پایایی بتن چیست؟ + عوامل موثر بر پایایی بتن

پایایی بتن، نقش مهمی در عملکرد و دوام سازه‌های بتنی ایفا می‌کند. پایایی مطلوب بتن تضمین می‌کند که یک سازه حتی در شرایط سخت، یکپارچگی و عملکرد خود را در طولانی مدت حفظ می‌نماید. آگاهی از فاکتورهایی که بر دوام بتن تأثیر می‌گذارند، به مهندسان، پیمانکاران و مالکان املاک کمک می‌کنند تا هنگام طراحی و ساخت سازه‌ها، تصمیمات آگاهانه‌ای بگیرند.

در این مطلب به بررسی اهمیت پایایی مناسب بتن و همچنین عوامل موثر بر آن می‌پردازیم.

پایایی بتن به چه معناست؟

پایایی بتن به توانایی آن در مقاومت با عواملی مانند هوازدگی (تغییرات آب و هوایی)، آسیب مواد شیمیایی و سایش در عین حفظ خصوصیات فنی مورد انتظار اشاره دارد. اینکه بتن چقدر باید مقاوم و پایدار باشد، با توجه به نوع بتن و شرایطی که در آن قرار می‌گیرد، متفاوت است.
فرض کنید می‌خواهیم بتنی برای ساختن یک اسکله در کنار دریا استفاده کنیم. این بتن باید در برابر آب شور دریا که حاوی مواد شیمیایی خورنده است، مقاومت کند. همچنین باید در برابر جزر و مد و سایش ناشی از امواج نیز مقاوم باشد.

اما اگر بتنی برای استفاده در داخل یک ساختمان در نظر گرفته شود (مثلا برای ساخت یک ستون داخلی) نیازی به این سطح از مقاومت در برابر آب شور و سایش ندارد. در این حالت، بیشتر به مقاومت در برابر فشار و دوام در شرایط محیطی معمولی توجه می‌کنیم.
به عبارت دیگر، بتن برای هر کاربردی باید ویژگی‌های پایایی خاص خود را داشته باشد. مهندسان با در نظر گرفتن محیط و شرایطی که بتن در آن قرار می‌گیرد، نوع و ترکیب بتن را طوری انتخاب می‌کنند که بتواند در طولانی مدت عملکرد خوبی داشته باشد.

اهمیت پایایی بتن

پایایی مطلوب بتن با تقویت مقاومت بتن در مقابل عوامل مخرب، طول عمر مفید سازه‌ها را افزایش می‌دهد و از بروز حوادث ناگوار جلوگیری می‌کند. همچنین با کاهش هزینه‌های نگهداری و بازسازی به صرفه جویی در هزینه‌های پروژه‌های عمرانی کمک کرده و با کاهش مصرف منابع و تولید ضایعات، نقش مهمی در حفظ محیط زیست ایفا می‌کند.

عوامل موثر بر پایایی بتن

عوامل متعددی بر میزان پایایی بتن تأثیر می‌گذارند. این عوامل به طور کلی در دو دسته عوامل بیرونی و درونی طبقه‌بندی می‌شوند. در ادامه با مهم‌ترین فاکتورهای موثر بر دوام بتن آشنا می‌شوید.

میزان سیمان
مقدار سیمان در مخلوط بتن، عاملی اساسی در تعیین میزان پایایی آن است. اگر مقدار سیمان مورد استفاده کمتر از حد نیاز باشد، نسبت آب به سیمان کاهش می‌یابد و کارایی بتن نیز کم می‌شود.
افزودن آب بیشتر به مخلوط بتن منجر به تشکیل فضاهای خالی مویرگی شده و  بتن را به یک ماده نفوذپذیر تبدیل می‌کند؛ در نتیجه، زمینه را برای تخریب فراهم می‌کند.
از طرف دیگر، افزودن بیش از حد سیمان می‌تواند مشکلاتی مانند جمع‌شدگی ناشی از خشک شدن ایجاد کند. همچنین احتمال بروز واکنش قلیایی-سیلیسی نیز وجود دارد که در نهایت بر دوام بتن تاثیر منفی می‌گذارد.

