میلگرد چگونه دوام سازه‌های بتنی را افزایش می‌دهد؟

نقش اساسی میلگرد در استحکام سازه‌ای و مقاومت در برابر بار

درک هم‌افزایی بین میلگرد فولادی و بتن

بتن معمولی هنگامی که تحت فشار قرار می‌گیرد عملکرد خوبی دارد، اما وقتی کشیده می‌شود دچار ترک خوردن و شکست می‌شود—در همینجا است که آرماتورهای فولادی وارد عمل می‌شوند. جالب اینجاست که هر دو ماده با نرخ تقریباً یکسانی (حدود ۱۲ میلیونیوم درجه سانتی‌گراد) منبسط و منقبض می‌شوند که این امر به جلوگیری از ایجاد ترک‌ها در شرایط تغییر دما کمک می‌کند. ریل‌های روی میلگردهای فولادی در واقع چسبندگی بهتری با بتن ایجاد می‌کنند و پیوند محکم‌تری بین این دو ماده برقرار می‌کنند. این ترکیب باعث می‌شود بتن آرمه در مقابل خمش مقاومت بسیار بهتری نسبت به بتن معمولی داشته باشد و معمولاً قبل از شکست، حدود سه تا چهار برابر بیشتر تنش‌های کششی را تحمل کند.

ویژگی‌های مکانیکی مؤثر در دوام سازه‌ای

اکثر میلگردها دارای استحکام تسلیم در محدوده حدود ۴۲۰ تا ۵۵۰ مگاپاسکال هستند، بدین معنا که زمانی که نیروها از حد مقاومت بتن ساده فراتر می‌روند، قادر به خم شدن یا کشیده شدن تا حدی هستند. توانایی کشیده شدن بدون پارگی باعث می‌شود ساختمان‌ها و پل‌ها تنش را بهتر جذب کنند و اغلب تا حدود ۴ درصد کرنش تحمل می‌کنند و قبل از اینکه در نهایت شکسته شوند، به جای اینکه ناگهان بشکنند، انعطاف‌پذیر باقی می‌مانند. وقتی این میلگردها با بتن معمولی که مقاومت فشاری آن در محدوده تقریبی ۲۰ تا ۴۰ مگاپاسکال است ترکیب شوند، سازه‌هایی ایجاد می‌شود که هم قوی‌اند تا محکم بایستند و هم انعطاف‌پذیر تا در برابر فشار ترک نخورند. به همین دلیل است که بسیاری از پروژه‌های ساخت‌وساز علیرغم شرایط مختلف آب‌وهوایی و سایش روزمره، برای نسل‌ها دوام می‌آورند.

داده: بهبودهای ظرفیت باربری با استفاده از میلگرد

تیرهای بتن مسلح بارهایی را که 60 تا 80 درصد بیشتر از تیرهای غیرمسلح تحمل می‌کنند. در دال‌ها، آرماتور مقاومت در برابر ترک خوردگی را 70 درصد بهبود بخشیده و توزیع تنش را تا چهار برابر افزایش می‌دهد. ستون‌های دارای میلگرد حلقوی (پیچشی) ظرفیت بار محوری دو برابر بیشتری نسبت به نسخه‌های غیر مسلح دارند، همان‌طور که در استاندارد ACI 318-23 مشخص شده است.

مطالعه موردی: ساخت ساختمان‌های بلندمرتبه با استفاده از بتن مسلح در مناطق لرزه‌ای

تحلیل سال 2023 از 25 آسمان‌خراش در مناطق لرزه‌ای نشان داد که هسته‌های مسلح شده با آرماتور، 45 درصد انرژی بیشتری در زلزله‌ها جذب می‌کنند. سازه‌هایی که از میلگرد شماره 11 (36 میلی‌متری) با فاصله مرکز به مرکز 150 میلی‌متر استفاده کرده‌اند، تحت شبیه‌سازی زلزله با بزرگی 8.0، کمتر از 1 درصد تغییر شکل باقیمانده داشته‌اند و از سیستم‌های جایگزین با 35 درصد حاشیه ایمنی بیشتر برتری دارند.

