ترک ها در بتن

بتن به­ عنوان مصالحی با دوام در بسیاری از سازه­ ها مانند ساختمان ­ها، سدها، پل­ ها و … به‌کار رفته است. سازه­ های بتنی در مدت بهره ­برداری در اثر عوامل مخرب فیزیکی، شیمیایی و مکانیکی مختلفی قرار می­ گیرند و باعث ایجاد خرابی­ هایی در سازه می­ شوند. شروع خرابی در سازه ­های بتنی با ایجاد ترک در بتن همراه است. برای آشنایی با ترک ها در بتن با ما همراه باشید.

شکل­ گیری ترک ­ها در بتن دلایل زیادی دارند که ممکن است فقط به‌صورت ظاهری مشاهده و یا باعث کاهش دوام سازه شوند. بروز ترک شروعی برای مشکلات جدی­ تر است؛ که این مشکلات بستگی به نوع ترک و ماهیت آن دارند؛ برای مثال، ترکی که ممکن است در یک ساختمان مورد قبول باشد؛ در یک سازه مخزن آب غیرقابل‌قبول است. بعد از شناسایی ترک، برای حفظ قابلیت سرویس­ دهی، افزایش مدت بهره­ برداری و عمر مفید سازه، می­ بایست خرابی­ های ایجادشده به­ خصوص ترک­ ها ترمیم گردند. درواقع، تشخیص نوع ترک پیش­ نیازی برای تعیین روش ترمیم است که بررسی علت وقوع و راهکار­های جلوگیری از گسترش آن بسیار اهمیت دارند [۱].

انواع ترک در بتن

ترک­ ها در دو حالت؛ بتن پلاستیک و سخت شده موردبررسی قرار می­گیرند. در ایجاد ترک­ های سازه ­های بتنی، روش طراحی، ارائه جزئیات، روش ساخت، طرح مخلوط بتن و کیفیت مصالح مصرفی اهمیت بسیاری دارند [۲]. بدین منظور بر اساس زمان شکل­ گیری، ترک­ های ایجادشده مطابق زیر تقسیم­ بندی می­ شوند [۳]:

مرحله پلاستیک (در حین اجرا و جایگیری در قالب)

• جمع­ شدگی پلاستیک (Plastic Shrinkage)
• نشست پلاستیک (Plastic Settlement یا Differential Settlement of Staging Supports)

مرحله سخت شدگی (از هفته اول سن بتن تا ۲۸ روزگی آن)

• مقید بودن در حرکت زودهنگام ناشی از تغییرات حرارتی (Constraint to Early Thermal Movement)
• جمع­­ شدگی کوتاه‌مدت ناشی از خشک شدن (Drying Shrinkage)
• تفاوت نشست در تکیه­ گاه­ ها (Differential Settlement Of Supports)

مرحله مقاوم شدگی­ (پس از سن ۲۸ روز و در حالت سرویس­ دهی)

• اضافه‌بار (Over Load)
• طراحی دسته پایین (Under-Design)
• عدم دقت در ساخت (Inadequate Construction)
• عدم دقت کافی در جزئیات (Inadequate Detailing)
• نشست متفاوت در فونداسیون (Differential Settlement of Foundations)
• حملات سولفاته روی سیمان (Sulphate Attack on Cement in Concrete)
• زنگ زدن میلگرد (Rusting of Reinforcement)
• واکنش قلیایی­ های داخل سیمان با سنگ‌دانه (Alkali-Aggregate Reaction)
• ترک­ های ناشی از ساخت، حمل و نصب در قطعات پیش­ ساخته و یا در اعضای بتن مسلح

(Fabrication, Shipment and Handling Cracks in Precast Prestressed or RC Members)

• ترک­ های موزاییکی (Crazing)
• ترک­ های ناشی از آب‌وهوا (Weathering Crack)
• ترک­ های بلندمدت تحت جمع­ شدگی ناشی از خشک شدن (Drying Shrinkage)

در ادامه به بررسی انواع ترک ­ها در بتن پرداخته می­ شود [۲ و ۳].

۱- ترک­ خوردگی در بتن پلاستیک

۱-۱- ترک ناشی از جمع ­شدگی پلاستیک

ترک­ های ناشی از جمع­ شدگی پلاستیک زمانی رخ می ­دهند که نرخ تبخیر رطوبت از سطح بتن تازه سریع­ تر از جایگزینی آن باشد؛ سطح بتن با توجه به مقاومت بتن زیر لایه سطحی که در حال خشک شدن است دچار جمع­ شدگی می­ شود و با توسعه تنش کششی در بتن پلاستیک در حال سخت شدن؛ این پدیده منجر به شکل­ گیری ترک­ های کم­ عمق مختلف می­ شود. شکل­ گیری ترک‌خوردگی ناشی از جمع شدگی پلاستیک معمولاً با ترکیب عواملی چون از دست­ دادن سریع رطوبت ناشی از دمای بالای هوا و بتن، رطوبت نسبی کم و سرعت بالای باد در سطح بتن رخ می­ دهد.

این ترک­ ها ممکن است به‌صورت تصادفی از یک الگوی چندضلعی یا موازی یکدیگر تشکیل شوند. ترک­ های ناشی از جمع شدگی پلاستیک روی سطوح بتن به‌طورمعمول با عرض ۳ میلی‌متر گسترش می‌یابند. طول این ترک­ ها از چند اینچ تا چند فوت با فواصل چند میلی‌متر تا ۳ متر و به‌صورت مجزا هستند. ترک ناشی از جمع ­شدگی پلاستیک به‌عنوان یک ترک کم ­عمق شروع به شکل­ گیری می­ نماید اما توانایی تبدیل به یک ترک عمیق و سرتاسری در بتن را دارد. شکل ۱ نمونه­ ای از ترک ناشی از جمع­ شدگی پلاستیک را نشان می ­دهد.

