مقاومت فشاری بتن و عوامل موثر برآن در این مقاله با استفاده از آزمایشات و تست‌های انجام شده به مقاومت فشاری بتن و عوامل موثر بر آن پی می‌بریم. بتن پرکاربردترین مصالح ساختمانی است که از ترکیب آب، سیمان و سنگدانه (شن و ماسه) ساخته می‌شود. خواص بتن، به دو دسته خواص «بتن تازه» (fresh concrete) و خواص «بتن سخت‌شده» (hardened concrete) تقسیم می‌شود. مقاومت فشاری، مهمترین ویژگی بتن سخت‌شده به حساب می‌آید. اهمیت مقاومت فشاری بتن به حدی زیاد است که می‌توان از آن به عنوان معیاری برای ارزیابی اولیه تمام خصوصیات بتن استفاده کرد. در این مقاله، به معرفی استحکام فشاری بتن، عوامل موثر و آزمایش‌های موجود برای تعیین این پارامتر مهم خواهیم پرداخت.

بتن ، مقاومت فشاری بتن ، بتن تازه ، بتن سخت شونده

مقدمه

مقاومت فشاری، توانایی ماده یا سازه در تحمل بارهای وارده بدون رخ دادن ترک یا تغييرشکل است. مقاومت فشاری بتن به عنوان یکی از مهمترین نقاط مثبت این ماده شناخته می‌شود. این ویژگی معمولاً به عنوان معياری برای ارزیابی کيفيت کلی بتن و همچنين توصيف ویژگی‌های دیگر آن نظير روانی و یکنواختی مورد استفاده قرار می‌گيرد. در صورت ساخت اصولی مخلوط سيمانی، مقاومت فشاری آن می‌تواند به اندازه یک سنگ سخت طبيعی باشد. واحد مقاومت فشاری بتن مقاومت فشاری با واحد مگاپاسکال (MPa) در سيستم SI و واحد پوند بر اینچ مربع (psi) در سيستم واحدهای اندازه‌گيری آمریکایی نمایش داده می‌شود. استحکام فشاری بتن در حالت معمولی در بازه 15 تا 30 مگاپاسکال تغيير می‌کند. البته برای سازه‌های صنعتی و تجاری سقف این بازه بيشتر خواهد بود. عيار بتن حداقل مقاومت فشاری 28 روزه مورد نياز بتن برای ساخت یک سازه بتنی با عنوان «عيار بتن» (Grade of Concrete) شناخته می‌شود. نمایش این عيار به صورت ترکيبی از حرف انگليسی M با عدد مقاومت فشاری مورد نياز (بر حسب مگاپاسکال) است. به عنوان مثال، عيار بتنی با مقاومت فشاری 20 مگاپاسکال، M20 خواهد بود. بتن‌های دارای مقاومت فشاری پایين (M15 تا M25) معمولاً برای ساخت سازه‌های کوچک و بتن‌های دارای مقاومت فشاری بالا (M30 به بالا) برای ساخت سازه‌های بزرگ استفاده می‌شوند. در جدول زیر، رابطه بين عيار بتن با مقاومت فشاری 7 روزه و 28روزه آن را نمایش داده شده است.

1. عوامل موثر بر مقاومت فشاری بتن

نسبت آب به سيمان

نسبت آب به سيمان، نحوه شکل‌گيری ساختار متخلخل بتن را مشخص می‌کند. فضای متخلخل درون بتن، به عنوان ضعيف‌ترین بخش آن شناخته می‌شود که به گسترش ترک در هنگام بارگذاری کمک می‌کند. هرچه نسبت آب به سيمان بيشتر باشد، استحکام فشاری بتن کمتر خواهد بود. در طرف مقابل، با بالا بودن نسبت آب به سيمان، زمان گيرش بتن طولانی‌تر می‌شود.

رطوبت

وضعيت رطوبت بتن در زمان انجام آزمایش، بر روی مقدار مقاومت به دست آمده تاثيرگذار است. به عنوان مثال، در صورت انجام آزمایش بر روی یک نمونه خشک، مقدار مقاومت فشاری به دست آمده نسبت به مقدار آن برای یک نمونه مرطوب (با ثابت در نظر گرفتن دیگر شرایط) بيشتر خواهد بود.

