مصالح
به منظور حفظ یکنواختی خواص بتن در روند تولید آن کنترل دقیق مصالح و مراحل ساخت امری ضروری است. کنترل جدی و بازرسی کافی مانع بروز بسیاری از مشکلات خواهد بود.
یکی از شایع‌ترین علل ضعف بتن استفاده از سیمان دارای خواص نامناسب است. البته باید توجه داشت که گرچه سیمان‌ها متنوع بوده و بر روی خواص بتن تأثیر زیادی دارند، اما آنها فقط یکی از چندین علل احتمالی ضعیف بودن بتن به شمار می‌روند. لذا تمامی‌عوامل دیگر که در خواص بتن مشارکت دارند، نیز باید به طور دقیق مورد بررسی و آزمایش قرار گیرند، تا نهایتاً بتوان در خصوص علل ضعف بتن جمع‌بندی نمود. عدم یکنواختی سیمان پٌرتلند یکی از عوامل مهم مرتبط با مقاومت می‌باشد. تفاوت‌های زیادی در خواص مقاومتی سیمان‌های از یک نوع ولی از منابع مختلف، و همچنین در سیمان محصول روزهای مختلف از یک کارخانۀ واحد وجود دارد. ضمناً انواع مختلف سیمان پٌرتلند از نظر خواص مقاومتی به طور قابل ملاحظه با هم متفاوتند. تغییرات در مقادیر سیمان مصرفی در مخلوط بتن بر روی خواص مقاومتی تأثیر جدی دارد. نتیجاً گرچه تغییرات در سیمان پٌرتلند باید به دقت مورد توجه قرار گیرد، ولی نباید همیشه در رابطه با ضعف خواص بتن مقصر قلمداد گردد، بلکه کلیۀ عوامل مؤثر دیگر نیز باید مورد ملاحظه باشند.
تغییرات سنگدانه‌ها در مخلوط‌های متفاوت باعث تغییرات مهمی‌در مقاومت می‌گردد. ضرورت دارد که سنگدانه‌ها از منبع شناخته شده‌ای استفاده شده و دانه‌بندی به دقت کنترل گردد. تغییرات در دانه‌بندی ممکن است موجب تغییر در مقدار آب مخلوط و بروز تغییر در مقاومت شود. به منظور جلوگیری از تغییرات جدی در مقاومت، باید تغییرات در مقدار رطوبت سنگدانه‌ها به‌خصوص ریزدانه‌ها محاسبه و منظور گردد. به علاوه مواد نامطلوب از جمله کلوخه‌های رسی، ذرات نرم، مواد آلی، سیلت، میکا، لیگنیت و مواد سست باید در حداقل مجاز نگاه داشته شوند تا اثرات زیانبار آنها بر روی مقاومت کاهش یابد.
آب مصرفی در مخلوط بتن نباید دارای موادی باشد که اثرات زیانباری بر روی مقاومت، دوام و زمان گیرش ایجاد نمایند. معمولاً آب مناسب برای آشامیدن به منظور مصرف در ساخت بتن رضایت‌بخش است. اما مقادیر نسبتاً کم شکر در آب ممکن است اثرات جدی بر روی زمان گیرش و مقاومت داشته باشد. موادی چون نمک، روغن‌ها، اسدها، قلیایی‌ها و نمک‌های آنها، مواد آلی و فاضلاب در صورتی که به میزان مشخصی در آب وجود داشته باشند، تأثیرات زیان‌آوری خواهند داشت. حدود کلی رواداری برای درجه آلودگی هنوز دارای مرزبندی مشخصی نیست. اثرات احتمالی آب آلوده بر روی خواص بتن را می‌توان با انجام آزمایشات مقایسه‌ای زمان گیرش و سلامت سیمان و همچنین مقاومت و دوام ملات‌ها بین آب آلوده و آب مناسب ارزیابی نمود. آب‌های آلوده‌ای که اثر مهمی‌بر روی زمان گیرش و سلامت سیمان نداشته و بیش از ۱۵ درصد کاهش در مقاومت ایجاد ننمایند، را غالباً می‌توان بدون نگرانی در بتن به کار برد. حضور نمک در آب مخلوط و اثر احتمالی آن برر روی خوردگی میلگردهای فولادی نیز باید مد نظر قرار گیرد.
