شرینکیج بتن چیست؟ انواع جمع شدگی بتن، عوامل موثر و خسارات ناشی از آن
تغییر حجم یکی از مخرب‌ترین خصوصیات بتن است که بر مقاومت و دوام طولانی مدت آن تاثیر می‌گذارد. از نظر مهندسی، تغییر حجم در بتن از این نظر مهم است که باعث ایجاد ترک‌های نامناسب در بتن می‌شود. این مشکل اغلب به عنوان «شرینکیج بتن» نامیده می‌شود. اما سوال مهم این است: «چه فاکتورهایی در شرینکیج تاثیرگذار هستند؟» برای پاسخ به پرسش و درک عمیق‌تر اصطلاح شرینکیج، با مقاله دیگری از ویکی ساختمون همراه باشید.
تعریف شرینکیج بتن
بتن نتیجه اختلاط سیمان، آب و سنگدانه‌ها (شن و ماسه) است. سیمان با آب واکنش می‌دهد (هیدراتاسیون) و خمیر سیمانی را تشکیل می‌دهد که به عنوان چسب، سنگدانه‌ها را به هم متصل می‌کند. یکی از خصوصیات بتن که در جامعه مهندسی و ساخت‌وساز مورد توجه است، شرینکیج (Shrinkage) نام دارد. این اصطلاح در فارسی اغلب با عناوینی مانند انقباض، افت یا جمع شدگی مطرح می‌شوند.
شرینکیج بتن به عنوان کاهش حجم در طول زمان تعریف می‌شود و عمدتاً به دلیل حرکت آب در ساختار متخلخل بتن و واکنش‌های شیمیایی در آن رخ می‌دهد. تخلیه منافذ به دلیل حرکت آب باعث ایجاد تنش‌های کششی می‌شود که خمیر سیمان را به هم نزدیک می‌کند و منجر به انقباض می‌شود. به طور کلی، کاهش حجم اولیه بتن نسبت به حجم ثانویه دلیلی بر واکنش‌های شیمیایی داخلی این محصول است.
قبل از اینکه بتن تحت هر نوع بارگذاری قرار گیرد، تنشی کششی ناشی از جمع شدگی منجر به ترک خوردگی داخلی و خیز خارجی (خزش در اثر بار ثابت) می‌شود. تمام بتن‌های ساخته شده با سیمان پرتلند با افزایش سن بتن دچار انقباض می‌شوند. در طراحی سازه تغییر حجم بتن بسیار مهم است و باید توسط مهندس محاسب ساختمان در نظر گرفته شود. شرینکیج بتن در اسلب‌ها(سقف)، تیرها، ستون‌ها، دیوار برشی، اعضای پیش تنیده، مخازن و هر عضو بتنی ایجاد می‌شود.
مراحل و موارد مربوط به سن در شرینکیج بتن
جمع شدگی بتن را می‌توان به دو مرحله زیر تقسیم کرد:
- افت بتن در اوایل سن که در 24 ساعت اول اتفاق می‌افتد.
- جمع شدگی طولانی مدت که پس از 24 ساعت اتفاق می‌افتد.
مقدار شرینکیج بتن با گذشت زمان و همچنین با کاهش رطوبت نسبی افزایش می‌یابد. تحقیقات نشان می‌دهند که 14 تا 34 درصد جمع شدگی در طول 20 سال در 2 هفته اول بعد از بتن ریزی، 40 تا 80 درصد جمع شدگی در طول 20 سال در 3 ماه و 66 تا 85 درصد جمع شدگی در طول 20 سال در یک سال اتفاق می‌افتد.
به طور کلی، برای یک مخلوط بتن با نسبت آب به سیمان بیشتر از 0.42 جمع شدگی در اوایل سن بتن به علت واکنش‌های هیدراتاسیون است، در حالی که انقباض طولانی مدت به تبادل آب و تبخیر مربوط می‌شود. اگر بتن برای هر مدت زمانی در رطوبت نسبی 100 درصدی قرار گیرد، جمع شدگی ایجاد نمی‌شود.
