مقدمه

بتن، بر اثر بارگذاری، تغییر شکلهایی ارتجاعی و غیر ارتجاعی از خود نشان می دهد. همچنین، بر اثر خشک شدن یا سرد شدن، کرنشهای ناشی از جمع شدگی در آن بوجود می آید. در صورتی که جمع شدگی مقید گردد کرنش های بوجود آمده موجب ایجاد تنشهای منجر به ترک میگردد.

در این فصل، تأثیر رفتار غیر خطی بتن بر روی منحنی تنش – کرنش، و نیز انواع ضرایب ارتجاعی و روشهای تعیین آنها شرح داده می شود. عوامل موثر بر ضرایب ارتجاعی نظیر سنگدانه، خمیر سیمان، ناحیه انتقال و پارامترهای آزمایش نیز مورد بحث قرار می گیرند.

تأثیرات تنشهای ناشی از کرنش های جمع شدگی و کرنش های ویسکو

ارتجاعی یکسان نیستند، با این وجود در هر دو پدیده، علل مؤثر و عوامل کنترل کننده مشترک فراوانی مشاهده میشود. در این فصل، همچنین عوامل موثر بر جمع شدگی و خزش نظیر مقدار سنگدانه، سختی و مقاومت سنگدانه، میزان آب، میزان سیمان، مدت زمان قرارگیری در معرض محیط، رطوبت نسبی و اندازه و شکل نمونه بتنی توضیح داده می شود.

جمع شدگی حرارتی مسأله مهمی در اجزای بتنی حجیم و بزرگ است. میزان این جمع شدگی با کنترل کردن ضریب انبساط حرارتی سنگدانه، نوع و مقدار سیمان و دمای مصالح تشکیل دهنده بتن قابل مهار است. علاوه بر اینها، مفاهیم قابلیت افزایش طول، و ظرفیت کرنشی کششی و اهمیت آنها در ترک خوردگی بتن مورد بحث قرار میگیرد.

انواع تغییر شکلهای بتن و میزان اهمیت آنها

تغییر شکلهای بتن، که اغلب منجر به ترک می شوند در نتیجه رفتار مصالح در مقابل بار و عوامل محیطی بوجود می آیند. هنگامی که یک بتن تازه سخت شده (اعم از بارگذاری شده یا نشده) در معرض درجه حرارت و رطوبت محیط قرار می گیرد در آن جمع شدگی حرارتی (کرنش های جمع شدگی بر اثر سرد شدن)(۱) و جمع شدگی ناشی از خشک شدن (کرنش های جمع شدگی همراه با  کاهش رطوبت) بوجود می آید. این موضوع که، در یک شرایط مفروض، کدامیک از این دو جمع شدگی و تغییر شکل حاصل از آنها حاکم خواهد بود، بستگی به عوامل زیادی همچون اندازه عضو بتنی، مشخصات مصالح تشکیل دهنده آن و نسبتهای اختلاط دارد. عموما در یک عضو ضخیم (معمولا بزرگتر از چند متر)، جمع شدگی ناشی از خشک شدن اهمیت کمتری نسبت به جمع شدگی حرارتی دارد.

بایستی توجه داشت که اغلب اعضای سازهای بتنی سخت شده، مقید هستند و این امر معمولا ناشی از اصطکاک عضو با بستر زیر آن، عضوهای انتهایی، آرماتور فولادی، و یا حتی کرنش های متفاوت در داخل و خارج بتن است. اگر کرنش ناشی از جمع شدگی در یک ماده ارتجاعی، کاملا مقید و کنترل شود، این امر منجر به ایجاد تنش کششی ارتجاعی در آن می شود. میزان این تنش از حاصلضرب کرنش در مدول ارتجاعی مصالح E به دست می آید ( ). مدول ارتجاعی بتن همچنین تابع مشخصات مواد تشکیل دهنده بتن و نسبتهای اختلاط می باشد ولی این ارتباط الزامأ به همان میزان و یا حتی به همان گونه کرنش های ناشی از جمع شدگی نیست. انتظار می رود که زمانی که اثر توام مدول ارتجاعی و کرنش جمع شدگی، تنشی را بوجود بیاورد که برابر یا بیشتر از مقاومت کششی مصالح باشد، آنگاه مصالح ترک بخورد (شکل ۱-۴، منحنى الف). در عمل، به دلیل مقاومت کششی کم بتن، این امر اتفاق می افتد، ولی خوشبختانه، وقوع این امر تحت مقادیری از تنش کششی الاستیک، که از طریق تئوریک محاسبه شده است، نمی باشد.

 اثر جمع شدگی و خزش در ایجاد ترک در بتن
اثر جمع شدگی و خزش در ایجاد ترک در بتن

برای درک بهتر این موضوع که چرا بتن ممکن است اصلا ترک نخورد و یا اینکه ترک خوردگی آن پس از گذشت مدت زمانی از قرارگیری آن در معرض محیط، و نه بلافاصله، صورت گیرد، بهتر است به رفتار بتن تحت تنشها و کرنشهای موجود در آن، توجه بیشتری مبذول گردد. پدیده ای که در آن بتن بر اثر سطح تنشی ثابت، به مرور زمان تدریجا تغییر شکل می یابد، خزش گفته می شود. پدیده دیگری که در آن، به مرور زمان، تحت کرنش ثابت، تنش تدریج کاهش می یابد، وادادگی تنش نام دارد. بروز هر دوی این پدیده ها، از مظاهر بارز خاص مصالح ویسکوالاستیک است. موقعی که یک عضو بتنی مقید میگردد رفتار ویسکوالاستیک بتن در قالب ادامه کاهش تنش با زمان ظاهر می شود شکل ۱-۴، منحنی ب). بنابراین، در اغلب سازه ها، تحت شرایط گیرداری موجود در بتن، تاثیر متقابل تنش های کششی الاستیک ناشی از کرنشهای جمع شدگی و وادادگی تنش ناشی از رفتار ویسکوالاستیک مصالح، در بطن تغییر شکلها و ترک خوردگی های بتن قرار دارد.

در عمل رفتار تنش- کرنش بتن بسیار پیچیده تر از شکلی است که در نمودار (۱-۴) نشان داده شده است. اولا بتن یک ماده کاملا ارتجاعی نیست، و ثانیا نه کرنش ها و نه قیدها در طول عضو بتنی یکنواخت نیست. لذا، بنا به دلایل فوق توزیع تنش های ایجاد شده، از یک نقطه به نقطه دیگر تغییر می کند. با وجود این، آگاهی داشتن از خواصی نظیر جمع شدگی ارتجاعی، جمع شدگی ناشی ازخشک شدن، جمع شدگی حرارتی و خواص ویسکوالاستیک بتن، اهمیت دارد.

رفتار ارتجاعی

خواص ارتجاعی مصالح در حقیقت شاخصی از سختی آنهاست. علی رغم رفتار غیر خطی بتن، تخمین مدول ارتجاعی بتن (یعنی نسبت بین تنش وارده و کرنش آنی در محدوده فرض شده)، برای تعیین تنش های ایجاد شده بر اثر کرنش های ناشی از اثرات محیطی، ضروری می باشد. همچنین این ضریب برای محاسبه تنش های طراحی ناشی از بار در اجزای ساده، و نیز محاسبه لنگرها و تغییر شکلها در سازه های پیچیده، لازم می باشد.

رابطه غیر خطی بین تنش و کرنش

با توجه به منحنیهای تنش کرنش برای سنگدانه، خمیر سیمان و بتن تحت فشار تک محوری، نشان داده شده در شکل (۲-۴)، کاملا مشهود است که بتن در مقایسه با سنگدانه و خمیر سیمان مادهای ارتجاعی نیست. نه تنها کرنش ایجاد شده در بتن بر اثر بار آنی با تنش وارد شده به طور مستقیم رابطه ای ندارد بلکه در باربرداری نیز کرنش ها کاملا به حالت اولیه بر نمی گردند. برای بررسی و تشریح علت غیر خطی بودن رابطه تنش – کرنش در بتن، مطالعاتی در مورد نحوه گسترش ریزترکها در بتن تحت بار، از جمله در دانشگاه کرنل (Cornell)(۲)، انجام شده است. شکل(۳-۴) ،براساس کارهای انجام شده در این دانشگاه و بررسی های انجام شده توسط گلوک لیش Glucklich)) (3)به دست آمده است.

رفتار تنش-کرنش خمیر سیمان،سنگدانه و بتن
رفتار تنش-کرنش خمیر سیمان،سنگدانه و بتن
نمایش شماتیک رفتار تنش-کرنش بتن تحت بار فشاری تک محوری
نمایش شماتیک رفتار تنش-کرنش بتن تحت بار فشاری تک محوری

از نقطه نظر سطوح مختلف (تنش بیان شده بر حسب درصدی از بار نهایی) و ایجاد ترکهای ریز در بتن، چهار حالت شکل۳-۴  را می توان مشاهده کرد. در حال حاضر روشن شده است که حتی قبل از اعمال بار خارجی به بتن، ترکهای ریز در ناحیه انتقال بین خمیر سخت شده و شن وجود دارد. تعداد و عرض این ریز ترکها در نمونه بتنی علاوه بر عوامل مختلف، به آب انداختگی بتن، مقاومت ناحیه انتقال و حلول مدت زمان عمل آوری بتن نیز بستگی دارد. در شرایط معمول عمل آوری (هنگامی که بتن در معرض خشک شدن یا جمع شدگی حرارتی قرار دارد) به علت تفاوت ضرایب ارتجاعی، کرنش های متفاوتی ما بین خمیر و شن رخ میدهد که عامل ایجاد ترکها در ناحیه انتقال می باشند. در بارهای کمتر از ۳۰ درصد بار نهایی، ترکها در ناحیه انتقال پایدار مانده و در نتیجه منحنی خطی باقی می ماند (حالت اول در شکل بالا).

