امروزه در صنعت ساخت و ساز، دوام مصالح مصرفی ساختمانی اهمیت بسیار زیادی دارد. هرچه مصالح مصرفی، دوام بیشتری داشته باشند، هزینه های تعمیر، نگهداری و بازسازی سازه ها در اثر آسیب دیدگی و تخریب مصالح مصرفی کمتر می شود. علاوه بر هزینه کمتر و به صرفه، دوام بیشتر مصالح ساختمانی در حفظ محیط زیست و جلوگیری از آلودگی آب، خاک و هوا نیز نقش موثری را ایفا می کند.
در سال های اخیر، طراحان و مهندسان سازه های بتنی، اغلب به مشخصات مقاومت بتن علاقمند بودند. با توجه به رشد و پیشرفت دنیای امروز، باید برای دوام بتن نیز اهمیت ویژه ای قائل شد؛ زیرا دوام بتن، نقش بسیار مهم و اثرگذاری در پایداری و عمر یک سازه بتنی دارد.
توجه به دوام و پایایی بتن، به عنوان یکی از پر مصرف ترین مصالح ساختمانی، سبب افزایش کیفیت ساخت و ساز در این زمینه شده است. در مقاله حاضر بتن کاور، به بیان مفهوم دوام بتن، اهمیت، عوامل مؤثر و ارزیابی روش ها و آزمایش های آن اشاره شده است. در ادامه همراه ما باشید.
دوام بتن چیست؟
بر اساس تعریف کمیته ۲۰۱ انستیتوی بتن آمریکا (ACI)، دوام و پایایی بتن سیمان، به میزان مقاومت آن در برابر عوامل هوازدگی، حمله شیمیایی، سایش یا هر فرآیندی که موجب آسیب دیدگی مواد آن شود، گفته می شود.
از آن جایی که سن بتن به جهت خدمت رسانی، با توجه به شرایط محیطی آن در نظر گرفته می شود، در شرایط محیطی متفاوت، دوام یا پایایی بتن متغیر است. بنابر این بتن با دوام و پایایی مناسب، بتنی است که شکل اولیه، کیفیت و قابلیت خدمت دهی خود را در شرایط محیطی اش حفظ کند.
به عنوان مثال: دوام بتن در مناطق سردسیری به علت سرما و یخ زدگی بتن، متفاوت تر از کشور های گرمسیری است؛ به همین جهت، برای افزایش دوام بتن، از سنگ دانه های مناسب با نفوذ پذیری کمتر (نسبت آب به سیمان پایین تر) در ساخت بتن آماده استفاده می کنند.
اهمیت دوام بتن
موضوع دوام بتن بسیار موثر و از نظر اقتصادی بسیار مهم می باشد. به همین جهت، امروزه در طراحی سازه ها، باید به مشخصات دوام مصالح مورد نظر، همانند سایر مشخصات و ویژگی های آن (خواص مکانیکی، هزینه و قیمت اولیه) توجه کرد و آن را مورد ارزیابی قرار داد. در ابتدای کار، باید به دوام بیشتر از نظر تأثیرات اقتصادی و اجتماعی توجه شود؛ زیرا افزایش روز افزون هزینه های تعمیر و جایگزینی سازه ها که ناشی از خرابی مصالح است، بخش عمده ای از کل بودجه ساختمان سازی را به خود اختصاص می دهد.
بر اساس گزارش های اعلام شده، در کشور های صنعتی بیش از ۴۰% کل منابع صنعت ساختمان در قسمت تعمیر و نگهداری سازه های موجود و کمتر از ۶۰% آن برای احداث ساختمان های جدید به کار گرفته می شود.
امروزه استفاده از بتن در محیط های آسیب زا در حال افزایش است؛ از جمله این محیط ها می‌توان به سکو های فراساحل، مخازن نگهداری گازهای مایع در دمای سرمازا و راکتور های تحت فشار بالا در صنایع هسته ای اشاره نمود. این محیط ها احتمال تلفات جانی، خسارات مالی و خرابی زودرس را افزایش می دهد. به همین دلیل باید موضوع دوام بتن را جدی بگیریم. زیرا علاوه بر هزینه، بر حفظ محیط زیست و آلودگی هوا و خاک و آب کره زمین و حفظ منابع خدادادی طبیعی کروه زمین نیز تاثیرگذار است و انسان را به با دوام تر ساختن بتن ترغیب می نماید.
