پیش بینی مقاومت فشاری بتن: جداول و نمودارها

مقاومت فشاری بتن، ظرفیت آن برای تحمل در برابر بار و تنش فشاری است. مقاومت فشاری بتن، به وسیله توانایی مصالح بتن در برابر گسیختگی و بروز ترک و شکاف در آن‌ها تعیین ‏می‌شود. یکی از مهم‌ترین عوامل بر میزان مقاومت فشاری در بتن، سن بتن است. در واقع با افزایش سن بتن، شاهد رشد مقاومت فشاری بتن تا حدی نهایی خواهید بود. اما میزان این رشد در سنین مختلف چقدر است؟ در این مقاله از بلاگ رامکا به تبیین و بررسی روند رشد مقاومت فشاری بتن در سنین مختلف خواهیم پرداخت تا شما با پیش بینی مقاومت فشاری بتن در سنی مشخص، بتوانید مقدار مقاومت فشاری ۲۸ روزه را تخمین بزنید. پس با ما همراه باشید.

گیرش بتن و روند کسب مقاومت فشاری بتن

همان‌گونه که می‌دانید علت سخت شدن بتن و کسب مقاومت، واکنش‌های هیدراته شدن سیمان در معرض آب است که به گیرش بتن می‌انجامد. از این رو برای شناخت روند کسب مقاومت بتن، نیاز است با ساختار و مواد تشکیل‌دهنده سیمان و مفهوم گیرش بتن آشنا شوید. چهار ماده اصلی تشکیل دهنده سیمان، عبارتند از:

نام ترکیب	فرمول شیمیایی	علامت اختصاری	درصد وزنی در سیمان
تری کلسیم سیلیکات	۳Ca, SiO2	C3S	30-55
دی کلسیم سیلیکات	۲Ca, SiO2	C2S	20-45
تری کلسیم آلومینات	۳CaO, Al2 O3	C3A	4-15
تترا کلسیم آلومینو فریت	۴CaO, Al2 O3, Fe2 O3	C4AF	6-12

گیرش بتن چیست؟

واکنش شیمیایی آب با سیمان (هیدراتاسیون سیمان)، به تدریج باعث سفت شدن خمیر سیمان ‏می‌شود. در واقع با گیرش بتن، خمیر سیمان از ماده‌ای مایع به ماده‌ای جامد و سخت تغییر حالت داده و به این پروسه، گیرش بتن یا (Concrete Setting) گفته ‏می‌شود.

طی واکنش شیمیایی سیمان با آب، محصولاتی تولید می‌گردد که سبب تبدیل خمیر سیمان به ماده‌ای سخت ‏می‌شود. واکنش هیدراتاسیون در مراحل ابتدایی سبب سفت و سخت شدن بتن و در مراحل بعدی، موجب افزایش و رشد مقاومت بتن در دراز مدت می‌گردد. البته باید در نظر داشت عوامل جوی و شرایط آب و هوایی، تأثیر زیادی بر واکنش هیدراتاسیون سیمان و در نتیجه گیرش بتن دارند.

بیشتر بخوانید: رابطه انواع مقاومت بتن

واکنش‌های هیدراتاسیون سیمان

واکنش‌های اصلی میان سیلیکات‌های موجود در سیمان C₃S و C₂S با آب ( با علامت اختصاری H)، به صورت زیر انجام می‌گیرد:

۲C₃S + 6H ⟹ C – S – H + 3CH

۲C₂ S + 4H ⟹ C – S – H + CH

محصولات هیدراسیون بر اساس روابط فوق، هیدرات سیلیکات کلسیم C-S-H و هیدروکسید کلسیم CH هستند. هیدرات سیلیکات کلسیم C-S-H، ترکیبی سخت و با مقاومت بالاست؛ به طوری که مقاومت فشاری بتن سخت شده، اساساً مرهون تشکیل C-S-H است. از طرفی هیدروکسید کلسیم CH، نیز ترکیبی نسبتاً مقاوم است (با مقاومت کمتر نسبت به C-S-H).

 C₃Sدر کنار آب به سرعت وارد واکنش‌های شیمیایی شده و بتن را سخت می­کند؛ به طوری که عمده­ کسب مقاومت بتن در روزهای اولیه‌ی عمر خود، به دلیل ترکیب شیمیایی آب با C₃S است.

ویژگی‌های دی کلسیم سیلیکات C₂S با تری کلسیم سیلیکات C₃S یکسان نیست. C₂S به سرعت C₃S وارد واکنش نمی‌شود و پس از گذشت چند روز وارد واکنش می‌گردد. به عبارت دیگر، گیرش اولیه کمتری دارد. از این رو تعیین و پیش بینی مقاومت فشاری بتن در سنین ۷ روز به بعد، عمدتاً ناشی از واکنش دی کلسیم سولفات با آب است. سایر واکنش‌های هیدراسیون بین آب و آلومینات‌های موجود در ترکیبات سیمان C₃A و C₄AF، به صورت زیر انجام می‌گیرد:

C₃ A + 6H ⟹ C – A – H

C₄ AF + 7H ⟹ C – A – H + CFH

محصول هیدراتاسیون تری کلسیم آلومینات C₃A، هیدرات آلومینات کلسیم C-A-H است که بسیار سریع تولید شده و موجب گیرش آنی بتن ‏می‌شود. از این رو برای به تعویق انداختن این واکنش، سنگ گچ به کلینکر سیمان اضافه ‏می‌شود.

