عوامل موثر در مقاومت بتن

عوامل موثر در مقاومت بتن کدام هستند؟
مقاومت بتن، به عوامل مختلفی نظیر کیفیت مواد تشکیل دهنده (آب، سیمان و سنگدانه)، تخلخل، نسبت آب به سیمان، نسبت سنگدانه های درشت به ریز، سن، دما، PH و فرآیندهای شیمیایی بستگی دارد.

در ادامه، به معرفی نحوه تأثیر هر یک از این موارد بر مقاومت بتن می پردازیم.

تأثیر سیمان بر مقاومت بتن چیست؟
سیمان، مهم ترین عامل موثر در استحکام بتن است. نوع، مقدار، نسبت ترکیبات شیمیایی، نحوه ساخت و شرایط محیط نگهداری سیمان بر روی مقاومت نهایی بتن تأثیرگذار است. این موارد باید مطابق با استانداردها و کاربری مورد نیاز تعیین شوند.

• ترکیب شیمیایی: میزان آهک، سیلیکا، اکسید آهن و سیلیکا فوم در ترکیب بتن، بر روی مقاومت آن تأثیر مستقیم دارد. به علاوه، استفاده بیش از حد از موادی نظیر آلومینا و مگنزیا، مقاومت بتن را کاهش می دهد.
• محیط نگهداری: سیمان باید در یک محیط خشک نگهداری شود. وجود رطوبت، کیفیت سیمان را کاهش می دهد. این مسئله، فرآیند هیدارتاسیون را تحت تأثیر قرار خواهد داد.

تأثیر سنگدانه بر مقاومت بتن چیست؟
سنگدانه، حدود 70 تا 80 درصد از حجم بتن را تشکیل می دهد. از این رو، کیفیت سنگدانه و ویژگی های آن از جمله ابعاد، شکل، بافت، مقاومت ذرات، مواد شیمیایی و درصد ریزدانه ها، تأثیر زیادی بر روی استحکام بتن دارند.

یکی از عوامل مهم در مقاومت نهایی بتن، توزیع دانه بندی سنگدانه های مورد استفاده در آن است.

استفاده شن و ماسه خوب دانه بندی شده، فضای خالی بین ذرات و نواحی ضعیف بتن را کاهش می دهد. همین موضوع، باعث افزایش مقاومت نهایی بتن می شود.

علاوه بر موارد بالا، نسبت ذرات درشت به ریز در سنگدانه، نسبت سنگدانه به سیمان و رطوبت سنگدانه ها نیز بر روی مقاومت تأثیر گذار هستند. در بخش های بعدی، به معرفی تأثیر هر یک از این موارد خواهیم پرداخت.

تأثیر آب بر مقاومت بتن چیست؟
کیفیت و ترکیب آب مورد استفاده در بتن، مقاومت آن را تحت تأثیر قرار می دهد. طبق یک قاعده کلی، آب آشامیدنی، بهترین گزینه برای ساخت بتن با خواص مقاومتی مورد نظر است.

بر اساس تحقیقات صورت گرفته، در صورت ثابت بودن تمام پارامترهای موثر، مقاومت بتن ساخته شده با آب آشامیدنی، حدود 33 درصد بیشتر از مقاومت بتن ساخته شده با فاضلاب خواهد بود.

نقش آب در استحکام بتن به کیفیت و ترکیب آن ختم نمی شود.

نسبت آب به سیمان و رطوبت نسبی مخلوط بتن نیز بر روی استحکام بتن تأثیرگذار هستند. در بخش های بعدی، تأثیر این موارد را نیز معرفی خواهیم کرد.

تأثیر تخلخل بر مقاومت بتن چیست؟
تخلخل، معیاری برای تعیین میزان فضای توخالی درون یک ماده است. به طور کلی، هر چه تعداد و ابعاد فضای خالی درون بتن کمتر باشد، مقاومت آن بیشتر خواهد بود.

تخلخل، عاملی است که فرآیند تراکم در بتن تازه و ایجاد پیوند مناسب بین اجزا را با مشکل مواجه می کند. در صورت وجود 10 درصد فضای خالی در بتن، مقاومت آن به اندازه 30 تا 40 درصد کاهش می یابد.

