Image

مقاومت بتن و عوامل موثر برآن

مقاومت بتن چیست

 

معمولاً، مقاومت به عنوان مهم ترین خاصیت بتن در نظر گرفته می شود. اگرچه ممکن است، در برخی از حالت های اجرایی، سایر مشخصات بتن از قبیل دوام، نفوذناپذیری و پایداری حجمی اهمیت بیشتری داشته باشند. با وجود این، مقاومت معمولاً یک تصویر کلی از کیفیت بتن ارائه می دهد. دلیل این امر ارتباط مستقیم مقاومت با ساختار خمیر سیمان است.

 

مشخص شده است که مقاومت و همین طور دوام و تغییرات حجم بتن سخت شده تا آن اندازه که به ساختار فیزیکی محصولات هیدراسیون سیمان و نسبت های حجمی نسبی آنها بستگی دارد به ترکیبات شیمیایی وابسته نیست. در این بین، حضور شکاف های مویی، ناپیوستگی و منافذ خالی اهمیت ویژه ای دارند و درک تاثیر آنها برمقاومت مستلزم ملاحظه مکانیک های شکست بتن تحت تنش است. به هر حال، از آنجا که دانش ما درخصوص این راهکار بنیادی ناقص است، لازم است که مقاومت را به پارامترهای قابل اندازه گیری در ساختار خمیر سیمان هیدارته شده نسبت دهیم. در این خصوص، تخلخل یعنی حجم نسبی حفره ها یا فضاهای خالی در خمیر سیمان به عنوان یک عامل اصلی مشاهده شده است. حفره ها و فضاهای خالی را می توان به عنوان منشاء ضعف در نظر گرفت. سایر منابع ضعف برخاسته از مصالح سنگی هستند که علاوه براینکه خود حاوی ترک می باشند، سبب ریز ترک خوردگی در منطقه حدفاصل با خمیر سیمان نیز می شوند. متاسفانه، از آنجا که تعیین تخلخل خمیر سیمان هیدارته شده و ریز ترک خوردگی مشکل است، متوسل شدن به مطالعه تجربی عوامل موثر برمقاومت بتن الزامی است. در حقیقت، مشاهده شده که عامل اصلی نسبت آب به سیمان است و سایر خواص مخلوط از اهمیت ثانویه برخوردارند.

 

عوامل تاثیرگذار بر مقاومت

 

نسبت آب به سیمان

 

در بتن های با مقاومت پایین تا متوسط ساخته شده با سنگدانه های معمولی، هم تخلخل ناحیه انتقال و هم تخلخل خمیر، تعیین کننده هستند و رابطه مستقیمی بین نسبت آب به سیمان و مقاومت وجود دارد. (شکل ۷-۱). به نظر نمی رسد که این رابطه در حالت بتن های با مقاومت بالا (با نسبت آب به سیمان خیلی پایین) کاملاً صادق باشد. برای مخلوط های با نسبت آب به سیمان زیر ۰/۳ افزایش متناسب مقاومت بر اثر تغییر بسیار جزئی نسبت آب به سیمان حاصل می شود. این پدیده به بهبود مقاومت ناحیه انتقال در آب به سیمان های پایین نسبت داده می شود. استدلال دیگر آن است که با کاهش نسبت آب به سیمان اندازه بلورهای هیدروکسید کلسیم نیز کوچک تر می گردد.

 

سنگدانه

 

با وجود آنکه نسبت  W/Cمهم ترین عامل اثر گذاری در مقاومت است، نمی توان از خصوصیات سنگدانه به خصوص خواص کششی و شکست بتن صرف نظر کرد. برای بتن های با مقاومت معمولی، پارامترهای سنگدانه که مهمترین هستند شامل شکل، بافت و اندازه حداکثر سن سنگدانه می باشد. در نسبت های W/C سنگ های شکسته منجر به مقاومت بالاتر بتن می شوند؛ زیرا پیوستگی مکانیکی بهتر می باشد. اما با افزایش یافتن نسبت W/C این اثر محو می شود. هرچند اگر مخلوط ها برپایه کارایی مساوی در نظر گرفته می شوند، این اختلاف بی اهمیت می شود؛ زیرا به دلیل آب کمتر مورد نیاز سنگدانه صاف، نسبت W/C خمیر کمتر می شود، اثر پیوستگی کمتر را تعدیل می کند.

