هنگامی که ترک های بتونی: چگونه علم می تواند ساختمانها را نجات دهد

بتن است دومین ماده مورد استفاده در زمین، فقط با آب بهترین است. این بسیار رایج است که مردم تمایل دارند آن را به عنوان یک خاکستری ، خاکستری و کسل کننده ببینند.

اما بتن به هیچ وجه کسل کننده نیست. از قناتهای برجسته رومی گرفته تا بادبان های خانه اپرای سیدنی ، این “سنگ مایع” در تاریخ بشر جاری شده و به مبانی تحت اللفظی جامعه مدرن سخت شده است. و فقط به این دلیل که بتن باستان است به این معنی نیست که ما هنوز در مورد آن یاد نمی گیریم.

محققان NIST بتن را مطالعه کرده اند بیش از 100 سالبشر متخصصان NIST در مورد هر جنبه بتن از مقیاس وسیع کل ساختمانها وجود دارند ، همه راه تا مولکول های اساسی و نحوه تعامل آنها. این تخصص باعث می شود NIST منحصر به فرد قادر به مقابله با سؤالات علمی در مورد بتن و عملکرد آن باشد.

برخی از تحقیقات اخیر ما بر واکنشهای شیمیایی غیر عمدی متمرکز شده است که باعث می شود بتن با نتایج فاجعه بار ترک شود. ما تازه شروع به درک چگونگی عملکرد این واکنش ها کرده ایم و برای جلوگیری از آنها چه کاری می تواند انجام شود. تحقیقات مشخص ما در حال حاضر میلیارد ها دلار برای دولت های ایالتی صرفه جویی کرده است ، و ما در تلاش هستیم تا به صاحبان خانه کمک کنیم تا شکاف های گران قیمت در پایه های خانه خود را برطرف کنند.

در واقع بتن چیست؟

بیایید با اصول اولیه شروع کنیم.

دستور العمل اصلی بتن فقط دارای سه ماده است: سیمان ، آب و سنگهای کوچک.

سیمان پیچیده ترین این سه است. در طبیعت یافت نمی شود-باید با گرم کردن سنگ آهک و خاک رس تا دمای ذوب سنگ انجام شود. سپس با سایر مواد معدنی مخلوط می شود و به یک پودر ریز زمین می پردازد تا سیمان نهایی شود. این پودر دارای یک خاصیت شیمیایی شگفت انگیز است: وقتی آب اضافه می کنید ، شروع به سخت شدن می کند.

حتی اگر مردم می گویند سیمان تازه “مرطوب” است و سیمان سخت “خشک” است ، آب هرگز در واقع نمی گذارد. هیدروژن و اکسیژن حاصل از آب با پودر سیمان واکنش نشان می دهد تا مولکول های جدیدی از سیمان سخت ایجاد شود.

سنگ ها و ماسه ها را می توان به عنوان پرکننده به سیمان اضافه کرد. این “کل” بتن نهایی را ارزان تر و قوی تر از سیمان می کند. به طور معمول ، 60 ٪ -80 ٪ بتن جمع می شود.

سیمان ، آب و سنگهای کوچک. به نظر می رسد یک فرمول ساده است ، اما روش های زیادی برای اشتباه کردن چیزها وجود دارد. کنترل کل به ویژه دشوار است. سنگهای مورد استفاده برای کل تقریباً همیشه از معادن در نزدیکی محل ساخت و ساز حفر می شوند و مواد معدنی غیر عمدی زیادی در آنها دارند. معمولاً انواع مختلفی از مواد معدنی مسئله ای نیست ، اما گاهی اوقات می تواند واکنش های شیمیایی را شروع کند که باعث ترک خوردگی بتن می شود. سرطان بتن یکی از مشهورترین این واکنش ها است.

سرطان بتنی

اصطلاح فنی برای سرطان بتن “واکنش قلیایی-سیلیکا” یا ASR است. این اتفاق می افتد که بتن حاوی نوع خاصی از کل برای مدت طولانی مرطوب بماند.

