جمع شدگی و انقباض بتن
انقباض بتن
انقباض بتن یا جمع شدگی بتن در واقع تغییر حجم بتن در اثر عوامل داخلی است. انقباض بتن یا جمع شدگی بتن از نیروهای خارجی نشأت نمی گیرد. معمولا انقباض یا جمع شدگی بتن از زمان گیرش بتن شروع شده و در طول فرایند سخت شدن بتن ادامه پیدا می کند. به کاهش حجم بتن در بازه ی زمانی گیرش بتن، اصطلاحا افت گفته می شود. عوامل مؤثر بر انقباض بتن می توانند منجر به خزش بتن هم شوند.جمع شدگی و انقباض بتن (شرینکیج بتن)
تغییر حجم بتن یکی از پیامدهای نامطلوب در اجرای سازه های بتنی است. جمع شدگی و انقباض بتن در اثر از دست دادن بتن به دلیل تبخیر مایعات، بوجود می آیند. خروج رطوبت در سرتاسر عضو به صورت یکنواخت صورت نمی گیرد. همین مسئله منجر به بروز تنش های داخلی و کاهش مقاومت بتن خواهد شد. جمع شدگی یا انقباض بتن (شرینکیج بتن) از نظر اینکه احتمال بروز ترک در بتن را افزایش می دهد، یک پدیده ی نامطلوب شناخته می شود.شرینکیج بتن چیست؟
شرینکیج بتن همان انقباض بتن یا افت و جمع شدگی بتن است. حرکت آب در ساختار متخلخل بتن سبب بروز واکنش های شیمیایی طی طول زمان در این ماده می شود. بنابراین شرینکیج بتن را می توان نوعی کاهش حجم بتن در طی زمان تعریف کرد. بطور کلی سیمان های پرتلند در بتن با گذر زمان دچار انقباض می شوند و لازم است این مورد توسط مهندسین، محاسب و طراح سازه مورد توجه واقع شود. در بتن هایی که از کیفیت پایینی برخوردار باشند، پیش از اینکه بتن تحت بارگذاری قرار گیرد، تنش های کششی ناشی از شرینکیج یا انقباض بتن سبب ترک خوردگی بتن از ناحیه داخلی و خارجی خواهد شد.علت انقباض یا جمع شدگی بتن
عوامل مؤثری می توانند باعث جمع شدگی بتن شوند. یکی از دلایل اصلی انقباض یا جمع شدگی بتن، واکنش هیدراتاسیون بتن است. هیدراتاسیون بتن یک واکنش گرمازا است. هر گرم سیمان طی فرایند هیدراتاسیون بتن، حدود ۵۰۰ ژول گرما تولید می کند. از طرفی بتن از هدایت حرارتی پایینی برخوردار است. بنابراین افزایش دمای شدید درون ماده ی بتن ایجاد می شود. در این شرایط بخش خارجی بتن بخشی از گرمای خود را از دست می دهد. در چنین شرایطی شیب حرارتی بالایی تولید می شود. بنابراین ممکن در جریان سرد شدن بعدی، ترک های عمیقی در بخش های داخلی بتن ایجاد شود. به طور کلی کاهش حجم ثانویه ی بتن نسبت به حجم اولیه ی آن نشان دهنده بروز واکنش شیمیایی درون بتن است. لازم به ذکر است که تمام بتن های ساخته شده از سیمان پرتلند به مرور زمان و با افزایش سن دچار پدیده ی جمع شدگی یا انقباض بتن می شوند.عوامل مؤثر در انقباض و جمع شدگی بتن
همانطور که گفتیم علاوه بر واکنش گرمازای هیدراتاسیون، عوامل دیگری نیز در انقباض و جمع شدگی (Shrinkage) بتن تأثیر خواهند گذاشت که در ادامه به آن ها اشاره می کنیم.۱-تأثیر نسبت آب به سیمان در انقباض بتن: نسبت آب به سیمان در بتن با مقدار انقباض و جمع شدگی آن ارتباط مستقیم دارد. بنابراین هرچه قدر نسبت آب به سیمان در بتن بیشتر باشد، انقباض، جمع شدگی و افت بتن بیشتر خواهد بود. عموما زمانی که مقدار آب در بتن زیاد باشد، بخشی از آن پس از گیرش اولیه و تبخیر شدن در بتن باقی می ماند. آب باقی مانده در بتن منجر به افت بتن خواهد شد. بنابراین با کاهش مقدار آب در ترکیبات بتن می توان احتمال انقباض یا جمع شدگی بتن را کاهش داد.
