جمع شدگی حرارتی

مواد به طور کلی بر اثر گرم شدن منبسط و بر اثر سرد شدن منقبض می گردند. کرنش ایجاد شده بر اثر تغییرات دما به ضریب انبساط ماده و میزان افزایش یا کاهش دما بستگی دارد. به جز در شرایط آب و هوایی خیلی سخت، سازه های بتنی معمولی بر اثر تغییرات دما در محدوده دمای طبیعی دچار تنش و خرابی نمی شوند. با این وجود، در سازه های بتنی حجیم، اثر توأم حرارت حاصل از واکنش های سیمان و ضعف انتقال حرارت بتن سبب افزایش درجه حرارت بتن به میزان قابل ملاحظه ای، ظرف مدت چند روز پس از بتن ریزی می گردد. سپس سرد شدن بتن تا دمای محیط سبب بروز ترک در بتن می شود. از آنجا که در طراحی سازه بتنی حجیم سعی بر این است که سازه یکپارچه و بدون ترک ساخته شود لذا کوشش میشود که دمای بتن با انتخاب مصالح مناسب، طرح اختلاط مناسب، عمل آوری و اجرای سازه، کنترل گردد (به فصل ۱۱ مراجعه کنید).

در مصالحی با مقاومت کششی کم، نظير بتن، کرنش جمع شدگی ناشی از سرد شدن اهمیت بیشتری نسبت به انبساط ناشی از حرارت هیدراتاسیون سیمان دارد. دلیل این امر آن است که بسته به مدول ارتجاعی، درجه قید، و وادادگی تنش ناشی از خزش، تنشهای کششی ایجاد شده آنقدر زیاد هستند که منجر به ترک می شوند. به عنوان مثال، به فرض آنکه ضریب انبساط حرارتی بتن () برابر با x10 -6۱۰ بر درجه سانتیگراد و افزایش دما نسبت به دمای محیط ()، بر اثر حرارت هیدراتاسیون، برابر با ۱۵ باشد، جمع شدگی حرارتیناشی از افت دمای  برابر یا10-6× ۱۵۰ میشود. مدول ارتجاعی بتن معمولی (E) می تواند برابر با 106Kg/cm2× ۲۱/. فرض شود. اگر عضو بتنی کاملا مقید باشد (۱=Kr) ، آنگاه سرد شدن سبب ایجاد تنش کششی معادل در آن می شود. از آنجا که مقاومت کششی ارتجاعی بتن معمولی کمتر ازمیباشد در صورتی که هیچگونه وادادگی تنشی موجود نباشد، احتمال ترک خوردگی زیاد خواهد بود (شکل1-4).

با این وجود، همواره وادادگی تنش ناشی از خزش وجود دارد. با داشتن ضریب خزش می توان تنش کششی () را از رابطه زیر محاسبه نمود:

 

(4-4)

 

که در آن  تنش کششی، درجه قید، E مدول ارتجاعی، aضریب انبساط حرارتی،  تغییر دما و ضریب خزش می باشد.

عوامل موثر بر مدول ارتجاعی و خزش بتن در بخش قبلی مورد بحث قرار گرفت. تحلیل سایر عواملی که در معادله 4-4)) موثرند و می توانند تنش های حرارتی را تغییر دهند در زیر خواهد آمد.

عوامل موثر بر تنش های حرارتی

درجه قید () – یک عضو بتنی اگر بتواند آزادانه حرکت کند هیچگونه تنشی به علت تغییرات حرارتی ناشی از سرد شدن در آن ایجاد نمی شود. با این وجود، در عمل، بدنه بتن یا توسط قید خارجی، نظیر پی سنگی، و یا توسط قید داخلی، نظیر تغییر شکلهای تناسلی در نواحی مختلف بتن به علت وجود گرادیان حرارتی، مقید می گردد. به عنوان مثال در یک پی صلب، قید کاملی در فصل مشترک بتن و سنگ بستر وجود دارد (1 =) ، و همانطور که در شکل (18-4) مشهود است با افزایش فاصله از ناحیه فصل مشترک، میزان قید کاهش می یابد. همین دلیل برای تعیین قید بین لایه های مختلف بتن ریزی برقرار است. اگر پی صلب نباشد درجه قید کاهش خواهد یافت. در

ضریب زیر در برای پی های غیر حلب توصیه شده است:

(5-4)

 

در این رابطه  مساحت سطح مقطع بتن،مساحت پی یا عضو مقید کننده (برای بتن حجیم روی بستر سنگی مقدار  می تواند برابر با 2/5در نظر گرفته شود)،  مدول ارتجاعی پی یا عضو مقید کننده و E مدول ارتجاعی بتن می باشد.

تغییرات دما () – واکنش های ترکیبات سیمان یک پدیده گرمازا است که حرارت حاصل از آن سبب افزایش دمای توده بتن می گردد. حرارت سبب انبساط می گردد و انبساط اگر مقید گردد باعث بوجود آمدن تنش های فشاری می گردد. به هر حال در سنین اولیه، مدول ارتجاعی بتن کم و وادادگی تنش آن زیاد بوده و بنابراین حتی در نقاطی با قید کامل، تنش فشاری خیلی کوچک خواهد بود. در طراحی و در شرایط محافظه کاری فرض می شود که تنش اولیه فشاری وجود ندارد. تغییر دما () در معادله (۴-۴) اختلاف بین دمای نقطه اوج بتن و دمای بهره برداری سازه است که در شکل (۱۹-۴) نشان داده شده است. تغییر دما به صورت زیر نیز بیان میگردد:

افت دما در اثر افت حرارت – دمای محیط با بهره برداری – افزایش دمای آدیاباتیکی + دمای بتن ریزی =

درجه قید کششی در مقطع مرکزی

شکل 18-4- درجه قید کششی در مقطع مرکزی

کنترل دمای بتن ریزی یکی از بهترین روش های جلوگیری از ایجاد ترکهای حرارتی است. خنک کردن بتن تازه روش متداول کنترل افت دمای بعدی است. اغلب با کاربرد سنگدانه خنک شده و خرده یخ در مخلوطهای بتن حجیم، دمای بتن تازه را به ۱۰ و کمتر از آن محدود می کنند. در هنگام مخلوط نمودن، گرمای لازم برای ذوب یخ از سایر مصالح بتن گرفته شده و به این طریق دما به گونه ای مؤثر پایین می آید.

آیین نامه  پیشنهاد می کند که دمای بتن ریزی در حدی نگهداشته شود که کرنش کششی ایجاد شده بر اثر افت دما از ظرفیت کرنشی کششی بتن بیشتر نشود. این امر با رابطه زیر قابل بیان است:

(6-4)

 

تغییرات دما با زمان

شکل 19-4- تغییرات دما با زمان

در این رابطه دمای بتن در هنگام بتن ریزی،  دمای نهایی پایدار بتن، C ظرفیت کرنشی کششی بتن،  درجه قید،  ضریب انبساط حرارتی بتن و  افزایش دمای اولیه بتن می باشد.

سرعت و بزرگی افزایش دمای آدیاباتیکی بتن تابعی از مقدار، ترکیب و ریزی سیمان و دمای آن در حین هیدراتاسیون می باشد. سیمانهای با ریزی بالا با سیمانهای با مقدار نسبی بیشتر C3 A و C3 S، حرارت هیدراتاسیون بیشتری نسبت به سیمانهای درشت تر و سیمانهای با مقادیر کم C3 A و C3 S ایجاد می کنند (به فصل ۶مراجعه کنید). در شکل (20-4) منحنی های افزایش دمای آدیاباتیکی (بی در رو) بتن دارای  از هر یک از سیمانهای پرتلند ۵ گانه نشان داده شده است. از این نتایج می توان دریافت که اختلاف افزایش دما بین سیمان نوع I و سیمان با گرمازایی کمتر (نوع IV) در طی مدت ۷ روز در حدود ۱۳ و در مدت ۹۰ روز در حدود  9 می باشد. بایستی توجه داشت که کل افزایش دمای آدیاباتیکی، بیش از ۳۰ حتی برای سیمان نوع IV با گرمازایی کم، است.

از شکلهای (20-4) و (21-4) می توان دریافت که ترکیب سیمان و دمای بتن ریزی عمدتا بر سرعت ایجاد حرارت تأثیر دارند تا بر کل حرارتی که تولید می شود. شکل (22-4) تأثیر نسبت حجم به سطح بتن در افزایش دمای آدیاباتیکی در دماهای مختلف بتن ریزی را نشان میدهد.

افزایش دمای آدیاباتیکی در بتن حجیم شامل 223 Kg/m^3 از انواع مختلف سیمان پرتلند

شکل4-20-افزایش دمای آدیاباتیکی در بتن حجیم شامل  از انواع مختلف سیمان پرتلند

تأثیر دمای بتن ریزی برافزایش دمای بتن حجیم دارای۲۲۳kg / m^3  سیمان نوع یک

شکل 21-4- تأثیر دمای بتن ریزی برافزایش دمای بتن حجیم دارای سیمان نوع یک

روش مناسب دیگر برای تقلیل افزایش دمای آدیاباتیکی استفاده از پوزولانها و جایگزینی آنها به جای بخشی از سیمان می باشد. در شکل (23-4) نتایج بررسیهای کارلسون( Cirlson) و همکارانش (۱۰) بر افزایش دمای آدیاباتیکی بتن حجیم دارای مقادیر مختلف سیمانهای مختلف

افزایش دمای اعضای بتنی دارای۲۲۳kg /〖 m〗^3 سیمان

شکل 22-4- افزایش دمای اعضای بتنی دارای سیمان

پوزولانی نشان داده شده است. در یک بتن دارای سیمان، جایگزینی سیمان نوع ۲ با سیمان نوع ۱ افزایش دمای آدیاباتیکی ۲۸ روزه را از ۳۷ به ۳۲ تقلیل داده است. همچنین جایگزینی پوزولان به میزان ۳۰ درصد حجمی (۲۵ درصد وزنی) سیمان نوع ۲، افزایش دما را تا حد کاهش داده است.

افت حرارت – افت حرارت به خواص حرارتی بتن و تکنولوژی ساخت بستگی دارد. یک سازه بتنی می تواند حرارت را از سطح خود از دست بدهد. میزان این حرارت از دست رفته تابعی از محیطی است که بلافاصله در تماس با سطح بتن است. در جدول (۴-۴) ضرائب انتقال سطحی برای محیط های عایق مختلف نشان داده شده است. روشهای عددی محاسبه توزیع دما در بتن حجیم در فصل ۱۲ آورده شده است.

تأثير مقادیر سیمان و پوزولان بر افزایش دمای بتن

23-4 – تأثير مقادیر سیمان و پوزولان بر افزایش دمای بتن

ضریب انتقال حرارت محیط های عایق مختلف

جدول ۴-۴- ضریب انتقال حرارت محیط های عایق مختلف