سیکل ذوب و یخ بتن چیست و چه تاثیری بر دوام بتن دارد؟

زمستان برای ساختمان‌ها، جاده‌ها، پل‌ها و سایر سازه‌های بتنی، فصل شروع سیکل ذوب و یخ بتن است. شاید تصور کنید این چرخه تنها در شرایط آب و هوایی بسیار سرد آسیب جدی وارد می‌کند، اما باید بدانید چنین تفکری اشتباه است. از این رو لازم است در هر منطقه‌ آب و هوایی که هستید، از خسارات ناشی از آن جلوگیری کنید. در این مقاله از بلاگ رامکا همراه ما باشید تا ضمن بررسی همه‌جانبه این چرخه، راه‌های جلوگیری از آسیب‌های جبران‌ناپذیر آن را نیز بیان کنیم.

عوامل طبیعی ایجاد سیکل ذوب و یخ بتن

سیکل ذوب و یخبندان توسط ۲ عامل طبیعی کنترل می‌شود. آب اولین و مهم‌ترین عامل ایجاد آسیب‌های ناشی از این چرخه در طبیعت است. نفوذ مکرر آب در درز و شکاف‌های طبیعی سنگ‌ها و چرخه مکرر ذوب و انجماد آن در شیارها و ترک‌های موجود در سنگ، باعث ترک‌خوردگی و فرسایش‌ عظیم کوه‌ها در دراز مدت می‌شود.

اما عامل مهم دیگری که در فرسایش نقش بسیار مؤثری دارد، نور مستقیم خورشید، بخصوص در مناطق گرم و خشک است. لایه سطحی سنگ در تماس با نور مستقیم خورشید، در طول شبانه‌روز به طور مدام تحت سیکل ذوب و یخبندان قرار دارد. به بیان دیگر این لایه مکرراً در حال انبساط و انقباض است. همین امر باعث شده پس از گذشت مدت زمانی، ترک‌هایی در سطح سنگ ایجاد شود.

زمانی که سنگ‌های طبیعی این‌چنین در معرض عوامل طبیعی، تحت فرسایش قرار گرفته و پس از مدتی فرسوده می‌شوند، چطور انتظار دارید سازه بتنی ساخته شده توسط بشر با این مشکل روبه‌رو نباشد؟ حال آنکه بتن ماده‌ای خشک و سخت است و به راحتی تحت‌تأثیر چرخه‌های ذوب و یخبندان آب یا انبساط و انقباض ناشی از تغییرات دمای روز و شب قرار می‌گیرد و بسته به موقعیت جغرافیایی شهرها و محل قرارگیری سازه، تأثیر یکی از عوامل طبیعی آب یا گرما بیشتر خواهد بود.

دلیل ایجاد سیکل ذوب و یخ در بتن

این سؤال بسیاری است که چرا باید بتن دچار سیکل ذوب و یخ شود؟ باید بگوییم پدیده یخ‌زدگی زمانی رخ می‌دهد که بتن با آب اشباع شود و همزمان دمای محیط کاهش یابد. در این وضعیت، مولکول‌های آب درون بتن منجمد می‌شوند.

از آن‌جا که آب یخ‌زده نسبت به حجم اولیه خود ۹% منبسط می‌شود، با یخ‌زدن آب موجود در بتن مرطوب (اشباع) فشار فراوانی به دیواره‌های منافذ بتن ایجاد می‌شود. حال اگر مقدار فشار ایجاد شده از انبساط بیش از مقاومت کششی بتن باشد، حفره دچار ترک‌های ریز شده تا فضای خود را افزایش دهد و این آغاز مشکل برای سازه بتنی است.

زمانی که ماه‌های گرم فرا می‌رسد، مولکول‌های آب شروع به ذوب شدن می‌کنند، در حالی که شکاف‌های ریزی در لایه سطحی ساختار بتن ایجاد می‌شود. در زمستان بعد، بار دیگر حفره‌ها و شکاف‌های کوچک با آب پر شده و دما کاهش می‌یابد. بدین‌ترتیب، مجدداً مولکول‌های آب منبسط می‌شوند، ولی این بار فضای بیشتری را از آنِ خود کرده‌ و باعث گسترش بیشتر شکاف‌ها می‌گردند.

تکرار مکرر این چرخه باعث می‌شود شکاف‌های ریز در طول زمان بزرگ و بزرگ‌تر شود. بنابراین اگر در مرحله طرح اختلاط و عمل‌ آوری بتن به این مسأله دقت نشود، مشکلات حاصل از چرخه ذوب و انجماد برای همیشه آسیب‌های جبران‌ناپذیری به سازه وارد می‌کند.