۲-تأثیر رطوبت ناکافی در انقباض بتن: بتن در محیط های خشک با سرعت بیشتری آب خود را از دست می دهد بنابراین افت بتن در محیط های خشک بیشتر است.
۳-درصد دانه های سنگی: مقدار دانه های سنگی با افت بتن نسبت عکس دارد. در واقع هرچقدر مقدار دانه های سنگی بیشتر باشد، انقباض و جمع شدگی بتن کمتر خواهد بود.
۴-تأثیر میلگرد در انقباض بتن: کاشت میلگرد در بتن، احتمال انقباض و جمع شدگی بتن را کاهش می دهد.
۵-تاثیر نوع سنگدانه ها در انقباض بتن: کیفیت سنگدانه های به کار رفته در بتن ارتباط مستقیمی با میزان افت نهایی بتن دارد. در واقع هرچقدر سنگدانه های موجود در بتن از کیفیت بهتری برخوردار باشند، کمتر شاهد انقباض بتن یا شرینکیج بتن خواهیم بود.
۶-تاثیر عمر بتن در انقباض بتن: عموما در سال اول بتن ریزی حدود ۹۰ درصد افت بتن رخ خواهد داد.
۷-تأثیر عمل آوری در انقباص بتن: کیفیت عمل آوری بتن، تأثیر مستقیمی در کاهش انقباض بتن دارد. بنابراین هرچقدر عمل آوری بتن به شکل بهتری انجام گیرد، احتمال شرینکیج بتن یا انقباض بتن کمتر خواهد شد.
۸-تأثیر نسبت سطح/حجم در انقباض بتن: یکی از عوامل موثر در انقباض بتن یا شرینکیج بتن است. بنابراین نسبت سطح به حجم بیشتر نشان دهنده افزایش سرعت تبخیر و در نتیجه انقباض بتن است.
مراحل انقباض، جمع شدگی و شرینکیج شدن بتن
بطور کلی جمع شدگی بتن و شرینکیج شدن آن به دو مرحله تقسیم می شود:۱-افت بتن و انقباض آن در سنین اولیه که در ۲۴ ساعت ابتدایی رخ می دهد.
۲-جمع شدگی و افت طولانی مدت بتن که پس از ۲۴ ساعت رخ می دهد.
با گذر زمان و کاهش رطوبت نسبی مقدار شرینکیج یا جمع شدگی بتن افزایش پیدا می کند. براساس تجریبات صورت گرفته، حدودا ۱۴ الی ۳۴ درصد جمع شدگی بتن طی ۲۰ سال در ۱۴ روز اول پس از بتن ریزی اتفاق می افتد. ۴۰ الی ۸۰ درصد جمع شدگی بتن طی ۲۰ سال نیز در ۳ ماه و ۶۶ الی ۸۵ درصد انقباض یا افت بتن طی ۲۰ سال نیز در یک سال رخ می دهد. عموما انقباض بتن در سنین ابتدایی ناشی از واکنش گرمازای هیدراتاسیون است. در صورتیکه بتن در هر زمان تحت رطوبت نسبی ۱۰۰ درصدی قرار داده شود، شاهد جمع شدگی یا انقباض بتن در آن نخواهیم بود.
انواع انقباض یا جمع شدگی بتن
انواع جمع شدگی، انقباض یا شرینکیج شدن بتن به شرح زیر است:۱-انقباض پلاستیک بتن
جمع شدگی و انقباض پلاستیک بتن در مدت کوتاهی پس از بتن ریزی در قالب ایجاد می شود. آب بتن به دلیل واکنش هیدراتاسیون از سطح آن تبخیر شده و منجر به بروز ترک در سطح آن خواهد شد.
