خزش در بتن چیست؟ عوامل مؤثر، انواع و روش‌های کنترل آن

در مهندسی سازه، بتن به‌ عنوان یک ماده مستحکم و بادوام شناخته می‌شود؛ با این حال، بتن نیز ممکن است در اثر عوامل مختلف دچار یک تغییر شکل تدریجی و زمان‌بر به نام خزش شود. میزان تغییر شکل ناشی از این پدیده در برخی موارد، چندین برابر میزان جابه‌جایی مستقیم بار اعمالی است. عدم محاسبه دقیق خزش بتن خصوصاً در بتن پیش‌تنیده بر عملکرد سازه تأثیر منفی می‌گذارد و به مشکلات ساختاری جدی منجر می‌شود. در این مطلب به‌طور کامل به بررسی مفهوم خزش در بتن، انواع، نحوه محاسبه و عوامل موثر بر آن می‌پردازیم.

خزش در بتن چیست؟

خزش در بتن به معنای تغییر شکل تدریجی و دائمی سازه بتنی است که در اثر قرارگیری طولانی‌مدت تحت یک بار ثابت در طول زمان رخ می‌دهد. این پدیده یک کرنش وابسته به زمان است که پس از تغییر شکل ارتجاعی اولیه اتفاق می‌افتد و با گذشت زمان، مقدار آن بیشتر می‌شود؛ اگرچه سرعت افزایش این تغییر شکل با سپری شدن زمان کاهش می‌یابد. به بیان ساده‌تر، خزش به معنای افزایش کرنش، غیرقابل برگشت در بتن است که تحت نیروی خارجی ثابت و در درازمدت به وجود می‌آید. این دگرگونی معمولاً در جهت نیروی اعمالی (مانند فشرده‌شدن ستون یا افتادگی تیر) اتفاق می‌افتد و می‌تواند به تغییر مکان قابل‌توجه در سازه و در نهایت، کاهش عملکرد و ایمنی در بلندمدت منجر شود.

تفاوت جمع‌شدگی و خزش در بتن

خزش (Creep) و جمع‌شدگی (Shrinkage) دو اصطلاح محوری در مهندسی عمران هستند که به تغییر شکل‌های بتن در طول زمان اشاره دارند؛ اما از نظر مکانیسم با هم متفاوت‌اند. خزش یک تغییر شکل دائمی و وابسته به زمان است که منحصراً در اثر بار یا فشار ثابت و طولانی‌مدت مکانیکی بر قطعه بتنی ایجاد می‌شود و می‌تواند جابه‌جایی ارتجاعی اولیه را چندین برابر افزایش دهد. در این حالت، شکل سازه تغییر می‌کند؛ اما اندازه کلی آن ثابت می‌ماند. در مقابل، جمع‌شدگی بتن نوعی تغییر شکل است که به دلیل از دست دادن رطوبت از طریق منافذ مویین بتن رخ می‌دهد (مانند جمع‌شدگی خشک‌شدن، خمیری و خودزا) و به بار خارجی وابسته نیست. این پدیده باعث کاهش یا تغییر حجم کلی بتن می‌شود و می‌تواند تا حدودی برگشت‌پذیر باشد.

انواع خزش در بتن چیست؟

خزش در بتن یک پدیده وابسته به زمان است و به دلیل ماهیت پیچیده و عوامل گوناگون مؤثر در آن به صورت یکسان اتفاق نمی‌افتد. خزش با توجه به مراحل زمانی و مکانیزم وقوع به انواع زیر دسته‌بندی می‌شود.

خزش اولیه: این نوع خزش بلافاصله پس از اعمال بار روی قطعه بتنی رخ می‌دهد و مدت زمان کوتاهی به طول می‌انجامد. ویژگی بارز این مرحله، افزایش ناگهانی و چشمگیر کرنش (تغییر شکل) است که ناشی از تنظیم اولیه ریزساختار بتن تحت تنش است. در آغاز این فاز، سرعت تغییر شکل بسیار بالاست و با افزایش مقاومت داخلی مصالح، به‌تدریج کاهش می‌یابد.

