دانلود رایگان مقالات عمران و معماری

روش تعیین زمان گیرش اولیه و نهایی خمیر سیمان

هدف: زمان گيرش

دانسته ها: وقتی که پودر سیمان را با مقدار مناسبی آب مخلوط می­کنیم تبدیل به خمیر نرمی می­شود که در اثر مرور زمان حالت خمیری (پلاستیسیته) خود را از  دست داده و بالاخره تبدیل به جسم سختی می­گردد.

 زمان گيرش اوليه مدت زمان سپري شده از لحظه اختلاط آب و سيمان مي‌باشد.

گيرش اوليه سيمان بر اثر تري كلسيم سيليكات (C3S) انجام مي‌شود. با توجه به اين كه غلظت مخلوط (ميزان آب نسبت به سيمان) در سرعت گيرش سيمان و به عبارتي در سرعت كاهش رواني خمير تأثير مي‌گذارد، آزمايش تعيين زمان گيرش اوليه بايستي با مقدار آب مشخص (غلظت نرمال) صورت گيرد.

هرگونه حركت بن در زماني كه بتن در حالت سخت شدن است باعث كاهش پايايي و مقاومت فشاري بتن مي‌گردد.

بايستي قبل از زمان گيرش اوليه بتن در محل نهايي خود قرار گيرد. بر طبق تعریف تغییرات فیزیکی و شیمیایی مخلوط سیمان و آب را که باعث می­شود از حالت سیالی و خمیری به حالت جامد تبدیل گردد و بتواند یک فشار معینی را تحمل نماید خودگیری گویند. البته در خلال این مدت مقاومت فشاری مخلوط نیز زیاد می­گردد ولی مقصود از خود گرفتگی ازدیاد قدرت و سخت شدن که بعداً  مفصلاً بحث خواهد شد نیست. خودگیری و سخت شدن خمیر سیمان پرتلند عادی هر دو یکی می­باشند. در صورتیکه زمان لازم برای این که این دو سیمان به یک مقاومت معین برسند کاملاً متفاوت است.

همچنين اين آزمايش جهت بررسي كيفيت سيمانهاي مصرفي در كارگاه قابل استفاده است زيرا سيمانهاي فاسد شده داراي زمان گيرش بيش از حد متعارف مي‌باشند. زمان گيرش نهايي مدت زمان سپري شده از لحظه اختلاط آب و سيمان تا زماني است كه كارايي خمير به كلي از بين مي‌رود. بنابراين زمن گيرش نهايي مي‌تواند به عنوان زمان شروع عمليات نهايي هيدراسيون سيمان و خاتمه عمليات گيرش سيمان تلقي گردد.

زمان گيرش نهايي داراي كاربرد وسيعي نمي‌باشد ولي مي‌تواند جهت تعيين حد زماني عمليات پرداخت و ماله كاري نماي ظاهري بتن قابل استفاده باشد.

سرعت گيرش و سرعت سخت شدن (يعني كسب مقاومت) كاملاً مستقل از يكديگر مي‌باشد.

خودگیری کاذب (False Set) تیز گاهی در خمیر سیمان مشاهده می­شود. در این نوع سیمان بلافاصله بعد از چند دقیقه بعد از اضافه نمودن آب خمیر سیمان خود را می­گیرد و سخت می­شود. در این نوع خودگیری حرارت زیادی تولید نمی­شود و اگر چنانچه دوباره خمیر سخت شده را به هم بزنیم به صورت خمیر در می آید و خودگیری معمولی صورت می­گیرد. علت خودگیری کاذب آن است که در موقع آسیا کردن کلینکر  با سولفات متبلور کلسیم (CaSO4 , 2H2O) حرارت کلیتکر زیاد بوده و باعث از دست رفتن قسمتی یا تمام مولکولهای آب در سولفات متبلور کلسیم می­گردد و به صورت
 (Hemihydrate)  CaSO4, 1/2 H2O و یا (Dehydrate) CaSO4  حرارت کلینکر زیاد بوده و باعث از دست رفتن قسمتی یا تمامی مولکولهای آب در سولفات متبلور می­گردد و به صورت نوع سیمان اضافه می­شود Dehydrate  و یا Hemihydrate  اول جذب آب می­کنند تا به صورت سولفات متبلور کلسیم درآیند و مانند گچ خودگیری صورت می­گیرد. دلایل دیگری مانند وجود قلیائی ها در سیمان و غیره نیز ممکن است باعث خودگیری کاذب گردند. زمان خودگیری سیمان به دو مرحله تقسیم شده است که عبارتند از خودگیری اولیه (Initial) و خودگیری نهائی (Final Set).