۲-جمع شدگی خشک بتن
جمع شدن خشک یا انقباض خشک بتن عموما در ماه های اولیه ایجاد می شود سپس با گذر زمان کم تر خواهد شد. جمع شدگی خشک بتن معمولا پس از سخت شدن مخلوط بتن و در اثر از بین رفتن آب های مویرگی شکل می گیرد.
۳-انقباض کربناسیون
انقباض کربناسیون بتن عموما در سطح متوسطی از رطوبت ایجاد شده و افزایش مقاومت و نفوذناپدیری بتن را به دنبال خواهد داشت.انقباض کربناسیون ناشی از واکنش دی اکسید کربن با مواد معدنی سیمان هیدراته و کربناته است.
۴-افت مهارشده
عدم حرکت رطوبت از خمیر بتن در دمای ثابت، افت مهار شده یا جمع شدگی مهار شده ی بتن را به دنبال خواهد داشت. با این وجود، افت مهار شده مشکل جزیی از بتن بوده و می توان آنرا نادیده گرفت.
علت شرینکیج بتن
انقباض یا جمع شدگی بتن به متأثر از عوامل مختلفی است. به طور کلی عوامل مختلفی مثل ترکیبات تشکیل دهنده ی بتن، نسبت مواد تشکیل دهنده به یکدیگر، روش اختلاط، مقدار رطوبت در کیورینگ بتن، خشکی محیط و ابعاد عضو باربر همگی در شرینکیج بتن مؤثرند. علت اصلی جمع شدگی بتن، کاهش آب های مویگری در اثر تبخیر است. بنابراین هرچقدر مقدار آب تازه در بتن بیشتر باشد، شاهد انقباض بیشتری در بتن خواهیم بود. یکی دیگر از پارامتر مؤثر در انقباض بتن یا شرینکیج شدن آن مربوط به آرایش بتن است. علاوه بر تأثیرات مهمی که هر یک از سنگدانه های به کار رفته در ترکیبات بتن در این فرآیند خواهند داشت، مقدار آب و مواد افزودنی بکار رفته در ترکیبات بتن نیز بطور مستقیم و غیرمستقیم در جمع شدگی بتن مؤثر خواهند بود. با وجود تمام موارد ذکر شده، خصوصیات فیزیکی بتن از جمله اندازه مقاطع بتنی، محل و دمای محیط در شدت انقباض بتن تأثیر خواهند داشت.روش های کاهش شرینکیج انقباض بتن
۱-کاهش نسبت به سیمان برای کاهش انقباض بتن:
مهم ترین کار برای جلوگیری از انقباض بتن، کاهش نسبت آب سیمان است. وجود آب بیشتر در مخلوط بتن سبب افزایش تبخیر خواهد بود و در نهایت منجر به انقباض بتن و افزایش ترک های ناشی از انقباض می گردد. نسبت آب به سیمان هرگز نباید از ۴۵/۰ تجاوز کند چرا که همین مسئله می تواند انقباض بتن یا شرینکیج بتن در سنین پایین را بدنبال داشته باشد.
۲-کنترل ویبره بتن برای کاهش انقباض بتن:
تمام پارامترهای مرتبط با ویبره ی بتن باید به شکل مرتبط کنترل شود چرا که افزایش ویبره ی بتن، میزان آب انداختی مخلوط را افزایش داده که در نتیجه شاهد تبخیر آب بیشتر و افزایش شرینکیج یا انقباض بتن خواهیم بود. بنابراین لازم است فرکانش و زمان ویبره تحت کنترل باشد.
۳-استفاده از سیمان انبساطی برای کاهش انقباض بتن:
به منظور کاهش شرینکیج یا انقباض بتن می توان از سیمان ضد جمع شدگی استفاده کرد. این سیمان های می توانند انقباض بتن یا آثار مخرب ناشی از آن نظیر ترک ها را، کاهش داده و یا حذف کنند.
