نفوذپذیری بتن چیست؟ | عوامل مؤثر آن در سازه‌های بتنی

نفوذپذیری بتن یکی از شاخص‌های کلیدی در ارزیابی دوام و عملکرد سازه‌های بتنی است. هرچه میزان نفوذپذیری بیشتر باشد، مسیر برای ورود آب، یون‌های کلرید و مواد شیمیایی خورنده به درون بتن بازتر می‌شود و در نتیجه، خطر آسیب به میلگردها و کاهش عمر مفید سازه افزایش می‌یابد. در پروژه‌های عمرانی به‌ویژه در محیط‌های مرطوب یا خورنده، کنترل این ویژگی اهمیت ویژه‌ای دارد؛ بنابراین شناخت عوامل مؤثر بر نفوذپذیری و به‌کارگیری روش‌های کاهش آن، نقش مهمی در ساخت بتن‌های بادوام و ماندگار ایفا می‌کند. در این مقاله، به بررسی این مفهوم، عوامل مؤثر بر آن و همچنین روش‌های مؤثر برای کاهش نفوذپذیری بتن در پروژه‌های ساختمانی می‌پردازیم. با ادامه این مطلب ما را همراهی کنید.

نفوذپذیری بتن چیست؟

منظور از نفوذپذیری بتن، توانایی عبور مایعات، گازها یا یون‌های شیمیایی از میان بافت و حفره‌های درونی بتن است. بتن به‌ ظاهر ماده‌ای یکپارچه و سخت است؛ اما به طور طبیعی یک ماده متخلخل است که در آن منافذ ریز و فضاهای خالی وجود دارد. هرچه این منافذ بیشتر و بزرگ‌تر باشند، امکان نفوذ آب و مواد مهاجم به درون بتن نیز بیشتر می‌شود. در واقع، این ویژگی مستقیماً به ساختار میکروسکوپی بتن وابسته است؛ یعنی به نحوه‌ توزیع حفره‌ها، تخلخل موئینه و میزان پیوستگی بین آن‌ها.

شکل نادرست این منافذ در اثر نسبت نامناسب آب به سیمان، تراکم ناکافی یا عمل‌آوری اشتباه ایجاد می‌شوند. به همین دلیل، نفوذپذیری را می‌توان یکی از مهم‌ترین معیارها برای سنجش کیفیت و دوام بتن دانست؛ چراکه کنترل آن به معنای جلوگیری از خوردگی میلگرد، یخ‌زدگی و کاهش عمر سازه است؛ بنابراین، نفوذپذیری بتن باید در طراحی و اجرای هر سازه بتنی به‌دقت مدیریت شود تا از مشکلات بعدی جلوگیری گردد.

انواع نفوذپذیری بتن

نفوذپذیری بتن را می‌توان با توجه به نوع ماده‌ای که از درون آن عبور می‌کند، به چند دسته‌ اصلی طبقه‌بندی کرد. هرکدام از آن‌ها تأثیرات متفاوتی بر عملکرد و دوام سازه‌های بتنی دارند. شناخت این انواع کمک می‌کند تا رفتار بتن در شرایط محیطی مختلف را بهتر درک کنید و روش‌های کنترل مؤثرتری را برای هر حالت به کار بگیرید. در این بخش به بررسی انواع مختلف نفوذپذیری در بتن خواهیم پرداخت:

نفوذپذیری در برابر آب

نفوذپذیری آب در بتن یکی از رایج‌ترین انواع نفوذپذیری است و به قدرت بتن در مقابل نفوذ آب از طریق منافذ آن اشاره دارد. این پدیده معمولاً در اثر فشار هیدرواستاتیکی، ترک‌های سطحی یا ضعف در تراکم بتن رخ می‌دهد. این نوع نفوذپذیری می‌تواند باعث مشکلات جدی در سازه‌های بتنی شود، به‌ویژه در مناطقی که در معرض آب‌های سطحی یا زیرزمینی قرار دارند. آب نفوذ کرده به بتن ممکن است باعث تخریب میلگردها و آرماتورها شود. همچنین، در دمای پایین، آب وارد شده به بتن می‌تواند یخ بزند و باعث ترک خوردن یا حتی شکستن بتن شود.

