خزش به صورت افزایش تدریجی کرنش با زمان برای یک تنش اعمالی ثابت، پس از در نظر گرفتن دیگر تغییر شکل های وابسته به زمان که مربوط به تنش نمی باشد مانند جمع شدگی یا تورم و کرنش حرارتی، تعریف می شود.
بنابراین، خزش از کرنش الاستیک حین بارگذاری محاسبه می شود که به نرخ اعمال تنش بستگی دارد به گونه ای که زمان اندازه گیری شده برای اعمال بار باید ذکر گردد. همچنین، از خزش بتن باید به عنوان کرنش اضافه بر کرنش الاستیک در زمان مورد نظر، در نظر گرفته شود. اما، تغییر کرنش الاستیک معمولا کوچک بوده و خزش از روی کرنش الاستیک در نخستین اعمال بار، حساب می شود.
شکل 3-7- ویژگی کلی کرنش- زمان یک مصالح بارگذاری شده در سن t0 و گسیخته شده بر اثر شکست خزشی در سن t
مانند دیگر مصالح مهندسی، بتن می تواند دچار یک گسیختگی وابسته به زمان گردد که به «گسیختگی خزشی» یا خستگی استاتیکی معروف می باشد. شکل 3-7 تاریخچه کلی کرنش- زمان چنین ماده ای را نشان می دهد. ابتدا نرخ بالایی از خزش اولیه وجود دارد و سپس نرخ ثابتی از خزش ثانویه، پیش از آنکه گسیختگی بعد از سومین مرحله خزش اتفاق بیفتد که با گسترش سریع کرنش قابل تشخیص می باشد. در مورد بتن، برای وقوع گسیختگی در فشار یا کشش، لازم است که تنش تقریبا از 6/0 تا 8/0 مقاومت کوتاه مدت تجاوز نماید. بتن اغلب به عنوان یک ماده ترد (شکننده) توصیف می شود، زیرا تحت کرنش های کوچک به راحتی ترک می خورد، اما در مورد گسیختگی خزشی می تواند پیش از گسیختگی، کرنش های بزرگی را تحمل نموده و هشدار زودهنگام را در مورد گسیختگی ناگهانی و فاجعه آمیز، از خود نشان دهد.
شکل 3-8، الگوی تنش و کرنش برای سرعت متغیر بارگذاری و میزان تنش تحملی که منجر به گسیختگی خزشی می شود را نشام می دهد. نتایج آزمایشگاهی واقعی که برای فشار توسط راسک (1960) و برای کشش توسط دومون (1974) به دست آمده اند نیز برای مقایسه ارائه شده اند. سرعت بسیار بالای بارگذاری، یک منحنی خطی تنش- کرنش با مقاومت بالاتر نسبت به آزمایش استاندارد معمولی را نتیجه می دهد (شکل 3-8 (a))، اما کاهش سرعت بارگذاری یا افزایش مدت زمان آزمایش، منحنی های غیرخطی را نتیجه می دهد که ناشی از خزش و ایجاد ترک ها با یک مقاومت پایین تر می باشد (گسیختگی خزشی). پوش گسیختگی خزشی بسته به نوع بتن و مدل بارگذاری، به یک حد ثابت بین 6/0 تا 8/0 مقاومت کوتاه مدت معمول، میل می کند.
شکل 3-8- اثر سرعت بارگذاری و سطح تنش تحملی بر منحنی های تنش- کرنش منجر شده به خزش وابسته به زمان بتن
با تنش های تحملی پایین تر از تقریبا 6/0 مقاومت کوتاه مدت، از گسیختگی خزشی جلوگیری شده و کرنش وابسته به زمان ناشی از خزش اولیه و مقداری خزش ثانویه برای مدت چندین سال، اتفاق می افتد. بسته به نوع مخلوط و عوامل دیگر، خزش بتن نگهداری شده به طور خشک می تواند بین 2 و 9 برابر کرنش الاستیک حین بارگذاری باشد که حدود 70% آن پس از یک سال قرار داشتن تحت بار، اتفاق می افتد.
