جمع شدگی در بتن یکی از چالش های مهم و پنهانی در فرآیند ساخت وساز است که اغلب در مرحله خشک شدن بتن بروز می کند و در صورت بی توجهی می تواند به آسیب های جدی در سازه منجر شود. این پدیده که با اصطلاحاتی همچون افت، انقباض، آب رفتگی یا کاهش حجم بتن نیز شناخته می شود، به کاهش حجم بتن در اثر خروج آب از خمیر سیمان اشاره دارد. در حین واکنش های شیمیایی هیدراتاسیون بین سیمان و آب، که به شدت گرمازا هستند، بتن دچار افزایش دمای داخلی می شود. این افزایش دما موجب ایجاد شیب حرارتی بین لایه های داخلی و سطحی بتن می گردد که در نهایت با سرد شدن تدریجی، تنش های داخلی به وجود آمده و به ترک خوردگی بتن منتهی می شود.
از نظر فنی، جمع شدگی ممکن است در اشکال مختلفی ظاهر شود؛ از جمله جمع شدگی پلاستیک، جمع شدگی خشک شدگی و جمع شدگی ناشی از کربناته شدن. این تغییرات حجمی به ویژه در بتن های حجیم، دال های کف، نماها و سازه های مسطح رایج تر هستند و در صورت عدم کنترل، می توانند منجر به کاهش دوام، ضعف در آب بندی و کاهش عمر مفید سازه شوند. برای مقابله با این پدیده، استفاده از طرح اختلاط بهینه، کاهش نسبت آب به سیمان، بهره گیری از افزودنی های کاهنده آب و عمل آوری صحیح بتن، از جمله اقدامات کلیدی به شمار می روند.
جمع شدگی در بتن چیست و چه عوارضی به دنبال دارد؟
جمع شدگی در بتن (Shrinkage in Concrete) یکی از پدیده های مهم و تأثیرگذار در فرآیند خشک شدن بتن است که می تواند به طور مستقیم بر دوام، یکنواختی و عملکرد سازه های بتنی تأثیر بگذارد. این پدیده، که عمدتاً به دلیل خروج رطوبت از بتن و واکنش های هیدراتاسیون سیمان به وجود می آید، اغلب در سنین اولیه بتن ریزی اتفاق می افتد و در صورت کنترل نشدن، می تواند منجر به ترک های سطحی یا حتی ترک های عمقی و سازه ای شود.
در طول فرآیند بتن ریزی، کنترل دما، رطوبت و زمان خشک شدن نقش کلیدی در جلوگیری از جمع شدگی دارد. واکنش های شیمیایی گرمازای سیمان (هیدراتاسیون) باعث افزایش دمای داخلی بتن می شوند. با گذشت زمان و سرد شدن تدریجی بتن، اختلاف دمایی به وجود آمده موجب ایجاد تنش های حرارتی در درون بتن می شود. این تنش ها در کنار کاهش رطوبت، می توانند زمینه ساز بروز جمع شدگی، خزش (Creep) و نهایتاً تغییر شکل یا ترک خوردگی در ساختار بتن گردند.
از منظر فنی، جمع شدگی در بتن نه تنها یک واکنش فیزیکی ساده نیست، بلکه به مجموعه ای از عوامل مرتبط با طرح اختلاط، نوع مصالح، نسبت آب به سیمان، شرایط محیطی و نحوه ی عمل آوری وابسته است. اهمیت این پدیده در آن است که تغییر حجم ناشی از آن ممکن است بدون بروز علائم ظاهری، به کاهش دوام و پایداری سازه در بلندمدت منجر شود.
انواع جمع شدگی در بتن
جمع شدگی بتن به چند نوع اصلی تقسیم می شود که هرکدام منشأ متفاوتی دارند و در شرایط خاصی بروز می کنند:
۱. جمع شدگی خودگیر یا افت خودگیری (Autogenous Shrinkage)
این نوع جمع شدگی به دلیل هیدراتاسیون داخلی سیمان و بدون خروج آب از سطح بتن رخ می دهد. بیشتر در بتن های با نسبت آب به سیمان پایین یا بتن های پرمقاومت (HPC) مشاهده می شود. میزان آن معمولاً کم است، اما در بتن های خاص اهمیت زیادی دارد.
۲. جمع شدگی خشک شدگی یا افت خشک شدگی (Drying Shrinkage)
شایع ترین نوع جمع شدگی است که بر اثر تبخیر آب از سطح بتن در تماس با هوای خشک یا گرم رخ می دهد. در بتن هایی که با سنگدانه های ریزتر یا خمیر سیمان ضعیف تر تولید شده اند، این نوع جمع شدگی شدیدتر ظاهر می شود. عمل آوری مناسب، به ویژه در روزهای ابتدایی، نقش مهمی در جلوگیری از آن دارد.
