هر آنچه باید از دوام و پایایی بتن بدانید

بتن کلیدی‌ترین مصالح ساختمانی است که از قدرت و انعطاف بالایی برای طراحی انواع سازه‌های عمرانی برخوردار است. از زمان ابداع انواع بتن روش ساخت سازه‌های عمرانی متحول شده‌ است. زیرا این ترکیب به ‌راحتی فرم پذیر است و پس‌ از سخت شدن از مقاومت فیزیکی بسیار بالایی برخوردار است. اما به موازات مقاومت با مؤلفه کلیدی دوام بتن مواجه هستیم.

دوام و پایایی بتن مؤلفه ماندگاری بتن در مدت زمان طولانی است. سازه‌های بتنی اگر چه مقاومت فیزیکی بالایی دارند؛ اما باید برای کارکرد مفید در مدت زمان طولانی نیز طراحی ‌شده باشند. در گذشته مقاومت بتن معیار ارزشمندی بود. مهندسین برای هر چه محکم‌تر کردن سازه‌های بتنی تلاش می‌کردند. اما با گذشت زمان و کهنه شدن سازه‌ها چالش‌های دیگری مطرح شد. چالش فرسایش محیطی که ماهیت کاربردی سرسخت‌ترین سازه‌های بتنی را تهدید می‌کرد.

این موضوع باعث شده که حالا در دنیای مهندسی عمران به موازات مقاومت برای پایایی و دوام بتن نیز برنامه‌ریزی کنیم. در این مقاله از متسل موتور جستوی تخصصی صنعت ساختمان به عوامل مؤثر بر پایایی بتن پرداخته و سعی می‌کنیم تا کلیاتی تخصصی از این موضوع کلیدی را مطرح کنیم.

دوام بتن

دوام بتن چیست؟

دوام بتن معیار ماندگاری بتن تحت شرایط کاربردی است. لزوماً هر ساختمان بتن قدیمی دوام مناسبی ندارد. زیرا ممکن است آن سازه حالا قابلیت کاربردی خود را از دست داده باشد. لزوماً دوام بتن تا زمانی است که سازه می‌تواند اهداف طراحی و کاربردی خود را پاسخگو باشد.

برای آغاز بررسی‌مان به تعریف جامعی از دوام و پایایی بتن نیاز داریم. لذا به مستندات کمیته 201 انستیتوی بتن آمریکا (ACI) رجوع می‌کنیم. طبق تعریف این کمیته دوام بتن مقدار مقاومت بتن در برابر عوامل مخرب محیطی مانند هوازدگی، حملات شیمیایی، سایش‌ها و یا هر نوع فرایند فرسایشی دیگر است. این عوامل مخرب تحت بار سنگین باعث تخریب بتن نمی‌شوند. بلکه در یک جریان پیوسته ولی آهسته و به ‌مرور زمان بتن را تخریب کرده و از کیفیت و کارایی آن می‌کاهند. به شکلی که بتن تخریب شده تحت تأثیر این عوامل فرسایشی دیگر نمی‌تواند کارایی اولیه خود را داشته باشد.

دوام بتن مقوله‌ای متفاوت از مقاومت بتن است. لزوماً مقاوم‌ترین بتن‌ها بادوام‌ترین آنها نیستند. اما بتن ایده‌آل برای مقاومت عالی و دوام طولانی طراحی شده‌ است. البته هیچ مصالح ساختمانی ذاتاً با دوام نیست. به هر حال در اثر عوامل فرسایشی کارایی خود را از دست می‌دهد. با این حساب منظور از دوام و پایایی بتن مدت دوره کارکرد مفید بتن است. این در حالی است که می‌توانیم با کنترل عوامل فرسایشی مدت زمان این دوره را افزایش دهیم. اما منطقی‌تر آن است که در ابتدای ساخت سازه‌های عمرانی از بتن‌ها با قدرت و قابلیت دوام بالاتری استفاده کنیم. اگر هم دوست دارید بدانید که بتن خوب چه ویژگی‌هایی دارد این مقاله ما را از دست ندهید.

اهمیت دوام و پایایی بتن در چیست؟

برای طراحی سازه‌های عمرانی مؤلفه‌های کلیدی بسیار زیادی مانند خواص مکانیکی، هزینه و قیمت ساخت سازه، بهره‌مندی از ویژگی‌های مدرن و خواص خاص و... مطرح است. دوام و پایداری مصالح ساختمانی نیز از دیگر نکات کلیدی هستند.

بیشتر توجه دوام و پایایی بتن در موضوعات اقتصادی و اجتماعی است. به هر صورت سازه‌های عمرانی باید تا سال‌ها مورد استفاده مفید قرار بگیرند. در این صورت هزینه تعمیر، بازسازی، نگهداری و حتی جایگزینی سازه‌ها بسیار زیاد است. همواره تخریب سازه در اثر ماندگاری کم و فرسایش زیاد باعث هزینه‌های سنگین است. تخمین زده می‌شود که بیش ‌از 40 درصد منابع صنعت ساختمان‌سازی صرف تعمیرات و بازسازی ساختمان‌های قدیمی شده ‌است.

قطعاً جایگزینی سازه‌ها بسیار پرهزینه و حتی غیرممکن است. لذا به مؤلفه‌های کلیدی مانند پایایی و دوام بتن نیاز داریم. چرا که با استفاده از تکنیک‌های دوام بتن می‌توانیم طول عمر مفید و کاربردی سازه‌های عمرانی را افزایش دهیم.

