UNIVERSITETI I TIRANЁS FAKULTETI I SHKENCAVE TЁ NATYRЁS PROGRAMI

Transcription

1 UNIVERSITETI I TIRANЁS FAKULTETI I SHKENCAVE TЁ NATYRЁS PROGRAMI PROCESET E TRAJTIMIT TË LËNDËVE TË PARA NATYRORE DHE TË MBETJEVE INDUSTRIALE DHE URBANE DOKTORATURЁ TEMA STUDIM MBI MUNDËSINË E PËRDORIMIT TË HIREVE FLUTURUES SI SHTESË NË INDUSTRINË E PRODHIMIT TË ÇIMENTOS DHE BETONIT SI DHE NDIKIMI I SULFATEVE MgSO 4 DHE Na 2 SO 4 NË TO (ATAKU SULFATIK) Kandidati Msc. Denisa Romman (Demi) Udhëheqës shkencor Prof. As. Dr. Andon Pecani Tiranë, 2017

2 UNIVERSITETI I TIRANЁS FAKULTETI I SHKENCAVE TЁ NATYRЁS DEPARTAMENTI I KIMISЁ INDUSTRIALE Disertacion i Paraqitur nga Znj. Denisa Romman (Demi) Për marrjen e gradës shkencore DOKTOR TEMA: STUDIM MBI MUNDËSINË E PËRDORIMIT TË HIREVE FLUTURUES SI SHTESË NË INDUSTRINË E PRODHIMIT TË ÇIMENTOS DHE BETONIT SI DHE NDIKIMI I SULFATEVE MgSO 4 DHE Na 2 SO 4 NË TO (ATAKU SULFATIK) Udhëheqës shkencor: Prof. As. Dr. Andon Pecani Mbrohet më dt 08 / 09 / 2017 para jurisë: 1. Kryetar Prof. Asoc. Dhurata Premti 2. Anëtar (oponent) Prof. Dr. Spiro Drushku 3. Anëtar (oponent) Prof. Dr. Elmaz Shehu 4. Anëtar Prof. Dr. Rozana Troja 5. Anëtar Prof. Dr. Agim Malja

3 Mirënjohje dhe falenderime. Mirënjohje dhe falenderim për udhëheqësin tim shkencor, Prof. As. Dr. Andon Pecani. Për mua do kishte qenë e pamundur realizimi i këtij studimi pa mbështetjen e tij. E falenderoj shumë për inkurajimin e vazhdueshëm që më ka dhënë gjatë gjithë punës time. Falenderim të veçantë për të gjithë stafin e departamentit të Kimisë Industriale, veçanërisht për Prof. Dr. Spiro Drushku, i cili më dha mundësinë dhe inkurajimin për të thelluar më shumë dijet e mija. Falenderim special për stafin administrativ të Kompanisë Fushe Kruje Cement Factory shpk, të cilët më kanë krijuar të gjitha mundësitë që unë të punoj dhe përfundoj me sukses këtë punim. Falenderim laboratorin KIBE 1 për pregatitjen e mostrave dhe realizimin e disa testeve. Falenderim për Institutin për mikro dhe nano materialet, Universiteti Ulm, për realizimin e testeve të SEM dhe EDS. Faleminderit bashkëshortit tim, Roger, dhe djemte e mi, Antoni dhe Daniel, që keni qenë kaq të duruar me mua. Më keni dhënë mbështetje dhe inkurajim me dashurinë tuaj për ecur gjithmonë përpara në fushën profesionale, kaq të dashur për mua. Veçanërisht falenderoj familjen time të madhe, sidomos prindërit e mi, të cilët më kanë mbështetur që në fëmijëri në dëshirat e mia për të studiuar dhe më kanë mbështetur në zgjedhjet e mia. Faleminderit nga zemra të gjithë ata që më ndihmuan në realizimin e këtij punimi. i

4 PERMBLEDHJE Ky studim paraqet studimin e përdorimit të hirit fluturues në pregatitjen e llaçit dhe betonit, si edhe ndikimin e betonit me hi fluturues ndaj faktorëve të jashtëm, siç është ataku sulfatik. Fillimisht janë pregatitur prizma me çimento CEM I dhe me hi fluturues. Keto mostra janë vendosur në solucion sulfat natriumi dhe sulfat magnezi për një periudhë 1 vjeçare. Janë testuar rezistencat mekanike në përkulje dhe në shtypje pas 2, 28 ditësh dhe 3, 6 dhe 12 muajsh. Mostrat janë testuar në laboratorin e fabrikës së çimentos Fushë-Krujë. Më pas është kryer studimi i pjesës së brendshme të mostrave nëpërmjet mikroskopit me skanim elektroni SEM. Pasi është bërë pregatitja e mostrave, ato janë dërguar në Gjermani për testime të mëtejshme. Janë përcaktuar rezistencat në shtypje të betonit për një periudhë 3 mujore. Dallohet një rritje e rezistencave të betonit me hi fluturues, me kalimin e kohës, krahasuar me rezistencat e betonit me çimento pa hi fluturues. Kjo spjegohet duke ekzaminuar reaksionet kimike që ndodhin në beton. Tipikisht, çimento Portland me ujin reagojnë duke prodhuar një lidhës të qëndrueshëm (hidrate kalcium silikate CSH) dhe një lidhës jo të qëndrueshëm që është gëlqërja e lirë. Fjale kyçe: çimento, beton, hi fluturues, atak sulfatik etj. ABSTRACT This study shows the usage of fly ash in mortar and concrete preparation, and also its effect from the external factors such as sulfate attack. At first, the pisms of cement CEM I and fly ash were prepared. They were immersed in sodium and magnesium sulfate solution for a period of 1 year. The compressive and flexture strengths after 2, 28 days and 3, 6 and 12 months, were tested. The tests are performed in Fushe-Kruja Cement Factory. After that, the inner part of the samples was observed, by a sccaning electrone microscopy SEM. After the samples were perapared, they were sent to Germany for SEM and EDS tests. For a period of 3 months, the strengths of concrete were tested. We can notice an increasement of concrete strengths prepared with fly ash, compared to the concrete without fly ash. This is explained by examining the chemical reactions happening in the concrete. Tipically, Portland cement reacts with water producing a stable binder (calcium silicate hydrates CSH) and an unstable binder, which is free lime. Keywords: cement, concrete, fly ash, sulfate attack, etc. ii

5 Pasqyra: KAPITULLI I Karakterizimi i hirit fluturues 1.1 Origjina e qymyrit dhe kushtet e djegies Vetitë e hirit fluturues Përcaktimi dhe specifikat Përbërja mineralogjike Përbërja kimike Granulometria Sipërfaqja specifike Densiteti dhe shpërndarja e densitetit Kërkesa për ujë Pucolaniteti Radioaktiviteti Ngjyra Lagështia.. 8 KAPITULLI II Hiri fluturues në pregatitjen e betonit 2.1 Hidratimi dhe fortësia Efekti i hirit fluturues në hidratimin e çimentos dhe betonit Efekti i hirit fluturues në hidratimin e C 3 S Efekti i hirit në hidratimin e C 3 A dhe C 4 AF Efektet e hirit në hidratimin e çimentos Shkalla e hidratimit Produktet e hidratimit KAPITULLI III Reaksionet kimike të çimentos dhe hirit fluturues 3.1 Hidratimi i çimentos Portland Reaksioni pucolanik Reaksioni alkal-agregat Reaksioni alkal-karbonat Reaksioni alkal-silicë Reaksioni alkal-aktivizues Reaksioni aluminat Nxehtësia e hidratimit Formimi i etringitit Formimi i gipsit. 18 KAPITULLI IV Efektet e hirit fluturues në beton 4.1 Efektet në beton Efekti i hirit fluturues në reaksionin alkal-silicë Alkalet e pranishme Kimia e solucionit të poreve.. 23 KAPITULLI V Ataku sulfatik 5.1 Mekanizmat e atakut sulfatik Tipet e atakut sulfatik 28 iii

6 5.2.1 Ataku sulfatik i brendshëm Ataku sulfatik i jashtëm Mekanizmat e transportit Mënyrat e dëmtimit të betonit Faktorët që ndikojnë rezistencat sulfate të betonit Tipet e çimentos Raporti ujë/lidhës (çimento) Kushtet e ruajtjes Tipet e sulfateve Përqëndrimi i sulfateve Prania e klorureve në sulfate Temperaturat e ekspozimit Burimet e sulfateve Veprimi i sulfateve Sulfati i natriumit Sulfati i kalciumit Sulfati i magnezit Sulfati i amonit Efektet e acidit karbonik dhe klorurit.. 43 KAPITULLI VI Ekspozimi i mostrave në solucion sulfat 6.1 Testet fizike Shkalla vizuale e dëmtimit Ekspansioni Humbja e masës Testet mekanike Modulet e elasticitetit Rezistencat në shtypje Rezistencat elastike KAPITULLI VII Mekanizmat e dëmtimit 7.1 Mekanizmat e demtimit Ndryshimi i volumit Shpërbërja e përbërësve të pastes Shtresimi i kripërave Kristalizimi i kripës në pore Karakteristikat e forcave të gërryerjes së kripës Kristalizimi i Na 2 SO 4 dhe MgSO Metodat e analizës Përmbajtja e sulfateve agresive në ujë dhe tokë Efekti i përqëndrimit të sulfateve Efekti i tipit të sulfatit ph i solucionit sulfat Mostrat (prizmat) Ruajtja para testimit Kohëzgjatja e ekspozimit në sulfate dhe vlerësimi i dëmtimit Ndikimi i temperatures Ndikimi i ngarkesës Ndikimi i agjentëve të tjerë reaktiv iv

7 KAPITULLI VIII Analizat mikroskopike 8.1 Analizat SEM (mikroskop me skanim elektroni) Spektroskopia energji-shpërndarese e rrezeve X (EDS). 71 KAPITULLI IX Pjesa eksperimentale Qëllimi i eksperimentit Objektivat Treguesit e analizuar Përshkrimi i Mostrave të marra në analizë Metodika e analizave Vrojtimet mikrostrukturore Spektroskopia EDS Rezistencat në përkulje dhe shtypje të mostrave të çimentos të përzier me hi fluturues Ekspansioni Pregatitja e betonit. 87 Analizat e lëndëve të para për pregatitjen e betonit. 87 Testi i ekuivalentit të rërës. 87 Analizat granulometrike të lëndëve të para.. 87 Analizat e betonit të freskët, me dhe pa hi fluturues, të zhytur në ujë. 87 Testi i rënies (slump test) Densiteti i betonit Procedura e përzierjes 88 Rezistencat e betonit. 89 KAPITULLI X Rezultate dhe diskutime 10.1 Analiza e lëndëve të para (çimento dhe hi fluturues) Studimi mikrostrukturor dhe spektrat EDS Rezistencat e çimentos Ekspansioni Pregatitja e betonit. 118 Shpërndarja e madhësisë se grimcave Rërë mali 0-3 mm Rërë mali 0-5 mm Granil lumi 5-10 mm Granil mali mm Pregatitja e betonit dhe ruajtja e mostrave ne ujë 123 Pregatitja e betonit dhe ruajtja e mostrave ne solucion sulfat 5% Na 2 SO 4 dhe MgSO Përfundime Rekomandime Bibliografia 130 v

8 Lista e figurave Fig 4.1 Efekti i SCM dhe niveli i zëvendësimit në poret e solucionit [OH-] (Thomas,2011) Fig 4.2 Efekti zëvendësimit të SCM në ekspansionin e krijuar nga ASR (Thomas,2011) Fig 4.3 Burimet e alkaleve në solucionin e poreve (Shehata, 2001) Fig 4.4 Përqëndrimi i solucioneve të poreve (Diamond, 1981) Fig 4.5 Alkalet në solucionin e poreve (Duchesne, Berube, 1994) Fig 4.6 Efekti i hirit fluturues në solucionin e poreve (Hooton et al, 2009) Fig 4.7 Efekti i zëvendësimit më 25 % hi fluturues në solucionin e poreve (Hooton et al, 2009) Fig 5.1 Depozitimi i gipsit dhe etringitit në sipërfaqe të mostrës pas ekspozimit në solucion Na 2 SO Fig 5.2 Zhvillimi i tensioneve shtypëse në zonën 1 dhe fillimi i krisjeve në brendësi (zona 2) Fig 5.3 Krisje, mbushje më gips (zona 2) duke krijuar zhvillimin e presionit zgjerues dhe duke shkaktuar fillimin e krisjes së materialit (zona 3) Fig 5.4 Diagrami i konvertmit të mirabilite-thermandite nën kushte të ndryshme mjedisore Fig 5.5 Mënyrat e dëmtimit si pasojë e atakut sulfatik Fig 6.1 Kollona betoni me shkallë vizuale prej 1.1, 2.5 and 5.0, respektivisht, nga e majta në të djathtë Fig 6.2 Ndryshimi në përqindje i moduleve të elasticitetit gjatë ekspozimit Fig 6.3 Testi i ndarjes së elasticitetit: (a) konfigurimi i ngarkesës; (b) shpërndarja e forcave; (c) thyerja ideale Fig 6.4 Testi ndarjes: (majtas) mënyra e dëmtimit me formim të carjes; (djathtas) menyra e dëmtimit më formim të dytë krisjesh Fig 7.1 Dëmtimi i një tuneli hekurudhor (rajon jugpërendimor, Kinë) Fig 7.2 Skema e kristalit të kripës që rritet në një pore (George W. Scherer, 2002) Fig 7.3 Diagrami i rrugës së lulëzimit (L. Pel, H. Huinink, K. Kopinga,2002) Fig 7.4 Skema e forcave gërryese të kripës me materialet poroz a) në kushte jo avulluese, b) në kushte me avullim të ulët, c) në kushte me avullim të lartë Fig 7.5 Ekspansioni i mostrave të ekspozuara në përqëndrime të ndryshme sulfati natriumi Fig 7.6 Ekspansioni i mostrave të ekspozuara në solucion sulfat natriumi dhe magnezi Fig 8.1 Formimi i imazhit me SEM Fig 9.1 Ruajtja e mostrave në H 2 O, Solucion Na 2 SO 4 5% dhe solucion MgSO 4 5% Fig 9.2 Kryerja e analizes së SEM Fig 10.1 Imazhet SEM të CEM I të zhytur në H 2 O Fig 10.2 Spektri EDS dhe prania e elementeve të ndryshëm në mostrën e çimentos CEM I të zhytur në H 2 O vi

9 Fig 10.3 Imazhet SEM të 85 % CEM I + 15% hi fluturues të zhytur në H 2 O Fig 10.4 Spektri EDS dhe prania e elementeve të ndryshëm në mostrën e çimentos CEM I + 15% hi fluturues të zhytur në H 2 O Fig 10.5 Imazhet SEM të mostrës së çimentos me 75 % CEM I + 25% hi fluturues të zhytur në H 2 O Fig 10.6 Spektri EDS dhe prania e elementeve të ndryshëm në mostrën e çimentos me 75 % CEM I + 25% hi fluturues të zhytur në H 2 O Fig 10.7 Imazhet SEM të mostrës së CEM I të zhytur në MgSO 4 5% Fig 10.8 Spektri EDS dhe prania e elementeve të ndryshëm në mostrën e çimentos CEM I të zhytur në MgSO 4 5% Fig 10.9 Imazhet SEM të çimentos me 85 % CEM I + 15% hi fluturues të zhytur në MgSO 4 5% Fig Spektri EDS dhe prania e elementeve të ndryshëm në mostrën e çimentos me 85 % CEM I + 15% hi fluturues të zhytur në MgSO 4 5% Fig Imazhet SEM të çimentos me 75 % CEM I+ 25% fluturues të zhytur në MgSO 4 5% Fig Spektri EDS dhe prania e elementeve të ndryshëm në mostrën e çimentos me 75 % CEM I+ 25% fluturues të zhytur në MgSO 4 5% Fig Imazhet SEM të çimentos CEM I të zhytur në Na 2 SO 4 5% Fig Spektri EDS dhe prania e elementeve të ndryshëm në mostrën e çimentos CEM I të zhytur në Na 2 SO Fig Imazhet SEM të çimentos me 85 % CEM I+ 15% hi fluturues të zhytur në Na 2 SO 4 5% Fig Spektri EDS dhe prania e elementeve të ndryshëm në mostrën e çimentos me 85 % CEM I+ 15% hi fluturues të zhytur në Na 2 SO 4 5% Fig Imazhet SEM të çimentos me 75 % CEM I+ 25% hi fluturues të zhytur në Na 2 SO 4 5% Fig Spektri EDS dhe prania e elementeve të ndryshëm në mostrën e çimentos me 75 % CEM I+ 25% hi fluturues të zhytur në Na 2 SO 4 5% Fig Paraqitja grafike e rezistencave në përkulje (MPa) të çimentos CEM I pa shtesë hiri Fig Paraqitja grafike e rezistencave në shtypje (MPa) të çimentos CEM I pa shtesë hiri.. 95 Fig Paraqitja grafike e rezistencave në përkulje (MPa) të çimentos CEM I me shtesë hiri fluturues 25% Fig Paraqitja grafike e rezistencave në shtypje (MPa) të çimentos CEM I me shtesë hiri fluturues 25% vii

10 Lista e tabelave Tab 1.1 Karakterizimi i hirit në bazë të përqindjes së karbonit... 4 Tab 1.2 Vlerat e densitetit dhe siperfaqes specifike sipas Richartz... 6 Tab 5.1 Përbërësit kryesorë të disa ujërave detare (gram për litër) Tab 7.1 Volumet molekulare të disa përbërësve që mund të jenë prezent në beton Tab 7.2 Agresiviteti i sulfateve në beton, CEMBUREAU Tab 7.3 Rekomandime për rezistencën ndaj sulfateve, ACI 201.2R Tab 7.4 Rekomandime për betonin e ekspozuar në atakun sulfatik Tab 9.1 Treguesit e analizuar Tab 9.2 Paraqitja e raporteve të lëndëve të përdorura për pamjet me mikroskopin SEM Tab 9.3 Paraqitja e raporteve të lëndëve të përdorura në realizimin e testeve të rezistencës së çimentos dhe ekspansionit Tab 9.4 Paraqitja e raporteve të lëndëve të përdorura në realizimin e rezistencave të Tab 9.5 betoni Vetitë fizike dhe mekanike të çimentos CEM I, klasa 42.5R sipas standardit EN Tab 9.6 Vetitë kimike të çimentos CEM I, klasa 42.5R sipas standardit EN Tab 9.7 Raportet e përbërësve në % për analizat me SEM Tab 10.1 Përbërja kimike e lëndëve të përdorura në këtë studim Tab 10.2 Përmbajtja e elementeve në mostrën e CEM I të zhytur në H 2 O Tab 10.3 Përmbajtja e elementeve në mostrën e CEM I + 15% hi fluturues të zhytur në H 2 O Tab 10.4 Përmbajtja e elementeve në mostrën e çimentos me 75 % CEM I + 25% hi fluturues të zhytur në H 2 O Tab 10.5 Përmbajtja e elementeve në mostrën e çimentos CEM I të zhytur në MgSO 4 5% Tab 10.6 Përmbajtja e elementeve në mostrën e çimentos me 85 % CEM I + 15% hi fluturues të zhytur në MgSO 4 5% Tab 10.7 Përmbajtja e elementeve në mostrën e çimentos me 75 % CEM I+ 25% fluturues të zhytur në MgSO 4 5% Tab 10.8 Përmbajtja e elementeve në mostrën e çimentos CEM I të zhytur në Na 2 SO 4 5%. 106 Tab 10.9 Përmbajtja e elementeve në mostrën e çimentos me 85 % CEM I+ 15% hi fluturues të zhytur në Na 2 SO 4 5% Tab Përmbajtja e elementeve në mostrën e çimentos me 75 % CEM I+ 25% hi fluturues të zhytur në Na 2 SO 4 5% Tab Kërkesat për rezistencat mekanike të çimentove të specifikuara në standardin EN Tab Rezistencat në përkulje dhe shtypje të çimentos CEM I të zhytur në ujë dhe në ujëra sulfatike (MPa) Tab Rezistencat në përkulje dhe shtypje të çimentos CEM I + 25% hi fluturues të zhytur në ujë dhe në ujëra sulfatike (MPa) Tab Koeficientet e qëndrueshmërisë së çimentos pa hi fluturues të zhytur në Na 2 SO 4 5% Tab Koeficientët e qëndrueshmërisë së çimentos pa hi fluturues të zhytur në MgSO viii

11 5%... Tab Koeficientet e qëndrueshmërisë se çimentos me 25% hi fluturues të zhytur në Na 2 SO 4 5% Tab Koeficientet e qëndrueshmërisë së çimentos me 25% hi fluturues të zhytur në MgSO 4 5% Tab Të dhënat e ekspansionit (zgjerimit) pas 14 javësh Tab Të dhënat e ekuivalentit të rërës së thyer 0-5 mm Tab Të dhënat e ekuivalentit të rërës natyrale 0-5 mm Tab Të dhënat granulometrike të rërës së malit 0-3 mm (të thyer) Tab Të dhënat granulometrike të rërës së malit 0-5 mm 120 Tab Të dhënat granulometrike të granil lumi 5-10 mm Tab Të dhënat granulometrike të granil mali mm 122 Tab Përbërësit e betonit me çimento CEM I pa hi fluturues dhe rezultatet e rezistencave të tij Tab Përbërësit e betonit me çimento CEM I + 25% Hi fluturues dhe rezultatet e rezistencave te tij Tab Rezistencat e betonit me çimento CEM I pa hi fluturues, të zhytur në mjedis sulfat 126 Tab Rezistencat e betonit me çimento CEM I + 25% hi fluturues, të zhytur në mjedis sulfat ix

12 Hyrje Termi Hi fluturues shpesh përdoret për të pershkruar çdo material të imët që precipiton nga gazet e oxhakut të furrave industriale që djegin lëndë djegëse të ngurtë. Sasia e hirit fluturues e mbledhur nga furrat mund të varjojë nga më pak se një ton për ditë, në disa ton për minutë. Karakteristikat dhe vetitë e hireve të ndryshme varen nga natyra e lëndës djegëse dhe madhësia e furrës së përdorur. Pluhërizimi i lëndëve djegëse të ngurta nëpër furra të mëdhaja, nëpër stacionet e prodhimit të energjisë, krijon një problem të menjëhershëm; hiri fluturues i thatë duhet të mblidhet nga gazet e oxhakut dhe të sistemohet shpejt dhe në menyrë të sigurtë. Ngjashmëria e disa hireve fluturues me pucolanat natyrale me natyre vullkanike ka nxitur përdorimin e hirit bashkë me çimenton portland për pregatitjen e betonit. Jo të gjithe hiret fluturues janë të përshtatshëm për këtë aplikim, megjithatë, reaksioni kimik i paqëndrueshëm mund të ketë efekt të kundërt në të dy proceset e hidratimit dhe në stabilitetin e produktit përfundimtar. Hiret fluturues ndahen në dy kategori, në varësi të origjinës dhe përbërjes kimike dhe mineralogjike. Djegia e qymyrit antracid ose bituminoz zakonisht prodhon hire me kalcium të ulët; hiret me kalcium të lartë vijnë nga djegia e qymyreve linjite ose sub-bituminoze. Për më tepër, hiret me përmbajtje të ulët kalciumi zakonisht përmbajnë kuarc, mullite, hematite dhe magnetite, ndërsa hiret me përmbajtje të lartë kalciumi permbajne kuarc, gelqere, mullite, gehlenite anhidrite dhe material çimentues si C 3 A dhe C 2 S. Të dy tipet e hirit fluturues kanë veti pucolanike, por hiret me permbajtje të lartë kalciumi kanë edhe veti çimentuese. Në ditet e sotme, ka një tendence për zëvendesimin në nivele të larta të çimentos Portland me hi fluturues, për pregatitjen e betoneve. Ky zëvendesim në nivele të larta me hi fluturues, vjen si rezultat i tre shkaqeve kryesore: Shkaku i parë është aspekti ekonomik. Me rritjen e nivelit të zëvendësimt të hirit fluturues, kostoja e prodhimit të betonit ulet. Shkaku i dytë dhe më i rëndësishmi është aspekti mjedisor. Hiri fluturues është një nënprodukt industrial, shumica e të cilit depozitohet në landfille nëse nuk përdoret në beton. Gjithshtu në një perspektive mjedisore, sa më shumë hi fluturues të përdoret në beton, aq më e vogël është kërkesa për çimento Portland, prandaj prodhimi i çimentos Portland do të jetë më i ulët, si rrjedhojë emisionet e CO2 do të jenë më të ulta. Aspekti i tretë dhe i fundit është përfitimi teknik i betonit me hi fluturues me volum të lartë (HVFAC > 30%). Betoni me hi fluturues me volum të lartë ka performancë më të lartë krahasuar me betonin me çimento të zakonshme, veçanërisht në termat e qëndrueshmërisë. x

13 KAPITULLI I Karakterizimi i hirit fluturues 1.1 Origjina e qymyrit dhe kushtet e djegies Qymyri është kompleks, material heterogjen, ka përdorim të gjerë si një burim energjie në të gjithë botën. Kur qymyri i pluhërizuar digjet gjatë prodhimit të energjisë elektrike, prodhohen sasi të mëdha hiri fluturues. Hiri fluturues i imët ka fituar një rëndësi të konsiderueshme në sektorin e materialeve ndërtuese. Qymyret formohen në brendësi të tokës për një periudhë milion vite. Përgjatë kësaj periudhe të gjatë, vendi nga i cili vjen ky qymyr i nënshtrohet një procesi kompleks transformimi, kështu që natyra dhe vetitë llojeve të ndryshme të qymyrit që ne perdorim, varen nga lloji i tokës, e cila është transformuar, si edhe nga thellësia në të cilën gjendet. Bashkë me thellësinë, temperatura e lartë dhe presioni, luajnë një rol të rëndësishëm në përcaktimin e përbërjes dhe karakteristikave të qymyrit. Qymyri e arrin gjendjen përfundimtare në kombinim me një numër të ndryshëm përbërjesh, dhe mund të nën-ndahet në klasa të ndryshme si peat (material i ngjashëm me dheun), linjite, qymyr subbitumiboz dhe bituminoz dhe antracid. Sasia prezente e ujit në këto klasa të ndryshme qymyri, ulet, duke u renditur nga 90% për peat në 0.5% për antracidin. Karakterizimi i qymyrit kërkon njohje të parametrave më poshtë: - Lagështi - Përmbajtja e hirit - Lënda flururuese - Karboni i fiksuar - Përmbajtja e squfurit (organik, piritik dhe squfur sulfatik) - Fuqia kalorifike Qymyri digjet në fabrika të prodhimit të energjisë duke gjeneruar energji për të kthyer ujin në avull, i cili përdoret për të vënë në punë turbinat me avull. Energjia e qymyrit konvertohet në energji elektrike. Në bazë të rendit të mësipërm, antracidi ka fuqi kalorifike më të lartë, kurse linjiti më të ulët, nga qymyret e përdorur si lëndë djegëse në fabrikat e prodhimit të energjisë. Tre janë proceset e përdorura për djegien e qymyrit të pluhërizuar në boilerat e prodhimit të energjisë (Heufers, H.; Magel, (1984)). - Djegie me temperaturë të lartë: këtu djegia ndodh në furra me temperaturë C. Hiri i prodhuar shkrin dhe bie në ujë, ku mblidhet në formë të ngurtë, kryesisht në grimca qelqore. Vetëm një sasi e vogël e grimcave të imta largohet në precipituesit elektrostatik në formën e hirit fluturues. 1

14 - Djegie e thatë: në këtë rast, qymyri i pluhërizuar digjet në furrë në temperaturë 1100 në 1400 C. Rreth 90% e hirit të mbledhur nga procesi është në formën e grimcave shumë të imta, që mbahen nga elektrofiltrat ose precipituesit. Me uljen e ngadaltë të temperaturës, ulet edhe perqindja e grimcave qelqore. - Djegia me shtrat vlimi: temperatura e furrës në shtratin e vlimit është më e vogël se 900 C, duke perjashtuar shkrirjen. Hiret kanë forma të çrregullta, me përqindje të lartë të grimcave kristaline. Ato nuk janë hire të vërtetë, dhe nuk janë me interes për aplikime në fushën e ndërtimit. 1.2 Vetitë e hirit fluturues Përcaktimi dhe specifikat Pocolanat janë materiale silicore ose dhe aluminore, të cilat, në vetvete shfaqin veti pak ose jo çimentuese. Ato në bazë të ndarjes sipas imtësisë dhe në prani të lagështisë, reagojnë kimikisht me hidroksidin e kalciumit në temperaturë ambjenti, për të formuar përbërje me veti çimentuese. (Standardi ASTM C ). Hiri fluturues është i ngurtë, material i bluar imët, i cili vjen nga djegia e qymyrit pluhur në furrat e prodhimit të energjisë. Materiali mblidhet në separatorët mekanike ose elektrostatike. Termi hi flururues nuk aplikohet në mbetjet e ekstraktuara në fund të boilerave. Hiri fluturues i mundshëm për të reaguar me Ca(OH)2 në temperaturën e dhomës mund të veprojë si material pucolanik. Aktiviteti pucolanik i atribuohet pranisë së SiO2 dhe Al2O3 në formë amorfe. Hiret fluturuese mund të nën-ndahen në dy kategori, sipas origjinës së tyre (ASTM) - Klasa F: hi normalisht i prodhuar nga djegia e antracidit ose qymyrit bituminoz, i cili i përmbush kërkesat e aplikuara për këtë klasë. Hiri i klasës F ka veti pucolanike. - Klasa C: hi normalisht i prodhuar nga djegia e linjitit ose qymyrit sub-bituminoz, i cili përmbush kërkesat e aplikuara për këtë klasë. Përveç vetive pucolanike, hiri i klasës C ka edhe disa veti çimentuese. Disa hire të klasës C mund të kenë përmbajtje gëlqerore deri në 10% Përbërja mineralogjike Përbërja kimike dhe mineralogjike e hirit varet nga karakteristikat dhe përbërja e qymyrit që digjet në impiantet e prodhimit të energjisë. Gjatë ftohjes së shpejtë të materialit, hiret përbëhen kryesisht (50-90%) nga lënda minerale në formën e grimcave qelqore. Një sasi e vogël e hirit fluturues gjendet në formën e kristaleve. Qymyri i padjegur mblidhet me hirin fluturues si grimca karboni, të cilat mund të përbëjnë 16% të totalit, në varësi të shkallës dhe temperaturës së djegies, shkallës së pluhërizimit të qymyrit origjinal, raportin lëndë djegëse/ajër, natyrës së qymyrit që digjet, etj. Analizat me X-ray difraktometër mund të përdoren për dalluar fazën qelqore. Teknika me rreze Infra-të kuqe, spektroskopia Mössbauer, X-ray difraksion dhe teknika të tjera të specializuar sigurojnë informacione të rëndësishme për përcaktimin e fazës kristaline në hi. Mineralet më të rëndësishëm të gjetur në hirin e ardhur nga qymyri bituminoz janë: 2

15 - Magnetite % - Hematite % - Kuarz % - Mullite % - Gëlqere e lirë deri në 3.5% Minerale të tjera si ustite, goetite, pirite, kalcite, anhidrite dhe periklazite variojnë nga gjurmë deri në 2.5% Përbërja kimike Hiret flutiruese janë veçanërisht të pasur me SiO2, Al2O3 dhe Fe2O3 dhe gjithashtu përmbajnë okside të tjera si CaO, MgO, TiO2, Na2O, K2O, SO3, etj. Hiri fluturues me përmbajtje të lartë CaO (15-40%) shfaq veti hidraulike të mira dhe është i aftë për të mos shfaqur ekspansion tek llaçet dhe betonet. Hiri fluturues mund të nën-ndahet në katër grupe, në varësi të përqindjes së përbërësve kryesore. Tipi I SiO2 > 50% Al2O3 + Fe2O3 mesatar CaO < 7% Përbërës të tjere në sasi të vogla Tipi II SiO % Al2O3 i lartë Fe2O3 mesatar CaO më shumë se Tipi I Type III SiO2 < 35% CaO shumë i lartë Al2O3 + Fe2O3, shumë i lartë Përbërësit e tjerë më të ulët se Tipi I dhe II Tipi IV SiO2 CaO Gëlqere e lirë CaSO4 Al2O3 + Fe2O3 Përbërësit e tjerë të ulët shumë i ulët shumë i lartë Hiret e tipit I dhe II kane aktivitet të mirë pucolanik, ndërsa hiret e tipit III dhe IV janë pothuaj inaktiv si pucolana. Këto nuk janë të aftë të përdoren në beton. Metodat e marrjes së mostrës dhe testimit të hirit në përdorimin e tij si përbërës mineral në betonin me çimento portland janë përfshirë në metodat standarde ASTM C

16 - Përmbajtja e lagështisë (105 C) - Humbja në kalcinim (1000 C) - Dioksidi i silicit SiO2 - Oksidi i aluminit Al2O3 - Iksidi i hekurit Fe2O3 - Oksidi i kalciumit CaO - Oksidi i magnezit MgO - Trioksidi i squfurit SO3 - Alkalet e pranishme Na2O dhe K2O - Gëlqerja e lirë Kur një hi digjet në rreth 1000 C, ai pëson humbje të peshës nga prania e karbonateve, nga uji i kombinuar në mineralet e mbetura të argjilës, dhe nga djegia e karbonit të lirë. Oksidimi i përbërësve të squfurit dhe hekurit mund të prodhojë rritje të peshës, e cila mund të merret në konsideratë në balancën e përgjithshme. Efektet e kombinuara mbajnë termin humbje në kalcinim. Është konfirmuar se karboni është përbërësi më i rëndësishëm në humbjen në kalcinim. Përmbajtja e karbonit në hire është e rëndësishme në përcaktimin e kërkesës për uje në llaç gjatë përgatitjes së betonit. Sasia e ujit e nevojshme për të përftuar një pastë me konsistencë normale është më e madhe kur permbajtja e karbonit nuk është e lartë. Në përgjithësi, mund të pohoet se sa më e ulët përmbajtja e karbonit, aq më i mirë do të jetë hiri fluturues. Në praktike, hiret fluturuese me përmbajtje të lartë karboni dhe granulometri të ashpër, do të prodhojnë beton me rezitenca të ulta, por me të njejtën aftësi punuese. Hiret e klasës F mund të përmbajnë sasi më të mëdha karboni krahasuar me hiret e klasës C. Karboni i ndodhur bën që hiri të ketë porozitet të lartë dhe sipërfaqe specifike të lartë, dhe është i aftë të përthithi sasi të konsiderueshme jo vetëm uji, por edhe lënde organike në beton, si agjent ujë-reduktues, agjent futës-ajri, vonues të kohës së ngrirjes etj. Përmbajtja e karbonit është një parametër i rëndësishëm për klasifikimin e hirit në tre grupe: Tab 1.1 Karakterizimi i hirit në bazë të përqindjes së karbonit Group A Group B Group C % Karbonit Granulometria Imtësia e hirit fluturues zakonisht matet me analizën me sitë, e cila mund të performohet me metodë të thatë ose të njomë. Mund të përdoren edhe teknika të tjera. Në përgjithësi, është e rëndësishme të njihet sasia e materialit të mbetur në site 200, 150, 87 dhe 44/45 mikron. Rregullat e ASTM C rekomandojnë përcaktimin e sasisë së mostrës së mbetur në sitë 45 μ, me metodë të njomë sipas metodës ASTM C430, përveç rastit kur mostra përfaqësuese e hirit ose pucolana natyrore zëvendësohet me çimento hidraulike gjatë përcaktimit. Në përgjithësi, sasia e hirit e mbetur në sitë 80μ varion nga 6 në 25%, në site 50μ varion nga 16 në 40%, dhe në site 45μ nga 3 në 14%. Shpërndarja e madhësisë së grimcave të hirit mund të përshkruhet si përcaktimi sasisë së grimcave në termin e madhësive të tjera. Funksionet e shpërndarjes kombinojnë një numër parametrash, si madhësia e numrit të grimcave, masën e tyre, sipërfaqen e tyre, volumin, përbërjen kimike, etj. 4

17 Disa shpërndarje vijnë si rrjedhojë e përcaktimeve eksperimentale. Megjithatë, nuk ka një bazë teorike për studimin e shpërndarjes së madhësisë, e cila mund të aplikohet në rastin e hirit fluturues. Literatura e specializuar përfshin shpërndarje diferenciale dhe kumulative të madhësisë, shpërndarje logaritmike të madhësisë së grimcave, shpërndarje mesatare të madhësisë së grimcave, shpërndarje lognormale dhe shpërndarje të përgjithshme të madhësisë së grimcave. Në disa raste, një grimcë mund të formohet nga aglomerimi i një numri të vogël njesish, një fenomen që ndeshet zakonisht tek hiret fluturues. Ekzaminimi mikroskopik i hireve zbulon një varietet të gjerë të madhësisë dhe formës së grimcave. Madhësite e grimcave variojnë nga 0.2 në 200 μ, ku shumica e grimcave është më e madhe se 1 μ. Grimcat janë sferike, të parregullta ose këndore, etj, në varësi të natyrës dhe granulometrisë së qymyrit të djegur, si edhe nga kushtet e djegies në impiantet e prodhimit të energjisë. Nëse temperatura e djegies është e ulët, hiri mineral nuk arrin të shkrihet dhe forma finale është e parregullt. Në djegie të lartë, lënda minerale në qymyr shkrin, duke formuar sfera boshe të quajtura si cenosfera, të cilat ndonjëherë mbajnë një numër të vogël sferash (plerosfera). Për një temperaturë djegieje rreth 1500 C, shimica e grimcave janë në formë të rrumbullakët dhe boshe, me sipërfaqe të lëmuar ose të ashpër. Forma e grimcave është një parametër i rëndësishëm që ndikon në një sërë procesesh, si lëvizja e grimcave në një ambjent të lëngshëm, formimi i ngarkesave elektrostatike, shpërndarjen e dritës, etj. Në rastin e grimcave të imta, sferike, kubike, në formë dëbore, ato në formë pllake dhe të parregullta janë më të rëndësishme. Studimet SEM kanë konfirmuar këtë observim. Në disa raste, sferat janë veçanërisht të mbuluara me sfera të imta ose gjilpëra Sipërfaqja specifike Sipërfaqja specifike e një materiali mund të përcaktohet si numri i njesive të zonës sipërfaqësore që përmban një njesi masë. Sipërfaqja specifike ose imtësia e një hiri, përcaktohet me metodën Blaine dhe varion nga 250 në 550 m 2 /kg ( cm 2 /g). Imtësia e hirit fluturues të mbledhur në precipituesit elektrostatik varion nga cm 2 /g. Hiret në ciklon ose të mbledhur mekanikisht variojnë midis 1500 dhe 2000 cm 2 /g. Përfundimisht, disa precipitues modern elektrostatik mbledhin hiret me imtësi cm 2 /g. Përdoren disa metoda për përcaktimin e sipërfaqes specifike të këtyre materialeve. Më e përdorura është metoda Blaine, e cila bazohet në rezistencën e ofruar nga materiali pluhur gjatë rrjedhjes së ajrit. Mostrat e hirit përgatiten sipas kushteve të caktuara, nga ku matet siperfaqja e jashtme e grimcave që përmban 1 gram hi. Në rastin e hirit fluturues, vlerat për këtë zonë sipërfaqësore, e matur me depërtueshmërinë Blaine varion nga cm 2 /g. Mund të ndeshen edhe depërtueshmëri më poshtë se 1800 cm 2 /g ose më lart se 5000 cm 2 /g. Një tjetër metodë për përcaktimin e sipërfaqes specifike është teknika BET, në të cilën maten izotermat e adsorbimit të azotit. Të dhënat e marra nga BET ndryshojnë nga ato të marra me Blaine. Vlerat e sipërfaqjes specifike me BET për hire të zakonshme janë 3 deri 4 herë më të larta sesa vlerat e Blaine, për shkak se metoda BET mat totalin e boshllëqeve në siperfaqen e grimcës. Vlerat e përftuara në këtë mënyrë mund të arrijnë deri në cm 2 /g. Studimi i kurbave granulometrike gjithashtu siguron një tregues të sipërfaqes specifike të grimcave të hirit fluturues. Vlerat janë zakonisht 30% më të ulta se me metodën Blaine, meqë jo të gjitha grimcat e hirit janë sferike. Është e nevojshme të bëhen kërkime të mëtejshme, në menyrë që të verifikohet lidhja midis këtij parametri dhe reaktivitetit të hirit fluturues. 5

