تهیه کننده:
موضوع : خواص الکتریکی بتن
فهرست
مقدمه………………………………………………3
چکیده………………………………………………5
آزمایش مقاومت الکتریکی………………………………9
مقاومت الکتریکی بتن برحسب اهم………………………10
آز شاخص الکتریکی بتن در برابر یون……………………13
آزمایش نیم پل ویژه مقاومت الکتریکی……………………15
منابع…………………………………………………17
* مقدمه
ترکیب منحصر به فرد فولاد و بتن، بتن را به عنوان یکی از مرسومترین مصالح ساختمانی در جهان ساخته است. با این وجود کمبود دانش در خصوص عملکرد دراز مدت بتن و شدت اثرات محیطی باعث به وجود آمدن مشکلات قابل توجهی میشود.
مکانیزهای خرابی مختلفی همچون خوردگی میلگردهای فولادی، عمل ذوب و انجماد، تهاجم سولفات و نظایر آن عملکردسازههای بتنی را به مخاطره میاندازد در این بین، خوردگی میلگردهای فولادی مهمترین مکانیزم خرابی سازههای بتنی در شرایط محیطی خورنده میباشد . خوردگی میلگرد به دو طریق به بتن مسلح آسیب میرساند. اول اینکه باعث کاهش سطح مقطع میلگرد میگردد. دوم اینکه محصولات خوردگی با حجمی بزرگتر از خود فولاد را را به وجود میآورد. این افزایش حجم با ایجاد تنشهای کششی در بتن منجر به ترکخوردگی و در نهایت خرابی سازه میگردد .
بتن معمولاً محافظت خوبی از آرماتور در برابر خوردگی به سبب قلیائیت بالای محلول منفذی (12/5 و بالاتر) مهیا میسازد. این قلیائیت بالا باعث تشکیل لایه انفعالی بر سطح میلگرد میگردد که از توسعه خوردگی فعال جلوگیری میکند. با این وجود، این حالت انفعالی میتواند با تخریب لایه محافظ بوسیله یونهای مهاجم (کلریدها) یا اسیدی شدن محیط اطراف میلگردها
(کربناسیون) از بین برود . علاوه بر این، بتن خوب متراکم شده و صحیح عملآوری شده با یک نسبت آب به سیمان کم، نفوذپذیری کمی دارد که نفوذ آلایندههای آغازکننده خوردگی همانند کلرید، دیاکسیدکربن، رطوبت و غیره تا سطح فولاد را به حداقل میرساند. همچنین، مقاومت ویژهی الکتریکی بالای بتن آهنگ خوردگی را با کاهش جریان الکترکی از سایتهای آندی به کاتدی محدود میسازد.
از این رو پی بردن به خواص بتن و پیشبینی عملکرد آن در محیطهای مهاجم از اهمیت ویژهای برخوردار است. عوامل متعددی بر عملکرد بتن در این محیطها تاثیر میگذارند که یکی از آنها عیار سیمان موجود در مخلوط است. اگر سیمان موجود در مخلوط ناکافی باشد، بتن به درستی متراکم نمیگردد و بافتی لانهزنبوری با سایر معایب سطحی در آن به وجود میآید که موجب تسهیل راهیابی عوامل آسیبرسان به درون آن میگردد . از طرف دیگر مقدار سیمان زیاد با افزایش حجم خمیر سیمان که مهمترین عامل تخلخل در بتن است، باعث افزایش تخلخل مخلوط میگردد . بنابراین عیار سیمان نقش بسیار مهمی را در مقاومت و پایایی بتن ایفا میکند که در این پژوهش تاثیر آن بیشتر از دیدگاه خوردگی میلگردهای مدفون مورد مطالعه قرار گرفته است.
* چکیده
یکی از عوامل اصلی خرابی زودرس در سازه های بتن مسلح، خوردگی میل گردها می باشد و مهم ترین عامل در افزایش سرعت این تخریب نفوذپذیری بتن به شمار می رود. از سوی دیگر، روش های مختلفی برای ارزیابی نفوذ پذیری بتن وجود دارد. با تعیین رابطه ای بین این روش ها می توان مهندسان را در انتخاب روش مناسب ارزیابی و درک به تر مکانیزم آن ها یاری رساند. مقاومت الکتریکی بتن شاخصی مناسب برای ارزیابی نفوذپذیری بتن و مقاومت آن در مقابل نفوذ یون کلراید می باشد. این روش کاملاً غیر مخرب است و سادگی، سرعت و اقتصادی بودن آن بر کاربرد این روش می افزاید. در این تحقیق، به منظور یافتن رابطه ای مناسب میان مقاومت الکتریکی و نفوذ پذیری بتن (مانند نفوذ آب و نفوذ یون کلراید)، آزمایش های گوناگونی بر روی 72 طرح اختلاط بتن، انجام شده و روابط میان آن ها بیان گردیده است. علاوه بر آن، عوامل تاثیرگذار بر نتایج آزمایش ها بیان شده و در مورد محدودیت های موجود در برقراری ارتباط بین آن ها بحث شده است. نتایج نشان دهنده ی وجود رابطه ی توانی مناسبی میان مقاومت الکتریکی بتن و نفوذپذیری آن می باشد. در نتیجه، از نتایج این تحقیق می توان دریافت که با دقت مناسبی می توان از آزمایش مقاومت الکتریکی به منظور تعیین میزان نفوذپذیری نمونه های بتنی استفاده نمود.
