ضریب انبساط حرارتی بتن چیست؟ — اهمیت، عوامل موثر و آزمایش | آنچه باید بدانید

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.

انبساط حرارتی چیست؟

انبساط گرمایی یا انبساط حرارتی، تمایل ماده به تغییر شکل،‌ حجم، مساحت و چگالی در هنگام تغییر دما است.

فیلم آموزش فیزیک پایه 3 – جامع و کاربردی در فرادرس

کلیک کنید

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.

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.

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.

فیلم آموزش روش های اجرای سازه های بتنی و فولادی و مدیریت مصالح ساختمانی در فرادرس

کلیک کنید

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.

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.

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.

فیلم آموزش طراحی سازه های بتن آرمه 1 – بتن مسلح در فرادرس

کلیک کنید

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.

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.

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.