Ин таҳқиқот нишон медиҳад, ки ҳарорат дар карбонатсияшавии бетон танҳо омили муҳитии яксамтае нест, ки реаксияро метезонад; таъсири он вобаста ба он ки кадом гидрат реаксияро назорат мекунад ва карбонатсия дар кадом марҳилаи вақт қарор дорад, метавонад тағйир ёбад. Муҳаққиқон барои то ҳадди зиёд бартараф кардани таъсири интиқоли гази карбон дар дохили бетон хамирҳои сементии N-ро дар асоси ordinary Portland cement ва BB-ро бо 45% шлаки майдашудаи домна то зарраҳои хурдтар аз 63 µm майда карда, намунаҳоро дар шароити 5% CO₂, 60% намии нисбӣ ва 10, 20, 30 ё 60 °C то 24 соат карбонатсия карданд.

Дар Фазаи I, ки ду соати аввали карбонатсияро дар бар мегирад, бо баланд шудани ҳарорат суръати реаксия афзуд. Махсусан дар 60 °C реаксияи ибтидоии хеле тез мушоҳида шуд; аммо дар ин шароит афзоиши масса баъд аз тақрибан ду соат ба таври назаррас суст гардид. Баръакс, дар ҳароратҳои пасттар карбонатсия сусттар оғоз шуд, вале муддати дарозтар идома ёфт. Муҳаққиқон фосилаи 2–6 соатро Фазаи II ҳамчун минтақаи гузариш ва фосилаи 6–24 соатро Фазаи III муайян карданд. Дар марҳилаи дер тағйироти иловагӣ дар миқдори Ca(OH)₂ хеле кам буд, дар ҳоле ки карбонатсияи C-S-H идома ёфт; аз ин рӯ ба хулоса омаданд, ки муайянкунандаи асосии ҷавоби дарозмуддат ба ҳарорат бештар C-S-H аст, на портландит.

Дар ҳар ду системаи сементӣ калсит ва ватерит ҳосил шуданд. Арагонит танҳо дар системаи N равшан мушоҳида шуд ва дар ҳароратҳои баландтар бештар намоён гардид. Намунаҳои BB нисбат ба N баъд аз карбонатсия C-S-H-и бештарро нигоҳ доштанд, ташаккули калсити заифтар ва ватерити қавитар нишон доданд. Ин натиҷаҳо нишон медиҳанд, ки илова кардани шлаки домна на танҳо суръати карбонатсия, балки тақсимоти фазаҳои CaCO₃-и ҳосилшударо низ тағйир медиҳад.

Аз нуқтаи назари Туркия, таҳқиқот нишон медиҳад, ки пешгӯии умри карбонатсияи конструксияҳои оҳану бетонӣ танҳо бар фарзияи «бо баланд шудани ҳарорат карбонатсия метезонад» метавонад нокифоя бошад. Аммо азбаски таҷрибаҳо дар муҳити суръатёфтаи дорои 5% CO₂ ва бо хамири сементи майдашуда гузаронида шуданд, натиҷаҳоро мустақиман ба умқи карбонатсияи конструксияҳои воқеии бетонӣ дар Туркия табдил додан мумкин нест. Барои минтақаҳои иқлимии гуногуни Туркия, сатҳи табиии CO₂-и атмосфера, борон, давраҳои намии нисбӣ, ғафсии қабати муҳофизии бетон, тарқишҳо, таносуби об/пайвандак ва таркибҳои маҳаллии семент санҷиши саҳроӣ зарур аст.

Саволи асосии таҳқиқот чист?

Ҳангоми карбонатсияшавии бетон CO₂ дар маҳлули ковокҳо ҳал шуда, бо гидратҳои семент реаксия мекунад ва пайвастҳои карбонатӣ ҳосил менамояд. Ин раванд метавонад ишқорнокии баланди бетонро коҳиш диҳад ва барои вайрон шудани қабати пассивие, ки пӯлоди арматураро дар конструксияҳои оҳану бетонӣ муҳофизат мекунад, замина фароҳам орад. Аз ин рӯ карбонатсия яке аз механизмҳои муҳими арзёбии устувории дарозмуддати конструксияҳои оҳану бетонӣ мебошад.

Аммо пешрафти воқеии карбонатсия дар дохили бетон натиҷаи якҷояи ду гурӯҳи гуногуни равандҳост:

• Интиқол ва ҳалшавии CO₂ тавассути ковокҳои бетон
• Реаксияҳои химиявии карбонатсияи Ca(OH)₂, C-S-H ва дигар гидратҳо

Дар озмоишҳои анъанавии умқи карбонатсия ин ду таъсирро ба осонӣ аз ҳам ҷудо кардан мумкин нест. Ҳарорати баландтар метавонад ҳамзамон ба интиқоли CO₂, намии ковокҳо, ҳаракатнокии ионҳо ва реаксияҳои химиявӣ таъсир расонад. Аз ин рӯ зиёд шудани умқи карбонатсия, ки аз сатҳи бетон чен карда мешавад, худ ба худ исбот намекунад, ки реаксияи химиявии гидрати муайян бо ҳарорат тезтар шудааст.

