افت، انقباض یا جمع شدگی بتن چیست؟
تغییر در حجم بتن یکی از تعیین کننده ترین شاخصه‌هایی است که بر دوام و پایداری بلند مدت آن تاثیر می‌گذارد. از نگاه مهندسی، جمع شدگی بتن (Shrinkage in Concrete) یا در واقع همان تغییر حجم بتن از این نظر مهم است که باعث ایجاد ترک‌هایی می‌شود که بعضا از چشم دور می‌مانند که در نهایت تهدیدی برای پایداری بتن محسوب خواهد شد.
تعریف جمع شدگی بتن
افت، انقباض، آب رفتگی یا جمع شدگی بتن؛ کاهش حجم بتن است که با از دست رفتن و یا خارج شدن آب جذب شده در ساختار خمیر سیمان از بتن اتفاق می‌افتد. این انقباض انواع مختلفی دارد که در ادامه آن را به تفصیل بررسی می‌کنیم.
همانطور که می‌دانید تغییر حجم در بتن به دلایل مختلفی مانند خواص حرارتی سنگندانه‌ها و بتن، واکنش قلیایی، حملات سولفاتی و … رخ می‌دهد. اما در این نوشته از آزمان می‌خواهیم به بررسی تغییر حجم بتن در اثر خصوصیات ذاتی آن بپردازیم.
یکی از بزرگترین ایرادهایی که در بتن پدیدار می‌شود، ایجاد شدن ترک‌ها به خاطر انقباض است. به خصوص وقتی در روسازی‌ها و کف‌ها از بتن استفاده می‌شود، این موضوع بیش از پیش به چشم می‌آید. بسیار سخت است که بتنی تهیه کنیم که ترک‌های انقباضی (Shrinkage Crack) در آن ایجاد نشود و یا به عبارت دیگر دچار جمع شدگی نگردد و تنها میزان آن است که اهمیت پیدا می‌کند.
حال سوالی که پیش می‌آید این است چگونه می‌توانیم جمع شدگی یا انقباض در بتن را برای سازههای بتنی کاهش دهیم؟ از واژه انقباض به طور گسترده‌ای برای توصیف زوایای مختلف کاهش حجم بتن به خاطر از دست دادن رطوبت در مراحل مختلفی آن هم به خاطر دلایل مختلفی استفاده می‌شود. در ادامه به بررسی انواع این انقباض می‌پردازیم.
انواع انقباض یا افت در بتن
- جمع شدگی پلاستیک
- جمع شدگی خودگیری
- جمع شدگی خشک شدگی
- جمع شدگی کربناسیون
جمع شدگی پلاستیک چیست؟
جمع شدگی پلاستیک چیست؟جمع شدگی پلاستیک (Plastic Shrinkage) کاهش حجمی است که در اثر حرکت آب از بتن آن هم در زمانی که هنوز در حالت پلاستیک و قبل از خشک شدن است اتفاق می‌افتد. این حرکت آب می‌تواند موقع هیراسیون یا به خاطر شرایط محیطی رخ دهد که منجر به تبخیر آبی می‌شود که بر روی بتن تر قرار دارد. پس هر چقدر بتن بیشتر آب بیندازد، میزان جمع شدگی پلاستیک نیز بیشتر خواهد بود.
جمع شدگی پلاستیک متناسب با میزان سیمان و متناسب با معکوس نسبت آب به سیمان (w/c) است.
این نوع جمع شدگی یا انقباض درست زمانی خودش را نشان می‌دهد که تازه بتن ریزی انجام شده و بتن هنوز در حالت پلاستیک و خشک نشده قرار دارد. از دست دادن آب به خاطر تبخیر از سطح بتن یا جذب آن توسط سنگندانه‌ها و ریزدانه‌ها، یکی از دلایلی است که معمولا برای این نوع جمع شدگی مطرح می‌کنند. ذرات سنگدانه‌ها یا آرماتور در مسیر نشست قرار می‌گیرند که در نتیجه آن ممکن است ترک‌هایی در سطح یا داخل اطراف سنگدانه یا آرماتور ایجاد شود.
وقتی کف‌ها و روسازی‌ها که سطح بیشتری از بتن آن‌ها به نسبت عمقشان در معرض خشک شدن قرار دارد، در معرض تابش نور خورشید و یا باد قرار می‌گیرند، روند خشک شدنشان سریع می‌شود که این موضوع باعث ایجاد جمع شدگی پلاستیک می‌شود.
حتی اگر بتنی در معرض خشک شدن شدید قرار نگرفته باشد اما نسبت آب به سیمانش بالا باشد، مقدار زیادی از آن آب از سطح بتن ریزی خارج شده و بر روی آن جمع می‌شود. زمانی که این آب بخار شود و سطح خشک گردد، سطح بتن به خاطر ترک‌ها فرو می‌ریزد و خراب می‌شود.