اما بحث کلیدی‌تر طراحی سازه‌هایی است که تحمل شرایط سخت کار پروژه را داشته باشند. سازه‌های آبی، هر نوع مخزن نگهداری انواع مواد شیمیایی، طراحی سازه‌ها در مناطق خیلی سرد، طراحی سازه‌ها در راکتورهای تحت فشار و یا طراحی استراکچر نصب سازه‌های سنگین و... از جمله قابلیت‌های کاربردی است که در تمامی آنها به بهره‌مندی از یک سازه مقاوم و ماندگار نیاز داریم. نکته‌هایی که تماماً با استفاده از تکنیک‌های دوام بتن امکان‌پذیر هستند.

دوام و پایایی بتن

عوامل فیزیکی تأثیرگذار بر دوام بتن چه هستند؟

دوام بتن اصطلاحاً کارآیی آن در طول مدت زمان طولانی است. در تمام این مدت بتن تحت تأثیر فرسایش دائمی قرار دارد. اما دامنه این فرسایش آنچنان نیست که کارایی بتن را تحت تأثیر قرار دهد. ولی عوامل فیزیکی و محیطی متنوعی وجود دارد که همگی باعث فرسایش بتن می‌شوند. مانند:

  • هر نوع فرسودگی سطحی و ترک خوردگی: این فرسودگی‌ها ممکن است به ‌علت تماس دائمی بتن با انواع نمک‌ها اتفاق بیافتد. گاهی نیز مواجه شدن با آب‌وهوای خیلی سرد و یا خیلی گرم و یا دوره‌های یخ‌زدگی و حتی تنش‌های شدید دمایی باعث فرسودگی و ترک خوردن سطح بتن می‌شود.
  • مواجه شدن با هر نوع مواد شیمیایی زیان‌آور: مواجه شدن دائمی با مواد شیمیایی خطرناک است و مسیر فرسایش بتن را تسریع می‌کند. این مواد می‌توانند محلول‌های اسیدی، محلول‌های سولفاتی، قلیایی و یا ترکیبات رادیواکتیو باشند. حتی جریان آب نیز می‌تواند عامل مخرب محیطی باشد.

عوامل مخرب بتن متنوع هستند؛ اما باید بتوانیم از بتن در مقابل این عوامل محافظت کنیم. بنابراین به تکنیک‌های دوام بتن نیاز داریم. در ادامه به تشریح عوامل مؤثر بر دوام بتن می‌پردازیم.

کنکاش در عوامل مؤثر بر فرسایش بتن

در اغلب موارد برای بررسی دامنه فرسایش بتن و دلیل آسیب‌دیدگی‌ها به اطلاعاتی از تاریخچه سازه‌ها نیاز داریم. چرا که شبیه‌سازی ترکیب در حالت درازمدت امکان‌پذیر نیست. اما به‌هرحال به‌ ندرت آسیب‌دیدگی بتن به‌ علت یک نوع فرسایش منحصر به ‌فرد است.

علت‌های فیزیکی و شیمیایی بسیار زیادی وجود دارند که همگی آنها در کنار هم باعث فرسایش و تخریب بافت بتن می‌شوند. حضور این علت‌ها گاهاً پیچیده و پر از تداخل است. تا جاییکه اغلب موجب تشدید یکدیگر می‌شوند. این شرایط تا جایی چالش ‌برانگیز است که حتی نمی‌توانیم علت فرسایش را از معلول تفکیک کنیم.

در بررسی عوامل مؤثر بر فرسایش بتن باید رویکرد سیستماتیک داشته باشیم و بتوانیم این عوامل را به ‌صورت تک‌به‌تک بررسی کنیم. لذا مهم است که پدیده‌های فیزیکی و محیطی را در کنار هم بررسی کرده و اثر مخرب آنها را در شرایط تداخلی بررسی کنیم.

روش‌های مؤثر در بهبود دوام بتن

بتن خوب فی‌نفسه ساختاری مقام و ماندگار است. چنین بتنی به ‌خوبی می‌تواند شرایط نامساعد محیطی را تحمل کند. اما عوامل محیطی قدرت‌های پایداری هستند که آهسته و پیوسته در طول زمان بتن را تخریب می‌کنند. شرایط اقلیمی و یا مواجه شدن با برخی ترکیبات شیمیایی باعث تخریب و تجزیه تا فروپاشی بتن‌های ضعیف می‌شوند. این عوامل از قبیل موارد زیر هستند.

  • اثرات آب‌وهوایی
  • یخ زدن و آب شدن
  • تر و خشک شدن متناوب
  • تغییرات دمایی
  • فعل‌وانفعالات شیمیایی

برای بررسی تک‌به‌تک این عوامل آزمایش‌های متعددی انجام می‌شود. در این آزمایش‌ها قرار است تا به بررسی خواص مکانیکی و فیزیکی بتن پرداخته تا در نهایت مقدار ماندگاری آن در مقابل شرایط سخت محیطی را بررسی کنیم. عوامل مؤثر بر پایایی بتن به‌ قرار زیر هستند.

  • خواص فیزیکی بتن سخت شده
  • نوع مصالح ساختمانی تشکیل ‌دهنده بتن
  • روش‌های به ‌کار رفته جهت تولید و فرآوری بتن

در عین ‌حال برای بررسی دوام و پایایی بتن مؤلفه‌های دیگری نیز مورد توجه قرار می‌گیرند که به ‌قرار زیر هستند:

  • استفاده از مصالح ساختمانی سالم و مرغوب برای ساختن بتن
  • پایین نگه‌داشتن نسبت آب به سیمان
  • مخلوط شدن مناسب مصالح و ساخت بتن به شکل اصولی
  • عمل‌آوری صحیح بتن
  • کنترل درصد حباب هوا در داخل بتن که نباید بیشتر از 6 درصد باشد.
  • بررسی و ارزیابی دوام بتن که با مطالعه خواص ارتجاعی، خمیری و حرارتی آن انجام می‌شود.