بهبود کنترل ترک‌ها، شکل‌پذیری و مقاومت ضربه‌ای با استفاده از میلگرد فولادی

مکانیزم مقاومت در برابر ترک خوردگی در سازه‌های بتن مسلح

تقویت‌کننده فولادی به عنوان یک ستون فقرات کششی عمل می‌کند و تمرکز تنش‌هایی را که منجر به ترک خوردن می‌شوند، هدایت مجدد می‌کند. با پل زدن بین ترک‌های ریز در حین انقباض بتن، میلگرد عرض ترک‌ها را کمتر از ۰٫۳ میلی‌متر نگه می‌دارد — آستانه‌ای که نفوذ رطوبت را محدود کرده و شروع خوردگی را به تأخیر می‌اندازد.

شکل‌پذیری به عنوان محافظ در برابر شکست شکننده در بتن

برخلاف بتن ساده که به طور ناگهانی تحت کشش دچار شکست می‌شود، میلگرد فولادی به تدریج تسلیم می‌شود و قبل از پارگی، ۲۰۰ تا ۴۰۰ درصد انرژی کرنش بیشتری جذب می‌کند. این پاسخ شکل‌پذیر از طریق تغییر شکل، هشدار قابل مشاهده‌ای ایجاد می‌کند و خطر فروپاشی کامل را در شبیه‌سازی‌های لرزه‌ای تا ۷۲ درصد کاهش می‌دهد (باندلت و بیلینگتون، ۲۰۱۶).

چگونه تقویت فولادی جذب انرژی را تحت بارهای دینامیکی افزایش می‌دهد

تحت بار ضربه‌ای یا لرزه‌ای، فولاد انرژی جنبشی را از طریق تغییر شکل کشسان-پلاستیک می‌جوشد. مطالعه‌ای در سال 2023 در ساختمان ها منتشر شد نشان داد بتن مسلح ۳۵ ژول بر سانتی‌متر مکعب انرژی ضربه‌ای جذب می‌کند — سه برابر مقاطع بدون میلگرد.

استراتژی: بهینه‌سازی قرارگیری میلگرد برای حداکثر مقاومت در برابر ضربه

عملکرد حداکثری ضربه از طریق موارد زیر به دست می‌آید:

• شبکه‌های میلگرد عمودی با فواصل ۱۵۰ تا ۲۰۰ میلی‌متری
• حلقه‌های تقویت‌کننده محیطی در سلب‌ها و تیرها
• حداقل پوشش بتنی ۴۰ میلی‌متری جهت جلوگیری از لغزش اتصال
  این پیکربندی مقاومت در برابر ضربه را ۴۰ تا ۶۰ درصد افزایش می‌دهد و در عین حال جریان‌های عملیاتی ساخت را حفظ می‌کند.

رفتار چسبندگی و توزیع تنش بین میلگرد و بتن

ویژگی‌های چسبندگی-لغزش بین میلگرد فولادی و مواد سیمانی

Реб‌های تغییرشکل‌یافته روی میلگردها در واقع به بتن چسبیده و پیوندهای قوی ایجاد می‌کنند که از لغزش آنها تحت بار جلوگیری می‌کند. در مقایسه با میلگردهای صاف، این میلگردهای دندانه‌دار قادرند حدود سه تا پنج برابر نیروی بیشتری را تحمل کنند، زیرا در اطراف خود به بتن فشرده می‌شوند. نحوه عملکرد این پیوندها حتی در شرایط بارگذاری مستقیم و با حرکت تنها ۰٫۱ میلی‌متری نیز قابل اعتماد باقی می‌ماند. این موضوع برای ساختمان‌هایی که در زلزله باید پابرجا بمانند بسیار مهم است، زیرا به حفظ یکپارچگی سازه‌ای در هنگام لرزش کمک می‌کند.