بتن با مقدار آب آزاد کم و بتن­ های حاوی مواد افزودنی معدنی (به­ خصوص دوده سیلیس) تمایل بیشتری به جمع­ شدگی پلاستیک نسبت به بتن­ های با مقدار آب آزاد بالا دارند؛ علت اصلی شکل ­گیری ترک ناشی از جمع­ شدگی پلاستیک تغییرات حجم بتن است. روش موفق در مهار شکل­ گیری این نوع ترک، کاهش در تغییر حجم نسبی بین سطح بتن و بقیه قسمت­ های آن است. راهکارهایی از قبیل؛ استفاده از نازل که جهت اشباع کردن برای عمل‌آوری و کیفیت سطح بتن، پوشش ­های پلاستیکی برای سطح بتن پس از اتمام پرداخت سطح نهایی، بادشکن جهت کاهش باد، چادر و سایه­ بان جهت کاهش درجه حرارت سطح.

۱-۲- ترک ناشی از نشست پلاستیک

بتن پس از جایگیری اولیه در قالب به دلیل خاصیت سیالی آن به تراز شدن تمایل دارد. پس از تراکم و پرداخت نهایی سطح؛ در طول این دوره بتن پلاستیک ممکن است در جهت جایگیری، در محدوده­ای با میلگردها یا قالب مواجه شود که باعث شکل‌گیری فضای خالی، ترک یا هر دو در کنار عامل محدود‌کننده می­ شود. افزایش قطر میلگرد، افزایش اسلامپ و کاهش پوشش مقاطع بتنی باعث افزایش این نوع ترک­ ها می‌گردد. افزودن الیاف باعث کاهش ترک­ های ناشی از نشست می ­شوند. شکل ۲ نمونه ­ای از ترک ناشی از نشست پلاستیک را نشان می­ دهد.

۲- ترک ­خوردگی در بتن سخت شده

۲-۱- ترک ناشی از جمع­ شدگی تحت خشک شدن

علت شایع ترک­ خوردگی در انواع جمع­ شدگی­ ها، در تنش‌های وارده بر اثر جمع­­ شدگی ناشی از خشک شدن است؛ خشک شدن ناشی از دست دادن رطوبت از خمیر سیمان می‌تواند منجر به جمع­ شدگی به‌اندازه ۱ درصد شود که با مقاومت داخلی مصالح این مقدار به ۰۶/۰ درصد کاهش می­ یابد. به‌عبارت‌دیگر بتن با جذب رطوبت، ازلحاظ ابعادی پایدار نمی­ ماند و تمایل به انبساط و افزایش حجم دارد که این حجم معادل کاهش حجمی است که ناشی از دست دادن رطوبت است. این تغییرات حجم ناشی از مشخصه ذاتی بتن است. بتن در محیط­ های غیراشباع، به علت خروج آب از منافذ ژل C-S-H خمیر سیمان دچار تغییرشکل ناشی از خشک ­شدن می­ شود [۲].

اگر در بتن بدون ایجاد تنش و مقاومت جمع­ شدگی رخ دهد، ترک ایجاد نمی­ شود؛ درواقع، بتن آزادانه بدون قیدی حرکت کند، تنشی برای ایجاد ترک اتفاق نمی­ افتد؛ زیرا این ترک­ ها به علت ترکیب اثر جمع­ شدگی و مقاومت داخلی است که باعث شکل­ گیری مقاومت کششی و ایجاد یا گسترش ترک می­ شوند. چنانچه تنش کششی ایجادشده از مقاومت مجاز کششی بتن بیشتر باشد، بتن ترک خواهد خورد. در مقاطع بتنی با سطح گسترده، تنش­ های کششی به دلیل اختلاف جمع­ شدگی در سطح و داخل بتن رخ می‌دهند. مقدار زیاد جمع­ شدگی­ در سطح بتن باعث بروز ترک شده و گذشت زمان باعث افزایش عمق آن می‌شود. شکل ۳ نمونه­ ای از ترک ناشی از جمع­ شدگی را نشان می­ دهد.

میزان تنش ­های کششی ناشی از تغییر حجم تحت تأثیر ترکیبی از عوامل مانند؛ مقدار و میزان جمع­ شدگی، مقاومت داخلی، مدول الاستیسیته و مقدار خزش است. همچنین، مقدار جمع ­شدگی ناشی از خشک شدن به مقدار، نوع سنگ‌دانه، خمیر سیمان، نسبت آب به سیمان مخلوط بتن و میزان رطوبت محیط مربوط است. هرچه مقدار و سختی سنگ‌دانه افزایش یابد، با توجه به ثبات حجمی سنگ‌دانه و ایجاد موانع داخلی، مقدار جمع­ شدگی کاهش خواهد یافت. افزایش رطوبت محیط باعث کاهش سرعت نسبی خروج رطوبت از قسمت­ های داخلی به سطح بتن می­ گردد [۴].

۲-۲- ترک ناشی از تنش ­های حرارتی

به دلیل از دست­ دادن گرمای هیدراتاسیون سیمان با سرعت­ های متفاوت در قسمت­ هایی از سازه یا سرد و گرم­ شدن قسمتی از سازه نسبت به سایر قسمت­ ها، اختلافات دمایی درون یک سازه به وجود می­ آیند. این تفاوت ­های دمایی منجر به تغییرات حجم می‌شوند و هنگامی‌که فشارهای کششی ناشی از تغییرات حجم بیش از مقاومت کششی باشد بتن ترک می­ خورد.

اختلاف دما به همراه تغییرات حجم ناشی از توزیع گرمایی هیدراتاسیون سیمان معمولاً با بتن حجیم مرتبط هستند؛ به‌طوری‌که بتن های حجیم شامل ستون­ های بزرگ، پایه‌ها، تیرها، فونداسیون و همچنین سدها هستند. درحالی‌که تغییرات دمایی ناشی از تغییر در دمای محیطی هر سازه­ ای را می­ تواند تحت تأثیر قرار دهد.

