کاهش دمای هیدراتاسیون بتن | 3 فاز + 5 راهکار

هیدراتاسیون سیمان در بتن دارای مراحل مختلفی است. این فرایند گرماده در چند فاز واکنشی رخ می‌دهد.

هر مرحله تأثیر جداگانه بر میزان گیرش و مقاومت نهایی بتن خواهد داشت.

شناسایی این فازهای گرماده و نحوه کنترل هریک، می‌تواند در پروژه‌های مختلف بسیار تأثیرگذار باشد.

در این مقاله، ابتدا فرایند افزایش دمای هیدراتاسیون تشریح شده و در نهایت راه‌های کاهش دمای هیدراتاسیون بتن بررسی شده است.

3 مرحله هیدراتاسیون سیمان در بتن

هیدراتاسیون سیمان یک فرایند گرماده است که در سه فاز اصلی رخ می‌دهد.

مرحله اول — تشکیل اترینگایت اولیه

پس از مخلوط شدن سیمان و آب رخ می‌دهد و اوج‌گیری دما اتفاق می‌افتد.

آلومینات (C₃A) با H₂O و یون‌های کلسیم و سولفات واکنش داده و اترینگایت (هیدرات آلومینات) را تشکیل می‌دهد.

انرژی گرمایی ناشی از این واکنش، باعث تسریع گیرش اولیه می‌شود.

در نتیجه این واکنش، در سطح ذرات سیمان پوششی از نوع اترینگایت تشکیل می‌شود.

این پوشش، دسترسی ذرات سیمان به H₂O را کاهش داده و سرعت واکنش را کاهش خواهد داد.

از این فاز برای انتقال و ریختن بتن استفاده می‌شود.

مرحله دوم — تشکیل ژل C-S-H

به دلیل واکنش بین سیلیکات کلسیم (C₃S و C₂S)، افزایش گرما ایجاد می‌شود که باعث ایجاد هیدرات سیلیکات C-S-H می‌گردد.

ایجاد هیدرات سیلیکات همچنین تأثیر عمده‌ای بر مقاومت بتن در گیرش ثانویه دارد.

کنترل دمای داخلی بتن در این مرحله بسیار مهم است. زیرا دمای بتن می‌تواند به سرعت افزایش یابد تا به دمایی در حدود ۷۰ تا ۸۰ درجه سلسیوس برسد.

در این دما، حداکثر درجه حرارت مطلوب واکنش حاصل شده است. از طرفی ذرات آزاد کاهش واکنش‌پذیر در اثر اترینگایت اولیه یافته است.

بنابراین سرعت افزایش دما نیز طی این فرایند کاهش می‌دهد. این مرحله غالباً با مقاومت مطلوبی به پایان می‌رسد.

بعد از تکمیل واکنش، می‌توان قالب اطراف بتن را باز کرد.

مرحله سوم — ادامه آهسته هیدراتاسیون

پس از مرحله دوم، روند هیدراتاسیون کمی کند شده و به آرامی ادامه خواهد یافت.

در نهایت ذرات سیمان موجود در ساختار بتن و آب به واکنش خود ادامه داده تا مقاومت بتن به حداکثر مقدار خود برسد.

تأثیر دما بر هیدراتاسیون سیمان

دمای محیط هنگام اختلاط، بتن‌ریزی و عمل‌آوری بتن در هیدراتاسیون سیمان نقش دارد.

اگرچه همه سیمان‌ها واکنش یکسانی از خود نشان نمی‌دهند، اما به طور معمول با افزایش دما، زمان گیرش کاهش می‌یابد.

به طور کلی، نوسان ۱۰ درجه فارنهایت می‌تواند حدود ۳۳ درصد زمان گیرش را تغییر دهد.

دمای ایده‌آل واکنش سیمان، به طور معمول از ۵۰ تا ۷۰ درجه سلسیوس متغیر است.

دمای زیر ۵۰ درجه سلسیوس باعث کاهش شدید هیدراتاسیون می‌شود. هنگامی که دما به زیر ۴۰ درجه می‌رسد، رشد مقاومت اولیه هم به طور قابل توجهی کم می‌شود.

دمای بحرانی و تشکیل α-C2SH

با افزایش دما، سرعت هیدراتاسیون سیمان بیشتر می‌شود و در نتیجه زمان گیرش کاهش پیدا می‌کند.