عوامل مؤثر بر نقش دوام بتن
از آن جا که علل فیزیکی، شیمیایی و مکانیکی بسیاری بر آسیب دیدگی بتن تأثیر می گذارند، مطالعه عوامل موثر آن، فرصت بسیار مناسبی برای شناخت و بررسی میزان پیچیدگی دوام پذیری بتن است. عوامل بسیاری بر نقش کاهندگی و افزایندگی دوام بتن مؤثرند که از جمله آن ها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
6 عامل کاهنده بتن
عوامل موثر بر کاهش دوام بتن متغیر است. برخی از این عوامل بیرونی و تحت تاثیر شرایط محیطی است و برخی از عوامل درونی و ناشی از این که بتن از ترکیب چه موادی ساخته شده است، هستند. عوامل کاهنده بتن شامل موارد زیر است:
- یخبندان های مکرر
یخ زدن مکرر بتن در آب و هوای سرد که یک پدیده فیزیکی است، سبب خراب شدن بتن می شود. این آسیب با بروز یخ زدایی مواد شیمیایی تشدید می شود. در این موارد باید از افزودنی حباب ساز، سنگ دانه های مناسب، نسبت آب به سیمان پایین و نفوذ پذیری کم در ساخت بتن استفاده شود. در مناطق سردسیری، وجود بتن اسفنجی به دلیل مقاومت بالا در برابر یخ زدگی کاربرد زیادی دارد.
- عوامل شیمیایی خورنده
تراوش محلول های اسیدی به درون خمیر سیمان، واکنش های انبساط زای ناشی از حملات سولفاتی، واکنش قلیایی سنگ دانه ها و خوردگی آرماتور در داخل بتن، اسیدهای قوی، املاح و مواد مضر موجود در خاک و آب و… از جمله عوامل شیمیایی خورنده هستند که سبب کاهش دوام بتن می شوند. برای مقابله با آن ها باید از سیمان مناسب، نسبت های صحیح اختلاط و ساختن بتن با نفوذ پذیری کمتر استفاده نمود.
- فرسایش
فرسایش یکی دیگر از عوامل مکانیکی کاهنده پایایی بتن محسوب می شود. استفاده از بتن مرغوب و در موارد شدید تر استفاده از سنگ دانه های بسیار سخت می تواند باعث افزایش پایایی بتن برای مقابله با فرسایش آن شود.
- تخریب در اثر خوردگی میلگرد
در اثر خوردگی آرماتور، ممکن است سطوح بتنی قلوه تخریب شده و آسیب ببیند. این پدیده بیشتر در عرشه پل ها در مناطق سردسیر، در صورت استفاده از مواد شیمیایی یخ زدا و همچنین در سازه های بتنی در مناطق گرمسیر و مرطوب رخ می دهد.
- مصالح مورد استفاده
اگر شن و ماسه مورد استفاده حاوی کلر و سولفات و یا تیز‌گوش و یکنواخت باشند، بتن دچار خوردگی می شود و شیره بتن از دست می رود؛ در نتیجه بتن نیازمند به آب بیشتری است.
- خطا های اجرایی
منظور از خطا های اجرایی، عمل آوری، انبار کردن و تراکم نا مناسب بتن می باشد. تراکم نا مناسب بتن، باعث ایجاد حفره و فضای خالی در آن شده و مقاومت آن را کمتر می کند.
عوامل افزاینده بتن
عموماً آب در تمام اشکال آسیب دیدگی بتن دخالت دارد. بنابر این، ساختمان و خواص آب با در نظر گرفتن شرایط، می تواند باعث افزایش یا کاهش دوام بتن شود. علاوه بر خواص آب، می توان به موارد زیر اشاره کرد:
استفاده از مواد حباب ساز
از عوامل موثری که باعث افزایش دوام بتن می شود، استفاده از مواد افزودنی حباب ساز است که می‌‌تواند از بتن در شرایط ذوب و یخ متناوب به مقدار بسیار زیادی محافظت کند.
در صورت قرار گرفتن بتن در معرض پدیده یخ زدن و آب شدن، با کنترل درصد حباب هوا میان ۴ تا ۶ % می توان از احتمالات بعدی آن پیشگیری کرد.
- نسبت آب به سیمان
یکی دیگر از عوامل بسیار مهم در دوام بتن، نسبت آب به سیمان است. برای مثال اگر بتن در معرض یخ زدن و آب شدن در شرایط مرطوب و تر، خشک شدن مکرر و یا مواد شیمیایی یخ زدا قرار گیرد، برای افزایش دوام بتن حداکثر نسبت آب به سیمان ۰.۴۵ و حداقل مقاومت۳۰ است.
نکته: در صورت استفاده از سیمان اضافه، ممکن است مشکلاتی از جمله انقباض، خشک شدن و واکنش قلیایی سیلیس رخ دهد که در نهایت بر دوام بتن تأثیر بسیاری می گذارد.
- سولفات در بتن
استفاده از سولفات در ترکیبات بتن نیز باعث افزایش دوام بتن می شود. با این حال، مقدار کل سولفات محلول در آب بتن باید % ۴ وزنی سیمان مصرفی و مقدار کل سولفات از % ۵ درصد وزنی سیمان بیشتر نباشد.
