خواص حرارتی بتن

خواص حرارتی در بتن

خواص حرارتی بتن نیز مانند خواص مقاومتی ممکن است با تغییرات در مصالح، نسبت‌های اختلاط و روش‌های ساخت تغییر نماید. آشنایی با خواص حرارتی بتن جهت طرح و پیش بینی اجرای انواع زیادی از سازه‌های بتنی مورد نیاز است. گرچه بتن از نظر قابلیت عایق سازی عموماً بر فلزات و سنگ‌های طبیعی تفوق جسته است، ولی در دمای اتاق موادی چون آزیست، منیزیم پودرشده، چوب معدنی و چوب پنبه پودرشده از این نظر برتر هستند. در درجه حرارت‌های زیاد، موادی مانند منیزیم پودرشده و خاک دیرگداز از نظر عایق سازی بسیاز بهتر هستند. ارزش حفاظت کنندگی بتن در درجه حرارت‌های زیاد که در آتش سوزی‌های بسیار بزرگ به اثبات رسیده است، ناشی از مقاومت بالای آن در مقابل آتش به همراه هدایت نسبتاً کم و مقاومت زیاد آن است. خواص حرارتی بتن سخت شده که برای مهندس اهمیت دارد، عبارتند از: هدایت حرارتی، گرمای ویژه، انتشار حرارت، ضریب انبساط حرارتی و افزایش دمای آدیاباتیک[۱]. به علاوه تأثیر دما بر روی خواص مقاومتی را باید شناخت^{(۱۳ و ۱۲)}.

جهت مشاوره یا خرید همین حالا تماس بگیرید!

0933-202-3003

هدایت حرارتی بتن

هدایت حرارتی عبارت است از آهنگ عبور حرارت از میان ماده ای با سطح و ضخامت واحد وقتی که تغییر دمای واحد بین دو وجه ماده وجود دارد. این خاصیت در رابطه با تغییرات دما در بتن حجیم و همچنین خواص تقطیر و عایق سازی دیوارها و دال‌ها دارای اهمیت است. تعاریف و مقادیر عددی برای ضرایب مختلف در «مرجع شماره (۱)» ارائه گردیده است.

ضرایب مختلفی که جهت محاسبه افت‌های حرارتی به کار می‌روند، به شرح ذیل است:

K = هدایت حرارتی یک ماده همگن بین رویه وجه گرمتر و رویه وجه سردتر، ژول بر ثانیه بر مترمربع سطح بر هر درجه اختلاف دما در هر متر ضخامت

C = قابلیت هدایت حرارتی یک عایق (دیوار) بین رویه وجه گرمتر و رویه وجه سردتر، ژول بر ثانیه بر مترمربع بر هر درجه اختلاف دما برای ضخامت معین (غالباً مشخص شده به عنوان مثال برای واحدهای بنایی بتنی cm10، cm20 و cm30)

j = هدایت سطحی، نرخ زمان جریان حرارت بین یک واحد سطح از یک رویه و هوای پیرامونی (f_i رویه داخلی و f_O رویه خارجی را مشخص می‌کند) ژول بر ثانیه بر متر مربع بر هر درجه اختلاف دما

a = قابلیت هدایت حرارتی یک فاصله از جنس هوا، ژول بر ثانیه بر مترمربع بر هر درجه اختلاف دما.

R = مقاومت حرارتی، عکس قابلیت هدایت مانند  ،  ،  و غیره. ضریب کلی انتقال یک دیوار مرکب را می‌توان با محاسبه مقاومت کل با جمع زدن معکوس ضرایب هدایت برای بخش‌های جداگانه دیوار مرکب به دست آورد:

که X₁ و X₂ ضخامت مواد مختلف هستند.

U = ضریب کلی انتقال حرارت، ژول بر ثانیه بر مترمربع بر هر درجه اختلاف دما بین هوای روی وجه گرمتر یک عایق و هوای روی وجه سردتر

U =1/R

روش‌های محاسبه افت از میان ساختمان یک دیوار مشخص و همچنین تغییرات دما بین وجوه سرد و گرم دیوار در شکل‌های زیر ارائه شده است. ضرایب عددی مختلف از «راهنمای حرارتی، برودتی و تهویه مطبوع^(۱)، استخراج شده است.

