تأثير عيار سيمان بر كيفيت بتن
افزایش عیار سیمان با ثابت بودن مقدار آب بتن، موجب كاهش نسبت آب به سیمان می‌شود و تأثیر نسبت آب به سیمان بر كیفیت بتن كاملاً شناخته شده است. با افزایش عیار سیمان، مقدار آب و حجم خمیر سیمان افزایش می‌یابد. ضمن بهبود كارآیی، موجب كاهش مقاومت و دوام بتن می‌شود. به هر حال كاهش عیار سیمان تا آن جا ممكن است كه حجم خمیر سیمان برای ایجاد كارآیی و چسباندن سنگدانه‌ها كافی باشد. به جای مفهوم عیار سیمان، گاه نسبت سنگدانه به سیمان بكار می‌‌رود.
افزایش حجم خمیر سیمان نسبت به حداقل ممكن می‌تواند به افزایش حجم حفرات منجر شود و از نظر دوام، با كاهش كیفیت همراه شود. افزایش حجم خمیر سیمان، جمع شدگی خودزا، جمع شدگی خمیری ناشی از تبخیر در بتن تازه و جمع شدگی ناشی از خشك شدگی در بتن سخت شده را به دنبال میآورد كه موجب كاهش مقاومت و دوام بتن می‌شود. كاهش حجم خمیر سیمان تا حداقل ممكن به كاهش حجم حفرات و پیچ در پیچ شدن لوله‌های موئینه به واسطه افزایش حجم سنگدانه منجر و ثبات حجمی بیشتری حاصل، در نتیجه منجر به افزایش مقاومت و دوام می‌شود.
بدیهی است حداقل عیار سیمان و حداقل حجم خمیر سیمان تابع حداكثر اندازه سنگدانه و دانه بندی آن و سایر خصوصیات سنگدانه مانند شكل و بافت سطحی است. نمی‌توان دقیقاً مقدار مشخصی را برای آن تعیین كرد به هرحال لازم است تغییراتی در آیین نامه‌ها و مشخصات فنی موجود ایجاد نمود.
خواص خمیر سیمان سخت شده
بتن، حاوی سنگدانه و خمیر سیمان است كه ناحیه انتقالی نیز امروزه در فاصله سنگدانه و خمیر سیمان با ضخامت بسیار محدود وجود دارد. در واقع یك خمیر سیمان تضعیف شده و نفوذپذیرتر است. خواص خمیر سیمان به شدت تابع نسبت آب به سیمان است. در واقع میزان منافذ و حفرات موجود در خمیر سیمان را كنترل می‌كند. در یك بتن، نفوذپذیری تابع كیفیت خمیر سیمان و تا حدودی كیفیت ناحیه انتقالی است. اما از آن جا كه معمولاً سنگدانه باعث نشت مواد مختلف از درون بتن نمی‌شود، كیفیت خمیر سیمان و حجم آن مستقیماً بر این نشت پذیری اثر می‌گذارد و با ثابت بودن نسبت آب به سیمان، حجم خمیر سیمان كاملاً تأثیرگذار است. حفرات منافذ مورد نظر، حفرات موئینه هستند و شامل حفرات هوای ناشی از عدم تراكم كافی نیست. ضمناً حفرات ژلی به علت نفوذناپذیری مد نظر نیستند.
مقاومت بتن، مدول ارتجاعی، جذب آب، مقاومت الكتریكی و سایر ویژگیهای مكانیكی، فیزیكی و دوام بتن به شدت تابع مقدار این منافذ و توزیع اندازه آن‌ها هستند. با كم شدن شدید خمیر سیمان ممكن است تداخل ناحیه انتقالی پیش آید و هم چنین در صورت عدم تداخل این ناحیه‌ها، سهم این ناحیه در فضای بین سنگدانه‌ها زیاد می‌شود و كیفیت بتن دچار افت محسوس می‌شود.
علل تغییر حجم و جمع شدگی و حتی انبساط یك بتن، عمدتاً خمیر سیمان موجود در آن است. هر نوع جمع شدگی در خمیر سیمان به نحوی به جمع شدگی بتن می‌انجامد. ضمناً با افزایش حجم خمیر سیمان، حجم سنگدانه کاهش و حجم خمیر سیمان افزایش می‌یابد. این امر می‌تواند ترك‌های موئینه ناشی از جمع شدگی را بیشتر كند. این جمع شدگی می‌تواند از نوع خودزا و جمع شدگی خمیری ناشی از تبخیر در بتن خمیری تازه باشد، هر چند جمع شدگی خودزا می‌تواند در كنار جمع شدگی ناشی از خشك شدن بتن سخت شده به جمع شدگی بتن و احتمالاً ترك خوردگی بتن سخت شده بیانجامد.
