ویژگی بتن
Concrete
Properties
مقاومت
بتن نسبتا مقاومت فشاری بالایی دارد .اما مقاومت کششی پائینی دارد.( نسبت به مقاومت فشاری 10% مقاومت دارد.) در نتیجه بتن همیشه در اثر تنش های کششی می شکند . حتی زمانیکه به شکل فشاری بارگذاری شده است.
به این دلیل در بتن باید از موادی استفاده کرد که در مقابل کشش مقاومت کند. بتن مسلح متداول ترین بتن است. در مسلح کردن بتن اغلب از آن به شکل های شبکه ای ، فنری و میله ای و شکل های دیگر استفاده می شود . همچنین از مواد مختلفی در اسکلت آرماتوری استفاده شده است.
همچنین بتن می تواند به صورت پیش تنیده باشد. ( باعث کاهش تنش کششی) بااستفاده از کابل های فولادی داخلی ( تاندوم ها ) شود.برای تیرهای با دهنه ی بزرگ استفاده از روش فوق مجاز می باشد. برای تخمین زدن مقاومت بتن می توان از آزمایش غیر مخرب باتجهیزاتی نظیر چکش اشمیت استفاده کرد.
مقاومت نهایی بتن تحت تاثیر نسبت آب به سیمان و نحوه ی ساختن ، مخلوط کردن بتن ، محل آن و روش نگهداری از آن است.
اگرچه همه چیز برابر باشد بتن با نسبت آب به سیمان پایین تر مقاومت بالاتری نسبت به بتن با نسبت آب به سیمان بیشتر دارد.مقدار کل ماده سیمان می تواند باعث تاثیرگذاری روی نیاز آب، انقباض، مقاومت ،خراش و چگالی شود.
همه بتن ها ترک می خورند سوای اینکه مقاومت کافی داشته باشند یا نداشته باشند.در واقع بتن با مقدار زیاد سیمان پرتلند به علت افزایش واکنش های شیمیایی راحت تر ترک می خورد.هنگامی که بتن از حالت پلاستیکی شکل به جامد تغییر شکل پیدا میکند ماده انقباض پیدا می کند.ترک در پلاستیک منقبض شده بعد از شکل گرفتن بتن سریع ظاهر می شود اما اگر سرعت تبخیر زیاد باشد اغلب در طی یکنواخت کردن سطح به وجود می آید.
برای مثال در آب و هوای گرم و یا یک روز خشک در بتن های با قدرت بالا(بیشتر از 10000PSI) مقاومت فشار به طور عمده در بررسی احتیاجات ویژه و کنترل کیفیت بتن کاربرد دارد چون فشارهای داخلی متراکم از قسمت بالا و پایین به دیواره ها سبب ایجاد طاقدیس وناودیس می گردد. مهندسان این نیروی کششی (انعطاف پذیر) که به سطح دیواره ها وارد می گردد را در اصطلاح مقاومت فشاری می نامند.
براساس گزارش 13آپریل 2007 (wirecd.com) یک تیم از دانشگاه تهران که توسط موسسه بتن آمریکایی حمایت می گردید اقدام به بررسی بلوک های بتنی با مقاومت فشار بسیار بالاتر از حد نرمال حدود000/50 تا 000/60 PSI در ظرف 28 روز نموده است. در ضمن بلوک هایی که در ساختار آن ها به طور متراکم رشته هایی از فولاد و کوارتز بکار می رود یعنی غنی شده از مواد معدنی باشند از نظر استحکام و میزان مقاومت فشاری بسیار بالاتر و برتر از دیوارهای بتنی معمولی را دارند.
مثلا در حدود دیواره های بتنی که در ساختار آن ها گرانیت بکار رفته است میزان مقاومت فشاری آن ها حدود 20000تا 15000 PSI محاسبه گردید.
قابلیت اجتماعی جهت بررسی قابلیت های ارتجاعی دیواره های بتنی از فرمول قدر مطلق قابلیت ارتجاعی دیواره های بتنی تقسیم بر میزان تراکم سیمان به کار رفته در آن محاسبه میگردد.