کُند شدن کسب مقاومت بتن

کُند بودن کسب مقاومت‌ بتن، ناشی از سلسله‌ای از عوامل متنوع است که معمولاً مربوط به ضعیف بودن مصالح بتن یا عملیات اجرایی آن می‌باشد. به منظور جلوگیری از کُند بودن جدی مقاومت‌، توجه به نکات زیر ضروری است:

• سنگدانه‌ها و آب مخلوط باید تمیز و عاری از مقادیر زیان‌آور نمک، روغن، اسیدها، موادآلی، قلیایی‌ها، فاضلاب و نمک‌های قلیایی باشند. وجود مقادیر بسیار کم از بعضی ناخالصی‌ها از جمله شکر، ممکن است تأخیر زیادی را در سرعت گیرش و کسب مقاومت‌ ایجاد نماید.
• اثرات مواد افزودنی کُندگیرکننده و تسریع‌کننده به منظور استفاده در بتن، باید مورد ارزیابی قرار گیرد. مقدار دقیق ماده افزودنی لازم جهت حصول نتایج مطلوب، باید معلوم شده و سپس در کلیه مخلوط‌ها مورد استفاده قرار گیرد.
• نسبت‌های اختلاط صحیح باید در هر مخلوط به کار گرفته شود. دقت خاصی باید صورت گیرد تا از بکارگیری نوع سیمان مورد نظر و مقادیر درست مصالح اطمینان حاصل شود و از مصرف مقدار کم سیمان و مقدار زیاد آب اجتناب گردد.
• به منظور اجتناب از بروز مقاومت‌های پایین ناشی از مقادیر بسیار زیاد هوای عمدی، باید مقدار هوای هر مخلوط تعیین شود.
• بتن باید به طرز صحیح عمل‌آوری شود و این امر مستلزم وجود شرایط رطوبتی و حرارتی مناسب در مدت زمان لازم جهت حصول خواص مطلوب است. بتن تا زمانی که مقاومت لازم را کسب نکرده، نباید دچار یخ‌زدگی شود. تحت شرایط بتن‌ریزی در هوای سرد به منظور جلوگیری از اثرات کربناتاسیون سطحی، باید دقت نمود تا فضای پیرامون بتن که توسط هیترها گرم شده تهویه شود.
• آزمایش‌های مقاومت فشاری باید بر اساس استانداردهای ASTM انجام شود.

تسریع نمودن کسب مقاومت بتن

گاهی اوقات دستیابی به مقاومت بالا در روزهای اولیه مطلوب و مورد نیاز است؛ برای مثال تسریع در باز کردن قالب‌ها و استفاده مجدد از آن‌ها از لحاظ اقتصادی نسبت به حالتی که نیاز است مدت زمان بیشتری قالب باقی بماند، به صرفه‌تر است.

مقاومت اولیه بالا را می‌توان با استفاده از مخلو‌ط‌های بتنی با عیار بالا ساخته شده با سیمان پُرتلند نوع I یاIA، سیمان زود سخت‌شونده نوع III، مواد افزودنی زودگیر یا همان ضد یخ بتن، عمل‌آوری در بخار با دمای زیاد و فشار معمولی با دمای زیاد و فشار بالا (اتوکلاو) به دست آورد. انتخاب یکی از این روش‌ها یا ترکیبی از آن‌ها، به ملزومات مقاومتی و ملاحظات اقتصادی بستگی دارد.

در صورت استفاده از سیمان‌های مخصوص یا مواد افزودنی، باید جهت اطمینان از کاربرد صحیح آن‌ها دقت ویژه‌ای شود؛ به عنوان مثال استفاده از سیمان پُرآلومینیم، مستلزم احتیاط خاصی در جا دادن و عمل‌آوری است و توصیه‌های سازنده آن باید دقیقاً رعایت شود.

درجه حرارت‌های زیاد، ضمن عمل آوردن مرطوب یا تحت بخار با فشار کم، باعث تسریع کسب مقاومت اولیه ‏می‌شود، اما اگر درجه حرارت خیلی زیاد باشد، ممکن است اثر معکوس روی مقاومت‌های سنین بعدی داشته باشد. دماهای بهینه به مصالح مصرفی، نسبت‌های اختلاط و جزئیات سیکل‌های عمل‌آوری بستگی دارد.