18 Sipas komitetit teknik CEMBUREAU, hiri duhet të ketë siperfaqe specifike jo me pak se 2700 cm 2 /g (Blaine) dhe një luhatje jo më të lartë se ± 500 cm 2 /g (Blaine). Richartz përcaktoi sipërfaqen specifike dhe shpërndarjen e madhësisë së grimcave duke përdorur granulometër me lazer dhe analizë me sitë. Rezultatet e 20 analizave jepen me poshtë: Tab 1.2 Vlerat e densitetit dhe siperfaqes specifike sipas Richartz Maksimum Mesatar Minimum Densiteti (g/cm 3 ) Sipërfaqja specifike (Blaine) (cm 2 /g) Grimcat e hirit fluturues me madhësi > 125μ janë shumë poroze. Kërkimet rreth këtyre grimcave kanë demostruar se ato formohen kur një sasi e madhe karboni është prezent; ky material i padjegur është përgjegjës për sipërfaqe të lartë specifike i vënë re në shumicën e hireve fluturuese. Sasia e madhe e përmbajtjes së karbonit është e lidhur me kërkesë të lartë për ujë në betonet që përmbajnë hi fluturues. Përmbajtja e karbonit në hi është gjithashtu e lidhur me rezistencën e betonit ndaj ngrirje-shkrirjes. Sa më e lartë përmbajtja e karbonit në hi, aq më e ulët është rezistenca ndaj ngrirje-shkrirjes në beton. Në përgjithesi, hiret duhet të kenë granulometri ose sipërfaqe specifike të përafert me atë të çimentos portland. Kjo është me rëndësi nëse mënjanohen ndryshimet fizike në vetitë e betonit, veçanërisht punueshmëria Densiteti dhe shpërndarja e densitetit Ekzistojne një varësi konceptesh për përcaktimin e densitetit në fushën e materialeve pluhur, veçanërisht hiret fluturuese siç shihet nga (Jarrige, 1971) dhe standardi ASTM E (I riaprovuar 1981). Standardi ASTM C ka të bëjë me përcaktimin e gravitetit specifik në çimento. Në aplikimet e çimentos, uji duhet zëvendësuar me një lëng organik. Meqë hiri përmban përbërës të tretshëm në ujë, rekomandohet përdorimi i tretësve jo ujore për përcaktimin e gravitetit specifik. Jarrige (Jarrige, 1971) zbuloi se masa e 1 m 3 e hirit të thatë renditet nga 0.54 në 0.86 kg për hiret e ardhur nga Franca. Densiteti mesatar i grimcave është 1.9 deri në 2.4 kg/m 3. Shpërndarja Gaus e grimcave të ndryshme është një mostër hiri me densitet maksimal 2.6 kg/m 3 dhe minimum 0.5 kg/m 3. Është konfirmuar se graviteti maksimal specifik për hirin fluturues (rreth 2.98 kg/m3) i korespondon përmbajtjes maksimale të Fe2O Kërkesa për ujë Sasia e ujit e nevojshme për përfitimin e një konsistence normale në betonet me hi fluturues, varion në bazë të përmbajtjes së karbonit. Absorbimi i ujit është i ulët kur karboni i padjegur është rreth 1%. Anasjelltas, hiret me rreth 10% karbon të lirë konsumojnë sasi të mëdha uji. Prandaj, betonet e përgatitura me hi fluturues kanë rezistenca të larta mekanike nëse përmbajtja e karbonit të përzierjes është e ulët. 6

19 Standardi ASTM C 618 jep vleren 105% si perqindje maksimale të kontrollit, për hiret e klasës F dhe C. E njejta vlerë përfshihet edhe në standardin ASSR, ndërsa standardi japonez tregon një vlerë 100, dhe standardi anglez rekomandon 95% Pucolaniteti Pucolaniteti është kapaciteti i disa meterialeve për të hyrë në reaksion me CaO ose Ca(OH)2, në prani të ujit, në temperaturën e dhomës, për të formuar lëndë të ngurta dhe masa të patretshme në ujë. Shtimi i 20-25% hi fluturues në klinker, nuk ka ndonjë ndikim të veçantë në shkallën e hidratimit të tij, veçanërisht në stadet e para të reaksionit me ujë. Reaksioni fillon me solucionin e sulfateve të çimentos, meqë shkalla e solucionit të anhidridit dhe hemidrateve në hi është shumë e ulët. Aktiviteti pucolanik është evident nga 14 ditë e në vazhdim, veçanërisht në periudhën ditë. Pas 120 ditësh, grimcat e hirit praktikisht shpërbëhen si rezultat i atakut nga Ca(OH)2 i prodhuar nga hidratimi i çimentos portland. Faza qelqore e grimcave të hirit (Jarrige, 1971) veçanërisht ndikohet nga ky atak. Është shumë e rëndësishme të njihet indeksi i aktivitetit pucolanik në rastin e çimentos portland (ASTM C ;1982). Soerensen (SEE/S39/) përshkruan indeksin e aktivitetit si peshë të çimentos që mund të zëvendesohet nga një njesi peshe e hirit të lëndës djegëse pluhur pa ndryshuar rezistencat në shtypje të betonit në një kohë të caktuar. Indeksi i aktivitetit pucolanik me çimenton portland është: Indeksi i aktivitetit pucolanik = A/B 100 Ku: A rezistencat mesatare të shtypjes se një kubi B rezistenca mesatare e shtypjes e një mostre (kubi) kontrolli Një indeks tjetër i llogaritur për aplikimet që përfshijnë përdorimin e hirit në beton është indeksi i aktivitetit pucolanik me gëlqere. Llaçi duhet të përmbajë një 1 pjesë gëlqere të hidratuar dhe 9 pjesë rërë standarde plus një sasi përzierje minerale e njejtë me dyfishin e peshës së gëlqeres shumëzuar nga një faktor i përftuar nga pjestimi graviteti specifik i përzierjes minerale me gravitetin specifik të gëlqeres. Sasia e ujit duhet të jetë e mjaftueshme për të prodhuar një rrjedhje të 110±5%. Indeksi duhet treguar nga rezistencat në shtypje të mostrave cilindrike. Është zbuluar se sa më i imët hiri fluturues dhe sa më e ulët permbajtja e karbonit, aq më i madh do të jetë aktiviteti pucolanik dhe aq më të mëdha do të jenë rezistencat e betonit për të njejtën punueshmëri (Frohnsdorff, G.; Clifton, J.R., 1981). Gjithashtu ka një lidhje midis përbërjes së fazës dhe reaktivitetit në hi. Vetëm faza qelqore e hirit hyn në reaksion me Ca(OH)2 dhe ujë. Trajtimi me nxehtësi i hirit në 1000 C e ndjekur nga një ftohje e shpejtë, rrit aktivitetin pucolanik, ndërsa ky aktivitet ulet nëse procesi i ftohjes është i ngadaltë. Reaksionet kimike midis përbërësve qelqor të Si, Al dhe Fe përfshihen në mënyrë që të krijohen silikate shumë komplekse, aluminate dhe sili-aluminate të kalciumit. Këta përbërës të rinj janë të patretshëm në ujë dhe kanë rezistenca shumë të larta. Mineralet kristaline si kuarc, mullite, hematite, magnetite etj, nuk marrin pjesë në mekanizmat e reaksionit të hidroksidit të kalciumit. 7

20 Sjellja e hireve është e ngjashme me atë të pucolanave natyrore dhe të skorjeve, të cilat janë kryesisht materiale qelqore. Reaktiviteti më i lartë i korespondon madhësisë më të vogël të grimcave. Janë bërë shumë përpjekje nga shumë autore për të rregulluar aktivitetin pucolanik, imtësinë dhe sipërfaqen specifike të grimcave të hirit, por deri tani pa dobi. Sipas Berry (Berry, E.E.: (1976) fraksionet e hirit me grimca me diametër rreth 35μ janë zbuluar të jenë shumë të përshtatshme për prodhim të lartë të rezistencave. Reaktiviteti kimik i hirit matet duke përcaktuar sasinë e Ca(OH)2 së lirë, e cila mbetet në një përzierje gëlqere-hi fliturues, e cila nuk ka ndërvepruar gjatë një periudhë të paracaktuar. Sasia e hidroksidit të kalciumit që nuk reagon, mund të përcaktohet me metodën Franke Radioaktiviteti Shumica e materialeve natyrore si minerale, shkembinj, qymyre etj, posedojnë veti radioaktive. Ky fenomen rezulton nga prania në këto materiale të sasive shumë të vogla (gjurmë) të elementeve berthamat e të cilëve shpërbëhet në mënyrë spontane, duke emetuar rrezatim korpuskolar dhe elektromagnetik. Rrezatimi korpuskolar përbëhet nga rreze alfa (α) ose beta (β); keto janë respektivisht atome ose elektrone heliumi të jonizuara, që dalin nga pjesa e brendshme e bërthamës atomike. Rrezatimi elektromagnetik konsiston në rreze gama (γ). Shpejtësia e përhapjes së grimcave α dhe β varion, por e rrezeve γ është e njejtë me shpejtësine e dritës, psh, rreth m/s Ngjyra Ngjyra e hirit varet nga permbajtja e Fe2O3 dhe karbonit. Faktori më i rëndësishëm është përmbajtja e qymyrit të padjegur, që i korespondon humbjes në kalcinim. Kjo përqindje karboni, që renditet nga 0.5 deri në 10 ose 12% në disa raste, është përgjegjëse për pamjen e zezë ose gri të betonit. Prania e sasive të mëdha të Fe2O3 në shumicën e hireve gjithashtu kontribuon në ngjyrën e errët të betonit. Kjo ngjyrë e errët në beton përgjithsisht është e paparanueshme, veçanërisht në ndërtimet urbane, vetëm nëse ngjyra shpërndahet në mënyrë uniforme, meqë betoni pa hi është ngjyrë gri e hapur. Në disa rrethana, është e nevojshme një metodë e matjes së ngjyres së errët të hirit dhe betonit të përgatitur me hi fluturues. Të nevojshme janë kërkimet për të identifikuar teknikat e përshtatshme për matjen e ngjyrës së betonit dhe hirit fluturues, psh duke përdorur një reflektometër. Një metodë standarde mund të arrihet duke krahasuar një mostër të bardhë të standardizuar me mostrat që duhen testuar (Standardi ASTM E ) Lagështia Përmbajtja e lagështisë së hirit varet nga mënyra se si këto materiale ruhen pasi dalin nga filtrat ose precipituesit. Zakonisht hiret ruhen nëper depo pranë stacionit të prodhimit të energjisë. Përmbajtja e lagështisë së hirit të marrë nga këto depo, zakonisht është e lartë. E kundërta ndodh për hiret e marra direkt nga ciklonet ose filtrat e stacioneve të prodhimit të energjisë, të cilët kanë përmbajtje të ulët të lagështisë. 8

21 KAPITULLI II Hiri fluturues në përgatitjen e betonit 2.1 Hidratimi dhe fortësia Efekti i hirit fluturues në hidratimin e çimentos dhe betonit (I.Jawed and J.Skalny) Edhe pse ekziston një informacion i madh mbi hirin fluturues dhe përdorimet e tij në beton, shumë pak njihet ndërveprimi midis çimentos portland dhe hirit fluturues gjatë proceseve të hidratimit dhe ngurtësimit, i cili mund të sigurojë një bazë për të parashikuar dhe për të pëmirësuar performancën e hirit. Përgjithsisht pranohet se, në veprimin pucolanik të hirit, Ca(OH)2 e prodhuar gjatë hidratimit të çimentos vepron me fazat silikate dhe aluminate të hirit për të prodhuar hidrate të silikateve kalcike dhe aluminate (Lea,1970). Megjithatë, hidratimi i çimentos dhe reaksionet pucolanike nuk procedojnë të pavarura. Alkalet e tretshme në ujë, sulfatet, gëlqerja dhe lëndët organike të hirit mund të ndikojnë reaksionet sipërfaqësore dhe proceset e kristalizimit, veçanërisht në stadet e para të hidratimit të çimentos. Në mënyrë të ngjashme, reaksionet pucolanike do të varen nga sasia e kalciumit, alkaleve, sulfateve, joneve silikate dhe aluminate të lëshuara në fazën ujore nga çimentoja dhe hiri fluturues. Në funksion të këtyre, studimet mbi ndërveprimin e mineraleve individuale të klinkerit dhe hirit, ashtu si edhe të atyre midis çimentos dhe hirit, janë shumë të rëndësishme në kuptimin e fenomenit që vjen nga disa procese të pavarura dhe të ndërvarura Efekti i hirit fluturues në hidratimin e C3S Shumë studime raportojnë të dhëna konfliktuale mbi efektin e hirit në hidratimin e C3S. Takemoto dhe Uchikawa (Takemoto, K.; Uchikawa, H, 1980) zbuluan se C3S hidratohet më shpejt në prani të hirit edhe në stadet e herëshme edhe pas një periudhe kohe. Rreth 55% e C3S hidratohet brenda 24 orëve në prani të hirit, krahasuar me rreth 38% në pastën e pastër. Hidratimi i shpejtë i C3S i atribuohet rritjes së shpërbërjes së Ca 2+ në grimcat e hirit (duke ulur kështu përqendrimin e Ca 2+ në fazën ujore) dhe të disponueshmërisë sipërfaqësore shtesë të grimcave të hirit, në të cilat C-S-H mund të precipitojë. Mohan dhe Taylor Mohan, K.; Taylor, F.W.,1981) gjithashtu zbuluan se më shumë se 45% e C3S hidratohet brenda një dite në prani të hirit, krahasuar me rreth 35% në mungesë të tij. Sasia e Ca(OH)2 sic përshkruhet nga termogravimetria dhe e shprehur si g/g C3S ishte më lartë në pastën me hi sesa në pastën e pastër, duke konfirmuar se shumica e C3S ishte hidratuar në prani të hirit fluturues. Gjithashtu ishte zbuluar se hiri përshpejton polimerizimin e siliakteve hidrate; rreth 60% e Si në C-S-H të pastës me hi ishte prezent si polimer, krahasuar me 40% të pastës së pastër. Costa dhe Massazza (Costa, U.; Masazza, F. 1981) gjithashtu vune re një efekt të përshpejtuar të hirit në hidratimin e C3S. Huang (Huang, S.1981) raportoi edhe efekte përshpejtuese të hidratimit të C3S nga hiri në prani të gipsit. Janë vënë re disa ndryshime në shkallën e hidratimit të C3S në pëzierjen C3Shi fluturues dhe çimento-hi fluturues. Ndërsa hidratimi i C3S në përzierjen çimento-hi ishte 9

22 afërsisht i njejtë me atë të pastës së pastër të çimentos pas tre ditësh, ajo përshpejtohet gjatë periudhës së hidratimit në pastën C3S-hi fluturues. Shtimi i gipsit me 4% ul shkallën e hidratimit në stadet e para, por e rrit atë në stadet e mëvonëshme. Megjithatë, një sasi e tejkaluar e gipsit (8%) pengon hidratimin në të gjitha stadet. Lukas (Lukas, W.: (1976), gjithashtu vuri re një diferencë në shkallën e hidratimit të C3S dhe C2S në prani të hirit dhe në pastën e çimentos. Pas 18 muajsh, kishte akoma C3S të pahidratuar në pastën e çimentos së pastër, ndersa C3S ishte hidratuar komplet në përzierjen C3S-hi fluturues. Interesant ishte se e kundërta ishte e vërtetë për C2S. Jawed dhe Skalny (Jawed, I.; Skalny, J.: 1981) në anën tjetër, vune re një vonese të theksuar të pikut kryesor të evoluimit të nxehtësisë së C3S në prani të hirit fluturues në ujë dhe solucion NaOH. Dy hire me përbërje të njejtë kimike dhe mineralogjike vonuan pikun e evoluimit të nxehtësisë me të njejtën masë në ujë, por të ndryshëm në solucion NaOH, e para me sipërfaqe më të madhe specifike shfaqi vonesë më të madhe. Autorët sugjeruan se vonesa ndodh ndoshta për shkak të kristalizimit të Ca(OH)2 dhe C-S-H nga aluminatet e tretshme të lëshuara nga hiri. Hiri që lëshon më shumë aluminate në solucion NaOH vonon më shumë hidratimin e C3S. Ogawa et al. (Ogawa, K.; Uchiwaka, H.; Takemoto, K.; Yasui, I.: (1980) gjithashtu raportuan vonesë (më shumë se 12 orë) me pikun maksimal të evoluimit të nxehtësise në prani të hirit. Megjithatë, rezultatet me XRD treguan se më shumë C3S (rreth 55%) hidratohet në 24 orë në prani të hirit sesa në pastën e pastër (rreth 40%). U zbulua se hiri ul dukshëm përqendrimet e Ca 2+ dhe SiO2 në fazën ujore të sistemit C3S-hi (me rreth 20-50% respektivisht) në stadet e para (Christensen, J.K.; Kryger, L.; Pind, N (1982). Prania e hirit pritet të ndikojë përbërjen C-S-H të prodhuar në sistemin e hidratimit. Matjet mikroskopike në pastës C3S-hi nga Mohan dhe Tylor (Mohan, K.; Taylor, F.W.: 1981) treguan në dukje një reduktim në raportin mesatar Ca/Si në grimcat C-S-H nga 1.51 në 1.43, nga një ditë e në vazhdim, në prani të hirit. Sasi të vogla të etringitit (AFt) dhe fazës monosulfoaluminate ishin gjendur në beton pas 7-28 ditësh, brenda 3 muajve, i gjithë Fe, Al dhe SO4 2- të ardhur nga hiri, ishin inkorporuar në C- S-H. Ogawa et al. (Ogawa, K.; Uchiwaka, H.; Takemoto, K.; Yasui, I.(1980) raportuan një vlerë konstante 2 për raportin Ca/Si nga matjet me mikroskop me skanim elektroni SEM dhe me spektroskopi të shpërndarjes së energjisë EDS. Me sa duket vlera e tyre e matur ishte e lartë, sepse materiali i ngurtë midis grimcave përmban edhe C-S-H edhe Ca(OH)2, ndërsa Mohan dhe Taylor i ndanë grimcat më lehtë pasi e bluan mostrën deri në pluhur. Afër me grimcat e hirit, Ogawa et al. (Ogawa, K.; Uchiwaka, H.; Takemoto, K.; Yasui, I.(1980) gjetën një vlerë më të ulët rreth 1.5 për raportin Ca/Si, që përafrohej më mirë me Mohan dhe Taylor Efekti i hirit në hidratimin e C3A dhe C4AF Plowman dhe Cabrera (Plowman, C.; Cabrera, J.G.1981), (Cabrera, J.G.; Plowman, C gjendën se hiri kishte më shumë efekt në hidratim të vonuar të C3A dhe C4AF, sesa e njejta sasi e gipsit. Të dhënat me XRD dhe SEM treguan se hiri vonon konvertimin e hidrateve hekzagonale në kubike. Hidratet hekzagonale u panë të inkorporonin në jonet sulfate, ku besohej se i stabilizonin ato dhe vononin transformimin e tyre në hidrate kubike. Analizat e fazës së lëngët të sistemit të hidratimit treguan se ngopja, në aspektin e gipsit, ndodh pak sekonda pasi uji është shtuar në hi. SO4 2- dhe Ca 2+ i shpërbërë nga hiri, gjithashtu mund të spjegojë pjesërisht efektin vonues të hirit. Sipas Cabrera dhe Plowman (Cabrera, J.G.; Plowman, C. 1982) ndërveprimi i C3A me hirin me sa duket përfshin proceset e mëposhtëm: - Adsorbim fillestar të joneve sulfate, i cili redukton zonat aktive të shpërbërjes. - Formimin e etringitit në stadet e para, i cili redukton migrimin e ujit të pranishëm në sulfate. 10

23 - Migrimi i joneve sulfate - Transformim përfundimtar i hidrateve hekzagonale në hidrate kubike, shumë të vonuara në krahasim me një sistem që nuk përmban hi fluturues. Ishte nxjerrë në pah se shkalla dhe sasia e sulfateve që lëshohen nga hiri janë rrjedhojë e historisë dhe tipit të tij dhe që niveli i ndërveprimit të hirit me C3A mund të varet rrjedhimisht nga tipi i tij. Uchikawa dhe Uchida (Uchikawa, H.; Uchida, S.(1980) raportuan se materialet pucolanike që përfshijnë hirin fluturues, përshpejtonin jo vetëm formimin e etringitit dhe konvertimin e tij në monosulfoaluminate, por gjithashtu edhe hidratimin e C3A prezente në gips. Sasitë e mëdha të alkaleve në materialet pucolanike ndihmojnë në formimin e hidrateve kubike. Formimi i etringitit dhe konvertimi i tij në monosulfoaluminate vonohet nga Ca(OH)2. Ata arritën në përfundimin se hiri rrit shpërbërjen dhe prandaj edhe hidratimin e C3A duke siguruar sipërfaqe për precipitimin e etringitit dhe absorbimit të Ca 2+. Huang (Huang, S.: 1981) dhe Lukas (Lukas, W.(1976) gjithashtu raportuan se hiri përshpejtonte hidratimin e C3A në çimento. Autorët vunë re se ndërveprimi midis C3A në hi dhe gipsit në çimento prodhojnë etringit, por që monosulfoaluminati nuk mund të zbulohet para 28 ditësh Efektet e hirit në hidratimin e çimentos Shkalla e hidratimit Hidratimi i çimentos Portland mund të ndikohet nga hiri në të njejtën mënyrë si mineralet individuale të klinkerit. Megjithatë, reaksionet individuale dhe kinetika e tyre mund të ndryshojë në mënyra të ndryshme kur ato ndodhin njëherësh. Literatura përmban shumë raporte konfliktuale mbi efektin e hirit në hidratimin e çimentos. Lukas (Lukas, W.: (1976) observoi formimin në rritje të Ca(OH)2 në pastën e hirit dhe çimentos krahasuar me çimenton e pastër deri në 3 ditë, dhe i atribuohet formimit të përshpejtuar i C3S në çimento. Përmbajtja e Ca(OH)2 ulet me kalimin e kohës. Abdul-Maula dhe Odler (Abdul-Maula, S.; Odler, I.1981) gjithashtu observoi një përshpejtim të dallueshëm të hidratimit të C3S në çimento në prani të hirit fluturues. Hidratimi ishte ndikuar në të njejtën mënyrë nga hiret e një përbërjeje tjetër. Brenda 28 ditëve të para, ishte vëne re vetëm një reaksion mesatar i hirit me Ca(OH)2. Huang (Huang, S.1981) nuk zbuloi ndonjë ndryshim midis hidratimit të C3S në pastën e pastër dhe në pastën e çimentos me hi, ndërsa hidratimi i C3A ishte përshpejtuar ndjeshëm në rastin e dytë. Sasia e Ca(OH)2 në pastën e çimentos me hi arriti një vlerë maksimale që ishte pothuaj e njejtë si në pastën e çimentos së pastër, dhe mbeti e pandryshuar deri në 28 ditë, para se të ulej dukshëm. Duke shtuar gips, ulet hidratimi fillestar i C3S në pastën e çimentos me hi, por rritet në stadet e mëvonëshme. Megjithatë, sasi të tepërta gipsi vonojnë hidratimin në të gjitha stadet. Shtimi i gipsit duket të pëshpejtojë veprimin pucolanik të hirit. Në anën tjetër, Takemoto dhe Uchikawa (Takemoto, K.; Uchikawa, H.: 1980) zbuloi se piku kryesor i evoluimit të C3S në pastën e çimentos me hi ishte vonuar. Megjithatë, shkalla e hidratimit të C3S në pastën e çimentos me hi ishte më e lartë krahasuar me çimenton pa hi. Ghose dhe Pratt (Ghose, A.; pratt, P.L.1981) gjithashtu raportoi vonesë të C3A dhe C3S në pastën e çimentos me hi: shkalla e evoluimit të nxehtësisë gjithashtu ulej nga hiri fluturues. Vonimi fillestar i C3S i atribuohej joneve aluminate në solucion, të lëshuara nga hiri, dhe nga përshpejtimi pasues në fund të periudhës së induksionit deri në sipërfaqen e rritur, e disponueshme për precipitimin e produkteve të hidratimit. Vonimi i C3A i atribuohet solucionit Ca 2+ dhe SO4 2- që prodhohet gjatë shpërbërjes së hirit. 11

24 Produktet e hidratimit Produktet e hidrtatimit të përzierjes hi fluturues-çimento janë të njejta me ato të çimentos portland për kushte të njetja ruajtjeje. Shkalla e zhvillimit të produkteve të hidratimit është e ulët për hiret me përmbajtje të ulët kalciumi, por e njejtë si çimento portland për hiret me përmbajtje të lartë kalciumi (Diamond, S.; Lopez-Flores, F.1981). Veprimi pucolanik i hireve është shumë i ulët në kushte normale ruajtjeje. Takemoto and Uchikawa (Takemoto, K.; Uchikawa, H.: 1980) zbuluan tipin I C-S-H dhe etringitin pas një dite dhe Ca(OH)2 dhe monosulfoaluminatet pas 7 ditesh, duke ndarë produktet e hidratimit nga grimcat e hirit. Abdul-Maula dhe Odler (Abdul-Maula, S.; Odler, I, 1981) raportuan formim të vazhdueshëm të etringitit deri në 28 ditë; sasia e etringitit u pa të ishte e lartë për hire që përmbanin anhidride. Konvertimi i etringitit në monosulfoaluminate ndodh vetëm në rastet e hireve me SO3 të ulët. Megjithatë, autorë të tjerë kanë zbuluar etringitin në stadet e para dhe monosulfoaluminatet në stadet e mëvonëshme në pastën e ngurtësuar të çimentos me hi fluturues (Takemoto, K.; Uchikawa, 1980), (Huang, S.1981), (Ghose, A.; Pratt, P.L,1981), (Sayal, S.K.; Kataria, S.S.: Effect,1981) Pasta e çimentos me hi përmban më shumë xhel C-S-H dhe më pak Ca(OH)2 sesa çimento portland. Disi me shumë CaCO3 është raportuar në pastën e çimentos me hi, i cili mund të jetë rezultati i karbonatimit (Kovacs, R.: 1980). Përmbajtja e xhelit C-S-H rritet veçanërisht nëse përmbajtja e ujit të sistemit është ulur dhe nëse raporti molar C3S/C2S i sistemit ulet (Buttler, F.G.1981). Në temperatura të larta ruajtjeje, Nagataki et al. (Nagataki, S.; Sakai, E.; Maeda, M.: 1982) identifikuan Hidrogarnet (Ca3(AlxFe1 x)2(sio4)y(oh)4(3 y) dhe C-S-H në disa raporte çimento/hi fluturues. Rayment (Rayment, P.L.1982) raportoi se hiri fluturues ulet në raportin Ca/Si të hidrateve të brendshme rreth grimcave të C3S në çimento nga 1.71 në 1.55 dhe i atribuohej rritjes së përmbajtjes së Si. Më shumë kalium gjendet në hidratet me raport të ulët Ca/Si. Pjesa e jashtme e hidratuar e grimcave të C3S ishte më e zhvilluar në pastën e çimentos me hi sesa në çimenton pa hi. 12

25 KAPITULLI III Reaksionet kimike të çimentos dhe hirit fluturues 3.1 Hidratimi i çimentos Portland Reaksioni kryesor në zhvillimin e rezistencave në beton është hidratimi i çimentos Portland, i cili i paraqitur nëpërmjet përbërësit kryesor të tij, trikalcium silikat (me formulë: (CaO)3.SiO2 ose C3S në nocionin e çimentos) prodhon Ca më tepricë: (CaO)3. SiO2 + nh2o (CaO)x. SiO2 (H2O)y + (3-x)Ca(OH)2 Faktori x është raporti Ca/Si, i cili zakonisht është 1.65 deri në 1.70 për kiminë e solucioneve në poret e ujit të gjendur në betonin e çimentos Portland. Hidratimi i hirit fluturues në beton mund të formojë produkte më reaksione të ndryshme. Ai kontribuon C-S-H nga veprimi pucolanik dhe veprimin vetëçimentues nëpërmjet reaksionit të aktivizimit të alkaleve. Megjithatë, ai gjithashtu prodhon xhel C-A-S-H dhe xhel të hidrateve të kalcium aluminatit. 3.2 Reaksioni pucolanik Përfitimi kryesor i hirit fluturues si zëvendësues i pjeshëm është se ai jo vetëm redukton sasinë e hidroksidit të kalciumin të paqëndrueshëm (gëlqere ose portlandite), por gjatë procesit e konverton atë në hidrate kalcium silikate (CSH), i cili është përbërësi më i fortë dhe më i qëndrueshëm në pastën e betonit. Pasta është çelësi për beton të qëndrueshëm dhe të fortë në hidratimin e plotë; betoni i prodhuar me çimento tipike prodhon afersisht ¼ puond gëlqere të paqëndrueshme për 1 pound çimento në mix. Të dy tipet e hirit fluturues C dhe F reagojnë në beton në të njejtën mënyrë ku i nënshtrohen veprimit pucolanik me gëlqeren (hidroksid kalciumi) të krijuar nga hidratimi i çimentos me ujin, për të krijuar të njejtin lidhës (hidrate kalcium silikate) si çimento. Reaksioni kimik është i perfshirë në reaksionin pucolanik sic paraqitet në ekuacionet me poshtë. Për më tepër, disa klasa C të hirit fluturues mund të zotërojnë mjaftueshëm gëlqere për t u vetëçimentuar, përveç veprimit pucolanik me gëlqeren nga hidratimi i çimentos. Silikati trikalcik + ujë = hidrate kalcium silikate + hidroksid kalciumi 2C3S+6H2O CSH + 3Ca(OH)2 Hidroksid kalciumi + silicë = silikat trikalcik + ujë 2CH +S 2C S + 2H Hiri fluturues redukton hidroksidin e kalciumit, i cili kombinohet me sulfatet për të prodhuar gips. Gipsi është një material që ka volum më të madh se hidroksidi i kalciumit dhe sulfatet që kombinohen për të formuar atë, duke shkaktuar ekspansion dëmtues. 13

26 Reaksioni tipik i atakut sulfatik Sulfat natriumi + hidroksid kalciumi + ujë = gips Na2SO4 +Ca(OH) +2H2O CSH + 2Na(OH) Aluminat trikalcik + gips + ujë = etringit C3A + 3CSH2 6H2OC3A.3CS.H32 Reaksion pucolanik që lehtëson atakun sulfatik 3Ca(OH)2 + SiO2 2C3S+ 2H2O 3.3 Reaksioni alkal-agregat Reaksioni alkal-agregat (AAR) është një reaksion kimik, që ndodh në beton duke shkaktuar tension. Poret brenda betonit përbëhen nga solucion që përmban shumë jone të shpërbëra, kryesisht K +, Na + dhe OH -. Jone të tjera përfshijnë Ca 2+, and SO4-2, po ato nuk janë aq të rëndësishme për AAR sa jonet e përmendura më lart. Ka lloje të ndryshme agregatesh të imta dhe të ashpra që përmbajnë faza minerale të paqëndrueshme kimikisht, të cilat mund të reagojnë në mënyrë të dëmshme në ph të larta, mjedisin e betonit. Kjo më pas mund të shkaktoje ekspansion të brendshëm, krisje dhe humbje të aftësive, të cilat çojnë në dështim të elementeve të betonit (Fournier, Berube, 2000). Ka dy tipe të AAR, reaksioni alkal-karbonat (ACR) dhe reaksioni alkal-silicë (ASR). 3.4 Reaksioni alkal-karbonat ACR është e ngjashme më ASR, por kërkon agregate të tjera për reaksion. ACR është parë të ndodhë më disa shkembinj dolomite dhe në reaksionin më ph të lartë në poret e betonit (Swenson, 1957), (Farbriarz, Carrasquillo, 1986), (Fournier, Berube, 2000). Hidroksidet alkaline në poret e solucionit të betonit atakojnë kristalet e dolomitit të agregatit dhe fillon në këtë mënyrë procesi i dedolomitizimit. Besohet se ky proces, shkatërrimi i dolomitit, është përgjegjës për ekspansion. Ekuacioni 1 tregon shkatërrimin e dolomitit më hidroksidet alkaline duke formuar brucit, kalcit dhe karbonate alkaline. CaMg(CO3)2 + 2(Na,K)OH Mg(OH)2 + CaCO3 + (Na,K)2CO3 (1) Dolomit hidrokside alkaline Brucit Kalcit Karbonate alkaline Mekanizmi ACR ndodh në dy hapa në ekuacionin 1 dhe 2. Në ekuacionin 2, karbonatet alkaline dhe portlandite reagojnë duke formuar brucite dhe alkale shtese, të cilat do të rrisin ph dhe të mbajnë atë ph të lartë, duke shkaktuar më shumë reaksion. Kjo mund të nënkuptojë se ACR mund të vazhdojë të procedojë pothuaj në kohë të pacaktuar nëse ka prezent një burim agregatesh reaktive. Është ky riciklim i alkaleve që e bën të vështirë, nëse jo të pamundur, parandalimin e agregateve të ACR të ndjeshme ndaj reagimit në beton, edhe në ngarkesë të ulët alkalesh. (Na,K)2CO3 + Ca(OH)2 CaCO3 + 2(Na,K)OH (2) Karbonate alkaline Portlandite Kalcite Hidrokside alkaline 14

27 ACR ndodh më rrallë sesa ASR, sepse tipi i agregateve të nevojshme për ACR është mjaft e rrallë, dhe për shkak të kësaj, është shumë e kufizuar që ACR të ndodhë në strukturat e betonit nëpër botë. 3.5 Reaksioni alkal-silicë Reaksioni alkal silicë (ASR) është emri i përgjithshëm i dhënë një sërë serie të reaksioneve kimike që përfshijnë ndërveprimin e silicës reaktive, alkaleve dhe ujit, që rezultojnë në dëmtim të parakohshëm dhe humbje të aftësisë së strukturave të betonit. Rasti i parë i ASR është zbuluar nga Thomas Stanton në Kaliforninë e jugut (Stanton, T. E. (1940)). Edhe pse ASR ende mbetet një problem në ditët e sotme, veprimi saj kuptohet më mirë dhe ka shumë masa parandaluese për ta limituar ose për ta lehtësuar pasi të ketë ndodhur. Një masë parandaluese është përdorimi i hirit fluturues, një material çimentues suplementar (SCM). Sot përdorimi i hirit fluturues si SCM është një nga mënyrat më popullore për parandalimin e ASR. Hiri fliuturues është një nënprodukt nga djegia e qymyrit të pluhrëzuar në furrat elektrike; megjithatë jo të gjithë hiret fluturues janë të njejtë ndaj efektit të ASR. Janë disa faktorë, që përfshijnë përbërjen mineralogjike, kimike dhe fizike të hirit fluturues, të cilët luajne rol shumë të rëndësishëm në efektivitetin e hirit fluturues në kontrollin e ASR. Përdorimi i hirit fluturues në beton është një nga mënyrat më ekonomike dhe më të thjeshta që industria e betonit ka për parandalimin e ASR. Megjithatë, vetitë e hirit fluturues ndryshojnë nga burimi në burim, edhe vetitë kimike, mineralogjike dhe fizike të një hiri fluturues të marra nga nja fabrikë mund të jenë të ndryshme nga ato të marra nga po e njëjta fabrikë para disa vitesh. Për më tepër, rregullat mjedisore mbi industinë e djegies vazhdojnë të rriten dhe kjo mund të ndikojë në cilësinë e hirit fluturues të prodhuar. Për shkak të kësaj, është mjaft e rëndësishme që të karakterizohet hiri fluturues, në mënyrë që të parashikohet përformanca dhe sjellja e tij në beton. ASR është shumë më e zakonshme sesa ACR, për shkak të agregateve silicore reaktive të gjendura më bollëk kudo në botë. Është një reaksion që ndodh midis solucionit të poreve të betonit në ph të larta dhe disa agregateve më silicë kristaline të varfër. Reaksioni shkakton formimin e një xheli i cili zgjerohet kur absorbon ujë. Mekanzimi i ASR dhe kimia e tij është studiuar shumë nga Glasses dhe Katakoka (1981). Glasser dhe Katakoka e nisen këtë studim kur silica kristaline e varfër ekspozohej në solucion të lartë alkalin, krijohej një reaksion acid-bazë. Ky reaksion përshkruhet në ekacionin 3. Siç duket në reaksion, hapi i parë është silica e cila atakohet nga një jon hidroksil. Kjo rezulton në ngarkesë negative të oksigjenit, i cili tregohet në anën e djathtë të ekuacionit që balancohet nga kationet alkaline (Na + dhe K + ) të solucionit. (3) Nëse solucioni i fortë alkalin vazhdon të jetë prezent, atëherë do të ndodhë reaksion hidroksid i mëtejshëm me grimca silice reaktive dhe rrjedhjet siloksane mund të atakojnë. Ekuacioni 4 përshkruan reaksionin midis joneve hidroksil dhe rrjedhjeve siloksane. Nëse ka ende të 15

