ترک خوردگی حرارتی بتن
ترک خوردگی حرارتی به دلیل اختلاف بیش از حد دما در درون یا محیط اطراف یک سازه بتنی رخ می دهد. تفاضل دمایی سبب می شود که بخش سردتر که در تماس با بخش گرمتر است، بیشتر منقبض شود و بخش گرم تر بیشتر منبسط شود. ترک خوردگی حرارتی زمانی ظاهر می شود که تنش های کششی ناشی از این تغییر حجم ها از مقاومت کششی درجای بتن (in-place concrete tensile strength) بیشتر شود. ترک خوردگی ناشی از حرارت معمولاً در اعضای بتنی رخ میدهد که به عنوان بتن حجیم درنظر گرفته نشده است.
ترک خوردگی حرارتی چرا رخ میدهد؟
هیدراسیون مواد سیمانی سبب تولید گرما تولید در تمامی اعضای بتن در روزهای ابتدایی بتن ریزی می شود. این گرما در اعضای نازک سریعا پخش میشود و مشکلی را ایجاد نمی کند. اما در بخش های ضخیم تر، دمای داخلی افزایش یافته به آرامی افت میکند، در حالی که سطوح آن به سرعت تا دمای محیطی سرد می شود. سطح در تماس به دلیل سرد شدگی و داخل بتن به دلیل گرم شدگی دچار تغییرات حجمی می شوند. این تغییرات، تنش های کششی ایجاد می کند که میتواند سطح بتن را دست خوش ترک خوردگی کند. در اثر موارد، ترک خوردگی حرارتی در سنین اولیه رخ میدهد. ترک خوردگی حرارتی در سنین ثانویه به ندرت رخ میدهد.
اعضای بتن در صورت قرار گرفتن در معرض حرارت و سرما، منبسط و منقبض میشوند. این تغییرات حجمی به دلیل ذات بتن، در برخی از مقاطع محدود میشود و شکستگی رخ می دهد. این نوع از ترک خوردگی را ترک خوردگی حرارتی می نامیم. این ترک در سنین ثانویه نیز رخ میدهد.
بتن حجیم چیست؟
مهم ترین عامل در نام گذاری یک بتن به عنوان بتن حجیم و یا بتن ریزی حجیم، حداقل های ابعادی اعضا است. ACI 301 می گوید که می توان اعضایی که حداقل بعد m 1/3 را دارند، به عنوان یک بتن حجیم در نظر گرفت. برخی از مشخصات، نسبت حجم به سطح بتن (volume-to-surface ratio) را برای تعیین بتن حجیم استفاده می کنند.
موارد دیگر در ترک حرارتی
ترک خوردگی حرارتی حتی در سازه هایی که حجیم نیستند نیز رخ می دهد. سطح بالای روسازی ها و دال ها در معرض طیف وسیعی از حرارت ها هستند در حالی که سطح پایینی و لایه میانی تا حدود زیادی از حرارت محافظت می شوند. یک تفاضل دمایی بزرگ در بین لایه فوقانی و تحتانی میتواند منجر به ترک خوردگی شود. بتن دارای ضریب انبساط حرارتی ۵/۵ تا millionths/°C /14 است. یک روسازی بتن ریزی شده در دمای ۳۵ می تواند به دمای ۷۰ برسد.
چگونه می توان ترک خوردگی حرارتی را تشخیص داد؟
اهمیت خوردگی حرارتی
به طور معمول ترک‌خوردگی ناشی از حرارت را تنها با المان‌های بزرگ مقیاس و حجیم مرتبط می‌دانند. نیازی نیست که المان‌های بتنی حجیم باشند تا ترک‌خوردگی حرارتی به عنوان یک نگرانی به شمار آید. اکثر این ترک‌ها در چند روز اوّل پس از بتن‌ریزی رخ می دهند. فارغ از مقاومت طراحی بتن، هر زمان که مقاومت کششی توسعه یافته بتن برای مقابله در برابر تنش‌های ناشی از گرادیانهای دمایی کافی نباشد، در هر لحظه از زمان ترک‌خوردگی حرارتی باید یک نگرانی و مسأله مهم به شمار آید.
ترک حرارتی در اعضای نازک نیز میتواند رخ دهد. اعضایی مانند داله ای همکف[۱] که از هر دو بتن معمولی و پرمقاومت ساخته میشوند، هر زمان که گرادیانهای دمایی بـزرگ و مؤثری در آنها ایجاد شود، امکان ترک‌خوردگی حرارتی وجود دارد. این اعضا به ویژه آنهایی که درزهای انقباض ضعیف یا اندک دارند، هنگامی که تفاضل بین دماهای بالا و پایین روزانه در بالاترین حد است، در فصول انتقالی (مانند بهار و پاییز) بهشدت از این پدیده آسیب پذیر هستند.
[۱] .Slabs-on-grade
چگونه می توان ترک خوردگی حرارتی را به حداقل رساند؟
کلید کاهش ترک خوردگی ناشی از حرارت و یا دما، شناخت کامل آن و گام برداشتن برای کاهش آن است. به عبارت دیگر، مناسب است که در بتن ریزی های حجیم، یک برنامه کتنرل دمایی متناسب با الزامات مشخصات پروژه داشته باشیم.