شکل 3-9- مولفه های کرنش وابسته به زمان ناشی از (a) اعمال بار به بتن در حال خشک شدن و (b) حذف بار
چنانکه بیشتر بیان شد، تعریف خزش عبارت است از افزایش در کرنش برای یک تنش تحملی ثابت، و از نمونه های بتنی پس از مشاهده هرگونه جمع شدگی ناشی از خشک شدن (آزمایش شده بر روی یک نمونه جداگانه) و «کرنش الاستیک اولیه»، تعیین می گردد. شکل 3-9 (a)، اجزاء تشکیل دهنده کرنش را نشان می دهد. در مورد بتن آب بند شده که نشان دهنده بتن حجیم یا بتن با حجم بالا می باشد که در آن از دست رفتن رطوبت کم و یا صفر است، تنها «خزش پایه»، اتفاق می افتد، اما هنگامی که امکان خشک شدن بتن فراهم باشد، خزش اضافی ناشی از خشک شدن اتفاق می افتد، هرچند که جمع شدگی ناشی از خشک شدن از کرنش اندازه گیری شده، استنباط می گردد.
مقالات بیشتری را مطالعه نمایید
مجموع خزش پایه و خزش ناشی از خشک شدن گاهی اوقات «خزش کل» نامیده می شود. خزش یک پدیده تا حدی برگشت پذیر است. پس از حذف بار، یک «بازگشت الاستیک» فوری و تقریبا کامل از کرنش الاستیک اولیه وجود دارد که به دنبال آن یک کاهش تدریجی کرنش وجود دارد که «بازگشت خزش» نامیده می شود (شکل 3-9 (b)). این بازگشت به سرعت به مقدار حداکثر رسیده و کوچک می باشد، مثلا 1 تا 25 درصد خزش 30 ساله. بنابراین، خزش اغلب دارای ماهیت غیر برگشت پذیر می باشد. همانند جمع شدگی، خزش را می توان برحسب واحدهای مایکرو کرنش (6-10) بیان نمود، اما به دلیل وابستگی به تنش، خزش مخصوص (cs) اغلب با واحدهای 6-10 در MPa استفاده می شود. اصطلاحات دیگر عبارتند از «ضریب خزش» (φ) که گاهی اوقات عامل خزش نامیده می شود، و «سازگاری خزشی» (Φ).
ضریب خزش به صورت نسبت خزش به کرنش الاستیک حین بارگذاری و برای یک تنش واحد تعریف می شود:
(3-5) . = CsE × 103 (C_s/1)/(E×〖10〗^3 ) = Ø
که E ضریب الاستیسیته در سن بارگذاری می باشد (GPa).
سازگاری خزشی عبارت است از کرنش بار کل در واحد تنش (6-10 در MPa)، یعنی مجموع کرنش الاستیک در واحد تنش و خزش مخصوص به گونه ای که:
(3-6) . (1+ Ø) 1/(E×〖10〗^3 ) + Cs = 1/(E×〖10〗^3 ) = Φ
اثرات خزش از نقطه نظر دیگری نیز قابل تشخیص و درک می باشد. هنگامی که یک نمونه بتنی بارگذاری شده و سپس از تغییر شکل آن جلوگیری می شود، خزش خود را به صورت یک کاهش تدریجی تنش ی رهاسازی تنش با زمان نشان می دهد (شکل 3-10). رهاسازی در ارتباط با از دست رفتن پیش تنیدگی در بتن های پیش تنیده و پس تنیده و فرآیندهای ترک خوردگی، حائز اهمیت می باشد.
شکل 3-10- تعریف رهاشدگی بتن پس از زمان t-t0 ابتدا در معرض تنش P0 و کرنش e0 در سن t0، و سپس ثابت نگاه داشتن e0، ضریب ارتجاعی E=
دستگاه تعیین خزش برای هر نوع بتن در (1987) ASTM C512 و برای بتن شامل حباب هوا با بتن سبک در (1997) DS EN 1355 توصیف شده است. روش های جایگزین دیگر در منابع نویل و همکاران (1983) و نیومن و چو (2003) توصیف شده اند.
نظریه های بسیاری به منظور توضیح خزش بتن و خمیر سیمان سخت شده پیشنهاد شده است که به علت تعداد بسیار زیاد آنها، قابل ارائه در این مقاله نمی باشند. اغلب مورد توافق است که خزش در تنش های معمولی بر اثر حرکت داخلی آب جذب شده یا نگه داشته شده در داخل C-S-H ایجاد می شود، زیرا بتنی که کل آب قابل تبخیر از آن خارج شده باشد، خزش صفر یا کمی را از خود نشان می دهد، مگر آنکه دماهای بالا وجود داشته باشند. حرکت آب به محیط خارج برای وقوع خزش ناشی از خشک شدن، ضروری می باشد. اگر چه خزش پایه مربوط بهب تن آب بند شده یا بتن حجیم می باشد، اما اینگونه تصور می شود که حرکت داخلی آب به این دلیل اتفاق می افتد که همه حفرات پر از آب باقی نمی مانند. وابستگی خزش پایه به مقاومت دلیل غیر مستقیمی است مبنی بر آنکه حفرات خالی یا تا حدی خالی، یک عامل اساسی محسوب می شوند. همچنین خزش در دماهای بالا هنگامی روی می دهد که آب غیر قابل تبخیر، از بین برود و تصور می شود که این پدیده بر اثر حرکت آب بین لایه ای یا زئولیتی، جریان لزج یا لغزش میان ذرات ژلی اتفاق می افتد.
