تاکنون طراحان سازه های بتنی بیشتر به مشخصات مقاومتی بتن علاقه مند بوده اند ولی به دلایل گوناگون، آنها اکنون می باید برای دوام بتن نیز اهمیت ویژه ای قائل شوند.

علی رغم آنکه مناسب بودن اجزای تشکیل دهنده و ریختن و عمل آوری بتن موجب افزایش طول عمر کارکرد بتن در بیشتر شرایط طبیعی و صنعتی می گردد، اما شکست زودرس سازه های بتنی نیز در بعضی مواقع رخ داده و درس های ارزشمندی را در مورد کنترل عاملهای موثر در عدم دوام سازه های بتنی به ما می دهند.

 

هوازدگی بتن

بتن خوب تحت انواع وسیعی از شرایط محیطی متنوع، ماده‌ای نسبتاً با دوام است. اما شرایط اقلیمی معمولی ممکن است اثرات زیان باری بر روی بتن ضعیف داشته موجب تجزیه و فروپاشی آن گردد.

اثرات آب و هوایی ناشی از پدیده مخرب یخ زدن و آب شدن، تر و خشک شدن متناوب، فعل و انفعالات شیمیایی نامطلوب و تغییرات دما در بتن حجیم است.

آزمایش‌های زیادی در آزمایشگاه‌ها انجام شده و به منظور تعیین دوام بتن تحت انواع مختلف شرایط محیطی مورد استفاده قرار گرفته لست ولی ارتباط دادن نتایج آزمایشگاهی و گزارش‌های کارگاهی اگر غیرممکن نباشد، مشکل است.

عوامل اساسی که ممکن است بر دوام بتن اثر بگذارند، شامل : خواص فیزیکی بتن سخت شده، مصالح تشکیل‌دهندۀ بتن، روش‌های به کار گرفته شده جهت تولید و ساخت و طبیعتا آثار تخریب می‌باشد.

جهت حصول دوام مناسب، بتن باید دارای نسبت آب به سیمان پایین باشد، مصالح تشکیل‌دهندۀ آن سالم باشند، متراکم و خوب ساخته شده و به طور صحیح عمل‌آوری شده باشد و در صورتی که در معرض پدیدۀ یخ زدن و آب شدن باشد، بین ۴ تا ۶ درصد حباب هوا داشته باشد.

ارزیابی دوام بتن ممکن است مطالعۀ خواص ارتجاعی، خمیری و حرارتی اجزای تشکیل دهنده و عدم سازگاری‌های احتمالی را نیز ایجاب نماید.

عموما آب در تمام شکلهای آسیب دیدگی بتن دخالت دارد و در اجسام متخلخل معمولا میزان تراوایی جسم (در برابر آب) شدت آسیب دیدگی را تعیین می نماید.

بنابراین، در ابتدای این فصل ساختمان و خواص آب، با در نظر گرفتن اثر تخریبی آن بر روی اجسام متخلخل، تشریح شده و سپس عاملهای کنترل کننده تراوایی خمیر سیمان، سنگدانه ها و بتن ارائه می گردند.

 

عوامل فیزیکی موثر بر دوام بتن

عوامل فیزیکی ای که به گونه ای زیان آور بر روی دوام بتن تأثیر می گذارند از جمله عبارتند از:

فرسودگی سطحی، ترک خوردگی ناشی از فشار تبلور نمکها در منافذ، و در معرض دماهای بسیار گرم یا سرد، نظیر یخ زدگی و آتش قرار گرفتن.

تأثیرات مواد شیمیایی زیان آور شامل تراوش محلولهای اسیدی به درون خمیر سیمان، واکنشهای انبساط زای ناشی از حمله سولفاتی، واکنش قلیایی سنگدانه ها و خوردگی آرماتور داخل بتن می باشند.

از آنجا که علل فیزیکی و شیمیایی زیادی به طور همزمان بر روی آسیب دیدگی بتن تاثیر می گذارند، لذا مطالعه رفتار بتن در آب دریا فرصت بسیار مناسبی را برای ما فراهم می آورد که میزان پیچیدگی مسائل دوام را تصدیق کرده و عوامل موثر بر دوام سازه های بتنی رابشناسیم.

 

 

دوام چیست؟

عمر خدمت دهی طولانی مترادف با دوام در نظر گرفته می شود.

