بتن در چه دمایی یخ می‌زند؟ | نشانه‌ها، خطرات و روش‌های جلوگیری

بتن مقاومت خوبی در برابر شرایط آب‌وهوایی مختلف دارد، اما این ویژگی آن در دمای پایین می‌تواند به چالش کشیده شود. گاهی بتن یخ می‌زند. یخ‌زدگی زودهنگام باعث ترک، فرورفتگی و کاهش مقاومت بتن می‌شود. اجرای بتن‌ریزی در هوای سرد بدون آگاهی از دماهای بحرانی می‌تواند کل فرآیند گیرش را مختل کند و حتی سازه را در آینده دچار آسیب‌های جدی کند. به همین دلیل شناخت دمای یخ‌زدگی بتن، عوامل مؤثر بر آن و راهکارهای جلوگیری از این پدیده، از اهمیت زیادی برخوردار است. در این مقاله به این سؤال پاسخ می‌دهیم که بتن در چه دمایی یخ می‌زند و خطرات و راه‌های جلوگیری از آن را بررسی می‌کنیم. با ادامه این مطلب ما را همراهی کنید.

بتن چیست و چرا دما بر آن تأثیر می‌گذارد؟

بتن از سیمان، آب، سنگدانه‌ها و در برخی موارد افزودنی‌های مختلف ساخته می‌شود. فرآیند اصلی که باعث سفت شدن و مقاومت یافتن بتن می‌شود، هیدراسیون است؛ یعنی واکنش شیمیایی میان سیمان و آب. این واکنش گرمازا بوده و برای ادامه یافتن، به شرایط دمایی مناسب نیاز دارد. وقتی دما کاهش می‌یابد، سرعت واکنش هیدراسیون کم می‌شود. گاهی آب یخ می‌زند که این یخ زدگی سبب افزایش حجم آن می‌شود و این امر می‌تواند مشکلات زیادی ایجاد کند. به همین دلیل دما یکی از مهم‌ترین عوامل در کیفیت نهایی بتن به شمار می‌آید و کنترل آن در پروژه‌های ساختمانی، به‌خصوص در فصل سرما اهمیت بسیار بالایی دارد.

بتن در چه دمایی یخ می‌زند؟

یخ‌زدگی بتن زمانی رخ می‌دهد که دمای آب موجود در مخلوط به زیر صفر درجه سانتی‌گراد برسد و فرصت کافی برای واکنش با سیمان نداشته باشد. از آنجا که بخش قابل‌توجهی از بتن تازه را آب تشکیل می‌دهد، افت دما به زیر صفر باعث انبساط آب و تشکیل کریستال‌های یخ می‌شود؛ کریستال‌هایی که با افزایش حجم خود، فضای داخلی بتن را تخریب کرده و مانع تشکیل ساختار منسجم سیمانی می‌شوند.

این گونه فرآیند هیدراسیون سیمان که عامل سفت شدن و افزایش مقاومت بتن است، متوقف می‌شود. در نتیجه، اگر بتن پیش از تکمیل واکنش‌های شیمیایی سفت شدن، در معرض یخ‌زدگی قرار گیرد، مقاومت نهایی بتن به طور چشمگیری کاهش می‌یابد.

به طور معمول، بتن تازه در محدوده‌ دمای 0 تا 2- درجه سانتی‌گراد شروع به یخ‌زدن می‌کند. اما این مقدار ثابت نیست و به عوامل مختلفی وابسته است. به عنوان مثال، هرچه نسبت آب به سیمان بیشتر باشد یا زمان گیرش کندتر پیش برود، بتن در دمای بالاتری (مثلاً نزدیک 0 درجه سانتی‌گراد) یخ می‌زند. در مقابل، بتن‌های کم‌آب یا دارای مواد تسریع‌کننده ممکن است تا حدود 2- درجه سانتی‌گراد نیز بدون یخ‌زدگی باقی بمانند.

نکته مهم این است که حتی اگر دما به صفر نرسد، اما به کمتر از 5 درجه سانتی‌گراد سقوط کند، بتن به مرحله‌ای می‌رسد که روند هیدراسیون به‌ شدت کند شده و بتن در ساعات اولیه بسیار آسیب‌پذیر می‌شود. بنابراین دمای بحرانی یخ‌زدگی دقیقاً صفر نیست؛ بلکه هر دمایی که احتمال توقف واکنش سیمان و ایجاد یخ‌زدگی را بالا ببرد، «دمای خطر» محسوب می‌شود.

