خزش در بتن چیست؟ انواع، علل ایجاد و تفاوت ها
بر اساس علم مواد، خزش یعنی تمایل یک ماده جامد به تغییر شکل دائمی، هنگامی که در معرض تنش مکانیکی طولانی قرار بگیرد. خزش در بتن نیز به معنی تغییر شکل بتن، تحت تنش ثابت در طول زمان است. خزش، پدیده ای خطرناک است که می‌تواند باعث تخریب پیش بینی نشده مواد در دماهای بالا شود. به همین دلیل با استفاده از مقدار میلگرد مجاز در بتن، از خیزش بتن تا حد امکان جلوگیری می شود. در این مقاله از آهن ملل، ابتدا به بررسی اهمیت خزش بتن، علل وقوع، عوامل موثر و روش های مقابله با آن اشاره می کنیم و در انتها یک مقایسه کلی بین خزش، افت و جمع شدگی بتن خواهیم داشت. با آهن ملل همراه باشید.
نسخه صوتی مقاله راهنمای خزش در بتن
| آهن ملل | توضیحات | |
|---|---|---|
| ۱ | نام پدیده | خزش در بتن (Creep of concrete) |
| ۲ | تعریف | کرنش بتن (تغییر شکل بتن) در برابر فشار‌ها و نیروهای خارجی در طول زمان |
| ۳ | انواع | خزش اولیه – خزش خشک شدن – خزش ویژه |
| ۴ | عوامل موثر در ایجاد خزش بتن |
|
تعریف خزش در بتن با یک مثال
خزش در بسیاری از مواد از جمله فولاد هم رخ می دهد؛ اما تغییر شکل ناشی از خزش در بتن، تحت تنش ثابت در طول زمان، مسئله بسیار قابل توجهی است. مکانیزم خزش در بتن، با خزش فلزات و خزش پلیمرها تفاوت اساسی دارد. برخلاف خزش فلزات، خزش بتن در تمام سطوح تنش رخ می‌دهد.
همانطور که در ابتدا اشاره کردیم، خزش در بتن یا Creep of concrete به معنای کرنش سازه (تغییر شکل سازه) در برابر فشار‌ها و نیروهای خارجی است. این یعنی اگر فشارهای وارده بر بتن بیشتر از توان تحمل بتن و یا در آستانه تحمل بتن باشد، خیزش در بتن اتفاق می افتد. به عنوان مثال یک پل تا حد مشخصی می تواند فشارهای ناشی از رفت و آمد ماشین‌ها و وزن خود را تحمل کند و زمانی که نیروهای وارد شده به آن از این حد فراتر رود، دچار خزش خواهد شد.
دلایل ایجاد خزش در بتن
پدیده خزش بتن، معمولاً در مواردی رخ می دهد که بتن در دما و فشار کاری بالا تحت فشار مکانیکی قرار گیرد. به طور کلی می توان گفت دلیل اصلی خزش بتن، خروج آب جذب شده سطحی از ساختار خمیر سیمان هیدراته است. خروج آب جذب شده نیز در اثر اعمال تنش ثابت در طول زمان اتفاق می افتد. با افزایش سرعت تغییر رطوبت منافذ بتن (یعنی فشار نسبی بخار در منافذ)، سرعت خزش نیز افزایش می یابد.
بتنی که کل آب قابل تبخیر از آن خارج شده باشد، خزش صفر یا کمی را از خود نشان می دهد؛ مگر آنکه تحت تاثیر دماهای بالا قرار گیرد. این بدان معناست در صورتی که بتن کاملاً خشک شود، خزش رخ نمی‌دهد؛ اما خشک شدن کامل بتن بدون ترک خوردن آن نیز غیرممکن است.
چرا خزش در بتن اهمیت دارد؟
از آنجا که تغییر شکل های ایجاد شده در بتن در دراز مدت می تواند بسیار بیشتر از تغییر شکل های نسبی در زمان بارگذاری باشد، مسئله خزش در بتن اهمیت ویژه ای دارد. بتن فقط در برابر بارهای کوتاه مدت می تواند به صورت الاستیک رفتار کند، اما در حالت کلی، بتن به عنوان یک ماده تُرد (شکننده) توصیف می شود و تحت کرنش های کوچک به راحتی ترک می خورد. بنا بر این، در صورت بارگذاری در طولانی مدت به عنوان یکی از مصالح، خاصیت غیر الاستیکی از خود نشان می دهد.
