ترک خوردگی و کنترل عرض ترک از جمله مسائلی است که در سال های اخیر مورد توجه قرار گرفته است. این مشکل در دهه گذشته مورد توجه و بحث بیشتری از جانب طراحان، محققان، پیمانکاران و افرادی که با بتن سروکار داشته اند، قرار داشته است.
تمام موارد ذکر شده در مورد محاسبات عرض ترک ممکن است این باور را در ما تداعی کند که برآورد صحیحی از عرض ترک می تواند تمام مشکلات و خرابیها را علاج نماید. هیچ چیز نباید از این واقعیت به دور باشد که محاسبه عرض ترک یک موضوع مهم طراحی است اما یک طراح ممکن است خیلی سریع و براساس اعتماد زیاد به محاسبات عرض ترک جهت کنترل، مایوس و نا امید شود.
ترک در بتن به دلیل بروز تنش های کششی بالاتر از ظرفیت بتن رخ می دهد. اما گاهی اوقات ممکن است وقوع تنش های کششی نشانه ای از منبع دیگری از تنش های خمشی باشد. تنش های خمشی تنها دلیل وجود تنش های کششی در بتن می باشد. راه حل این مشکل پیش تنیدگی کامل است. انواع دیگری از تنش های کششی نیز وجود دارد. بنابراین منطقی است که بتن تحت تاثیر تنش های برآورد شده نباشد و ممکن است ترک ها واقعا به علل دیگری از انواع تنش ناشی شده باشند.
یکی از متداول ترین ترک خوردگی سازه های بتنی، مسلح نبودن سازه در نقاطی است که تنش کششی مشخصی که قابل یا غیر قابل پیش بینی باشد رخ می دهد. دلیل دیگر، نقایص قابل چشم پوشی در کیفیت ساخت بتن می باشد که باعث بروز ترک های پلاستیک می شود.
در بتن، ریشه بیشتر عیوب و ترک ها قبل از سخت شدن و بارگذاری بتن ایجاد می شود. نقایص و خرابی های پیاند آن که در بتن ایجاد می شود و در ابتدا یا اوایل عمر بتن رخ می دهد را نمی توان بعد از گیرش و سخت شدن و بارگذاری بتن اصلاح نمود. اگر تاکنون ترک قابل روئیتی در بتن نمایان نشده بادش، در صورتی که بتن ضعیف باشد در مقابل شکاف های تعمیر نشده بسیار آسیب پذیر بوده و به تبع آن آرماتور گذاری نیز نمی تواند به سازه کمکی کرده وو محاسبات بلا استفاده خواهد بود.
برای محافظت در مقابل این ترک ها ابتدا باید بهترین بتن را شناخت. بتن یک ماده ترکیبی ذاتا ناهمگن و چند حالته می باشد. در کاربرد مهندسی، ما رفتار بتن را در ساده ترین سطح و کمی بهتر از علوم قدیمی تفسیر می کنیم. دانسته ها در مورد سازه های کوچک بتنی و تئوری های جمع آوری شده در خصوص توزیع ترک و شکستگی در سال های اخیر به سرعت افزایش یافته است. واضح است که ترک های ریز که از دید پنهان هستند کلید شناخت رفتار ترک در بتن می باشند، همانند خصوصیات دیگر که به مقاومت و تغییر شکل وابسته هستند.
ترک های موئی، درزهای بسیار ریز و ذاتی در بتن هستند که به دلیل ناهمگن بودن بتن بوجود می آیند. این ترکها در بتن پس از زمان بارگذاری و یا مدت زمان ظاهری رسیدن به مقاومت مکانیکی ظاهر می شوند. ترک ها به اندازه ای باریک هستند که هم استفاده از تئوری الاستیک را به طور کامل باطل می کنند و هم این فرض طراح را که مصالح همگن و ایزوتروپیک هستند. بعضی از ترک های مویی ممکن است در حین هیدراته شدن سیمان و بواسطه ته نشین شدن کریستال ها به صورت کامل و یا جزئی بهبود یابند. اما این راه حل همه مشکلات نمی باشد. در واقع ممکن است که این کریستال ها باعث ایجاد یک منطقه با پتانسیل شکستگی در سرتاسر ترک بشود. همچنین ممکن است که ترک های مویی که قبل از سخت شدگی بتن توسعه یافته اند باعث ایجاد منبعی از خرابی های ناشی از ترک خوردگی در عمر سرویس سازه شوند.
