جمع‌شدگی در بتن
در این مقاله چه چیزهایی یاد میگیریم؟
جمع‌شدگی چیست و چگونه رخ می‌دهد؟
از مهم‌ترین خواص بتن می‌توان به فرایند هیدارتاسیون (هیدراسیون) اشاره کرد. در طی این فرایند به‌ازای هر گرم سیمان ۱۲۰ کالری (۵۰۰ ژول) گرما آزاد می‌شود. حال یک تودهٔ حجیم بتنی را تصور کنید. در مرکز آن هیدراسیون رخ می‌دهد. دما در مرکز به طرز چشمگیری بالا می‌رود. در سطح بتن به علت مجاورت با هوای آزاد بتن دمای خود را از دست می‌دهد. اما در مرکز چطور؟
ضریب انتقال حرارتی بتن پایین است و این باعث می‌شود مقدار کمی از گرما بتواند از مرکز خارج شود یا به بیان دیگر گرما در مرکز بتن زندانی می‌شود. این توده‌های عظیم بتنی حال دو محدودهٔ دمایی دارد. مرکز آن که گرم است و میل به انبساط دارد، سطح خارجی آن که گرم نیست و میل به انقباض دارد. این اتفاق باعث می‌شود سطح خارجی بتن که میل به انقباض دارد خودش را جمع کند و در نتیجه شاهد ترک‌خوردگی بتن باشیم.
تفاوت شرینکیج (shrinkage) با خزش (creep)
فرایند جمع‌شدگی یا انقباض بدون دخالت هیچ‌گونه نیروی خارجی باعث ترک خوردن بتن می‌شود. اما فرایند خزش در واقع براثر اعمال نیروهای خارجی صورت می‌پذیرد و ترک می‌خورد
انواع جمع‌شدگی (انقباض) در بتن
انواع جمع‌شدگی بر اساس دلیل رخداد به دو نوع اصلی تقسیم می‌شود. نوع اول جمع‌شدگی ناشی از هیدراتاسیون که فرایند آن در ابتدای مقاله گفته شد. نوع دوم آن جمع‌شدگی پلاستیک است؛ قبل از شرح این نوع جمع‌شدگی لازم است مفهوم بلیدینگ را بدانیم:
بلیدینگ (bleeding) طی‌کردن لوله‌های مویین توسط آب است. پس از بتن‌ریزی، ذرات آب تلاش می‌کنند از حفره‌های مویین بتن به سطح خارجی آن راه پیدا کنند؛ که باعث آب افتادگی (آب انداختگی) سطح بتن می‌شود. به این پدیده بلیدینگ (bleeding) یا آب افتادگی یا آب انداختگی می‌گویند.
جمع‌شدگی پلاستیک وقتی رخ می‌دهد که سرعت تبخیر آب از روی سطح بتن از سرعت آب افتادگی (bleeding) بیشتر باشد. پس هر چیزی که سرعت تبخیر را افزایش دهد (مثل دمای بالای محیط، رطوبت کم و سرعت زیاد باد) باعث افزایش جمع‌شدگی پلاستیک می‌شود. همچنین هر چیزی که سرعت بلیدینگ را کاهش دهد (مثل طرح اختلاط نامناسب، ضخامت المان بتنی، نوع متراکم کردن بتن و کیفیت پرداخت سطح آن) نیز سرعت جمع‌شدگی پلاستیک را زیاد می‌کند. ترک‌های ناشی از جمع‌شدگی پلاستیک موازی یکدیگر بوده و فاصله آن‌ها کمتر از یک متر است. عمق آن‌ها نیز از ۵ سانتی‌متر فراتر نمی‌رود.
عوامل مؤثر بر شرینکیج (افت) در بتن
جمع‌شدگی پدیده‌ای در خمیرمایه بتن است. در قسمت سنگ‌دانه مفهوم جمع‌شدگی معنا پیدا نمی‌کند. پس به‌طورکلی می‌توان گفت هرچه نسبت سنگ‌دانه‌ها به خمیرمایه بتن بیشتر باشد مقدار جمع‌شدگی کمتر خواهد بود. اما به‌صورت موردی عوامل مؤثر بر جمع‌شدگی را می‌توان به‌صورت زیر دسته‌بندی کرد:
- نسبت آب به سیمان هرچه کمتر باشد بهتر است
- رطوبت: هرچه رطوبت محیط عمل‌آوری بتن (کیورینگ) بیشتر باشد مقدار جمع‌شدگی کاهش می‌یابد؛ زیرا فرصت تبخیر برای آب خروجی از منافذ ایجاد نمی‌شود
- سرعت باد: با افزایش سرعت باد؛ مولکول‌های بخار آب که در نزدیکی سطح بتن هستند سریع‌تر پراکنده می‌شوند و فرصت برای تبخیر مجدد ایجاد می‌شود؛ لذا با افزایش سرعت باد، سرعت تبخیر افزایش می‌یابد که این امر باعث افزایش جمع‌شدگی می‌شود.