 

استفاده از سنگدانه با اندازه بزرگ تر به چند طریق در مقاومت اثر گذار است. تحت بار فشاری، ذرات بزرگ تر سنگدانه تمایل به ایجاد تمرکز بیشتر تنش دارند و در نتیجه مقاومت فشاری کاهش می یابد. همچنین ذرات سنگدانه بزرگ تر قید بیشتری را برای تغییرات حجم خمیر ایجاد می کنند و بنابراین احتمال وجود تنش های اضافی در خمیر بیشتر است، که محتمل ضعیف شدن بتن می گردد. در شکل (7-5) اثر اندازه حداکثر سن سنگدانه در مقاومت بتن با سه نسبت مختلف W/C را نشان می دهد. برای مخلوط های نشان داده شده در این شکل، کارآیی بتن با افزایش یافتن اندازه سنگدانه درشت، افزایش می یابد.

 

هرچند، اگر با مقدار ثابت سیمان، آب مخلوط کاهش یابد، اثرات منفی ناشی از افزایش یافتن اندازه سنگدانه درشت در مقاومت تعدیل می شود همان طور که در شکل (۷-6) نشان داده شده است، نتیجه شاید این باشد که برای کارایی ثتبت، چه بسا مقاومت بتن برای مخلوط ها با مقادیر کم سیمان واقعاً افزایش یابد و فقط برای مخلوط های غنی تر کاهش یابد. بتن های ساخته شده با سنگدانه های درشت تر تمایل به نشان دادن نوسان بیشتری دارند که احتمالاً ناشی از مقداری تمایل به جداشدگی ذرات می باشد.

 

نوع سیمان

 

اثر سیمان پرتلند بر مقاومت بتن تابع ترکیبات شیمیایی و نرمی سیمان است. مقاومت خمیر سیمان سرد شده عمدتا از C3S (مقاومت زودتر) و C3S (مقاومت دیرتر) تامین می شود و این اثرات در تمام درون بتن انتقال می یابد. بتن ساخته شده با مقادیر بالاتر C3S، خیلی سریع تر مقاومت کسب می کنند. اما ممکن است با کمی مقاومت کمتر در سنین دیرتر مواجه شود. مقاومت های نسبی به دست آمده با پنج نوع استاندارد سیمان پرتلند در شکل (۷-۳) نشان داده شده اند هرچند اختلافات قابل توجهی در کسب مقاومت تا حدود یک ماه وجود دارد، در سنین دیرتر اختلاف بین پنج نوع استاندارد سیمان از اهمیت کمتری برخوردار می شود. سیمان هایی که آهسته تر هیدراته می شوند به دلیل تغییرات در ترکیبات، شرایط عمل آوری و یا استفاده از مواد افزودنی است. این سیمان ها معمولاً تمایل بیشتر به کسب مقام نهایی دارند.

در طول سال ها، تمایل به سمت تولید سیمان های پرتلند با افزایش نرمی بوده است. باید قبول کرد که متغیرهای ذاتی در سیمان منجر به متغیرهای نظیر در مقاومت بتن می شود در نتیجه نیاز به مقاومت میانگین طرح بالاتر خواهد بود. نه تنها سیمان هایی که به عنوان یک نوع  ASTMتقسیم شده اند از کارخانه ای به کارخانه دیگر متفاوت اند بلکه ور یک کارخانه معین خصوصیات سیمان به دلیل تغییرات مواد اولیه شرایط پخت و غیره در طول زمان متغیر می باشد. تخمین زده شده است که تغییرات در کیفیت سیمان منجر به ضریب تغییرات در مقاومت های بتن در حدود ۵ درصد می شود.