همچنین جمع شدگی‌های اولیه مربوط به خمیر بتن است و می‌تواند با سهولت بیشتری در بتن تازه خمیری، ترك ایجاد نماید. قید جمع شدگی، وجود سنگدانه و ویژگیهای سطحی آن است و كاهش آن نمی‌تواند مفید باشد. بنابر این افزایش حجم خمیر سیمان و كاهش حجم سنگدانه و سطح جانبی آن به كاهش كیفیت مقاومتی و دوام ناشی از ترک‌های موئینه و غیر موئینه منجر می‌شود. بدیهی است حجم خمیر سیمان مناسب به حداكثر اندازه سنگدانه، دانه بندی آن، شكل و بافت سطحی سنگدانه‌ها مربوط می‌شود. با كاهش حداكثر اندازه سنگدانه، ریز بافت شدن دانه بندی، هم چنین تیز گوشه‌تر شدن دانه‌ها و زبرتر شدن بافت سطحی سنگدانه نیاز به حجم بیشتر خمیر وجود دارد و حداقل بهینه خمیر سیمان افزایش می‌یابد.
مطالعه نظری تأثیر عیار سیمان بر كیفیت بتن
دوام بتن معمولاً به میزان جذب آب و نفوذپذیری آن مربوط می‌شود. در بیشتر مواقع افزایش جذب آب و نفوذپذیری نشانه منافذ و حفرات بیشتر است و كاهش مقاومت فشاری و سایر ویژگیهای مكانیكی را به دنبال میآورد. برای آشنایی بیشتر با مسئله، یك مثال با ۳ عیار سیمان مختلف و یك نسبت آب به سیمان ثابت ارائه می‌شود. در یك بتن عیار سیمان ۳۲۰ کیلوگرم بر مترمکعب و در بتن‌های دیگر عیار سیمان ۴۸۰ و ۴۰۰ كیلوگرم بر متر مكعب است. چگالی ذرات عیار سیمان برای سهولت ۳/۲۰ و چگالی متوسط سنگدانه‌های اشباع ۲/۶۰ فرض می‌شود. درصد هوای بتن صفر است. نسبت آب به سیمان در همه بتن‌ها برابر ۰/۵۵ منظور شده است.
در این بتن‌ها كیفیت خمیر سیمان یكسان بوده زیرا نسبت آب به سیمان آن‌ها یكی است. اختلاف‌های موجود مربوط به تغییر عیار سیمان است. بدیهی است برای این كه كارآیی بتن شماره ۱ را به سطح بتن شماره ۲ برسد، لازم است از مواد روان كننده استفاده شود. برای اینكه كارآیی بتن شماره ۱ مانند بتن شماره ۳ شود نیاز به مقدار قابل توجهی فوق روان كننده است.
با استفاده از روان كننده، به دلیل توزیع بهتر سیمان در بتن، بهبود كیفی حاصل می‌شود كه به افزایش مجدد كیفیت كمك می‌كند.
بررسی تأثیر عیار سیمان بر برخی پارامترهای بتن
- افزایش عیار سیمان موجب می‌شود محیط بتن قلیایی‌تر شود. قلیایی‌تر بودن محیط در مورد واكنش زایی سنگدانه با قلیایی‌ها اثر تشدید كننده دارد و مطلوب نیست. قلیایی‌تر شدن محیط بتن باعث می‌شود این محیط دیرتر خاصیت قلیایی را از دست بدهد (مثل كربناته شدن).
- هر چند به علت نفوذپذیری بیشتر بتن از طرفی روند كربناته شدن تسریع می‌شود. قلیایی‌تر شدن محیط بتن با افزایش عیار سیمان می‌تواند آستانه شروع خوردگی میلگرد در بتن را بالاتر ببرد و میلگردها دیرتر زنگ بزند. از طرفی افزایش عیار سیمان می‌تواند نفوذپذیری یون كلرید را افزایش دهد.
- افزایش عیار سیمان موجب افزایش C3A در بتن می‌شود و می‌تواند به مقید شدن شیمیایی یون كلرید نفوذی كمك نماید و عملاً جلوی نفوذ را بگیرد.
- افزایش عیار سیمان موجب افزایش C3A می‌شود و می‌تواند بتن را در برابر تهاجم سولفات‌ها تضعیف نماید.
- نباید پنداشت كه با افزایش عیار سیمان و ثابت بودن نسبت آب به سیمان، همواره بهبود كیفی را شاهد خواهیم بود.
- هر چند افزایش عیار سیمان و ثابت بودن مقدار آب به كاهش نسبت آب به سیمان منجر می‌شود و افزایش كیفیت را خواهیم داشت. توصیه می‌شود كاهش نسبت آب به سیمان با كاهش آب همراه باشد نه افزایش مواد سیمانی تا بهبود مضاعفی را ایجاد کنند.
- در بتن خودتراكم به نظر می‌رسد كاهش عیار سیمان نیز باید مد نظر قرار بگیرد.
- برای حداكثر اندازه‌های كوچكتر، این حداقل می‌تواند افزایش یابد و برای حداكثر اندازه‌های بزرگتر قطعاً، حداقل عیار سیمان می‌تواند كاهش یابد.
- توصیه می‌شود در آیین نامه بتن ایران در مورد حداقل عیار مواد سیمانی برای مقابله با تهاجم سولفاتی تجدید نظر صورت گیرد.