خزش ثانویه: این نوع خزش که با نام خزش حالت پایدار نیز شناخته می‌شود، فاز طولانی‌مدت خزش است که در اثر تداوم بارگذاری اتفاق می‌افتد. این مرحله مهم‌ترین بخش از فرآیند کلی خزش را تشکیل می‌دهد و با سرعت تقریباً ثابت و تدریجی پیش می‌رود. عواملی نظیر شدت بار، مشخصات طرح اختلاط، نوع سنگدانه و شرایط محیطی بیشترین تأثیر را بر این نوع خزش دارند.

خزش نهایی: فاز پایانی و بحرانی است که در آن نرخ تغییر شکل به‌شدت افزایش می‌یابد و در نهایت، به گسیختگی سازه ختم می‌شود. این مرحله معمولاً در شرایط تنش‌های بسیار بالا یا زمانی رخ می‌دهد که تضعیف چشمگیری (مانند گسترش ریزترک‌ها) در ساختار داخلی ماده ایجاد شده باشد. عدم توجه به خزش نهایی در طراحی می‌تواند به ناپایداری و فروریزش سازه منجر شود.

خزش پایه: به آن دسته از تغییر شکل‌ها گفته می‌شود که در یک نمونه بتنی آب‌بندی‌شده (بدون تبادل رطوبت با محیط) تحت بارگذاری رخ می‌دهد. این نوع خزش صرفاً توسط حرکت داخلی ذرات ژل سیمان در اثر تنش پایدار هدایت می‌شود و مستقل از اثرات خشک‌شدن بتن است. خزش پایه خصوصاً در بتن‌های با نفوذپذیری بسیار پایین (مانند بتن‌های با عملکرد بالا) اهمیت دارد.

خزش خشک‌شدن: به تغییر شکل اضافی گفته می‌شود که در اثر از دست رفتن رطوبت بتن هنگام بارگذاری رخ می‌دهد. این پدیده، ترکیبی از خزش پایه و اثرات جمع‌شدگی (Shrinkage) است؛ زیرا خروج آب از خمیر سیمان تغییرات بیشتری را در ریزساختار بتن به دنبال دارد. خزش خشک‌شدن در محیط‌های با رطوبت کم و دمای بالا بیشتر اتفاق می‌افتد.

نشانه های خزش بتن چیست؟

خزش بتن (concrete creep) با یک‌سری علائم ظاهری و شواهد فیزیکی قابل اندازه‌گیری همراه است که توجه به آن‌ها تشخیص این پدیده را امکان‌پذیر می‌سازد.

۱. خیز یا افتادگی بیش از حد: واضح‌ترین نشانه خزش در بتن، مشاهده خمش و افتادگی قابل‌توجه در قطعات افقی سازه (تیرها و دال‌ها) است که بسیار بیشتر از میزان محاسبه‌شده اولیه یا خیز آنی می‌باشد.

۲. ترک‌های ثانویه ناشی از مهار حرکت بتن: ظاهر شدن ترک‌ها در نقاطی که حرکت بتن محدود شده است (مثلاً در نزدیکی آرماتورها یا محل اتصال قطعات سخت‌تر) نشان می‌دهد که بتن در حال تلاش برای جمع‌شدن (خزش) بوده؛ اما مهار شده است.

۳. کوتاه شدن ستون‌ها و دیوارهای فشاری: کاهش ارتفاع دائمی در ستون‌ها یا دیوارهای بتنی تحت فشار محوری سنگین که با اندازه‌گیری دقیق در طولانی‌مدت مشخص می‌شود.

۴. تغییر زاویه اتصالات (شیب‌دار شدن): مشاهده‌ی تغییرات زاویه‌ای در محل اتصال تیرها به ستون‌ها یا ستون‌ها به پی می‌تواند ناشی از تغییر شکل‌ها و چرخش‌های حاصل از پدیده خزش باشد.

۵. آسیب‌های غیرسازه‌ای (مشکلات عملکردی): ایجاد اختلال در عناصر غیرسازه‌ای که به قطعات اصلی متصل هستند، مانند:

• گیر کردن درها و پنجره‌های متصل به ستون‌های تحت خزش

• آسیب، شکستگی یا جدا شدن دیوارهای پارتیشن و نما از سقف یا ستون‌های اصلی به دلیل جابه‌جایی زیاد عضو بتنی