سیمان تازه به اندازه سفید کننده سوزناک است. اگر به دقت آن را کنترل نکنید ، می تواند از نظر شیمیایی پوست شما را بسوزاند. از نظر علمی ، سیمان بسیار قلیایی است ، برعکس اسیدی. هنگامی که سیمان سخت می شود ، لمس آن قدرتمندتر و ایمن است. اما اگر سیمان سخت شده برای مدتی خیس شود ، آن رطوبت می تواند یونهای را از سیمان شسته و آب بسیار قلیایی را در حفره های کوچک در کل بتن درست کند. برخی از انواع مصالح می توانند با این آب سوز آور واکنش نشان دهند تا یک ژل شفاف ، سفید یا زرد رنگ ایجاد کنند که آب را جذب می کند و به آرامی درون بتن گسترش می یابد. این شروع سرطان بتن است.

ژل در حال گسترش به بیرون فشار می دهد. شکستگی موهای زائد در سطح بتن. ناحیه اطراف ترک ها گاهی اوقات رنگ زرد را از ژل می گیرد. موارد شدید و بدون کنترل ، سرطان بتن می تواند باعث از بین رفتن ساختار شود.

می گوید: “این یک روند آهسته است که سالها یا حتی ده ها سال طول می کشد.” پره، یک مهندس سازه که رهبری مطالعه را انجام داده است. “اما با گذشت زمان بدتر می شود و آسیب غیر قابل برگشت است.”

دانشمندان از دهه 50 در مورد سرطان بتن می دانند ، اما به خوبی مورد مطالعه قرار نگرفت. هیچ کس نمی دانست که آیا این ترک ها بلافاصله خطرناک است یا فقط زشت است.

در سال 2009 ، کارشناسان فوراً برای پاسخ به این سؤال نیاز داشتند. نیروگاه هسته ای ایستگاه Seabrook ، که بزرگترین منبع قدرت در نیو انگلستان است ، علائم اولیه سرطان بتونی را نشان داد. در کمیسیون نظارتی هسته ای (NRC) می خواست بداند که آیا این گیاه ایمن است و چه کاری می تواند برای کند کردن واکنش انجام شود. آنها از NIST خواستند که پدیده را مطالعه کند.

طی چند سال آینده ، NIST سرطان بتن را در آزمایشگاه بازآفرینی کرد. محققان نمونه های بزرگی از بتن را ساختند و به طور عمدی آن نمونه ها را با نوع مناسب از کل مسموم کردند تا باعث ایجاد ASR شوند. سپس با نگه داشتن نمونه ها در یک اتاق خاص در حدود 24 درجه سانتیگراد (75 درجه فارنهایت) و 95 ٪ رطوبت ، آنها واکنش شیمیایی را افزایش دادند ، بنابراین این اتفاق در طول ماه ها و نه سالها اتفاق می افتد. آنها سپس نمونه های آلوده را با پرس هیدرولیک بزرگ فشرده و کشیدند تا ببینند که چگونه مقادیر مختلف ASR بر قدرت بتن تأثیر می گذارد.

در بخش عمده ای از تحقیقات NIST ، NRC تعیین کرد که در صورت مدیریت رطوبت در Seabrook ، ASR هیچ مشکلی ایجاد نمی کند. NRC نیروگاه را برای 20 سال خدمت دیگر دوباره تأیید کرد. ادامه کار فقط برای 10 سال دیگر منجر به بیشتر خواهد شد بیش از 2 میلیارد دلار پس انداز ماساچوست به تنهایی در هزینه های برق و فعالیت اقتصادی.

واکنش قلیایی-سیلیکا (ASR): تهدید ساکت برای زیرساخت های بتونی

مشکل پیروتوتیت

از حدود سال 2015 ، هزاران نفر از صاحب خانه در کانکتیکات شروع به یافتن ترک در پایه های خانه های خود کردند. مقادیر کمیاب یک ماده معدنی به نام پیروتوتیت (تلفظ pyr · rho · tite) باعث ایجاد شکاف ها در دهه ها پس از ساخت خانه ها شد. در بسیاری از خانه ها ، این ترک ها خراب بودند. تنها راه رفع آنها ، بلند کردن کل خانه با جک ها ، پاره کردن بتن قدیمی و مجدداً کل پایه است.

هزاران خانه ها و سازه های دیگر در مناطق اطراف نیز پیدا شد که این مسئله را داشته باشد و تعویض بنیاد گاهی اوقات هزینه می کند بیش از ارزش کل خانه روی آن نشسته است.