ترک­ خوردگی­ ها در بتن حجیم می­تواند ناشی از دمای بالاتر در قسمت داخلی بتن نسبت به سطح خارجی آن باشند. این گرادیان دمای ایجادشده به دلیل گرم شدن بیش‌ازحد مرکز بتن نسبت به بیرون آن، آزاد شدن گرما در حین هیدراتاسیون سیمان و یا سرد شدن سریع­ تر قسمت بیرونی نسبت به قسمت داخلی است. هر دو حالت ذکرشده باعث ایجاد تنش کششی در قسمت خارجی سطح بتن می­ شود و اگر این میزان بیشتر از مقاومت کششی باشد بتن دچار ترک‌خوردگی می ­شود.

به‌منظور کمک در راستای کاهش ترک‌خوردگی بتن ناشی از تنش حرارتی می­توان از سه روش­ اصلی زیر استفاده کرد:

• کاهش حداکثر دمای داخلی
• ایجاد تأخیر در شروع عملیات خنک‌سازی
• افزایش توان کششی بتن

روش ­های دیگر موجود برای مقابله با این نوع ترک­ ها که برای کاهش ترک‌خوردگی در بتن حجیم استفاده می‌شوند در ACI 207.1R، ACI 207.2R، ACI 207.4R و ACI 224R ارائه‌شده‌اند. شکل ۴ نمونه­ ای از ترک ناشی از تنش ­های حرارتی را نشان می­ دهد.

بتن سخت شده دارای ضریب انبساط حرارتی در محدوده ۶ تا ۱۳ میکرون بر درجه سانتی­ گراد و میزان معمول ۱۰ میکرون بر درجه سانتی­ گراد است. هنگامی‌که قسمتی از یک سازه تحت تغییرات حجم ناشی از دما قرار می­ گیرد احتمال ترک‌خوردگی ناشی از تنش­ های حرارتی وجود دارد. گرادیان دما منجر به انحراف و چرخش در قسمت­ های سازه می‌شود؛ بنابراین اگر سازه ­ای دارای قید باشد تنش­ های شدیدی در سازه ایجاد می‌شوند (ACI 343R). یکی از راهکارهای جلوگیری از این اتفاق؛ فراهم ساختن امکان حرکت سازه با استفاده از درزهای انقباض که به‌طور مناسب طراحی‌شده­ اند. با محافظت از اتصالات در سازه­ ها و اجرای دقیق جزئیات می‌توان این مشکلات را هموار نمود.

۲-۳- ترک ناشی از واکنش­ های شیمیایی

واکنش­ های شیمیایی مخرب بتن ممکن است باعث ترک‌خوردگی آن شوند؛ این واکنش ­ها می­ توانند ناشی از مصالح مصرفی بتن یا مواد در تماس با بتن سخت شده باشند. برخی مفاهیم اصلی برای کاهش واکنش­ های شیمیایی مخرب در این قسمت ارائه‌شده اند.

بتن ممکن است با گذشت زمان ترک بخورد؛ این موضوع نتیجه توسعه واکنش­ های انبساطی بین قسمت­ هایی از بتن که حاوی قلیایی­ ها و سیلیکات­ های فعال ناشی از هیدراتاسیون سیمان هستند؛ همچنین وجود منابع خارجی دیگر مانند آب­ های زیرزمینی، مواد شیمیایی ضد یخ مصرفی و محلول­ های قلیایی می ­تواند این واکنش­ های انبساطی را به وجود آورد. واکنش ­های قلیایی به دو دسته قلیایی-سیلیسی و قلیایی-کربناتی تقسیم می شود.

زمانی که قلیایی­ های موجود در سیمان (Na_۲O و K_۲O) با کانی­ های سیلیسی سنگ‌دانه‌ها واکنش می­ دهند؛ ژل­ های قلیایی-سیلیسی داخل صفحات ضعیف بتن، در منافذ (جایی که سیلیس فعال وجود داشته باشد) و سطح ذرات سنگ‌دانه‌ها تشکیل می­ شوند؛ اگر این قسمت در معرض رطوبت قرار گیرد؛ انبساط یافته و منجر به افزایش حجم بتن، ترک‌خوردگی و درنهایت باعث تخریب کامل سازه می­ شود. شکل ۵ نمونه­ ای از ترک ناشی از واکنش قلیایی-سیلیسی را نشان می­ دهد. ترک­ های ایجادشده تحت واکنش قلیایی-سیلیسی می­ تواند در محدوده عرض ۱/۰ میلی ­متر تا طول ۱۰ میلی­ متر در حالت­های عادی باشد. این ترک­ ها به­ ندرت بیش از ۲۵ میلی­ متر تا حداکثر ۵۰ میلی­ متر عمق دارند. این ترک­ ها تأثیر زیادی در مقاومت فشاری ندارند ولی باعث نفوذ عوامل مضر در بتن می­ شوند [۵].

واکنش قلیایی-سیلیسی فقط باوجود آب رخ می ­دهد که برای ادامه واکنش، رطوبت نسبی داخل بتن در دمای ۲۰ درجه سانتی­ گراد باید ۸۵ درصد باشد. در دمای زیادتر واکنش می­تواند در رطوبت نسبی کمتر اتفاق می‌افتد. افزایش دما قابلیت انحلال سیلیس را افزایش می ­دهد.