بتن که میزان تولید آن بالغ بر 8/3 بیلیون مترمکعب در سال تخمین زده می شود، به علت دارا بودن خواص و ویژگی های ممتاز و نیز در دسترس بودن مصالح آن، پس از آب، پرمصرف ترین ماده روی زمین به شمار می رود. بتن در همه جا موجود است و در یکصد سال اخیر، استفاده از آن در ساخت بناهای مسکونی و اداری، پیاده روها، راه ها و جاده ها و نیز انواع مختلف ساختمان های فنی عملکردی از قبیل کارخانه ها، پارکینگ ها، متروها، فرودگاه ها، پل ها، سدها، سیلوها، سازه های دریایی، رآکتورهای اتمی و سازه های مقاوم در برابر انفجارات و زلزله، مقبولیتی همگانی پیدا کرده است.
چنانچه از عنوان این نوشتار برمی آید، بتن یک ماده متناقض است. بتن با اینکه تداعی کننده مفهوم سختی است، لیکن در ابتدای فرآیند اختلاط مواد تشکیل دهنده اش، نرم و روان است؛ اگرچه بتن، بر اساس تعریفی که از آن سراغ داریم، یک ماده پیوندی و چندرگه است که از اختلاط سیمان، آب، ماسه و مصالح دانه ای معدنی از قبیل شن یا سنگریزه به دست می آید، اما معمولا به عنوان یک ماده یکپارچه و دارای شخصیت مستقل در نظر گرفته می شود. بتن شکل ذاتی و طبیعی بخصوصی ندارد و از این رو باید با استفاده از قالب بندی به شکل معینی درآورده شود؛ یعنی شکل و بافت نهایی بتن را قالبی که بتن به درون آن ریخته می شود، تعیین می کند.
بتن می تواند هر رنگ، بافت و طرحی را به خود بگیرد، از این رو شاید بتوان آن را به یک آفتاب پرست تشبیه کرد. رنگ بتن اغلب خاکستری ست، اما از طریق انتخاب سیمان و مصالح دانه ای مناسب یا با استفاده از رنگدانه های شیمیایی می توان به آسانی آن را در رنگ های سفید، قهوه ای یا حتی قرمز روشن تولید کرد. بتن بسته به قالب مورد استفاده در تولید آن، می تواند صاف و ساده یا دارای طرح های دقیق و پیچیده باشد؛ بتن می تواند همچون شیشه صاف باشد یا همچون صخره زمخت و ناصاف. بتن ممکن است بدون پرداخت رها شده یا همچون یک تندیس به دقت روی آن کار شود. در واقع، بتن، با توجه به ویژگی های خاص سطح آن، یک فرآورده واحد نیست، بلکه طیف گسترده ای از مصالح را دربرمی گیرد که از نظر بافت، رنگ و بیان معمارانه از قابلیت های بی شماری برخوردار است.
ترکیب مقاومت فشاری سنگ و مقاومت کششی فولاد در بتن مسلح، سازه های بتنی را قادر به تحمل وزن بسیار زیاد و پوشش دهانه های بزرگ می سازد. از آنجایی که عناصر تشکیل دهنده سازه بتن مسلح می توانند بصورت یک شبکه پیوسته و یکپارچه، به هم بافته شوند، استفاده از بتن مسلح در طراحی سازه، آن را از قابلیت انعطاف پذیری بی نظیری برخوردار می کند. معماران و مهندسان از این ویژگی برای خلق عناصر ساختمانی مختلف، از صفحات بتنی یکپارچه گرفته تا قاب های سازه ای سه بعدی و کنسول های عظیم و مهیب، بهره می گیرند.
