مقاومت بتن چیست و به چه عواملی بستگی دارد

مقاومت بتن چیست

معمولاً، مقاومت به عنوان مهم ترین خاصیت بتن در نظر گرفته می شود. اگرچه ممکن است، در برخی از حالت های اجرایی، سایر مشخصات بتن از قبیل دوام، نفوذناپذیری و پایداری حجمی اهمیت بیشتری داشته باشند. با وجود این، مقاومت معمولاً یک تصویر کلی از کیفیت بتن ارائه می دهد. دلیل این امر ارتباط مستقیم مقاومت با ساختار خمیر سیمان است.

مشخص شده است که مقاومت و همین طور دوام و تغییرات حجم بتن سخت شده تا آن اندازه که به ساختار فیزیکی محصولات هیدراسیون سیمان و نسبت های حجمی نسبی آنها بستگی دارد به ترکیبات شیمیایی وابسته نیست. در این بین، حضور شکاف های مویی، ناپیوستگی و منافذ خالی اهمیت ویژه ای دارند و درک تاثیر آنها برمقاومت مستلزم ملاحظه مکانیک های شکست بتن تحت تنش است. به هر حال، از آنجا که دانش ما درخصوص این راهکار بنیادی ناقص است، لازم است که مقاومت را به پارامترهای قابل اندازه گیری در ساختار خمیر سیمان هیدارته شده نسبت دهیم. در این خصوص، تخلخل یعنی حجم نسبی حفره ها یا فضاهای خالی در خمیر سیمان به عنوان یک عامل اصلی مشاهده شده است. حفره ها و فضاهای خالی را می توان به عنوان منشاء ضعف در نظر گرفت. سایر منابع ضعف برخاسته از مصالح سنگی هستند که علاوه براینکه خود حاوی ترک می باشند، سبب ریز ترک خوردگی در منطقه حدفاصل با خمیر سیمان نیز می شوند. متاسفانه، از آنجا که تعیین تخلخل خمیر سیمان هیدارته شده و ریز ترک خوردگی مشکل است، متوسل شدن به مطالعه تجربی عوامل موثر برمقاومت بتن الزامی است. در حقیقت، مشاهده شده که عامل اصلی نسبت آب به سیمان است و سایر خواص مخلوط از اهمیت ثانویه برخوردارند.

1- معیار عملی مقاومت

درحالی که مقاومت بتن یک خاصیت ذاتی این ماده است، در عمل تابعی از سیستم تنش است که به ماده وارد می شود. در حالت ایده آل باید این امکان وجود داشته باشد که تمامی معیارهای شکست تحت تمامی تنش های ممکن را بتوان با ترکیب یک پارامتر تنش مجزا از قبیل مقاومت در تنش تک محوری بیان کرد. اگر چه تلاش های زیادی برای بسط روابط تجربی معیار شکست که در طراحی سازه ای مفید باشد، انجام شده است، اما هنوز چنین راه حلی پیدا نشده است.

همان طور که قبلاً ذکر شد، نمی توان عوامل گوناگون موثر برمقاومت بتن از قبیل نسبت های اختلاط را به صورت یک معادله مقاومتی بیان کرد. به هر حال، همه ما مجموعه ای از مشاهدات در سطوح مهندسی و تجربی را در اختیار داریم و باید از این روش در مباحث عوامل موثر اصلی برمقاومت بتن استفاده کنیم.

مهم ترین عامل عملی نسبت آب به سیمان است که پارامتر متضمن آن، تعداد و اندازه حفره های موجود در خمیر سیمان سخت شده می باشددر حقیقت، همانگونه که در بخش بعد توضیح داده خواهد شد، عمدتاً نسبت آب به سیمان یک مخلوط، میزان تخلخل خمیر سیمان سخت شده را تعیین می کند.