با توجه به اینکه حضور آب برای انجام این واکنش­ ها ضروری است، بهترین اقدام برای توقف این واکنش، خشک نمودن سطح بتن و جلوگیری از تماس با آب است. اقدامات کنترلی دیگر شامل استفاده از سنگ‌دانه‌های غیرفعال، سیمان با مقدار کم قلیایی و پوزولان­ های حاوی ذرات سیلیس فعال هستند. اولین اقدام می ­تواند مانع ایجاد مشکل شود؛ درحالی‌که دو اقدام دیگر باعث کاهش اثر فعالیت قلیایی سیلیسی است که منجر به تشکیل کلسیم سیلیکات هیدراته غیرقابل انبساط می­ شود. تر و خشک­ شدن متناوب در بتن، مهاجرت­ های قلیایی را از نقاط مرطوب به خشک تشدید می کند.

دیگر واکنش موجود، واکنش مخرب قلیایی-کربناتی است. سنگ‌دانه‌های کربناتی با مواد قلیایی واکنش می ­دهند که در برخی موارد انبساط باعث ترک‌خوردگی می­ شود. واکنش ­های مخرب قلیایی-کربناتی معمولاً مربوط به سنگ‌آهک‌های دولومیت مانند خاک رس هستند (ACI 201.2R). بتن تحت این واکنش­ ها دارای ترک ­های گسترده­ ای خواهد شد.

این مشکل می­ تواند با پرهیز از سنگ‌دانه‌های فعال، کاهش درصد مصرف سنگ‌دانه‌های واکنش­ پذیر به‌وسیله اختلاط با سنگ‌دانه غیرفعال، استفاده از مصالح سنگی با حداکثر اندازه ذرات کوچک­تر و استفاده از سیمان با مقدار کم قلیایی کاهش پیدا کند (ACI 201.2R).

سولفات­ های موجود در آب و خاک مشکلات اساسی در دوام بتن ایجاد می­ کنند. معمولاً سولفات سدیم، پتاسیم، منیزیم و کلسیم که در خاک و آب هستند؛ نمک ­های جامد به‌صورت محلول می توانند با خمیر هیدراته شده واکنش دهند. هنگامی­ که سولفات به داخل خمیر سیمان راه می­ یابد با کلسیم آلومینات تماس پیدا می­ کند که باعث تشکیل کلسیم سولفور آلومینات می­ شود و منجر به افزایش حجم شود. این افزایش حجم باعث توسعه ترک­ هایی در فضای خالی کم شده و درنهایت بتن را تخریب می­ کند. شکل ۶ نمونه ­ای از ترک ناشی از حمله سولفاتی را نشان می­ دهد.

سولفات سدیم و منیزیم آثار مخرب­ تری روی بتن دارند. حمله سولفات­ ها به بتن نه‌تنها باعث ترک‌خوردگی می­ شود؛ بلکه به دلیل از بین رفتن پیوستگی خمیر هیدراته شده و چسبندگی سیمان به سنگ‌دانه‌ها باعث افت مقاومت و دوام بتن می­ گردد. بتن پس از در معرض قرار گرفتن حمله­ های سولفاتی، رنگ سفید دارد و خساراتی که معمولاً از لبه­ ها و گوشه­ ها شروع می­ شوند و با ترک‌خوردگی تدریجی، بتن را به حالتی ترد و نرم تبدیل می­ کنند [۵ و ۲].

سیمان­ های مقاوم در برابر سولفات که در ASTM C595 و ASTM C1157 ذکرشده‌اند، در بهبود مقاومت در برابر سولفات مؤثر هستند؛ همچنین استفاده از پوزولان­ ها­ باعث افزایش مقاومت در برابر حملات سولفاتی می ­شوند. نسبت آب به سیمان پایین در جلوگیری از حمله شدید سولفاتی مؤثر است.

در اثر استفاده از نمک ­های ضد یخ در سطح بتن سخت شده، شرایط ویژه­ای ایجاد می ­شوند. کلرایدهای موجود در مواد شیمیایی ضد یخ می­ توانند به داخل بتن نفوذ کنند و مقاومت در برابر خوردگی را کاهش دهند. از آنجایی‌که محصولات ناشی از خوردگی حجم بیشتری نسبت به فلز اصلی دارد؛ خوردگی می­ تواند باعث پوسته شدگی و ترک خوردن بتن شود. افزودنی های ضد یخ همچنین بتن را مستعد آسیب­ های ناشی از یخ زدن و آب شدن می­ کند.

برای حداقل کردن اثرات ناشی از این عوامل مخرب، بتنی که در معرض نمک ­های قابل انحلال در آب قرار دارد باید هوازایی شود. در صورت داشتن پوشش کافی از فولاد تقویت‌کننده و استفاده از بتن باکیفیت، دوام بالا و نفوذپذیری پایین اثرات مخرب محدود می­ گردد. اثر این ­ها و سایر مشکلات مربوط به دوام بتن با جزئیات بیشتر در ACI 201.2R آمده است.

در صورت حضور کربن دی­ اکسید در هوا، کلسیم سیلیکات هیدراته و کلسیم هیدروکسید در خمیر سیمان با آن در مجاورت رطوبت ترکیب و باعث تشکیل کلسیم کربنات می­ شوند؛ هنگامی‌که این واکنش رخ می‌دهد، بتن تحت جمع­ شدگی کربناتاسیونی قرار می‌گیرد که می‌تواند منجر به شبکه‌های از ترک­ های ریز در سطح بتن شوند. عامل اصلی این واکنش ­زایی اسیدکربنیک است زیرا کربن دی­اکسید گازی شکل واکنش­زا نیست.

کربناته شدن به‌خودی‌خود باعث گسیختگی بتن نمی­شود اما باعث کاهش PH بتن می­شود که این کاهش در PH می­تواند باعث حل شدن لایه اکسید محافظ میلگردهای موجود در بتن شود و در صورت وجود اکسیژن و رطوبت کافی خوردگی اتفاق می‌افتد [۲ و ۵]. علاوه بر این سطوح تازه بتنی که در معرض کربن دی‌اکسید حاصل از تهویه نامناسب گرم­کن­ های احتراق در ۲۴ ساعت اولیه قرار دارد، مخصوصاً در فصل زمستان که برای گرم نگه‌داشتن بتن به کار می­رود، مستعد کربناتاسیون هستند.

