دوام بتن چیست؟

اولین استفاده از بتن مدرن در اواخر دهه 1800 با ساخت پل دریاچه آلورد در سانفرانسیسکو در سال 1889 اتفاق افتاد. تقریباً 130 سال بعد، اکثریت قریب به اتفاق پل‌ها در سراسر جهان از بتن سازه‌ای ساخته شده‌اند. میانگین طول عمر یک پل بین 50 تا 70 سال است. عوامل زیادی می‌توانند بر طول عمر سازه‌های بتنی تأثیر بگذارند که در این میان، کیفیت مواد تشکیل دهنده بتن و نحوه عمل آوری مهمتر از عوامل دیگر هستند. دانشمندان و مهندسان دهه‌ها صرف مطالعه عوامل تعیین کننده برای «دوام بتن» با هدف ایجاد بتنی با طول عمر بالا کرده‌اند که ما در این بررسی به آنها می‌پردازیم.

تعریف دوام بتن

سازه‌های بتنی برای دستیابی به عمر مفید مشخصی طراحی می‌شوند. به عنوان مثال، پل‌ها برای دستیابی به خدمات 100 تا 120 ساله طراحی شده‌اند و با این حال، عمر بتن می‌تواند قبل از عمر مشخص شده به خطر بیفتد یا به پایان برسد. دوام بتن (Concrete Durability) دستیابی به سازه‌ها با عمر طولانی را تضمین می‌کند. به عبارت دیگر، هر ساختار بتنی می‌تواند دوام بیشتری داشته باشد و در برابر حملات محیطی مقاومت کند.

با توجه به مؤسسه بتن آمریکا (ACI)، «دوام به عنوان توانایی بتن برای مقاومت در برابر هوا، حمله شیمیایی و سایش در حالی که خواص مهندسی مورد نظر خود را حفظ می‌کند، تعریف شده است.» ذکر این نکته ضروری است که دستیابی به مقاومت مورد نیاز بتن به تنهایی نمی‌تواند دوام بتن را تضمین کند.

رابطه بین استحکام و دوام به صورت خطی نیست! در واقع، بتن با مقاومت بالا (HSC)، ممکن است تحت اثر حمله شیمیایی تخریب شود که این منجر به از دست دادن پایداری و عملکرد خواهد شد. البته مقاومت بیشتر بتن می‌تواند مقاومت در برابر ترک خوردگی ناشی از تنش‌های داخلی را بهبود ببخشد اما این امر لزوماً دوام بتن را تضمین نمی‌کند.

افزایش طول عمر یک سازه به کیفیت انتخاب مواد، روش طراحی مخلوط، تولید، حمل و نقل، بتن ریزی و عمل آوری بتن بستگی دارد. علاوه بر این، بتن‌هایی که در شرایط مختلفی تولید شده و در محل ریخته می‌شوند، نیازمند دوام متفاوتی هستند. به طور خلاصه، بتن بادوام باید توانایی مقاومت در برابر شرایط مختلف را داشته باشد تا عمر طولانی را همانطور که از قبل پیش بینی شده است، تضمین کند.

مهم ترین مکانیسم‌های تخریب در سازه‌های بتنی عبارتند از:

1- آسیب انجماد و ذوب (اثرات فیزیکی، هوازدگی)

2- واکنش‌های قلیایی دانه ای (اثرات شیمیایی)

3- حمله سولفات (اثرات شیمیایی)

4- خوردگی فولاد تقویت کننده تعبیه شده در بتن (اثرات شیمیایی)

• کربناته شدن بتن
• ناشی از کلرید

5- سایش (اثرات فیزیکی)

6- بارهای مکانیکی (اثرات فیزیکی)

7- حمله ناشی از میکروبیولوژیک (اثرات شیمیایی)

عوامل موثر در دوام بتن

یکی از عوامل اصلی در مهندسی بتن، نفوذپذیری، توانایی بتن در مقاومت در برابر آب و مهاجرت شیمیایی است. مهاجرت نمک‌ها، کلریدها، آب دریا و سایر مواد شیمیایی تهاجمی، می‌توانند باعث تخریب و ترک خوردن بتن شود. بتن باید در برابر مهاجرت نفوذناپذیر بوده و دارای دوام فیزیکی و شیمیایی باشد.