2- تخلخل

خمیز تازه سیمان، یک شبکه پلاستیکی از ذرات سیمان در آب است که در زمان گیرش حجم ظاهری یا ناخالص آن تقریباً ثابت باقی می ماند. خمیر سیمان شامل هیدرات های ترکیبات مختلف سیمان و Ca(OH)₂ است و حجم خالص در دسترس محصلات هیدراسیون این ترکیبات متشکل از مجموع حجم مطلق سیمان خشک و حجم آب اختلاط می باشد (با این فرض که مسئله آب انداختگی و تبخیر آب وجود ندارد). آب اختلاط در نتیجه هیدراسیون به سه شکل: آب ترکیب شده، آب ژل و آب مویینه در می آید.

شکل1 نسبت های حجمی اجزای تشکیل دهنده خمیر سیمان قبل و حین هیدراسیون را نشان می دهد. سیمان هیدراته شده یا ژل سیمان شامل محصولات جامد هیدراسیون به اضافه آب است. این آب به صورت فیزیکی یا به صورت جذب شده بر روی سطح جانبی هیدرات ها وجود دارد و به آن، آب ژل می گویند. آب ژل در بین محصولات جامد هیدراسیون و در بین منافذی که به آنها منافذ ژل گفته می شود، قرار می گیرد. این حفره ها بسیار کوچک هستند [به قطر حدود 2 نانومتر (^9-10 × 80 اینچ)] . بررسی ها نشان داده اند که حجم آب ژل 28 درصد ژل سیمان است.

علاوه بر آب ژل، آب دیگری نیز وجود دارد که به طور شیمیایی یا فیزیکی با محصولات هیدراسیون ترکیب شده و بنابراین بسیار پایدار است. مقدار آب ترکیب شده را می توان به عنوان مقدار آب غیرقابل تبخیر تعیین کرد. این آب در سیمان کاملاً هیدراته شده حدود 22 درصد از جرم سیمان خشک را به خود اختصاص می دهد.

محصولات جامد هیدراسیون، حجمی کمتر از مجموع حجم مطلق سیمان خشک اولیه (که هیدراته شده است) و آب ترکیب شده را اشغال می کند؛ لذا فضاهای خالی در حجم ناخالص خمیر باقی می ماند. این فضای باقی مانده، در سیمان های کاملاً هیدراته شده، بدون آب اضافی، بیشتر از آب مورد نیاز برای هیدراسیون، حدود 5/18 درصد حجم اولیه سیمان خشک است. این فضای خالی به صورت حفره ها و منافذ مویینه در می آید که ممکن است، بسته به مقدار آب اختلاط اولیه و همچنین بسته به آب اضافی که طی هیدراسیون وارد می شود، پر از آب یا خالی باشند. منافذ مویینه بسیار بزرگ تر از حفره های ژل هستند.
[ به قطر حدود 1 میکرومتر (^1-10 × 40 اینچ)] . 

شکل 1 نمایش دیاگرامی نسبت های حجمی: (الف) پیش از هیدراسیون (درجه هیدراسیون، 0=h ) و 
(ب) طی هیدراسیون (درجه هیدراسیون، h) 

در صورتی که آب اختلاط بیش از آب مورد نیاز برای هیدراسیون کامل باشد، حجم لوله های مویینه بیش ا�� 5/18 درصدی است که در بالا ذکر شد. این لوله ها پر از آب هستند. می توان ترکیبات حجمی خمیر سیمان را در مراحل مختلف هیدراسیون تخمین زد. شکل 2، تاثیر نسبت آب به سیمان برمقادیر حاصله را نشان می دهد. یک خصلت جالب شکل 2 این است که در آن یک نسبت آب به سیمان حداقل وجود دارد که برای حصول هیدراسیون کامل (حدود 36/0 جرمی) ضروری است. زیرا در مقادیر کمتر از این مقدار، فضای کافی برای تجمع تمامی محصولات هیدراسیون ناکافی وجود نخواهد داشت. این وضعیت در خمیر سیمان عمل آوری شده با آب به وجود می آید، یعنی زمانی که یک منبع خارجی آب وجود دارد و آب می تواند پس از هیدراسیون به درون منافذ مویینه خالی راه یابد. برعکس، زمانی که مخلوط اولیه آب بندی می شود یعنی به آب خارجی دسترسی ندارد، بیشترین حداقل نسبت آب به سیمان برای هیدراسیون کامل ضروری است. زیرا هیدراسیون تنها زمانی می تواند پیشروی کند که برای اطمینان از رطوبت نسبی داخلی بالا، منافذ مویینه حاوی آب کافی باشد و مقدارش تنها به آب مورد نیاز برای واکنش های شیمیایی محدود نگردد.

