دوام بتن-قسمت دوم (1400/07/24)

دوام بتن-قسمت دوم

خوردگی میلگردها

از آنجا که خوردگی فولاد تقویت کننده بتن به عنوان جدیترین مشکل دوام در مهندسی ساختمان در نظر گرفته می شود، نحوه مقابله با این معضل همواره یک مشکل اساسی در اجرای این نوع سازه به شمار میرود. ترکیبی از کیفیت بتن و ضخامت بتن کاور میلگرد مهمترین عامل کنترل نرخ کربوناسیون و ورود کلرید در بتن است، بنابراین کنترل کیفیت بتن و اجرای آن اصلیترین روش حفاظت دربرابر این نوع خرابی است. این استراتژی شامل افزایش پوشش بتنی، پوشش میلگرد، استفاده از فولاد ضد زنگ و استفاده از افزودنی های کنترل کننده خوردگی میباشد.

متر در تحقیقی به بررسی تاثیر کاور میلگرد پرداخته است. در این تحقیق بیان شده که به طور کلی، زمان خوردگی فولاد تقویت شده تعبیه شده می تواند به طور قابل توجهی تحت تأثیر میزان پوشش بتنی روی میلگرد قرار گیرد. با این حال، با افزایش ضخامت این پوشش، عملکرد میلگرد کاهش یافته و احتمال ترک خوردگی در اثر تنش کششی، جمع شدگی و اثرات حرارتی افزایش می یابد پوشش میلگرد نیز از دیگر روش های مقابله با خوردگی آن است. تولایا و همکاران نشان دادند که پوشش اپوکسی به طور واضح در مقایسه با پوشش های ضد زنگ قرمز رنگ و یا پوشش روی عملکرد بسیار بالاتری در برابر خوردگی فولاد نشان میدهد و میتواند به روشهای مختلف، به صورت مایع یا پودر ذوب شده روی سطح اعمال شود. همچنین استفاده از میلگردهای ضدزنگ نیز به عنوان یک راه حل مطرح میشود که البته در محل جوش دارای ضعف بوده و همچنین هزینه آن نیز بسیار بالاست. از دهه 1993 نیز استفاده از الیاف به عنوان جایگزین سیمان مطرح شدهاست، الیاف هایی نظیر الیاف شیشه و یا الیاف های پلیمری که بسیاری از مشکلات فولاد مانند زنگ زدگی را ندارند.

اگرچه بسیاری از مسائل مربوط به خوردگی فولاد با استفاده از تکنیک های مختلف پیشگیری حل شده است، محققان و مهندسان همچنین قصد دارند پیشرفت خوردگی را برای تصمیم گیری به جهت رسیدگی و نگهداری به موقع کنترل کنند.

روشهای نظارتی شامل بازرسی بصری، اندازه گیری به روش پتانسیل نیم سلولی، رادیوگرافی، اولتراسونیک، امواج مغناطیسی و تکنیک انتشار آکوستیک میباشد.

یخ زدن و ذوب شدن

همواره پتانسیل ایجاد خرابی در بتن درصورت قرار گرفتن در معرض ذوب و یخ وجود دارد .موسسه بتن آمریکا ACI-American Concrete Institute ، مشخصاتی را برای حفاظت بتن در معرض هوای سرد تعیین کرده است .ACI هوای سرد را به عنوان دوره ای تعریف میکند که در آن بیش از سه روز متوالی دمای هوای روزانه کمتر از 43 درجه فارنهایت (حدود 4 درجه سلسیوس) باشد. لذا دوام سازه بتنی که در معرض دماهای زیر صفر قرار میگیرد دارای اهمیت بالایی است .سرمازدگی، تخریب پیشروندهای است که ازجداشدگی یا پوسته پوسته شدن سطح شروع شده و با فروپاشی کامل خاتمه مییابد. با تکرار چرخه های انجماد و ذوب، این زوال ادامه مییابد و بتن به تدریج سختی و استحکام خود را از دست می دهد، به علاوه افزایش حجم برگشت ناپذیری در بتن ایجاد میشود .بنابراین یخزدگی یک فرآیند خستگی بسیار پیچیده بوده و بهبود دوام انجماد و ذوب بتن و افزایش عمر مفید بتن همواره یک مسئله علمی و فنی مهم است. افزودنی هوازا تقریباً برای همه بتنهای در معرض هوای سرد توصیه میشود ،عمدتا برای بهبود مقاومت در برابر چرخه های انجماد و ذوب هنگام قرار گرفتن بتن در معرض آب و مواد شیمیایی ذوب کننده برف و یخ در مناطق سردسیر.  