دوام فیزیکی

توانایی بتن در مقاومت در برابر شرایط محیطی، دوام فیزیکی آن است. بتن زمانی که تغییری در حجمش ایجاد می‌شود، به عنوان مثال به دلیل تغییرات دما یا زمانی که بتن از این تغییرات حجمی جلوگیری می‌کند، تمایل به ترک خوردن دارد.

سایش

مقاومت در برابر سایش به عنوان توانایی یک سطح برای مقاومت در برابر سایش در اثر مالش یا اصطکاک تعریف می‌شود. این مهم تحت تاثیر شرایط قرار گرفتن در معرض، مقاومت بتن، خواص سنگدانه، مواد سیمانی، روش‌های پخت و پرداخت سطح است. در بدترین حالت، سایش می‌تواند بتن را به طور کامل از عناصر سازه‌ای (باربر بودن) دور کند. در مورد بتن مسلح، سایش، پوشش بتن را به فولاد تقویت کننده (میلگرد) کاهش می‌دهد که می‌تواند منجر به خوردگی و در نتیجه ضعیف شدن میلگرد شود زیرا آب و کلریدها به سمت فولاد تقویت کننده راه می‌یابند.

انجماد و ذوب

بتنی که در سرما قرار می‌گیرد، باید در برابر اثرات چرخه‌های انجماد و ذوب مقاوم باشد. یخ حجم بیشتری نسبت به آب می‌گیرد که باعث می‌شود ریزشکستگی‌ها در بتن باز شده و به ترک تبدیل شوند. افزودن مواد شیمیایی یخ زدا در محیط‌های برفی تنها با وارد شدن کلریدها، ترک خوردن بتن را بدتر می‌کند. حباب هوا با ایجاد محفظه‌های هوای میکروسکوپی برای کاهش فشار داخلی و ایجاد محفظه‌های کوچک برای گسترش آب در هنگام یخ زدن، دوام فیزیکی بتن را بهبود می‌بخشد.

باران و رطوبت

رطوبت و شرایط محیطی بر سطوح PH بتن که به نام کربناته شدن معروف است، تأثیر می‌گذارد. کربناته شدن مستقیماً به بتن آسیبی نمی‌رساند اما تشکیل کربنات کلسیم منجر به از بین رفتن محیط قلیایی بتن برای میلگردها می‌شود. این امر باعث تقویت خوردگی فولاد شده که باعث آسیب جدی به سازه می‌شود.

دوام شیمیایی

توانایی بتن در مقاومت در برابر مواد شیمیایی، دوام شیمیایی نام دارد. بتن در برابر بیشتر محیط‌های طبیعی و بسیاری از مواد شیمیایی مقاوم است. با این حال، برخی از مواد شیمیایی می‌توانند به بتن حمله کنند و باعث خرابی آن شوند. بتن با نفوذپذیری کم در برابر مواد شیمیایی مقاومت بیشتری دارد.

واکنش قلیایی سیلیس (ASR)

واکنش قلیایی سیلیس یک واکنش گسترده بین مواد شیمیایی موجود در مخلوط بتن تازه است که در آن سیلیس موجود در سنگدانه‌ها با قلیاهای پتاسیم و سدیم در خمیر سیمان واکنش می‌دهد. هنگامی که این واکنش رخ می‌دهد، ممکن است انبساط ایجاد شود که این مهم منجر به ایجاد شبکه‌ای از ترک‌ها، پوسته شدن درزها و حرکت بخش‌های خاصی از یک سازه می‌شود.