                                                                    آب مویینه (V_cw)

                                                                    محصولات هیدراسیون (V_p+V_gw)

                                                                    سیمان هیدراته نشده (V_uc)

شکل 2 ترکیبات خمیر سیمان در مراحل مختلف هیدراسیون. درصدهای نشان داده شده تنها برای خمیرهایی با فضای پر از آب برای جای دادن محصولات هیدراسیون در درجه هیدراسیون نشان داده شده به کار می روند.  

حجم کل منافذ مویینه یا حفره ها، یک عامل بنیادی در تعیین خواص بتن سخت شده است. معمول است که حجم منافذ مویینه را به عنوان بخشی از حجم کل خمیر سیمان هیدراته شده به حساب آورند. تخلخل به نسبت آب به سیمان و درجه هیدراسیون بستگی دارد. عبارت W/C ، عامل اصلی تاثیرگذار بر تخلخل است. مقدار تخلخل به گونه ای است که برای محدوده معمول نسبت های آب به سیمان، خمیر سیمان تنها حدود نیمی از مواد جامد را به خود اختصاص می دهد. به عنوان مثال، در نسبت آب به سیمان 6/0، حجم کل منافذ مویینه بسته به درجه هیدراسیون بین 47 تا 60 درصد حجم کل خمیر سیمان است. اکنون، رابطه بین نسبت آب به سیمان و تخلخل خمیر سیمان سخت شده واضح است. یک رابطه متناظر بین تخلخل و مقاومت وجود دارد که مستقل از پر یا خالی بودن منافذ مویینه از آب است. شکل 3، رابطه بین تخلخل و مقاومت را برای خمیرهای سیمان نشان می دهد که در آن مقاومت های بسیار بالا به وسیله فشار بالا به دست می آیند، به طوری که تراکم خوبی در نسبت های آب به سیمان پایین حاصل می شود. لازم به ذکر است که رابطه بین مقاومت و تخلخل منحصر به بتن نیست و در فلزات و برخی دیگر از مصالح نیز قابل کاربرد است.

شکل 3 رابطه بین مقاومت فشاری و لگاریتم تخلخل خمیر سیمان متراکم شده در شرایط مختلف فشار و دمای بالا.

بحث در این مورد این نکته را روشن می کند که تخلخل یک عامل موثر اصلی در مقاومت است. به هر حال، نه تنها حجم کل فضاهای خالی بلکه سایر خصلت های این فضاها حائز اهمیت می باشند. البته تعیین کمیت آنها دشوار است. 

3-توزیع اندازه حفره 

همانگونه که بیان شد، منافذ مویینه بزرگ تر از حفره های ژل می باشند، البته در حقیقت، یک محدوده کلی برای اندازه فضاهای خالی موجود در بتن سخت شده وجود دارد. خمیر سیمان زمانی که تنها بخشی از آن هیدراته شده است، حاوی یک سیستم منافذ مویینه غیرمتصل است. منافذ مویینه اگرچه نفوذپذیری بتن را افزایش می دهند، اما تاثیر چندانی در مقاومت های پایین ندارند و در واقع تاثیر اصلی آنها در پدیده یخ زدن و ذوب شدن و همچنین حملات شیمیایی است که البته این امر به نسبت آب به سیمان نیز بستگی دارد.

جدول 1 مدت زمان عمل آوری لازم برای رسیدن به درجه هیدراسیون که در آن سیستم حفره های مویینه قطعه بندی می شود.