منبع خزش بتن، خمیر سیمان هیدراته بوده و سنگدانه با وزن معمولی و کیفیت خوب عامل خزش نمی باشد. برخی سنگدانه های سبک ممکن است دارای خزش باشند. اما، مانند جمع شدگی، نقش سنگدانه در خزش به صورت عامل مهمی است که دارای اثر مقید کنندگی خمیر سیمان را داشته و این اثر به علت سختی و ضریب الاستیسیته و تمرکز حجمی آن می باشد. رابطه میان ضریب الاستیسیته سنگدانه و خزش نسبی بتن در شکل 3-11 نشان داده شده است.
شکل 3-11- اثر ضریب ارتجاعی سنگدانه بر خزش نسبی بتن (=1 برای ضریب سنگدانه = GPa 60)
برای یک نسبت ثابت آب به سیمان، حجم خمیر سیمان یا کل سنگدانه در بتن، دارای اثر قابل ملاحظه ای بر روی خزش می باشد. با این وجود، در عمل، بتن های با کارآیی مشابه معمولا دارای مقادیر خمیر سیمان مشابهی هستند و در نتیجه تفاوت های خزشی در آنها زیاد نمی باشد. مثلا در بتن های با وزن معمولی که دارای نسبت های سنگدانه به سیمان برابر 9، 6 و 5/4 و نسبت های متناظر آب به سیمان 75/0، 55/0 و 40/0 می باشند، مقادیر خمیر سیمان به ترتیب عبارتند از 24، 27 و 29 درصد. از سوی دیگر، اگر مقدار خمیر سیمان ثابت باشد، مطابق شکل 3-12، افزایشی در نسبت آب به سیمان موجب افزایش خزش می گردد.
شکل 3-12- اثر نسبت آب به سیمان بر خزش نسبی (=1 برای نسبت آب به سیمان = 65/0)
شکل 3-13- اثر سن در زمان اعمال بار بر خزش نسبی (=1 برای سن = 7 روز)
شکل 3-14- خزش بتن عمل آوری شده در مه برای 28 روز، سپس بارگذاری و نگهداری شده در رطوبت های نسبی مختلف
از آنجا که خزش با نسبت آب به سیمان ارتباط دارد، انتظار می رود که با مقاومت نیز ارتباط داشته باشد. در حقیقت، مشخص شده است که در میان محدوده وسیعی از مخلوط های ساخته شده با مصالح مورد مشابه، خزش تقریبا به طور معکوس با مقاومت کوتاه مدت، خزش با تنش اعمال شده متناسب می باشد به گونه ای که با ترکیب این اثرات دوگانه، قانون نسبت تنش به مقاومت حاصل می شود یعنی اینکه خزش تقریبا متناسب است با نسبت تنش به مقاومت.
بنابراین از آنجا که مقاومت با سن افزایش می یابد، می توان انتظار ان را داشت که خزش با افزایش سن حین بارگذاری کاهش می یابد (شکل 3-13).
کار آزمایشگاهی بر روی نمونه های بتنی اشباع قرار گرفته در معرض هوای آزاد با رطوبت های نسبی مقاومت نشان می دهد که هر چه هوای محیط خشک تر باشد، خزش بیشتر می شود. شکل 3-14 این روند را نشان می دهد یعنی منحنی 100%، تقریب زننده خزش پایه بوده و خزش اضافی برای رطوبت های نسبی 75% و 50%، خزش ناشی از خشک شدن می باشد. اگر اجازه داده شود که بتن پیش از اعمال بار خشک شود، آنگاه خزش بسیار کمتر خواهد بود. اما فراهم نمودن امکان خشک شدن بتن پیش از موقع به منظور کاهش خزش، نادرست است، چراکه خطر ناکافی بودن عمل آوری و ترک خوردگی بر اثر جمع شدگی ناشی از خشک شدن مقید شده یا تفاضلی، وجود دارد
خزش بتن به صورتی مشابه روند جمع شدگی ناشی از خشک شدن، تحت تاثیر اندازه می باشد (شکل 3-6). با تعریف اندازه به صورت نسبت حجم به مساحت سطح قرار گرفته در معرض محیط (V/S) یا ضخامت موثر (=2V/S) که نشان دهنده طول متوسط مسیر خشک شدن می باشد، خزش کلی با افزایش نسبت حجم به سطح یا اندازه، کاهش می یابد (شکل 3-15). البته ین مولفه خزشی ناشی از خشک شدن است که تحت تاثیر قرار می گیرد، زیرا خزش پایه متاثر از اندازه نمی باشد. این حالت زمانی قابل مشاهده است که اندازه عضو بزرگ باشد (بتن حجیم)، یعنی هنگامی که هیچگونه انتقال رطوبتی به محیط اتفاق نیفتد و در عین حال خزش پایه اتفاق بیفتد. همچنین از شکل 3-15 مشخص می شود که اثر شکل عضو بتنی، یک عامل ثانویه در خزش بوده و قابل صرف نظر می باشد.