عمل‌آوری تحت بخار با فشار پایین، به طور وسیع برای اعضای سازه‌ای پیش ساخته به کار می‌رود و معمولاً شامل یک دوره پیش‌بخار در دمای محیط به مدت بیش از ۳ ساعت، یک دوره زمانی بین ۱۲ تا ۱۸ ساعت بخار و ضمن آن، افزایش دما با سرعت حداکثر ۲۳ درجه سانتی‌گراد در ساعت تا دمای ماکزیمم بین ۶۰ تا ۷۱ درجه سانتی‌گراد و در نهایت، بازگشت به دمای محیط می‌باشد.

بیشتر بخوانید: ۱۱ روش افزایش مقاومت فشاری بتن

آزمایش تعیین و پیش بینی مقاومت فشاری بتن

همان‌طور که می‌دانید پیش بینی مقاومت فشاری بتن، توسط دستگاه تست مقاومت فشاری (CTM) انجام ‏می‌شود. مقاومت فشاری به عنوان نسبت بار فشاری اعمال شده توسط دستگاه روی مکعب یا سیلندر بتنی به سطح مقطع مکعب بتنی تعریف ‏می‌شود.

پیش بینی مقاومت فشاری بتن در سنین ۳، ۷، ۱۴ و ۲۸ روزه

بر اساس آزمایشات انجام شده در واحد تحقیق و توسعه رامکا، نتایج زیر برای مقاومت بتن با رده‌های مقاومتی متفاوت، در سنین مختلف به دست آمده است. در این بررسی با ساخت نمونه‌های مکعبی ۱۰ سانتی‌متری از بتن‌های با طرح اختلاط و رده مقاومتی متفاوت، مقاومت فشاری در سن ۳، ۷، ۱۴ و ۲۸ روزه اندازه‌گیری شد و مقادیر زیر به دست آمد. لازم به ذکر است برای پر کردن قالب‌ها، بتن در سه مرحله ریخته شد و هر لایه با یک میله متراکم گشت و پس از گذشت ۲۴ ساعت، به مدت ۳ روز برای عمل‌آوری در آب نگهداری شدند. همچنین، نمونه‌ها ۳۰ دقیقه پیش از انجام آزمایش از آب خارج شدند.

گفتنی است مقادیر جدول زیر از میانگین‌گیری نتایج مقاومت فشاری تعداد زیادی آزمونه در سنین ۳، ۷، ۱۴ و ۲۸ روزه به دست آمده است.

رده مقاومتی	مقاومت ۳ روزه	مقاومت ۷ روزه	مقاومت ۱۴ روزه	مقاومت ۲۸ روزه
C21	14.85	17.78	20.16	22.56
C25	16.6	20.36	23.45	26.53
C30	21.14	25.11	28.4	31.6
C35	24.85	29.38	33.1	36.79
C40	27.21	32.6	37.01	42.41

در طرح اختلاط بتن‌های مورد استفاده در این بررسی، برای بتن‌های C21، C25 و C30 از هیچ افزودنی بتن استفاده نشده است و بتن تنها با افزایش عیار سیمان از مقاومت ۲۱ به ۳۰ رسیده است. اما در طرح اختلاط بتن‌های با رده بالاتر، از افزودنی‌هایی مانند میکروسیلیس و ابر روان کننده رادون استفاده شده است. در نمودار زیر، نمودار رشد مقاومت تعداد زیادی نمونه ساخته شده با رده‌های مقاومتی C21، C25، C30، C35 و C40 آمده است.

همان‌گونه در نمودار بالا مشخص است، استفاده از ابر روان کننده بتن در طرح اختلاط بتن‌های ۳۵، ۴۰ و ۴۵ مگاپاسکال، سبب افزایش شیب نمودار رشد مقاومت بین سن ۰ تا ۳ روزه شده است. به عبارت دیگر افزودن ابر روان کننده به بتن، سبب افزایش سرعت کسب مقاومت بتن در سنین زیر ۳ روز ‏می‌شود.

در جدول زیر مقادیر نسبت مقاومت فشاری در سنین ۳، ۷ و ۱۴ روزه نسبت به مقاومت ۲۸ روزه آمده است.

رده مقاومتی	درصد مقاومت فشاری به دست آمده در سن ۳ روزه	درصد مقاومت فشاری به دست آمده در سن ۷ روزه	درصد مقاومت فشاری به دست آمده در سن ۱۴ روزه
C21	65.8	78.8	89.4
C25	62.6	76.7	88.4
C30	66.9	79.5	89.9
C35	67.5	79.9	90.0
C40	64.2	76.9	87.3

در مقاله «پیش بینی مقاومت فشاری بتن» بلاگ رامکا، به تفسیر واکنش‌های هیدراتاسیون سیمان و فرآیند گیرش بتن پرداختیم. همان‌گونه که گفته شد، رشد مقاومت بتن در سنین پایین بسیار بیشتر است و حدود ۸۰% مقاومت فشاری ۲۸ روزه تا سن ۱۴ روز به دست می‌آید. علاوه بر این در بتن‌های با رده مقاومتی بالاتر، معمولاً به دلیل استفاده از انواع روان کننده بتن، سرعت رشد مقاومت در سنین ۰ تا ۳ روزه بالاتر از بتن‌های با رده مقاومتی پایین‌تر است.