 

اثرات نرمی سیمانی بر مقاومت بتن نیز قابل توجه هست؛ زیرا با افزایش نرمی، نرخ هیدراتاسیون افزایش می یابد و منجر به کسب مقاومت با نرخ زیادتر می شود؛ مانند آنچه در شکل (۷-۴) به نمایش گذاشته شده است معمولاً اندازه ذرات سیمان حداکثر حدود ۵۰ میکرون است، اگر چه در سیمان های آسیاب شده یا نرمی بیشتر، کسب مقاومت سریع تر است. اما باید از آسیاب کردن خیلی نرم اجتناب شود. با ذرات خیلی نرم، کلوخه شدن بیش از حد معمول ممکن است در بتن به نواحی موضعی با نسبت زیاد W/C منجر شود. از طرف دیگر، معلوم شده است که ذرات با قطر بزرگ تر از ۶۰ میکرومتر سهم کمتری در مقاومت دارند.

 

افزودنی های بتن

 

افزودنی های بتن به دو دسته کلی «مواد مضاعف شیمیایی» و «مواد مضاف معدنی» تقسیم می شوند. مواد مضاف شیمیایی آن دسته از افزودنی ها هستند که با یک ترکیب شیمیایی ویژه تنظیم شده به مقدار جزئی و احتمالاً در حد چند دهم درصد (تا حداکثر ۲ درصد) وزنی سیمان به بتن اضافه می شوند و خصوصیات قابل توجهی در آن ایجاد می کنند. در مقابل مورد مضاف معدنی پودرهای معدنی، هستند که به مقدار بسیار بیشتر مثلاً در محدوده ۱۰ تا ۲۰ درصد وزنی سیمان و یا حتی بیش از ۲۰ درصد، به بتن اضافه می شوند تا مقاومت، دوام و کارایی بتن را بهبود بخشند. پوزولان ها و سرباره عنوان افزودنی های معدنی به حساب می آیند.

 

استفاده از مواد افزودنی معدنی منتج به اصلاح ساختار خمیر سیمان سخت شده، می شود و ممکن است به تغییرات در محدوده ناحیه لایه مرزی منجر شود. برای بتن هایی با مقاومت معمولی، مواد افزودنی مانند خاکستر بادی و سرباره کوره ذوب آهن با جایگزینی سیمان پرتلند، با اثر کم در مقاومت، قابل استفاده است. هرچند نرخ کسب مقاومت اولیه ممکن است کاهش یابد، درحالی که مقاومت دراز مدت افزایش خواهد داشت. یکی از پوزولان های مهم، دوده سیلیس است که به طور کلی برای افزایش مقاومت استفاده می شود وحتی با نسبت یکسان اینگونه عمل میکند

 

آب اختلاط

 

اصولاً از دیرباز یک قاعده ساده جهت قبول آب برای مصرف در بتن وجود داشته است؛ اگر آب بتن قابل آشامیدن بوده و برای مصرف انسان مناسب باشد، برای مصرف در بتن نیز مناسب است. به بیان دیگر اگر آب بدون رنگ، طعم و بی بو بوده و در هنگام تکان دادن از آن گاز به کف خارج نشود، دلیلی ندارد که با مصرف در بتن مشکلی برای آن ایجاد کند. با این وجود، بعضی از آب های نامناسب برای آشامیدن نیز ممکن است برای مصرف در بتن مناسب باشند. بنابراین بهترین راه برای تعیین مناسب بودن آب ناشناخته برای ساخت بتن رجوع به بخش «آب غیر آشامیدنی» مبحث نهم، مقررات ملی ساختمان شود.