نفوذپذیری در برابر گازها

نفوذپذیری گازها از مهم‌ترین شاخص‌های ارزیابی دوام بتن است و نقش مهمی در میزان تخریب‌پذیری آن دارد. گازهایی مانند دی‌اکسیدکربن، اکسیژن و گازهای صنعتی می‌توانند از طریق منافذ وارد بتن شوند. این نوع نفوذپذیری اغلب در اثر واکنش‌های شیمیایی مانند کربناسیون بتن ایجاد می‌شود که موجب کاهش pH و در نتیجه آسیب به میلگردهای فولادی می‌شود. این فرآیند می‌تواند به طور جدی بر استحکام و دوام سازه تأثیر منفی بگذارد.

نفوذپذیری در برابر یون‌ها و مواد شیمیایی

مواد شیمیایی مانند سولفات‌ها، کلریدها و سایر ترکیبات شیمیایی موجود در خاک، آب یا هوا می‌توانند به راحتی از طریق منافذ بتن وارد آن گردند. این مواد می‌توانند به سرعت سبب تخریب و خوردگی سازه شوند. برای مثال، کلریدها می‌توانند به میلگردهای فولادی نفوذ کرده و موجب خوردگی آن‌ها شوند.

نفوذپذیری بخار و رطوبت

حتی اگر بتن در برابر آب غیرقابل‌نفوذ باشد، بخار آب می‌تواند از حفره‌های ریز آن عبور کند. این نوع نفوذپذیری بیشتر در محیط‌های گرم و مرطوب یا سازه‌هایی مانند مخازن و تونل‌ها مشاهده می‌شود و در بلندمدت می‌تواند باعث پوسته‌پوسته شدن یا تغییر رنگ سطح بتن شود.

اهمیت کنترل نفوذپذیری در سازه‌های بتنی

کنترل نفوذپذیری در سازه‌های بتنی نه تنها برای افزایش دوام و ایمنی سازه‌ها ضروری است، بلکه به کاهش هزینه‌های نگهداری و تعمیرات نیز کمک می‌کند. در اینجا به برخی از مهم‌ترین دلایل اهمیت این موضوع اشاره می‌کنیم:

• جلوگیری از آسیب‌های ناشی از نفوذ آب و مواد شیمیایی همانند یخ‌زدگی یا خوردگی میلگردها
• افزایش دوام سازه‌های بتنی
• کاهش هزینه‌های تعمیر و نگهداری
• افزایش ایمنی سازه‌ها

با توجه به این نکات، کنترل نفوذپذیری بتن در تمامی مراحل طراحی، ساخت و نگهداری پروژه‌های ساختمانی باید به طور جدی مدنظر قرار گیرد.

عوامل مؤثر بر نفوذپذیری بتن

نفوذپذیری بتن تحت تأثیر عوامل مختلفی قرار دارد. هر عاملی که بر ساختار داخلی بتن و پیوستگی منافذ آن تأثیر بگذارد، می‌تواند میزان عبور آب و مواد مهاجم را تغییر دهد. در ادامه، مهم‌ترین عوامل مؤثر بر نفوذپذیری بتن را بررسی می‌کنیم:

نسبت آب به سیمان

نسبت آب به سیمان یکی از مهم‌ترین عوامل مؤثر بر میزان نفوذپذیری بتن محسوب می‌شود. با افزایش این نسبت، حجم و پیوستگی حفره‌های موئینه در ساختار بتن بیشتر شده و مسیر عبور آب و یون‌های مخرب تسهیل می‌گردد؛ در نتیجه، بتن قابلیت جذب آب بالاتری خواهد داشت. در مقابل، کاهش نسبت آب به سیمان باعث کاهش تخلخل، محدود شدن نفوذپذیری و در نهایت افزایش مقاومت و دوام بتن می‌شود.

