خواص حرارتی بتن چیست؟ در دنیای امروز، بتن پس از آب پرمصرف‌ترین ماده روی کره زمین بتن است. چرا که با شناخت ویژگی های آن می‌توان به درک درستی از رفتار بتن رسید و پروژه های عمرانی با کیفیت تری ارائه داد. خواص حرارتی بتن، از مهم ترین خواص فیزیکی این ماده بوده و دارای پارامترهای مختلفی است که در ادامه به آن ها خواهیم پرداخت .مصالح اصلی تشکیل دهنده بتن، سیمان و سنگدانه است وایجاد تغییرات روی آن ها می‌تواند منجر به تغییر در خواص حرارتی بتن و خواص مقاومتی بتن شود. در شرایطی که خواص حرارتی دچار تغییر شود، بتن می‌تواند از خود رفتار های متفاوتی نسبت به حالت عادی نشان دهد.
مثلا می‌تواند مقاومت خود را که از شاخصه های اصلی اش است از دست داده و دچار ترک خوردگی شود. در ادامه ی این مقاله از بتن کاور به بررسی کامل خواص حرارتی بتن اهمیت و نقش آن در مقابله با آتش سوری می پردازیم، همراه ما باشید.
پارامترهای موثر در خواص حرارتی بتن
خواص حرارتی بتن، مجموعه ای از پارامترهای متفاوت است. از پارامترهای حائز اهمیت این مجموعه می‌توان به هدایت حرارتی، گرمای ویژه و ضریب انبساط حرارتی اشاره کرد. حال به تبیین معنا و مفهوم هر یک از این پارامتر ها خواهیم پرداخت.
- هدایت حرارتی : به صورت آهنگ عبور و انتقال حرارت از میان ماده ای با سطح و ضخامت واحد، زمانی که بین دو وجه آن ماده تفاوت دما وجود داشته باشد، تعریف می‌شود. به عبارت ساده تر به جا به جایی انرژی حرارتی که بین ذرات با انرژی و حرارت بیشتر و ذرات با انرژی و حرارت کمتر یک ماده رخ می‌دهد هدایت حرارتی گفته می‌شود.
طبق آزمایشاتی که تا کنون انجام شده اند، هدایت حرارتی در یک ماده با مساحت سطح و اختلاف دمای دو سمت آن ماده، رابطه مستقیم و با ضخامت آن، رابطه معکوس دارد.پس هرچه سطح یک ماده وسیع تر، اختلاف دمای دو سطح آن بیشتر و ضخامت آن کمتر باشد هدایت حرارتی آن بیشتر است و برعکس.
قابل ذکر است که در محاسبات مربوط به هدایت حرارتی از ضرایب متفاوتی استفاده می‌شود که یکی از آن ها ضریبی به نام K است. در واقع K، نسبتی ثابت است و به آن ضریب ثابت هدایت حرارتی گفته می‌شود. از دیگر ضرایب مهم در این بخش R وU هستند. R، نشان دهنده مقاومت حرارتی ماده وU، ضریب انتقال حرارت است.
Q=-kA dT/dx
A، به مساحت سطح، dT، به تغییرات دما و dx، به تغییرات طول اشاره دارد.
- گرمای ویژه : به مقدار حرارتی که لازم است تا دمای یک کیلوگرم از یک ماده به اندازه یک درجه سانتی گراد تغییر کند گفته می‌شود. گرمای ویژه بتن، به طور معمول عددی بین ۸۴۵ تا ۱۱۸۰ ژول بر کیلوگرم بر درجه سانتی گراد است. گرمای ویژه را با c نمایش می دهند و از رابطه زیر قابل محاسبه است.
c=Q/m∆T
Q، مقدار گرمای مبادله شده، m، جرم ماده و ، تغییرات دما است.
- ضریب انبساط حرارتی (Thermal expansion coefficient) : به میزان تغییر طول یک ماده به ازای یک درجه تغییر دما گفته می‌شود. تغییرات طول ایجاد شده در ماده، ناشی از انقباض در هنگام کاهش دما و یا انبساط در هنگام افزایش دما است. ضریب انبساط حرارتی به طور معمول با واحد میلیونیم بر درجه سانتی گراد بیان می‌شود و میانگین آن برای بتن های سخت شده ۱۰ است.