ریزساختار بین‌وجهی (ITZ) و تأثیر آن بر دوام

ناحیه انتقال بین‌وجهی (ITZ)، لایه‌ای به ضخامت ۵۰ میکرومتر در اطراف میلگرد، تعیین‌کننده دوام بلندمدت است. ITZ ضعیف‌تر ممکن است تا ۳۰٪ تخلخل بیشتری نسبت به بتن توده‌ای داشته باشد و نفوذ یون‌های کلرید را تسریع کند. کاهش نسبت آب به سیمان به زیر ۰٫۴، ITZ را متراکم‌تر می‌کند و مقاومت در برابر خوردگی را در محیط‌های دریایی تا ۴۰٪ بهبود می‌بخشد (Shang و همکاران، ۲۰۲۳).

عوامل مؤثر بر مقاومت چسبندگی

• متنور سطح : میلگردهای آجدار توانایی چسبندگی را نسبت به میلگردهای صاف ۲۱۷٪ افزایش می‌دهند
• کیفیت بتن : بتن ۳۵ مگاپاسکالی استحکام چسبندگی ۲٫۳ برابر بیشتری نسبت به مخلوط ۲۰ مگاپاسکالی دارد
• سخت شدن : عمل‌آوری مرطوب در ۲۸ روز اولیه سختی چسبندگی را ۵۸٪ افزایش می‌دهد

اثر مهاری میلگرد فولادی بر توسعه تنش و کرنش

میلگرد از تمایل بتن به انبساط تحت فشار جلوگیری کرده و توزیع متعادل تنش را فراهم می‌کند. در اعضای خمشی، این تعامل ظرفیت باربری را نسبت به بتن ساده ۳۰۰ تا ۴۰۰٪ افزایش می‌دهد. طبق تحلیل FHWA در سال ۲۰۲۳، قرارگیری مناسب میلگرد، عرض ترک‌ها را در دال‌های پل تحت بارهای زنده ۸۵٪ کاهش می‌دهد.

مدیریت جمع‌شدگی و ترک‌خوردگی در سنین اولیه با طراحی مناسب میلگرد

تأثیر میلگرد فولادی بر ترک‌خوردگی ناشی از جمع‌شدگی

هنگامی که بتن سفت می‌شود، به میزان 500 تا 700 میکرومتر در هر متر منقبض می‌شود (ACI 318-2022). میلگرد تا 40 درصد از این کرنش کششی را از طریق نیروهای چسبندگی خنثی می‌کند و عرض ترک‌ها را زیر 0.3 میلی‌متر نگه می‌دارد — حدی که پس از آن خطرات دوام به‌طور قابل توجهی افزایش می‌یابد. این محدودیت، وقوع ترک را نسبت به بتن بدون میلگرد 62 درصد کاهش می‌دهد (انجمن سیمان پرتلند، 2021).

محدود کردن تغییرات حجمی از طریق میلگرد نصب‌شده

شبکه‌های میلگرد رفتارهای متضاد مواد را متعادل می‌کنند:

• گسترش حرارتی : ضریب انبساط فولاد (12 میکرومتر/متر°C) به‌خوبی با بتن (10.5 میکرومتر/متر°C) مطابقت دارد (بر اساس ASTM C531)
• عدم تطابق مدول : مدول 200 گیگاپاسکالی میلگرد در مقابل کشش‌پذیری بتن با مدول 25 تا 40 گیگاپاسکال مقاومت می‌کند و کرنش را دوباره توزیع می‌کند

استفاده از میلگرد ASTM A615 درجه 60 با نسبت آرماتورگذاری 0.5 درصد، تراکم ترک‌های اولیه را در دال‌های پل‌ها تا 75 درصد کاهش می‌دهد (گزارش NCHRP 712).

