مقاومت بتن چیست؟ نحوه سنجش و عوامل موثر بر آن

از اوایل قرن ۱۹ که سیمان به عنوان یک ماده چسبنده قوی به صنعت ساختمان‌سازی معرفی شد، تا امروز هیچ ماده‌ای نتوانسته است به این اندازه، کیفیت و مقاومت سازه‌ها را تامین و تضمین نماید. بتن که از ترکیب آب، سیمان و سنگدانه‌ها ساخته می‌شود، به دلیل مقاومت بالای خود در برابر نیروهای فشاری، کششی و خمشی به عنوان اصلی‌ترین ماده برای ساخت اسکلت ساختمان در اغلب نقاط جهان مورد استفاده قرار می‌گیرد؛ اما مقاومت بتن به چه معناست و چگونه اندازه‌گیری می‌شود؟ این مقاومت تحت تاثیر چه عواملی است و چگونه می‌توانیم آن را افزایش دهیم؟ در این مقاله پاسخی جامع به این پرسش‌ها می دهیم.

مقاومت بتن چیست؟

مقاومت بتن یکی از مهمترین ویژگی‌های بتن است که توانایی آن در تحمل بارها و تنش‌های مختلف مانند فشار، کشش، خمش و برش را مشخص می‌نماید. این ویژگی نه تنها روشی برای ارزیابی کیفیت بتن محسوب می‌گردد، بلکه شاخص مهمی در طراحی نقشه سازه‌ها توسط مهندسان عمران است. مقاومت بتن به سادگی در آزمایشگاه قابل اندازه‌گیری بوده و به کمک آن می‌توان سایر ویژگی‌های مهم بتن مانند نفوذناپذیری، دوام در برابر عوامل جوی و مقاومت سایشی را اندازه گرفت.

کیفیت بتن ارتباط مستقیمی با ویژگی‌های بتن و میزان تخلخل آن دارد. به‌طور کلی، بتن‌هایی که مقاومت بالاتری دارند، متراکم‌تر، نفوذ ناپذیرتر و بادوام‌تر هستند. آگاهی از میزان مقاومت بتن همچنین باعث می‌شود نیاز به ترمیم یا تقویت سازه پیش از بروز آسیب‌های جدی تشخیص داده شود. در واقع، این ویژگی نه تنها بر ایمنی، بلکه بر صرفه اقتصادی پروژه‌های ساختمانی نیز تاثیر می‌گذارد.

انواع مقاومت بتن

وقتی از مقاومت بتن صحبت می‌کنیم، باید متوجه باشیم که منظور ما چه نوع مقاومتی است؛ زیرا جهت وارد شدن نیرو بر بتن، باعث می‌شود که میزان مقاومت آن متفاوت باشد. درک تفاوت این مقاومت‌ها برای طراحی و اجرای ساختمان‌های ایمن و بادوام ضروری است. به طور کلی، سه مورد زیر از مهمترین انواع مقاومت بتن هستند:

۱. مقاومت فشاری

مهمترین ویژگی بتن که معمولا به عنوان معیار اصلی کیفیت آن در نظر گرفته می‌شود، مقاومت فشاری است. این مقاومت نشان دهنده توانایی بتن در تحمل بارهای فشاری است که به صورت عمودی بر آن وارد شده و بر حسب مگاپاسکال (MPa) اندازه‌گیری می‌گردد. به طور کلی، مقاومت فشاری بتن بسته به نوع سازه متفاوت است:

• سازه‌های معمولی: ۱۰ تا ۲۰ مگاپاسکال
• سازه‌های استاندارد: ۲۵ تا ۵۵ مگاپاسکال
• سازه‌های حساس: ۶۰ مگاپاسکال و بیشتر

این نوع مقاومت بتن، با آزمایش‌های دوره‌ای در بازه‌های ۷، ۲۸، ۵۶ و ۹۰ روزه اندازه‌گیری می‌شود و میزان استاندارد آن مطابق با جدول زیر است:

2. مقاومت کششی

به طور کلی، بتن در برابر کشش ضعیف است و مقاومت کششی آن تنها حدود ۱۰ درصد مقاومت فشاری آن است. این ویژگی به دلیل ساختار متخلخل بتن و وجود ترک‌های ریز در آن است. با این حال، آگاهی از میزان مقاومت کششی بتن برای پیش بینی رفتار آن در برابر عوامل مختلف مانند جمع شدگی، تغییرات دمایی و بارهای خمشی ضروری است. این مقاومت در سازه‌های بزرگ مانند سدها و جاده‌ها اهمیت ویژه‌ای دارد.