ضریب انبساط حرارتی از رابطه
∝=(1/L0) (ΔL/ΔT)
به دست می آید. ∆L، به تغییرات طول و ∆T، به تغییرات دما اشاره دارد. L0، طول اولیه ماده است.
عوامل موثر بر خواص حرارتی بتن
ترکیبات (شیمیایی و کانی شناسی) سنگدانه ها، یکی از موارد مهم و تاثیرگذار روی خواص حرارتی بتن است. تاثیر آن روی هدایت حرارتی و ضریب انبساط حرارتی، قابل توجه و روی گرمای ویژه، بسیار اندک است. به طوری که آن را مورد بررسی قرار نمی‌دهیم.
در بحث هدایت حرارتی، بازالت و تراخیت از جمله سنگدانه هایی هستند که هدایت حرارتی اندکی دارند و استفاده از این سنگدانه ها برای ساخت بتن، منجر به کاهش هدایت حرارتی آن می‌شود. در مقابل، استفاده از سنگدانه هایی مانند کوارتز، دولومیت و سنگ آهک که هدایت حرارتی خوب و بالایی دارند، این خاصیت ( خواص حرارتی بتن ) را در بتن افزایش می‌دهد.
ضریب انبساط حرارتی کوارتز هم، مانند خاصیت هدایت حرارتی آن بالا است. پس بتن ساخته شده از کوارتز، هم ضریب انبساط حرارتی و هم هدایت حرارتی زیادی دارد، اما ضریب انبساط حرارتی بعضی از سنگ های آهک بر خلاف هدایت حرارتی‌شان کم است و بتن های حاصل از آن ها هم، ضریب انبساط خوبی نخواهند داشت.
عامل موثر دیگر بر خواص حرارتی بتن، دما است. طبق آزمایش هایی که در دمای ۲۴ درجه تا ۸۱۵ درجه سانتی گراد روی بتن ها صورت گرفته است، محققان متوجه شده اند که تغییرات ایجاد شده روی حجم بتن ها در دماهای کمتر از ۴۲۷ درجه به دلیل کاهش وزن ناشی از کاهش آب موجود در ساختار بتن است، اما در دمای ۴۲۷ درجه و بالاتر از آن، دیگر آبی در ساختار بتن وجود ندارد.
پس تغییرات حجم بتن ها، نه به دلیل کاهش آب موجود در آن ها، بلکه به دلیل تغییر در ترکیب شیمیایی سنگدانه ها است و به دلیل همین تغییر، ضریب انبساط حرارتی در دماهای بالاتر از ۴۲۷ درجه سانتی گراد به طور قابل توجهی بیشتر می‌شود.
اهمیت خواص حرارتی بتن و کاربرد آن ها
خاصیت هدایت حرارتی بتن، در رابطه با تغییرات دما در بتن حجیم، از اهمیت بالایی برخوردار است. همانطور که پیش تر گفتیم، بتن، حاصل از واکنش سیمان و سنگدانه است که این واکنش، نوعی واکنش گرماده بوده و به گرمای حاصل از آن، حرارت هیدراتاسیون گفته می‌شود. این حرارت در بتن هایی که کم ضخامت هستند یا ضخامت متوسطی دارند مورد بررسی قرار نمی‌گیرد زیرا به سرعت اتلاف شده و از بین می‌رود، اما این قضیه در بتن حجیم متفاوت است.
حرارت ایجاد شده در بتن حجیم زمانی که دما به اندازه قابل ملاحظه ای افزایش پیدا می‌کند ضمن گیرش بتن، به کندی آزاد می‌شود و در پایان، با سرد شدن بتن و انقباضاتی که درون آن صورت می‌گیرد، تنش هایی کششی درون بتن به وجود می‌آید که ممکن است باعث ترک خوردن یا حتی تجزیه شدن بتن شود. پس روند اتلاف حرارت در بتن های حجیم بسیار مهم بوده و هرچه با سرعت بیشتری پیش رود احتمال ترک خوردن بتن کاهش می‌یابد.
در همین جهت، برای افزایش سرعت اتلاف حرارت و کاهش احتمال ترک خوردگی می‌توان از بتن هایی با هدایت حرارتی زیاد استفاده کرد. بررسی میزان هدایت حرارتی بتن از اقداماتی است که در جهت تعیین روش های پیش خنک کنندگی، درجه حرارت های بتن ریزی و طراحی سیستم خنک سازی در سازه های بتنی بسیار حجیم صورت می‌پذیرد.