انواع شرینکیج بتن
انواع جمع شدگی بتن به شرح زیر هستند:
1- انقباض پلاستیک (Plastic Shrinkage)
جمع شدگی پلاستیک خیلی زود پس از ریختن بتن در قالب رخ می‌دهد. هیدراتاسیون سیمان منجر به کاهش حجم بتن در اثر تبخیر از سطح شده که در نهایت منجر به ترک خوردگی می‌شود.
2- جمع شدگی خشک (Drying Shrinkage)
نوعی از انقباض که پس از تنظیم و سخت شدن مخلوط بتن در اثر از بین رفتن آب مویرگی ظاهر می‌شود، به شرینکیج خشک معروف است. جمع شدن خشک شدن به طور کلی در چند ماه اول اتفاق می‌افتد و با گذشت زمان کاهش می‌یابد.
3- انقباض کربناسیون (Carbonation Shrinkage)
انقباض کربناسیون به دلیل واکنش دی اکسید کربن (Co2) با مواد معدنی سیمان هیدراته، کربناته Ca(Oh)2 به CaCo3 رخ می‌دهد. کربناسیون به آرامی به سطح خارجی بتن نفوذ می‌کند. این نوع جمع شدگی عمدتاً در رطوبت متوسط رخ می‌دهد و باعث افزایش قدرت بتن و کاهش نفوذپذیری می‌شود.
4- افت مهارشده (Autogeneous Shrinkage)
جمع شدگی اتوژن یا مهارشده به دلیل عدم حرکت رطوبت از خمیر بتن در دمای ثابت اتفاق می‌افتد. این یک مشکل جزئی از بتن است و می‌توان آن را نادیده گرفت.
عوامل موثر در شرینکیج بتن
انقباض بتن به عوامل مختلفی بستگی دارد. این عوامل شامل خصوصیات مواد تشکیل دهنده بتن، نسبت مواد تشکیل دهنده، روش اختلاط، میزان رطوبت در حین عمل آوری بتن (کیورینگ)، خشکی محیط و اندازه عضو باربر است.
جمع شدگی بیشتر به دلیل کاهش آب مویرگی در اثر تبخیر و آب موجود در خمیر سیمان اتفاق می‌افتد. هر چه مقدار آب در بتن تازه بیشتر باشد، انقباض بیشتر خواهد بود. پتانسیل جمع شدگی یک بتن تحت تاثیر میزان اختلاط، زمان سپری شده پس از افزودن آب، نوسان دما، اسلامپ، بتن ریزی و کیورینگ قرار می‌گیرد.
آرایش بتن نیز بسیار مهم است! سنگدانه‌ها دارای خصوصیات متمایزی هستند که هر یک در ایجاد شرینکیج بتن موثر هستند. مقادیر آب و مواد افزودنی استفاده شده در هنگام اختلاط نیز تاثیر مستقیم و غیرمستقیم بر جمع شدگی دارند. انقباض بتن بیشتر به دلیل تبخیر آب مویرگی اتفاق می‌افتد. شدت این جمع شدگی به خصوصیات فیزیکی بتن شامل اندازه سازه، محل سازه و دمای اطراف آن بستگی دارد.
مطلب پیشنهادی: نصب کاشی استخری
خصوصیات مواد تشکیل دهنده
ترکیب مواد تشکیل دهنده بتن به طور مستقیم بر شرینکیج بتن تاثیر می‌گذارد. از دست دادن رطوبت در خمیر سیمان در طی فرآیند هیدراتاسیون منجر به جمع شدگی می‌شود. ترکیبات مختلف و نوع سیمان‌ها اثرات متغیری بر انقباض خمیر سیمان دارند. به دلیل تنظیم مقدار سنگ گچ اضافه شده به ترکیبات مختلف سیمان، اختلاف در جمع شدگی به میزان قابل توجهی کاهش می‌یابد.
اندازه سنگدانه خیلی مهم نیست! اما تاثیر غیرمستقیمی بر میزان آب بتن دارد. انقباض با افزایش حجمی سنگدانه کاهش می‌یابد و باعث ایجاد رابطه‌ای خطی بین جمع شدگی آزاد و عرض ترک می‌شود. سنگدانه‌های درشت با درصد بیشتر، سطوح زبر و ناهموار و مدول الاستیسیته بالا به کاهش قابلیت انعطاف پذیری و جمع شدگی بتن کمک می‌کنند.
