خزش بتن؛ دلایل، انواع و پیامدهای سازه‌ای

خزش در بتن (creep) چیست؟

خزش در بتن پدیده‌ای برای افزایش تدریجی تغییر شکل یک عضو بتنی تحت بارگذاری ثابت و مداوم در طول زمان است. برای درک بهتر این مفهوم، فرض کنید یک ستون یا تیر بتنی تحت یک نیروی فشاری دائم قرار می‌گیرد. در لحظه اعمال بار، بتن بلافاصله دچار یک تغییر شکل الاستیک یا فوری می‌شود که مقدار آن بر اساس مدول الاستیسیته بتن قابل محاسبه است؛ اما اگر این بار در طول ماه‌ها، سال‌ها و حتی دهه‌ها بر روی سازه باقی بماند، تغییر شکل بتن در همان مقدار اولیه متوقف نمی‌شود؛ بلکه شیب رشد ملایمی به خود گرفته و به مرور زمان افزایش پیدا خواهد کرد. این روند تدریجی افزایش کرنش تحت تنش ثابت، به معنای خزش ایجاد شده در بتن است.

خزش تفاوت بسیار مهمی با جمع شدگی در بتن دارد؛ چرا که جمع شدگی در بتن یا افت حجمی بتن ناشی از از دست رفتن رطوبت، تبخیر آب آزاد و واکنش‌های شیمیایی داخلی بدون دخالت هیچ گونه بار مکانیکی خارجی رخ می‌دهد. در حالی که خزش به علت وجود نیرو و بار ایجاد می‌شود. بررسی دقیق خزش در بتن به مهندسان کمک می‌کند تا از افتادگی تیرها، کمانش موضعی ستون‌ها، ترک خوردگی‌های بلندمدت و تغییر شکل‌های ناخواسته در سازه‌های بتنی بلند، پل‌ها و مخازن بزرگ جلوگیری کنند.

خزش در بتن چگونه اتفاق می‌افتد؟

برای درک مکانیزم فیزیکی و شیمیایی وقوع خزش در بتن، باید به ساختار داخلی خمیر سیمان سخت شده و محصولات حاصل از هیدراتاسیون سیمان نگاه کرد. خمیر سیمان هیدراته شده یک ماده همگن نیست؛ بلکه ساختاری متخلل و ژله‌ای دارد که از شبکه‌ای پیچیده از سیلیکات کلسیم هیدراته (C-S-H) تشکیل شده است.

این شبکه ژلی حاوی مقادیر زیادی آب جذب‌ شده فیزیکی، آب مویین و آب شیمیایی است. زمانی که تنش فشاری مداوم بر روی بتن اعمال می‌شود، تعادل داخلی ساختار خمیر سیمان بر هم می‌خورد و چندین اتفاق به صورت همزمان رخ می‌دهند که در نهایت باعث ایجاد خزش در بتن و ضعف آن خواهد شد:

• خروج و جابجایی آب ژل: فشار اعمال شده به بتن باعث می‌شود آب موجود در حفره‌های ریز ژلی یعنی آب جذب شده به سمت فضای مویین حرکت کند، فشرده شود و از سیستم خارج گردد. این جابجایی سیال داخلی نقش بزرگی در تغییر شکل‌های اولیه خزش دارد.
• لغزش لایه‌های ژل: ساختار بلوری و لایه‌ای ژل سیلیکات کلسیم در بتن تحت تنش پایدار دچار لغزش‌های میکروسکوپی و لغزش لایه‌های مولکولی نسبت به یکدیگر می‌شود که ساختار ماتریس را به سمت حالتی با انرژی کمتر و تراکم بیشتر هدایت می‌کند.
• بازآرایی پیوندهای هیدروژنی: تنش مداوم باعث شکستن و بازسازی پیوندهای ضعیف هیدروژنی در شبکه ژل سیمان می‌شود که در نهایت باعث تغییر شکل پلاستیک و دائمی می‌شود.
• ایجاد و توسعه ریزترک‌ها: تنش‌های پایدار ایجاد شده در ابتدا باعث ریزترک در بتن به ویژه در مرز مشترک میان سنگدانه‌ها و خمیر سیمان می‌شود. اگر این ریز ترک‌ها مدیریت نشوند، به مرور زمان باعث ایجاد ترک‌های عمیق‌تر در بتن خواهند شد.