راهبرد: تعادل در تراکم میلگرد برای کاهش حداکثری ترک‌های اولیه

رعایت فاصله مناسب بین ۱۰۰ تا ۲۰۰ میلی‌متر همراه با حفظ نسبت آرماتوربندی بین ۱٫۵٪ تا ۲٫۵٪ به کنترل ترک‌های ناخواسته در دال‌های بتنی و نگه داشتن عرض آنها زیر ۰٫۱۵ میلی‌متر کمک می‌کند. هنگامی که مقدار آرماتور بیش از ۳٪ باشد، مشکلاتی به‌ویژه تمرکز تنش در نقاط خاصی پدیدار می‌شود. از سوی دیگر، اگر میزان آرماتوربندی زیر ۱٪ قرار گیرد، ترک‌ها به‌صورت غیرقابل کنترلی گسترش می‌یابند. برخی آزمایش‌های اخیر روی دیوارهایی با ضخامت ۳۰۰ میلی‌متر انجام شده که یافته‌های جالبی داشته‌اند. در تراکم میلگرد ۲٪، این دیوارها دارای حدود ۰٫۳۵ ترک در هر متر مربع بودند. اما زمانی که میزان آرماتوربندی به تنها ۰٫۸٪ کاهش یافت، تعداد ترک‌ها به ۲٫۱ ترک در هر متر مربع رسید که این موضوع مطابق تحقیقات منتشر شده در سال گذشته در مجله مواد در مهندسی عمران است. همچنین فراموش نکنید که عمق پوشش بتن نیز مهم است. داشتن پوشش کافی در محدوده ۴۰ تا ۷۵ میلی‌متر دو نقش مهم دارد: از یک سو با حفظ قلیایی بودن بتن در برابر خوردگی محافظت می‌کند و از سوی دیگر امکان انبساط و انقباض طبیعی مواد را فراهم می‌سازد.

مقاومت در برابر خوردگی و دوام بلندمدت راه‌حل‌های میلگرد پوشش‌دار

انواع پوشش‌های مقاوم در برابر خوردگی: اپوکسی، گالوانیزه و فولاد ضدزنگ

اساساً سه پوشش اصلی وجود دارند که به افزایش طول عمر میلگرد کمک می‌کنند: گزینه‌های اپوکسی، گالوانیزه و فولاد ضدزنگ. اپوکسی لایه‌ای محافظ در برابر آب و خوردگی نمک ایجاد می‌کند، هرچند کارگران باید هنگام نصب بسیار مراقب باشند تا پوشش خراشیده یا شکسته نشود. روش گالوانیزه کردن با غوطه‌وری در داغ، با استفاده از روی کار می‌کند که به صورت قربانی عمل می‌کند تا فولاد زیرین را محافظت کند. این روش معمولاً برای سازه‌های ساخته شده در نزدیکی سواحل یا سایر مناطقی که به طور مداوم در معرض هوای شور قرار دارند، مناسب است. فولاد ضدزنگ شامل ترکیبات کروم و نیکل معروفی است که ما همه از آن‌ها می‌دانیم و مقاومت بسیار بهتری در برابر خوردگی فراهم می‌کند. هرچند این ماده می‌تواند دهه‌ها در محیط‌های سخت دریایی مقاومت کند و گاهی اوقات بیش از ۷۰ سال طبق برخی گزارش‌ها، اما قطعاً هزینه آن نسبت به سایر گزینه‌ها بیشتر است. بسیاری از پیمانکاران این مزیت بلندمدت را در مقابل هزینه اولیه وزن می‌کنند تا تصمیم نهایی را بگیرند.