با پیشرفت هیدراسیون، ژل سیمانی حاصل شده برخی از منافذ مویینه را مسدود کرده و با قطعه بندی سیستم منافذ مویینه به چند قطعه کوچک تر، از بروز این مشکلات جلوگیری می کنند. در این حالت ارتباط منافذ مویینه با حفره های بسیار کوچکتر ژل که نفوذناپذیر هستند، قطع خواهد شد. در جدول 1 حداقل زمان عمل آوری لازم برای قطعه بندی سیستم منافذ مویینه ارائه شده است. به هرحال باید خاطر نشان کرد که هرچه سیمان ریزتر باشد، زمان عمل آوری به ازای یک درجه هیدراسیون معین در یک نسبت آب به سیمان مشخص کوتاه تر است. همچنین جدول 1 نشان می دهد که برای حصول بتن بادوام، برای مخلوط های با نسبت آب به سیمان کمتر، زمان های عمل آوری کوتاه تری لازم است که البته این مخلوط ها به دلیل تخلخل کمتر دارای مقاومت بیشتری هستند. 

4-عوامل موثر در مقاومت بتن

اگرچه تخلخل عامل اصلی تاثیرگذار برمقاومت بتن می باشد، اما اندازه گیری آن با استفاده از روش های مهندسی دشوار است. حتی محاسبه تخلخل نیز به این دلیل که درجه هیدراسیون به راحتی تعیین نمی شود (البته با این فرض که نسبت آب به سیمان مشخص است)، دشوار است. به طور مشابه، تاثیر مصالح سنگی بر روی ریز ترک خوردگی نیز به راحتی معین نمی شود. به این دلایل در عمل، عوامل موثر در مقاومت بتن عبارت از نسبت آب به سیمان، درجه تراکم، سن و دما هستند. به هر حال، عوامل دیگری نیز از قبیل نسبت مصالح سنگی به سیمان، کیفیت مصالح سنگی (دانه بندی، بافت سطحی، شکل، مقاومت و سفتی)، حداکثر اندازه سنگدانه، و منطقه گذار وجود دارند که برمقاومت تاثیر می گذارند. به این عوامل در مواردی که از مصالح سنگی با حداکثر اندازه سنگدانه تا 40 میلیمتر (1 اینچ) استفاده می شود، به عنوان عوامل درجه دو نگاه می شود.

5-نسبت آب به سیمان، درجه تراکم و سن بتن

در ساخت و سازه های معمولی، امکان خارج کردن تمام حباب هوا از بتن حتی در بتن کاملاً متراکم نشده وجود ندارد و همواره مقدار حباب هوای محبوس شده در بتن وجود دارد. جدول 2، مقادیر متداول مقدار حباب هوای محبوس شده به ازای مصالح سنگی با اندازه های مختلف را نشان می دهد. مقاومت بتن با فرض تراکم کامل بتن در یک سن معین و دمای معمولی با نسبت آب به سیمان نسبت عکس دارد. به این رابطه، قانون آبرام گفته می شود. شکل 4 این قانون را شرح داده و همچنین تاثیر تراکم نسبی بر روی مقاومت را نشان می دهد.

قانون آبرام، حالت خاصی از یک قانون کلی "فرت" می باشد که به صورت فرمول تجربی زیر ارائه می شود:

که f_c  مقاومت بتن و V_c ، V_m و a به ترتیب حجم مطلق سیمان، آب و حباب هوای محبوس شده و K ، یک مقدار ثابت است.

جدول 2 مقدار حباب هوای محبوس شده مناسب به ازای مصالح سنگی با اندازه های مختلف طبق استاندارد ACI 211.1-91(تایید مجدد 2002).

یادآوری می شود که در یک درجه هیدراسیون معین، نسبت آب به سیمان تعیین کننده تخلخل خمیر سیمان است. بنابراین، در معادله ، تاثیر حجم کل فضای خالی یعنی منافذ ژل، منافذ مویینه و حباب هوای محبوس شده برمقاومت در نظر گرفته می شود. به طور کلی با بالا رفتن سن بتن، درجه هیدراسیون افزایش یافته و به تبعیت از آن مقاومت نیز زیاد می شود. این تاثیر برای بتن های ساخته شده از سیمان پرتلند معمولی (نوع I ) در شکل 5 نشان داده شده است. باید به این نکته تاکید کرد که مقاومت به نسبت آب به سیمان موثر که براساس آب اختلاط منهای آب جذب شده توسط مصالح سنگی محاسبه می شود، بستگی دارد. به عبارت دیگر، فرض می شود مصالح سنگی مقداری از آب را در زمان اختلاط برای رسیدن به شرایط اشباع با سطح خشک جذب می کنند. 