ترکیبات کانی شناسی سنگدانه‌ها تأثیر زیادی بر روی هدایت حرارتی دارد. بازالت و تراخیت[۲] هدایت حرارتی کم، کواتز هدایت حرارتی زیاد و دولومیت و سنگ آهک هدایت حرارتی نسبتاً بالایی دارند. هدایت حرارتی نسبتاً بالایی دارند. هدایت حرارتی سنگدانه‌های سبک تقریباً متناسب با دانسیته آنها است. رابطه تقریبی بین هدایت حرارتی و دانسیته خشک شده در کوره در شکل زیر نشان داده شده است^(۳).

مقدار هوای بتن تأثیر قطعی در کاهش هدایت حرارتی دارد. نتایج آزمایش‌ها^(۴) حاکی از این است که هدایت حرارتی بتن با شن و ماسه معمولی و همچنین بتن با سنگدانه سبک، با افزایش مقدار رطوبت بتن سخت شده افزایش می‌یابد. همچنین در صورت افزایش دمای بتن سخت شده از ۱۵۷ – تا ۲۴ درجه سانتی گراد، هدایت حرارتی بتن دارای شن و ماسه معمولی کاهش می‌یابد و در بتن دارای سنگدانه‌های سبک، فقط اندکی در هدایت حرارتی ایجاد می‌شود.

هدایت حرارتی و تقطیر در بتن

حذف تقطیر بر روی یا درون دیوارها و کف‌ها به همان اندازه کاهش افت حرارت از میان آنها دارای اهمیت است. از تقطیر رطوبت بر روی وجه داخلی دیوار خارجی ساختمان در صورتی می‌توان جلوگیری نمود که ضریب کلی انتقال حرارت به قدر کافی پایین نگاه داشته شود تا دمای وجه داخلی بالاتر از دمای نقطه شبنم، f_d باقی بماند.

حداکثر ضریب انتقال حرارت که از تقطیر ممانعت خواهد نمود، از رابطه زیر قابل محاسبه است:

که در آن:

U = ضریب انتقال حرارت

f_i = هدایت سطحی وجه داخلی

f_i و t_e = به ترتیب دمای داخلی و خارجی

t_d = دمای نقطه شبنم (قابل دسترسی در جداول هیدرومتری)

با حفظ دمای وجه داخلی بالاتر از دمای نقطه شبنم (همانگونه که در بالا ذکر باشد)، همچنین با کاهش رطوبت نسبی هوای داخل اتاق یا افزایش سیرکولاسیون هوای عبوری بر روی وجه داخلی می‌توان از تقطیر ممانعت نمود. روش اول معمولاً مورد استفاده قرار می‌گیرد. به علاوه به منظور کاهش احتمال تقطیر یا رطوبت درون دیوار، باید در صورت امکان سدکننده‌های بخار را هرچه نزدیکتر به وجه گرمتر دیوار تعبیه نمود.

گرمای ویژه و انتشار حرارت بتن

مقدار حرارت لازم جهت تغییر دمای یک کیلوگرم از ماده به میزان یک درجه سانتی گراد، گرمای ویژه خوانده می‌شود. گرمای ویژه بتن سخت شده معمولاً بین ۸۴۵ و ۱۱۸۰ ژول بر کیلوگرم بر درجه سانتی گراد تغییر می‌کند. ترکیبات معدنی سنگدانه تأثیر اندکی دارد و به منظور اهداف محاسباتی، گرمای ویژه مصالح خشک در بتن غالباً بین ۸۴۵ و C◦/kg/J930 در نظر گرفته می‌شود. گرمای ویژه آب C◦/kg/J4220 است.

