مقاومت بتن چیست؟ انواع، عوامل موثر و آزمایش ها به زبان ساده
استحکام بتن یکی از مهمترین ویژگی‌های بتن سخت شده است که به عوامل متعددی بستگی دارد. این ویژگی، به عنوان معیاری برای تایید کیفیت بتن مورد استفاده قرار می‌گیرد.
مقاومت بتن چیست؟
«مقاومت بتن» (Concrete Strength)، توانایی بتن در تحمل بارگذاری‌های فشاری، کششی، خمشی، برشی و غیره است. مقاومت بتن، به عنوان یکی از مهمترین ویژگی‌های بتن محسوب می‌شود. از آنجایی که مقاومت بتن، دید بسیار خوبی را از دیگر ویژگی‌ها فراهم می‌کند؛ معمولا به عنوان معیاری برای ارزیابی کیفیت بتن مورد استفاده قرار می‌گیرد.
بتن ، ماده‌ای است که از ترکیب آب، سیمان و سنگدانه تشکیل می‌شود. این ماده دارای دو حالت تازه و سخت شده است. با گذر از حالت تازه به حالت سخت شده، رفتار بتن از پلاستیک به الاستیک تغییر می‌کند. در واقع طی واکنشی به نام هیدراتاسیون، آب به بخشی از بتن عمل‌آمده تبدیل می‌شود. به دلیل ماهیت این واکنش شیمیایی، مقاومت بتن به طور متناوب تغییر می‌کند و با گذشت زمان به ثبات می‌رسد. در واقع، اگر بتن در معرض عوامل مخرب قرار نگیرد، مقاومت آن با گذشت زمان افزایش می‌یابد.
اهمیت مقاومت بتن در چیست؟
بتن، یکی از پرکاربردترین مصالح ساختمانی است. کیفیت بتن مورد استفاده در سازه‌های مختلف، به خواص آن پس از مخلوط کردن (بتن تازه) و پس از اتمام فرآیند عمل آوری (بتن سخت شده) بستگی دارد. مقاومت، توانایی تحمل بتن در برابر بارگذاری‌های مختلف و معیاری برای رد یا تایید کیفیت بتن است. به همین دلیل، این ویژگی، نقش بسیار مهمی در طراحی و تحلیل پایداری سازه‌های مختلف آن دارد.
مقاومت مورد نیاز بتن چیست؟
مقاومت مورد نیاز بتن، ظرفیت باربری مورد نیاز برای ساخت یک سازه یا عضوهای بتنی است. مقاومت مورد نیاز معمولا مطابق با استانداردهای مربوطه و بر اساس نوع بارگذری، میزان بارگذاری و سازه تحت بارگذاری تعیین می‌شود. از استانداردهای ملی ایران برای تعیین مقاومت مورد نیاز بتن می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
مبحث نهم مقررات ملی ساختمان: طراحی و اجرای ساختمان‌های بتن آرمه
مبحث ششم مقررات ملی ساختمان: بارهای وار بر ساختمان
استاندارد ۲۸۰۰ ایران: طراحی ساختمان‌ها در برابر زلزله
انواع مقاومت بتن کدام هستند؟
معمولا هنگام بحث در مورد مقاومت بتن، فرض می‌شود که مقاومت فشاری آن مد نظر است. اگرچه، با توجه به نوع بار اعمال شده، امکان ایجاد تنش‌های خمشی، کششی، برشی و پیچشی در سازه‌های بتنی وجود دارد. از این‌رو، مقاومت بتن را می‌توان به مقاومت‌های فشاری، کششی، خمشی، برشی و پیچشی تقسیم کرد. از بین این موارد، مقاومت‌های فشاری، کششی و خمشی از اهمیت بیشتری برخوردار هستند و بیشتر مورد ارزیابی قرار می‌گیرند.
مقاومت فشاری بتن چیست؟
مقاومت فشاری، توانایی سازه در برابر بارهای محوری فشاری (کاهش طول محوری) است. مقاومت فشاری بتن، مهمترین مزیت این ماده به حساب می‌آید. مقدار این مقاومت پس از شروع گیرش بتن و به مرور زمان افزایش می‌یابد. جدول زیر، نرخ افزایش مقاومت فشاری بتن با گذشت زمان را نمایش میدهد.
