ضریب انبساط حرارتی بتن معیاری برای تشخیص تغییر ابعاد سازه‌های بتنی در مواجهه با تغییرات دمایی است. این معیار، اهمیت بسیار بالایی در رفتار ترک‌خوردگی بتن دارد. در این مقاله، به معرفی کامل مفهوم ضریب انبساط حرارتی، عوامل موثر و روش تعیین این ضریب می‌پردازیم.

فهرست مطالب این نوشته

انبساط حرارتی چیست؟

انبساط گرمایی یا انبساط حرارتی، تمایل ماده به تغییر شکل،‌ حجم، مساحت و چگالی در هنگام تغییر دما است. در مایعات و جامدات، یک تعادل دینامیکی بین نیروهای چسبندگی درون ماده وجود دارد که باعث می‌شود اتم‌ها و مولکول‌ها در کنار یکدیگر قرار بگیرند. تغییر شرایط محیطی نظیر افزایش دما، باعث بر هم خوردن این تعادل و افزایش فاصله بین اتم‌ها می‌شود.

دور شدن ذرات ماده بر اثر انبساط حرارتی
دور شدن ذرات ماده بر اثر انبساط حرارتی

رفتار مواد مختلف در مواجهه با تغییر دما با یکدیگر متفاوت است. از این‌رو، برای هر ماده یک ضریب انبساط حرارتی تعریف تعیین می‌شود. این ضریب، معمولا نسبت تغییرات طول یا حجم بر واحد دما را نمایش می‌دهد.

فرمول ضریب انبساط حرارتی

روابط مختلفی برای تعیین ضریب انبساط حرارتی مواد ارائه شده‌اند. در حالت کلی، ضریب انبساط حجمی گازها، مایعات و جامدات از رابطه زیر به دست می‌آید:

$$
\alpha=\alpha_{\mathrm{V}}=\frac{1}{V}\left(\frac{\partial V}{\partial T}\right)_{p}
$$

  • α: ضریب انبساط حجمی
  • p: بیانگر ثابت بودن فشار در حین انبساط
  • V: حجم
  • T: دما
  • \begin{equation} \left(\frac{\partial V}{\partial T}\right)\end{equation}: مشتق حجم بر حسب دما
  • v: بیانگر حجمی (در هر سه جهت) بودن انبساط

ضریب انبساط در جامدات

انبساط حراتی جامدات با در نظر گرفتن محدودیت جسم در جهت‌های مختلف مورد بررسی قرار می‌گیرد. اگر جسم مورد نظر از تمام جهات آزاد باشد، ضریب انبساط حرارتی با استفاده رابطه کلی (ضریب انبساط حجمی) قابل تعیین خواهد بود. در صورت آزادی انبساط جسم در یک جهت، باید از رابطه ضریب انبساط خطی (جایگزینی طول با حجم در رابطه کلی) استفاده کرد. انبساط خطی در اجسام کشیده (دارای طول زیاد)، با مفهوم کرنش نیز قابل تعریف است.

انبساط حرارتی ریل به دلیل گرمای بیش از حد هوا
انبساط حرارتی و تغییر شکل ریل به دلیل گرمای هوا

ضریب انبساط حرارتی بتن چیست؟

اکثر مواد با افزایش دما منبسط و با کاهش دما منقبص می‌شوند (ضریب انبساط حرارتی مثبت). رفتار بتن در مواجهه با تغییرات دما نیز به همین صورت است. ضریب انبساط حرارتی بتن کمیتی است که میزان تغییر ابعاد بتن هنگام تغییر دما را نمایش می‌دهد. بزرگی یا کوچکی سازه‌های بتنی مانند پل، سد، بزرگراه یا ساختمان باعث جلوگیری از اثرات انبساط حرارتی نمی‌شود. به همین دلیل، سازه‌های بتنی همیشه با مقداری انقباض یا انبساط حرارتی همراه هستند. به دلیل محدود شدن سطوح عضوهای بتنی توسط دیگر عضوهای سازه‌، این المان‌ها معمولا در یک جهت تغییر طول می‌دهند.

منشا تغییر دمای بتن چیست؟

تغییر دما در بتن معمولا به دلیل شرایط محیطی یا واکنش هیدراتاسیون (واکنش آب و سیمان) رخ می‌دهد. البته، امکان افزایش دمای بتن به دلیل مواجهه با آتش نیز وجود دارد. تاثیر این عوامل بر روی بتن عبارت است از:

  • عوامل محیطی: تغییر دمای تدریجی ناشی از تغییر فصل
  • هیدارتاسیون: افزایش دمای موقتی بتن تازه به دلیل انجام واکنش هیدراتاسیون بین آب و سیمان
  • آتش‌سوزی: افزایش دمای ناگهانی و موقتی ناشی از مواجهه سطح بتن با آتش

از بین موارد بالا، عوامل محیطی از اهمیت بالاتری برخوردار هستند. این عوامل، به دلیل تاثیر تدریجی و مداوم می‌توانند باعث تخریب بتن شوند.