اگر چه عوامل محیطی متنوعی در تخریب بتن تأثیرگذار هستند؛ اما بدون تردید آب در تمامی مخاطرات بتن دخالت دارد. نفوذ آب در ساختار متخلخل بتن دامنه تخریب آن را به ‌شدت افزایش می‌دهد. لذا در بررسی دوام بتن به بررسی خواص آب و تأثیر مخرب آن بر روی اجسام متخلخل می‌پردازند. در این‌باره بررسی عوامل کنترل‌کننده تراوایی خمیر سیمان، سنگدانه‌ها و بتن از اهمیت بالایی برخوردار است.

دوام بتن

مشاهدات و مستندات از دوام و پایایی بتن

بررسی چند نکته به درک بهتری از عوامل مؤثر بر پایایی بتن می‌انجامد. این مشاهدات و مستندات به ‌قرار زیر هستند.

  • آب مهمترین و مخرب‌ترین عامل محیطی است که در عموم فرسایش‌های دائمی بتن تأثیرگذار است. همچنین آب عامل اصلی در فرایندهای فیزیکی تخریب اجسام متخلخل مانند بتن می‌باشد. از طرفی آب می‌تواند عامل انتقال یون‌های مهاجم باشد که در تخریب و فرسایش شیمیایی بتن تأثیرگذار است. لذا هر اندازه بتن ساختار متراکم‌تری باشد، می‌تواند در مقابل اثر مخرب و فرسایش آب مقاومت کند.
  • هر نوع حرکت آب در داخل اجسام متخلخل را اصطلاحاً نفوذپذیری می‌گویند. لذا در بررسی دامنه تخریب مقدار نفوذپذیری ماده شیمیایی را بررسی می‌کنند. به ‌این ‌ترتیب میزان آسیب‌دیدگی در سطح بتن و یا عمق بتن در اثر رسوخ مواد شیمیایی بررسی می‌شود.
  • بررسی آسیب‌دیدگی تحت تأثیر نوع و غلظت یون‌های محلول در آب و یا دیگر ترکیبات شیمیایی انجام می‌شود. از نگاه شیمیایی بتن ترکیبی بازی است. چرا که محصولات ناشی از هیدراتاسیون خمیر سیمان پرتلند از سری ترکیبات قلیایی کلیسمی هستند. بنابراین طبق مشاهدات انجام‌ شده، هر نوع جریان سیالات اسیدی مانند آب‌های اسیدی باعث فرسایش و تخریب بافت بتن می‌شود.

چرا آب عامل اصلی آسیب‌رسان در دوام بتن است؟

آب، اصلی‌ترین دشمن بتن است که در درازمدت به ‌راحتی آن را تخریب کرده و حتی کاملاً از بین می‌برد. هر نوع آب اعم از آب دریا، آب زیرزمینی، رودخانه‌ای، دریاچه‌ای، باران، برف و حتی بخار و... تأثیر مخربی دارند. البته دامنه‌ی تخریب آنها با یکدیگر متفاوت است. در هر صورت آب سیالی با سطح چگالی کم است که از مولکول‌های کوچکی برخوردار است. مولکول‌های آب به ‌راحتی می‌توانند در هر منفذ و یا حفره بسیار ریز نیز نفوذ کنند.

آب حلال بسیار قدرتمندی است. مواد شیمیایی و معدنی بسیار زیادی به ‌راحتی در آب حل می‌شوند. به ‌این ‌ترتیب یون‌ها و گازهای مخرب بسیار زیادی می‌توانند در آب حل شده و همراه آن در تمامی منافذ و حفره‌های باریک سطح و حتی عمق بتن نفوذ نمایند. این اتفاق باعث تخریب و تجزیه بافت شیمیایی بتن می‌شود.

از طرفی لازم است توجه کنید که آب از گرمای تبخیر بسیار بالایی برخوردار است. لذا مادامیکه ترکیبات شیمیایی را با خود حمل می‌کند، پس ‌از مدتی کوتاه تبخیر شده و تمام این ترکیبات شیمیایی را بر سطح و عمق بتن باقی می‌گذارد.

از طرفی حرکات داخل آب در اجسام متخلخل باعث تغییرات حجمی شده و در گسیختگی بتن تأثیرگذار است. برای مثال آب به ‌راحتی در تمامی حفره‌های بتن نفوذ کرده و در آنجا باقی می‌ماند. در اثر هوای سرد یخ ‌زده و حجم آن زیاد می‌شود. این تغییر حجم بر اثر یخ زدن به جداره‌های باریک حفره‌ها فشار وارد کرده و باعث ایجاد ترک و یا تخریب بافت بتن می‌شود.

با در نظر گرفتن این عوامل مطرح‌ شده می‌توانیم آب را به ‌عنوان مهمترین عامل محیطی تخریب بتن معرفی کنیم. عاملی که نه تنها خود زمینه‌ساز تخریب بتن است؛ بلکه با انتقال ترکیبات شیمیایی می‌تواند در دوام و پایایی بتن تأثیر نامطلوبی داشته باشد.