اهمیت خزش در مهندسی
اثرات خزش در بتن و سازه های بتن آرمه، مهم و قابل توجه است. تغییر شکل های ناشی از خزش، معمولا دو تا سه برابر تغییر شکل های آنی بتن است. خزش در بتن سازه ای به این دلیل است که تغییر شکل الاستیک در بلند مدت می تواند چندین برابر آن در زمان اولین بارگذاری باشد. بنا بر این، طراح باید مقدار و مشخصات خزش در بتن را بررسی کند تا آن را با الزامات خدمت پذیری مربوط به خزش، تطبیق دهد. (خدمت پذیری سازه، به این معناست که تغییر شکل و سایر عوامل، از قبیل عرض حداکثر ترک و غیره، تحت بارهای خدمت از مقدار مجاز تجاوز نکند.)
با توجه به موارد زیادی که پدیده خزش بر آن ها تاثیر دارد، تخمین مقدار خزش بتن و تعیین رفتار آن در طول زمان، مسئله بسیار مهمی است. خزش از منظرهای دیگر نیز اهمیت دارد که اکثر آن ها زیان آور هستند؛ مانند از بین رفتن پیش تنیدگی در بتن پیش تنیده و جابه‌جایی های تفاضلی در ساختمان های بلند؛ اما در عین حال خزش می تواند برای کاهش تنش ایجاد شده بر اثر قیدهای تغییر شکل نیز سودمند باشد.
عوامل موثر در خزش بتن
خزش بتن به عوامل مختلفی بستگی دارد، مانند: مواد تشکیل دهنده بتن، دما، رطوبت و … .
در ادامه، ۷ عامل اصلی و موثر در خزش بتن را به تفصیل معرفی می کنیم:
اما قبل از مطالعه عوامل موثر در خزش بتن، پیشنهاد می کنیم مقاله اصول بتن ریزی و نکات طلایی اجرای آن در ساختمان را مطالعه کنید؛ زیرا بسیاری از موارد تاثیر گذار در خزش بتن به مشخصات بتن و اجرای عمل بتن ریزی مربوط است.
# حتما بخوانید
۱- جنس و مقاومت مصالح به کار رفته در بتن
- خمیر سیمان
به طور کلی، منبع خزش بتن، خمیر سیمان هیدراته است و سنگدانه با وزن معمولی و کیفیت خوب عامل خزش نمی باشد. اما نقش سنگدانه در خزش، به این دلیل که دارای اثر مقیدکنندگی خمیر سیمان است، مهم و قابل بررسی است. اگرچه برخی سنگدانه های سبک ممکن است دارای خزش باشند؛ با این وجود در عمل، بتن های با کارآیی مشابه معمولا مقادیر خمیر سیمان مشابهی دارند و در نتیجه، تفاوت های خزشی زیادی با یکدیگر ندارند. به طور مثال در بتن های با وزن معمولی که دارای نسبت های سنگدانه به سیمان برابر ۹، ۶ و ۴.۵ و نسبت های متناظر آب به سیمان ۰.۷۵، ۰.۵۵ و ۰.۴۰ و خمیر سیمان به ترتیب ۲۴، ۲۷ و ۲۹ درصد است که مقادیر مشابهی است. از سوی دیگر، اگر مقدار خمیر سیمان ثابت باشد، افزایش نسبت آب به سیمان باعث افزایش خزش می شود.
- ویژگی سنگدانه ها
در مجموع می توان گفت هر چه میزان مصالح سنگی به کار رفته در ساخت بتن بیشتر از مقدار سیمان باشد و همچنین سنگدانه های به کار رفته در آن سخت تر باشد، میزان خزش کمتر خواهد بود. همچنین به طور کل هر چه حجم سنگ دانه ها بیشتر باشد، درصد خزش بتن کاهش پیدا می کند. همچنین دانه بندی سنگ دانه ها، شکل ظاهری و تخلخل آن ها نیز از عوامل تاثیرگذار در میزان خزش در بتن هستند.
