مقاومت فشاري نمونه استوانه­اي: چنانچه در شكل مشاهده مي­گردد مقاومت فشاري تمام نمونه ­ها نسبت به زمان افزايش مي­يابد. با اين حال، بهترين مقاومت فشاري در بتن شامل 5 درصد نانوسيليس كسب گرديده است. همچنين در سن 14 تا 28 روزه، افزايش مقامت بيشتري نسبت به سن 28 تا 90 روزه داشته­ايم كه به نظر مي­آيد بخاطر سطح ويژه بالاي نانوسيليس چنين اتفاقي رخ داده­است.

 

	14(day)	28(day)	90(day)
2.5% nano	235	288.4	327.7
5% nano	251.9	300	331.5
7.5% nano	245.1	291.8	329

جدول 3- نتايج آزمايش مقاومت فشاري نمونه استوانه­اي در شرايط عادي(برحسب Kg/cm2)

 

درصد كاهش مقاومت در محيط اسيدي: نتايج حاصل از اين آزمايش براي بتن­هاي غوطه ­ور در محيط 3 درصد اسيدسولفوريك در سنين 2، 4 و 6 هفته، ارائه گريده است. نمونه­ ها را قبل از آزمايش با آب شير شسته و سطح آنها را پاك كرده و به مدت 24 ساعت در دماي 20 درجه سانتي­گراد قرار داديم. چنانچه در شكل مشاهده مي­گردد در نمونه شامل 5 درصد نانوسيليس در تمامي سنين افت مقاومت بيشتري به وقوع پيوسته است. همچنين با افزايش زمان قرارگيري نمونه­ ها در محيط اسيدي، افت مقاومت آنها بيشتر گرديد. كمترين كاهش مقاومت مربوط به نمونه 2.5 درصد نانوسيليس است كه در كل مي­توان اين امر را به PH محلول نانوسيليس (PH=10) نسبت داد.

 

شكل 14- نتايج آزمايش كاهش مقاومت اسيدي

 

درصد كاهش وزن در محيط اسيدي: پيش از قرارگيري نمونه هادر محلول 3 درصد اسيد سولفوريك، به مدت 24 ساعت آنها را در دماي 20 درجه سانتي­گراد، قرار داده و سپس وزن اوليه آنها محاسبه شد. پس از قرارگيري نمونه هاو شستشو و پاك نمودن، آنها را به مدت 24 ساعت در دماي 20 درجه سانتي­گراد قرار داده و وزن آنها تعيين گرديد، سپس درصد كاهش وزن نمونه ­ها بدست آمد. چنانچه در شكل 15 ديده مي­شود تمامي نمونه­ ها در سن 2 هفته، داراي افزايش وزن بوده­اند كه مقدار آن با درصد منفي نشان داده شده و تنها در نمونه داراي 7.5 درصد نانو در سن 4 هفته­اي، همچنان افزايش وزن داشته­ايم. بعلاوه مشاهده مي­گردد كه با افزايش درصد نانوسيليس، درصد كاهش وزن نمونه ­ها كمتر شده­است.

 

شكل 15- نتايج آزمايش كاهش وزن اسيدي

 

8. نتيجه ­گيري

در اين مقاله پس از تبيين فرآيندها و علل خوردگي بتن توسط اسيدسولفوريك، به بررسي تأثير اين نوع خوردگي در بتن­هاي خودتراكم شامل نانوسيليس پرداخته شد كه نتايجي به شرح ذيل حاصل گرديد:

با توجه به اينكه هزينه هاي تعمير و نگهداري در سازه هاي بتني كه در معرض خوردگي اسيدسولفوريك قرار دارند بسيار گزاف مي­باشد لازم است پيش از ساخت، اين امر، مدنظر قرار گرفته و به كيفيت بتن مصرفي، توجه ويژه­اي شود.

چنانچه در نتايج آزمايش جريان اسلامپ و قيف V مشاهده گرديد بتن­هاي شامل 2.5 و5 درصد نانوسيليس، داراي خواص پركنندگي مقتضي بودند كه البته بتن شامل 5 درصد نانوسيليس، ارجحيت داشت.

با توجه به نتايج آزمايش­هاي رينگ J و جعبه U، ديده مي­شود كه در اين دو آزمايش بتن­هاي شامل 2.5 و 5 درصد نانوسيليس، نتايجي مناسب داشته­اند كه مبين خاصيت عبوري مطلوب اين دو طرح بوده اما در نتيجه آزمايش جعبه L، تنها بتن شامل 5 درصد نانوسيليس است كه در بازه پيشنهادي EFNARC قرار دارد و بنظر مي­آيد اين مقدار را مي­توان از حداقل 0.8 به حداقل 0.75 تقليل داد.

