پدیده خزش در بتن چیست و رفع آن چه راهکاری دارد؟

پدیده خزش در بتن یکی از رفتارهای مهم و زمان بر این مصالح است که در بسیاری از سازه ها، به ویژه ساختمان های بلند، پل ها، ستون ها، تیرها و قطعات پیش تنیده اهمیت زیادی دارد. خزش به زبان ساده یعنی تغییر شکل تدریجی بتن در طول زمان، زمانی که عضو بتنی تحت بار ثابت قرار دارد. این تغییر شکل ممکن است در روزهای اول کم به نظر برسد، اما در پروژه های حساس می تواند روی نشست، ترک خوردگی، افت پیش تنیدگی، تغییر شکل تیرها و عملکرد کلی سازه اثر بگذارد.

درک درست خزش بتن فقط برای مهندس محاسب مهم نیست؛ بلکه برای مجری، ناظر و حتی کارفرما هم اهمیت دارد، زیرا انتخاب طرح اختلاط، زمان بارگذاری، کیفیت اجرا و حتی هزینه های وابسته به مصالحی مثل سیمان، قالب بندی، میلگرد و قیمت آهن می تواند روی رفتار نهایی سازه اثر بگذارد. اگر می خواهید بدانید خزش بتن دقیقا چیست، چرا ایجاد می شود، چگونه محاسبه می شود و چه راهکارهایی برای کنترل آن وجود دارد، ادامه مقاله را بخوانید.

پدیده خزش بتن چیست؟

خزش بتن به تغییر شکل تدریجی بتن تحت اثر تنش ثابت گفته می شود. یعنی اگر یک ستون، تیر یا دال بتنی برای مدت طولانی بار مشخصی را تحمل کند، تغییر شکل آن فقط به تغییر شکل لحظه ای اولیه محدود نمی شود، بلکه با گذشت زمان مقدار بیشتری تغییر شکل در آن ایجاد می شود. این تغییر شکل اضافی همان خزش است. نکته مهم این است که خزش با گسیختگی ناگهانی تفاوت دارد؛ خزش معمولا آرام، پیوسته و وابسته به زمان است.

از نظر تخصصی، خزش نتیجه رفتار ویسکوالاستیک خمیر سیمان، حرکت رطوبت در منافذ بتن، لغزش داخلی محصولات هیدراتاسیون و تغییرات ریزساختاری بتن است. زمانی که بتن تحت بار قرار می گیرد، ابتدا تغییر شکل الاستیک ایجاد می شود. بعد از آن، در اثر تداوم بار، آب موجود در ساختار موئینه بتن جابه جا می شود و شبکه خمیر سیمان به تدریج بازآرایی می گردد. به همین دلیل، بتن حتی بدون افزایش بار نیز به تغییر شکل ادامه می دهد.

پدیده خزش در بتن با جمع شدگی تفاوت دارد. جمع شدگی به تغییر شکل ناشی از کاهش رطوبت، واکنش های شیمیایی یا تغییرات حجمی بتن بدون نیاز به بار خارجی گفته می شود، اما خزش در حضور تنش پایدار رخ می دهد. البته در عمل، خزش و جمع شدگی می توانند همزمان دیده شوند و تفکیک اثر آنها در تحلیل سازه ای اهمیت زیادی دارد.

در پروژه های اجرایی، کیفیت بتن و انواع روش های بتن ریزی نقش مهمی در کنترل خزش دارند. بتن ریزی اصولی، تراکم مناسب، عمل آوری کافی، جلوگیری از تبخیر سریع آب و کنترل نسبت آب به سیمان باعث می شود بتن ساختار متراکم تری داشته باشد و در برابر تغییر شکل های بلندمدت عملکرد بهتری نشان دهد.

انواع خزش در بتن

خزش بتن فقط یک رفتار ساده و یکنواخت نیست، بلکه بسته به شرایط بارگذاری، رطوبت محیط، سن بتن، نوع عضو و وضعیت تبادل رطوبت با محیط به چند نوع تقسیم می شود. شناخت انواع خزش کمک می کند مهندس بتواند رفتار واقعی عضو بتنی را دقیق تر تحلیل کند و در طراحی یا اجرای پروژه تصمیم بهتری بگیرد.

در بسیاری از سازه ها، بتن ریزی در سنین مختلف، شرایط متفاوت عمل آوری، ضخامت عضو و زمان اعمال بار باعث می شود خزش در بخش های مختلف سازه یکسان نباشد. برای مثال، خزش یک ستون حجیم در طبقات پایین با خزش یک دال نازک یا تیر پیش تنیده تفاوت دارد. در ادامه، مهم ترین انواع خزش در بتن را بررسی می کنیم.