Ҳадафи асосии таҳқиқот кам кардани ин масъала ва тамаркузи мустақим ба реаксияҳои гидратҳо мебошад. Намунаҳо ба хокаи майда табдил дода шуданд ва ҳамин тавр масофаи диффузияи CO₂ дар бетони макроскопӣ ба таври назаррас бартараф гардид. Таҳқиқот махсусан ба саволи зерин ҷавоб меҷӯяд: Суръати карбонатсияи Ca(OH)₂ ва C-S-H дар ҳароратҳои гуногун дар тӯли вақти реаксия чӣ гуна тағйир меёбад?

Чаро системаҳои сементии N ва BB муқоиса шудаанд?

Ду системаи гуногуни пайвандак истифода шуданд. N системаи асосёфта ба ordinary Portland cement-ро, BB бошад системаи blast-furnace slag cement Type B-ро ифода мекунад. Омехтаи BB аз рӯи масса аз 55% сементи Portland ва 45% шлаки майдашудаи домна ташкил шудааст.

Таркиби химиявии BB аз N ба таври назаррас фарқ мекунад. Миқдори CaO дар N 64,96% аст, дар ҳоле ки дар BB 41,44% мебошад. Баръакс, миқдори SiO₂ дар BB 33,03%, Al₂O₃ 14,82% ва MgO 6,51% аст; дар N ин арзишҳо мутаносибан 20,94%, 5,45% ва 1,50% мебошанд. Ин фарқи таркиб метавонад ба тақсимоти ибтидоии гидратҳо ва ба он ки баъд аз карбонатсия кадом фазаҳои CaCO₃ ҳосил мешаванд, таъсир расонад.

Чаро намунаҳо ба ҳолати хока оварда шуданд?

Интихоби муҳими методии таҳқиқот майда кардани намунаҳо пеш аз карбонатсия мебошад. Дар намунаи одии бетон ё хамири семент CO₂, ки аз сатҳи беруна ба дарун ҳаракат мекунад, бинобар муқовимати интиқол дар сохтори ковокҳо бо мурури вақт суст мешавад. Дар чунин ҳолат суръати ченшудаи карбонатсия натиҷаи якҷояи реаксияи химиявӣ ва диффузияи CO₂ мебошад.

Дар ин таҳқиқот аввал зарраҳои тақрибан 5 mm ба даст оварда шуданд, пас аз боздоштани реаксияҳои гидрататсия намунаҳо дар қуттии дастпӯшакдори дорои атмосфераи азотӣ бо ҳавони агатӣ майда ва аз элаки 63 µm гузаронида шуданд. Ҳамин тавр зарурати ҳаракати CO₂ дар роҳи дарози ковокӣ кам карда шуд ва ҳадаф ин буд, ки тағйири массаи ченшуда асосан ба реаксияи карбонатсия нисбат дода шавад.

Ин усул барои ҷудо кардани кинетикаи реаксия қавӣ аст; аммо бо ҳамин сабаб рафтори воқеии бетонро мустақиман намояндагӣ намекунад. Дар унсури воқеии сохтмонӣ интиқоли CO₂ дар қабати муҳофизии бетон, тақсимоти намӣ ва сохтори ковокҳо қисмҳои муҳими карбонатсия мебошанд.

Гидрататсия пеш аз таҷриба чӣ гуна боздошта шуд?

Намунаҳо 24 соат дар ацетон ғӯтонда шуданд ва баъдан барои хориҷ кардани ацетон дар 40 °C чор соат хушк карда шуданд. Сипас 24 соат хушккунии яхбандӣ дар вакуум анҷом дода шуда, намунаҳо дар эксикатори бо азот тозашуда нигоҳ дошта шуданд.

Пас аз ин раванд майдакунӣ низ дар қуттии дастпӯшакдори пур аз азот иҷро шуд. Ҳадаф то ҳадди имкон маҳдуд кардани реаксияи номатлуб бо CO₂-и атмосфера ва гидрататсияи идомадошта пеш аз озмоиши карбонатсия буд.

Шароити озмоиши карбонатсия чӣ гуна аст?

Карбонатсия бо истифода аз анализатори гравиметрии сорбсияи буғи об анҷом дода шуд. Дар Расми 1-и саҳифаи 10 нишон дода шудааст, ки микротарозу, назорати ҳарорат, намноккунанда, зондҳои намии нисбӣ ва ҳарорат, хатҳои гази хушк ва намнок ва назоратгари ҷараёни массавӣ дар як система кор мекунанд.

Намуна дар ибтидо зери атмосфераи азотӣ дар дастгоҳ ҷойгир карда шуда, бо азоти хушки 99,99% софӣ мувозинати ҳарорату намӣ таъмин гардид. Вақте ки суръати тағйири масса аз 0,001 mg/min поён рафт, мувозинат кофӣ ҳисобида шуд. Азбаски тағйири ченшуда дар ин омодасозӣ аз 1,25 × 10^-4 масса%/min камтар буд, таъсири гидрататсия ночиз фарз карда шуд.

Пас аз мувозинатсозӣ гази азот бо омехтаи дорои 5% CO₂ иваз карда шуд. Инҳирофи консентратсияи газ аз арзиши ҳадаф дар доираи ±0,1% нигоҳ дошта шуд.

Оё пас аз 24 соат ҳарорати баландтар ҳамеша карбонатсияи бештар ба вуҷуд овард?

Не. Ин яке аз муҳимтарин натиҷаҳои таҳқиқот аст. Дар Расми 2-и саҳифаи 14 афзоиши массаи намунаҳои N ва BB нишон дода шудааст. Дар ҳар чор ҳарорат пас аз 24 соат афзоиши умумии масса тақрибан ба сатҳи 8% мерасад ва дар афзоиши ниҳоии масса тартиби сода ва яксамтаи ҳарорат вуҷуд надорад.

