ساختار بتن: تمام آنچه درباره اجزا، مشخصات و ساختار بتن باید بدانید!

ساختار بتن

ارتباط میان ساختار و خواص مواد از مطالب علم جدید مواد است. بتن، ساختاری غیرهمگن و پیچیده دارد. لذا بسیار مشکل است الگوهای ساختاری مشخصی برای بتن در نظر گرفته شود و با توجه به آن، رفتار مصالح پیش‌بینی گردد. در این مقاله از بلاگ رامکا درصدد هستیم ضمن تبیین سه جزء اصلی ساختار بتن (سیمان هیدراته شده، سنگدانه و ناحیه بین خمیر و سنگدانه)، ارتباط میان خواص و ساختار را از نقطه نظر انتخاب مشخصات بتن، نظیر مقاومت، پایداری ابعادی و دوام بررسی نماییم. پس تا انتها همراه ما باشید.

اهمیت ساختار بتن

ساختار به نوع، مقدار، اندازه، شکل و پخش موجود در یک جامد گفته می‌شود. اجزای درشت در ساختار ماده، معمولاً قابل مشاهده‌اند، در حالی که اجزای ریز را باید با کمک میکروسکوپ مشاهده نمود. عبارت «کلان ساختار» عموماً به اجزای بزرگ‌تری که با چشم قابل رؤیت هستند، اطلاق می‌شود. عبارت «ریزساختار» برای مشاهده قسمت‌های بزرگ شده ماده با میکروسکوپ استفاده می‌شود. قابلیت بزرگنمایی میکروسکوپ‌های نوری تا ۱۰۰۰۰۰ برابر می‌رسد، در حالی که با کاربرد میکروسکوپ‌های الکترونی، امکان مطالعه ساختار تا چند میکرون نیز فراهم شده است.

پیشرفت در علم مواد ابتدا بر این اصل استوار شد که خواص مواد، ناشی از ساختار داخلی آنها است. به عبارت دیگر خواص مواد با ایجاد تغییرات مناسب در ساختار آنها قابل اصلاح است. گرچه بتن پرمصرف‌ترین مصالح ساختمانی است، اما ساختاری غیرهمگن دارد و ارتباط میان خواص و ساختار بتن هنوز روشن نیست. از این رو، پیش از بحث روی عوامل مؤثر در خواص مهندسی مهم بتن، اطلاع از بعضی اجزای ساختاری بتن امری لازم و ضروری است.

پیچیدگی‌های ساختار بتن

با بررسی مقطع بتن سخت شده، دو فاز به آسانی قابل تشخیص است. فاز سنگدانه‌ها با اندازه و اشکال متفاوت و فاز خمیر سخت شده که حاصل هیدراتاسیون آبگیری سیمان است. از این رو در مقیاس کلان ساختار، بتن شامل دو فاز سنگدانه‌های پخش شده در خمیر سیمان است.

در مقیاس ریزساختار پیچیدگی ذرات و ترکیبات نشان داده می‌شود. در پاره‌ای از قسمت‌ها، خمیر متراکم‌تر از سنگدانه‌ها است، در حالی که در بخشی دیگر بسیار متخلخل است. همچنین اگر تعدادی نمونه بتن با مقدار مساوی سیمان، ولی با میزان آب متفاوت با هم قیاس شود، حجم حفرات معین در خمیر هیدراته شده با کاهش نسبت آب به سیمان و افزایش سن نمونه نیز کاهش می‌یابد. در یک خمیر کاملاً هیدراته شده می‌توان برای مدل کردن رفتار مصالح از ناهمگن بودن بخش جامد و حفرات در داخل خمیر صرفنظر نمود.

به هر حال مطالعات ریزساختار نشان می‌دهد چنین فرضی در خصوص خمیر سخت شده در بتن صادق نیست. با وجود سنگدانه در بتن، ساختار خمیر سخت شده مجاور سنگدانه‌های درشت، بسیار متفاوت‌تر از ساختار خمیر به تنهایی یا در ملات است. در حقیقت بسیاری از رفتارهای بتنِ تحت تنش با در نظر گرفتن فاز سوم – که همان فصل مشترک دانه‌ها و خمیر است – مشخص می‌شود. در نتیجه، سیمای منحصر به فرد بتن به صورت زیر قابل بررسی است.

a) مقطع صیقل داده شده نمونه بتن، b) ریز ساختار خمیر سیمان هیدراته شده
a) مقطع صیقل داده شده نمونه بتن، b) ریز ساختار خمیر سیمان هیدراته شده

ابتدا می‌توان فاز سوم یا ناحیه انتقال را بررسی نمود که نشان‌دهنده ناحیه فصل مشترک سنگدانه‌های درشت و خمیر سخت شده است. ناحیه انتقال به صورت یک پوسته نازک با ضخامت حدود ۱۰ تا ۵۰ میکرون به دور دانه‌های درشت قرار گرفته و عموماً ضعیف‌تر از دو بخش دیگر بتن بوده و در نتیجه، تأثیر بیشتری روی خواص مکانیکی بتن دارد.

ثانیاً هر یک از سه فاز، طبیعتی چند فازه دارند. ثالثاً برخلاف سایر مصالح، مهندسی ساختار بتن ثابت نمی‌ماند؛ یعنی جزو خواص ذاتی مصالح نیست و این به دلیل آن است که دو جزء دیگر ساختار، یعنی خمیر سخت شده و ناحیه انتقال، با گذشت زمان و تغییرات رطوبت و دمای محیط تغییر می‌کنند.

به علت طبیعت غیرهمگن و دینامیک ساختار بتن، مدل‌هایی که روابط تئوریکی ساختار خاص را در رفتار مصالح مهندسی بیان می‌کنند و اغلب مفید هستند، چندان در مورد بتن قابل استفاده نیستند. از این رو اطلاع و دانش وسیع در زمینه صور مهم ساختار اجزای تشکیل‌دهنده بتن برای درک و کنترل خواص مواد مرکب امری ضروری است.

ساختار فاز سنگدانه در بتن

در سنگدانه آنچه میزان وزن را تعیین می‌کند، واحد حجم مدول الاستیسیته و پایداری ابعادی بتن است. این خواص بتن تا حدود زیادی به وزن مخصوص ظاهری و مقاومت سنگدانه‌ها بستگی دارد که آن هم به نوبه خود به خواص فیزیکی سنگدانه بیش از خواص شیمیایی آن وابسته است.

شکل و بافت سطحی سنگدانه‌های درشت
شکل و بافت سطحی سنگدانه‌های درشت

به عبارت دیگر ترکیبات شیمیایی و کانی‌های فاز جامد سنگدانه‌ها نسبت به مشخصات فیزیکی آنها نظیر حجم اندازه و پخش حفرات در بتن از اهمیت کمتری برخوردارند. علاوه بر تخلخل، شکل و بافت سنگدانه‌های درشت نیز در خواص بتن مؤثرند.

به طور معمول، شن‌های طبیعی شکلی گرد گوشه و بافت سطحی صاف دارند. در مقابل سنگ‌های شکسته، سطحی زبر و خشن داشته و بسته به نوع سنگ معدن و انتخاب نوع سنگ‌شکن، از مقادیر قابل ملاحظه‌ای ذرات مسطح یا دراز تشکیل شده‌اند که تأثیر نامناسبی روی بتن دارند.

سنگدانه‌های سبک سنگ‌های متخلخل، اغلب حفره‌ای و زاویه‌دار بوده و بافت سطحی خشن دارند، اما انواع سنگ‌های شیل یا رس منبسط شده، دارای سطحی صاف و گرد گوشه هستند. سنگدانه با برخورداری از مقاومت بالا در مقابل دو فاز دیگر بتن، اثر مستقیمی روی مقاومت بتن ندارد، مگر پاره‌ای از سنگدانه‌های ضعیف و متخصص نزدیک میزها که می‌توانند در میزان مقاومت مؤثر باشند. اندازه و شکل سنگدانه‌های درشت به طور غیرمستقیم در مقاومت بتن مؤثرند.