ترک‌خوردگی بتن به دلیل تغییرات دمایی (چرخه ذوب و انجماد) ناشی از تغییر فصل
ترک‌خوردگی بتن به دلیل تغییرات دمایی (چرخه ذوب و انجماد) ناشی از تغییر فصل

ویژگی های حرارتی بتن کدام هستند؟

ضریب انبساط حرارتی تنها یکی از ویژگی‌های حرارتی بتن است. از دیگر ویژگی‌های حرارتی بتن می‌توان به ضریب انتقال حرارتی، ظرفیت گرمایی (ویژه) و ضریب نفوذ گرمایی اشاره کرد:

  • ضریب انتقال حرارتی یا هدایت حرارتی: میزان انتقال حرارت بین دو سطح مجاور با دمای متفاوت را نمایش می‌دهد. ضریب هدایت حرارتی بتن به ترکیبات و درجه اشباع آن بستگی دارد. این ضریب برای بتن معمولی بین 0.58 تا 1.63 وات بر متر کلوین (متوسط 1.13 وات بر متر کلوین) است.
  • ظرفیت گرمایی و گرمای ویژه: به میزان گرمای مورد نیاز برای تغییر یک درجه‌ای دمای ماده، ظرفیت گرمایی می‌گویند. گرمای ویژه، ظرفیت گرمایی تقسیم بر جرم ماده است. ظرفیت گرمایی ویژه اکثر بتن‌ها، در محدوده 1000 ژول بر کیلوگرم کلوین قرار دارند.
  • ضریب نفوذ گرمایی: معیاری برای اندازه‌گیری نرخ انتقال حرارت از نقطه گرم به نقطه سرد است. این ضریب از تقسیم ضریب هدایت حرارتی بر ظرفیت گرمایی ویژه به دست می‌آید.

تمام این ویژگی‌ها در کنار یکدیگر، عملکرد بتن در برابر تغییرات دمایی و مقاومت آن در برابر آتش را تعیین می‌کنند.

در رابطه مدیریت مصالح ساختمانی، آشنایی با نحوه شناسایی میلگردها و میلگردگذاری، فیلم آموزشی جامعی در مجموعه فرادرس تهیه شده است که می‌تواند در فراگیری این مبحث به شما کمک کند. لینک این فیلم در ادامه آورده شده است.

  • برای مشاهده فیلم آموزش روش‌های اجرای سازه‌های بتنی و فولادی و مدیریت مصالح ساختمانی + اینجا کلیک کنید.

ضریب انبساط حرارتی بتن چقدر است؟

ضریب انبساط حرارتی بتن معمولا در بازه 6-10*7 تا 6-10*12 بر درجه سانتی‌گراد قرار دارد. این مقدار بدان معناست که اگر یک دال بتنی 30 متری در معرض تغییر دمای 38 درجه‌ای (تغییرات دمای تقریبی زمستان تا تابستان) قرار گیرد، طول آن حدود 1.5 تا 1.8 سانتی‌متر تغییر می‌کند.

نوع سنگدانه میانگین ضریب انبساط حرارتی سنگدانه بر حسب 6-10 بر درجه سانتی گراد
خمیر سیمانی 11 تا 20
بتن معمولی 7 تا 12
بتن با سنگدانه سبک 7 تا 13
بتن اسفنجی (گازی) 9 تا 12.6
بتن غلتکی 10

ضریب انبساط حرارتی مواد تشکیل دهنده بتن

به منظور درک بهتر پارامترهای موثر بر ضریب انبساط حرارتی بتن ابتدا باید با ضریب انبساط حرارتی هر یک از اجزای آن آشنا شد. در ادامه، ضریب انبساط حرارتی مولفه‌های اصلی بتن (آب، هوا، سیمان و سنگدانه) را مورد بررسی قرار می‌دهیم.

ضریب انبساط حرارتی آب

طبق یک قاعده کلی، حجم مواد با افزایش دما افزایش می‌یابد. آب، از این قاعده مستثنی است. این مایع در دمای ۴ درجه سانتی‌گراد به حداکثر چگالی خود می‌رسد. یعنی با افزایش یا کاهش دما نسبت به ۴ درجه سانتی‌گراد، چگالی آن کاهش و به عبارت دیگر حجم آن افزایش می‌یابد. ضریب انبساط حجمی آب برابر 6-10*210 بر درجه سانتی‌گراد است. این ماده، ضریب انبساط حرارتی بسیار بیشتری نسبت به ترکیبات جامد بتن دارد.