کیفیت سنگدانه‌ها
ویژگی‌های مطلوب سنگدانه‌ها از جمله شکل، اندازه و دانه‌بندی به بهبود مقاومت و طول عمر بتن کمک می‌کند. شکل ذرات سنگدانه باید زاویه‌دار و گرد باشد. سنگدانه‌های پولکی و کشیده می‌توانند بر کارایی بتن تازه تأثیر بگذارند و آن را متخلخل و در نتیجه نفوذپذیر کنند و همچنین مقاومت کمتری ایجاد نمایند.
سنگدانه‌های زاویه‌دار با بافت زبر توصیه می‌شوند؛ اما برای ایجاد پیوند خوب به مقدار سیمان بیشتری نیاز دارند. برای دستیابی به مخلوط بتن متراکم باید از سنگدانه‌ها با دانه‌بندی مناسب استفاده شود.

کیفیت آب
کیفیت آب مورد استفاده در مخلوط بتن، تاثیر چشمگیری بر پایایی آن دارد. معمولا توصیه می‌شود برای تهیه بتن از آب آشامیدنی با PH در محدوده ۷ تا ۸ استفاده کنید. همچنین آب باید عاری از روغن‌ها،اسیدها، قلیاها، شکر، نمک‌ها، مواد آلی و… باشد. ناخالصی‌های موجود در آب ممکن است به خوردگی فولاد یا تخریب ناشی از حملات شیمیایی مختلف به بتن منجر شود.

تراکم بتن
تراکم مناسب در هنگام ریختن بتن برای به حداقل رساندن فضاهای خالی و اطمینان از چگالی یکنواخت ضروری است. تراکم ناکافی می‌تواند به حبس فضاهای خالی هوا منجر شود که بتن را ضعیف می‌کند و پایایی آن را به خطر می‌اندازد. بکارگیری تکنیک‌های تراکم موثر برای دستیابی به سازه‌های بتنی بادوام و مقاوم در برابر تخریب ضروری است.

کربناته شدن بتن

هنگامی که بتن مرطوب در معرض هوا قرار می‌گیرد، دی‌اکسید کربن موجود در هوا با آهک (CaO) موجود در بتن واکنش داده و pH آن را کاهش می‌دهد. با رسیدن pH به ۱۰ یا ۹، بتن خاصیت قلیایی خود را از دست می‌دهد و قادر به محافظت از میلگردهای فولادی در برابر خوردگی نخواهد بود.
خوردگی باعث ایجاد زنگ ‌زدگی و افزایش حجم میلگرد شده و در نتیجه، ترک‌خوردگی بتن را به دنبال دارد. این ترک‌ها رطوبت و دی‌اکسید کربن بیشتری را جذب می‌کنند و چرخه تخریب را تشدید می‌نمایند که این امر در نهایت به شکنندگی، لایه‌لایه شدن و خرد شدن بتن منجر می‌شود.

سایش و فرسایش
سایش ناشی از عواملی مانند جریان آب و فرسایش مکانیکی می‌تواند به مرور زمان سطح بتن را تخریب کند و دوام آن را کاهش دهد. افزایش مقاومت فشاری بتن از طریق طراحی مناسب مخلوط و انجام عملیات سطحی، مقاومت بتن در برابر سایش را افزایش می‌دهد و در نتیجه پایایی آن را بهبود می‌بخشد. استفاده از مواد بادوام و پوشش‌های محافظ می‌تواند آسیب‌های ناشی از سایش را کاهش داده و عمر مفید سازه‌های بتنی را افزایش دهد.

چرخه‌های خیس و خشک شدن
چرخه‌های خیس و خشک شدن به معنای قرار گرفتن مکرر بتن در معرض شرایط مرطوب و خشک، مانند مناطقی با بارندگی فصلی یا نوسانات رطوبت است. انبساط و انقباض رطوبت در داخل بتن در طول این چرخه‌ها می‌تواند به تنش داخلی، ترک‌خوردگی و تخریب سطح منجر شود.
نفوذ رطوبت در دوره‌های مرطوب، مواد مضر مانند کلریدها یا سولفات‌ها را وارد بتن می‌کند که  باعث خوردگی آرماتور و سایر فرم‌های تخریب می‌شود. ملاحظات طراحی مناسب مانند زهکشی، عایق‌کاری استاندارد ،انتخاب مواد مناسب و روش‌های نگهداری برای کاهش اثرات منفی چرخه‌های خیس و خشک شدن همچنین اطمینان از دوام بلندمدت سازه‌های بتنی ضروری است.