در سال های اخیر استفاده محدودی از آرماتورهای غیر فلزی آغاز گشته است هر چند تحقیقات بر روی کاربرد وسیعتر آنها و عملکرد دراز مدت این نوع آرماتورها ادامه دارد این آرماتورها که معروف به آرماتورهای با الیاف پلاستیکی (FRP) هستند از الیاف مختلفی چون الیاف شیشه ای (GFRP) الیاف آرامیدی (Afrp) والیاف کربنی (CFRP) در یک رزین چسباننده تشکیل شده اند.
خاصیت عمده این آرماتورها که سبب کار برد آنها شده است مقاومت در برابر خوردگی آنهاست که می تواند در محیط های بسیار خورنده دوام دراز مدتی داشته باشند. علاوه بر این مقاومت بالا، مقاومت به خستگی بالا، ظرفیت بالای تغییر شکل ارتجاعی، مقاومت الکتریکی زیاد و هدایت مغناطیسی پایین و کم این مواد از مزایای آنها شمرده می شود. البته این مواد معایبی چون کرنش گسیختگی کم و شکننده بودن و خزش زیاد و تفاوت قابل ملاحظه ضریب انبساط حرارتی آنها در مقایسه با بتن را به همراه دارند.
اخیراً از الیاف مختلف شبکه هایی بافته شده و به صورت یک شبکه آرماتور در سطح بتن برای کنترل ترک و کم کردن عرض آن و همچنین در دیوارهای نمای بتنی ازآن استفاده می کنند. تحقیقات روی کاربرد صفحات الیافی به جای صفحات فولادی برای تقویت قطعات خمشی و تیرها و دال ها به ویژه در پل ها ادامه دارد. این صفحات با رزین های اپوکسی به نواحی کششی از خارج اتصال داده می شود. کاربرد صفحات با الیاف کربنی برای این تقویت بیشتر رایج گشته و در چندین پل در ژاپن و در بعضی کشورهای اروپایی از آن استفاده شده است.
به دلیل مزایای بالا به عنوان یک جایگزین مناسب برای آرماتورهای فولادی در سازه های دریایی ، سازه پارکیمگ ها ، عرشه های پل ها، ساخت بزرگراه هایی که بطور زیادی تحت تاثیر عوامل محیطی هستند و در نهایت سازه هایی که در برابر خوردگی و میدانهای مغناطیسی حساسیت زیادی دارند پیشنهاد می کند.
* آزمایش مقاومت الکتریکی بتن
خوردگی پدیده الکترو شیمیائی است . عملا" میلگرد بصورت آندو بتن کاتد می شود و یک جریان الکتریکی بین میلگرد و سطح بتن بوجود می آید . مسلما" دراین حالت تحرک یون ها را شاهد هستیم . هر چه این حرکت بیشتر و سهل تر انجام شود به مفهوم آنست که مقاومت در برابر تحرک یونی کمتر است و با هدایت الکتریکی بتن بیشتر می باشد . بنابراین باید گفت یکی از راههای ساده آزمایش دوام بتن ، تعیین مقاومت ویژه الکتریکی آن می باشد . مقاومت الکتریکی بتن نیز مانند مقاومت هر جسم مرکب دیگر تابع اجزاء آن و ارتباط اجزاء با یکدیگر است . مقاومت الکتریکی سنگدانه ها و خمیــــــر سیمان سخت شده و نسبت مقدار هر یک در بتن و همچنین کیفیت وجه مشترک ( ناحیه انتقالی ) و مصرف افزودنیهای پودری معدنی تاثیر زیادی در مقاومت الکتریکی بتن دارد . وجود رطوبت و اشباع مقاومت الکتریکی را کم می کند . وجود ترکهای ریز که با آب پر شود به شدت مقاومت الکتریکی را کاهش می دهد . حتی اگر بجای آب از محلول آب نمک یا آب دریا استفاده کنیم افت شدیدی در مقاومت الکتریکی مشاهده خواهیم نمود . بنابراین سعی می شود مقاومت الکتریکی بتن های اشباع با آب نمک یا آب دریا اندازه گیری شود . اندازه گیری مقاومت الکتریکی ساده است . کافی است دو صفحه برنجی یا مسی را کاملا" در تماس با سطح نمونه بتن قرار دهیم و با یک اهم متر مخصوص ، مقاومت الکتریکی را بدست آوریم . اما این مقاومت الکتریکی باید بدون توجه به اثر ابعاد گزارش شود یعنی باید مقاومت ویژه الکتریکی تعیین و اعلام گردد تا بتوان آنرا با سایر بتن ها مقایسه نمود . برای این منظور از رابطه زیر استفاده می شود .