یکپارچگی پوشش و تأثیر آن بر دوام بلندمدت

اثربخشی پوشش‌ها واقعاً به حفظ لایه محافظتی بدون هیچ آسیبی بستگی دارد. خراش‌های کوچک روی پوشش‌های اپوکسی ممکن است چندان مهم به نظر نرسند، اما در محیط‌هایی با سطح بالای کلرید، می‌توانند سرعت خوردگی را بین ۳۰ تا ۴۰ درصد افزایش دهند. با بررسی مواد مختلف، روی گالوانیزه در شرایط عادی آب‌وهوایی حدود ۱ تا ۲ میکرومتر در سال سایش می‌یابد. فولاد ضدزنگ کمی بهتر عمل می‌کند، زیرا سطح آن لایه‌ای محافظ تشکیل می‌دهد که معمولاً با گذشت زمان به‌صورت خودکار ترمیم می‌شود، هرچند این قابلیت در صورت قرار گرفتن در معرض مواد بسیار اسیدی یا قلیایی متوقف می‌شود. همچنین نباید مسائل انبارداری را فراموش کرد. اگر میلگرد پوشش‌دار به‌درستی ذخیره نشود یا به‌درستی عمل‌آوری نگردد، حتی قبل از ورود به سرویس، تقریباً نصف توان مقاومت در برابر خوردگی آن از بین می‌رود.

داده: افزایش عمر سرویس میلگرد پوشش‌دار در محیط‌های دریایی

داده‌های میدانی بهبود قابل توجهی را از پوشش‌ها تأیید می‌کنند. یک مطالعه در مورد پوشش‌های آلی نشان داد که میلگرد با پوشش اپوکسی عمر سرویس خود را در شرایط دریایی نسبت به فولاد بدون پوشش ۱۵ تا ۲۰ سال افزایش می‌دهد. میلگرد رویش‌خورده ۲۵ تا ۳۵ درصد کندتر در مناطق جزر و مدی خوردگی می‌کند، در حالی که میلگرد فولاد ضدزنگ پس از ۵۰ سال زیر آب نفوذ خوردگی ناچیزی نشان می‌دهد.

استراتژی: روش‌های نظارت و کاهش خوردگی در مناطق مستعد خوردگی

استراتژی‌های پیشگیرانه شامل آزمون الکتروشیمیایی (نقشه‌برداری پتانسیل نیم‌سلولی) و نمونه‌برداری دوره‌ای هسته‌ای برای ارزیابی وضعیت پوشش است. در مناطق پرخطر مانند دکل‌های پل، سیستم‌های آند قربانی جریان‌های خوردگی را از میلگرد منحرف می‌کنند. برای سازه‌های موجود، مواد مهارکننده خوردگی مهاجرتی حرکت یون‌های کلرید را ۶۰ تا ۸۰ درصد کاهش می‌دهند و عملکرد بلندمدت میلگرد پوشش‌دار را بهبود می‌بخشند.

‫سوالات متداول‬

• نقش اصلی میلگرد در ساخت‌وساز چیست؟
  میلگرد عمدتاً مقاومت کششی بتن را افزایش می‌دهد و به آن اجازه می‌دهد تا در برابر نیروهای خمشی و کششی مقاومت کند.
• میلگرد چگونه به دوام سازه کمک می‌کند؟
  شکل‌پذیری میلگرد به آن اجازه می‌دهد تا تنش را جذب و توزیع کند و احتمال خرابی‌های ساختاری در طول زمان را کاهش دهد.
• پوشش‌های متداول میلگرد کدام هستند و چرا مهم هستند؟
  پوشش‌های متداول شامل اپوکسی، گالوانیزه و فولاد ضدزنگ هستند که از خوردگی محافظت کرده و عمر میلگرد را افزایش می‌دهند.
• میلگرد چگونه بر کنترل ترک در سازه‌های بتنی تأثیر می‌گذارد؟
  میلگرد ترک‌های ریز را پوشش می‌دهد، عرض آن‌ها را محدود کرده و شروع خوردگی را به تأخیر می‌اندازد.
• استراتژی‌هایی که مقاومت میلگرد در برابر خوردگی را بهبود می‌بخشند چیست؟
  استفاده از پوشش‌ها، نگهداری مناسب و آزمایش الکتروشیمیایی راهکارهای مؤثری برای افزایش مقاومت میلگرد در برابر خوردگی هستند.