در بارهای بیش از ۳۰ درصد بار نهایی (حالت دوم در شکل مزبور) با افزایش تنشها، ترکهای ناحیه انتقال از نظر طول و عرض و تعداد شروع به افزایش می کنند. بنابراین با افزایش تنش ها، نسبت افزایش یافته و منحنی از حالت خط راست خارج می شود. به هر حال تا تنشهای حدود۵۰ درصد تنش نهایی می توان فرض کرد که حالت پایداری از ریز ترکها در ناحیه انتقال وجود دارد و در این حالت ترکهای ایجاد شده در خمیر قابل ملاحظه نیستند. در بارهای حدود ۵۰ تا ۶۰ درصد بار نهایی ترکهای جدیدی در خمیر شروع به تشکیل شدن می کنند. با افزایش بیشتر تنش ها تا حدود ۷۵ درصد بار نهایی (یعنی حالت سوم) نه تنها سیستم ترکها در ناحیه انتقال ناپایدار می شود بلکه تشکیل و گسترش ترکها در خمیر نیز افزایش یافته و منحنی تنش – کرنش بیشتر به طرف محور افقی خم میشود. در بارهای حدود ۷۵ تا ۸۰ درصد بار نهایی، سرعت و آهنگ رهایی انرژی کرنشی به سطح بحرانی لازم برای رشد سریع ترکها تحت تنش اعمال شده رسیده و این سطح تنش برای گسیختگی مصالح کافی می باشد. به طور خلاصه در بار حدود ۷۵ درصد بار نهایی (حالت چهارم) با افزایش تنش، کرنش بسیار بالایی ایجاد می شود که نشان دهنده پیوسته شدن سیستم ترکها به علت گسترش سریع آنها در خمیر و ناحیه انتقال می باشد.

انواع ضرایب ارتجاعی

مدول ارتجاعی استاتیکی بتن تحت کشش یا فشار، از روی شیب منحنی در بارگذاری تک محوری به دست می آید. از آنجا که این منحنی برای بتن غیر خطی است، سه روش برای محاسبه این ضریب وجود دارد. در نتیجه سه ضریب براساس شکل زیر تعریف می شود.

  • ضریب یا مدول مماسی، که شیب خطی است که از هر نقطه غیر مشخص منحنی مماس بر آن رسم میگردد.
  • ضریب یا مدول سکانت، که شیب خطی است که از مبدا به نقطه ای از منحنی که نظیر ۴۰ درصد تنش نهایی گسیختگی است، وصل می شود.
  • ضریب یا مدول وتری، که شیب خطی است که بین دو نقطه از منحنی تنش – کرنش رسم می شود. در مقایسه با ضریب سکانت، در اینجا به جای مبدا، نقطه ای را در نظر میگیریم که نظیر کرنش است. لذا این نقطه را به نقطه نظیر ۴۰ درصد بار نهایی وصل میکنیم تا خط موردنظر به دست آید. جابه جایی خط پایه به میزان ۵۰ میکرو کرنش، به منظور تصحیح تحدب مختصری که اغلب در شروع منحنی تنش کرنش مشاهده میشود توصیه شده است.
انواع مختلف ضرائب ارتجاعی بتن و نحوه تعیین آنها
انواع مختلف ضرائب ارتجاعی بتن و نحوه تعیین آنها

مدول ارتجاعی دینامیکی که نظیر کرنش آنی بسیار کوچکی است، تقریبا برابر است با مدول مماسی اولیه خطی که از مبدا به صورت مماس بر منحنی رسم می شود. این ضریب معمولا در حدود ۲۰، ۳۰ و ۴۰ درصد بیش از مدول ارتجاعی استاتیکی، به ترتیب برای بتن های با مقاومتهای زیاد، متوسط و کم می باشد. در تحلیل تنش سازه هایی که به آنها نیروهای زلزله و یا بارهای ضربه ای وارد می شود، مناسب تر آن است که از مدول ارتجاعی دینامیکی استفاده شود. این ضریب با دقت بیشتری ۲ از طریق روشهای صوتی تعیین می شود.

مدول ارتجاعی خمشی، با استفاده از آزمایش تغییر شکل تیرهای بتنی تحت بارگذاری به دست می آید. در یک تیر با تکیه گاههای ساده در دو طرف، که در وسط دهانه بارگذاری شده، با صرفنظر کردن از تغییر شکل برشی، مقدار تقریبی ضریب فوق از فرمول زیر قابل محاسبه است:

در این رابطه y افتادگی وسط دهانه بر اثر بار P ، Lطول دهانه و  Iگشتاور اینرسی است. مدول ارتجاعی خمشی (مدول گسیختگی) اغلب برای طراحی و تحلیل روسازیهای بتنی مورد استفاده قرارمیگیرد.

تعیین مدول ارتجاعی استاتیکی بتن

در استاندارد۴۶۹ ASTM C، برای اندازه گیری و تعیین مدول ارتجاعی استاتیکی (مدول وتری) و ضریب پواسون، از نمونه های استوانه ای شکل ۱۵*۳۰سانتیمتری که تحت فشار طولی و با سرعت ثابت، و در محدوده تنش بارگذاری می شود، استفاده می کنند. تغییر شکلها با یک کرنش سنج اندازه گیری می شود. منحنی های معمول تنش-کرنش مربوط به سه نوع بتن مذکور در شکل (۱۸-۳)، همراه با محاسبات مدول ارتجاعی در شکل (۵-۴) آورده شده است.

تعیین ضریب سکانت در آزمایشگاه (ASTM C469)
تعیین ضریب سکانت در آزمایشگاه (ASTM C469)

مقادیری که برای مدول ارتجاعی بتن در محاسبات طرح قطعات بکار میرود اغلب از روابط تجربی که با فرض ارتباط مستقیم بین مدول ارتجاعی و مقاومت و چگالی بتن به دست آمده اند، استخراج شده اند. در تقریب اول، این عمل با معنی است زیرا رفتار تنش-کرنش سه جزء بتن، یعنی سنگدانه، خمیر سیمان و ناحیه انتقال، خود از مقاومتهای تک تک آنها نتیجه میشود و این مقاومتها نیز به نوبه خود به مقاومت نهایی بتن مربوط هستند. بعلاوه باید توجه داشت که مدول ارتجاعی سنگدانه (که کنترل کننده توانایی سنگدانه در مقید نمودن تغییرات حجمی خمیر است) مستقیما با تخلخل آن وابسته است و اندازه گیری وزن مخصوص بتن اغلب ساده ترین روش تخمین تخلخل سنگدانه ها در بتن می باشد.

براساس آیین نامه ۳۱۸ ACI، در بتن با وزن مخصوص ،مدول ارتجاعی از رابطه زیر به دست می آید.

در این رابطه Ec مدول ارتجاعی استاتیکی( Psi)، wcوزن مخصوص بتن ( ) و f’ cمقاومت فشاری ۲۸ روزه نمونه استوانه ای است. در مدل پیشنهادی CEB-FIP 1990مدول ارتجاعی بتن با وزن معمولی از رابطه زیر به دست می آید:

که در آنEc مدول ارتجاعی ۲۸ روزه بتن (MPa) و fcm متوسط مقاومت ۲۸ روزه است. اگر مقاومت فشاری واقعی مشخص نباشد بجای fcm  باید ۸+fck را بکار برد که fck  با مقاومت فشاری مشخصه می باشد.

رابطه بین مقاومت فشاری و مدول ارتجاعی بتن ساخته شده با سنگدانه کوارتزیتی مشخص شده است. برای سایر سنگدانه ها، مدول ارتجاعی از ضرب Ec در ضریب ae ، که از جدول ۱-۴ استخراج می شود، به دست می آید. بایستی متذکر شد که رابطه پیشنهادی  CEB – FIP برای بتن های با مقاومت فشاری مشخصه تا MPa  ۸۰ و رابطه ACI برای مقاومتهای تا ) Psi  ۶۰۰۰۴۱MPa( اعتبار دارد. گسترش فرمول پیشنهادی ASIبرای بتن های با مقاومت زیاد در فصل ۱۱ آمده است .اگر به عنوان مثال وزن مخصوص بتنی را (۱۴۵Ib/ft3)2320kg/m3  فرضکنیم، مقادیر ضرایب ارتجاعی محاسبه شده برای بتن با وزن مخصوص معمولی با هر دو روش ACI و۱۹۹۰ CEB – FIP مطابق جدول (۲-۴) خواهد بود. با بحث بیشتر در خصوص عوامل موثر بر مدول ارتجاعی بتن در خواهیم یافت که مقادیر محاسباتی نشان داده شده در جدول (۲-۴) که براساس مقاومت و وزن مخصوص بتن می باشند، باید به عنوان مقادیر تقریبی در نظر گرفته شوند. این بدلیل مشخصات ناحیه انتقال و وضعیت رطوبت نمونه در هنگام آزمایش می باشد که تاثیر یکسانی بر مقاومت و مدول ارتجاعی ندارند.

تاثیر نوع سنگدانه بر مدول ارتجاعی
تاثیر نوع سنگدانه بر مدول ارتجاعی – مدول ارتجاعی بتن های با وزن مخصوص معمولی(با سنگدانه های کوارتزیتی)

 

ضریب پواسون

طبق تعریف برای موادی که تحت بار محوری ساده قرار می گیرند نسبت تغییر شکلهای نسبی (کرنش) جانبی به کرنش های محوری در محدوده ارتجاعی، ضریب پواسون نام دارد. ضریب پواسون اغلب برای بیشتر محاسبات طراحی بتن مورد نیاز نیست، لیکن به هر حال در تحلیل سازه هایی نظیر تونلها، سدهای قوسی و سایر سازه های نامعین استاتیکی کاربرد دارد.

در بتن های مختلف ضریب پواسون اغلب بین ۰/۱۵ تا ۰/۲ تغییر می کند. بررسیها نشان می دهند که ارتباط ثابتی بین ضریب پواسون و مشخصات بتن، نظیر نسبت آب به سیمان، سن عمل آوری و دانه بندی سنگدانه وجود ندارد. به هر حال ضریب پواسون در بتن های با مقاومت زیاد کمتر، و در بتن های خیس واشباع و بتن هایی که تحت بارگذاری دینامیکی قرار دارند بیشتر است.

عوامل موثر بر مدول ارتجاعی

در مصالح همگن بین وزن مخصوص و مدول ارتجاعی رابطه مستقیمی وجود دارد. در مصالح ناهمگن و چند فازی، نظیر بتن، نسبت حجمی، وزن مخصوص و مدول ارتجاعی مواد اصلی تشکیل دهنده و مشخصات ناحیه انتقال، تعیین کننده خواص ارتجاعی ماده مرکب می باشند. از آنجا که وزن مخصوص با تخلخل تناسب معکوس دارد، عواملی که موثر بر تخلخل سنگدانه، خمیر سیمان و ناحیه انتقال می باشند، مهم هستند. در بتن، وجود ارتباط مستقیم بین مقاومت و مدول ارتجاعی از این حقیقت ناشی می شود که هر دوی این خواص در بتن تحت تأثیر تخلخل مواد تشکیل دهنده آن قرار می گیرند، هر چند که این تأثیرات یکسان نیستند.

