خزش بتن چیست؟
خزش تغییر شکل مداوم یک عضو تحت بار ثابت است. این پدیده بسیاری از متریال‌ها به ویژه بتن را تحت تأثیر قرار می‌دهد. رفتار دقیق خزش بتن به سنگدانه‌ها، طرح اختلاط، رطوبت محیط، سطح مقطع اعضا و سن بارگذاری اولیه بستگی دارد؛ اما الگوی کلی، با در نظر گرفتن یک عضو تحت فشار محوری در طول زمان محاسبه می‌شود. برای درک بهتر مفهوم خزش بتن با ما همراه باشید.
تعریف خزش بتن
خزش (Creep) هنگامی نشان داده می‌شود که کرنش در بتن با گذشت زمان افزایش می‌یابد در حالی که تنش ناشی از بار ثابت نگه داشته می‌شود. در اصطلاح کاربردی‌تر، خزش به معنای افزایش کرنش یا تغییر شکل یک عنصر ساختاری تحت بار ثابت است.
بسته به نوع بتن، طراحی سازه و شرایط بارهای سرویس، خزش می‌تواند منجر به جابجایی قابل توجهی در یک سازه شود. کرنش‌های شدید ناشی از خزش می‌توانند منجر به مشکلات عملکردی، توزیع مجدد تنش، از دست دادن پیش تنیدگی و حتی خرابی عناصر ساختاری بتن شود.
برگشت خزش به طور کامل انجام نمی‌شود و خزش پدیده‌ای نیست که به سادگی قابل برگشت باشد، به طوری که استفاده مداوم از بار، حتی در طول یک روز، منجر به تغییر شکل باقی مانده یا تغییر شکل دائمی یا برگشت ناپذیری می‌شود.
اگر یک نمونه بتن تحت فشار مداوم و ثابت قرار گیرد، خزش با گذشت زمان تنش را به تدریج کاهش می‌دهد که این به ریلکسیشن (Relaxation) معروف است. خزش را جریان پلاستیک، تسلیم پلاستیک یا تغییر شکل پلاستیک نیز می‌نامند.
مکانیزم خزش در بتن
میزان انحنای رابطه تنش – کرنش به عوامل زیادی بستگی دارد که در بین آنها شدت تنش و زمانی که بار برای آن عمل می‌کند از اهمیت زیادی برخوردار است. بنابراین، به وضوح نشان می‌دهد که رابطه بین تنش و کرنش برای بتن تابعی از زمان است. افزایش تدریجی فشار، بدون افزایش تنش و با گذشت زمان خزش نام دارد. با این توضیح، خزش نیز می‌تواند به عنوان افزایش کرنش تحت تنش پایدار تعریف شود.
همۀ مواد تحت شرایط بارگذاری به میزان بیشتر یا کوچکتر دچار خزش می‌شوند؛ اما بتن به طور قابل توجهی در هر تنش و به مدت طولانی دچار خزش می‌شود. علاوه بر این، خزش بتن عملکردی تقریباً خطی از تنش 30 تا 40 درصد از مقاومت فشاری را دارد.
ترتیب اندازه خزش بتن بسیار بیشتر از سایر مواد بلوری به جز فلزات در مرحله نهایی تسلیم قبل از شکست است. بنابراین، خزش در بتن به عنوان یک پدیده رئولوژیکی جدا در نظر گرفته می‌شود و این با ساختار خمیر سیمانی در ارتباط است.
تأثیر خمیر سیمانی در خزش بتن
خمیر سیمانی نقش عمده‌ای در تغییر شکل بتن دارد. سنگدانه‌ها بسته به نوع و نسبت‌ها، خصوصیات تغییر شکل بتن را به میزان بیشتر یا کمتر تغییر می‌دهند. بنابراین، ابتدا منطقی است که ساختار خمیر سیمانی و نحوۀ تأثیر آن بر رفتار خزش بررسی شود و سپس در نظر گرفته شود که چگونه وجود سنگدانه رفتار خزش را تغییر می‌دهد.
خمیر سیمانی اساساً از دانه‌های سیمان به همراه آب تشکیل شده است که توسط هیدراتاسیون به حال خمیر در آمده است. خزش بتن ممکن است به دلیل جریان چسبناک خمیر سیمان و دوغاب و به دلیل بسته شدن حفره‌های داخلی و جریان کریستالی کلی باشد؛ اما بررسی شده است که بخش زیادی از نشت آب کلوئیدی از ژل ایجاد شده در طی فرآیند هیدراتاسیون سیمان تولید می‌شود.