هوای سرد برای بتن‌ریزی از نظر آیین‌نامه بین‌المللی و آیین‌نامه ملی ایران

منظور از هوای سرد برای بتن‌ریزی فقط پایین بودن دمای هوا نیست؛ بلکه شرایطی است که در آن سرعت واکنش‌های هیدراسیون کاهش یافته و بتن در معرض یخ‌زدگی آب اختلاط قرار می‌گیرد. در عملیات بتن‌ریزی، شناخت شرایط هوای سرد اهمیت زیادی دارد؛ زیرا کوچک‌ترین اشتباه در ارزیابی دما می‌تواند کیفیت نهایی بتن را تحت تأثیر قرار دهد.

به همین دلیل، آیین‌نامه‌های معتبر داخلی و خارجی، تعریف مشخصی برای «هوای سرد» ارائه کرده‌اند تا مهندسان و مجریان پروژه بتوانند بر اساس آن تصمیم‌گیری دقیق‌تری داشته باشند. طبق آیین‌نامه‌ها، زمانی هوا سرد محسوب می‌شود که دمای محیط یا بتن به حدی برسد که کیفیت گیرش و مقاومت نهایی دچار اختلال شود. در ادامه تعریف هوای سرد را از منظر آیین‌نامه بین‌المللی و ایران می‌آوریم:

طبق استاندارد ACI 306R (آیین‌نامه بین‌المللی هوای سرد)

طبق این استاندارد هوای سرد زمانی است که:

• دمای هوا برای بیش از سه روز متوالی کمتر از 5 درجه سانتی‌گراد باشد
• دمای هوا هیچ‌گاه در طول روز از 10 درجه سانتی‌گراد بیشتر نشود

در چنین شرایطی، فرآیند گیرش بتن به تأخیر می‌افتد و خطر یخ‌زدگی آب در ساعات اولیه افزایش می‌یابد.

طبق آیین‌نامه ملی ایران (مبحث نهم مقررات ملی ساختمان)

طبق این آیین‌نامه:

• هنگامی که دمای محیط در زمان بتن‌ریزی یا تا چند ساعت پس از آن کمتر از 5 درجه سانتی‌گراد باشد، شرایط هوای سرد محسوب می‌شود.
• همچنین دمای بتن در لحظه ریختن نباید کمتر از حدود 12 درجه سانتی‌گراد باشد تا در ساعات اولیه به دمای بحرانی نرسد.

آیین‌نامه ایران تأکید می‌کند که در این بازه دمایی، احتمال یخ‌زدگی آب بتن و کند شدن شدید عملیات گیرش وجود دارد و باید از روش‌های حفاظتی استفاده شود.

نشانه های یخ زدن بتن

یخ‌زدگی بتن می‌تواند تأثیرات منفی و شدیدی بر کیفیت و استحکام آن بگذارد. تشخیص زودهنگام نشانه‌های یخ‌زدگی می‌تواند از بروز مشکلات بزرگ‌تر جلوگیری کرده و به مهندسان این امکان را بدهد که اقدامات اصلاحی را به موقع انجام دهند. در این بخش به بررسی برخی از مهم‌ترین نشانه‌های یخ‌زدگی بتن خواهیم پرداخت.

تغییر رنگ سطح بتن

پس از یخ‌زدگی، ممکن است رنگ سطح بتن تغییر کند. بتن یخ زده، ممکن است رنگی مایل به سفید یا خاکستری به خود بگیرد که ناشی از یخ‌زدن آب و تأثیر آن بر مواد سیمانی است. این تغییر رنگ، ناشی از تشکیل کریستال‌های یخ در لایه‌های فوقانی و جداشدگی آب از مخلوط است.

پوسته‌پوسته شدن یا پف‌کردگی سطح

وقتی آب داخل بتن یخ می‌زند، حجم آن افزایش پیدا می‌کند، باعث می‌شود بخش‌هایی از سطح بتن حالت ورآمده، پف‌کرده یا پوسته‌پوسته پیدا کند. این اتفاق معمولاً در ساعات ابتدایی بیشتر دیده می‌شود.