هنگامی‌که محاسبات مربوط به جریان حرارت در توده بتن ضرورت داشته باشد، هدایت حرارتی K، گرمای ویژه S و دانسیته d باید در نظر گرفته شوند. این سه پارمتر توسط رابطه زیر برای محاسبه انتشار حرارت D به کار گرفته می‌شوند:

D =K/sd

انتشار حرارت عبارت است از میزان آهنگ ایجاد تغییرات دما در توده بتن سخت شده و مقدار آن معمولاً بین ۰٫۰۰۲ و h/m² 0.006 تغییر می‌کند. مقدار D را به طریق آزمایشگاهی نیز می‌توان تعیین نمود.

ضریب انبساط حرارتی بتن

ضریب انبساط حرارتی، تغییر طول واحد طول (انبساط ناشی از افزایش دما و انقباض ناشی از کاهش دما) به ازای یک درجه تغییر دما است. این ضریب به سانتی متر بر سانتی متر بر درجه سانتی گراد یا به طور معمولتر به صورت میلیونیم بر درجه سانتی گراد بیان می‌گردد. مقدار میانگین آن برای بتن سخت شده ۱۰ میلیونیم بر درجه سانتی گراد است، گرچه معمولاً بین ۶٫۳ تا ۱۲٫۶ میلیونیم بر درجه سانتی گراد تغییر می‌کند. مشخصات و مقدار سنگدانه‌های درشت اساساً بر ضریب انبساط حرارتی بتن تأثیر می‌گذارد. کوارتز دارای ضریب انبساط حرارتی حدود ۱۲٫۶۲ میلیونیم بر درجه سانتی گراد است، در حالی که برخی از انواع سنگ آهک دارای ضریبی به کوچکی ۵٫۴ میلیونیم بر درجه سانتی گراد هستند. مقادیر معمول این ضریب برای خمیر سیمان خالص با عمل آوری خوب هم در وضعیت خشک و هم اشباع بین ۹ و ۱۴٫۴ میلیونیم بر درجه سانتی گراد تغییر می‌کند، گرچه مقادیر ۹ و ۲۱٫۶ میلیونیم بر درجه سانتی گراد نیز حاصل شده‌اند. ضریب انبساط حرارتی برای بتن را می‌توان به طور تقریبی از میانگین وزنی اجزای مختلف آن به دست آورد. ضرایب انبساط حرارتی بتن‌های خشک شده در کوره و اشباع در آب تقریباً یکسان است، ولی بتن خشک شده تا اندازه ای ضریب بزرگتری دارد.

افزایش دما در بتن حجیم

در سازه‌های بتنی با ضخامت کم و متوسط، معمولاً لازم نیست حرارت هیدراتاسیون در نظر گرفته شود، زیرا به سرعت اتلاف می‌گردد. افزایش دما در بتن حجیم دارای اهمیت است، بدین سبب که حرارت ایجاد شده ضمن گیرش نسبت به افزایش قابل ملاحظه دما، به کُندی آزاد می‌گردد. نهایتاً زمانی که داخل سرد و منقبض می‌گردد، تنش‌های کششی در داخل توده بتن ایجاد می‌شود. اگر این تنش‌ها به اندازه کافی بزرگ باشند، ممکن است باعث ترک خوردگی شوند که به همراه ترک‌های سطحی نفوذ و تجزیه شدگی را به دنبال خواهند داشت. مقدار افزایش دمای آدیاباتیک را می‌توان با انتخاب صحیح نوع سیمان، نسبت‌های اختلاط بتن، استفاده از مواد پوزولانی، روند بتن ریزی، دمای بتن تازه، خنک کردن مصنوعی و روش‌های صحیح طرح و اجرا کنترل نمود. این موارد در فصل ۲۰ تشریح شده است.

حرارت ایجاد شده با ترکیبات سیمان دقیقاً مرتبط است. بیشترین مشارکت به ازای واحد وزن ترکیب، متعلق به C₃A و پس از آن تأثیر کمتر ناشی از C₃S ، C₂S ، C₄AF است. سیمان پُرتلند کم حرارت (نوع IV استاندارد ASTM) در نگهداری افزایش دمای آدیاباتیک به میزان کم، مؤثر است. مواد پوزولانی معمولاً در پایین آوردن افزایش دما مؤثرتر از سیمان هستند که جایگزین آن می‌شوند.