کیفیت و نوع مصالح مصرفی

کیفیت سیمان، دانه‌بندی سنگدانه‌ها و میزان ناخالصی‌های موجود نقش قابل‌توجهی در نفوذپذیری دارند. استفاده از سنگدانه‌های تمیز، با اندازه و بافت مناسب، سیمان با نرمی کنترل‌ شده و مواد پوزولانی فعال (مانند میکروسیلیس یا خاکستر بادی) می‌تواند منافذ درونی بتن را مسدود کرده و نفوذپذیری را کاهش دهد.

تراکم بتن

در صورتی که بتن در مرحله اجرا به‌ درستی ویبره و متراکم نشود، حفره‌های هوا و فضاهای خالی در ساختار آن باقی می‌ماند. وجود این حفره‌ها موجب افزایش تخلخل و ایجاد مسیرهای نفوذ برای آب و عوامل مخرب می‌شود و در نتیجه، نفوذپذیری بتن افزایش می‌یابد. از این‌ رو، اجرای صحیح عملیات تراکم، ویبره‌کردن اصولی و اطمینان از پر شدن کامل قالب‌ها از عوامل حیاتی در دستیابی به بتن متراکم، با دوام و مقاوم در برابر نفوذ آب به شمار می‌رود.

عمل‌آوری مناسب

عمل‌آوری (کیورینگ) نامناسب بتن موجب تبخیر زودهنگام آب اختلاط شده و زمینه ایجاد ترک‌های سطحی و افزایش منافذ باز را فراهم می‌کند. این پدیده باعث اختلال در واکنش هیدراسیون سیمان و کاهش تراکم ریز ساختار بتن می‌شود. در مقابل، مرطوب نگه داشتن بتن در روزهای ابتدایی پس از اجرا، تداوم فرآیند هیدراسیون و تشکیل ساختار متراکم‌تر در خمیر سیمان را به دنبال دارد که نتیجه آن کاهش نفوذپذیری و افزایش دوام بتن در برابر نفوذ آب و عوامل مخرب محیطی است.

سن و دمای بتن

سن بتن و دمای محیط در مراحل گیرش و سخت‌ شدن، نقش مهمی در میزان نفوذپذیری بتن ایفا می‌کنند. بتن‌های جوان که هنوز فرآیند هیدراسیون آن‌ها به‌ طور کامل تکمیل نشده است، معمولاً دارای تخلخل بیشتر و نفوذپذیری بالاتری هستند. با گذشت زمان و ادامه واکنش‌های شیمیایی سیمان، ساختار خمیر سیمان متراکم‌تر شده و منافذ موئینه به‌ تدریج بسته می‌شوند که این امر منجر به کاهش نفوذپذیری بتن می‌گردد. از سوی دیگر، دمای بالای محیط در زمان گیرش می‌تواند موجب تبخیر سریع آب اختلاط، اختلال در هیدراسیون و ایجاد شبکه‌ای بازتر از منافذ موئینه شود؛ بنابراین، کنترل شرایط دمایی در مراحل ساخت و عمل‌آوری بتن از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است.

وجود ترک‌ها و درزها

هرگونه ترک، چه ریز و چه درشت، می‌تواند به‌ عنوان مسیر مستقیم نفوذ آب، یون‌ها و مواد شیمیایی مخرب به درون بتن عمل کند و دوام سازه را به‌طور جدی کاهش دهد. طراحی صحیح درزهای انبساط و اجرایی، کنترل عرض ترک‌ها و استفاده از مواد آب‌بند مناسب در این نواحی، نقش بسیار مؤثری در محدود کردن نفوذپذیری بتن و افزایش عمر مفید سازه‌های بتنی ایفا می‌کند.

