پایداری ابعادی و فرآیندهای ترک خوردگی در بتن

به منظور محاسبه تغییر شکل و خیز بلند مدت اعضای سازه ای بتنی برای عمر طراحی آنها، روابط میان تنش، کرنش، زمان و دما مورد نیاز می باشد. همانند دیگر مصالح مهندسی، بتن در ابتدای اعمال بار به صورت تقریبا الاستیک تغییر شکل می دهد، اما تحت بارهای تحملی، تغییر شکل با زمان با یک نرخ کاهش تدریجی در شرایط محیطی عادی، افزایش می یابد. الوار دارای رفتار مشابهی می باشد، در حالی که فولاد تحت تنش بسیار بالا در دمای عادی یا تحت تنش پایین در دمای بسیار بالا، تنها دچار خزش می شود.

برای تمامی مصالح مهندسی، ناپایداری ابعادی می تواند در بارهای بسیار بالا به شکل یک گسیختگی وابسته به زمان یا شکست خزشی اتفاق بیفتد، اما در صورتی که تنش ها در زیر تقریبا %60 مقاومت کوتاه مدت نگه داشته شوند، می توان از وقوع این پدیده در بتن جلوگیری نمود.

در این مقاله از مجموعه کلینیک بتن ایران با پایداری ابعادی و فرآیندهای ترک خوردگی در بتن آشنا خواهید شد.

پربازدیدترین مطالب کلینیک بتن را در این بخش دنبال نمایید
بتن و اجزای آن
مبانی طرح اختلاط بتن
جدول عیار بتن چیست؟

علاوه بر تغییر شکل ایجاد شده بر اثر تنش وارده، تغییرات حجمی وابسته به زمان ناشی از جمع شدگی (یا تورم) و تغییرات دمایی بتن، از اهمیت قابل توجهی برخوردارند چرا که دارای نقش قابل ملاحظه ای در الاستیسیته و خزش اعضای بتنی در هنگام ارزیابی کل تغییر شکل وابسته به زمان، می باشند. انواع مختلفی از جمع شدگی وجود دارد که معمول ترین آنها، جمع شدگی ناشی از خشک شدن می باشد که سرعت آن به تدریج با زمان کاهش می یابد. همانند خزش، جمع شدگی ناشی از خشک شدن به حرکت آب ژلی در داخل و از خمیر سیمان سخت شده، مربوط می شود.

در دیگر موارد کاربردی، جابجایی ها اغلب به صورت کلی یا جزئی بر اثر ایجاد تنش کششی محدود می شوند که میزان این تنش کششی به منظور اجتناب از ترک خوردگی باید حداقل گردد. البته بتن نیز در کشش ضعیف است و بنابراین باید از ایجاد ترک ها جلوگیری کرده و یا آنها را کنترل نمود. چرا که ترک ها می توانند اثرات نامطلوبی بر دوام بتن و نیز یکپارچگی سازه گذاشته و از زیبایی و ظرافت آن بکاهند. موضوع فرآیندهای ترک خوردگی طبیعی یا غیر سازه ای که در مقابل ترک خوردگی سازه ای مربوط به بارگذاری خارجی قرار دارد.

پایداری ابعادی و فرآیندهای ترک خوردگی در بتن

3-2- پایداری ابعادی

تغییر شکل های کوتاه مدت و بلند مدت بتن تحت تاثیر عوامل بسیاری قرار دارد و بخش های زیر مهمترین آنها را مورد بررسی قرار می دهند که شامل چهار نوع تغییر شکل می باشد: کرنش الاستیک، خزش، جمع شدگی و جابجایی حرارتی. این تغییر شکل ها به طور مستقل از یکدیگر مورد بررسی قرار می گیرند که ممکن است اصولا صحیح نباشد اما این روش مدت هاست که مورد استفاده قرار گرفته و مبنایی است که روش های پیش بینی در آیین نامه های اجرایی براساس آن توسعه یافته اند.

3-2-1- الاستیسیته

تعریف الاستیسیته خالص عبارت است از ظاهر و ناپدید شدن کرنش ها هنگام اعمال و حذف تنش. خواص الاستیک مصالح مهندسی چنانکه در شکل 3-1 نشان داده شده است به چهار دسته تقسیم می شوند که دو دسته ز آنها مربوط به الاستیسیته خالص می باشند: (a) خطی و الاستیک و (b) غیر خطی و الاستیک. در هر دو این مورد، منحنی صعودی بر منحنی نزولی منطبق می باشد. دو گروه دیگر عبارتند از: (c) خطی و غیر الاستیک و (d) غیر خطی و غیر الاستیک، که در آنها منحنی صعودی و نزولی از یکدیگر مجزا می باشند به گونه ای که پس از حذف بار، یک تغییر شکل یا کرنش ماندگار وجود خواهد داشت.

