گیرش بتن چیست؟
گیرش بتن (Concrete Setting) فرآیندی است که به دلیل واکنش‌های شیمیایی پس از افزودن آب به سیمان رخ می‌دهد و منجر به توسعه تدریجی سفتی خمیر سیمانی می‌شود. به عبارت دیگر، گیرش بتن فرآیندی است که طی آن خمیر سیمانی از یک مخلوط مایع به یک ترکیب سخت و سفت تبدیل می‌شود. ماهیت گیرش از این جهت مهم است که می‌تواند در مقاومت و دوام بتن تأثیر بسزایی داشته باشد.
تعریف گیرش بتن
مرحله تغییر از حالت پلاستیک به جسمی سخت را گیرش می‌گویند. این تغییر به دلیل واکنش شیمیایی بین سیمان و آب رخ می‌دهد که به «هیدراتاسیون» معروف است. هیدراتاسیون شامل تغییرات شیمیایی است نه فقط اینکه دلالت بر خشک شدن خمیر سیمانی داشته باشد!
هیدراتاسیون برگشت ناپذیر است و به صورت تدریجی رخ می‌دهد؛ ابتدا باعث سفت شدن بتن می‌شود و سپس توسعه مقاومت را برای مدت زمان بسیار طولانی ادامه می‌دهد. در شرایط خاص، احتمال افزایش مقاومت بتن به طور نامحدود وجود دارد (بدون محدودیت زمان).
دمای هوا، دمای زمین و شرایط آب و هوایی همگی نقش مهمی در میزان هیدراته سیمان ایفا می‌کنند. زمان گیرش بتن با افزایش دما کاهش می‌یابد اما دمای بالای 30 درجه سانتی‌گراد می‌تواند یک اثر معکوس داشته باشد. در دمای بالا سرعت گیرش بیشتر است و بتن سریع تر سفت می‌شود.
تکنیک‌های مناسبی مانند عمل آوری بتن به زمان گیرش کمک می‌کنند؛ اما هنگامی که از بتن در مواقع شدید دمایی، یعنی هوای سردتر یا در اواسط تابستان استفاده می‌شود، ممکن است از چند افزودنی بتن در مخلوط بتن استفاده شود. تسریع کننده‌ها برای هوای خیلی سرد و کندگیرکننده‌ها برای هوای گرم استفاده می‌شوند.
مراحل گیرش بتن
قبل از پرداختن به مراحل گیرش، ایتدا بیایید واکنش سیمان و آب را تحلیل کنیم. سیمان از پنج ماده شیمیایی زیر ساخته شده است:
- سیلیکات تری کلسیم (Ca3SiO5)
- سیلیکات دی کلسیم (Ca2SiO4)
- تری کلسیم آلومینات (Ca3Al2O60)
- تترا کلسیم آلومینوفریت (Ca4Al2Fe2O10)
- گچ (CaSO4*2H20)
این مواد شیمیایی با آب و سنگدانه‌های ریز (ماسه) و درشت (شن) مخلوط می‌شوند. آب یک واکنش شیمیایی ایجاد می‌کند که باعث تغییر ترکیبات شیمیایی می‌شود. این فرآیند همانطور که در بالا بیان شد «گیرش» نامیده می‌شود.
معادله توازن شیمیایی سیمان با آب عبارت است از:
Ca3SiO5 + 7H2O -> 3 CaO × 2SiO2 × 4H2O + 3Ca (OH) 2 + heat (گرما)
گرما به عنوان بخشی از واکنش گرمازای هیدراتاسیون است. سپس رشد «بلورهای کلسیم سیلیکات هیدرات» در مخلوط اتفاق میفتد که این به معنای شروع گیرش سیمان است.
دو مرحله مهم در فرآیند گیرش بتن وجود دارند که به شرح زیر هستند:
- زمان گیرش اولیه: زمانی است که مخلوط بتن شروع به از دست دادن قابلیت ارتجاعی خود می‌کند. این بدان معناست که مخلوط مایع شروع به سفت شدن می‌کند، به طوری که کارپذیری (راحتی در کار کردن با بتن) مخلوط کاهش پیدا می‌کنند.
- زمان گیرش نهایی: زمانی است که در آن مخلوط بتن به حالت جامد در می‌آید. در این مرحله، مخلوط بتن می‌تواند شکل خود را حفظ کند و تلاش برای اصلاح آن به توسعه استحکام و مقاومتش آسیب می‌رساند.