جمع شدگی پلاستیک گاهی اوقات هم به خاطر لرزش ناخواسته اتفاق می‌افتد چون بتن در آن سن هم هنوز مقاومت کافی را بدست نیاورده است. پس به طور کلی با توجه به مواردی که در بالاتر به آن اشاره کردیم، می‌توان دلایل رایج ایجاد جمع شدگی پلاستیک بتن را به این شکل خلاصه کرد:
- نسبت آب به سیمان بالا
- طرح اختلاط بد بتن
- خشک شدن سریع
- آب انداختگی زیاد
- لرزش ناخواسته
جلوگیری از جمع شدگی پلاستیک بتن
جمع شدگی پلاستیک در بتن می‌تواند با جلوگیری از تبخیر سریع آب از سطح کاهش پیدا کند. این کار می‌تواند با پوشاندن سطح با ورق‌های پلی اتیلن درست بعد از پایان بتن ریزی یا اسپری مه بر روی سطح به منظور حفظ رطوبت انجام گیرد. استفاده از مقدار کمی پودر آلومینیم هم پیشنهاد می‌شود که باعث کاهش انقباض پلاستیک خواهد شد. همچنین از سیمان‌های منبسط یا سیمان جبران کننده انقباض نیز می‌توان برای کنترل این نوع جمع شدگی استفاده نمود.
افت خشک شدگی بتن چیست؟
درست مانند فرایند هیدراسیون سیمان، افت خشک شدگی (Drying Shrinkage) هم وقتی بتن در معرض خشک شدن قرار می‌گیرد، یک روند همیشگی دارد و بدون توقف ادامه پیدا می‌کند. افت خشک شدگی بتن مشابه مکانیسم اتفاق افتاده برای خشک شدن یک قطعه چوب است. از دست رفتن آب آزاد در داخل بتن سخت شده تغییر قابل توجه و چشمگیری در حجم بتن ایجاد نمی‌کند و این آب ذخیره شده در بتن در حالت خمیری‌اش است که باعث هرگونه تغییر در حجم بتن می‌شود.
تا وقتی که بتن در شرایط خشک شدن نگه داشته شود، آب موجود در خمیر به تدریج طی زمان از دست می‌رود. سیمان انقباض بیشتری نسبت به دوغاب و دوغاب هم انقباض بیشتری نسبت به بتن ایجاد می‌کند. بتن با سنگدانه‌های ریزتر نسبت به بتن با سنگدانه‌های درشت‌تر انقباض بیشتری را تجربه می‌کند. میزان افت خشک شدگی تابعی از غلظت خمیر است و هر چقدر این رقیق‌تر و ظریف‌تر باشد، انقباض آن نیز بیشتر است.
اگر بخواهیم افت خشک شدگی را به شکل دیگری تعریف کنیم باید بگوییم که تا زمانی که خمیر سیمان در رطوبت نسبی 100درصد نگهداری می‌شود، تغییر حجمی در آن رخ نمی‌دهد اما به محض اینکه رطوبت نسبی به کمتر از 100درصد برسد، آب آزاد موجود در حفره‌های بزرگ – مثلا بزرگ‌تر از 50 نانومتر – فرار به محیط اطراف را آغاز می‌کند.
افت خودگیری بتن چیست؟
افت خودگیری (Autogenous Shrinkage) که با نام افت پایه هم شناخته می‌شود به خاطر واکنش‌های شیمیایی بین سیمان و آب (یعنی هیدراسیون) اتفاق می‌افتد و باعث هیچگونه اثرات محیطی قابل مشاهده‌ای مانند تغییرات دمایی یا رطوبتی نمی‌شود. مقدار این نوع جمع شدگی زمانی که نسبت آب به سیمان بیشتر از 0.4 باشد نادیده گرفته می‌شود.
در یک سیستم محافظه کار مانند جایی که اجازه ایجاد هیچگونه رطوبتی نیست، وقتی که دما ثابت است ممکن است افتی ایجاد شود. این جمع شدگی در این نوع سیستم را هم نوعی افت خودگیری می‌نامند. این افت در واقع نوع خاصی از افت است که در آن جابجایی آب به داخل یا خارج بتن اتفاق نمی‌افتد، بلکه از دست رفتن آب با استفاده آن در هیدراسیون سیمان رخ می‌دهد.