مقاومت فشاری بتن مورد استفاده در سازه‌های مختلف به کاربری آن‌ها بستگی دارد. به طور کلی برای سازه‌ها و عضوهای بتنی معمولی، مقاومتی بین 10 تا 20 مگاپاسکال کفایت می‌کند. برای سازه‌های استاندارد، مقاومت 25 تا 55 مگاپاسکال و برای سازه‌های حساس، مقاومت 60 مگاپاسکال یا بیشتر پیشنهاد می‌شود.
میزان مقاومت فشاری بتن از میانگین نتایج آزمایش‌های دوره‌ای (در بازه‌های زمانی مشخص) بر روی نمونه‌های حاصل از بتن تازه به دست می‌آید. به عنوان مثال ممکن است با توجه استاندارد مربوط به ساخت یک سازه بتنی، از آزمایش‌های ۷ روزه، 28 روزه، 56 روزه یا 90 روزه به منظور ارزیابی مقاومت فشاری سازه و پیش‌بینی عملکرد آن در شرایط مورد نظر استفاده شود.
مقاومت کششی بتن چیست؟
مقاومت کششی، توانایی ماده در تحمل بارهای محوری کششی (افزایش طول محوری) است. بتن یک ماده بسیار ضعیف در مواجهه با تنش‌های کششی به حساب می‌آید. این ماده دارای ساختاری متخلخل است. به همین دلیل، درون بتن معمولا ترک‌های ریز و میکروسکوپی وجود دارند. هنگام اعمال بارگذاری کششی، این ترک‌ها افزایش طول می‌دهند. تا زمانی که بارگذاری ادامه داشته باشد، گسترش ترک‌ها نیز (تا لحظه شکست) ادامه می‌یابد.
مقاومت کششی بتن، حدود 8 تا 12 درصد (به طور میانگین 10 درصد) مقاومت فشاری آن است. در مقاومت‌های فشاری بالا، این درصد کاهش می‌یابد. به دلیل پایین بودن مقاومت کششی بتن، معمولا در محاسبات فرض می‌شود که این ماده هیچ مقاومتی در برابر کشش ندارد. با این وجود، آگاهی از مفهوم مقاومت کششی بتن، امکان تخمین میزان باری که موجب به وجود آمدن و گسترش ترک می‌شود را فراهم می‌کند. این بار، می‌تواند ناشی از «جمع‌شدگی» (Shrinkage)، «آب‌رفتگی» (Bleeding)، تغییرات دمایی یا عوامل دیگر باشد.
مقاومت کششی از اهمیت بالایی در سازه‌های بتنی عظیم (مانند سدها) برخوردار است. برای سازه‌های دیگری نظیر جاده‌ها نیز (به دلیل وجود مقاومت خمشی) از این پارامتر در محاسبات مربوطه استفاده می‌شود. به طور کلی، بتن به کار رفته در سازه‌های مختلف به ندرت تحت کشش خالص قرار می‌گیرند. تنش‌های کششی اعمال شده بر بتن معمولا به بارگذاری‌های خمشی، پیچشی یا ترکیب این دو مورد مربوط می‌شوند.
مقاومت خمشی چیست؟
مقاومت خمشی یا مدول گسیختگی، توانایی ماده در تحمل بارهای جانبی (در راستای عرض) است. بارهای خمشی و فشاری، از رایج‌ترین انواع بار در سازه‌های مختلف به حساب می‌آیند. پیاده‌روها، دال‌ها، لارده‌ها و تیرها را می‌توان به عنوان نمونه‌هایی از المان‌های تحت بارگذاری خمشی در نظر گرفت. ساده‌ترین مثال برای این موضوع، یک تیر ساده دو سرگیردار است که مرکز آن تحت بارگذاری قرار گرفته. هنگام اعمال بار بر روی این تیر، الیاف پایینی (زیر محور خنثی) تحت کشش و الیاف بالایی تحت فشار قرار می‌گیرند.