• خرابی اتصالات مکانیکی و لوله‌کشی‌ها به دلیل تغییر شکل اعضای نگهدارنده

دلایل ایجاد خزش در بتن

دلیل اصلی پدیده خزش، فشار مکانیکی ثابت و طولانی‌مدت بر ساختار خمیر سیمان هیدراته است. تحت تأثیر این تنش پایدار، آب سطحی جذب‌شده که در ساختار ژله‌ای خمیر سیمان محبوس است، به‌ آرامی از منافذ خارج می‌شود. این جابه‌جایی داخلی آب باعث تنظیم مجدد ذرات ژل سیمان و در نتیجه فشردگی دائمی ساختار بتن می‌شود. با وجود آنکه خزش در دما و رطوبت بالا تشدید می‌شود، اما اگر بتن کاملاً خشک شود (آب قابل تبخیر کاملاً خارج شود)، مکانیسم خزش عملاً متوقف شده یا به حداقل می‌رسد. با این حال توجه داشته باشید که خشک شدن کامل بتن بدون بروز ترک‌های انقباضی (جمع‌شدگی) معمولاً غیرممکن است.

عوامل موثر در خزش بتن

شدت و میزان پدیده خزش در بتن، تحت تأثیر عوامل گوناگونی قرار می‌گیرد که به شرایط بارگذاری، ترکیب مصالح و وضعیت محیطی مربوط می‌شوند. مهم‌ترین عوامل تأثیرگذار بر خزش شامل موارد زیر هستند:

• شدت و مدت زمان بارگذاری (concrete creep): با بزرگی بار ثابت اعمال‌شده ارتباط مستقیم دارد. هرچه تنش وارده بیشتر باشد، تغییر شکل نهایی بزرگ‌تر خواهد بود. بارگذاری طولانی‌مدت، پدیده خزش را در طول عمر مفید سازه به میزان قابل‌توجهی تشدید می‌کند. این مسأله لزوم برنامه‌ریزی دقیق برای بارگذاری اولیه را نشان می‌دهد.

• سن بتن در زمان بارگذاری: بتنی که به‌تازگی سخت شده اما هنوز به مقاومت نهایی خود نرسیده است، خزش بسیار بیشتری را تجربه می‌کند. با افزایش سن بتن، ساختار ژل سیمان متراکم‌تر و سخت‌تر می‌شود و در نتیجه سرعت خزش به‌طور محسوسی کاهش می‌یابد. در نتیجه، تأخیر در بارگذاری موجب کاهش خزش در بتن می‌شود.

• نسبت آب به سیمان بالا (W/C): افزایش نسبت آب به سیمان باعث افزایش تخلخل داخلی بتن و ایجاد ساختاری ضعیف‌تر می‌شود. این ضعف درونی، مقاومت بتن در برابر تغییر شکل تحت تنش پایدار را کم می‌کند و به خزش بیشتر منجر می‌شود. برای کاهش خزش، استفاده از نسبت آب به سیمان پایین‌تر بسیار مهم است.

• نقش مهارکنندگی سنگدانه‌ها: سنگدانه‌ها دارای نرخ خزش بسیار پایینی هستند و به‌عنوان اسکلت سخت بتن، خمیر سیمان را مهار کرده و از جمع شدن آن جلوگیری می‌کنند. بنابراین استفاده از سنگدانه‌های متخلخل، ضعیف و فاقد دانه‌بندی مناسب، مقاومت سازه در برابر خزش را کاهش داده و خزش در بتن را افزایش می‌دهد.

• افزودنی‌های بتن (Admixtures): افزودنی‌های بتن می‌توانند تأثیر دوگانه‌ای بر خزش بتن داشته باشند؛ برخی آن را افزایش و برخی دیگر آن را کاهش می‌دهند. به‌عنوان مثال، افزودنی‌های کاهنده جمع‌شدگی با تغییر ریزساختار سیمان به آن کمک می‌کنند تا بار بیشتری را تحمل کند و خزش را کاهش دهند. بنابراین انتخاب نوع افزودنی اهمیت بسیاری دارد.

• عمل‌آوری (Curing) نامناسب: عمل‌آوری ضعیف به هیدراتاسیون ناقص و تضعیف ذرات سیمان منجر می‌شود. کیفیت عمل‌آوری تأثیر مستقیمی بر ساختار نهایی بتن و مقاومت آن در برابر پدیده خزش دارد. در نتیجه تأمین رطوبت و دمای لازم در دوران عمل‌آوری برای اطمینان از کسب مقاومت کافی و کاهش خزش، ضروری است.