هرچقدر میزان فشار وارده بر دیواره ها بیشتر باشد این امر سبب پایین تر آمدن تراکم سیمان در آن ها می گردد.
ولی میزان قابلیت ارتجاعی را بالا می برد. یعنی در اثر واردآمدن فشار زیاد به لایه های سیمانی میزان قابلیت ارتجاعی از 30-10 GPA به حدود 45 تا80 GPA می رسد و در مورد دیواره های بتونی این عدد به میزان 50 تا30 GPA تغییر می نماید.
انبساط و انقباض:
بتن ها دارای ضریب انبساط گرمایی بسیار پایینی دارند. در اثر انبساط فشار زیادی به دیواره های بتنی وارد می گردد که سبب ایجاد ترک هایی در جداره این دیواره های بتنی می گردد و وقتی میزان این فشارها بیشتر از حد شود دیواره بتنی تحمل این فشارها را ندارد و این فشارها را پس می زند و به صورت سیلکی از انقباض و انبساط به طور مداوم تکرار می گردد.
Shirinking Crackig
ذرات دیواره های بتنی در هنگامی که فشار تجزیه حجمی در ساختار عمرانی آنها ره دهد دچار ترک خوردگی انقباضی می گردند. تغییرات دمایی در دیواره های بتنی سبب خشک شدن دیواره ها و در نتیجه ایجاد ترک خوردگی انقباضی در آن های می گردد.
جهت تقویت دیواره های بتنی دو دسته تعریف کننده داریم تقویت کننده های خارجی مثل تکیه گاه ها، دیواره ها و ... و همچنین تقویت کننده های داخلی. در دیواره های بتنی هنگامی که فشار انبساطی افزایش یابد این امر سبب ایجاد شکاف در دیواره ها می گردد. تعداد و پهنای شکاف های ایجاد شده در دیواره ها بستگی به مقدار انقباض وارده بر ذرات دارد.
هرچه میزان انقباض ذرات بیشتر باشد تعدادشکاف ها بیشتر و شکاف ها عمیق تر می گردند. معمولا برای جلوگیری از ایجاد شکاف های عمیق از تقویت کننده های فولادی استفاده می نمایند.
در دیواره هایی که حالت خمیری شکل دارند ترک های ایجاد شده در دیواره ها حداکثر تا 2 روز قابل مشاهده است و بعد از 2 روز سریعا به حالت اولیه بر می گردد.
Tension craking ( تنش کششی )
ذرات تشکیل دهنده بتن در اثر فشاری که بر آن ها اعمال می شود ممکن است دچار تنش گردند. مهمترین عامل جهت ایجاد تنش در این ذرات این است که فشار به طور عرضی بر روی میله های بکار رفته در ساختار دیواره بتنی بکار برده می شود.(یعنی فشار باید به طور عرضی روی دیواره ها وارد گردد).
ممکن است در اثر فشار عرضی زیاد تعدادی از این میله ها ترک بخورند. سایز و طول ترک بستگی به بزرگی فشار گشتاورآور خمیده دارد یعنی هرچه خمیده بزرگتر باشد ترک عمیق تر است.ذرات تشکیل دهنده در جاهایی که ترک خوردگی در آنجا بیشتر دیده می شود بیشتر تقویت شده اند.
در واقع ذرات این دیواره ها توسط ذرات فولادی تقویت گردیده اند یعنی در ساختار آن ها از فولاد استفاده کرده ند. این دیواره های فولادی در اثر فشار دچار شکنندگی و ناامنی می گردند. در واقع جهت بالا بردن بازدهی دیواره های بتنی از ذرات بتن استفاده گردیده یعنی در واقع دیواره های بتنی توسط فولاد تقویت گردیده تا بازدهی بالاتری در اثر فشار داشته باشند. و میزان شکنندگی و ترک خوردگی در آن ها کاهش یابد.