ناحیه محصور میان این دو منحنی، انرژی پس ماند نام دارد که نشان دهنده انرژی جذب شده توسط مصالح بر اثر آسیب وارده ناشی از بارگذاری می باشد. در مورد بتن، انرژی پسماند اساسا ناشی از ایجاد ریزترک ها در سطح مشترک سنگدانه –خمیر سیمان و خزش برگشت ناپذیر بوده و بزرگی آن به سن بتن و خصوصا سرعت بارگذاری بستگی دارد. افزایش سن یا بلوغ موجب کاهش انرژی پسماند می گردد، در حالی که بارگذاری بسیار سریع موجب کاهش قابل ملاحظه خمیدگی منحنی تنش- کرنش و انرژی پسماند می گردد.

شکل 3-1- گروه های الاستیسیته برای مصالح مهندسی (نویل و بروکس، 2002)

از روی شیب منحنی تنش- کرنش، «ضریب الاستیسیته» به دست می آید که عموما به نام مدول یانگ معروف می باشد. در عین حال که این شیب برای فولاد ثابت است، در مورد بتن مشاهده می شود که این ضریب با توجه به سطح تنش (و همچنین سرعت بارگذاری و سن) و نیز کاهشی یا افزایشی بودن بار، تغییر می کند. انواع مختلفی از ضرایب که برای توصیف رفتار الاستیک بتن استفاده می شوند، در منابع دیگری به طور کامل تشریح شده اند.

هنگامی که بار برای مرتبه اول تا سطح مشخصی اعمال می گردد، در صورتی که این بار در مراحل بعدی نیز تداوم یابد، ضریب سکانت، پاسخ کرنش و نقطه شروع خزش را به دست می دهد. در یک آزمایش خزش، کرنش ناشی از اعمال بار «کرنش الاستیک حین بارگذاری» نامیده می شود و مدت زمان اعمال بار همواره باید بیان شود.

تکرار چرخه های بارگذاری و باربرداری، انرژی پس ماند را کاهش می دهد به طوری که سرانجام منحنی های تنش و کرنش صعودی و نزولی بر هم منطبق شده و به صورت تقریبا خطی در می آیند. این روند، اساس روش های استاندارد آزمایش برای تعیین ضریب الاستیسیته استاتیکی مانند ASTM C46994 و BS 1881: Part 121: 1983 می باشد. ضریب الاستیسیته عموما از الگوی مقاومت پیروی می کند، اگر چه همیشه اینگونه نمی باشد.

مثلا بتن مرطوب تمایل به داشتن ضریب بزرگتری نسبت به بتن خشک دارد، در حالی که مقاومت در جهت معکوس تغییر می نماید. نوع سنگدانه نیز می تواند اثرات متفاوتی بر این ضریب و مقاومت داشته باشد. با این وجود، برای اهداف طراحی، اغلب آیین نامه های اجرایی روابط تجربی را میان ضریب الاستیسیته و مقاومت ارائه می نمایند. به طور کلی، برای بتن با چگالی معمولی، p= 2320 kg/m³، ضریب الاستیسیته استاتیکی، E_c(GPa)، می تواند از طریق رابطه زیر با مقاومت فشاری نمونه مکعبی، (MPa)  ، مربوط گردد:

(3-1)                                                                                                      E_c = 9.1

اگر چگالی بین 1400 و kg/m³2320 باشد، رابطه مربوط به ضریب الاستیسیته استاتیکی به صورت زیر در می آید:

(3-2)                                                                                    × 10^-6  p² 4.7 E_c =

روابط دیگری نیز توسط BS 8110:Part2: 1985 ارائه شده است.

ACI 318-95(1996) رابطه زیر را برای ضریب الاستیسیته استاتیکی بتن با وزن معمولی ارائه می نماید:

(3-3)                                                                                                        E_c = 4.7

که  مقاومت فشاری نمونه استوانه ای برحسب MPa می باشد.

اگر چگالی بین 1500 تا kg/m³ 2400 باشد، ضریب الاستیسیته توسط رابطه زیر به دست می آید:

(3-4)                                                                                       × 10^-6  p^1.5 E_c = 43

اثر سنگدانه بر روی ضریب الاستیسیته بتن قبلا بیان شده است یعنی اثر دوگانه ای که از (ضریب) سختی سنگدانه و نسبت حجمی آن در بتن ناشی می شود. هرچه سنگدانه سخت تر باشد، ضریب الاستیسیته بتن بیشتر خواهد بود و برای سنگدانه ای که دارای ضریب الاستیسیته بیشتری نسبت به خمیر سیمان سخت شده می باشد، هر چه حجم سنگدانه بیشتر باشد، ضریب الاستیسیته بتن بیشتر خواهد بود.

ضریب الاستیسیته بتن با سنگدانه سبک معمولا بین 40 تا %80 ضریب الاستیسیته بتن با وزن معمولی با همان مقاومت بوده و نسبت های اختلاط دارای تاثیر کمی می باشند. روابط میان ضریب الاستیسیته و مقاومت فشاری (معادلات 3-1 تا 3-4) در صورت استفاده از مواد افزودنی شیمیایی یا معدنی در ساخت بتن، چندان متفاوت نخواهند بود.