 تفاوت گيرش كاذب با گيرش آني در آن است كه در گيرش كاذب مقدار قابل توجهي حرارت ايجاد مي‌گردد ولي در گيرش آني مقدار زيادي حرارت توليد مي‌گردد. از طرف ديگر در گيرش كاذب با بهم زدن سيمان بدون اضافه كردن آب دوباره حالت خميري بدست مي‌آيد در حالي كه در گيرش آني حالت خميري بدون اضافه كردن آب (و يا افزودنيهاي ديگر) ميسر نمي‌باشد. گيرش كاذب مي‌تواند به علت وجود گچ در سيمان يا قليايي‌هاي موجود در سيمان و يا فعال شدن C3S به وسيله وازدگي در رطوبت نسبتاً بالا باشد.     بعد از خود گیری نهایی رژیدیته)   rigidity) مقاومت بتن هنوز زیاد میگردد و این مرحله را سخت شدن( (hardening میگویند .                                                                                                               

در ایین نامه BS12  زمان خود گیری اولیه و نهایی سیمان ذکر شده است ولی در ایین نامه ASTM جدید فقط به زمان اولیه سیمان اکتفا  شده است.

برای اینکه سیمان قابل مصرف باشد لازم است که خمیر ان نه خیلی زود و نه خیلی دیر خود را بگیرد .

در حالت اول ممکن است قبل از اینکه وقت باشد بتن را از بتونیر به قالب انتقال داد بتن خود را بگیرد و سخت گردد و در حالت دوم اگر چنانچه زمان خودگیری بیش از اندازه لازم باشد باعث کند پیش رفتن بتن ریزی  تاخیر در کار خواهد گردید. 

مقدار اب موجود در خمیر سیمان بر زمان ان تاثیر زیاد دارد واز این جهت در ازمایشهایی که درباره زمان خود گیری در ایین نامه ها ذکر شده اول باید خمیری از سیمان را که دارای غلظت معین (Standard Consistency   )است ساخت و بعد ازمایش را انجام داد .

برای بدست اوردن مفدار اب لازم برای تولید این خمیر و همچنین برای اندازه  گیری زمان خودگیری از دستگاه دیکت که در شکل(2) نشان داده شده است استفاده میکند این دستگاه تشکیل شده از یک پایه فلزی A که به ان یک میله متحرک فلزی B به وزن 300 گرم متصل شده است و این میله میتواند بطور قایم حرکت نماید . قطر یک انتهای میله  سانتیمتر بوده (C )و به انتهای دیگر میتوان سوزنی (D ) به قطر یک میلیمتر و به طول 5 سانتیمتر متصل نمود . بر روی پایه فلزی و در زیر میله B یک ظرف پلاستیکی به شکل مخروط ناقص قرار دارد که در ان خمیر سیمان را قرار میدهد مقدار فرورفتگی انتهای C و یا D از میله B را در خمیر سیمان میتوان از روی صفحه مدرجی (F ) که به پایه فلزی متصل است بر حسب میلیمتر خواند.

طبق ایین نامه ASTM مقدار اب خمیر استاندارد و سیمان باید طوری باشد که انتهای C میله به اندازه     1+- 10 میلیمتر در مدت 30 ثانیه در خمیر سیمان فرو رود . البته انتهای میله C از سطح ازاد خمیر سیمان که در ظرف مخروط ناقص G قرار دارد بطور ازاد رها میشود . مقدار اب اضافه شده به سیمان را چندین بار تغییر میدهند.

و مقدار فرورفتگی میله B   را اندازه میگیرد و با رسم یک گراف مانند شکل مقابل مقدار درصد اب لازم نقطه ( A  ) را بدست میاورند . فرورفتگی سوزن قطر mm 10 در خمیر سیمان بر حسب میلیمتر برای سیمانهای معمولی این مقدار اب در حدود   20  تا 30  در صد وزن سیمان است.

زمان خودگیری

  برای اندازه گیری زمان خودگیری اولیه از انتهای D میله B  که قطر ان یک میلیمتر است استفاده میکنند. ابتدا خمیر استاندارد سیمان ( مقدرا اب ان همانطور که فوق ذکر شد بدست امده ) را در ظرف G  قرار میدهند و بر طبق ایین نامه

ASTM   خودگیری اولیه وقتی حاصل شده است که سوزن به اندازه 25 میلیمتر در مدت 30  ثانیه در خمیر سیمان فرو رود .برای این ازمایش گرافی که محور X های مقدار فرو رفتگی سوزن mm 1 در خمیر سیمان و محور Y های ان زمان لازم برای اینکار است رسم میکنند و از ان زمان خودگیری اولیه را بدست میاورند.