شرایط محیطی

شرایط محیطی و میزان رطوبت پیرامون سازه، تأثیر قابل‌ توجهی بر نفوذپذیری بتن دارند. بتن‌هایی که در محیط‌های مرطوب، دریایی یا صنعتی قرار می‌گیرند، به‌ طور مداوم در معرض نفوذ یون‌ها و عوامل مهاجم نظیر کلریدها، سولفات‌ها و مواد شیمیایی قرار دارند. علاوه بر این، چرخه‌های مکرر یخ‌زدگی و ذوب، تر و خشک شدن متوالی و تماس مستمر با مواد شیمیایی صنعتی می‌تواند به‌ مرور زمان باعث گسترش ترک‌ها، افزایش تخلخل و در نتیجه افزایش نفوذپذیری بتن شود؛ امری که ضرورت توجه به طراحی، اجرا و حفاظت مناسب بتن در این شرایط را دو چندان می‌کند.

درجه حرارت و تأثیر آن بر ساخت بتن

درجه حرارت محیط در زمان اختلاط، اجرا و عمل‌آوری بتن تأثیر قابل‌توجهی بر ساختار و نفوذپذیری آن دارد. دمای بالا می‌تواند موجب تسریع فرآیند گیرش و سخت‌شدن بتن شود که در صورت عدم کنترل، احتمال ایجاد ترک‌های زودرس، افزایش تخلخل و شکل‌گیری شبکه موئینه بازتر را به دنبال خواهد داشت. از سوی دیگر، دمای پایین باعث کند شدن واکنش‌های هیدراسیون سیمان شده و در صورت تداوم، می‌تواند منجر به کاهش مقاومت نهایی و افت کیفیت بتن گردد. از این‌رو، کنترل شرایط دمایی در تمامی مراحل ساخت و عمل‌آوری بتن، نقش کلیدی در کاهش نفوذپذیری و افزایش دوام آن ایفا می‌کند.

روش‌های کاهش نفوذپذیری بتن

کاهش نفوذپذیری بتن از اهمیت زیادی برخوردار است و باید در تمام مراحل طراحی، اجرا، عمل‌آوری و بهره‌برداری از سازه‌های بتنی به طور جدی مدنظر قرار گیرد. این کار نه‌ تنها باعث دوام بیشتر سازه می‌شود، بلکه هزینه‌های نگهداری را نیز به میزان قابل‌ توجهی کاهش می‌دهد. در اینجا به مهم‌ترین روش‌های کاهش نفوذپذیری بتن اشاره می‌کنیم:

• استفاده از مواد اولیه باکیفیت
• انتخاب طرح اختلاط مناسب و نسبت آب به سیمان پایین
• استفاده از پلاستیک‌کننده‌ها (برای نرم‌تر و کارپذیرتر کردن بتن) و مواد ضد آب
• استفاده از افزودنی‌های معدنی مثل میکروسیلیس، پوزولان، خاکستر بادی، سرباره
• رعایت استانداردهای طراحی بتن و انجام محاسبات دقیق در مرحله طراحی
• ویبره مناسب و تراکم کافی بتن در هنگام اجرا
• عمل‌آوری مناسب بتن و کنترل رطوبت و دما در مراحل خشک شدن
• استفاده از پوشش‌ها و مواد آب‌بند سطحی
• ترمیم ترک‌ها و درزهای موجود در بتن

تفاوت نفوذپذیری با تخلخل و جذب آب

در بررسی دوام و کیفیت بتن، مفاهیم نفوذپذیری، تخلخل و جذب آب گاهی به‌اشتباه به جای یکدیگر استفاده می‌شوند، درحالی‌که هرکدام ویژگی متفاوتی از ساختار بتن را نشان می‌دهند. آشنایی با تفاوت این سه مفهوم، درک دقیق‌تری از رفتار بتن در برابر عوامل مخرب فراهم می‌کند.