انواع خزش در بتن کدامند؟

خزش در بتن بر اساس شرایط محیطی، مکانیزم‌های داخلی و زمان اعمال بار به چند دسته مختلف تقسیم بندی می‌شود. علت شکل گرفتن این پدیده در هر یک از انواع آن می‌تواند مربوط به طرح اختلاط بتن یا روش‌های نادرست عمل آوری باشد که در ادامه دقیق‌تر هر کدام را بررسی می‌کنیم:

خزش پایه

خزش پایه به خزشی گفته می‌شود که در یک محیط کاملا ایزوله و با رطوبت نسبی 100 درصد رخ دهد. به طوری که هیچ گونه تبادل رطوبت یا خشک شدگی بین عضو بتنی و محیط بیرون آن وجود ندارد. این نوع خزش در بتن به طور کامل ناشی از تغییرات ساختاری داخلی، جابجایی آب درون ژل سیمان و بازآرایی پیوندهای مولکولی تحت تنش فشاری است. خزش پایه مستقل از حجم یا ابعاد هندسی عضو بتنی بوده و ویژگی ذاتی ماتریس بتن تحت بار پایدار محسوب می‌شود.

خزش خشک شدگی

خزش خشک شدگی به خزشی گفته می‌شود که همزمان با خشک شدن بتن و تبادل رطوبت با محیط بیرون رخ بدهد. زمانی که یک عضو بتنی تحت بارگذاری، تحت تاثیر هوای خشک قرار می‌گیرد؛ علاوه بر خزش پایه به علت تبخیر آب و ایجاد تنش‌های مویین در حفره‌های مویین، تغییر شکل اضافه‌ای رخ می‌دهد. این نوع خزش ایجاد شده در بتن ارتباط مستقیمی با ابعاد هندسی قطعه نسبت حجم به سطح دارد؛ زیرا قطعات نازک‌تر سریع‌تر رطوبت خود را از دست داده و احتمال ایجاد خزش خشک شدگی وجود دارد.

خزش کل

خزش کل یکی دیگر از انواع مشکلات سازه‌های بتنی است که از مجموع تغییر شکل الاستیک اولیه و تمامی مولفه‌های خزش در طول زمان ایجاد می‌شود. در محاسبات عملی سازه‌ای زمانی که صحبت از افتادگی تیرها یا تغییر شکل‌های بلند مدت دال‌ها می‌شود، معمولا خزش از نوع کل بوده و با بررسی ضریب خزش معنا پیدا می‌کند تا بتوان رفتار واقعی سازه را به طور کامل پیش بینی کرد.

فاکتور‌های موثر بر خزش در  بتن

میزان خزش در سازه‌های بتنی مقدار ثابتی نیست و می‌تواند تحت تاثیر پارامترهای مختلف تغییر کند. مواد تشکیل دهنده، شرایط محیطی و روش‌های بتن ریزی همگی می‌توانند فاکتورهای موثر روی خزش باشند که در ادامه به طور دقیق قصد بررسی آن‌ها را داریم.

سن بتن هنگام بارگذاری

هر چقدر بتن در سنین پایین‌تر و قبل از تکمیل کامل واکنش‌های هیدراتاسیون زیر بار قرار گیرد، ساختار خمیر سیمان ضعیف‌تر شده و میزان خزش به شدت افزایش پیدا می‌کند. بارگذاری در سنین بالاتر به دلیل تراکم و مقاومت بیشتر ماتریس، خزش را کاهش می‌دهد.

نسبت آب به سیمان

یکی از مهم‌ترین عوامل موثر در خزش بتن نسبت آب به سیمان و کیفیت طرح اختلاط است. مقادیر بالای آب به سیمان به دلیل ایجاد ساختاری متخلخل‌تر، کم‌تراکم‌تر و ضعیف‌تر در خمیر سیمان، خزش را به شدت افزایش می‌دهد.

مقدار و شدت تنش اعمال شده

تا زمانی که تنش فشاری اعمال‌شده کمتر از حدود 30 تا 40 درصد مقاومت نهایی فشاری بتن باشد، خزش رابطه خطی و مستقیمی با مقدار تنش دارد. اگر تنش از این حد فراتر رود، ریز ترک‌هایی در سطح بتن ایجاد می‌شوند و احتمال بروز ترک و تشدید پدیده خزش را افزایش خواهند داد.

شرایط عمل آوری بتن

کیفیت اجرای عمل آوری بتن در روزهای اولیه عمر بتن، مقاومت، سختی و تراکم ساختار داخلی را بالا برده و مانع از تغییر شکل‌های زودهنگام و خزش بالا می‌شود. در مقابل اگر عمل آوری بتن، ویبره و ترکیب کردن مواد اولیه به درستی انجام نشوند احتمال بروز خزش نیز وجود دارد.