چه زمانی یخ‌زدگی باعث آسیب‌دیدگی بتن می‌شود؟

چرخه یخ‌زدگی و ذوب زمانی در بتن تأثیر می‌گذارد که بتن به شدت توسط آب اشباع شود؛ برای مثال زمانی که نفوذپذیری بتن آن‌قدر زیاد است که بیش از ۹۰% منافذ بتن با آب پر شود. از آن‌جا که آب یخ‌زده ۹% افزایش حجم بیشتر نسبت به آب مایع دارد، ریزترک‌های بسیاری ایجاد می‌شود. با توجه به اینکه این آسیب ناشی از اولین چرخه یخ‌زدگی و آب شدن است، با قرارگیری مداوم در فصول زمستان و تکرار پیوسته، سطح بتن به مرور از بین می‌رود.

به طور خلاصه، پدیده ذوب و یخبندان زمانی باعث آسیب‌دیدگی سازه می‌شود که طی تکرار این چرخه، آب بیشتری به داخل بتن نفوذ کند. در این شرایط با گسترش ترک‌های ریز، به مرور ترک‌های بزرگ‌تر ایجاد شده و در نهایت، آسیب‌های جبران‌ناپذیر به سازه وارد می‌شود. بنابراین حفاظت از سازه با مواد افزودنی مناسب و عمل‌آوری درست می‌تواند از بروز چنین خسارتی جلوگیری کند.

بیشتر بخوانید: آزمایش ذوب ویخبندان بتن

روش‌های شناسایی آسیب‌های ناشی از سیکل‌های ذوب و یخ در بتن

تشخیص اثرات این پدیده به دلیل شباهت‌هایی که با پدیده‌های دیگر دارد، کمی پیچیده است؛ برای مثال اثرات ناشی از پدیده ASR تقریباً مشابه آسیب‌های ناشی از چرخه‌های ذوب و یخبندان است، اما اگر بتوانید تأثیرات بقیه پدیده‌ها را کنار بگذارید، نشانه‌هایی که می‌توان از روی آن به عملکرد این چرخه در بتن پی برد، به شرح ذیل خواهد بود:

• پدیده پوسته پوسته شدن سطح بتن (Spalling and scaling)
• ایجاد ترک‌ها موازی در سطح بتن
• جداشدگی‌های قابل مشاهده با چشم غیرمسلح از سطح بتن
• نمایش بافت سنگدانه‌ها
• شکاف در اطراف سنگدانه

راه‌های جلوگیری از سیکل ذوب و یخ در بتن

بهترین و مهم‌ترین راهکار برای جلوگیری از سیکل ذوب و یخ، استفاده از عنصر هوا است. همان‌طور که گفته شد وجود منافذ موجود در بتن، امکان نفوذ آب را به سازه و افزایش ۹% حجم آب در اثر یخ‌زدن را فراهم می‌کند. بنابراین اگر حباب هوا را در بتن از طریق مواد افزودنی وارد کنیم، مقدار آسیب و ترک‌های سطح بتن به حداقل می‌رسد.

انواع حباب هوای موجود در بتن

در بتن دو نوع حباب هوا داریم؛ یکی حباب هوای به دام افتاده (Entrapped air) که از خارج وارد بتن شده و دیگری حباب هوای مفید بتن (Entrained air) که درون خود بتن وجود دارند. در ادامه به شرح هر یک از این موارد به صورت مفصل پرداخته و تأثیرات آن را بر مقاومت بتن بیان می‌کنیم.

حباب هوای وارد شده (Entrapped air)

حباب هوای وارد شده یا هوای محبوس شده، در فرآیند اختلاط به صورت طبیعی در بتن ایجاد می‌شود. این سری حباب هواها، تقریباً ۱٫۵% حجم کل بتن را به خود اختصاص می‌دهند. این حباب‌ها با چشم غیرمسلح در بتن دیده می‌شوند، شکل نامنظمی در سراسر بتن دارند و فاقد پخش‌شدگی منظم هستند. این حباب‌ها به دلیل شکل، اندازه بزرگ و وضعیت پخش‌شدگی به محافظت از بتن در برابر آسیب ناشی از چرخه ذوب و یخ کمکی نمی‌کنند.

حباب هوای موجود در بتن (Entrained air)

برخلاف ذرات حباب هوای وارد شده به بتن، ذرات حباب هوای موجود در بتن در تعداد بی‌شمار، به شکل کروی و میکروسکوپی هستند. این ذرات در کل بتن پخش شده‌اند و تقریباً با فاصله ۰٫۲۵ میلی‌متر نسبت به یکدیگر قرار گرفته‌اند. این ذرات بسته به نوع بتن ساخته شده، تقریباً ۴ تا ۶% از حجم بتن را به خود اختصاص می‌دهند.

ساختار و نوع پخش‌شدگی این ذرات، آن چیزی است که در مقابل چرخه‌های ذوب و یخبندان از بتن محافظت می‌کند. بنابراین لازم است برای محافظت از بتن در برابر آسیب‌دیدگی با استفاده از افزودنی حباب هوا ساز بتن مناسب، میزان حباب هوای بیشتری را میان ذرات خمیر سیمان وکیوم کنید.

