مقاله رقیه زبیری؛ دانشجوی کارشناسی ارشد زمین شناسی مهندسی دانشگاه تربیت مدرس را در ادامه مطالعه می‌کنید.

آب یکی از اصلی ترین عوامل درگیر در اکثر فرآیندهای هوازدگی است (Krus, 1995; Künzel, 1994; Künzel and Krus, 1995; Mirwald, 1997: Snethlage, 1984; Weiss, 1992). تقریباً کلیه

فرآیندهای هوازدگی که در ساختارها و ساختمان‌ها اتفاق می‌افتد، با حضور آب کنترل می‌شود (مثلاً یخ زدگی و هوازدگی ناشی از نمک، چرخه‌های تر و خشک شدن، انبساط رطوبتی، فرآیندهای گرمایی و رطوبتی). بنابراین ویژگی‌های آب تأثیر بسیار زیادی بر پایداری بلند مدت سنگ‌های ساختمانی دارد. وجود آب همچنین در خواص پتروفیزیکی و مکانیکی سنگ‌ها تأثیر بسزایی دارد. این موضوع عمدتاً تحت تأثیر میزان رطوبت است، که از طرف دیگر توسط فضای منافذ سنگ کنترل می‌شود. فضای منافذ و سیستم منافذ با میزان جذب آب، توانایی انتقال آب و اندازه سطح در دسترس برای تعامل شیمیایی رابطه دارد خواص مهم رطوبتی در اینجا جذب، نفوذ پذیری بخار آب، جذب آب مویینه، مقدار کل آب جذب شده خصوصیات آبزدایی است.

در بین پارامترهای مختلف جذب آب که تعیین می‌شوند، جذب آب به واسطه غوطه وری تحت فشار اتمسفر یا تحت شرایط خلاء اندازه گیری می‌شود. از این مقادیر خاص، درجه اشباع یک نمونه سنگی به دست می‌آید. همچنین جذب آب مویینگی، که به مویینگی نمونه بستگی دارد (هنگامی که تنها یک سطح در تماس با آب مایع است)، دارای اهمیت است. جذب آب کلی و جذب آب مویینگی از مکانیسم‌های آبزدایی در یک سنگ متخلخل است که به حرکت آب مایع و بخار آب خارج از سیستم منافذ مربوط می‌شود. تعیین جذب بخار آب یکی از اندازه گیری‌های استاندارد برای توصیف مصالح ساختمانی از جمله سنگ‌های ساختمانی است.

برای درک خواص رطوبتی، مشخصات آن و موارد مرتبط با جابجایی بخار آب، دو جنبه از اهمیت برخوردارند:

اولاً خصوصیات فضای منافذ با توجه به شکل، سطح مقطع مساحت سطح و اتصال سه بعدی منافذ و دوم، تعامل بین فازهای مختلف (هوا، بخار آب، آب مایع) در فضای منافذ.

شکل مکانیسم‌های انتقال آب و رابطه آن با اندازه حفرات جذب آب مویینه (Klopfer, 1985)

جذب آب مویینه

یک سنگ ساختمانی متخلخل، جذب آب را هنگام قرارگیری در معرض باران و یا هنگام تماس با آب‌های زیرزمینی تجربه می‌کند. به طور کلی، یک محیط متخلخل متوسط در تماس با آب، آن را توسط مویینگی جذب می‌کند. این یک فرآیند خود به خودی مربوط به نیروی جذب مویینگی است که در منافذ بین قطرهای ۱۰ میکرومتر تا ۱ میلیمتر اتفاق می‌افتد. جذب مووینگی تعادل بین کشش سطحی آب و نیروهای جاذب دیواره منافذ، که معمولاً سطح یک کانی قطبی می‌باشد، است.

آب در این سطوح قطبی زاویه خیس شدن مشخصی را نشان می‌دهد که در نهایت منجر به تمایل آب برای ورود به سیستم منافذ می‌شود که به آن خاصیت مویینگی یا مکش مویینگی می‌گویند. مکانیسم جذب آب مویینگی عمدتاً به اندازه منافذ سیستم منافذ بستگی دارد.

شکل عوامل مختلف انتقال و نیروهای محرکه آنها در سنگ‌های متخلخل با مقدار آب متفاوت (Holm, 2001)

جذب آب مویینه مواد متخلخل را می‌توان از طریق ضریب جذب آب (مقدار w) توصیف کرد. در آزمایشگاه این کار را می‌توان با استفاده از یک نمونه سنگ استوانه ای یا مکعبی که فقط قسمت پایین آن در یک حوضچه پر از آب قرار دارد، تعیین کرد. مکعب این تست معمولاً دارای طول ۵ سانتی متر است. باید دقت کرد که جذب آب فقط و به طور مداوم از طریق قسمت پایین نمونه اتفاق می‌افتد. برای این منظور، حوضچه باید به اندازه کافی بزرگ باشد تا در طی آزمایش جذب، تغییر قابل توجهی در سطح آب آن ایجاد نشود.