جلوگیری از تغییر شکل آزاد در هنگام سخت شدن بتن، انقباض خمیری، نشست خمیری و غیره دلایل عمده ترک های تصادفی و با عواملی غیر از بارگذاری می باشد. ترک در بتن به صورت دیگری نیز می تواند رخ دهد. هنگامی که بتن تازه است بواسطه تمایل بتن به جمع شدگی، ناشی از محو شدن رطوبت و تغییر دما، بتن دچار ترک می شود. دلایل دیگر ترک شامل نشست های متفاوت در سنگدانه ها و قرار گرفتن بر روی موانعی از قبیل سنگدانه های درشت یا قطعات فولادی می باشند. بعلاوه تراکم ناقص بتن می تواند باعث ایجاد حفره هایی شبیه لانه زنبور شود.
کیفیت نامطلوب ساخت بتن باعث بروز بیش از حد ترک های مویی می شود (که به سرعت به ترک های قابل روئیت تبدیل می شود) که فرض آشکار نشدن آنها برای مدت طولنی ممکن است نادرست باشد، با این حال به زودی آشکار می شوند. همه آنها زمانی نمایان می شوند که بتن در معرض سرویس دهی قرار گیرد و یا عمل آوری بتن پایان یابد. شرایط محدود کننده و نامساعد خیلی زود باعث بزرگ شدن خرابی می شود تا بتوان آنرا دید و به آن اندیشید. آنالیز پس از وقوع حادثه اغلب علت اصلی را نادیده می گیرد.
واقعیت این است که مقاومت کششی بتن به آرامی افزایش می یابد و بتن در ابتدای عمر خود کاملا در مقابل ترک خوردگی آسیب پذیر است. وجود نقص در اختلاط بتن، بتن ریزی و عمل آوردن آن و غیره و مخصوصا شرایط محیطی معکوس و نامناسب (باد و سرما و گرما) عواملی هستند که خرابی ها را تشدید می کنند. حتی اگر بواسطه ترک های مویی، ترک های قابل روئیت در بتن آشکار نباشند، مقاومت کششی بتن سخت شده ممکن است بسیار کمتر از حد انتظار بوده و خرابی های شدیدی تحت تنش های کششی رخ دهد. واکنش های عرضی بین ترک های مویی موجود (ترکیب تصادفی) و ترک های متمایل به هم ناشی از بارگذاری باعث پراکندگی در الگوی ترک خوردگی شده و مشکلات بیشتر و سخت تری را در تشخیص علت ترک بوجود می آورد. قبل از اینکه ترک های جدید توسعه یابند، بتن سعی می کند از محل ترک های موجود حرکت کند و بنابراین الگویی از ترک را نمایش می دهد که ممکن است به صورت کاملا مجزا از ترک های سازه ای ناشی از بارگذاری ظاهر نشوند.
اصولا ترک در بتن تا قبل از سخت شدن می تواند به دو دلیل رخ دهد: تغییرات دما و انقباض و نشست خمیری. مکانیزم ترک های ناشی از تغییر دما بسیار ساده و سهل الفهم است. سیمان در زمان هیدراته شدن گرما آزاد می کند. هنگامی که دما افزایش می یابد بتن خمیری به همان ترتیبی که سرد می شود سخت می گردد. همزمان با این تغییر دما، بین بخش درونی و برونی بتن نیز اختلاف دما بوجود می آید. این عامل می تواند با شرایط محیطی تشدید شود. همچنین مقاومت در برابر تغییر شکل آزاد باعث ایجاد تنش کششی می شود (نه الزاما خمشی). به صورت مشابه، تنش های کششی که ناشی از مقید بودن در برابر تغییر شکل می باشد، ایجاد می شوند. واضح است که نرخ خشک شدن در سطوح بیرونی نسبت به سطوح درونی بیشتر و بزرگتر می باشد بنابراین تغییر شکل های نسبی متفاوتی در لایه های درونی بوجود می آید.