تغییر حجم آب در ظروف به دلیل ضریب انبساط حرارتی آب

به دلیل ضریب انبساط حرارتی بالا، آب در مواجه با افزایش دما به سرعت افزایش حجم می‌دهد. در این شرایط، فشار منفذی درون حفره‌ها افزایش یافته و آب جریان می‌یابد. جریان یافتن آب به درون حفره‌های دیگر یا به خارج از بتن، کاهش فشار و حجم آن را در پی دارد.

ضریب انبساط حرارتی سیمان

سیمان ماده‌ای است که 10 درصد از ترکیب بتن را تشکیل می‌دهد. حدود 70 تا 90 درصد سیمان از آهک و سیلیکا تشکیل می‌شود. به همین دلیل این مواد تعیین‌کننده ضریب انبساط حرارتی سیمان خواهند بود. ضریب انبساط حرارتی آهک و سیلیکا به ترتیب برابر 6-10*1.4 و 6-10*0.6 است. این مقادیر بسیار پایین هستند. سیمان به صورت مستقیم بر روی ضریب انبساط حرارتی بتن تاثیر نمی‌گذارد. در واقع، محققان اغلب بر روی تاثیر خمیر سیمانی (مخلوط آب و سیمان) و ملات سیمانی مطالعه کرده‌اند.

ضریب انبساط حرارتی خمیر سیمانی

ضریب انبساط حرارتی خمیر سیمانی وابسته به زمان و تغییر فاز آن از حالت مایع به نیمه جامد و جامد است. در مراحل اولیه ساخت خمیر سیمانی (فاز مایع)، ضریب انبساط تحت تاثیر آب قرار می‌گیرد و به میزان قابل توجهی افزایش می‌یابد. سپس با شروع واکنش هیدارتاسیون و گیرش اولیه بتن (فاز نیمه جامد)، این ضریب کمتر می‌شود. در مرحله نهایی و با سفت شدن کامل خمیر (فاز جامد)، ضریب انبساط حرارتی افزایش می‌یابد تا به مقدار ثابتی برسد. در مجموع، ضریب انبساط حرارتی خیمر سیمانی معمولا بین 6-10*11 تا 6-10*16 و حداکثر 6-10*21 بر درجه سانتی‌گراد است. البته این مقادیر با توجه به درجه اشباع تغییر می‌کنند.

ضریب انبساط حرارتی هوا

گازها دارای ضریب انبساط حرارتی بسیار بالایی هستند. به عنوان مثال، ضریب انبساط هوای محیط حدود ۴-10*3۴ بر درجه سانتی‌گراد است. ترکیب آب و حباب‌های هوای درون خمیر سیمانی می‌تواند ضریب انبساط حرارتی بتن تازه را به حدود 6-10*30 بر درجه سانتی‌گراد برساند.

ضریب انبساط حرارتی سنگدانه

سنگدانه‌ها، معمولا حدود 80 درصد از ترکیب بتن را تشکیل می‌دهند. از این‌رو، این مواد به عنوان مهم‌ترین پارامتر موثر بر ضریب انبساط حرارتی بتن در نظر گرفته می‌شوند. ذرات شن و ماسه کوارتزیت، پرکاربردترین سنگدانه‌های مورد استفاده برای ساخت بتن هستند. ضریب انبساط حرارتی سنگدانه با توجه به سنگ مادر معمولا بین 6-10*0.9 تا 6-10*16 بر درجه سانتی‌گراد است. با این وجود، این ضریب برای اغلب سنگدانه‌ها بین 6-10*۵ تا 6-10*۱۳ بر درجه سانتی‌گراد قرار دارد. جدول زیر، ضریب انبساط حرارتی برخی از پرکاربردترین سنگدانه‌های مورد استفاده در بتن را نمایش می‌دهد.

نوع سنگ ضریب انبساط حرارتی خطی سنگدانه بر حسب 6-10 بر درجه سانتی گراد
گرانیت 1.8 تا 11.9
دیوریت، آندزیت 4.1 تا 10.3
گابرو، بازالت، دیاباز 3.6 تا 9.7
ماسه سنگ 4.3 تا 13.9
دولومیت 6.7 تا 8.6
سنگ آهک 0.9 تا 12.2
چرت 7.3 تا 13.1
مرمر 1.1 تا 16

به دلیل اهمیت بالای سنگدانه‌ها در بحث ضریب انبساط حرارتی بتن، این مواد را در بخش‌های بعدی به طور کامل مورد بررسی قرار می‌دهیم.