• تخلخل بتن

تخلخل به نسبت حجم فضاهای خالی و حفره‌های موجود در بتن به حجم کل آن اطلاق می‌شود و بیانگر درصد بخش غیرجامد در ساختار بتن است. با افزایش میزان تخلخل، به‌ طور بالقوه فضای بیشتری برای حضور آب، هوا و مواد شیمیایی فراهم می‌شود. با این حال، تخلخل به‌ تنهایی معیار تعیین‌کننده نفوذپذیری بتن نیست؛ زیرا نوع، اندازه و پیوستگی منافذ نقش اساسی‌تری ایفا می‌کنند. در صورتی که منافذ بتن به‌ صورت پیوسته یا ناپیوسته باشند، مسیر مؤثری برای عبور آب و عوامل مهاجم ایجاد نمی‌شود و نفوذپذیری بتن پایین باقی می‌ماند. از این‌ رو، ممکن است بتنی دارای تخلخل نسبتاً بالا باشد، اما به دلیل عدم پیوستگی منافذ، نفوذپذیری کمی از خود نشان دهد.

• جذب آب

جذب آب بیانگر توانایی بتن در جذب و نگهداری رطوبت در سطح یا درون ساختار خود است. در واقع، این پارامتر نشان‌دهنده تمایل بتن به مکش آب به داخل خود بوده و لزوماً به معنای عبور آب از تمام ضخامت بتن نیست. جذب آب معمولاً در شرایط بدون فشار بررسی می‌شود و ارتباط مستقیمی با خاصیت موئینگی (Capillarity) و وجود تخلخل‌های باز دارد.

خاصیت موئینگی (Capillarity) به معنای توانایی مایعات برای حرکت و نفوذ در روزنه‌ها و کانال‌های خیلی ریز یک ماده است که این پدیده عمدتاً در لایه‌های سطحی بتن رخ می‌دهد و تحت تأثیر عواملی نظیر میزان تخلخل باز، شرایط محیطی و کیفیت عمل‌آوری قرار می‌گیرد.

بتن‌هایی با جذب آب بالا در برابر چرخه‌های یخ‌زدگی و ذوب، نفوذ یون‌های مخرب و پدیده‌هایی مانند پوسته‌شدن سطحی آسیب‌پذیرتر هستند. بنابراین، کنترل جذب آب و کاهش مویرگ‌ها و تخلخل‌های باز یکی از روش‌های کلیدی برای افزایش دوام و مقاومت بتن است.

حال که این دو مورد را تعریف کردیم، به مقایسه آن‌ها با نفوذپذیری بتن می‌پردازیم. در جدول زیر می‌توانید تفاوت نفوذپذیری بتن با جذب آب و تخلخل را مشاهده کنید:

کنترل هم‌زمان هر سه ویژگی تخلخل، جذب آب و نفوذپذیری برای دستیابی به بتنی بادوام، متراکم و مقاوم در برابر شرایط محیطی الزامی است. با طراحی اصولی طرح اختلاط بتن، انتخاب و استفاده از افزودنی‌های مناسب، اجرای صحیح عملیات بتن‌ریزی و عمل‌آوری استاندارد، می‌توان این عوامل را به حداقل رساند و از افزایش دوام، عملکرد مطلوب و پایداری بلندمدت سازه‌های بتنی اطمینان حاصل کرد.

ضریب نفوذپذیری بتن چیست و چگونه اندازه‌گیری می‌شود؟

ضریب نفوذپذیری بتن (Concrete Permeability Coefficient) یکی از شاخص‌های کلیدی است که میزان سرعت عبور آب، هوا یا یون‌های خورنده از منافذ بتن را نشان می‌دهد. این ضریب رابطه مستقیمی با ساختار داخلی بتن، میزان تخلخل و پیوستگی منافذ آن دارد. هرچه ضریب نفوذپذیری پایین‌تر باشد، بتن متراکم‌تر، مقاوم‌تر و بادوام‌تر خواهد بود. از این رو، اندازه‌گیری ضریب نفوذپذیری بتن، ابزاری حیاتی برای ارزیابی کیفیت و عملکرد بتن در برابر نفوذ عوامل مخرب محیطی محسوب می‌شود.