تراکم

مقاومت بتن به نحوه قرارگيری سنگدانه (شن و ماسه) در کنار یکدیگر بستگی دارد. اگر تراکم ذرات به خوبی صورت نگرفته باشد، فضای بتن دارای حفره‌های بيشتری خواهد بود. این مسئله، مقاومت فشاری بتن را کاهش می‌دهد.

ترکيبات شيميایی سيمان از بين ترکيبات سيمان، (Tricalcium Silicate) «تریکلسيم سيليکات» یا به اختصار C3S و «دیکلسيم سيليکات» ،(C2S یا به اختصارDicalcium Silicate) اهميت بخصوصی در مقاومت بتن دارند. افزایش مقاومت بتن با گذشت زمان، پيش از هر چيزی به نسبت این دو ماده بستگی دارد. به عنوان مثال، اگر ترکيبی دارای C3S بالا و C2S پایين باشد، در ابتدا مقاومت بيشتری خواهد داشت اما نرخ افزایش مقاومت آن با گذشت زمان کاهش خواهد یافت.

ابعاد ذرات سيمان

اندازه ابعاد ذرات سيمان بر روی نرخ رشد مقاومت بتن تاثيرگذار است. ریزتر بودن سيمان، سطح بيشتری را برای واکنش هيدارتاسيون فراهم می‌کند. این مسئله، شتاب انجام واکنش مذکور را افزایش می‌دهد.

شرایط عمل‌آوری

شرایط عمل‌آوری بتن، مخصوصاً دمای حين این فرآیند، محيط را برای افزایش سرعت واکنش هيدراتاسيون و در نتيجه سخت شدن بتن فراهم می‌کنند. رطوبت محلی که بتن در آن نگهداری می‌شود بر روی مقاومت آن موثر است. در محيط‌های بسيار خشک، سطح بتن به ميزان قابل توجهی خشک و سرعت فرآیند هيدراتاسيون بسيار کم می‌شود.

شرایط آزمایش

یکی دیگر از عوامل موثر بر مقاومت فشاری بتن، شرایطی است که نمونه بتنی در آن مورد آزمایش قرار می‌گيرد. برای جلوگيری از تاثير قابل توجه این عامل بر روی نتایج به دست آمده، باید تمام نمونه‌ها را طبق یک استاندارد واحد آزمایش کرد.

2. انحراف معياری بر اساس اطلاعات موجود

حداقل مقدار انحراف معيار تحت هر شرایطی برای کارگاه نباید از 5.2 N/mm² کمتر در نظر گرفته شود (جدول 1 و 2).

3. انواع بتن و مقاومت فشاری آن ها

بتن معمولی

معمولی‌ترین نوع بتن مخلوط ست از سيمان پرتلند، ماسه، شن و آب، این بتن به همراه آرماتور و یا بدون آن در سازه‌ها، راه‌ها و پی به‌کار می‌رود. نسبت مخلوط شن، ماسه و سيمان این بتن از (1:1:2 برای قوی‌ترین مخلوط) تا (1:3:6 بتن مگر یا به عنوان بتن بستر) در تغيير می‌باشد. ساخته شده با سنگدانه‌ها و سيمان‌های معمولی تيپ یک تا پنج پرتلند و با وزن ویژه 2200 تا 2500 کيلوگرم بر متر مکعب.

بتن ساده حجیم

بتن ساده به بتن بدون آرماتور گفته می‌شود. از این بتن در بتن‌ریزی‌های حجيم مانند ساخت پی سد، دیوار حایل وزنی و غيره استفاده می‌شود.