۴-استفاده از بتن الیافی برای کاهش انقباض بتن:
یکی از روش های مؤثر برای کاهش شرینکیج یا انقباض بتن، استفاده از بتن الیافی است. استفاده از الیاف مختلف در بتن نظیر الیاف پلی پروپیلن (الیاف PP) سبب کاهش انقباض بتن خواهد شد. مقدار انقباض بتن در برخی بتن نیز بیشتر است. برای مثال بتن خود متراکم بیشتر دچار انقباض بتن خواهد شد.
۵-استفاده از افزودنی بتن برای کاهش انقباض بتن:
یکی از راه های کاهش شرینکیج یا انقباض بتن استفاده از افزودنی های بتن است. به این منظور می توان از سه نوع الیاف استفاده کرد.
۱-۵- استفاده از فوق روان کننده‌ها برای کاهش انقباض بتن: افزودنی فوق روان کننده ی بتن توانایی بالایی در کاهش نسبت آب به سیمان در بتن دارند. بنابراین استفاده از فوق روان کننده های بتن سبب کاهش انقباض بتن خواهند شد.
۲-۵-استفاده از افزودنی کاهنده انقباض بتن: جهت کاهش شرینکیج یا انقباض بتن می توان از افزودنی کاهنده انقباض استفاده کرد. این افزودنی ضایعات بتن را بدون انقباض و با استفاده از مواد شیمیایی آلی کاهش خواهد داد. البته لازم بذکر در نتیجه ی استفاده از این افزودنی مقاومت فشاری بتن ۲۷ روز بتن را تا ۱۵ درصد کم می کند. در صورتی که در فرایند تولید بتن از مواد افزودنی استفاده شود یا بتن با استفاده از سیمان منبسط شده تولید شود، محصول نهایی بتن فاقد انقباض نام می گیرد.
راه های کاهش افت بتن
راه های مختلفی برای کاهش افت بتن و شدت انقباض بتن وجود دارد. همانطور که پیشتر به آن اشاره کردین، کاهش حجم بتن عمدتا در ناحیه ی خمیری سیمان بتن ایجاد می شود. برای کاهش احتمال افت بتن می توان مقدار آب به کار رفته در ترکیبات بتن را کاهش داد. ضمنا افزایش حجم سنگدانه های بکار رفته در ترکیبات بتن، مقدار ترک های ناشی از جمع شدگی را کاهش می دهد. برای کاهش میزان ترک خوردگی بتن می توان در نواحی مورد نظر، اتصالات حرکتی ایجاد کرد. با انجام این اقدامات به جای داشتن چندین ترک گسترده و عمیق، تعداد ترک سطحی ایجاد می گردد.به طور کلی توصیه می شود مراحل مربوط به طرح اختلاط بتن، بکار بردن مواد افزودنی، بتن ریزی و عمل آوری آن با نظارت و دقت بالا انجام گیرد. با این وجود اعمال خیز ناشی از انقباض بتن در محاسبات سازه امری ضروری است.
خسارات ناشی از جمع شدگی یا انقباض بتن
انقباض یا جمع شدگی اولیه بتن ممکن است منجر به ایجاد ترک و گسترش آن ها شوند. ایجاد ترک در بتن بستری مناسبی را برای ورود مایعات و سایر مواد به درون بتن ایجاد می کند. بنابراین انقباض اولیه ی بتن منجر به افت بتن و تولید بتن ضعیف خواهد شد. برای اصلاح بتن های آسیب دیده لازم است اقدامات مربوط به ترمیم بتن انجام گیرد که این مسئله علاوه بر زمان بر بودن، خسارات مالی زیادی به دنبال خواهد داشت.با این وجود به طور کلی ساختار بتن به صورتی است که هر دو انقباض زودرس و طولانی مدت، تأثیرات نامطلوب و طولانی مدتی بر بتن خواهند داشت. انقباض بتن سبب کاهش کارایی ، گسترش ترک ها و کاهش مقاومت کششی بتن خواهد شد.