* مقاومت ویژه الکتریکی بتن بر حسب اهم متر
R مقاومت الکتریکی قرائت شده از دستگاه
A سطح نمونه ( سطح تماس صفحه برنجی با بتن )
L فاصله بین دو صفحه تماس ( طول نمونه )
اعتقاد بر آن است که هرچه مقاومت ویژه الکتریکی بیشتر باشد بتن با دوام تر و مطلوب تری داریم.
مقاومت ویژه الکتریکی بتن اشباع نوع بتن از نظر دوام در برابر خوردگی
بیشتر از 200 عالی
200 -120 خوب
120- 50 متوسط
کمتر از 50 ضعیف
برای اتصال مناسب صفحه برنجی با بتن معمولا" لایه نازکی از خمیــر سیمان نسبتا" شل را بکار می برند و صفحه را با فشار به خمیر سیمان و سطح بتن چسبانیده و اندازه گیری را به انجام می رسانند .
میتوان گفت هیچ آزمایشی به سادگی و اعتبار این آزمایش برای تعیین کیفیت بتن بویژه از نظر تحرک یون کلر و OH در داخل بتن نمی باشد . اما جالب است بدانیم این آزمایش هنوز دارای دستورالعمل استانداردی نیست . هم چنین اختلاف نظر علماء بتن برای اندازه گیری R
( مقاومت اهمی ) و Z ( مقاومت ظاهری با در نظر گرفتن اثر القائی و خازنی ) بحث برانگیز است . برخی اعتقاد دارند کافی است R را بسادگی اندازه گیری کنیم و برخی معتقدند که در بتن اثر خازنی وجود دارد و باید وسایلی را بکار برد که بتواند Z را مشخص نماید ( بویژه در بتن های میکروسیلیس دار ) ، برخی نیز معتقدند که تفاوت چندانی بین Z و R عملا" وجود ندارد .
امید است در آینده بتوان برای کنترل دوام بتن از این آزمایش سریع و کم هزینه استفاده نمود و باید دانست الزاما" مقاومت فشاری بیشتر به معنای مقاومت ویژه الکتریکی نمی باشد .
بتن های حاوی میکروسیلیس بسته به میزان میکروسیلیس ، مقاومت الکتریکی 3 تا 10 برابر مقاومت الکتریکی بتن مشابه ولی بدون میکروسیلیس را دارا است در حالیکه مقاومت فشاری بتن ممکنست فقط 5 تا 15 درصد افزایش یابد . البته باید گفت اندازه گیری مقاومت ویژه الکتریکی بتن سخت شده داخل قطعه کار دشواری است .
اگر میلگرد و بتن را مانند یک مدار برقی در نظر بگیریم اختلاف پتانسیل ، مقاومت و شدت جریان در آن وجود دارد . بدیهی است هر چه مقاومت الکتریکی بیشتر شود شدت جریان کمتر می گردد و شدت خوردگی نیز کم می شود . ضمن اینکه مقاومت الکتریکی بیشتر ، آغاز خوردگی را به تاخیر می اندازد .
برخی اعتقاد دارند باید مقاومت الکتریکی بتن سطحی ( پوشش روی میلگرد ) را اندازه گیری کرد که منطقی بنظر می رسد .
* آزمایش شاخص الکتریکی قابلیت مقابله بتن در برابر نفوذ یون کلر :
در آزمایش ASTM C1202 مقدار جریان الکتریکی عبوری از استوانه ها با مغزه های بتنی به قطر 102 میلی متر و ضخامت 51 میلی متر در مدت 6 ساعت با اختلاف پتانسیل ثابت 60 ولت
( جریان مستقیم ) بدست می آید . یک نمونه در محلول نمک طعام و دیگری در سود روز آمد
قرار دارد . مقدار کل جریان برحسب کولمب نمایانگر مقاومت بتن در برابر نفوذ یون کلر است و بصورت زیر طبقه بندی میشود .
نفوذ پذیری بتن در برابر یون کلر جریان عبوری ( کولمب )
ــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ
زیاد بیش تر از 4000
متوسط 4000-2000
کم 2000-1000
خیلی کم 1000-100
ناچیز کمتر از 100
همانگونه که دیده میشود آزمایشهای متعددی برای کنترل دوام بتن بویژه در برابر یون کلر ابداع شده است که بخشی از آنها که در ایران رایج تر می باشد از نظر گذشت . آزمایشهای دیگری نیز در کشورهای مختلف دنیا مانند ژاپن و کشورهای اسکاندیناوی وجود دارد و هنوز این آزمایشها در مراحل گسترش و توسعه هستند . از جمله مشکلات کار این است که هنوز ارتباط دقیقی بین نتایج آزمایشها و بحث خوردگی بدست نیامده است تا بتوان عمر قطعه را تعیین کرد . ضریب نفوذ
یون کلر و یا آزمایشهای شدت خوردگی از همه آزمایشها کاربردی تر هستند و میتوان بر اساس آنها عمر را تخمین زد .