چرا دانستن زمان گیرش بتن مهم است؟
زمان گیرش ممکن است مهم به نظر نرسد اما این می‌تواند برای اهداف زیادی مفید باشد. زمان گیرش اولیه به شما می‌گوید که از زمان مخلوط کردن آب با سیمان تا زمانی که شروع به سفت شدن می‌کند، چقدر زمان دارید. آگاهی از این امر به شما کمک می‌کند تا برنامه ریزی درستی انجام دهید و درک کنید که چه زمانی بتن باید تولید شود و چقدر زمان برای حمل و بتن ریزی در اختیار دارید.
زمان نهایی گیرش نشان می‌دهد که بتن سفت شده است و شروع به توسعه مقاومت خود می‌کند. ممکن است بخواهید زمان گیرش اولیه را به اندازه کافی طولانی کنید که بتن تا محل پروژه حمل شود و سیالیت خود را حفظ کند. با این حال، شما نمی‌خواهید زمان گیرش اولیه بیش از حد طولانی باشد زیرا در این صورت روند بتن ریزی به خطر میفتد.
همین امر در مورد زمان گیرش نهایی نیز صدق می‌کند. ممکن است در زمان گیرش نهایی بخواهید به اندازه کافی زمان طولانی باشد تا بتوانید بتن ریزی را به پایان برسانید؛ اما نه آنقدر طولانی که سخت شدن بتن برای همیشه طول بکشد زیرا این مهم باعث طولانی شدن برنامه بتن ریزی می‌شود.
چه زمانی گیرش بتن رخ می‌دهد؟
طی فرآیند هیدراتاسیون سیمان، مخلوط بتن از حالت مایع به حالت جامد تبدیل می‌شود. این تغییر ناگهان اتفاق نمیفتد بلکه در مراحل مختلفی رخ می‌دهد. زمان گیرش اولیه بتن که در تصویر زیر نشان داده شده است، زمانی اتفاق میفتد که واکنش هیدراتاسیون افزایش پیدا می‌کند و گرمای زیادی تولید می‌شود. در مرحله سوم، بتن به سرعت شروع به سفت شدن می‌کند و در اثر واکنش‌های شیمیایی گرما آزاد می‌شود. چند ساعت پس از شروع فاز 3، بتن سفت می‌شود و زمان نهایی گیرش را مشخص می‌کند.
عوامل موثر بر گیرش بتن
عوامل زیادی می‌توانند بر نحوۀ گیرش بتن از جمله آب و هوا تأثیر بگذارند. شرایط گرم می‌تواند واکنش‌های شیمیایی که در داخل بتن اتفاق میفتد را تسریع کند و زمان لازم برای کسب مقاومت را کاهش دهد.
رطوبت نیز بر روند تنظیم تأثیر می‌گذارد. بدون مقدار مناسب رطوبت در هنگام گیرش، بتن می‌تواند از دوام و استحکام کمتری برخوردار باشد. رطوبت همچنین زمانی نگران کننده است که سطح باد باعث افزایش تبخیر آب در هنگام بتن ریزی می‌شود. در این حالت عوارضی مانند تنش‌های کششی به یک مشکل احتمالی تبدیل خواهند شد.
عوامل مختلف زیر در گیرش بتن تأثیرگذار هستند:
نسبت آب به سیمان
نسبت آب به سیمان (W/C) تأثیر زیادی بر زمان گیرش بتن و عملکرد کلی و کیفیت آن دارد. مخلوط‌های بتنی با نسبت آب به سیمان کمتر، معمولاً زمان گیرش سریع‌تری دارند. با این حال، ممکن است کار با این مخلوط‌ها سخت‌تر باشد زیرا بتن زودتر شروع به سخت شدن می‌کند، بنابراین تمام عملیات تکمیل بتن ریزی باید سریع‌تر انجام شوند.
از طرف دیگر، مخلوط‌های بتنی با نسبت آب به سیمان بیشتر، زمان گیرش کندتری دارند. این ویژگی می‌تواند یک مزیت باشد زیرا قبل از شروع سخت شدن بتن زمان زیادی وجود خواهد داشت. با این حال، آب بیش از حد بر مقاومت نهایی بتن تأثیر می‌گذارد و ممکن است باعث تأخیر و کاهش مقاومت نهایی بتن شود.
مواد افزودنی
افزودنی‌ها موادی هستند که به مخلوط بتنی اضافه می‌شوند تا یک یا چند ویژگی بتن را تغییر دهند. دو نوع اصلی افزودنی وجود دارند که می‌توان برای تغییر زمان گیرش بتن از آنها استفاده کرد، یکی زودگیر کننده‌ها هستند و دیگری کندگیر کننده‌ها.