مخلوط‌های کم مایه با مواد سیمانی کم حرارت می‌توانند بتن حجیم با مقاومت لازم و افزایش دمای آدیاباتیک کمتر از C◦۴٫۵ تولید نمایند. در سازه‌های حجیم هنگامی‌که از مواد سیمانی زیاد استفاده شده، افزایش درجه حرارت‌های متجاوز از C◦۳۸ ملاحظه شده است.

روند اتلاف حرارت را می‌توان از طریق به کار بردن بتن با هدایت حرارتی زیاد، ریختن بتن در واحدهای کوچکتر، ریختن واحدهای با نسبت بالای سطح در معرض هوا به حجم، در نظر گرفتن دوره زمانی طولانی برای هر واحد جهت در معرض هوا بودن قبل از پوشیده شدن توسط بتن بعدی اجتناب از عایق نمودن تا زمان ممکن، و خنک سازی هرچه زودتر پس از ریختن بتن افزایش داد.

در سازه‌های بتنی بسیار حجیم، خواص حرارتی (حرارت هیدراتاسیون، گرمای ویژه، هدات حرارتی و انتشار حرارت) مهم هستند، زیرا مشخصات روش‌های پیش خنک کنندگی، درجه حرارت‌های بتن ریزی، برنامه‌های اجرایی و طرح سیستم خنک سازی همگی به آنها وابسته هستند. در سازه‌های بتنی با ضخامت کم و متوسط، خواص حرارتی به جز ضریب انبساط و هدایت حرارتی معمولاً مورد توجه قرار نمی‌گیرند.

تأثیر دما بر خواص بتن

خواص فیزیکی بتن با درجه حرارت تغییر می‌کند^(۶-۴). به طور کلی خواص فیزیکی در دماهای کمتر از حد معمولی، بزرگتر از دمای اتاق و در دماهای زیاد، کمتر از دمای اتاق هستند. آزمایش‌ها^(۵) نشان داده اند که مقاومت‌های فشاری و دو نیم شدن بین دماهای C◦۶۰- و C◦۱۵۷- به حداکثر مقدار خود می‌رسند. این آزمایش‌ها همچنین نشان داده اند که مقاومت فشاری بتن با شن و ماسه معمولی با کاهش دما از C◦۲۴ به حدود C◦۱۰۰- بیش از سه برابر شده است. مقاومت‌های دو نیم شدن تحت همین شرایط بیش از دو برابر شده‌اند. مدول الاستیسیته معمولاً با کاهش دما از C◦۲۴ به C◦۱۵۷- افزایش می‌یابد. مقدار افزایش از صفر برای بتن خشک تا حدود ۵۰ درصد برای بتن مرطوب متغیر است. ضریب پواسون با کاهش دما از C◦۲۴ تا C◦۴۵-اساساً ثابت می‌ماند. خواص فیزیکی بتن مرطوب در محدوده C◦۲۴ تا ◦۱۵۷ خیلی بیشتر از بتن خشک تغییر می‌نماید.

طی یک سری آزمایش‌های^(۶) دیگر بین C◦۶۰- و C◦۲۳۲ ملاحظه شده که در درجه حرارت‌های کمتر از حد معمولی خواص ملات‌ها و بتن‌ها عموماً با کاهش دما افزایش می‌یابند. در محدوده بالاتر از دمای اتاق هنگامی‌که دما زیاد می‌شود، معمولاً خواص ابتدا کاهش می‌یابند، سپس افزایش می‌یابند و نهایتاً دوباره دچارکاهش می‌شوند. در دمای C◦۲۳۲ مقاومت‌های ملات‌ها و بتن‌ها حدوداً همان مقادیر مربوط به دمای اتاق بوده ولی مدول الاستیسیته به میزان قابل توجه کمتر است. خواصی از ملات که مورد بررسی قرار گرفته اند، شامل انرژی گسیختگی، مدول گسیختگی، مقاومت کششی، مقاومت فشاری و مدول الاستیسیته و خواصی بررسی شده بتن، مقاومت فشاری و مدول الاستیسیته بوده است.