- کلرید در بتن
برای جلوگیری از خوردگی میلگرد ها که باعث کاهش دوام بتن می شوند، استفاده از کلرید در ترکیبات بتن ایده مناسبی است. به شرط آن که مقدار مجاز آن در انواع مختلف بتن رعایت شود. به عنوان مثال: حداکثر کلرید قابل حل در آب در بتن، درصد نسبت به وزن سیمان در بتن پیش تنیده ۰.۰۶ و یا در انواع بتن آرمه که در زمان بهره برداری در معرض رطوبت و کلریدها قرار گیرد، ۰.۱۵ می باشد.
- سالم بودن مصالح تشکیل دهنده بتن
علاوه بر عوامل اصلی بیان شده، اطلاع از کیفیت مصالح و مواد تشکیل دهنده بتن، تاثیر قابل توجهی بر دوام بهتر بتن نهایی دارد.
ارزیابی آزمایش های دوام و پایایی بتن
برای اندازه گیری دوام بتن، شایسته است آزمایش های مختلفی بر روی بتن در سنین کم انجام شود. به صورتی که بتن باید در بازه زمانی لازم، در این شرایط قرار گیرد؛ اما از آن جایی که امکان اندازه گیری مقاومت بتن در شرایط واقعی وجود ندارد، باید آزمایش ها در بازه زمانی کوتاه تر انجام شود. اما در حقیقت، با استفاده از عوامل تشدید کننده انجام می شود و اغلب در شرایط معمولی انجام می شود. از این رو می توان با شناخت انواع آزمایش ها، آن ها را در شرایط مناسبی انجام داد تا در نهایت، محصول با دوام تر و بهتری به دست آید.
برخی از مهم ترین آزمایش ها عبارت اند از:
۱- آزمایش های یخ زدن و آب شدن
این آزمایش ها اغلب در سن ۲۸ تا ۹۰ روزگی بتن انجام می شود و نیازمند مدت زمان زیادی است؛ شامل دو نوع است:
- آزمایش یخ بندان و آب شدگی در حالت اشباع در آب یا هوا و کنترل کاهش وزن
- آزمایش یخ بندان و آب شدگی در مجاورت آب نمک یا نمک های یخ زدا
۲- آزمایش تبلور نمک ها
آزمایش تبلور نمک، در مناطق خشک و نیمه خشک به دلیل وجود نمک بیشتر به نسبت مناطق دیگر، مورد استفاده است و از اهمیت بسیار زیادی برخوردار است؛ به ویژه اگر املاح در بتن و یا آب و خاک وجود داشته باشد.
۳- آزمایش دوام و پایایی بتن در برابر سولفات ها
تاثیر تخریب بتن بر اثر حمله سولفات ها از چندین سال پیش اثبات شده است؛ اما تاکنون آزمایشی برای ارزیابی دوام بتن در مقابل سولفات ها طراحی نشده است. در انجام پیشنهادی این آزمایش، سعی می شود با استفاده از سیمان مناسب، محدودیت نسبت آب به سیمان، عیار سیمان و یا استفاده از افزودنی های خاصی مانند پوزولان ها، سرباره ها، حباب زا و مواد آب بند کننده، دوام بتن را بالا برد؛ اما به طور قطعی نحوه تشخیص این افزایش دوام روشن نیست.
۴- آزمایش کربناسیون
در این آزمایش عمق بتن کربناته شده با محلول فنل فتالئین به عنوان یک معرف اندازه گیری می شود. معمولا این آزمایش بر روی بتن های سخت شده در شرایط محیطی واقعی اندازه گیری می شود که می توان تحت شرایطی نفوذ CO2 را سرعت بخشید.
۵- آزمایش انبساط ناشی از واکنش قلیایی ها با سنگ دانه های بتن
معمولا بیشتر آزمایش ها در این زمینه بر روی ملات انجام می شود. این آزمایش در شرایط خاصی همچون تشدید شرایط حاکم و یا افزایش قلیایی ها در ملات و یا محیط نگهداری نیز انجام می شود.
انبساط بتن در شرایط نزدیک به واقع، در دمای ۳۸ یا ۶۰ درجه با رطوبت ۱۰۰ درصد را در زمان بیشتر از ۶ ماه و یا یک سال به دست می آورد.