بتن بستر مگر

بتن بستر بتن ساده با درصد بالای شن نسبت به سيمان در مقایسه با بتن سازه‌ای است. از این بتن به عنوان پرکننده و در کارهای غیرسازه‌ای و یا به عنوان لایه محافظ بتن سازه ای در برابر نفوذ املاح و مواد موجود در خاک بستر که برای بتن مضر می‌باشد استفاده می‌شود. بتن مگر یا بتن نظافت یا همان بتن رگلاژ کف قالب‌بندی فونداسيون، در واقع یک بتن با عيار سيمان کم (بين 100 تا 150 کيلوگرم سيمان بر مترمکعب) است که به منظور آماده‌سازی بستر خاک‌برداری شده برای آرماتوربندی و صفحه‌گذاری اجرا می‌گردد.

بتن سازه‌ای

بتن سازه‌ای بتنی است که می‌تواند برای اعضای باربر سازه به‌کار برده شود. وزن این بتن در حالی که متراکم شده باشد حدود 2400 Kg/m³ بوده و باید مقاومت بالایی داشته باشد. اگر این بتن از مصالح سنگی سبک وزن ساخته شده باشد با رعایت ضوابط ویژه در طراحی آن می‌تواند دارای مقاومت بالا باشد.

بتن مسلح – بتن‌آرمه

بتن مسلح یا بتن‌آرمه به بتن مسلح شده با ميلگرد (آرماتور) گفته می‌شود. برای مسلح کردن بتن از ميلگردهای تقویتی، شبکه‌های توری تقویتی، صفحات فلزی یا الياف تقویتی استفاده می‌گردد. هدف اصلی استفاده از بتن‌آرمه، واگذاری نيروهای کششی به وجود آمده در بتن به ميلگردها است (به دليل مقاومت کششی بالای ميلگرد) تا بدین طریق نيروهای کششی به بتن وارد نشده و سبب ترک‌خوردگی و در نهایت پکيدن بتن نشود.

بتن پيش‌تنيده

بتن پيش‌تنيده بتن سازه‌ای است که در آن قسمت‌هایی از عضو که به هنگام بهره‌برداری تحت تاثير تنش کششی قرار می‌گيرد را از ابتدا تحت فشار قرار می‌دهند. لذا زیر بار وارده بتن هيچگاه به کشش نمی‌افتد. بيش‌تنيدگی عبارت است از ایجاد یک تنش ثابت و دائمی در یک عضو بتنی به نحو دلخواه و به اندازه لازم، به طوری که در اثر این تنش مقداری از تنش‌های ناشی از بارهای مرده و زنده در این عضو خنثی شده و در نتيجه مقاومت باربری آن افزایش پيدا می‌کند. هدف اصلی، محدود کردن تنش‌های کششی و ترک‌های ناشی از لنگر خمشی، تحت تاثير بارهای وارده در آن عضو می‌باشد. بتن جسمی است مقاوم در مقابل فشار، وليکن مقاومت آن در مقابل کشش بسيار کم می‌باشد، بنابراین می‌توان با وارد کردن فشار به بتن، کشش ایجاد شده در اثر بار مرده و زنده را در عضو بتنی تقليل و در نتيجه مقاومت آن را افزایش داد.

بتن پيش ساخته

بتنی است که در کارخانه بتن در قالب‌های جداگانه ریخته می‌شود و به شکل کنترل شده‌ای به عمل آمده و سفت می‌گردد و به هنگام لزوم برای نصب نهایی به محل کارگاه منتقل می‌شود. در این فرآیند می‌توان بتن با کيفيت بالای قالب‌بندی و مقاومت و قيمت نسبی پایين ساخت. این روش برای توليد دال‌های کف، بلوک‌ها، جداول راه‌سازی، پی نرده‌های حصار، تيرهای پل‌ها و دیوارها و غيره به کار می‌رود. قطعات پيش‌ساخته می‌توانند دارای آرماتور بوده و قطعات فولادی مهندسی نيز در آن جاسازی و نصب شوند.

بتن خلا

بتنی است که دارای درصد آب بالایی است تا کارایی لازم را فراهم کند و به توان بتن را در قالب‌های پيچيده یا در اطراف آرماتورگذاری فشرده ریخت. سپس بتن تحت اثر خلاء قرار می‌گيرد و قسمت اعظم آب آن برداشته می‌شود و بدین ترتيب بتن به هنگام سخت شدن مقاومت بيشتری بدست می‌آورد.