کلرید و فولاد

کلریدهای موجود در مواد شیمیایی یخ زدایی می‌توانند به فولاد تقویت کننده راه پیدا کنند. واکنش‌های شیمیایی بین کلریدها و فولاد، باعث شروع فرآیند خوردگی می‌شود که می‌تواند آسیب قابل توجهی به بتن سازه وارد نماید. پوشش‌های عرشه، عملیات سطح و به ویژه فولاد تقویت کننده پوشش می‌توانند به محافظت از بتن در برابر خوردگی ناشی از کلریدها کمک کنند.

سولفات‌ها

سولفات‌های موجود در آب و خاک می‌توانند به بتن حمله کنند و باعث آسیب شوند. سولفات‌ها به ترکیبات موجود در بتن سخت شده واکنش نشان می‌دهند که این می‌تواند باعث ایجاد فشار و در نهایت تجزیه بتن شود. بتن مورد استفاده در محیط‌های سنگین سولفاتی باید به گونه‌ای خاص فرموله شوند که در برابر اثرات سولفات‌ها مقاومت زیادی از خود نشان دهند.

راه‌های افزایش دوام بتن

امپراتوری روم حدود 2 هزار سال پیش شروع به استفاده از بتن کرد. از بتن در بناهایی مانند پانتئون و کولوسئوم در رم استفاده می‌شد که هنوز برای قرن‌ها باقی مانده‌اند. همه ما می‌دانیم که سازه‌های بتنی برای طول عمر زیادی ساخته می‌شوند. معمولاً سازه‌های بتنی عمر 50 یا 100 سال دارند.

در حالی که بتن بسیار بادوام است اما شما باید هر کاری که می‌توانید برای جلوگیری از زوال زودرس سازه‌های بتنی انجام دهید. برای این کار به موارد زیر توجه کنید:

توجه به طرح اختلاط

دوام با طرح اختلاط مناسب برای شرایط خدماتی که بتن در معرض آن قرار می‌گیرد، شروع می‌شود. مقدار آب مشخص شده ممکن است تنها مهم‌ترین جزء طرح اختلاط باشد. نسبت آب به سیمان کم، بین 0.40 و 0.50 معمولاً برای بتن‌هایی که اغلب در معرض شرایط آب و هوایی شدید هستند، توصیه می‌شود.

مهم است، در محل کارگاه به بتن آب اضافه نکنید. آب اضافی باعث کاهش استحکام و افزایش نفوذپذیری می‌شود. سایر اجزای مهم طرح اختلاط سنگدانه‌ها هستند. سنگدانه‌های کثیف و آلوده می‌توانند باعث خروجی یا واکنش ‌پذیری سیلیس قلیایی (ASR) شوند. سیمان نامرغوب نیز می‌تواند باعث عدم گیرش کامل و چسباندن اجزای دیگر بتن به یکدیگر شود.

بهبود اتصالات ساختمانی

اتصالات ساختمانی یک نقطه ضعف رایج در سازه‌های بتنی است که در آن آب اغلب به داخل و از درون آن راه پیدا می‌کند. خوردگی فولاد تقویت کننده ناشی از نفوذ آب از طریق اتصالات می‌تواند به ساختار شما آسیب برساند. برنامه ریزی و استفاده از مکان‌های مشترک کنترل می‌تواند به جلوگیری از ترک‌های تصادفی کمک کند.

فقط مطمئن شوید که هر مفصل از یک سیستم ضد آب قابل اعتماد خود استفاده می‌کند. بهترین محافظت طولانی مدت در محل اتصال، به دلیل یک سیستم ضد آب مشترک است که این شامل فنآوری کریستالی است که ترک‌های تصادفی را خود مهر و موم می‌کند و در نتیجه قابلیت اطمینان و محافظت بیشتری را فراهم می‌نماید.