بیشتر بخوانید  بتن خودتراکم | قسمت 6: ویژگی های بتن خودتراکم سخت شده

سنگدانه

– در میان خواصی از سنگدانه درشت که مدول ارتجاعی بتن را تحت تأثیر قرار می دهند، تخلخل سنگدانه اهمیت بیشتری دارد. دلیل این امر آن است که تخلخل سنگدانه تعیین کننده مقاومت و سختی آن است که آن هم به نوبه خود کنترل کننده توانایی سنگدانه در مقید ساختن کرنش های خمیر می باشد. سنگدانه های متراکم وکم تخلخل، مدول ارتجاعی بالاتری دارند. به طور کلی هر چه میزان سنگدانه درشت با مدول ارتجاعی بالا در مخلوط بتن بیشتر باشد، مدول ارتجاعی بتن بالاتر خواهد بود. از آنجا که در بتن های با مقاومت پایین و متوسط، مقاومت بتن تحت تأثیر تخلخل سنگدانه نیست، لذا روشن می گردد که عوامل مختلف کنترل کننده مقاومت و مدول ارتجاعی این کار را به یک صورت و با یک روند انجام نمی دهند.

مغزه های به دست آمده از توده سنگها، مدول ارتجاعی سنگدانه های طبیعی با تخلخل کم نظیر گرانیت و بازالت را در حدود و این ضریب را برای ماسه سنگ ،سنگ آهک و شن با تخلخل های مختلف را در حدود  نشان داده است.

سنگدانه های سبک اغلب بسیار متخلخل می باشند و براساس میزان تخلخل آنها، مدول ارتجاعی شان بین  تا  است. به طور کلی بتن های با سنگدانه سبک دارای مدول ارتجاعی کیلوگرم بر سانتیمتر مربع می باشند که این مقادیر در حدود  درصد مدول ارتجاعی بتن با سنگدانه معمولی با مقاومت مشابه می باشند. سایر خواص سنگدانه نیز بر روی مدول ارتجاعی بتن اثر می گذارند. به عنوان مثال، حداکثر اندازه سنگدانه، شکل، بافت سطحی، دانه بندی و خواص کانیهای سنگدانه در ریز ترکهای ناحیه انتقال و در نتیجه در شکل منحنی تنش- کرنش موثر خواهند بود.

خمیر سیمان

– مدول ارتجاعی خمیر سیمان از روی میزان تخلخل آن تعیین می گردد. عوامل موثر در کنترل تخلخل خمیر سیمان، نظیر نسبت آب به سیمان، میزان هوا، افزودنیهای معدنی و درجه هیدراتاسیون سیمان، در شکل (۱۳-۳) آورده شده اند. مقادیر مدول ارتجاعی خمیر سیمان هیدراته شده با تخلخل های مختلف، در حدود ذکر شده است. بایستی توجه داشت که این مقادیر شبیه مقادیری اند که برای مدول ارتجاعی سنگدانه های سبک به دست آمده است.

ناحیه انتقال

– به طور کلی، فضاهای خالی، ریز ترکها و بلورهای هیدروکسید کلسیم بیشتر در ناحیه انتقال، در مقایسه با خمیر سیمان، دیده می شوند و بنابراین نقش عمده ای در تعیین منحنی تنش-کرنش بتن دارند. عوامل کنترل کننده تخلخل در ناحیه انتقال در شکل (۱۳-۳) آورده شده اند. در گزارشهای فنی، نشان داده شده است که مقاومت و مدول ارتجاعی بتن، به یک میزان تحت تأثیر سن عمل آوری قرار ندارند. در مخلوطهای بتنی با مقاومتهای مختلف، در سنین بالاتر مثلا ۳ ماه تا یکسال، مدول ارتجاعی با سرعت بیشتری نسبت به مقاومت افزایش یافته است (شکل ۶-۴). امکان دارد که تأثیرات مثبت افزایش چگالی ناحیه انتقال، بر اثر واکنشهای آهسته بین قلیائیهای خمیر سیمان و سنگدانه، بیشتر بر روی منحنی تنش – کرنش، در مقایسه با مقاومت فشاری بتن،تأثیر بگذارد.

رابطه بین مقاومت فشاری و مدول ارتجاعی
رابطه بین مقاومت فشاری و مدول ارتجاعی

پارامترهای آزمایش

– نتایج آزمایشها نشان می دهد که مدول ارتجاعی نمونه های بتنی در شرایط مرطوب حدود ۱۵ درصد بیش از نمونه های مشابه در شرایط خشک بدون در نظر گرفتن تستهای اختلاط و سن عمل آوری، می باشد. جالب توجه است که مقاومت فشاری چنین نمونه هایی برخلاف نتیجه اشاره شده در بالا است، بدین معنی که مقاومت فشاری در شرایط خشک حدود ۱۵ درصد بالاتر را نشان میدهد. چنین به نظر می رسد که خشک شدن بتن تأثیر متفاوتی بر روی خمیر سیمان، در مقایسه با ناحیه انتقال، دارد و خمیر سیمان به علت افزایش نیروی واندروالسی محصولات هیدراتاسیون، مقاومت بیشتری را کسب می کند در حالی که ناحیه انتقال، به علت ایجاد ترکهای ریز، کاهش مقاومت از خود نشان میدهد. مقاومت فشاری با افزایش مقاومت خمیر افزایش می یابد اما مدول ارتجاعی به علت افزایش ریز ترکها در ناحیه انتقال، که بر منحنی تنش – کرنش اثر میگذارد، کاهش می یابد. توجیه دیگری برای این پدیده نیز وجود دارد. در یک خمیر سخت شده اشباع، آب جذب شده توسط ژلC-S-H ، تحمل بار می کند و لذا بر روی مدول ارتجاعی موثر واقع می شود، از طرف دیگر ایجاد فشار انفصالی (فصل ۲ را ببینید) در C-S-H سبب کاهش نیروهای جاذب و اندروالسی و در نتیجه کاهش مقاومت می شود.

میزان و درجه غیر خطی شدن منحنی تنش -کرنش بتن بستگی به سرعت بارگذاری دارد. در یک سطح تنش مشخص، سرعت توسعه ترکها و بنابراین مدول ارتجاعی به سرعت بارگذاری وابسته است. در بارگذاری سریع و آنی قبل از گسیختگی کرنش کوچکی بوجود می آید و لذا مدول ارتجاعی در این حالت خیلی زیاد است. در مدت زمانی که معمولا برای آزمایش نمونه های بتنی لازم است (۲ تا ۵ دقیقه)، کرنش در حدود ۱۵ تا ۲۰ درصد افزایش می یابد و در نتیجه مدول ارتجاعی کاهش می یابد. در بارگذاری بسیار آهسته، کرنش های ارتجاعی و خزش بر روی هم اضافه شده و در نتیجه کاهش بیشتری را در مدول ارتجاعی ایجاد می کنند. در شکل (۷-۴)، کلیه عوامل ذکر شده در بالا، که بر روی مدول ارتجاعی بتن اثر می گذارند، به صورت نموداری خلاصه شده است.

پارامترهای مختلف موثر بر مدول ارتجاعی بتن
پارامترهای مختلف موثر بر مدول ارتجاعی بتن

جمع شدگی ناشی از خشک شدن، و خزش

بنا به دلایل مختلف، دو پدیده جمع شدگی ناشی از خشک شدن و پدیده ویسکوالاستیک با هم مورد بحث قرار میگیرند. اولا، هم جمع شدگی ناشی از خشک شدن و هم خزش هر دو از یک منبع واحد، که همانا خمیر سیمان هیدراته شده است، ناشی می شوند. ثانیا، منحنی کرنش – زمان هر دوی

آنها خیلی به هم شبیه است. ثالثا، عوامل مؤثر بر جمع شدگی ناشی از خشک شدن، بر خرش هم به همان طریق اثر می گذارند. چهارم آنکه، کرنش ایجاد شده در بتن، که در حدود  است، در هر یک از دو پدیده بزرگ بوده و در طراحی سازه ها نباید فراموش شوند. پنجم آنکه، هر دو پدیده تا حدی برگشت پذیر می باشند.

علل

همانطور که در فصل دوم بیان گردید، خمیر سیمان اشباع هنگامی که در رطوبت محیط معمولی قرار می گیرد از لحاظ ابعادی پایدار نمی ماند و در این محیط غیراشباع، به علت آنکه ژل C-S-H مقداری از آب جذب شده خود را از دست می دهد، لذا تغییر شکل ناشی از جمع شدن پیدا میکند شبیه این پدیده، هنگامی که خمیر سیمان هیدراته شده تحت تنش ثابتی قرار می گیرد، بسته به میزان و مدت اعمال این تنش، ژل C-S-H مقدار زیادی آب فیزیکی از دست داده و لذا خمیر، کرنش خزشی پیدا میکند. البته این، تنها دلیل ایجاد خزش در بتن نیست لیکن کاهش آب فیزیکی بر اثر فشارهای وارده مهمترین عامل ایجاد کننده خزش می باشد. به طور خلاصه کرنش های ایجاد شده بر اثر جمع شدگی و خزش، به خروج آب جذب شده و حرکت آن از خمیر سیمان هیدراته شده نسبت داده می شود. تفاوت این دو پدیده در این است که در جمع شدگی، اختلاف رطوبت بین بتن و محیط خارج عامل اصلی است، ولی در خزش، تنش ثابت اعمال شده عامل محرک می باشد. همانطور که در فصل ۲ بیان گردید علت فرعی جمع شدگی سیستم در نتیجه خشک شدن یا تنش اعمال شده، حرکت و خارج شدن آب در فضاهای مویینه ( ) خمیر سیمان هیدراته شده بر اثر کشش هیدرواستاتیکی است.