تشکیل خمیر سیمانی و وضعیت وجود آب عوامل مهمی در ویژگی تغییر شکل بتن هستند. خمیر سیمانی هم با تشکیل پیوندهای شیمیایی و هم با نیروی سطحی جاذبه، سفت می‌شود. جالب است بدانید که چنین مجموعه‌ای از ذرات کلوئیدی بسیار ریز با حفره‌های پر از آب تحت تأثیر نیروهای خارجی چگونه رفتار می‌کنند!
میزان خلاص شدن از شَر آب کلوئیدی، تابعی از نیروی فشاری اعمال شده و اصطکاک در مجاری مویرگی است. اگر نیرو بیشتر باشد، گرادیان فشار کم می‌شود، در نتیجه میزان انتشار رطوبت و تغییر شکل افزایش می‌یابند. گرادیان فشار مشتق جهت سرعت مایع یا نحوه حرکت یک عنصر سیال از فشار بالاتر به فشار پایین است.
یکی از توضیحاتی که به مکانیک خزش داده می‌شود مبتنی بر این نظریه است که ذرات کلوئیدی برای تنظیم مجدد موقعیت خود، آب را در منافذ خمیر و حفره‌های مویرگی جابجا می‌کنند. این جریان و متعاقب آن جابجایی آب مسئول رفتار پیچیده خزش بتن است.
خزش فقط تحت تنش و بار ثابت رخ می‌دهد. تحت تنش مداوم و با گذشت زمان، آب موجود در منافذ خمیر سیمانی به منافذ مویرگی جریان یافته و خود را دوباره گیرش را انجام می‌دهد که این رفتار به عنوان خزش در بتن نامیده می‌شود.
مشخصات خزش در بتن
ویژگی‌های خزش عبارتند از:
- تغییر شکل نهایی عضو می‌تواند سه تا چهار برابر تغییر شکل الاستیک کوتاه مدت باشد.
- تغییر شکل تقریباً متناسب با شدت بارگذاری و معکوس مقاومت بتن است.
- اگر بار برداشته شود، فقط تغییر شکل الاستیک آنی بهبود می‌یابد و تغییر شکل پلاستیک اینطور نیست.
- توزیع مجدد بار بین بتن و فولاد وجود دارد.
بنابراین تنش‌های فشاری در فولاد افزایش می‌یابند به طوری که فولاد نسبت زیادی از بار را تحمل می‌کند. اثرات خزش به ویژه در تیرها مهم است، جایی که افزایش انحراف ممکن است باعث باز شدن ترک و آسیب رساندن به عضو بتنی شود.
توزیع مجدد تنش‌ها بین بتن و فولاد در ناحیه فشاری که ترک خورده است رخ می‌دهد و تأثیر کمی بر تقویت کششی دارد. تقویت ناحیه فشاری یک عضو خمشی مانند تیر یا سقف ساختمان، اغلب به جلوگیری از انحراف ناشی از خزش کمک می‌کند.
انواع خزش در بتن
خزش در بتن به انواع زیر تقسیم می‌شود:
- خزش اولیه (Basic creep): اعمال تنش ثابت بر روی نمونه بتنی در شرایط رطوبت نسبی 100 درصد، منجر به افزایش کرنش در طول زمان می‌شود که به آن خزش اولیه می‌گویند.
- خزش خشک شدن (Drying creep): خزش اضافی که هنگام خشک شدن نمونه تحت بار نیز رخ می‌دهد، خزش خشک کننده نامیده می‌شود.
- خزش ویژه (Specific creep): کرنش خزش در واحد تنش اعمال شده را خزش ویژه می‌گویند.
- ضریب خزش (Creep coefficient): ضریب خزش را نسبت کرنش نهایی خزش به کرنش الاستیک می‌گویند.
خزش چه تأثیری در بتن دارد؟
اثرات خزش در بتن به شرح زیر هستند:
- در تیرهای بتن مسلح، خزش با گذشت زمان باعث افزایش انحراف می‌شود و ممکن است در طراحی مورد توجه قرار گیرد.
- در ستون‌های بتن مسلح، خزش منجر به انتقال تدریجی بار از بتن به آرماتور می‌شود.
- بار اضافی در فولاد باید با بتن تقسیم شود و این وضعیت منجر به توسعه استحکام کامل فولاد و بتن می‌شود. به این ترتیب خاصیت خزش در ستون‌های بتن مسلح مفید واقع می‌شود.
- در ستون‌هایی که بارهای غیر محوری هستند، خزش انحراف را افزایش می‌دهد و می‌تواند منجر به کمانش شود.
- در ساختارهای نامعین استاتیکی، خزش ممکن است غلظت تنش ناشی از شرینکیج، تغییرات دما یا نشست تکیه گاه را کاهش دهد. در همۀ سازه‌های بتنی، خزش فشارهای داخلی را به دلیل بار غیر یکنواخت یا شرینکیج، محدود می‌کند.