بیشتر بخوانید: جدا شدگی بتن

ساختار خمیر سیمان هیدراته شده در بتن

همان‌طور که پیش از این گفته شد، سیمان هیدراته شده به خمیر ساخته شده از سیمان پرتلند اشاره دارد. گرچه ترکیبات و خواص سیمان پرتلند به تفصیل خواهد آمد، اما پیش از ورود به فعل و انفعالات شیمیایی و ترکیبات حاصل از هیدراتاسیون سیمان و آب، خلاصه‌ای از ترکیبات سیمان بیان می‌شود.
سیمان پرتلند غیر هیدراته، پودر خاکستری رنگی است که از ذرات زاویه‌دار و در اندازه‌های بین ۱ تا۵۰ میکرون تشکیل شده است. سیمان از آسیاب نمودن کلینکر با مقدار کمی سولفات کلسیم به دست می‌آید. کلینکر مخلوطی غیرهمگن از چندین کانی است که در دمای بالا بر اثر فعل و انفعالات اکسید کلسیم و اکسیدهای سیلیسیم، آلومینیوم و آهن تولید می‌شود.

ترکیبات اصلی کلینکر سیمان، شامل C4A4, C3A , C2S , C3S است که در سیمان پرتلند معمولی مقادیر این ترکیبات به ترتیب بین ۴۵ تا ۶۰ ، ۱۵ تا ۳۰، ۶ تا ۱۲ و ۶ تا ۸ درصد تغییر می‌کند. (توجه داشته باشید در فرمول‌های شیمیایی، از نمادهای H=H2O , S=SO3 , F=Fe2O3 , A=Al2O3 , S=SiO2 , C=CaO استفاده می‌شود).

هنگامی که پودر سیمان در آب ریخته می‌شود، سولفات کلسیم و ترکیبات دمای بالای کلسیم تمایل به حل شدن پیدا کرده و مایع جدید، به سرعت از ذرات یونی مختلف اشباع می‌شود. در نتیجه تشکیل ترکیبات حاصل از کلسیم، سولفات، آلومینات و یون‌های هیدروکسیل، چند دقیقه پس از هیدراتاسیون سیمان، ابتدا بلورهای سوزنی شکل سولفوآلومینات کلسیم هیدراته شده موسوم به اترینگایت ظاهر می‌گردند و پس از چند ساعت، بلورهای بزرگ منشوری شکل هیدروکسید کلسیم و بلورهای کوچک الیافی شکل سیلیکات کلسیم هیدراته شده فضاهای خالی خمیر را – که توسط آب و ذرات سیمان اشتغال شده – پر می‌کنند.

تصویر میکروسکوپ الکترونی از بلورهای هیدروکسید کلسیم و اترینگایت‌های سوزنی شکل، حاصل از اختلاط محلول‌های سولفات کلسیم و آلومینات کلسیم
تصویر میکروسکوپ الکترونی از بلورهای هیدروکسید کلسیم و اترینگایت‌های سوزنی شکل، حاصل از اختلاط محلول‌های سولفات کلسیم و آلومینات کلسیم

پس از چند روز، بسته به میزان نسبت اکسید آلومینیوم به سولفات سیمان پرتلند، اترینگایت ناپایدار شده و به مونوسولفات هیدراته شده، به شکل صفحات شش وجهی درمی‌آید. صفحات شش وجهی شکل متعلق به هیدروکسید کلسیم هیدراته شده است که در خمیر هیدراته شده کم سولفات یا در سیمان‌های با C3A زیاد تشکیل می‌شود.

مدل خمیر سیمان کاملاً هیدراته شده
مدل خمیر سیمان کاملاً هیدراته شده

در مدل خمیر سیمان کاملاً هیدراته شده شکل بالا، A مجموعه بلورهای ضعیف،H بلورهای شش وجهی ترکیباتی نظیر CH و C4AH , C3A SH18 و C، نشان‌دهنده فضاهای مویینه خالی در خمیر سیمان است.

با توجه به مدل خمیر سیمان هیدراته شده، می‌توان مشاهده نمود که فازهای مختلف از نظر اندازه و شکل همگن نیستند و پخش آن‌ها در خمیر همگن نیست. این ناهمگن بودن در خمیر سخت شده، تأثیرات قابل ملاحظه‌ای روی مقاومت و خواص وابسته مکانیکی خمیر می‌گذارد، زیرا چنین خواصی اغلب وابسته به تمام بخش‌های ماده هستند. بنابراین گرچه ریز ساختار خمیر سیمان نتیجه واکنش‌های شیمیایی سیمان در آب است، ولی باید به خواص ژئولوژی خمیر سیمان تازه مخلوط شده که در ریزساختار آن مؤثر خواهد بود نیز توجه داشت.

در واقع، ذرات هیدراته نشده سیمان تمایل به جذب یکدیگر و تشکیل کلوخه داشته که این امر باعث به دام انداختن مقادیر زیادی از آب اختلاط می‌شود. واضح است تغییرات موضعی نسبت آب به سیمان، منبع اولیه ایجاد ناهمگنی در حفرات خمیر است و در خمیرهای حاوی مقادیر کلوخه زیاد، نه تنها اندازه و شکل حفرات، بلکه محصولات کریستالی ناشی از واکنش‌های هیدراتاسیون نیز نسبت به حالتی که سیمان کاملاً یکنواخت در محلول پخش شود، با هم متفاوتند.

مواد جامد در خمیر هیدراته شده در بتن

انواع، مقادیر و مشخصات ۴ فاز اصلی جامد خمیر سیمان هیدراته شده در ذیل آورده شده است:

سیلیکات کلسیم هیدراته

فاز سیلیکات کلسیم هیدراته، که به اختصار با C –S – Hنشان داده می‌شود، حدود ۵۰ تا ۶۰% حجم مواد جامد خمیر سیمان کاملاً هیدراته شده را تشکیل داده و مهم‌ترین بخش مواد جامد خمیر در تعیین خواص آن است. علت نمایش این ترکیب به شکل C –S – Hبه این دلیل است که نسبت ترکیبات آن کاملاً مشخص نشده و در آن نسبت C/S5/1 تا ۲ و نیز آب شیمیایی آن بسیار متغیر است.

شکل ذرات C – S – H نیز از کریستال‌های ضعیف الیافی شکل تا شبکه‌های منسجم تغییر می‌کند. به علت شکل کلوییدی و تمایل به خوشه‌ای شدن آن، بلورهای C –S – H تنها با دستگاه میکروسکوپ الکترونی قابل شناسایی هستند. ساختار بلورین داخلی C –S – Hنیز هنوز معلوم نشده است. پیش‌تر تصور می‌شد بلورهای آن شبیه ماده معدنی طبیعی توبرمورایت است، به همین دلیل، گاهی به C –S – H، ژل توبرمورایتی نیز گفته می‌شد.

گرچه ساختمان دقیق C –S – Hهنوز کاملاً شناخته نشده است، اما مدل‌های زیادی برای بیان خواص مواد آن پیشنهاد شده است. بر اساس مدل پیشنهادی Powers-Brunauer، این مواد ساختاری، لایه‌ای با سطح زیاد دارند.