خزش اولیه بتن

خزش اولیه بتن به تغییر شکل وابسته به زمانی گفته می شود که در مراحل ابتدایی پس از بارگذاری رخ می دهد. این نوع خزش معمولا در روزها و هفته های اول پس از اعمال بار سرعت بیشتری دارد و سپس به تدریج کاهش پیدا می کند. دلیل اصلی آن این است که ساختار داخلی بتن در سنین پایین هنوز کاملا پایدار نشده و خمیر سیمان در حال تکامل است.

در خزش اولیه، سن بتن هنگام بارگذاری اهمیت زیادی دارد. هرچه بتن زودتر تحت بار قرار گیرد، احتمال افزایش خزش بیشتر می شود؛ زیرا مقاومت و مدول الاستیسیته بتن هنوز به مقدار نهایی خود نرسیده است. به همین دلیل در پروژه هایی که قالب برداری زودهنگام، بارگذاری سریع یا اجرای طبقات متوالی دارند، باید به این موضوع توجه ویژه شود.

استفاده درست از افزودنی بتن می تواند در کنترل خزش اولیه موثر باشد. برای مثال، افزودنی های کاهنده آب با کاهش نسبت آب به سیمان، تراکم خمیر سیمان را افزایش می دهند و می توانند خزش را کاهش دهند. البته انتخاب افزودنی باید متناسب با طرح اختلاط، شرایط محیطی و دستورالعمل فنی انجام شود.

خزش ثانویه بتن

خزش ثانویه مرحله ای از خزش است که پس از دوره اولیه رخ می دهد و سرعت تغییر شکل در آن نسبت به خزش اولیه کمتر و پایدارتر است. در این مرحله، بتن همچنان تحت بار ثابت قرار دارد، اما نرخ افزایش تغییر شکل کاهش می یابد. خزش ثانویه در تحلیل بلندمدت سازه اهمیت زیادی دارد، زیرا ممکن است طی ماه ها یا حتی سال ها ادامه پیدا کند.

در اعضای فشاری مانند ستون ها، خزش ثانویه می تواند باعث افزایش تغییر شکل محوری و بازتوزیع نیروها شود. در تیرها و دال ها نیز ممکن است افتادگی بلندمدت افزایش پیدا کند. این موضوع در سازه هایی با دهانه های بزرگ، قطعات پیش ساخته و اعضای پیش تنیده اهمیت بیشتری دارد.

خزش خشک شدگی بتن

خزش خشک شدگی زمانی رخ می دهد که بتن علاوه بر تحمل بار، رطوبت خود را نیز به محیط اطراف از دست می دهد. در این حالت، خروج آب از منافذ بتن باعث افزایش تغییر شکل وابسته به زمان می شود. به همین دلیل، اعضایی که سطح تماس زیادی با هوا دارند یا در محیط های خشک قرار می گیرند، بیشتر در معرض این نوع خزش هستند.

خزش خشک شدگی با ضخامت عضو، رطوبت نسبی محیط، کیفیت عمل آوری و نسبت سطح به حجم ارتباط مستقیم دارد. اعضای نازک مانند دال ها و دیوارهای کم ضخامت معمولا سریع تر رطوبت از دست می دهند و امکان بروز خزش خشک شدگی در آنها بیشتر است.

خزش پایه بتن

خزش پایه به خزش بتن در شرایطی گفته می شود که تبادل رطوبت با محیط وجود نداشته باشد یا بسیار محدود باشد. در این حالت، تغییر شکل بتن بیشتر ناشی از رفتار داخلی خمیر سیمان و تغییرات ریزساختاری آن است، نه خروج رطوبت به محیط.

این نوع خزش معمولا در آزمایشگاه و برای تفکیک اثر رطوبت از رفتار ذاتی بتن بررسی می شود. خزش پایه در تحلیل علمی بتن اهمیت دارد، زیرا نشان می دهد حتی اگر بتن رطوبت خود را از دست ندهد، تحت بار ثابت باز هم دچار تغییر شکل تدریجی خواهد شد.

علت ایجاد خزش در بتن

علت ایجاد خزش در بتن را نمی توان فقط به یک عامل نسبت داد. این پدیده نتیجه همزمان چند فرآیند فیزیکی، شیمیایی و مکانیکی در ساختار بتن است. از یک طرف، بتن ماده ای ناهمگن است و از سنگدانه، خمیر سیمان، آب، منافذ و محصولات هیدراتاسیون تشکیل شده است. از طرف دیگر، این اجزا در برابر بار بلندمدت رفتار یکسانی ندارند.