تأثیر نسبت آب به سیمان بر مقاومت بتن چیست؟
نسبت آب به سیمان، یکی از مهم ترین عوامل موثر بر استحکام بتن است. این نسبت، فرآیند هیدارتاسیون در خمیر سیمانی را کنترل می کند.

هر چه نسبت آب به سیمان بالاتر باشد، فاصله اولیه بین ذرات و حجم فضای خالی محصول نهایی بیشتر خواهد بود.

به این ترتیب، در نسب های بالا، محصول اولیه هیدارتاسیون (ملات) نمی تواند فضای خالی بین ذرات را پر کند.

همین موضوع، باعث تشکیل بتن با ساختار متخلخل می شود. تصویر زیر، رابطه تئوری بین مقاومت بتن با نسبت آب به سیمان را نمایش می دهد.

در نمودار بالا، یک نکته مهم نادیده گرفته شده است. در نسبت های بسیار پایین آب به سیمان، کارایی بتن کاهش می یابد.

در این شرایط، تراکم بتن دشوار می شود. این موضوع، مقاومت بتن را کاهش می دهد. در شرایط محیطی ثابت، با ترکیبات مشخص و در هر سنی، مقاومت بتن فقط به نسبت آب به سیمان با امکان تراکم کامل (کارایی مشخص) بستگی دارد.

تأثیر نسبت سنگدانه درشت به ریز بر مقاومت بتن چگونه است؟
تأثیر نسبت ذرات درشت دانه به ریز دانه بر استحکام بتن به صورت زیر است:

• با افزایش سنگدانه های ریز نسبت به سنگدانه های درشت، سطح آزاد کلی سنگدانه افزایش می یابد.
• با افزایش سطح آزاد سنگدانه ها، میزان آب مورد نیاز برای برای پیوند سنگدانه ها نیز بیشتر می شود.
• افزایش آب، افزایش نسبت آب به سیمان را در پی خواهد داشت.
• افزایش نسبت آب به سیمان نیز، مقاومت را کاهش می دهد.

در نتیجه، هر چه نسبت ذرات درشت به ریز بیشتر باشد، مقاومت بتن بیشتر خواهد بود.

تأثیر نسبت سنگدانه به سیمان بر مقاومت بتن چگونه است؟
نسبت سنگدانه به سیمان، به صورت زیر بر روی مقاومت بتن تأثیر می گذارد:

• در صورت ثابت بودن حجم مواد، با افزایش سیمان نسبت به ماسه، سطح آزاد ذرات نیز افزایش می یابد.
• با فرض افزایش سطح آزاد ذرات جامد، آب مورد نیاز برای دستیابی به یک کارایی مشخص نباید تغییر کند.
• افزایش سیمان با ثابت بودن مقدار آب، بیانگر کاهش نسبت آب به سیمان است.
• کاهش نسبت آب به سیمان، مقاومت را افزایش می دهد.

تأثیر محتوای سیمان بر روی کارایی و مقاومت، بسیار مهم است. برای درک بهتر این تأثیر، نکات زیر را به خاطر داشته باشید:

• برای یک کارایی مشخص، افزایش سیمان، تأثیر کمی بر روی آب مورد نیاز دارد. این موضوع، نسبت آب به سیمان را کاهش می دهد.
• کاهش آب به سیمان، منجر به افزایش استحکام بتن می شود.
• در نتیجه، برای یک کارایی مشخص، افزایش سیمان باعث افزایش مقاومت بتن خواهد شد.

تأثیر بلوغ و سن بر مقاومت بتن چیست؟
بلوغ بتن، میزان پیشرفت عمل آوری را نمایش می دهد. این پارامتر، معیاری برای تعیین رابطه بین دما، سن و مقاومت بتن است.

با گذشت زمان و شروع گیرش بتن، واکنش هیدراتاسیون با نرخ مشخصی تکمیل می شود و پیوند بین ذرات را تقویت می کند.

از این رو، در اکثر موارد، سن بتن به عنوان یکی از معیارهای اصلی قضاوت در مورد مقاومت مورد استفاده قرار می گیرد. بتن پس از 28 روز به 90 درصد مقاومت نهایی خود می رسد.