علل ایجاد پدیده خزش در بتن پیچیده تر است. در حال حاضر محققین معتقدند که علاوه بر حرکت رطوبت عوامل دیگری نیز در پدیده خزش مؤثرند. رفتار غیر خطی تنش – کرنش، به ویژه در سطح تنشی بیش از ۳۰ تا ۴۰ درصد تنش نهایی، به وضوح نشان دهنده تأثیر ریز ترکهای ناحیه انتقال بر روی پدیده خزش می باشد. هنگام قرارگیری همزمان بتن در معرض شرایط خشک شئن،

همواره کرنش ناشی از خزش آن افزایش پیدا میکند. این امر ناشی از ریز ترکهای اضافی ای است که بر اثر جمع شدگی حاصل از خشک شدن، در ناحیه انتقال ایجاد شده اند.

پدیده عملکرد ارتجاعی تأخیری سنگدانه علت دیگر وقوع پدیده خزش در بتن است. از آنجا که خمیر سیمان و سنگدانه به هم پیوسته اند، لذا با انتقال بار به سنگدانه تنش وارد بر خمیر کاهش می یابد، و با افزایش انتقال بار به آن، تغییر شکل ارتجاعی در آن ایجاد میشود. در نتیجه کرنش ارتجاعی تأخیری در سنگدانه بر روی خزش کل در بتن اثر می گذارد.

تأثیر شرایط بارگذاری و رطوبت بر روی جمع شدگی ناشی از خشک شدن و رفتار ویسکوالاستیک

در عمل، جمع شدگی ناشی از خشک شدن و رفتار ویسکوالاستیک با هم رخ می دهند. در جدول (۳-۴) ترکیبات مختلف بارگذاری، قیود و شرایط رطوبتی آورده شده است. اعمال تنش ثابت به نمونه بتنی تحت رطوبت نسبی ۱۰۰ درصد، سبب افزایش کرنش با گذشت زمان می شود، که بدان خزش پایه گفته می شود. این شرایط، اغلب در سازه های بتنی حجیم، که در آنها جمع شدگی ناشی از خشک شدن قابل ملاحظه نیست، اتفاق می افتد. حال بجای اعمال تنش ثابت، حالتی را که کرنش ثابتی در نمونه بتنی اعمال می شود را بررسی می کنیم. هنگامیکه کرنش ایجاد می شود، نمونه بتنی تنش ارتجاعی آنی ای را از خود نشان میدهد که به هر حال این تنش بر اثر پدیده وادادگی تنش با گذشت زمان کاهش می یابد. هر دو پدیده خزش و وادادگی می توانند با به کارگیری تنش در مدل فنر و کمک فنر مشاهده شوند (فنرها و کمک فنرها، که یا به صورت سری و یا به صورت موازی به هم متصل شده اند در فصل ۱۲ مورد بحث قرار می گیرند).

با قراردادن نمونه بتنی بدون قید در محیطی با رطوبت نسبی کم، در آن جمع شدگی ناشی از خشک شدن اتفاق می افتد که با گذشت زمان افزایش می یابد. به هر حال در صورتی که نمونه مقید شود، یعنی اگر از حرکت آزادانه آن جلوگیری شود، کرنش در آن صفر خواهد بود ولی تنشهای کششی ای در آن ایجاد می شود که با گذشت زمان گسترش می یابند. چنین پدیده ای علت بروز ترک بر اثر خشک شدن می باشد.

چنین مشاهده شده است که هنگامی که بتن در یک محیط با رطوبت نسبی پایین تحت بار قرار می گیرد، کل کرنش ایجاد شده در آن از حاصل جمع کرنش ارتجاعی، کرنش ناشی از جمع شدگی آزاد (کرنش جمع شدگی ناشی از خشک شدن بتن بدون بار)، و کرنش خزشی پایه (بدون خشک شدن) بیشتر است. خزش اضافی ای که در نمونه تحت بار، در هنگام خشک شدن آن، ایجاد می گردد به خزش ناشی از خشک شدن معروف است. خزش کل برابر با حاصل جمع خزش پایه و خزش ناشی از خشک شدن است. با این وجود، در عمل معمول آن است که از توزیع بین خزشهای پایه و خشک شدن صرف نظر میکنند و برای سادگی، به تغییر شکل تحت بار به علاوه کرنش ارتجاعی و کرنش جمع شدگی ناشی از خشک شدن، خزش میگویند.

اندرکنش بین کرنش جمع شدگی مقید شده و وادادگی تنش ناشی از رفتار ویسکوالاستیک بتن، در شکل (۱-۴) و نیز در جدول (۴-۳) نشان داده شده است. به علت شرایط مرزی، کرنش صفر بوده و مقدار تنشهای کششی حاصل از جمع شدگی ناشی از وادادگی تنش کاهش می یابد. بایستی توجه داشت که مقادیر خزش با عبارات و تعاریف مختلفی بیان می شود. به عنوان مثال خزش ویژه میزان کرنش ناشی از خزش برای واحد تنش وارده، و ضریب خزش نسبت بین کرنش های ناشی از خزش و کرنش ارتجاعی می باشد.

برگشت پذیری

در شکل (۴-۸)، رفتار بتن در خشک شدن و مرطوب شدن مجدد و یا در بارگذاری و باربرداری نشان داده شده است. هر دو پدیده جمع شدگی و خزش در بتن تا حدی برگشت ناپذیر بوده و این امر در عمل اهمیت دارد. همانطور که در شکل (۸-۴) مشهود است بعد از اولین خشک شدن، در هنگام مرطوب شدن مجدد، بتن به ابعاد اولیه خود بر نمی گردد. بنابراین جمع شدگی ناشی از خشک شدن را می توان به دو دسته تقسیم نمود، جمع شدگی برگشت پذیر که قسمتی از جمع شدگی کل است که در

ترکیب شرایط مختلف بارگذاری ، قید و رطوبت
ترکیب شرایط مختلف بارگذاری ، قید و رطوبت

چرخه های تر و خشک می تواند مجددا بوجود آید و جمع شدگی برگشت ناپذیر که بخشی از جمع شدگی کل در اولین بار خشک شدن است و در چرخه های تر و خشک بعدی ایجاد نمی گردد. جمع شدگی برگشت ناپذیر احتمالا بر اثر ایجاد پیوستگی شیمیایی در ساختار C-S-Hدر نتیجه خشک شدن بوجود می آید. بهبود یافتن پایداری ابعادی بتن در نتیجه اولین خشک شدن، به عنوان یک مزیت در ساخت قطعات پیش ساخته بتنی مطرح است.

منحنی خزش نمونه بتنی غیر مسلحی که تحت بار فشاری تک محوری به مدت ۹۰ روز قرار گرفته و سپس باربرداری شده است، در شکل (۸-۴ ب) نمایش داده شده است. هنگامی که نمونه باربرداری می شود، کرنش ارتجاعی آنی برگشتی، تقریبا به همان میزان کرنش ارتجاعی در اولین بارگذاری است. پس از برگشت آنی، کاهش تدریجی کرنش صورت میگیرد که آن را برگشت خزش می نامند. اگرچه برگشت خزش خیلی سریعتر از خود خزش اتفاق می افتد لیکن میزان آن به اندازه خزش نیست. این پدیده همانند آنچه که برای جمع شدگی ناشی از خشک شدن بیان گردید (شکل۸-۴ الف) به خزشهای برگشت پذیر و برگشت ناپذیر تقسیم می شود. قسمتی از خزش برگشت پذیر به کرنش ارتجاعی تاخیری در سنگدانه ها، که کاملا برگشت پذیر است، نسبت داده می شود.

عوامل موثر بر جمع شدگی ناشی از خشک شدن و خزش

در عمل، جابه جایی رطوبت در خمیر سیمان هیدراته شده، که اساسا کنترل کننده کرنش های جمع شدگی و خزشی در بتن می باشد، تحت تأثیر عوامل متقابل همزمان متعددی قرار دارد. ارتباط بین این عوامل کاملا پیچیده بوده و درک آن کار ساده ای نیست. در زیر، عوامل مختلف دسته بندی شده و مورد بحث قرار می گیرند. این امر تنها بمنظور درک اهمیت نسبی هر یک از آنها است.

مصالح و نسبتهای اختلاط

– اصلی ترین منبع تغییر شکلهای وابسته به رطوبت در بتن، خمیر سیمان هیدراته شده می باشد. لذا کوشش شده است که ارتباط بین خزش و جمع شدگی ناشی از خشک شدن با حجم خمیر سیمان هیدراته شده در بتن به دست آید (حجم خمیر هیدراته شده از روی مقدار سیمان و درجه هیدراتاسیون تعیین می شود). اگرچه هم جمع شدگی ناشی از خشک شدن و هم خزش، تابعی از مقدار خمیر سیمان هیدراته شده هستند اما تناسب مستقیمی بین آنها موجود نیست و این موضوع به دلیل قیودی است که کنترل کننده تغییر شکل بوده و تأثیر زیادی بر میزان تغییر شکل می گذارند.

برگشت پذیری جمع شدگی ناشی از خشک شدن و خزش
برگشت پذیری جمع شدگی ناشی از خشک شدن و خزش

در بیشتر روابط نظری ای که برای پیش بینی جمع شدگی و خزش بتن بیان شده اند فرض بر این است که مدول ارتجاعی بتن به میزان کافی قید کنترل کننده تغییر شکلها را فراهم می سازد و به عنوان اولین تقریب، فرض می شود که مدول ارتجاعی سنگدانه، مدول ارتجاعی بتن را تعیین می کند. هنگامی که مدول ارتجاعی سنگدانه، به عنوان جزیی از یک رابطه ریاضی در نظر گرفته می شود، مرسوم آن است که کرنشهای حاصل از جمع شدگی ناشی از خشک شدن و کرنشهای خزش را به جای درصد خمیر سیمان، به درصد سنگدانه موجود در بتن ارتباط می دهند. این عمل براحتی انجام می پذیرد زیرا حاصل جمع آن دو مقداری ثابت است.

بیشتر بخوانید  ساختار بتن | تمام آن چه درباره اجزا، مشخصات و ساختار بتن باید بدانید

پاورز (۴) در تحقیقات خود در مورد جمع شدگی ناشی از خشک شدن بتن، از دو سنگدانه مختلف و دو نسبت آب به سیمان مختلف ۳۵ / ۰و ۰/۵ استفاده کرده است. با استفاده از نتایج داده شده در شکل ۹-۴) الف)، ارتباط بین نسبت جمع شدگی بتن (Sc) به جمع شدگی خمیر سیمان ((Sp با نسبت حجمی سنگدانه (g) بتن به صورت زیر بیان میگردد:

S_c/S_(P ) =〖(۱-g)〗^n

لرمیت (۵)، مقادیر مختلف n را بین۱/۲ تا۱/۷ ، برای سنگدانه های با مدول ارتجاعی مختلف به دست آورده است. از نقطه نظر اجزای عامل جمع شدگی و اجزای کنترل کننده جمع شدگی در بتن، پاورز پیشنهاد میکند که سیمان هیدراته نشده می تواند به عنوان بخشی از سنگدانه منظور شود(شکل ۹-۴ الف).