۳. مقاومت خمشی

این نوع مقاومت بتن که به آن مدول گسیختگی نیز گفته می‌شود، نشان‌دهنده توانایی بتن در تحمل بارهای خمشی است. در مواردی مانند تیرها، دال‌ها و پیاده‌روها که تحت بارهای خمشی قرار می‌گیرند، این مقاومت اهمیت ویژه‌ای دارد. از آنجا که بتن در کشش ضعیف است، در بخش زیرین این موارد از میلگرد استفاده می‌شود تا مقاومت خمشی آن افزایش یابد. در بتن پیش‌تنیده نیز با اعمال کشش به میلگردها قبل از بتن‌ریزی، مقاومت خمشی به میزان قابل توجهی افزایش می‌یابد.

عوامل موثر بر مقاومت بتن

مقاومت بتن می‌تواند تحت تاثیر عوامل مختلفی باشد که در کنار یکدیگر، کیفیت نهایی بتن را تعیین می‌کنند. این عوامل شامل موارد زیر هستند:

1. کیفیت مواد اولیه

کیفیت مواد تشکیل دهنده بتن، پایه و اساس مقاومت آن را شکل می‌دهد که شامل موارد زیر است:

• سیمان: سیمان به عنوان ماده اصلی بتن، باید دارای ترکیب شیمیایی باکیفیت و خواص فیزیکی مناسب باشد. انواع مختلف سیمان (تیپ ۱ تا ۵) با درصدهای متفاوت ترکیباتی مانند C3S و C2S، تاثیر متفاوتی در مقاومت بتن دارند.
• سنگدانه: سنگدانه‌ها حدود ۷۰ درصد حجم بتن را تشکیل می‌دهند و باید از نظر مقاومت ذاتی، شکل (ترجیحا زاویه‌دار)، بافت سطحی (ناهموار برای چسبندگی بهتر) و دانه‌بندی (پیوسته و مناسب) کاملا مناسب باشند. وجود ناخالصی‌هایی مانند خاک رس در سنگدانه‌ها می‌تواند تا ۲۵ درصد مقاومت را کاهش دهد.
• آب: آب مصرفی باید خالی از یون‌های مضر مانند کلریدها (بیش از ۵۰۰ ppm) و سولفات‌ها (بیش از ۱۰۰۰ ppm) باشد. به طور کلی، آب شرب برای این منظور مناسب است.

2. تاثیر نسبت آب به سیمان بر مقاومت بتن

نسبت آب به سیمان نیز تاثیر قابل توجهی بر مقاومت نهایی آن خواهد داشت؛ به طور کلی، آب بیش از حد می‌تواند تاثیر منفی بر مقاومت فشاری بتن داشته باشد. نسبت آب به سیمان مناسب، معمولا بین ۰.۳۵ تا ۰.۶۵ متغیر است. اگر این نسبت از ۰.۴ کمتر شود مقاومت افزایش می‌یابد؛ اما کارایی بتن به شدت کاهش پیدا می‌کند و نیاز به استفاده از روان‌کننده‌ها خواهید داشت. نسبت بالاتر از ۰.۶ نیز باعث ایجاد تخلخل و کاهش مقاومت خواهد شد.

3. تاثیر سنگدانه‌ها بر مقاومت بتن

سنگدانه‌هایی که شکل مکعبی و زاویه‌دار داشته باشند می‌توانند مقاومت را تا ۱۵ درصد افزایش دهند. همچنین اندازه سنگ‌دانه‌ها نباید خیلی ریز یا درشت باشد. به طور کلی، سنگدانه‌هایی با حداکثر اندازه ۲۰ میلی‌متر انتخاب مناسبی هستند. نسبت سنگدانه ریز به درشت باید به گونه‌ای باشد که فضای خالی بین بتن به حداقل برسد. باید توجه کنید که وجود ذرات پولکی و سوزنی شکل بیش از ۱۵ درصد، می‌تواند تا ۲۰ درصد مقاومت بتن را کاهش دهد.

4. تاثیر روان کننده بر مقاومت بتن

افزودنی‌های بتن به خصوص روان‌کننده‌ها، می‌توانند بدون کاهش مقاومت، اسلامپ بتن را تا ۲۰ سانتی‌متر افزایش دهند. حفظ اسلامپ بالا برای مدت طولانی‌تر، اجرای بتن در شرایط سخت مانند قالب‌بندی‌های متراکم را ساده‌تر می‌نماید. یکی از مهمترین تاثیرات روان‌کننده، کاهش آب مورد نیاز در مخلوط بتن (تا ۳۰ درصد) است. این کاهش آب باعث افزایش تراکم و کاهش تخلخل بتن، بهبود مقاومت فشاری (تا ۲۵% افزایش)، کاهش جمع شدگی پلاستیک و جلوگیری از ترک خوردن می‌شود.