ترک‌خوردگی سطحی و عمقی

یکی از اصلی‌ترین نشانه‌های یخ ‌زدگی بتن، ایجاد ترک‌هایی در سطح یا عمق بتن است. یخ‌ زدن آب درون بتن باعث افزایش حجم آن می‌شود، و این تغییر حجم می‌تواند موجب ترک‌خوردگی بتن شود. این ترک‌ها معمولاً در لایه‌های سطحی بتن قابل مشاهده هستند، اما در شرایط شدیدتر، ممکن است به عمق بتن نیز نفوذ کنند و ساختار کلی آن را تضعیف کنند.

ناتوانی بتن در سخت‌شدن طبیعی

اگر پس از گذشت چند ساعت از بتن‌ریزی، بتن همچنان بسیار نرم، دوغابی یا ژله‌ای باشد، احتمال یخ‌زدگی وجود دارد. یخ‌زدگی روند گیرش را متوقف و باعث می‌شود بتن به‌ جای سفت شدن، سست و بدون انسجام باقی بماند.

تشکیل لایه یخ یا شبنم یخ‌زده روی سطح

در دماهای پایین‌تر، ممکن است لایه‌ای نازک از یخ روی بتن تشکیل شود. در برخی موارد، پس از یخ‌زدگی بتن، رطوبت سطحی قابل مشاهده خواهد بود. این مورد می‌تواند نشان‌دهنده انجماد آب درون بتن باشد که بعد از یخ‌زدن، به شکل قطرات رطوبت سطحی به بیرون نشت کرده‌اند. این مسأله به‌ویژه در فصول سرد و در محیط‌هایی با رطوبت بالا بیشتر مشاهده می‌شود.

شن‌ زدن سطح بتن

وقتی بتن یخ می‌زند، ساختار درونی آن تخریب می‌شود و پس از ذوب شدن، سطح بتن حالتی شن‌زده، پوک یا دانه‌ای پیدا می‌کند. این مورد یکی از واضح‌ترین علائم یخ‌زدگی کامل است.

عوامل مؤثر بر یخ ‌زدگی بتن

یخ‌ زدگی بتن یک پدیده پیچیده است که تحت تأثیر مجموعه‌ای از عوامل مختلف قرار دارد. این عوامل می‌توانند شدت یخ‌زدگی، زمان وقوع و اثرات آن بر کیفیت بتن را تغییر دهند. شناخت این عوامل و کنترل آن‌ها در هنگام بتن‌ریزی در هوای سرد بسیار مهم است. در این بخش به مهم‌ترین عوامل مؤثر بر یخ‌زدگی بتن اشاره می‌کنیم.

دمای محیط و سرعت افت دما

یکی از اصلی‌ترین عوامل مؤثر در یخ‌زدگی بتن، دمای محیط است. همان‌طور که اشاره شد، هنگامی که دمای هوا به صفر درجه سانتی‌گراد یا پایین‌تر برسد، آب موجود در بتن شروع به یخ زدن می‌کند. هر چقدر دما پایین‌تر باشد، احتمال یخ‌زدگی بیشتر می‌شود. علاوه بر دمای هوای روزانه، دمای شبانه و مدت زمان قرار گرفتن بتن در معرض سرما نیز می‌تواند بر یخ‌زدگی تأثیر بگذارد.

رطوبت محیط

رطوبت یکی دیگر از عوامل مهم در یخ‌زدگی بتن است. هرچقدر رطوبت هوا بیشتر باشد، احتمال یخ‌زدگی آب درون بتن افزایش می‌یابد. در هوای مرطوب، آب به راحتی در بتن جذب می‌شود و در دماهای پایین‌تر به سرعت یخ می‌زند.

ترکیب و کیفیت مواد اولیه بتن

ترکیب مواد بتن و کیفیت مواد اولیه تأثیر زیادی بر عملکرد آن در شرایط سرد دارد. برخی از افزودنی‌ها و مواد معدنی در دماهای پایین، عملکرد بهتری از خود نشان می‌دهند و ممکن است از یخ‌زدن جلوگیری کنند.

