بتن،به عنوان پرکاربردترین مصالح ساختمانی در جهان، مادامی که در برابر عوامل محیطی محافظت شود، دوامی بی نظیر دارد . با این حال، شریان حیاتی سازه های بتن مسلح،یعنی میلگردها، در معرض حملات مداوم عوامل خورنده محیطی هستند . مهم ترین خط دفاعی برای محافظت از این آرماتورها، تأمین حداقل میزان کاور و پوشش بتن استاندارد است.
کاور بتن چیست و چرا مهم است؟
کاور بتن (Concrete Cover) که گاهی با نام های پوشش بتن روی میلگرد یا کاور آرماتور نیز شناخته می شود، عبارت است از فاصله خالص بین سطح بیرونی میلگرد (شامل خاموت ها و تنگ ها) تا نزدیک ترین سطح بتن مجاور .
این لایه نازک بتنی،نقشی حیاتی و چندوجهی در عملکرد درازمدت سازه های بتن مسلح ایفا می کند.
تعریف کاور بتن
کاور،صرفاً یک الزام عددی نیست؛ بلکه قلب مکانیزم دوام بتن مسلح است . این پوشش باید تضمین کننده شرایط زیر باشد:
- حفاظت در برابر خوردگی: مهم ترین وظیفه کاور، ایجاد یک مانع فیزیکی و شیمیایی (به دلیل قلیایی بودن بتن) برای جلوگیری از نفوذ رطوبت، اکسیژن، دی اکسید کربن و یون های کلرید به سطح میلگرد است .
- تأمین پیوستگی (Bond): کاور کافی، فضای لازم برای انتقال تنش بین بتن و میلگرد را فراهم می کند.
- حفاظت در برابر آتش سوزی: لایه بتن بیرونی،نقش عایق حرارتی را ایفا کرده و در برابر حرارت شدید ناشی از آتش سوزی، از تسلیم شدن زودرس میلگردها جلوگیری می کند .
تأثیر کاور ناکافی بر ترک خوردگی و آسیب سازه
عدم رعایت حداقل کاور بتن،به ویژه در مناطق مرطوب یا ساحلی که حاوی مقادیر بالایی کلرید هستند، می تواند منجر به کاهش چشمگیر عمر سازه شود. اگر کاور کمتر از حد استاندارد باشد،نفوذ مواد شیمیایی خورنده تسریع شده و فرایند زنگ زدگی (خوردگی میلگرد) آغاز می شود .
وقتی میلگرد زنگ می زند،حجم آن می تواند تا ۶ برابر افزایش یابد . این افزایش حجم،نیروهای کششی داخلی عظیمی ایجاد می کند که باعث ترک خوردگی،پوسته پوسته شدن و در نهایت جدا شدن لایه های بتن (Spalling) می شود . این فرآیند نه تنها ظاهر سازه را تخریب می کند، بلکه به سرعت ظرفیت باربری آن را کاهش می دهد .
عوامل تعیین کننده میزان کاور بتن
تعیین حداقل پوشش بتن یک فرآیند ساده نیست و به چندین عامل محیطی، طراحی و مصالحی وابسته است . استانداردهای معتبر مهندسی، از جمله آیین نامه بتن ایران (آبا) و ACI، تأکید دارند که هرچه شرایط محیطی سخت تر و خورنده تر باشد، میزان کاور بتن باید افزایش یابد تا زمان لازم برای رسیدن عوامل مهاجم به آرماتورها طولانی تر شود.