اهمیت ضریب انبساط حرارتی بتن در چیست؟

بتن ضریب انبساط حرارتی بسیار پایینی دارد. با این وجود، در صورت عدم اتخاذ اقدامات پیشگیرانه برای مقابله با انبساط و انقباض، امکان اعمال نیروهای بزرگ و ایجاد ترک در بخش‌های مختلف سازه به وجود می‌آید. این مسئله می‌تواند باعث شکست سازه در حالت عادی یا در صورت تکرار چرخه‌های انبساط و انقباض (شکست ناشی از خستگی) شود. ترک‌خوردگی بتن جوان به میزان زیادی به ضریب انبساط حرارتی آن بستگی دارد. در سازه‌های بتنی، اگر امکان پخش حرارت به عمق وجود نداشته باشد و انقباض/انبساط حرارتی سطح بتن بدون تغییر در دمای داخلی رخ بدهد، اختلاف دما بین بخش‌های مختلف عضوها به وجود می‌آید. این اختلاف دما، احتمال ترک‌خوردگی را افزایش می‌دهد. به این ترتیب، کاهش/افزایش طول ناشی از تغییرات دما باعث ترک خوردن عضوهای بتنی ثابت یا محدود شده توسط بخش‌های دیگر سازه می‌شود.

بلند شدن سطح روسازی پیاده‌رو به دلیل انبساط حرارتی ناشی از افزایش دما
بلند شدن سطح روسازی پیاده‌رو به دلیل انبساط حرارتی ناشی از افزایش دما

عدم توجه به اهمیت ضریب انبساط حرارتی و در نظر نگرفتن آن در طراحی می‌تواند هزینه‌های زیادی را در سازه‌هایی نظیر سد (مخصوصا سد بتن غلتکی)، پل، ساختمان و روسازی بتنی راه‌ها ایجاد کند. در برخی از موارد، اثرات حرارتی باعث تخریب کامل سازه (از بین رفتن تمام هزینه‌ها) و در موارد دیگر باعث تخریب جزئی (افزایش هزینه‌های تعمیر و نگهداری) می‌شوند. در مجموع، ارزیابی ضریب انبساط حرارتی بتن برای طراحی درزهای انبساطی و انقباضی، جلوگیری از حرکت افقی یا عمودی تکیه‌گاه‌های پل، طراحی سازه‌های نامعین استاتیکی (تاثیر تغییر دما روی تغییر طول سازه‌ها) و تعیین شیب حرارتی عضوهای پیش تنیده ضروری است.

درز چیست و چه کاربردی دارد؟

«درز» (Joint)، جداکننده‌ای است که امکان حرکت جزئی بخش‌های مختلف عضوهای بتنی را فراهم می‌کند. درزها، بهترین گزینه برای کنترل ترک خوردگی ناشی از تغییرات دمایی هستند. در صورت عدم ایجاد درز در ابعاد و فواصل مناسب، بتن با الگویی منطبق با نحوه محدودیت عضو و مسیر تغییر دما (شیب حرارتی) ترک می‌خورد. درز انقباض یا کنترلی، به شکل‌های مختلف بر روی پیاده‌رو، جاده، روسازی، کف و دیوارها ایجاد می‌شوند تا در صورت جمع شدگی حرارتی بتن، ترک در محدوده درز رخ دهد. ایجاد یک برش پیوسته توسط اره بر روی دال، از روش‌های ساده و اقتصادی برای ایجاد درزهای کنترلی است.

ایجاد برش بر روی سطح بتن RCC
ایجاد درز بر روی روسازی بتن غلتکی به منظور جلوگیری از ترک‌خوردگی ناشی از چرخه ذوب و انجماد

ضریب انبساط حرارتی بتن سبک دانه

میزان هدایت حرارتی و ضریب انبساط حرارتی در بتن‌های سبک‌دانه کم است. این دو ویژگی در شرایطی مناسب هستند که سطح بتن مانند روسازی جاده‌ها در معرض افزایش دمای موضعی قرار داشته باشد. در این شرایط، به دلیل استفاده از بتن با سنگدانه‌های سبک، انبساط حرارتی کمتر خواهد بود. این رفتار به همراه مدول الاستیسته پایین بتن سبک‌دانه، تنش‌های ناشی از اختلاف دمای بین ذرات را کاهش می‌دهد. در نتیجه، بتن از آسیب‌های موضعی در امان می‌ماند. علاوه بر این، ترکیب هدایت حرارتی و ضریب انبساط حرارتی پایین، مقاومت در برابر آتش را نیز بهبود می‌بخشد.