در مورد بررسي پديده هاي آب­انداختگي و جداشدگي، با توجه به اينكه براي رسيدن به طرحهاي بهينه 16 طرح با درصدهاي متفاوتي از مواد افزودني بررسي گرديدند كه از ارائه آنها احتراز شده است، هيچ­گونه آب­انداختگي و جداشدگي در نمونه هارؤيت نگرديد.

آزمايش مقاومت فشاري نمونه هاي استوانه­اي نشان مي­دهد كه با افزايش دوره عمل­آوري، در سن 14 تا 28 روزه، افزايش مقاومت بيشتري، نسبت به سن 28 تا 90 روزه، مشاهده گرديد كه اين امر را مي­توان به سطح ويژه بالاي نانوسيليس نسبت داد، همچنين بهترين مقاومت فشاري مربوط به نمونه حاوي 5 درصد نانوسيليس مي­باشد.

در آزمايش مقاومت نمونه هادر محيط اسيدي، رؤيت گرديد كه با افزايش زمان قرارگيري نمونه هادر محيط اسيدي، درصد كاهش مقاومت فشاري آنها افزايش يافته است و همچنين بهترين نتايج (كمترين كاهش مقاومت) مربوط به نمونه حاوي 2.5 درصد نانوسيليس مي­باشد.

در بررسي كاهش وزن نمونه هادر محيط اسيدي مشاهده گرديد كه در سن 14 روزه، تمام نمونه هاو در سن 28 روزه، نمونه داراي 7.5 درصد نانو افزايش وزن داشته­اند. همچنين طولاني­تر شدن دوره قرارگيري در محيط اسيدي، ميزان كاهش وزن را زياد مي­كند. بعلاوه كمترين كاهش وزن­ها مربوط به نمونه حاوي 7.5 درصد نانوسيليس بوده است.

9. مراجع
10. Willem De Muynck, Nele De Belie, Willy Verstraete," Effectiveness of admixtures, surface treatments and antimicrobial compounds against biogenic sulfuric acid corrosion of concrete", Cement & Concrete Composites 31 (2009) 163–170.
11. Peter C. Hewlett, "Lea’s Chemistry of Cement and Concrete", 4^th edition, ARNOLD, ISBN: 0340565896, 1998, pp.324-327.
12. Zhang L, De Schryver P, De Gusseme B, De Muynck W, Boon N, Verstraete W. "Chemical and biological technologies for hydrogen sulfide emission control in sewer systems: a review". Water Res 2008;42(1–2):1–12.
13. Daczko JA, JOhnson DA, Amey SL. Decreasing concrete sewer pipe degradation using admixtures. Mater Perform 1997;36(1):51–6.
14. Vincke E, Wanseele EV, Monteny J, Beeldens A, Belie ND, Taerwe L, et al. "Influence of polymer addition on biogenic sulfuric acid attack of concrete. Int Biodeter Biodegrad 2002;49(4):283–92.
15. Vipulanandan C, Liu J. Performance of polyurethane-coated concrete in sewerenvironment. Cem Concr Res 2005;35(9):1754–63.
16. Vipulanandan C, Liu J. Glass–fiber mat-reinforced epoxy coating for concrete in sulfuric acid environment. Cem Concr Res 2002;32(2):205–10.
17. Liu J, Vipulanandan C. Evaluating a polymer concrete coating for protecting non-metallic underground facilities from sulfuric acid attack. Tunn Undergr Sp Technol 2001;16(4):311–21.
18. Redner JA, Hsi RP, Esfandi EJ, Sydney R. Evaluation of protective coatings for concrete. Califiornia: County Sanitation Districes of Los Angeles County; 1998.
19. Sand W, Dumas T, Marcdargent S. Accelerated biogenic sulfuric-acid corrosion tests for evaluating the performance of calcium-aluminate based concrete in sewage applications. In: Kearns JR, Little BJ, editors. Microbiologically influenced corrosion testing, ASTM ATP 1232. Philadelphia: American Society for Testing and Materials; 1994.
20. Vaidya S, Montes C, Allouche EN. Use of nanomaterials for concrete pipe protection. In: Proceedings advances and experiences with trenchless pipeline projects city; 2007.
21. Shiwei G. Synergistic protection against microbiologically influenced corrosion using a 100% solids polyurethane incorporated with anti-microbial agents.

Synergistic_Protection_Against_MIC.pdf>; 2004.