ترمیم ترک در کفپوش بتنی
تلاش هایی که در جهت کاهش تنش های ناشی از قیود و خطر احتمالی ترک خوردگی در بتن تازه انجام گرفته است، ممکن است یکسری مراقبت های مقدماتی را برای تهیه بتن خوب شامل شود. برای کاهش ترک های ناشی از تغییر دما، باید دمای قسمت درونی بتن پایین نگه داشته شود و راه های زیادی برای این کار وجود دارد. شناخته شده ترین این روش ها استفاده از ریشه گیاهان می باشد. سیمان منبع حرارتی واکنش هیدراسیون می باشد. بنابراین سیمان کمتر تغییر دمای کمتری ایجاد می کند. البته سیمان اصلی ترین منبع مقاومت نیز می باشد. لذا باید مقدار بهینه ای از سیمان استفاده شود تا بتوان به مقاومت و دوام مطلوب دست یافت. استفاده غیر بهینه از سیمان ممکن است باعث ایجاد بتن پر هزینه و قوی حتی قوی تر از حد نیاز شود. اما این کار هرگز به نفع ما نمی باشد. برای رسیدن به یک مقاومت خاص، سیمان بیشتر می تواند در یک محدوده مشخص کیفیت را تضعیف کند. گزارشی از ارزیابی سازه های بتنی حجیم در آمریکا بیان می کند که: فقط بتن های ترک نسبتا کمتری دارند که کم مایه تر باشند (کم ملات تر). شاید اختلاف دمای تنها نتواند توضیح خوبی برای مقاومت بهتر در برابر ترک در بتن کم سیمان باشد. مدول الاستیسیته پایین تر و فاکتورهای انقباض خشک شدگی به یک اندازه در مساله سهیم هستند.
قوانین ابتدایی بالا در خصوص تهیه بتن بهتر با سیمان کمتر ممکن است آنقدر شناخته شده باشد که بتون راحت بیان کرد. اما این تصور غلط باقی می ماند که:
استفاده از سیمان اضافی جهت جبران عدم کنترل کیفیت در حین اجرا
باید بر پیوستگی و دوام بتن بیشتر از مقاومت تنها تاکید نمود. همچنین باید بر میزان زبری، تمیزی سنگدانه ها از خاک و آشغال، نسبت آب به سیمان کم، تراکم مناسب و بتن ریزی در شرایط باد کم، گرما و سرمای کم و عمل آوردن مناسب دقت نمود. از همه بدتر اینکه مردم سیمان اضافه تری را به امید مقاومت بیشتر استفاده می کنند و غافل از اینکه کارگران بطور پپنهانی برای راحتی کار به آن آب اضافه می کنند. در حقیقت این عامل باعث ایجاد ترک با عوامل غیر بارگذاری می شود که بسیار اهمیت دارد و نهایتا باعث خرابی کامل در سازه می گردد. یک طراح که محاسبات زیادی در مورد عرض ترک انجام می دهد باید ابتدا مطمئن شود که طرح اختلاط بتن سازه به درستی انجام شده است، چرا که افزودن سیمان به تنهایی باعث کاهش کیفیت مورد انتظار در مورد رفتار ترک ها می شود.
در استفاده از سیمان بسیار نرم برای بتن های با درجه بندی نه چندان بالا احتیاط کنید. سیمان های مدرن با مقاومت بالا خیلی ریزتر از سیمان های نوع قبلی آسیاب می شوند. این نوع سیمان گرمای هیدراسیون را سریعتر آزادمی کند و خطر بروز گرادیان حرارتی را در اعضای بزرگتر افزایش می دهد. بنابراین هر کجا که رفتار ترک بسیار مهم است استفاده از سیمان های با مقاومت بالا ممکناست مورد توجه قرار نگیرد. برای جلوگیری از انقباض بیش از حد در اثر خشک شدن بتن بسیار مهم است که با مراقبت پیوسته از سطح بتن از خشک شدن سریع آن جلوگیری نمود. اعضای با ضخامت زیاد و یا آنهایی که در یک محیط نامناسب ریخته می شوند باید مراقبت بیشتری شوند. نمایش پیش از موعد بتن (قالب برداری زودتر از موعود) می تواند خطرات را افزایش دهد. برای کنترل انقباض ناشی از خشک شدن، بررسی اثر آب و نسبت اختلاط از نقطه نظر مقاومت در برابر ترک لازم می باشد.