28 pranishme sasi të hidroksideve alkaline, atëherë procesi vazhdon të prodhojë një solucion silikat alkalin. (4) Thomas (2011) pohoi se shkalla e shpërbërjes kontrollohet nga alkaliniteti i solucionit, struktura e silicës dhe influenca e rritjes së ph në tretshmërinë e silicës kristaline ose amorfe të varfër. Shpërbërja e silicës nga grimcat reactive, e shkaktuar nga jonet hidrokside në solucion, formon xhel alkal-silikat, i cili shoqërohet më rritje të volumit (Glasser, Kataoka 1981). 3.6 Reaksioni alkal-aktivizues Reaksioni i dytë i mundshëm për hiret fluturuese që përmbajnë grimca të pasura më kalcium është reaksioni i aktivizimit të alkaleve. Në solucione më ph të lartë, jonet OH- atakojnë lidhjet e rrjetit të joneve silikate. Kjo lejon jonet silikate të reagojnë më Ca e pranishme në hi fluturues për të formuar C-S-H. Reaksioni vetë çimentues ose alkal aktivizues është baza për betone me hi fluturues me volum të lartë. Në këto aplikime, alkali në formën e hidroksidit të natriumit ose kaliumit duhet qëllimisht të shtohet. Megjithatë, në çimenton Portland ka disa alkale tipike të pranishme si sulfate nga papastërtitë e lëndës së parë. Gjatë reaksioneve të hidratimit, sulfati precipiton si etringit (CaO)6.Al2O3.SO4.H2O, duke lënë mbrapa një përzierje të hidroksidit të natriumit dhe kaliumit në solucion. Reaksioni alkal aktivizues bëhet i mundur në momentin që poret e ujit të betonit, zakonisht të dominuara nga jonet K +, mund të arrijnë ph>13,. Ky reaksion është thjesht: 1.7CaO + SiO H2O (CaO)1.7. SiO2. (H2O)1.8 Në mungesë të ndonjë informacioni në vlerat aktuale të x për xhelin C-S-H pucolanikaktivizues dhe alkal-aktivizues, ishte përdorur vlera ideale prej Nuk prodhohet dhe as konsumohet tepricë e CH nga ky reaksion. Megjithatë, kjo aplikohet vetëm tek Ca në fazën qelqore. Kalciumi gjithashtu mund të jetë i pranishëm në fazë kristaline si wollastonite, e cila nuk mund të jetë shumë reaktive. Ky reaksion mund të procedojë më shpejt sesa veprimi pucolanik, meqë përbërësit kimik janë pothuaj të ndërpërzier. Në të kundërt, në veprimin pucolanik kalciumi i tepërt në poret e solucionit duhet të difuzojë në vendndodhjen e përbërësit silcor në rrjetin qelqor, në mënyrë që të vazhdojë reaksioni. 3.7 Reaksioni aluminat Reaksioni i tretë i mundshëm është formimi i xhelit C-A-S-H në hirin fluturues, i cili përmban përmbajtje të lartë të grimcave qelqore aluminate. Kjo përmbajtje aluminate reagon më përmbajtjen silicore të grimcave dhe tepricën e kalciumit nga hidratimi i çimentos, për të prodhuar fazën e xhelit C-A-S-H. Duke përdorur një raport ideal të C/S=1.65 në C-S-H, dhe C/S=3, më A/S=1 në fazën xhelore C-A-S-H: 2Al(OH) Ca 2+ + SiO4 4- Ca3Al2Si(OH)8O4 16

29 Në reaksionin aluminat, kalciumi i tepërt nga poret e solucionit duhet të difuzojë në vendndodhjen e përbërësve silicore dhe aluminat, në rrjetin qelqor, për të formuar xhel C-A- S-H. Ky reaksion procedon më ngadalë sesa alkal aktivizuesit, sepse kërkon transportin e Ca së jashtme në rrjetin qelqor të hirit fluturues. Megjithatë, ai mund të procedojë më shpejt sesa veprimi pucolanik, sepse alumina mund të mos jetë lidhur mirë në rrjetin qelqor ashtu si silica. Prandaj reaksioni pucolanik dhe formimi i xhelit C-A-S-H konkurojnë për përbërësin silicor në hirin fluturues dhe kalciumin e tepërt në poret e solucionit. Meqë vetëm veprimi pucolanik mund të kontribuojë në sistemin C-S-H, formimi i xhelit C-A-S-H mund të ulë indirekt C-S- H e sistemit. Xheli C-A-S-H mund të bëhet produkt i padëshiruar meqë ai mesa duket nuk vepron si lidhës. Keshtu që përdorimi i një përqindjeje të lartë të hirit fluturues me përmbajtje të lartë alumine mund të jetë optimal. 3.8 Nxehtësia e hidratimit Hidratimi i çimentos është një reaksion ekzotermik. Sasi të mëdha nxehtësie çlirohen në përgjithësi gjatë këtij reaksioni. Nxehtësia e gjeneruar shkakton ngritjen e temperaturës dhe shpejtësi të kohës së ngrirjes, gjithashtu edhe rritje të rezistencave të mostrave. Në shumë struktura, fitimi i shpejtë i nxehtësise së çimentos, rrit mundësitë e krisjeve termike, duke çuar në reduktim të rezistencave të betonit dhe të qëndrueshmërise. Aplikimet për zëvendësimin e çimentos me përqindje të lartë hiri fluturues, mund të reduktojë efektet dëmtuese të krisjeve termike. Nxehtësia kumulative e hidratimit, që vjen nga pasta e betonit me përmbajtje të hirit fluturues, është më e ulët krahasuar më atë që formohet nga pasta e zakonshme e çimentos Portland. Shkalla e formimit të C-S-H në përzierjen hi fluturues-ujë, është normalisht më e ngadaltë krahasuar me përzierjen çimento-ujë. Prandaj, në kohën pas 60 ditësh, hi fluturues-çimentoujë, vazhdon të fitojë rezistenca, ndërsa pasta ujë çimento nuk shfaq fitim të dukshëm rezistencash. Për rezistencat në shtypje dhe ato të elasticitetit, fitimi i rezistencave për mostrat me hi fluturues është më i ngadaltë në kohën fillestare, duke treguar sasi më të vogël të gjenerimit të nxehtësisë. Prandaj, betonet me përzierjet e hirit fluturues me çimento, janë më të përshtatshme. 3.9 Formimi i etringitit Etringiti karakterizohet si hidrate të kalcium aluminat trisulfateve dhe formimi i tij është identifikuar si shkaku kryesor i përçarjes së pastës së çimentos Portland dhe betoneve të ekspozuara në solucion sulfat. Ekspansioni rezultues mund çojë në mekanizmat e dëmtimit, edhe pse nuk janë plotësisht të kuptueshme (Collepardi 2003)(Ramyar and Inan 2007). Si fillim, për qartësi, jo të gjithë reaksionet lidhur më etringitin janë përçarëse. Formimi fillestar i etringitit EEF, ndodh brenda pak orëve pas kontaktit të ujit më çimenton, gjatë fazës plastike të hidratimit të çimentos ku etringiti precipiton në sipërfaqen e aluminatit trikalcik (C3A) gjatë reaksionit me gipsin, ekuacioni 1 (Hewlett 2004, p.261).me kalimin e kohës, ky etringit i hershëm konvertohet në hidrate monosulfate kalcium aluminate, të quajtura faza Afm, siç shihet të ekuacionin 2 (Hewlett 2004, p.261). (Prasad et al. 2006): C3A + 3CSH2 + 26H C6AS3H32 (1) C6AS3H32 +2C3A + 4H 3C4ASH12 (2) 17

30 Transformimi i hershëm i trisulfatit aluminat kalcik, i cili shpërndahet nëpër pastë, çon në një ekspansion homogjen jo të dëmshëm. Anasjelltas, etringiti i formuar më vonë, i lokalizuar në zonën e pastës së ngurtësuar, çon në ekspansion heterogjen. Më pas mund të fillojnë krisjet dhe çarjet. Ky njihet si formim i vonuar i etringitit (DEF) ose formim i etringitit sekondar, krahasuar më mekanizmin e përshkruar më sipër, i cili konsiderohet si formim i etringit primar. Vetëm reaksioni i mëvonshëm njihet të lidhet me atakun sulfatik (Collepardi 2003). Gjatë atakut sulfatik, etringiti përgjithësisht formohet nga përbërësit e fazës monosulfate (ekuacioni 2). Aluminati i nevojshëm për prodhimin e etringitit mund të vijë nga Ca4Al2O26H38, Ca3Al2O6, Ca4Al2Fe2O10 ose nga faza të tjera aluminë-lidhëse të pranishme në çimenton e hidratuar (Monteiro 2006). Siç shihet në ekuacionin 3 (Monteiro 2006, f.11468), këto përbërës (psh. Monosulfati) shpërbëhen fillimisht në fazën ujore rrethuese. Etringiti më pas mund të precipitojë nga solucioni nëse është i pranishëm një burim shtesë i joneve sulfate ekuacioni 4 (Monteiro 2006, f.11468). Ca4Al2(OH)12 (SO4) 6H2O 4Ca Al(OH) (OH) - + SO H2O (3) 6Ca Al(OH) (OH) - + 3SO H2O Ca6Al2(OH)12(SO4)3 26H2O (4) Nga ekuacioni 4, jonet kalcium të kërkuara për të përfunduar reaksionin mund të përftohen ose nga faza përreth, hidroksidi i kalciumit psh, ose nga një burim i jashtëm. Kjo varet nga tipi i atakut sulfatik (Monteiro 2006). Një nga pasojat e kthimit të monosulfatit në trisulfat (që njihet si etringit-korrozion) është ekspansioni i dëmshëm. Nga shumë shkencetarë, janë propozuar mekanizma të ndryshëm ekspansioni si pasojë e formimit të etringitit (Skalny et al. 2002, f.170). Formimi topokimik i etringitit më rritje direkte kristalesh dhe bymim të etringitit kristalin të varfër, gjatë absorbimit të ujit në mjedis alkalin, janë dy nga hipotezat (Ramyar and Inan 2007, f.1368). Mather dhe të tjerë janë të mendimit se reaksioni zgjerues është i tipit topokimik, ku futja e një përbërësi të ri në strukturë, rezulton në një reaksion në gjendje të ngurtë, duke shkaktuar ndryshime strukturore të rëndësishme. Forcat zgjeruese do të ndodhnin nëse produkti i ri i formuar, zë volum më të madh se dy përbërësit fillestar. Në anën tjetër, nuk ka ndryshim në volum, kur konsiderohet reaksioni midis sulfatit të kalciumit dhe hidroksidit të kalciumit, por për shkak të diferencës në tretshmërinë e C3A dhe gipsit, etringiti formohet në sipërfaqe të C3A. Prandaj, ka një rritje lokale të volumit dhe në të njejtën kohë, rritje diku të porozitetit(neville 1996, p.509) Formimi i gipsit Siç shihet nga ekuacioni 5 (Santhanam et al. 2003, p.326), gispi është produkt i reaksionit kimik midis hidroksidit të kalciumit të formuar gjatë procesit të hidratimit të çimentos dhe joneve sulfate të pranishme në solucionin e poreve. Ky reaksion shpesh referohet si gipskorrozion. Ca(OH)2 + 2H2O + SO4 2- CaSO4 2H2O + 2OH - (5) Shtrirja e ekuacionit varet nga dy faktorë: e para duke qenë burim i joneve sulfate (ujrat e nëndheshëm të kontaminuar me Na2SO4, MgSO4, FeSO4 dhe CaSO4 psh), dhe e dyta duke qenë tip specifik i çimentos Portland. Gipsi fillimisht është gjendur nëpër krisje dhe hapësira ose si shtresa afër sipërfaqeve të elementeve të betonit të nënshtruar nga ataku sulfatik. Megjithatë, efekti i gips-korrozionit në vetitë fizike dhe mekanike të betonit të ngurtësuar nuk është përcaktuar tërësisht. 18

31 KAPITULLI IV Efektet e hirit fluturues në beton Betoni vazhdon të jetë një material ndërtues i rëndësishëm për përdorim në çdo tip strukture të inxhinierisë civile. Performanca e këtyre strukturave në termat e rezistencave dhe të qëndrueshmërisë ka përballuar testin e kohës, por jetëgjatësia e strukturave është bërë shqetësuese. Ky është një shkak mjedisor, i cili bëhet edhe më agresiv më kalimin e kohës. Atmosfera vazhdon e ngarkohet më përqindje të larta dioksidi squfuri, dioksid karboni dhe klorure. Oksidet e squfurit janë të dëmshëm për betonin, ndërsa kloruret janë dëmshme për çelikun. Roli i joneve sulfate në shkaktimin e dëmeve në beton është studiuar intensivisht. Betoni është materiali ndërtues me përdorim më të gjerë, për shkak të performancës së tij të kënaqshme në kërkesat e rezistencave. Por një problem serioz mund të jetë rezultat i një ataku kimik, i cili çon në ndryshime të volumit, krisje të betonit e deri në prishje të tij. Reaksioni i joneve sulfate (SO4 2- ) më produktet e hidratuara të çimentos është një reaksion më rritje volumi, i cili paraqitet si atak sulfatik i betonit. Shumë toka përmbajnë disa sulfate në formën e kalciumit, magnezit, natriumit dhe kaliumit. Sulfati i amonit është zakonisht prezent në toka agrikulturore dhe ujë. Shkatërrimi i lëndës organike nëpër këneta, liqene të cekta, puse minierash dhe tubacione kanalesh, zakonisht çon në formimin e H2S. Uji i përdorur në kullat e ftohjes së betonit, është gjithashtu burim i atakut sulfatik, për shkak të formimit gradual të sulfateve nga avullimi i ujit. Uji i detit përmban sulfate të natriumit, magnezit dhe kalciumit në formë të tretshme. Kështu, ataku sulfatik është dukuria e zakonshme në mjedisin e betonit. Sulfatet e ngurta nuk atakojnë rëndë betonin, por kur janë në formë kimike në solucion, ato hyjnë nëpërmjet poreve të betonit dhe reagojnë më produktet e hidratuara të betonit. Vicat, ishte i pari që raportoi një atak kimik, që atribuohet nga prezenca e sulfateve në ujin e detit në vitet 1918, ku pas kësaj është studiuar shumë rreth kesaj zone. Sulfatet gjenden në mënyrë natyrore dhe përdoren në industri. Ato mund të futen në beton në formë solucioni të formuar nga ambjenti i jashtëm, ose mund të jenë të përziera brenda betonit. Ato reagojnë me përbërësit e çimentos duke formuar produkte të zgjerueshme. Sasi të mëdha sulfatesh mund të kenë efekte të dëmshme në beton. Përpjekjet e mëparëshme për të rritur rezistencat e betonit ndaj atakut sulfatik, ishin bazuar në gjetjen se aluminatet e kalciumit në çimento ishin përbërësit kryesor që reagonin më sulfatet duke krijuar kështu produkte të zgjerueshme. Proceset kryesore të dëmtimit që një beton mund të pësojë janë ataku sulfatik, korrozioni i mbrojtëses së çelikut, reaksionet alkal-agregat, karbonizimi dhe kullimi nga ujrat e nëndheshëm neutral ose acidik. Këto procese dëmtimi zakonisht përfshijnë transportin e lagështisë, joneve dhe gazeve të tretshme në beton nëpërmjet forcave të difuzionit, konveksionit dhe forcave kapilare. Shkalla e dëmtimit zakonisht do të kontrollohet nga shkalla e ndërhyrjes së lagështisë dhe kriprave dhe gazeve të tretshme në beton. 19

32 Ataku sulfatik është një nga mekanizmat më të dëmshëm të prishjes të betonit. Ai mund të përshpejtohet në disa mënyra. Ciklet alternative të njomjes dhe tharjes mund të përqëndrojnë sulfatet e tretshme në sipërfaqen e jashtme të betonit. Lëvizja hidraulike e solucionit sulfatik nga sipërfaqja e jashtme mund të rrisë difuzionin e ngadalshëm të joneve sulfate. Natyra ekspansive e produkteve të formuara nga veprimi midis joneve sulfate dhe fazës aluminate të çimentos, mund të shkaktojë krisje të betonit. Krisja mund të rrisë shkallën e difuzionit, gjithashtu edhe shkallën e lëvizjes hidraulike. Në ujrat e nëndheshëm dhe tokat argjilore, sulfate alkale mund të jenë prezent në mënyrë natyrale. Ato mund të jenë të përqëndruara atje nga avullimi gjatë vaditjes së vazhdueshme ose cikleve natyrale të njomjes dhe tharjes. Është e njohur që ujrat më përmbajtje sulfate mund të atakojnë strukturat e betonit. Me kalimin e kohës ataku sulfatik mund të shkaktojë krisje dhe madje edhe shpërbërje të përbërësve të betonit. Natyra përshpejtuese potenciale e atakut sulfatik është kryesisht e papëlqyer. Rrjeti i krisjes i cili zhvillohet mund të rrisë edhe depërtueshmërinë edhe difuzionin, duke reduktuar në këtë mënyrë jetën e dobishme të strukturës. Nëse ujrat e nëndheshëm dhe të dherave që rrethojnë sipërfaqen e betonin përmbajnë sasi të konsiderueshme sulfatesh, dëmtimi që zgjat për shumë vite mund të rrezikojë integritetin kimik dhe struktural të sipërfaqes së betonit. Mungesa e qëndrueshmërisë së materialeve të betonit, e cila mund të rezultojë në dëmtim të parakohshëm është një shqetësim i madh në zhvillimin e sistemeve strukturore të qëndrueshme. Ataku sulfatik është një nga fenomenet që mund të shkaktojë dëmtime graduale, por të ashpra të strukturave të betonit dhe teknikat e tij të zbutjes. Shumica e këtyre metodave testuese bazohet në ekspansionin e shkaktuar në fillim të shekullin Efektet në beton Përdorimi i duhur i hirit përmirëson shumë veti të betonit. Ai shfaq veti pucolanike, që veprojnë më Ca(OH)2 e prodhuar gjatë hidratimit të çimentos Portland. Produktet e hidratimit të hidrateve kalcium-silikate (C-S-H) dhe hidrateve të kalcium aluminat silikateve formohen nga ky veprim pucolanik. Hiret më përmbajtje të lartë CaO gjithashtu shfaqin veti hidraulike ashtu si edhe veti pucolanike. Përdorimi i hirit dihet që redukton ekspansionin e shkaktuar nga ASR. Ky reduktim shkaktohet nga fakti se produktet e hidratimit tentojnë të lidhen më alkalet. Reaksioni pucolanik, kur përdoret hi, prodhon C-S-H që përmban raport më të ulët Ca/Si krahasuar më raportin e çimentos Portland. C-S-H me raport të ulët Ca/Si ka potencialin të lidhë alkalet duke i larguar ato nga poret e solucionit. Hong, Glasser (1999) pretendonin se me uljen e raportit Ca/Si, ngarkesa sipërfaqësore bëhej më negative (ose më pak pozitive) dhe tërheq në këtë mënyrë kationet alkaline pozitive nga poret e solucionit. 4.2 Efekti i hirit fluturues në reaksionin alkal-silicë. Përdorimi i hirit fluturues dhe SCM të tjera është një nga zgjidhjet më popullore për ndalimin e rritjes së ekspansionit nga ASR. Disa hire sillen ndryshe nga të tjerët dhe mund të jenë shumë efektive kundër ASR, ndërsa disa të tjerë mund të kontribuojnë në problem. 20

33 Duchesne dhe Berube (1994) listuan 4 mekanizmat më të zakonshëm për të spjeguar efektivitetin e hirit fluturues kundër ASR. Depërtueshmëri më të ulët dhe si pasojë mobilizim më të ulët të joneve Përmirësim të rezistencave dhe rezistencë më të madhe ndaj forcave zgjeruese të zhvilluara nga ASR Dobësim të alkaleve me zëvendësimin e çimentos (me të paktën dy hire fluturuese me përmbajtje sa më të ulët alkalesh) Reaksion pucolanik duke prodhuar hidrate sekondare (pucolanike), të cilat ndalojnë jonet alkale, duke i reduktuar ato dhe duke ulur ph në poret e solucionit. Duchesne dhe Berube (1994) kryen testet e ekspansionit të prizmave të betonit sipas standardit ASTM C Ky test përfshiu shumë lloje hiri fluturues. Studimet e tyre përfshinë përdorimin e tre hireve fluturuese (dy të klasës F dhe një i klasës C me përmbajtje të lartë alkalesh). Ata zbuluan se zëvendësimi prej 40 % me hi fluturues me përmbajtje të lartë alkalesh reduktoi ekspansionin për një periudhë 2 vjeçare. 20 % e dy hireve të tjerë ishin mjaftueshëm për të kontrolluar ekspansionin. Këto rezultate çuan në përfundimin se hiri me përmbajtje të lartë alkalesh kërkon doza më të larta zëvendësimi dhe sasi të tepërta alkalesh mund ta bëjnë hirin fluturues jo efektiv. Thomas (2011) propozoi se alkalet në lidhës lëshohen nëpërmjet tre mënyrave: shpërbëhen brenda poreve të solucionit, hidhen nga produktet e hidratimit, ose përfshihen në xhelin ASR. Nëse nuk ka agregate reaktive, atëhere poret e solucionit dhe produktet e hidratimit do të arrijnë një ekuilibrim dhe sasitë do të varen nga përbërja e lidhësit. Shumë studiues kanë zbuluar se përfshirja e hirit fluturues çon në reduktim të përqëndrimit të alkaleve brenda poreve të solucionit të betonit dhe më rritjen e sasisë së shtuar të hirit fluturues, përqëndrimi i alkaleve ulet. Figura 1 tregon se si zëvendësimi i lartë më SCM çon në ulje të përqëndrimit të joneve OH - në poret e solucionit. Fig 4.1 Efekti i SCM dhe niveli i zëvendësimit në poret e solucionit [OH - ] (Thomas, 2011) Gjithashtu, Thomas (2011) tregoi se jo vetëm përqëndrimi i joneve OH - ulet në nivele të larta zëvendësimi, por edhe se si ASR shkakton ekspansion. Figura 2 paraqet rezultate të ngjashme me figurën 1. Performanca rritet me rritjen e sasisë së zëvendësuar të hirit fluturues. 21

34 Ekspansioni mund të ulet dukshëm më rritjen e sasisë së zëvendësuar të hirit, sidomos të hirit me përmbajtje të ulët CaO. Vihet re se edhe zëvendësimet në sasi të mëdha të hirit më CaO të lartë dhe përmbajtje të lartë alkalesh, përformojnë më mirë. Fig 4.2 Efekti zëvendësimit të SCM në ekspansionin e krijuar nga ASR (Thomas, 2011) Sasia e hirit fluturues e nevojshme për të kontrolluar ekspansionin e shkaktuar nga ASR, varet nga disa variabla duke përfshirë përmbajtjen e alkaleve në çimento dhe agregate, përmbajtja e alkaleve në hi fluturues, raporti CaO/SiO2 në hi, dhe reaktiviteti i agregateve. Nëse një nga këta variabla rritet, atëhere do të rritet edhe kërkesa për sasinë e hirit fluturues. Thomas ka zbuluar një mardhënie midis përbërjes kimike të lidhësit dhe përqëndrimit të solucionit të poreve, si edhe ekpsansionit të shkaktuar nga ASR. Ky indeks [(Na2Oe)0.33xCaO]/(SiO2)2 paraqet qartë se kush janë tre parametrat kimike që ndikojnë në ASR. Alkalet e lidhësit sigurisht që ndihmojnë ASR, po ashtu edhe raporti CaO/SiO2. Kombinimi i këtyre tre variablave ndikon në ekspansionin e krijuar nga ASR. 4.3 Alkalet e pranishme Termi alkalet e pranishme nënkupton sasinë e alkaleve të lëshuara nga hiri fluturues në solucionin poreve të betonit, që bën të mundur këto alkale të reagojnë me agreagatet reaktive nëse janë të pranishme. Hiri fluturues përmban sasi alkalesh sa çimentoja, por jo të gjithë janë të pranishëm. Disa prej alkaleve bllokohen në fazën kristaline joreaktive, ndërsa të tjerët ndahen midis produkteve të hidratimit dhe lëngut të solucionit të poreve (Thomas, Shehata, 2006). Duchesne and Berube (1994) sugjeruan se pothuaj të gjitha alkalet e pranishme në hi, lëshohen përgjatë një periudhe të gjatë dhe do të qëndrojnë në solucionin e poreve të betonit për një periudhë të shkurtër kohore. Ata pohojnë se kur alkalet janë në solucionin e poreve të betonit, ata ose kapen në hidratimin e çimentos ose në reaksionet pucolanike, ose qëndrojnë të pranishëm në solucion për ASR. Të gjithë alkalet e hirit lëshohen në solucion në një pikë, por vetëm një sasi e caktuar mbetet e pranishme. 22

35 4.4 Kimia e solucionit të poreve Në pastën e çimentos që hidratohet, përqëndrimi i alkaleve në solucionin e poreve, ndryshon vazhdimisht. Për këtë luajnë rol shumë përbërës si çimento, SCM, produktet e hidratimit, agregatet dhe xheli potencial ASR. Gjithashtu edhe tipe të ndryshme çimentoje dhe SCM ndikojnë në përbërje. Figura ilustron burimet e mundshme të alkaleve në solucionin e poreve. Ajo tregon gjithashtu se alkalet mund të hidhen nga produktet e hidratimit dhe të konsumohen nga xheli ASR. Fig 4.3 Burimet e alkaleve në solucionin e poreve (Shehata, 2001) Hiri fluturues përmban sasi të konsiderueshme kaliumi dhe natriumi. Përqëndrimi i alkaleve në solucionin e poreve të betonit është me rëndësi kur bëhet fjalë për problemet nga ASR. Disa hire mund të reduktojnë përqëndimin e alkaleve duke i lidhur alkalet brenda produkteve të hidratimit. Hire të tjera nuk kanë efekt ose mund të rrisin përqëndrimin e alkaleve në solucionin e poreve. Hiri i klasës F ka treguar të ndikojë në reduktim të përqëndrimit të joneve alkalin në solucionin e poreve. Efektiviteti varet nga natyra e hirit (psh. Imtësia, përmbajtja qelqore dhe prania e alkaleve), niveli i zëvendësimit, përmbajtja e alkaleve të çimentos Portland si edhe kohës (Shehata 1999). Diamond (1981) ishte i pari që studioi efektin e hirit në përmbajtjen alkaline të solucionit të poreve. Ai studioi ndikimin e dy hireve danez mbi përmbajtjen e alkaleve në solucionin e poreve të pastës së çimentos. Pastat e çimentos kishin deri në 30 % zëvendësim dhe u lanë të hidratoheshin deri në 6 muaj. Të dy hiret kishin përmbajtje të ulët CaO dhe sasi mesatare alkalesh ( % Na2O). Figura 6 paraqet përqëndrimin e solucionit të poreve më kalimin e kohës. Vihet re se kurbat kanë një përqëndrim maksimal afër rreth 10 ditësh dhe pas 30 ditësh mbetet i pandryshueshëm. Figura majtas ka përqëndrim të joneve të kaliumit dhe figura djathtas ka përqëndrime të joneve të natriumit. Në të dy rastet, përqëndrimi i solucionit të poreve është reduktuar dukshëm më përdorimin e dy tipeve të hirit fluturues. 23

36 Fig 4.4 Përqëndrimi i solucioneve të poreve (Diamond, 1981) Studimet e Diamond (1981) nxorën përfundmin se të dy hiret veprojnë në mënyrë të palëvizshme krahasuar më përqëndrimet e alkaleve. Ata nuk ndihmojnë ose largojnë alkalet nga solucioni, por për shkak të zëvendësimit prej 30 % me hi, alkalet reduktohen nga efekti i hollimit. Hiri i dytë kishte përmbajtje pak më të lartë alkalesh, por përmbajtje pak më të ulët të CaO dhe paraqiti efektin e largimit të alkaleve gjatë 10 deri 30 ditëve. Duchesne and Berube (1994) analizuan kiminë e solucionit të poreve të disa llojeve të pastës së çimentos që përmbanin lloje të ndryshme SCM për periudha të ndryshme kohe. Tre nga SCM ishin hire fluturuese (A,B dhe C) me përmbajtje të ndryshme CaO dhe alkalesh. Përmbajtja e CaO dhe alkaleve rritet nga A në C. Fig 4.5 Alkalet në solucionin e poreve (Duchesne, Berube, 1994) 24

37 Figura më sipër tregon efektivitetin e disa llojeve të hirit në reduktimin e alkaleve në solucionin e poreve. Hiret e klase A dhe B klasifikohen si hire të klasës F më sasi mesatare alkalesh ( 3%). Tipi C është hi i klasës C më përmbajtje alkalesh 8 % dhe përformoi më keq se mostra e kontrollit. Kjo tregon se jo të gjithë hiret fluturues, edhe pse në doza të mëdhaja zëvendësimi, mund të jenë efektive në reduktimin e alkaleve. Hiri i klasës F përformoi më mirë se mostra e kontrollit dhe akoma më mirë më ritjen e nivelit të zëvendësimit. Hooton (2009) nxorri të njejtin rezultat kur testuan disa hire fluturues me përbërje kimike të ndryshme. Figura 8 paraqet rezultate të njëjta dhe më të zgjerueshme krahasuar me figurën 7. Për zëvendësime më të larta hiri, përqëndrimi i joneve OH - në solucionin e poreve ulet. Figura tregon se kjo është e vertetë për të dy tipet e hirit (F dhe C) më përmbajtje të ulët alkalesh. Në grafikun më poshtë ana e majtë përmban hi me CaO shumë të lartë. Edhe pse ky hi ka përmbajtje të lartë CaO, të gjitha nivelet e zëvendësimit performojnë më mirë se mostra e kontrollit. Gjithashtu vihet si kurbat e hirit fluturues në grafikun e djathtë janë përgjithësisht më të ulët sesa kurbat në anë të majtë. Kjo tregon se sa më e ulët të jetë CaO në hi, aq më efikas është në reduktimin e alkaleve në solucionin e poreve. Fig 4.6 Efekti i hirit fluturues në solucionin e poreve (Hooton et al, 2009) Figura 9 tregon efektin e zëvendësimit prej 25 % hi fluturues me përbërje kimike të ndryshme. Katër hire më përmbajtje CaO nga më e ulta tek më e larta dhe përmbajtje të njëjtë alkalesh. Rezultati qartësisht tregoi efikasitetin e hireve më përmbajtje të ulët CaO; me uljen e CaO, edhe përqëndrimi joneve OH në solucionin e poreve ulet. Ashtu si në figurën 8, edhe hiri më përmbajtje të lartë CaO është më efikas sesa mostra e kontrollit 25

38 Fig 4.7 Efekti i zëvendësimit më 25 % hi fluturues në solucionin e poreve (Hooton et al, 2009) 26

39 5.1 Mekanizmat e atakut sulfatik KAPITULLI V Ataku sulfatik Ataku sulfatik mund të përcaktohet si shkatërrues i betonit si rezultat i bashkëveprimeve fiziko-mekanike midis mineraleve në pastën e çimentos Portland të hidratuar dhe sulfateve nga mjedisi i jashtëm (Mehta et al.,1992). Bashkëveprimi shkakton ekspansion, krisje, thyerje si edhe shpërbërjen e betonit. Mund të vërehet se ataku i të njejtës natyrë mund të shkaktohet edhe si rezultat i reaksioneve të brendshme, psh. formimi i tipeve të njejtë të përbërësve mund të ndodhë kur ka një veprim midis përbërësve të çimentos/betonit dhe të sulfateve. Një tipar i zakonshëm është paraqitja e tejkaluar e fazës sulfat-lidhës, i paraqitur nga etringiti në betonin e dëmtuar. Shqyrtimi i fundit i veprimit të sulfateve dhe efekti dëmtues në beton është siguruar nga Lea (1998) dhe St John et al (1998). Ataku sulfatik i jashtëm zakonisht shoqërohet me mekanizma të tjera dëmtimi si kullimi i produkteve të hidratimit të çimentos (i cili shkakton butësim të betonit), shtresimin (i cili është ataku më i zakonshëm sulfatik), ose ataku i acideve organike etj. Këto dëmtime e bëjnë studimin më të komplikuar, dhe mekanizmin e dëmtimit prej sulfateve më të lehtë për ta studiuar. Kategoria e atakut sulfatik është mjaft e zgjeruar, dhe për këtë shumica e tipeve të degradimit është studiuar. Ataku sulfatik i brendshëm ndodh kryesisht si rezultat i formimit dhe zhvillimit të etringitit në pastën e ngurtësuar të çimentos. Kjo shkaktohet nga tejkalimi i sulfateve në materialin çimentues, si edhe nga temperatura më të larta se 60 C. Gjithashtu përdorimi i agregateve të kontaminuara nga sulfatet ose sulfidet mund të çojë në atak sulfatik të brendshëm. Shkaktuar nga ekspozimi i betonit në jonet sulfate dhe lagështi, ataku sulfatik vjen nga reaksionet kimike midis joneve sulfate dhe përbërësve kryesor të mikrostrukturës së pastës së çimentos. Kimia e sulfateve është komplekse dhe përfshin shumë reaksione, mekanizma dhe burime të brendshme dhe të jashtme. Në atakun e jashtëm sulfatik, migrimi i joneve sulfate në beton mund të shoqerohet nga zbërthimi gradual i portlanditeve (CH) dhe shpërbërja e fazës C-S-H. Hiri fluturues është përdorur gjerësisht për kontrollin e dëmtimit të betonit ndaj reaksionit alkal-silicë. Hiret fluturues me përmbajtje të lartë CaO janë më pak efektive në reduktimin e ekspansionit, gjithashtu ata janë më pak efektive në uljen e ph të solucionit të poreve, sepse ata janë më pak pucolanike. Reaksioni pucolanik në klasën F të hirit fluturues rrit aftësinë e produkteve të hidratimit që lidhen me alkalet. Kjo parandalon mundësinë e këtyre alkaleve për reaksion alkal-silicë. Manifesimi i parë i atakut sulfatik në materialet çimentuese i dalluar me sy të lirë përfshin ciflosje, mikrokrisje dhe mundësisht humbje të kohezionit. Këto janë pasojat e reaksioneve kimike komplekse dhe proceset midis përbërësve të çimentos së hidratuar dhe përbërësve sulfate. Absorbimi, shpërbërja ose precipitimi dhe rikristalizimi 27

40 janë disa nga tipet e zakonshme të reaksionit (Skalny et al. 2002). Zakonisht, fazat e lidhjes së aluminës dhe hidroksidit të kalciumit janë më të prekshme ndaj atakut sulfatik, krahasuar më elementet e tjerë të pranishme në çimenton Portland të hidratuar. (Ramyar and Inan 2007). Një shembull tipik i atakut sulfatik mund të përfshijë disa ose të gjitha proceset fiziko-kimike që pasojnë (Skalny et al. 2002): Shpërbërja e përbërësve të pahidratuar dhe produkteve të hidratimit Formimi i etringitit Formimi i gipsit Formimi i theumasiteve Formimi i bruciteve, hidrateve magnezium silikate dhe silicës së hidratuar Rikristalizimi i përsëritur i kripërave sulfatike Penetrimi në beton i anioneve sulfate Shpërbërja ose largimi i hidroksidit të kalciumit nga pasta e çimentos Ndryshimi kompleks dhe i vazhdueshëm në përbërjen jonike solucionit të poreve Adsorbimi ose përthithja kimike e përbërësve jonik të pranishëm në solucionin e poreve 5.2 Tipet e atakut sulfatik Tipe të ndryshme ekspozimi dhe kushte të ndryshme mjedisore, mund të çojnë në reaksione të ndryshme dhe mekanizma të ndryshëm dëmtimi Ataku sulfatik i brendshëm Disa mund të thonë se ataku sulfatik i brendshëm mund të konsiderohet si forma klasike e atakut sulfatik, e cila varet nga interpretimi i termit formim i vonuar i etringitit (DEF) (Collepardi 2003) (Skalny et al. 2002). Për këtë arsye, terminologjitë e zgjedhura si kryesore në nënndarje, diferencojnë mekanizmat e ekspansionit gjatë formimit të etringitit, të quajtura ekspansion i gjeneruar nga trajtimi i nxehtësisë dhe ekspansion i gjeneruar nga teprica e sulfateve (Skalny et al. 2002). Ky rast shpesh referohet si DEF. Ataku i brendshëm sulfatik me rritje nxehtësie DEF është paraqitur si çështje qëndrueshmërie në 1980 për të spjeguar mekanizmat e dëmtimit të shfaqura nga elementet e betonit të ruajtura më avull. Ky fenomen është karakterizuar nga formimi i etringitit në hapësira, krisje dhe në ndërfaqet e agregateve, pa ekspozim të një solucioni të jashtëm sulfatik (Batica et al. 2000). Fu. (1994) vlerësoi efektin e temperaturës në adsorbimin e sulfateve dhe desorbimin si shkak potencial i DEF. Ai konkludoi se xheli C-S-H do të adsorbojë sulfatet më shpejt në temperaturë të lartë duke çuar kështu në zhdukje të fazës së gipsit në përzierje gipsi C-S-H (Fu et al. 1994, f.1432). Rrjedhimisht, shkalla e desorbimit do të jetë më e ngadaltë sesa xhelet që kanë adsorbuar sulfatet në temperatura të ulta ruajtjeje. Kjo vonesë e lëshimit të sulfateve në pastën e ngurtësuar krijon një mjedis të favorizuar për formimin e etringitit në kohë më të vonëshme (Fu et al. 1994, p.1428). Ekolu (2007) hetoi ndikimin e mekanizmave të tjerë të dëmtimit, që shpesh bashkëekzistojnë me formimin e vonuar të etringitit në sistemet çimentuese (Ekolu et al. 2007, 28

41 f.165). Ata theksuan efektin e mikrokrisjeve të ardhur nga reaskioni alkal-silicë (ASR) dhe ciklet e ngrirje shkrirjes. Duket se disa faktorë si: madhësia dhe numri i krisjeve; vendndodhja; forma dhe shkalla e mikrokrisjeve, si edhe shkaku i nxitjes së krisjeve kontribuojnë në rezulatet shkatërruese të DEF. Ai konkludoi se prania e mikrokrisjeve në beton, çon në fillimin e shpejt të formimit të vonuar të etringitit dhe dëmtim më të madh lidhur më formimin e etringitit (Ekolu et al. 2007, f.162). Aftësia e sistemit çimentues në rezistencën ndaj ekspansionit varet nga terësia e pastës. Ataku i brendshëm sulfatik i shkaktuar nga përbërja. Ataku i brendshëm sulfatik në temperaturën e ambjentit vjen nga veprimi i sulfateve të pranishme në përbërësit që përbëjnë betonin. Një nga përbërësit kryesorë të çimentos Portland është sulfati i kalciumit (në formën e hemihidrateve ose anhidrideve), i cili ka ardhur me komponentë të tjerë gjatë procesit të prodhimit. Sasi të ndryshme sulfatesh mund të vijnë edhe nga rrjetat kristaline të mineraleve të klinkerit; belite, alite ose trikalcium aluminateve. Në sasi të mëdhaja SO3, këto jone sulfate lëshohen ngadalë në fazën ujore dhe mund të shkaktojnë dëmtime potenciale në matricën çimentuese. Për këtë, sasia totale e SO3 në çimenton Portland nuk duhet të kalojë limitin e sipërm, i cili varion nga % dhe varet nga tipi i çimentos (Skalny et al. 2002). Sulfatet mund të vijnë edhe nga burime të tjera si shtesat pucolanike, hiret e prodhuara në furrat djegëse të dizenjuara për të larguar SO2; agregatet që përmbajnë formë të tretshme sulfatesh, ose sulfide si anhidride ose pirite. Edhe uji i përzierjes mund të përmbajë sasi gjurmë të SO3 (Skalny et al. 2002). Të gjitha këto forma mund të krijojnë efektet dëmtuese të atakut sulfatik, duke e bërë kontrollin e cilësisë së materialit një hap të rëndësishëm në parandalimin e atakut sulfatik. Megjithatë, edhe pse mund të merren shumë masa, faktorët e jashtëm nuk mund të evitohen lehtë Ataku sulfatik i jashtëm Në përgjithësi, kërkohen tre parametra që të ndodhë ataku sulfatik i jashtëm: betoni më rezistencë të ulët në penetrimin e solucionit, mjedis i pasur sulfatik dhe ekspozimi në ujë (Collepardi 2003)(Mather 1968). Aktivitetet kërkuese mbi atakun sulfatik fillimisht fokusohen në efektin negativ të jonit SO4 në çimenton e hidratuar, në lidhje me këto parametra. Megjithatë, roli i kationeve në përbërjen sulfate (psh Ca, Na ose Mg) është njësoj i rëndësishëm për krijimin e tipit të mekanizmave të reaksionit (Dehwah 2007)(Santhanam et al. 2001). Rrjedhimisht, një përzgjedhje jo e duhur e materialit mund të çojë në reduktim të rezistencës së betonit ndaj atakut sulfatik. Psh, hetimet e kërkuesve kanë treguar se çimento me përmbajtje të ulët të C3A është resistente ndaj atakut sulfatik të natriumit, por nuk është e përshtatshme për rezistencën ndaj sulfatit të magnezit ose atakut të acidit sulfurik (Santhanam et al. 2001). Sulfati i natriumit Ekzistojnë dy forma bazë të reaksioneve kimike që përfshijnë sulfatin e natriumit dhe përbërësit çimentues të hidratuar. E para njihet si korrozion i gipsit. Shtrirja e këtij reaksioni varet nga kushtet përreth. Reaksioni i formimit të gispit mund të vazhdojë deri në përfundim nëse një burim uji të furnizojë gradualisht sulfatin e natriumit ose derisa ekuilibri të arrihet. Ky proces njihet si kullimi i fazës CH (Neville 1996). Pas konsumit të kësaj faze, burimi i 29

