بتن به عنوان پرمصرف ترین ماده ساختمانی شناخته شده است و ماده ساختمانی قرن نامیده می شود. سرانه مصرف بتن ایران دو برابر متوسط سرانه مصرف جهانی می باشد. مقاومت بتن مصرفی در سازه های متداول کشور به سختی به 25 مگاپاسکال و در موارد زیادی به 20 مگاپاسکال می رسد در صورتی که مقاومت فشاری بتن در کشورهای پیشرفته بین 50 الی 70 مگاپاسکال می باشد که این نشان دهنده ضعف در مراحل ساخت، نظارت و اجرای بتن است. برابر آمارهای منتشر شده بانک جهانی بیش از 30 درصد درآمد هر ایرانی در سراسر عمر برای بخش مسکن صرف می شود. موضوع وقتی اهمیت پیدا می کند که بدانیم عمر مفید ساختمان ها در ایران کمتر از 30 سال (یعنی یک سوم متوسط عمر ساختمان ها در دنیا ) می باشد. ترکیب این دو موضوع در کنار هم به این معنی است که هر ایرانی متوسط حدود 10 درصد درآمد سالیانه خود را به علت پایین بودن کیفیت ساختمان ها از دست می دهد.
نیمی از دلایل عمر پایین ساختمان ها در کشور کیفیت پایین بتن های مصرفی در ساختمان می باشد. مهم ترین علت کیفیت پایین بتن های معمولی، تراکم نامناسب بتن می باشد. در صورت افزودن آب جهت کارایی بیشتر مقاومت آن به شدت کاهش می یابد. لذا جهت تصحیح مشخصات تراکم بتن از روان کننده و فوق روان کننده بتن استفاده می شود. این افزودنی ها علاوه بر خاصیت کاهندگی آب و خاصیت حفظ کارایی و روانی، در بالا بردن کیفیت بتن، مقاومت و نفوذناپذیری بتن نقش موثر و ثابت شده ای دارند.
بتن دارای مقاومت فشاری به نسبت مناسبی می باشد، لیکن مقاومت کششی آن پایین می باشد. جهت جبران این نقص بتن، از آرماتور در بتن استفاده می گردد. از این رو چسبندگی بتن و آرماتور از اهمیت بسیار بالایی برخوردار می باشد. به عبارت دیگر باید تحت بارهای بهره برداری هیچ گونه لغزشی بین آرماتور و بتن به وجود نیاید. تاکید بر شرایط بهره برداری از آن روست که لغزش آرماتور نسبت به بتن اطراف آن لزوما از دست رفتن مقاومت نبوده و فروریختگی زودرس را به دنبال ندارد. به عنوان مثال ممکن است در یک تیر میلگردهای خمشی در طول قابل ملاحظه ای از بتن جدا شوند لیکن تا زمانی که میلگرد ها به نحو مناسبی در دو انتهای تیر مهار شده باشند به طوری که نتوانند از دو انتها کنده شوند تیر به مقاومت ادامه می دهد. بنابراین اگرچه لغزش میلگردها در بتن به معنای گسیختگی یا فرو ریختگی عضو نیست، لیکن برای تامین یکپارچگی و عملکرد بهتر سازه تلاش بر آن است که چسبندگی فولاد و بتن در مراحل مختلف رفتار سازه حفظ شود.
بتن دارای مقاومت فشاری به نسبت مناسبی می باشد، لیکن مقاومت کششی آن پایین می باشد. جهت جبران این نقص بتن، از آرماتور در بتن استفاده می گردد. از این رو چسبندگی بتن و میلگرد از اهمیت بسیار بالایی برخوردار می باشد. بی تردید یکی از مهم ترین بخش های سازه، جزئیات اجرایی آن در ناحیه اتصال است. اتصالات وظیفه مهمی را در تامین شکل پذیری سازه داشته و در تحمل و انتقال بارهای وارده به دیگر اعضا سازه ای نقش ویژه ای را ایفا می کند. یکی از بخش های مهم اتصالات در سازه های بتنی، رعایت ضوابط در اجرای طول مهاری آرماتورهاست. در نقشه های اجرایی کمتر به جزئیات طول مهاری لازم است توجه گردد و صرفا به ارائه یک دتایل کلی از طول مهاری و با یک توصیه فنی به این موضوع اشاره می گردد.
پیوستگی میلگرد و بتن ناشی از سه عامل زیر می باشد.