ابر روان کننده بتن

ابر روان کننده بتن آرگون ARGON

مناسب برای تولید بتن در کارخانه‌ها و پروژه‌ها

فوق روان کننده بتن

فوق روان کننده بتن دراگون DRAGON

افزایش روانی و مقاومت بتن در هوای گرم

فوق روان کننده بتن

فوق روان کننده بتن پایتون PYTHON

افزایش روانی بتن در محل بتن‌ریزی، ویژه لوله پمپاژ طولانی

ابر روان کننده بتن

ابر روان کننده بتن کوانتوم QUANTUM

کاهنده آب بسیار پر قدرت، ویژه آب به سیمان بسیار پایین

ابر روان کننده بتن

ابر روان کننده بتن زنون XENON

ویژه تولید بتن در بچینگ در فصل زمستان، با حفظ اسلامپ مناسب

ابر روان کننده بتن

ابر روان کننده بتن رادون RADON

حفظ اسلامپ طولانی، ویژه بچینگ و بتن‌ریزی در هوای گرم

ابر روان کننده بتن

ابر روان کننده بتن پالادیوم PALLADIUM

پر قدرت برای روان کردن بتن هنگام تخلیه در محل پروژه

روان کننده بتن

روان کننده بتن رلیکس RELIX

افزایش روانی بتن در محل بتن‌ریزی، ویژه لوله پمپاژ طولانی

روان کننده بتن

روان کننده بتن فانتوم PHANTOM

افزایش روانی و مقاومت بتن در هوای گرم

با استفاده از دستگاه‌های مختلف اندازه‌گیری، مساحت C – S – H در حدود ۱۰۰ تا ۷۰۰ مترمربع بر گرم پیشنهاد شده است. مقاومت ماده اساساً به نیروهای واندروالس، اندازه حفرات ژلی یا فاصله بین قسمت جامد که حدود ۱۸ آنگستروم است، نسبت داده می‌شود. در مدل Sereda-Feldman، ساختار C – S – H به صورت یکسری لایه‌های غیر منظم که به صورت تصادفی برای ایجاد فضاهای بین لایه‌ای با اندازه‌ها و شکل‌های گوناگون که با ابعادی در حدود ۵ تا ۲۵ آنگستروم کنار هم قرار گرفته‌اند، نمایش داده می‌شود.

هیدروکسید کلسیم

بلورهای هیدروکسیدکلسیم یا پرتلندایت، حدود ۲۰ تا ۲۵% حجم قسمت جامد خمیر هیدراته شده را تشکیل می‌دهند. برخلاف C –S – H، هیدروکسید کلسیم ترکیبی با فرمول مشخص Ca ((OH 2 است. این ترکیب معمولاً از بلورهای بزرگ مجزا با فرم منشوری شش وجهی تشکیل می‌شود. البته فرم تشکیل شده که اغلب به صورت صفحه‌ای است، بر اساس فضای موجود در خمیر، حرارت هیدراتاسیون و ناخالصی موجود در خمیر تغییر می‌کند.

در مقایسه با C –S – H، نقش هیدروکسید کلسیم در مقاومت، به علت نیروهای واندروالسی محدود است و دلیل این امر نیز مساحت سطح کمتر آن است. همچنین وجود مقدار قابل ملاحظه هیدروکسید کلسیم در خمیر سیمان هیدراته، به علت حلالیت بیشتر هیدروکسید کلسیم نسبت به C –S – H، تأثیر نامطلوبی روی دوام شیمیایی در مقابل اسیدها خواهد داشت.

سولفو آلومینات کلسیم

ترکیبات سولفور آلومینات کلسیم حدود ۱۵ تا ۲۰% حجم قسمت جامد خمیر هیدراته شده را تشکیل داده و نقش کمتری در خواص و ساختار آن دارند. اخیراً عنوان شده است در مراحل هیدراتاسیون سیمان، نسبت یونی سولفات به اکسید آلومینیم به گونه‌ای است که به سمت سه سولفات هیدرات C6AS3 – H32 یا اترینگایت که بلورهایی سوزنی شکل است، تمایل دارد.

در خمیر سیمان پرتلند، اترینگایت در نهایت به هیدرات سولفات C6AS3 – H32 با بلورهای صفحه‌ای شش وجهی تبدیل می‌شود. وجود هیدرات مونوسولفات در بتن با سیمان پرتلند، آن را در مقابل حمله سولفات‌ها آسیب‌پذیر می‌کند. بایستی توجه شود که هم اترینگایت و هم سولفات، شامل مقادیری اکسید آهن هستند که می‌تواند با اکسید آلومینیم در ساختار کریستالی تعویض شود.

دانه‌های کلینکر هیدراته نشده

بسته به دانه‌بندی ذرات سیمان هیدراته نشده و درجه هیدراتاسیون سیمان، دانه‌های کلینکر هیدراته نشده‌ای را می‌توان در ساختار خمیر سیمان هیدراته شده، حتی مدت‌ها بعد از هیدراتاسیون یافت. همان‌طور که قبلاً گفته شد، دانه‌های کلینکر در سیمان‌های جدید ابعادی بین ۱ تا ۵۰ میکرون را دارند.

با پیشرفت و ادامه عمل هیدراتاسیون، ابتدا ذرات ریز حل می‌شوند (از سیستم محو میگردند) و سپس نوبت به ذرات بزرگ‌تر می‌رسد. به علت فضای موجود محدود میان ذرات، محصولات واکنش‌ها تمایل به کریستاله شدن در مجاورت و نزدیکی دانه‌های کلینکر داشته و شبیه یک پوشش آنها را در بر می‌گیرند. در زمان طولانی‌تر به علت کمی فضای موجود، هیدراتاسیون ذرات کلینکر منجر به تشکیل محصولات هیدراتاسیون متراکمی شده که شکل اصلی ذرات کلینکر هیدراته شده را ایجاد می‌کنند.

فضاهای خالی در خمیر سیمان هیدراته شده بتن

علاوه بر مواد جامد، انواع مختلف فضاهای خالی در خمیر سیمان ایجاد می‌شود که در خواص آن تأثیر بسزایی دارد. در ذیل انواع این فضاها و مقدار و اهمیت آنها تبیین خواهد شد.

محدوده‌های ابعاد قسمت‌های جامد و فضا‌های خالی در خمیر سیمان هیدراته شده
محدوده‌های ابعاد قسمت‌های جامد و فضا‌های خالی در خمیر سیمان هیدراته شده

فضاهای بین لایه‌ای در C – S – H

پاورز عرض فضاهای بین لایه‌ای در C –S – H را حدود ۱۸ آنگستروم بیان کرده و معتقد است این فضاهای خالی ۲۸% قسمت جامد C –S – H است. فلدمن و سردا این فضا را بین ۵ تا ۲۵ آنگستروم پیشنهاد می‌کنند. با این وجود، این فضاهای متخلخل به قدری کوچکند که نمی‌توانند تأثیری در مقاومت و تراوایی خمیر سیمان سخت شده داشته باشند. آب درون این فضاهای کوچک می‌تواند توسط پیوند هیدروژنی نگه داشته شود و خروج آن تحت شرایطی معین می‌تواند سبب ایجاد جمع‌شدگی ناشی از خشک شدن و خزش خمیر گردد.

فضاهای مویینه

منافذ مویینه فضاهایی هستند که توسط قسمت جامد خمیر سیمان پر نمی‌شوند. حجم کل مخلوط آب و سیمان، در طول مراحل هیدراتاسیون تغییر نمی‌کند. چگالی حجمی متوسط مواد هیدراته شده از چگالی سیمان پرتلند هیدراته نشده به مراتب کمتر است.

تخمین زده می‌شود هر سانتی‌متر مکعب سیمان در هیدراتاسیون کامل، به حدود ۲ سانتی‌متر مکعب فضا برای جا دادن محصولات واکنش نیاز دارد. بنابراین می‌توان نتیجه گرفت در هیدراتاسیون سیمان، فضای اولیه اشغال شده، به تدریج توسط سیمان و آب به فضای پر شده از محصولات هیدراتاسیون تبدیل می‌شود.