(شروع زمان از وقتی است که اب به سیمان اضافه شده است). طبق ایین نامه ASTM و BS12  زمان خودگیری اولیه نباید کمتر از 45 دقیقه باشد زمان خودگیری نهایی که فقط در ایین نامه BS12  ذکر شده است با استفاده از سوزنی که سطح مقطع ان مطابق  شکل مقابل است بدست میاید .

معمولاً مقادير كم شكر در حدود 03/0 الي 15/0 درصد وزني سيمان، گيرش راكند مي‌كند مقادير بالاتر از اين حدود براي سيمان‌هاي گوناگون تغيير مي‌كند، و مقاومت 7 روزه ممكن است كاهش يابد، در حالي كه مقاومت 28 روزه ممكن است بهبود يابد.

زماني كه مقدار شكر تا حدود 20/0 درصد وزني سيمان افزايش يابد، گيرش سيمان معمولاً تندتر خواهد شد.

زماني كه مقدار شكر تاحدود 25/0 درصد وزني سيمان افزايش يابد، گيرش سيمان بسيار سريع خواهد شد و مقاومت 28 روزه به مقدار قابل توجهي كاهش خواهد يافت.

زمان گيرش سيمان با افزايش دما كاهش مي‌يابد اما در دماي بالاتر از 30 درجه سانتي‌گراد اثر معكوسي را مي‌توان مشاهده نمود و همچنين در دماهاي پايين (5 الي 10 درجه) گيرش كند مي‌گردد.

دما و رطوبت: برطبق بند 4 استاندارد شماره 392 «ايران درجه حرارت سيمان، آب و اتاق آزمايش در حين تهيه خمير سيمان و قالب‌گيري بايستي بين 7/17 و 3/23 درجه سانتي‌گراد باشد، آنگاه قالب سيماني كه براي آزمايش تهيه مي‌شود بايستي در تمام مدت آزمايش در حرارت 1/1 ± 9/18 درجه سانتي‌گراد و در فضايي كه داراي حداقل 90 درصد رطوبت نسبي باشد و از جريان هوا دور باشد نگهداري شود» .

وسایل آزمایش:

1- دستگاه ویکات باسوزن به قطر1^mm      2- سینی          3- کاردک          4- ظرف استوانه ای مدرج حداقل ظرفیت 200 میلی لیتر     5-سیمان به مقدار300 گرم        6- آب            7- دستگاه اُون دردمای 110 درجه .  8-ترازو حداقل ظرفیت 1 کیلوگرم با دقت 0.1گرم

روش آزمايش

بهتر است نمونه سيمان قبل از توزين، از الك 18/1 ميلي‌متر الك شماره 16 در سيستم ASTM عبور داده شود تا از عاري بودن سنگ ويژه يا كلوخه اطمينان حاصل شود.

تنظيم دستگاه ويكات: براي اين منظور لازم است سوزن C به ميله B وصل شده، آنگاه در حاليكه سوزن C روي صفحه دستگاه قرار دارد، عقربه متحرك روي عدد صفر پايين تنظيم گردد، در اين صورت مي‌توان فاصله سرسوزن C را از روي دستگاه (كف قالب حاوي نمونه) بوسيله عقربه تعيين نمود.

تهيه خمير سيمان:  آب توزين شده در يك ظرفي با فضاي كافي، با نمونه سيمان مخلوط مي‌شود، زمان تهيه خمير از لحظه افزودن آب به سيمان خشك تا آغاز ريختن خمير در قالب بايد 4/1 ± 4 دقيقه باشد و عمل تهيه خمير بايد قبل از شروع علائم گيرش پايان يابد. ظرف و ديگر وسائل مورد استفاده بايستي كاملاً تميز و خشك بوده و تمام آب توزين شده با سيمان مخلوط گردد.

قالب‌گيري خمير سيمان: پس از تهيه خمير سيمان، قالب ويكات در حاليكه روي صفحه غيرمتخلخلي قرار مي‌گيرد بايد بوسيله خمير سيمان پر شود، قالب را بايد يك باره با خمير پركرد و سطح قالب بايد به سرعت از قسمت‌هاي اضافي خمير پاك گردد، براي پركردن قالب تنها دست كارگر و ماله مخصوص تهيه خمير يابد به كار رود و ماله به وزن تقريبي 213 گرم باشد. توسط ماله سطح خمير كاملاً هم سطح قالب شده و صاف مي‌گردد به طوري كه روي سطح خمير حفره‌اي به چشم نخورد. لازم است توجه شود كه طي عمليات بريدن و صاف كردن، خمير سيمان فشرده نشود.