- نوع سنگ‌دانه‌ها: هرچه سنگ‌دانه‌ها شکسته‌تر و بزرگ‌تر باشند جمع‌شدگی کمتر می‌شود
- عمر بتن: عمدهٔ مقدار افت بتن در سن ۱ سالگی بتن اتفاق می‌افتد
- استفاده از آرماتورها: ترک‌خوردگی‌های ناشی از جمع‌شدگی (shrinkage) به دلیل ایجاد تنش‌های کششی در بتن اتفاق می‌افتد؛ حال اگر در قسمت سطحی بتن از آرماتورهای حرارتی استفاده کنیم؛ نیروهای کششی به آرماتور منتقل می‌شوند و بتن از ترک‌خوردگی‌های سطحی در امان می‌ماند.
- دما: این عامل نیز مانند رطوبت و سرعت باد به تبخیر ناشی از آب انداختگی بتن ربط دارد. هرچه دما بیشتر باشد، سرعت تبخیر بیشتر است.
- عمل‌آوری (curing): هرچه کیفیت عمل‌آوری بتن بالاتر باشد؛ مقدار جمع‌شدگی کاهش می‌یابد.
- نسبت سطح به حجم: اگر یک لیتر آب را داخل یک پارچ بریزیم زودتر تبخیر می‌شود یا داخل یک تشت؟ بله، داخل یک تشت. زیرا سطح تبخیر زیادتری دارد. از همین رو هرچه نسبت سطح به حجم بیشتر باشد سرعت تبخیر و نرخ انتقال گرما افزایش می‌یابد. به همین دلیل اهمیت جمع‌شدگی در روسازی‌ها، عرشه‌های پل و کف‌ها (مثل کفسازی با فوم بتن) زیاد است.
راه‌های کاهش جمع‌شدگی (shrinkage) در بتن
اولین و مؤثرترین راه برای کاهش مقدار جمع‌شدگی؛ کاهش نسبت آب به سیمان است. هرچه آب بیشتر باشد آب افتادگی بیشتر می‌شود و در نتیجه مقدار ترک‌خوردگی افزایش می‌یابد؛ در بتن‌های با نسبت آب به سیمان بالاتر از ۰٫۴۵ مهم‌ترین دلیل ایجاد ترک در سنین اولیه جمع‌شدگی ناشی از خشک شدن است.
ویبره زیاد باعث افزایش آب افتادگی می‌شود؛ لذا تواتر و زمان ویبره نباید از مقدار متعارف خود تجاوز کند.
استفاده از سیمان انبساطی:
استفاده از این سیمان یا سیمان ضد جمع‌شدگی باعث کاهش و یا حتی حذف ترک‌های ناشی از جمع‌شدگی می‌شود.
سیمان زودگیر جمع‌شدگی بیشتری دارد چون گیرش سریع‌تر رخ می‌دهد
به‌صورت کلی؛ کلسیم کلرید بیشتر، به منزله جمع‌شدگی بیشتر خواهد بود
استفاده از الیاف‌های مختلف بتنی
مثل الیاف پلیمری پلی‌پروپیلن جمع‌شدگی ناشی از خشک شدگی را کاهش می‌دهد.
در بتن خود متراکم، جمع‌شدگی بیشتری رخ می‌دهد.
استفاده از افزودنی
با ۳ نوع افزودنی می‌توان میزان جمع‌شدگی در بتن را کاهش داد:
- فوق روان‌کننده‌ها: به این دلیل که نسبت آب به سیمان را کاهش می‌دهند مقدار جمع‌شدگی نیز کاهش می‌یابد
- منبسط کننده‌ها: این افزودنی‌ها در واقع جبران‌کننده انقباض (جمع‌شدگی) هستند و با انبساط، مقدار انقباض ناشی از جمع‌شدگی را کاهش می‌دهند.
- کاهنده جمع‌شدگی: این افزودنی‌ها که در دهه ۱۹۸۰ در ژاپن اختراع و استفاده شدند بدون ایجاد انبساط و با ترکیبات شیمیایی آلی مقدار افت در بتن را ماهش می‌دهند.
مصرف مقدار ۱ تا ۲٫۵ درصد وزن سیمان از این افزودنی توصیه می‌شود. البته توجه شود که استفاده از این نوع افزودنی مقاومت فشاری ۲۸ روزه بتن را تا ۱۵ درصد کاهش می‌دهد.
به بتن‌هایی که افزودنی‌های فوق اضافه شوند یا با سیمان منبسط شونده ساخته شوند؛ بتن بدون جمع‌شدگی می‌گویند.
آزمایش shrinkage (جمع‌شدگی)
این آزمایش (ASTM-C۵۹۶) در شرایط کنترلی مخصوص (دما و رطوبت کنترل شده) روی نمونه‌های مشخص صورت می‌پذیرد.