Аммо шакли каҷҳо хеле фарқ мекунад. Дар 60 °C карбонатсия дар ду соати аввал фавқулода тез пеш меравад ва баъд афзоиши масса ба сатҳи хеле паст мефарояд. Дар 10 ва 20 °C оғоз сусттар аст, вале реаксия то 24 соат идома меёбад. Муҳаққиқон қайд мекунанд, ки дар ҳароратҳои паст карбонатсия эҳтимолан пас аз 24 соат ҳам идома меёбад.

Ҳамин тариқ, ба афзоиши тақрибан якхелаи ниҳоии масса тавассути роҳҳои гуногуни кинетикӣ расидан мумкин аст. Тафсири таъсири ҳарорат танҳо бо нигоҳ ба массаи ниҳоӣ дар соати 24 механизми реаксияро пинҳон мекунад.

Чаро дар ҳарорати баланд реаксия аввал тез шуда, баъд суст мешавад?

Таҳқиқот пешниҳод мекунад, ки ҳарорати баланд дар марҳилаи аввал реаксияҳои C-S-H ва Ca(OH)₂-ро метезонад. Баланд шудани ҳарорат метавонад ҳаракатнокии ионҳо ва кинетикаи реаксияро зиёд кунад. Аммо ҳарорати баланд ду таъсири эҳтимолии маҳдудкунанда дорад:

• Кам шудани ҳалшавии CO₂ дар об
• Пӯшидани ковокҳо ё сатҳҳои реаксия бо маҳсулоти карбонатсия ва маҳдуд кардани реаксияи минбаъда

Махсусан ҷамъ шудани маҳсулоти CaCO₃ дар минтақаҳои реаксия метавонад қабати муҳофизатӣ ё худбасташавандаеро ба вуҷуд орад, ки реаксияи минбаъдаро маҳдуд мекунад. Аз ин рӯ шароити 60 °C метавонад дар оғоз реаксияи аз ҳама тезро нишон диҳад, вале дар дарозмуддат аз ҳароратҳои пасттар қафо монад.

Чаро карбонатсия ба се фаза ҷудо карда шуд?

Муҳаққиқон муайян карданд, ки суръати афзоиши масса, натиҷаҳои TG-DTA ва FT-IR дар тӯли вақт рафтори яксон нишон намедиҳанд ва раванди карбонатсияро ба се қисм ҷудо карданд:

Азбаски Фазаи II вобастагии равшани ҳарорат нишон надод, муҳаққиқон механизми ин минтақа ро ба арзёбии муфассали ҳароратӣ дохил накарданд ва қайд карданд, ки он дар оянда бояд алоҳида таҳқиқ шавад.

Ҳарорат дар Фазаи I чӣ гуна таъсир кард?

Расмҳои 14 ва 15 дар саҳифаҳои 35 ва 36 суръати карбонатсияро нишон медиҳанд, ки аз ҳосилаи каҷи афзоиши масса бо фосилаҳои 0,1 соат ҳисоб шудааст. Дар Фазаи I ҳам барои N ва ҳам BB бо баланд шудани ҳарорат суръати ибтидоии карбонатсия зиёд шуд. Хусусан каҷҳои 30 ва 60 °C арзишҳои баланди ибтидоӣ нишон медиҳанд.

Гарчанде суръат дар 60 °C хеле баланд оғоз мешавад, дар муддати кӯтоҳ якбора паст мегардад. Ин рафтор равшан нишон медиҳад, ки равиши содаи «муҳити гармтар = суръати реаксияи баландтар дар тамоми давраи карбонатсия» дуруст нест.

Дар Фазаи III чӣ тағйир ёфт?

Дар марҳилаи дер таъсири ҳарорат аз марҳилаи ибтидоӣ фарқ мекунад. Дар графики намунаи N равшан дида мешавад, ки ҳароратҳои паст суръати карбонатсияро муддати дарозтар нигоҳ медоранд. Каҷи 60 °C бошад, ҳангоми наздик шудан ба 24 соат қариб ба сифр мерасад.

Барои BB дар матни манбаъ дар ин ҷо номувофиқӣ вуҷуд дорад. Дар Бахши 4.2 тартиби ҳарорат ҳамчун “60 °C > 30 °C > 10 °C > 20 °C” навишта шудааст. Баръакс, каҷҳои графикии Расми 15 дар қисми муҳими Фазаи III тақрибан тартиби 20 °C > 10 °C > 30 °C > 60 °C-ро нишон медиҳанд ва бахши хулосаи мақола низ мегӯяд, ки «дар Фазаи III ҳароратҳои пасттар ба суръати зоҳирии баландтари карбонатсия овардаанд». Аз ин рӯ номувофиқии матн ва график дар дохили манбаъ набояд нодида гирифта шавад.

Оё Ca(OH)₂ пурра карбонатсия шудааст?

Не. Яке аз натиҷаҳои асосии TG-DTA ин аст, ки новобаста аз таъсири 24-соатаи 5% CO₂ қисми назарраси портландит дар намунаҳо боқӣ мондааст.

Дар 30 ва 60 °C дар як соати аввал коҳиши маҳдуди миқдори Ca(OH)₂ мушоҳида шуд, вале дар соатҳои баъдӣ истеъмол асосан қатъ шуд ё ба сатҳи хеле паст расид. Баръакс, миқдори CaCO₃ афзоишро идома дод.