عوامل کلیدی تعیین کننده عبارتند از:
الف) شدت شرایط محیطی (Exposure Classes)
استانداردها، محیط های مختلف را بر اساس شدت عوامل مهاجم (رطوبت،کلریدها، کربناسیون،سولفات ها و یخ زدگی) طبقه بندی می کنند. در استانداردهای رایج، محیط ها معمولاً به شرح زیر دسته بندی می شوند (که معیار اصلی تعیین کاور است):
| رده محیطی |
شرایط محیطی |
مثال ها و توضیحات |
| A |
ملایم یا خشک |
سازه های داخلی، بتن محافظت شده در برابر رطوبت و عوامل شیمیایی. |
| B |
مرطوب و خشک متناوب |
سازه های در معرض رطوبت هوا (مناطق شمالی)، داخل ساختمان در معرض میعان. |
| C |
متوسط (کربناسیون و رطوبت) |
محیط های صنعتی،قسمت های خارجی ساختمان ها که مستقیماً در معرض باران و هوا هستند. |
| D |
شدید (رطوبت بالا و کلرید) |
سازه های ساحلی،پل های دریایی، پارکینگ های در معرض نمک های یخ زدا (دیسینگ)، یا محیط خورنده بتن شدید. |
| E |
بسیار شدید (یخ زدگی و ذوب) |
سازه هایی که در معرض یخ زدگی و استفاده از نمک های یخ زدا قرار می گیرند. |
| F |
مهاجم شیمیایی (سولفات و اسید) |
تماس مستقیم با خاک حاوی سولفات بالا یا محیط های حاوی اسید. |
هرچه از رده A به سمت F می رویم،حداقل کاور بتن لازم افزایش می یابد.
ب) نسبت آب به سیمان (W/C Ratio)
نسبت آب به سیمان مهم ترین عامل در کنترل نفوذپذیری بتن است. پوشش بتنی که دارای نسبت آب به سیمان بالا باشد (بیش از ۰.۵)، ساختار متخلخل تری خواهد داشت و عوامل خورنده سریع تر نفوذ خواهند کرد . در نتیجه،برای مقاومت در برابر خوردگی در محیط های خورنده، علاوه بر افزایش کاور،باید نسبت آب به سیمان تا مقادیر ۰.۴ تا ۰.۴۵ کاهش یابد.
لینک داخلی (افزودنی ها): کاهش نسبت آب به سیمان نیازمند استفاده از افزودنی های بتن، به ویژه فوق روان کننده ها،است تا کارایی و تراکم بتن حفظ شود .
ج) رده بتن و تاثیر آن بر کاور
استفاده از رده بتن بالاتر (مثلاً C30 به جای C25) معمولاً منجر به بتنی با تراکم بهتر، تخلخل کمتر و مقاومت بیشتر در برابر نفوذ می شود. اگرچه رده بتن مستقیماً کاور را تعیین نمی کند، اما در برخی استانداردها اجازه داده می شود که در صورت استفاده از رده های بالا و بتن باکیفیت، حداقل کاور بتن کاهش یابد (البته با رعایت ضوابط خاص).
د) نوع سیمان مناسب
در محیط های خورنده،به ویژه محیط هایی که خطر حمله سولفات یا یون کلرید وجود دارد،انتخاب نوع سیمان بسیار مهم است.
- سیمان پرتلند نوع ۲ (پوزولانی یا ضد سولفات): برای مقاومت در برابر حملات متوسط شیمیایی توصیه می شود.
- سیمان تیپ ۵: برای محیط های بسیار شدید سولفاتی ضروری است.
- مواد جایگزین سیمان (SCM): استفاده از مواد پوزولانی مانند میکروسیلیس یا خاکستر بادی،با بهبود ساختار ریزدانه و کاهش نفوذپذیری، دوام بتن را به شدت افزایش می دهد.
جدول کامل حداقل میزان کاور بتن براساس شرایط محیطی
تعیین دقیق حداقل پوشش بتن برای سازه هایی که دوام طولانی مدت مدنظر است، باید براساس مبحث ۹ مقررات ملی ساختمان (ویرایش ۱۴۰۳) یا آیین نامه بتن ایران (آبا) صورت پذیرد . جدول زیر خلاصه ای از الزامات کاور بتن بر حسب رده محیطی و نوع عضو سازه ای را ارائه می دهد.