فضایی که با سیمان یا محصولات هیدراتاسیون پر نمی‌شود، فضاهای مویینه بوده و حجم و اندازه این حفرات با فاصله اصلی بین ذرات سیمان هیدراته نشده در خمیر سیمان تازه مخلوط شده (یعنی نسبت آب به سیمان) و درجه هیدراتاسیون تعیین می‌شود. روش محاسبه حجم کل فضاهای مویینه یا به عبارتی تخلخل در خمیر سیمان، با نسبت آب به سیمان‌های مختلف یا درجات متفاوت هیدراتاسیون خواهد آمد.

در یک خمیر سیمان کاملاً هیدراته شده با نسبت کم آب به سیمان، فضاهای مویینه ممکن است بین ۱۰ تا ۵۰ نانومتر تغییر کنند. در خمیر با نسبت آب به سیمان بالا، در اوایل هیدراتاسیون ممکن است فضاهای مویینه به بزرگی ۳ تا ۵ میکرون باشند.

چنین تصور می‌شود منحنی توزیع مویینه فضاهای خالی خمیر به جای تخلخل و مویینگی کل، معیار بهتری برای ارزیابی مشخصات فضاهای مویینه بزرگ‌تر از ۵۰ نانومتر، یعنی حفرات بزرگ است. چنین حفراتی در مقاومت و تراوایی تأثیر اساسی دارند، در حالی که حفرات کمتر از ۵۰ نانومتر، یعنی ریز حفرات خمیر، بیشتر در جمع‌شدگی ناشی از خشک شدن و خزش مؤثرند.

منحنی توزیع فضاهای خالی در خمیر سیمان هیدراته شده
منحنی توزیع فضاهای خالی در خمیر سیمان هیدراته شده

بیشتر بخوانید: تکنولوژی بتن پیشرفته

حباب‌های هوا

اغلب فضاهای مویینه شکل خاصی ندارند، در حالی که حباب‌های هوا در بتن یا خمیر اغلب کروی هستند. هوا ممکن است حین مخلوط کردن در خمیر سیمان محبوس شود. حباب‌های هوای محبوس شده ممکن است به بزرگی ۳ نانومتر باشند. مواد حباب‌زا اغلب حباب‌هایی با قطر بین ۵۰ تا ۲۰۰ میکرون در بتن ایجاد می‌کنند. بنابراین هم حباب‌های هوای محبوس شده و هم حباب‌های ایجاد شده با مواد هوازا در خمیر سیمان همراه شده قطری بزرگ‌تر از فضاهای مویینه دارند و قادر به تأثیر در مقاومت و نفوذپذیری بتن هستند.

آب در خمیر هیدراته شده بتن

در آزمایش با میکروسکوپ الکترونی، فضا‌های خالی در خمیر سیمان هیدراته به علت اینکه نمونه تحت خلأ خشک می‌شود، خالی از آب است. اما در حقیقت خمیر سیمان بسته به محیط و تخلخل، قادر به نگه‌داشتن مقدار قابل ملاحظه‌ای آب در خود است.

آب بر اساس درجه آسانی یا سختی خارج شدن آن از خمیر هیدراته، به انواع مختلف طبقه‌بندی شده است. از آن‌جا که از دست رفتن آب از خمیر به صورت مداوم، بر اساس کاهش رطوبت نسبی صورت می‌پذیرد، لذا تفکیک دقیق حالات مختلف آب در خمیر کار مشکلی است. آب در خمیر سیمان هیدراته شده به اشکال زیر وجود دارد:

آب مویینگی

این آب در فضاهای بزرگ‌تر از ۵۰ آنگستروم موجود است. در حقیقت چنین آبی تحت‌تأثیر نیروهای جاذب سطح جامد قرار ندارد. در واقع از نقطه نظر رفتار مویینگی در خمیر مناسب‌تر آن است که این آب به دو دسته تقسیم شود؛ دسته اول آب در فضاهای بزرگ‌تر از ۵۰ نانومتر (۰٫۰۵) میکرون که به آن آب آزاد نیز گفته می‌شود، زیرا خارج شدن آن، سبب هیچ‌گونه تغییر حجمی نمی‌شود و دسته دوم، آب حفظ شده در فضاهای مویینه کوچک تحت کشش مویینگی (۵ تا ۵۰ نانومتر) که خروج آن سبب جمع‌شدگی سیستم خمیر می‌شود.

آب جذب شده سطحی

این آب در نزدیکی سطح قسمت جامد قرار دارد. بر اثر نیروهای جذبی، مولکول‌های آب به صورت فیزیکی جذب سطح قسمت جامد خمیر هیدراته شده می‌گردند. نظر بر آن است که تا شش لایه مولکولی، آب (۱۵ آنگستروم) می‌تواند به طور فیزیکی بر اثر پیوند هیدروژنی نگهداری شود. چون انرژی پیوند مولکول‌های جداگانه آب با فاصله آنها از سطح جامد کاهش می‌یابد، قسمت عمده‌ای از آب جذب شده بر اثر خشک شدن خمیر تا رسیدن به ۳۰% رطوبت نسبی از دست می‌رود. نقصان آب جذب شده سطحی، عامل اصلی جمع‌شدگی و انقباض خمیر بر اثر خشک شدن است.

دیرگیر بتن

دیرگیر بتن لیکو LICO

افزایش زمان گیرش بتن در هوای گرم

دیرگیر بتن

دیرگیر پمپ بتن پامپر PUMPER

ویژه جابجایی پمپ در هوای گرم

آب بین لایه‌ای

این آب در ساختار C – S – H وجود دارد. لایه آب با آرایش تک مولکولی بین لایه‌هایC – S – H با پیوند هیدروژنی نگه داشته می‌شود. آب بین لایه‌ای تنها در خشک شدن شدید (در رطوبت نسبی کمتر از ۱۱%) نقصان می‌یابد. ساختار C – S – H بر اثر نقصان آب بین لایه‌ای به میزان قابل ملاحظه‌ای دچار جمع‌شدگی و انقباض می‌شود.

آب با ترکیب شیمیایی

چنین آبی در ساختار خمیر سیمان هیدراته شده، به صورت آب شیمیایی موجود است. این آب بر اثر خشک شدن خمیر کاهش نمی‌یابد و تنها هنگامی ‌که خمیر بر اثر حرارت تجزیه می‌شود، آزاد می‌گردد. طبق مدل پیشنهادی فلدمن – سردا، انواع مختلف آب‌ها در ساختار C – S – H نشان داده شده است.

انواع آب‌های موجود در ساختار سیلیکات کلسیم هیدراته شده
انواع آب‌های موجود در ساختار سیلیکات کلسیم هیدراته شده

ارتباط ساختار در خمیر سیمان هیدراته شده در بتن

خواص مهندسی مهم بتن سخت شده، یعنی مقاومت، پایداری ابعادی و دوام، نه تنها از نظر کمّی، ‌بلکه تحت‌تأثیر خواص خمیر هیدراته شده که آن هم تحت‌تأثیر ساختار خمیر (نوع، مقدار، و توزیع قسمت جامد و فضاهای خالی) است، قرار دارد. ارتباط ساختار – خواص خمیر هیدراته شده در ذیل به اختصار آورده شده است:

مقاومت

عامل اصلی مقاومت در بخش جامد خمیر سیمان هیدراته شده، نیروهای جاذبه واندروالسی است. چسبندگی بین سطوح دو قسمت جامد، به این نیروهای فیزیکی نسبت داده می‌شود. درجه چسبندگی، به طبیعت و گسترش این سطوح وابسته است.

