پایداری ابعادی بتن چیست؟

پایداری ابعادی بتن چیست ؟ در پاسخ به این پرسش باید به برخی جنبه های بتن توجه کرد. سازه های بتنی بادوام مزایای زیادی برای محیط زیست، مردم و اقتصاد ملی دارند. عوامل زیادی ممکن است بر دوام و پایداری ابعادی بتن تاثیر بگذارند مانند طراحی سازه، کیفیت بتن به کار برده شده، طرز کار(جادهی، تراکم، تکمیل و پخت)، استفاده از سازه و محیطی باشد.

مقاومت بتن یک نیاز اصلی سازه ای است که ظرفیت بتن را برای تحمل بارهای طراحی شده(وزن، نیرو و…) بدون شکستگی و یکپارچگی سازه تعیین می کند. استحکام و پایداری ابعادی بتن خاصیت هایی هستند که عموما در طراحی بتن و کنترل کیفیت مشخص می شود.

بعدی سازی یکی از اولین گام ها برای طراحی اجزای سازه، آشکار کردن محدودیت ها و اختیارات محیطی را در دسترس قرار می دهد. یکی از اصلی ترین بخش های یک سازه این است که سازه باید تحمل وزن خود را داشته باشد پس این لازم است که اطلاعات لازم را در مورد بخش های مختلف ساختمان را برای بعد بخشیدن به آن داشت.

هنگامی که یک پروژه ساخته می شود، کارفرما هنوز ابعاد قطعاتی که در سازه بکار می رود را نمی داند بنابراین، دانستن وزن کلی کمی سخت می شود. در این شرایط یک پارادوکس بدون راه حل به وجود می آید. برای دانستن وزن مورد نظر شناخت ابعاد سازه لازم و برای شناخت ابعاد دانستن وزن مهم است.

تغییرات در پایداری ابعادی بتن به علت تولید گرما در اوایل ساخت، خشک شدن، انقباض و تغییر شکل تدریجی در طولانی مدت تحت فشار پایدار می تواند منجر به حرکات قابل توجه در ساختار بتن و تنش های قفلی یا حرکات خزشی بتن شود.

فشارها و تنش های کششی در اکثر موارد به قدر کافی بزرگ و قدرتمند هستند که باعث ترک خوردگی و نشت آب شوند. همین مسئله پایداری ابعادی بتن را تحت تاثیر قرار می دهد و همچنین بر قابلیت تعمیر و دوام سازه اثر منفی می گذارد.

در حالیکه تغییرات در پایداری ابعادی بتن به علت وابستگی آنها به شرایط محیطی، بارها و فشارهای اعمال شده بر روی آنها کاملا متغیر است، همه آنها به نسبت اجزا یا ترکیبات به کاررفته درمخلوط بتن مرتبط هستند.

به طور کلی، پایداری ابعادی بتن را می توان با کاهش میزان سیمان و حجم خمیر به کار رفته در آن بهبود بخشید. در ادامه می خواهیم به راهکار هایی برای بهبود پایداری ابعادی بتن اشاره کنیم.

بررسی انواع رفتار های بتن

به طور کلی پایداری ابعادی بتن زمانی تغییر می کند که تغییر شکل ارتجاعی تحت بارهای اعمال شده و تغییر شکل تدریجی یا خزشی تحت فشار پایدار رخ دهد. همچنین انبساط یا انقباظ حرارتی به علت تغییرات مداوم دما و ورم یا انقباض به دلیل تغییر ظرفیت رطوبت وجود داشته باشد.

همین تغییرات در پایداری ابعاد بتن است که باعث انحراف، ترک خوردگی و نوعی کرنش زاویه ای می شود. در واقع تغییرات پایداری ابعادی بتن، ناشی از تغییر شکل های ارتجاعی و وارفتگی ساختاری است و باید در طراحی سازه با آن برخورد کرد.

تغییرات پایداری ابعادی بتن ناشی از تغییرات دمایی و رطوبتی غیر سازه ای و مربوط به محیط است که باید در برنامه ریزی ساخت و ساز مورد توجه قرار گیرد، که منظور همان اجزا به کاربرده شده در بتن است.

آیا بتن یک ماده الاستیک است؟ در جواب باید گفت که بتن تا حدی کشسان است یعنی در فشار کم. بتن یک ماده ناهمگن و چند فازی است که رفتار آن تحت تاثیر خواص کشسانی و مورفولوژی مواد تشکیل دهنده آن است.

اجزای تشکیل دهنده بتن یعنی خمیر سیمان و سنگدانه ها، هنگامی که به صورت جداگانه تحت بارگذاری قرار می گیرند، رابطه تنش-کرنش خطی را نشان می دهند.

تغییر شکل بتن و راهکارهایی برای بهبود پایداری ابعادی بتن

برای جلوگیری یا حداقل کاهش مشکل ترک خوردگی حرارتی اولیه، می توانیم مخلوط بتن را برای کاهش تولید گرما دوباره طراحی کنیم و اتصالات حرکتی و نوارهای ریخته گری دیر هنگام را فراهم کنیم یا خنک سازی داخلی را روی بتن اعمال کنیم.

یکی از روشهایی که برای جلوگیری از افزایش دما می توانیم به کار بگیریم اعمال عایق حرارتی در داخل توده بتن و افزودن فولاد برای کنترل ترک و بهبود پایداری ابعادی بتن می باشد.

در بین راه حل های ممکن، روش اساسی اتخاذ یک طرح اختلاط بتن طوری باعث ایجاد حرارت زیاد نشود، همیشه باید در اولویت قرار گیرد، زیرا روش های خنک سازی داخلی، عایق خارجی و افزودن فولاد کنترل ترک، به طور کلی نسبتا دست و پا گیر هستند و می توانند در بهبود پایداری ابعادی بتن پرهزینه باشند.

هم تولید گرما و هم انقباض در اثر خشک شدن عمدتا در خمیر سیمانی(خمیری که از مواد سیمانی و آب تشکیل شده است) صورت می گیرد.

با این حال، از آنجایی که حجم خمیر سیمانی باید به اندازه ای باشد که فضاهای خالی در حجم توده سنگدانه را پر کند تا از گیر افتادن هوا در حفره ها جلوگیری شود، محدودیت کمتری برای کاهش حجم خمیر سیمان وجود دارد. برای کاهش حجم خمیر سیمانی باید یک پرکننده برای پر کردن حفره ها اضافه شود تا حجم آن کاهش یابد.

علاوه بر کاهش حجم خمیر سیمانی، تولید گرمای بتن نیز ممکن است با افزودن مواد سیمانی تکمیلی برای جایگزینی بخشی از سیمان کاهش یابد، زیرا به طور کلی مواد سیمانی مکمل، گرمای کمتری نسبت به سیمان تولید می کنند.

از طرف دیگر انقباض در اثر خشک شدن بتن نیز ممکن است با پیش تصفیه سنگدانه با لاتکس پلیمری یا دافع آب برای کاهش جذب آب و جمع شدگی سنگدانه کاهش یابد، زیرا در واقع بسته به منبع، سنگدانه سنگ است. پیش بینی می شود که با بهبود پایداری ابعادی بتن، خطر ترک خوردگی غیر سازه ای به حداقل برسد.

کاهش تولید گرمای بتن: یکی از راه های متداول و معمول کاهش تولید گرما در بتن، کاهش محتوای سیمان با افزودن مواد سیمانی مکمل، مانند خاکستر بادی (FA) و سرباره کوره بلند دانه بندی شده (GGBS)، برای جایگزینی بخشی از سیمان است.

بر اساس پژوهش های انجام شده روی  FA & GGBS افزودن این دو ماده به عنوان جایگزین سیمان به طور کلی در کاهش تولید گرمای بتن و بهبود پایداری ابعادی بتن موثر است، با این حال، افزودن بسته به کیفیت مواد، افزودن این دو ماده برای جایگزینی بخشی از محتوای سیمان معمولا مقاومت بتن را کاهش می دهد.

علاوه بر FA & GGBS، دوده سیلیس (SF) نیز استفاده می شود. بر اساس تجربیات موجود در انواع ساخت و ساز، اثر بخشی افزودن SF به عنوان جایگزین سیمان برای کاهش تولید گرما به محتوای  دوده سیلیس، دما و سن بستگی دارد.

با این وجود، در بیشتر موارد، افزودن SF به جای سیمان و به اندازه حجمی که قرار بود سیمان ریخته شود، در کاهش تولید گرما تاثیر مثبتی دارد. افزودن SF، استحکام را افزایش می دهدو نقش مثبتی در پایداری ابعادی بتن دارد.

بنابراین، افزودن دوده سیلیس همراه با FA & GGBS به عنوان جایگزین سیمان می تواند به طور موثر تولید گرما را بدون کاهش مقاومت کاهش دهد. افزودن پر کننده های بی اثر، مانند ریز سنگ آهک (LF)، برای جایگزینی بخشی از سیمان نیز از محبوبیت زیادی در میان سازه ها برخوردار است.

ولی افزودن مقدار نسبتا زیادی LF برای جایگزینی مستقیم سیمان بدون تغییر در مقدار آب، بر استحکام طولانی مدت تاثیر منفی می گذارد، این بدین دلیل است که که LF سیمانی نیست و جایگزینی مستقیم سیمان با LF باعث افزایش نسبت آب به سیمان می شود.

بر اساس نتایج تجربی که از سازه ها به دست آمده، استراتژی افزودن مواد سیمانی مکمل و یک پرکننده بی اثر (خنثی) برای بهبود پایداری ابعادی بتن پیشنهاد شده است. برای کاهش انقباض در اثر خشک شدن بتن، یکی از روش ها کاهش حجم خمیر سیمانی است.

برای کاهش حجم خمیر بدون حبس هوا در مخلوط بتن، یکی از راه های ممکن اضافه کردن یک پرکننده بی اثر برای پر کردن فضای خالی بین ذرات سنگدانه است تا مقدار خمیر مورد نیاز کمتر شود و همچنین باعث بهبود پایداری ابعادی بتن می شود.

بررسی کاربرد و رفتار ارتجاعی بتن

مدول الاستیسیته بتن به عنوان نسبت تنش اعمال شده به کرنش مربوطه تعریف می شود، که نه تنها توانایی بتن را در مقاومت در برابر تغییر شکل ناشی از تنش اعمالی، بلکه سختی آن را نیز افزایش می دهد.

مدول الاستیسیته بتن به نسبت سنگدانه ها و مخلوط بتن حساس است. شناساندن مدول الاستیسیته (ارتجاعی) بتن در طراحی سازه های بتنی از اهمیت بالایی برخوردار است.

تجزیه و تحلیل خطی عناصر، که بر اساس نظریه الاستیسیته است، برای برآوردن نیازهای هر دو حالت حد نهایی و قابلیت تعمیر به کار می رود، برای مثال در بتن پیش تنیده که بخش بدون ترک را تا زمان شکست نشان می دهد.

در نهایت، آگاهی از مدول ارتجاعی بتن با مقاومت بالا در جلوگیری از تغییر شکل بیش از حد، ارائه خدمات رضایت بخش و اجتناب از مقرون به صرفه ترین طرح ها مهم است.

نتیجه گیری

اثرات افزودن LF به عنوان جایگزین خمیر سیمانی، افزودن FA & SF به عنوان جایگزین سیمان، و پیش تصفیه سنگدانه ها با لاتکس پلیمری یه دافع آب بر کارایی، مقاومت، تولید گرما و انقباض در اثر خشک شدن (جمع شدگی) مورد بحث قرار گرفت.

افزودن LF به عنوان جایگزین خمیر سیمانی تا 8 درصد حجمی بتن، روان کنندگی را افزایش می دهد، استحکام را اندکی افزایش می دهد و تولید حرارت بتن را به میزان قابل توجهی کاهش می دهد.

افزودن FA یا SF به عنوان جایگزین سیمان برای کاهش مقدار سیمان بدون تغییر حجم خمیر سیمانی تولید گرمای بتن را به میزان قابل توجهی کاهش می دهد.

برخی از نتایج تجربی به ما نشان می دهد که بتن با سنگدانه های طبیعی به میزان قابل توجهی آب کمتری برای دستیابی به جریان پذیری مورد نیاز مخلوط بتن نسبت به بتن با سنگدانه های بازالت خرد شده نیاز دارد.

سوالات متداول

در این قسمت به برخی از سوالات پر تکرار کاربران در مورد پایداری ابعادی بتن، پاسخ می دهیم، همراه ما باشید.