چگونه از بتن در مقابل نفوذ آب محافظت کنیم؟

جلوگیری از نفوذ آب یکی از اصلی‌ترین اقدامات در راستای پایایی و دوام بتن است. در نظر داشته باشید که خود آب از مهمترین متریال‌های ساخت بتن می‌باشد. از آب برای تهیه خمیر سیمان و احاطه شدن ذرات شن و ماسه استفاده می‌شود. اما آب مرحله ساخت پس‌ از مدتی تبخیر شده و یا همراه ملات سیمان جذب بتن می‌شود. این آب بخشی از ساختار بتن است. اما پس ‌از تبخیر منافذ سطح و عمق بتن به ‌صورت خالی و یا اشباع نشده باقی می‌ماند.

به هر صورت هر حجم بتن که پس ‌از سخت شدن، آبی در داخل آن باقی نمانده باشد و یا با قرار گرفتن در شرایط محیطی منافذ آن مجدداً اشباع نشود، بتن مقاوم و پایداری است که در مقابل رویدادهای مخرب وابسته به آب آسیب‌پذیر نخواهد بود. شرط این ویژگی بهره‌مندی از بتن متراکم با کمترین حباب‌ها و منافذ است. برای این منظور از عملیات ویبره زنی بتن استفاده می‌کنند تا در نهایت به حجم بتن کاملاً همگن، منسجم و عاری از حباب رسیده باشند.

برای بررسی عامل مخرب نفوذ آب مؤلفه‌ای را با عنوان ضریب تراوایی K معرفی کرده‌اند. این ضریب معرفی مقدار نفوذناپذیری بتن است. در اصل به هر نوع نفوذ مایعات به داخل اجسام جامد قابلیت تراوایی گفته می‌شود. لذا در بررسی مواد جامد با ضریب تراوایی (K) سروکار داریم.

ضریب تراوایی بتن در مقابل نفوذ آب و بخار آب بسیار زیاد است. لذا در کل برای انجام آزمایش‌های تعیین ضریب تراوایی از عامل آب بدون هوای محلول استفاده می‌کنند. البته در نظر داشته باشید که ضریب تراوایی (K) بتن در مقابل انواع آب‌ها، انواع یون‌های محلول در آب‌ها و انواع ترکیبات شیمیایی متفاوت است.

تراوایی خمیر سیمان

در خمیر سیمان اندازه و پیوستگی منافذ در هر نقطه حین فرایند هیدراسیون، مقدار ضریب تراوایی را کنترل می‌کند. در اصل آب مخلوط به روش غیرمستقیم مسئول تراوایی خمیر سیمان است. چرا که مقدار آب بیانگر کل فضاهای خالی است که پس ‌از هیدراتاسیون بتن باقی می‌ماند.

ضریب تراوایی خمیر سیمان در حدود ۱۰-۵ سانتی‌متر بر ثانیه است. در حین مراحل هیدراتاسیون که ضریب مویینگی کاهش پیدا می‌کند، از مقدار ضریب تراوایی نیز کاسته می‌شود. البته آهنگ کاهش ضریب تراوایی (نفوذپذیری) متناسب با آهنگ کاهش اثر مویینگی بتن نیست. تا جاییکه وقتی مقدار تخلخل مویینگی به کمتر از مقدار ۳۰ درصد می‌رسد، اتصال زنجیری میان منافذ بتن به مقدار قابل ‌توجهی کاهش پیدا کرده ‌است. لذا از این به بعد با افت محسوس در کاهش ضریب تراوایی بتن برای افزایش دوام و پایایی بتن روبرو نیستیم.

به ‌طور کلی برای ضریب تراوایی بتن (نفوذپذیری خمیر سیمان) یک دوره زمانی ۲۸ روزه را در نظر در می‌گیرند. جدول زیر معرف این دوره است.

سن بتن (روز)

ضریب تراوایی (ضریب نفوذپذیری آب) cm/sec10-11

تازه

20000000

5

4000

6

1000

8

400

13

50

24

10

28 و بالاتر

6 و کم‌تر

 

از نگاه کلی وقتی نسبت‌ آب به سیمان زیاد است و درجه هیدراتاسیون کم است، خمیر سیمان تخلخل مویینگی بسیار زیادی دارد. چنین بتنی دارای منافذ بزرگ و کاملاً متصل به یکدیگر است. لذا قدرت نفوذپذیری آب در داخل این بتن زیاد است. اصطلاحاً ضریب تراوایی آن زیاد است.

دوام و پایایی بتن به کنترل و حتی کاهش ضریب تراوایی بتن بستگی دارد. یکی از روش‌های کنترل نسبت آب به سیمان است. با این کار می‌توانیم در پروسه سخت شدن بتن و افزایش سرعت کاهش ضریب تراوایی تأثیرگذار باشیم. عامل دیگر عمل‌آوری خوب بتن است. اگر مصالح ساخت بتن به ‌خوبی در یکدیگر مخلوط شوند، حجم نهایی بتن متراکم شده و ضریب تراوایی آن کاهش محسوسی دارد.

اما عامل نهایی بهره‌مندی از روش‌های حباب‌گیری بتن می‌باشد. برای این منظور از عملیات ویبره زنی بتن استفاده می‌کنند. ویبره زنی باعث خارج شدن حباب‌ها، پر شدن تمامی حفره‌ها و بسته شدن تمامی فضاهای مویینگی داخل بتن می‌شود. لذا بتن متراکم‌تر شده و قابلیت نفوذ ناپذیری آن افزایش پیدا کرده، از مقدار ضریب تراوایی آن کاسته شده و در نهایت کمتر تحت تأثیر عوامل فرسایشی قرار می‌گیرد. به ‌این ‌ترتیب دوام و پایایی بتن به ‌طرز چشمگیری افزایش پیدا می‌کند.