جذب آب مویینه در سنگ‌های متفاوت بعد از ٦٠ دقیقه و بعد از ۱۲ ساعت. برای ماسه سنگ، دو نمونه استفاده شده است. یکی لایه رسوب گذاری موازی با سطح آب و دیگری عمود با سطح آب (Siegesmund and Dürrast, 2011)

مقدار صعود موئینه در سنگ‌هایی با منشاء یکسان متفاوت است. اگر چه در سنگ‌هایی با منشأ یکسان مانند گرانیتوئید در ابتدا تفاوت زیادی ندارند ولی با افزایش زمان، اختلاف چشمگیری در ارتفاع صعود موئینه ایجاد می‌شود. مقدار ارتفاع صعود موئینه به قطر منافذ، تخلخل موثر و نحوه پیوستگی، ترکیب شیمیایی و همچنین سنگ شناسی با اتصال منافذ نمونه وابسته است.

جذب آب غوطه وری

میزان جذب آب تفاوت بین وزن نمونه غوطه ور در آب و وزن خشک آن است. برخلاف جذب آب مویینگی که در قسمت قبل مورد بحث قرار گرفت، می‌توان مقدار جذب کل آب را با روش‌های مختلف مشخص کرد (شکل ۳-۸). روش‌های معمول برای اندازه گیری غوطه وری، تحت فشار اتمسفر و در شرایط خلاء انجام می‌گیرد.

صعود آب موئینه در انواع گرانیتوئید با گذشت زمان (محدوده رطوبت نمونه با رنگ قرمز مشخص شده است)  (Sousa et al., 2018)

توانایی جذب آب یک سنگ با تخلخل آن رابطه نزدیکی دارد. به طور کلی، هرچه مقدار تخلخل مؤثر بیشتر باشد، جذب کل آب نیز بیشتر است. با این حال، توانایی جذب کلی آب در یک سنگ، مربوط به تخلخل کل آن نیست، بلکه به درصد منافذ قابل دسترسی برای آب در شرایط عادی است. مقدار جذب کل آب در شرایط فشار اتمسفر نشان می‌دهد که مقدار سنگ در هنگام قرارگرفتن ۳ تا ۵ سانتیمتر زیر سطح آب چقدر می‌تواند در طول ٢٤ ساعت آب جذب کند.

اندازه گیری جذب آب وقتی که نمونه به طور کامل در آب غوطه ور است. منحنی وزن نمونه که در طول زمان افزایش پیدا می‌کند تا به وزن ثابتی می‌رسد (Siegesmund and Durrast, 2011)

خصوصیات آبزدایی

ویژگی خشک شدن در یک سنگ ساختمانی عامل بسیار مهمی است که مقاومت در برابر هوازدگی را به وضوح کنترل می‌کند. خشک شدن سنگ‌های ساختمانی مرطوب یک فرآیند چند مرحله ای است که عمدتاً با رطوبت هوا و حرکت آن اداره می‌شود. هر چه یک سنگ ساختمانی سریع تر خشک شود، احتمال اینکه یخ زدگی یا تبلور نمک در سنگ را تجربه کند کمتر است. در فرایند خشک شدن مصالح متخلخل ساختمانی به طور کلی، دو مرحله قابل تشخیص است. مرحله اول با کاهش سریع در میزان رطوبت مشخص می‌شود، که روند تقریباً خطی را نشان می‌دهد. این مسیر خشک شدن به عنوان انتقال رطوبت مویینگی از داخل نمونه به سمت سطح نمونه تعریف می‌شود. پس از رسیدن به رطوبت بحرانی (Vos, 1978)، سرعت خشک شدن شروع به کاهش می‌کند. در مرحله دوم فرآیند خشک شدن، انتقال رطوبت مویینگی کاملاً جایگزین شده و توسط فرآیندهای هدایت بخار آب، که مربوط به مکانیسم تبخیر در سطوح داخلی منافذ است، کنترل می‌شود. هنگامی که رطوبت موجود در نمونه سنگ و هوای مجاور در تعادل باشد، روند خشک شدن متوقف می‌شود.

خصوصیات آبزدایی همچنین توسط دما کنترل می‌شود. زیرا کرانز (1983) نشان داده است که درجه حرارت بحرانی گرانیت ها، به عنوان مثال: در دمای ۷۴ درجه سانتیگراد است؛ جایی که ریز ترک‌های ناشی از گرما شروع به شکل گیری می‌کنند (Kranz, 1983). برای مرمر دمای بحرانی برای رشد ترک بسیار پایین تر است (Battaglia et al., 1993). ویتور (1993) نشان داده است که میزان خشک شدن یک آمفیبولیت می‌تواند بسیار کند باشد و حتی پس از ۵/1 ماه، نمونه هنوز هم آب از دست می‌دهد؛ اگرچه سرعت آن بسیار کند است. در واقع افزایش درجه حرارت خشک شدن تا ۹۰ درجه سانتیگراد باعث افزایش قابل ملاحظه ای در میزان خشک شدن آن نمی‌شود. توضیح این مسئله که آب به دام افتاده در سنگ در زمان‌های طولانی مدت باقی می‌ماند، دشوار است.