همانگونه که قبلا بیان شد ترک های ناشی از نشست خمیری قبل از سخت شدن بتن رخ می دهد. این نوع ترک در بتن های ضعیف و در سطح بالای دال و تقریبا بالاتر از آرماتورها بوجود می آید. دلیل اصلی این ترک ها ممانعت از حرکت رو به پایین اجزای جامد توسط شبکه آرماتورها می باشد. ناهماهنگی در طرح اختلاط بتن، بتن ریزی و شیوه متراکم نمودن و آرایش آرماتور گذاری باعث ایجاد خرابی می شوند. این مشکلات را می توان تا قبل از اولین نشست بتن و بوسیله ویبره نمودن مجدد کنترل نمود (این ترک ها از بالا شروع و به شمت پایین حرکت می کند و گاهی در مسیر موانع همانند آرماتورها می باشد). این ترک ها زماین رخ می دهد که نرخ تبخیر سطحی بیشتر از نرخ بیرون زدگی آب از سطوح درونی باشد. ماله کشی، ترک های ناشی از نشست خیری را و ویبراسیون مجدد ترک های انقباض خمیری را کاهش می دهد اما مقدار ترک خوردگی ناشی از نشست خمیری را افزایش می دهد.
فرض توزیع یکنواخت تنش در کل عرض موثر بال تحت فشار یک تقریب است. لیکن این تقریب نه تنها مشکلی را ایجاد نمی کند بلکه خطای قابل ملاحظه ای را هم ایجاد نمی نماید. خطاهای بزرگ در جزئیات بوقوع می پیوندند، هنگامی که طراح امکان وجود ضربه های مهم و ممکن را بطور ذهنی رد و باعث تقریب ذاتی در تحلیل و طراحی خود می شود. با وجود ابزارهای سفسطه بافی در تحلیل ریاضی، محاسبات برای جزئیات یک سازه تنها راه ممکن نخواهد بود، مگر آنکه تصمیمات وابسته به طراحی توسط یک قضاوت مهندسی براساس رفتار عملی سازه کنترل و تکمیل شوند. تلاش های ظریف و ماهرانه ممکن است به بروز ترک های بد نما و زشت، اگر فاجعه نباشد، خاتمه دهد. این درس چندین بار مسیر سختی را قرن ها به ما آموخته است. تمام درخشش ریاضیات در طرح پل اول TACOMA NARROWS نتوانست آنرا از شکست ناشی از ناپایداری آیرودینامیکی محافظت کند. کم دقتی های خیلی جزئی در هندسه که در تحلیل در نظر گرفته نمی شوند موجب شروع خرابی در پل های بزرگ می شوند. افزون بر همه این مطالب، تنش هایی ناشی از اختلاف درجه حرارت وجود دارند که خود وجود دقت پایین را پیشگویی می کنند. وجود یک شخص ماهر و قوی در طرح جزئیات که درک کاملی از جریان تنش در سازه داشته باشد و با درکی مناسب و میدانی از تجربه های خود آموخته تکمیل باشد می تواند در اجرای عملی و طراحی کارآمدی برای سازه بسیار عالی کمک کند.