بلورهای کوچک C – S – H، سولفوآلومینات کلسیم هیدراته شده و آلومینات کلسیم هیدراته شده شش وجهی، نه تنها سطح جانبی زیادی داشته، بلکه قابلیت چسبندگی قابل ملاحظه‌ای هم دارند. این ترکیبات سیمان پرتلند، علاوه بر تمایل شدید به اتصال به یکدیگر، به محصولات هیدراتاسیون با سطح جانبی کمتر، یعنی هیدروکسید کلسیم، دانه‌های کلینکر غیر هیدراته و همچنین، دانه‌های ریز و درشت شن و ماسه نیز می‌چسبند.

اکنون کاملاً روشن است که در یک ماده، ارتباط معکوسی بین مقاومت و تخلخل وجود دارد. اساس مقاومت روی بخش صلب بوده و فضاهای خالی تأثیر قابل ملاحظه‌ای بر آن دارند. در خمیر سیمان هیدراته شده، فضای بین لایه‌ها در ساختار C – S – H و حفرات ریزی که در حوزه تأثیر نیروهای جاذبه و واندروالسی قرار دارند، تأثیر بالایی در مقاومت ندارند. علت این امر آن است که تمرکز تنش و گسیختگی ناشی از آن بر اثر اعمال بار از حفرات بزرگ مویینه و ترک‌هایی که در خمیر وجود دارد، آغاز می‌شود.

همان‌طور که بیان شد حجم فضاهای مویینه در خمیر هیدراته شده، به میزان آب اختلاط با سیمان در ابتدای واکنش و درجه هیدراتاسیون سیمان وابسته است. هنگامی که خمیر گیرش پیدا می‌کند، حجم ثابتی که تقریباً برابر با حجم سیمان و آب است را اشغال می‌کند.

فرض کنید ۱ سانتی‌متر مکعب سیمان حدود ۲ سانتی‌متر مکعب مواد هیدراته تولید کند. پاورز محاسبات ساده‌ای برای نشان دادن تغییرات تخلخل مویینگی بر حسب تغییرات هیدراتاسیون خمیر با نسبت آب به سیمان‌های مختلف انجام می‌دهد.

ژل میکروسیلیس

سوپر ژل میکروسیلیس پرو PRO

الیافی و بدون الیاف | آب‌بندی و دوام بتن

ژل میکروسیلیس

پاور ژل میکروسیلیس اولترا ULTRA

الیافی و بدون الیاف | آب‌بندی و دوام بتن

ژل میکروسیلیس

مکمل بتن پلاس PLUS

بهبود رئولوژی و خواص آب‌بندی و دوامی بتن

ژل میکروسیلیس

دوغاب میکروسیلیس میکرو MICRO

ساخت بتن آب‌بند و بادوام

بر اساس محاسبات او، از آن‌جا که نسبت آب به سیمان اغلب به صورت وزنی مشخص می‌شود، برای محاسبه حجم آب و فضای کل، که برابر با جمع احجام آب و سیمان است، باید از مقدار چگالی نسبی سیمان پرتلند (تقریباً برابر با ۱۴/ ۳) مطلع باشید.

در حالت a، خمیری با نسبت آب به سیمان ۰٫۶۳ و شامل ۱۰۰ سانتی‌متر مکعب سیمان نیاز به ۲۰۰ سانتی‌متر مکعب آب دارد که در مجموع ۳۰۰ سانتی‌متر مکعب حجم خمیر یا کل فضای در دسترس را تشکیل می‌دهد. درجه هیدراتاسیون سیمان به شرایط عمل‌آوری بتن (مدت زمان هیدراتاسیون، دما و رطوبت) بستگی دارد.

فرض می‌شود تحت شرایط استاندارد عمل‌آوریASTM ، حجم سیمان هیدراته شده در سنین ۷، ۲۸ و ۳۶۵ روز به ترتیب ۵۰ و ۷۵ و ۱۰۰% و حجم جامد محاسبه شده (سیمان غیر هیدراته به‌علاوه محصولات هیدراتاسیون)، به ترتیب برابر با ۱۵۰، ۱۷۵ و ۲۰۰ سانتی‌متر مکعب است. حجم فضاهای مویینه از اختلاف بین کل فضای در دسترس و کل حجم جامد قابل محاسبه است. این حجم در سنین ۷ و ۲۸ و ۳۶۵ روز از هیدراتاسیون، برابر با ۵۰ و ۴۲ و ۳۳% به دست می‌آید.

در حالت b، درجه هیدراتاسیون ۱۰۰% برای ۴ نوع خمیر، با نسبت‌های آب به سیمان ۰٫۷، ۰٫۶، ۰٫۵، ۰٫۴ فرض می‌شود. برای حجم سیمان داده شده، خمیر حاوی بالاترین مقدار آب، بزرگ‌ترین حجم کل قابل دسترس را دارا است. به هر حال بعد از هیدراتاسیون کامل تمام خمیرها مقدار یکسانی از محصولات هیدراتاسیون را دارا هستند. لذا خمیر دارای بزرگ‌ترین فضای کل، بزرگ‌ترین حجم فضاهای مویینه را خواهد داشت.

۱۰۰ سانتی‌متر مکعب سیمان در هیدراتاسیون کامل، ۲۰۰ سانتی‌متر مکعب محصولات واکنش در هر یک از حالت‌ها خواهد داشت. با این وجود، از آن‌جا که کل فضا در خمیرهای با نسبت آب به سیمان‌های ۰٫۷، ۰٫۶، ۰٫۵، ۰٫۴ به ترتیب برابر با ۳۲۰، ۲۸۸، ۲۵۷، ۲۲۵ سانتی‌متر مکعب بوده است، لذا فضای مویینه محاسبه شده ۳۷، ۳۰، ۲۲ و ۱۱% خواهد شد. بر اساس مفروضات فوق، خمیر با نسبت آب به سیمان ۰٫۳۲ در صورت هیدراتاسیون کامل، تخلخل مویینگی صفر خواهد داشت.

برای ملات‌های با سیمان پرتلند هیدراته شده معمول، تابع نمایی به شکل S = KXبین مقاومت فشاری (S) و نسبت جامد به فضای خالی (X)، که در آن K مقدار ثابت و برابر MPa ۲۳۵ است، برقرار است. بر اساس فرمول پاورز، با فرض درجات هیدراتاسیون مختلف – مثلاً ۲۵، ۵۰، ۷۵، ۱۰۰% – می‌توان تأثیر افزایش نسبت آب به سیمان را روی تخلخل و مقاومت محاسبه نمود.

تأثیر نسبت آب به سیمان و درجه هیدراتاسیون روی مقاومت و تراوایی
تأثیر نسبت آب به سیمان و درجه هیدراتاسیون روی مقاومت و تراوایی

پایداری ابعادی

خمیر هیدراته شده اشباع از نظر تغییر ابعاد پایدار نیست. تا زمانی که خمیر در رطوبت نسبی ۱۰۰% نگهداری شود، عملاً هیچ‌گونه تغییری در ابعاد آن رخ نمی‌دهد. اما به محض قرار گرفتن در محیطی غیر اشباع، شروع به از دست دادن آب و جمع‌شدگی می‌کند.

به محض اینکه رطوبت نسبی از ۱۰۰% پایین‌تر بیاید، آب آزاد موجود در حفرات بزرگ (بزرگ‌تر از ۵۰ نانومتر) به طرف محیط خارج فرار می‌کنند. از آن‌جا که آب آزاد هیچ پیوند فیزیکی یا شیمیایی با ساختمان مواد هیدراته شده ندارد، لذا خروج آن با جمع‌شدگی همراه نیست. از این رو می‌توان نتیجه گرفت خمیر هیدراته اشباع در محیطی با رطوبت نسبی کمی‌ کمتر از ۱۰۰% می‌تواند مقدار قابل ملاحظه‌ای از آب بخار شدنی خود را بدون اینکه جمع‌شدگی در آن رخ دهد، از دست بدهد.