نتایج آزمایش‌ها^(۴) بین C◦۲۴ و C◦۸۱۵ برای انبساط حرارتی، دانسیته و مدول الاستیسیته دینامیکی نیز ارائه شده است. این آزمایش‌ها بیانگر این امر هستند که افت وزن ناشی از افت آب در C◦۴۲۷ به طور کامل صورت گرفته و تغییرات حجم در دماهای بالاتر مربوط به ترکیبات شیمیایی سنگدانه‌ها بوده است. ضریب انبساط حرارتی در دمای بالاتر از C◦۴۲۷ به طور جدی بزرگتر بوده است، زیرا در چنین دماهایی تحت تأثیر جمع شدگی خمیر قرار نمی‌گیرد. مدول الاستیسیته در C◦۷۶۰ تقریباً  مقدار آن در C◦۲۴ نشان داده شده است. پس از آب زدایی، برای یک نسبت آب به سیمان مشخص، مدول‌های الاستیسیته اساساً به سن یا شرایط عمل آوری بستگی ندارند.

مقاومت بتن در مقابل آتش

خواص مقاومتی و سختی بتن با افزایش دما بیش از C◦۴۲۷ به طور جدی کاهش می‌یابد. بنابراین اعضای تکیه گاهی بتنی نباید به طور پیوسته در معرض درجه حرارت‌های بالاتر از C◦۲۶۰ قرار گیرند. به طور پیوسته در معرض دماهای بالاتر از C◦۴۸۲ بودن ممکن است منجر به قلوه کن شدن گردد. تحت درجه حرارت‌های زیاد، اجزای تشکیل دهنده بتن امکان دارد دچار تغییرات قابل توجهی شوند. مثلاً کوارتز در دمای C◦۵۷۳ تغییر حالت داده و حدود ۸۵ دردصد انبساط می‌یابد که باعث بروز اثرات گسیختگی شدید می‌شود. در آتش سوزی، درجه حرارت‌های زیاد ابتدا بر روی یک وجه یا در یک بخش کوچک از سازه نمود پیدا کند. تحت چنین شرایطی انبساط تفاضلی بین بتن داغ و بتن سرد اتفاق خواهد افتاد. خمیر سیمان به دلیل افت رطوبت تمایل به انقباض و به دلیل افزایش دما تمایل به انبساط دارد، در حالی که سنگدانه‌ها به طور پیوسته با افزایش دما منبسط می‌شوند. این رفتارها متضاد به ترک خوردگی و قلوه کن شدن منجر شده و در بتن مسلح باعث قرار گرفتن آرماتورها در معرض آتش می‌شود. سپس آرماتورهای بدون محافظ با افزایش دما به سرعت دچار افت مقاومت می‌گردند. دوام یک دیوار بتنی در مقابل آتش اساساً بستگی به ضخامت دیوار، نوع ساخت، نوع سنگدانه‌ها، و کیفیت بتن دارد. آزمایش‌ها^(۸) نشان داده اند که برای یک نوع سنگدانه معین وقتی ضخامت دیوار ۳۵ تا ۴۰ درصد افزایش می‌یابد، طول مدت مقاومت در مقابل آتش عموماً دو برابر می‌شود. تفاوت‌ها در ساخت مانند دیوار بتنی توپُر در مقابل دیوار با قطعات بنایی مجوف، نشیمن کامل واحدهای بنایی در مقابل نشیمن فقط بر روی وجوه دیوار و ضخامت پوشش روی آرماتورها همگی تأثیرات مهمی‌دارند. سنگدانه‌های طبیعی به ترتیب نزولی از نظر مقاومت در مقابل آتش عبارتند از: آهکی، فلدسپاتی مانند بازالت، گرانیت‌ها و ماسه سنگ‌ها، سیلیسی مانند کوارتز و چرت. سنگدانه‌های سبک مانند رس‌های متورم شده، شیل‌ها و سرباره‌ها از نظر تولید بتن مقاوم در مقابل آتش بر سنگدانه‌های طبیعی مقدم هستند. مقدار سیمان بیشتر در افزایش طول مدت مقاومت در مقابل آتش و افزایش ظرفیت باربری دیوار هم قبل و هم بعد از مجاورت با آتش مؤثر هستند. اندازه گیری مقاومت دیوار در مقابل آتش از طریق قرار دادنیک وجه پانل آزمایشی بارگذاری شده (غالباً با حداقل بعد cm 270 و حداقل سطح m²9) تحت افزایش دما با روش تعیین شده از C◦۵۳۸ در ۵ دقیقه تا حداکثر C◦۱۲۶۰ در هشت ساعت (ASTM E119) انجام می‌شود. برای آزمایش کف‌ها و بام‌ها آزمایش مشابهی انجام می‌گیرد، با این تفاوت که معمولاً واحد آزمایشی بزرگتری مورد نیاز است. در حین آزمایش دمای وجه دیگر در تعدادی نقاط گرفته شده و رفتار نمونه ملاحظه می‌گردد. به طور کلی اگر نمونه بتواند بار اعمالی را بدون عبور شعله یا گاز داغ به اندازه ای که ضایعات کتان را شعله ور کند، تحمل نماید و دمای وجه دیگر بیش از C◦۱۲۰ از دمای ابتدایی آن افزایش نیابد، نمونه از نظر نتیجه آزمایش برای دوره زمانی طبقه‌بندی شده (معمولاً از ۱ تا ۴ ساعت) مقبول تلقی می‌شود. در بعضی موارد ممکن است آزمایش جریان آب که در آن وجه در معرض قرار گرفته در یک زمان مشخص تحت اثر آب با فشار معین برای یک مدت مشخص قرار گرفته مورد نیاز باشد. سپس نمونه سردشده ممکن است تحت آزمایش بارگذاری قرار گیرد. آزمایشات مربوط به ستون‌ها از طریق قرار دادن آنها تحت بارهایی که تنش‌های طرح را ایجاد می‌نمایند و سپس قرار دادن هر چهار وجه ستون‌ها در معرض آتش انجام می‌گیرد. در صورتی که ستون‌ها بارهای اعمال شده را در حین آزمایش آتش طی دوره زمانی طبقه‌بندی شده مطلوب تحمل نمایند، آزمایش موفقیت آمیز تلقی می‌گردد.