همان‌طور که در شکل بالا می‌بینید، ذرات حباب هوایی که در این دسته قرار دارند به دلیل یکنواختی، فراوانی و شکل کروی، نوعی هوای مفید برای بتن به شمار می‌روند. بنابراین افزودنی‌های حباب هواسازی که به تشکیل بیشتر این نوع از حباب‌های هوا در بتن کمک می‌کنند، باعث افزایش طول عمر سازه‌های بتنی می‌شوند.

حباب هواساز رامکا

افزودنی‌های حباب هوا ساز بتن متفاوتی در بازار وجود دارند که هر یک دارای خواص شیمیایی و فیزیکی مختلفی هستند. در این میان، شرکت رامکا با فرمولاسیونی ویژه افزودنی منحصر به فردی در قالب حباب هوا ساز هیرو وارد بازار رقابت کرده است.

این افزودنی با سایر افزودنی‌ها و مواد موجود در بتن سازگار بوده و به صورت انفرادی یا ترکیبی می‌تواند با سایر مواد استفاده شود. استفاده از ۰٫۱ تا ۰٫۵% از وزن سیمان این ماده، باعث تولید حباب‌های هوای عمدی با قطر ۰٫۳ تا ۱ میلی‌متر در بتن شما شده و به این ترتیب، دوام سازه‌ی بتن در مقابل سیکل آسیب‌رسان ذوب و یخبندان تضمین می‌شود.

مهم‌ترین دلایل استفاده از افزودنی حباب هواساز بتن

استفاده از افزودنی‌های حباب هواساز بتن، باعث کاهش هزینه‌های تعمیر و نگهداری ترک‌های ناشی از چرخه‌های ذوب و یخبندان بتن می‌شوند و مهم‌تر از آن، عمر کلی سازه را افزایش می‌دهند. علاوه بر آنچه گفته شد، استفاده از این افزودنی به ۳ دلیل دیگر نیز حائز اهمیت است:

ایجاد بتنی مقاوم در برابر یخ‌زدگی

اولین و مهم‌ترین دلیلی که از این افزودنی در بتن استفاده می‌شود، افزایش مقاومت بتن در برابر چرخه ذوب و یخ است. به عبارت دیگر این افزودنی بتن، مقاومت بتن را در برابر اثرات ناشی از یخ‌زدگی و ذوب مکرر آب در مناطق سردسیر افزایش می‌دهد. از سوی دیگر، استفاده از این افزودنی ارزشمند به مهندسین حوزه ساختمان این امکان را می‌دهد تا زمان ساخت بتن در مناطق گرمسیری، تنش سطوح بتنی را با واریانس حرارتی شدید به حداقل برسانند.

جلوگیری از آب انداختگی و جداشدگی بافت بتن

حباب‌های هوا از آب‌انداختگی بتن جلوگیری می‌کنند. بنابراین استفاده از این افزودنی باعث توزیع مناسب آب در داخل بتن شده و از حرکت سریع آب به سمت سطح بتن جلوگیری می‌کند. به این ترتیب به سازه بتنی این امکان را می‌دهد تا آب لازم جهت کیورینگ درست و مناسب را در طول دوره‌‌ی عمل‌آوری داشته باشد. پس به جرأت می‌توان گفت استفاده از این افزودنی برای افزایش عمر سازه ضروری است.

کاهش نسبت آب به سیمان

عامل حباب هواساز بتن، نسبت آب به سیمان را کاهش می‌دهد. هر چه مقدار آب بتن بالاتر و نسبت آب به سیمان در آن بیشتر باشد، به همان نسبت مقاومت بتن کاهش می‌یابد. بنابراین کاهش نسبت آب به سیمان باعث افزایش دوام سازه در برابر کلیه آسیب‌های ناشی از عوامل مختلف به سازه بتنی خواهد شد.

همان‌طور که گفته شد، سیکل‌های ذوب و یخبندان از جمله چرخه‌های مکرر و بسیار گسترده‌ای هستند که هیچ سازه‌ی بتنی از تأثیرات آن در امان نیست. از سوی دیگر آسیب‌های ناشی از این سیکل‌ها، آسیب‌های مختصر و کوچکی نیستند که در بازه زمانی خاصی با آن‌ها روبه‌رو بوده باشید.

بنابراین ترمیم‌های مختصر و کوچک نمی‌تواند از این آسیب‌ها جلوگیری کند. پس باید از همان زمان ساخت سازه به فکر راه‌حلی باشید تا از وقوع چنین آسیب‌دیدگی‌هایی جلوگیری کرده یا آن را به حداقل برسانید.

 در این مقاله سعی شد به بررسی تأثیرات گسترده چرخه‌های ذوب و یخ و راهکار‌ها و محصولات مناسب برای مقابله با آسیب‌های این چرخه پرداخته شود. لطفاً با ارائه نظرات خود، ما را در بهبود کیفیت این مقاله یاری رسانید.

منبع +