۲- مقاومت فشاری بتن
از آنجا که خزش بتن با نسبت آب به سیمان ارتباط دارد، بنا بر این با مقاومت نیز مرتبط است. در واقع، طبق آزمایشات صورت گرفته بین مخلوط های ساخته شده با مصالح مشابه، خزش تقریبا به طور معکوس با مقاومت کوتاه مدت ارتباط دارد. در عین حال، خزش با تنش وارد بر بتن ارتباط مستقیم دارد. با ترکیب این اثرات دوگانه، قانون نسبت تنش به مقاومت به وجود می آید. یعنی خزش، تقریبا متناسب است با نسبت تنش به مقاومت. وابستگی خزش پایه به مقاومت، دلیل غیر مستقیمی مبنی بر تاثیر وجود حفره های خالی یا تا حدی خالی در خزش بتن است.
نکته ۱: در صورتی که مقاومت در زمان اعمال بار تغییر کند، نوع سیمان بر خزش اثر خواهد گذاشت.
نکته ۲: اگر نسبت تنش به مقاومت در سن بارگذاری یکسان باشد، اکثر سیمان های پرتلند (Portland) منجر به خزش تقریبا یکسانی می شوند؛ اما ایجاد مقاومت در زیر بار، یک عامل تاثیرگذار محسوب می شود؛ یعنی برای ایجاد مقاومت بیشتر، خزش کمتر خواهد بود.
(قسمت عمده سیمان مصرفی از نوع سیمان پرتلند است که اکثرا در کارهای اجرایی در لایه های زیر سطحی استفاده می شود)
۳- سن بتن
از آنجا که مقاومت با سن افزایش می یابد، بنا بر این می توان گفت با افزایش سن حین بارگذاری، خزش بتن کاهش می یابد. این یعنی تاخیر در بارگذاری، باعث کاهش خزش بتن می شود.
۴- رطوبت و دمای محیط
آزمایش های صورت گرفته روی نمونه بتن های در معرض هوای آزاد، نشان می دهد هر چه رطوبت هوا کمتر باشد، خزش بیشتر می شود. شکل زیر تاثیر رطوبت در خزش بتن را نشان می دهد.
منحنی اول با برچسب ۱۰۰%، خزش پایه را نشان می دهد، منحنی ۷۵% خزش اضافی در هوای دارای رطوبت نسبی و منحنی ۵۰% خزش ناشی از هوای خشک را نشان می دهد. اگر بتن پیش از اعمال بار روی آن خشک شود، در نتیجه، خزش کمتر خواهد بود. با این وجود، خشک شدن بتن زودتر از زمان معمول، به منظور کاهش خزش، نادرست است؛ زیرا خطر ناکافی بودن عمل آوری و ترک خوردگی بر اثر جمع شدگی ناشی از خشک شدن، وجود دارد.
۵- مواد افزودنی بتن
خاکستر بادی و سرباره، از جمله مواد افزودنی بتن هستند که منجر به کاهش خزش بتن می گردند.
به طور کلی، اضافه کردن افزودنی های شیمیایی، روان کننده ها و فوق روان کننده ها به منظور روان کردن بتن، موجب کاهش ۲۰% در خزش در یک نسبت ثابت تنش به مقاومت می شود. البته این اثرات به طور گسترده متغیر می باشند.
همچنین در صورت استفاده از مواد افزودنی یکسان به عنوان مواد کاهنده آب، خزش به دلیل مقدار کمتر آب، کمتر خواهد شد. به نظر می رسد که استفاده از مواد افزودنی کاهنده آب، علاوه بر کاهش جمع شدگی، خزش ناشی از خشک شدن را نیز کاهش می دهد.