به دلیل ضعیف بودن مقاومت کششی بتن نسبت به مقاومت فشاری آن، احتمال رخ دادن شکست از بخش پایینی تیر بتنی وجود خواهد شد. در این حالت، اگر چند میله فولادی در بخش پایینی قرار داده شود (مانند بتن مسلح)، مقاومت کششی تیر به مقدار قابل‌توجهی افزایش می‌یابد. به این میله‌های فولادی، میله‌های تقویت‌کننده یا میلگرد می‌گویند (شکل بالا). با اعمال کشش به میله‌های تقویت‌کننده پیش از اضافه کردن آن‌ها به ساختار تیر (مانند بتن پیش تنیده)، مقاومت کششی تیر بیشتر از حالت قبل خواهد شد. این فرآیندها به منظور افزایش مقاومت خمشی بتن نیز انجام می‌شوند.
عوامل موثر در مقاومت بتن کدام هستند؟
مقاومت بتن، به عوامل مختلفی نظیر کیفیت مواد تشکیل‌دهنده (آب، سیمان و سنگدانه)، تخلخل، نسبت آب به سیمان، نسبت سنگدانه‌های درشت به ریز، سن، دما، PH و فرآیندهای شیمیایی بستگی دارد.
تاثیر سیمان بر مقاومت بتن چیست؟
سیمان، مهمترین عامل موثر در استحکام بتن است. نوع، مقدار، نسبت ترکیبات شیمیایی، نحوه ساخت و شرایط محیط نگهداری سیمان بر روی مقاومت نهایی بتن تاثیرگذار 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 تاثیر مستقیم دارد. به علاوه، استفاده بیش از حد از موادی نظیر آلومینا و مگنزیا، مقاومت بتن را کاهش میدهد.
محیط نگهداری: سیمان باید در یک محیط خشک نگهداری شود. وجود رطوبت، کیفیت سیمان را کاهش میدهد. این مسئله، فرآیند هیدارتاسیون را تحت تاثیر قرار خواهد داد.
نسبت سیمان به مواد دیگر نظیر آب و سنگدانه، از اهمیت بالایی در کنترل خواص فیزیکی و شیمیایی بتن، مخصوصا مقاومت آن برخوردار است.
تاثیر سنگدانه بر مقاومت بتن چیست؟
سنگدانه، حدود 70 تا 80 درصد از حجم بتن را تشکیل میدهد. از این‌رو، کیفیت سنگدانه و ویژگی‌های آن از جمله ابعاد، شکل، بافت، مقاومت ذرات، مواد شیمیایی و درصد ریزدانه‌ها، تاثیر زیادی بر روی استحکام بتن دارند. یکی از عوامل مهم در مقاومت نهایی بتن، توزیع دانه‌بندی سنگدانه‌های مورد استفاده در آن است. استفاده شن و ماسه خوب دانه‌بندی‌شده، فضای خالی بین ذرات و نواحی ضعیف بتن را کاهش میدهد. همین موضوع، باعث افزایش مقاومت نهایی بتن می‌شود.
علاوه بر موارد بالا، نسبت ذرات درشت به ریز در سنگدانه، نسبت سنگدانه به سیمان و رطوبت سنگدانه‌ها نیز بر روی مقاومت تاثیر گذار هستند.
تاثیر آب بر مقاومت بتن چیست؟
کیفیت و ترکیب آب مورد استفاده در بتن، مقاومت آن را تحت تاثیر قرار میدهد. 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 ساخته‌شده با آب آشامیدنی، حدود 33 درصد بیشتر از مقاومت بتن ساخته‌شده با فاضلاب خواهد بود.
نقش آب در استحکام بتن به کیفیت و ترکیب آن ختم نمی‌شود. نسبت آب به سیمان و رطوبت نسبی مخلوط بتن نیز بر روی استحکام بتن تاثیرگذار هستند.
تاثیر 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 می‌کند. در صورت وجود 10 درصد فضای خالی در بتن، مقاومت آن به اندازه 30 تا 40 درصد کاهش می‌یابد.