نکته: ضریب انبساط حرارتی بتن‌ّهای سبک (سبک‌دانه یا بدون ریزدانه) معمولا حدود 0.6 تا 0.8 بتن معمولی است. به همین دلیل، استفاده این دو نوع بتن در کنار یکدیگر می‌تواند باعث ایجاد مشکل شود.

ضریب انبساط حرارتی بتن و فولاد

بتن ماده‌ای با مقاومت فشاری خوب و مقاومت کششی پایین است. برای تقویت مقاومت کششی بتن می‌توان از مواد تقویت‌کننده استفاده کرد. در صورت وجود اختلاف زیاد بین ضریب انبساط حرارتی مواد، احتمال رخ دادن تنش‌های داخلی و تغییر شکل‌های اضافی افزایش می‌یابد. به همین دلیل، باید از موادی با مقاومت کششی بالا و ضریب انبساط حرارتی مشابه در ترکیب بتن استفاده کرد.

مقطع بتن مسلح

میلگرد فولادی، یکی از متداول‌ترین گزینه‌ها برای تقویت خواص مقاومتی بتن است. ضرایب انبساط حرارتی بتن و فولاد تقریبا مشابه یکدیگر هستند. این مسئله باعث سازگاری مناسب این دو ماده برای ترکیب شدن با یکدیگر و ساخت بتن مسلح شده است. یکی دیگر از فواید ترکیب بتن و فولاد، کاهش احتمال ترک‌خوردگی ناشی از تغییرات دمایی است.

عوامل موثر بر ضریب انبساط حرارتی بتن چه هستند؟

ضریب انبساط حرارتی بتن به پارامترهایی نظیر سنگدانه (نوع سنگدانه، نسبت ماسه به سیمان)، درجه اشباع، نسبت آب به سیمان، محدوده دما و سن بتن بستگی دارد. از بین این پارامترها، سنگدانه و درجه اشباع از اهمیت بالاتری برخوردار هستند.

تاثیر سنگدانه بر ضریب انبساط حرارتی بتن

سنگدانه به عنوان اصلی‌ترین پارامتر تعیین کننده ضریب انبساط حرارتی بتن در نظر گرفته می‌شود. از میان خواص حراراتی سنگدانه‌ها، ضریب انبساط حرارتی، گرمای ویژه و هدایت حرارتی این مواد بر روی عملکرد بتن تاثیرگذار هستند. گرمای ویژه و هدایت حرارتی اغلب در بتن ریزی‌ حجیم یا سازه‌های بتنی عایق مورد بررسی قرار می‌گیرند. در این بخش، تاثیر سنگدانه بر روی ضریب انبساط حرارتی بتن را توضیح می‌دهیم.

انواع مختلف سنگدانه مورد استفاده در بتن
انواع مختلف سنگدانه مورد استفاده در بتن

نوع سنگدانه

ضریب انبساط حرارتی بتن به میزان زیادی به نوع سنگدانه‌های مورد استفاده در آن بستگی دارد؛ چراکه سنگدانه‌ها حدود 80 درصد از وزن حجمی بتن را تشکیل می‌دهند. به علاوه، ضریب انبساط حرارتی انواع مختلف سنگدانه‌ها تفاوت بسیار زیادی با یکدیگر دارند. در نتیجه، هر چه ضریب انبساط حرارتی سنگدانه بالاتر باشد، ضریب انبساط حرارتی بتن بیشتر می‌شود. البته میزان افزایش ضریب انبساط بتن به نسبت سنگدانه‌های مورد استفاده و به طور کلی، طرح اختلاط بستگی خواهد داشت. جدول زیر، انواع سنگدانه‌ها، ضریب انبساط حرارتی آن‌ها و تاثیرشان بر ضریب انبساط حرارتی بتن را نمایش می‌دهد.

نوع سنگدانه میانگین ضریب انبساط حرارتی سنگدانه بر حسب 6-10 بر درجه سانتی گراد میانگین ضریب انبساط حرارتی بتن بر حسب 6-10 بر درجه سانتی گراد
کوارتزیت و چرت 11 تا 12.5 11.9 تا 12.8
ماسه سنگ 10.1 تا 12.1 10.1 تا 11.7
ماسه کوارتزی و شن 9.9 تا 12.8 10.8 تا 15.7
گرانیت و گنایس 5.8 تا 9.5 6.8 تا 9.5
سیئنیت 5.4 تا 8.1 7.9 تا 9.5
دیوریت، آندزیت
گابرو، دیاباز، بازالت
سنگ آهک 3.6 تا 6.5 6.1 تا 9.2
مرمر 4 تا 7 4.1
دولومیت 7 تا 9.9
شیل منبسط شده، رس و لای 6.5 تا 8 6.5 تا 8.1
سرباره منبسط شده 7 تا 11.2 7 تا 11.2
سرباره کوره آهن‌گدازی 9.2 تا 10.6
پوکه معدنی 9.4 تا 10.8 9.4 تا 10.8
پرلیت 7.6 تا 11 7.6 تا 11.7
ورموکولیت 8.3 تا 14.2
باریت 18
لیمونیت، مگنتیت 8.3 تا 10.8
بدون سنگدانه (سیمان خالی) 18.5