نوع و مشخصات سنگدانه

سنگدانه‌های متراکم، سخت و با مدول الاستیسیته بالا (مانند کوارتز و گرانیت) به عنوان یک اسکلت صلب عمل کرده و مانع از تغییر شکل خمیر سیمان می‌شوند. بنابراین استفاده از آن‌ها خزش را به حداقل می‌رساند.

استفاده از مواد افزودنی

استفاده از مواد افزودنی بتن مناسب مانند روان‌کننده‌ها و فوق‌روان‌کننده‌ها می‌تواند نسبت آب به سیمان را به شدت کاهش داده و رفتار خزش را بهبود بخشد.

ACI 209 چه نکاتی درباره خزش بتن دارد؟

کمیته ۲۰۰ انجمن بتن آمریکا (ACI 209) یکی از جامع‌ترین و معتبرترین استانداردها را برای پیش بینی، مدلسازی و محاسبه خزش و جمع شدگی بتن در سازه‌های مهندسی ارائه داده است. بر اساس راهنمای استاندارد ACI 209، ضریب خزش نهایی بستگی به پارامترهای مختلفی از جمله موارد زیر دارد:

• رطوبت نسبی محیط
• نسبت حجم به سطح عضو بتنی
• عیار سیمان
• سن بتن در زمان بارگذاری
• مدت زمان بارگذاری

این استاندارد مدل‌های ریاضی و ضریب‌های صحیح دقیقی ارائه می‌دهد تا مهندسان طراح بتوانند تغییر شکل‌های بلندمدت سازه مانند خیز درازمدت تیرها و دال‌ها را در طول دوره بهره برداری تخمین بزنند. بر اساس این دستورالعمل‌ها، ضریب خزش معمولا بین ۱.۵ تا ۴.۰ متغیر است که به معنای چند برابر شدن تغییر شکل الاستیک اولیه در اثر گذشت زمان است.

آیا می‌توان از خزش بتن جلوگیری کرد؟

اگرچه حذف کامل خزش به دلیل ماهیت ویسکوالاستیک و ساختار متخلخل خمیر سیمان غیرممکن است؛ اما از دیدگاه مهندسی می‌توان با در نظر گرفتن یک سری نکات و اضافه کردن افزودنی بتن، روند خزش را کنترل کرد. روش‌های جلوگیری از خزش را می‌توان به چند گروه مختلف تقسیم بندی کرد:

۱. بهینه سازی طرح اختلاط بتن

طرح اختلاط مناسب بتن یکی از مهم‌ترین فاکتورها برای کنترل خزش است. هرچقدر ماتریس بتن متراکم‌تر باشد، فضای کمتری برای جابجایی آب داخلی وجود خواهد داشت:

• کاهش نسبت آب به سیمان: با استفاده از مواد افزودنی کاهنده آب و فوق روان کننده‌ها می‌توان نسبت آب به سیمان را به شدت کاهش داد و به ساختاری متراکم‌تر در بتن دست پیدا کرد.
• استفاده از سیمان‌های باکیفیت و استاندارد: انتخاب نوع سیمان متناسب با شرایط محیطی و به حداقل رساندن میزان عیار سیمان اضافی که خود عامل ایجاد حرارت هیدراتاسیون و تخلخل است را جدی بگیرید.
• بهینه سازی دانه‌ بندی سنگدانه‌ها: استفاده از سنگدانه‌های سخت، متراکم و با مدول الاستیسیته بالا مانند کوارتز و گرانیت که به عنوان اسکلتی صلب مانع از تغییر شکل خمیر سیمان می‌شوند، راهی برای جلوگیری از خزش است.

۲. بهبود کیفیت عمل آوری بتن

اجرای دقیق اصول عمل آوری بتن در روزهای ابتدایی عمر بتن نقش مستقیمی در توسعه مقاومت و کاهش خزش دارد. مرطوب نگه داشتن سطح بتن و جلوگیری از تبخیر سریع آب، به کامل شدن واکنش هیدراتاسیون سیمان کمک کرده و شبکه‌ای قوی‌تر ایجاد می‌کند.

۳. مدیریت سن بتن در زمان بارگذاری

یکی از مهم‌ترین نکات کلیدی برای کاهش خزش در بتن، مدیریت سن بتن در زمان بارگذاری است. اجازه دهید بتن به مقاومت مشخصه خود دست پیدا کند. بارگذاری در سنین پایین و قبل از تکمیل واکنش‌های شیمیایی اصلی ضریب خزش را به شدت افزایش می‌دهد.