بتن پمپی

بتن پمپی بتنی است که از ميکسر به محل تخليه توسط لوله منتقل می‌شود. بتن از ميکسر به یک قيف تخليه می‌شود و از آنجا وارد پمپ شده که با اعمال نيرو بر آن سبب حرکت به جلوی بتن در لوله می‌شود. قطر لوله 100-150 mm می‌باشد و با این روش بتن را می‌توان تا فاصله افقی حدود 650 m یا فاصله عمودی حدود 50 m یا ترکيبی از این دو اندازه پمپاژ کرد. بتنی که پمپاژ می‌شود لازم است درصد آب بالاتری داشته باشد تا خاصيت روانی بتن را بهبود بخشد. اگر بتن با مقاومت بالایی مورد نياز باشد باید مواد افزودنی خاصی به جای آب اضافی به کار برده شود.

بتن تنيده

از این روش در توليد منابع و لوله‌های بتنی استفاده می‌شود. فرآیند توليد شامل ریختن بتن نسبتاً خشک به داخل یک قالب استوانه‌ای دورانيست. بتن تحت اثر عمل سانتریفوژ به جداره قالب پرتاب شده و یک دیواره سخت متراکم نفوذناپذیر را بوجود می‌آورد.

بتن حاضری

بتنی است که در کارخانه بتن ساخته و توسط تراک ميکسر به کارگاه حمل می‌شود. در این انتقال منبع استوانه‌ای که بتن تازه در آن ریخته شده به صورت مداوم از زمان بارگيری تا تخليه بتن در حال چرخش می‌باشد. مشخصات مخلوط بتن بين توليدکننده و مصرف‌کننده قبل از ساخت به توافق رسيده و معمولاً توليد حاصل با کيفيت بالا می‌باشد.

بتن مقاوم در برابر آب

بتن مقاوم در برابر آب می‌تواند ضد آب یا آب‌بند باشد.

بتن ضد آب از یک سطح رویی با لایه مقاوم در مقابل آب تشکيل شده در حالی که حجم داخلی بتن از بتن معمولی می‌باشد. لایه ضد آب را می‌توان با بکار بردن اسپری لاک الکل به وجود آورد یا با اجرای یک لایه پوشش قير یا آسفالت روی سطح بتن و یا به کار بردن کربنات سدیم (جوش شيرین) یا سيليکات سدیم محلول فراهم کرد.

بتن آب بند را می‌توان از طریق ساخت بتن متراکم با روش کنترل کيفيت دقيق برای ممانعت از دخول آب یا هوا توليد نمود. بتنی که به این روش ساخته می‌شود به حدی کافی آب بند خواهد بود و قابل استفاده برای مخازن آب می‌باشد.

بتن خيلی متراکم

بتن خيلی متراکم در ساخت دیوارهای حفاظتی نيروگاه‌های اتمی و وزنه‌های تعادل و دیوارهای دریایی با استفاده از مصالح سنگی متفاوت به کار می‌رود. مصالح مصرفی شامل باریت‌ها (سولفات باریم)، همتایت (کریستال اکسيد آهن)، ساچمه‌های آهنی و ساچمه سربی و فولادی می‌باشند.

اعضای سازه‌ای کوچک می‌کند. یک نمونه از این سازه‌ها، ساختمان شيکاگو به ارتفاع 295 m است که با بتن با مقاومت فشاری 800 kg/cm² ساخته شده و بلندترین ساختمان بتنی آمریکا محسوب می‌گردد.

جدول (1-1)

جدول (2-1)

شکل (1-1)

4. تعيين آب آزاد در بتن

آب آزاد دربتن مقدار آبی که در واکنش شيمائی سيمان مشارکت ندارد و برای مرطوب کردن مصالح سنگی و کارائی (اسلامپ) مورد نياز به طرح اختلاط اضافه می‌شود.

نتيجه‌گيری

بتن یک ماده چسبنده و بسيار مقاوم است و در این مقاله به عوامل موثر و مقاومت فشاری آن اشاره شده تنها ایراد این ماده نداشتن حالت کششی است.