شکل 3-15- اثر نسبت حجم به سطح بر ضریب خزش بتن
شکل 3-16- اثر دما بر خزش پایه بتن
اثر دما بر خزش پیچیده بوده و کاملا شناخته شده نمی باشد، زیرا هنگامی که دمای بتن نسبت به زمان اعمال بار بالا می رود، این پدیده به زمان بستگی دارد. شکل 3-16 نتایج آزمایشگاهی مختلفی را برای بتن نگهداری شده در دمای بالا در اب نشان می دهد (خزش پایه). در مقایسه با خزش در دمای معمولی، حرارت دهی درست پیش از بارگذاری، خزش را تسریع می نماید و حرارت دهی درست پس از بارگذاری، یک مولفه اضافی به نام «خزش حرارتی انتقالی» را تولید می نماید. در مورد بتن در حال خشک شدن (خزش کل)، دمای بالا موجب افزایش هایی در خزش به صورتی مشابه می گردد، اما پس از از بین رفتن آب قابل تبخیر (بین تقریبا 80 و C°120)، پیش از افزایش مجدد، کاهشی در خزش به وجود می آید. در دماهای بسیار بالا، مانند آتش، خزش بسیار زیادی اتفاق می افتد که «کرنش حرارتی گذرا» نامیده می شود.
در صورتی که مقاومت در زمان اعمال بار تغییر نماید، نوع سیمان بر خزش اثر خواهد گذاشت. اگر نسبت تنش به مقاومت در سن بارگذاری یکسان باشد، اکثر سیمان های پرتلند منجر به خزش تقریبا یکسانی می شوند، اما ایجاد مقاومت در زیر بار، یک عامل محسوب می شود، یعنی برای یک ایجاد مقاومت بیشتر، خزش کمتر خواهد بود.
در صورت استفاده از مواد افزودنی معدنی ویژه مانند خاکستر بادی و سرباره کوره ذوب آهن به صورت ذرات ریز آسیاب شده به عنوان جایگزین بخشی از سیمان پرتلند، اثر اخیر آشکار می باشد. واکنش آهسته تر حاصل از مواد پوزولانی، اغلب منجر به ایجاد مقاومت دیرتری نسبت به حالت سیمان پرتلند می شود. شکل 3-17، روندهای کلی برای خاکستر بادی، سرباره کوره ذوب آهن، میکروسیلیس و متاکائولین را نشان می دهد که اساسا بر مبنای تحلیل نتایج داده های و اطلاعات منتشر شده قبلی می باشند.
شکل 3-17- روندهای عمومی خزش تحت تاثیر افزودنی های معدنی؛ خزش نسبتی در یک نسبت تنش به مقاومت ثابت از بتن حاوی افزودنی نسبت به بتن بدون افزودنی مورد نظر می باشد.
در این تحلیل، هرگونه تغییری در مقدار سنگدانه و نسبت آب به مواد سیمانی بر روی خزش از طریق بررسی نسبت تنش به مقاومت نسبی در نظر گرفته شده است به گونه ای که بررسی اثر مواد افزودنی معدنی به تنهایی امکان پذیر می باشد. با وجود تغییرات زیاد، مشاهده می شود که خاکستر بادی و سرباره می توانند منجر به کاهش عمده ای در خزش گردند. در مورد مواد افزودنی ریزتر مانند میکروسیلیس و متاکائولین، کاهش های زیادی در خزش به ازای مقادیر جایگزینی تا 15% وجود دارد، اما خزش مربوط به میکروسیلیس با افزایش مقدار جایگزینی، افزایش می یابد.