پیروتوتیت یک ماده معدنی ساخته شده از آهن و گوگرد است. در صورت وجود آب ، در یون های آهن و اسید سولفوریک حل می شود. هر دو ماده شیمیایی برای بتن بد هستند. آهن به یک جامد تبدیل می شود که کمی بزرگتر از گذشته است و به سمت بتن بیرون می رود. اسید سولفوریک می تواند آنچه را که محققان بتونی “حمله سولفات” می نامند ، شروع کند. این باعث می شود مواد جامد در حال گسترش بیشتر در داخل بتن ایجاد شود و در سیمانی که بتن را در کنار هم نگه می دارد ، می خورد.

تحقیقات nist به رهبری استفانی واتسون با یافتن راههای مؤثر برای تشخیص آن ، تأثیرات پیروتوتیت را کاهش می دهد.

واتسون توضیح داد: “تشخیص پیرتوتیت واقعاً دشوار است.” “ما مجبور شدیم چند رویکرد مختلف را امتحان کنیم. ما سعی کردیم نمونه های سوزاننده ، هضم آنها را با مواد شیمیایی ، تعبیه آنها در شیشه و عبور از اشعه ایکس از طریق آنها. اما هر روش مقدار متفاوتی از پیروتیتیت را برای همان نمونه پیدا کرد.”

بخشی از چالش این است که آنها به دنبال غلظت ریز و درشت ، کسری از 1 ٪ هستند.

واتسون گفت: “ما هنوز حداقل سطح پیروتوتیت مورد نیاز برای شروع واکنش را نمی دانیم.”

تیم واتسون تصمیم گرفت بهترین روش برای تشخیص مواد معدنی ، روندی به نام فلورسانس اشعه ایکس باشد. یک دستگاه فلورسانس اشعه ایکس به نمونه ای با اشعه ایکس برخورد می کند. اتمهای موجود در نمونه مقداری از آن انرژی را جذب می کنند و سپس آن را به عنوان اشعه X جدید در فرکانس متفاوت آزاد می کنند. هر اتم الگوی منحصر به فردی از اشعه ایکس را منتشر می کند. این مانند یک اسکنر بارکد برای اتم ها است.

اما برای کار کردن فلورسانس اشعه ایکس ، آنها به نمونه های استاندارد بتونی که با پیروتوتیت برای کالیبراسیون دستگاه ها استفاده می شوند ، نیاز دارند.

برای ایجاد مواد مرجع خود ، تیم واتسون پیشگام روشی برای ساخت پیروتوتیت خالص در آزمایشگاه بود. پس از ماهها آزمایش و خطا ، آنها فهمیدند که می توانند مواد معدنی را مجبور به شکل گیری کنید با قرار دادن آهن و گوگرد در یک ویال شیشه ای ، مکیدن تمام اکسیژن ، و سپس گرم کردن آن تا دمای شدید در یک کوره لوله.

مواد مرجع دارای چهار مؤلفه است: سیمان ، جمع ، ماسه و پیروتوتیت خالص برای تقلید از ترکیب نمونه های بتونی از خانه های دارای آسیب پیروتیت. این ماده مرجع در مراحل پایانی توسعه است و به زودی برای استفاده دیگران در دسترس خواهد بود.

این امر به محققان و شرکت ها این امکان را می دهد تا آزمایش ساده ای را انجام دهند تا ببینند پیرروتیت در مواد مختلفی است که قبل از ریختگی برای تهیه بتن استفاده می شود یا خیر. همچنین به صاحبان خانه این امکان را می دهد تا درخواست کنند که دولت محلی خود برای پیروتوتیت در پایه های موجود در خانه های خود آزمایش کند. در حال حاضر هیچ رفع مشخصی برای پیروتوتیت در سیمان سخت نشده وجود ندارد ، اگرچه در آینده ، واتسون و تیم وی قصد دارند درمان هایی را که ممکن است کار کنند ، مانند استفاده از روکش مقاوم در برابر رطوبت انجام دهند.

او می گوید: “پیوند دادن مقیاس میکروسکوپی شیمی تا مقیاس ساختاری کل یک خانه ، یک چالش بزرگ است.” “اما این تحقیق تأثیر زیادی بر هزاران خانه فعلی و آینده خواهد گذاشت.”