کاهش آب به عنوان تابعی از رطوبت – جمع‌شدگی ملات سیمان به عنوان تابعی از کاهش آب نسبی
کاهش آب به عنوان تابعی از رطوبت – جمع‌شدگی ملات سیمان به عنوان تابعی از کاهش آب نسبی

هنگامی که تقریباً تمامی آب آزاد خارج می‌شود، خشک شدن آب می‌تواند سبب شروع جمع‌شدگی خمیر گردد. این پدیده به دلیل کاهش آب جذب شده سطحی و آب نگه‌داشته شده در فضاهای کوچک به وجود می‌آید. نظر بر این است که آب جذب شده هنگامی که بین دو سطح بخش جامد در فضای باریکی فشرده می‌شود، فشاری منفصل کننده را ایجاد می‌کند که این فشار بر اثر خروج آب جذب شده از میان لایه‌ها کاهش یافته و سبب جمع‌شدگی خمیر می‌گردد.

آب بین لایه‌ای که به عنوان فیلم آب تک مولکولی در بین لایه‌های C – S – H قرار دارد، بر اثر خشک شدگی شدید می‌تواند از سیستم خارج شود. علت این امر تماس نزدیک‌تر آب بین لایه‌ای با سطوح جامد و پر پیچ و خم بودن راه عبور آب از میان شبکه مویینگی است که نیاز به نیروی رانش بزرگ‌تری دارد، چرا که آب در فضاهای مویینه کوچک (۵ تا ۵۰ نانومتر) کشش هیدرواستاتیکی اعمال می‌کند. لذا خروج آن باعث ایجاد تنش فشاری روی جداره‌های جامد حفره شده و در نتیجه، سبب انقباض سیستم می‌گردد.

بایستی اشاره نمود مکانیسم ایجاد جمع‌شدگی ناشی از خشک شدن شبیه مکانیسم خزش خمیر سیمان هیدراته شده است. در حالت خزش، تنش خارجی وارده سبب ایجاد نیروهای رانش برای حرکت آب جذب شده و آب نگه داشته شده در فضاهای کوچک می‌شود. لذا خزش می‌تواند حتی در رطوبت نسبی ۱۰۰% نیز اتفاق بیفتد.

دوام

واژه «دوام مواد» به عمر مفید آنها تحت شرایطی مفروض گفته می‌شود. خمیر سیمان هیدراته شده خاصیت قلیایی دارد، بنابراین محیط اسیدی برای دوام آنها زیانبار است. تحت چنین شرایطی، نفوذناپذیری یا مقاوم در برابر آب بودن، عامل اولیه تعیین دوام مصالح است. نفوذناپذیری خمیر هیدراته شده، مشخصه باارزشی از خواص خمیر است، زیرا نفوذناپذیری بتن به آن وابسته است.

تراوایی مطابق تعریف، آسانی جریان یک مایع از داخل یک جامد است. بنابراین واضح است که اندازه و پیوستگی فضاهای خالی در ساختمان یک جامد، تعیین‌کننده نفوذپذیری آن است. مقاومت و نفوذپذیری خمیر سیمان هیدراته شده، در واقع دو طرف یک سکه هستند، بدین معنی که هر دو وابستگی نزدیکی با تخلخل مویینگی یا نسبت فضاهای خالی به جامد دارند.

از رابطه نمایی تراوایی و تخلخل، می‌توان دریافت که انواع فضاهای خالی می‌توانند در تراوایی مؤثر باشند. با پیشرفت هیدراتاسیون، فضاهای خالی اولیه بین ذرات سیمان به تدریج با محصولات هیدراتاسیون پر می‌شود. نسبت آب به سیمان (فضای مویینه اولیه بین ذرات سیمان) و درجه هیدراتاسیون، تعیین‌کننده تخلخل مویینگی کل است که با کاهش نسبت آب به سیمان و همچنین افزایش درجه هیدراتاسیون کاهش می‌یابد.

مطالعه تخلخل با روش نفوذ جیوه روی خمیرهای سیمان، که با آب به سیمان‌های مختلف در سنین مختلف هیدراته شده‌اند، نشان می‌دهد که کاهش تخلخل مویینگی کل همراه با تقلیل فضاهای خالی بزرگ در خمیر سیمان هیدراته شده است. از یافته‌های به دست آمده چنین آشکار می‌شود که وقتی حجم فضاهای مویینه نسبی از ۰٫۴ به ۰٫۳ کاهش می‌یابد، ضریب تراوایی به صورت نمایی کم می‌شود. این محدوده از تخلخل مویینگی مربوط به حالتی است که هم حجم و هم اندازه فضاهای خالی مویینه در خمیر سیمان به حدی کاهش یافته‌اند که ارتباط بین آنها مشکل گردیده است.

در نتیجه، تراوایی خمیر سیمان هیدراته شده ممکن است به میزان ۱۰۶ برابر از خمیر تازه سیمان کمتر باشد. پاورز نشان می‌دهد حتی خمیر سیمان با نسبت آب به سیمان ۰٫۶ بر اثر هیدراتاسیون کامل می‌تواند چنان نفوذناپذیر گردد که به تراکم سنگ‌هایی همچون بازالت و مرمر برسد.

توزیع تخلخل مربوط به فضاهای کوچک در خمیر سیمان، با نسبت‌های آب به سیمان مختلف
توزیع تخلخل مربوط به فضاهای کوچک در خمیر سیمان، با نسبت‌های آب به سیمان مختلف

باید متذکر شد که تخلخل خمیر ناشی از فضاهای بین لایه‌ایC – S – H و سوراخ‌های ریز مویینگی در تراوایی خمیر هیدراته شده شرکت ندارد. در مقابل با افزایش درجه هیدراتاسیون، گرچه به علت فضای بین لایه‌ای C – S – H فضاهای ریز، حجم فضاهای خالی به میزان زیادی افزایش می‌یابد، اما تراوایی به میزان زیادی کاهش پیدا می‌کند.

در خمیر سیمان هیدراته شده، رابطه مستقیمی بین تراوایی و حجم سوراخ‌ها و فضاهای بزرگ‌تر از ۱۰۰ نانومتر به دست آمده است. این امر می‌تواند احتمالاً به این علت باشد که یک سیستم فضاهای خالی، عمدتاً از حفره‌های ریز تشکیل می‌شود و ارتباط و پیوستگی این حفره‌ها هم به تدریج کم می‌شود.

ناحیه انتقال در بتن

 اهمیت ناحیه انتقال

آیا هرگز به این موضوع فکر کرده‌اید که چرا:

  1. بتن در کشش شکننده و در فشار نسبتاً مقاوم است؟
  2. اجزای بتن زمانی که جداگانه آزمایش می‌شوند، در فشار تک محوری تا مرحله شکست، ارتجاعی باقی می‌مانند، در صورتی که خود بتن رفتاری غیر ارتجاعی دارد؟
  3. مقاومت فشاری بتن حدود ۱۰ برابر مقاومت کششی آن است؟
  4. با مقادیر مشخص سیمان و نسبت آب به سیمان و سن هیدراتاسیون، ملات سیمان همواره قوی‌تر از بتن آن است؟ همچنین مقاومت بتن با افزایش اندازه سنگدانه‌های درشت کاهش می‌یابد؟
  5. تراوایی بتن دارای سنگدانه‌های بسیار متراکم، به مراتب بیشتر از تراوایی ملات سیمان نظیر آن است؟
  6. در مجاورت آتش، مدول ارتجاعی بتن بسیار سریع‌تر از مقاومت فشاری آن کاهش می‌یابد؟

پاسخ به سؤالات فوق و بسیاری از سؤالات دیگر در خصوص خواص بتن، به ناحیه انتقال یا منطقه گذرای بتن، یعنی ناحیه بین خمیر سیمان و سنگدانه‌های درشت بازمی‌گردد. اگرچه این ناحیه ترکیباتی شبیه خمیر سیمان هیدراته شده دارد، لیکن ساختار و خواص ناحیه انتقال با خواص توده خمیر متفاوت است. بنابراین بهتر است این ناحیه، به عنوان فاز جداگانه‌ای از ساختار بتن مورد مطالعه قرار گیرد.