Мушоҳидаи якҷояи ин ду натиҷа нишон медиҳад, ки тамоми CaCO₃-и ҳосилшуда танҳо аз карбонатсияи портландит ба вуҷуд омада наметавонад. Муҳаққиқон ба хулоса омаданд, ки махсусан карбонатсияи C-S-H дар ташаккули карбонати боқимонда нақши муҳим дорад.

Чаро C-S-H дар маркази таҳқиқот қарор дорад?

C-S-H яке аз фазаҳои асосии пайвандаки сементи Portland-и гидратшуда мебошад. Ҳангоми карбонатсия калсий аз C-S-H хориҷ мешавад; ба ибораи дигар, декалсификатсия ба амал меояд. Калсийи озодшуда ба фазаҳои карбонатӣ табдил меёбад, дар ҳоле ки сохтори силикатӣ ба сохтори гели силикаи бештар полимеризатсияшуда тағйир меёбад.

Дар натиҷаҳои FT-IR-и таҳқиқот банди хамшавии Si-O-Si тақрибан дар 670 cm^-1 ва банди кашиши Si-O тақрибан дар 970 cm^-1 пеш аз карбонатсия, ки ба C-S-H нисбат дода шудаанд, пайгирӣ шуданд. Бо пешрафти карбонатсия банди C-S-H кам шуда, дар минтақаи тақрибан 1020–1070 cm^-1 банди васеи марбут ба гели силика равшантар гардид.

Дар 60 °C коҳиши ҷиддии банди C-S-H аз соати аввал ва хеле заиф шудани он дар давоми чанд соат нишон медиҳад, ки ҳарорати баланд карбонатсияи барвақтии C-S-H-ро ба таври қавӣ метезонад.

Дар байни N ва BB аз нигоҳи C-S-H чӣ фарқ мушоҳида шуд?

Натиҷаҳои FT-IR ва Rietveld нишон медиҳанд, ки BB пас аз карбонатсия нисбат ба N C-S-H-и бештарро нигоҳ доштааст. Хусусан дар шароити ҳарорати баланд талафоти C-S-H дар N равшантар аст.

Дар бахши хулосаи таҳқиқот гуфта мешавад, ки дар BB ҳатто пас аз 60 °C C-S-H-и боқимонда мавҷуд аст ва шлаки домна суръати зоҳирии карбонатсияи C-S-H-ро паст мекунад.

Ин натиҷа мустақиман исбот намекунад, ки BB дар ҳама маъно «бетони ба карбонатсия тобовартар» аст. Озмоиш кинетикаи реаксияро дар пайвандаки майдашуда меомӯзад; диффузияи CO₂, ковокии капиллярӣ ва рафтори қабати муҳофизии бетон дар бетони воқеӣ бояд алоҳида арзёбӣ шаванд.

Кадом фазаҳои карбонати калсий ҳосил шуданд?

Дар таҳлили XRD се полиморфи асосии кристаллии CaCO₃ пайгирӣ шуданд:

• Калсит
• Ватерит
• Арагонит

Калсит ва ватерит ҳам дар намунаҳои N ва ҳам BB ҳосил шуданд. Арагонит дар намунаҳои N муайян шуд, аммо дар системаи BB равшан ошкор нагардид.

Дар нақшҳои XRD-и саҳифаҳои 17 ва 18 бо пешрафти карбонатсия суст шудани қуллаҳои портландит ва қавӣ шудани қуллаҳои калсит ва ватерит дида мешавад. Дар намунаи N бо ҳарорати баланд қуллаҳои арагонит равшантар шуданд.

BB нисбат ба N сигналҳои заифтари калсит ва равшантарини ватерит нишон дод. Ин фарқият нишон медиҳад, ки илова кардани шлаки домна на танҳо суръати реаксия, балки тақсимоти фазаҳои кристаллии карбонатҳои ҳосилшударо низ тағйир медиҳад.

Таҳлили Rietveld чиро нишон дод?

Расмҳои 6 ва 7 дар саҳифаи 25 тақсимоти фазаҳоро вобаста ба вақти карбонатсия дар намунаҳои N ва BB нишон медиҳанд. Тағйироти нисбии калсит, ватерит, арагонит, Ca(OH)₂, миқдори аморфӣ/C-S-H ва дигар фазаҳо муқоиса шудаанд.

Хусусан дар 60 °C ватерит дар марҳилаи барвақт зуд пайдо мешавад. Дар матни манбаъ гуфта мешавад, ки ватерит дар 60 °C дар як соати аввал мушоҳида шуда метавонад, дар ҳоле ки дар ҳароратҳои пасттар барои равшан шуданаш се соат ё бештар лозим аст.

Таҳлил ҳамчунин миқдори баландтари C-S-H-и боқимондаро дар BB дастгирӣ мекунад.

Озмоиши адсорбсияи буғи об чиро нишон дод?

Азбаски тағйирёбии сохтори ковокҳо ҳангоми карбонатсия метавонад ба ченкунии масса таъсир расонад, озмоишҳои адсорбсияи буғи об гузаронида шуданд. Дар муқоисаи пешниҳодшуда намунаи N-и карбонатсиянашуда ва намунаҳои N, ки дар 20 ва 30 °C 24 соат карбонатсия шудаанд, арзёбӣ гардиданд.