از آنجا که دوام تحت یک مجموعه شرایط، لزوما به معنای دوام تحت مجموعه شرایط دیگری نمی باشد، به همین دلیل متداول است که هنگام تعریف دوام اشاره ای کلی به محیط نیز بشود.

بر طبق تعریف کمیته ۲۰۱ انستیتوی بتن آمریکا (ACI)، دوام بتن سیمان پرتلند به توانایی آن برای مقاومت در برابر عوامل هوازدگی، حمله شیمیایی، سایش، و یا هر فرآیندی که موجب آسیب دیدگی شود، گفته می شود. بنابراین، بتن بادوام، بتنی است که شکل اولیه، کیفیت و قابلیت خدمت دهی خود را در شرایط محیطیش حفظ کند.

هیچ مصالحی ذاتا با دوام نیست. در نتیجه عوامل محیطی، ریز ساختار مصالح، متعاقب آن، خواص این مصالح با گذشت زمان تغییر می کند.

یک ماده وقتی به انتهای عمر خدمت دهی خود می رسد که، خواصش، تحت شرایط مفروض استفاده از آن، به حدی آسیب دیده باشد که ادامه استفاده از مصالح ناایمن یا غیر اقتصادی شناخته شود.

 

اهمیت دوام در بتن

در حال حاضر، عموما پذیرفته شده است که در طراحی سازه ها، می باید مشخصات دوام مصالح مورد نظر، همانند سایر مشخصات و ویژگی های آن، نظیر خواص مکانیکی و هزینه و قیمت اولیه، مورد ارزیابی قرار گیرد.

در ابتدا، دوام بیشتر از نقطه نظر تاثیرات اقتصادی و اجتماعی آن مدنظر قرار می گیرد. افزایش روز افزون هزینه های تعمیر و جایگزینی سازه ها، ناشی از خرابی مصالح، بخش عمده ای از کل بودجه ساختمان سازی را به خود اختصاص می دهد.

به عنوان مثال، تخمین زده شده است که در کشورهای صنعتی بیش از ۴۰ درصد کل منابع صنعت ساختمان در قسمت تعمیر و نگهداری سازه های موجود و کمتر از ۶۰ درصد آن برای احداث ساختمانهای جدید بکار گرفته می شود.

بهای روز افزون جایگزینی ها در سازه ها، و تأکید فزاینده بر هزینه های مصرفی در طی طول عمر سازه، به جای هزینه های معرفی اولیه آن، مهندسان را مجبور می کند که دوام را جدی بگیرند.

نهایتا اینکه، پی برده شده است که رابطه نزدیکی بین دوام مصالح و شرایط محیطی وجود دارد.

حفاظت از منابع طبیعی از طریق بادوام تر ساختن مصالح در هر حال یک اقدام زیست محیطی می باشد.

همچنین، استفاده از بتن در محیطهای آسیب رسان روز به روز نیز توسعه می یابد. از جمله این محیطها، سکوهای فراساحل، مخازنی که برای نگهداری گازهای مایع در دماهای سرمازا بکار می روند، و راکتورهای تحت فشار بالا، در صنایع هسته ای، را می توان نام برد.

شکست های اخیر در سازه های فولادی فراساحل در نروژ نشان داد که هم تلفات جانی و هم خسارات مالی مربوط به خرابی زودرس و اتفاقی در مصالح ساختمانی می توانند بسیار زیاد باشند.

 

مشاهدات کلی دوام بتن

قبل از بحث در مورد جوانب و زوایای مهم دوام بتن، توجه به چند نکته کلی به درک بهتر موضوع کمک خواهد نمود.

اولین نکته مهم در مورد آب است، آب، عنصر اولیه بوجود آوردن و تخریب کردن بسیاری از مصالح طبیعی و همچنین منشأ اغلب مسایل مربوط به دوام بتن می باشد.

آب به عنوان عامل بسیاری از انواع فرایندهای فیزیکی کاهنده کیفیت نیز در اجسام متخلخل شناخته شده است.

همچنین آب، به عنوان وسیله ای برای انتقال یونهای مهاجم، می تواند سرچشمه فرایندهای شیمیایی کاهنده کیفیت نیز باشد.