با این حال خوردگی نیاز به سه عنصر یون کلر ، رطوبت و اکسیژن دارد و وجود هر کدام به تنهائی نمیتواند خوردگی در میلگرد بتن بوجود آورد . برخی معتقدند قلیائیت بتن نیز در شروع خوردگی موثر است که منطقی بنظر میرسد بنابراین با نتایجی که از این آزمایشها بدست می آید نمیتوان دقیقا" دوام را تخمین زد .
توصیه میشود تا پیشرفت علمی بیشتر در این زمینه از ضوابط آئین نامه ای استفاده گردد . سعی شده است نرم افزارهائی برای تخمین عمر سازه های بتن مسلح تهیه شود که در آنها اطلاعات جغرافیایی و محیطی وجود دارد و با دادن اطلاعاتی در مورد قطعه ، میلگرد و بتن موجود
( خصوصیات بتن شامل نوع سیمان ، نسبت آب به سیمان ، عیار سیمان و افزودنی ها ) بتوان عمر سازه را حدس زد . در ایران نیز اقداماتی برای تهیه این نرم افزار با توجه به شرایط محیطی موجود و اطلاعات دیگر محلی و داده های لازم در حال انجام است و سعی میشود نقایص نرم افزارهای قبلی اصلاح گردد .
* آزمایش نیم پیل ( Half Cell ) ویژه مقاومت الکتریکی بتن
همانگونه که گفته شد واقعا" یک جریان الکتریکی در بتن مسلح وجود دارد . پس باید بتوان آن را اندازه گیری نمود . اگر یک سر سیم را به میلگرد وصل کنیم و سر دیگر سیم را به کمک یک الکترود به سطح بتن مرطوب بچسبانیم و در این فاصله ولت متری را قرار دهیم ، اختلاف پتانسیل را بر صفحه دستگاه مشاهده می نماییم که در حدود چند ده تا چند صد میلی ولت است.
بسته به نوع الکترود مصرفی ، ولتاژ قرائت شده متفاوت خواهد بود و قابل تبدیل به یکدیگر
می باشند ، آزمایش نیم پیل دارای دستور العمل استاندارد برای کارگاه می باشد اما دستور استاندارد آزمایشگاهی ندارد . در کارگاه ASTM الکترود مس ـ سولفات مس را توصیه کرده است و در آزمایشگاه معمولا" از الکترود کالومل اشباع استفاده میشود .
ASTM . C876 شروع فعالیت خوردگی را به صورت احتمالی و بشرح ذیل مشخص کرده است.
احتمال شروع فعالیت خوردگی اختلاف پتانسیل v با الکترود مس ـ سولفات مس (mv )
بیش از 90 درصد 350< v
حدود 50 درصد 200
کمتر از 10 درصد v < 200
در این آزمایش باید میلگردها بصورت متصل تداوم داشته باشند و قطع در آنها باعث اختلال در نتایج می گردد . باید دانست که این آزمایش فقط اختلاف پتانسیل موجود را به دست می دهد که پتانسیل خوردگی نام دارد و به هیچ وجه آهنگ خوردگی یا میزان خوردگی میلگرد را به نمایش نمی گذارد .
در آزمایشهای آزمایشگاهی معمولا" میلگردی را داخل یک استوانه بتنی قرار می دهند و بخش عمده ای از بتن را در داخل آب دریا یا آب نمک ( با غلظت های متفاوت ) می گذارند و یک سر سیم را به میلگرد خارج از آب و الکترود را داخل آب دریا یا آب نمک قرار می دهند و ولتــاژ را قرائت می کنند .
این آزمایش مستقیما" کیفیت بتن را بدست نمی دهد فقط می توان کیفیت بتن را در مقایسه با یکدیگر ارزیابی کرد ونشان داد کدام نمونه زودتر و کدام یک دیرتر فعالیت خوردگی را آغاز می نمایند .
آزمایش نیم پیل و ارقام ذکر شده فقط برای میلگردهای بدون پوشش ( گالوانیزه ، اپوکسی و .. . . ) کاربرد و مفهوم دارند و برای میلگردهای پوشش دار و صنعت متفاوت خواهد بود.
* منابع :
> http://www.irancivilcenter.com/fa/articles/view/?article_id=64
> http://zohrab10.blogfa.com
> http://www.hamkelasy.com/content/view/145/43/
> http://lightweightconcrete.persianblog.com/1385_7_LightWeightConcrete_archive.html
1