چرخه‌های یخ زدن و آب شدن
چرخه‌های یخ‌ زدن و آب شدن تأثیر قابل‌توجهی بر دوام بتن به ویژه در آب و هوای سرد یا مناطقی با تغییرات دمای فصلی دارند. هنگامی که آب درون بتن یخ می‌زند، منبسط می‌شود و فشار داخلی وارد می‌کند که باعث ترک‌خوردگی و آسیب به سازه بتنی خواهد شد. با ذوب شدن، آب منقبض شده و تخریب بیشتری ایجاد می‌کند.
تکرار چرخه‌های یخ‌زدگی و آب شدن در نهایت به تخریب پیش رونده بتن از جمله پوسته‌پوسته شدن سطح، ترک‌خوردگی و کاهش پایایی آن منجر می‌شود. طراحی مناسب مخلوط، ایجاد حباب هوا و کیورینگ کافی می‌تواند مقاومت بتن در برابر آسیب یخ‌زدگی و آب شدن را بهبود بخشد. با به حداقل رساندن اثرات این چرخه‌ها، پایایی بلندمدت سازه‌های بتنی افزایش می‌یابد.

واکنش قلیایی – سنگی (AAR)
واکنش قلیایی-سنگی (AAR) یک واکنش شیمیایی بین اجزای قلیایی در بتن و برخی از مواد معدنی واکنش‌پذیر موجود در سنگدانه‌ها است. این واکنش باعث تشکیل محصولات منبسط شونده می‌شود و فشار داخلی و ترک‌خوردگی در بتن ایجاد می‌کند.
AAR عامل مهمی است که  بر دوام بلندمدت سازه‌های بتنی تأثیر می گذارد. این واکنش می‌تواند به تخریب بتن در طول زمان، کاهش مقاومت و به خطر انداختن یکپارچگی ساختاری آن منجر شود. انتخاب سنگدانه مناسب، آزمایش و اقدامات پیشگیرانه مانند استفاده از سیمان کم قلیایی یا مواد سیمانی مکمل، در کاهش ریسک AAR و اطمینان از دوام بتن در محیط‌هایی که سنگدانه‌های واکنش‌پذیر وجود دارند، بسیار مهم است.

حمله سولفاتی
حمله سولفاتی یک فرآیند شیمیایی است و زمانی رخ می‌دهد که سولفات‌ها (که معمولاً در خاک یا آب‌های زیرزمینی وجود دارند) با اجزای خمیر سیمان واکنش می‌دهند. این واکنش به تشکیل محصولات منبسط شونده منجر شده و باعث فشار داخلی و ترک‌خوردگی در بتن می‌شود.
حمله سولفاتی می‌تواند ساختار بتن را تخریب کند، مقاومت آن را کاهش دهد و دوام بلندمدت آن را به خطر بیندازد. شدت حمله سولفاتی به عواملی مانند غلظت سولفات، مدت زمان قرارگیری در معرض آن و ترکیب بتن بستگی دارد. ملاحظات طراحی مناسب مانند استفاده از سیمان مقاوم در برابر سولفات یا گنجاندن مواد سیمانی مکمل در کاهش ریسک حمله سولفاتی و اطمینان از دوام سازه‌های بتنی در محیط‌های غنی از سولفات ضروری است.