توجه به خاصیت حرارتی، همچنین در جهت حذف تقطیر در بتن، حائز اهمیت است. تقطیر به واکنش های شیمیایی میعان و تبخیر که پشت سر هم و به صورت متوالی اتفاق می‌افتند، گفته می‌شود. به عنوان مثال، زمانی که در یک دیوار تقطیر رخ می‌دهد مایعات موجود در فضا، تحت تاثیر حرارت به بخار تبدیل شده و همین بخار ها سرد شده و دوباره به مایع تبدیل میشوند و به این صورت باعث ایجاد رطوبت در دیوار میشوند.
بنابراین ما با حذف تقطیر می‌توانیم مانع از به وجود آمدن نم و رطوبت در سازه بتنی شویم. برای این کار، باید ضریب U ( انتقال حرارت) که از ضرایب مهم در بحث هدایت حرارتی است را مورد توجه قرار دهیم. هرچه مقدار این ضریب، کمتر باشد مقاومت در برابر رطوبت، بیشتر خواهد بود.
حداکثر مقدار U در هر سازه بتنی که می‌تواند مانع از فرآیند تقطیر شود، با استفاده از روابط و فرمول های خاصی محاسبه می‌شود. اگر مقدار U در سازه بتنی ما، از عدد به دست آمده طی محاسبات، بیشتر باشد، سازه بتنی، دیگر مقاومت لازم در برابر نم و رطوبت را نخواهد داشت.
دیگر خاصیت حرارتی بتن، ضریب انبساط حرارتی است. ترک هایی که در بتن های جوان ایجاد میشوند تا حد زیادی تحت تاثیر ضریب انبساط حرارتی هستند. بنابراین برای جلوگیری از ترک خوردگی های مذکور، باید تا حد امکان، این ضریب را کاهش دهیم.
نقش خواص حرارتی بتن در عایق سازی سازه های بتنی و مقابله با آتش
بتن مقاومت خوبی از خود در برابر آتش نشان می‌دهد و می‌توان از آن برای عایق سازی دیوار ها در برابر آتش استفاده کرد. از ویژگی های مثبت بتن در مقابله با آتش، می‌توان به مقاوم بودن آن در برابر نفوذ شعله و انتقال حرارت اشاره کرد. اما در این میان باید نکاتی را در نظر بگیریم. دوام دیوار بتنی در مقابل آتش به ضخامت دیوار، نوع ساخت، نوع سنگدانه‌ها، و کیفیت بتن وابسته است.
در دما های بالاتر از ۴۲۷ درجه، مقاومت بتن دربرابر دما به طور جدی کم می‌شود و طبق اطلاعات ذکر شده در بخش اثرات دما بر خواص حرارتی بتن، این کاهش مقاومت به دلیل تغییرات ایجاد شده روی ترکیبات شیمیایی سنگدانه ها و به دنبال آن افزایش چشمگیر ضریب انبساط حرارتی در آن ها است که موجب انبساط زیادی در آن ها می‌شود.
از طرف دیگر خمیر سیمان به دلیل کاهش رطوبتی که در آن رخ می‌دهد، تمایل به انبساط و به دلیل افزایش دمای محیط، تمایل به انقباض دارد. در مجموع، این انقباض ها و انبساط های متضاد باعث ترک خوردگی و قلوه کن شدن بتن میشوند.
از این رو، ضروری است که مهندسان با تاثیراتی که افزایش دما روی خواص حرارتی بتن و مقاومتی بتن می‌گذارد به خوبی آشنا باشند و هنگام ساخت سازه های بتنی، آن ها را درنظر گیرند.
سخن پایانی
از مهم ترین خواص فیزیکی بتن می‌توان خواص حرارتی را نام برد. به دلیل این که استفاده از بتن در سراسر دنیا در سطحی وسیع در حال وقوع است، مطالعه خواص حرارتی بتن، تاثیرات آن و عوامل تشدید کننده یا کاهنده این خواص، بسیار مهم و از جایگاه ویژه ای برخوردار است و در هنگام ساخت سازه های بتنی، نقشی کلیدی و تعیین کننده دارد.
از مهم‌ترین این نقش ها می‌توان به مشخص کردن روش های پیش خنک کنندگی و طراحی سیستم های خنک سازی در سازه های بتنی حجیم و مقاوم سازی سازه در برابر رطوبت و تقطیر اشاره کرد.