Миқдори оби адсорбшуда то тақрибан 80% намии нисбӣ мунтазам афзуд ва аз 80% боло тезтар зиёд шуд. Муҳаққиқон инро бо тангшавӣ ё фурӯравии ковокҳои нисбатан калон ҳангоми карбонатсия алоқаманд карданд.

Азбаски фарқи адсорбсия байни карбонатсияҳои 20 ва 30 °C дар муқоиса бо тағйироти пеш ва пас аз карбонатсия хурд буд, ба хулоса омаданд, ки таъсири ҳарорат ба рафтори адсорбсия маҳдуд аст.

Чаро озмоиши фенолфталеин бо таҳлили химиявӣ пурра мувофиқат накард?

Фенолфталеин яке аз нишондиҳандаҳои pH мебошад, ки барои арзёбии карбонатсияи бетон дар саҳро ва лаборатория васеъ истифода мешавад. Аммо таҳқиқот нишон медиҳад, ки тағйири ранг на ҳамеша ҳамзамон бо пешрафти воқеии карбонатсияи химиявӣ ба амал меояд.

Ба намунаҳои хока, ки 24 соат карбонатсия шуда буданд, 1% фенолфталеин пошида шуд ва ранг пас аз 1 дақиқа, 30 дақиқа, 1 соат, 3 соат ва 24 соат чен карда шуд. Ранг ба таври миқдорӣ тавассути a*, ҷузъи сурхи системаи L*a*b*, арзёбӣ гардид.

Натиҷаи аз ҳама ҷолиб дар ҳароратҳои баланд аст. Масалан, дар намунаи N-60 °C як дақиқа пас аз пошидан арзиши ранг танҳо 4,02 буд, вале баъд аз 30 дақиқа ба 49,84 расид. Дар намунаи BB-60 °C арзиши ибтидоӣ -1,17 буд ва ҳатто пас аз 30 дақиқа танҳо ба 12,03 расид.

Ин таъхир нишон медиҳад, ки арзёбии визуалӣ фавран баъд аз пошидани фенолфталеин, махсусан дар шароити карбонатсияи аз ҷиҳати гармӣ суръатёфта, метавонад табдили воқеии химиявиро нопурра ё ба тарзи дигар ифода кунад.

Оё берангии фенолфталеин маънои пурра аз байн рафтани портландитро дорад?

Не. Дар таҳқиқот баъзе намунаҳои ҳарорати баланд бо фенолфталеин ранги хеле кам нишон доданд, аммо таҳлилҳои TG-DTA ва XRD ҳанӯз мавҷуд будани миқдори назарраси Ca(OH)₂-ро нишон доданд.

Аз ин рӯ ҳадде, ки нишондиҳандаи pH-и фенолфталеин медиҳад, сарҳади тези химиявие нест, ки дар он ҳамаи гидратҳо пурра карбонатсия шудаанд. Таҳқиқот нишон медиҳад, ки махсусан дар шароити ҳарорати баланд фронти визуалии pH ва пешрафти химиявии карбонатсия метавонанд аз ҳам ҷудо шаванд.

Натиҷаҳои асосие, ки таҳқиқот дастгирӣ мекунад, кадомҳоянд?

• Вобастагии карбонатсия аз ҳарорат дар тӯли вақти реаксия доимӣ нест.
• Дар 0–2 соати аввал ҳарорати баланд суръати баландтари карбонатсия ба вуҷуд овард.
• Дар 60 °C реаксия хеле зуд оғоз шуд, аммо барвақттар суст гардид.
• Ca(OH)₂ пас аз 24 соат пурра сарф нашуд.
• Пас аз он ки реаксияи Ca(OH)₂ асосан қатъ шуд, карбонатсияи C-S-H идома ёфт.
• Ба хулоса омаданд, ки назорати асосии рафтори ҳароратӣ дар давраи дер карбонатсияи C-S-H мебошад.
• Гузориш шудааст, ки дар Фазаи I суръати карбонатсияи C-S-H тақрибан чор маротиба аз суръати карбонатсияи Ca(OH)₂ баландтар аст.
• Дар N ва BB калсит ва ватерит ҳосил шуданд.
• Арагонит дар N мушоҳида шуд, аммо дар BB равшан муайян нашуд.
• BB пас аз карбонатсия нисбат ба N C-S-H-и бештарро нигоҳ дошт.
• Рушди ранги фенолфталеин махсусан дар ҳароратҳои баланд нисбат ба реаксияи химиявӣ бо таъхир сурат гирифт.

Натиҷаҳое, ки таҳқиқот исбот намекунад, кадомҳоянд?

• Нишон дода нашудааст, ки 60 °C дар конструксияҳои воқеӣ ҳамеша пасттарин ё баландтарин умқи карбонатсияро ба вуҷуд меорад.
• Суръатҳои реаксия дар намунаҳои хока наметавонанд мустақиман ба умқи карбонатсияи бетон табдил дода шаванд.
• Исбот нашудааст, ки тартиби реаксия дар муҳити 5% CO₂ дар шароити табиии атмосферии CO₂ айнан такрор мешавад.
• Нишон дода нашудааст, ки BB дар ҳамаи бетонҳои воқеӣ нисбат ба N муқовимати баландтари карбонатсия дорад.
• Нишон дода нашудааст, ки усули фенолфталеин умуман беэътибор аст; таҳқиқот махсусан маҳдудияти тафсирро дар ҳарорати баланд ва шароити суръатёфта нишон медиҳад.
• Мустақиман исбот нашудааст, ки ҳамаи маҳсулоти реаксияи карбонатсия танҳо аз Ca(OH)₂ ва C-S-H сарчашма мегиранд.
• Таъсири борон, хушкшавӣ-таршавӣ, тарқишҳо ва тағйироти мавсимии ҳарорат дар муҳити табиии беруна арзёбӣ нашудааст.