توجه: تمامی مقادیر زیر بر حسب میلی متر (mm) و به عنوان کاور خالص بتن (فاصله از میلگرد تا سطح) در نظر گرفته شده اند و صرفاً در صورت استفاده از بتن با تراکم بتن مناسب و نسبت آب به سیمان کنترل شده معتبر هستند.
| رده محیطی (براساس خطر خوردگی) |
المان سازه ای |
قطر میلگرد ≤ ۱۶mm |
قطر میلگرد > ۱۶mm |
| A (ملایم) |
دیوارها،دال ها، تیرها و ستون های داخل |
۲۰ |
۲۵ |
| B (متوسط) |
تمامی المان ها در معرض رطوبت کم یا متوسط |
۲۵ |
۳۰ |
| C (شدید) |
بخش های در تماس با خاک یا آب غیر خورنده |
۴۰ |
۴۵ |
| D (خیلی شدید/خورنده) |
در معرض اسپری نمک، آب دریا یا نمک های یخ زدا |
۵۰ |
۵۵ |
| E (بسیار شدید) |
تماس مستقیم با آب دریا یا محیط های شیمیایی قوی |
۶۰ |
۷۰ |
| F (سطوح در معرض فرسایش) |
سطوح در معرض سایش یا یخ زدگی و ذوب شدید |
۷۰ |
۷۵ |
مقدار پوشش بتن در فونداسیون
فونداسیون ها معمولاً در تماس مستقیم با خاک یا آب های زیرزمینی هستند و جزو رده های محیطی C یا D دسته بندی می شوند (بسته به میزان رطوبت و سولفات خاک).
- کاور فونداسیون (در تماس با زمین): حداقل ۵۰ تا ۷۵ میلی متر (۵ تا ۷ .۵ سانتی متر) بسته به نوع غلاف یا بتن مگر .
- کاور شمع ها و اعضای زیرزمینی: بسته به تهاجم شیمیایی محیط، معمولاً ۶۰ تا ۷۵ میلی متر در نظر گرفته می شود.
نکات مهم و استثناها در تعیین پوشش بتن
استانداردهای طراحی معمولاً انعطاف پذیری هایی را برای تعدیل حداقل پوشش بتن در نظر می گیرند که می تواند هزینه تمام شده پروژه و همچنین دوام را تحت تأثیر قرار دهد .
کاهش ۲۰ میلی متری در صورت اجرای پوشش های محافظ
اگر پس از اجرای بتن،از یک سیستم محافظتی قوی و دائمی استفاده شود، می توان حداقل کاور مورد نیاز را تا ۲۰ میلی متر کاهش داد.
این پوشش ها شامل موارد زیر هستند:
- پوشش های آب بند پلیمری: مانند رزین های اپوکسی یا پلی یورتان که از نفوذ رطوبت جلوگیری می کنند .
- پوشش های نفوذگر کریستالی: که با پر کردن منافذ داخلی بتن، نفوذپذیری را به شدت کاهش می دهند .
کاهش ۵ میلی متر در صورت افزایش رده بتن
در صورتی که رده بتن مصرفی یک پله افزایش یابد (مثلاً از C25 به C30) و یا با استفاده از مواد پوزولانی (مثل میکروسیلیس) نفوذپذیری بتن کاهش یابد،استانداردها اجازه می دهند که حداقل کاور تا ۵ میلی متر کاهش یابد. این کاهش مشروط بر آن است که حداقل کاور بتن در هیچ حالتی از ۲۰ میلی متر کمتر نشود.
افزایش ۱۰ میلی متر برای میلگردهای قطر بالاتر از ۳۶mm
وقتی از میلگردهای با قطر زیاد (بیشتر از ۳۶ میلی متر) استفاده می شود،به دلیل افزایش سطح تماس و نیاز به پیوستگی بهتر، توصیه می شود پوشش بتن ۱۰ میلی متر افزایش یابد.
نقش افزودنی های حباب زا در کاهش دوام سطحی
استفاده از افزودنی های حباب زا (Air-Entraining Agents) برای افزایش مقاومت بتن در برابر یخ زدگی و ذوب شدن در رده های محیطی E و F ضروری است . با این حال، حباب زایی ممکن است به طور جزئی مقاومت فشاری بتن را کاهش دهد و از این رو، در محاسبات، الزامات کاور باید با دقت بیشتری لحاظ شود.
کاور بتن در المان های اصلی سازه (تیر،ستون،دیوار و دال)
حداقل پوشش بتن روی میلگرد باید برای هر عضو سازه ای به صورت مجزا و براساس محل قرارگیری آن در سازه (داخلی، خارجی،یا در تماس با خاک) تعیین شود. این بخش،یکی از مهم ترین نکات برای مجریان پروژه های بتنی است.
