مقاومت بتن چیست؟

بسیاری بتن را ماده‌ ای محکم و بادوام می‌ دانند و به حق نیز چنین است؛ اما وقتی از مقاومت بتن صحبت می‌کنیم، دقیقاً به چه موردی اشاره داریم؟ در این مقاله نگاهی میندازیم به مقاومت بتن، دلیل اهمیت آن و تأثیری که بر کیفیت و طول عمر پروژه‌های بتنی دارد. با ما همراه باشید.

مقاومت فشاری بتن چیست؟

مقاومت فشاری متداول‌ترین و پذیرفته‌ شده‌ ترین اندازه گیری مقاومت بتن برای ارزیابی عملکرد یک مخلوط بتنی است. این مقاومت توانایی بتن را در برابر بارهای فشاری اندازه گیری می‌کند. مقاومت فشاری با شکستن نمونه‌های بتنی استوانه‌ ای در ماشین مخصوصی که برای اندازه گیری این نوع مقاومت طراحی شده است، آزمایش می‌شود.

اندازه گیری مقاومت در واحد مگاپاسکال (Mpa) یا پوند بر اینچ مربع (psi) است. آزمایش طبق استاندارد C39 ASTM (انجمن آمریکایی آزمایش و مواد) انجام می‌شود. مقاومت فشاری از آن جهت که مخلوط بتنی نیازهای یک کار خاص را برآورده می‌کند، مهم است.

بنا به تعریف، مقاومت فشاری مساوی مقدار تنش فشاری تک محوری در مساحت جسم در زمانی است که المان مورد نظر کاملاً گسیخته می‌شود. میزان مقاومت فشاری اغلب توسط آزمایش فشار و به صورت تجربی به دست می‌آید. نتیجه آزمایش فشار، منحنی تنش-کرنش است که به شکل عکس زیر است:

اهمیت مقاومت فشاری بتن

بتن یک سنگ مصنوعی است که اساساً از سیمان ، آب و سنگدانه‌ های درشت و ریز ساخته شده است. هنگامی که برای اولین بار آب و سیمان مخلوط می‌شوند، خمیری تشکیل می‌شود که تمام قطعات جداگانه سنگدانه را احاطه کرده و یک مخلوط پلاستیکی (خمیری) ایجاد می‌کند. یک واکنش شیمیایی به نام هیدراتاسیون بین آب و سیمان اتفاق میفتد و بتن به طور معمول در حدود دو ساعت از یک حالت خمیری به حالت جامد تغییر می‌کند.

پس از آن بتن همچنان که سفت می‌شود به مقاومت خود ادامه می‌دهد. بر طبق استاندارد، مقاومت 28 روزه به عنوان نقطه مرجع مقاومت فشاری نهایی بتن در نظر گرفته شده است و مشخصات مقاومتی اغلب به آزمایشات استوانه‌های بتنی وابسته هستند که 28 روز پس از ساخته شدن تحت فشار خُرد می‌شوند. به مقاومت حاصل، مشخصات مشخصه بتن یا f’c گفته می‌شود.

فرآیند افزایش مقاومت بتن

در طول هفته اول تا 10 روز بعد از عمل آوری بتن، این نکته مهم است که بتن نباید دچار یخ زدگی یا خشک شدن شود زیرا هر یک از این مسائل برای مقاومت بتن مضر هستند. از نظر تئوری، اگر بتن در یک محیط مرطوب نگهداری شود، مقاومت بیشتری به دست خواهد آورد. با این حال، از نظر عملی، حدود 90 درصد مقاومت بتن در 28 روز اول به دست می‌آید.

بتن تقریباً مقاومت کششی ندارد (معمولاً حدود 10 تا 15 درصد مقاومت فشاری است) و به همین دلیل تقریباً هرگز بدون میلگرد تقویت کننده (بتن مسلح) قابل استفاده نیست. مقاومت فشاری بتن به عوامل زیادی از جمله کیفیت و نسبت مواد تشکیل دهنده و محیط عمل آوری بستگی دارد.

مهمترین شاخص مقاومت نسبت آب به سیمان است. اصولاً هرچه این نسبت کمتر باشد، مقاومت نهایی بتن نیز بالاتر خواهد بود. حداقل نسبت آب به سیمان در حدود 0.3 است تا آب با تمام ذرات سیمان تماس بگیرد (اطمینان از هیدراتاسیون کامل).