Чаро таҳқиқот барои моделҳои устуворӣ муҳим аст?

Бисёр моделҳои муҳандисӣ ба равишҳои эмпирикӣ такя мекунанд, ки умқи карбонатсияро бо решаи квадратии вақт мепайванданд. Дар чунин моделҳо таъсири якҷояи ҳарорат, намӣ, CO₂, сохтори ковокҳо ва реаксияҳои гидратҳо метавонад дар як коэффисиенти карбонатсия инъикос ёбад.

Ин таҳқиқот нишон медиҳад, ки таъсири ҳарорат вобаста ба механизми реаксия тағйир меёбад. Ҳарорати баланд реаксияи ибтидоиро метезонад, вале дар марҳилаҳои баъдӣ бо сабаби ташаккули маҳсулоти реаксия ва истеъмоли C-S-H суръат метавонад якбора паст шавад.

Аз ин рӯ моделҳое, ки озмоишҳои суръатёфтаи карбонатсияро ба умри воқеии конструксия табдил медиҳанд, шояд бояд на танҳо умқи умумии карбонатсия, балки навъи гидрат, марҳилаи реаксия, сатҳи CO₂ ва ҳолати намиро низ ба назар гиранд.

Усул ва натиҷаҳои таҳқиқот

Омодасозии намуна

• Барои N ва BB таносуби об/пайвандак 55% аст.
• Пайвандаки BB аз 55% сементи Portland ва 45% шлаки майдашудаи домна иборат аст.
• Омехтакунӣ бо мошин 1 дақиқа анҷом дода шуд ва барои маҳдуд кардани оби хунравӣ дар 6 соати аввал ҳар соат омехтакунии дастӣ татбиқ гардид.
• Намунаҳо пас аз 24 соат аз қолаб бароварда шуданд.
• 28 рӯз нигоҳдорӣ дар об ва баъдан 28 рӯз нигоҳдорӣ дар ҳаво татбиқ шуд.
• Муқовимати фишории 56-рӯза барои N 38,07 N/mm² ва барои BB 30,63 N/mm² аст.
• Дар ҳар як ченкунии муқовимат се намуна истифода шуд.
• Намунаҳо аввал то андозаи тақрибан 5 mm шикаста шуда, пас аз раванди боздоштани гидрататсия то андозаи <63 µm майда карда шуданд.

Таркибҳои асосии химиявӣ

Таҷҳизоти карбонатсия

Дастгоҳи гравиметрии сорбсияи буғи об барои ҳамзамон назорат кардани массаи намуна, ҳарорат, намӣ ва таъминоти газ истифода шуд. Пеш аз карбонатсия бо N₂-и хушк мувозинатсозӣ анҷом дода шуда, баъдан омехтаи дорои 5% CO₂ истифода гардид.

Ченкунии адсорбсияи буғи об

• Фосилаи фишори нисбӣ P/P₀: 0,05–0,35.
• Масоҳати буриши молекулаи об: 0,114 nm².
• Ҳарорати ченкунӣ: 20 °C.
• Қадами намии нисбӣ: 5%.
• Ҷараёни азоти хушк: 50–150 sccm.
• Хушккунии яхбандӣ дар вакуум пеш аз таҳлил: 24 соат.

Дар изотермаҳои адсорбсияи пешниҳодшуда рафтор дар минтақаи намии нисбии баланд пас аз карбонатсия тағйир ёфт; муҳаққиқон инро бо тангшавӣ ё фурӯравии ковокҳои нисбатан калон дар натиҷаи карбонатсия алоқаманд карданд.

Таҳлили XRD ва Rietveld

Дар таҳлили миқдорӣ фазаҳои сершумори кристаллӣ, аз ҷумла калсит, ватерит, арагонит, эттрингит, алит, белит, фазаи алюминатӣ, фазаи ферритӣ, корунд, портландит, гипси нимгидрат ва дигидрат, гидрокалумит, периклаз ва оҳаки ношикаста арзёбӣ шуданд. Азбаски C-S-H аморфӣ аст, он на ҳамчун фазаи кристаллӣ мустақим, балки ба таври ғайримустақим бо усули стандарти дохилӣ арзёбӣ гардид.

Таҳлили TG-DTA

• Фосилаи ҳарорат: 20–1000 °C.
• Суръати гармкунӣ: 10 °C/min.
• Ҳадафҳои асосӣ: муайян кардани миқдори Ca(OH)₂ ва CaCO₃.
• Равиши миқдорисозӣ: нуқтаҳои гардиши каҷи DTA ва талафоти массаи TG истифода шуданд.

Таҳлил нишон дод, ки пас аз 24 соат қисми зиёди Ca(OH)₂ ҳанӯз мавҷуд аст. Бо вуҷуди ин, афзоиши равшани миқдори CaCO₃ нишон медиҳад, ки карбонатсияи дигар гидратҳо, аз ҷумла C-S-H, муҳим аст.