برای تعیین دوام بتن در برابر یخبندان روشهای آزمایش متعددی وجود دارد که مهمترین آنها دستور العمل های ASTM 666-C است. در حالت الف در این دستورالعمل نمونه های بتن به تعداد لازم در چرخه های یخبندان بین 7/17- الی 4 درجه سانتیگراد قرار میگیرد. تعداد چرخه ها برابر 333 بوده و یخبندان و ذوب نمونه ها در مجاورت آب انجام میشود. روش ب دقیقا مثل روش الف است، با این تفاوت که یخبندان نمونه در مجاورت آب و ذوب آن در مجاورت هوا انجام میشود. بعد از اتمام چرخه های یخبندان و ذوب میزان تخریب نمونه ها با معیارهای مختلفی سنجیده میشود که شامل موارد عمده زیر است:

1. تغییر در مقاومت فشاری: افت بیش از%  13 نشان دهنده تخریب است.

2. تغییر در وزن نمونه: افت بیش از %  5 نشان دهنده تخریب است. در صورتی که جدا شدن قطعاتی از نمونه با چشم رویت شود به شرط قابل توجه بودن میتوان حکم به تخریب نمونه داد.

3. تغییر در پاسخ امواج: با عبور امواج ماورای صوت از نمونه در قبل و بعد از آزمایش اگر به میزان %  43 افت در سرعت امواج عبوری مشاهده شد، نمونه تخریب شده است.

4. تغییر در طول ابعادی نمونه: کرنشهای نمونه با ابزارهای دقیق سنجیده میشود، در صورتی که از مقادیر توصیه شده تجاوز نکند (این مقادیر در مرجع های گوناگون و به ازای بتن های مختلف متفاوت است) ، نمونه به حالت تخریب رسیده است.

شانگ و همکاران به بررسی دوام بتن ساخته شده با عامل هوازا تحت 3 ، 133 ، 233 ، 333 و 433 چرخه انجماد و ذوب پرداخته اند .این مطالعه بر روی بتنهای C40 ،C30 ،C25 ،C20 و C50 انجام شده است. در این تحقیق مدول الاستیسیته دینامیکی و کاهش وزن نمونه ها پس از چرخه های مختلف یخ زدایی اندازه گیری شد. نتایج نشان داد که با تکرار چرخه های انجماد و ذوب، مدول الاستیسیته دینامیکی و وزن کاهش می یابد. آنها نشان دادند که نمونه های C40 ،C30  و C50 پس از 333 چرخه انجماد بر اساس نتایج تجربی هنوز دوام مناسبی داشته اند. نتایج مربوط به این آزمایش ها در جداول 1 و 2 نشان داده شده اند. تفاوت وزن در چرخه های انجماد و ذوب به دلیل جابجایی آب به داخل و خارج از نمونه ها و جداشدگی یا پوسته پوسته شدن سطح نمونه ها است.

 مدول لاستیسیته دینامیکی نمونه ها پس از سیکلهای ذوب و یخ(%) وزن نمونهها پس از سیکلهای ذوب و یخ (Kg)

دوام انجماد و ذوب بتن ساده پایین است، اما هنگامی که عامل هوازا با بتن مخلوط میشود، میتوان آن را تا حد زیادی بهبود بخشید. این امر نشان میدهد که بتن با مقاومت معمولی نیز میتواند دوام انجماد و ذوب بالایی داشته باشد.