۲-۴- ترک ناشی از شرایط آب و هوایی

فرآیندهای فرسایشی در اثر هوا می‌توانند منجر به ترک‌خوردگی شوند؛ فرآیندهایی شامل چرخه­ های ذوب و انجماد، خشک شدن و سرد و گرم شدن هستند. آسیب ناشی از چرخه ذوب و انجماد در شرایط فیزیکی نامساعد آب و هوایی از بقیه موارد رایج‌تر است. بتن ممکن است با یخ بستن آب موجود در خمیر یا توده بتن آسیب ببیند. آسیب ناشی از یخ‌زدگی در بتن سخت شده در اثر حرکت آب به سمت نواحی یخ‌زده و برای حفره ­های آبی بزرگ­تر در اثر فشار هیدرولیکی تولیدشده از رشد بلوره‌های یخ ایجاد می‌شود [۶]. ذرات سنگ‌دانه توسط خمیر سیمان احاطه می‌شوند که از فرار سریع آب جلوگیری می‌کند. هنگامی‌که سنگ‌دانه‌ها دارای رطوبت بیش از درجه اشباع باشند، انبساط آب جذب‌شده در طول یخ‌زدگی ممکن است موجب ترک خوردن خمیر سیمان احاطه‌کننده شود یا به خود سنگ‌دانه‌ها آسیب بزند [۷]. در شکل ۷ نمونه ­ای از ترک ناشی از چرخه­ های ذوب و انجماد مشاهده می ­شود.

بهترین راه حفاظت از سیمان در برابر چرخه ذوب و انجماد، استفاده از کمترین نسبت آب به سیمان اجرایی، حداقل مقدار کل آب و هوازایی کافی است. نگهداری و عمل‌آوری کافی پیش از قرار گرفتن در شرایط یخ‌زدگی نیز اهمیت دارند.

سایر فرآیندهای فرسایش در اثر هوا که می‌توانند منجر به ترک خوردن بتن شوند عبارت‌اند از خشک شدن با گرم و سرد شدن که هردوی این فرآیندها باعث تغییرات حجمی می‌شوند که می‌توانند با تغییر حجم زیاد منجر به ترک‌خوردگی شوند.

۲-۵- ترک ناشی از خوردگی

خوردگی یک فلز عبارت است از یک فرآیند الکتروشیمیایی که به یک عامل اکسیدکننده، رطوبت و جریان الکترون در فلز نیاز دارد. یک سری واکنش‌های شیمیایی روی سطح فلز رخ می‌دهند که باعث ایجاد خوردگی می‌شود (ACI 201.2R, ACI 222R). راه حفاظت از فلز در برابر خوردگی جلوگیری یا برگشت ­پذیر کردن واکنش­ های شیمیایی است. این کار می‌تواند از طریق قطع منبع اکسیژن یا رطوبت و یا از طریق تأمین الکترون­ های اضافی در آن به‌منظور جلوگیری از ایجاد یون­ های فلزی انجام شود. به این روش حفاظت کاتدی گفته می­ شود.

میلگردها معمولاً در ابتدا در بتن دچار خوردگی نمی­ شوند؛ زیرا یک پوشش اکسیدی محافظت­ کننده با چسبندگی بالا در محیط شدیداً قلیایی شکل می ­گیرد که به‌عنوان حفاظت غیرفعال شناخته می ­شود، بااین‌وجود اگر خاصیت قلیایی بتن از طریق کربناتاسیون کاهش یابد یا تخریب فولاد توسط یون­ های مهاجم (معمولاً کلرایدها) رخ دهد، میلگردها ممکن است خورده شوند. خوردگی فولاد، اکسید و هیدروکسید آهن تولید می‌کنند که حجمی بسیار بیشتر از حجم فلز آهن اصلی دارند. این افزایش حجم منجر به تنش‌های زیادی اطراف میلگردها شده و باعث ایجاد ترک ­های شعاعی موضعی می ­شوند. این ترک‌های جداکننده می‌توانند در طول میلگرد رشد کنند و باعث تشکیل ترک­ های طولی در راستای میله، پوسته‌پوسته شدن و قلوه­ کن شدن بتن شوند. یک ترک گسترده نیز ممکن است در صفحه میله­ ها موازی با سطح بتن شکل بگیرد و منجر به لایه‌لایه شدن شود که یک مشکل متداول در کف پله­ ها است. در این مرحله مقاومت عضو به مقدار زیادی کاهش می­ یابد و عمر مفید سازه کاهش پیدا می­ کند [۲ و ۵].

ترک­ ها دسترسی به اکسیژن، رطوبت و کلرایدها را بالا می‌برند؛ بنابراین ترک­ های طولی کوچک می ­توانند شرایطی فراهم کنند که در آن خوردگی و رشد ترک با سرعت بیشتری رخ دهند. اگر نفوذپذیری بتن پایین باشد، ترک‌های عمود بر میلگرد نمی‌توانند باعث خوردگی مداوم شوند. بخشی از میلگرد که در معرض ترک قرار دارد به‌عنوان آند عمل می‌کند.