اما در دمای بالاتر از ۲۳۰ درجه فارنهایت (۱۱۰ درجه سلسیوس)، محصولات هیدراتاسیون تشکیل‌شده تفاوت قابل ملاحظه‌ای با محصولات به دست آمده در دمای متعارف دارند.

فازهای آلیت و بلیت هیدراته می‌شوند تا α-C₂SH متبلور به جای C-S-H آمورف به دست آید.

α-C₂SH ماده‌ای متبلور و نسبتاً متراکم است. از آنجا که نفوذپذیری بالا و مقاومت فشاری کمی ایجاد می‌کند، مضر است.

با افزودن سیلیس ریز آسیاب‌شده مانند آرد سیلیس (ماسه سیلیسی با سایز ۰.۱ تا ۰.۳ میلی‌متر) به ساختار بتن، می‌توان از تشکیل α-C₂SH جلوگیری کرد یا آن را به حداقل رساند.

برای تهیه این ماده، می‌توانید از ماسه سیلیسی (کوارتز) استفاده کنید.

اترینگایت تأخیری (DEF) — خطر اصلی دمای بالای هیدراتاسیون

هنگامی که دمای محیط از ۷۰ درجه عبور می‌کند، هیدراتاسیون بیش از حد سریع می‌شود و می‌تواند منجر به نتایج مضر شود.

اترینگایت تأخیری (DEF) زمانی رخ می‌دهد که بتن در سنین اولیه دمای بالای ۷۰ درجه را تجربه کند.

در این شرایط، اترینگایت اولیه به جای اینکه به شکل پایدار باقی بماند، به شکل متاستابل (ناپایدار) تشکیل می‌شود.

سپس در طول زمان، این اترینگایت ناپایدار مجدداً متبلور شده و انبساط ایجاد می‌کند.

نتیجه: ترک‌خوردگی، جمع‌شدگی پلاستیک، مقاومت ۲۸ روزه پایین‌تر و کاهش مقاومت نهایی بتن.

دمای آب مخلوط نیز در هیدراتاسیون نقش اساسی دارد. زیرا دمای بتن را تغییر می‌دهد.

دمای آب مخلوط را می‌توان تنظیم کرد، اغلب از طریق سرد کردن آب یا افزودن یخ به آب.

5 راهکار کاهش دمای هیدراتاسیون بتن

در شرایطی که دمای محیط بتن‌ریزی بالا باشد، عملاً هیچ‌یک از راهکارهای ساده جوابگو نیستند.

تنها راه مقرون‌به‌صرفه، استفاده از افزودنی‌های جایگزین سیمان است. اصطلاحاً به این محصولات پوزولان می‌گویند.

۱. استفاده از پوزولان (مهم‌ترین راهکار)

با افزودن پوزولان با درجه فعالیت مناسب، می‌توان افزایش دمای هیدراتاسیون را به شدت کاهش داد.

پوزولان‌ها علاوه بر کاهش عیار سیمان مصرفی و دمای هیدراتاسیون، منجر به افزایش روانی بتن تازه می‌شوند.

به‌علاوه طی واکنش پوزولانی، منجر به رشد مقاومت بلندمدت بتن نیز می‌گردند.

لذا یکی از راه‌های پیشنهادی جهت کاهش دمای هیدراتاسیون بتن و جلوگیری از بروز پدیده اترینگایت تأخیری، استفاده از انواع پوزولان‌های موجود در کشور است.

۲. جایگزینی بخشی از سیمان با سرباره

سرباره آهن با فعالیت پوزولانی بالا، جایگزین مناسبی برای بخشی از سیمان است.

این محصول، دمای هیدراتاسیون را کاهش داده و مقاومت بلندمدت را افزایش می‌دهد.

برای مشاهده مشخصات، به صفحه پودر سرباره آهن (کوره بلند) مراجعه کنید.

۳. استفاده از سیمان سبز

سیمان سبز نوع ۱ که در واقع نوعی پوزولان اصلاح‌شده می‌باشد را می‌توان تا ۵۰ درصد جایگزین سیمان کرد.

با این کار، ضمن کاهش جذب آب بتن، افزایش مقاومت و روانی بتن را نیز شاهد خواهیم بود.

برای مشاهده مشخصات، به صفحه سیمان سبز (سرباره فعال‌سازی‌شده) مراجعه کنید.