۳. جمع شدگی پلاستیک یا افت پلاستیک (Plastic Shrinkage)
در مراحل اولیه پس از بتن ریزی و زمانی که بتن هنوز در حالت پلاستیک است، در اثر تبخیر سریع سطحی آب، ترک های سطحی در بتن ایجاد می شوند. نسبت بالای آب به سیمان، هوای گرم، وزش باد یا رطوبت پایین محیط، از عوامل تشدیدکننده این نوع جمع شدگی هستند.
۴. جمع شدگی کربناسیون یا افت کربناسیون (Carbonation Shrinkage)
در اثر تماس بتن با دی اکسید کربن موجود در هوا و واکنش آن با هیدروکسید کلسیم حاصل از هیدراتاسیون، کربنات کلسیم ایجاد می شود. این واکنش باعث تغییرات شیمیایی در خمیر سیمان شده و کاهش قلیائیت و افزایش احتمال خوردگی میلگردها را در پی دارد. این نوع جمع شدگی در سازه هایی که در معرض هوای آزاد و رطوبت نسبی خاص قرار دارند بیشتر دیده می شود.
عوارض و پیامدهای جمع شدگی بتن
عدم کنترل مناسب جمع شدگی در بتن می تواند نتایج مخربی به دنبال داشته باشد:
ایجاد ترک های سطحی و سازه ای
کاهش مقاومت در برابر نفوذ آب، یون کلرید و سولفات ها
افزایش احتمال خوردگی میلگردها
افت عملکرد سازه در برابر نیروهای لرزه ای یا دینامیکی
کاهش عمر مفید سازه و افزایش نیاز به تعمیر و نگهداری
اگر تمایل دارید در خصوص یخ زدگی بتن اطلاعات بیشتری بدست بیاورید، این مقاله را بخوانید!
تفاوت بین خزش و جمع شدگی در بتن؛ دو پدیده ی ظاهراً مشابه اما کاملاً متمایز
در بررسی رفتار بلندمدت بتن، دو پدیده ی مهم و گاه اشتباه گرفته شده با یکدیگر به نام های خزش (Creep) و جمع شدگی (Shrinkage) وجود دارند که شناخت دقیق تفاوت آن ها برای مهندسان عمران، طراحان سازه و مجریان پروژه های عمرانی اهمیت ویژه ای دارد.
خزش بتن به تغییر شکل تدریجی و زمان بر بتن در اثر اعمال تنش ثابت گفته می شود. به عبارت دیگر، هنگامی که یک عضو بتنی تحت یک بار فشاری ثابت، مثلاً وزن طبقات بالاتر یا بار مرده سقف، در مدت زمان طولانی قرار می گیرد، بتن دچار تغییر شکل تدریجی می شود که به آن خزش می گویند. این تغییر شکل پس از کرنش آنی اولیه (Immediate Strain) آغاز می شود و به مرور زمان افزایش می یابد، بدون آنکه بار واردشده افزایش یابد. پدیده ی خزش بیشتر در اعضای فشاری مانند ستون ها، تیرها یا دیوارهای باربر مشاهده می شود و در طراحی سازه های بلندمرتبه و پل ها از اهمیت بالایی برخوردار است.
از سوی دیگر، جمع شدگی بتن به پدیده ای گفته می شود که در آن بتن بدون اعمال هیچ گونه بار خارجی، تنها به دلیل کاهش رطوبت داخلی یا تغییرات شیمیایی ناشی از هیدراتاسیون سیمان دچار کاهش حجم می شود. جمع شدگی به بارگذاری ارتباطی ندارد و به عواملی همچون نسبت آب به سیمان، طرح اختلاط، نوع سیمان، شرایط عمل آوری، میزان تبخیر آب و رطوبت نسبی محیط بستگی دارد. این پدیده در مراحل اولیه پس از بتن ریزی، به ویژه در دال های کف، کف سازی ها، و قطعات سطحی دیده می شود و می تواند موجب ترک های سطحی یا ساختاری در بتن شود.