مواد افزودنی در صورت انتخاب و استفادۀ صحیح تأثیرات مفیدی بر روی خواص بتن خواهند داشت. اما نباید انتظار داشت که این مواد، ضعف مخلوط‌های بتنی با نسبت‌های اختلاط نامناسب و یا اجرای نادرست را جبران نمایند. از آنجا که تغییرات جزیی در مقادیر خیلی کم مواد افزودنی می‌تواند خواص بتن را به طور جدی دگرگون سازد، دقت بسیار زیادی در استفادۀ صحیح از این مواد و کنترل‌های دقیقی بر روی مقدار مصرف آنها باید به عمل آید. از مصرف بیش از حد مجاز این مواد باید حتماً اجتناب گردد.
استفاده از الیاف فولادی پلاستیکی به منظور بهبود خواص بتن در حال توسعه بوده و تجربیات اولیه در این زمینه برای مقاصد طراحی نیر دسته‌بندی شده‌اند(۲۲).
ساخت
یکنواختی مقاومت بتن مرهون توجه دقیق به کلیۀ عوامل مؤثر بر آن است و بدون چنین توجهی تغییرات وسیعی را در مقاومت شاهد خواهیم بود. تمامی‌مصالح باید به دقت توزیع گردند و احتیاطات ویژه جهت اطمینان از مقادیر صحیح مصرف سیمان، آب و مواد افزودنی انجام شود. آب محبوس در سنگدانه‌ها در محاسبۀ مقدارآ؛ب اضافه شده به مخلوط باید منظور گردد. پس از کنترل مقدار صحیح مصالح اولیه، باید مواظب بود از افت مصالح خوصاً سیمان و آب جلوگیری شود. به منظور کنترل و مراجعۀ احتمالی آتی در صورت بروز نتایج غیرمعمول، باید گزارش کتبی از مقادیر کلیه مصالح مصرفی در مخلوط ساخته شده تهیه گردد.
روش و مدت زمان اختلاط مورد نیاز باید در طول ساخت مخلوط‌ها ثابت نگه داشته شود. طول مدت زمان اختلاط باید به اندازۀ کافی باشد تا یک مخلوط بتنی همگن ساخته شود ولی معمولاً نباید بیش از حد ضرورت طولانی باشد، زیرا باعث تغییرات ناشی از تبخیر آب و افزایش مصالح ریزدانه به دلیل سایش سنگدانه‌ها می‌گردد. شکل زیر نشان می‌دهد که وقتی برای اصلاح اسلامپ آب اضافه نمی‌گردد، مقاومت مستمراً افزایش می‌یابد تا بتن آنقدر خشک شود که قالب‌گیری صحیح نمونه‌ها امکان‌پذیر نباشد. اما وقتی برای جبران اسلامپ اقدام به افزودن آب میشود مقاومت به طور پیوسته کاهش می‌یابد، تا آنجا که پس از ۳ ساعت مخلوط کردن به نصف مقاومت اولیه می‌رسد.
به منظور عدم حصول مقاومت‌های مختلف در بخش‌های مختلف سازه باید تمهیداتی اتخاذ نمود تا از جدایی[۱] در حین حمل و ریختن بتن جلوگیری گردد. به علاوه جهت دستیابی به مقاومت‌های یکنواخت در سازه تراکم یکسال مخلوط‌های بتنی ضرورت دارد.
تأثیر عمل‌آوری بر روی مقاومت بتن در بخش های بعدی مورد بحث قرار گرفت. غالباً اهمیت عمل‌آوری مورد توجه قرار نمی‌گیرد و جای بسی تأسف است که در بسیاری مواقع تلاش‌ها و هزینه‌های عمده‌ای جهت تعیین نسبت‌های اختلاط صحیح و روش‌های درست بتن انجام میشود ولی به دلیل عدم توجه به نگهداری و عمل‌آوری مناسب، بتن با خواص ضعیف حاصل می‌گردد. به طور کلی با حضور رطوبت و دمای مناسب، کسب مقاومت بتن در طولانی موت ادامه می‌یابد. فقدان رطوبت یا درجه حرارت‌های فوق‌العاده پایین یا بالا افزایش مقاومت را متوقف می‌نماید.