براي تعيين زمان گيرش اوليه قالب خمير را روي صفحه دستگاه زير سوزن قرار دهيد و سپس به‌ارامي سر سوزن را در تراز سطح خمير قرارداده و بوسيله پيچ مربوط آنرا محكم كنيد (دراين حالت عقربه بايستي عدد 40 ميلي‌متر را روي صفحه مدرج نشان دهد)، آنگاه دستگاه همراه با نمونه در داخل اتاق رطوبت قرار داده مي‌شود، پس از 30 دقيقه با بيرون آوردن نمونه از اتاق رطوبت پيچ نگهدارنده ميله را باز كرده تا سوزن در آن نفوذ كند بر طبق استاندارد شماره 392 ايران« چنانچه سوزن در مدت 30 ثانيه در داخل خمير نفوذ كند و فاصله سرسوزن در فاصله 5 ميلي‌متري كف قالب متوقف گردد، مدتي كه از زمان افزودن آب به سيمان تا زمان توقف نفوذ سوزن در سيمان مي‌گذرد زمان گيرش ابتدايي سيمان خواهد بود».

بنابراين در صورت لزوم عمل نفوذ سوزن در خمير بايستي هر 15 دقيقه تكرار گردد، در فاصل زماني نمونه در اتاق رطوبت بايستي نگهداري گردد، در صورتيكه نتوان مستقيماً شرط آزمايش را ارضاء كرد لازم است تكرار نفوذ سوزن در خمير سيمان در زمانهاي متوالي به گونه‌اي باشد كه سوزن در فاصله بيش از 5 ميلي متر و كمتر از 5 ميلي‌متر قرار گيرد و سپس از طريق رسم نمودار زمان لازم براي نفوذ 5 ميلي‌متري را بدست آورد. نكته قابل توجه آن است كه محل نفوذ سوزن در خمير سيمان داراي حداقل فاصله 6 ميلي‌متري با محل‌هاي نفوذ ديگر باشد و همچنين حداقل فاصله 6 ميلي‌متري با لب داخلي قالب داشته باشد.

برطبق بند 4-2 آيين نامه استاندارد شماره 389 ايران

«حداقل زمان گيرش اوليه براي انواع پنجگانه سيمان پرتلند را 45 دقيقه مشخص نموده است».

گيرش اوليه را برحسب زمان سپري شده از هنگام مخلوط كردن آب با سيمان محاسبه مي‌نمايند.

براي تعيين زمان گيرش نهايي بايد به جاي سوزن © از سوزن (E) با ضميمه فلزي توخالي استفاده شود. سوزن (F) سوزني مشابه سوزن © است كه برروي آن كلاهكي تعبيه گرديده كه داراي لبه تيز دايره‌هاي شكل با قطر 5 ميلي‌متر مي‌باشد و اين لبه 5/0 ميلي‌متر عقب‌تر از نوك سوزن قرار دارد.

«سيمان وقتي بطور نهايي خود را مي‌گيرد كه اگر سوزن (F) را در تراز خمير سيمان روي قالب قرار داده و بوسيله بازكردن پيچ آنرا روي خمير فرود آوريم فقط اثر كمي برروي سيمان بگذارد در حالي كه ضميمه فلزي آن هيچ اثري برروي سيمان نگذارد. اگر برروي سطح فوقاني آزمودني كف درست شده باشد بايد سطح زيرين آن را براي تعيين زمان گيرش نهايي به كاربرد».

زمان گيرش اوليه و نهايي اكثر سيمانهاي پرتلند و معمولي و زود سخت شونده تجاري امريكايي، تقريباً با فرمول زير با يكديگر مرتبط‌اند.

(زمان گيرش اوليه به دقيقه )×2/1+90= زمان گيرش نهايي به دقيقه .

زمان گيرش بتن با زمان گيرش سيماني كه بتن با آن ساخته مي‌شود تطابق ندارد. روش آزمايش زمان گيرش اوليه و نهايي بتن توسط استاندارد ASTM C 403-92 (زمان گيرش مخلوطهاي بتن به وسيله مقاومت در برابر نفوذ ميله) ارائه شده است. در اين استاندارد گيرش اوليه بتن نشان دهنده حداكثر زماني است كه بتن تازه مي‌تواند مخلوط گردد و در قالب جاي گيرد و متراكم گردد، گيرش نهايي بتن نيز نشان دهنده تقريباً زمان ياست كه بعد از آن، كسب مقاومت بتن به ميزان چشمگيري توسعه مي‌يابد.