به طور کلی، اضافه نمودن افزودنی های شیمیایی، روان کننده ها و فوق روان کننده ها به منظور روان نمودن بتن، موجب کاهش 20% در خزش در یک نسبت ثابت تنش به مقاومت می شود، اگر چه اثرات به طور گسترده ای متغیر می باشد. در صورت استفاده از مواد افزودنی یکسان به عنوان مواد کارایی ساز یا کاهنده آب، خزش به دلیل مقدار کمتر آب، کمتر خواهد شد. به نظر می رسد که استفاده از مواد افزودنی کاهنده جمع شدگی، علاوه بر کاهش جمع شدگی، خزش ناشی از خشک شدن را نیز کاهش می دهد، اگر چه صحت سنجی آزمایشگاهی این موضوع محدود می باشد. برای اهداف طراحی، برآورد تغییر شکل الاستیک، خزش و جمع شدگی ناشی از خشک شدن همگی در آیین نامه های اجرایی مورد بررسی قرار گرفته اند. تنها در مورد دانش مربوط به مقاومت، ترکیب مخلوط و شرایط فیزیکی، (1985) BS 8110: part2 خزش و جمع شدگی را پس از 6 ماه و 30 سال، بسته به رطوبت نسبی و اندازه عضو ارائه می نماید.
خزش در بتن سازه
روش های موجود در (1992) ACI 209 و (1999) CEB-FIP خزش و جمع شدگی را به صورت توابعی از زمان بیان نموده و کلیه عوامل اصلی اثرگذار را که بیشتر مورد بررسی قرار گرفته اند، مورد توجه قرار می دهند. مدل های دیگری نیز توسط بازانت و باوجا (1995) و نیز گاردنر و لاکمن ارائه شده است. برآوردهابی خزش و جمع شدگی ناشی از خشک شدن انجام شده توسط کلیه این روش ها، کاملا دقیق نیستند (در بهترین حالت %30±) که اساسا به دلیل عدم توانایی آنها در تخمین و در نظر گرفتن نوع سنگدانه می باشد. برای انجام برآوردهای دقیق تر و برای بتن های با عملکرد بالا شامل چندین ماده افزودنی، آزمایش های کوتاه مدت توصیه می شود. طول مدت آزمایش باید حداقل 28 روز بوده و از نمونه های کوچک آزمایشگاهی ساخته ش��ه از مخلوط بتن واقعی استفاده شود و سپس داده های اندازه گیری شده خزش و جمع شدگی- زمان برای به دست آوردن مقادیر بلندمدت، برون یابی می شوند و سپس این مقادیر با توجه به اندازه مورد نیاز عضو و رطوبت نسبی متوسط شرایط نگهداری، تنظیم شده و تطبیق می یابند. کلیه روش های پیش بینی، برآوردی از تابع خزش (معادله 603) و جمع شدگی ناشی از خشک شدن ارائه می نمایند و کرنش کل، =(t,t0)ξ، در سن t که از سن t0 تعیین می شود، از رابطه زیر به دست می آید:
(3-7) . T(t,t0)Δ+ S(t,t0) + ac {1/(E(t_0) )[1+θ(t,t_0 )]} (t0)ơ (t, t0) =ξ
که (t0)ơ تنش اعمال شده در سن t0، E(t0) ضریب الاستیسیته در t0، (t0)φ ضریب خزش، S(t,t0) جمع شدگی ناشی از خشک شدن یا تورم، ac ضریب انبساط حرارتی و TΔ تغییر دما می باشد.
باید توجه شود که معادله (3-7) برای یک تنش ثابت به کار می رود و اگر تنش یا کرنش با زمان تغییر کند، محاسبه تنش یا کرنش حاصل را می توان از طریق ضریب موثر مطابق با سن یا روش های دیگر، انجام داد.
اهمیت خزش در بتن سازه ای بر این حقیقت استوار است که تغییر شکل الاستیک در بلند مدت می تواند چندین برابر آن در زمان اولین بارگذاری باشد. بنابراین، طراح باید خزش را مورد بررسی قرار دهد تا خصوصا با الزامات خدمت پذیری مربوط به خیز، تطبیق نماید. خزش دارای اثرات دیگری نیز می باشد که اکثر آنها زیان آور هستند، مانند از بین رفتن پیش تنیدگی در بتن پیش تنیده و جابجایی های تفاضلی در ساختمان های بلند، اما خزش می تواند برای کاهش تنش ایجاد شده بر اثر قیدهای تغییر شکل نیز سودمند باشد.