۶- میزان تنش وارد شده به بتن
همانطور که در مورد ۲ گفتیم، خزش با تنش وارد بر آن ارتباط مستقیم دارد. یعنی هرچه تنش وارده کمتر باشد، مقدار خزش نیز کمتر است. همچنین در صورت ثابت بودن محتوای آب منافذ، خزش به طور خطی به تنش وابسته است.
۷- اندازه بتن
یکی دیگر از عوامل تاثیر گذار بر خزش بتن، اندازه و مساحت سطح مورد نظر است. اگر متغیر «اندازه» را به صورت نسبت حجم به مساحت سطح تعریف کنیم، خزش کلی، با افزایش اندازه، کاهش می یابد. البته خزش پایه تحت تاثیر اندازه نخواهد بود و این مولفه برای زمان خشک شدن بتن کاربرد دارد. این حالت، زمانی اتفاق می افتد که بتن حجیم امکان هیچگونه انتقال رطوبتی با محیط نداشته باشد و در عین حال، خزش پایه اتفاق افتاده باشد. به طور کل، تاثیر اندازه بر خزش بتن، یک عامل ثانویه در خزش بوده و قابل چشم پوشی است.
آزمایش خزش بتن
از جمله آزمایشات انجام شده در زمینه خزش بتن، آزمایشات مربوط به مواد افزودنی در بتن است. به طور مثال، برای انجام برآوردهای دقیق تر و در بتن های شامل چندین ماده افزودنی، آزمایش های کوتاه مدت توصیه می شود. طول مدت آزمایش باید حداقل ۲۸ روز باشد و از نمونه های کوچک آزمایشگاهی متشکل از بتن واقعی استفاده شود. در نهایت، داده های اندازه گیری شده مربوط به خزش و جمع شدگی برای به دست آوردن مقادیر بلند مدت برون یابی می شوند و سپس این مقادیر با توجه به اندازه مورد نیاز و رطوبت شرایط نگهداری، تنظیم و منطبق می شوند.
به نظر می رسد که استفاده از مواد افزودنی کاهنده جمع شدگی یا انقباض، علاوه بر کاهش انقباض، خزش ناشی از خشک شدن را نیز کاهش می دهد؛ اگرچه صحت سنجی آزمایشگاهی این موضوع محدود است.
محاسبه خزش در بتن
حین بارگذاری بتن، خزش از کرنشِ (تغییر شکل) الاستیک محاسبه می شود و به نرخ اعمال تنش بستگی دارد؛ به گونه ای که زمان اندازه گیری شده برای اعمال بار باید ذکر شود. علاوه بر این، خزش بتن باید به عنوان کرنشی اضافه بر کرنش الاستیک در زمان مورد نظر، در نظر گرفته شود. از آنجا که تغییر کرنش الاستیک معمولا کوچک است، بنا بر این، خزش از روی کرنش الاستیک در نخستین اعمال بار، حساب می شود.
به مجموع خزش پایه و خزش ناشی از خشک شدن، معمولا «خزش کل» می گویند. پدیده خزش، تا حدی برگشت پذیر است. به این صورت که پس از حذف بار، «بازگشت الاستیک» از کرنش الاستیک اولیه تقریبا کامل و سریع اتفاق می افتد که به دنبال آن نیز یک کاهش تدریجی کرنش وجود دارد. این کاهش تدریجی، «بازگشت خزش» نامیده می شود.
اندازه گیری خزش بتن را می توان مانند جمع شدگی، برحسب واحدهای مایکرو کرنش بیان کرد؛ اما به دلیل وابستگی به تنش، خزش مخصوص (cs) اغلب با واحدهای MPa بیان می شود. اصطلاحات دیگری که در محاسبه خزش بتن استفاده می شود، عبارتند از «سازگاری خزشی» (Φ) و «ضریب خزش» (φ) که گاهی اوقات عامل خزش نامیده می شود.