چسبندگی شیمیایی: هنگامی که میلگرد دچار تغییر شکل محوری می شود، اولین عامل ایجاد کننده پیوستگی بتن و میلگرد چسبندگی شیمیایی بتن و میلگرد می باشد که به طور عمده وابسته به جنس آرماتور و بتن و مشخصات سطح بتن می باشد.
پایداری اصطکاکی: این نوع چسبندگی ناشی از قفل و بست مکانیکی بتن و میلگرد می باشد.
پیوستگی برشی: با افزایش تغییر شکل، تنش پیوستگی برشی در بتن اطراف آرماتور ایجاد می شود که به شدت وابسته به مشخصات آرماتور می باشد. با رسیدن تنش پیوستگی به حد مقاومت پیوستگی، لغزش موضعی اتفاق می افتد.
انواع میلگردهای مورد استفاده در بتن
میلگردها را می توان در دو گروه طبقه بندی نمود:
طبقه بندی میلگردها از نظر روش ساخت
طبقه بندی میلگردها از نظر شکل رویه
1 – میلگرد با رویه صاف یا میلگرد ساده A1 : استفاده از این نوع میلگرد به عنوان میلگرد سازه ای در سازه های بتن آرمه مجاز است.
2 میلگرد با رویه آجدار A2: آج عبارت است از برجستگی هایی که به صورت طولی یا در امتدادی غیر از طول میلگرد در هنگام نورد بر روی آن ایجاد می شود.
3 میلگرد با رویه آج دار پیچیده A3: این نوع میلگرد از پیچاندن میلگرد آجدار به دست می آید.
میلگرد ساده: بسته به میزان مقاومت اصطکاکی میلگردها، لغزش به سمت خارج اتفاق می افتد و شکست از نوع لغزش خواهد بود.
میلگرد آجدار: علاوه بر چسبندگی شیمیایی و پایداری اصطکاکی، چفت و بست های بین بتن و آج های میلگرد سبب بالا رفتن مقاومت پیوستگی می شود.
در میان مکانیزم های پیوستگی، پیوستگی برشی بتن و میلگرد از اهمیت ویژه ای برخوردار می باشد زیرا بیشترین تنش پیوستگی را ایجاد می نماید. در این مکانیزم پیوستگی، انتقال نیرو از طریق درگیر شدن آج های آرماتور و کلیدهای بتنی بین آن ها انجام می شود. در نتیجه در محل تماس آج میلگرد و بتن تنش فشاری ایجاد می گردد که در اثر آن در مقطع عرضی بتن اطراف آرماتور؛ تنش های حلقوی کششی و در کلیدهای بتن بین آج ها تنش برشی تولید می شود. در این حالت دو نوع مد شکست قابل رخ دادن می باشد.
الف – بیرون آمدن میلگرد : اگر تنش برشی موجود در کلیدهای بتنی بین آج های میلگرد از حد مقاومت برشی بتن بگذرد، آرماتور از بتن بیرون کشیده می شود.
بیرون آمدن میلگرد
ب – خرد شدن بتن: اگر تنش حلقوی کششی، پیش از آن که کلید بین بتن و دو آج مجاور به صورت برشی کنده شود، از حد مقاومت کششی بتن تجاوز کند، در این حالت خردشدگی بتن اتفاق می افتد.
خرد شدن بتن
پارامترهای موثر بر پیوستگی بتن و میلگرد بسیار زیاد می باشد. این پارامترها را در سه دسته کلی می توان قرار داد.
الف – پارامترهای مربوط به آرماتورهای مسلح کننده: قطر، فاصله میلگردها، خصوصیات مکانیکی میلگرد، سطح مقطع، طول ناحیه مهاری و ...
ب : پارامترهای مربوط به بتن: خصوصیات مکانیکی بتن، مقاومت فشاری بتن، پوشش بتن روی میلگرد، جهت بتن ریزی نسبت به راستای آرماتور و ...
ج: پارامترهای مربوط به آزمایش پیوستگی: سرعت بارگذاری، جهت بارگذاری و ...
در زیر نمودار شماتیک تنش پیوستگی – لغزش میلگرد ساده و آجدار نشان داده می شود.
تنش کششی حلقوی در بتن اطراف میلگرد و ترک های شعاعی ناشی از آن
مقاومت پیوستگی بین فولاد و بتن معمولا براساس یکی از سه آزمایش زیر تعیین می شود
1- آزمایش بیرون کشیدگی: در این آزمایش پس از قرار دادن میلگرد در بتن، با ایجاد یک تکیه گاه فولادی بر سطح بتن، میلگرد توسط یک جک به طرف بیرون کشیده می شود.
