چرا بتن ترک می خورد؟

بتن رایج ترین مصالح ساختمانی در سراسر جهان است. از زمان اختراع سیمان مدرن توسط لوئیس ویکات در سال 1817 ، تحقیقاتی و توسعه برای بهبود خواص آن (مقاومت مکانیکی و مقاومت شیمیایی ) افزایش یافته و مواد جدیدی مانند بتن پیش تنیده شده تولید شده است. آیا بتن در طول سال ها بی نقص بوده است؟ با نگاهی به بسیاری از سازه های بتونی که ما را احاطه کرده اند ، حتی از جمله جدیدترین ساختمان ها ، می بینیم که هیچ یک از این سازه ها کاملاً دست نخورده نیستند. برجسته ضعف اجتناب ناپذیر بتن تمایل به ترک خوردن آن است. سازگاری بتن با فولاد ، و توانایی بتن مسلح برای تأمین نیازهای مصالح ساختمانی پیشرفته، ترک خوردگی بتن را مورد توجه همه قرار داده است. با این وجود ، آیا ترک ها یکسان هستند؟ قطعا نه! در حقیقت ، ترک ها می توانند توسط چندین عامل مختلف مانند تغییر شکل ، انقباض ، انقباض حرارتی یا تورم ایجاد شوند.

عوامل ایجاد کننده ترک در بتن

1- ترک های ناشی از تغییر شکل

نیروهایی که به سازه اعمال می شوند ، نیروهای کششی ، فشاری یا برشی به بتن هستند. این نیروها تغییر شکل ایجاد کرده و می تواند منجر به ترک خوردگی بتن  شود. با مشاهده محل و هندسه ترک بر روی سازه معمولاً می توان علت ترک خوردگی را شناسایی کرد.

• ترک های ناشی از نیروی فشاری که ناشی از خواص پواسون بتن هستند و موازی با نیروی اعمال شده است.

• ترک های کششی عمود بر نیروی اعمال شده هستند.

• ترک های برشی که عمود بر تنش کششی هستند.

 مقاومت کششی بتن تنها در حدود یک دهم مقاومت فشاری آن است ، به همین دلیل بتن تقریبا هیچ وقت بدون آرماتور استفاده نمی شود. بیشترین کاربرد تقویت کننده ها ، ترکیب میله های تقویت کننده فولادی در مناطقی است که در معرض تنش کششی قرار دارند. این نوع بتن معمولاً به "بتون مسلح" شناخته می شود. انواع دیگر تقویت کننده ها ممکن است شامل الیاف مصنوعی باشد. ترک های ناشی از تغییر شکل، عمدتا در اثر نشست خاک یا بارهایی که برای تحمل سازه زیاد هستند ایجاد می شوند.

شکل 1- ترک های ناشی از تغییر شکل

2- ترک های ناشی از شیرینکیج

بتن در هوای آزاد معمولاً هنگام سخت شدن جم (شیرینکیج) می شود. این جم شدن به دلیل تبخیر بخشی از آب موجود در بتن است. ترک خوردگی زمانی اتفاق می افتد که نیروهای انقباضی از مقاومت کششی بتن بیشتر شوند. در واقع یک مسابقه با زمان بین دو پدیده تبخیر آب و افزایش مقاومت بتن ایجاد می شود. همچنین در مورد قطعات بتونی که نمی توانند تغییر شکل دهند نیز صادق است. در صورت انقباض ، تغییر شکل نمی تواند رخ دهد. این شرایط هنگامی که تنش از مقاومت بتن بیشتر شود باعث ایجاد تنش های داخلی شده و منجر به ترک خوردگی می شود. در واقع هر سازه بتونی که در آب غوطه ور شده یا در هوای مرطوب  قرار گرفته باشد ، دارای تغییرات ابعادی  بسیار کمی است. ترک خوردگی می تواند قبل از گیرش بتن صورت گیرد. این امر صرفاً در نتیجه انقباض هیدرولیک نیست بلکه به علت جم شدن ناشی از تبخیر بخشی از آب یا به دلیل جذب آب توسط محل قرار گیری آن( مثلا در فونداسیون جذب آب توسط خاک) است. این پدیده عمدتاً در آسفالت هایی که در هوای گرم و خشک ریخته می شوند ، یا بتونی که در هوای سرد در اتاق های گرم یا محل متخلخل گذاشته می شود ، اتفاق می افتد. در مناطق خاص مانند اتصالات بتونی و در مجاورت آرماتورها ترک ایجاد می شود.