42 kërkuar i kalciumit mund vijë nga shpërbërja e fazës C-S-H. Dekalcifikimi i pjesshëm ose i plotë i këtyre përbërësve çon direkt në humbje të dukshme të vetive çimentuese (psh, kohezion të pastës, lidhjen pastë-agregat, rezistencën dhe qëndrueshmërinë) (Neville 2004). Gjithashtu besohet se penetrimi i hershëm i sulfateve në matricën çimentuese, çon në shpërbërje të silikateve kalcike anhidër të pranishme në klinker. Së dyti, ataku sulfatik shkaktohet nga alkalet që ndodhen në ujë (psh, sulfatet e natriumit dhe të kaliumit), të cilat migrojnë nëpër beton dhe veprojnë me monosulfatet duke prodhuar etringit siç shihet edhe nga ekuacioni 6 (Skalny et al. 2002, f.92). Burimi i kërkuar i kalciumit Ca 2+, mund të bëhet i mundur nga shpërbërja e CH. Faza ferrite, C4AF, zakonisht jo e përfshirë në atakun sulfatik, mund të bëhet e mundur për veprim duke lëshuar aluminate ose jone ferrite, të cilat vazhdimisht precipitojnë në formimin e etringitit (Skalny et al. 2002). Megjithatë, ky etringit është pothuaj amorf dhe nuk është raportuar ndonjë ekpsansion dëmtues (Neville 1996, f.510). 2SO Ca4Al2(OH)12.SO4.6H2O + 2Ca 2+ Ca6Al2(OH)12(SO4)3.26H2O (6) Shumica e aluminës është e pranishme në formën e monosulfatit pas procesit të hidratimit të çimentos që përmban 5 8 % C3A. Për çimentot që përmbajnë më shumë se 8 % C3A, hidrogarnet është gjithashtu një produkt hidratimi. Në prani të hidroksidit të kalciumit, të dyja, edhe monosulfati edhe hidrogarnet konvertohen në etringit, pas kontaktit më jonet sulfate (Ramyar and Inan 2007). Megjithate, Tian dhe Cohen (2000 a) pohuan, pas studimesh dhe testesh laboratorike të shumta, se përdorimi i tipit V të çimentos, më sasi C3A më të vogël se 5 %, nuk mund të parandalojë dëmtimet nga ataku sulfatik. Për më tepër, në disa raste, përdorimi i çimentove më C3A=0 nuk mund të sigurojë rezistencë ndaj atakut sulfatik (Tian and Cohen 2000a, f.117). Kjo përputhet edhe më hetimet e Gonzalez dhe Irassar (1997) dhe Santhanam (2003 a). Të dhënat nga ky studim tregojnë se mekanizmi i sulfateve është pa dyshim e komplikueshëm. Ekspansioni dhe krisjet e betonit më çimento Portland, nën efektin e atakut sulfatik, nuk duhet ti atribuohen ekskluzivisht formimit të etringitit Tian and Cohen 2000a, f.117). Ata pohuan se korrozioni i gipsit mund të jetë përgjegjës për forcat përçarese të ekspansionit. Hetimet mbi atakun sulfatik nga Santhanam (2003 b) janë mbështetës të këtyre gjetjeve. Ai propozoi një hap të gjashtë mekanizmash dëmtues të atakut sulfatik të natriumit. Fillimisht, ph në sipërfaqe ulet nga ekspozimi në solucion sulfat. Pastaj formimi i gipsit dhe etringitit zë vend afër sipërfaqes si në figurën 1 (Santhanam et al. 2003b, p.343). Kjo shkakton forcat e elasticitetit gjatë zgjerimit në sipërfaqe. Rrjedhimisht, meqë nderfaqja e një materiali që nuk ndikon, përpiqet ti mposhtë këto forca zgjeruese, vihet re që zhvillohet një tension shtypës në zonën sipërfaqësore (zona 1) dhe në mënyrë të paevitueshme, krijohen tesionet elastike në zonën e pandryshuar. Kjo rezulton në formime të krisjes brenda zonës së pandryshuar (figura 2) (Santhanam et al. 2003b, f.343). Me kalimin e kohës, zona 1 dëmtohet me futjen e solucionit agresiv. Pasi solucioni arrin krisjet e reja (zona 2), ai është i aftë të reagojë me pastën, dhe produktet depozitohen brenda krisjeve dhe në zonën përreth. Krisjet dhe hapësirat sigurojnë vende për formimin e gispit. Së fundi, një krisje e brendshme e pandryshueshme 30

43 kimikisht (zona 3) rezulton nga forcat e ekspansionit të zonës 2 duke ndjekur të njëjtin mekanizëm të spjeguar më sipër (figura 3) (Santhanam et al. 2003b, f.343). Fig 5.1 Depozitimi i gipsit dhe etringitit në sipërfaqe të mostrës pas ekspozimit në solucion Na2SO4 Fig 5.2 Zhvillimi i tensioneve shtypëse në zonën 1 dhe fillimi i krisjeve në brendësi (zona 2). 31

44 Fig 5.3 Krisje, mbushje më gips (zona 2) duke krijuar zhvillimin e presionit zgjerues dhe duke shkaktuar fillimin e krisjes së materialit (zona 3). Ky proces spjegon dy stadet e zhvillimit të ekspansionit në mostrat çimentuese. Shkalla e ekspansionit është relativisht e ulët gjatë fazës fillestare; e ndjekur nga një rritje e papritur e ekspansionit, e cila mbetet konstante deri në dëmtim. Tian dhe Cohen (2000 a) dhe Skalny (2002) raportuan gjithashtu, kete proces ekspansioni bilinear. Për më tepër, Ramyar and Inan (2007), nga analizat e tyre, arritën në përfundimin se ekspansioni sulfatik i çimentos së ekspozuar në solucion sulfat natriumi, mund të vlerësohet përmes një ekuacioni që varet nga përmbatja e C3A, raportit C3S/C2S, përqëndrimit të solucionit sulfat dhe nivelit të zëvendësimit nga përzierjet minerale (Ramyar and Inan 2007, p.1372). Ata propozuan se ky ekuacion për ekspansionin e çimentos, konsiderohet mjaft i besueshëm. Tipi i përzierjes minerale është jomaterial, në kushtet që minerali ka veti të arsyeshme përbërjeje, imtësie dhe aktiviteti pucolanik. Në anën tjetër, burime të tjera të njohura për shkaktimin e atakut sulfatik të jashtëm, psh CaSO4, nuk konsiderohen në këtë ekuacion. Sulfati i kalciumit Sic përshkruet nga Skalny (2002) reaksioni midis betonit duke përfshirë sulfatin e kalciumit, të pranishëm në ujin përreth, çon në formimin e etringitit. Reaksioni është i limituar nga tretshmëria e sulfatit të kalciumit në ujë dhe mund të zerë vend në zonat ku gipsi ose anhidridi natyralisht ndodh. Nga shpërbërja e tyre kationet Ca 2+ kanë mundësinë të reagojnë më fazën monosulfate për të formuar etringite siç tregohet në ekuacionin 7 (Skalny et al. 2002, f.96). Prandaj, dekalcifikimi i C-S-H dhe shpërbërja e fazës CH nuk kërkohen të përfundojnë reaksionin dhe për këtë ato mbeten të paprekshme. SO Ca CaO.Al2O3.SO3.12H2O + 24H2O 6CaO.Al2O3.SO3.32H2O (7) Gjatë fazës së parë të atakut, faza monosulfate afër sipërfaqes së elementit konvertohet në etringit. Trashësia e kësaj shtrese rritet më kalimin e kohës. Më pas, rriten edhe rezistencat e 32

45 materialit, më mbushjen e poreve dhe matricës çimentuese me etringitin e ri të formuar. Megjithatë, pasi poret janë mbushur me produktet e reaksionit, reaksioni vazhdon, dhe forcat zgjeruese fillojnë të shfaqen gjatë matricës, duke shkaktuar zgjerim të materialit dhe krisje. Edhe pse shkalla e dëmtimit, nuk është aq e ashpër sa dëmtimi nga ataku i sulfatit të magnezit. Sulfati i magnezit Në prani të sulfatit të magnezit, produktet e reaksionit, produktet e reaksionit ndryshojnë nga ato të kryera nga forma të tjera të atakut sulfatik. Prania e kationeve Mg 2+ në kinetikën e reaksioneve të gipsit çon në formimin e hidroksideve të magnezit Mg(OH)2, sipas ekuacionit 8 (Skalny et al. 2002, f.98), dhe zëvendësimit dhe përbëresve të kalciumit në C-S-H nga magnezi (Dehwah 2007). Prandaj, ky kombinim është më tepër përçarës sesa sulfati i kalciumit ose i natriumit (Skalny et al. 2002). Mg 2+ + SO Ca(OH)2 + 2H2O Mg(OH)2 (s) + CaSO4 2H2O (8) Kjo kripë e tepërt njihet gjithashtu si brucit Mg(OH)2 (s). Sipas Dehwah (2007), bruciti është relativisht i patretshëm dhe redukton ph e solucionit të poreve përreth në vlera nën Në këtë mjedis, stabiliteti i C-S-H reduktohet dhe fillon shpërbërja e tij. Në një stad të përparuar ataku, e gjithë përmbajtja e kalciumit të lidhësit mund të zëvendësohet me magnez (Dehwah 2005, p.29); dhe për këtë formohen hidrate silikate të magnezit jo çimentues derisa të arrihet ekuilibri, duke arritur në këtë mënyrë shpërbërje të pastës. Termi korrozion magnezi përdoret shpesh në literaturë për të dalluar këtë formë acide të atakut (Bonen and Cohen 1992)(Dehwah 2007)(Skalny et al. 2002). Acidi sulfurik Formimi i gipsit është produkti i parë i atakut të acidit sulfurik në pastën e çimentos. Ai formohet nga reaksioni midis hidroksidit të kalciumit dhe acidit sulfurik, sipas ekuacionit 9 (Skalny et al. 2002, p.101). Ai mund edhe të vij nga reaksioni acid më fazen C-S-H, duke dhënë silicë hidroze amorfe si ekuacioni 10 (Hewlett 2004, f.156). (Skalny et al. 2002) Ca(OH)2 + 2H2SO4 CaSO4 2H2O (9) CaO SiO2 2H2O + H2SO4 CaSO4 + Si2(OH)4 + H2O (10) Për më tepër, Skalny (2002) spjegoi se ph i ulët i rezultuar nga ekspozimi në acid, redukton stabilitetin e fazës AFm (aluminat monosulfat hekuri) dhe Aft (aluminat trisulfat hekuri), duke i konvertuar ato në gips dhe sulfate alumini. Efekti kryesor atakut është shpërbërja e pastës së hidratuar, duke çuar keshtu në humbje të resitencave. Sasi të vogla etringiti mund të formohen në material, ku niveli i ph nuk është dhe aq i ulët. Kjo mund të arrihet vetëm nëse sulfati i kalciumit i formuar në fund, është i aftë të migrojë në ato zona të matricës çimetuese. Futja dhe shpërndarja e sulfateve Në mënyrë që ataku sulfatik të ndodhë, siç përshkruhet më lart, duhet të ekzistojë një burim i jashtëm i sulfateve në ndërfaqe të elementeve të betonit dhe në mjedis. Zgjerimi i atakut sulfatik varion fillimisht nga burimi i sulfateve dhe kationi i tyre i asocijuar dhe gjithashtu 33

46 varet nga vetitë e transportit të elementeve të betonit, të cilat ndikojnë shpërndarjen e sulfateve përmes trupit të matricës. 5.3 Mekanizmat e transportit Nga literatura, transporti duket se varet nga tipi i ekspozimit, ose nga prania komplet në solucion sulfatik, ose pjesërisht nga ekspozimi në ajër. Ekspozimi pjesërisht i ngopur Shumë struktura betoni, të cilat janë në kontakt më sulfatet mund të konsiderohen si pjesërisht të ekspozuara: psh, kolona të ekspozuara në ujin e detit ose themelet e ndërtimit të ekspozuara në ujërat nëntokësore. Në këtë rast, një pjesë e vogël e themelit mund të tretet nga ekspozimi në ujrat nënujore, ndërsa pjesët e sipërme mbeten në një ambjent me temperaturë dhe lagështi. Siç përshkruhet nga Boyd dhe Miness, ky gradient lagështie krijon mekanizma transporti për ujin e ngarkuar me sulfate, gjatë përshkimit në beton, duke depërtuar nëpër zonat e thata, dhe më pas avullon kur arrin në sipërfaqe (Boyd and Mindess 2004, f.373). Prandaj, efektet dëmtuese përshpejtohen duke transportuar sasi të mëdha sulfatesh nëpër matricë. Ky veprim amplifikohet si efekt i procesit të dëmtimit kimik: ndryshimi i pastës, mikrokrisje dhe kullim, duke ndryshuar në këtë mënyrë karakteristikat e depërtueshmërisë (Boyd and Mindess 2004)(Rebel et al. 2005). Element tjetër që e përshpejton këtë efekt është fakti se zonat që kanë përmbajtje të lartë përqëndrimesh sulfatesh në tokë, tentojnë të kenë klimë të thatë, duke çuar kështu në një efeket amplifikues të shkaktuar nga lagështia relative në ambjent. Në këto kushte, elementet e betonit i nënshtrohen një tipi fizik ataku, ku kristalizimi i kriprave zë vend në sipërfaqen avulluese. Solucioni jonik migron atje ku avullon uji, duke lënë kriprat të precipitojnë nëpër pastën e hidratuar të çimentos. Brown and Doerr (2000) hetuan mostra të marra nga themelet e shtëpive në Kaliforninë e jugut, të cilat ishin larguar nga zonat jo në kontakt direkt më tokën. Ata zbuluan se ishte formuar silikati i magnezit, bruciti, kripëra Friedel, thaumasite dhe karbonat natriumi. Këto faza janë produkt i natriumit, magnezit, sulfatit, klorurit dhe karbonatit, që migrojnë përmes poreve të strukturës së betonit. Për më tepër me ndryshimin e temperaturës dhe/ose lagështisë, këto kripëra të precipituara i nënshtrohen ndryshimeve të përsëritura kimike (shpërbërje-precipitim, hidratim-dehidratim), të cilat mund të rezultojnë në forca zgjeruese që krisin dhe dobësojnë betonin (Rebel et al. 2005, p.50). Ajo gjithashtu vërteton analizën e Hime dhe Mather (1999) mbi mekanizmat e kristalizimit, duke u fokusuar më shumë në kristalizimin e sulfatit të magnezit (shndërrim në kieserite, hekzahydrate and epsomite) dhe sulfatit të natriumit (shndërrim në thenardite and mirabilite). Së fundmi, nëse në mjedis ngrihet temperatura dhe ulet lagështia relative, atëherë molekulat në kristalet dekahidrate mund të shpërbëhen dhe të avullojnë, e cila rezulton në formimin e thenardite (Haynes et al. 2008, p.36). Siç tregohet edhe në figurën më poshtë (Haynes et al. 2008, p.36), theranditet do të konvertohen në mirabilite përmes reaksionit në solucion kur temperatura ulet dhe lagështia relative rritet. Sipas Haynes et al. (2008), këto reaksione ndodhin kryesisht në shkallëzimin e sipërfaqes së betonit. Megjithatë, Brown dhe Doerr (2000) pohuan se këto forma lulëzimi (në mënyrë të dukshme tregon praninë e kripërave 34

47 sulfate në sipërfaqe) mund të jetë një tregues i vazhdimit të atakut sulfatik në sasinë e materialit. Fig 5.4 Diagrami i konvertmit të mirabilite-thermandite nën kushte të ndryshme mjedisore Aktualisht, është një temë debati nëse jonet migruese shkaktojnë efekte dëmtuese në sasinë e materialit para se ato të precipitojnë, meqë avullimi zë vend afër sipërfaqes. Nga analizat e një kohe të gjatë studimi, nga shoqata e çimentos Portland dhe laboratorëve të teknologjisë së ndërtimit, Stark (2002) pohoi se për prizmat e betonit të futur në tokë, ku porcioni i futur dukej të ishte i paprekur, ishin të ngjashëm më prizmat shoqërues të futur komplet në solucion kripe 10 % (Stark 1989)(Stark 1984). Prandaj bazuar vetëm në ekzaminimin vizual, procesi i kristalizimit të kripës ishte shkaku kryesor i dëmtimit të betonit me hipotezën tradicionale të reaksionit kimik të aluminateve nga hidratimi i çimentos dhe sulfateve nga një burim i jashtëm (Stark 2002). Hime dhe Mather (1999) e mbështetën këtë gjetje. Por ky pohim u kundërshtua nga studimet e Boyd dhe Mindness (2004), me cilindra të futur pjesërisht në solucion sulfat natriumi. Ata pohuan se edhe pse paraqitja e këtyre shkallëzimeve nënkupton dëmtimin e ndodhur në atë vend, dëmtimi i brendshëm i shkaktuar nga ataku sulfatik mund të jetë shumë më i ashpër Boyd and Mindess 2004, p.373). Hime (2005) argumentoi se, varur nga kushtet laboratorike solucioni i sulfatit të natriumit mund të rritet përmes sipërfaqes së jashtme të betonit dhe të precipitojë edhe pa kaluar përmes materialit të betonit (Hime 2005, f.189) Ekspozimi i plotë Duket se mekanizmat e transportit të pranishme në strukturat pjesërisht të ekspozuara, nuk shkaktojnë të njejtin dëmtim me ato struktura plotësisht të ekspozuara. Në një përpjekje për një model në ndryshime mikrostrukturore të pësuara gjatë atakut sulfatik, Merchand et al. (2002) konsideroi ndërveprimin e dy mekanizmave jonik të shpërbërjes. E para, ku lëngu i pasur më jone rrjedh për shkak të gradientit potencial kapilar, dhe e dyta qenia e rezultatit të një gradienti kimik të njohur si dufuzion. Në kushte të ngopura, difuzioni është mekanizmi primar i transportit përgjegjës për shkallën e dëmtimit. Modeli më bazë difuzionin është mjaft i përdorur si metodë ekspozimi për të hetuar atakun sulfatik. Gjithashtu dihet se difuzioni, si një mekanizëm ujor i transportit të joneve, është i ngadaltë krahasuar me mekanizma të tjerë mbizotërues dhe është i dallueshëm vetëm nëse ka një gradient, termik ose gjenerues përqëndrimi. Prandaj shkalla e dëmtimit e lidhur me 35

48 atakun sulfatik përcakton parashikimet e bëra nga disa modele (Santhanam et al. 2003a, f.341). Metodat testuese dhe vlerësimi i atakut sulfatik Ka shumë mënyra nga ana eksperimentale e futjes së reaksionit sulfatik në një sistem çimentues duke implementuar mekanizma të ndryshëm ekspozimi. Varieteti i testeve të përshkruara në literature për të hetuar atakun sulfatik është i panumërt. Dallimet në rezulatet e marra mund të variojnë nga parametrat e ekspozimit, dmth: tipi dhe përqëndrimi i solucionit sulfatik të përdorur, temperatura në momentin që kryhet eksperimenti, koha e ekspozimit. Përveç kësaj, tipi i hetimit dhe masat e marra, mund të ndikojnë në interpretimin e rezultateve të arritura. Testet aktuale të standardizuara mund të parashikojnë paraqitjen e tipit të çimentos, megjithatë ato nuk janë praktike për vlerësimin e dëmtimeve (Santhanam et al. 2003a). 5.4 Mënyrat e dëmtimit të betonit. Tre mënyra të dëmtimit të betonit lidhen më atakun sulfatik, siç jepet në figurën më poshtë. Mënyra e parë është dëmtimi gjatë mënyrës së ngrënies së pastës së çimentos së hidratuar duke lënë masë kohezioni pak të grimcuar. Kjo mënyrë dëmtimi njihet si tip acidik dhe i atribuohet kryesisht formimit të gipsit. Mënyra tjetër e dëmtimit është si rezultat i reaksionit të sulfateve në fazën aluminate të hidratuar, duke formuar hidrat trikalcium sulfo aluminat, të quajtur Etringit. Kjo mënyrë është tip ekspansioni dhe i atribuohet kryesisht formimit të Etringitit në prani të përqëndrimit të lartë të hidroksidit të kalciumit (Portlandite). Tipi i tretë e dëmtimit është tipi lëvore-qepe, i cili karakterizohet nga shkallëzimi i sipërfaqes së betonit (Al-Amoudi, O.S.B., 1998). a) Tipi acidik b) Tipi ekspansioni c) Tip lëvore-qepe Fig 5.5 Mënyrat e dëmtimit si pasojë e atakut sulfatik 5.5 Faktorët që ndikojnë rezistencat sulfate të betonit Hidroksidi i kalciumit dhe faza e ndikimit të aluminës në çimenton e hidratuar, janë më të prirura ndaj atakut nga jonet sulfate. Etringiti dhe gipsi janë produktet fillestare të reaksioneve kimike midis ndikimit të sulfateve dhe produkteve të hidratimit të çimentos. Prishja nga zgjerimi i betonit në prani të sulfateve, vjen si rezultat i formimit të Etringitit. Ataku i sulfatit të natriumit në beton, është rezultat i dy reaksioneve kryesore: reaksioni i sulfatit të natriumit [Na2SO4] ose sulfatit të magnezit [MgSO4] dhe hidroksidit të kalciumit [Ca(OH)2] për të formuar gips (ekuacioni 1 dhe 2) dhe reaksioni i gipsit të formuar me hidratet e aluminatit kalcik për të formuar Etringit (ekuacioni 3). Për më tepër, sulfati i 36

49 magnezit reagon me të gjithë përbërësit e çimentos, duke përfshirë hidrate të silikatit kalcik [C-S-H] dhe për rrjedhim formon gips dhe etringit (ekuacioni 4). Hidroksidi i magnezit reagon me silicin duke formuar hidrate të silikatit të magnezit [M-S-H], i cili është një material i butë dhe ndikon në rezistencat dhe aftësinë duruese të betonit. Forma e etringitit të formuar në pastën e çimentos varet nga faza e hidrateve të aluminatit kalcik, i cili reagon më sulfatet. Në betonin e freskët, gipsi reagon më hidratet e aluminatit kalcik për të formuar etringit kryesor [C3As3H32]. Ky etringit kryesor transformohet në monosulfat [C3AsH32] me kalimin e kohës (2). Reaksionet kimike të lidhura më atakun sulfatik jepen më poshtë: Na2SO4 + Ca(OH)2 + 2 H2O CaSO4. 2 H2O + 2 NaOH (1) MgSO4 + Ca(OH)2 + 2 H2O CaSO4. 2 H2O + Mg(OH)2 (2) (Gips) 3CaO. Al2O3.12H2O+ 3(CaSO4. 2 H2O)+13H2O 3CaO.Al2O3.3CaSO4.31H2O (3) (Etringit) MgSO4 + C-S-H CaSO4. 2 H2O + M-S-H (4) Dëmtimi i betonit prej atakut sulfatik konsiderohet një problem kompleks dhe varet nga shumë parametra të lidhur më kushtet e materialeve dhe ekspozimi i tyre, siç jepet më poshtë. 1. Parametra të lidhur më vetitë e materialit: tipet e çimentos dhe përbërjen e saj në përzierje, tipet e përzierjes së mineraleve dhe përmbajta e përzierjes, raporti ujë/lidhës i përzierjes, shkalla e hidratimit, kushtet e ruajtjes etj. 2. Parametra të lidhur më vetitë e hidratimit të betonit: struktura e poreve, depërtueshmëria, aftësia shpërndarëse, vetitë mekanike etj. 3. Parametra të lidhur më kushtet e ekspozimit: tipet e joneve lidhur më sulfatet, përqëndrimi i sulfateve, koha e ekspozimit, temperatura e ekspozimit etj Tipet e çimentos Ataku sufatik varet në disponueshmërinë e Ca(OH)2 dhe C3A në betonin e hidratuar, nga ku përbërja kimike e lidhësit ka një rol të rëndësishëm në rezistencën ndaj sulfateve. Çimentoja e cila ka C3A të ulët ka rezistencë të mirë ndaj sulfateve. Çimentot Portland rezistente ndaj sulfateve janë rezistente ndaj atakut sulfatik, si rezultat i përmbajtjes së ulët të C3A. Sa më e lartë përmbajtja e çimentos në beton, aq më e lartë është rezistenca ndaj sulfateve (Mehta, P.K., and Monterio, P.J.M., 1997). Çimentot moderne prodhohen duke patur zhvillim të shpejtë të rezistencave, e cila rezulton në rritje të silikatit trikalcik (C3A) në çimento. Kjo rritje e C3A rezulton në rritje të përmbajtjes së hidroksidit të kalciumit më çimenton e ngurtësuar, duke rritur ndjeshmërine ndaj atakut sulfatik. Rasheeduzzafar et al. (Rasheeduzzafar, Dakhil, F. H., Al-Gahtani, A.S., Al-Saadoun, S. S., and Bader, M. A., (1990) raportuan se, përveç përmbajtjes së C3A, edhe raporti C3S/C2S ka një efekt domethënës në rezistencen ndaj sulfateve në përzierjen e çimentos. Duke bluar përzierje si skorje, hi 37

50 fluturues, etj me çimento, rritet rezistenca e betonit ndaj atakut sulfatik. Performanca më e mirë e çimentove të përziera krahasuar më ato të pa përziera i atribuohet reaksionit pucolanik që konsumon hidroksidin e kalciumit, dhe dobësimit të fazës së hidratit të aluminatit kalcik për shkak të reduktimit të cilësisë së çimentos pa përzierje. Hekal et al. (Hekal, E.E., Kishar, E., and Mostafa, H., 2002) raportoi se çimentoja e ngurtësuar që përmban 40% skorje, paraqet përmirësim të dukshëm në rezistencën sulfate) Raporti ujë/lidhës (çimento) Raporti ujë/lidhës është faktori kryesor që kontrollon zhvillimin e rezistencave të betonit. Betoni me raport të ulët ujë/lidhës rezulton të japë rezistenca më të larta. Pra çdokush mund të pohojë se betoni me raport të ulët ujë/lidhës ka rezistencë më të mirë ndaj sulfateve, por kjo nuk është e vërtetë. Al-Amaudi et al. (Al-Amoudi, O.S.B., Maslehuddin, M., and Saadi, M.M., 1995) studioi këtë efekt dhe zbuloi se reduktimi i raportit ujë/lidhës rrit reduktimin e rezistencave dhe ekspansionin e betonit kur ekspozohet të solucion sulfat. Të njejtin rezultat të dëmtimit të agravuar raportoi edhe Kalousek et al. (Kalousek, G.L., Porter, L. C., and Benton, E.J., 1972). Shkaku i mundshëm për këtë mund të jetë (i) ataku sulfatik nuk është fizik në natyrë, keshtu që është i pavarur nga depërtueshmeria e përzierjes, (ii) produktet e formuar gjatë reaksionit midis çimentos dhe kripës sulfatike nuk akomodohen në strukturën e imët të poreve në përzierjen më raport të ulët ujë/lidhës. Prandaj përzierjet e ngjeshura të betonit rëndojnë procesin e dëmtimit të atakut sulfatik Kushtet e ruajtjes Kushtet e ruajtjes së betonit ndikojnë në procesin e tij të hidratimit. Për një hidratim të plotë të zhvillimit të lidhjes dhe rezistencave në beton, kërkohet një ruajtje e vazhdueshme, e gjatë dhe e lagësht. Kushtet fillestare të ruajtjes ndikojnë në rezistencën sulfate të betonit. mangat dhe Khatib (Mangat, P.S., and Khatib, J.M., 1995) dhe Osborne (Osborne, G.J., 1999) raportuan efekt perfitues të ajrit fillestar të ruajtjes, në krahasim me kushtet e vazhdueshme të ruajtjes, në rezistencën afatgjatë të çimentove të thjeshta dhe të përziera. Shkaku i mundshëm për këto sjellje mund të jetë (i) ruajtja fillestare në të thatë redukton përqëndrimin e hidroksidit të kalciumit në zonën siperfaqësore dhe (ii) ruajtja fillestare në të thatë formon karbonatim në zonën sipërfaqësore dhe redukton mundësinë e hidroksidit të kalciumit për atakun sulfatik Tipet e sulfateve Shkalla e dëmtimit të betonit si pasojë e atakut sulfatik gjithashtu varet në tipin e sulfatit. Në një ambjent me përzierje sulfatesh, mënyrat e atakut sulfatik kontrollohen kryesisht nga sulfati i magnezit gjatë prodhimit të hidroksidit të magnezit (Brucit). Hidroksidi i magnezit duke qenë i patretshëm (tretshmëria e tij është 0.01 g/l krahasuar më 1.37 g/l të hidroksidit të kalciumit) dhe tretësira e ngopur e tij ka një ph rreth 10.5, e cila shkakton destabilizim të etringitit dhe hidratit silikat kalcik. Prandaj formimi i etringitit pengohet dukshëm në disa mjedise dhe dëmtimi i betonit kryesisht atribuohet më formimin e gipsit (Al-Amoudi, O.S.B., Maslehuddin, M., and Saadi, M.M., 1995). 38

51 5.5.5 Përqëndrimi i sulfateve. Dëmtimi i betonit në atakun sulfatik varet nga përqëndrimi i sulfatit në solucion. Sa më i lartë përqëndrimi i sulfatit aq më shpejt ndodh dëmtimi. Shkalla e dëmtimit varet nga reduktimi i rezistencave dhe nga kontrolli vizual (Al-Dulaijan, S.U., Maslehuddin, M., Al-Zahrani, M.M., Sharif, A.M., Shameen, M., and Ibrahim, M., 2003) Prania e klorureve në sulfate. Jonet klorure janë, pa dashur, të lidhur me sulfatet në atakun e ujrave të nëndheshëm ose ambjentet detare. Kloruret veprojnë me hidratet e çimentos dhe formojnë kripë Freidel, e cila nuk ka efekt të dëmshëm në beton, por kur përmbajtja e klorureve në beton kalon vlerat e lejueshme, shtresa mbrojtëse alkaline e çelikut thyhet dhe në prezencë të oksigjenit dhe lagështisë, mbrojtësja e çelikut korrodohet. Prania e klorureve në solucion sulfatik ndikon në dëmtimin e betonit nën atakun sulfatik (Al-Amoudi, O.S.B., Maslehuddin, M., and Abdul-al, Y.A.B., 1995) Temperaturat e ekspozimit Kushtet fizike të solucioneve sulfate lidhur me temperaturën dhe nivelit të ujit ku futen mostrat gjithashtu ndikojnë në dëmtimin e betonit. Rritja e temperaturës rrit atakun sulfatik në të gjithë tipet e betonit, dhe si rezultat edhe rezistencat do të ulen (Hekal, E.E., Kishar, E., and Mostafa, H., 2002). 5.6 Burimet e sulfateve Uji i detit dhe ujërat e nëndheshme janë burimet kryesore të sulfateve të jashtme. Ujërat e zeza përmbajnë sulfate dhe gjithashtu dëmtojnë strukturat e betonit. Sipas një studimi të bërë më parë, uji i detit përmban një mesatare prej 2700 mg/l SO4 (0.028M), por përmbajtja e sulfateve në ujë varion nga lloji i tokës, psh.përmbajtja e sulfateve renditet nga më të lartat për sulfatet alkaline në më të ultat për sulfatet metalike të tokave alkaline. Sasitë mesatare të përbërësve kryesore të disa mostrave të përzgjedhura ujë deti janë dhënë në tabelën më poshtë. Këto mostra variojnë nga përmbajtja e kripërave të ndryshme, të cilat varen nga vendi ku merren mostrat. Sulfatet në ujërat e nëndheshme kryesisht vijnë nga mineralet natyrore në tokë, të cilat janë të pasura si pasojë e avullimit, zakonisht në klima të nxehta. Tokat sulfate acide prodhohen gjatë gërmimeve ku ndodh oksidimi i sulfiteve të hekurit prezent në tokë. Në shumë raste, aktivitetet njerëzore janë burim i sulfateve, psh.kur (NH4)2SO4, të cilët përmbajnë riprodhues agrikultural hidhen në tokë, ose kur disa industri kimike lëshojnë kripëra sulfate në zonat përreth. Në derdhjet nga kanalet, ataku sulfatik i betonit nëpër tubacione shkaktohet nga sulfitet e hidrogjenit (veçanërisht kur temperatura është më e lartë se 23 C dhe nuk ka ventilim). Gjithashtu atak sulfatik ka edhe nëpër oxhaqe dhe tunele. Për më tepër strukturat e betonit, në zonat industriale dhe në rrugë të ngarkuara, ekspozohen dhe absorbojnë sasi të larta squfuri në sipërfaqen e tyre, të cilët ndikojnë në formimin e gipsit dhe reduktimin e ph 39

52 në poret e solucioneve. Zonat e shkarkimit të mbetjeve mund të përmbajnë kripëra sulfate të larta. Disa tipe të sulfiteve të hidrogjenit prodhojnë baktere dhe baktere sulfur-oksiduese të cilat ekzistojnë në toka ose në sistemet e drenazhimit të ujit, dhe janë shkaku i disa dëmtimeve të raportuara të betoneve; në këtë rast ataku sulfatik ndodh nën kushte acidike. Tab 5.1 Përbërësit kryesorë të disa ujërave detare (gram për litër) Deti Na K Mg Ca Cl SO4 Referenca Mesdhe Lea 1998 Atlantik Regourd 1981 Gji detar Al-Amoudi Damghani dhe Vakili 1995 Uje deti Lea 1998 Burimi i sulfatit të brendshëm është zakonisht gipsi (CaSO4.2H2O) i shtuar në çimento dhe/ose sulfate të sjella me agregate dhe disa përzierje mineralesh. Crammond (1984) studioi agregatet që përmbanin sulfate; ai vuri re se kishte gipsi kristalin prezent në agregate reagonte me përbërësit e çimentos për të formuar pllaka portlandite. Shayan (1988) tregoi se sulfitet prezent në disa agregate, më kalimin e kohës mund të oksidohen në acid sulfurik i cili atakon Ca(OH)2 ashtu edhe CSH dhe shkakton dëmtim të betonit në proces, përmes formimit të fazave sulfate të hidratuara. Në princip, burimi i sulfateve mund të kontrollohet nëpërmjet një seleksionimi të kujdesshëm të një çimentoje, agregati dhe uji të përshtatshëm. Vetëm nëse sasia e sulfatit është shumë e lartë psh >4 % si SO3, ekspansioni i betonin nuk ndodh. Është paraqitur, veçanërisht në këto 10 vitet e fundit, se efekti i dëmshëm i atakut sulfatik të brendshëm është potencialisht më i madh nëse betoni ruhet në temperaturë të lartë, në kohë të hershme. 5.7 Veprimi i sulfateve. Reaksioni kimik midis sulfateve dhe përbërësve të pastës së çimentos është njohur si shkaku kryesor i dëmtimit të betonit. Në princip, kripërat sulfate jonizohen në ujë duke atakuar hidratet e çimentos, ekzaktësisht Ca(OH)2, hidrate të silikatit kalcik dhe hidrate të aluminatit kalcik. Procesi i reaksionit aktual varet nga tipi i kripërave sulfate dhe produktet e reaksionit, dhe veçanërisht në aftësinë tretëse të secilit përbërës-i cili në fakt është një funksion i vlerës së ph të solucionit Sulfati i natriumit Faza më e prekshme e produkteve të hidratimit të çimentos është portlandite (Ca(OH)2), e cila reagon me sulfatin e natriumit për të formuar gips (CaSO4.2H2O): Ca(OH)2 + 2Na SO H2O = CaSO4. 2H2O + 2Na + + 2OH - + 8H2O (1) (Portlandite) (Gips) 40

53 Gipsi ka tretshmëri më të ulët (0.01mol/l në 25 C) krahasuar me Ca(OH)2 (0.02 mol/l në 25 C). Ky reaksion mund të procedojë në përfundim nëse hidroksidi i natriumit i prodhuar, mund të largohet, psh në ujë të rrjedhshëm. Në të kundërt, akumulimi i alkaleve në poret e solucionit do të shtypë tretshmërinë e Ca(OH)2 si rezultat e efekteve të zakonshme të joneve, dhe reaksioni i mësipërm nuk do të vazhdojë. Reaksioni (1) ka mundësi të zerë vend midis sulfatit dhe CSH (hidrati i silikatit kalcik dhe produkteve të tjera kryesore të hidratimit të çimentos), pasi tretshmëria e CSH është më e vogël se ajo e gipsit. Nëse përqëndrimi është mjaft i madh, Na2SO4 mund të reagojë me fazat e lidhjeve aluminate për të formuar etringit (3CaO.Al2O3.CaSO4.32H2O) i cili është i qëndrueshëm në një fazë të caktuar të përqëndrimit të kripës, psh. Një përqëndrim të Na mol/l, etringiti është i qëndrueshëm kur përqëndrimi i SO4 2+ është nga deri në 0.13 mol/l (Damidot et al. 1992). Në këtë rast, prania e Ca(OH)2 në sistem është esenciale për të furnizuar kationet Ca 2+. Është raportuar nga studimet e mëparëshme se betoni karbonat mund të jetë më rezistent ndaj atakut të sulfatit të natriumit (Sersale 1997). Mekanizmat, të cilët mund të shprehen si reaksion midis sulfateve mjedisore dhe hidrateve të aluminatit kalcik (ekuacioni 2) ose të monosulfoaluminatit kalcik, hidratohen në çimenton e hidratuar (ekuacioni 3), të dy rezultatet çojnë në formimin e etringitit (Mehta et al. 1993; Lawrence 1990). 4CaO.Al2O3.19H2O+3SO Ca(OH)2+11H2O = 3CaO.Al2O3.3CaSO4.32H2O (2) (hidrate aluminati kalcik) (ettringit) (trisuloaluminati kalcik) 3CaO.Al2O3.CaSO4.12H2O+2SO Ca(OH)2+18H2O = 3CaO.Al2O3.3CaSO4.32H2O (3) (monosulfoaluminati kalcik) (ettringit) Sulfati i kalciumit Sulfati i kalciumit prezent, që vjen nga reaksioni midis Ca(OH)2 dhe sulfatit të natriumit (gipsi sekondar), mund të reagojë me hidrate të aluminatit kalcik, njësoj si edhe në pastën e freskët të çimentos ose betonit, për të prodhuar etringit (Lea 1998). 3(CaSO4.2H2O)+4CaO.Al2O3.19H2O+17H2O = 3CaO.Al2O3.3CaSO4.32H2O+Ca(OH)2 (4) (gips sekondar) (hidrate të aluminatit kalcik) (ettringit) Etringiti është një tip i përbërjes AFt (aluminat trisulfat hekuri), me një formë gjilpëre ose thupre të gjatë. Etringiti amorf është parë gjithashtu në betonet e atakuar nga sulfatet. Hipotezat që tregojnë dëmtimin e betonit bazohen në rritjen e etringitit, duke shkaktuar tensione të brendshme në pastën e çimentos, dhe etringiti amorf absorbon një sasi të madhe të molekulave të ujit, dhe çon në rritje të mëtejshme të volumit të ekspansionit (Mehta et el. 1992, Mehta 1973). 41