مهم ترین دلایل ایجاد خزش در بتن عبارت اند از:

نسبت آب به سیمان بالا: هرچه نسبت آب به سیمان بیشتر باشد، بتن متخلخل تر می شود و خمیر سیمان ضعیف تری ایجاد می گردد. این موضوع باعث افزایش جابه جایی رطوبت در بتن و در نتیجه افزایش خزش می شود.

بارگذاری در سن پایین بتن: اگر بتن پیش از رسیدن به مقاومت کافی تحت بار قرار گیرد، تغییر شکل بلندمدت آن بیشتر خواهد بود. این موضوع در پروژه هایی با سرعت اجرای بالا بسیار مهم است.

ضعف عمل آوری: عمل آوری ناکافی باعث تبخیر زودهنگام آب، کاهش کیفیت هیدراتاسیون و افزایش تخلخل بتن می شود. در نتیجه، بتن مستعد خزش بیشتر خواهد بود.

رطوبت کم محیط: در محیط های خشک، خروج رطوبت از بتن سریع تر انجام می شود و خزش خشک شدگی افزایش می یابد. به همین دلیل شرایط اقلیمی پروژه یکی از عوامل موثر بر خزش بتن است.

مقدار زیاد خمیر سیمان: خزش بیشتر در خمیر سیمان رخ می دهد، نه در سنگدانه ها. بنابراین بتن هایی که خمیر سیمان بیشتری دارند، معمولا خزش بیشتری نشان می دهند.

کیفیت پایین سنگدانه: سنگدانه های سخت و متراکم می توانند خزش را کاهش دهند، اما سنگدانه های ضعیف، متخلخل یا نامرغوب باعث افزایش تغییر شکل بلندمدت بتن می شوند.

سطح تنش بالا: هرچه تنش وارد بر عضو بتنی نسبت به مقاومت آن بیشتر باشد، خزش نیز افزایش می یابد. در تنش های بالا، رفتار بتن غیرخطی تر شده و کنترل تغییر شکل دشوارتر می شود.

عوامل موثر بر میزان خزش بتن

میزان خزش در بتن به شرایط طراحی، اجرا، مصالح و محیط بستگی دارد. شناخت عوامل موثر بر میزان خزش بتن برای انتخاب طرح اختلاط مناسب، زمان بندی اجرا و تحلیل بلندمدت سازه ضروری است.

• سن بتن هنگام بارگذاری
• مقاومت فشاری بتن
• نسبت آب به سیمان
• نوع و مقدار سیمان
• نوع سنگدانه و مدول الاستیسیته آن
• مقدار خمیر سیمان در مخلوط
• شرایط عمل آوری بتن
• رطوبت نسبی محیط
• دمای محیط
• ابعاد و ضخامت عضو بتنی
• نسبت سطح به حجم عضو
• مدت زمان اعمال بار
• شدت تنش وارد بر عضو
• کیفیت تراکم بتن
• وجود افزودنی های شیمیایی یا معدنی
• نوع سیستم سازه ای و نحوه توزیع بار

نحوه محاسبه خزش بتن

محاسبه خزش در بتن معمولا با استفاده از ضریب خزش انجام می شود. ضریب خزش نسبت کرنش خزشی به کرنش الاستیک اولیه است. به بیان ساده، ابتدا تغییر شکل لحظه ای بتن تحت بار مشخص محاسبه می شود، سپس با توجه به سن بتن، مدت بارگذاری، رطوبت محیط، ابعاد عضو و مقاومت بتن، مقدار تغییر شکل خزشی به دست می آید. این روش در آیین نامه های طراحی بتن مانند ACI، Eurocode و مدل های پیش بینی خزش استفاده می شود.

در محاسبات مهندسی، کرنش کل بتن تحت بار بلندمدت از مجموع کرنش الاستیک، کرنش خزشی و گاهی کرنش جمع شدگی تشکیل می شود. اگر عضو بتنی تحت بار فشاری ثابت قرار گیرد، ابتدا کرنش الاستیک ایجاد می شود و سپس با گذشت زمان، کرنش خزشی به آن اضافه می گردد. بنابراین برای تحلیل دقیق، فقط مقاومت فشاری بتن کافی نیست و باید رفتار زمان مند بتن نیز در نظر گرفته شود.