۶- آزمایش های سایش
آزمایش های سایش با دقت زیادی طراحی می شوند تا بیشترین نزدیکی با واقعیت را داشته باشند. برای اندازه گیری سایش بتن ۴ آزمایش ارائه شده است:
- سایش بتن یا ملات (روش سمباده چرخان)
- سایش بتن (روش ماسه پاشی)
- سایش سطوح افقی بتنی (سه روش صفحه مدور سمباده ای چرخان، چرخ استوانه ای دندانه دار، بلبرینگ چرخان)
- سایش بتن (روش زیر آب)
۷- آزمایش های نفوذ پذیری
آزمایش های نفوذ پذیری بتن در برابر آب و گاز های مختلف و برخی سیال های خاص مانند یون کلرید انجام می شود. آزمایش نفوذ پذیری با گاز، به ویژه اکسیژن روش های مختلفی دارد که معروف ترین آن مربوط به روش CemBureau (انجمن سیمان اروپا) می باشد.
بتن هایی که در حال حاضر برای پروژه های آبی ساخته می شود، دارای نفوذ پذیری پایینی است و عملاً انجام این آزمایش به صورت مستقیم غیر ممکن گشته است.
۸- آزمایش های عمق نفوذ آب
از آن جایی که آزمایش نفوذ پذیری در برابر آب چالش های زیادی دارد، در برخی از کشور ها مانند آلمان آزمایش های دیگری چون عمق نفوذ آب در بتن در یک زمان معین و تحت فشار آب را هم انجام می دهند. تغییرات مختصر این آزمایش با سهولت بیشتری ارائه شده که در آن نمونه بتنی سه روز از سطح زیرین تحت فشار MPa 5/0 قرار می گیرد و سپس حداکثر عمق نفوذ آب بدست می آید که پارامتری در جهت ارزیابی نفوذ آب در بتن می باشد.
۹- آزمایش های جذب آب
آزمایش های جذب آب به اشکال مختلفی وجود دارد که مهم ترین آن ها عبارتند از:
- جذب آب کوتاه مدت نیم یا یک ساعته: این آزمایش، کیفیت سطحی بتن را نشان می دهد.
- جذب آب نهایی (بلند مدت) ۲ روزه یا بیشتر در شرایط عادی یا جوشانده شده: در این آزمایش چگالی و تخلخل بتن پیش بینی می شود.
- جذب آب سطحی اولیه:در این نوع، مقدار جذب آب ریخته شده روی سطح افقی، نمونه بتنی یا قسمتی از قطعات پیش ساخته در حالی که ارتفاع آب چندانی برای اعمال فشار وجود ندارد، اندازه گیری می شود.
- جذب آب مویینه: این آزمایش، ساز و کار جذب آب، حرکت آب به صورت نم مویینه روبه بالا می باشد که نیازمند به انجام آزمایش خاص و هماهنگ است. همچنین مقدار آب جذب شده در واحد سطح را بررسی می کند.
در هر یک از این آزمایش ها، یک ویژگی خاص از بتن را به نمایش می گذارد و لازم است از هر آزمایش زمانی استفاده نمود که با واقعیت موجود شباهت داشته باشد.
۱۰- آزمایش مقاومت ویژه الکتریکی
مقدار عبور جریان الکتریکی از بتن اشباع، نشانه دهنده نفوذ پذیری بتن در برابر آب و یون کلرید است که تاثیر بسیاری در دوام و پایایی بتن دارد.
این آزمایش با استفاده از دو صفحه مسی یا برنجی است که بر سطح آزمونه بتنی اشباع از آب به کمک خمیر سیمان تازه می چسبد و مقاومت الکتریکی به کمک اعمال یک جریان متناوب با فرکانس مشخص به دست می آید. می توان با داشتن سطح بتن و فاصله میان دو صفحه فلزی، مقاومت ویژه الکتریکی را به دست آورد. علاوه بر آن می توان با چهار الکترود (روش ونر) و تعبیه آن بر سطح بتن یا در سوراخ خاص و برقراری اتصال و تماس الکتریکی، مقاومت الکتریکی و مقاومت ویژه آن را به دست آورد.
نتیجه گیری
بتن یک ماده سازه ای است و به عنوان پوسته بیرونی ساختمان، توانایی مقاومت در برابر مکانیسم ها و بلایای طبیعی را دارد. مواد تشکیل دهنده بتن، تناسب آن ها، نحوه قرار دادن و عمل آوری بتن و محیط پروژه، دوام و پایایی بتن را تعیین می کند. از آن جایی که ارزیابی مقاومت بتن کارایی بیشتر آن در برابر عوامل آسیب زا و کاهش هزینه های تعمیر و نگهداری سازه های بتنی را به همراه دارد، لازم است در شرایط محیطی متفاوت، چگونگی به عمل آوری بتن، عوامل موثر بر آن و… مد نظر قرار گیرد.
در این مقاله به دوام و پایایی بتن، ابعاد، عوامل موثر بر آن و آزمایش‌های لازم برای اندازه‌گیری مقاومت بتن را اشاره شد؛ امید است با مطالعه این مقاله بتوان به اطلاعات موثر و کارآمدی در زمینه بتن های با دوام دست یافت.