شکل (۹-۴ب) نشان می دهد که بین حجم سنگدانه موجود در بتن و خزش آن نیز رابطه مشابهی وجود دارد. در رابطه نویل (Neville)(۶) پیشنهاد شده است که خزش بتن (Cp) می تواند به مجموع مقادیر سنگدانه (g) و سیمان هیدراته نشده ( ) ربط داده شود:

(۲-۴)

log⁡〖C_P/C_C 〗=α log⁡〖۱/(۱-g-μ)〗

در یک بتن بخوبی عمل آورده شده، با صرفنظر کردن از بخشی از سیمان هیدراته نشده ( ) رابطه فوق می تواند به صورت زیر بازنویسی گردد:

(۳-۴)

C_c/C_(P ) =〖(۱-g)〗^a

لذا روابط جمع شدگی و خزش یکسان می باشند.

عواملی نظیر دانه بندی، حداکثر اندازه سنگدانه، شکل و بافت سنگدانه ها نیز در میزان خزش و جمع شدگی موثر بوده اند. اکثر محققین معتقدند که مدول ارتجاعی سنگدانه مهمترین عامل می باشد و خواص دیگر سنگدانه به صورت غیر مستقیم، یعنی یا از طریق تأثیرشان بر روی میزان سنگدانه بتن و یا از طریق تأثیرشان بر روی تراکم پذیری مخلوط بتن، موثر خواهند بود.

تاثیر خواص سنگدانه ها و بخصوص مدول ارتجاعی آنها، در مطالعاتی که تروکسل (Troxel) و همکارانش (۷) بر روی خزش و جمع شدگی بتن تا سن ۲۳ سال انجام داده اند، تایید شده است (شکل ۱۰-۴). از آنجا که مدول ارتجاعی سنگدانه بر روی تغییر شکل ارتجاعی بتن موثر است، لذا بین تغییر شکلهای ارتجاعی بتن و مقادیر جمع شدگی و خزش ارتباط خوبی به دست آمده است. در یک

تأثیر میزان سنگدانه بر (الف) جمع شدگی ناشی از خشک شدن و (ب) خزش
تأثیر میزان سنگدانه بر (الف) جمع شدگی ناشی از خشک شدن و (ب) خزش

طرح اختلاط ثابت، مقادیر جمع شدگی ناشی از خشک شدن بتن های دارای سنگدانه های کوارتز و سنگ آهک پس از ۲۳ سال به ترتیب برابر با ۱۰×۵۵۰ و ۱۰×۶۵۰ بوده است. در همین مدت، بتن های دارای شن و ماسه سنگ، جمع شدگی هایی به ترتیب برابر با ۱۱۴۰ و ۱۰×۱۲۶۰ از خود نشان داده اند. تغییر شکل ارتجاعی بتن های دارای کوارتز یا سنگ آهک تقریبا ۱۰-۶۸ ×۲۲۰ و از آن بتن های دارای شن یا ماسه سنگ تقریبا ۲۸۰ ۱۰ بوده است. مقادیر خزش برابر با ۶۰۰، ۸۰۰، ۱۰۷۰ و ۱۵۰۰ (همگی )، به ترتیب برای بتن های دارای سنگ آهک، کوارتز، شن و ماسه سنگ بوده است. اهمیت مدول ارتجاعی سنگدانه در کنترل تغییر شکلهای بتن از نتایج به دست آمده در تحقیقات تروکسل کاملا مشهود است. وی در این تحقیق نشان داده است که خزش و جمع شدگی بتن، بر اثر تعویض سنگدانه با مدول ارتجاعی بالا با سنگدانه با مدول ارتجاعی پایین، ۲/۵ برابر شده است.

اگرچه تأثیر نوع سنگدانه در خزش و جمع شدگی تقریبا یکسان است لیکن توجه دقیقتر به نتایج نشان داده شده در شکل (۱۰-۴)، اختلاف جزیی بین آنها را نشان می دهد. به عنوان مثال، از مقایسه کرنش های ناشی از جمع شدگی با کرنشهای خزشی، مشاهده شده است که مقادیر خزش بتن های دارای بازالت و کوارتز نسبتا بیشتر بوده است. یک توضیح احتمالی در مورد علت این اختلاف می تواند وجود ریز ترکهای زیاد در ناحیه انتقال بتنهایی باشد که در آنها سنگدانه های نسبتا غیر فعال وجود دارد. این مسأله روشن می سازد که خزش بتن توسط مکانیزم های مختلفی تحت کنترل قرار میگیرد.

تأثیر نوع سنگدانه بر روی جمع شدگی ناشی از خشک شدن و خزش
تأثیر نوع سنگدانه بر روی جمع شدگی ناشی از خشک شدن و خزش

تغییراتی چون ریزی و ترکیبات سیمان پرتلند، در داخل محدوده های مربوطه، سرعت هیدراتاسیون را تغییر می دهد، ولی در حجم و مشخصات محصولات هیدراتاسیون تاثیری ندارد. بنابراین بسیاری از محققین مشاهده کرده اند که تغییرات طبیعی در ریزی و ترکیبات سیمان، که بر جمع شدگی نمونه های کوچک خمیر سیمان و ملات تأثیر می گذارند، بر خود بتن اثر قابل ملاحظه ای ندارند. در یک مخلوط بتنی با سنگدانه مشخص اگر نوع سیمان در مقاومت بتن در هنگام بارگذاری موثر باشد، خزش چنین بتنی نیز تحت تأثیر قرار می گیرد. بتن دارای سیمان پرتلند معمولی هنگامی که در سنین اولیه بارگذاری شود، خزشی بیش از خزش بتن مشابه با سیمان با مقاومت اولیه بالا نشان میدهد (شکل ۱۱-۴ ب). بتن های دارای سیمان های سر باره ای و سیمان های پوزولانی نیز خزش بیشتری در سنین اولیه، نسبت به بتن های دارای سیمان نوع یک، نشان می دهند.

به طور کلی تأثیر مقادیر سیمان و آب بتن در خزش و جمع شدگی مستقیم نیست، زیرا افزایش حجم خمیر سیمان به معنای کاهش میزان سنگدانه (g) بوده و در نتیجه موجب افزایشی در تغییر شکلهای وابسته به رطوبت بتن خواهد شد. با یک مقدار سیمان ثابت، افزایش نسبت آب به سیمان سبب افزایش جمع شدگی و خزش میشود. کاهش مقاومت (و بنابراین مدول ارتجاعی) و افزایش تراوایی بتن احتمالا می توانند دلایل بروز پدیده فوق باشند. از نتایج نشان داده شده در شکل (۱۱-۴ الف) می توان دریافت که برای یک نسبت آب به سیمان ثابت، خزش و جمع شدگی با افزایش مقدار سیمان افزایش می یابند. این افزایش می تواند به دلیل افزایش خمیر سیمان در مخلوط باشد، اگرچه

(الف) تأثیر میزان آب بر جمع شدگی و خزش، (ب) تأثیر نوع سیمان بر خزش،(ج) تأثیر مقدار سیمان بر جمع شدگی و خزش
(الف) تأثیر میزان آب بر جمع شدگی و خزش، (ب) تأثیر نوع سیمان بر خزش،(ج) تأثیر مقدار سیمان بر جمع شدگی و خزش

اغلب در عمل به این نحو اتفاق نمی افتد.

نتایج اغلب تحقیقات آزمایشگاهی نشان داده است که تحلیلهای نظری قبلی برای جمع شدگی مناسب است اما برای خزش همواره این چنین نیست. نتایج آزمایشهای مختلف در بتن های با مقاومتهای مختلف نشان داده است که خزش معکوسا متناسب با مقاومت بتن در هنگام بارگذاری است. بنابراین، به نظر میرسد که تأثیری که کاهش میزان سنگدانه بر روی افزایش احتمالی خزش می گذارد، بیش از مقداری است که به علت کاهش خزش همراه با افزایش مقاومت بتن جبران می شود. منحنی های شکل (۱۱-۴ج) نشان دهنده تأثیر مقدار سیمان بر جمع شدگی و بر خزش بتن های با نسبت های آب به سیمان ثابت می باشند.

مواد افزودنی بتن نظیر کلرورکلسیم، سرباره و پوزولانها سبب افزایش حجم حفرات ریز در محصولات ناشی از هیدراتاسیون سیمان می شوند. از آنجا که جمع شدگی و خزش در بتن مستقیما وابسته به آب محبوس شده در حفرات ریز در محدوده ۳ تا ۲۰ نانومتر (nm) می باشند، لذا بتن های حاوی افزودنیهای ایجاد کننده حفرات ریز، معمولا جمع شدگی و خزش بیشتری را نشان میدهند. کاهش دهنده های آب و دیرگیرکننده های بتن، که قادرند موجب پراکندگی بهتر ذرات سیمان بی آب شوند، وضعیت منافذ محصولات ناشی از هیدراتاسیون را نیز بهبود می بخشند. چنین انتظار می رود که افزودنیهایی که جمع شدگی را افزایش می دهند خزش را نیز زیاد کنند.

زمان و رطوبت

– تراوش آب جذب شده و آب نگهداشته شده در حفرات ریز (کوچکتر از ۵۰ نانومتر) توسط کشش مویینگی خمیر سیمان هیدراته شده بطرف فضاهای مویینه بزرگتر یا بطرف خارج سیستم، یک عمل وابسته به زمان است که در طی زمان طولانی به وقوع می پیوندد. تروکسل و همکارانش در تحقیقات خود در مورد جمع شدگی و خزش بتن های با نسبتهای اختلاط مختلف، و با انواع سنگدانه ها و شرایط مختلف محیطی و بارگذاری، در آزمایشهای ۲۰ ساله دریافتند که ۲۰ تا ۲۵ درصد جمع شدگی ۲۰ ساله در ۲ هفته، ۵۰ تا ۶۰ درصد آن در ۳ ماه و بالاخره ۷۰ تا ۸۰ درصد آن در یک سال اتفاق می افتد (شکل ۱۲-۴ الف ). نتایج مشابهی نیز برای میزان خزش به دست آمده که در شکل (۱۲-۴ب) نشان داده شده است.