شکل 2- ترک های ناشی از شیرینکیج

3- ترک های ناشی از انقباض حرارتی

این موضوع عمدتا مربوط به بتن های حجیم است. هیدراتاسیون سیمان یک واکنش گرمازا است که با گذشت زمان از بین می رود. تغییر دما ، که در تمام قسمتهای سازه نیز مساوی نیست ، تغییر شکل های مختلفی ایجاد می کند ، که ممکن است منجر به ترک شود.

4- ترک های ناشی از تورم

چندین عامل وجود دارد که ممکن است باعث تورم بتن شود. معروفترین آنها عبارتند از:

سولفات ها:  بتن ممکن است به دلیل نمکهایی مانند سولفات ها که  در تماس مستقیم با بتن قرار دارند متورم شود. این تورم به علت  یک واکنش شیمیایی بین نمک ها با آلومینات موجود در سیمان است. 

یخ زدگی: تورم  ممکن است در اثر انجماد آب آزاد در بتن اتفاق بیفتد که با تبدیل شدن به یخ ، حجم افزایش می یابد.

زنگ زدگی میلگرد: تورم ممکن است در اثر اکسیداسیون آرماتور داخلی در بتن ایجاد شود، پدیده ای که با حضور ترک ها تسریع می شود! همه این پدیده ها ، حتی اگر از ماهیت مختلفی برخوردار باشند، به همان نتیجه منجر می شوند: ایجاد نیروهای کششی داخلی ، که در صورت تجاوز از مقاومت کششی بتن ، باعث ایجاد ترک می شود.

5- ترک های ناشی از خوردگی آرماتورها

بتن دارای خاصیت قلیایی بسیاربالایی است و از این رو از آرماتور فولادی محافظت می کند، و درنتیجه بتون مسلح یک ماده با دوام بسیار عالی است. با این وجود ، میلگردها ممکن است در شرایط خاصی دچار خوردگی شده و زنگ زدگی ایجاد کنند. از آنجا که حجم محصولات خوردگی (زنگ زدگی) تشکیل شده بیشتر از حجم میلگرد اولیه است ، این باعث ایجاد تنش کششی در بتن می شود. در صورت خوردگی پیشرفت کند، بتن ممکن است ترک خورده و لایه لایه گردد. علل اصلی خوردگی فولاد در بتن عبارتند از:

شکل 3- ترک های ناشی از خوردگی بتن

• کربناته شدن بتن: در صورت وجود رطوبت ، این ممکن است به روند خوردگی شروع شود.

• وجود نمک های دریایی یا نمک های نمناک در بتن و اطراف میلگردها. بار دیگر ، وجود رطوبت ، واکنش خوردگی را آغاز می کند. شکل 4 شکل ترک ها را مطابق با عوامل آنها نشان می دهد.

شکل 4 – ترک اشکال ترک مطابق با علت های آنها

اشکال ترک ها

اشکال ترک خوردگی

• بار / A ، B

• حرکت افقی / C

• حرکت عمودی / D ، E

شکل5- اشکال ترک

همانطور که در این شکل نشان داده شده است ، برخی از بارهای سنگین (L) که معمولاً به یکپارچگی سازه آسیب نمی رساند ، باعث ساییدگی های برشی تقریبا عمود بر سطح بتن می شوند. (شکل a و b)

در نتیجه تغییر شکل ها و تغییرات پارامترهای هیدرولیکی و حرارتی ، لب ها می توانند دور شوند و به هم نزدیک شوند. ماده ای که وارد ترک می شود (به عنوان مثال دانه های ماسه) باعث می شود که تقریباً موازی سطح بتن باشد. (شکل C) لب ترک نیز می تواند حرکت کند (شکل d و e) و منجر به چین و چروک می شود.

ترک ها تأثیر قابل توجهی در دوام سازه دارند. با این حال ، ترکها فقط اثر مکانیکی ندارند. در حقیقت ، ترک ها همچنین به مواد خارجی و مواد تهاجمی اجازه می دهند که در بتن نفوذ کنند. مواد خارجی ممکن است بتن و آرماتورها را تضعیف کرده و آسیب برسانند. در این حالت، لازم است هرچه سریعتر بتن تعمیر شود تا از کاهش عمر خدمات رسانی سازه و خطرات احتمالی ساختاری جلوگیری شود.