استفاده از مواد افزودنی (روان کننده‌ها، مواد مضاعف هوازا، کندگیر کننده و غیره) ممکن است واکنش هیدراتاسیون را تغییر دهند که منجر به افزایش مستقیم در انقباض بتن می‌شود. مواد تکمیلی سیمانی مانند بخار سیلیس، خاکستر بادی و سرباره کوره بلند دانه‌ای بر جمع شدن بتن تاثیر منفی می‌گذارند زیرا افزودن آن‌ها ساختار منافذ خمیر سیمان را تصفیه کرده و در نتیجه ماده‌ای سفت و محکم ایجاد می‌کنند.
نسبت آب به سیمان
تاثیر خصوصیات بتن در جمع شدگی بستگی به نسبت آب به محتوای مواد سیمانی، محتوای کل مواد تشکیل دهنده و مقدار آب دارد. مقدار آب از همه موارد مهم‌تر است. رابطه بین مقدار آب و شرینکیج بتن به صورت خطی است، یعنی هر چه آب افزایش یابد انقباض بتن نیز بیشتر خواهد شد.
افزایش مقدار آب به میزان یک درصد تقریبا جمع شدگی را تا سه درصد افزایش می‌دهد. مقدار افت بتن به شرایط محیطی اعم از رطوبت نسبی، دما و گردش هوا نیز بستگی دارند. رطوبت بالاتر و تبخیر کندتر در دمای پایین، باعث کاهش اثر جمع شدگی بتن می‌شود.
خسارت ناشی از جمع شدگی بتن
در اوایل سن بتن، فشارهای ناشی از انقباض و تنش‌های ناشی از آن ممکن است منجر به شروع و انتشار ترک شود که ورود آب و سایر مواد مضر به داخل بتن را تسهیل می‌کند و متعاقبا دوام بتن را به خطر می‌اندازند.
با توجه به جنبه ساختاری بتن، هر دو شرینکیج زودرس و طولانی مدت منجر به نتایج نامطلوب مانند تنش‌های باقی‌مانده، از دست رفتن نیروهای پیش تنش و کاهش اینرسی می‌شود که به نوبه خود بر قابلیت کارآیی و خیز اعضای سازه‌ای تاثیر می‌گذارد. این محدودیت باعث ایجاد تنش‌های کششی بر روی بتن و بزرگتر شدن ترک‌ها و کاهش دوام بتن و مقاومت کششی آن می‌شوند.
چطور می‌توان شرینکیج بتن را کاهش داد؟
پیشگیری از جمع شدگی بتن غیرقابل انجام است. تنها می‌توان اثر را در اعضای بتنی کاهش داد. همانطور که در بالا بیان شد، انقباض بتن در بخش خمیر سیمان بتن اتفاق می‌افتد. بنابراین می‌توان با کاهش مقدار آب مخلوط بتنی یا با افزایش حجم سنگدانه‌ها (به ویژه شن)، میزان ترک‌های ناشی از جمع شدگی را کاهش می‌کند تا حجم خمیر سیمان به حداقل رساند.
عمل آوری مناسب و اصولی نیز به خصوص در سقف‌ها بسیاری کاربردی خواهند بود زیرا باعث می‌شود بتن ظرفیت کشش بیشتری داشته باشد. با ایجاد اتصالات حرکتی و تقویت کننده کنترل ترک، می‌توان میزان ترک خوردگی در مرحله طراحی را کاهش داد. هدف این است که به جای چند ترک گسترده، تعداد زیادی ترک سطحی ایجاد کنید.
کلام آخر
مقدار خیز ناشی شرینکیج بتن باید در محاسبات سازه اعمال شود. این مهم در بخشی از آیین‌نامه سازه‌های بتنی در ایران و دیگر نقاط جهان است. عدم توجه به جمع شدگی بتن به ویژه در سازه‌ها با بارهای ثابت مانند پل‌ها، می‌تواند به گسترش ترک‌ها و از بین رفتن ساختار منجر شود. همچنین مهم است در طرح اختلاط بتن، مواد افزودنی و به ویژه مرحله ریختن و عمل آوری بتن، نظارت مداوم و دقیق داشت.