نسبت آب به سیمان

بتن‌هایی که نسبت آب به سیمان بالاتری دارند، مقدار بیشتری آب آزاد دارند و در نتیجه، در دمای بالا راحت‌تر یخ می‌زنند. در مقابل، بتن سفت‌تر یا کم‌آب، دیرتر یخ می‌زند.

نوع سیمان و سرعت گیرش

سیمان انواع مختلفی دارد. سیمان‌های زودگیر، حرارت هیدراسیون بیشتری تولید می‌کنند و مقاومت اولیه را سریع‌تر به دست می‌آورند؛ بنابراین دیرتر یخ می‌زنند. سیمان‌های کندگیر در برابر سرما آسیب‌پذیرتر هستند.

سرعت تغییر دما

سرعت تغییر دما در بتن و محیط پیرامون آن نیز یکی از عوامل کلیدی در یخ‌زدگی است. اگر بتن به طور ناگهانی در معرض دمای پایین قرار بگیرد، احتمال یخ‌زدگی به شدت افزایش می‌یابد. این تغییرات دمایی سریع بر کیفیت بتن اثر منفی می‌گذارند.

زمان بتن‌ریزی و دوره گیرش

زمان بتن‌ریزی نیز در یخ‌زدگی مؤثر است. اگر بتن در ساعات سرد روز (مثلاً شب‌ها) ریخته شود، احتمال یخ‌زدگی افزایش می‌یابد، زیرا فرآیند هیدراسیون به کندی پیش می‌رود و بتن به اندازه کافی گرم نمی‌شود. علاوه بر این، مدت زمان گیرش اولیه بتن بسیار مهم است؛ در صورتی که بتن در این دوران در معرض دمای پایین قرار بگیرد، واکنش‌های شیمیایی به طور کامل اتفاق نمی‌افتند و خطر یخ‌زدگی بیشتر می‌شود.

حجم و ابعاد مقطع بتن‌ریزی

بتن‌ریزی‌های حجیم دیرتر سرد می‌شوند، اما بتن‌های نازک مثل کف‌های کم‌ضخامت یا لایه‌های زیرسازی خیلی زود دمای خود را از دست می‌دهند و سریع‌تر یخ می‌زنند.

وزش باد

باد سرد می‌تواند تأثیر زیادی بر یخ‌زدگی بتن داشته باشد. در روزهای سرد، وزش باد باعث کاهش سریع‌تر دمای سطح بتن می‌شود و این گونه آب از سطح بتن سریع‌تر تبخیر می‌شود. این امر باعث می‌شود که بتن نتواند به‌درستی فرآیند هیدراسیون را طی کند.

خطرات یخ‌ زدگی بتن

بتن می‌تواند در هر مرحله و سنی یخ بزند. این مشکل موجب بروز اثرات متفاوتی در مراحل مختلف عمر بتن می‌شود. در ادامه خطرات یخ‌زدگی بتن را در مراحل مختلف بررسی می‌کنیم.

خطرات یخ‌زدگی در ساعات اولیه

در ساعات اولیه بتن‌ریزی، بتن هنوز حالت پلاستیکی دارد. واکنش هیدراسیون سیمان هنوز آغاز نشده و آب موجود در بتن هنوز به طور کامل با سیمان واکنش نشان نداده است. یخ‌زدگی در این بازه، مخرب‌ترین نوع آسیب به بتن است. آسیب‌های این مرحله عبارت‌اند از:

• جداشدگی آب و سنگدانه‌ها
• توقف کامل هیدراسیون
• برآمدگی یا تورفتگی سطح به دلیل انبساط یخ
• ایجاد ترک‌های ریز گسترده
• کاهش مقاومت در حدی که بتن دیگر قابل احیا نباشد

در این شرایط بتن تقریباً از بین رفته محسوب می‌شود و معمولاً نیاز به تخریب یا ترمیم اساسی دارد.