شکل 4رابطه ی بین مقاومت و نسبت آب به سیمان در بتن

شکل 5 تاثیر سن برمقاومت فشاری بتن با سیمان پرتلند معمولی (نوع I) و نسبت های مختلف آب به سیمان.

شکل 6 تاثیر نسبت مصالح سنگی به سیمان بر مقاومت بتن.

6- نسبت مصالح سنگی به سیمان

مشخص شد که به ازای یک نسبت آب به سیمان ثابت، یک مخلوط با عیار پایین تر، مقاومت بالاتری را نتیجه می دهد. تاثیر نسبت مصالح سنگی به سیمان برمقاومت بتن در شکل 6 نشان داده شده است. دلیل اصلی این تاثیر در حجم کل فضای خالی بتن نهفته است. با استناد به محاسبات مربوط به تخلخل کل خمیر سیمان هیدراته شده، بدیهی است، در صورتی که خمیر حجم کمتری از بتن را به خود اختصاص دهد (به طور مثال در حالت مخلوط ها با عیار کمتر)، آنگاه تخلخل کل بتن کمتر و در نتیجه مقاومت بالاتر خواهد بود. استدلال فوق، وجود هرگونه حفره در مصالح را نادیده گرفته است، مصالح سنگی معمولی کمترین میزان حفره را دارند.

7- خواص مصالح سنگی

همان گونه که قبلاً بیان شد، تاثیر خواص مصالح سنگی برمقاومت در درجه دوم اهمیت قرار دارد. در اینجا تنها تاثیر شکل مصالح سنگی بررسی می شود. تنش که در آن ترک خوردگی قابل ملاحظه ای شروع می شود، تحت تاثیر شکل مصالح سنگ�� قرار دارد. در صورتی که سایر شرایط یکسان باشند، شن گردگوشه نسبت به مصالح سنگی شکسته خشن و تیزگوشه منجر به ایجاد ترک در تنش های کمتر می شود. این اثر که در کشش و فشار مشابه است، ناشی از پیوستگی بهتر و ریزترک خوردگی کمتر با مصالح سنگی شکسته تیزگوشه می باشد. در حقیقت، اثر شکل مصالح سنگی در آزمایش مدول گسیختگی آشکارتر از آزمایش کشش و فشار تک محوری است. دلیل این امر احتمالاً حضور گرادیان تنش است که گسترش ترک خوردگی منجر به شکست نهایی را به تاخیر می اندازد. از این رو، بتن حاوی مصالح سنگی تیزگوشه مقاومت خمشی بالاتری نسبت به بتن حاوی مصالح سنگی گردگوشه دارند. این امر در مخلوط هایی با نسبت آب به سیمان کم پر رنگتر است. به هر حال، در مخلوط های با کارایی یکسان، مصالح سنگی گردگوشه به آب کمتری نسبت به مصالح سنگی تیزگوشه نیاز دارند و بنابراین، مقاومت خمشی هر دو بتن یکسان است. 

8- منطقه گذار (ناحیه انتقال)

حدفاصل بین مصالح سنگی و خمیر سیمان منطقه گذار نامیده می شود که نسبت خمیر سیمان و از آن بیشتر نسبت به مصالح سنگی دارای تخلخل بیشتر و در نتیجه مقاومت کمتر است. در این منطقه، سطح مصالح با لایه نازکی از Ca (OH)₂ ، سپس با لایه نازک C- S- H و آنگاه با لایه های ضخیم تر از مصالح مشابه اما بدون سیمان هیدراته شده پوشیده شده اند. مقاومت منطقه گذار می تواند با گذشت زمان و در اثر واکنش های ثانویه بین Ca (OH)₂ و پوزولان، به عنوان مثال دوده سیلیس که دارای ذرات ریزتر از سیمان است، افزایش یابد. مصالح سنگی سنگ آهکی و همچنین مصالح سنگی سبک که دارای سطح متخلخل می باشند، یک منطقه گذار چگال را تولید می کنند.