هر آنچه باید از دوام و پایایی بتن بدانید

بتن کلیدی‌ترین مصالح ساختمانی است که از قدرت و انعطاف بالایی برای طراحی انواع سازه‌های عمرانی برخوردار است. از زمان ابداع انواع بتن روش ساخت سازه‌های عمرانی متحول شده‌ است. زیرا این ترکیب به ‌راحتی فرم پذیر است و پس‌ از سخت شدن از مقاومت فیزیکی بسیار بالایی برخوردار است. اما به موازات مقاومت با مؤلفه کلیدی دوام بتن مواجه هستیم.

دوام و پایایی بتن مؤلفه ماندگاری بتن در مدت زمان طولانی است. سازه‌های بتنی اگر چه مقاومت فیزیکی بالایی دارند؛ اما باید برای کارکرد مفید در مدت زمان طولانی نیز طراحی ‌شده باشند. در گذشته مقاومت بتن معیار ارزشمندی بود. مهندسین برای هر چه محکم‌تر کردن سازه‌های بتنی تلاش می‌کردند. اما با گذشت زمان و کهنه شدن سازه‌ها چالش‌های دیگری مطرح شد. چالش فرسایش محیطی که ماهیت کاربردی سرسخت‌ترین سازه‌های بتنی را تهدید می‌کرد.

این موضوع باعث شده که حالا در دنیای مهندسی عمران به موازات مقاومت برای پایایی و دوام بتن نیز برنامه‌ریزی کنیم. در این مقاله از متسل موتور جستوی تخصصی صنعت ساختمان به عوامل مؤثر بر پایایی بتن پرداخته و سعی می‌کنیم تا کلیاتی تخصصی از این موضوع کلیدی را مطرح کنیم.

دوام بتن

دوام بتن چیست؟

دوام بتن معیار ماندگاری بتن تحت شرایط کاربردی است. لزوماً هر ساختمان بتن قدیمی دوام مناسبی ندارد. زیرا ممکن است آن سازه حالا قابلیت کاربردی خود را از دست داده باشد. لزوماً دوام بتن تا زمانی است که سازه می‌تواند اهداف طراحی و کاربردی خود را پاسخگو باشد.

برای آغاز بررسی‌مان به تعریف جامعی از دوام و پایایی بتن نیاز داریم. لذا به مستندات کمیته 201 انستیتوی بتن آمریکا (ACI) رجوع می‌کنیم. طبق تعریف این کمیته دوام بتن مقدار مقاومت بتن در برابر عوامل مخرب محیطی مانند هوازدگی، حملات شیمیایی، سایش‌ها و یا هر نوع فرایند فرسایشی دیگر است. این عوامل مخرب تحت بار سنگین باعث تخریب بتن نمی‌شوند. بلکه در یک جریان پیوسته ولی آهسته و به ‌مرور زمان بتن را تخریب کرده و از کیفیت و کارایی آن می‌کاهند. به شکلی که بتن تخریب شده تحت تأثیر این عوامل فرسایشی دیگر نمی‌تواند کارایی اولیه خود را داشته باشد.

دوام بتن مقوله‌ای متفاوت از مقاومت بتن است. لزوماً مقاوم‌ترین بتن‌ها بادوام‌ترین آنها نیستند. اما بتن ایده‌آل برای مقاومت عالی و دوام طولانی طراحی شده‌ است. البته هیچ مصالح ساختمانی ذاتاً با دوام نیست. به هر حال در اثر عوامل فرسایشی کارایی خود را از دست می‌دهد. با این حساب منظور از دوام و پایایی بتن مدت دوره کارکرد مفید بتن است. این در حالی است که می‌توانیم با کنترل عوامل فرسایشی مدت زمان این دوره را افزایش دهیم. اما منطقی‌تر آن است که در ابتدای ساخت سازه‌های عمرانی از بتن‌ها با قدرت و قابلیت دوام بالاتری استفاده کنیم. اگر هم دوست دارید بدانید که بتن خوب چه ویژگی‌هایی دارد این مقاله ما را از دست ندهید.

اهمیت دوام و پایایی بتن در چیست؟

برای طراحی سازه‌های عمرانی مؤلفه‌های کلیدی بسیار زیادی مانند خواص مکانیکی، هزینه و قیمت ساخت سازه، بهره‌مندی از ویژگی‌های مدرن و خواص خاص و... مطرح است. دوام و پایداری مصالح ساختمانی نیز از دیگر نکات کلیدی هستند.

بیشتر توجه دوام و پایایی بتن در موضوعات اقتصادی و اجتماعی است. به هر صورت سازه‌های عمرانی باید تا سال‌ها مورد استفاده مفید قرار بگیرند. در این صورت هزینه تعمیر، بازسازی، نگهداری و حتی جایگزینی سازه‌ها بسیار زیاد است. همواره تخریب سازه در اثر ماندگاری کم و فرسایش زیاد باعث هزینه‌های سنگین است. تخمین زده می‌شود که بیش ‌از 40 درصد منابع صنعت ساختمان‌سازی صرف تعمیرات و بازسازی ساختمان‌های قدیمی شده ‌است.

قطعاً جایگزینی سازه‌ها بسیار پرهزینه و حتی غیرممکن است. لذا به مؤلفه‌های کلیدی مانند پایایی و دوام بتن نیاز داریم. چرا که با استفاده از تکنیک‌های دوام بتن می‌توانیم طول عمر مفید و کاربردی سازه‌های عمرانی را افزایش دهیم.