با توجه به جدول بالا مشاهده می‌کنید که ضریب انبساط حرارتی بتن نزدیک به ضریب انبساط حرارتی سنگدانه‌های مورد استفاده در آن است. با این وجود، برای تخمین این ضریب برای بتن، معمولا میانگین وزنی ضریب انبساط حرارتی خمیر سیمانی سخت شده و سنگدانه‌ها را اندازه‌گیری می‌کنند.

نکته: به دلیل تعدد پارامترهای تاثیرگذار بر روی ضریب انبساط حرارتی، بازه نتایج حاصل از مطالعات صورت گرفته با یکدیگر متفاوت هستند. به عنوان مثال، جدول ارائه شده در این بخش و بخش قبلی از منابع مختلف گرفته شده‌اند و بازه‌های متفاوتی را نمایش می‌دهند.

نسبت سنگدانه به سیمان

اهمیت تاثیر نسبت سنگدانه به سیمان بر ضریب انبساط حرارتی بتن، در اختلاف بین ضرایب انبساط حرارتی این دو ماده است. در واقع ضریب انبساط بتن، برآیند ضرایب انبساط مواد تشکیل دهنده آن است. جدول زیر، ضریب انبساط حرارتی بتن بر اساس نسبت ماسه به سنگدانه را نمایش می‌دهد.

نسبت ماسه به سیمان میانگین ضریب انبساط حرارتی بتن بر حسب 6-10 بر درجه سانتی گراد
سیمان خالی 18.5
۱ به ۱ 13.5
۳ به ۱ 11.2
۶ به ۱ 9.5

بر اساس جدول بالا، افزایش نسبت ماسه به سیمان باعث افزایش ضریب انبساط حرارتی بتن می‌شود.

تاثیر درجه اشباع بر ضریب انبساط حرارتی بتن

حجم آب موجود در فضای متخلخل بتن به حجم کل فضای خالی با عنوان درجه اشباع شناخته می‌شود. درجه اشباع، یکی دیگر از مهم‌ترین عوامل موثر بر ضریب انبساط حرارتی بتن است. در بسیار از مطالعات صورت گرفته، منحنی درجه اشباع در برابر ضریب انبساط حرارتی به صورت محدب است و حداکثر مقدار ضریب انبساط آن در درجه اشباع 70 تا 80 درصد رخ می‌دهد. نمودار زیر، رابطه بین رطوبت نسبی بر ضریب انبساط حرارتی بتن را نمایش می‌دهد.

تاثیر درجه اشباع بر ضریب انبساط حرارتی بتن

تاثیر خمیر سیمانی بر ضریب انبساط حرارتی بتن

خمیر سیمانی تاثیر زیادی بر روی ضریب انبساط حرارتی بتن ندارد. پس از ورود به فاز جامد، سنگدانه‌ها پارامتر غالب در تعیین این ضریب خواهند بود. به همین دلیل با گیرش بتن، تاثیر خمیر سیمانی بر ضریب انبساط تقریبا از بین می‌رود. در مجموع، ضریب انبساط حرارتی دوغاب (خمیر سیمانی)، بتن تازه و بتن سخت شده، یک کمیت وابسته به زمان است. این ضریب، پس از گیرش اولیه بتن کاهش می‌یابد. سپس با گذشت زمان و گیرش نهایی، به مرور به یک مقدار ثابت میل می‌کند. نمودار زیر، تغییرات ضریب انبساط حرارتی خمیر سیمانی در سن‌های مختلف را نمایش می‌دهد.

تغییرات ضریب انبساط حرارتی خمیر سیمانی در سن‌های مختلف

اگر اختلاف بین ضریب انبساط حرارتی سنگدانه‌های درشت و خمیر سیمانی زیاد باشد، تغییرات دمایی بزرگ باعث جابجایی‌های متفاوت و شکستن پیوند بین سنگدانه و سیمان می‌شوند. به طور کلی، اختلاف قابل توجه بین ضرایب معمولا در سنگدانه‌هایی با ضریب انبساط بسیار پایین (نوع خاصی از گرانیت، سنگ آهک و مرمر) رخ می‌دهد.