می‌توان از زودگیر کننده‌ها برای افزایش میزان زمان هیدراتاسیون سیمان استفاده کرد که این باعث کوتاه شدن زمان گیرش می‌شود. از کندگیر کننده‌ها نیز می‌توان برای به تأخیر انداختن زمان گیرش بتن استفاده کرد و زمان بیشتری را برای عملیات بتن ریزی در نظر گرفت.
درجه حرارت
دما می‌تواند بر زمان گیرش بتن تأثیر بگذارد زیرا این امر بر سرعت فازهای هیدراتاسیون سیمان مؤثر خواهد بود. اگر دما زیاد باشد، واکنش‌های هیدراتاسیون سیمان سریع‌تر اتفاق میفتند و زمان گیرش زودتر خواهد بود. اگر درجه حرارت پایین باشد، روند هیدراتاسیون سیمان کند می‌شود و زمان گیرش دیرتر اتفاق میفتد.
برخی سیستم‌های هوشمند می‌توانند به شما در نظارت بر دمای بتن در نقاط مختلف سازه کمک کنند. این سیستم‌ها به شما این امکان را می‌دهند که از هر کجا و در هر زمان به اطلاعات مربوط به دما و مقاومت بتن دسترسی پیدا کنید. سیستم‌های هوشمند تصویر واضحی از آنچه در داخل بتن می‌گذرد به شما ارائه می‌دهند. در وبسایت www.maturix.com می‌توانید چندین نوع از سیستم‌های هوشمند را مشاهده کنید.
نحوه تعیین زمان گیرش بتن چگونه است؟
درک این نکته مهم است که دو نوع آزمون مربوط به زمان گیرش وجود دارند که شامل زمان گیرش سیمان و زمان گیرش بتن هستند. تست‌های زمان گیرش سیمان برای تولیدکنندگان سیمان مناسب است اما استفاده از آنها در پروژه‌های ساختمانی دشوار خواهد بود.
این امر بدین دلیل است که برای تست‌های زمان گیرش سیمان، فقط سیمان خالص و آب بدون توجه به تأثیر سنگدانه‌ها و افزودنی‌ها استفاده می‌شود. بنابراین، مهم‌ترین تستی که باید انجام شود، تست زمان گیرش بتن است. این تست از طریق «دستگاه ویکات» انجام می‌شود.
دوره‌های زمانی در گیرش بتن به چه معناست؟
به طور کلی، بتن در دو ساعت اول سفت می‌شود. در طول سه روز بتن مستحکم می‌شود تا برای تحمل بار آماده باشد؛ اما پس از یک ماه، اکثر سازه‌های بتنی (90 درصد) به استحکام نهایی می‌رسند.
در حالی که یک ماه زمان کافی برای تقویت کامل اعضای بتنی است اما فرآیند سخت شدن تا سال‌ها پس از این مرحله نیز ادامه می‌یابد. این بدین دلیل است که بتن حاوی هیدروکسید کلسیم است که از طریق جذب دی اکسید کربن به کربنات کلسیم تبدیل می‌شود. این فرآیند سال‌ها پس از اولین گیرش بتن نیز ادامه پیدا می‌کند.
کلام آخر
وقتی اجزای تشکیل دهنده بتن مخلوط می‌شوند، سیمان و آب واکنش شیمیایی نشان می‌دهند. در نهایت به شکل توده‌ای سخت در می‌آیند که به سنگدانه‌ها می‌چسبند و به هم متصل می‌شود تا بتن تشکیل شود. گیرش تقریباً دو ساعت پس از فرآیند سخت شدن ادامه پیدا می‌کند. پس از سه روز، بتن به قدرت کافی می‌رسد.
اگر هوا گرم باشد، زمان گیرش کاهش می‌یابد زیرا گرما واکنش شیمیایی را سرعت می‌بخشد. در هوای سرد این اتفاق برعکس رخ می‌دهد. در هر صورت، می‌توان گیرش بتن را با نسبت آب به سیمان، درجه حرارت و مواد افزودنی کنترل کرد. فرآیند عمل آوری بعد از بتن ریزی بسیار مهم است، نیاز به کسب مقاومت و دوام بالاتر کمک می‌کند.
منابع:
https://maturix.com/knowledge-center/what-is-concrete-setting/
https://www.alliedconcrete.co.nz/technical-info/tips-and-tricks/setting-time-of-concrete/