بیشتر بخوانید: اثر ۴ جزء تشکیل‌دهنده بتن بر کارایی بتن

ساختار ناحیه انتقال (منطقه گذرا – ITZ)

به علت مشکلات انجام آزمایش‌ها، اطلاعات در خصوص ناحیه انتقال بتن نسبتاً کم است. به هر حال بر اساس توصیف عنوان شده توسط مازو (Maso)، مفاهیم مشخصات ساختاری این ناحیه را می‌توان با مطالعه توالی تغییرات آن از زمانی که بتن ریخته می‌شود، به دست آورد.

ابتدا پس از تراکم بتن تازه، فیلم نازکی از آب اطراف سنگدانه‌های درشت تشکیل می‌شود. این مسأله می‌تواند به علت بالا بودن نسبت آب به سیمان در مجاورت سنگدانه‌های درشت در مقایسه با سایر قسمت‌های خمیر باشد. سپس در قسمت توده‌ای خمیر، یون‌های کلسیم، هیدروکسیل و آلومینات که از حل سولفات کلسیم و آلومینات کلسیم به دست آمده‌اند، با یکدیگر ترکیب شده و اترینگایت و هیدروکسید کلسیم تولید می‌نمایند.

به علت زیاد بودن نسبت آب به سیمان در مجاورت سنگدانه‌های درشت، این بلورها در این محل اغلب شامل بلورهای درشت بوده و لذا ساختاری متخلخل تر از بلورهای سیمان یا ملات دارند. هیدروکسید کلسیم صفحه‌ای شکل به صورت بلورهای در جهتی تقریباً عمود بر سطح سنگدانه در این ناحیه قرار می‌گیرد.

بالاخره با پیشرفت هیدراتاسیون C –S – H کمتر بلورین و نسل دومی ‌از بلورهای کوچک اترینگایت و هیدروکسید کلسیم، شروع به پر نمودن فضای موجود بین شبکه ایجاد شده توسط بلورهای بزرگ اترینگایت و هیدروکسید کلسیم می‌کنند. این امر به متراکم شدن و مقاومت ناحیه انتقال کمک می‌نماید.

نمایش شماتیک ناحیه انتقال و بخش توده‌ای خمیر سیمان در بتن
نمایش شماتیک ناحیه انتقال و بخش توده‌ای خمیر سیمان در بتن

مقاومت ناحیه انتقال

همانند خمیر سیمان هیدراته شده، علت چسبندگی مواد حاصل از هیدراتاسیون و ذرات سنگدانه‌ها نیز نیروهای جاذبه واندروالسی است. لذا مقاومت ناحیه انتقال در هر نقطه به حجم و اندازه فضاهای موجود در آن وابسته است؛ حتی در بتن با نسبت کم آب به سیمان، در اوایل هیدراتاسیون و سنین کم، حجم و اندازه فضاهای خالی در ناحیه انتقال بزرگ‌تر از موارد مشابه در ملات است و در نتیجه، مقاومت ضعیف‌تری در این ناحیه مشاهده می‌شود.

در هر حال با افزایش سن بتن، ممکن است مقاومت ناحیه انتقال برابر یا حتی بیشتر از مقاومت قسمت توده ملات شود. این مسأله ممکن است به علت کریستاله شدن محصولات جدید در فضاهای خالی ناحیه انتقال تحت واکنش‌های شیمیایی میان خمیر، سیمان و سنگدانه باشد که می‌تواند منجر به تشکیل سیلیکات کلسیم هیدراته شده در صورت وجود سنگدانه‌های سیلیسی یا تشکیل کربو آلومینات هیدراته شده در صورت وجود سنگ آهک شود.

این ترکیبات نه تنها سبب افزایش مقاومت می‌شود، بلکه میزان هیدروکسید کلسیم در ناحیه انتقال را نیز کم می‌کند. بلورهای بزرگ هیدروکسید کلسیم، ظرفیت چسبندگی کمتری دارند که این موضوع، نه تنها به علت سطح جانبی کمتر و در نتیجه نیروهای واندروالسی ضعیف‌تر است، بلکه به دلیل ساختار جهت‌دار آنها، به صورت نواحی مستعد شکافت رفتار می‌کند.

تأثیر سن روی مقاومت پیوستگی ناحیه انتقال و مقاومت خمیر سیمان
تأثیر سن روی مقاومت پیوستگی ناحیه انتقال و مقاومت خمیر سیمان

علاوه بر وجود فضاهای مویینه بزرگ و بلورهای هیدروکسید کلسیم جهت‌دار در ناحیه انتقال، عامل اصلی مقاومت کم این ناحیه، وجود ترک‌های ریز است. میزان ترک‌های ریز به اندازه و دانه‌بندی سنگدانه‌ها، مقدار سیمان، نسبت آب به سیمان، درجه تراکم بتن تازه، شرایط عمل‌آوری، رطوبت نسبی محیط و تاریخچه حرارتی بتن وابسته است؛ به عنوان مثال یک مخلوط بتنی با دانه‌بندی نامناسب، تمایل به جدایی ذرات در هنگام تراکم داشته و در نتیجه، فیلم ضخیمی از آب در اطراف دانه‌های درشت و بخصوص زیر آن تشکیل می‌شود.

تحت شرایط یکسان، اندازه بزرگ‌تر سنگدانه سبب ضخیم‌تر شدن فیلم آب می‌گردد. در چنین شرایطی ناحیه انتقال تشکیل شده، حساسیت زیادی نسبت به ترک‌های تحت تنش‌های کششی به وجود آمده از تغییر مکان‌های نسبی میان سنگدانه و خمیر سیمان پیدا می‌کند.

چنین تغییر مکان‌هایی، اغلب از خشک یا سرد شدن بتن ناشی می‌شود. به عبارت دیگر، بتن حتی قبل از اینکه تحت بار قرار گیرد، ترک‌های ریزی در ناحیه انتقال خواهد داشت. بدیهی است بر اثر بارهای ضربه‌ای کوتاه‌مدت، جمع‌شدگی ناشی از خشک شدن و بارهای ثابت در تنش‌های بالا، اندازه و تعداد ترک‌های ریز افزایش خواهد یافت.

ترک‌های نقشه‌ای متداول بتن با مقاومت متوسط
ترک‌های نقشه‌ای متداول بتن با مقاومت متوسط

تأثیر ناحیه انتقال روی خواص بتن

ناحیه انتقال که در حقیقت ضعیف‌ترین حلقه در زنجیره بتن است، عامل محدودکننده مقاومت بتن می‌باشد. به همین دلیل، بر اثر وجود ناحیه انتقال، بتن تحت تنشی شکسته می‌شود که این تنش، به مراتب کمتر از مقاومت هر یک از دو جزء تشکیل‌دهنده آن است. از آن‌جا که برای گسترش ترک‌های موجود در ناحیه انتقال، مقدار انرژی زیادی مورد نیاز نیست و حتی در ۴۰ تا ۷۰% مقاومت نهایی این کار عملی است، لذا مقدار کرنش افزایشی زیادی برای واحد تنش اعمال شده به دست می‌آید.