۴. استفاده از میکروسیلیکا گرید A

میکروسیلیکا گرید A (سوپر پوزولان) یکی از انواع پوزولان‌های موجود است که ضمن افزایش مقاومت، منجر به کاهش شدید جذب آب بتن می‌شود.

برای مشاهده مشخصات، به صفحه میکروسیلیس گرید A مراجعه کنید.

۵. کنترل دمای آب مخلوط

دمای آب مخلوط را می‌توان از طریق سرد کردن آب یا افزودن یخ به آب تنظیم کرد.

این راهکار مکمل پوزولان‌ها است و به تنهایی کافی نیست.

نقش پوزولان‌ها در کاهش دمای هیدراتاسیون بتن

شرکت بنابنیان زیست فناور به عنوان اولین و تنها شرکت تخصصی فعال در زمینه پوزولان‌ها و فعال‌سازی آن‌ها در کشور از سال ۱۳۹۴ شروع به فعالیت کرده است.

این مجموعه دانش‌بنیان در پارک علم و فناوری همدان مستقر می‌باشد.

مقایسه پوزولان‌ها برای کاهش دمای هیدراتاسیون بتن

با استفاده از مشاوره‌های تخصصی مجموعه ما، می‌توانید سرباره آهن با فعالیت بالا را تا درصدهای بیش از ۴۰ درصد در فرمول به‌کار ببرید.

سوالات متداول درباره کاهش دمای هیدراتاسیون بتن

چرا کاهش دمای هیدراتاسیون بتن مهم است؟

دمای بالای هیدراتاسیون (بالای ۷۰ درجه) منجر به تشکیل اترینگایت تأخیری (DEF)، ترک‌خوردگی و کاهش مقاومت نهایی بتن می‌شود.

دمای ایده‌آل برای هیدراتاسیون سیمان چقدر است؟

دمای ایده‌آل واکنش سیمان معمولاً ۵۰ تا ۷۰ درجه سلسیوس است. دمای زیر ۴۰ درجه باعث کاهش شدید رشد مقاومت اولیه می‌شود.

اترینگایت تأخیری (DEF) چیست؟

DEF زمانی رخ می‌دهد که بتن در سنین اولیه دمای بالای ۷۰ درجه را تجربه کند. اترینگایت ناپایدار در طول زمان مجدداً متبلور شده و انبساط و ترک ایجاد می‌کند.

بهترین راهکار کاهش دمای هیدراتاسیون بتن چیست؟

استفاده از پوزولان‌ها (سرباره، سیمان سبز، میکروسیلیکا) مؤثرترین و اقتصادی‌ترین راهکار است.

سیمان سبز تا چند درصد جایگزین سیمان می‌شود؟

سیمان سبز نوع ۱ را می‌توان تا ۵۰ درصد جایگزین سیمان کرد، ضمن کاهش جذب آب و افزایش مقاومت.

آیا نمونه آزمایشگاهی برای تست پوزولان‌ها ارسال می‌کنید؟

بله، شرکت بنابنیان نمونه آزمایشگاهی برای تست در محل شما ارسال می‌کند.

محصولات مرتبط بنابنیان

• سیمان سبز (سرباره فعال‌سازی‌شده)
• پودر سرباره آهن (کوره بلند)
• میکروسیلیس گرید A
• پودر زئولیت
• ماسه سیلیسی (کوارتز)
• الاستوکریت

منابع معتبر خارجی

• ACI 305R — Guide to Hot Weather Concreting
• ASTM C150 — Standard Specification for Portland Cement
• ScienceDirect — Heat of Hydration in Concrete

نتیجه‌گیری

کاهش دمای هیدراتاسیون بتن یکی از مهم‌ترین دغدغه‌های مهندسان عمران در پروژه‌های حجیم است.

دمای بالای هیدراتاسیون (بالای ۷۰ درجه) منجر به تشکیل اترینگایت تأخیری (DEF)، ترک‌خوردگی و کاهش مقاومت نهایی می‌شود.

استفاده از پوزولان‌ها مانند سرباره آهن، سیمان سبز و میکروسیلیکا، مؤثرترین راهکار کاهش دمای هیدراتاسیون بتن است.

این مواد با کاهش عیار سیمان، کاهش دمای هیدراتاسیون و افزایش روانی بتن، کیفیت نهایی را بهبود می‌دهند.

شرکت بنابنیان زیست فناور با عرضه باکیفیت‌ترین پوزولان‌های طبیعی و صنعتی، آماده همکاری با پروژه‌های عمرانی شماست.