آرماتور می‌تواند با توجه شرایط محیطی مختلف وضعیت­ های متفاوتی داشته باشد [۲]:

• وضعیت خوردگی غیرفعال[۱]: در سازه­ های که در معرض هوا قرار دارند و اکسیژن به‌اندازه کافی در محیط بتن وجود دارد؛ همچنین لایه محافظ بر روی سطح آرماتور تشکیل می ­شود. این وضعیت در سازه‌های قرارگرفته که دور از ساحل و دریا و کاملاً بالاتر از سطوح آب زیرزمینی و به‌دوراز تماس با خاک اتفاق می­ افتد.
• وضعیت خوردگی حفره ­ای[۲]: زمانی که یون­ های کلر به سطح آرماتور رسیده و لایه محافظ شکل‌گرفته روی آن از بین رفته باشد، خوردگی از نوع حفره­ ای رخ می ­دهد. در این حالت برای اینکه خوردگی توسعه یابد نیاز به اکسیژن در محیط بتن وجود دارد؛ این خوردگی در سازه‌های قرارگرفته در ناحیه جزر و مدی رخ می‌دهد. رطوبت موردنیاز برای این وضعیت بین ۸۰ تا ۹۰ درصد است که بستگی به مشخصات و خواص بتن دارد.
• وضعیت خوردگی یکنواخت[۳]: این نوع خوردگی در مناطقی رخ می‌دهد که به علت شرایط آب و هوایی و محیطی خاص کربناتاسیون شدت زیادی دارد و PH بتن براثر پدیده کربناتاسیون کاهش‌یافته است. این خوردگی در نقاطی که آب از یک سمت جذب بتن می ­شود و از سمت دیگر تبخیر شده و اثر خود را روی بتن جا می‌گذارد، اتفاق می‌افتد. نمونه اجرایی آن در قسمت پایین ستون­ ها است.
• وضعیت فعال بدون حضور اکسیژن[۴]: در سازه­ ای به وجود می‌آید که مغروق در آب دریا بوده و یون کلر به سطح آرماتور رسیده است ولی به دلیل عدم وجود اکسیژن کافی در محیط بتن لایه محافظ شکل نمی­ گیرد. در این حالت باوجود امکان ایجاد مقدار پتانسیل زیاد در بتن، خوردگی بسیار ناچیز است.

در سال­ های اول، خوردگی موضعی رخ می‌دهد؛ هرچه ترک پهن ­تر باشد خوردگی بیشتر است؛ زیرا بخش بیشتری از میلگرد حفاظت غیرفعال خود را ازدست‌داده است. بااین‌وجود برای رخ دادن خوردگی مداوم، اکسیژن و رطوبت باید برای سایر بخش‌های میلگردها که با تماس مستقیم یا با استفاده از ادواتی ازنظر الکتریکی متصل هستند، تأمین شود. اگر ترکیب چگالی و ضخامت پوشش برای محدود کردن جریان اکسیژن و رطوبت کافی باشد، فرآیند خوردگی خودبه‌خود قطع می‌شود.

اگر به دلیل از دست رفتن حفاظت غیرفعال و در دسترس بودن اکسیژن و رطوبت در تمام طول ترک، ترک‌های طولی ایجاد شوند، خوردگی می‌تواند ادامه پیدا کند. سایر دلایل ایجاد ترک‌های طولی نیز می‌تواند منجر به آغاز خوردگی شوند. به‌طورکلی برای ساخت بتن بهترین راه حفاظت در برابر قلوه‌کن شدن­ های ناشی از خوردگی، استفاده از بتن با نفوذپذیری پایین و پوشش کافی است. افزایش پوشش[۵] میلگرد از طریق محدود کردن کربناتاسیون و همین‌طور اکسیژن، رطوبت و کلرایدها، فرآیند خوردگی را به تأخیر می‌اندازند و همین‌طور در مقاومت در برابر قلوه ­کن شدن و لایه‌لایه شدن ناشی از خوردگی یا تنش کششی عمودی مؤثر است. در مورد میلگردهای بزرگ و پوشش ­های ضخیم ممکن است نیاز به افزودن میلگردهای تقویت‌کننده عمودی کوچک با حفظ حداقل نیازمندی‌های پوشش باشد تا قلوه‌کن شدن را محدود کند و پهنای ترک ثبتی را کاهش دهد (ACI 345R).

در شرایط خورنده شدید، ممکن است اقدامات حفاظتی اضافی لازم باشند. برخی گزینه‌ها عبارت‌اند از میلگردهای پوشش‌دار، بتونه کردن سطوح روکش کنترل خوردگی روی بتن، فرآیندهای بازدارنده خوردگی و حفاظت کاتدی. درواقع؛ هر روشی که به‌طور مؤثر از دسترسی اکسیژن و رطوبت به سطح فولاد جلوگیری یا جریان الکترون را در آن برعکس کند از فولاد حفاظت می‌کند. در اغلب موارد باید اجازه داد آب بتن تبخیر شود. در شکل ۸ ترک ناشی از خوردگی میلگرد در پایه پل مشاهده می ­شود.

۲-۶- ترک ناشی از ساخت بی­ کیفیت

روش­ های ساخت ضعیف و بی­ کیفیت می­ توانند منجر به ترک در سازه‌های بتنی شوند. مهم ­ترین این موارد، روش متداول افزودن آب به بتن به‌منظور بهبود عملکردی و کارایی آن است. آب افزوده‌شده مقاومت را کاهش داده و نشست و جمع­ شدگی ناشی از خشک شدن را افزایش می­ دهد. این افزایش آب هنگامی‌که با میزان سیمان بیشتر به­ منظور جبران کاهش مقاومت همراه شود، به معنای تفاوت دمایی بین بخش‌های داخلی و خارجی سازه خواهد بود که منجر به افزایش تنش­ های حرارتی و امکان ایجاد ترک می‌شود. علاوه بر این با افزودن مواد سیمانی حتی اگر نسبت آب به سیمان ثابت بمانند جمع شدگی بیشتری روی خواهد داد؛ زیرا حجم خمیر افزایش‌یافته است.