تاثیر همزمان عوامل محیطی و بارهای مکانیکی

در عمل، پیش بینی طول عمر واقعی سازههای بتنی جدید یا قدیمی یک چالش جهانی است، چراکه سازه های بتنی نه تنها بارهای سازهای را تحمل می کنند بلکه در معرض شرایط مختلف محیطی نیز قرار می گیرند به طور مثال سازههای آبی تحت شرایط خوردگی، انتشار کلرید و حمله سولفاتها به طور همزمان قرار دارند. بنابراین، مطالعه مکانیسم فرسودگی یک سازه بتنی تحت تأثیر ترکیب بارهای مکانیکی و ترکیبی از عوامل متعدد محیطی واقع بینانه تر است.

فلسفه طراحی عمر مفید براساس توانایی باربری

در طراحی سنتی بتن معمولاً عوامل محیطی نادیده گرفته می شود و فقط ظرفیت باربری سازه در محاسبات مورد استفاده قرار میگیرد. به علاوه، این آیین نامه ها معمولا خواص مکانیکی بتن را به عنوان پارامترهای مستقل از زمان در نظر می گیرند. از سال 1993، مسئله دوام بیشتر مورد توجه قرار گرفته و برخی از کدهای طراحی با در نظر گرفتن دوام بتن توسعه یافته اند. با این حال، در قدمهای اولیه در این آیین نامه ها، دوام سازه بتنی تنها با جزئیاتی مانند ضخامت کاور میلگرد آن هم تحت شرایط محیطی خاص مورد توجه قرار گرفته است .متأسفانه هیچ فرمول علمی برای ارزیابی تأثیر هر یک از عوامل محیطی وجود ندارد. ضروری است که یک رویکرد طراحی جدید با درنظر گرفتن ظرفیت باربری و درنظر گرفتن بحث دوام ایجاد شود. چنین رویکردی باید دربرگیرنده دو موضوع باشد، تبدیل کمی عوامل محیطی به پارامترهای طراحی یا تبدیل این مسائل به بار مکانیکی معادل، و ارزیابی پویای خواص مواد و رفتار سازه در طول زمان سرویس. با توجه به طرح اول، یک راه حل ساده و مستقیم ایجاد روشی است که به کمک آن بتوان این عوامل محیطی را به توزیع معادل نیرو یا تنش تبدیل کرد.

برای طرح دوم، مکانیسم تخریب ساختار یا مواد با گذشت زمان باید بیشتر روشن شود، که برای این منظور میتوان به مطالعه تجربی ساختار واقعی در معرض شرایط مختلف محیطی تحت بارگذاری یا شبیه سازی کامپیوتری رفتار سازهای بتنی تحت ترکیب های مختلف بارگذاری و عوامل محیطی مختلف متوسل شد. بر اساس این نظریه، خواص و رفتار بتن باید به عنوان تابعی از زمان توصیف شود که در شکل 2 نشان داده شده است. با استفاده از نتایج آن، میتوان عملکرد سازه بتنی را در دورههای سرویس مختلف پیشبینی کرد و متناسب با آن در طرح گنجانید. شکل 2 ترتیب عملکرد سازه بتنی را به عنوان تابعی از زمان نشان میدهد.

ترتیب عملکرد سازه بتنی به عنوان تابعی از زمان

پیش بینی عمر سرویس با درنظر گرفتن دوام

جدا از نظریه های طراحی دوام، مدلهای دوام ریاضی زیادی برای دستیابی به پیشبینی قابل اعتمادی از رفتارهای فیزیکی شیمیایی سازه های بتنی در طول عمر آنها ارائه شده است. با استفاده از این مدلهای دوام، میتوان تصمیمات سریع و اقتصادی در مورد زمان مناسب تعمیر و نگهداری سازههای موجود گرفت. برخی از مدلهای دوام برای پیش بینی عمر مفید بتن عبارتند از: مدل پیش بینی عمر مفید Life-365 از انجمن سیمان سرباره SCA6 (Slag Cement Association) ، انجمن مهارکنندگان خوردگی بتن(Concrete Corrosion Inhibitors Association) CCIA7، انجمن ملی بتن آماده  NRMCA8 (National Ready Mixed Concrete Association) و انجمن دوده سیلیس Silica Fume Association) SFA9.