وابستگی زمانی (الف) جمع شدگی ناشی از خشک شدن (ب) خزش
وابستگی زمانی (الف) جمع شدگی ناشی از خشک شدن (ب) خزش

افزایش رطوبت محیط سبب کاهش سرعت نسبی خروج رطوبت از قسمتهای داخلی به سطح بتن می گردد. کمیته اروپایی – بین المللی بتن CEB(۸) برای یک شرایط محیطی مفروض، تأثیرات رطوبت نسبی هوا را بر کرنش ناشی از جمع شدگی (شکل ۱۳-۴ الف) و ضریب خزش (شکل ۱۳-۴ب) در نمودارهایی نشان داده است. جمع شدگی (Ec) در رطوبت نسبی (RH) صددرصد، برابر با صفر فرض می شود. این جمع شدگی در رطوبت نسبی ۸۰ درصد به ۱۰×۲۰۰ میکروکرنش، و در رطوبت نسبی ۴۵ درصد تا ۱۰×۴۰۰ میکروکرنش نیز می رسد. شبیه به نتایج بالا را در مورد ضریب خزش، که یکی از پنج ضریب جزیی موثر بر کل خزش می باشد، داریم. این ضریب، از ۱ برای ۱۰۰ درصد رطوبت نسبی تا ۲ برای رطوبت نسبی ۸۰ درصد و تا عدد ۳ در رطوبت نسبی ۴۵ درصد افزایش می یابد. نتایج اخیر کمیته اروپایی – بین المللی بتن، که نشان دهنده تأثیر رطوبت و ضخامت قطعه بتنی بر جمع شدگی و خزش می باشد، در شکل (۱۴-۴) آورده شده است.

تأثیر رطوبت نسبی بر (الف) جمع شدگی ناشی از خشک شدن، (ب) خزش
تأثیر رطوبت نسبی بر (الف) جمع شدگی ناشی از خشک شدن، (ب) خزش

هندسه عضو بتنی

– به علت مقاومتی که در خروج آب از داخل بتن به محیط خارج وجود دارد، آهنگ خروج آب بستگی به طولی دارد که باید آب از داخل به سطح بتن طی کند و این آبی است که در طی جمع شدگی و خزش از بتن خارج می گردد. در یک رطوبت نسبی ثابت، اندازه و شکل قطعه بتنی تعیین کننده میزان جمع شدگی و خزش در بتن می باشند. مرسوم آن است که اندازه و شکل فقط با یک عدد، که به عنوان ضخامت مؤثر با ضخامت تئوریک بیان می شود، نشان داده شوند. این پارامتر برابر با خارج قسمت سطح مقطع به نصف محیط در معرض تماس با اتمسفر می باشد. در شکلهای  ۱۴-۴)الف) و  ۱۴-۴)ب)رابطه بین ضخامت تئوریک و جمع شدگی و خزش که توسط CEB  عنوان شده، آورده شده اند.

(الف)تاثیر اندازه نمونه و رطوبت نسبی بر ضریب خزش،(ب)تاثیر زمان قرارگیری در معرض محیط و اندازه نمونه بر ضریب جمع شدگی ناشی از خشک شدن
(الف)تاثیر اندازه نمونه و رطوبت نسبی بر ضریب خزش،(ب)تاثیر زمان قرارگیری در معرض محیط و اندازه نمونه بر ضریب جمع شدگی ناشی از خشک شدن

سایر عوامل موثر بر خزش

– تاریخچه عمل آوری بتن، دمای قرارگیری در معرض محیط و بزرگی تنش وارده از عواملی هستند که بیشتر بر روی خزش ناشی از خشک شدن تأثیر دارند تا جمع شدگی ناشی از خشک شدن. علت این امر تأثیر بیشتر این عوامل بر ناحیه انتقال (مثل تخلخل، ریز ترکها و مقاومت ناحیه انتقال (می باشد. بسته به تاریخچه عمل آوری عضو بتنی، کرنشهای خزشی واقعی در عمل ممکن است با کرنشهای خزشی ای که در آزمایشگاه در شرایط رطوبت ثابت به دست می آید متفاوت باشد. به عنوان مثال، تکرار خشک شدن می تواند ریز ترکها را در ناحیه انتقال افزایش داده و در نتیجه سبب افزایش خزش گردد. به همان دلیل فوق، اغلب مشاهده شده است که تغییر رطوبت محیط بین دو محدوده مشخص، سبب ایجاد خزش بیشتری در نمونه، نسبت به حالتی که نمونه در همان محدوده تحت رطوبت ثابت قرار بگیرد، می شود.

دمایی که نمونه در آن محیط قرار میگیرد می تواند دو اثر متقابل بر خزش آن داشته باشد. در حالتی که یک عضو بتنی در محیطی با دمای بیشتر از دمای طبیعی قرار می گیرد، به عنوان بخشی از مرحله عمل آوری قبل از بارگذاری، مقاومت آن افزایش یافته و خزش آن از حالتی که همان نمونه در دمای پایین تری نگهداری شود کمتر می شود. اما از طرف دیگر، قرار دادن نمونه در دمای بالا در طول مدت بارگذاری سبب افزایش خزش آن می شود. ناصر و نویل (۹) در تحقیقات خود و در محدوده دمای۲۱-۷۱ ( ۷۰-۱۶۰  ) دریافتند که خزش ۳۵۰ روزه بر اثر افزایش دما، تقریبا به میزان۳/۵برابر افزایش یافته است (شکل ۱۵-۴). تأثیر دما بر خزش، در سازه ها و راکتورهای هسته ای بتنی پیش تنیده، به علت جذب اشعه گاما که سبب افزایش دما می شود، اهمیت بیشتری پیدا می کند (به فصل ۱۱ مراجعه کنید).

تاثیر دمای بتن بر خزش
تاثیر دمای بتن بر خزش

در مورد اثر شدت تنش وارده، تروکسل و همکارانش رابطه مستقیمی را بین بزرگی تنش وارده و میزان خزش بتنی با نسبت آب به سیمان ۶۹/. (مقاومت فشاری اسمی ۲۰MPa) به دست آورده اند. به عنوان مثال، در نمونه های بتنی ای که بمدت ۹۰ روز عمل آورده شده و سپس به مدت ۲۱ سال بارگذاری شده اند، برای سطوح تنش برابر با ۴، ۶ و MPa۸، کرنش ناشی از خزش به ترتیب برابر با ۶۸۰، ۱۰۰۰ و ۱۴۵۰ (همگی ۱۰) مشاهده شده است (شکل  (۱۶-۴

این تناسب تا جایی که تنش وارده در محدوده خطی تنش-کرنش باشد صادق خواهد بود (یعنی ۰/۴ برابر نسبت تنش به مقاومت در آزمایش مقاومت فشاری)، در نسبت های تنش – مقاومت بالا، می باید از ضریب تصحیحی که از شکل (۱۷-۴) به دست می آید، استفاده شود.

تاثیر بزرگی تنش وارده بر خزش-ضریب تصحیح برای محاسبه ضریب خزش در مقادیر تنش زیاد
تاثیر بزرگی تنش وارده بر خزش-ضریب تصحیح برای محاسبه ضریب خزش در مقادیر تنش زیاد

 

جمع شدگی حرارتی

مواد به طور کلی بر اثر گرم شدن منبسط و بر اثر سرد شدن منقبض می گردند. کرنش ایجاد شده بر اثر تغییرات دما به ضریب انبساط ماده و میزان افزایش یا کاهش دما بستگی دارد. به جز در شرایط آب و هوایی خیلی سخت، سازه های بتنی معمولی بر اثر تغییرات دما در محدوده دمای طبیعی دچار تنش و خرابی نمی شوند. با این وجود، در سازه های بتنی حجیم، اثر توأم حرارت حاصل از واکنش های سیمان و ضعف انتقال حرارت بتن سبب افزایش درجه حرارت بتن به میزان قابل ملاحظه ای، ظرف مدت چند روز پس از بتن ریزی می گردد. سپس سرد شدن بتن تا دمای محیط سبب بروز ترک در بتن می شود. از آنجا که در طراحی سازه بتنی حجیم سعی بر این است که سازه یکپارچه و بدون ترک ساخته شود لذا کوشش میشود که دمای بتن با انتخاب مصالح مناسب، طرح اختلاط مناسب، عمل آوری و اجرای سازه، کنترل گردد (به فصل ۱۱ مراجعه کنید).

در مصالحی با مقاومت کششی کم، نظیر بتن، کرنش جمع شدگی ناشی از سرد شدن اهمیت بیشتری نسبت به انبساط ناشی از حرارت هیدراتاسیون سیمان دارد. دلیل این امر آن است که بسته به مدول ارتجاعی، درجه قید، و وادادگی تنش ناشی از خزش، تنشهای کششی ایجاد شده آنقدر زیاد هستند که منجر به ترک می شوند. به عنوان مثال، به فرض آنکه ضریب انبساط حرارتی بتن ( ) برابر با x10 -6۱۰ بر درجه سانتیگراد و افزایش دما نسبت به دمای محیط ( )، بر اثر حرارت هیدراتاسیون، برابر با ۱۵  باشد، جمع شدگی حرارتی ناشی از افت دمای  برابر یا۱۰× ۱۵۰ میشود. مدول ارتجاعی بتن معمولی (E) می تواند برابر با ۱۰۶Kg/cm2× ۲۱/. فرض شود. اگر عضو بتنی کاملا مقید باشد (۱=Kr) ، آنگاه سرد شدن سبب ایجاد تنش کششی معادل  در آن می شود. از آنجا که مقاومت کششی ارتجاعی بتن معمولی کمتر از میباشد در صورتی که هیچگونه وادادگی تنشی موجود نباشد، احتمال ترک خوردگی زیاد خواهد بود (شکل۱-۴).

با این وجود، همواره وادادگی تنش ناشی از خزش وجود دارد. با داشتن ضریب خزش می توان تنش کششی ( ) را از رابطه زیر محاسبه نمود:

بیشتر بخوانید  3 خاصیت بتن که کمتر مورد توجه قرار میگیرند (ضریب پوآسون - مقاومت خستگی - طاقت)

 

σ_t=K_r E/(1+∅) a∆T

 

که در آن  تنش کششی، درجه قید، E مدول ارتجاعی، aضریب انبساط حرارتی،  تغییر دما و  ضریب خزش می باشد.