ضریب خزش به صورت نسبت خزش به کرنش الاستیک، حین بارگذاری و برای یک تنش واحد به صورت زیر تعریف می شود:
(۳-۵) . = CsE × ۱۰۳ (C_s/1)/(E×〖۱۰〗^۳ ) = Ø
جمع شدگی بتن چیست؟
به تغییر حجم بتن در اثر از دست دادن آب، جمع شدگی می گویند. نام دیگر جمع شدگی بتن، افت بتن (shrinkage) یا انقباض بتن است. با از دست رفتن آب موجود در ساختار بتن، حجم آن با درجات مختلفی کاهش پیدا می کند. هر چه میزان آب بتن بیشتر باشد، تغییر حجم و افت آن بیشتر است. به دلیل اهمیت این موضوع در مهندسی، پیشاپیش میزان افت یا جمع شدگی بتن دقیقا محاسبه می شود. از جمله عوامل تاثیرگذار در افت یا جمع شدگی بتن، می توان به مقدار آب اولیه موجود در خمیر بتنی، میزان تبخیر آب و ابعاد و نحوه آرایش سنگدانه‌ها اشاره کرد.
انواع جمع شدگی در بتن
به طور کل، انواع جمع شدگی در بتن به ۴ دسته زیر تقسیم بندی می شود:
- جمع شدگی پلاستیک
- افت ناشی از خشک شدن
- افت خودبه‌خودی
- افت کربناسیون
اثرات جمع شدگی و خزش بتن در سازه ها، به ویژه در ساختمان های بلندمرتبه، می تواند قابل ملاحظه باشد و باید در طراحی منظور شوند. اما تفاوت خزش و انقباض (جمع شدگی) در بتن چیست؟ در ادامه به بررسی این تفاوت می پردازیم:
تفاوت خزش و جمع شدگی در بتن
جمع شدگی و خزش بتن، دو ویژگی فیزیکی بتن هستند که نباید آن ها را یکی دانست؛ اما از آنجا که عوامل به وجود آورنده خزش در بتن با عوامل موثر بر جمع شدگی بتن شباهت دارند، ممکن است خزش و انقباض بتن با یکدیگر اشتباه گرفته شوند. به همین دلیل، شباهت ها و تفاوت افت و خزش در بتن را مجزا بررسی می کنیم تا پاسخ سوال «منظور از خزش و افت بتن چیست» را بهتر متوجه شویم.
تفاوت های خزش بتن و جمع شدگی بتن:
- جمع شدگی، ناشی از خشک شدن بتن (بر اثر آب‌رفتگی یا افت در بتن) به وجود می آید، اما خزش بر اثر نیروهای خارجی وارده بر عضو بتنی به وجود می‌آید.
- جمع شدگی، یک ویژگی ذاتی و طبیعی در تمامی انواع بتن‌های ساخته شده با سیمان پرتلند است. به این معنی که تقریبا تمامی بتن ها بعد از خشک شدن، به دلیل خروج آب، دچار درجاتی از جمع شدگی می‌شوند. در صورتی که خزش در بتن، پدیده ای غیر عادی تلقی می شود و نشان دهنده فشارهای زیاد بر سازه است.
شباهت های خزش بتن و جمع شدگی بتن:
- در هر دو پدیده خزش و جمع شدگی، سنگ دانه ها به عنوان عامل مهم در کیفیت خمیر سیمان و در نتیجه، سختی و ضریب الاستیسیته و تمرکز حجمی آن تاثیرگذار است.
- اندازه (نسبت حجم به سطح)، در هر دو پدیده تاثیرگذار است.
- مواد افزودنی کاهنده افت یا جمع شدگی، بر خزش ناشی از خشک شدن بتن نیز تاثیر دارد.
- منحنی تغییر شکل-زمان هر دو پدیده شبیه به هم هستند.
- هر دو پدیده تا حدی برگشت پذیر هستند.
انواع خزش در بتن
به طور کلی، انواع خزش در مهندسی عمران به صورت زیردسته بندی می شود:
- Basic creep – خزش اولیه
- Drying creep – خزش خشک شدن
- Specific creep – خزش ویژه
خزش اولیه: اعمال تنش ثابت روی نمونه بتنی در شرایط رطوبت نسبی ۱۰۰ درصد، منجر به افزایش کرنش در طول زمان می شود که به آن خزش اولیه می گویند. در این روش، سرعت خزش با گذشت زمان کاهش می یابد.