تاثیر نسبت آب به سیمان بر ضریب انبساط حرارتی بتن

تاثیر نسبت آب به سیمان (مواد سیمانی) بر ضریب انبساط حرارتی بتن زیاد نیست؛ چراکه پس از گیرش بتن، رفتار آب تغییر می‌کند. افزایش دما، باعث افزایش حجم آب در منافذ می‌شود. با این وجود، آب بر خلاف ذرات جامد می‌تواند درون این منافذ جریان پیدا کند. این ویژگی، کاهش فشار آب منفذی را در پی خواهد داشت. در آزمایشات صورت گرفته بر روی نمونه‌های اشباع با نسبت آب به سیمان 0.4 تا 0.6، ضریب انبساط حرارتی خمیر سیمانی در محدوده 6-10*18 تا 6-10*20 قرار داشت. این میزان از تغییرات در ضریب انبساط حرارتی خمیر سیمانی، تاثیر چندانی بر روی ضریب انبساط حرارتی بتن نخواهد داشت.

تاثیر خاکستر بادی بر ضریب انبساط حرارتی بتن

خاکستر بادی، یک مکمل سیمانی و از افزودنی‌‌های معدنی پرکاربرد در ترکیب بتن است. این ماده به طور گسترده به جای سیمان مورد استفاده قرار می‌گیرد. استفاده از خاکستر بادی باعث کاهش قابل توجه ضریب انبساط حرارتی خمیر سیمانی می‌شود. البته پس از شروع گیرش یا در مراحل اولیه گیرش، ضریب انبساط خمیر سیمانی حاوی خاکستر بادی از ضریب خمیر سیمانی معمولی بیشتر است. این مسئله می‌تواند به دلیل قرارگیری خمیر در فاز مایع باشد.

تاثیر روش عمل آوری بر ضریب انبساط حرارتی بتن

روش عمل آوری بتن نیز بر روی ضریب انبساط حرارتی آن تاثیرگذار است. فقط در صورت اجرای روش عمل آوری با بخار آب، ضریب انبساط حرارتی بتن تحت تاثیر قرار نمی‌گیرد. در این روش، ضریب انبساط از شروع گیرش تا گیرش نهایی تقریبا ثابت است. جدول زیر، رابطه بین شرایط عمل آوری، محتوای سیمان و ضریب انبساط حرارتی برای بتن 28 روزه در دمای پایین‌تر از 260 درجه سانتی‌گراد را نمایش می‌دهد.

شرایط عمل آوری محتوای سیمان (کیلوگرم بر متر مکعب) ضریب انبساط حرارتی بتن بر حسب 6-10 بر درجه سانتی گراد
مرطوب 435 7.6
310 12.8
245 11
هوا با 50 درصد رطوبت 435 7.7
310 7.7
245 9.6
هوای خشک 355 6.1
355 4.7

تاثیر دما بر ضریب انبساط حرارتی بتن

ضریب انبساط حرارتی بتن در بازه‌های مختلف دمایی تغییر می‌کند. به همین دلیل، رفتار مواد تشکیل‌دهنده باید در بازه‌های حرارتی متفاوت مورد بررسی قرار گیرد. به عنوان مثال،‌ رفتار کوارتز در دمای 574 درجه سانتی‌گراد معکوس می‌شود و سپس به طور ناگهانی و به مقدار 0.85 درصد افزایش حجم می‌دهد. از این‌رو، کوارتز به هیچ عنوان در ساخت بتن‌های مقاوم در برابر آتش مورد استفاده قرار نمی‌گیرد. اختلاف بین جابجایی‌ها و ضریب انبساط حرارتی سنگدانه و خمیر سیمانی می‌تواند به دلیل نیروهای ناشی از جمع شدگی باشد. از این‌رو، در بازه بین 4 تا 60 درجه سانتی‌گراد، اختلاف بین این ضرایب پارامتر غالب بر مقاومت پیوند نیست.

تاثیر ضریب انبساط حرارتی بر چگالی بتن چیست؟

انبساط حرارتی باعث تغییر فاصله بین ذرات می‌شود. این مسئله حجم ماده را تغییر می‌دهد اما تاثیر چندانی بر روی جرم آن ندارد. به ترتیب چگالی بتن کاهش می‌باید.

تاثیر ضریب انبساط حرارتی بر دوام بتن چیست؟

در صورتی که اختلاف بین ضریب انبساط حرارتی سنگدانه و خمیر سیمانی بیشتر از 6-10*5.5 بر درجه سانتی‌گراد باشد، دوام بتن در مواجهه با چرخه ذوب و انجماد تحت تاثیر قرار می‌گیرد.