از نظر عملی، مقادیر معمولی نسبت آب به سیمان در محدوده 0.4 تا 0.6 هستند تا مخلوط بتنی به یک سازگاری عملی برسد تا بتوان بتن تازه را در قالب و اطراف میله‌های تقویت کننده با فاصله نزدیک ریخت. بتن به تدریج سفت می‌شود زیرا آبی که برای هیدراتاسیون استفاده نمی‌شود به تدریج از مخلوط سخت شده تبخیر می‌شود. برای عناصر بزرگ مانند دال بتنی چنین انقباضی می‌تواند منجر به ایجاد تنش کششی اضافی شود، خصوصاً اگر مقدار زیاد آب باعث انقباض شود.

بتن نیز مانند همۀ مواد به دلیل اثرات حرارتی دچار تغییرات حجمی می‌شود و در هوای گرم، گرمای حاصل از فرآیند هیدراتاسیون بر این مشکل می افزاید. از آنجا که بتن از نظر کششی ضعیف است، به دلیل چنین انقباضی و تغییرات دما اغلب دچار ترک می‌شود. به عنوان مثال، هنگامی که یک دال بتنی که به تازگی بتن ریزی شده است، به دلیل تغییر دما منبسط می‌شود، با غلبه بر اصطکاک بین بتن و هوای محیط، تنش‌های فشاری–داخلی در مخلوط ایجاد می‌ شود.

بتن در کشش آنقدر قوی نیست که بتواند در برابر همان اصطکاک‌ها مقاومت کند. به همین دلیل از اتصالات انقباضی غالباً برای کنترل محل ترک‌هایی استفاده می‌شود که ناگزیر اتفاق میفتد و به اصطلاح تقویت کننده دما و انقباض در جهاتی قرار می‌گیرد که قبلاً مشخص نشده است. هدف از این تقویت سازگاری با تنش‌های کششی حاصل شده و به حداقل رساندن عرض ترک‌های ایجاد شده است.

علاوه بر فشارهای ناشی از جمع شدگی و اثرات حرارتی، بتن نیز در اثر خزش تغییر شکل می‌دهد. خزش هنگامی اتفاق میفتد که ماده در مدت زمان طولانی تحت تنش بالایی قرار داشته باشد. هرگاه بارهای مداوم وارد شده (مانند بارهای مرده) باعث ایجاد فشارهای قابل توجه شوند، خزش ایجاد می‌شود.

به عنوان مثال، در یک تیر بتنی، انحراف طولانی مدت اضافی ناشی از خزش می‌تواند تا دو برابر انحراف الاستیک اولیه باشد. راه جلوگیری از این تغییر شکل افزایش یافته، حفظ تنش‌های ناشی از بارهای پایدار است. این کار معمولاً با افزودن فولاد تقویت کننده در بتن انجام می‌شود.

تأثیر مواد تشکیل دهنده در مقاومت بتن

مواد تشکیل دهنده بتن می‌توانند از نظر وزن و حجم متفاوت باشند. هدف تأمین مقاومت و کارآیی مطلوب با حداقل هزینه است. گاهی اوقات نیازهای خاصی مانند مقاومت در برابر سایش، دوام در آب و هوای سخت یا نفوذ ناپذیری آب وجود دارد اما این ویژگی‌ها معمولاً به مقاومت مربوط می‌شوند. بعضی اوقات بتن‌هایی با مقاومت بالاتر مشخص می‌شوند حتی اگر مقدار fc کمتری تمام نیازهای سازه را برآورده کند.

همانطور که قبلاً ذکر شد، برای دستیابی به بتن مقاوم، نسبت آب به سیمان کم لازم است. بنابراین به نظر می‌رسد که فقط با بالا نگه داشتن محتوای سیمان می‌توان از آب کافی برای کارکرد خوب بتن استفاده کرد. مسئله مهم این است که سیمان پرمصرف‌ترین ماده بتن است و میزان استفاده از آن باید با دقت فراوانی صورت گیرد.

کیفیت سنگدانه‌ها بسیار مهم است زیرا آنها حدود 60 تا 75 درصد از حجم بتن را تشکیل می‌دهند. ساخت بتن خوب با سنگدانه‌های ضعیف غیرممکن است. درجه‌بندی سنگدانه‌های ریز و درشت بسیار قابل توجه است زیرا داشتن طیف وسیعی از اندازه باعث کاهش میزان خمیر سیمان می‌شود. سنگدانه‌های دارای درجه بندی مناسب نیز باعث می‌شوند که مخلوط بتنی کارایی بیشتری داشته باشد.