خطرات یخ‌ زدن بتن در گیرش اولیه

مرحله گیرش اولیه معمولاً طی چند ساعت اول پس از بتن‌ریزی اتفاق می‌افتد. در این مرحله، بتن شروع به سفت شدن می‌کند. اگر دما در این زمان پایین باشد و بتن یخ بزند، این واکنش‌ها به شدت کند یا متوقف می‌شوند. از خطرات یخ زدن بتن در این مرحله می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• کاهش شدید چسبندگی اجزای بتن
• کند شدن فرآیند گیرش
• ایجاد ترک‌های مویی که بعدها گسترش می‌یابند
• کاهش مقاومت اولیه تا 50٪
• اختلال در پیوستگی شبکه سیمانی

اگر دمای بتن در این مرحله به زیر صفر برسد، احتمال افت چشمگیر مقاومت دائمی وجود دارد.

خطرات یخ‌ زدگی بتن در گیرش نهایی

در سنین 1 تا 7 روز که به آن گیرش نهایی گفته می‌شود، بتن به مقاومت و سختی بیشتری می‌رسد. اگر در این دوره دمای بتن به زیر صفر برسد، مشکلات جدی‌تری می‌تواند رخ دهد. از جمله:

• کاهش مقاومت نهایی تا حدود 20 تا 40 درصد
• افت دوام و افزایش نفوذپذیری نسبت به بتن سالم
• آسیب به لایه‌های سطحی و پوسته‌پوسته شدن
• کند شدن شدید رشد مقاومت
• کاهش کیفیت و ایجاد شکنندگی

خطرات یخ‌زدگی بتن سخت شده

بتن‌های قدیمی و سخت‌شده هم می‌توانند دچار یخ‌زدگی شوند یا در سیکل‌های ذوب و یخ‌زدگی آسیب ببینند. این سیکل‌ها به‌ویژه در مناطقی که نوسانات دمایی زیادی دارند، خطرناک هستند. از خطرات یخ زدگی بتن در این مرحله می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• پوسته‌پوسته شدن سطح
• خوردگی آرماتورها به دلیل نفوذپذیری بیشتر و ورود آب
• ترک‌های انبساطی ناشی از انجماد مکرر آب در منافذ
• کاهش دوام و عمر مفید سازه
• شن‌زدگی در لایه‌های سطحی

این نوع آسیب‌ها در مناطق سردسیر یا ارتفاعات بسیار رایج است.

روش‌های جلوگیری از یخ زدن بتن در دماهای پایین

برای جلوگیری از یخ‌زدگی بتن در دمای پایین، باید تدابیر ویژه‌ای اتخاذ کرد. در این بخش، به بررسی مهم‌ترین روش‌های محافظت از بتن در شرایط سرمای شدید خواهیم پرداخت. این روش‌ها عبارت‌اند از:

استفاده از افزودنی‌های ضد یخ

یکی از مؤثرترین روش‌ها برای جلوگیری از یخ‌زدگی بتن، استفاده از افزودنی‌های ضد یخ است. این افزودنی‌ها معمولاً شامل کلرید کلسیم، نیتریت سدیم یا پلیمرهای خاص هستند که با کاهش دمای انجماد آب درون بتن، از یخ‌زدگی جلوگیری می‌کنند. افزودنی‌های ضد یخ علاوه بر کاهش نقطه انجماد، می‌توانند فرآیند هیدراسیون را تسریع کنند و از کاهش زمان گیرش بتن جلوگیری نمایند.

گرم کردن آب و مصالح

برای جلوگیری از یخ‌زدگی بتن، می‌توان آب و مصالح مخلوط بتن را پیش از استفاده گرم کرد. این کار باعث افزایش دمای کل مخلوط بتن و کاهش احتمال یخ‌زدگی در زمان ریختن می‌شود. به‌ویژه در سرمای شدید، استفاده از آب گرم (در حدود 40 تا 50 درجه سانتی‌گراد) و گرم کردن سنگدانه‌ها می‌تواند بسیار مؤثر باشد. امکان گرم کردن قالب‌ها هم وجود دارد. این کار موجب می‌شود تا سطوح سرد، حرارت بتن را جذب نکنند.