- در بتن حجیم خزش به خودی خود ممکن است عامل ترک خوردگی باشد، بدین دلیل که با حرارت هیدراتاسیون و خنک شدن بتن با چرخه تغییر دما مواجه می‌شود.
- باید تمام اقدامات احتیاطی و لازم انجام شوند تا افزایش دما در داخل سازه‌های بتنی انبوه مانند سدهای بتنی، دیوارهای حائل و سایر رخ ندهد.
- افزایش دما در فضای داخلی یک توده بتنی بزرگ باید با استفاده از سیمان با حرارت کم، مقدار کم سیمان، پیش سَرد شدن اجزای طراحی مخلوط، محدود کردن ارتفاع بالابرهای بتنی و خنک سازی بتن با گردش آب کنترل شود.
- در مورد بتن پیش تنیده، پیش تنیدگی می‌تواند خزش را کاهش دهد.
عوامل موثر بر خزش بتن
میزان خزش به عوامل زیر بستگی دارد:
مقاومت فشاری
هر چه مقاومت بتن بیشتر باشد میزان خزش کمتر خواهد بود. همچنین، افزایش تنش اعمالی به بتن نیز منجر به افزایش خزش می‌شود.
سنگدانه‌ها
- به طور معمول، سنگدانه‌ها خزش بسیار کمی را تجربه می‌کنند. این خمیر سیمانی است که مسئول خزش است. با این حال، هنگامی که خمیر دچار خزش می‌شود، کل اثر مهار کننده را ایجاد می‌کند. هرچه سنگدانه قوی‌تر باشد، اثر بازدارنده بیشتر است و بنابراین میزان خزش کمتر خواهد شد.
- مدول الاستیسیته سنگدانه نیز یکی از عوامل مهم و مؤثر بر خزش است. هرچه مدول الاستیسیته سنگدانه بیشتر باشد، خزش کمتر می‌شود.
- سنگدانه‌های سبک به دلیل مدول الاستیسیته کمتر، خزش بیشتری نسبت به سنگدانه‌های معمولی از خود نشان می‌دهند.
- مشخص شده است که هرچه حداکثر اندازه یک سنگدانه بیشتر باشد، خزش بتن نیز کمتر است.
نسبت آب به سیمان
- نسبت آب به سیمان بیشتر باعث افزایش اندازه منافذ در ساختار خمیر می‌شود. میزان محتوای خمیر و کیفیت طرح مخلوط، یکی از مهم‌ترین عوامل در ایجاد خزش است.
- یک ساختار خمیری ضعیف، خزش بیشتری را نتیجه می‌دهد.
- خزش با افزایش نسبت آب به سیمان افزایش می‌یابد.
- همۀ عواملی که بر نسبت آب به سیمان تأثیر می‌گذارند، بر خزش بتن نیز تأثیر خواهند گذاشت.
سن بتن هنگام بارگیری
خزش با افزایش سن بتن کاهش می‌یابد. برای درک بهتر این موضوع جدول زیر را مشاهده کنید :
| سن بتن | ضریب خزش (نسبت خزش به کرنش الاستیک) |
| بعد از 1 سال | 1 |
| بعد از 2 سال | 1.14 |
| بعد از 5 سال | 1.20 |
| بعد از 10 سال | 1.26 |
| بعد از 20 سال | 1.33 |
| بعد از 30 سال | 1.36 |
رطوبت سیمان
- افزایش رطوبت سیمان در بتن، خزش را افزایش می‌دهد.
رطوبت یا هوای محیط
- رطوبت هوا بر نفوذ رطوبت بتن تأثیر می‌گذارد. افزایش رطوبت، میزان از دست رفتن رطوبت را کاهش می‌دهد و این باعث کاهش نشت می‌شود. بنابراین منجر به یک خزش بالاتری می‌شود.
- رطوبت نسبی کمتر است و خشک شدن بتن تحت بارگذاری، باعث افزایش خزش بتن می‌شود.
نوع سیمان
- نوع سیمان تا حد زیادی بر خزش تأثیر می‌گذارد، بنابراین این مهم بر مقاومت بتن در زمان اعمال بار نیز تأثیر خواهد گذاشت. در شرایط خشک شدن، سیمان سرباره کوره بلند پرتلند، باعث خزش بیشتر از انواع معمول سیمان پرتلند می‌شود.
- ریز بودن دانه‌های سیمان بر رشد مقاومت در سنین اولیه تأثیر می‌گذارد و بنابراین بر خزش نیز تأثیر خواهد گذاشت. هرچه سیمان ریزتر باشد، نیاز گچ آن بیشتر است، به طوری که سیمان بندی مجدد در آزمایشگاه بدون افزودن گچ، سیمان نامناسبی تولید می‌کند که خزش بالایی را نشان می‌دهد.