Таҳлили FT-IR

Бо пешрафти карбонатсия банди C-S-H тақрибан дар 970 cm^-1 заиф шуд ва банди гели силика дар атрофи 1020–1070 cm^-1 равшантар гардид. Ин тағйирот декалсификатсияи C-S-H-ро дастгирӣ мекунад.

Таҳлили фенолфталеин ва спектрофотометр

• Маҳлули фенолфталеин: 1,0%.
• Вақтҳои мушоҳида: 1 дақиқа, 30 дақиқа, 1 соат, 3 соат ва 24 соат.
• Системаи ранг: L*a*b*.
• Тағйирёбандаи арзёбишуда: ҷузъи сурхи a*.

Дар ҳамаи ҳароратҳо дида шуд, ки арзиши a* одатан тақрибан 30 дақиқа пас аз пошидан ба ҳадди аксар мерасад ва баъдан бо мурури вақт коҳиш меёбад. Дар намунаҳои ҳарорати баланд таъхири ранггирии аввалия равшантар аст.

Кинетикаи карбонатсия аз рӯи фазаҳо

Дар манбаъ барои суръати карбонатсия муодилаи алоҳидаи пӯшидаи математикӣ дода нашудааст. Ҳосилаи каҷи афзоиши масса нисбат ба вақт бо фосилаҳои 0,1 соат гирифта шуда, суръати лаҳзавии карбонатсия ҳисоб карда шудааст.

Мувофиқи бахши хулосаи мақола, дар Фазаи I суръати карбонатсияи C-S-H тақрибан чор маротиба аз суръати карбонатсияи Ca(OH)₂ баландтар аст. Дар Фазаҳои II ва III, гарчанде коҳиши иловагии назарраси Ca(OH)₂ муайян нашуд, карбонатсияи C-S-H идома ёфт.

Фарзияи муҳими ҳисоб кардани суръати C-S-H

Дар таҳқиқот барои ҳисоб кардан фарз шуд, ки гидратҳои семент пурра аз Ca(OH)₂ ва C-S-H иборатанд. Суръати коҳиши C-S-H аз фарқи байни суръати ташаккули CaCO₃ ва суръати коҳиши Ca(OH)₂ ҳосил карда шуд.

Ин яке аз маҳдудиятҳои муҳими усул аст. Дар системаи воқеии сементи гидратшуда эттрингит, моносулфат ва дигар фазаҳо низ мавҷуданд. Дар ҳақиқат, муҳаққиқон қайд мекунанд, ки барои шарҳ додани баъзе фарқҳои байни 10 ва 20 °C гидратҳои ғайри C-S-H, ба монанди моносулфат, бояд дар оянда алоҳида таҳқиқ шаванд.

Номувофиқии муҳими дохили манбаъ

Барои BB тартиби ҳарорат дар Фазаи III дар матн ва график пурра мувофиқат намекунад. Тартиби “60 °C > 30 °C > 10 °C > 20 °C” дар матн бо тафсири вобастагии баръакси ҳарорат дар ҳамон бахш ва каҷҳои Расми 15 номувофиқ менамояд. Каҷҳои давраи дери Расми 15 тақрибан нишон медиҳанд, ки 20 °C суръати баландтарин ва 60 °C суръати пасттаринро медиҳад. Бахши хулоса низ мегӯяд, ки барои Фазаи III ҳароратҳои пасттар суръати зоҳирии баландтари карбонатсия ҳосил карданд.

Аз ин рӯ натиҷаи асосии механистии таҳқиқот нигоҳ дошта мешавад: таъсири ҳарорат дар тӯли реаксия тағйир меёбад ва дар давраи дер рафтори C-S-H муайянкунанда мешавад. Аммо тартиби дақиқи ҳарорат дар Фазаи III барои BB бинобар ин номувофиқии дохилии манбаъ бояд бо эҳтиёт арзёбӣ шавад.

Маҳдудиятҳои асосӣ

• Консентратсияи CO₂ 5% аст ва ин шароити озмоиши суръатёфтаест, ки аз атмосфераи табиӣ хеле баландтар мебошад.
• Намунаҳо дар шакли хокаи <63 µm мебошанд; диффузияи макроскопии CO₂ дар бетони воқеӣ махсусан бартараф шудааст.
• Натиҷаҳо умқи карбонатсияи бетонро мустақиман чен намекунанд.
• Карбонатсия танҳо то 24 соат пайгирӣ шудааст.
• Қайд шудааст, ки дар намунаҳои 10 ва 20 °C реаксия метавонад пас аз 24 соат ҳам идома ёбад; мувозинати ниҳоӣ муайян нашудааст.
• Механизми Фазаи II ба таври муфассал шарҳ дода нашудааст.
• Дар ҳисоб кардани суръати C-S-H фарзияи соддакунанда истифода шудааст, ки гидратҳо танҳо аз Ca(OH)₂ ва C-S-H иборатанд.
• Саҳми моносулфат ва дигар гидратҳо ҷудо карда нашудааст.
• Тартиби ҳарорати Фазаи III барои BB байни матн ва график номувофиқ аст.
• Дар бахши натиҷаҳои адсорбсияи пешниҳодшуда муқоисаҳои баробар барои ҳамаи ҳароратҳо ва BB нишон дода нашудаанд.
• Шароити борони табиӣ, таршавӣ-хушкшавӣ ва давраҳои мавсимӣ мавҷуд нестанд.
• Сохтори агрегати бетон, ғафсии қабати муҳофизии бетон ва таъсири тарқишҳо ба доираи озмоиш дохил нестанд.
• Аз натиҷаҳо ба умри воқеии хизматрасонии конструксия табдили мустақим анҷом дода нашудааст.