نمونه‌گیری و روش‌های آزمایش
آزمایش‌های فشاری برای ارزیابی خواص بتن معمولاً بر روی نمونه‌های استوانه‌ای ۳۰´۱۵ سانتی‌متر انجام میشود. مغزهای گرفته شده از بتن سخت شده نیز برای چنین آزمایش‌هایی به کار می‌روند. آزمایش‌های خمشی تیرها غالباً با مقطع ۱۵´۱۵ سانتی‌متر و دهانۀ ۴۵ سانتی‌متر در مورد بتن استفاده شده در بزرگراه‌ها انجام میشود. جزییات روش‌های آزمایش در استانداردهای ASTM ارائه شده‌اند. گرچه نتایج آزمایش بر روی نمونه‌های نسبتاً کوچک لزوماً انطباق کامل بر مقاومت بتن واقعی در سازه ندارد، ولی جهت مقاصد طراحی و کنترل اجرا دارای دقت کافی هستند.
نمونه‌های بتنی را می‌توان در شرایط استاندارد یعنی وجود رطوبت دمای ۱٫۷±۲۳ درجه سانتی‌گراد نگهداری و تحت آزمایش برای تعیین مقاومت قرار داد و یا ممکن است در کارگاه تحت همان شرایط رطوبتی و درجه حرارتی که سازه در معرض آن قرار دارد، نگهداری کرد. نمونه‌های عمل‌آوری شده در شرایط کارگاهی معمولاً به منظور تعیین زمان قالب‌برداری و زمان بهره‌برداری از سازه آزمایش می‌شوند. عوامل متعددی مقادیر مقاومت منتجه از آزمایشات را تحت تأثیر قرار می‌دهند، لذا در ارزیابی نتایج باید دقت زیادی ملحوظ گردد.
تعداد نمونه‌هایی که برای سازه باید مورد آزمایش قرار گیرند، نیز مشخص گردیده‌اند. بدین منظور معمولاً تعداد نمونه‌های لازم در هر روز، یا تعداد نمونه‌ها برحسب حجم بتن ریخته شده یا برحسب سطح رویۀ بتنی تعیین می‌گردد. عموماً حداقل سه نمونه برای هر نتیجۀ آزمایش ضروری است. به منظور ارزیابی نتایج مقاومت و تطبیق معیارهای طراحی در سازه‌های بزرگ از روش‌های آماری استفاده میشود. جزییات روش‌های ارزیابی نتایج آزمایش‌های فشاری مربوط به بتن کارگاه در استاندارد ASI-214 ارائه شده است. سن نمونه‌ها برای انجام آزمایش معمولاً ۷ و ۲۸ روز تعیین میشود، گرچه امکان دارد آزمایش در سنین دیگر از جمله ۳ روز، ۶۰ روز، ۹۰ روز و یک سال نیز مورد نیاز باشد(۲).
شرایط انتهایی نمونه‌ها
به لحاظ اهمیت مقاومت‌های بتن حاصله از آزمایش‌ها، احتیاطات در جریان آزمایش‌ها باید در نظر گرفته شود. در کلیۀ آزمایش‌های فشاری محور نمونه باید قائم باشد، نمونه باید با دقت در دستگاه آزمایش بدون خروج از مرکزیت قرار گیرد، سطوح انتهایی نمونه باید آماده سازی شده و بر محور آن عمود باشند.
کایۀ سطوه انتهایی که بیش از ۰٫۰۲۵ میلی‌متر از حالت صفحه‌ای انحراف داشته باشند، باید یا ساییده شوند یا با ماده‌ای که تقریباً از نظر مقاومت و خواص الاستیک حتی الامکان مشابه نمونۀ بتنی باشد، کلاهک‌گذاری گردند. موادی که غالباً به منظور کلاهک‌گذاری استوانه‌های استفاده می‌شوند، شامل سیمان پٌر آلومینیم خالص، سسیمان پٌرتلند خالص، مخلوط گوگرد و مصالح دانه‌ای و پلاسترهای گچی مقاومت بالا هستند که برای نمونه‌های دارای مقاومت فشاری کمتر از ۳۵ نیوتن بر میلی‌مترمربع مورد استفاده قرار می‌گیرند. تمامی‌مواد کلاهک‌گذاری باید به طرز صحیح استفاده شده و قبل از آزمایش نمونه‌ها، فرصت کافی برای سخت شدن داشته باشند.