خزش خشک شدن: خزش اضافی که هنگام خشک شدن نمونه تحت بار رخ می دهد، خزش خشک نامیده می شود. در این روش، نرخ خزش ثابت است.
خزش ویژه: کرنش خزش در واحد تنش اعمال شده، خزش ویژه نامیده می شود. در این روش، خزش تا شکستگی بتن افزایش می یابد.
نقش میلگرد در جلوگیری از خزش بتن
برای خنثی کردن تنش کششی ناشی از خزش و افت در بتن، از آرماتورها استفاده می شود. استفاده از حداکثر مقدار مجاز میلگرد، مخصوصا آرماتورهای افت و حرارت، باعث می شود نیروهای کششی به آرماتور منتقل شوند و بتن از ترک‌خوردگی‌های سطحی در امان بماند.
دیگر روش های مقابله با خزش بتن، شامل موارد زیر می شود:
- رطوبت کافی
- استفاده از سیمان و سنگدانه‌های مرغوب
- رعایت نسبت آب به سیمان
- کنترل تنش های وارد شده بر سازه
همانطور که گفتیم استفاده از آرماتور افت و حرارت یا همان آرماتور حرارتی در مقابله با خزش در بتن تاثیر به سزایی دارد. برای آشنایی با آرماتور یا میلگرد حرارتی، موارد استفاده و نحوه اجرای آن، مقاله زیر را مطالعه کنید.
# حتما بخوانید
پیشنهاد کارشناس آهن ملل: مطالعه مقاله معرفی میلگرد حرارتی؛ از نکات اجرا تا نحوه محاسبه میلگرد حرارتی
میلگرد حرارتی چیستجمع بندی
در پدیده خزش، وقتی یک ماده، تحت فشار قرار می‌گیرد؛ رفتارهای گوناگونی از خود نشان می‌دهد. یعنی زمانی که ماده تحت فشار مکانیکی باشد، حرکت می کند و حتی ممکن است به صورت دائم تغییر شکل دهد. میزان و سرعت خزش؛ بسته به نوع و ساختار سازه بتنی و مقدار فشارهای وارده، متفاوت است. از جمله عوامل موثر در خزش بتن، می‌توان به تغییرات دمایی، زمان، تنش و ترکیب آلیاژها و میزان فشار اشاره کرد.
جلوگیری از ایجاد خزش در بتن، بسیار مهم است؛ زیرا خزش می‌تواند در نهایت منجر به اختلال در عملکرد سازه و آسیب های جدی در آن شود. معمولا سه نوع خزش در سازه‌های بتنی وجود دارد: خزش اولیه، خزش خشک شدن و خزش ویژه. سرعت و شدت این خزش‌ها به وسیله ضریب خزش بتن محاسبه می‌شود.
سوالات متداول خزش در بتن چیست؟ انواع، علل ایجاد و تفاوت ها
خزش در بتن چیست؟
خزش در بتن (Creep of concrete) به معنی تغییر شکل بتن تحت تنش ثابت در طول زمان است. تغییر شکل ناشی از خزش در بتن، تحت تنش ثابت در طول زمان، مسئله بسیار قابل توجهی است.
انواع خزش در بتن کدامند؟
به طور کلی انواع خزش در مهندسی عمران به ۳ دیته تقسیم بندی می شود:
خزش اولیه (Basic creep)
خزش خشک شدن (Drying creep)
خزش ویژه (Specific creep)
تفاوت خزش و جمع شدگی در بتن چیست؟
جمع شدگی، از خشک شدن بتن (براثر آب‌رفتگی یا افت در بتن) به وجود می آید، اما خزش بر اثر نیروهای خارجی وارده بر عضو بتنی به وجود می‌آید.
تقریبا تمامی بتن ها بعد از خشک شدن، به دلیل خروج آب دچار درجاتی از جمع شدگی می‌شوند. در صورتی که خزش در بتن پدیده ای غیر عادی تلقی می شود و نشان دهنده فشارهای زیاد بر سازه است.