اما بحث کلیدی‌تر طراحی سازه‌هایی است که تحمل شرایط سخت کار پروژه را داشته باشند. سازه‌های آبی، هر نوع مخزن نگهداری انواع مواد شیمیایی، طراحی سازه‌ها در مناطق خیلی سرد، طراحی سازه‌ها در راکتورهای تحت فشار و یا طراحی استراکچر نصب سازه‌های سنگین و... از جمله قابلیت‌های کاربردی است که در تمامی آنها به بهره‌مندی از یک سازه مقاوم و ماندگار نیاز داریم. نکته‌هایی که تماماً با استفاده از تکنیک‌های دوام بتن امکان‌پذیر هستند.

دوام و پایایی بتن

عوامل فیزیکی تأثیرگذار بر دوام بتن چه هستند؟

دوام بتن اصطلاحاً کارآیی آن در طول مدت زمان طولانی است. در تمام این مدت بتن تحت تأثیر فرسایش دائمی قرار دارد. اما دامنه این فرسایش آنچنان نیست که کارایی بتن را تحت تأثیر قرار دهد. ولی عوامل فیزیکی و محیطی متنوعی وجود دارد که همگی باعث فرسایش بتن می‌شوند. مانند:

  • هر نوع فرسودگی سطحی و ترک خوردگی: این فرسودگی‌ها ممکن است به ‌علت تماس دائمی بتن با انواع نمک‌ها اتفاق بیافتد. گاهی نیز مواجه شدن با آب‌وهوای خیلی سرد و یا خیلی گرم و یا دوره‌های یخ‌زدگی و حتی تنش‌های شدید دمایی باعث فرسودگی و ترک خوردن سطح بتن می‌شود.
  • مواجه شدن با هر نوع مواد شیمیایی زیان‌آور: مواجه شدن دائمی با مواد شیمیایی خطرناک است و مسیر فرسایش بتن را تسریع می‌کند. این مواد می‌توانند محلول‌های اسیدی، محلول‌های سولفاتی، قلیایی و یا ترکیبات رادیواکتیو باشند. حتی جریان آب نیز می‌تواند عامل مخرب محیطی باشد.

عوامل مخرب بتن متنوع هستند؛ اما باید بتوانیم از بتن در مقابل این عوامل محافظت کنیم. بنابراین به تکنیک‌های دوام بتن نیاز داریم. در ادامه به تشریح عوامل مؤثر بر دوام بتن می‌پردازیم.

کنکاش در عوامل مؤثر بر فرسایش بتن

در اغلب موارد برای بررسی دامنه فرسایش بتن و دلیل آسیب‌دیدگی‌ها به اطلاعاتی از تاریخچه سازه‌ها نیاز داریم. چرا که شبیه‌سازی ترکیب در حالت درازمدت امکان‌پذیر نیست. اما به‌هرحال به‌ ندرت آسیب‌دیدگی بتن به‌ علت یک نوع فرسایش منحصر به ‌فرد است.

علت‌های فیزیکی و شیمیایی بسیار زیادی وجود دارند که همگی آنها در کنار هم باعث فرسایش و تخریب بافت بتن می‌شوند. حضور این علت‌ها گاهاً پیچیده و پر از تداخل است. تا جاییکه اغلب موجب تشدید یکدیگر می‌شوند. این شرایط تا جایی چالش ‌برانگیز است که حتی نمی‌توانیم علت فرسایش را از معلول تفکیک کنیم.

در بررسی عوامل مؤثر بر فرسایش بتن باید رویکرد سیستماتیک داشته باشیم و بتوانیم این عوامل را به ‌صورت تک‌به‌تک بررسی کنیم. لذا مهم است که پدیده‌های فیزیکی و محیطی را در کنار هم بررسی کرده و اثر مخرب آنها را در شرایط تداخلی بررسی کنیم.

روش‌های مؤثر در بهبود دوام بتن

بتن خوب فی‌نفسه ساختاری مقام و ماندگار است. چنین بتنی به ‌خوبی می‌تواند شرایط نامساعد محیطی را تحمل کند. اما عوامل محیطی قدرت‌های پایداری هستند که آهسته و پیوسته در طول زمان بتن را تخریب می‌کنند. شرایط اقلیمی و یا مواجه شدن با برخی ترکیبات شیمیایی باعث تخریب و تجزیه تا فروپاشی بتن‌های ضعیف می‌شوند. این عوامل از قبیل موارد زیر هستند.

  • اثرات آب‌وهوایی
  • یخ زدن و آب شدن
  • تر و خشک شدن متناوب
  • تغییرات دمایی
  • فعل‌وانفعالات شیمیایی

برای بررسی تک‌به‌تک این عوامل آزمایش‌های متعددی انجام می‌شود. در این آزمایش‌ها قرار است تا به بررسی خواص مکانیکی و فیزیکی بتن پرداخته تا در نهایت مقدار ماندگاری آن در مقابل شرایط سخت محیطی را بررسی کنیم. عوامل مؤثر بر پایایی بتن به‌ قرار زیر هستند.

  • خواص فیزیکی بتن سخت شده
  • نوع مصالح ساختمانی تشکیل ‌دهنده بتن
  • روش‌های به ‌کار رفته جهت تولید و فرآوری بتن

در عین ‌حال برای بررسی دوام و پایایی بتن مؤلفه‌های دیگری نیز مورد توجه قرار می‌گیرند که به ‌قرار زیر هستند:

  • استفاده از مصالح ساختمانی سالم و مرغوب برای ساختن بتن
  • پایین نگه‌داشتن نسبت آب به سیمان
  • مخلوط شدن مناسب مصالح و ساخت بتن به شکل اصولی
  • عمل‌آوری صحیح بتن
  • کنترل درصد حباب هوا در داخل بتن که نباید بیشتر از 6 درصد باشد.
  • بررسی و ارزیابی دوام بتن که با مطالعه خواص ارتجاعی، خمیری و حرارتی آن انجام می‌شود.