عوامل موثر بر مدول ارتجاعی و خزش بتن در بخش قبلی مورد بحث قرار گرفت. تحلیل سایر عواملی که در معادله بالا موثرند و می توانند تنش های حرارتی را تغییر دهند در زیر خواهد آمد.

عوامل موثر بر تنش های حرارتی

درجه قید ( K_r)

– یک عضو بتنی اگر بتواند آزادانه حرکت کند هیچگونه تنشی به علت تغییرات حرارتی ناشی از سرد شدن در آن ایجاد نمی شود. با این وجود، در عمل، بدنه بتن یا توسط قید خارجی، نظیر پی سنگی، و یا توسط قید داخلی، نظیر تغییر شکلهای تناسلی در نواحی مختلف بتن به علت وجود گرادیان حرارتی، مقید می گردد. به عنوان مثال در یک پی صلب، قید کاملی در فصل مشترک بتن و سنگ بستر وجود دارد (۱ = ) ، و همانطور که در شکل (۱۸-۴) مشهود است با افزایش فاصله از ناحیه فصل مشترک، میزان قید کاهش می یابد. همین دلیل برای تعیین قید بین لایه های مختلف بتن ریزی برقرار است. اگر پی صلب نباشد درجه قید کاهش خواهد یافت. در

ضریب زیر در برای پی های غیر حلب توصیه شده است:

(۵-۴)

ضریب=۱/(۱+(A_g E)/(A_f E_f ))

در این رابطه  مساحت سطح مقطع بتن، مساحت پی یا عضو مقید کننده (برای بتن حجیم روی بستر سنگی مقدار  می تواند برابر با ۲/۵ در نظر گرفته شود)،  مدول ارتجاعی پی یا عضو مقید کننده و E مدول ارتجاعی بتن می باشد.

تغییرات دما ( ∆T)

– واکنش های ترکیبات سیمان یک پدیده گرمازا است که حرارت حاصل از آن سبب افزایش دمای توده بتن می گردد. حرارت سبب انبساط می گردد و انبساط اگر مقید گردد باعث بوجود آمدن تنش های فشاری می گردد. به هر حال در سنین اولیه، مدول ارتجاعی بتن کم و وادادگی تنش آن زیاد بوده و بنابراین حتی در نقاطی با قید کامل، تنش فشاری خیلی کوچک خواهد بود. در طراحی و در شرایط محافظه کاری فرض می شود که تنش اولیه فشاری وجود ندارد. تغییر دما ( ) در معادله (۴-۴) اختلاف بین دمای نقطه اوج بتن و دمای بهره برداری سازه است که در شکل (۱۹-۴) نشان داده شده است. تغییر دما به صورت زیر نیز بیان میگردد:

افت دما در اثر افت حرارت – دمای محیط با بهره برداری – افزایش دمای آدیاباتیکی + دمای بتن ریزی =∆T

درجه قید کششی در مقطع مرکزی
درجه قید کششی در مقطع مرکزی

 

کنترل دمای بتن ریزی یکی از بهترین روش های جلوگیری از ایجاد ترکهای حرارتی است. خنک کردن بتن تازه روش متداول کنترل افت دمای بعدی است. اغلب با کاربرد سنگدانه خنک شده و خرده یخ در مخلوطهای بتن حجیم، دمای بتن تازه را به  ۱۰ و کمتر از آن محدود می کنند. در هنگام مخلوط نمودن، گرمای لازم برای ذوب یخ از سایر مصالح بتن گرفته شده و به این طریق دما به گونه ای مؤثر پایین می آید.

آیین نامه  پیشنهاد می کند که دمای بتن ریزی در حدی نگهداشته شود که کرنش کششی ایجاد شده بر اثر افت دما از ظرفیت کرنشی کششی بتن بیشتر نشود. این امر با رابطه زیر قابل بیان است:

(۶-۴)

T_i=T_f+C/(αK_r )-T_r

تغییرات دما با زمان
تغییرات دما با زمان

 

در این رابطه  دمای بتن در هنگام بتن ریزی،  دمای نهایی پایدار بتن، C ظرفیت کرنشی کششی بتن،  درجه قید،  ضریب انبساط حرارتی بتن و  افزایش دمای اولیه بتن می باشد.

سرعت و بزرگی افزایش دمای آدیاباتیکی بتن تابعی از مقدار، ترکیب و ریزی سیمان و دمای آن در حین هیدراتاسیون می باشد. سیمانهای با ریزی بالا با سیمانهای با مقدار نسبی بیشتر C3 A و C3 S، حرارت هیدراتاسیون بیشتری نسبت به سیمانهای درشت تر و سیمانهای با مقادیر کم C3 A و C3 S ایجاد می کنند (به فصل ۶مراجعه کنید). در شکل (۲۰-۴) منحنی های افزایش دمای آدیاباتیکی (بی در رو) بتن دارای  از هر یک از سیمانهای پرتلند ۵ گانه نشان داده شده است. از این نتایج می توان دریافت که اختلاف افزایش دما بین سیمان نوع I و سیمان با گرمازایی کمتر (نوع IV) در طی مدت ۷ روز در حدود ۱۳  و در مدت ۹۰ روز در حدود  ۹ می باشد. بایستی توجه داشت که کل افزایش دمای آدیاباتیکی، بیش از ۳۰  حتی برای سیمان نوع IV با گرمازایی کم، است.

از شکلهای (۲۰-۴) و (۲۱-۴) می توان دریافت که ترکیب سیمان و دمای بتن ریزی عمدتا بر سرعت ایجاد حرارت تأثیر دارند تا بر کل حرارتی که تولید می شود. شکل (۲۲-۴) تأثیر نسبت حجم به سطح بتن در افزایش دمای آدیاباتیکی در دماهای مختلف بتن ریزی را نشان میدهد.

افزایش دمای آدیاباتیکی در بتن حجیم شامل  از انواع مختلف سیمان پرتلند- تأثیر دمای بتن ریزی برافزایش دمای بتن حجیم دارای سیمان نوع یک
افزایش دمای آدیاباتیکی در بتن حجیم شامل  از انواع مختلف سیمان پرتلند- تأثیر دمای بتن ریزی برافزایش دمای بتن حجیم دارای سیمان نوع یک

 

روش مناسب دیگر برای تقلیل افزایش دمای آدیاباتیکی استفاده از پوزولانها و جایگزینی آنها به جای بخشی از سیمان می باشد. در شکل (۲۳-۴) نتایج بررسیهای کارلسون( Cirlson) و همکارانش (۱۰) بر افزایش دمای آدیاباتیکی بتن حجیم دارای مقادیر مختلف سیمانهای مختلف

افزایش دمای اعضای بتنی دارای  سیمان
افزایش دمای اعضای بتنی دارای  سیمان

 

پوزولانی نشان داده شده است. در یک بتن دارای سیمان، جایگزینی سیمان نوع ۲ با سیمان نوع ۱ افزایش دمای آدیاباتیکی ۲۸ روزه را از ۳۷  به ۳۲  تقلیل داده است. همچنین جایگزینی پوزولان به میزان ۳۰ درصد حجمی (۲۵ درصد وزنی) سیمان نوع ۲، افزایش دما را تا حد کاهش داده است.

افت حرارت

– افت حرارت به خواص حرارتی بتن و تکنولوژی ساخت بستگی دارد. یک سازه بتنی می تواند حرارت را از سطح خود از دست بدهد. میزان این حرارت از دست رفته تابعی از محیطی است که بلافاصله در تماس با سطح بتن است. در جدول (۴-۴) ضرائب انتقال سطحی برای محیط های عایق مختلف نشان داده شده است. روشهای عددی محاسبه توزیع دما در بتن حجیم در فصل ۱۲ آورده شده است.

تأثیر مقادیر سیمان و پوزولان بر افزایش دمای بتن-ضریب انتقال حرارت محیط های عایق مختلف
تأثیر مقادیر سیمان و پوزولان بر افزایش دمای بتن-ضریب انتقال حرارت محیط های عایق مختلف

 

خواص حرارتی بتن

مطابق تعریف، ضریب انبساط حرارتی ( ) تغییر طول واحد طول ماده به ازای تغییر دما به میزان یک درجه می باشد. انتخاب سنگدانه با ضریب انبساط حرارتی پایین، در صورت اقتصادی بودن و در دسترس بودن، می تواند تحت شرایط معین عامل مهمی برای جلوگیری از ترک در بتن حجیم باشد. دلیل این امر آن است که کرنش انقباضی حرارتی با توجه به میزان افت دما و نیز ضریب خطی انبساط حرارتی تعیین می شود. ضریب خطی انبساط حرارتی بتن نیز در ابتدا توسط ضریب خطی انبساط حرارتی سنگدانه، که از اجزای اولیه بتن است، کنترل می گردد.

مقادیر ضریب خطی انبساط حرارتی خمیر سیمان پرتلند اشباع با نسبتهای مختلف آب به سیمان، برای ملاتهای شامل نسبت ۱ به ۶ سیمان به ماسه سیلیسی طبیعی، و برای بتن های با انواع مختلف سنگدانه ها، تقریبا بترتیب برابر ۱۸، ۱۲ ، و ۶ تا ۱۲ ( ) بر درجه می باشد. ضریب انبساط حرارتی سنگها و کانیهای مصرفی در بتن از میزان ۵  بر درجه برای سنگ آهک و گابرو تا   بر درجه برای ماسه سنگ، شن طبیعی و کوارتزیت تغییر می کند. از آنجا که ضریب انبساط حرارتی می تواند از روی میانگین وزنی اجزای تشکیل دهنده بتن، با فرض آنکه میزان سنگدانه در مخلوط بتن در حدود ۷۰ درصد است، تخمین زده شود، لذا مقادیر محاسبه شده این ضریب برای سنگهای مختلف (اعم از اینکه سنگدانه های حاصل از سنگ مزبور، ریزدانه یا درشت دانه باشند)، در شکل (۲۴-۴) نشان داده شده است. مقادیر به دست آمده در شکل فوق تقریبا

تاثیر نوع سنگدانه بر ضریب انبساط حرارتی بتن
تاثیر نوع سنگدانه بر ضریب انبساط حرارتی بتن

 

نزدیک به مقادیر به دست آمده از آزمایش هایی است که در گزارشهای مختلف در مورد آزمایش های  بتن در شرایط مرطوب آورده شده اند. این شرایط، نشان دهنده شرایط متعارف بتن حجیم است.