کاور در دال ها (سقف ها)
دال ها معمولاً کمترین کاور را نسبت به سایر المان ها نیاز دارند، مگر اینکه مستقیماً در معرض عوامل خورنده باشند .
- دال های داخلی (رده A): ۲۰ میلی متر
- دال های خارجی در معرض باران (رده C): ۳۰ میلی متر
کاور در تیرها و ستون ها
تیرها و ستون ها، به دلیل اهمیت بیشتر در حفظ پایداری سازه،معمولاً نسبت به دال ها کاور بیشتری نیاز دارند . این المان ها عموماً در معرض کربناسیون و رطوبت قرار دارند .
- تیرها و ستون های داخلی (رده A و B): ۲۵ تا ۳۰ میلی متر
- تیرها و ستون های خارجی (رده C و D): ۴۰ تا ۵۰ میلی متر
کاور در دیوارهای حائل و سازه های در تماس با زمین
این المان ها، از جهت قرارگیری در معرض رطوبت دائم و گاهی اوقات حملات سولفاتی و کلریدی خاک،نیازمند بالاترین مقدار کاور هستند.
- دیوار در تماس با خاک: ۵۰ تا ۶۰ میلی متر (به شرط بتن مگر مناسب)
- دیوار زیرزمین بدون پوشش محافظ خارجی: ۶۰ تا ۷۵ میلی متر
رابطه کاور بتن و خوردگی میلگرد
خوردگی میلگرد مهم ترین عامل تخریب سازه های بتنی در بلندمدت است. کاور بتن، زمان آغاز این فرآیند مخرب را تعیین می کند.
چرا نفوذ یون کلرید خطرناک است؟
بتن ذاتاً قلیایی است و اطراف میلگرد یک لایه غیرفعال کننده (Passive Layer) ایجاد می کند که از زنگ زدگی جلوگیری می کند . نفوذ یون های کلرید (مانند نمک های آب دریا یا نمک های یخ زدا) به سطح میلگرد،این لایه محافظ را تخریب می کند . هرچه کاور آرماتور کمتر باشد، زمان لازم برای مهاجرت یون کلرید و رسیدن آن به غلظت بحرانی روی سطح میلگرد،کوتاه تر می شود .
نقش کاور در جلوگیری از زنگ زدگی (کربناسیون)
کربناسیون فرآیندی است که در آن دی اکسید کربن از هوا نفوذ کرده و با هیدروکسید کلسیم (Ca(OH)2) در بتن واکنش داده و آن را به کربنات کلسیم (CaCO3) تبدیل می کند. این فرآیند قلیائیت بتن را کاهش می دهد.
اگر عمق کربناسیون از پوشش بتن بیشتر شود، لایه محافظ میلگرد از بین می رود و در حضور رطوبت و اکسیژن، خوردگی آغاز می شود. هرچه میزان کاور بتن بیشتر باشد، زمان لازم برای رسیدن جبهه کربناسیون به میلگرد طولانی تر خواهد بود.
تاثیر رطوبت و دما
علاوه بر ضخامت کاور،وضعیت درونی بتن (تراکم و نسبت آب به سیمان) و شرایط محیطی (رطوبت و دما) نیز بر سرعت خوردگی تأثیرگذار است . رطوبت و دمای بالا، سرعت نفوذپذیری و سرعت واکنش های شیمیایی را افزایش می دهند . در این شرایط،کاور باید در بالاترین حد ممکن تنظیم شود .
*
بهترین روش تضمین کاور استاندارد: استفاده از اسپیسر
بسیاری از شکست های سازه ای ناشی از خوردگی، نه به دلیل خطای طراحی، بلکه به دلیل خطای اجرایی در تأمین حداقل کاور بتن رخ می دهد. در عمل، بدون ابزار مناسب،حفظ فاصله دقیق میلگردها از قالب بسیار دشوار است. اسپیسرها (فاصله اندازها) تنها راه تضمین کاور دقیق و یکنواخت هستند.