2 - آزمایش میلگرد درگیر در بتن: در این آزمایش یک میلگرد درگیر در بتن از دو طرف تحت کشش قرار می گیرد.
3 - آزمایش تیر: در این آزمایش تا حدی شرایط یک تیر کنسولی ایجاد می شود. واقع بینانه ترین آزمایش برای تعیین مقاومت پیوستگی نیز می باشد.
طول گیرایی، طول بخشی از میلگرد است که در تماس با بتن می باشد و تنش پیوستگی در آن ایجاد می گردد. با افزایش طول گیرایی نیروی لازم برای بیرون کشیدن میلگرد از بتن افزایش می یابد. اگر طول مهاری به اندازه کافی بزرگ باشد، میلگرد قبل از بیرون کشیده شدن جاری می شود. حداقل طول گیرایی که برای ایجاد نیروی جاری شدن در میلگرد لازم است به طول مهاری معروف می باشد.
محققان زیادی در زمینه اثر مقاومت فشاری بتن بر چسبندگی بتن و میلگرد پژوهش کرده اند که در ادامه نتایج به دست آمده توسط آنان ذکر می گردد
افزایش مقاومت فشاری بتن اطراف میلگرد مقاومت پیوستگی را افزایش می دهد
با افزایش مقاومت بتن، نسبت مقاومت پیوستگی به مقاومت کششی بتن افزایش می یابد.
محققان زیادی در این زمینه تحقیق نموده اند که در ادامه نتایج به دست آمده توسط آنان ذکر می گردد.
میانگین تنش پیوستگی با افزایش قطر آرماتور کاهش می یابد
با افزایش قطر آرماتور، تنش پیوستگی افزایش می یابد.
مقاومت پیوستگی آرماتورهای محصور شده توسط فولادگذاری جانبی، با افزایش سطح نسبی شیار و قطر میلگرد افزایش می یابد.
یکی از پارامترهای تاثیرگذار بر چسبندگی بتن و میلگرد، پوشش بتن اطراف میلگرد می باشد. بتنی که اطراف یک آرماتور تحت کشش را احاطه نموده است، تحت اثر تنش های فشاری قرار دارد. هنگامی که پوشش بتن کم باشد، ممکن است بتن تحت اثر این فشارها بشکند. عامل اصلی انتقال نیروهای پیوستگی بین میلگرد کششی و بتن یعنی نیروی لهیدگی، تنها در صورت فعال شدن عکس العمل کششی بتن احاطه کننده میلگرد محقق می گردد. علاوه بر این تنها در صورت وجود چسبندگی لازم بین قسمت های مختلف بتن احاطه کننده میلگرد، عکس العمل اصطکاکی بین میلگرد و بتن به وجود خواهد آمد. در صورت عدم تامین پوشش بتنی لازم برای میلگردها و یا عدم رعایت فواصل میلگردها، مود شکست سازه نامطلوب بوده و ترک در سازه بتنی ایجاد خواهد شد.
بتن هایی که به صورت سنتی ساخته می شوند دارای کارایی مورد نیاز نمی باشند. از این رو جهت جبران این نقیصه دو راهکار موجود می باشد.
افزودت آب: این کار روانی بتن را افزایش می دهد، از سوی دیگر پدیده جداشدگی دانه ها رخ می دهد و مقاومت بتن را کاهش می دهد.
استفاده از روان کننده: با افزودن روان کننده به بتن مقاومت فشاری بتن مقداری کاهش می یابد که این کاهش را می توان با کاهش نسبت آب به سیمان جبران نمود و حتی به مقاومت های بالاتر نیز دست یافت.
مکانیزم عملکرد افزودنی های فوق کاهنده آب یا به عبارتی دیگر فوق روان کننده ها به این صورت است که در هنگام قرارگیری در محیط آبی ایجاد بار منفی کرده و پس از جذب شدن بر روی ذرات سیمان مانع از نزدیک شدن این ذرات به یکدیگر می شود. به طور معمول پایداری محلول های کلوئیدی نظیر آب و سیمان از طریق یون های همنام جذب شده روی ذرات جامد معلق و به علت ایجاد دافعه الکتریکی بین این ذرات رخ می دهد. این عامل با ایجاد دافعه الکتریکی از تجمع و به هم چسبیدن ذرات جامد جلوگیری می کند.