در یک جمع بندی دقیق:
| ویژگی | خزش (Creep) | جمع شدگی (Shrinkage) |
|---|---|---|
| علت | تنش ثابت و مداوم بر بتن | تبخیر آب، هیدراتاسیون، خشک شدن و تغییرات شیمیایی |
| وجود بارگذاری | نیاز به بار مداوم دارد | بدون اعمال بار رخ می دهد |
| نوع تغییر شکل | تغییر شکل تحت تنش | کاهش حجم کلی بدون بار |
| زمان بروز | در بلندمدت و طی زمان طولانی | معمولاً در سنین اولیه بتن و در زمان خشک شدن |
| وابستگی به رطوبت | دارد، اما نه به اندازه جمع شدگی | بسیار وابسته به رطوبت و شرایط محیطی |
| تأثیر در طراحی | در طراحی اعضای فشاری و سازه های بلند باید لحاظ شود | در کنترل ترک خوردگی، انقباض و دوام سازه اهمیت دارد |
با توجه به تفاوت های کلیدی بین این دو پدیده، اتخاذ راهکارهای مناسب مانند طراحی صحیح سازه، استفاده از افزودنی های کاهنده آب، بهبود طرح اختلاط، عمل آوری استاندارد و کنترل شرایط محیطی، در جلوگیری از آثار منفی خزش و جمع شدگی نقش بسیار مهمی ایفا می کند.
عوامل موثر در جمع شدگی در بتن و راهکارهای عملی برای پیشگیری
عوامل گوناگونی در افت، انقباض، جمع شدگی در بتن موثرند و تحت شرایط گوناگونی به این حالت منجر می شوند. به همان نسبت نیز راهکارهایی برای جلوگیری از بروز این پیشامد در بتن وجود دارد. مهندسین سازه با به کارگیری این روش ها از انقباض، افت و جمع شدگی در بتن پیشگیری کرده و کیفیت نهایی کار را دستخوش تغییر می کنند.
در این بخش این موارد را با هم مرور می کنیم:
نسبت آب به سیمان یا مقدار آب در بتن: این نسبت با میزان افت بتن رابطه مستقیم و با مقاومت فشاری آن رابطه معکوس دارد. به عبارتی هر میزان نسبت آب به سیمان در بتن بیشتر باشد افت آن در بتن بیشتر خواهد بود.
وجود رطوبت: محیط خشک و فاقد رطوبت موجب سرعت گرفتن واکنش از دست رفتن آب در بتن شده و به افت آن منجر می شود. برای پیشگیری از این مشکل لازم است رطوبت بتن حفظ شود. در بتنی که نسبت آب به سیمان بالا باشد اغلب مقداری از بتن به صورت آزاد باقی مانده و پس از زمان گیرش اولیه و تبخیر شدن این آب اضافه، بتن دچار افت می شود. بهترین راهکار برای کم کردن از میزان جمع شدگی، کاهش مقدار آب در مخلوط بتن است.
میزان و درصد دانه های سنگی: نسبت دانه های سنگی موجود در بتن با افت آن معکوس است. به عبارت دیگر هر قدر درصد دانه های سنگی در بتن بالاتر باشد میزان افت بتن کمتر خواهد بود.
نوع سنگدانه های مصرفی: استفاده از مصالح سنگی مرغوب در تهیه بتن به کاهش افت آن منجر می شود. به همین دلیل نیز در سازه هایی که هزینه بیشتری برای تهیه مصالح آنها صورت گرفته و نوع مرغوب تری از آن به کار می رود افت کمتری را شاهد خواهیم بود.
عمر بتن: بیشترین میزان افت بتن تا حدود نود درصد در سال اول بتن ریزی رخ می دهد. با پیرتر شدن بتن این میزان کاهش خواهد یافت.
کاربرد آرماتور در بتن: در قطعات بتن آرمه یا مسلح، وجود آرماتورها از جمع شدگی بتن یکپارچه جلوگیری و در نتیجه نیروهای فشاری در فولاد ایجاد می کند.
از افت کربناسیون بتن بیشتر بدانیم؛ فرآیندی تدریجی اما اثرگذار بر دوام سازه
افت کربناسیون بتن (Carbonation Shrinkage) یکی از فرآیندهای فیزیکوشیمیایی مهم و البته کمتر مورد توجه در ارزیابی دوام بتن است که در طول زمان و در تماس با هوای آزاد اتفاق می افتد. این پدیده زمانی رخ می دهد که دی اکسید کربن (CO₂) موجود در جو با رطوبت درون بتن واکنش داده و با هیدروکسید کلسیم [Ca(OH)₂] حاصل از فرآیند هیدراتاسیون سیمان ترکیب می شود. حاصل این واکنش، تشکیل کربنات کلسیم (CaCO₃) است که به تدریج باعث تغییر ساختار میکروسکوپی بتن می شود.
در جریان این واکنش، بخشی از ترکیبات فعال موجود در خمیر سیمان تجزیه شده و ساختار بتن به سمت کاهش حجم و ایجاد تنش های درونی سوق پیدا می کند. این کاهش حجم در بتن، همان افت کربناسیون نامیده می شود که به خصوص در محیط هایی با تهویه مناسب و میزان مشخصی از رطوبت نسبی، شدت بیشتری پیدا می کند.