در پروژه های حساس، آزمایش خزش بتن نیز می تواند برای تعیین رفتار واقعی مخلوط بتنی انجام شود. در این آزمایش، نمونه بتنی تحت تنش ثابت قرار می گیرد و تغییر شکل آن در طول زمان اندازه گیری می شود. خروجی این بررسی معمولا به صورت نمودار خزش بتن ارائه می شود؛ نموداری که نشان می دهد کرنش بتن در طول زمان چگونه افزایش پیدا می کند. این نمودار برای کنترل افتادگی بلندمدت، نشست، تغییر شکل ستون ها و رفتار قطعات پیش تنیده کاربرد دارد.

راهکارهای پیشگیری از خزش بتن

پیشگیری کامل از خزش بتن ممکن نیست، زیرا خزش بخشی از رفتار طبیعی بتن تحت بار بلندمدت است. با این حال، می توان مقدار آن را با طراحی درست، اجرای اصولی و کنترل کیفیت مصالح کاهش داد. هدف اصلی، محدود کردن تغییر شکل های بلندمدت تا حدی است که عملکرد سازه، دوام و بهره برداری آن دچار مشکل نشود.

کاهش نسبت آب به سیمان: کاهش آب اضافی باعث کم شدن تخلخل بتن و افزایش تراکم خمیر سیمان می شود. این کار یکی از موثرترین روش ها برای کاهش خزش است، البته باید با حفظ کارایی بتن انجام شود.

استفاده از سنگدانه با کیفیت: سنگدانه های سخت، مقاوم و دارای مدول الاستیسیته بالا، تغییر شکل بتن را محدود می کنند. انتخاب سنگدانه مناسب می تواند سهم مهمی در کاهش خزش داشته باشد.

افزایش مقاومت فشاری بتن: بتن با مقاومت بالاتر معمولا مدول الاستیسیته بیشتری دارد و در برابر تغییر شکل بلندمدت پایدارتر است. البته افزایش مقاومت باید با طرح اختلاط اصولی انجام شود.

عمل آوری کافی و اصولی: عمل آوری مناسب باعث تکمیل بهتر فرآیند هیدراتاسیون، کاهش ترک های اولیه و افزایش کیفیت خمیر سیمان می شود. بتن عمل آوری شده، رفتار خزشی کنترل شده تری دارد.

جلوگیری از بارگذاری زودهنگام: بهتر است اعضای بتنی قبل از رسیدن به مقاومت کافی تحت بارهای سنگین قرار نگیرند. زمان قالب برداری، انبار کردن مصالح روی سقف و اجرای طبقات بعدی باید با دقت کنترل شود.

کنترل رطوبت محیطی: در محیط های خشک، استفاده از روش های محافظتی، پوشش مرطوب، آب پاشی مناسب یا مواد عمل آورنده می تواند خروج سریع رطوبت از بتن را کاهش دهد.

استفاده صحیح از افزودنی ها: افزودنی های کاهنده آب، فوق روان کننده ها و برخی مواد معدنی مانند میکروسیلیس یا خاکستر بادی می توانند با بهبود ساختار بتن به کاهش خزش کمک کنند. البته مصرف آنها باید بر اساس طراحی آزمایشگاهی باشد.

طراحی مناسب ابعاد عضو: اعضای بسیار نازک یا با نسبت سطح به حجم بالا بیشتر در معرض تغییرات رطوبتی هستند. انتخاب ابعاد مناسب و کنترل ضخامت عضو می تواند رفتار بلندمدت بتن را بهتر کند.

کنترل سطح تنش در طراحی: هرچه تنش بهره برداری عضو کمتر باشد، احتمال افزایش خزش نیز کمتر خواهد بود. طراحی محافظه کارانه و رعایت محدودیت های آیین نامه ای در کنترل تغییر شکل بلندمدت موثر است.

پدیده خزش در بتن یکی از مهم ترین رفتارهای زمان مند بتن است که تحت بار ثابت و در طول زمان رخ می دهد. این پدیده می تواند باعث افزایش تغییر شکل، افتادگی تیرها، نشست ستون ها، کاهش دقت عملکرد سازه و حتی بروز ترک های ثانویه شود. دلایل ایجاد خزش در بتن شامل نسبت آب به سیمان بالا، عمل آوری ضعیف، بارگذاری زودهنگام، رطوبت کم محیط، کیفیت پایین مصالح و سطح تنش زیاد است. برای کنترل آن باید طرح اختلاط مناسب، بتن ریزی اصولی، عمل آوری کافی، انتخاب سنگدانه با کیفیت، محاسبه خزش در بتن و در پروژه های حساس، بررسی آزمایشگاهی و تحلیل نمودار خزش بتن مورد توجه قرار گیرد.

سوالات متداول