مصالح کلاهک‌گذاری ممکن است تأثیر قابل ملاحظه‌ای بر روی مقاومت فشاری استوانه‌های بتنی داشته باشند. استوانه‌های بتنی مقاومت بالا (بیش از MPa35) تأثیر بیشتری از این مواد می‌پذیرند، به طوری که افت مقاومت به میزان حدود ۴۰ درصد برای استفاده از پلاستر پاریسی گزارش شده است. ولی مواد فوق اثر قابل ملاحظه‌ای بر روی استوانه‌های بتنی با مقاومت کم (حدود MPa14 یا کمتر) ندارند، به گونه‌ای که افت مقاومت معمولاً کمتر از ۱۰ درصد است حتی وقتی مواد کلاهک‌گذاری ضعیف مورد استفاده قرار می‌گیرد.
شکل و اندازه نمونه‌ها
مقاومت‌های بتن بستگی به نوع نمونه (مکعب یا استوانه) و ابعاد آن دارد. تأثیر اندازۀ نمونه برای نمونه‌های بتنی ساخته و نگهداری شده در شرایط یکسان و نسبت ثابت ارتفاع به قطر برابر با ۲ در شکل زیر نشان داده شده است. مقادیر براساس قطر استوانه، ناشی از کسب مقاومت سریعتر استوانه‌های با قطر کوچکتر است . به علاوه این باور نیز وجود دارد که افزایش سن این اختلاف را جبران می‌نماید.
اثر نسبت طول به قطر استوانه در شکل بالا ارائه شده است. بدیهی است که کاهش نسبت به کمتر از ۲ منجر به تغییرات قابل ملاحظه در مقاومت میشود. مقادیر واقعی تغییرات بستگی به عوامل زیادی از جمله مقاومت بتن، نوع سنگدانه، مقدار هوای محبوس و روش عمل‌آوری دارد. تأثیر مقاومت بتن بر روی ضرایب تصحیح مربوط به نسبت‌های مختلف برای بتن معمولی دارای حباب هوا و بتن سبک در اشکال زیر-الف و ب، ارائه شده است.
روش محاسبۀ مقاومت فشاری بات با استفاده از بخش‌هایی از تیر شکسته شده تحت خمش روش مکعب اصلاح شده در استاندارد ASTM C-116 آمده است. مقاومت فشاری نمونه مکعب اصلاح شده خصوصاً برای بتن با مقاومت پایین معمولاً قدری بیشتر از مقاومت فشاری استوانه‌ای است. مقاومت فشاری حاصله از آزمایش نمونه‌های مکعبی به ابعاد mm150معمولاً معادل برابر مقاومت فشاری نمونه استوانه‌ای با ۲ = در نظر گرفته میشود. اما تصحیح واقعی تحت تأثیر مقاومت بتن و متغیرهای دیگر نیز می‌باشد.
مقدار رطوبت در هنگام آزمایش
میزان رطوبت نمونۀ بتنی در زمان آزمایش تأثیر محسوسی بر روی مقاومت دارد. نمونه‌های فشاری آزمایش شده در شرایط خشک، معمولاً مقاومتی حدود ۲۰ تا ۴۰ درصد بیشتر از نمونه‌های مشابه آزمایش شده در شرایط اشباع داشته‌اند. به همین علت اکثر استانداردها مقرر می‌دارند که کلیۀ نمونه‌ها در زمان آزمایش باید در حالت اشباع باشند تا اثرات شناخته نشدۀ خشک بودن بخشی از نمونه در نتایج دخالت نکند. مغزهای گرفته شده از سازه باید حدود ۴۸ ساعت قبل از آزمایش در آب مغروق باشند. اثر خشک شدن بر روی مقاومت فشاری در شکل زیر نیز به طور وضوح دیده میشود.
به نظر می‌رسد تأثیر رطوبت بر روی مقاومت‌های کششی و خمشی به دلیل خشک شدن غیریکنواخت متنوع‌تر باشد. عموماً خشک‌شدگی باعث کاهش مقاومت‌های کششی و خمشی می‌گردد. در این مورد تا ۲۵ درصد افت نیز گزارش شده است. به هر حال به منظور جلوگیری از خشک شدن بخشی از نمونه‌ها قبل از آزمایش باید دقت خاضی مبذول گردد.