عدم نگهداری و عمل‌آوری صحیح، ترک سازه بتنی را افزایش خواهد داد. پایان دادن زودهنگام به عمل‌آوری بتن، درزمانی که خمیر مقاومت کافی ندارد منجر به افزایش جمع شدگی می‌شود. همچنین عدم هیدراتاسیون کافی سیمان، نه‌تنها موجب کاهش مقاومت در درازمدت می‌شود بلکه دوام سازه را نیز کاهش می­ دهد.

۲-۷- ترک ناشی از اضافه‌بار در حین ساخت

بارهای وارد بر سازه در حین ساخت اغلب می‌توانند از بارهایی که هنگام بهره­ برداری استفاده می‌شوند، شدیدتر باشند. متأسفانه این شرایط ممکن است در سال‌های اولیه رخ دهد که بتن بیش از همیشه مستعد صدمه خوردن است و غالباً منجر به ترک ­های دائمی خواهند شد.

اعضای پیش‌ساخته مانند تیرها و قاب­ ها دائماً در معرض این مشکل هستند. یک خطای متداول زمانی رخ می‌دهد که اجزای پیش‌ساخته به‌طور مناسب حین انتقال و نصب پشتیبانی نشده­ اند. استفاده از نقاط باربرداری متداول یا دلخواه ممکن است منجر به آسیب شدید شود. طراح باید دهانه­ ها، میخ­ ها و سایر ملحقات باربرداری را با جزئیات بیان یا تأیید کند. هنگامی‌که تکیه­ گاه­ های باربرداری غیرکاربردی هستند، دسترسی به کف عضو باید میسر باشد و برای این کار می‌توان از تسمه استفاده کرد. انجمن PCI در معیارهای عملکرد کنترل کیفیت، اطلاعاتی را در رابطه با دلایل حفاظت و ترمیم ترک­ های مربوط به ساخت، انتقال تیرها، ستون ­ها، دال های توخالی و پیش‌ساخته و پیش کشیده فراهم کرده است.

در هنگام باربرداری، یک تیر یا قاب بزرگ که سریع پایین آورده شود یا به‌طور ناگهانی متوقف شود، باعث ایجاد بار ضربه ­ای می ­شود که چندین برابر وزن معمولی آن عضو است.

هنگام انتقال اعضای پیش ­ساخته، طراح باید از بارهایی که ممکن است در طول جابجایی وارد شود آگاه باشد. مثال­ هایی از این موارد که در طول انتقال اعضای پیش‌ساخته بزرگ توسط جرثقیل یا تریلی رخ می­ دهند عبارت­ اند از؛ بالا پایین پریدن زنجیرها یا محل­ های تنگ عبوری در آزادراه ­ها، پیچش ناشی از تغییر مسیر خودرو، افزایش ارتفاع زیاد بین تریلی و جرثقیل.

در تیرهای پیش ­تنیده، معمولاً هنگامی‌که تیرها کمتر از یک روز از ساختشان می­گذرند، می ­توانند مشکلات ترک‌خوردگی بزرگی در هنگام آزاد کردن تنش ایجاد کنند. چند رشته از کابل­ های پس کشیده باید با رعایت الگوی مشخص آزاد شوند تا از بارهای غیرعادی و غیرقابل‌قبول روی یک عضو خودداری شود. اگر تمامی کابل­ های پس کشیده در یک سمت تیره آزاد شوند درحالی‌که کابل ­های سمت دیگر همچنان تحت تنش هستند، ممکن است در سمتی که رشته­ ها باز نشده­ اند ترک‌خوردگی رخ دهد. در مورد تیرهای T شکل با بال­ های سنگین و پایه نازک ممکن است ترک­ ها در محل اتصالات جان به بال توسعه می­ یابند.

یک روش دیگر که می­تواند منجر به ترک در نزدیکی انتهای تیر شود، جوشکاری نقطه ­ای یا خال‌جوش ورق­ه ای فلزی به میلگردها به‌منظور اینکه آن­ها را در طول بتن­ ریزی در جای خود نگه دارد است. خال‌جوش ­ها زمانی می ­شکنند که فشار کافی برای شکست به آن ­ها القاشده باشد.

شوک ­های حرارتی نیز اگر به‌طور مناسب با آن برخورد نشود می‌تواند منجر به ترک‌خوردگی شوند. این اتفاق در بتن­ های عمل‌آوری شده با بخار بیشتر اتفاق می­ افتد. حداکثر سرعت خنک‌سازی که به‌طور پیوسته استفاده می ­شود ۴۰ درجه سانتی­ گراد بر ساعت است (ACI 517.2R). به‌منظور دسترسی به انتهای تیرهای پیش‌ساخته در هنگام بریدن کابل­ ها و میلگردها، اگر روکش­ های حفاظتی که برای نگه‌داشتن گرما استفاده‌شده‌اند کنار زده شوند و دمای محیطی پایین باشد شوک حرارتی می­تواند رخ دهد. شرایط مشابه و احتمال ترک ­خوردگی در قاب پنجره ­ها و آجرهای پیش ­ساخته هنگامی‌که افت دمای شدید در سطح آن­ها رخ می­دهد، وجود دارد.

در اجرای بتن­ های درجا، هنگامی‌که از گرم­کن برای بالا بردن دمای محیط استفاده می‌شود، می‌تواند به‌طور نامشخصی در معرض تنش­ های ناشی از اختلاف دمای گرم و سرد قرار گیرد. معمولاً از پوشش­ هایی با پشم‌شیشه برای پوشاندن ورودی درها و پنجره‌ها استفاده می‌شود و گرم‌کن‌های با حجم بالا داخل محیط بسته کار می‌کنند. اگر گرم­کن­ ها نزدیک اعضای بتنی خارجی خصوصاً دیوارهای نازک قرار داده شوند، یک گرادیان دمایی غیرقابل‌قبول بالایی در اعضا ایجاد می ­شود و قسمت داخلی دیوار نسبت به قسمت خارجی منبسط خواهد شد. برای حداقل کردن این اثر، گرم‌کن‌ها باید دور از دیوارهای خارجی نگه‌داشته شوند؛ این کار به‌منظور پرهیز از جمع­ شدگی ناشی از خشک شدن موضعی و ترک‌خوردگی کربناتاسیونی انجام شود.