• شرایط آب‌وهوایی و رطوبت محیط: هوای گرم و رطوبت کم با تسریع تبخیر، سرعت خزش را به‌شدت افزایش می‌دهد. در مقابل، هوای سرد نیز فرآیند افزایش مقاومت را کُند می‌سازد و اگر منجر به یخ‌زدگی یا ایجاد مقاومت ناکافی شود، خزش نهایی را بالا می‌برد. همچنین بتن خشک تحت تنش، نرخ خزش بالاتری نسبت به بتن تحت رطوبت نسبی بالا دارد.

• نوع سیمان و اندازه ذرات آن: ترکیب شیمیایی سیمان عامل کلیدی در تعیین میزان خزش بتن در درازمدت است. برخی انواع سیمان مانند سیمان سرباره کوره‌بلند پرتلند معمولاً در شرایط خشک‌شدن، میزان خزش بالاتری نسبت به سیمان پرتلند معمولی از خود نشان می‌دهند. همچنین ریز بودن دانه‌های سیمان با تأثیر بر سرعت هیدراتاسیون و رشد استحکام اولیه بتن، میزان خزش را تغییر می‌دهد. هرچه دانه‌های سیمان ریزتر باشند، رسیدن به مقاومت اولیه سریع‌تر اتفاق می‌افتد و در صورت عدم کنترل صحیح (مانند تنظیم میزان گچ) به افزایش نرخ خزش در بتن منجر می‌شود.

• مقاومت فشاری بتن: مقاومت فشاری یکی از مهم‌ترین شاخص‌های عملکردی است که با پدیده خزش رابطه معکوس دارد؛ یعنی هرچه بتن در زمان بارگذاری مقاومت فشاری بیشتری داشته باشد، میزان خزش نهایی آن به‌طور قابل‌توجهی کاهش می‌یابد. این رابطه نشان می‌دهد که طراحان باید توجه ویژه‌ای به بهینه‌سازی نسبت آب به سیمان و میزان سیمان مصرفی داشته باشند؛ زیرا هدف نهایی از اصلاح این عوامل، افزایش مقاومت سازه و کنترل مؤثر پدیده خزش است.

محاسبه خزش در بتن

برای تعیین مقدار خزش در بتن، متخصصان از آزمون استاندارد ASTM C512 استفاده می‌کنند. در این آزمایش، نمونه‌های بتنی در شرایط کاملاً کنترل‌شده و سنین مشخص تحت بار قرار می‌گیرند تا مشخص شود خزش دقیقاً چقدر با میزان فشار اعمالی متناسب است.

هنگام اندازه‌گیری، خزش به‌عنوان تغییر شکل اضافی و وابسته به زمان (که پس از تغییر شکل آنی اولیه رخ می‌دهد) ثبت می‌شود. مجموع خزش اولیه و خزش ناشی از خشک‌شدن بتن، «خزش کل» نامیده می‌شود. نکته مهم آن است که خزش تا حدی قابل بازگشت است؛ پس از برداشتن بار، ابتدا تغییر شکل آنی برمی‌گردد (بازگشت الاستیک) و سپس به مرور زمان، مقداری از خزش نیز برطرف می‌شود (بازگشت خزش).

برای محاسبه میزان خزش که یک سازه بتنی تحت بارهای پایدار متحمل خواهد شد، مهندسان در درجه اول از ضریب خزش استفاده می‌کنند. ضریب خزش (ϕ) یک پارامتر بدون‌بُعد و ضروری در مهندسی سازه است که برای پیش‌بینی تغییر شکل بتن تحت بارهای دائمی استفاده می‌شود. این ضریب نسبت تغییر شکل بلندمدت (خزش) به تغییر شکل آنی (الاستیک) در لحظه بارگذاری است. به عبارت دیگر، این ضریب مشخص می‌کند که بتن در طول عمر خود چند برابر تغییر شکل اولیه به دلیل خزش فشرده خواهد شد. فرمول محاسبه ضریب خزش بتن به صورت زیر است:

ضریب خزش برابر است با خزش تقسیم بر کرنش آنی.