تاثیر ضریب انبساط حرارتی بر مقاومت بتن چیست؟

در حین عمل آوری بتن، احتمال رخ دادن ترک‌های ریز ناشی از اختلاف بسیار زیاد انبساط حرارتی حباب‌های هوا با ذرات جامد در خمیر سیمانی به وجود می‌آید. این مسئله، مقاومت بتن بلند مدت را تحت تاثیر قرار می‌دهد. البته پس از 28 روز، افزایش دمای حین عمل آوری، مقداری از این کاهش مقاومت جبران می‌کند. به طور کلی، تاثیر ضریب انبساط حرارتی بر مقاومت بتن برای شرایطی است که احتمال ترک‌خوردگی در آن‌ها بیشتر است.

معرفی فیلم آموزش روش‌های اجرای سازه‌‌های بتنی و فولادی و مدیریت مصالح ساختمانی

بتن، پرکاربردترین مصالح ساختمانی در دنیا است. این ماده به همراه فولاد در ساخت سازه‌های بتن آرمه مورد استفاده قرار می‌گیرد. نحوه به کارگیری مصالح ساختمانی، تاثیر زیادی بر روی مقاومت سازه و هزینه‌های ساخت دارد. به منظور آشنایی دانشجویان، فارغ‌التحصیلان و فعالان حوزه ساخت و ساز با میلگرد و دیگر مصالح ساختمانی مورد استفاده در سازه‌های بتنی و فولادی، فرادرس آموزش جامعی به مدت 23 ساعت و 29 دقیقه در قالب هشت درس آماده کرده است.

در درس‌‌های یکم تا هشتم به ترتیب به کلیات مدیریت مصالح ساختمانی، تهیه و نگهداری سیمان، میلگردها و الزامات گودبرداری، ملاحظات اجرای جوشکاری، ملاحظات اجرای اتصالات پیچی، میلگردگذاری، ملاحظات اجرای قالب‌بندی و ملاحظات بتن‌ریزی پرداخته شده است.

  • برای مشاهده فیلم آموزش روش‌های اجرای سازه‌های بتنی و فولادی و مدیریت مصالح ساختمانی + اینجا کلیک کنید.

آزمایش ضریب انبساط حرارتی بتن چیست؟

آزمایش ضریب انبساط حرارتی بتن روشی برای تعیین تغییر طول احتمالی عضوهای بتنی در هنگام مواجهه با تغییرات دمایی است. برای اجرای این آزمایش، استانداردهای مختلفی وجود دارد که در ادامه به معرفی آن‌ها می‌پردازیم.

روش دانمارکی

یکی از روش‌های اندازه‌گیری ضریب انبساط حرارتی بتن، روش دانمارکی بر اساس استاندارد TI-B 101 است. در این روش، نمونه بتن با ابعاد 400*100*100 میلی‌متر در معرض تغییر دمای 5 تا 30 درجه سانتی‌گراد قرار می‌گیرد. سپس، تغییر شکل طولی نمونه اندازه‌گیری می‌شود. در نهایت، ضریب انبساط حرارتی بتن از تقسیم تغییر شکل بر تغییر دما به دست می‌آید.

آزمایش ضریب انبساط حرارتی بتن

استاندارهای دیگر

اندازه‌گیری مستقیم ضریب انبساط حرارتی بتن معمولا بر اساس استاندارد AASHTO TP336 انجام می‌گیرد. این استاندارد جایگزین استاندارد AASHTO TP60 شده است. استاندارد 21086 ایران مطابق با ASTM C (تعیین جمع‌شدگی خطی و ضریب انبساط حرارتی ملات‌ها، دوغاب‌ها، پوشش یکپارچه و بتن پلیمری مقاوم به مواد شیمیایی)، یکی دیگر از استانداردهای موجود برای تعیین خواص حرارتی مصالح بتنی است.

اگر این مطلب برای شما مفید بوده است، آموزش‌ها و مطالب زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

بر اساس رای ۰ نفر
آیا این مطلب برای شما مفید بود؟
شما قبلا رای داده‌اید!
اگر بازخوردی درباره این مطلب دارید یا پرسشی دارید که بدون پاسخ مانده است، آن را از طریق بخش نظرات مطرح کنید.

«حسین زبرجدی دانا»، کارشناس ارشد مهندسی استخراج معدن است. فعالیت‌های علمی او در زمینه تحلیل عددی سازه‌های مهندسی بوده و در حال حاضر آموزش‌های مهندسی عمران، معدن و ژئوتکنیک مجله فرادرس را می‌نویسد.