در نتیجه، هر چه سن بتن بیشتر باشد، مقاومت آن نیز (تا پیش از رسیدن به مقاومت نهایی) بیشتر خواهد بود.

تأثیر دما بر مقاومت بتن چیست؟
نرخ تکمیل واکنش هیدارتاسیون و عمل آوری بتن، به دما بستگی دارد. با افزایش دما، سرعت واکنش نیز افزایش می یابد.

به این ترتیب با ثابت بودن پارامترهای دیگر، سرعت افزایش مقاومت بتن در دماهای بالا بیشتر می شود. با این وجود، مقاومت نهایی در این شرایط کمتر خواهد بود؛ چراکه با افزایش نرخ سرعت هیدراتاسیون، ساختار فیزیکی خمیر سیمانی، نظم کم تر و تخلخل بیشتری خواهد داشت.

دما، علاوه بر عمل آوری بتن بر روی نفوذپذیری (ساختار متخلخل) آن نیز تأثیرگذار است. این موضوع، اهمیت تأثیر آن بر مقاومت بتن را افزایش می دهد.

تأثیر PH بر مقاومت بتن چیست؟
PH، معیاری است که میزان اسیدی یا قلیایی بودن یک ترکیب را نمایش می دهد. میزان PH سیمان پرتلند در حدود 11 است.

این عدد، خمیر سیمانی را به یک ترکیب قلیایی تبدیل می کند. برای پایدار ماندن پیوند بین ذرات بتن، PH مخلوط باید در محدوده ای نزدیک به 11 یا بالاتر باشد.

با ورود نمک یا اسید به حفره های بتن، میزان PH محیط کاهش می یابد و ذرات در معرض حمله شیمیایی قرار می گیرند.

آسیب دیدن ساختار بتن، باعث کاهش مقاومت بتن می شود. PH علاوه بر مقاومت بر روی دوام، جمع شدگی، پوسته پوسته شدن، خوردگی میلگرد و پیوند بین سنگدانه ها نیز تأثیرگذار است.

تأثیر کربناتاسیون بر روی مقاومت بتن چیست؟
اکثر فرآیندهای شیمیایی، با تغییر PH بتن، مقاومت آن را تحت تأثیر قرار می دهند. یکی از فرآیندهای شیمیایی مخرب برای بتن، کربناتاسیون است.

در طی این فرآیند، سیمان با کربن دی اکسید موجود در هوا واکنش می هد و کلسیم کربنات را به وجود می آورد. کلسیم کربنات، محیط را اسیدی می کند و PH را کاهش می دهد. به این ترتیب، پیوند ذرات بتن تجزیه شده و میلگردهای درون آن خورده می شوند.

تأثیر رطوبت نسبی بر مقاومت بتن چیست؟
رطوبت نسبی، میزان بخار آب موجود در بتن در حین عمل آوری را نمایش می دهد. با خشک شدن کامل بتن، واکنش هیدراتاسیون متوقف می شود.

در واقع، این واکنش بدون وجود رطوبت نسبی نمی تواند ادامه داشته باشد. به طور کلی، بالا بودن سطح رطوبت نسبی در بازه مورد نیاز برای عمل آوری بتن، نرخ افزایش مقاومت و میزان مقاومت نهایی را بهبود می بخشد.

با وجود تأثیر مثبت رطوبت نسبی بر مقاومت بتن در طی عمل آوری، بالا بودن سطح آن در بازه طولانی مناسب نیست.

رطوبت نسبی، رابطه مستقیمی با سطح PH بتن دارد. با افزایش رطوبت، PH و دما نیز افزایش می یابند. افزایش PH باعث کاهش پیوند بین ذرات و افزایش دما باعث سرعت بیشتر عمل آوری می شود.

این مسئله، ساختار ضعیف و متخلخل به همراه مقاومت نهایی پایین بتن را در پی خواهد داشت.

نکته: توجه داشته باشید که مفهوم رطوبت نسبی (آب در فاز گاز) با رطوبت (آب در فاز مایع) متفاوت است.