Маънои муҳандисии натиҷаҳо

Қавитарин натиҷаи таҳқиқот ин аст, ки таъсири ҳарорат ба карбонатсия набояд ҳамчун коэффисиенти доимӣ баррасӣ шавад. Ҳамон ҳарорат метавонад дар соатҳои аввали реаксия таъсири тезкунанда дошта бошад, вале дар марҳилаи баъдӣ бинобар тамомшавии барвақти реаксия нисбатан сусткунанда гардад.

Ин механизм махсусан барои экстраполятсияи озмоишҳои суръатёфтаи карбонатсия ба муҳити табиӣ муҳим аст. Реаксияи ҳамзамони C-S-H ва портландит дар 5% CO₂ метавонад аз механизми бештар пайдарпайе, ки дар шароити пасти атмосферии CO₂ ба амал меояд, фарқ кунад.

Аз ин рӯ дар моделҳои устуворӣ, ба ҷои коҳиш додани таъсири ҳарорат танҳо ба як коэффисиенти суръатбахши навъи Arrhenius, шояд лозим бошад, ки навъи гидрат, марҳилаи карбонатсия, консентратсияи CO₂, намӣ ва сохтори ковокҳо якҷоя арзёбӣ шаванд.

Ёддошт оид ба манбаъ ва усул

Номи пурраи аслии таҳқиқот: Temperature dependence of carbonation kinetics in cement hydrates: the controlling role of C-S-H carbonation

Муаллифон ва тартиби дурусти онҳо: Junho KIM; Kiyofumi NAKADA; Manabu KANEMATSU.

Муаллифи аввал: Junho KIM.

Ҳаммуаллифии аввал: Маълумот дар бораи ҳаммуаллифии аввал ё саҳми баробар нишон дода нашудааст.

Муаллифи масъул: Junho KIM.

Суроғаи тамоси муаллифи масъул: jh-kim@rs.tus.ac.jp

Пайвандҳои институтсионалӣ:

• Junho KIM — Department of Architecture, Faculty of Science and Technology, Tokyo University of Science, 2641 Yamazaki, Noda-shi, Chiba 278-8510, Ҷопон.
• Kiyofumi NAKADA — Department of Building Materials and Components, Building Research Institute, 1 Tachihara, Tsukuba-shi, Ibaraki-ken 305-0802, Ҷопон.
• Manabu KANEMATSU — Department of Architecture, Faculty of Science and Technology, Tokyo University of Science, 2641 Yamazaki, Noda-shi, Chiba 278-8510, Ҷопон.

DOI: 10.2139/ssrn.7199945

Маҷалла: Барои ин версия маҷаллаи тақризшаванда ё версияи ниҳоии қабулшудаи маҷалла тасдиқ нашудааст.

Платформаи нашр: SSRN.

Платформа: Платформаи SSRN-и Elsevier барои таҳқиқоти барвақтӣ ва preprint.

Санаи сабти SSRN: 29 июли 2026.

Соли нашр: 2026.

Навъи манбаъ: Preprint-и таҳқиқоти таҷрибавӣ, ки кинетикаи карбонатсияи вобаста ба ҳарорати гидратҳои сементро бо озмоишҳои назоратшавандаи суръатёфта меомӯзад.

Ҳолати тақриз: Таҳқиқот preprint-и аз тақриз нагузашта аст; натиҷаҳо бояд бо дарназардошти ин ҳолат арзёбӣ шаванд.

Пайванди расмии таҳқиқот:Саҳифаи расмии таҳқиқот дар SSRN

Пайванди DOI:https://doi.org/10.2139/ssrn.7199945

Маблағгузорӣ: Муҳаққиқон изҳор кардаанд, ки таҳқиқот аз ташкилотҳои маблағгузории давлатӣ, тиҷоратӣ ё ғайритиҷоратӣ гранти махсуси таҳқиқотӣ нагирифтааст.

Ин шарҳи тоҷикӣ танҳо бар асоси мазмуни илмии таҳқиқоти баррасишуда омода шудааст. Тағйироти масса, адсорбсия, натиҷаҳои XRD/Rietveld, TG-DTA, FT-IR ва фенолфталеин, инчунин ҳамаи муқоисаҳои ҳарорат ва вақти намунаҳои N ва BB якҷоя арзёбӣ шудаанд. Манбаъҳои беруна танҳо барои тасдиқи библиографии унвон, муаллифон, DOI, санаи сабти SSRN ва ҳолати нашр/тақриз истифода шудаанд; ба натиҷаҳои илмӣ аз манбаъҳои беруна натиҷаи нав илова нашудааст.

Маҳдудиятҳои асосии таҳқиқот шароити суръатёфта бо 5% CO₂, равиши намунаи хока, ки интиқоли CO₂-ро махсусан бартараф мекунад, давомнокии 24-соатаи озмоиш, фарзияи соддакунандаи гидратҳо дар ҳисоб кардани суръати C-S-H, ҳал нашудани механизми Фазаи II ва номувофиқии дохили манбаъ дар тартиби ҳарорати Фазаи III барои BB мебошанд. Аз ин рӯ натиҷаҳо набояд мустақиман ҳамчун умқи воқеии карбонатсияи бетон ё умри хизматрасонии конструксия тафсир шаванд.