مشخصات معمول برای بتن حجیم شامل حداکثر دما و حداکثر تفاضل یا اختلاف دمایی است. درجه حرارت بسیار بالای داخلی بتن، پیامدهای زوال دوامی نیز دارد. یک تفاضل دمایی محدود و مشخص میتواند ترک خوردگی های بیش از حد بتن را به حداقل برساند. این محدودۀ تفاضل دمایی، ºC20 است. با این حال، بتن میتواند در تفاضل های دمایی بیشتر و یا کمتر از این مقدار نیز ترک بخورد. تفاضل دمایی را میتوان با سنسورهای حرارتی مدفون در بتن بدست آورد.
اوج دمای مخلوط بتن را میتوان با فرض شرایط ایده آل عایق بندی شده برآورد نمود. برای پیش بینی پتانسیل و دمای پیش بینی شده برا ترک خوردگی میتوان از مدل سازی حرارتی استفاده کرد. دو مدل برای مدل سازی حرارت وجود دارد.
۱- مدل HIPERPAV برای روسازی ها (www.hiperpav.com)؛
۲-مدل ConcreteWorks برای روسازی سازی های و اعضای بتنی حجمی (www.texasconcreteworks.com).
برای تحلیل های حرارتی می توانید از متخصصین و مشاوره بتن گروه ایران بتن استفاده کنید.
بخش عمده ای از مسئولیت به حداقل رساندن ترک خوردگی حرارتی مربوط به طراح و پیمانکار است.
گام های عملی برای جلوگیری از این پدیده شامل تعیین طرح مخلوط مناسب، محدوده مشخصات برای دمای بتن حمل شده و دمای بتن در سازه، عایق بندی سازه و پایان اقدامات محافظتی و در شرایط بحرانی، تعیین و اقدام به اقدامات خنک سازی اعضای سازه است.
برخی از گام های عملی برای به حداقل رساندن ترک حرارتی عبارتند از:
-طرح مخلوط: کاهش حرارت هیدارسیون به وسیله بهینه سازی مواد سیمانی و استفاده از خاکستر بادی و یا سرباره کوره اهنگدازی (GBBC)؛
-استفاده از سیمان پرتلند با ویژگی حرارت زایی کم.
-اجتناب از استفاده از طرح مخلوط های با نسبت آب به سیمان (W/C) بسیار کم.
-کندگیر کننده ها میتوانند گیرش بتن را به تاخیر بیاندازند ولی قادر به کاستن حداکثر دمای بتن نیستند.
-سردکننده های دمای داخلی بتن میتوانند دمای حداکثر بتن را کاهش دهند اما نیاز است که تعادلی بین امکان سنجی عملیاتی و هزینه های پروژه، برقرار باشد!
-بتن حجیم: در کنفرانس پیش از ساخت، اطمینان حاصل کنید که اقدامات کنترل دمایی مورد توافق طرفین انجام میشود.
-موارد که می بایست مورد توجه قرار بگیرد، عبارتند از: روش و جرییات بتن ریزی، تعیین الزامات دمایی برای بتن حمل شده و نظارت بر روی دمای بتن درجا (in-place concrete)، روشهای عمل آوری و مدتی که نباید تفاضل های دمایی از مقدار تعیین شده افزایش یابند، استفاده از عایق بندی، تعیین زمان شروع و خاتمه عایق بندی و استفاده از لوله های سرد کننده در صورت لزوم.
-آب عمل آوری بتن، سطح عضو را سرد میکند و روش غرقابی میتواند مناسب باشد.
-قالب های چوبی شرایط عایق خوبی فراهم می آورند، در حالی که قالب های فولادی این طور نیستند.
-باز کردن قالب ها و یا عایق های میبایست مبتنی بر برنامه نظارتی دمای عضو باشد و تا شوک حرارتی به سطح عضو وارد نشود. آرماتور های تقویتی بیرون زده از عضو میتواند به عنوان یک عضو خارج کننده گرما عمل کند.
-در صورت نیاز استفاده از لوله های خنک کنند، می توان آن ها را تا عمق ۱ متری مدفون نمود و اوج دمای داخل بتن را کاهش داد.
“نکته اصلی برای کاهش ترک حرارتی، ارتباط خوب و مناسب بین طراح ، پیمانکار و تولید کننده بتن است“
منابع
ACI 224.1R, Causes, Evaluation, and Repair of Cracks in Concrete Structures, American Concrete Institute
ACI 207.2R, Report on Thermal and Volume Change Effects on Cracking of Mass Concrete, American Concrete Institute, www.concrete.org
طراحی سیمان حرارتی این مشکل را به طور کلی حل می کند . سیمان حرارتی ، سیمانی است که در آب با دمای بین ۳۰ تا ۷۰ درجه سانتیگراد سخت می شود و در هنگام سخت شدن با انقباظ مولکولی مانع انبساط کاذب بتن در اثر اختلاف دما می گردد .