مواد اصلی قابل نفوذ در ترک ها و فرایندهایی که می توانند به تخریب بتن کمک کنند عبارتند از:

• کلریدهای موجود در نمک های یخ زدایی و نمکهای دریایی. از طریق ترک ، می توانند خیلی سریع به میلگرد ها برسند و باعث خوردگی شوند. این خوردگی می تواند بسیار خطرناک باشد زیرا ممکن است در یک نقطه روی میلگرد اتفاق بیفتد و باعث پارگی آن شده و آرماتور را ناکارآمد کند.

• کربناته شدن بتن که یک پدیده طبیعی است منجر به کاهش pH بالای بتن می شود. دلیل غیرفعال بودن فولاد در بتن است. با باز شدن یک ترک کربناته شدن سریع تر اتفاق می افتد و می تواند خیلی سریعتر به سمت میلگردها نفوذ کند.

• هنگامی که ترک وجود دارد آب برای بتن بی ضرر نیست. رطوبت بتن به میزان قابل توجهی افزایش یافته و منجر به افزایش میزان خوردگی فولاد می شود. خوردگی در ترکیب با اثرات مکانیکی مانند رواناب ، شکاف ترک را گسترده تر و عمیق تر می کند. در صورت یخ زدگی ، آب موجود در ترک می تواند به سرعت آسیب های شدیدتری ایجاد کند.

 به طور کلی ، ترک باعث می شود بتن و سازه در برابر اثرات خارجی آسیب پذیرتر شوند ، روند پیری را تسریع کنند و می تواند بلافاصله مقاومت مکانیکی سازه را کاهش دهد. در آخر اینکه ترک ها مقاومت یک سازه را کاهش می دهند و ممکن است منجر به فروپاشی سازه شوند. در صورت ایجاد ترک، تأثیر آنها بر قدرت سازه ارزیابی می شود و باید یک برنامه نظارتی تهیه شود.

راهکارهای مقابله با ایجاد ترک بتن

1- راهکار مقابله با ترک های ناشی از تغییر شکل

اقدامات برای جلوگیری از تغییر شکل در مرحله طراحی و مطالعه زمین شناسی آغاز می شود. با انجام اقدامات زیر می توان از ترک خوردگی ناشی از تغییر شکل جلوگیری کرد:

• بهبود مقاومت در برابر از دست رفتن رطوبت : استفاده از محصول عمل آوری یا عمل آوری با آب یه صورت منظم.

• بهبود کیفیت مصالح استفاده شده و ویبره  خوب در حین ساخت.

• جابجایی بتن توسط آرماتورهای مارپیچی؛

• افزایش بخش هایی ازقطعات که تحت فشار قرار دارند.

• استفاده از پیش تنیده گی برای قطعاتی که تحت خمش قرار دارند.

• افزایش مقاومت بتن در برابر نیروهای کششی.

• اندازه مناسب و موقعیت مناسب تقویت ها.

• چسبندگی مناسب اتصالات به بتن.

• ادغام اتصالات ساختاری در طراحی.

2- راهکار مقابله با ترک های ناشی از جم شدن هیدرولیک (شیرینکیج)

ترک های ناشی از جم شدن هیدرولیک ممکن است توسط موارد زیر محدود شود:

• افزایش حداکثر اندازه سنگدانه ها

• محدودیت افزودنی های محلول یا افزودن پوزولان به بتن پرتلند ، که این امر باعث کاهش انقباض هیدرولیک  می شود.

همچنین می توان با انتخاب سیمان مناسب ، بهبود تراکم و افزایش اندازه سنگدانه ها ، تا حد امکان انقباض هیدرولیکی را کاهش داد. حفاظت اولیه نیز حائز اهمیت است: باید از تبخیر، حداقل تا پایان گیرش بتن جلوگیری شود همچنین وزش باد شدید باعث افزایش تبخیر شده و موجب آسیب رسیدن به بتن می شود.

3- راهکار مقابله با ترک های ناشی از انقباض حرارتی

با محدود کردن افزایش دما در بتن تا حد ممکن می توان از افزایش حرارت جلوگیری کرد. به طور خاص در تابستان ، آب سرد می تواند برای مخلوط ساخت بتن استفاده شود و از تابش نور مستقیم خورشید جلوگیری شود تا استحکام مکانیکی بلند مدت بتن افزایش یابد.

4- راهکار مقابله با ترک های ناشی از تورم

ترک های ناشی از مواد تهاجمی مانند آب سولفاته ، آب اسیدی یا آب خالص ممکن است با ساختن بتن غیرقابل نفوذ به عنوان مثال استفاده از یک پوشش محافظ جلوگیری شود.