گرمای ویژه، بر طبق تعریف، میزان حرارت لازم برای افزایش دمای واحد جرم ماده به میزان یک درجه می باشد. گرمای ویژه بتن معمولی، چندان تحت تأثیر نوع سنگدانه، دما و سایر عوامل نیست. مقادیر گرمای ویژه بتن معمولا در محدوده ( ۰/ ۲۲ – ۰ / ۲۵Btu/Ib∙F∙) می باشد.

هدایت حرارتی بر طبق تعریف میزان گرمای عبوری از واحد سطح ماده ای است که اختلاف دمای دو طرف آن برابر با یک درجه می باشد. هدایت حرارتی بتن به مشخصات کانیهای سنگدانها، رطوبت نسبی، چگالی و دمای بتن بستگی دارد. در جدول (۵-۴ الف) مقادیر مختلف هدایت حرارتی بتن با سنگدانه های مختلف آورده شده است.

نفوذدهی حرارتی بتن نیز براساس رابطه زیر به دست می آید:

(۷-۴)

k=K/Cρ

که در آن ، نفوذدهی حرارتی بر حسب    (یاm2/h )،K هدایت حرارتی بر حسب  (یا (،Cگرمای ویژه بر حسب  ( ( و  چگالی بتن بر حسب   )  می باشد.

حرارت از میان بتن با نفوذ حرارتی بیشتر، راحت تر عبور میکند. در بتن با وزن معمولی، این هدایت حرارتی است که اغلب کنترل کننده نفوذ حرارتی است، زیرا چگالی و گرمای ویژه چندان تغییری نمی کنند. در جدول (۵-۴ ب) مقادیر معمول نفوذ حرارتی بتن های ساخته شده با سنگدانه های درشت مختلف آورده شده است.

مقادیر هدایت حرارتی بتن با سنگدانه های مختلف
مقادیر هدایت حرارتی بتن با سنگدانه های مختلف

 

مقادیر نفوذ دهی حرارتی بتن با درشت دانه های مختلف
مقادیر نفوذ دهی حرارتی بتن با درشت دانه های مختلف

 

قابلیت افزایش طول، و ترک خوردگی

همانگونه که قبلا نیز بیان شد، اولین موضوع مهم در مورد تغییر شکلهای ناشی از تنشهای وارده و نیز ناشی از عوامل وابسته به دما یا رطوبت در بتن، این است که آیا اندرکنش بین این تغییر شکلها منجر به ترک خوردگی بتن می شود یا خیر. بنابراین، بزرگی کرنش های ناشی از جمع شدگی، تنها یکی از عوامل موثر در بروز ترک در بتن می باشد. با توجه به شکل (۱-۴)، سایر عوامل موثر عبارتند از:

مدول ارتجاعی

– هر چه مدول ارتجاعی کوچکتر باشد میزان تنش کششی ارتجاعی ایجاد شده برای یک میزان جمع شدگی کمتر خواهد بود.

خزش

– هر چه خزش بیشتر باشد، میزان رهایی تنش بیشتر و تنش کششی خالص کمتر خواهد بود.

 مقاومت کششی

– هر چه مقاومت کششی بیشتر باشد، احتمال خطر اینکه تنش کششی از مقاومت فراتر رفته و منجر به ترک خوردگی شود، کمتر خواهد بود.

مجموعه عواملی که برای کاهش ترک خوردگی در بتن مطلوبیت دارند می توانند با عبارت ساده قابلیت افزایش طول بیان گردند. در صورتی که بتن بتواند تغییر شکلهای بزرگی را بدون ترک خوردگی تحمل کند دارای درجه قابلیت افزایش طول بالایی است. واضح است که برای به حداقل رسانیدن احتمال خطر ترک خوردگی در بتن، نه تنها بتن می باید جمع شدگی کمی را تحمل کند، بلکه می باید قابلیت افزایش طول زیادی (یعنی مدول ارتجاعی کم، خزش زیاد و مقاومت کششی زیادی) را نیز داشته باشد. به طور کلی احتمال ترک خوردن بتن های با مقاومت زیاد بیشتر است و این امر به دلیل جمع شدگی حرارتی بزرگتر و رهایی تنش کمتر در آنها است. از طرف دیگر، بتن های با مقاومت کم تمایل به ترک خوردن کمتری دارند و این موضوع به دلیل انقباض حرارتی کمتر و رهایی تنش بیشتر در آنها است. بایستی توجه داشت که بیان اخیر برای اعضای بتن حجیم کاربرد دارد، و برای مقاطع نازک تأثیر کرنش جمع شدگی ناشی از خشک شدن اهمیت بیشتری دارد.

بایستی توجه داشت که عوامل زیادی که در جمع شدن ناشی از خشک شدگی بتن مؤثرند، در کاهش قابلیت افزایش طول آن نیز مؤثرند. مثلا افزایش میزان سنگدانه یا افزایش سختی آنها، سبب تقلیل جمع شدگی ناشی از خشک شدن می شود ولی در عین حال، سبب کاهش میزان وادادگی تنش و قابلیت افزایش طول نیز می شود. این مسأله، مشکلات ناشی از در نظر گرفتن نکات نظری خالص را در عمل در تکنولوژی بتن نشان میدهد.

رفتار ترک خوردگی بتن در سازه واقعی، پیچیده تر از آن چیزی است که در شکل (۱-۴) نشان داده شده است. در حقیقت، سرعت جمع شدگی و رهایی تنش، شبیه آنچه که در شکل نشان داده شده است، نیست. به عنوان مثال، در بتن های حجیم، تنشهای فشاری در سنین اولیه بتن که دما بالا می رود افزایش می یابد ولی تنش های کششی تا مدت زمانی بعد که دما شروع به کاهش می کند، افزایش نمی یابد. با این وجود، به علت مقاومت کم بتن در سنین اولیه، بیشتر مقدار رهایی تنش درطول هفته اول بعد از بتن ریزی اتفاق می افتد. بدین طریق بتن اکثر ظرفیت رهایی تنش خود را، قبل از اینکه برای جلوگیری از ترک ناشی از تنش های کششی بدان نیاز باشد، از دست میدهد.

در ترک خوردگی ناشی از جمع شدگی حرارتی، چه مربوط به عوامل وابسته به دمای داخلی در بتن حجیم باشد و چه اینکه ناشی از عوامل مرتبط با دمای خارجی در محیط های سخت و فوق العاده باشد، اهمیت ظرفیت کرنش کششی را (که به صورت کرنش گسیختگی تحت کشش تعریف می شود) نباید فراموش نمود. نظریه کلی این است که گسیختگی بتن تحت فشار تک محوری اساسا به علت گسیختگی کششی است. همچنین نشانه هایی موجود است که مقاومت کششی محدود بتن عامل کنترل کننده و تعیین کننده مقاومت گسیختگی بتن تحت بار استاتیکی نیست، بلکه محدودیت در کرنش کششی آن است که تعیین کننده می باشد. هوتن (Houghton)(۱۱) بر این اساس، روش ساده ای را برای تعیین کرنش کششی نهایی در بارگذاری سریع، از طریق در نظر گرفتن یک نسبت بین مدول گسیختگی به مدول ارتجاعی در حالت فشاری، ارائه نموده است. از آنجا که مدول گسیختگی در حدود ۲۰ تا ۴۰ درصد بزرگتر از مقاومت کششی واقعی است و مدول ارتجاعی در فشار نیز به همان میزان بزرگتر از نسبت تنش به کرنش است، لذا ادعا می شود که این روش، مقدار واقعی کرنش ارتجاعی نهایی را برای بارگذاری سریع به دست می دهد. با اضافه کردن کرنش ناشی از خزش در بارگذاری آهسته به کرنش فوق، میزان تخمینی ظرفیت کرنش کششی بتن به دست می آید. پیشنهاد شده است که برای تحلیل خطرپذیری ترک خوردگی حرارتی، تعیین ظرفیت کرنش کششی، معیار بهتری از تبدیل کرنش حرارتی به تنش ارتجاعی ایجاد شده می باشد. روش کلی محاسبه تنش در مواد ویسکوارتجاعی، که از جمله شامل روش اجزای محدود برای محاسبه انتشار دما در بتن حجیم است، در مطالب بعدی آورده خواهد شد.

فهرست منابع و توضیحات

۱  – Exothermic reactions between cement compounds and water tend to raise the temperature of concrete (see Chapter 6)

۲ – T. C. Hsu, F. O. Slate, G. M. Sturman, and G. Winter, J. ACI, Proc., Vol. 60, No. 2, pp.209-23, 1963; S. P. Shah and F. O. Slate, Proceedings of a Conference on Structure of Concrete, Cement and Concrete Association, Wexham Springs, Slough, U. K.; editors: A. E. Brooks and K. Newman, pp 82-92, 1968.

۳ – J. Glucklich, Proceedings of a Conference on the Structure of Concrete, Cement and Concrete Association, Wexham Springs, Slough, U. K., pp.17-89, 1968..

۴  – T. C. Powers, Rev. Mater. Construct. (Paris), No. 545, pp.79-85, 1961.

۵ – R. L’Hermite, Proc. Fourth Int. Symp. Chemistry of Cements, National Bureau of Standards, Washington, D. C., 1962, pp.659-94.

۶ – A. M. Neville, Mag. Concr. Res. (London), Vol. 16, No. 46, pp.21-30, 1964.

  1. ۷٫ G.E. Troxell, J. M. Rahpael, and R. E. Davis, Proc. ASTM, Vol. 58, pp.1101-20, 1958.

۸ – International Recommendations for the Design and Construction of Concrete Structures. CEB/FIP, 1976.

۹ – K. W. Nasser and A. M. Neville, J. ACI, Proc., Vol. 64, No. 2, pp.97-103, 1967.

۱۰ – R. W. Carlson, D. L. Houghton, and M. Polivka, J. ACI, Proc., Vol. 76, No. 7, pp.821-37, 1979.

۱۱ – D. L. Houghton, J. ACI, Proc., Vol. 73, No. 12, pp.691-700, 1976.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

Share via
Copy link
Powered by Social Snap