وارفتگی بتن
سیمان حالت سیال روان دارد چون این حالت وجود دارد این مواد سیال به داخل جاهایی که خلاء وجود دارد و احتیاج به مواد سیال دارد پمپ می شود و آن خلاء ها را پر می نماید. این مواد سیال و روان به داخل صفحه بتنی وارد شده و کل صفحه را پر می نماید.
واژه وارفتگی بتن جهت حرکت دائمی یا تغییر شکل مواد یا برجسته ساختن و تغییر شکل دادن مواد براثر فشار بکار برده می شود نیروهای فشار قوی داده بر ذرات در دراز مدت زمینه را جهت وارفتگی بتن مستعد می کند ولی نیروهای فشار ضعیف مثل باد یا زمین لرزه سبب ایجاد وارفتگی بتن نمی گردد.
وارفتگی بتن می توان میزان ترک خوردن دیواره های بتنی را کاهش دهد ولی این عمل باید به طور حساب شده صورت پذیرد. مقدار فشار اولیه و ثانویه که بر دیواره های بتنی وارد می شود سبب کاهش ترک خوردگی و انقباض و وارفتگی بتن می شود. (یعنی در واقع تقویت کننده اولیه و ثانویه ای وجوددارد که از ترک خوردگی و انقباض و وارفتگی بتن جلوگیری می کند.
ویژگی فیزیکی:
ضریب انبساط دما سیمان فشرده در حدود 8-/0 تا 12-/0 می باشد.
چگالی آن متفاوت است اما معمولا در حدود 150 ft/pound و یا m3/kg 2400 می باشد.
========================================================================================
===================================================================
ویژگی بتن
Concrete
Properties
Properties
Concrete has relatively high compressive strength, but significantly lower tensile strength (about 10% of the compressive strength). As a result, without compensating, concrete would almost always fail from tensile stresses � even when loaded in compression. The practical implication of this is that concrete elements subjected to tensile stresses must be reinforced with materials that are strong in tension.
Reinforced concrete is the most common form of concrete. The reinforcement is often steel, rebar (mesh, spiral, bars and other forms). Structural fibers of various materials are also used.
Concrete can also be prestressed (reducing tensile stress) using internal steel cables (tendons), allowing for beams or slabs with a longer span than is practical with reinforced concrete alone. Inspection of concrete structures can be non-destructive if carried out with equipment such as a Schmidt hammer, which is used to estimate concrete strength.
The ultimate strength of concrete is influenced by the water-cementitious ratio (w/cm), the design constituents, and the mixing, placement and curing methods employed. All things being equal, concrete with a lower water-cement (cementitious) ratio makes a stronger concrete than that with a higher ratio. The total quantity of cementitious materials (Portland cement, slag cement, pozzolans) can affect strength, water demand, shrinkage, abrasion resistance and density. All concrete will crack independent of whether or not it has sufficient compressive strength. In fact, high Portland cement content mixtures can actually crack more readily due to increased hydration rate. As concrete transforms from its plastic state, hydrating to a solid, the material undergoes shrinkage. Plastic shrinkage cracks can occur soon after placement but if the evaporation rate is high they often can actually occur during finishing operations, for example in hot weather or a breezy day. In very high strength concrete mixtures (greater than 10,000 psi) the crushing strength of the aggregate can be a limiting factor to the ultimate compressive strength. In lean concretes (with a high water-cement ratio) the crushing strength of the aggregates is not so significant.
The internal forces in common shapes of structure, such as arches, vaults, columns and walls are predominantly compressive forces, with floors and pavements subjected to tensile forces. Compressive strength is widely used for specification requirement and quality control of concrete. The engineer knows his target tensile (flexural) requirements and will express these in terms of compressive strength.
Wired.com reported on April 13, 2007 that a team from the University of Tehran, competing in a contest sponsored by the American Concrete Institute, demonstrated several blocks of concretes with abnormally high compressive strengths between 50,000 and 60,000 PSI at 28 days.[14] The blocks appeared to use an aggregate of steel fibres and quartz � a mineral with a compressive strength of 160,000 PSI, much higher than typical high-strength aggregates such as granite (15,000-20,000 PSI).