بتنی که در معرض درجه حرارت‌های زیاد موجود در آتش واقع شده و سپس سرد گردیده مقاومت و سختی آن کاهش می‌یابد. آزمایش‌های^(۹) انجام شده بر روی مقاومت فشاری دیوارها بع ارتفاع m1.8 و ساخته شده با قطعات بنایی مجوف ۲۰ سانتی متری حاکی از این است که پس از ۳ تا ۳٫۵ ساعت مجاورت با آتش نسبت مقاومت دیوار به مقاومت اولیه قطعات به طور متوسط برای قطعات ساخته شده از شن و ماسه حدود ۲۵ درصد و برای قطعات ساخته شده از رس منبسط شده حدود ۳۵ درصد می‌باشد. مدول الاستیسیته دیوارها قبل از قرار گرفتن در معرض آتش بین ۱۴۰۰ و MPa 5250 و پس از قرارگیری در مجاورت آتش بین ۷۰۰ و MPa 2100 براساس سطح مقطع کل تغییر می‌کند. ازمایش‌های دیگر^(۸) نشان داده اند که دیوارهای بتنی توپُر با cm15 و cm20 ضخامت و cm300 ارتفاع به نحو رضایت بخشی تنش‌های ناشی از بارهای سرویسی گسترده یکنواخت به مقدار ۲۸ کیلوگرم بر سانتی مترمربع را در حین قرار گیری در معرض آتش سوزی شدید و پس از آن تحمل نموده اند.

جهت مشاوره یا خرید همین حالا تماس بگیرید!

0933-202-3003

[۱] . واکنشی که در آن انتقال حرارت از داخل به خارج و بالعکس صفر است. (مترجم)

[۲] – Trachyte