جلوگیری از کاهش رطوبت

مرطوب نگه داشتن بتن در دمای مناسب، به تأمین هیدراتاسیون مناسب سیمان برای حداکثر استحکام، افزایش تراکم، نفوذپذیری کمتر و مقاومت بیشتر در برابر پوسته پوسته شدن کمک می‌کند. به بتن ریزی و تکمیل نهایی بتن توجه ویژه‌ای داشته باشید. افزایش نسبت آب به سیمان در سطح، بتن را در ناحیه نزدیک به سطح ضعیف می‌کند. برای جلوگیری از ایجاد پوسته سطحی، انقباض پلاستیک یا ترک خوردن، بهتر است از یک بازدارنده تبخیر در شرایط از دست دادن سریع رطوبت استفاده کنید.

رعایت نفوذپذیری کم

ممکن است مجبور شوید طرح اختلاط را مطابق با شرایط محیطی تنظیم کنید اما یک عامل وجود دارد که در همه بتن‌ها مشترک است و آن نفوذپذیری کم می‌باشد. برای نفوذپذیری کمتر، تناسب خوب مخلوط با کاهش مقدار آب آزاد در و استفاده از افزودنی‌های کاهنده آب یا نرم کننده‌ها ضروری است. برای محافظت از بتن در برابر نفوذ آب، باید از یک افزودنی ضد آب استفاده کنید.

عمل آوری مناسب و به موقع

عمل آوری به معنای حفظ شرایطی است که به بتن اجازه سخت شدن و استحکام بهینه را می‌دهد. این مرحله برای افزایش طول عمر بتن شما بسیار مهم است. دما و رطوبت مناسب از همه مهم‌تر است. دما باید بالاتر از 10 درجه سانتیگراد باشد تا توسعه مقاومت بتن با سرعت معقول را فراهم کند. حفظ سطح مناسب رطوبت در چند روز اول برای هیدراتاسیون سیمان و همچنین جلوگیری از خشک شدن، شرینکیج و ترک خوردن بتن بسیار مهم است.

محافظت از نمک‌های یخ زدایی

خیس شدن و خشک شدن مکرر بتن در سنین اولیه، باعث ایجاد خراشیدگی، پوسته پوسته شدن، کاهش مقاومت بتن و افزایش احتمال جرم گیری می‌شود. ضروری است که بتن در روزهای اول هیدراتاسیون از دمای انجماد محافظت شود، زمانی که استحکام کم و رطوبت زیاد، آن را بیشتر در معرض آسیب یخ زدگی و ذوب قرار می‌دهد. در مواردی که وجود عوامل یخ ‌ساز را نمی‌توان از بین برد، سطح را با چیزی شبیه محلول آب گریز درمان کنید تا از مهاجرت تقریباً 90 درصد نمک‌های یخ‌ ساز جلوگیری کرده و درصد بالایی از رطوبت را که باعث خرابی می‌شود، دفع کند.

اجرای بتن ریزی اصولی

بتن باید به درستی در محل ریخته شود و در یک توده جامدی که عاری از هر گونه حفره یا حفره سنگ باشد، یکپارچه شود. از فضاهای خالی زیر یا پشت میلگردهای فولادی تقویت کننده اجتناب کنید و از ویبره برای تراکم بهتر و خروج هوا استفاده کنید. قبل از بتن ریزی نباید آب راکد در قالب‌ها وجود داشته باشد.

کلام آخر

بتن باید فرموله و مخلوط شود تا در برابر شرایط مختلفی که در معرض آن قرار می‌گیرد، مقاومت کند. دوام بتن تابع عوامل متعددی از جمله طرح اختلاط، روش‌های بتن ریزی و عمل ‌آوری است. هدف نهایی جلوگیری یا به حداقل رساندن ترک خوردگی است. شما می‌توانید سازه‌های بتنی بادوامی ایجاد کنید که تا سال‌ها عمر کنند. مهمترین مزیت دوام به توسعه پایدار و استفاده از بهینه از مواد تشکیل دهنده بتن وابسته است.

 

منابع:

https://www.davisconcreteinc.com/blog/improve-durability-of-concrete-structures/

https://www.uhpcsolutions.com/blog/7-concrete-durability-factors-to-consider