دومین نکته این است که پدیده های فیزیکی – شیمیایی مرتبط با حرکات آب در اجسام متخلخل را نفوذپذیری جامدات کنترل می کند.

به عنوان مثال، میزان آسیب دیدگی شیمیایی به این بستگی دارد که آیا حمله شیمیایی محدود به سطح بتن است و یا اینکه به داخل مصالح نیز رسوخ کرده است.

سومین نکته این است که میزان آسیب دیدگی، تحت تأثیر نوع و غلظت یونهای داخل آب و ترکیب شیمیایی جسم است.

بر خلاف سنگهای طبیعی و مواد معدنی، بتن جزء مواد بازی است دلیل آن هم این است که محصولات ناشی از هیدراتاسیون خمیر سیمان پرتلند، از ترکیبات قلیایی کلسیمی تشکیل می شوند.

بنابراین انتظار می رود که آبهای اسیدی، خصوصا، برای بتن مضر باشند.

 

آب به عنوان یک عامل آسیب رسان در دوام بتن

 

بتن تنها مصالحی نیست که در فرایندهای فیزیکی و شیمیایی آسیب دیدگی مرتبط با آب صدمه می بیند. بنابراین، شایسته آن است که مشخصاتی از آب را که عامل اصلی تخریب مواد اند، بررسی نماییم .

آب، در انواع صورتهای آب دریا، آب زیر زمینی، رودخانه، دریاچه، باران، برف و بخار، بدون شک فراوانترین مایع در طبیعت است.

مولکولهای آب، به دلیل کوچک بودن، قادر به نفوذ در منافذ با حفره های خیلی ریز می باشند.

آب، به عنوان حلال، قادر به حل کردن مواد زیادتری، در مقایسه با سایر مایعات شناخته شده دیگر، تشخیص داده شده است. این خاصیت، به دلیل وجود یونها و گازهای زیاد در بعضی از آبها است که به نوبه خود عاملی برای تجزیه شیمیایی مواد جامد می شوند.

همچنین باید توجه شود که آب بیشترین گرمای تبخیر را در بین مایعات معمولی دارا است. بنابراین در دماهای معمولی، آب تمایل دارد که به جای آنکه تبخیر شده و مواد جامد را بر جای بگذارد. به صورت جسمی در حالت مایع باقی بماند.

در اجسام متخلخل، حرکات داخلی و تغییرات ساختار آب، علت انواع مختلف تغییرات حجمی موجب گسیختگی شناخته شده اند.

برای مثال، تبدیل آب به یخ، تشکیل ساختمان منظم آب در داخل منافذ ریز، افزایش فشار اسمزی بر اثر تفاوت غلظتهای یونی، و به وجود آمدن فشار هیدروستاتیک ناشی از تفاوت فشارهای بخارها می تواند منجر به تنشهای داخلی زیادی در داخل جسم مرطوب شود.

 

زوایای مهم دوام بتن

اغلب معلومات ما درباره فرایندهای فیزیکی – شیمیایی مسبب آسیب دیدگی بتن از روی تاریخچه سازه های واقعی به دست می آید، زیرا شبیه سازی ترکیب حالت های دراز مدتی که معمولا در واقعیت وجود دارند در آزمایشگاه مشکل می باشد.

 

با این وجود، در عمل به ندرت آسیب دیدگی بتن ناشی از یک علت منحصر بفرد است. معمولا، در مراحل پیشرفته تر خرابی مصالح، بیش از یک پدیده زیان آور مشاهده می شود.

 

به طور کلی، علل فیزیکی و شیمیایی خرابی آن قدر در هم پیچیده شده و تداخل دارند و آن قدر موجب تشدید یکدیگر می شوند که اغلب، حتی جدا کردن علت از معلول امکان پذیر نیست.

 

بنابراین، رده بندی خرابی های بتن به انواع مشخص و شسته و رفته، می باید با احتیاط صورت گیرد.

 

از آنجا که هدف از این رده بندی می باید به طور سیستماتیک و تک تک روشن شده و شرح داده شود و این کار می باید انواع پدیده های گوناگون را نیز در برگیرد، لذا این گرایش نیز وجود دارد که در حالی که چند تا از این پدیده ها به طور همزمان وجود دارند، تأثیرات متقابل و اندرکنش بین آنها نیز بررسی شده و مدنظر قرار گیرند.