13. Hewayde E, Nakhla G, Allouche E. Effect of metal oxide coating on generation of sulfide in concrete sewer pipes. In: Chidiac S, Proceedings 1st Canadian conference on effective design of structures city, McMaster University; 2005.
14. Alum A, Rashid A, Mobasher B, Abbaszadegan M. Cement-based biocide coatings for controlling algal growth in water distribution canals. Cem Concr Compos 2008;30(9):839–47.
15. Do J, Song H, So H, Soh Y. Antifungal effects of cement mortars with two types of organic antifungal agents. Cem Concr Res 2005;35(2):371–6.
16. علي اكبر رمضانيانپور، طيبه پرهيزكار،حميد رحماني، "آسيب ديدگيهاي بتن در محيطهاي اسيدي و ارائه راه حل مناسب جهت كاهش خرابي ها" اولين كنگره ملي مهندسي عمران، ارديبهشت 1383.
17. Brendt,M.L.,”Protection of Concrete in Cooling Towers from Microbiologically Influnced Corrosion”,Geothermal Resources Council Transactions,Vol. 25,3-7,San Diego,2001.
18. Elke Vinckea, Ellen Van Wanseelea, Joke Montenyb, Anne Beeldensc, Nele De Belieb, Luc Taerweb, Dionys Van Gemertc, Willy Verstraetea; Influence of polymer addition on biogenic sulfuric acid attack of concrete International Biodeterioration & Biodegradation 49 (2002) 283 – 292.
19. J. Monteny, E. Vincke, A. Beeldens, N. De Belie, L. Taerwe, D. Van Gemert,W. Verstraete, Chemical, microbiological, and in situ test methods for biogenic sulfuric acid corrosion of concrete, Cem. Concr. Res. 30 (4) (2000) 623–634.
20. M.T. Bassuoni, M.L. Nehdi, " Resistance of self-consolidating concrete to sulfuric acid attack with

consecutive pH reduction" Cement and Concrete Research 37 (2007) 1070–1084.

21. Zhen-Tian Changa,*, Xiu-Jiang Songa,b, Robert Munna, Marton Marosszekya,"Using limestone aggregates and different cements for enhancing resistance of concrete to sulphuric acid attack",Cement and Concrete Research 35 (2005) 1486 – 1494.
22. N. De Beliea,*, J. Montenya, A. Beeldensb, E. Vinckec, D. Van Gemertb, W. Verstraetec, "Experimental research and prediction of the effect of chemical and biogenic sulfuric acid on different types of commercially produced concrete sewer pipes", Cement and Concrete Research 34 (2004) 2223–2236.
23. Elke Vinckea, Ellen Van Wanseelea, Joke Montenyb, Anne Beeldensc, Nele De Belieb, Luc Taerweb, Dionys Van Gemertc, Willy Verstraete," Influence of polymer addition on biogenic sulfuric acid attack of concrete" International Biodeterioration & Biodegradation 49 (2002) 283 – 292.
24. Serdar Aydın_, Halit Yazıcı, Hu¨ seyin Yig˘ iter, Bu¨ lent Baradan,"Sulfuric acid resistance of high-volume fly ash concrete", Building and Environment 42 (2007) 717–721.
25. A. K. Tamimi," High-performance concrete mix for an optimum protection in acidic conditions", Materials and Structures/Mat~riaux et Constructions, Vol. 30, April 1997, pp 188-191.
26. EFNARC, The European guidelines for self compacting concrete,The European federation of specialist construction chemicals and concrete systems, <www.efnarc.org>. 2002.
27. ALI ALLAHVERDI, FRANTIŠEK ŠKVÁRA," ACIDIC CORROSION OF HYDRATED CEMENT BASED MATERIALS PART 1. - MECHANISM OF THE PHENOMENON", Ceramics - Silikáty 44 (3) 114-120 (2000).

Investigation the rheological properties and sulfuric acid resistance of SCC containing NS

Gh. Fallah¹, H. Gh. Mousavi Nejad²

1. MSc, Department of Civil Engineering , The University of Mohaghegh ardebili, Ardebil,  I.R. Iran.
2. Assistant Professor, Department of Civil Engineering, The University of Guilan, Rasht, I.R. Iran. 

Abstract

First sample of SCC developed by Okamura.

RESEARCH INQUERIES

Considering that the use of SCC has developing in concrete projects and such as other type of concretes damaged by sulfuric acid attack, in this research rheological properties and sulfuric acid resistance of self-compacting concrete (SCC) containing Nano-Silica (NS) have been investigated.

RESEARCH METHOD

For achieving self-compactibility, a Poly Carboxylate Ether (PCE) super plasticizer and Air-Entraining Agent (AEA) 2 and 0.2 per cent by weight of cement used, respectively. Cement amount and W/C ratio were 450 Kg/m3 and 0.5 in all mixture, respectively. NS added 2.5, 5 and 7.5 per cent by weight of cement.

CONCLUSION

Then measured the rheological properties of SCC, compressive strength, Strength Loss (SL) and Weight Loss (WL) of specimens after 2, 4 and 6 weeks exposing to 3% sulfuric acid solution have been evaluated. The results indicate that in SCC containing 2.5% NS least and in 5% NS most reduction of compressive strength occurred.