این افت را به سادگی نمی‌توان از افت معمول در بتن تشخیص داد و مقدار آن هم بسیار اندک است و کرنش آن در حدود 6-10×50 تا 6-10×100 است. این نکته بسیار قابل توجه است که اگر در دوره هیدراسیون سیمان، بتن به طور مداوم در مجاورت آب قرار گیرد، نه تنها افت خودگیری در آن اتفاق نمی‌افتد؛ بلکه نوعی انبساط در اثر جذب آب توسط ژل سیمان همراه خواهد بود که به آن تورم یا باد کردن (Swelling) می‌گویند.
افت کربناسیون بتن چیست؟
افت کربناسیون بتن (Carbonation Shrinkage) به خاطر واکنش کربن دی اکسید موجود در هوا با آب موجود حاصل از هیدراسیون سیمان، ایجاد می‌شود. طی این واکنش هیدروکسید کلسیم به کلسیم کربنات تبدیل شده و سایر اجزای سیمان نیز تجزیه می‌شوند. چنین تجزیه کامل ترکیب کلسیم در هیدراسیون سیمان فقط در زمانی ممکن است که کربن دی اکسید در فشار کم هوا قرار داشته باشد. به این ترتیب کربنات کم کم به لایه‌های زیرین بتن نفوذ کرده و نرخ نفوذ آن هم به رطوبت بتن و همچنین رطوبت نسبی محیط بستگی دارد.
کربناسیون همراه با افزایش وزن و همچنین ایجاد افت در بتن است.
افت کربناسیون به خاطر انحلال کریستال‌های هیدروکسید کلسیم و تجزیه کلسیم کربنات است. به این ترتیب محصول جدید ایجاد شده که از محصول قبلی حجم بیشتری دارد باعث ایجاد جمع شدگی یا افت کربناسیون می‌شود. کربناسیون بتن همچنین باعث افزایش اندک مقاومت و کاهش اندک نفوذپذیری آن می‌شود چون آب حاصل شده از کربناسیون روند هیدراسیون را تسریع می‌بخشد و همچنین کلسیم کربنات حفره‌های موجود در چسب سیمان را کاهش می‌دهد و جایگزین آن می‌شود.
اما این اتفاق محیط قلیایی خمیر سیمان را خنثی نموده و فولادها را با تهدید خوردگی مواجه می‌کند. اگر کربناسیون در تمام پوشش بتن روی میلگردها نفوذ کند و رطوبت و اکسیژن به سطح میلگردها برسد، خوردگی فولادها و به تبع آن ترک خوردگی بتن را به دنبال خواهد داشت. برای اینکه ببینیم چقدر از بتن دچار کربناسیون شده می‌توان از محلول فنل فتالئین بر سطح آن استفاده کرد. در این روش قسمت‌هایی از بتن که در آن کربناسیون اتفاق افتاده بی‌رنگ باقی مانده و سایر قسمت‌ها صورتی می‌شوند.
چون مقدار افت کربناسیون در بلند مدت در مقایسه با افت خشک شدگی بسیار کم است، در بسیاری اوقات آن را نادیده می‌گیرند.
تفاوت خزش و جمع شدگی بتن
تفاوت خزش و جمع شدگی بتنحالا که با انواع جمع شدگی بتن آشنا شدیم بهتر است سراغ پاسخ دادن به این سوال برویم که تفاوت خزش و جمع شدگی در چیست؟ چون از ظاهر آن‌ها پیداست که ممکن است شبیه هم باشند اما اینگونه نیست.
وقتی یک بتن در معرض بار فشاری قرار می‌گیرد به طور آنی تغییر شکل می‌دهد. این تغییر شکل آنی را کرنش آنی می‌گویند. اما اگر این بار به صورت دوره‌ای طی زمان به بتن وارد شود، بتن بدون اینکه این بار افزایش پیدا کند تغییر حالت می‌دهد که به این حالت از کرنش، خزش گفته می‌شود.
به عبارت دیگر تغییر شکل ماده تحت تنش ثابت در طول زمان را خزش (Creep) یا وارفتگی می‌گویند. اما همانطور که در بالاتر به تفصیل توضیح داده شد، جمع شدگی به بارگذاری ربطی ندارد و به عوامل مختلفی مانند طرح اختلاط، ویژگی‌های مصالح، روش‌های اختلاط، شرایط محیطی و … بستگی دارد که به صورت تغییر حجم خودش را نشان می‌دهد.
در این مقاله به بررسی موضوع جمع شدگی در بتن پرداختیم و انواع شیرینکیج یا همان افت بتن آن را نیز بررسی کردیم. همانطور که می‌دانید بسیاری از دلایل ایجاد جمع شدگی شاید به سادگی قابل حل شدن نباشند و صرفا می‌توان آن را به حداقل کاهش داد که باید در هنگام بتن ریزی این موارد را در نظر داشت.
منابع: