בנטונייט Bentonite כימיה ושימושים

לירן לוין

חפירה בקרקע טבעית, כרייה, ביסוס וקידוח כלונסאות - מפרים את איזון הכוחות והלחצים התת קרקעיים באדמה וזאת בשל הוצאת או העברת הקרקע או חלק ממנה ויצירת ריכוז מאמצים באזור מסוים ללא מתן תמיכה קונסטרוקטיבית אמיתית.

בהיעדר תמיכה שכזו - נוכל להבחין (מיד עם תחילת החפירה באדמה) בהתמוטטויות מקומיות, במפולות בלתי צפויות ובמקרים מסוימים אף לא נוכל לחפור בקרקע מעבר למטרים בודדים בשל ההתמוטטויות המאסיבית שתתרחש לפנינו (חול, חול ים).

שמירה של אזור החפירה נקי ממפולות והתמוטטויות בלתי צפויות או לפחות מזעור תופעות אלו ושליטה בהם היא אחת מהמטרות שנעמיד לפנינו בהגיענו לבצע כל סוג של חפירה וקידוח.

הבנטונייט הוא חומר המופק מכריית סלע העשיר במינרלים על בסיס הסודיום .כאשר מינרל זה בא במגע עם מים הוא מקבל את היכולת להתנפח בשיעור ניכר ביחס למצבו במצב יבש , וכתוצאה מכך הוא הופך למאין ג`ל שכאשר מערבבים ובוחשים אותו הוא נהיה צמיג וכאשר הוא עומד במקום הוא שוב הופך לדליל וחוזר למצבו המימיי .

תופעה שידועה בשם טיקסוטרופיה והיא אחת מארבע תכונות ידועות של תמיסת הבנטונייט (האמולסיה של מינרל הבנטונייט + המים) שמשתמשים בה ליישומים בשטח ההנדסה האזרחית .

ארבעת התכונות האופייניות לתמיסה זו הן :

1. חלקלקות, שמנוניות .

2. יכולת איטום וטיוח .

3. יכולת להפוך לג`ל .

4. שליטה בסומך .

כאשר נערבב בנטונייט עם מים בשיעור נמוך של 1% ופחות מכך לא נוכל לגלות יכולות ויסקוזיות וג`לטיניות ונבחין בהצטברות וציפה של הבנטונייט על פני המים. תמיסת הבנטונייט, המורכבת מחלקיקים קולידייאלים (הנוטים להפרדות גבוהה-בעת במגע עם חומר אחר) חודרים אל האדמה הנקבובית הגרגרית ( עקב הפרשי לחצים ) ו"מתווכים" בין חלל הקדח ודופן האדמה .

במהלך תהליך זה, קבוצות של חלקיקי חומר הבנטונייט מתחילים "לתפוס" את החלל הטבעי הקיים בין חלקיקי האדמה ובכך מקשים על תנועתם ומונעים את התמוטטות הדפנות. ככל שעובר הזמן חודרים החלקיקים ומצטברים באזורים הנקבוביים כך שבסופו של עניין מתקבלות באזור זה תכונות הדומות לתכונות הג`ל ומכונות בשם Filter Cake .

עד מהרה (בדרך כלל לאחר כמה שניות) ה"פילטר" מכוסה בשכבה דקה של חלקיקי בנטונייט המכונה לעיתים "פילם מגן" כשבשלב זה המחסום הבלתי חדיר שנוצר - מאפשר תמיכה מספקת להמשך הקידוח. תכונות ה"פילטר" מושפעות מסוג האדמה ומגודל חלקיקיה, אולם לשם קבלת "פילטר" יעיל על החלקיקים להיות בתחום גדלים מסוים.

התכונות הפיסיקליות של חומר הבנטונייט (וכל חומר אחר) נגזרות ממספר המטענים החיוביים (הקטיונים) שנמצאים על פני השטח שלו. הבנטונייט מכיל סודיום שטעון במטען חיובי עודף וכאשר הוא בא במגע עם מים, הוא מתפרק ל"לוחות" קטני מימדים, שטעונים במטען חיובי בקצותם ובמטענים שליליים במרכז. כאשר תמיסת הבנטונייט נשארת ללא תזוזה, הלוחות מסתדרים ו"נקשרים" בשל המשיכה הבין מטענית והופכים במרקמם לג`ל. כאשר התמיסה מעורבבת - הקשרים נחלשים ונשברים והתמיסה הופכת מימית.

1. בנטונייט שעבר ערבוב - הקשרים הכימיים נשברו ונחלשו והתמיסה הפכה מיימית.
2. בנטונייט ללא ערבוב ומגע - נוצרו קשרים כימיים חזקים והתמיכה הפכה לג`ל.

בתמונה - כלונס יצוק לאחר שהבנטונייט נשאב וסולק ממנו (ניתן לראות עודפים סביב הכלונס)

צרות צרות צרות...

הפרשת מים (Bleeding)

תופעה זו הנקראת בשם "הפרשת מים" מתבטאת בהפרדות והצטברות של מים העולים מתוך המטריצה הצמנטית - אל פני הבטון (ראש הכלונס). התופעה מוכרת ביציקות סטנדרטיות ונראית כשכבה דקה של מים המצטברים בחלקו העליון של האלמנט היצוק - היוצרים מאין שכבת זכוכית דקה המופיעה בגמר היציקה. התופעה מתגברת בשימוש בתמיסת בנטונייט וזאת בשל אופי החלקיקים הקולודיאליים של תמיסת התימוך ומושפעת ישירות משיעור חלקו של הבנטונייט במים (כלומר ככל שנגדיל את כמות הבנטונייט אותו הוספנו למי התמיסה - תגבר תופעה ההפרשה) .

מי ההפרשה מופיעים מייד עם סיום היציקה ומופרשים כל עוד התנאים הפיסיקליים במטריצה מאפשרים זאת - כלומר כל עוד לא הסתיימה ההתקשרות של מי העיסה בגל הצמנטי. בפועל נבחין כי מרבית ההפרשה תסתיים בשעות הראשונות מסיום היציקה וזאת מאחר ועם התקדמות ההתקשרות וההתייבשות מהירות ההפרשה הולכת ופוחתת ובשלב מסויים כבר לא נוכל להבחין בה באופן משמעותי הניכר לעין .

על פניו, נדמה כי תופעת ההפרשה טובה היא מבחינת התרומה לחוזק הבטון וזאת מאחר והיא מפחיתה את כמות המים החופשיים בתערובת ותורמת בכך לחוזקו בשל הקטנת היחס מים\צמנט. בפועל, ניכר כי תופעת ההפרשה גורמת למספר תופעות שבאופן מעשי מפחיתות את חוזקו הסופי של הבטון.

סחיפת חומר דק: מאחר ומי התערובת עולים מעלה אל פני הבטון (מטעמי משקלם הסגולי) נוכל להבחין כי המים סוחפים איתם בדרכם את כל החומרים הדקים ובכללם את גרגרי הצמנט . חומרים אלו המצטברים על פני הבטון, בנוסף ל"יציאתם" ממאזן החומרים המתוכננים בתערובת יוצרים שכבה פריכה וחלשה של פני הכלונס המהווה פגם רציני בחלקו החשוב והקריטי של הכלונס - הוא ראש הכלונס (נושא במרבית המשקלים והמאמצים המתוכננים עליו). שכבה זו נוטה להתפורר ויש להסירה (באמצעות חציבת ראש הכלונס) בטרם נבנה עליה את קורות הקשר או את ראש הכלונס.
"תעלות": בשעת עליית המים אל פני הבטון נוצרים נקבים ותעלות המחלישות את הבטון ועושות אותו חדיר יותר לרטיבות ולחדירת חומרים אגרסיביים אחרים התוקפים את מוטות הזיון זאת בנוסף לפגיעה במטריצה עצמה.
הצטברות מים: מי העיסה מצטברים תחת האגרגטים וברזלי הזיון ויוצרים "נקודות תורפה" בין אזורי המגע של האגרגטים וברזלי הזיון עם העיסה הצמנטית ופוגעות בכך באיכות ההדבקה ביניהם ובכך מחלישות עוד יותר את חוזק הבטון .

ניתן למזער את תופעת ההפרשה על ידי שימוש מושכל ונכון של בחירת החומרים לתערובת. ככלל, עיסה לכידה וקוהרנטית תפחית במידה ניכרת את תופעת ההפרשה וזאת בניגוד לתערובת רזה או כזו שמכילה כמות מים רבה. דחיית זמן ההתקשרות (למשל על ידי שימוש במוספים מעכבים ) תגביר את תופעת ההפרשה וזאת מאחר וקיים "חלון זמן" רחב יותר המאפשר את עליית המים ולכן נשאף לקצרו למינימום האפשרי. שימוש במוספים כולאי אוויר מפחיתים במידה ניכרת את תופעת ההפרשה וזאת מאחר ובועות האוויר הנוצרות מהוות חסם פיסי ובכך לא מתאפשרת עליית המים אל פני הבטון .

הצטברות חומר עודף

במהלך היציקה עולה הבטון ו"מחליף" את תמיסת הבנטונייט. עםם עליית הבטון ויציאת הבנטונייט מהבור נופלים גושי אדמה וחומר מדפנות הקידוח ומצטברים בראש הכלונס. גושים אלו נוצרים פוגמים בראש הכלונס מאחר והם תופסים את מקומו של הבטון הקונסטרוקטיבי. בנוסף להצטברות אדמה בראש הכלונס , בשל אופי היציקה מצטברת אדמה בחלק נוסף של הבור: בתחתיתו וזאת עקב אי יכולת הבטון לדחוף למעלה את החומרים העודפים .

בנטונייט בוויקיפדיה

לירן לוין

לירן לוין. מייסד - שותף בקבוצת CivilEng יליד שנת 1975, נולד בנהריה ומתגורר ברעננה.

בוגר הפקולטה להנדסה אזרחית וסביבתית בטכניון משנת 2006 לתואר .B.Sc בהנדסה אזרחית, עובד כמנהל פרוייקט (תדהר בנייה, עץ השקד, סיון ביצוע, א.ארנסון).

בנוסף לעבודה כשכיר, הרקע המשפחתי ובעיקר בשל האהבה הגדולה למקצוע, הקים עם אייל לוין בתחילת שנת 2009 את קבוצת CivilEng - שהפכה במהרה למקום המפגש ול'בית הקפה' של אנשי המקצוע בענף הבנייה.

liran@civileng.co.il