54 5.7.3 Sulfati i magnezit Sulfati i magnezit reagon me Ca(OH)2 dhe CSH, duke prodhuar gips sekondar (CaSO4.2H2O) dhe silikagel (SiO2). Ca(OH)2+Mg 2+ + SO H2O = CaSO4.2H2O+Mg(OH)2 (5) (gips) (bucit) 3CaO.2SiO2+3Mg 2+ +3SO H2O=3(CaSO4.2H2O)+3Mg(OH)2+2SiO2 (6) (gips) (brucit) (silikagel) Reaksioni i fundit, sipas Lea (1998), rezulton më vlerë të ulët ph me ngopjen e Mg(OH)2 (brucit mol/l, ph=10.25). Në këtë ph, fazat e CSH nuk janë të qëndrueshme dhe Ca(OH)2 do të lëshohet në solucion për të rregulluar ph. Në prani të MgSO4, reaksionet e mësipërme vazhdojnë derisa gipsi të precipitojë. Dhe në të njejtën kohë, Mg mund të zëvendësojë Ca në strukturën hidrate kalcium silikate CSH për të formuar hidrate kalcium magnez silikate CMSH ose hidrate magnezium silikate MSH, një material i bardhë i butë (Regourd 1981 dhe 1988; Crammond dhe Haliwell 1995; Cole 1953; Al-Amoudi 1994; Bonen 1994). Disa studime kanë treguar se ky material i bardhë i butë mund të ketë përbërjen 4MgO.SiO2.8.5H2O (Lea 1998). Për shkak të efektit të tij shkatërrues mbi fazën CSH, sulfati i magnezit ka shkaktuar ekspansion më të lartë në betonin e çimentos Portland, sesa sulfati i natriumit (Cohen & Bentur 1988). Veprimi i MgSO4 mbi aluminatet është i njejtë me atë të sulfateve të tjera. Regourd (1981) tregoi se etringite pothuaj amorfe ose masë në formë fletësh të trasha, që rezultuan nga atakimi i MgSO4 më betonin. Megjithatë, ulja e ph lidhur më atakun e MgSO4 çon në një zbërthim gradual të etringitit (i paqëndrueshëm në ph<10.6) në gips dhe gipsite (Al(OH)3). Zbërthimi i gipsit, nga ana tjetër mund të zbusë ekspansionin shkatërrues, i cili mund të spjegojë shqyrtimin se sulfati i magnezit është më pak agresiv tek çimentot aluminate kalcike, sesa sulfati i natriumit Sulfati i amonit Sulfati i amonit në solucion reagon më Ca(OH)2 në beton, duke prodhuar gips (CaSO4.2H2O) dhe duke çliruar amonin në solucion. (NH4)2SO4+Ca(OH)2+2H2O + CaSO4.2H2O+2NH 4 (7) (gips) NH4 do të ndërveprojë më OH - në solucion duke formuar NH3 dhe ujë. 2NH OH - NH3 + 2H2O (8) Ky proces neutralizon poret e solucionit të betonit, i cili do të shkaktojë që produktet e hidratimit të çimentos të bëhen të paqendrueshme deri në dekompozim përfundimtar. Kjo 42

55 është veçanërisht e dëmshme për betonet që përmbajnë material pucolanik si zëvendësues parësor për çimenton Efektet e acidit karbonik dhe klorurit. Jonet e acidit karbonik në ujë gjatë përzierjes së betonit ose të formuara nga shpërbërja e CO2 atmosferik në poret e ujit të betonit, mund të reagojnë me kalciumin, silicën dhe sulfatet duke formuar thaumasite CaSiO3.CaCO3.CaSO4.15H2O, fazë kristaline fibroze. Në pastën e çimentos, etringiti transformohet në thaumasite në prani të dioksidit të karbonit dhe silices së çliruar nga karbonatimi sic pohoet nga (Lukas 1975 dhe Regourd 1981) ose ndryshe thaumasite kristalizohet mbi etringitin sic spekulohet nga Taylor (1977). Thaumasite shpesh bashkëjetojnë me etringitin. Një përjashtim i raportuar nga Baronio dhe Berra (1986) ishte kur një mostër nga betoni i dëmtuar në kontakt me ujë agresiv më ph më të vogël se 7, kishte zhvilluar një sasi të madhe thaumasite në mungesë të etringitit. Kjo i atribuohet faktit se etringiti nuk është i qëndrueshëm në ph kaq të ulta. Ky reaksion jepet më poshtë: 3CaO.Al2O3.3CaSO4.32H2O+3CO2+2SiO2+2Ca 2+ = 2CaSiO3.CaCO3.CaSO4.15H2O+Al2O3+CaCO3+CaSO4+2H2O (9) (etringit) (burim i joneve karbonike) (Thaumasite) Silica për të formuar thaumasite mund të vijë nga agregatet e dëmtuara, psh.mika dhe feldspar, dhe nga CSH (Baronio dhe Berra 1986). Nëpërmjet investigimeve në këtë fushë dhe punës laboratorike (Crammond dhe Halliwell 1995) zbuluan se betoni që përmbante pluhura të imta të karbonatit të kalciumit dhe magnezit ishte në shumë i prirur ndaj atakut sulfatik të shkaktuar nga thaumasitet. Thuamasite është më i qëndrueshëm se etringiti dhe formimi i tij favorizohet në temperatura të ulta (0-5 C) dhe lagështi relativisht të lartë, psh, 90 % (Crammond 1985, Gaze 1997). St John et al. (1998) paralajmeruan se, nëpër tunele dhe punë të tjera të nëndheshme ku lagështia është e lartë dhe temperaturat janë të ulta, prania e mundshme e thaumasite duhet të konsiderohet gjithmonë. Betoni me zhvillim intensiv të thaumasiteve, ashtu si betoni me ekspansion të shkaktuar nga etringiti, mund të bëhet i butë dhe të shpërbëhet komplet. Ndërsa etringiti rezulton nga reaksioni midis aluminateve dhe sulfateve, thaumasite mund të vij nga reaksioni midis fazave të lidhjes së silicës dhe sulfateve, në rastin e fundit çimentot rezistente ndaj sulfateve nuk janë efektive në parandalimin e atakut sulfatik. Një tip tjetër i madh i joneve që shpesh bashkëjeton me sulfatet është kloruri, siç ndodh në ujin e detit (klorur natriumi ose brine). Eksperimentet kanë demostruar se përqëndrime të larta kloruri në solucionet sulfate, zvogëlojnë dukshëm dëmtimin e betonit (Al-Amoudi 1995). Në një studim të sistemit CaO-Al2O3-CaSO4-CaCl2-H2O, Damidot dhe Glasser (1997) llogariten përqëndrimet e Ca 2+, Al 3+, SO 4 2, Cl - dhe OH - në ekuiliber me precipitate të tjera të mundshme. Ato treguan se Ca(OH)2 nuk është e qëndrueshme në përqëndime të larta Cl - dhe konvertohet në 3CaO.CaCl2.15H2O, i cili tretet dhe rrit përqëndrimin e Ca 2+ në solucion në mënyrë që të mbahet elekto-neutraliteti. Megjithatë, përqëndrimi i lartë i Cl - ujor stabilizon 43

56 etringitin, kështu ai është i qëndrueshëm në ph më të ulta (ph=9.5) në prani të etringitit krahasuar më minimumin e ph=10.5 në sistem pa klorure. Studimet mbi strukturat e ngurtësuara të betonit në gjirin detar arabik (Matta 1993), zbuluan se përmbajtja e sulfateve në beton ishte më e madhe se 4 % SO3 në masë të çimentos. Përvec disa sulfateve të larta prezent në beton, raste shumë të pakta dëmtimesh ishin gjetur në lidhje më atakun sulfatik. Eksperimentet laboratorike (Al-Amoudi 1995) kanë konfirmuar se në prani të klorureve, betoni nuk shfaq dëmtime as fizike dhe as kimike. Tretshmëria e lartë e etringitit në ujin e detit (ph=8) dhe temperatura e lartë e ambjentit, ishin shkaqet kryesore. Përqëndrimi i lartë i joneve Cl -, rrit tretshmërinë e Ca(OH)2 dhe sa më e lartë temperatura (betoni nën diellin veror ka temperaturë rreth 70 C) aq më shumë reduktohen forcat e ekspansionit të etringitit. Kjo duket të jetë e lidhur më përqëndrimin e natriumit në ujin e detit, pasi sasi të ndryshme sulfati dhe kloruri janë të nevojshëm për të mbajtur ekuilibrin me natriumin, psh. përqëndrim i lartë i sulfatit kërkohet për të stabilizuar etringitin kur përqëndrimi i natriumit është i lartë (Damidot dhe Glasser 1997). Megjithatë, këto studime provojnë se strukturat e betoneve detare, janë liruar nga ataku sulfatik. 44

57 KAPITULLI VI Ekspozimi i mostrave në solucion sulfat Një mostër çimentuese mund të ekspozohet në një solucion sulfat në shumë mënyra. Seritë e matjeve eksperimentale të përdorura në vlerësimin e nivelit të dëmtimit mund të diktojnë tipin ekspozimit të zgjedhur, ku madhësia, forma dhe kushtet e ngopjes së mostrës janë faktorë të rëndësishëm. Hetimi më i zakonshëm për testimin e rezistencës së çimentos me agjentë agresive është testi me një shufër të hollë, ASTM C 1012, ku një mostër e hollë e gjatë, është zhytur në solucion sulfat natriumi 5 % për një periudhe 6 mujore. Forma e zgjatur lehtëson matjet e ndryshimeve në gjatësi gjatë ekspansionit të materialit për shkak të atakut. Për më tepër, mostrat cilindrike të standardizuara ose kubat përdoren për të monitoruar ndryshimet në vetitë mekanike. Megjithatë, madhësia e mostrës së nënshtuar nga solucioni, duhet të konsiderohet kur analizohen rezultatet. Një rritje në reaksionin e sipërfaqes (një mostër e vogël me sipërfaqe të madhe, si kubi psh) është një mënyrë për të shpejtuar zhvillimin e atakut. Duke vepruar keshtu, mund të ndryshohet rrjedha e kinetikës së reaksionit (Cohen and Mather 1991). Prandaj është e komplikuar të lidhen matjet, si reziztencat në shtypje, psh, midis kubeve dhe mostrave cilindrike të mëdha, për shkak se mekanizmat e dëmtimit mund të ndryshojnë. Duke rritur përqëndrimin e solucionit, do të thotë të shpejtosh atakun. Sic u pohua më lart, standardi ASTM C 1012 përshkruan një solucion të sulfatit të natriumit 5 % për të kryer atakun. Megjithatë, testi është diskutuar të jetë shumë i ashpër, për shkak të niveleve të larta të përqëndrimit, i cili jo domosdoshmërisht duhet të jetë përfaqësues i niveleve të përqëndrimit të hasura në fushë. Duke rritur nivelet e përqëndrimit, fillimisht është bërë për shkaqe praktike si metodë për shpejtësimin e simulimeve laboratike. Edhe një herë, mekanizmat e atakut ndryshojnë me ndryshimin e niveleve të përqëndrimit, duke ndryshuar produktin rezultues. Sipas Biczok (1967) në përqëndrime të ulta të sulfatit të natriumit, nën 1000 ppm SO4 2-, produkti kryesor i atakut është etringiti; për përqëndrime të larta, mbi 8000 ppm SO4 2-, dallohet vetem formimi i gipsit. Midis këtij rendi, hasen të dy keto produkte Santhanam et al. 2001). Për më tepër, nivelet e përqëndrimit të solucionit, për kushte të vazhdueshme zhytjeje, bashkë më ph e tij, zvogëlohen me kohë ekspozimi. Gjatë simulimeve laboratorike, nevojitet monitorimi i niveleve të ph të solucionit ekspozues, pasi ai rritet menjëherë, nga 7 në 12, meqë alkalet e çimentos kullojnë nëpër solucionin përreth të ngarkuar më sulfate. Mehta (1975), propozoi një metodë testuese ku kontrollohet niveli i ph me titrim me acid sulfurik. Në përputhje më teorinë e paraqitur më lart, solucioni acid (me ph rreth 6.2) dha fillimisht gips si produkt të atakut. Në anën tjetër, nivele më larta ph (rreth 12), favorizojnë stabilizimin e përbërësve të hidratuar të çimentos dhe etringitit. Të 45

58 dy rastet çorjentojnë interpretimin e rezultateve dhe parashikimin e sjelljes së fushës. ph dhe nivelet e përqëndrimit të vrojtuara në fushë, tentojnë të jenë më konstante meqë burimi sulfat është vazhdimisht i plotësuar. Megjithatë, gradienti i përqëndrimit dhe kushtet e ndryshme atmosfrike shkakton cikle të njomë dhe të thatë midis seksioneve të struktuarave të ekspozuara në sulfate duke veshtirësuar vlerësimin e shtrirjes së dëmtimit (Santhanam et al. 2001). Në mënyrë që të rikrijohen mekanizma ekspozimi të ngjashme më ato të fushës së ekspozimit, Boyd dhe Mindess (2004), shpikën një strategji ekspozimi për të hetuar efektet e përbërjes së çimentos dhe efektin e raportit ujë-çimento në rezistencën e betonit ndaj atakut sulfatik. Cilindra 100 mm * 200 mm ishin zhytur pjesërisht në solucion sulfat natiumi, duke lënë gjysmën e sipërme të ekspozuar në kushtet laboratorike. Kjo metodë ekspozuese është e ngjashme më atë të Irassar et al. (1996), ku një fushë testuese është përdorur për të hetuar rezistencën e mostrave të betonit të zhytura deri në gjysëm, në tokë sulfate për 5 vjet. Ky ekspozim krijon një front avullues të krahasueshëm më atë të fushës ekspozuese. Kjo mënyrë ekspozimi jo vetëm se është përfaqësuese, por shkalla e dëmtimit është më e madhe. Dihet se mostrat e zhytur vazhdimisht durojnë më shumë një atak për periudha të gjata kohe, për shkak të krijimit të fronteve avulluese. 6.1 Testet fizike Tradicionalisht, testet fizike si matjet e ekspansionit dhe klasifikimi vizual janë shfrytëzuar si mjete për vlerësimin e nivelit të dëmtimit gjatë atakut sulfatik. Humbja e masës gjithashtu është sugjeruar në disa hetime si një vlerë për kualifikimin e shtrirjes së degradimit. Këto teste llogarisin dy nga pasojat e njohura të atakut sulfatik: ekspansionin gjatë formimit të përbërjeve të reja sulfatike, psh, etringitit, dhe shenjat e dukshme të dëmtimit, mikrokrisjet dhe shkallëzimin. 6.2 Shkalla vizuale e dëmtimit Shkalla vizuale e dëmtimit përdoret shpesh në hetimet eksperimentale si metodë për kualifikimin e shkallës së dëmtimit më kalimin e kohës gjatë futjes së sulfateve. Kjo metodë bazohet në një sistem të shkallës vizuale ku tipi dhe magnituda e dëmtimit merren parasysh për monitorimin e procesit. Ky sistem është krijuar nga PCA për të vlerësuar përformancën në kohë të gjatë të përzierjeve të ndryshme të betonit. Një shembull i këtij sistemi varion nga 1 (kushte të pacënueshme) në 5 (komplet e shpërbërë) paraqitet në figurën më poshtë (Stark 2002, f.5). Edhe pse kjo metodë është mjaft subjektive, vlerat mesatare të shkallës, të siguruara nga sudiues të ndryshëm, mund të sigurojnë rezultatet në përputhje më metoda të tjera testuese si matjet e rezistencave mekanike. Megjithatë, krijimi i kritereve të dëmtimit është i komplikuar për shkak të planit të përzierjes (duke qenë se pasta është më e ndjeshme se betoni) dhe raporti sipërfaqe-volum i mostrës (Cohen and Mather 1991). Ky aspekt i procedurave testuese është gjithashtu i vërtetë për përcaktimin e kriterit të dëmtimit nga ekspansioni. 46

59 Fig 6.1 Kollona betoni me shkallë vizuale prej 1.1, 2.5 and 5.0, respektivisht, nga e majta në të djathtë. 6.3 Ekspansioni Ekspansioni është parametri i përshtatshëm për vlerësimin e dëmtimit nga ataku sulfatik të mostrave të zhytura vazhdimisht. Kjo metodë është baza e standardeve ASTM C 1012 dhe ASTM C 452 për vlerësimin e rezistencës së çimentos nga ataku sulfatik, ku matjet e ekpansionit janë bërë me një pajisje të standardizuar. Në një studim të bërë në cilindra të zhytur pjesërisht në solucion sulfat natriumi, u përdor një pajisje për të parë ndryshimin e gjatësisë, në vlerësimin e dëmtimit për një periudhë 40 vjeçare. Edhe pse ekspansioni ishte e vetmja matje e përdorur për të hetuar atakun sulfatik, termat e ekspozimit siguruan informacione të vlefshme në përcaktimin e modelit të dëmtimit më kalimin e kohës, për disa raporte ujë-çimento dhe tipe të çimentos. Megjithatë, disa argumentuan se dëmtimi i llogaritur i prizmave të zhytur në solucion sulfat rritet para se të ndodhë ekspansioni (Hooton 2007). 6.4 Humbja e masës Humbja e masës është një parametër i rëndesishëm për hetimin e atakut sulfatik, për shkak të shumë mekanizmave të dëmtimit që çojnë në kullim të produkteve të hidratimit, krisje dhe thyerje. Haynes (2008) studioi efektin e temperaturës dhe lagështisë në konvertimin e formës kristaline të sulfatit të natriumit, ku shkallëzimi në sipërfaqen e jashme të cilindrave ishte vënë re mbi nivelin e sipërfaqes tek të gjitha mostrat (Haynes et al. 2008, f.42). Humbja e masës ishte e vetmja metodë e përdorur për të matur shtrirjen e dëmtimit. Cohen dhe Mather (1991) dhe Santhanam et al.(2003) rekomanduan monitorimin e ndryshimit në masë, veç metodave të tjera fizike apo mekanike të testimit. Cohen dhe Mather (1991) parashikuan një fitim fillestar në masë, meqë poret mbushen me produktet e reja sulfate të formuara, të ndjekura nga një ulje progresive me zbutjen e pastës. 47

60 Hewayde at al.(2007) hetoi raporte të ndryshme ujë-çimento dhe përqëndrime të ndryshme të acidit sulfuric, dhe arriti në përfundimin se humbja e matur e masës ishte më e madhe për mostrat me raport më të ulët ujë-çimento dhe vlera ph më të ulta se 1. Për vlera më të larta ph, humbja e masës nga dëmtimi nuk ishte një matës i duhur i dëmtimit, sepse sipërfaqja e pastës i nënshtrohet një ndryshimi në përbërjen kimike duke lënë një shtresë mbrojtëse gipsi, dhe duke përmirësuar në këtë mënyrë rezistencën e betonit ndaj atakut. Për më tepër, forma dhe madhësia e mostrave mund të uniformitetin e kinetikës së reaksionit. Gallop dhe Taylor (1992) vunë re gjatë studimeve të tyre në mostrat e zhytura, se në anët e kubave, materiali kishte humbur, duke i dhënë sipërfaqes pjerrësi nga korrozioni. Faqet e kubit treguan dëmtime të vogla të dukshme (Gollop and Taylor 1992, f.1029). Nëse mostrat i nënshtrohen testeve të tjerë, psh testeve mekanike, këto ndryshime në formë dhe volum mund të ndikojnë në interpretimin fillesar të rezultatit. 6.5 Testet mekanike Testet mekanike konsiderohen të parshtatshëm për matjen e humbjes, në vetitë inxhinierike, të materialit çimentues të nënshtruar nga ataku sulfatik. Megjithatë, në stadet e para të atakut, meqë poret mbushen më produktin e reaksioneve kimike, dallohet një rritje e rezistencave, fillimisht nga dendësimi i matricës poroze të pastës së hidratuar të çimentos. Më pas, testi nuk mund të reflektojë ndryshimet aktuale të vetive mikrostrukturore. Megjithatë, Cohen dhe Mather (1991) pohuan se vetitë kimike, si modulet e elasticitetit, rezistencat në shtypje ose rezistencat elastike, janë përdorur për të hetuar efektin e zbutjes së ciflave. 6.6 Modulet e elasticitetit Ka shumë mënyra për të përcaktuar modulet e elasticitetit të një materiali betoni, ose nëpërmjet hetimeve ekperimentale ose përmes llogaritjeve matematikore. Standardi ASTM C 469 është metodë e përdorur për përcaktimin e moduleve të elasticitetit të betonit, direkt pas ushtrimit të një tensioni në mostër nga një ngarkesë shtypëse. Si rrjedhim, një modul dinamik i elasticitetit mund të përcaktohet duke e çuar mostrën në një vibrues me nivele të papërfillshme tensioni. Deri tani, modulet nën tension vlerësohen të jenë të ngjashëm me modulet në shtypje. Me rritjen e rezistencave në shtypje të materialit, edhe modulet e tij të elasticitetit rriten, megjithese jo në shkallë proporcionale. Shkalla e rritjes është më e ulët në rastin e moduleve të elasticitetit. Kjo nuk është surprizuese për faktin se modulet e betonit ndikohen nga modulet e agregateve. Tendenca e përgjithshme e dëmtimit të betonit nga ataku sulfatik jepet në figurën më poshtë. Modulet e elasticitetit rriten më kalimin e kohës më fillimin e ekspozimit dhe më pas, ulen gradualisht meqë materiali dëmtohet. E njejta tendencë raportohet për të gjitha vetitë e tjera mekanike, si rezistencat në shtypje (Cohen and Mather 1991). 48

61 Fig 6.2 Ndryshimi në përqindje i moduleve të elasticitetit gjatë ekspozimit 6.7 Rezistencat në shtypje Rezistencat në shtypje të betonit janë parametrat më të rëndësishëm për shkak të kërkesave gjatë planifikimit të elementeve strukturore të betonit. Ato performohen për të matur rezistencat e mostrave të betonit; testi përcakton ose fitimin e rezistencave maksimale fillestare, zakonisht gjatë 28 ditëve të ruajtjes, ose humbjen e resistencave me kalimin e kohës në mënyrë që të vlerësohet përshtatshmëria e materialit, për të mbajtur ngarkesën strukturore ose për të karakterizuar nivelin e dëmtimit që ai pëson. Testi i rezistencave në shtypje shpesh përdoret për të vlerësuar dëmtimin e betonit të shkaktuar nga ataku sulfatik. Për shumë studime (Boyd and Mindess 2004)(Figg 1999)(Irassar et al. 1996), rezistencat në shtypje përdoreshin për të krahasuar mostrat që ishin ekspozuar në solucione të ndryshme sulfatike dhe shkalla e dëmtimit përcaktohej nga humbja e rezistencave. Rregulli i përgjithshëm është se një rritje e hapesirave prej 1 %, i shkaktuar ose nga kullimi i produkteve të hidratimit ose nga shtimi i krisjeve, do të shkaktojë ulje të rreth 5.5 % në rezistencat në shtypje. Prandaj është normale të vlerësohet efekti i atakut sulfatik duke matur uljen e rezistencave në shtypje. Megjithatë, ka një mosmarrëveshje mbi vlefshmërinë e testeve në përcaktimin e nivelit aktual të dëmtimit, kur krahasohet shkalla e ndryshimit në rezistencat në përkulje kundrejt shkallës së ndryshimit në rezistencat në shtypje (Neville (2004). Ju (1999) argumentuan se testi nuk është tregues ose i përshtatshëm për betonet e dëmtuar në shtresa (Ju et al. 1999, p.267). Ata mbështetën argumentet e tyre në faktin se krisjet pingul më linjën e shtypjes, do të tentojnë të mbyllen gjatë ngarkesës dhe do të kenë pak efekt në rezistencat totale. Megjithatë, të njëjtat krisje do të tentojnë të hapen ose shumohen gjatë përkuljes dhe do të ndikojnë në rezistencat e elasticietit duke vepruar si pika më e dobët në material. 49

62 6.8 Rezistencat elastike Nga pikpamja strukturore, rezistenca elastike nuk është një parametër domethënës i implementuar në planin e strukturave të përforcuara të betonit. Megjithatë, ky parameter ka rëndësi kur planifikohet për qëndrueshmëri të betonit. Dihet se shumica e mekanizmave të dëmtimeve fizike dhe atyre kimike rezulton në mikrokrisje. Një teori e pranuar për shkaktimin e mikrokrisjeve është kur krisjet e brendshme dhe forcat e tensionit, të shkaktuara nga mekanizma të ndryshëm, tejkalojnë rezistencat përfundimtare elastike të materialit. Ka shumë metoda testuese për përcaktimin e rezistencave në përkulje të mostrave të betonit. Boyd dhe Mindness (2004), propozuan një metodë testuese për vlerësimin e rezistencave elastike të betonit të ekspozuar në sulfat nariumi. Në këtë test, presioni i gazit aplikohet në sipërfaqen e harkuar të një cilindri, por jo në anët, i cili lihet i hapur në atmosferë. Kjo shkakton rezistenca elastike paralel me akset gjatësore të mostrës. Dëmtimi, përfundimisht ndodh në një plan pingul me akset (Boyd and Mindess 2004, f.375). Ka tre procedura të zakonshme testimi për përcaktimin e rezistencave elastike të betonit: testi direkt i tensionit, testi i përkuljes dhe testi i ndarjes së tensionit. Procedura e testit të parë, me tension direkt, është i vështirë të kryhet. Aplikimi i një ngarkese pa krijimin e forcave sekondare në ndërfaqen e materialit, po ashtu është mjaft e komplikuar për t u kryer. Testi i dytë i propozuar, testi i përkuljes, konsiston në një kollonë betoni ku ushtrohet ngarkesë në dy pika, duke shkaktuar dëmtimin e mostrës si pasojë e ngarkesës. Më pas rezistenca e elasticitetit mund të llogaritet. Kohët e fundit, metoda testuese më e zakonshme për të vleresuar rezistencat elastike të betonit është testi i ndarjes së rezistencave të elasticitetit. Procedura testuese e ASTM C 496 është përdorur zakonisht, për shkak se ajo përdor të njejtën mostër të standardizuar si për testet në shtypje uniaksiale, vetëm se është e vendosur në aksin horizontal. Pllakat përgjatë linjës qëndrore horizontale të mostrës aplikojnë një ngarkesë shtypëse duke shkaktuar ndarjen e mostrës nën efektin e një tensioni indirekt përgjatë diametrit vertikal të mostrës. Rezistencat e elasticitetit mund të përftohen duke përdorur një ekuacion matematikor (Neville 1996). Mënyrat ideale të dëmtimit që jepen në figurën më poshtë krahasohen me dy mënyrat e tjera të dëmtimit të dhëna në figurën tjetër, të dalluara gjatë shumë hetimeve (Rocco et al. 1999, f.52). Edhe pse disa mund të paraqesin veshtirësi ose ndryshime, të gjitha këto procedura testuese përdoren për hetimet e atakut sulfatik. Fig 6.3 Testi i ndarjes së elasticitetit: (a) konfigurimi i ngarkesës; (b) shpërndarja e forcave; (c) thyerja ideale 50

63 Fig 6.4 Testi ndarjes: (majtas) mënyra e dëmtimit me formim të carjes; (djathtas) menyra e dëmtimit më formim të dyte krisjesh 51

64 7.1 Mekanizmat e demtimit Ndryshimi i volumit KAPITULLI VII Mekanizmat e dëmtimit Studime të atakut sulfatik kanë provuar se betoni i dëmtuar ka pësuar ekspansion, i cili është në përputhje më mekanizmat e reaksionit të përmendur më sipër. Reaksionet formojnë një volum që madh fazash të ngurta të cilat nuk mund të akomodohen për shkak të kapacitetit të sistemit të poreve. Tensionet e brendshme rriten dhe betoni bymehet dhe më pas kriset. Megjithatë, siç është përmendur edhe nga studiues të shumtë (Mehta et al. 1992; Lea 1998), ekspansioni ka treguar një mardhënie sasiore më fazat zgjeruese, psh. sasia e etringitit të formuar, është akoma me vend të theksohen ndryshimet teorike të volumit që mund të ndodhin nën kushtet optimale. Tabela më poshtë liston volumet molekulare të disa përbërësve kryesor në mekanizmat e reaksionit. Duhet të përmendet se ekspansioni është i mundur vetëm nesë sulfatet janë të pranishme në fazën e solucionit. Me fjalë të tjera, nëse sulfatet do të ishin në fazën e ngurtë si reaktante, atëhere disa nga reaksionet do të çonin në tkurrje (Mehta 1973). Nga të dhënat e tabelës më poshtë, duhet të vlerësohet se transformimi i portlanditeve në gips duke reaguar më Na2SO4, do të dyfishojë volumin e ngurtë, ndërsa do të trefishojë nëse MgSO4 do të ishte reaktant. Përbërësit zgjerues të listuar në këtë tabelë, kanë disa varietete që varen nga numri i molekulave të ujit në formulën e tyre, psh.etringiti mund të jetë i tharë më një përmbajtje uji 8H2O pa pësuar ndryshime të mëdha në strukturën kristaline (Taylor 1990) ose mund të jetë në formë të varfër kristaline. Absorbimi i mëtejshëm i ujit, nëpërmjet ketij tipi etringiti, do të çojë në tensione të mëtejshme të betonit. Rritja e etringitit nuk është e shpejtë, sepse furnizimi i sulfateve është një proces i kontrollit të difuzionit, dhe kristalet mund të gjejnë rrugën përmes kapilareve ose të rriten në boshlleqet e ajrit. Një rast i ngjashëm më këtë, siç është treguar nga Scrivener dhe Lewis (1997), të cilët studiuan prizmat e ruajtura në ngrohtësi dhe formimin e mëvonshëm të etringitit, është kur etringiti mund të kristalizohet në hapsirën e lënë nga ekspansioni i pastës së çimentos (psh. etringiti nuk shkakton ekspansion për një fare kohe). Me mbushjen e boshlleqeve të ajrit, mund të pritet që ekspansioni i mëtejshëm i betonit të jetë më i shpejtë, dhe prandaj do të lidhet më shumë me sasinë e etringitit të formuar. Tab 7.1 Volumet molekulare të disa përbërësve që mund të jenë prezent në beton Përbërja Volumi (cm 3 /mol) Ca(OH)2, portlandite 33.1 Mg(OH)2, brucite 24.6 CaSO4.2H2O, gips 74.2 Na2SO4.10H2O, mirabilite

65 MgSO4.7H2O, epsomite CaO.Al2O3.19H2O, tetra-kalcium aluminate 19 hidrat CaO.Al2O3.CaSO4.12H2O, mono-sulfat CaO.Al2O3.3CaSO4.32H2O, etringit Al(OH)3, gibsit 32.0 K2Ca(SO4)2.6(OH)2, syngenite Te dhenat nga libri CRC i kimise dhe fizikes (1996) dhe Lea kimia e çimentos dhe betonit (Lea 1998) Shpërbërja e përbërësve të pastës Siç tregohet nga ekuacionet e reaksioneve, ataku sulfatik shkakton shpërbërjen e produkteve të hidratimit të çimentos dhe redukton rezistencat e betonit. Ulja e ph të solucioneve të poreve, i cili rezulton psh nga ataku i sulfatit të magnezit dhe sulfatit të amonit, është kryesisht përgjegjës për këto efekte. Mehta et al (1992) ka theksuar se në shumicën e rasteve humbja e lidhjes dhe e rezistencave, më shumë se ekspansioni dhe krisja, ishin shfaqja primare e atakut sulfatik. Këto ishin evidentuar nga studimet mineralogjike, të cilat treguan shpërbërjen e përbërësve hidratues të çimentos si CSH dhe Ca(OH)2. Kjo shpjegon pse hipotezat e ekspansionit nuk sigurojnë shpjegim të kënaqshëm të dëmtimit të betonit. Aftësia e ulët depërtuese e ujit dhe shpërbërja jonike e betonit, për shembull, janë gjithashtu të rëndësishme për rezistencën e betonit ndaj atakut sulfatik Shtresimi i kripërave Tretshmëria e kripërave sulfate si Na2SO4 dhe MgSO4 rritet dukshëm me temperaturën. Shkallët e hidratimit (numri kombinuar i molekulave të ujit) të këtyre kriprave janë gjithashtu shumë të ndjeshme ndaj temperaturës. Poret e betonit të mbushura më solucion kripor mund të bëhen super të tretshme kur temperatura ulet, psh. natën kristalet e kripës mund të rriten gradualisht dhe të shfaqin tensione në strukturën e brendshme të betonit. Kripërat super të tretshme papritur mund të kristalizojnë gjatë vibrimit, psh. kur kalon një kamion; kjo mund të spjegojë pop-out ose krisje të një betoni në sipërfaqen e autostradës pasi temperatura bie gjatë natës (Sayward 1984). Hatnes (1996) raportoi disa raste të dëmtimit të betonit në kontakt më ujrat e nëndheshëm; shkallëzime të rënda të sipërfaqes ndodhen në sipërfaqen avulluese. Këta autore zbuluan se betoni i dëmtuar nga ataku sulfatik shfaq humbje të lidhjes dhe të rezistencave, edhe pse sasia e etringitit nuk është shumë e lartë. Ata spekuluan se kristalizimi i gipsit dhe hidrate të sulfatit të natriumit mund të jenë shkaku kryesor; ata propozuan se kripërat mund të dehidratoheshin me avullim dhe të ri-hidratoheshin kur uji ishte përsëri i pranishëm. Kristalizimi i formës së hidratuar të kripërave shkakton ekspansion. Në të njejtën mënyrë, St John (1982) tregoi se shtresimi i ashpër i kripërave kishte ndodhur nëpër tunele, ku uji nëntokësor që përmban kripëra sulfate kishte vërshuar përmes forcave kapilare. Avullimi i lagështisë pasuron përmbajtjen e kripës në solucionet e poreve, të cilat në kombinim me ndryshimet e tretshmërise me uljen e temperaturës, çojnë në formimin e 53

66 kristaleve të kripës, psh.na2so4.10h2o dhe MgSO4.7H2O lidhur më luhatjet e temperaturës, ndersa formimi gradual i kristaleve të kripës vetëm nga avullimi, siguron më shumë bërthamë kristaline, duke limituar në këtë mënyrë shkallën e super ngopjes dhe madhësinë e kristaleve (Taylor 1996). Gërryerjet e kripërave, gjithashtu e njohur si kristalizim i kriprave ose atak fizik i kripërave, përcaktohet si mekanizmi bazë i dëmtimit të një materiali poroz. Pjesët e këtij materiali poroz në kontakt me ajrin relativisht të thatë pranë sipërfaqes së tokës, do të dëmtohen shumë, por pjesët e gropura në mjedis kripe do të jenë më pak të dëmtuara (D. Benavente, M.A. García Del Cura, A. Bernabéu, S. Ordóñez, 2001). Përgjithësisht, idea e atakut sulfatik në beton, nënkupton një proces kompleks fiziokimik që përfshin formimin e shumë prodhimeve të dëmshme përmes reaksioneve kimike, si etringiti dhe gipsi, duke çuar në rritje të kristaleve të këtyre produkteve deri në krisje dhe dëmtim të betonit. Megjithatë, një koncepti tjetër i është dhënë rëndësi më shumë se gërryerjet e kripës/atakut fizik të kripës në betonin e ekspozuar pjesërisht në mjedis që përmban veçanërisht Na2SO4 ose MgSO4. Në 2009 ACI (instituti amerikan i betonit) krijoi një komision dhe në 2011 u krye një votim mbi nevojshmërinë e ndarjes së atakut fizik të kripës nga ataku sulfatik. Ka shumë diskutime rreth kesaj çeshtjeje, të cilat janë me interes të veçantë për komunitetin e betonit. Sigurisht, betoni është gjithashtu një lloj materiali poroz. Kur ai ekspozohet pjesërisht në një mjedis që përmban kripëra (veçanërisht sulfat natriumi), si në rastin e themeleve, digave, kolonave, tuneleve etj, një sasi e madhe lulëzimi do të ndodhë në sipërfaqe të betonit, e shoqëruar me shkallëzime meqë gërryerja e kripërave e shkatërron muraturën, duke shfaqur dëmtime që duken si ngrirje-shkrirje në sipërfaqe të betonit. Prandaj teknologët e betonit logjikisht dhe padashur përcaktojnë këtë fenomen si shkatërrim nga gërryerjet e kripës në beton ose atak sulfatik në beton. Në dukje, duket e arsyeshme atribuimi i korrozionit të kripës në dëmtimin e betonit të ekspozuar pjesërisht në mjedis sulfat (Harvey Haynes, Robert O Neill, Michael Neff, and P. Kumar Mehta, 2008). Teknologët e betonit, subjektivisht, pranuan se gërryerja ose kristalizimi i kripës nuk mund të mënjanohet në beton, për shkak se betoni është një lloj materiali poroz ashtu si guri. Megjithatë, disa fusha studimi mbi dëmtimin nga gërryerjet e kripës kanë treguar një numër paraqitjesh të kundërt me parimet themelore të gërryerjes së kripës në materialet poroze. Prandaj, është e nevojshme dhe thelbësore të paraqitet ky problem në mënyrë që të evitohen konfuzione të mëtejshme. Fig 7.1 Dëmtimi i një tuneli hekurudhor (rajon jugpërendimor, Kinë) 54

67 7.1.4 Kristalizimi i kripës në pore Për të përcaktuan kristalizimin e kripës në pore përdoret ekuacioni më poshtë, i propozuar nga Carl W. Correns. Ku R është konstantja e gazit ideal, T është temperatura absolute, ʋ është volume molar, C është përqëndrimi i solucionit, dhe Cs është përqëndrimi i solucionit të ngopur. C/Cs është tejngopja. Ekuacioni me sipër tregon se tejngopja është faktor kryesor për kristalizimin. Tejngopja duhet mbajtur gjatë procesit të kristalizimit të kripës. Kristalet do të rriten deri sa të konsumohet gjithë tejngopja. Gjithashtu ai vuri në dukje se një shtresë e hollë e solucionit ujor gjithmonë mbetet ndërmjet kristaleve dhe mureve të brendshme të ngurta të rrjetit poroz. Kjo shtresë e hollë lejon solucionin të difuzojë nga solucioni i poreve në sipërfaqen e kristaleve që rriten pas mureve të poreve. Nëse kjo shtresë e hollë nuk do të ekzistonte, kristalet nuk do të ishin në kontakt me murin e poreve, rritja mund të ndalej dhe nuk do të kishte formim të kristalizimit (George W. Scherter, 1999). Difuzioni përmes kësaj shtrese të hollë do të barazonte përqëndrimin në cep të kristalit dhe në hapësirën midis anëve të kristalit dhe mureve të poreve (Rosa M. Espinosa Marzal, George W. Scherer 2008)(Robert J. Flatt 2002). Përqëndrimi dhe levizshmëria e joneve brenda kësaj hapësire, do të kishte mjaft ndikim në forcat e kristalizimit (George W. Scherer, 2002). Në anën tjetër, kur arrihet ekuilibri midis solucionit dhe kristalit, tretshmëria e solucionit do të jetë e plotësuar: Ku γcl është energjia interfaciale kristal/leng; κcl është kurbatura sipërfaqësore e kristalit. Ky ekuacion nënkupton dy fakte: një kristal më i vogël sferik është në ekuilibër me përqëndrime më të larta. Kristalet e mëdhaja do të rriten dhe do të kalojnë tejngopjen (Michael Steiger, 2005). Rrjedhimisht, kristali më i vogël do të shpërbëhet dhe solucioni çlirues do të difuzojë kristalet më të mëdhaja. Për rritjen e ekuilibrit, një kristal i mbyllur mund vetëm ti tendosë forcat nëse është në kontakt me solucionin e poreve. Forcat mund të përftohen nga ekuacioni më poshtë (George W. Scherter, 2008): Ku, κcl E është kurbatura e hyrjes së poreve (e emëruar pika E) dhe κcl C është kurbatura e një pike tjetër të brendshme (e emëruar pika C) (figura më poshtë) 55