در بعضی از پل های بتنی اخیر، بعضی از ترک های نامشخص که بواسطه تنش های کششی ایجاد شده بود در طراحی نادیده گرفته شد. عوامل اصلی در این حالت تغییرات دما شناخته شده است. لئون چارتز نمونه هایی از ترک های غیر منتظره سخت در جان تیرهای جعبه ای را که بواسطه توزیع غیر یکنواخت دما و تنش های پیامد آن ایجاد شده بود را گزارش داده است. پریستلی در مورد ترک خوردگی شاهتیرهای جعبه ای پیش تنیده یکی از راه های شهری پلی در نیوزلند صحبت کرد که بواسطه تنش های حرارتی بوجود آمده است. مشخص شد که همه این ترک ها وابستگی شدیدی به دمای محیط و اشعه های خورشیدی دارند. نادیده گرفتن این تنش ها همانگونه که در طراحی های قبلی انجام شده است نمی تواند یک خطای بزرگ باشد. در حالی که این تنش ها ممکن است از قبل محاسبه شده باشد، ترک خرودگی بتن بواسطه آنها قابل اجتناب نمی باشد مگر در اعضای لاغر. بهترین شرط برای نواحی بحرانی ترک این است که فاصله بین میلگردهای با قطر کمتر را محدودتر نمود. این حالت ترک های بیشتر اما با عرض های کمتر را باعث می شود. در اینجا نیز کنترل کیفی ساخت بتن می تواند کمک بزرگی در محدود کردن ترک ها باشد.
درجه بندی مناسب در خصوص مشکلات ترک خوردگی در حالتی که طراحی سازه بطور مناسبی صورت گرفته باشد و اگر در اجرا درست باشد، وجود خواهد داشت (یعنی شستن سنگدانه ها، استفاده از آرماتورهای زنگ نزده، ترکیب مناسب سنگدانه ها، آب و سیمان، اختلاط کافی، جابجایی، ریختن و تراکم و عمل آوردن مناسب، اطمینان از فرم های صلب و کارهای غلط، کار در محدوده دمای مناسب، دوری از گرمای زیاد و سرمای زیاد و وزش باد و ...). همچنین مصالح مصرفی فاقد خاک و اشغال، خشک و جاذب آب نباشد، دانه بندی خوب، عاری از مصالح واکنشی که فعالیت های شیمیایی با سیمان انجام دهد، یا بتواند رماتورها را مورد حمله قرار دهد (حمله کلریدها جهت زنگ زدگی، انبساط، ترک و نهایتا خرد شدن بتن) و غیره و استفاده از تیپ مناسب سیمان (سیمان تیپ معمولی، تیپ ضد سولفات، تیپ با قلیایی پایین، تیپ روباره و ... به گونه ای که مناسب با شرایط باشد) با مواد خمیری مناسب، دیرگیر یا زودگیر مناسب و حداقل درصد آب به سیمان، استفاده از حداقل سیمان مناسب (مناسب برای شرایط ویژه و نیازهای نشست پذیری) و آب با کیفیت مناسب، نیز مهم می باشد. علاوه بر این مسائل، اگر سازنده خبره و مطلع باشد احتیاط های لازم را جهت مقابله با ترک های انقباض خمیری (کنترل رو آمدن آب، ویبره مجدد و ...) و ترک های حرارتی (دوری از افت دما در مجاورت بتن، سرد کردن مصالح، آرماتورها، سیمان و آب، پوشش بتن، استفاده از سیمان های با گرمای کم و نه چندان نرم و ...) به هر صورت یکه انقباض تحمیلی به بتن کاهش یابد، انجام می دهد.
پیش از اینکه محاسبات بتواند از ترک ها جلوگیری کند سازنده می تواند این کار را انجام دهد. سازنده باید مواظب باشد که فاصله بین میلگردهای کششی اصلی در اعضای نازک بیشتر از 15 سانتی متر نباشد.
در هر صورت سازه های بتنی ممکن است در اثر همه ی عواملی که بیان شد دچار مشکلاتی شوند که از این رو می توان با استفاده از تکنولوژی هایی که در عرصه صنعت ساختمان توسط مهندسان و کارشناسان این عرصه تهیه و تولید صورت گرفته می توان از مواردی به عنوان ترمیم کننده های بتن که رسته و نوع های متفاوتی دارند استفاده نمود و پیشنهاد می گردد جهت هر نوع ترمیم و روش استفاده از این نوع متریال ها از دانش و تجربه های کارشناسان فنی شرکت کلینیک بتن ایران استفاده نمود.