استفاده از پوشش‌های حرارتی و سیستم‌های گرمایشی

یکی دیگر از روش‌های جلوگیری از یخ‌زدگی بتن، استفاده از پوشش‌های حرارتی برای محافظت از بتن تازه ‌ریخته شده است. این پوشش‌ها می‌توانند شامل پتوهای حرارتی، عایق‌های چندلایه یا پشم سنگ، کیسه‌های مخصوص، نایلون و برزنت شوند. این روش به‌ویژه در مواقعی که دما به سرعت پایین می‌آید و احتمال یخ‌زدگی فوری وجود دارد، بسیار مفید است. این کار موجب می‌شود تا گرمای تولید شده در بتن حفظ شود و دما به زیر حد بحرانی نرسد.

همچنین در شرایطی که دما به حدی پایین باشد که بتن در معرض یخ‌زدگی فوری قرار گیرد، می‌توان از سیستم‌های گرمایشی مانند هیترها یا سیستم‌های حرارتی الکتریکی برای گرم نگه‌داشتن محیط بتن‌ریزی استفاده کرد. این سیستم‌ها می‌توانند فضای کارگاه یا سطح بتن را در دمای مناسب برای گیرش نگه دارند.

زمان‌بندی مناسب بتن‌ریزی

یکی از ساده‌ترین روش‌ها برای جلوگیری از یخ‌زدگی بتن، زمان‌بندی مناسب بتن‌ریزی است. بهتر است بتن‌ریزی در ساعات گرم‌تر روز، مانند ظهر یا اواخر صبح انجام شود. این کار باعث می‌شود که دمای بتن در ساعات ابتدایی پس از ریختن تحت تأثیر سرمای شب قرار نگیرد و فرآیند هیدراسیون به ‌طور مؤثری ادامه یابد.

استفاده از بتن‌های ویژه برای هوای سرد

برای پروژه‌هایی که در مناطق سردسیر انجام می‌شوند، می‌توان از بتن‌های ویژه که به‌ طور خاص برای مقاومت در برابر دماهای پایین طراحی شده‌اند، استفاده کرد. این بتن‌ها معمولاً شامل سیمان‌هایی با خاصیت تسریع‌کننده و ترکیب‌های خاصی از افزودنی‌ها هستند که باعث افزایش سرعت گیرش و مقاومت بتن در دماهای پایین می‌شوند.

مراقبت و عمل‌آوری مناسب پس از بتن‌ریزی

عمل‌آوری مناسب برای جلوگیری از یخ‌زدگی پس از بتن‌ریزی ضروری است. این امر شامل مرطوب نگه داشتن سطح بتن به روش‌های مختلف می‌شود. همچنین باید اطمینان حاصل شود که دمای بتن در حدی باقی می‌ماند که فرآیند هیدراسیون به‌درستی ادامه یابد.

نظارت و کنترل مستمر دما

نظارت مستمر بر دمای بتن از اهمیت زیادی برخوردار است. استفاده از دماسنج‌ها و سیستم‌های دیجیتال می‌تواند به مهندسان این امکان را بدهد که وضعیت دمای بتن را در لحظه بررسی کرده و در صورت لزوم، اقدامات فوری مانند پوشش‌دهی یا تنظیم سیستم‌های گرمایشی را اجرا کنند.

کلام آخر

یخ‌ زدگی بتن یکی از مشکلات جدی در شرایط هوای سرد و دمای پایین است که می‌تواند بر مقاومت و دوام سازه‌ها تأثیر منفی بگذارد. این مشکل به ویژه در ساعات اولیه پس از بتن‌ریزی و در مراحل گیرش بتن خود را نشان می‌دهد. برای جلوگیری از یخ‌زدگی روش‌های مختلفی وجود دارد که در این مقاله آن‌ها را بررسی کردیم. با اجرای صحیح تمهیدات هوای سرد می‌توان حتی در شرایط زمستانی نیز بتن‌ریزی را به شکل مطمئن، مقاوم و بدون خطر یخ‌زدگی اجرا کرد.

منابع

https://mastermixconcrete.co.uk/news/guide-pouring-concrete-in-cold-temperatures

https://www.cemex.co.uk/about-us/media/guides-advice/concrete-in-cold-weather-guide

https://www.giatecscientific.com/education/7-cold-weather-concreting-mistakes

https://www.converge.io/blog/blog-what-happens-if-concrete-freezes

https://www.forconstructionpros.com/concrete/equipment-products