68 Fig 7.2 Skema e kristalit të kripës që rritet në një pore (George W. Scherer, 2002) Për shkak se κcl E është më pak i myset (pozitiv) se κcl C, rezistenca në shtypje është negative, por kjo krijon një forcë elastike në formë rrethi përqark poreve. Kjo forcë elastike është shkatërruese. Një ekuilibër në forcat kristalizuese kërkon kristal të mbyllur në një pore me çdo lloj gjeometrie, me një hyrje shumë të vogël të poreve. Për rritje jo të ekuilibruar, të gjitha kristalet në poret e brendshme të një matrice të cilat kanë shpërndarje të paqëndrueshme grimcash krahasuar me kristalet makroskopike që formojnë bërthama me hapësira të mëdha. Gjatë tharjes (avullimit) ose në prani të një gradienti të lartë temperature, kristalet më të vogla do të shpërbëhen dhe do të ushqejnë rritjen e kristaleve më të mëdha, për të arritur një ekuilibër tjetër. Gjatë këtij ekuilibri, mund të prodhohet një tension i lartë momental (ekuacioni më poshtë) Ku rs është madhësia e hyrjes së një poreje të vogel. Kohëzgjatja dhe forca e presionit të kristalizimit varet nga tre faktore (George W. Scherer, 2002,): shkalla e furnizimit të solucionit, shkalla e rritjes së kristalit dhe shkalla e difuzionit të solucionit në makro-pore. Avullimi i lartë mund të çojë në tejngopje të lartë dhe rritje të zhvillimin e kristaleve duke rezultuar në forca të larta momentale, e cila çon në dëmtim të ashpër nga kristalizimi i kripës. Tejngopja mund të prodhohet nga ftohja, avullimi dhe tharja, dhe cikli i njomjes. Nëse temperatura varet kryesisht nga tretshmëria, një rënie e temperaturës mund të çojë në tejngopje. Tejngopja e shkaktuar nga avullimi, gjithnjë ndodh kur faqja e materialit poroz është në kontakt me solucionin dhe faqja tjetër është e ekspozuar në kushte relativisht të thata, psh, procesi i gërryerjes së kripës. Meqë mardhënia midis rezistencave dhe qëndrueshmërisë së materialeve poroze tregon korrelacion pozitiv (D.Benavente, N. Cueto, J. Martínez-Martínez, M.A. García Del Cura, J.C. Cañaveras, 2007)(D. Benavente, M.A. Garcia del Cura, R. Fort, S. Ordónez,2004)(D. Benavente, J. Martínez-Martínez, N.Cueto, M.A. García-del-Cura, 2007), atëherë materiali poroz me rezistenca të larta mund të duroj tensione me të larta kristalizimi. 56

69 7.1.5 Karakteristikat e forcave të gërryerjes së kripës Në procesin e gërryerjes së kripës, do të ndodhë një lulëzim dhe nënlulëzim. Ky lulëzim gjithmonë ndodh në sipërfaqe të materialit, dhe shfaq pak ose aspak dëmtim. Në të kundërt, nënlulëzimi formohet nën sipërfaqen e materialit dhe rezulton në dëmtim të konsiderueshëm. Disa studime interesante treguan se shtimi i ferrocianidit ([Fe(CN)6] 4- ) mund të sjellë rritje të lulëzimit të NaCl, në të kundërt nga nënlulëzimi, i cili rritet në gurët poroz, dhe minimizon dëmtimin nga kripa (S. Charles, E. Doehne, 2002)(C. Rodriguez- Navarro, L. Linares-Fernandez, E. Doehne, E. Sebastian. 2002) Një veprim si fitil është transporti i ujit (dhe çdo specie që ai mund të mbajë), përmes faqeve të elementeve të betonit (materialin poroz) në kontakt me ujin me faqe të thara me më pak se 100 % lagështi relative ajri (N.R. Buenfeld, M-T. Shurafa Daoudi, I. M. Mcloughin, 1995). Mekanizmi përfshin absorbim, adsorbim shkëmbim jonesh dhe avullim. Gjatë procesit në formë fitili, nëse nuk ka avullim, niveli i solucionit mund të rritet përmes rritjes kapilare në beton, sipas ekuacionit më poshtë (J. Francis Yong, Sidney Mindess, Robert J. Gray, Arnon Bentur, 2006): Ku h është lartësia e rritjes kapilare, γlv është energjia ndërfaciale lëng/avull, θ është kendi i kontaktit, r është rrezja e poreve, g është shpejtësia gravitacionale, dhe ρ është densiteti i solucionit. Në rastin e ujit në beton cosө 1, γlv është 400 mj.m -2 dhe r është tipikisht 10~100 nm. Prandaj, h është rreth 1-10 m. Megjithatë, poret do të humbin me lehtësi ujë gjatë avullimit. Poret prej 10 μm do të boshatisen kur lageshtia relative është më e vogël se 95%. Kështu, kur lagështia relative është më e ulët, h do të ulet. Pas një farë kohe, do të arrihet një ekuilbër. Më pas, sasia e ujit që hyn në beton nga sorbimi (absorbin, adsorbim, shkëmbim jonesh) lidhet me sasinë e ujit që le anën e kundërt të elementeve të betonit nga difuzioni i avullimit të ujit. Nëse uji përmban kripëra, këto kripëra nuk mund të mbahen nga avulli dhe për këtë ato formohen në këtë pozicion. Ky efekt përqëndrimi shkakton difuzion të kundërt të kripës larg nga ndërfaqja e njomë ose e thatë. Nëse përqëndrimi i kripës pranë ndërfaqes së njomë ose të thatë tejkalon tretshmërinë e përbërjeve të kripës prezente, precipitimi ka mundësi të ndodhë (Y.T. Puyate, C.J. Lawrence, N.R. Buenfeld, I.M. McLoughlin,1998)( Y.T. Puyate, C.J. Lawrence, 1998)( Y.T. Puyate, C.J. Lawrence, 2000)(Y.T. Puyate, C.J. Lawrence1999). Mardhënia absorbim-difuzion mund të përshkruhet nga përcaktimi i numrit Peclet (Y.T. Puyate, C.J. Lawrence, 1999: Ku, h është grada e tharjes, L (m) është gjatësia e mostrës, dhe Ө m është përmbajtja maksimale e lëngut nga ngopja kapilare. Dc është koeficienti i difuzionit të joneve në 57

70 solucionin e poreve. Për Pe < 1 difuzioni dominon dhe profili i joneve do të jetë uniform, ndersa për Pe > 1 absorbimi dominon dhe jonet do të akumulohen në sipërfaqen e thatë. Y.T.Poyate et al. paraqiti transportin e klorureve gjatë veprimit fitil në beton. Një konkluzion i rëndësishëm është se ishte presioni i avullit të solucionit dhe lagështia relative e ajrit që kontrollonte pozicionin e ndërfaqes së njomë ose të thatë. Ky pozicion ndodhet në pjesën e brendshme të betonit duke u përballur me një situatë me lagështi të ulët relative (Pe>>1), duke shkaktuar pikun më të lartë të përqëndrimit të klorureve duke tejkaluar ngopjen. E kundërta, në kushte me lagështi të lartë relative (78 %) (Pe<<1), vendndodhja e ndërfaqes është pranë sipërfaqes së betonit. Prandaj, avullime të larta mund të rrisin forcat e ashpra të kristalizimit. Rezonanca magnetike nukleare (NMR) përdoret për të studiuar kristalizimin e klorurit të natriumit nga veprimi fitil. Gjatë matjes së lagështisë dhe profilit të joneve në një tullë argjilore në forme cilindri, rruga e lulëzimit jepet në diagramën më poshtë (L. Pel, H. Huinink, K. Kopinga, 2002)( L.Pel, H. Huinink, K. Kopinga, R.P.J.Van Hees, O.C.G. Adan, 2004): Fig 7.3 Diagrami i rrugës së lulëzimit (L. Pel, H. Huinink, K. Kopinga,2002) Sipas këtij diagrami, kur Pe<<1, psh gjatë tharjes së ngadaltë ose lagështisë së lartë, profili i joneve mbetet homogjen dhe për disa kohë nuk do të ndodhë kristalizim. Përqëndrimi i NaCl rritet ngadalë derisa komplet mostra ka arritur ngopjen, duke formuar përqëndrim të lartë në zonën e solucionit të poreve. Kur Pe>>1, gjatë tharjes së shpejtë dhe lagështisë së ulët relative, jonet levizin direkt me lagështinë sipër mostrës dhe piku i ngopjes do të formohet me një gjerësi të vogël. Nëse shkalla e kristalizimin është mjaft e lartë, psh, nëse ka vende të formimit të kristaleve të mëdha, përqëndrimi i NaCl në solucion do të mbetet konstant. Mekanizmi i lulëzimit është rritja e kristaleve në një sipërfaqe të lirë: kristalet në pore nuk mund të jenë të qëndrueshme dhe do të shpërbëhen dhe difuzojnë nëpër atmosfere. Për shkak se kristalet janë në kontakt me solucionin, ato mund të formohen si gjilpëra të gjata në formë mustaqesh. Ky është shkaku pse lulëzimi është i dëmshëm për materialet poroze. 58

71 Nënlulëzimi precipiton kur vërshimi avullues është më i madh se vërshimi kapilar në materialet poroze, ku solucioni furnizohet nga thithjet kapilare dhe avullimi (L.Pel, H. Huinink, K. Kopinga, R.P.J.Van Hees, O.C.G. Adan, 2004). Lulëzimi dhe Nënlulëzimi i forcave gërryese të kripës në materialin poroz, mund të paraqitet skematikisht në figurën më poshtë: Fig 7.4 Skema e forcave gërryese të kripës me materialet poroz a) në kushte jo avulluese, b) në kushte me avullim të ulët, c) në kushte me avullim të lartë. Me sa dimë, absorbimi kapilar ndodh vetëm në poret e ndërlidhura midis ajrit dhe ujit. Kur një element poroz ekspozohet pjesërisht në solucion sulfat pa kushte avullimi, do të formohet një zonë e solucionit të poreve, sic shihet në figurën më sipër. Në një distancë relativisht të gjatë të përmbajtjes së pak ose aspak poreve nga thellësia në majë, solucioni nuk mund të ngrihet nga sipërfaqja e solucionit deri në majë të elementit nga absorbimi kapilar. Poret ndërlidhëse mund të formohen nga sipërfaqja e solucionit në sipërfaqet anësore të elementit, në një distancë relativisht të shkurtër, duke çuar në gjenerim të absorbimit kapilar. Në kushte të ulta avullimi, do të shfaqet ndërfaqja e njomë ose e thatë në anë të zonës së solucionit të poreve, ku shkalla e avullimit është më e shpejtë krahasuar me shkallën e rritjes së solucionit, meqë solucioni rritet deri në një shkallë e më pas ulet me lartësinë. Në të njejtën kohë përqëndrimi i sulfateve të solucionit të poreve do të rritet ngadalë derisa komplet mostra të ketë arrritur ngopjen, duke formuar një përqëndrim të lartë në zonën e solucionit të poreve, aty ku ndodh lulëzimi. Pranë solucionin do të formohet një shtresë ujore në sipërfaqe të elementit, ku shkalla e rritjes është e lartë krahasuar me avullimin dhe përqëndrimi i sulfatit është afër me solucionin e ekspozuar. Në këtë rast, dëmtimi për shkak të kristalizimit të kripës është minor. Në kushte me lagështi relativisht të ulët, për shkak të shkallës së lartë të avullimit, pozicioni i ndërfaqës së njomë ose të thatë do të levizë në pjesën e brendshme e elementit dhe pranë fundit të elementit, ku piku i ngopjes do të formohet me një gjerësi të vogël, duke formuar tejngopje, dhe duke çuar në nënlulëzim dhe dëmtime më të ashpra. Gjerësia e zonës së lulëzimit ulet dhe përqendrimi mesatar i poreve do të mbetet konstant në fillim të ekspozimit (figura më sipër). 59

72 7.1.6 Kristalizimi i Na2SO4 dhe MgSO4 Sulfati i natriumit njihet të jetë një kripë që shkakton kristalizimin më të keq në materialet poroze dhe është përdorur gjerësisht në testet e përshpejtimit të qëndrueshmërisë (Nicholas Tsui, Robert J. Flatt, George W. Scherer, 2003). Megjithatë, sistemi i sulfatit të natriumit është i komplikuar, sepse në kushte të ndryshme (temperature dhe lagështie relative), ai do të formojë dy faza të qëndrueshme (thenardite, Na2SO4 dhe mirabilite, Na2SO4.10H2O) ose një fazë gjysëm të qëndrueshme (hidrate, Na2SO4.7H2O) (Rosa M. Espinosa Marzal, 2008)( Robert J. Flatt,2002)( Genkinger, Selma, Putnis, Andrew,2007). Faza gjysëm e qëndrueshme (Na2SO4.7H2O) formohet gjatë rihidratimit të fazës sulfate të natriumit anhidër (Na2SO4) në bashkimin e kristaleve të mirabelitit. Para mirabilitit(rosa M. Espinosa Marzal, 2008) (Genkinger, Selma, Putnis, Andrew,2007), presioni i kristalizimit të ushtruar nga heptahidratet nuk shkakton dëm në kushtet eksperimentale të ftohjes (L.Pel, H. Huinink, K. Kopinga, R.P.J.Van Hees, O.C.G. Adan, 2004). Ka dy vrojtime në lidhje me demtimet e shkaktuara nga kristalizimi i sulfatit të natriumit. Njëra mendon se kristalizimi i thenarditeve është më shkatërruese, sepse kristalizimi i thenarditeve mund të gjenerojë presion më të lartë se mirabilitet me të njejtën tejngopje. Megjithatë, shumë rezultate eksperimentale mbështesin pohimin tjetër se shpërbërja e thenarditeve duke prodhuar një solucion mjaft të tejngopur krahasuar me mirabilitet, do të shkaktojë precipitimin e mirabiliteve dhe si rezultat të demtojë materialin poroz. Psh, transformimi midis thenarditeve dhe mirabiliteve mund të gjenerojë presion kristalizimi mjaft dëmtues, duke çuar në demtim të materialit poroz. 7.2 Metodat e analizës. Disa kode kombëtare dhe organizata të standardeve ndërkombëtare kanë krijuar specifikime për çimenton/betonin që janë në shërbim të ambjenteve sulfato-agresive. Disa specifikime mund të përfshijnë kritere për vrazhdësi të ndryshme të atakut sulfatik, si metoda standarde analizash për të vlerësuar përformancën e betonit. Duhet vënë re se metodat standarde të analizave variojnë nga vendi në vend në termat e testeve mjedisore dhe vlerësimin e tipeve të ndryshme të dëmtimit të betonit; shumë metoda analizash janë ende drejt modifikimit. 7.3 Përmbajtja e sulfateve agresive në ujë dhe tokë. Kodet kombëtare të vendeve të ndryshme (ose organizata) japin limite të ndryshme për përmbajtjen e sulfateve agresive për sigurinë e strukturave të betonit. Organizata ndërkombëtare CEMBUREAU shfaq 600 mg SO 4 2 /L (600 ppm) në ujë dhe 6000 mg SO 4 2 /kg (6000 ppm) në tokë, si kufi midis sulfateve agresive dhe atyre mesatarisht agresive, të cilat duhen përdorur në çimentot rezistente ndaj sulfateve. Bazuar në këto limite të përmbajtjes së sulfateve, parastandardi europian ENV 206 pohon si kriter 500 ppm në ujë dhe 3000 ppm në tokë. Megjithatë, ACI rekomandon respektivisht 1500 ppm SO 4 2 në ujë dhe 2000 ppm SO 4 2 në tokë. 60

73 Tab 7.2 Agresiviteti i sulfateve në beton, CEMBUREAU Agresiviteti Klasa 1 Klasa 2 Klasa 3 Klasa 4 Klasa 5 Uje SO4 (ppm) < >6000 Toke SO4 (%) < >1.2 Raporti maksimal w/c < / mbrojtes Tipi i çimentos - - Çimento rezistente ndaj sulfateve Tab 7.3 Rekomandime për rezistencën ndaj sulfateve, ACI 201.2R-77 Agresiviteti I butë Mesatar I ashpër Tepër i ashpër Uje SO4 (ppm) >10000 Toke SO4 (%) >2 Raporti maksimal w/c Tipi i çimentos II,IP(MS),IS(MS) V V+Pozzolana ose skorje Tab 7.4 Rekomandime për betonin e ekspozuar në atakun sulfatik Përmbajtja e sulfateve (si SO3) Përmbajtja minimale e Klas Dhѐ Tokë Tipi i çimentos (kg/m 3 ) w/c a Total Ekstrakt çimentos Madhësia e agregatit Ujë (ppm) (%) 2:1uje/dhѐ <0.2 - <300 OPC,P-BLF OPC P-BLF SR ose supersulfat SR ose supersulfat SR ose superfulfat + shtresë mbrojtëse Efekti i përqëndrimit të sulfateve Faktori kryesor që përcakton ashpërsinë e sulfateve është përqëndrimi i sulfateve në solucion ose në tokë. Rritja e përqëndrimit të sulfateve rrit reaksionin kimik me çimenton dhe si rrjedhojë formimin e etringitit dhe gipsit. Shumë studime kanë hetuar efektin e përqëndimit të 61

74 sulfateve në ashpërsine e atakut; është gjetur se rritja e përqëndrimit të sulfateve rrit ekspansionin e mostrave të ekspozuara në atakun e sulfatit të natriumit. Ekspansioni i çimentos Portland të ekspozuar në përqëndrime të ndryshme të sulfatit të natriumit është paraqitur në figurën më poshtë. Eshtë vënë re se dëmtimi i prizmave të ekspozuar në sulfat natriumi fillimisht është i ngadalshëm e më pas fillon të përshpejtohet; kjo kohë kritike është në funksion të përqëndrimit të sulfateve. Prizmat e ekspozuar në përqëndrime të ulta të sulfatit të natriumit deri në mg/l nuk paraqitën ndryshim të dukshëm pas 300 ditësh ekspozimi, ndërsa ato të ekspozuara në mg/l paraqitën ulje dramatike të rezistencave në shtypje dhe përkulje pas 90 dhe 180 ditësh ekspozim. Fig 7.5 Ekspansioni i mostrave të ekspozuara në përqëndrime të ndryshme sulfati natriumi 7.5 Efekti i tipit të sulfatit Ashpërsia e atakut sulfatik është gjithashtu një funksion i formës kimike të sulfatit. Megjithatë është vene re se sulcioni i sulfatit të magnezit është më agresiv sesa solucioni i sulfatit të natriumit dhe bashkë janë potencialisht më shkatërrues sesa sulfati i kalciumit. Figura më poshtë paraqet ekspansionin kundrejt kohës së mostrave me çimento Portland të ekspozuara në solucion sulfat natriumi dhe magnezi. 62

75 Fig 7.6 Ekspansioni i mostrave të ekspozuara në solucion sulfat natriumi dhe magnezi 7.6 ph i solucionit sulfat Brown (1981) raportoi një studim gjithëpërfshirës të testimit të rezistencës ndaj sulfateve nën kushte të ndryshme të kontrolluara, ashtu si edhe një rishikim të punës së mëparëshme. Testi i mëparshëm ishte testi i pllakës Merriman (1993). Ai përdorte prizma 2*4*0.25 inch të vendosura në solucion 10% Na2SO4 në ph neutral, më titullim ditor më acid sulfurik (H2SO4); vlerësimi vizual ishte bërë pas 28 ditësh. I njejti test ishte provuar më vonë nga Mehta dhe Gjorv (1993); ata përdoren pajisje kontrolli automatike për të matur ph dhe futen solucion 1 N acid sulfurik për të mbajtur solucionin afër ph neutral. Brown eksperimentoi mbi prizma të bëra më çimento tip I, të vendosura në solucion Na2SO4 dhe të mbajtura në kushte të ndryshme ph, psh. ph=11.5, 10.0, 8.9 dhe 6.0, të cilët ishin krahasuar me mostra të ngjashme me to por jo me kontrollues ph, si edhe me mostra të vendosura në ujë normal. Ishin monitoruar të gjitha, si konsumi i joneve sulfate, ekspansioni dhe rezistencat në shtypje. U arrit në përfundimin se kontrolli i ph nga shtimi i acidit sulfurik H2SO4 1N: 1) Siguron përqëndrim konstant të joneve sulfate, të cilat mund të varionin, varur nga tipi i çimentos dhe duke e bërë në këtë mënyrë çdo krahasim të vështirë (ashtu si edhe vonimin e procesit të dëmtimit) 2) Mbajtja në kushte konstante ph, e cila ka më shumë mundësi të ndodhë në mjedise reale. Është vënë re se shkalla e konsumit të joneve sulfate, ishte dy herë më e lartë se lirimi i joneve hidroksil, psh: [SO 4 2 ]t = [SO 4 2 ] origjinal ½ [OH ]t Ku [SO 4 2 ]t dhe [OH ]t janë përqëndrimet respektive të SO 4 2 dhe OH në kohën t. Kjo është në konsistencë me stekiometrine e formimit të gipsit ose sulfoaluminatit. Konsumi i joneve sulfat, rritet më uljen e ph, duke treguar se kishte kullim të produkteve të hidratimit nën këto kushte. Megjithatë, pas fillimit të ekspansionit, dukej të ishte një funksion linear i 63

76 konsumimit të joneve sulfate, duke treguar se shumica e produkteve të reaksionit ishin formuar me rritjen e ekspansionit. Interesante është se, ekpansioni për konsum sulfati është më i lartë më ph=11.5, në kushtet ku etringiti është më shumë i qëndrueshëm, sesa nën kushte të ulta ph. Në dukje, kjo tregon se ekspansioni ka të bëjë kryesisht me formimin e etringitit. 7.7 Mostrat (prizmat) Përbërja e mostrave, forma dhe madhësia variojnë në varësi të qëllimit të vlerësimit të llaçit dhe shpejtësinë e nevojshme për testim. Kërkimet e herëshme të Locher (1956) dhe Koch dhe Steinegger (1960) përdorën seksione prizmash të vegjël (10*10*80 mm), dhe matën rezistencat në përkulje. Më vonë, ndryshimet e gjatësisë u përdorën si vlerësimi kryesor i testeve, dhe prizmat ishin më të gjatë, psh 10*40*160 mm dhe 25*25*285 mm në Europë dhe USA respektivisht. Duke krahasuar efektet e faktorëve të ndryshëm në rezutatet e testeve, Frearson dhe Higgins (1995) kryen një seri testesh. Ata bënë raporte të ndryshme agregat çimento, forma mostrash, periudhe fillestare ruajtjeje, kompaktësi mostrash, mangesitë fillestare të ruajtjes, karbonatim i herëshëm, përqëndrimi i solucioneve sulfate, dhe tipe të solucioneve sulfate, në mënyrë që të shihnin se si këto parametra ndikonin në ekspansion. Ata vune re si më poshte: Raporti agregat-cimento: kur raporti ujë/çimento ishte i njejtë, mostrat më të pasura më çimento kishin ekspansion më të lartë gjatë një viti. Pas tre vjetësh, kjo tendencë vazhdonte vetëm për disa prej mostrave të testuara. Duket se këto rezultate janë pasojë e dy efekteve të kundërta në përmbajtjen e çimentos: a) sa më të pasura mostrat më çimento, aq më i madh është potenciali për ekspansion, gjithashtu edhe numri i poreve kapilare për njesi volumi të mostrave, dhe b) sa më të pasura mostrat më çimento aq më e madhe është punueshmëria dhe për këtë rritet kompakticiteti. Forma e mostrave: krahasimi i prizmave 10*40 mm më 20*20 mm tregoi se prizmat e parë prodhuan ekspansion më të madh dhe më të hershëm se sa prizmat e dytë. Testet laboratorike të mostrave ishin bërë duke përdorur rërë standarde specifike. 7.8 Ruajtja para testimit Standardi ASTM C1012 specifikon një skemë ruajtje: testet fillojnë kur mostrat e ruajtura në ujë arrijnë 20 MPa në rezistencat në shtypje. Si një test i shpejtë është projektuar një metodë për të krahasuar çimento të ndryshme, kështu që dëmtimi i betonit ndodh pas ekspozimit për një periudhë të shkurtër në solucion sulfat. Për të shkurtuar kohën e para ruajtjes, prizmat ruhen në ujë të ngrohtë në temperaturë 35 C ditën e parë, e cila sipas Mehta është e njejtë me 7 ditë ruajtje në ujë në 23 C. Shumë studiues preferojnë që mostrat të ruhen në ujë në temperaturën e dhomës, p.sh metoda e testeve gjermane e përshkruar nga Smolczyk dhe Blunk (1970) i ruan prizmat (rërë/çimento=3, u/c=0.6) 10*40*160 mm në ujë (20 C) për 14 ditë. Frearson dhe Higgins (1995) modifikuan këtë metodë duke përdorur një raport më të ulët u/c, keshtu që testet mund të ishin më përfaqësues. Kushtet e tjera janë të ngjashme me metodat e ASTM C1012, përveç se temperatura e solucionit sulfat është 20 C. 64

77 Frearson dhe Higgins (1995) treguan se në varësi të periudhës fillestare të ruajtjes nga 1 deri në 4 javë, rritet influenca në ekspansionin fillestar, dhe se ky ndikim ishte më pak domethënës për mostrat e ekspozuara në solucion sulfat për 3 vjet. Në anën tjetër, ata demonstuan se mostrat e ngjeshura nga vibrimi, kishin reduktuar përmbajtjen e ajrit më 1%, 1.5% dhe 3.5% për betonet më raport rërë/çimento 3, 4, dhe 4.7 respektivisht. Kjo rezultoi në rezistenca të dukshme në ekspansion nën atakun sulfatik. Në krijimin e metodave të standardit AS , testet e kryera nga laboratoret e industrive të çimentos në Australi, treguan se ruajtja në ujë për 7 ditë në temperaturën e dhomës, mund të rezultojë një kohë e përshtatshme ruajtjeje për testet, dhe është më e lehtë për t u kryer. Bucea (1997) kreu teste për të krahasuar dy metodat dhe zbuloi se poroziteti i mostrave të ruajtura sipas skemes së ASTM ishte % me standard devijimi 0.34%, ndërsa ato të ruajtura sipas AS rezultuan në porozitet % me standard devijimi 1.62 %. Devijimi më i vogël në porozitetin e betonit demonstroi të jetë më përfitues në dallimin e rezistencës sulfate, dhe në këtë rast procedurat e ASTM ishin më të preferuarat. 7.9 Kohëzgjatja e ekspozimit në sulfate dhe vlerësimi i dëmtimit Nuk është e mundur të vendoset kriteri i pranimit pa specifikuar kohëzgjatjen e testit. Studimet e herëshme përdorën një përudhë relativisht të shkurtër testesh, psh Koch dhe Steineger monitoruan rezistencat në përkulje të betonit pas 77 ditësh të futur në solucion Na2SO4 0.2 M; Markestad studioi rezistencat në shtypje të betonit të futur për 70 ditë në solucion MgSO4 0.6 M; dhe Merriman testoi pastën e futur në një solucion Na2SO4 0.7 M më ph të kontrolluar dhe bëri disa vlerësime vizuale në 28 ditë. Rezultate të tjera testesh demonstruan se ekspansioni për 10 javë ishte akoma një fazë, dhe nuk ishte i mjaftueshëm. Gonzales dhe Irassar (1997) treguan se betonet e bëra më çimento më C3A të ulët (<1%) por më C4AF të lartë (15%), jepnin ekspansion pas 180 deri 720 ditësh, kur ekspozoheshin në solucion Na2SO4 5%. Pra çimento të ndryshme kanë ekspansione të ndryshme nën atakun sulfatik, psh në solucion Na2SO4 5%, rastet për ekspansion 0.1% janë rreth 100, 200 dhe 360 ditë për tipet e çimentove I, II dhe V respektivisht. Kjo tendencë është e komplikuar nga përfshirja e materialeve pucolanike si hi fluturues, skorje etj në materialin çimentues. Në shumë raste, ekspansioni ndodh shumë vonë. Standardet australiane AS specifikojnë një ekspansion maksimal prej 900µm/m në 16 javë për çimentot anti sulfate. Kjo është kritikuar si e papërshtatshme, bazuar në faktin se përmbajtja e C3A në çimento varion, dhe se ekspansioni i deklaruar (i testuar më metodat e ASTM C1012 ose AS ) ndodh pas javësh ekspozimi për shumicën e çimentove me përmbajtje mesatare C3A. Një ekspozim për një kohë të gjatë (6 muaj ose më shumë), rekomandohet për të dalluar sjelljen e materialeve të ndryshme çimentuese. Vlerësimet, përveç ekspansionit ose ndryshimet në rezistenca, shpesh mund të sjellin informacione të nevojshme ose të ndihmojnë në vënien e kritereve të besueshme për dëmtimet e betonit. Megjithatë, analizat më X-Ray të mostrave të betonit japin të dhëna më direkte të mekanizmave të dëmtimit, vlerësime në ndryshimin e masës, ose vrojtim vizual të mikrokrisjeve, monitorim të zhvillimit të dëmtimit. 65

78 Megjithatë, ekspansioni është një parametër lehtësisht i matshëm, në disa raste nuk reflekton zgjerimin e dëmtimit. Cao (1997) tregoi se ekspansioni i lartë jo domosdoshmërisht tregon dëmtimet e betonit, ndërsa betone të përgatitura me disa lidhësa që kanë më pak ekspansion në solucion sulfat, shfaqën dëmtime të menjëherëshme nga shkatërrimi. Meqënëse reduktimi i rezistencave është rezultati final i dëmtimit sulfatik, është studiuar sigurimi i të dhënave të mëtejshme ose përdorimi si një indeks dëmtimi. Ataku sulfatik në shumicën e ambjenteve reale, është lidhur më shpërbërjen e produkteve të hidratimit të çimentos, veçanërisht në kushte neutrale ose në ph të ulta. Reduktimi i rezistencave rezulton pjesërisht nga ky dëmtim. Brown (1983) raportoi se me kalimin e kohës, rezistencat ngrihen në maksimum dhe më pas ulen në mënyrë të vazhdueshme. Rritja e rezistencave i atribuohet hidratimit të vazhdueshëm dhe plotësimit të poreve nga përbërës të formuar si rezultat i reaksioneve midis sulfateve dhe produkteve hidratuese të çimentos. Vrojtime të njejta janë raportuar edhe nga studiues të tjere. Brown vuri re se rënia e rezistencave ndodhte para ekspansionit, si rezultat i kullimit dhe shndërrimit të hidrateve të çimentos si Ca(OH)2 në gips, ndërsa produktet e reaksioneve zgjeruese thjesht mbushnin poret në stadin e parë të atakut sulfatik Ndikimi i temperaturës Zakonisht në reaksionet kimike, rritja e temperaturës ndihmon të kapërcehet energjia e aktivizuar dhe gjithashtu rritet shkalla e reaksionit. Në shumicën e reasteve, zberthimi është një proces endotermik (absorbon nxehtësi) dhe tretshmeria e kripërave rritet me rritjen e temperaturës (përjashtimet përfshijnë Ca(OH)2 dhe CaSO4 ½H2O). Edhe e kundërta është e vërtetë: se një solucion mund të bëhet i tejngopur me uljen e temperaturës. Me interes të veçante në rastin e atakut sulfatik është instabiliteti termik i etringitit në temperatura më të larta se 60 C, dhe stabilitet i rritur i theumasite në temperaturën 0-5 C. Tretshmëritë e disa kripërave sulfate bëhen në thelb më të larta në temperatura më të larta, psh. Na2SO4.10H2O dhe MgSO4.7H2O. Është vënë re se në betonin testues, të futur në solucion sulfat tepër të përqëndruar, ndodh një kristalizim i papritur kur temperatura ulet (psh.në Na2SO4 30%, ftohje nga 30 C në 5 C me shkallë 5 C çdo orë), duke shkaktuar dëmtim të mostrës. Prandaj, në laboratoret testuese është e rëndësishme të kontrollohet temperatura dhe përbërja/përqëndrimi i solucionit. Kjo është veçanërisht e rëndësishme kur përdoren solucione sulfate me përqëndrim të lartë Ndikimi i ngarkesës Në praktike, betoni si një material ndërtimi është subjekt forcash, psh tensioni, përdredhjeje, shtypje. Tensioni ndikon në mikrostruktuën e betonit, për sa i përket krisjes dhe zbutjes së tij, varur në nivelin e raportit tension/rezistenca; tensioni gjithashtu ndikon në sjelljet sipërfaqesore të betonit, psh. zgjerohet nën atakun sulfatik. Schneider dhe Piasta (1991) raportuan rezultatet e atakut sulfatik në beton nën tensionin e ngarkesave për më shumë se 3 vjet. Deformimi i betonit në varësi të kohës, nën atakun 66

79 sulfatik nuk dukej të ndiqte teorinë e zbutjes së betonit e nivelin tension/rezistencë prej 0.65; deformimi nën këtë ngarkesë ishte përshpejtuar në solucion Na2SO4 5%, dhe ishte lidhur me reduktimin e rezistencave dhe zhvillimin e mikrokrisjeve në mostrat e testuara. Në raport tension/rezistencë = 0.35 dhe 0.5, ndryshimi i gjatësisë ndaloi pas fillimit të deformimit (rreth 2 muaj) dhe betoni u soll sipas teorisë së zbutjes, psh. Kur raporti tension/rezistencë ishte më i ulët se 0.2, u vu re vetëm bymim. Duhet patur kujdes në rezultatet e analizave të marra nën ngarkesën në shtypje, sepse mostrat nën shtypje, do të jenë nën tension në anët sipërfaqësore afër fundit, si rezultat i efektit helmues. Kjo pjesërisht mund të kontribuojë në dëmtimin e shpejtë të mostrave nën ngarkesën në shtypje. Megjithatë, testet mbi sjelljen e betonit nën ngarkesë dhe atak sulfatik, janë më rëndësi në përcaktimin e aftësise duruese të materialit dhe mekanikën strukturore Ndikimi i agjentëve të tjerë reaktiv Jonet klorure: jonet Cl - pengojnë formimin e gipsit dhe portlanditeve për shkak të tretshmërisë në rritje të këtyre përbërësve. Në përgjithësi, kjo mund të ketë efekt përfitues në betonin e bërë më çimento Portland, ndërsa ky përfitim është i padobishëm për betonet më çimento të përzier. Në anën tjetër, tretshmëria e lartë e Ca(OH)2 do të shkaktojë më shumë kullim të gëlqeres, e cila mund të rezultojë në zbutje të betonit, veçanerisht për betonet e bëra më çimento të përzier. Al-Amoudi (1994) testoi rezistencat (duke përdorur kuba 25 mm) dhe bëri një studim minaralogjik-mikroskopik në mostrat e pastës së çimentos (kuba 12.5 mm) të vendosur në solucione me përmbajtje të lartë jonesh Cl - dhe përmbajtje të ndryshme sulfatesh (0%, 0.55% dhe 2.1% Na2SO4 dhe MgSO4) në 25 C. Rezultati tregoi se gipsi dhe portlanditet nuk ishin të pranishme në mostrat që ishin në kontakt më solucionet me përqëndrim të lartë Cl, ndërsa formimi i kripës Friedel (3CaO.Al2O3.CaCl2.12H2O) nuk ishte me rëndësi. Mungesa e këtyre fazave mund të jetë lidhur me kushtet eksperimentale (temperaturë e lartë dhe përqëndrim i kripërave). Ata vune re se çimentot e përziera (me silicë të lartë dhe skorje) treguan më shumë atak të sulfatit të magnezit krahasuar më çimentot e thjeshta, të cilat kishin atak të gipsit dhe etrigitit. Konkluzioni i kundërt ishte raportuar nga Ben-Yair (1974), që përdori solucion sulfat (Na2SO4, K2SO4, MgSO4) 0.4% që përmbante deri në 3.5% NaCl ekuvalente (NaCl, CaCl2 dhe MgCl2). Ai monitoroi ekspansionin e betonit më çimento normale Portland për periudha të gjata (1.5 dhe 8 vjet) dhe zbuloi se në shumicen e rasteve ekspansioni në solucione klorur mbajtëse rritej si rezultat i formimit të përbërjeve Friedel. Ben-Yair përdori solucione sulfate me përqëndrim më të ulët sesa Al-Amoudi; ndoshta në përqëndrime më të larta sulfatesh, pengohet formimi i kripes Friedel. CO2 dhe CO3 2- : Sawicz dhe Heng (1996) testuan beton që përmbante pluhura guri gelqeror në solucion 5% Na2SO4. Çimento përmbante 12.1% C3A, dhe ekspansioni u zhvillua relativisht shpejt; psh. Ekspansioni në 150 ditë ishte 630 µm/m (max 1105 µm/m). Ata zbuluan se prania e pluhurit të gurit gëlqeror rriste rezistencën e betonit ndaj sulfateve, psh. Lidhësa që përmbajnë 13% gur gëlqeror me raport ujë/lidhës 0.55, dhanë ekspansion më të ulët. Bazuar në rezultatet më XRD që tregon se shumë përbërës me përmbajtje karbonate si 3CaO.Al2O3.CaCO3.11H2O dhe 3CaO.Al2O3.½CaCO3.½Ca(OH)2.12H2O ishin formuar, këta 67