برای عمل آوری، قطعات بتن را بیست و چهار ساعت در هوای مرطوب قرار می دهند. سپس آنها را علامت گذاری کرده و در هوای تازه قرار می دهند تا زمان انجام آزمایش اصلی بر روی آنها فرا برسد. آب مورد استفاده در عمل آوری بتن باید هر هفت روز یکبار چک شود. همچنین دمای این آب باید حدود ۲۷ درجه سانتی گراد (دو درجه بیشتر یا کمتر) باشد. نمونه های بتن را پس از هفت یا بیست و هشت روز عمل آوری در ماشین های آزمایش مقاومت فشاری قرار می دهند. در این ماشین ها، بارگذاری به صورت دقیقه ای ۱۴۰ کیلوگرم بر سانتی متر مربع افزایش می یابد تا نمونه شکسته شود. مقدار بارگذاری در لحظه شکست بتن، میزان مقاومت فشاری بتن را به ما می گوید. حداقل از هر نمونه و در هر سن، بایستی ۳ نمونه بتن آزمایش شود. اگر در نتیجه مشاهده شود که مقاومت آنها بیش از ۱۵ درصد با یکدیگر اختلاف دارد، نتایج آزمایش رد می شود و بایستی دوباره انجام گیرد. در غیر اینصورت، میانگین مقاومت فشاری آن سه نمونه، مقاومت فشاری بتن محسوب خواهد شد.

 

مقاومت کششی

 

مقاومت کششی بتن بسیار کمتر از مقاومت فشاری است؛ زیرا ترک ها تحت بارهای کششی به راحتی قادر به توسعه می باشند. معمولاً مقاومت کششی بتن در طراحی در نظر گرفته نمی شود (اغلب فرض می شود که صفر است) هر چند خاصیت مهمی است، زیرا ترک خوردگی در بتن اغلب ناشی از تنش های کششی است که تحت بار رخ می دهد یا ناشی از تغییرات محیطی است. گسیختگی بتن در کشش همراه با ریز ترک خوردگی، به خصوص مربوط به ناحیه مرزی بین سیمان و ذرات سنگدانه است. ضعیف ترین رفتار بتن در کشش ظاهر می شود؛ به طوری که مقاومت کششی بتن در حدود ۱۰ تا ۱۵ درصد مقاومت فشاری آن است.

 

در اکثر مواقع مقاومت کششی بتن با استفاده از آزمایش همش بررسی می شود که در آن بتن ساده تحت همش بارگذاری می شود و یا آزمایش دو نیم شدن استوانه که در آن نمونه استوانه از وجه جانبی قرار داده شده و در فشار قطری بارگذاری می شود، تا کشش طولی ایجاد شود. با توسعه یافتن ترک در میان بتن، لبه جلو رونده آن اغلب شامل چندین شاخه ریز ترک است که با افزایش جابه جایی کششی سرانجام ترک ها در یک ترک بزرگ منفرد ادغام می شوند.

 

ظاهر ماکروسکوپی سطح گسیختگی ممکن است صاف یا زبر باشد که به مقاومت کششی نسلی ملات، سنگدانه و ناحیه لایه مرزی بستگی دارد. نسبت کم مقاومت سنگدانه به مقاومت ناحیه لایه مرزی منجر به سطح گسیختگی نسبتاً صاف می شود. با افزایش مقاومت نسبی سنگدانه، سطح گسیختگی به مرور، ناهموارتر و معمولاً منجر به مقاومت کششی بیشتر می شود و خواص گسیختگی بهبود می یابد. از آنجا که مقاومت فشاری از خاصیت اساسی مصالح است و برای بتن سخت شده اندازه گیری می شود، رابطه بین مقاومت کششی و فشاری از اهمیت خاصی برخوردار است.