نگهداری مواد و ابزار در طول ساخت در سازه ممکن است به‌راحتی منجر به شرایط بارگذاری بیشتر از بار طراحی شود. کنترل شدیدی باید برای جلوگیری از سرعت بارگذاری بیش‌ازحد انجام شود.

۲-۸- ترک ناشی از طراحی اشتباه و تعیین جزئیات

اثرات ناشی از خطا در طراحی و تعیین جزئیات نامناسب می­ تواند منجر به مشکلات زیادی شود. این مشکلات تنها می‌تواند با فهم کامل رفتار سازه کاسته شود.

خطا در طراحی و تعیین جزئیات که ممکن است باعث ترک­ های غیرقابل ­قبول شود عبارت­ اند از استفاده از جزئیات ضعیف راجع به اعضای پیش ­ساخته و قطعات؛ انتخاب و یا شرح جزئیات نامناسب میلگردها؛ بستن و محدود کردن اعضایی که در معرض تغییرات حجمی ناشی از تغییرات دمایی و رطوبت هستند؛ عدم وجود اتصالات کافی؛ و طراحی نامناسب پی‌ریزی و فونداسیون که منجر به حرکت دیفرانسیلی در سازه می ­شود.

محل اتصال المان­ های قائم به کف موقعیتی برای تمرکز تنش فراهم می­ کنند؛ بنابراین، اولین محل­ ها برای آغاز ترک هستند. تنش های بالایی ناشی از هرکدام از موارد تغییرات حجمی، در نزدیکی محل اتصال المان­ های قائم به کف وجود دارد. مثال­ های معروف؛ ورودی­ های در و پنجره در دیوارهای بتنی و تیرهای با انتهای پلکانی هستند. استفاده از میلگردهای مورب اضافی برای کنترل عرض ترک و جلوگیری از رشد آن­ ها اجتناب‌ناپذیر است.

استفاده از میزان ناکافی میلگرد خود می‌تواند منجر به ترک اضافه شود؛ همچنین محدود کردن اعضایی که دائماً در معرض تغییرات حجمی هستند باعث ترک می­ شود. تنش­ هایی که می توانند در اثر خزش ناشی از گیرداری، تفاوت­ های دمایی و جمع­­ شدگی ناشی از خشک شدن در بتن رخ دهند، می­توانند چندین برابر تنش ­های ناشی از بار باشند. یک دال، دیوار یا تیر که در برابر تغییر شکل محدودشده است، حتی اگر پیش‌تنیده باشد می­تواند به‌سادگی تنش ­های کششی را توسعه دهد که به سهم خود می‌تواند منجر به ترک‌خوردگی شوند. دیوارهایی که به‌طور مناسب طراحی‌شده‌اند باید دارای درز‌های انقباضی بافاصله یک تا سه برابر ارتفاع دیوار باشند و بتوانند حرکت کنند.

طراحی فونداسیون به‌طور نامناسب ممکن است باعث حرکت دیفرانسیلی اضافه در سازه شود. اگر این حرکت دیفرانسیلی نسبتاً کوچک باشد ممکن است مشکلات ترک‌خوردگی تنها به‌صورت ظاهری باشد. بااین‌وجود، اگر نشست دیفرانسیلی زیاد باشد سازه ممکن است نتواند بار را سریعاً دوباره توزیع کند و شکست رخ می­ دهد.  یکی از مزایایی بتن مسلح، در صورت رخ دادن حرکت در بازه زمانی طولانی، خزش اجازه می‌دهد مقدار محدودی از بار دوباره توزیع شود.

اهمیت خطا در طراحی و تعیین جزئیات مناسب به نوع سازه و بارگذاری آن نیز بستگی خواهد داشت. در سازه­ ای که ترک ممکن است مشکلات کاربری بزرگی ایجاد کند، باید اهمیت ویژه ­ای به طراحی و شرح جزئیات داده شود. این سازه­ ها همچنین نیازمند بررسی مداوم در طول تمامی فازهای اجرایی به جهت تأمین لوازم طراحی و شرح جزئیات مناسب هستند.

 

 

 

 

۳- مراجع

[۱] Emmons P., Sordyl D., (2006). The state of the concrete repair industry and a vision for its Future, Concrete Repair Bulletin, 7-14

[۲] Von-Fay K. F., (2015). Guide to Concrete Repair, U. S. Department of the Interior bureau of Reclamation Technical Service Center.

[۳] American Concrete Institute; (2007). ACI Committee 224 “Causes, Evaluation, and Repair of Cracks in Concrete Structures”.

[۴] Vaysburd A. M., Emmons P.H., (1997). Corrosion protection in concrete repair; Myth and Reality. Concrete International, 47-56

[۵] Mehta P. K., Monterio P. J. M., (2006). Concrete: Microstructure, Properties, and Material. Third Editation, McGreaw-Hill.

[۶] Powers, T. C., 1975, “Freezing Effects in Concrete,” Durability of Concrete, SP-47, American Concrete Institute, Farmington Hills, MI, pp. 1-11.

[۷] Callan, E. J. (1952). “Thermal expansion of aggregates and concrete durability.” ACI Journal Proceedings, 48(2), 485-504.

https://www.icri.org/resource/

https://www.concrete.org/

https://www.scirp.org/

[۱] Passive State Corrosion

[۲] Pitting Corrosion

[۳] General Corrosion

[۴] Active, Low Potential Corrosion

[۵] Cover