مقاومت کششی بتن چیست؟

مقاومت کششی توانایی بتن در برابر کشش یا ترک خوردگی تحت تنش است و بر اندازه ترک‌های سازه‌های بتنی و میزان بروز آن‌ها تأثیر می‌گذارد. ترک‌ها زمانی رخ می‌دهند که نیروهای کششی از مقاومت کششی بتن فراتر روند. مقاومت کششی بتن سنتی در مقایسه با مقاومت فشاری، بسیار کم است. این بدان معناست که سازه‌های بتنی تحت تنش کششی باید با موادی مانند فولاد تقویت شوند که مقاومت کششی بالایی دارند.

آزمایش مستقیم مقاومت کششی بتن دشوار است، بنابراین از روش‌های غیر مستقیم استفاده می‌شود. متداول‌ترین روش‌های غیرمستقیم، مقاومت خمشی و مقاومت کششی تقسیم شده است. مقاومت کششی تقسیم شده بتن با استفاده از آزمایش کشش روی استوانه‌های بتن تعیین می‌شود. آزمایش باید مطابق با استاندارد ASTM C496 انجام شود.

مقاومت خمشی بتن چیست؟

مقاومت خمشی به عنوان یکی دیگر از معیارهای غیرمستقیم است که در تعیین مقاومت بتن استفاده می‌شود. این مقاومت به عنوان اندازه گیری یک دال یا تیر بتنی غیر مسلح برای مقاومت در برابر شکست در خم شدن تعریف شده است. به عبارت دیگر، این توانایی بتن در برابر خم شدن است.

مقاومت خمشی، بسته به مخلوط خاص بتن، معمولاً از 10 تا 15 درصد مقاومت فشاری برخوردار است. دو آزمایش استاندارد از ASTM اعم از C78 و C293 وجود دارند که برای تعیین مقاومت خمشی بتن استفاده می‌شوند. نتایج در مدول پارگی (MR) در مگاپاسکال بیان می‌شود.

آزمایش خمش به آماده سازی و عمل آوری بتن بسیار حساس هستند. این آزمایش باید هنگام مرطوب بودن نمونه انجام شود. به همین دلایل، در هنگام توصیف مقاومت بتن، معمولاً از نتایج آزمایش مقاومت فشاری استفاده می‌شود زیرا این مقاومت قابل اطمینان‌ تر می باشد.

عوامل مؤثر در مقاومت بتن

نسبت آب به سیمان

نسبت کمتر آب به سیمان باعث ایجاد بتن مستحکم‌ تری می‌شود اما همچنین کار با بتن را دشوارتر می‌کند. برای دستیابی به استحکام مطلوب ضمن حفظ کارآیی باید تعادل درستی ایجاد شود. این مهم با طرح اختلاط مناسب قابل انجام است.

طرح اختلاط مناسب

بتن سنتی از آب، سیمان و مخلوطی از شن و ماسه ساخته می‌شود. نسبت مناسب این مواد برای دستیابی به مقاومت بالای بتن امری کلیدی است. ریختن یک مخلوط بتن با روانی زیاد، ممکن است آسان باشد اما محصول نهایی به راحتی ترک می‌خورد و مقاومت بتن را کاهش می‌دهد.

زمان اختلاط بتن

زمان بهینه اختلاط برای مقاومت بتن مهم است. در حالی که مقاومت با زمان اختلاط در یک نقطه خاصی افزایش می‌یابد، اختلاط برای مدت طولانی می‌تواند باعث تبخیر بیش از حد آب و تشکیل ذرات ریز درون مخلوط شود. در نتیجه کارآیی بتن کمتر شده و از استحکام آن کاسته می‌شود. هیچ قانون طلایی برای زمان بهینه اختلاط وجود ندارد زیرا این امر به عوامل زیادی مانند نوع میکسر مورد استفاده، سرعت چرخش میکسر و نوع مواد تشکیل دهنده بستگی دارد.

جمع بندی نهایی :

هنگام انتخاب روشی برای اندازه گیری و نظارت بر مقاومت بتن، مهم است که مدیران پروژه تأثیری را که هر یک از تکنیک‌ها بر برنامه عملیاتی خود دارند را در نظر بگیرند. در حالی که برخی از فرآیندهای تست بتن را می‌توان مستقیماً در محل انجام داد، برخی دیگر نیاز به آزمایشگاه دارند. زمان تنها عاملی نیست که در تصمیم گیری مدیران پروژه نقش دارد. دقت فرایند آزمایش به همان اندازه مهم است که کیفیت سازه بتنی را مستقیماً تحت تأثیر قرار می‌دهد.

منابع :

https://cor-tuf.com