معرفی انواع اسپیسر
اسپیسرها بر اساس جنس و کاربرد، به چند دسته تقسیم می شوند:
- اسپیسر پلاستیکی بتن (Plastic Spacers):
- بسیار رایج و مقرون به صرفه .
- در انواع اسپیسر خورشیدی (چرخکی) برای سطوح عمودی (ستون و دیوار) و اسپیسر کفی (فیکس) برای سطوح افقی (دال و فونداسیون).
- کلینیک بتن ارائه دهنده اسپیسرهای با ابعاد بالا (مانند اسپیسرهای ۵ و ۷ سانتی) جهت تضمین مقدار پوشش بتن در فونداسیون است.
- اسپیسر بتنی (Concrete Spacers):
- مناسب ترین نوع برای سازه های در معرض محیط های خورنده شدید.
- به دلیل همجنس بودن با بتن اطراف، از نظر شیمیایی تداومی در ساختار ایجاد نمی کنند و از نفوذ عوامل مهاجم از طریق خود فاصله انداز جلوگیری می کنند .
- توصیه شده در سازه های آبی،سدها و زیرساخت های دریایی.
میزان مصرف اسپیسر در هر سازه
میزان مصرف اسپیسر بستگی به قطر میلگرد و سختی شبکه آرماتور دارد،اما به طور کلی:
- دال ها و کف ها: ۴ تا ۶ عدد در هر متر مربع .
- تیرها و ستون ها: حداقل ۳ عدد در هر متر طول (هر ۷۰ تا ۱۰۰ سانتی متر).
توصیه های اجرایی مهم برای رعایت کاور بتن
رعایت حداقل کاور بتن نیازمند توجه دقیق تیم اجرایی به مراحل کلیدی زیر است:
۱ . استفاده از اسپیسر مناسب و کافی
اسپیسرها باید متناسب با قطر میلگرد و بارهای وارده (شامل وزن کارگران هنگام تردد) انتخاب شوند . هرگز نباید از روش های سنتی و غیر استاندارد مانند سنگ یا تکه های چوب برای حفظ فاصله آرماتور استفاده شود، زیرا این مواد در بلندمدت باعث کاهش دوام و ایجاد مسیرهای نفوذ می شوند.
۲. کنترل فاصله آرماتور تا قالب
پس از بستن آرماتوربندی و قبل از بتن ریزی، تیم نظارت باید با استفاده از متر یا گیج، فاصله واقعی میلگرد تا قالب را در چندین نقطه بررسی کند. این مرحله تضمین می کند که کاور آرماتور در تمام نقاط شبکه رعایت شده است .
۳. جلوگیری از جابجایی میلگرد هنگام بتن ریزی
یکی از عوامل اصلی کاهش کاور،فشار ناشی از سقوط بتن یا حرکت ویبراتور است که می تواند اسپیسرها را جابجا کند یا میلگردها را به سمت قالب هل دهد. باید از اتصال محکم اسپیسرها و همچنین بتن ریزی با ارتفاع مناسب جلوگیری شود.
۴ . ویبره صحیح و تراکم بتن
حتی با وجود کاور کافی، اگر بتن به درستی ویبره نشود،حفرات و درزهای داخلی باقی می مانند . این حفرات نفوذپذیری بتن را به شدت افزایش داده و مقاومت آن در برابر عوامل خورنده را کاهش می دهند. تراکم بتن مناسب، دوام لایه کاور را به حداکثر می رساند .
۵. انتخاب نوع سیمان متناسب محیط
بر اساس رده محیطی (A تا F)، نوع سیمان (۱، ۲ یا ۵) و مواد افزودنی پوزولانی (مانند سیلیس) باید توسط مهندس طراح مشخص و توسط مجری دقیقاً رعایت شود تا مقاومت لازم در برابر حملات شیمیایی و خوردگی میلگرد فراهم گردد.
جمع بندی نهایی
حداقل میزان کاور و پوشش بتن بیش از یک عدد ساده در نقشه های سازه ای است؛ این کاور، تضمین کننده دوام و پایداری سازه بتنی در طول عمر طراحی شده آن است، به ویژه در محیط های خورنده که خطر خوردگی میلگرد بالاست .