اگر چه عوامل محیطی متنوعی در تخریب بتن تأثیرگذار هستند؛ اما بدون تردید آب در تمامی مخاطرات بتن دخالت دارد. نفوذ آب در ساختار متخلخل بتن دامنه تخریب آن را به ‌شدت افزایش می‌دهد. لذا در بررسی دوام بتن به بررسی خواص آب و تأثیر مخرب آن بر روی اجسام متخلخل می‌پردازند. در این‌باره بررسی عوامل کنترل‌کننده تراوایی خمیر سیمان، سنگدانه‌ها و بتن از اهمیت بالایی برخوردار است.

دوام بتن

مشاهدات و مستندات از دوام و پایایی بتن

بررسی چند نکته به درک بهتری از عوامل مؤثر بر پایایی بتن می‌انجامد. این مشاهدات و مستندات به ‌قرار زیر هستند.

  • آب مهمترین و مخرب‌ترین عامل محیطی است که در عموم فرسایش‌های دائمی بتن تأثیرگذار است. همچنین آب عامل اصلی در فرایندهای فیزیکی تخریب اجسام متخلخل مانند بتن می‌باشد. از طرفی آب می‌تواند عامل انتقال یون‌های مهاجم باشد که در تخریب و فرسایش شیمیایی بتن تأثیرگذار است. لذا هر اندازه بتن ساختار متراکم‌تری باشد، می‌تواند در مقابل اثر مخرب و فرسایش آب مقاومت کند.
  • هر نوع حرکت آب در داخل اجسام متخلخل را اصطلاحاً نفوذپذیری می‌گویند. لذا در بررسی دامنه تخریب مقدار نفوذپذیری ماده شیمیایی را بررسی می‌کنند. به ‌این ‌ترتیب میزان آسیب‌دیدگی در سطح بتن و یا عمق بتن در اثر رسوخ مواد شیمیایی بررسی می‌شود.
  • بررسی آسیب‌دیدگی تحت تأثیر نوع و غلظت یون‌های محلول در آب و یا دیگر ترکیبات شیمیایی انجام می‌شود. از نگاه شیمیایی بتن ترکیبی بازی است. چرا که محصولات ناشی از هیدراتاسیون خمیر سیمان پرتلند از سری ترکیبات قلیایی کلیسمی هستند. بنابراین طبق مشاهدات انجام‌ شده، هر نوع جریان سیالات اسیدی مانند آب‌های اسیدی باعث فرسایش و تخریب بافت بتن می‌شود.

چرا آب عامل اصلی آسیب‌رسان در دوام بتن است؟

آب، اصلی‌ترین دشمن بتن است که در درازمدت به ‌راحتی آن را تخریب کرده و حتی کاملاً از بین می‌برد. هر نوع آب اعم از آب دریا، آب زیرزمینی، رودخانه‌ای، دریاچه‌ای، باران، برف و حتی بخار و... تأثیر مخربی دارند. البته دامنه‌ی تخریب آنها با یکدیگر متفاوت است. در هر صورت آب سیالی با سطح چگالی کم است که از مولکول‌های کوچکی برخوردار است. مولکول‌های آب به ‌راحتی می‌توانند در هر منفذ و یا حفره بسیار ریز نیز نفوذ کنند.

آب حلال بسیار قدرتمندی است. مواد شیمیایی و معدنی بسیار زیادی به ‌راحتی در آب حل می‌شوند. به ‌این ‌ترتیب یون‌ها و گازهای مخرب بسیار زیادی می‌توانند در آب حل شده و همراه آن در تمامی منافذ و حفره‌های باریک سطح و حتی عمق بتن نفوذ نمایند. این اتفاق باعث تخریب و تجزیه بافت شیمیایی بتن می‌شود.

از طرفی لازم است توجه کنید که آب از گرمای تبخیر بسیار بالایی برخوردار است. لذا مادامیکه ترکیبات شیمیایی را با خود حمل می‌کند، پس ‌از مدتی کوتاه تبخیر شده و تمام این ترکیبات شیمیایی را بر سطح و عمق بتن باقی می‌گذارد.

از طرفی حرکات داخل آب در اجسام متخلخل باعث تغییرات حجمی شده و در گسیختگی بتن تأثیرگذار است. برای مثال آب به ‌راحتی در تمامی حفره‌های بتن نفوذ کرده و در آنجا باقی می‌ماند. در اثر هوای سرد یخ ‌زده و حجم آن زیاد می‌شود. این تغییر حجم بر اثر یخ زدن به جداره‌های باریک حفره‌ها فشار وارد کرده و باعث ایجاد ترک و یا تخریب بافت بتن می‌شود.

با در نظر گرفتن این عوامل مطرح‌ شده می‌توانیم آب را به ‌عنوان مهمترین عامل محیطی تخریب بتن معرفی کنیم. عاملی که نه تنها خود زمینه‌ساز تخریب بتن است؛ بلکه با انتقال ترکیبات شیمیایی می‌تواند در دوام و پایایی بتن تأثیر نامطلوبی داشته باشد.