80 autorë sugjeruan se jonet SO4 2- në shtresën e brendshme të kristaleve të etringitit ishin zëvendësuar nga jonet CO3-2, dhe faza monosulfate nuk ishte e qëndrueshme në prani të CO2 ose CO3-2. Mono-karbonatet dhe hemi-karbonatet ishin më rezistent ndaj atakut sulfatik; si pasojë, mostrat treguan ekspansion më të ulët. Këto rezultate ishin konfirmuar edhe nga teste të mëtejshme. Në anën tjetër, CO2 në solucion mund të shkaktojë formimin e thaumasiteve, e cila ndodh në strukturat e betoneve detare, në kontakt me ujin e detit. Sarkar dhe Malhotra (1995) studiuan panele betoni të vendosura në ujë deti. Ata raportuan se betoni ishte karbonatuar gjatë çlirimit të CO2 në ujë, dhe se ishte vënë re thaumasite. Megjithatë, procedurat eksperimentale laboratorike për testimin e thaumasiteve nuk janë kryer ende. Zëvendësimi i çimentos nga hiri fluturues prodhon efekte krahasuese. Ai kontribuon në formimin e xhelit C-S-H nëpërmjet reaksioneve pucolanike dhe aktivizimit të alkaleve, por gjithashtu dobëson kontributin e reaksioneve kryesore të vetë çimentos. Rëndësia e vetë këtyre efekteve individuale varet nga përbërja kimike e fazes së qelqtë të hirit fluturues. Duke shtuar hi fluturues, dobësohet sasia e çimentos dhe në këtë mënyrë C-S-H kontribuon nëpërmjet reaksionit kryesor çimentues, dhe gjithashtu redukton sasinë e CH të kerkuar nga reaksioni pucolanik. Prandaj efekti i shtimit të një sasie të madhe hi fluturues mund të jetë një reduktim neto në performancë në termat e rezistencave të betonit dhe aftësinë duruese të tij. Gjithashtu ka edhe përfitime ekonomike, meqë hiri fluturues llogaritet si zevendësues me kosto të ulët për çimentot e shtrenjta. Përdorimi i hirit fluturues si një zëvendësues çimentoje në beton, rezulton në përmirësim të dukshëm të karakteristikave bazë të betonit, në të dyja gjendjet në të njomë dhe të ngurtësuar. Avantazhet e hirit fluturues në beton janë: Përmirëson përformancën e betonit në kohë të gjatë dhe aftësinë duruese të tij Ul nxehtësinë e hidratimit Ul kërkesën për ujë për punueshmëri të njejtë Minimizon riskun për reaksionin alkal silicë Për më tepër siguron përfitime mjedisore dhe ekonomike. Në fillim të ruajtjes në ambjent izotermik në 20, rezistencat e një betoni normal që përmban hi fluturues, janë raportuar të jenë më të ulta krahasuar me një beton më çimento Portland. Megjithatë, në një temperaturë ruajtje në rritje, u vu re se rezistencat fillestare të betonit më hi fluturues u përmirësuan ndjeshëm. Gjithashtu është vënë re se përdorimi i hirit fluturues do të ketë më pak efekt të dëmshëm në rezistencat në kohët e mëvonëshme krahasuar më betonin më çimento Portland. Shkalla e reaksionit të betonit me hi fluturues është vënë re të rritet me rritjen e temperaturës dhe gjithashtu nga rritja e temperaturës brenda elementëve strukturore në fillim, e cila duket të sigurojë energjinë e aktivizimit të reaksionit të hirit fluturues. Mund të demostrohet se përdorimi i betonit me përmbajtje hiri fluturues, nën ruajtje me temperaturë në ngritje, nuk ka efekt dëmtues në rezistencat fillestare, kjo do të lejojë në reduktimin e kostove totale të elementeve strukturore të betonit. 68

81 KAPITULLI VIII Analizat mikroskopike 8.1 Analizat SEM (mikroskop me skanim elektroni) Një mikroskop me skanim elektroni është një tip i mikroskopit elektronik që prodhon imazhe të një mostre duke e skanuar atë me një tufë të fokusuar elektronesh. Elektronet ndërveprojnë me atomet në mostër, duke prodhuar sinjale të ndryshme që mund të detektohen dhe që përmbajnë informacione rreth sipërfaqes topografike të mostrës dhe përbërjes së saj. Tufa e elektroneve skanohet përgjithësisht në formë rektangulare dhe pozicioni i tufës kombinohet me sinjalin e detektuar, duke prodhuar një imazh. Cilësia dhe rezolucioni i imazheve të SEM janë në funkson të tre parametrave madhore: (i) performancës së instrumentit, (ii) përzgjedhja e parametrave të imazhit (psh.kontrolli i operatorit) dhe (iii) natyra e mostrës. Të tre aspektet operojnë njëkohësisht dhe asnjë prej tyre nuk mund të injorohet ose theksohet. Një nga aspektet surprizues të mikroskopisë me skanim elektroni është lehtësia e dukshme, në të cilën imazhet e SEM të objekteve tredimensionale, mund të interpretohen nga kushdo që nuk ka njohje të mëparshme të instrumentit. Kjo është disi e habitshme duke patur parasysh mënyrën e pazakontë në të cilën imazhi është formuar, i cili duket të ndryshojë dukshem nga eksperienca normale njerezore me imazhet e formuara nga drita dhe të para me sy. 69

82 Fig 8.1 Formimi i imazhit me SEM Përbërësit kryesor i një SEM tipik janë kolona elektronike, sistemi i skanimit, detektoret, ekrani, sistemi i vakumit dhe kontrolli elektronik. Kontrolli elektronit i SEM konsiston në një shkrepje elektroni dhe në dy ose me shumë lente elektromagnetike që operojnë në vakum. Shkrepja e elektronit gjeneron elektrone të lira dhe përshpejton këto elektrone në energji të rendit 1-40 kev në SEM. Qëllimi i lenteve elektronike është të krijojë një hetim elektronik të vogël dhe të fokusuar në mostër. Pajisja e SEM konsiston në shtatë përbërës primar: Gjenerimi i tufës Ky sistem lokalizohet në majë të mikroskopit dhe gjeneron tufën e parë elektronike. Ndërveprimi i rrezeve Kjo përfshin ndërveprimin dhe përfshirjen e një mostre me tufën e elektroneve, dhe shumë sinjale që mund të detektohen. Sistemi i vakumit Sistemi i vakumit eliminon shpërndarjen e elektroneve, gjatë ndërveprimit të tufës së elektroneve, që çojnë në përplasje të detyruar me molekula të ndryshme brenda dhomës. Manipulimi i tufës Ky sistem kontrollon madhësinë, formën dhe pozicionin e tufës në sipërfaqen e mostrës. Ajo rrethon lentet elektromagnetike dhe spiralen, të cilat janë të lokalizuara në kolonën e mikroskopit. Përpunimi i sinjalit 70

83 Kjo përfshin një sistem elektronik, i cili trajton ndryshimin e imazhit fillestar, dhe përpunon imazhin gjenerues nëpërmjet sistemit të detektimit. Sistemi i detektimit Ky sistem konsiston në shumë detektore, secili prej tyre është i ndjeshëm ndaj grimcave të shumta të energjisë që ndodhen në sipërfaqen e mostrës. Paraqitja dhe sistemi i regjistrimit Kjo inkorporon një tub me rreze katodike, i cili lejon regjistrimin e analizës, duke përdorur transmetues fotografik ose magnetik, dhe lejon vizualizimin e një sinjali elektronik. 8.2 Spektroskopia energji-shpërndarëse e rrezeve X (EDS) Spektroskopia energji-shpërndarëse e rrezeve X (EDS) është një teknike analitike e përdorur për analizat elementare ose karakterizimin kimik të një mostre. Ajo mbështetet në një ndërveprim të disa burimeve të eksitimit të rrezeve X dhe një mostre. Kapacitetet e saj karakterizuese janë shkak se cdo element ka një strukturë atomike të veçante, duke lejuar në këtë mënyrë një set piqesh në spektrin e emisionit të rrezeve X. Për të similuar emisionin e rrezeve X karakteristike nga një mostër, një tufë me energji të lartë e grimcave të ngarkuara, si elektrone ose protone, ose një tufe të rrezeve X, fokusohet në mostrën që do të studiohet. Në qetësi, një atom brenda mostrës përmban elektrone të paeksituara në nivele diskrete energjie ose guaska elektronesh të lidhura me berthamën. Tufa a rastit mund të eksitojë një elektron në një guaskë të brendshme, duke e nxjerre atë nga guaska, dhe duke krijuar një gropë elektroni aty ku ishte ky elektron. Një elektron nga jashtë, me guaskë me energji të lartë, më pas e mbush këtë gropë, dhe diferenca në energji midis guaskës me energji të lartë dhe asaj me energji të ulët mund të lëshohet në formën e rrezeve X. Numri dhe energjia e rrezeve X që emetohen nga një mostër, mund të maten nga një spektrometër me shpërbërje energjie. Meqë energjia e rrezeve X është karakteristikë e diferencës në energji midis dy guaskave, dhe të strukturës atomike të elementeve nga të cilët emetohen, kjo lejon matjen e përbërjes elementare të mostrës. 71

84 9.1 Qëllimi i eksperimentit. KAPITULLI IX Pjesa eksperimentale Ky studim shkencor ka si qëllim kryesor analizimin e efektit të shtimit të hirit fluturues në çimento dhe beton. Gjithashtu pjesë e studimit ishte edhe ndikimi i faktorëve të jashtëm, si sulfatet (sulfati i natriumit Na 2 SO 4 5% dhe ai i magnezit MgSO 4 5%), në cilësinë e çimentos dhe betonit. Përmbajtja sulfate ul rezistencat dhe qëndrueshmërinë e strukturave të betonit. Në këtë studim është ekzaminuar ndryshimi i rezistencave dhe qëndrueshmërisë së betonit të ekspozuar në mjedis agresiv, si ataku sulfatik. Migrimi i sulfateve nëpër beton dhe kinetika e tyre lidhur me atakun sulfatik, janë themelore për vlerësimin e përshtatshmërisë së përzierjes së betonit dhe materialeve nga i cili është përbërë. Ky studim kombinon vlerësimet tradicionale vizuale me testet mekanike, për hetimin e përhapjes së dëmtimit në lidhje me mekanizmat e degradimit të përshkruara në pjesën teorike. Metodat e përdorura dhe të përcaktuara me detaje në pjesën eksperimentale, me anë të të cilave jane përgatitur mostrat, janë me rëndësi për marrjen e rezultateve pozitive dhe riprodhuese Objektivat. Ky punim është realizuar në mënyrë që të arrihen objektivat e mëposhtme: - Identifikimi i parametrave fiziko-mekanike të përziejes së çimentos me hirin fluturues, krahasimi me standarde dhe norma. - Vlerësimi i cilësisë nëpërmjet parametrave fiziko-mekanike dhe mikroskopike i përzierjes së çimentos me hirin fluturues, krahasimi me standarde apo norma. - Identifikimi dhe vlerësimi i parametrave fiziko-mekanike të betonit të realizuar me çimento, hi fluturues dhe agregatet përkatëse. 72

85 9.3 Treguesit e analizuar. Tabela 9.1. Treguesit e analizuar Treguesit e analizuar Vrojtimet mikrostrukturore Spektroskopia EDS Rezistencat e çimentos me hi fluturues, të zhytura në solucion * MgSO 4 5% * Na 2 SO 4 5% Ekspansioni i çimentos Rezistencat e mostrave të betonit, të zhytura në ujë Testi i ekuivalentit të rërës Analizat granulometrike të lëndëve të para (agregateve) për përgatitjen e betonit Testi i rënies (slump test) Densiteti i betonit Rezistencat e mostrave të betonit, të zhytura * MgSO 4 5% * Na 2 SO 4 5% 9.4 Përshkrimi i mostrave të marra në analizë. Mostrat e marra për analizë janë përzierje në raporte të ndryshme të çimentos me hirin fluturues sic paraqiten në tabelat me poshtë: Tabela. 9.2 Paraqitja e raporteve të lëndëve të përdorura për pamjet me mikroskopin SEM CEM I (%) Hi fluturues (%) Tabela 9.3 Paraqitja e raporteve të lëndëve të përdorura në realizimin e testeve të rezistencës së çimentos dhe ekspansionit CEM I (%) Hi fluturues (%)

86 Tabela 9.4 Paraqitja e raporteve të lëndëve të përdorura në realizimin e rezistencave të betoni CEM I (%) Hi fluturues (%) Çimento Portland Çimento Portland e përdorur në përgatitjen e gjithë përbërjeve të betonit është prodhuar në fabrikën e çimentos Fushë-Krujë. Çimento e zgjedhur për këtë studim eksperimental përcaktohet si çimento e tipit CEM I, sipas specifikimeve të standardit S SH EN Gjen përdorim të përgjithshëm, për çdo tip ndërtimi, (Është çimento Portland, e cila përbëhet nga % klinker dhe 0-5 % shtesë minore). Ky tip çimento karakterizohet nga rezistenca të larta ose shumë të larta. Prandaj ajo përdoret për prodhimin e betoneve të klasave të larta. Përdoret zakonisht për betone gati të përziera dhe produktet e betonit, aplikime të inxhinierisë civile dhe të ndërtimit ku nuk kërkohen masa specifike, si psh rezistencë të lartë ndaj sulfateve, rezistenca fillestare të larta, ose nxehtësi më të ulët hidratimi. Përparësitë e përdorimit të kësaj çimentoje janë: - Ka rezistencë më të lartë fillestare dhe përfundimtare në krahasim me çimentot e tjera të klasave të tjera. - Ka qëndrueshmëri të lartë të ndryshimit të vëllimit (ekspansion i ulët). Gjatë përdorimit të kesaj çimentoje është patur parasysh që: Përmbajtja e duhur e çimentos për të arritur rezistencat e kërkuara 28 ditore të klasës së betonit si dhe për ruajtjen e punueshmerisë së betonit është përcaktuar me prova paraprake të përzierjes si edhe në perputhje me SSH EN Kjo lloj çimento gjen zbatim në: -Në themelet e ndërtesave -Në prodhimin e elementeve të betonit të përforcuar. -Në përdorimin e strukturave monolite në ndërtimet civile dhe industriale -Në ndërtimin e urave, mbikalimeve etj Vetitë fizike dhe mekanike si edhe ato kimike sipas standardit SSHEN jepen në tabelat me poshtë: 74

87 Tabela 9.5 Vetitë fizike dhe mekanike të çimentos CEM I, klasa 42.5R sipas standardit EN Limitet e vlerave të standardit të çimentos Fillimi i kohës së ngrirjes (min) 60 Ekspansioni (mm) 10 Rezistencat në shtypje 2D MPa 20 Rezistencat në shtypje 28D MPa 42.5 Tabela 9.6 Vetitë kimike të çimentos CEM I, klasa 42.5R sipas standardit EN Limitet e vlerave të standardit të çimentos Humbje në kalcinim (%) 5.0 Mbetje e patretshme (%) 5.0 Sulfatet (SO 3 )% 4.0 Përmbajtja e klorureve (Cl)% 0.10 Hi fluturues Hiri fluturues ka parametrat e paraqitur në tabelën Ky është material i mbledhur nga gazet e oxhakut ku përdoren precipitues elektrostatik dhe mekanik ose filtra pantallon. Zakonisht është më i imët se çimento Portland dhe përbëhet nga sfera të vogla qelqore që janë nga më të vogla se 1 deri në mbi 100 mikron. Përbërësit kryesore të hirit të paraqitur në formë oksidesh janë silica (SiO 2 ), alumina (Al 2 O 3 ), dhe oksidet e kalciumit dhe hekurit (CaO dhe Fe 2 O 3 ). Përbërja e hirit varet nga burimi i qymyrit. Për shkak të imtësisë dhe mineralogjisë së tij duke përfshirë edhe natyrën amorfe, hiri fluturues përgjithësisht është pucolanik dhe nganjëherë edhe vetë çimentues. Hiri është provuar dhe përdorur gjerësisht si shtesë minerale ose material çimentues zëvendësues në çimenton e betonit, për të përmirësuar vetitë specifike në beton për fushat e ndryshme të përdorimit. Hiri fluturues eshtë hi i klasës F, të ashtu quajtur hire me kalcium të ulët, pra me veti pucolanike dhe jovetëngurtësuese. Këto hire, merren nga djegia e qymyreve antracide ose bituminoze. 75

88 Ujë Sipas standardit EN uji i përdorur në përzierjen e llaçit është uji që përdor fabrika e çimentos ne Fushë Krujë. Rërë standarde Për përgatitjen e prizmave, është përdorur rërë standarde EN 196-1, konform ISO 679:1989 Na 2 SO 4 dhe MgSO 4 Na 2 SO 4 dhe MgSO 4 janë marrë nga kompania Merck. Solucionet e Na 2 SO 4 5% dhe MgSO 4 5% janë përgatitur në laborator. 9.5 Metodikat e analizave Vrojtimet mikrostrukturore Parimi Ky studim kombinoi vlerësimet vizuale tradicionale me testet mekanike, për të hetuar dëmtimin e mekanizmave shkatërrues. Për të kuptuar më mirë efektin e sulfateve në mikrostrukturën e pastës së ngurtësuar të çimentos, u nevojit një studim petrografik. SEM (mikroskopia me skanim elektroni) na siguroi imazhe me kontrast dhe mikroanalizat me X-ray na lehtësuan identifikimin e fazave përbërëse brenda mikrostrukturës. Të dhënat që morëm nga pamjet në SEM na dhanë një përshkrim komplet të mekanizmave të dëmtimit, kurse analizat me X-ray difraksion na siguruan informacion mineralogjik cilësor dhe sasior, shtesë nga analizat mikroskopike. Mikroskopi me skanim elektroni (SEM) është një teknikë e fuqishme në ekzaminimin e materialeve. Mikroskopi me skanim elektroni (SEM) skanoi një rreze të fokusuar të elektroneve nëpër mostër dhe mati një nga disa sinjale që vinin nga rrezet e elektroneve në bashkëpunim me mostrën. Imazhet e topografisë u perdorën për të studiuar madhësinë e grimcave, formën, ashpërsinë e sipërfaqes, dhe sipërfaqet e thyera, ndërsa sipërfaqet e lëmuara u përdorën për përcaktimin e shpërndarjes së fazës dhe përbërjes kimike. Kombinimi i elektroneve të kthyera dhe imazhet me X-ray ishte mënyra më e dobishme për përcaktimin sasior të shpërndarjes së fazës dhe përbërjes kimike. Me mikroskopin me skanim elektroni kemi përfituar imazhe me zmadhim të lartë, në thellësi të mirë, dhe gjithashtu kemi analizuar kristale individuale. Një imazh me rezolucion të lartë paraqiti detaje deri në 25 angstrom. Në bashkëpunim me teknikat me rreze X me shpërndarje energjie (EDX,EDS, EDAX), mundëm të përcaktonim edhe përbërjen e kristaleve individuale. Një mikroskop normal me skanim elektroni operon në vakum të lartë. Principi bazë është që një rreze elektronesh gjenerohet nga një burim i përshtatshëm, tipikisht një filament tungsten 76

89 ose nje tufë emisionesh. Rrezet e elektroneve përshpejtohen nga një voltazh i lartë (psh 20kV) dhe kalojnë përmes sistemit të aparaturës dhe lenteve elektromagnetike për të prodhuar një tufë të hollë elektronesh, me pas rrezet skanojnë sipërfaqen e mostrës. Elektronet u emetuan nga mostra nën veprimin e skanimit të rrezeve dhe u mblodhën nga një detektor i vendosur në mënyrë të përshtatshme. Imazhi që na dha mikroskopi u paraqit në ekran. Nga e majta në të djathtë, në fund të ekranit ra një vijë dhe skanoi përsëri, ky proces u përsërit nga poshtë deri në brendësi të ekranit. Çelësi se si mikroskopi me skanim elektroni punoi, është se tufa që skanoi mostrën ishte ekzaktësisht e sinkronizuar me pikën e ekranit që vëzhguam. Detektori i elektronit kontrolloi ndriçimin e pikës në ekran duke qenë që detektori sheh më shumë elektrone, dhe si pasojë u rrit ndriçimi i ekranit. Kur ishin më pak elektrone, pika e ekranit u bë më e errët. Në këto kohë, ekrani është përgjithsisht një monitor dixhital, jo nje xham i zakonshëm, por principi është i njejtë. Zmadhimi i imazhit ishte raporti i madhësisë së ekranit me madhësine e zonës së skanuar të mostrës. Nëse ekrani ishte 300 mm dhe zona e skanuar ishte 3 mm, zmadhimi ishte x100. Për zmadhim më të madh, u skanua një zonë më e vogël; nëse zona e skanuar ishte 0.3 mm, zmadhimi ishte x1000, e kështu me rradhë. Ka tipe të ndryshme të pamjeve në mikroskop. Dy më të zakonshmit janë imazhi elektronit sekondar (sei) dhe imazhet e elektroneve të kthyera (bei). Sei përdoret kryesisht për imazhet e sipërfaqeve të ashpra dhe jep imazh me rezolucion të lartë. Bei përdoret veçanërisht për imazhe të seksioneve të pastruara; ndricimi i bei varet nga numri atomik i mostrës (ose për përbërje, numrit mesatar atomik). Bei në thelb është harta e numrit atomik të sipërfaqes së mostrës. Figura 9.1 Parimi i mikroskopit me skanim elektroni SEM 77

90 Materialet e përdorura Çimento Portland, e përdorur për përgatitjen e mostrave, është prodhuar në fabrikën e çimentos Fushë-Krujë. Kjo çimento konsiderohet çimento me rezistenca të larta ose shumë të larta. Prandaj përdoret për përgatitjen e betoneve me klasa të larta. Hi fluturues Përzierja hi fluturues-çimento është përgatitur në raporte: Tabela 9.7 Raportet e përbërësve në % për analizat me SEM CEM I (%) Hi fluturues (%) Mostrat u përgatitën në formë cilindrike me diametër 10 mm dhe lartësi 20 mm dhe u futën në ujë të distiluar, solucion 5% Na 2 SO 4 dhe solucion 5% MgSO 4. Paraqitja e këtyre mostrave jepet në figurat me poshtë: Fig 9.2 Ruajtja e mostrave në ujë të distiluar H 2 O 78

91 Fig 9.3 Ruajtja e mostrave në solucion Na 2 SO 4 5% Fig 9.4 Ruajtja e mostrave në solucion MgSO 4 5% 79

92 Mënyra e analizimit Mostra u përgatit duke përdorur një metodë epoxy-zëvendësuese, ku solucioni i poreve u zëvendësua nga alkooli, dhe më pas alkooli u zëvendësua nga epoxy pa bërë një tharje paraprake. Mostrat u përgatitën me epoxy me viskozitet të ulët dhe u ruajtën në temperaturë C për 24 orë. Sipërfaqja e freskët që ekspozohet, u lëmua paraprakisht. Procesi i lëmimit u bë në mënyrë që të largoheshin pjesët e ashpra, duke ekspozuar në këtëë mënyrë mikrostrukturën e materialit. Një shtresë e hollë karboni shërbeu për të prishur ngarkesën e tepërt nga mostra, e cila shfaqi pak efekt në kontrastin e imazhit dhe në këtë mënyrë nuk ka asnjë përzierje me elementet që na interesojnë. Materiali për analizat me difraksion me rreze X u copëtua, u kalua në një sitë 100 μmm dhe u përdor për të vlerësuar produktet kristaline në mostër. Fig 9.5 Mikroskopi me skanim elektroni SEM i përdorurr për kryerjen e testevee 80

93 Fig 9.6 Paraqitja e mostrës paraa kryerjes së analizës Fig 9.7 Mostra e vendosur në pajisjen përkatëse të analizimit 81

94 Fig 9. 8 Paraqitja e mostrës në ekranin e SEM Spektroskopia EDS Spektroskopia e shpërndarjes së energjisë së rrezevee X, është një teknikë analitike e përdorur për analizat elementare ose karakterizimin kimik të një mostre. Kjo teknikë u bazua në ndërveprimin e disa burimeve të ngacmimeve të rrezeve X dhe një mostre. Aftësitë karakterizuese ishin që çdo element kishte një strukturë atomike të veçantë, duke lejuar nje set piqesh të veçantë në spektrin e emisionit elektromagnetik (i cili është principi kryesor i spektroskopisë). Mikroanalizat me shpërndarje energjie të rrezeve X është një metodë shtesë e SEM. Ajo na lejoi të përcaktonim përbërjen e imazheve të SEM. Principi i EDX ishte që tufa e elektroneve gjeneronte rrezet X brenda mostrës. Shumë nga këto rreze X kanë energji karakteristike të elementeve që emetojnë ato. Kështu që, gjatë matjes së energjisë së rrezeve X, dalluam cilët elemente janë të pranishëm në mostër. Tre përbërësit kryesore në sistemin e EDX janë detektori i rrezeve X; një kuti elektronike e quajtur procesori pulsues që mati ndryshimet e voltazhit, që i korespondoi energjisë së rrezeve X, dhe kompjuteri. Detektori i rrezeve X përllogariti rrezet X të emetuara nga mostra. Në hyrje të detektorit, një rreze X gjeneroi një rrymë të vogël, e cila u konvertua në pulsim të voltazhit. Madhësia e këtij pulsimi të voltazhit është në proporcion me energjinë e rrezeve X. 82

95 Kompjuteri mati pulsimin e voltazhit për një periudhë kohe 60 sekonda dhe i shënoi si një histogramë. Histograma paraqiti nje spektër të energjisë së rrezeve X duke ekzaminuar spektrin përcaktoi elementët e pranishëm Rezistencat në përkulje dhe shtypje të mostrave të çimentos të përzier me hi fluturues. Kushtet laboratorike dhe pajisjet Laboratori ku janë përgatitur mostrat u mbajt në temperaturë 20 ± 2 C dhe një lagështi relative jo më pak se 50%. Dollapi i lagështisë për ruajtjen e prizmave u mbajt në një temperaturë 20 ± 1,0 C dhe një lagështi relative jo më pak se 90%. Vaskat për ruajtjen e mostrave në ujë dhe skara me të cilën janë pajisur ishin materiale që nuk vepronin me çimenton. Temperatura e ujit u mbajt 20 ± 1 C. Temperatura dhe lagështia relative e ajrit në laborator dhe temperatura e ujit në vaska u regjistrua të paktën një herë në ditë gjatë orëve të punës sipas kërkesave të standardit SSH EN Temperatura dhe lagështia relative e dollapeve të lagështise u regjistrua të paktën çdo 4 orë. Çimento, rëra standarde sipas EN (196-1), uji dhe pajisjet e përdorura për përgatitjen dhe provën e mostrave u ruajtën në temperaturë 20 ± 2 C. Peshore, e aftë për peshime me saktësi deri ± 1 g. Kohë matës, i aftë për matje me saktësi deri ± 1 s. Pregatitja e llacit Përbërja e llacit Raportet në masë u mbajtën: një pjesë çimento (1), tre pjese rërë standarde dhe gjysmë pjesë ujë (Raporti ujë/çimento = 0.50). Çdo porcion për përgatitjen e tre mostrave (prizmave) u përbë nga (450 ± 2) g çimento, 1350 ± 5 g rërë dhe 225 ± 1 g ujë. Formimi i mostrave për testim(prizmave) Mostrat për testim janë prizma me permasa 40 mm x 40 mm x 160 mm. Prizmat janë formuar menjeherë pas përgatitjes së llacit, i cili ndahet në dy pjesë dhe hidhet në kallëpin dhe mbajtëset të shtrënguara fort në tavolinën goditëse, duke përdorur nje lopatëz të përshtatshme. Shtresa u shpërnda uniformisht duke përdorur shpërndarësin e gjerë, duke e mbajtur pothuajse vertikalisht me anët e tij në kontakt me majën e mbajtësit dhe duke e çuar para e mbrapa tek secila ndarje e kallëpit. Pasi u bë kompakte shtresa e parë e llaçit duke përdorur 60 goditje të makinës goditëse, përhapëm shtresën e dytë të llaçit, duke u siguruar që aty ka një tepricë 83

96 llaçi, u nivelua me lopatëzën e vogël në mënyrë që të bëhej kompakte shtresa me 60 goditje të tjera. Kallëpi u lirua me kujdes nga tavolina goditëse dhe iu larguan mbajtëset. Menjëherë u hoq teprica e llaçit me një vizore metali, duke e mbajtur vertikalisht por të anuar në drejtim të kundërt me atë të tërheqjes. U përsërit kjo procedurë derisa u arrit një sipërfaqe e lëmuar. Anët e kallëpit u fshinë nga mbetjet e llacit. U shënuan format për qëllim identifikimi. Heqja e mostrave (prizmave) nga kallëpet Heqja e prizmave nga kallëpi është kryer duke pasur kujdes që të mos dëmtohen. Për këtë qëllim është përdorur çekiç plastik. Heqja nga kallëpi, për provat 24 orëshe, është bërë jo më shumë se 20 min para kryerjes se testit. Kryejme heqjen nga kallëpi, për provat në moshë mbi 24 orë, midis 20 dhe 24 orë pas bërjes së kallëpeve. Prizmat u mbuluan me një rrobë të lagur deri në momentin e testimit. Ato u shënuan me shënues të përshtatshëm që ti rezistojnë ujit, për identifikimin e mëvonshëm. Konservimi i prizmave në solucion Na 2 SO 4 5% dhe MgSO 4 5% (për 12 muaj) Prizmat e shënuar u zhytën në vaska pa u vonuar, në një mënyrë të përshtatshme, horizontalisht (në temperaturën 20.0 ± 1.0 C). Gjatë konservimit horizontal faqet horizontale të prizmit u mbajtën në pozicionin vertikal. Prizmat u vendosën në skare dhe u mbajtën larg nga njeri-tjetri në mënyrë që solucioni të kishte mundesi të hynte lirisht tek të gjashta faqet e prizmit. Përdorim solucion Na 2 SO 4 5% dhe MgSO 4 5% për mbushjen e enëve (vaskave) për të mbajtur nje nivel konstant të arsyeshëm. Prizmi i kërkuar për testim u hoq në kohën e caktuar, nga solucioni jo më shumë se 15 minuta para kohës së testimit. Çdo depozitim mbi faqet e prizmit u hoq. Prizmi u mbulua me nje rrobë të lagur deri në momentin e testimit. Mosha e prizmave për provën e fortësisë Mosha llogaritur e prizmave ishte koha zero. Prova e fortësisë u krye për mosha të ndryshme, pas 2, 28, 90, 180, 365 ditësh. 84

97 9.5.4 Ekspansioni (Zgjerimi) Parimi Ky test konsiston në zhytjen e vazhdueshme të mostrës në solucion sulfat natriumi dhe sulfat magnezi, për të simuluar dëmtimin e agregateve shkaktuar nga veprimi neutral i ngrirjeshkrirjes. Kripërat depozitohen në hapësira gjatë njomjes, kristalizojnë gjatë tharjes dhe zgjerohen gjatë rihidratimit. Expansioni u përcaktua duke vëzhguar zgjerimin e vëllimit të brumit të çimentos me konsistence standarde të treguar nga levizje relative e dy gjilperave. Pajisjet Peshore me saktësi deri ± 1 g. Cilindër i shkallëzuar me një saktësi ±1 ml. Përzierës, konform EN Uji për përgatitjen e mostrave ishte ujë i zakonshëm që përdor fabrika. Solucion Na 2 SO 4 5% dhe MgSO 4 5% është përdorur për ruajtjen ose vlimin e mostrave. Kohë matës me saktësi deri ± 1 s. Vizore me saktësi ±0.5 mm. Banjo uji, me autoklave, e aftë të mbajë të tërë mostrën Le Chatelier të zhytyr në të duke rritur temperaturen e ujit nga 20±2 C deri në vlim për 30±5 min. Dhomë ose dollap lagështie, me përmasa të përshtatshme, ku temperatura është mbajtur 20±1 C dhe lagështia relative jo më pak se 90%. Prova e Expansionit (zgjerimit) Aparati Le Chatelier Kallëpi i përdorur është prej metali të pakorrodueshem, ku gjilperat treguese (si shigjeta) kishin dimensione sipas standardit SSH EN Për secilin kallëp u sigurua nje komplet xhamash, bazament dhe mbulues, prej materiali të papërshkueshëm nga brumi i çimentos. Xhami mbulues peshoi afërsisht 75 g. Mënyra e analizimit Procedura Mase paraprake Vlerat e temperaturës dhe lagështise relative të dhomës së provës, të dollapëve mbajtës dhe ujit të përdorur u regjistruan të paktën një herë në ditë sipas standardit SSH EN Prodhimi i brumit të çimentos me konsistence standarde U peshuan 500 g çimento, me një saktësi ± 1 g, me anë të peshores, dhe një sasi uji, 125 g. U përzie çdo porcion llaçi mekanikisht duke përdorur përzierësin. Minutazhi i fazave të ndryshme të perzierjes referuar kohës gjatë së cilës përzierësi u ndez/ u fik u mbajt brenda ± 2 s. Procedura e përzierjes paraqitet si më poshtë: 85

98 U hodh uji dhe çimento në kazan, duke u përpjekur të shmangim humbjet e ujit ose çimentos; Menjëherë pasi uji dhe çimento ranë në kontakt u ndez përzierësi me shpejtësi minimale ndërkohë që fillon dhe minutazhi i fazave të përzierjes. Veç kësaj, u regjistrua koha në minutën më të afërt si koha zero. U ndalua përzierësi për 90 s. Gjatë 30 s të para e hoqëm me anë të një kruajtëseje gome llaçin e ngjitur në muret dhe në fundin e kazanit dhe e hodhëm të tërin në mes të kazanit; Vazhduam përzierjen me shpejtësi minimale për 90 s. Koha totale e përzierjes u mbajt 3 minuta. Matjet e Expansionit U përgatit nje brumë çimentoje me konsistencë standarde. Vendosëm një kallëp Le Chatelier të vajisur lehtë mbi një bazament po të vajisur lehtë dhe mbushëm menjëherë atë pa kompaktësime ose vibrime të tepërta duke përdorur vetëm mollëzat e duarve për të lëmuar sipërfaqen e sipërme. Kallëpin e mbuluam me xham të vajisur lehte, shtuam peshën shtesë, dhe pastaj menjehere vendosëm aparatin e kompletuar në dhomën ose dollapin e lagështisë. E mbajtëm atë për 24 h±30 min në 20±1 C dhe në lagështi relative jo më pak se 90%. Në fund të periudhës 24 h±30 min u mat distanca (A) ndërmjet majave të treguesve duke e rrumbullakosur në vlerën më të afërt 0.5 mm. Pastaj nxehëm kallepin gradualisht gjatë 30±5 min deri në vlim dhe mbajtëm autoklavën në temperaturë vlimi për 3 h±5 min. Në fund të periudhës së vlimit u mat distanca (B) ndërmjet majave të treguesve, duke e rrumbullakosur në vlerën më të afërt 0.5 mm. Pasi e hoqëm nga nxehtësia e lamë kallëpin të ftohet në temperaturën e laboratorit. Matëm distancën, (C) ndërmjet majave të treguesve, duke e rrumbullakosur në vlerën më të afërt 0.5 mm. Qëllimi i këtij testi është vlerësimi i një rreziku të mundshëm të rritjes së vëllimit të çimentos së ngurtësuar si pasojë e hidratimit të metejshëm të oksidit të kalciumit dhe oksidit të magnezit. 86

99 9.5.5 Përgatitja e betonit Analizat e lëndëve të para për përgatitjen e betonit. Testi i ekuivalentit të rërës Parimi Testi i ekuivalentit të rërës u krye sipas standardit EN 933-8, për përcaktimin e përmbajtjes së argjilës në mostrën e rërës. Mënyra e analizimit Një sasi kampioni rëre dhe një sasi e vogël solucioni flluskues u hodhën në një cilindër të graduar, me anë të të cilit gjatë lëvizjeve lëkundëse u bë i mundur largimi i grimcave të argjilës dhe papastërtive të tjera, me densitet më të ulët se ajo e rërës nga kampioni që merret në testim. Pas 20 minutash trajtim në aparaturën e ekuivalentit të rërës, ky parametër u llogarit si pesha e materialit të sedimentuar (të shprehur si pesha e materialit me densitet më të ulët), që del në sipërfaqen e lëngut, në cilindrin e shkallëzuar. Analizat granulometrike të lëndëve të para Qëllimi i këtij testi ishte përshkrimi i vetive të agregateve të përdorura për përgatitjen e mostrave te betonit si edhe te shihej nëse ato janë të përshtatshme për përdorim në përgatitjen e tij. Për përgatitjen e betonit u morën rërë e thyer 0-5 mm, rërë natyrale 0-5 mm, granil mali mm, granil lumi 5-10 mm dhe u bënë analizat granulometrike të tyre. Parimi Mostrat e testuara u vendosen në një seri sitash të vendosura në kolonë nga sita me hapje me të madhe në sitën me hapjen më të vogël. Një sasi mostre u vendos në sitën e parë, e cila ishte edhe më e madhe nga sita pasardhëse e në vazhdim. Çdo sitë më poshtë kishte hapje më të vogël nga sita më lart. Në fund të të gjitha sitave u vendos një enë enkas për kapjen e materialit të mbetur nga sitosja. Kolona e sitave u vendos në një tundës mekanik, dhe vazhdoi tundja. Pas mbarimit të tundjes çdo material i mbetur në sitë, u peshua. Pesha e çdo mostre për secilën sitë u pjestua me peshen totale për të dhenë kështu pjesën e mbetur në përqindje. Analizat e betonit të freskët, me dhe pa hi fluturues, të zhytur në ujë. Parimi Ky test eshte kryer për të dalluar ndryshimin e rezistencave midis mostrave me hi fluturues dhe atyre pa hi fluturues. Për këtë janë marrë dy mostra çimentoje njëra me hi fluturues 25% dhe tjetra pa hi fluturues vetëm cimento CEM I. Pasi janë hedhur të gjithë përbërësit për 87

100 përgatitjen e betonit, dhe pasi betoni është përgatitur, këto mostra janë zhytur në ujë, nga ku janë përcaktuar rezistencat pas 3, 28 dhe 90 ditësh. Mënyra e analizimit Pas perziejes së të gjithë përbërësve të betonit (sipas Tab dhe Tab 10.26), betoni i formuar u vendos në forma kubike. Kubat e betonit u hoqën nga format pas 48±4 orë dhe vendosen në ujë deri në momentin e kryerjes së analizës. Testi i rënies (slump test) Parimi Testi i rënies së pastës së betonit u krye për të përcaktuar konsistencën e betonit. Konsistenca i referohet lehtësisë së vendosjes së tij në vepër. Mënyra e analizimit Forma u pastrua nga brenda dhe u mbush në katër shtresa me beton. Secila shtresë u ngjesh me 25 goditje nëpërmjet një shufre me diametër 16 mm. Goditjet u shpërndanë në mënyrë uniforme nëpër seksionin e formës. Masa e tepërt e betonit u godit përmes një mistrie për ngjeshjen e shtresës së sipërme. Forma u hoq nga betoni menjëherë duke e shpëlarë atë shpejt dhe me kujdes në drejtim vertikal. Rënia u mat menjëherë duke përcaktuar diferencën midis lartësisë së formës dhe atë të pikës më të lartë të mostrës pas rënies së betonit. Densiteti i betonit Densiteti i betonit të freskët nënkupton masën në kg për m 3 të betonit të freskët të ngjeshur, duke përfshirë hapësirat e mbetura. Një beton me densitet të ulët tregon një beton me rezistenca të ulta pasi densiteti bie me rritjen e sasisë së ujit dhe përmbajtjes së hapësirave boshe. Densiteti i betonit rritet me rritjen e përmbatjes së çimentos, me uljen e raportit ujë/çimento dhe me uljen e përmbajtjes së hapësirave boshe. Procedura e përzierjes Përzierja e betonit u krye në kushte laboratorike, sipas standardit EN Betoni, pas përzierjes së çimentos, hirit fluturues, agregateve dhe ujit në raportet përkatëse, u hodh nëpër forma kubike. Përmbajtja e lagështisë së agregateve u përcaktua duke i tharë ato në furrë. Çimento dhe hiri fluturues u ruajtën nëpër enë larg lagështisë, deri në momentin e përzierjes. Kubat e betonit u hoqën nga format pas 48±4 orë, ku një pjesë u vendos në ujë, dhe një pjesë tjetër u vendos në tretësirë Na 2 SO 4 5% dhe MgSO 4 5%. 88