تاثیر نسبت آب به سیمان بر مقاومت بتن چیست؟
نسبت آب به سیمان، یکی از مهمترین عوامل موثر بر استحکام بتن است. این نسبت، فرآیند هیدارتاسیون در خمیر سیمانی را کنترل می‌کند. 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 نسب‌های بالا، محصول اولیه هیدارتاسیون (ملات) نمی‌تواند فضای خالی بین ذرات را پر کند. همین موضوع، باعث تشکیل بتن با ساختار متخلخل می‌شود.
در نسبت‌های بسیار پایین آب به سیمان، کارایی بتن کاهش می‌یابد. در این شرایط، تراکم بتن دشوار می‌شود. این موضوع، مقاومت بتن را کاهش میدهد. 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.
تاثیر نسبت سنگدانه درشت به ریز بر مقاومت بتن چگونه است؟
تاثیر نسبت ذرات درشت‌دانه به ریز‌دانه بر استحکام بتن به صورت زیر است:
با افزایش سنگدانه‌های ریز نسبت به سنگدانه‌های درشت، سطح آزاد کلی سنگدانه افزایش می‌یابد.
با افزایش سطح آزاد سنگدانه‌ها، میزان آب مورد نیاز برای برای پیوند سنگدانه‌ها نیز بیشتر می‌شود.
افزایش آب، افزایش نسبت آب به سیمان را در پی خواهد داشت.
افزایش نسبت آب به سیمان نیز، مقاومت را کاهش میدهد.
در نتیجه، هر چه نسبت ذرات درشت به ریز بیشتر باشد، مقاومت بتن بیشتر خواهد بود.
تاثیر نسبت سنگدانه به سیمان بر مقاومت بتن چگونه است؟
نسبت سنگدانه به سیمان، به صورت زیر بر روی مقاومت بتن تاثیر می‌گذارد:
در صورت ثابت بودن حجم مواد، با افزایش سیمان نسبت به ماسه، سطح آزاد ذرات نیز افزایش می‌یابد.
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 میدهد.
تاثیر محتوای سیمان بر روی کارایی و مقاومت، بسیار مهم است. برای درک بهتر این تاثیر، نکات زیر را به خاطر داشته باشید:
برای یک کارایی مشخص، افزایش سیمان، تاثیر کمی بر روی آب مورد نیاز دارد. این موضوع، نسبت آب به سیمان را کاهش میدهد.
کاهش آب به سیمان، منجر به افزایش استحکام بتن می‌شود.
در نتیجه، برای یک کارایی مشخص، افزایش سیمان باعث افزایش مقاومت بتن خواهد شد.
تاثیر بلوغ و سن بر مقاومت بتن چیست؟
بلوغ بتن، میزان پیشرفت عمل آوری را نمایش میدهد. 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 می‌شود و پیوند بین ذرات را تقویت می‌کند. از این‌رو، در اکثر موارد، سن بتن به عنوان یکی از معیارهای اصلی قضاوت در مورد مقاومت مورد استفاده قرار می‌گیرد. بتن پس از 28 روز به 90 درصد مقاومت نهایی خود می‌رسد. در نتیجه، هر چه سن بتن بیشتر باشد، مقاومت آن نیز (تا پیش از رسیدن به مقاومت نهایی) بیشتر خواهد بود.
تاثیر دما بر مقاومت بتن چیست؟
نرخ تکمیل واکنش هیدارتاسیون و عمل آوری بتن، به دما بستگی دارد. با افزایش دما، سرعت واکنش نیز افزایش می‌یابد. به این ترتیب با ثابت بودن پارامترهای دیگر، سرعت افزایش مقاومت بتن در دماهای بالا بیشتر می‌شود. با این وجود، مقاومت نهایی در این شرایط کمتر خواهد بود؛ چراکه با افزایش نرخ سرعت هیدراتاسیون، ساختار فیزیکی خمیر سیمانی، نظم کمتر و تخلخل بیشتری خواهد داشت. دما، علاوه بر عمل آوری بتن بر روی نفوذپذیری (ساختار متخلخل) آن نیز تاثیرگذار است. این موضوع، اهمیت تاثیر آن بر مقاومت بتن را افزایش میدهد.