چگونه از بتن در مقابل نفوذ آب محافظت کنیم؟

جلوگیری از نفوذ آب یکی از اصلی‌ترین اقدامات در راستای پایایی و دوام بتن است. در نظر داشته باشید که خود آب از مهمترین متریال‌های ساخت بتن می‌باشد. از آب برای تهیه خمیر سیمان و احاطه شدن ذرات شن و ماسه استفاده می‌شود. اما آب مرحله ساخت پس‌ از مدتی تبخیر شده و یا همراه ملات سیمان جذب بتن می‌شود. این آب بخشی از ساختار بتن است. اما پس ‌از تبخیر منافذ سطح و عمق بتن به ‌صورت خالی و یا اشباع نشده باقی می‌ماند.

به هر صورت هر حجم بتن که پس ‌از سخت شدن، آبی در داخل آن باقی نمانده باشد و یا با قرار گرفتن در شرایط محیطی منافذ آن مجدداً اشباع نشود، بتن مقاوم و پایداری است که در مقابل رویدادهای مخرب وابسته به آب آسیب‌پذیر نخواهد بود. شرط این ویژگی بهره‌مندی از بتن متراکم با کمترین حباب‌ها و منافذ است. برای این منظور از عملیات ویبره زنی بتن استفاده می‌کنند تا در نهایت به حجم بتن کاملاً همگن، منسجم و عاری از حباب رسیده باشند.

برای بررسی عامل مخرب نفوذ آب مؤلفه‌ای را با عنوان ضریب تراوایی K معرفی کرده‌اند. این ضریب معرفی مقدار نفوذناپذیری بتن است. در اصل به هر نوع نفوذ مایعات به داخل اجسام جامد قابلیت تراوایی گفته می‌شود. لذا در بررسی مواد جامد با ضریب تراوایی (K) سروکار داریم.

ضریب تراوایی بتن در مقابل نفوذ آب و بخار آب بسیار زیاد است. لذا در کل برای انجام آزمایش‌های تعیین ضریب تراوایی از عامل آب بدون هوای محلول استفاده می‌کنند. البته در نظر داشته باشید که ضریب تراوایی (K) بتن در مقابل انواع آب‌ها، انواع یون‌های محلول در آب‌ها و انواع ترکیبات شیمیایی متفاوت است.

تراوایی خمیر سیمان

در خمیر سیمان اندازه و پیوستگی منافذ در هر نقطه حین فرایند هیدراسیون، مقدار ضریب تراوایی را کنترل می‌کند. در اصل آب مخلوط به روش غیرمستقیم مسئول تراوایی خمیر سیمان است. چرا که مقدار آب بیانگر کل فضاهای خالی است که پس ‌از هیدراتاسیون بتن باقی می‌ماند.

ضریب تراوایی خمیر سیمان در حدود ۱۰-۵ سانتی‌متر بر ثانیه است. در حین مراحل هیدراتاسیون که ضریب مویینگی کاهش پیدا می‌کند، از مقدار ضریب تراوایی نیز کاسته می‌شود. البته آهنگ کاهش ضریب تراوایی (نفوذپذیری) متناسب با آهنگ کاهش اثر مویینگی بتن نیست. تا جاییکه وقتی مقدار تخلخل مویینگی به کمتر از مقدار ۳۰ درصد می‌رسد، اتصال زنجیری میان منافذ بتن به مقدار قابل ‌توجهی کاهش پیدا کرده ‌است. لذا از این به بعد با افت محسوس در کاهش ضریب تراوایی بتن برای افزایش دوام و پایایی بتن روبرو نیستیم.

به ‌طور کلی برای ضریب تراوایی بتن (نفوذپذیری خمیر سیمان) یک دوره زمانی ۲۸ روزه را در نظر در می‌گیرند. جدول زیر معرف این دوره است.

سن بتن (روز)

ضریب تراوایی (ضریب نفوذپذیری آب) cm/sec10-11

تازه

20000000

5

4000

6

1000

8

400

13

50

24

10

28 و بالاتر

6 و کم‌تر

 

از نگاه کلی وقتی نسبت‌ آب به سیمان زیاد است و درجه هیدراتاسیون کم است، خمیر سیمان تخلخل مویینگی بسیار زیادی دارد. چنین بتنی دارای منافذ بزرگ و کاملاً متصل به یکدیگر است. لذا قدرت نفوذپذیری آب در داخل این بتن زیاد است. اصطلاحاً ضریب تراوایی آن زیاد است.

دوام و پایایی بتن به کنترل و حتی کاهش ضریب تراوایی بتن بستگی دارد. یکی از روش‌های کنترل نسبت آب به سیمان است. با این کار می‌توانیم در پروسه سخت شدن بتن و افزایش سرعت کاهش ضریب تراوایی تأثیرگذار باشیم. عامل دیگر عمل‌آوری خوب بتن است. اگر مصالح ساخت بتن به ‌خوبی در یکدیگر مخلوط شوند، حجم نهایی بتن متراکم شده و ضریب تراوایی آن کاهش محسوسی دارد.

اما عامل نهایی بهره‌مندی از روش‌های حباب‌گیری بتن می‌باشد. برای این منظور از عملیات ویبره زنی بتن استفاده می‌کنند. ویبره زنی باعث خارج شدن حباب‌ها، پر شدن تمامی حفره‌ها و بسته شدن تمامی فضاهای مویینگی داخل بتن می‌شود. لذا بتن متراکم‌تر شده و قابلیت نفوذ ناپذیری آن افزایش پیدا کرده، از مقدار ضریب تراوایی آن کاسته شده و در نهایت کمتر تحت تأثیر عوامل فرسایشی قرار می‌گیرد. به ‌این ‌ترتیب دوام و پایایی بتن به ‌طرز چشمگیری افزایش پیدا می‌کند.