 

مقاومت خستگی

 

خستگی به پدیده ای اطلاق می گردد که توسط آن، مصالح با اعمال تکراری بارها که به آن اندازه هم بزرگ نیستند با یک مرتبه اعمال باعث گسیختگی ره و سبب شکست مصالحه می ود. این پدیده اشاره به آن دارد که تحت تنش تکرار شده، تغییر پیش رونده دائمی داخلی در بتن ایجاد می شود. این تغییر که ممکن است به آسیب خستگی ارتباط داده شود، نه تنها شامل رشد ریز ترک ها، بلکه همچنین شامل جریانی ویسکوز  یا خزش می باشد. معلوم شده است که خستگی تحت بارگذاری فشاری، کششی و خمشی رخ می دهد. مانند فلزها، همان عواملی که بر مقاومت استاتیک بتن اثر دارند، اثر مشتبه بر خستگی دارند. اگر یک عضو بتنی تحت بارهای متناوب و تکراری قرار گیرد، به طوری که هر کدام از آن بارها از مقاومت فشاری عضو کمتر باشد، ممکن است به ناگهان تحت باری کوچک تر از مقاومت عضو گسیخته شود؛ به این بار، بار خستگی و به مقاومت متناظر، مقاومت خستگی می گویند. اصولاً مقاومت خستگی بتن فقط برای اعضای بتنی که تحت بارهای تکراری قرار می گیرند نظیر پل ها و یا پی های بتنی مربوط به ماشین آلات ارتعاشی، حائز اهمیت می باشد.

 

مقاومت پیچشی

مقاومت پیچشی بتن به مدول گسیختگی آن و ابعاد عضو بتنی بستگی دارد.

مقاومت ضربه ای

 

تحقیقات نشان داده است که هر چه مقاومت فشاری استاتیکی بتن بیشتر باشد، مقدار انرژی جذب شده در هر ضربه قبل از ترک برداشتن آن کمتر است؛ اگر مقاومت فشاری ثابت باشد هر چه در ساخت بتن از سنگدانه های درشت، گوشه دارتر و با سطوح ناصاف تر استفاده شده باشد، بتن مقاومت بیشتری در مقابل ضربه خواهد داشت. کاهش اندازه بزرگترین بعد دانه های مصرفی و استفاده از سنگدانه ها و مدول الاستیسیته و ضریب پواسون کوچک تر و نیز محدود کردن مقدار سیمان به حداکثر مقدار سیمان به حداکثر ۴۰۰ کیلوگرم در متر مکعب  تاثیرات مثبتی بر افزایش مقاومت بتن در مقابل ضربه از خود نشان داده است. بعضی از تحقیقات نشان داده است که مصرف مقدار بیشتر ماسه و نیز استفاده از ماسه خشن تر، مقاومت ضربه ای بهتری برای بتن فراهم می کند.

 

تاثیر شرایط نگهداری بتن بر مقاومت ضربه ای آن، تا حدودی متفاوت از تاثیر شرایط نگهداری بر مقاومت فشاری بتن است؛ مقاومت در مقابل ضربه برای بتنی که در آب نگهداری شده باشد، کمتر از مقاومت ضربه ای بتن خشک است؛ اگر چه بتن در آب نگهداری شده، می تواند ضربه های بیشتری را قبل از ترک خورد تحمل کند. همچنین تحت بارگذاری ضربه ای یکنواخت، مقاومت ضربه ای بتن به صورت چشمگیر بیش از مقاومت فشاری استاتیکی آن است؛ این بدان معناست که بتن قابلیت خوبی در جذب انرژی کرنشی تحت ضربه یکنواخت دارد.

 

نرخ بارگذاری

 

وقتی که نرخ بارگذاری افزایش می یابد، مقاومت های کششی و فشاری افزایش می یابد. حساسیت نرخ کرنش بتن به درجه اشباع شدن ارتباط نزدیکی دارد، بر این اساس بتن های خیس نسبت به بتن های خشک حساسیت کمتری به نرخ کرنش نشان می دهند.