تاثیر PH بر مقاومت بتن چیست؟
PH، معیاری است که میزان اسیدی یا قلیایی بودن یک ترکیب را نمایش میدهد. میزان PH سیمان پرتلند در حدود 11 است. این عدد، خمیر سیمانی را به یک ترکیب قلیایی تبدیل می‌کند. برای پایدار ماندن پیوند بین ذرات بتن، PH مخلوط باید در محدوده‌ای نزدیک به ۱۱ یا بالاتر باشد. با ورود نمک یا اسید به حفره‌های بتن، میزان PH محیط کاهش می‌یابد و ذرات در معرض حمله شیمیایی قرار می‌گیرند. آسیب دیدن ساختار بتن، باعث کاهش مقاومت بتن می‌شود. PH علاوه بر مقاومت بر روی دوام، جمع‌شدگی، پوسته پوسته شدن، خوردگی میلگرد و پیوند بین سنگدانه‌ها نیز تاثیرگذار است.
تاثیر کربناتاسیون بر روی مقاومت بتن چیست؟
اکثر فرآیندهای شیمیایی، با تغییر PH بتن، مقاومت آن را تحت تاثیر قرار می‌دهند. یکی از فرآیندهای شیمیایی مخرب برای بتن، کربناتاسیون است. در طی این فرآیند، سیمان با کربن دی اکسید موجود در هوا واکنش می‌هد و کلسیم کربنات را به وجود می‌آورد. کلسیم کربنات، محیط را اسیدی می‌کند و PH را کاهش میدهد. به این ترتیب، پیوند ذرات بتن تجزیه شده و میلگردهای درون آن خورده می‌شوند.
تاثیر رطوبت نسبی بر مقاومت بتن چیست؟
رطوبت نسبی، میزان بخار آب موجود در بتن در حین عمل آوری را نمایش میدهد. با خشک شدن کامل بتن، واکنش هیدراتاسیون متوقف می‌شود. در واقع، این واکنش بدون وجود رطوبت نسبی نمی‌تواند 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 می‌بخشد.
با وجود تاثیر 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 می‌یابند. افزایش PH باعث کاهش پیوند بین ذرات و افزایش دما باعث سرعت بیشتر عمل‌آوری می‌شود. 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.
آزمایش مقاومت بتن چیست و چگونه اجرا می‌شود؟
آزمایش مقاومت بتن، مجموعه روش‌های مستقیم و غیر مستقیمی است که به منظور اندازه‌گیری مقاومت فشاری، کششی و خمشی بتن مورد استفاده قرار می‌گیرد. آزمایش مقاومت بتن، مطابق با استانداردهای ملی یا بین‌المللی و به صورت آزمایشگاهی یا برجا اجرا می‌شود.
مقاومت فشاری بتن چگونه تعیین می‌شود؟
آزمایش‌های مختلفی برای تعیین مقاومت فشاری بتن وجود دارند. این آزمایش‌ها هم در محیط آزمایشگاه و هم به صورت برجا قابل اجرا هستند. از استانداردهای تعیین مقاومت فشاری بتن در آزمایشگاه می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
استاندارد 6048 ایران مطابق با ASTM C39 برای نمونه‌های استوانه‌ای
استاندارد 3-1608 ایران مطابق با BS EN 12390-3 برای نمونه‌های مکعبی و استوانه‌ای
استاندارد 8985 ایران مطابق با ASTM C873 برای نمونه‌های استوانه‌ای درجا قالب‌گیری شده
با وجود متفاوت بودن شکل نمونه‌ها (استوانه‌ای، مکعبی یا منشوری) و نحوه برداشت آن‌ها (نمونه‌برداری برجا یا ساخت در آزمایشگاه)، روند اجرای آزمایش مقاومت فشاری بتن در اکثر استانداردها مشابه یکدیگر است. مراحل کلی این آزمایش عبارت هستند از:
اندازه‌گیری ابعاد نمونه
جانمایی نمونه در دستگاه آزمایش یونیورسال یا دستگاه‌های مشابه
بارگذاری تا لحظه شکست نمونه
یادداشت بار لحظه شکست
نمای بیرونی «کولوسئوم» (Colosseum) در شهر رم؛ ساخت این سازه بتنی در سال 80 میلادی به اتمام رسید. هم اکنون، بخش بزرگی از کولوسئوم سالم باقی مانده است.