5. تاثیر رطوبت بر مقاومت بتن

کیورینگ (عمل‌آوری) مناسب به خصوص در هفته اول برای رسیدن به مقاومت مناسب ضروری است. بتن‌هایی که به مدت یک هفته در محیط مرطوب (با رطوبت نسبی بالای ۸۰ درصد) کیورینگ می‌شوند، می‌توانند تا ۴۰ درصد مقاومت بیشتری داشته باشند. برای عمل‌آوری مناسب می‌توانید از پوشش با گونی خیس، استفاده از ترکیبات کیورینگ شیمیایی، آب‌پاشی مداوم یا ایجاد حوضچه آب استفاده کنید. همچنین در دمای پایین (کمتر از ۱۰ درجه سانتیگراد)، مدت زمان عمل‌آوری باید حداقل ۱۰ روز باشد.

6. تاثیر سن و بلوغ بتن بر مقاومت

میزان مقاومت بتن معمولا در گذر زمان تغییر می‌کند. به طور کلی، پس از اجرا و در دمای استاندارد (20±2 درجه سانتیگراد)، بتن در ۳ روز به حدود ۴۰ درصد، در ۷ روز به ۶۵ درصد، در ۲۸ روز به ۹۰ درصد و در ۹۰ روز به ۱۱۰ تا ۱۲۰ درصد مقاومت استاندارد می‌رسد. این روند برای بتن‌های حاوی پوزولان‌ها کندتر است. مفهوم بلوغ بتن نیز به معنای حاصل‌ضرب دما در زمان است و برای پیش‌بینی مقاومت آن در سنین مختلف استفاده می‌گردد. بتن‌هایی با مقاومت بسیار بالا (بیش از ۸۰ مگاپاسکال) ممکن است تا ۱۸۰ روز به مقاومت نهایی خود برسند.

7. تاثیر تراکم بر مقاومت بتن

تراکم کم می‌تواند باعث ایجاد حباب‌های هوای بزرگ (بیش از 3 میلی‌متر) شود و هر یک درصد هوای اضافه، می‌تواند حدود ۵ درصد مقاومت فشاری را کاهش دهد. استفاده از ویبراتورهای مناسب (با فرکانس ۱۰۰۰۰ تا ۱۵۰۰۰ دور در دقیقه) برای بتن‌هایی با اسلامپ کم ضروری است و زمان مناسب ویبره کردن معمولا ۵ تا ۱۵ ثانیه در هر لایه در نظر گرفته می‌شود. تراکم کم علاوه بر کاهش مقاومت، می‌تواند نفوذپذیری آن را نیز افزایش داده و دوام آن را کاهش دهد.

8. تاثیر دمای محیط بر مقاومت بتن

در دمای پایین (کمتر از 5 درجه سانتی‌گراد)، واکنش شیمیایی بین آب و سیمان تقریبا متوقف می‌شود و توصیه می‌گردد از افزودنی‌های ضد یخ استفاده نمایید. در دمای بالا (بیش از ۳۰ درجه سانتیگراد)، سرعت هیدراتاسیون افزایش می‌یابد؛ اما ممکن است به دلیل تبخیر سریع آب سطحی، ترک‌های ریز ایجاد شود. بهترین دما برای افزایش مقاومت بتن، اجرا در دمای بین ۱۵ تا ۲۵ درجه سانتیگراد است.

پایایی بتن

پایایی یا دوام بتن به معنای توانایی حفظ کیفیت و عملکرد اولیه در برابر چالش‌های محیطی و جوی است. پایایی مناسب باعث می‌شود تا بتن در مقابل عوامل مخربی مانند نوسانات جوی، مواد شیمیایی، سایش مکانیکی و دیگر عوامل مخرب مقاوم باشد. بتنی که پایایی مناسبی داشته باشد، نه تنها شکل ظاهری خود را حفظ می‌کند، بلکه ایمنی ساختمان را نیز در طول زمان تضمین می‌نماید.