سرعت بارگذاری
افزایش سرعت بارگذاری باعث افزایش مقاومت نمونۀ بتنی می‌گردد. به همین سبب استاندارد ASTM-C39 مقرر می‌دارد که جهت آزمایش استوانه‌های فشاری برای دستگاه‌های هیدرولیکی سرعت بارگذاری باید بین ۰٫۱۴ تا ۰٫۳۵ مگاپاسکال در ثانیه و برای دستگاه‌های مکانیکی سرعت تغییر شکل ۱٫۲۵ میلی‌متر در دقیقه باشد. همچنین استاندارد ASTM-C239 در خصوص آزمایش‌های خمشی الزام می‌دارد که سرعت بارگذاری به گونه‌ای باشد که افزایش تنش در تار انتهایی مقطع حدود ۰٫۸۸ تا ۱٫۲۲ مگاپاسکال در دقیقه باشد.
آزمایش‌های نشان داده‌اند که در مقایسه با سرعت بارگذاری استاندارد MPa/s0.25، سرعت بارگذاری به میزان MPa/s0.007 باعث کاهش مقاومت فشاری در حدود ۱۲ درصد و یک سرعت بارگذاری به میزان MPa/s7 موجب افزایش مقاومت فشاری در حدود ۱۲ درصد می‌گردد. بررسی‌های دیگر حاکی از این است که مقاومت فشاری بتن آزمایش شده تحت سرعت‌های بارگذاری بتن ۱۰۴´۲٫۱ و ۱۰۴´۱۴ مگاپاسکال در ثانیه حدود ۸۵ درصد بیشتر از بتنی است که تا لحظۀ شکست به مدت ۳۰ دقیقه تحت بارگذاری بوده است. ضمناً محققین نشان داده‌اند که انتظار می‌رود بتن در طول عمر خود با بارگذاری مرحله‌ای طولانی مدت، حدود ۷۰ درصد بار نهایی حاصله از آزمایش‌های تحت سرعت بارگذاری استاندارد را تحمل نماید.
دمای آزمایش
آزمایش‌های نمونه‌های بتنی معمولاً در دمای محیط انجام میشود و تأثیر دما بر روی مقاومت را می‌توان صرف نظر نمود. در شکل زیر مخلوط‌های (۱) و (۲) با شن و ماسه ساخته شده و به ترتیب نسبت‌های وزنی آب به سیمان ۰٫۴۸ و ۰٫۸۴ را دارا هستند. مخلوط (۳) با استفاده از سنگدانه از نوع شیل منبسط شده و نسبت آب به سیمان ۰٫۸۱ ساخته شده است. منحنی‌های شکل زیر بیانگر کاهش مقاومت فشاری و مدول الاستیسیته طی افزایش دمای نمونۀ تا حدود ۹۳ درجه سانتی‌گراد و سپس افزایش مقاومت قبل از کاهش نهایی آن می‌باشد. ضمناً به نظر می‌رسد با افزایش دما از صفر تا ۱۰ درجه سانتی‌گراد مقدار کاهش بیشتری در مقاومت حاصل میشود. در دمای حدود °C232 مقاومت‌ها معادل حالت درجه حرارت °C21 هستند ولی مدول الاستیسیته به میزان قابل ملاخظه‌ای کمتر است. رفتار بتن دارای شن و ماسه و بتن دارای شیل منبسط شده در مقابل تغییرات دمای آزمایش با هم مشابه هستند.
گیرداری جانبی
بتن محدود شده در تمامی‌سطوح جانبی نیروی بسیار بزرگتری نبت به بتن محدود نشده تحمل می‌نماید. شکل زیر بیانگر افزایش تنش محوری با افزایش گیرداری جانبی است. گرچه بتن در کاربردهای معمول تحت گیرداری‌های جانبی بزرگی مانند مقادیر مذکور در شکل زیر قرار نمی‌گیرد، ولی تأثیرگیرداری جانبی در بتن غالباً در فشارهای تکیه‌گاهی ظهور می‌یابد. نتایج آزمایش‌های حاکی از این است که وقتی نسبت کل سطح بتن به سطح بارگذاری شده از ۴۰ تجاوز نماید، حداکثر فشار تکیه‌گاهی می‌تواند به حدود پنچ برابر مقاومت فشاری نمونۀ استوانه‌ای برسد.
[۱] – Segregation