شدت و مدت زمان تنش
- در بسیاری از آزمایش‌ها، تناسب مستقیمی بین خزش و تنش اعمال شده وجود دارد.
- محققان دریافتند که نمونه‌هایی که 90 روز عمل آوری شده‌اند و سپس 21 سال بارگذاری می‌شوند، با سطوح استرس مداوم چهار مگاپاسکال، شش مگاپاسکال و هشت مگاپاسکال مطابقت دارند.
اندازه نمونه
- اندازه نمونه نیز بر میزان خزش تأثیر می‌گذارد.
- اندازه خزش با افزایش اندازه نمونه کاهش می‌یابد.
- این به دلیل کاهش نشت است زیرا مسیری که توسط آب خروجی طی می‌شود، بیشتر است و در نتیجه مقاومت اصطکاکی در برابر جریان آب از داخل افزایش می‌یابد.
درجه حرارت
- دمایی که بتن در معرض آن است، می‌تواند دو اثر متقابلی بر خزش داشته باشد.
- اگر یک عضو بتنی به عنوان بخشی از فرآیند عمل آوری و قبل از بارگیری در معرض دمای بالاتر از حد معمولی قرار گیرد، مقاومت افزایش می‌یابد و کرنش خزش در دمای پایین‌تر، کمتر می‌شود.
- از سوی دیگر، قرار گرفتن در معرض دمای بالا در طول دوره تحت بار می‌تواند خزش را افزایش دهد. تأثیر دما بر خزش برای راکتور بتنی پیش تنیده هسته‌ای (PCRV) ، بسیار مورد توجه است.
اندازه گیری خزش بتن چگونه است؟
حالت خزش معمولاً با اندازه گیری تغییرات با گذشت زمان در فشار نمونه تحت بار ثابت تعیین می‌شود. یک دستگاه برای تست خزش در شکل زیر نشان داده شده است.
در این دستگاه، فنر تضمین می‌کند که بار به رغم این که نمونه با زمان منقبض می‌شود، به طور معقولی ثابت است. در چنین شرایطی، خزش به مدت طولانی ادامه می‌یابد اما سرعت خزش با گذشت زمان کاهش خواهد یافت.
تحت نیروی فشاری، اندازه گیری خزش با شرینکیج بتن همراه است. برای از بین بردن اثر شرینکیج و سایر تغییرات حجمی بتن، لازم است نمونه‌های بارگذاری نشده دیگری همراه داشته باشید.
در حالی که این تست از نظر کیفی صحیح است و نتایج قابل استفاده‌ای را به همراه دارد، برخی از محققان معتقد هستند که شرینکیج و خزش مستقل نیستند و بر این عقیده پافشاری می‌کنند که این دو اثر آنطور که در آزمایش فرض شده‌اند، از اعتبار کافی برخوردار نیستند! با این حال، این تست همچنان معتبرترین تست خزش بتن است.
نحوه محاسبه خزش چگونه است؟
عبارات زیادی برای نشان دادن میزان خزش نهایی در یک عضو بتنی وجود دارد. فرمول بین خزش ویژه (کرنش خزش در واحد تنش) «c» و زمان تحت بار «t» را در زیر آمده است:
c = (t / a + b × t)
«a» و «b» ثابت هستند. اگر یک نمودار با «t» در محور «x» و «t/c» در محور «y» رسم شود، یک خط مستقیم از شیب «b» را نشان می‌دهد. سپس ثابت‌ها را می‌توان به راحتی پیدا کرد. مشاهده این نکته جالب است که وقتی t = a/b ، c = b/2 یعنی نیمی از خزش نهایی در زمان t = a/b محقق می‌شود.
کلام آخر
منظور از خزش در بتن اعمال بار ثابت در طول زمان است. افزایش تنش در بتن در طول زمان و تحت تنش ثابت رخ می‌دهد و این باعث تغییر شکل یا انحراف عضو بتنی می‌شود. تحت بار مداوم، بتن برای مدت طولانی خود را دوباره تنظیم می‌کند که به آن رفتار خزش می‌گویند.
شرینکیج و خزش همزمان رخ می‌دهند. هنگامی که نمونه از بار آزاد می‌شود، بازیابی فوری یا الاستیک با کاهش تدریجی کرنش موسوم به بازیابی خزش همراه می‌شود. این پدیده بیشتر در پل‌ها و اعضایی مانند تیرها و سقف‌ها که تحت بار ثابت قرار می‌گیرند، رخ می‌دهد.
منابع :
https://learningtechnologyofficial.com/creep-of-concrete/
https://www.aboutcivil.org/creep-in-concrete.html
https://www.civilexperiences.com/2021/03/creep-in-concrete-types-factors-effects.html