پایایی بتن نیازمند شناخت درست و دقیق شرایط محیطی پروژه و انتخاب مواد مناسب است؛ زیرا عوامل بسیاری مانند کیفیت سیمان، نسبت آب، سنگدانه‌ها، مواد افزودنی بتن و… می‌توانند بر آن تاثیرگذار باشند. مهمترین ویژگی‌های یک بتن پایا عبارت است از:

• مقاومت در برابر یخ زدن‌های متوالی
• مقاومت در برابر نفوذ یون‌های مخرب مانند کلرید و سولفات
• پایداری در محیط‌های اسیدی و قلیایی
• مقاومت سایشی در برابر بارهای مکانیکی

افزایش مقاومت بتن

افزایش مقاومت بتن یکی از هدف‌های مهم مهندسان و معماران است؛ زیرا مقاومت به طور مستقیم بر ایمنی، دوام و عملکرد سازه تاثیر می‌گذارد. بعضی از رایج‌ترین روش‌هایی که برای افزایش مقاومت مورد استفاده قرار می‌گیرد عبارتند از:

۱. کاهش نسبت آب به سیمان

کاهش نسبت آب به سیمان یکی از کاربردی‌ترین روش‌هایی است که با کم کردن مقدار آب مورد استفاده در مخلوط بتن، باعث کاهش تخلخل و افزایش تراکم آن می‌شود. در واقع، آب اضافی پس از تبخیر، فضای خالی در ساختار بتن ایجاد می‌کند که منجر به کاهش مقاومت می‌گردد. در صورتی که با کاهش مصرف آب، نگرانی از کاهش کارایی بتن به وجود آید، می‌توان آن را به کمک روان‌کننده‌ها برطرف کرد.

۲- استفاده از مواد پوزولانی

استفاده از مواد پوزولانی مانند میکروسیلیس، خاکستر بادی و سرباره کوره‌ها، تکنیک دیگری برای افزایش کیفیت و مقاومت بتن است. این مواد با انجام واکنش‌های شیمیایی ثانویه، ساختار بتن شما را تقویت می‌کنند. میکروسیلیس‌ها به دلیل اندازه بسیار ریز ذراتش، فضای بین دانه‌های سیمان را پر کرده و چسبندگی آن را تقویت می‌کنند. همچنین خاکستر بادی نیز با کاهش حرارت هیدراتاسیون، از ترک خوردن جلوگیری کرده و مقاومت بلندمدت بتن را افزایش می‌دهد.

۳- کنترل شرایط کیورینگ

کنترل شرایط کیورینگ بتن، نقش مهمی در افزایش مقاومت خواهد داشت؛ زیرا عمل‌آوری مناسب، به بتن فرصت می‌دهد تا به تدریج به حداکثر مقاومت خود برسد. در طول کیورینگ، شما باید سعی کنید که بتن را به مدت ۷ الی ۱۰ روز مرطوب نگه دارید و از یخ زدن آن پیشگیری کنید. روش‌های مختلفی مانند استفاده از گونی خیس، حوضچه آب، مه‌پاشی، افزدونی‌های ضد یخ و… برای این کار وجود دارد. در برخی از پروژه‌های خاص مانند تولید قطعات پیش‌ساخته بتن، از عمل‌آوری با بخار استفاده می‌شود که سرعت کیورینگ را به طرز چشمگیری افزایش می‌دهد.

آزمایش مقاومت بتن

آزمایش مقاومت بتن به روش‌های تخصصی گفته می‌شود که برای اندازه‌گیری میزان مقاومت بتن در آزمایشگاه انجام می‌شود. مهمترین آزمایش‌ها و دلیل اهمیت آن‌ها در جدول زیر معرفی شده است:

جمع بندی

بتن اساسی‌ترین نقش را در تحمل بارها و نیروهایی که بر سازه وارد می‌شود بازی می‌کند و از این جهت، توجه به میزان مقاومت آن، می‌تواند تاثیر چشمگیری بر ایمنی و ماندگاری ساختمان داشته باشد. مقاومت بتن به معنای توانایی آن در تحمل نیروهایی است که از جهات گوناگون بر بتن وارد می‌شود و می‌تواند به سه نوع: نیروهای فشاری، نیروهای کششی و نیروهای خمشی تقسیم شود. مقاومت فشاری بتن، بیشترین اهمیت را دارد و مهمترین عامل در تحمل وزن ساختمان است. در مقابل، مقاومت کششی بتن کمتر (در حدود ۱۰ تا ۱۵ درصد مقاومت فشاری) است. برای اندازه‌گیری انواع مختلف مقاومت، آزمایش‌های خاصی در آزمایشگاه انجام می‌گیرد.

مقاومت بتن تحت تاثیر عواملی مانند کیفیت مواد اولیه، نسبت آب و سیمان، استفاده از روان‌کننده‌ها، دمای محیط، کیورینگ مناسب و… قرار دارد و با روش‌هایی مانند کاهش نسبت آب مصرفی، استفاده از مواد پوزولانی و کنترل شرایط کیورینگ قابل افزایش است. چنانچه به اطلاعات یا راهنمایی بیشتری در این زمینه نیاز دارید، به کارشناسان شرکت NSG با شماره 54613000 -021 تماس بگیرید.