نکته قابل توجه این است که کربناسیون بتن تنها زمانی می تواند به طور کامل رخ دهد که فشار جزئی CO₂ در هوا کم باشد و همچنین رطوبت نسبی محیط در حدود ۵۰ تا ۷۰ درصد باقی بماند. در این شرایط، گاز دی اکسید کربن به راحتی به لایه های زیرین بتن نفوذ کرده و در عمق خمیر سیمان واکنش انجام می دهد. سرعت و عمق نفوذ کربن دی اکسید در بتن، به عوامل متعددی مانند تخلخل بتن، نسبت آب به سیمان، میزان تراکم، عمل آوری، و همچنین شرایط محیطی مثل دما و رطوبت بستگی دارد.
از دیدگاه عملکرد سازه ای، افت کربناسیون اگرچه ممکن است در ظاهر بتن تغییر محسوسی ایجاد نکند، اما در لایه های داخلی، می تواند موجب کاهش قلیائیت بتن شود. این امر، موجب کاهش خاصیت محافظتی بتن در برابر خوردگی میلگردها شده و در نهایت به کاهش دوام و طول عمر سازه های بتنی منجر می گردد.
بنابراین، شناخت این پدیده، ارزیابی عمق کربناسیون به روش های غیرمخرب (مانند استفاده از معرف فنول فتالئین) و طراحی تمهیدات پیشگیرانه مانند پوشش های محافظ، بتن با مقاومت بالا، استفاده از سیمان های پوزولانی یا ضدکربناسیون اهمیت بسیار زیادی در پروژه های بلندمدت دارد.
سخن آخر ، جمع شدگی در بتن؛ تأثیرات و راهکارهای پیشگیری
جمع شدگی در بتن یکی از پدیده های مهم و نسبتاً پیچیده در فرآیند ساخت و نگهداری سازه های بتنی است که می تواند به مرور زمان موجب کاهش کیفیت، کاهش مقاومت و نهایتاً افزایش استهلاک بتن شود. این تغییرات حجمی، اگر به درستی مدیریت نشوند، زمینه ساز ترک خوردگی، نفوذپذیری بالا، و افت عملکرد سازه در بلندمدت خواهند بود.
مهندسین سازه و طراحان اجرایی، با آگاهی کامل از این خطر بالقوه، از راهکارهای فنی و تجربی متعددی بهره می گیرند تا از بروز یا گسترش جمع شدگی در بتن جلوگیری کنند. این اقدامات از مرحله طراحی طرح اختلاط آغاز شده و تا نظارت بر شرایط محیطی و عملیات عمل آوری ادامه می یابد.
در میان عوامل مؤثر بر بروز پدیده جمع شدگی می توان به موارد زیر اشاره کرد:
نوع و کیفیت مصالح مصرفی: انتخاب سیمان با حرارت هیدراتاسیون پایین، افزودنی های معدنی و روان کننده ها تأثیر مستقیمی بر میزان جمع شدگی دارند.
سایز و درصد سنگدانه ها: استفاده از سنگدانه های درشت تر و با توزیع دانه بندی مناسب، موجب کاهش تخلخل و کاهش جمع شدگی می شود.
میزان و نحوه ی قرارگیری آرماتورها: وجود میلگرد در بتن نقش مهاری دارد و می تواند در کاهش ترک های ناشی از جمع شدگی مؤثر باشد.
عمر بتن و نحوه ی عمل آوری: سن بتن در زمان وارد شدن تنش ها، و مدت و کیفیت عمل آوری، تعیین کننده رفتار آن در برابر انقباض حجمی است.
همچنین، استفاده از عایق های رطوبتی یا پوشش های محافظ بتن نیز به عنوان یکی از راهکارهای اجرایی مؤثر شناخته می شود. این عایق ها با حفظ رطوبت داخلی بتن و جلوگیری از تبخیر سریع آب، به کاهش جمع شدگی کمک می کنند. اجرای این پوشش ها معمولاً توسط مهندسان یا تکنسین های متخصص و با استفاده از مصالح نوین نظیر رزین های اپوکسی، پلی اورتان یا افزودنی های کریستالی انجام می گیرد.
در مجموع، جمع شدگی بتن یک تهدید خاموش اما قابل کنترل است. با بهره گیری از اصول مهندسی، محاسبات دقیق، و توجه به جزئیات اجرایی، می توان این پدیده را مهار کرده و کیفیت، دوام و پایداری سازه های بتنی را در طول زمان تضمین کرد.