روش‌های اندازه‌گیری ضریب نفوذپذیری بتن

برای اندازه‌گیری ضریب نفوذپذیری بتن، روش‌های مختلفی وجود دارد. انتخاب روش مناسب برای آزمایش نفوذپذیری به نوع سازه، شرایط محیطی، و هدف ارزیابی بستگی دارد. در پروژه‌های حساس مانند سد، نیروگاه‌ و سازه‌های دریایی معمولاً چند روش به‌ صورت ترکیبی استفاده می‌شود تا ارزیابی دقیق‌تری از دوام بتن به دست آید. در ادامه به رایج‌ترین آن‌ها اشاره می‌کنیم.

آزمایش نفوذپذیری آب تحت فشار

در این آزمایش (با استاندارد مرجع EN 12390-8)، سطح یک نمونه بتن تحت فشار ثابت آب (معمولاً بین ۵ تا ۱۰ بار) قرار می‌گیرد. پس از گذشت مدت زمان مشخص (معمولاً ۷۲ ساعت)، نمونه شکافته می‌شود و عمق نفوذ آب اندازه‌گیری می‌گردد. هر چه عمق نفوذ کمتر باشد، بتن نفوذناپذیرتر است. اجرای این آزمایش برای کنترل کیفی بتن در پروژه‌های سدسازی، تونل‌سازی و سازه‌های آبی بسیار متداول است.

آزمایش نفوذپذیری گاز یا هوا

در این آزمایش، با استفاده از دستگاه‌های مخصوص، فشار معینی از هوا به سطح بتن اعمال شده و سرعت عبور هوا اندازه‌گیری می‌شود. نتیجه این آزمون، شاخصی از تراکم و پیوستگی منافذ سطحی بتن ارائه می‌دهد. از مزایای این تست می‌توان به غیرمخرب بودن و امکان انجام آن در محل اجرا اشاره کرد، به همین دلیل در پروژه‌هایی که تماس مستقیم با آب ندارند، مانند سازه‌های شهری یا پل‌ها، کاربرد گسترده‌ای دارد.

آزمایش مقاومت در برابر نفوذ یون کلرید

در این روش (با استاندارد مرجع  ASTM C1202)، یک دیسک بتنی بین دو سلول حاوی محلول‌های مختلف قرار می‌گیرد و جریان الکتریکی از آن عبور داده می‌شود. سپس مقدار بار الکتریکی عبوری (کولن) در مدت ۶ ساعت اندازه‌گیری می‌شود. هر چه میزان بار عبوری کمتر باشد، مقاومت بتن در برابر نفوذ یون کلرید بیشتر است. این آزمایش برای پیش‌بینی احتمال خوردگی میلگرد در سازه‌های ساحلی یا دریایی بسیار مؤثر است.

سخن نهایی

نفوذپذیری بتن یکی از مؤثرترین عوامل در تعیین دوام و عمر مفید سازه‌های بتنی است. کنترل این ویژگی از مرحله طراحی تا بهره‌برداری نهایی، نقشی اساسی در افزایش مقاومت سازه در برابر آب، گازها و مواد شیمیایی دارد. انتخاب طرح اختلاط مناسب، استفاده از افزودنی‌های باکیفیت و عمل‌آوری اصولی، مهم‌ترین گام‌ها برای تولید بتنی متراکم و نفوذناپذیر هستند. در نهایت، انجام آزمون‌های استاندارد برای اندازه‌گیری نفوذپذیری، راهی مطمئن برای تضمین کیفیت بتن در پروژه‌های عمرانی است.

منابع

https://www.slideshare.net/slideshow/permeability-of-concretre-68187769/68187769

https://buildmytalent.com/2024/04/24/permeability-of-concrete-and-factors-influencing-it

https://structuralrepairs.com/understanding-concrete-permeability

https://www.blok.com.br/en/blog/concrete-permeability

https://cimsa.com.tr/en/cement-properties-what-is-permeability-how-to-prevent-it