Elasticity
The modulus of elasticity of concrete is a function of the modulus of elasticity of the aggregates and the cement matrix and their relative proportions. The modulus of elasticity of concrete is relatively constant at low stress levels but starts decreasing at higher stress levels as matrix cracking develops. The elastic modulus of the hardened paste may be in the order of 10-30 GPa and aggregates about 45 to 85 GPa. The concrete composite is then in the range of 30 to 50 GPa.
Concrete has a very low coefficient of thermal expansion. However, if no provision is made for expansion, very large forces can be created, causing cracks in parts of the structure not capable of withstanding the force or the repeated cycles of expansion and contraction.
As concrete matures it continues to shrink, due to the ongoing reaction taking place in the material, although the rate of shrinkage falls relatively quickly and keeps reducing over time (for all practical purposes concrete is usually considered to not shrink due to hydration any further after 30 years).
The relative shrinkage and expansion of concrete and brickwork require careful accommodation when the two forms of construction interface.
Because concrete is continuously shrinking for years after it is initially placed, it is generally accepted that under thermal loading it will never expand to its originally placed volume.
All concrete structures will crack to some extent. One of the early designers of reinforced concrete, Robert Maillart, employed reinforced concrete in a number of arched bridges. His first bridge was simple, using a large volume of concrete. He then realized that much of the concrete was very cracked, and could not be a part of the structure under compressive loads, yet the structure clearly worked. His later designs simply removed the cracked areas, leaving slender,
beautiful concrete arches. The Salginatobel Bridge is an example of this.
Concrete cracks due to tensile stress induced by shrinkage or stresses occurring during setting or use. Various means are used to overcome this. Fiber reinforced concrete uses fine fibers distributed throughout the mix or larger metal or other reinforcement elements to limit the size and extent of cracks. In many large structures joints or concealed saw-cuts are placed in the concrete as it sets to make the inevitable cracks occur where they can be managed and out of sight. Water tanks and highways are examples of structures requiring crack control.
Shrinkage cracks occur when concrete members undergo restrained volumetric changes (shrinkage) as a result of either drying, autogenous shrinkage or thermal effects. Restraint is provided either externally (i.e. supports, walls, and other boundary conditions) or internally (differential drying shrinkage, reinforcement). Once the tensile strength of the concrete is exceeded, a crack will develop.
The number and width of shrinkage cracks that develop are influenced by the amount of shrinkage that occurs, the amount of restraint present and the amount and spacing of reinforcement provided.
Plastic-shrinkage cracks are immediately apparent, visible within 0 to 2 days of placement, while drying-shrinkage cracks develop over time.
Concrete members may be put into tension by applied loads. This is most common in concrete beams where a transversely applied load will put one surface into compression and the opposite surface into tension due to induced bending. The portion of the beam that is in tension may crack. The size and length of cracks is dependent on the magnitude of the bending moment and the design of the reinforcing in the beam at the point under consideration.
Reinforced concrete beams are designed to crack in tension rather than in compression. This is achieved by providing reinforcing steel which yields before failure of the concrete in compression occurs and allowing remediation, repair, or if necessary, evacuation of an unsafe area.
Because it is a fluid, concrete can be pumped to where it is needed. Here a concrete transport truck is feeding concrete to a concrete pumper, which is pumping it to where a slab is being poured.
Creep is the term used to describe the permanent movement or deformation of a material in order to relieve stresses within the material. Concrete which is subjected to long-duration forces is prone to creep. Short-duration forces (such as wind or earthquakes) do not cause creep.
Creep can sometimes reduce the amount of cracking that occurs in a concrete structure or element, but it also must be controlled. The amount of primary and secondary reinforcing in concrete structures contributes to a reduction in the amount of shrinkage, creep and cracking.
The coefficient of thermal expansion of Portland cement concrete is 0.000008 to 0.000012 (per degree Celsius) (8-12 1/MK) [15]. The density varies, but is around 150 pounds per cubic foot (2400 kg/m�).[16]