روش‌های کاهش و کنترل خزش بتن

برای حفظ استحکام و دوام سازه می‌توانید با به‌کارگیری راهکارهای زیر، خزش در بتن را به حداقل برسانید:

• استفاده از سنگدانه‌های باکیفیت: از سنگدانه‌های متراکم، غیرقابل‌جذب و درشت (مانند کوارتز، گرانیت یا بازالت) با مدول الاستیسیته بالا استفاده کنید. این سنگدانه‌ها با مهار کردن خمیر سیمان، نرخ خزش را کاهش می‌دهند.

• کنترل نسبت آب به سیمان: استفاده از نسبت آب به سیمان پایین برای تولید بتن با تخلخل کمتر و مقاومت بیشتر، عامل اصلی کاهش خزش است.

• انتخاب نوع بتن مناسب: استفاده از بتن‌های بسیار مقاوم، بتن‌های با عملکرد بالا (High-Performance) یا بتن‌های الیافی (Fiber-Reinforced) به‌دلیل مقاومت فشاری و دوام بالاتر با خزش کمتری همراه است.

• استفاده از افزودنی‌های کاهنده: به‌کارگیری افزودنی‌های کاهنده جمع‌شدگی (Shrinkage-reducing admixtures) برای بهبود ریزساختار سیمان و توانایی تحمل بار موجب کاهش خزش بتن می‌شود.

• کنترل دقیق فرآیند عمل‌آوری: کیورینگ نامناسب بیشترین آسیب را به مقاومت بتن می‌زند و خزش را افزایش می‌دهد. برای جلوگیری از این مسأله باید از خشک‌شدن سریع بتن در مراحل اولیه جلوگیری شود (مثلاً با مه‌پاشی یا استفاده از کُندکننده‌های تبخیر).

• حفظ رطوبت در عمل‌آوری نهایی: در مرحله عمل‌آوری نهایی باید سطح بتن را به‌صورت پیوسته مرطوب نگه داشت. این کار از طریق روش‌هایی مانند آب‌پاشی یا استفاده از پوشش‌های محافظ مانند پلاستیک و ترکیبات عمل‌آوری مایع انجام می‌شود.

• کنترل دمای بتن: خودداری از داغ شدن بتن در کنترل خزش نقش دارد. استفاده از آب و سنگدانه‌های خنک یا سیستم‌های خنک‌کننده داخلی کمک می‌کند تا رطوبت حفظ شود و ساختار بتن در دمای مناسب شکل بگیرد.

• استفاده از قالب‌های غیرجاذب: در ساخت سازه‌های عمودی از قالب‌های فلزی یا چوبی آب‌بندی‌شده استفاده کنید تا رطوبت بتن جذب قالب نشود.

• تأخیر در بارگذاری: برای کاهش خزش به بتن زمان کافی دهید تا عمل‌آوری آن در طولانی‌مدت به‌طور کامل انجام شود و به حداکثر مقاومت برسد. هرچه بارگذاری سنگین دیرتر اعمال شود، خزش کمتری رخ خواهد داد.

• پیش‌تنیدگی (Prestressing): در بتن‌های پیش‌تنیده، تنش‌های اولیه به‌نحوی اعمال می‌شوند که اثرات بارهای مورد انتظار را متعادل می‌کنند و تغییر شکل نهایی ناشی از خزش را به میزان قابل‌توجهی کاهش می‌دهند.

• استفاده از آرماتور و الیاف تقویتی: اگرچه فولاد یا الیاف باعث تغییر نرخ خزش خود بتن نمی‌شوند، اما با ایجاد یک شبکه مقاوم، تغییر شکل ناشی از خزش و ایجاد ترک‌ها را مهار کرده و دوام سازه را افزایش می‌دهند.

حرف آخر
پدیده خزش در بتن با کاهش مقاومت و افزایش ترک‌ها، عملکرد طولانی‌مدت سازه را کاهش می‌دهد. در این مطلب به‌طور کامل توضیح دادیم که خزش بتن چیست و چه عواملی در بروز آن نقش دارند. خزش بتن به‌طور کامل قابل حذف نیست؛ اما راهکارهایی مانند استفاده از بتن‌های پرمقاومت، کاهش نسبت آب به سیمان و به‌کارگیری تکنیک‌های عمل‌آوری خنک و مرطوب در مهار و کنترل آن موثر هستند.

منبع

https://fmpconstruction.com/concrete-creep/#1

https://www.amphoraconsulting.co.uk/concrete-edu/detail/creep

https://constrofacilitator.com/concrete-creep-impact-on-structures-and-prevention-methods/