101 Rezistencat e betonit - Përcaktimi i rezistencave të betonit Gjatë përgatitjes së betonit u mbajt parasysh që betoni i freskët të ishte kompakt, i transportueshëm, i vendosur dhe i përfunduar pa u segreguar, pasi këto faktorë ndikojnë në rezistenca, volum, qëndrueshmëri dhe durueshmëri të betonit kur ai fortësohet. Aftësia punuese është sasia e punës se përdorur, e kërkuar për të prodhuar kompaktimin e plotë. Kjo punë nevojitet për të tejkaluar fërkimin e brendshëm midis grimcave individuale në beton, gjithashtu energjia shtese nevojitet për të tejkaluar fërkimin midis betonit dhe kallëpeve të çelikut. Duke qënë se rezistencat e betonit varen kryesisht nga volumi i boshllëqeve në masën kompakte, ishte e rëndësishme që të arrihej densiteti maksimal i mundshëm; kjo kërkoi aftësi punuese të mjaftueshme në mënyrë që të plotësohej virtualisht kompakticiteti i mundshëm. Boshllëqet në fortësinë e betonit janë edhe ajër (varen nga shkallën e imtësisë së grimcave) ose hapësira të lëna nga teprica e ujit, i cili varet nga raporti u/ç. Fakti që flluskat e ujit janë më të lehta për t u larguar në gjendjen e freskët të betonit, u mbajt një sasi optimale e ujit për reaksion duke përfshirë lagështinë e agregateve dhe duke përjashtuar ujin e absorbuar nga agregatet. Aftësia punuese varet nga disa faktorë: përmbajtja e ujit, tipi i agregateve, raporti agregat/çimento, prania e përzierjes dhe imtësia e çimentos. Gjatë përgatitjes së betonit dhe vendosjes se tij në vepër, u mbajt parasysh përzierja e duhur e raporteve te faktorëve, që ndikojnë në aftësinë punuese të tij, të cilët jepen me poshte: -Përmbajtja e ujit të përzierjes: ky është fakti i vetëm më i rëndësishëm që ndikon në aftësinë punuese të çimentos. Një grup grimcash kërkojnë një sasi të caktuar uji. Uji u absorbua në sipërfaqen e grimcave, në volumin midis grimcave, dhe siguroi lubrifikim për të ndihmuar grimcat të lëvizin më me lehtësi. Prandaj, grimcat më të imta, kërkojnë më shumë ujë. Disa efekte anësore të rritjes se ujit janë humbje për rezistencat dhe një segregim i mundshëm. -Proporcioni i përzierjes së agregateve: me rritjen e proporcionit të agregateve nga ajo e çimentos, u rrit edhe aftësia punuese e çimentos. Gjithashtu, nje shtim shumë i vogël kërkon më shumë çimento në përzierje. Një mix i tejmbushur me rërë do të bëhet i përshkueshëm dhe më pak ekonomik. -Vetitë e agregateve: raporti i agregateve të ashpër/të imët nuk është i vetmi faktor që ndikon në aftësinë punuese. Klasifikimi dhe madhësia e grimcave të rërës është i rëndësishëm. Forma dhe struktura e agregateve gjithashtu do të ndikojë në aftësinë punuese. Grimcat me formë sferike nuk do të kenë probleme bashkëveprimi në krahasim me grimcat këndore. Gjithashtu, grimcat sferike kanë raport sipërfaqe/volum të ulët, prandaj, do të kërkohet më pak çimento 89

102 për të veshur çdo grimcë, dhe më shumë do të jetë e aftë të kontribuojë në aftësinë punuese të betonit. Agregatet që janë poroz do të absorbojnë më shumë ujë duke ulur kështu aftësinë punuese. Është e rëndësishme të dallohet ndërmjet përmbajtjes totale të ujit, i cili përfshin ujin e absorbuar, dhe ujin e lirë i cili ka aftësi të përmirësojë aftësinë punuese. -Koha dhe temperatura: në përgjithësi, rritja e temperaturës do të shkaktojë një rritje në shkallën e hidratimit dhe të avullimit. Të dy këto efekte çojnë në humbje të aftësisë punuese. -Humbja e aftësisë punuese: aftësia punuese ulet me kohën prej disa faktorëve; hidratim i ulët i vazhdueshëm i C 3 S dhe C 3 A gjatë kohës së qetësisë, humbjes së ujit gjatë avullimit dhe absorbimit, bashkëveprimi i madh i grimcave gjatë formimit të produkteve të hidratimit në sipërfaqen e grimcave. Humbja e aftësisë punuese matet si krizë me kohën. -Karakteristikat e çimentos: Karakteristikat e çimentos janë më pak të rëndësishme sesa vetitë e agregateve në përcaktimin e aftësisë punuese. Megjithatë, imtësia e lartë e çimentove me fortësi të shpejtë do të rezultojnë në hidratim të shpejtë dhe rritje të kërkesës për ujë, ku të dyja ulin aftësinë punuese. -Përzierjet: në përgjithësi, ngarkesa me ajër, reduktimi i ujit dhe përzierjet me kohe ngrirjeje të vonuar, të gjitha do të përmirësojnë aftësinë punuese. Megjithatë, disa përzierje kimike do të reagojnë ndryshe me çimentot dhe agregatet dhe mund të rezultojnë në reduktim të aftësisë punuese. Materialet e përdorur për prodhimin e betonit janë: -Çimento e përdorur është çimento Portland CEM I me hi fluturues. -Agregatet e perdorura janë: Rërë mali 0-3 mm e testuar sipas standardit EN Rërë mali 0-5 mm e testuar sipas standardit EN Granil lumi 5-10 mm i testuar sipas standardit EN Granil mali mm i testuar sipas standardit EN Uji i përdorur është ujë i zakonshëm. Ai përzihet me përbërjen e thatë dhe prodhon një material gjysëm të lëngshëm. Betoni u ngurtësua dhe u forcua përmes një procesi kimik të quajtur hidratim. Uji veproi me çimenton dhe lidhi komponentët e tjerë, duke formuar një material të fuqishëm të ngjashëm me gurin. -Përzierësit kimik të përdorur janë shtuar për të përshpejtuar shkallën e ngurtësimit dhe të japin shumë veti të tjera të dobishme. Plani i përzierjes (mix design) varet nga tipi i stukturës që do të ndërtohet, përzierja dhe shpërndarja e betonit, dhe se si ai vendoset për të formuar një stukturë. Rezistencat e betonit qe u përcaktuan ishin pas 3, 28 dhe 90 ditësh, duke u presuar në pajisjen përkatëse. 90

103 KAPITULLI X Rezultate dhe diskutime 10.1 Analiza e lëndëve të para (çimento dhe hi fluturues) Çimento e marrë është çimento e tipit CEM I, e prodhuar në fabrikën e çimentos Fushë-Krujë, sipas standardit SSH EN Kjo çimento ka në përbërje % klinker dhe përbërës shtesë ndihmës në sasi 0-5 %. Përdorimi i kësaj çimentoje ka disa përparësi,pasi: Ka rezistencë të lartë fillestare dhe përfundimtare. Ka qëndrueshmëri të lartë të ndryshimit të vëllimit (ekspansion i ulët). Në tabelën më poshtë jepen treguesit kimike të çimentos dhe hirit fluturues. Hiri fluturues Hiri fluturues është përdorur gjerësisht për kontrollin e dëmtimit të betonit ndaj reaksionit alkal-silicë. Ky hi fluturues me përmbajtje të lartë CaO ishte më pak efektiv në reduktimin e ekspansionit, gjithashtu ai ishte më pak efektiv në uljen e ph të solucionit të poreve, sepse ai ka veti me pak pucolanike. Reaksioni pucolanik në klasën F të hirit fluturues rriti aftësinë e produkteve të hidratimit që u lidhen me alkalet. Kjo parandaloi mundësinë e këtyre alkaleve për reaksion alkal-silicë. Manifestimi i parë i atakut sulfatik në materialet çimentuese i dalluar me sy të lirë përfshiu ciflosje, mikrokrisje dhe humbje të kohezionit. Këto ishin pasojat e reaksioneve kimike komplekse dhe proceseve midis përbërësve të çimentos së hidratuar dhe përbërësve sulfate. Absorbimi, shpërbërja ose precipitimi dhe rikristalizimi ishin disa nga tipet e zakonshme të reaksionit. Tabela 10.1 Përbërja kimike e lëndëve të përdorura në këtë studim Përbërja kimike (%) SiO 2 Al 2 O 3 Fe 2 O 3 CaO MgO SO 3 H/K Gëlqerja e lirë Mbetja e patretshme CEM I Hi fluturues

104 10.2 Studimi mikrostrukturor dhe spektrat EDS Për të kuptuar më mirë efektin e sulfateve në mikrostrukturën e pastës së ngurtësuar të çimentos, nevojitet një studim petrografik. SEM (mikroskopi me skanim elektroni) siguron imazhe me kontrast dhe analizat me rreze X lehtësojnë identifikimin e fazave brenda mikrostrukturës. Rezultatet e marra nga imazhet SEM na dhanë një përshkrim të plotë të mekanizmave të dëmtimit, ndërsa analizat XRD (me rreze X difraktometër) na siguruan informacion mikrologjik cilësor dhe sasior, përveç analizave mikroskopike. Mikroskopi me skanim elektroni (SEM) prodhoi imazhe të një mostre duke e skanuar atë me një tufë të fokusuar elektronesh. Elektronet ndërvepruan me atomet në mostër, duke prodhuar sinjale të ndryshme që u detektuan, te cilat përmbajnë informacion rreth sipërfaqes topografike dhe përbërjes së mostrës. Kombinimi i elektroneve të kthyera me imazhet me rreze X ishte mënyra më e mirë për përcaktimin e shpërbërjes së fazës dhe përbërjes kimike. Mostrat e CEM I, CEM I + 15% hi, CEM I + 25% hi, të zhytura në ujë a) 92

105 b) Fig 10.1 Imazhet SEM të CEM I të zhytur në H 2 O (a,b) - Spektri EDS Tab 10.2 Përmbajtja e elementeve në mostrën e CEM I të zhytur në H 2 O Spektrat O Mg Al Si K Ca Total Spektri Mesatare Std. devijimit Maksimumi Minimumi Të dhënat e tabelës paraqiten në grafikun më poshtë, nga ku dallohet sasia e lartë e Ca. 93

106 Fig Spektri EDS dhe prania e elementeve të ndryshëm në mostrën e çimentos CEM I të zhytur në H 2 O Diskutime Në stadet e para të hidratimit të çimentos, u nda hidroksidi i kalciumit (portlanditet) (figura më sipër). Formimi i tij ishte rezultat i hidrolizës se silikatit trikalcik (C 3 S) dhe silikatit dykalcik (C 2 S), të cilët u formuan pak orë pas përzierjes së çimentos portland me ujin. Hidroksidi i kalciumit në fazën e ngurtë ose në pastë ishte i pranishëm fillimisht në formën e portlanditeve. Ai krijoii kristale të shumta hekzagonale të madhësisë rreth 40 mikron. Morfologjia e këtyre kristaleve portlandite varet nga prania e hapësirave të lira për kristalizim (u/ç), tipi i përzierjes dhe shtesat e ndryshme. Portlanditet zënë deri në 25% të volumit në fazën e ngurtë të pastës së hidratuarr të çimentos portland. 94

107 a) b) Figura 10.3 Imazhet SEM të 85 % CEM I + 15% hi fluturues të zhytur në H 2 O (a, b) 95

108 - Spektri EDS Tab 10.3 Përmbajtja e elementeve në mostrën e CEM I + 15% hi fluturues të zhytur në H 2 O Spektri O Mg Si Ca Total Spektri Mesatare Std. devijimit Maksimumi Minimumi Fig Spektri EDS dhe prania e elementeve të ndryshëm në mostrën e çimentos CEM I + 15% hi fluturues të zhytur në H 2 O Diskutime CH është një produkt i formuar nga hidratimi i kalcium silikateve. Ndryshe nga xheli C-S-H, produkti i hidratimit është i dëmshëm në rezistencatt e betonit sepse është i brishtë në natyrë. Ai ka stekiometri dhe morfologji të qëndrueshme dhe tenton të kristalizohet në poret boshe si kristale të mëdha që krijojnë formë hekzagonale. 96

109 a) b) Figura 10.5: Imazhet SEM të mostrës së çimentos me 75 % CEM I + 25% hi fluturues të zhytur në H 2 O 97

110 - Spektri EDS Tab Përmbajtja e elementeve në mostrën e çimentos me 75 % CEM I + 25% hi fluturues të zhytur në H 2 O Spektri Spektri 1 Mesatare Std. devijimit Maksimumi. Minimumi. O Ca Total Fig Spektri EDS dhe prania e elementeve të ndryshëm në mostrën e çimentos me 75 % CEM I + 25% hi fluturues të zhytur në H 2 O Diskutime Hidroksidi i kalciumit formohet si kristale në një shkallë të madhe formash dhe madhësie, në varësi të hapësirës së lejueshme për rritje. Kristalet që formojnë bërthamë në poret kapilare tentojnë të formojnë kristale në forma hekzagonale të parregullta. 98

111 Mostrat e CEM I, CEM I + 15% hi, CEM I + 25% hi, të zhytura në MgSO 4 5% a) b) Fig 10.7 Imazhet SEM të mostrës së CEM I të zhytur në MgSO 4 5% (a, b) 99

112 - Spektri EDS Tab 10.5 Përmbajtja e elementeve në mostrën e çimentos CEM I të zhytur në MgSO 4 5% Spektri Spektri 2 Maksimumi Minimumi O Mg Al Si Ca Fig 10.8: Spektri EDS dhe prania e elementeve të ndryshëm në mostrën e çimentos CEM I të zhytur në MgSO 4 5% Diskutime Xheli C-S-H zë rreth 50% të volumit të pastës. Ai është përgjegjës për shumicën e vetive inxhinierike të pastës së çimentos. Me rritjen e xhelit C-S-H jashtë grimcave të çimentos, ai nuk merr formën e fazës së ngurtë monolitike, por ai zhvillohet në sistemin e brendshëm të poreve të vogla, të quajtura pore xheli, të cilat janë qindra ose mijëra herë më të vogla se poret kapilare origjinale. Xheli C-S-H, duke përfshirë poret e brendshme të xhelit, zë më shumë volum se mineralet e C 3 S dhe C 2 S që ai zëvendëson. Gjatë vrojtimit me mikroskop u dalluan dy tipe ose morfologji të xhelit C-S-H. Një nga keta është më pak i dendur (më poroz) dhe duket se zë hapesirën që ishte fillimisht e mbushur me ujë, ndërsa tjetra duket më e dendur dhe gjendet kryesisht në zonat që ishin zënë fillimisht nga grimcat e çimentos. Morfologjia më pak e dendur u formua gjatë hidratimit fillestar, ndërsa morfologjia e dendur u formua me kalimin e ditëve e javëve. 100

113 a) b) Figura 10.9 Imazhet SEM të çimentos me 85 % CEM I + 15% hi fluturues të zhytur në MgSO 4 5% (a, b) 101

114 - Spektri EDS Tab Përmbajtja e elementeve në mostrën e çimentos me 85 % CEM I + 15% hi fluturues të zhytur në MgSO 4 5% Spektri O Mg Si Ca Total Spektri Maksimumi Minimumi Fig Spektri EDS dhe prania e elementeve të ndryshëm në mostrën e çimentos me 85 % CEM I + 15% hi fluturues të zhytur në MgSO 4 5% Diskutime Vrojtimet me mikroskop me skanim gjithashtu na lejuan identifikiminn e mineraleve që formohen gjatë prodhimit të klinkerit si p.sh perikllazi, i cili është i pranishëm në pastë në formën e kristaleve të mëdha dhe në mënyrë të disfavorshme ndikojnë në stabilitetin e strukturave të pastës së maturuar të çimentos. Këto tipe të fazave minerale, për shkak të sasive gjurmë në mostrat testuese, janë të pakapshme nga difraksioni (XRD). 102

115 a) b) Fig 10.11: Imazhet SEM të çimentos me 75 % CEM I+ 25% fluturues të zhytur në MgSO 4 5% (a,b) 103

116 - Spektri EDS Diskutime Gjatë vrojtimit me SEM në mostrën e zhytur në MgSO 4, u vu re formimi i thaumasiteve dhe etringitit. Në spektrin e EDS dallohet prania e Ca, Si, ndërsa Al është pothuaj i papranishëm. Prandaj mund të themi se thaumasitet janë të pranishme. Prania e lartë e Mg dhe O tregon se mostra është atakuar nga jonet magnez duke formuar kështu hidroksid magnezi (brucit) dhe duke konvertuar C-S-H në hidrate magnezium silikate (M-S-H). Tab 10.7 Përmbajtja e elementeve në mostrën e çimentos me 75 % CEM I+ 25% hi fluturues të zhytur në MgSO 4 5% Spektri Spektri 1 Mesatare Std. Devijimit Maksimumi Minimumi O Mg Si Ca Total Fig Spektri EDS dhe prania e elementeve të ndryshëm në mostrën e çimentos me 75 % CEM I+ 25% hi fluturues të zhytur në MgSO 4 5% 104

117 Mostrat e CEM I, CEM I + 15% hi, CEM I + 25% hi, të zhytura në Na 2 SO 4 5% a) b) Fig Imazhet SEM të çimentos CEM I të zhytur në Na 2 SO 4 5% 105

118 - Spektri EDS Tab 10.8 Përmbajtja e elementeve në mostrën e çimentos CEM I të zhytur në Na 2 SO 4 5% Spektri Spektri 1 Maksimumi Minimumi O Mg Si S Ca Total Fig 10.14: Spektri EDS dhe prania e elementeve të ndryshëm në mostrën e çimentos CEM I të zhytur në Na 2 SO 4 5% Diskutime Sipas testimeve, humbja e rezistencave të mostrës së zhytur në sulfate, mund të spjegohet nga formimi i etringitit. Çimentott e përziera duke përfshirë edhe çimenton me hi fluturues, e reduktojnë potencialin për formimin e etringitit, si pasojë e reduktimit në sasi të hidroksidit të kalciumit dhe C 3 A. Gipsi mund të shkaktojë reduktime në ngurtësiminn dhe rezistencat e betonit. Shpërbërja e mostrave të ngurtësuara të çimentos, duke filluar me formimin e gipsit, rezulton në humbje të ngurtësimit dhe të rezistencave, i cilii bëhet mjaft i dëmshëm për ekspansionin. 106

119 a) b) Fig 10.15: Imazhet SEM të çimentos me 85 % CEM I+ 15% hi fluturues të zhytur në Na 2 SO 4 5% (a,b) 107

120 - Spektri EDS Tab 10.9 Përmbajtja e elementeve në mostrën e çimentos me 85 % CEM I+ 15% hi fluturues të zhytur në Na 2 SO 4 5% Spektri Spektri 1 Spektri 2 Mesatare Std. devijimit Maksimumi. Minimumi. O Mg Si Ca Total Fig Spektri EDS dhe prania e elementeve të ndryshëm në mostrën e çimentos me 85 % CEM I+ 15% hi fluturues të zhytur në Na2SO 2 4 5% Diskutime Gjatë vrojtimit me mikroskop të motrave të zhytura në solucion Na 2 SO 4 5% u vunë re disa krisje të lehta, gjithashtu edhe një strukturë poroze e mostrës. Sipas të dhënave mund të themi se vlerat e rezistencave të mostrave të ekspozuara në sulfate dhe formimi i krisjeve janë të ndërlidhura. Analizat mikrostrukturore ilustruan formim të krisjeve. Futja e sulfateve ndodh më shpejt dhe më me lehtësi në rastet me porozitet të lartë, i cili çon në ekspansion dhe rrjedhimisht ul vlerat e rezistencave. 108

121 a) b) Figura 10.17: Imazhet SEM të çimentos me 75 % CEM I+ 25% hi fluturues të zhytur në Na 2 SO 4 5% 109

122 - Spektri EDS Tab Përmbajtja e elementeve në mostrën e çimentos me 75 % CEM I+ 25% hi fluturues të zhytur në Na 2 SO 4 5% Spektri O Mg Si Ca Total Spektri Spektri Mesatare Std. devijimit Maksimumi Minimumi Fig 10.18: Spektri EDS dhe prania e elementeve të ndryshëm në mostrën e çimentos me 75 % CEM I+ 25% hi fluturues të zhytur në Na 2 2SO 4 5% Diskutime Elektronet e kthyera janë elektrone me energji të lartë të shpërndara nga mostra. Imazhet me kontrast të elektroneve të kthyera vijnë nga përbërje të fazave të ndryshme (numri mesatar i tyre atomik) dhe dallohen si faza më të ndriçuara në imazh. Çimento anhidër duket më e ndriçuara, e ndjekur nga hidroksidi i kalciumit, gipsi, hidrate kalcium silikate, etringite dhe monosulfate, dhe agregate, hapësirat duken me ngjyrë të errët. Rrezet X prodhohen kur një mostër bombardohet nga elektrone me energji të lartë. Me një detektor me shpërndarës energjie, niveli i energjisë së rrezeve X përshkruhet si numri i njehësimeve në çdo interval energjie dhe duket si një grup piqesh në një sfond të vazhdueshëm. Pozicionet e piqeve janë karakteristike për një çimento të veçantë, kështu që identifikimet bëhen nga ekzaminimi i pozicionit të piqeve dhe intensiteteve relative. Sinjali i rrezeve X mund të përdoret për: a) analizaa spektrale për përcaktimin e çdo elementi që është i pranishëm dhe përqëndrimet e tyre, b) analiza për të përcaktuarr ndryshimet e përqëndrimeve relative dhe c) imazhet me rreze X për shpërndarjenn e elementeve dhe përqëndrimet relative, duke ndihmuar kështu në identifikimin e fazave. 110

123 10.3 Rezistencat e çimentos Sasia e hirit fluturues të përdorur si zëvendësues i pjesshëm është 25 %. Gjithashtu janë përcaktuar edhe vetitë kimike dhe fiziko-mekanike të këtyre materialeve. Sipas standardit EN janë përgatitur prizmat 40*40*160 mm dhe janë vendosur në Na 2 SO 4 5% dhe MgSO 4 5% për 12 muaj. Gjithashtu karakteristikat fiziko-mekanike, si koha e ngrirjes, ashtu edhe rezistencat në përkulje dhe shtypje janë përcaktuar respektivisht për pastën e njomë dhe të thatë. Mostrat janë ruajtur në kushte laboratorike në lagështi mbi 95 % në temperaturën 20±1 C dhe janë vendosur në solucion sulfat (Na 2 SO 4 dhe MgSO 4 ). Rezultatet e marra janë krahasuar me normat e kërkuara sipas standardit Europian EN 197-1, të cilat paraqiten në tabelen më poshtë: Tabela10.11 Kërkesat për rezistencat mekanike të çimentove të specifikuara në standardin EN Klasat e rezistencave Rezistencat në shtypje (MPa) Rezistencat e herëshme Rezistencat standarde 2 Ditë 7 Ditë 28 Ditë Ekspansioni 32.5 N R N R N R 30 - Tabela paraqet rezistencat në përkulje dhe në shtypje të matura pas 2, 28, 90, 180, 365 ditësh per çimenton CEM I të zhytur në ujë dhe në ujëra sulfatike (Na 2 SO 4 5% dhe MgSO 4 5%) Tabela paraqet rezistencat në përkulje dhe në shtypje të matura pas 2, 28, 90, 180, 365 ditësh per çimenton CEM I + 25% hi fluturues të zhytur në ujë dhe në ujëra sulfatike (Na 2 SO 4 5% dhe MgSO 4 5%) 111

124 Tab Rezistencat në përkulje dhe shtypje të çimentos CEM I të zhytur në ujë dhe në ujëra sulfatike (MPa) 2 Ditë 28 Ditë 3 Muaj 6 Muaj 12 Muaj CEM I Rezistencat në përkulje (MPa) Rezistencat në shtypje (MPa) Rezistencat në përkulje (MPa) Rezistencat në shtypje (MPa) Rezistencat në përkulje (Mpa) Rezistencat në shtypje (MPa) Rezistencat në përkulje (MPa) Rezistencat në shtypje (MPa) Rezistencat në përkulje (MPa) Rezistencat në shtypje (MPa) H 2 O Na 2 SO 4 (5%) MgSO 4 (5%) Fig Paraqitja grafike e rezistencave në përkulje (MPa) të çimentos CEM I pa shtesë hiri fluturues 112

125 Fig Paraqitja grafike e rezistencave në shtypje (MPa) të çimentos CEM I pa shtesë hiri fluturues Tab Rezistencat në përkulje dhe shtypje të çimentos CEM I + 25% hi fluturues të zhytur në ujë dhe në ujëra sulfatike (MPa) 2 Ditë 28 Ditë 3 Muaj 6 Muaj 12 Muaj CEM I + 25% hi Rezistencat në përkulje (MPa) Rezistencat në shtypje (MPa) Rezistencat në përkulje (MPa) Rezistencat në shtypje (MPa) Rezistencat në përkulje (MPa) Rezistencat në shtypje (MPa) Rezistencat në përkulje (MPa) Rezistencat në shtypje (MPa) Rezistencat në përkulje (MPa) Rezistencat në shtypje (MPa) H 2 O Na 2 SO 4 (5%) MgSO 4 (5%)

126 Fig Paraqitja grafike e rezistencave në përkulje (MPa) të çimentos CEM I me shtesë hiri fluturues 25% Fig Paraqitja grafike e rezistencave në shtypje (MPa) të çimentos CEM I me shtesë hiri fluturues 25% 114

127 Koeficientët e qëndrueshmërise ndaj ujërave agresive 1. Çimento pa shtesë hiri fluturues - Në solucion Na 2 SO 4 5% Tabela Koeficientet e qëndrueshmërisë së çimentos pa hi fluturues të zhytur në Na 2 SO 4 5% Koeficientët e 3 muaj 6 muaj 12 muaj qëndrueshmërisë Përkulje Shtypje Në solucion MgSO 4 5% Tabela Koeficientët e qëndrueshmërisë së çimentos pa hi fluturues të zhytur në MgSO 4 5% Koeficientët e 3 muaj 6 muaj 12 muaj qëndrueshmërisë Përkulje Shtypje Çimento me shtesë hiri fluturues 25% - Në solucion Na 2 SO 4 5% Tabela Koeficientet e qëndrueshmërisë së çimentos me 25% hi fluturues të zhytur në Na 2 SO 4 5% Koeficientët e 3 muaj 6 muaj 12 muaj qëndrueshmërisë Përkulje Shtypje Në solucion MgSO 4 5% Tabela Koeficientet e qëndrueshmërisë së çimentos me 25% hi fluturues të zhytur në MgSO 4 5% Koeficientët e 3 muaj 6 muaj 12 muaj qëndrueshmërisë Përkulje Shtypje

128 Diskutime Në rastin e solucionit të MgSO 4 (5%), rezistencat janë më të ulta krahasuar me ato të mostrave të zhytura në Na 2 SO 4 (5%). Mostrat e ruajtura në MgSO 4 fillojnë të shpërbëhen, meqë mikrostrukturat janë të zhvilluara në sipërfaqe. Kur mostrat ruhen në MgSO 4, gjatë reaksionit prodhohet brucit (Mg(OH) 2 ) dhe gips, i cili depozitohet në sipërfaqe të prizmit. E njejta gjë ndodh edhe me mostrat e ruajtura në solucion Na 2 SO 4, por dëmtimi është më i vogël. Ca(OH) 2 që është e pranishme në pore, është e prirur të reagojë me dioksidin e silicit dhe ujë. Jonet e kalciumit (Ca 2+ ) dhe jonet hidrokside (OH - ) shpërbëhen dhe reagojnë me silicin. Kështu që duke ulur Ca(OH) 2, ataku sulfatik do të shkaktojë më pak dëme dhe qëndrueshmëria e betonit do të rritet. Ca(OH) 2 vjen nga reaksioni i xhelit C-S-H, duke mbajtur në këtë mënyrë balancën e sistemit. Si rezultat kjo prodhon një numër C-S-H të paqëndrueshme, kështu që jonet magnez (Mg 2+ ) mund të zëvendësojnë Ca 2+ në strukturën C- S-H. Duke krahasuar jonin natrium (Na + ), i cili ka vetëm një elektron valent me 2 elektrone valente që kanë atomet Mg 2+ dhe Ca 2+, aftësia zëvendësuese e Ca 2+ dhe Na + është më e ulët se ajo e Mg 2+, për shkak të sasisë jo të njejtë të elektroneve valente. Kështu që ndryshimet strukturore nga C-S-H në M-S-H rezulton në rezistenca më të ulta. 116

129 10.4 Ekspansioni (zgjerimi) Faktori kryesor që përcakton ndikimin e sulfateve është përqëndrimi i tyre në solucion ose në tokë. Rritja e përqëndrimit të sulfateve rrit reaksionin kimik me çimenton dhe si rrjedhojë formimin e etringitit dhe gipsit. Ekspansioni i çimentos Portland të ekspozuar në përqëndrimin 5 % të sulfatit të natriumit dhe magnezit është paraqitur në figurën më poshtë. Tabela Të dhënat e ekspansionit (zgjerimit) pas 14 javësh H 2 O MgSO Na 2 SO Fig Paraqitja grafike e ekspansionit të çimentos U vu re se dëmtimi i prizmave të ekspozuar në sulfat natriumi dhe magnezi fillimisht ishte i ngadalshëm e më pas filloi të përshpejtohet; kjo kohë kritike është në funksion të përqëndrimit të sulfateve. Prizmat e ekspozuar në ujë nuk paraqitën ndryshim të dukshëm pas 14 javësh ekspozimi, ndërsa ato të ekspozuara në solucion sulfat paraqitën rritje të menjëherëshme me kalimin e kohës. Ekspansioni shfaqet me ndryshime në volum, i cili shkakton çarje, krisje ose shpërbërje. Nga rezultatet, duket se vlerat e ekspansionit janë të ulta në fillim, dhe pas 4 dhe 6 javësh (për mostrat e zhytura në MgSO 4 ) ruajtje ato filluan të rriten. Për mostrat e zhytura në Na 2 SO 4, ph i solucionit ishte 6-8. Më pas ph filloi të rritej, gjatë periudhës me aktivitet të ulët hidratues. Ekspansioni sa vjen dhe rritet me kalimin e kohës, meqë solucioni i poreve gjithashtu rritet. 117

130 10.5 Pregatitja e betonit Testi i ekuivalentit të rërës Fig Pajisjet e nevojshme për kryerje e testit të ekuivalentit të rërës. Rërë e thyer 0-5 mm: Tabela Të dhënat e ekuivalentit të rërës së thyer 0-5 mm Nr Përshkrimi i testit Njesia matëse Mostra 1 Pesha e mostrës gr Lartësia e leximit h1 mm Lartësia e leximit h 2 mm Ekuivalenti i rërës % 79.9 Rërë natyrale 0-5 mm Tab Të dhënat e ekuivalentit të rërës natyrale 0-5 mm Nr Përshkrimi i testit Njesia matëse Mostra 1 Pesha e mostrës gr Lartësia e leximit h 1 mm Lartësia e leximit h 2 mm Ekuivalenti i rërës %

131 Analizat e lëndëve të para për përgatitjen e betonit Shpërndarja e madhësisë së grimcave Lëndët e para për përgatitjen e betonit janë tharë në temperaturë 100 C për 24±1 orë, dhe më pas janë ftohur në temperaturën e dhomës. Peshohet një sasi e secilës mostër dhe sitet mekanikisht nëpërmjet nje seti sitash të paraqitura në tabelën më poshtë. Materiali i mbetur në secilën sitë është regjistruar dhe shënuar në tabelë si edhe përllogaritjet përkatëse (%). - Rërë mali 0-3 mm e testuar sipas standardit EN Tab Të dhënat granulometrike të rërës së malit 0-3 mm (të thyer) Hapja e sitës (mm) Total Mbetja mbi sitë (g) Mbetja mbi sitë (%) Kalimi kumulativ (%) Fig Paraqitja grafike e granulometrisë së rërës së malit 0-3 mm 119

132 - Rërë mali 0-5 mm e testuar sipas standardit EN Tab Të dhënat granulometrike të rërës së malit 0-5 mm Hapja e sitës (mm) Mbetja mbi sitë (g) Mbetja mbi sitë (%) Kalimi kumulativ (%) Total Fig Paraqitja grafike e granulometrisë së rërës së malit 0-5 mm 120

133 - Granil lumi 5-10 mm e testuar sipas standardit EN Tab Të dhënat granulometrike të granil lumi 5-10 mm Hapja e sitës (mm) Mbetja mbi sitë (g) Mbetja mbi sitë (%) Kalimi kumulativ (%) Total Fig Paraqitja grafike e granulometrisë së granil lumi 5-10 mm 121

134 - Granil mali mm testuar sipas standardit EN Tab Të dhënat granulometrike të granil mali mm Hapja e sitës (mm) Mbetja mbi sitë (g) Mbetja mbi sitë (%) Kalimi kumulativ (%) Total Fig Paraqitja grafike e granulometrisë së granil mali mm 122

135 Pregatitja e betonit dhe ruajtja e mostrave në ujë. Pregatitja e betonit është bërë sipas udhëzimeve dhe specifikave të standardit EN Receptura për përgatitjen e betonit C 30/37 jepet më poshtë: Tab Përbërësit e betonit me çimento CEM I pa hi fluturues dhe rezultatet e rezistencave të tij Sasitë e përbërësve Nr Sasitë për 1 m 3 Sasitë për Agregate Sasite (kg) m 3 beton (kg) 1 Rërë lumi 0-3 mm Rërë lumi 0-5 mm Granil lumi mm Granil lumi 5-10 mm Çimento CEM I 42.5R Ujë Aditiv 0.8 % 66 ml Total 2420 kg/m 3 Vetite e betonit të freskët Lagështia (%) Nr Karakteristikat Njësia Rezultatet 1 Temperatura e ajrit gjatë përgatitjes së betonit C 20 2 Raporti ujë/çimento Raporti Klasa e konsistencës Slump Slump pas 15 min mm Slump pas 30 min mm Slump pas 45 min mm Slump pas 60 min mm 90 8 Densiteti i betonit të freskët Kg/m Poroziteti i betonit % 2.0 Vetitë e betonit të ngurtësuar Nr Qëndrueshmëria në shtypje (MPa) Pesha e kubit Beton pa hi Çimento CEM I pa hi fluturues (kg) fluturues 1 R sh 3 ditore R sh 28 ditore R sh 90 ditore

136 Tab Përbërësit e betonit me çimento CEM I + 25% Hi fluturues dhe rezultatet e rezistencave të tij Sasitë e përbërësve Nr Sasitë për 1 m 3 Sasitë për Agregate Sasitë (kg) m 3 beton (kg) 1 Rërë lumi 0-3 mm Rërë lumi 0-5 mm Granil lumi mm Granil lumi 5-10 mm Çimento CEM I 42.5R + 25% hi fluturues Ujë Aditiv 0.8 % 66 ml Total 2420 kg/m 3 Vetitë e betonit të freskët Lagështia (%) Nr Karakteristikat Njësia Rezultatet 1 Temperatura e ajrit gjatë përgatitjes së betonit C 20 2 Raporti ujë/çimento Raporti Klasa e konsistencës Slump Slump pas 15 min mm Slump pas 30 min mm Slump pas 45 min mm Slump pas 60 min mm 80 8 Densiteti i betonit të freskët Kg/m Poroziteti i betonit % 2.1 Vetitë e betonit të ngurtësuar Nr Qëndrueshmëria në shtypje (MPa) Çimento CEM I me 25% hi fluturues Pesha e kubit (kg) Beton me hi fluturues 1 R sh 3 ditore R sh 28 ditore R sh 90 ditore

137 Fig Paraqitjaa grafike e rezistencavee në shtypje (MPa) të betonit me dhe pa hi fluturues Diskutime Përfitimii kryesor i hirit fluturues në beton është se ai jo vetëm redukton sasinë e hidroksidit të kalciumit të paqëndrueshëm (gëlqeres), por gjatë procesit e konverton atë në hidrate kalcium silikate (CSH), e cila është porcioni më i fortë dhe më i qëndrueshëm i pastës në beton. Më saktësisht, betoni i bërë me hi fluturues kishte rezistenca pak më të ulta fillestare sesa çimento e zakonshme dhe rezistenca më të larta në vazhdim. Për këtë, betoni me hi fluturues arriti rezistenca më të larta në fund, krahasuar me rezistencat e arritura me betonin e zakonshëm pa hi flututues. Për të përcaktuar efektin shkatërrues të sulfateve në beton, janë përgatiturr mostra betoni dhe janë zhytur në solucion sulfat 5%. 125

138 Pregatitja e betonit dhe ruajtja në solucion sulfat 5% Na 2 SO 4 dhe MgSO 4 - Çimento CEM I pa hi fluturues Tab Rezistencat e betonit me çimento CEM I pa hi fluturues, të zhytur në mjedis sulfat Nr Qëndrueshmëria në shtypje (MPa) Çimento CEM I pa hi fluturues Na 2 SO 4 5% MgSO 4 5% 1 R sh 3 ditore R sh 28 ditore R sh 90 ditore Fig Paraqitja grafike e rezistencave të betonit pa hi fluturues të zhytur në mjedis sulfat Përmbajtja sulfate shkakton ekspansion, duke çuar në formimin e hapësirave sulfatike dhe krisje të brendshme të cilat ulin rezistencat dhe qëndrueshmërinë e betonit të thjeshtë. Rezultatet tregojnë se rezistencat e betonit me hi fluturues janë më të ulta në fazat fillestare. Hiri fluturues si zëvendësues i pjesshëm i çimentos Portland, shkaktoi një reduktim të konsiderueshëm në rezistencat fillestare. Në rastin e atakut sulfatik, mostrat me hi fluturues fituan më shumë rezistenca me kalimin e kohës krahasuar me betonin normal pa hi fluturues. Rrjedhimisht, dallohet një diferencë e lehtë në rezistenca me kalimin e kohës. Nga të dhënat e mësipërme shohim se në çimenton CEM I pa hi fluturues kemi rritje për 167% për rezistencat pas 28 ditësh dhe 174 % pas 90 ditësh, për mostrat e ruajtura në Na 2 SO 4 5%. Gjithashtu dallojmë rritje prej 170% pas 28 ditësh dhe 173% pas 90 ditësh për mostrat e ruajtura në MgSO 4 5%. 126

139 - Çimento CEM I + 25% hi fluturues Tab Rezistencat e betonit me çimento CEM I + 25% hi fluturues, të zhytur në mjedis sulfat Nr Qëndrueshmëria në shtypje (MPa) Çimento CEM I me 25% hi fluturues Na 2 SO 4 5% MgSO 4 5% 1 R sh 3 ditore R sh 28 ditore R sh 90 ditore Fig Paraqitja grafike e rezistencave të betonit me çimento CEM I + 25% hi fluturues të zhytur në mjedis sulfat Për çimenton CEM I me 25% hi fluturues vëmë re rritje 170% pas 28 ditësh dhe 183% pas 90 ditësh ruajtje në Na 2 SO 4 5%. Kurse për mostrat e ruajtura në MgSO 4 5% vëmë re rritje 175% pas 28 ditësh dhe 190% pas 90 ditësh. 127