۴. طراحی سازه‌ای و تسلیح مناسب

یکی دیگر از نکات و ترفندها برای کاهش خزش در بتن مربوط به طراحی و محاسبات است. مهندسان می‌توانند با در نظر گرفتن نکات زیر خزش در بتن را به حداقل برسانند:

• استفاده از میلگردهای فشاری: تعبیه آرماتور در ناحیه فشاری مقطع بتنی یکی دیگر از اقدامات موثر خزش در بتن است. از آنجایی که فولاد دچار خزش نمی‌شود، بخش عمده‌ای از تنش‌های بلندمدت را تحمل کرده و مانع از افزایش تغییر شکل بتن می‌شود.
• تسلیح با الیاف مهندسی: استفاده از الیاف تقویت کننده بتن جهت بهبود پیوستگی ماتریس سیمانی، افزایش شکل‌ پذیری و کنترل گسترش ریزترک‌های ناشی از تنش مداوم، یک راه حل عالی برای تقویت بتن است. بعضی از قطعات بتن پیش ساخته نیز با این الیاف تولید می‌شوند.
• استفاده از مقاطع پیش‌تنیده: در سازه‌هایی که خزش بحرانی است، استفاده از سیستم‌های پیش‌ تنیدگی و پس‌ کشیدگی به خنثی کردن اثرات منفی خزش کمک می‌کند.

مقایسه پدیده خزش و خستگی در بتن

بسیاری از افراد و حتی مهندسان تازه کار پدیده خزش را با خستگی در بتن اشتباه می‌گیرند. در حالی که این دو مفهوم از نظر فیزیکی، مکانیکی و شرایط بارگذاری با یکدیگر متفاوت هستند. به طور کلی، پدیده خزش و خستگی در بتن از جنبه‌های زیر با یکدیگر متفاوت‌اند:

• خزش (Creep): خزش ناشی از اعمال یک بار ثابت، دائم و مداوم در طولانی مدت است که به تغییر شکل تدریجی، افزایش کرنش و افت پیش‌تنیدگی منجر می‌شود. علت ایجاد خزش، بارگذاری ایستا است.
• خستگی (Fatigue): خستگی ناشی از اعمال بارهای مکرر، نوسانی و چرخه‌ای مانند عبور مداوم وسایل نقلیه سنگین از روی پل‌ها یا لرزش ماشین‌آلات صنعتی است که به تدریج باعث ایجاد و رشد ریزترک‌ها و در نهایت شکست ترد و ناگهانی بتن می‌شود. علت اصلی ایجاد خستگی در بتن، بارگذاری دینامیکی است.

باورهای اشتباه درباره خزش بتن

در میان بعضی از افراد غیرمتخصص و تازه کار یک سری باورهای اشتباه در مورد خزش وجود دارد که بررسی علمی و اصلاح آن‌ها برای مهندسان ضروری است:

باور غلط: خزش تنها در بتن‌های بی‌کیفیت، کم مقاومت و با مصالح نامرغوب رخ می‌دهد.

حقیقت: تمامی انواع بتن، حتی بتن‌های با مقاومت بالا و متراکم ممکن است دچار خزش شوند. تفاوت خزش ایجاد شده تنها در میزان، نرخ و ضریب تغییر شکل آن هاست.

باور غلط: خزش پس از گذشت چند هفته یا چند ماه از بتن ریزی متوقف می‌شود.

حقیقت: خزش فرایندی بسیار کند و طولانی مدت است و اگرچه نرخ رشد آن با گذشت زمان به شدت کاهش پیدا می‌کند، اما ممکن است تا سال‌ها و دهه‌ها پس از بارگذاری ادامه داشته باشد.

باور غلط: تغییر شکل ناشی از خزش قابل جبران نیست.

حقیقت: با استفاده از تمهیداتی مانند جک زنی در پل‌های بتنی پیش‌ تنیده، تعبیه میلگردهای فشاری کافی و ترمیم‌های سازه‌ای می‌توان اثرات خزش را مدیریت و جبران کرد.

کلام پایانی

پدیده خزش در بتن یکی از پارامترهای تعیین کننده در مهندسی سازه است که عدم توجه به آن در فاز محاسبات و طراحی می‌تواند به افت عملکرد، تغییر شکل‌های نامطلوب، ترک خوردگی‌های عمیق و حتی آسیب‌های جدی سازه‌ای منجر شود. شناخت دقیق مکانیزم و عوامل موثر مانند بارگذاری، شرایط عمل آوری و توصیه‌های معتبر آیین‌نامه‌ای مانند ACI 209 به مهندسان کمک می‌کند تا سازه‌هایی ایمن، پایدار و با طول عمر بالا طراحی و اجرا کنند.