بر اساس مطلب بالا، این پدیده توجیه می‌شود که اجزای بتن (سنگدانه، خمیر سیمان یا ملات) معمولاً تا حد گسیختگی، رفتاری ارتجاعی در آزمایش فشار تک محوری دارند، ولی بتن خود رفتاری غیر ارتجاعی را نشان می‌دهد. در مقادیر تنش بیش از ۷۰% مقاومت نهایی، تمرکز تنش در حفرات بزرگ ملات به اندازه‌ای بزرگ می‌شوند که ترک‌هایی جدید را ایجاد می‌کنند. با افزایش تنش، ترک‌های داخل خمیر گسترش یافته و به ترک‌های ایجاد شده در ناحیه انتقال می‌پیوندند.

آن‌گاه سیستم ترک‌خوردگی، پیوسته شده و ماده شکست می‌خورد. انرژی قابل ملاحظه‌ای برای گسترش ترک‌های داخل خمیر تحت بار فشاری لازم است. از سوی دیگر تحت بارهای کششی، گسترش ترک‌ها سریع‌تر و تحت تنشی بسیار پایین‌تر صورت می‌پذیرد. به همین دلیل، بتن در حالت شکنندگی تحت بارهای کششی گسیخته می‌شود، در حالی که تحت فشار طاقت بیشتری دارد.

عمل آوری بتن

کیورینگ بتن فینیش FINISH

عمل‌آوری بتن در هوای گرم

ساختار ناحیه انتقال، بخصوص حجم حفرات و ترک‌های ریز موجود در آن، تأثیر عمده‌ای بر سختی و مدول ارتجاعی بتن دارند. در یک ماده مرکب، ناحیه انتقال همچون پلی بین دو جزء، یعنی بخش خمیر ملات و دانه‌های درشت عمل می‌کند. حتی اگر هر جزء دارای سختی بالایی باشد، سختی ماده مرکب ممکن است به علت وجود پل‌های شکسته (حفرات و ترک‌های ریز در ناحیه انتقال) که تنش را انتقال نمی‌دهد، پایین باشد.

به علت وجود ترک‌های ریز در بتن، اگر بتن در معرض آتش قرار گیرد، مدول ارتجاعی آن سریع‌تر از مقاومت فشاری‌اش کاهش می‌یابد. مشخصه‌های ناحیه انتقال در دوام بتن نیز مؤثرند. اعضای بتن مسلح و پیش تنیده اغلب به علت خوردگی و زنگ آرماتور گسیخته می‌شوند.

میزان پیشرفت خوردگی، به تراوایی بتن وابسته است. وجود ترک‌های ریز در ناحیه انتقال در فصل مشترک فولاد و دانه‌های درشت، دلیل اولیه نفوذپذیرتر بودن بتن از ملات یا خمیر است. بایستی توجه داشت که برای خوردگی فولاد در بتن، هوا و آب نیز دو عامل مورد نیاز هستند.

تأثیر نسبت آب به سیمان بر تراوایی و مقاومت بتن، به ارتباط موجود بین نسبت آب به سیمان و تخلخل خمیر هیدراته شده بتن نسبت داده می‌شود. مطالب عنوان شده قبلی در مورد تأثیر ساختار و خواص ناحیه انتقال روی بتن خاطر نشان می‌سازد که بهتر است به تأثیر نسبت آب به سیمان روی کل بتن نیز اندیشید.

دلیل این امر آن است که بسته به مشخصات سنگدانه‌ها، نظیر حداکثر اندازه و دانه‌بندی آنها، ممکن است تفاوت عمده‌ای میان نسبت آب به سیمان خمیر ملات و ناحیه انتقال وجود داشته باشد باشد. به طور کلی تحت شرایط یکسان، هر چه سنگدانه بزرگ‌تر باشد و نسبت آب به سیمان موضعی در ناحیه انتقال بیشتر باشد، بتن ضعیف‌تر و نفوذپذیرتر خواهد بود. در این مقاله از بلاگ رامکا، اهمیت ساختار بتن مورد بررسی قرار گرفت و ضمن آن، پیچیدگی‌های ساختار و ساختار مواد تشکیل‌دهنده بتن نیز تبیین شد. امیدواریم توانسته باشیم اطلاعات مفیدی در این زمینه در اختیار شما بگذاریم.

ابر روان کننده بتن

ابر روان کننده بتن نئون NEON

کاهنده قوی آب و روان کننده بتن در مدت بسیار کوتاه

ابر روان کننده بتن

ابر روان کننده بتن آرگون ARGON

مناسب برای تولید بتن در کارخانه‌ها و پروژه‌ها

رزین سنگ مصنوعی

رزین سنگ مصنوعی جیپیکس GIPIX

مناسب برای تولید محصولات گچی و بتنی با حفظ کارایی طولانی مدت

رزین سنگ مصنوعی

رزین سنگ مصنوعی یونیکس UNIX

افزایش زمان حالت خمیری و کارایی ملات سنگ مصنوعی

فوق روان کننده بتن

فوق روان کننده بتن دراگون DRAGON

افزایش روانی و مقاومت بتن در هوای گرم

فوق روان کننده بتن

فوق روان کننده بتن پایتون PYTHON

افزایش روانی بتن در محل بتن‌ریزی، ویژه لوله پمپاژ طولانی

ابر روان کننده بتن

ابر روان کننده بتن کوانتوم QUANTUM

کاهنده آب بسیار پر قدرت، ویژه آب به سیمان بسیار پایین

ابر روان کننده بتن

ابر روان کننده بتن زنون XENON

ویژه تولید بتن در بچینگ در فصل زمستان، با حفظ اسلامپ مناسب

ضد یخ بتن

ضد یخ ملات مایع آلپاین ALPINE

زودگیر کننده‌ ملات، دارای کلر

حباب هوا ساز بتن

حباب هوا ساز بتن هیرو HERO

افزایش کارایی و دوام در برابر سیکل ذوب و یخبندان

رزین سنگ مصنوعی

رزین سنگ مصنوعی رزیکس RESIX

افزایش آب‌بندی و مقاومت فشاری و خمشی موزاییک پلیمری

ضد یخ بتن

ضد یخ بتن مایع اسکیمو ESKIMO

زودگیر بتن بدون کلر

5 دیدگاه برای “ساختار بتن: تمام آنچه درباره اجزا، مشخصات و ساختار بتن باید بدانید!

  1. اشتراک‌ها: 9 تاثیر میکروسیلیس در بتن : تاثیر شگفت انگیز پودر میکروسیلیس بر بتن

    • پشتیبان سایت گفته:

      سنگدانه‌ها مدل‌های مختلفی دارند و بر حسب عناوین زیر دسته‌های مختلفی را تشکیل می‌دهند؛
      از لحاظ شکستگی و درصد شکستگی
      کوهی بودن و رودخانه‌ای بودن
      کانی شناسی
      میزان مقاومت سایشی، فشاری و مدول ارتجاعی و…
      اما عمده سنگدانه‌های موجود در بازار، سنگدانه‌های رودخانه‌ای و کوهی است و سنگدانه‌هایی که از کانی‌های مختلف (گرانیت، سیلیس و…) تشکیل شده‌اند.

دیدگاهتان را بنویسید

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

چت واتساپ | مشاوره و خرید افزودنی بتن
مکالمه را شروع کنید
سلام! برای چت در WhatsApp پرسنل پشتیبانی که میخواهید با او صحبت کنید را انتخاب کنید