منحنی آبزدایی برای a: توف وایبرنر، b: ماسه سنگ بامبرژر، c: کوارتز پورفیری بوزن. خطوط نازک نشان دهنده مقدار آب در برابر زمان و خطوط پررنگ نشان دهنده سرعت آبزدایی در برابر زمان است (Franzen and Mirwald, 2004).

جذب سطحی رطوبت

شبکه تخلخل با سطح خاص خود در تعامل مداوم با رطوبت جو اطراف هستند که باعث جذب مولکول‌های آب در سطح آنها است. در سطح نم بین، جذب سطحی آب یک سنگ توسط میزان رطوبت هوا تنظیم می‌شود و به دو قسمت جذب (جذب رطوبت) و دفع (از دست دادن رطوبت) تقسیم می‌شود.

ایزوترم معمول مواد با منافذ کوچک (Kiel, 1983)

مولکول‌های آب از طریق فعل و انفعالات ضعیف پیوندهای هیدروژن و نیروهای وان دروالسی، خود را به سطح دیواره‌های منافذ متصل یا جدا می‌کنند. در رطوبت هوای معین، تعادل دینامیکی بین جذب و دفع مولکول‌های آب برقرار می‌شود، یعنی تعادل جذبی، که ترمودینامیکی تابعی از فشار جزئی بخار آب یا رطوبت نسبی هوا در دمای ثابت است. رطوبت جذبی یا محدوده نم بین تا تعادل مقادیر رطوبت ۹۵ درصد گسترش می‌یابد.

تعیین مقدار رطوبت در حالت تعادل در رطوبت نسبی معین، پایه ای برای تعیین ایزوترم‌های جذب است. و از آنجا که فرآیندهای درگیر وابسته به دما هستند این ایزوترم‌ها برای هر نوع سنگ مشخص و خاص است. ایزوترم جذب میزان جذب آب در رابطه با رطوبت نسبی هوای اطراف را توصیف می‌کند، در حالی که ایزوترم دفع آب، آب آزاد شده وقتی که رطوبت نسبی کاهش می‌یابد را نشان می‌دهد.

انتشار بخار آب

نفوذ پذیری گاز در یک سنگ از ویژگی‌های مهم برای خشک شدن یک سطح منفذ مرطوب است. در آغاز فرآیند خشک شدن یک ماده خیس یا کاملاً مرطوب، مویینگی نقش مهمی ایفا می‌کند. آبزدایی بیشتر، به وسیله انتشار بخار آب تا زمانی که میزان رطوبت به تعادل برسد (که وابسته به شرایط محیطی است) مشخص و تعیین می‌شود. بنابراین، انتشار بخار آب برای دوام سنگ ساختمانی از اهمیت بالایی برخوردار است (Schuh, 1987). انتشار بخار آب از هوای اطراف از بین یک ماده متخلخل توسط دو نوع انتشار کنترل می‌شود:

۱) انتشار بخار آب، بر اساس حرکت مولکول‌های آب در فاز گاز از بین فضای منافذ.

۲) انتشار سطحی، جابجایی مایع در لایه جذبی از مواد متخلخل نم بین.

لایه جذبی در دو طرف یک حفره یکسان، ضخامت‌های مختلفی را به دلیل تفاوت در رطوبت نسبی نشان می‌دهد. هنگامی که یک مولکول آب وارد قسمت ضخیم تر لایه جذبی به جای طرف نازکتر می‌شود، یک مولکول دیگر آب بلافاصله لایه جذبی را ترک می‌کند. این جابجایی سریعتر از فاز گاز است (Klopfer, 1985).

منابع

Künzel, H.M., 1994. Verfahren zur ein-und zweidimensionalen Berechnung des gekoppelten Wärme-und Feuchtetran-ports in Bauteilen mit einfachen Kennwerten, Universität Stuttgart Stuttgart.

Künzel, H.M., Krus, M., 1995. Beurteilung des Feuchteverhaltens von Natursteinfassaden durch Kombination von rech- nerischen und experimentellen Untersuchungsmethoden. Restoration of Buildings and Monuments, 1(1): 5-20.

Krus, M., 1995. Feuchtetransport-und Speicherkoeffizienten poroeser mineralischer Baustoffe: theoretische Grundla-gen und neue Messtechniken, na.

Mirwald, P., 1997. Physikalische Eigenschaften der Gesteine. Ebner Verlag, Ulm.

Snethlage, R., 2005. Leitfaden Steinkonservierung. Fraunhofer IRB, Stuttgart, 289.

Weiss, G., 1992. Die Eis-und Salzkristallisation im Porenraum von Sandsteinen und ihre Auswirkungen auf das Gefüge.