اسیدهای آلی
اسیدهای آلی مانند اسید استیک و اسید فرمیک می‌توانند باعث تخریب بتن شوند و بر دوام بلندمدت آن تأثیر منفی بگذارند. این اسیدها ممکن است در محیط‌های مختلف از جمله محیط‌های صنعتی یا مکان‌هایی با محتوای مواد آلی بالا وجود داشته باشند.
اسیدهای آلی  با مواد سیمانی در بتن واکنش می‌دهند و به حل شدن هیدروکسید کلسیم و سایر ترکیبات سیمانی منجر می‌شوند. این امر باعث از دست دادن مقاومت، افزایش تخلخل و کاهش پایایی در برابر سایر مکانیسم‌های تخریب خواهد شد.
اقدامات حفاظتی مناسب مانند پوشش‌های مقاوم در برابر مواد شیمیایی یا سیستم‌های مانع در محیط‌هایی که انتظار می‌رود در معرض اسیدهای آلی قرار گیرند، برای حفظ پایایی سازه‌های بتنی ضروری است.

رطوبت

اگرچه بتن برای هیدراتاسیون مناسب و افزایش مقاومت، به رطوبت نیاز دارد؛ اما رطوبت بیش از حد یا قرارگیری طولانی مدت در معرض رطوبت می‌تواند اثرات مخربی بر دوام آن داشته باشد. رطوبت، محیط مناسبی برای مکانیسم‌های تخریب مختلف از جمله خوردگی آرماتور، واکنش قلیایی-سنگی، حمله سولفاتی و رشد میکروبی ایجاد می‌کند.نفوذ رطوبت همچنین می‌تواند باعث انبساط و انقباض شود که منجر به ترک خوردگی و کاهش یکپارچگی ساختاری بتن می‌گردد.

دما
تغییرات شدید دما می‌تواند اثرات کوتاه ‌مدت و بلند مدت بر عملکرد بتن داشته باشد. در طول کیورینگ، دما بر سرعت هیدراتاسیون تأثیر می‌گذارد؛ به طوری که دماهای بالاتر، فرآیند را تسریع کرده و به طور بالقوه منجر به خشک شدن سریع و جمع‌شدگی (shrinkage) می‌شود. تفاوت دما می‌تواند باعث تنش‌های حرارتی و ترک‌خوردگی در بتن شود و دوام آن را به خطر اندازد.
در آب و هوای سرد، چرخه‌های یخ‌زدگی و آب شدن باعث فشار داخلی، ترک‌خوردگی و پوسته‌پوسته شدن می‌شود. دماهای بالا همچنین می‌توانند واکنش‌های شیمیایی مانند واکنش‌های قلیایی-سنگی را تسریع کنند که در تخریب بتن نقش دارند.

دوره کیورینگ
کیورینگ یا عمل‌آوری مناسب در مراحل اولیه سخت شدن بتن اهمیت بسیاری دارد؛ زیرا به پایایی مطلوب بتن منجر می‌شود. کیورینگ ناکافی در تشکیل ترک‌ها به دلیل جمع‌شدگی پلاستیک، جمع‌شدگی خشک، اثرات حرارتی و..  موثر است که در نتیجه پایایی بتن را کاهش می‌دهد.

نفوذپذیری
نفوذپذیری بتن با تأثیر بر میزان حساسیت آن به نفوذ آب و آسیب‌های ناشی از آن، نقش بسیار مهمی در پایایی بتن ایفا می‌کند. پایین نگه داشتن نسبت آب به سیمان و استفاده از مواد پوزولانی، راهکارهای مؤثری برای کاهش نفوذپذیری و افزایش دوام بتن هستند. توجه مناسب به طراحی مخلوط بتن و روش‌های ساخت برای به حداقل رساندن مشکلات مربوط به نفوذپذیری ضروری است.

جمع بندی

آگاهی از عواملی که بر پایایی بتن تأثیر می‌گذارند، برای طراحی و ساخت سازه‌های بادوام ضروری است. کارشناسان با در نظر گرفتن طراحی مخلوط بتن، فرآیند کیورینگ، عوامل محیطی، روش‌های ساخت و راهکارهای نگهداری و تعمیر می‌توانند عملکرد و عمر مفید سازه‌های بتنی را به حداکثر برسانند.

منابع

https://hkcontractors.com/insights/understanding-the-durability-of-concrete/

https://theconstructor.org/concrete/factors-affecting-durability-concrete/1115/

https://hkcontractors.com/insights/understanding-the-durability-of-concrete/

https://testbook.com/civil-engineering/durability-of-concrete