ضریب انبساط حرارتی

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.

مطلب پیشنهادی: دوره آموزش طراحی سازه بتنی

انبساط حرارتی چیست؟

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

دو نوع ضریب انبساط حرارتی وجود دارد

انبساط حرارتی خطی

افزایش انرژی جنبشی ذرات سازنده باعث افزایش فاصله تعادلی اتم‌های پیوندی و در نتیجه افزایش طول پیوندهای شیمیایی می‌شود. افزایش طول این پیوندها موجب افزایش طول جامدات می‌شود.

این معادله با استفاده از طول اولیه و تغییرات طول نسبت به زمان ضریب انبساط حرارتی طولی را نشان می‌دهد.

انبساط حرارتی حجمی

زیاد شدن جنب و جوش مولکول ها شرایط را برای افزایش حجم جسم فراهم می‌کند. فرمول روبرو برای شرایط با فشار ثابت و متغیر صادق است که در آن V حجم اولیه و تغییرات حجم نسبت به زمان مقدار ضریب انبساط حرارتی حجمی را نشان می‌دهد.

• α: ضریب انبساط حجمی
• p: بیانگر ثابت بودن فشار در حین انبساط
• V: حجم
• T: دما
• $$\left(\frac{\partial V}{\partial T}\right)$$: 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. 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. 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.

اهمیت ضریب انبساط حرارتی بتن در چیست؟

بتن ضریب انبساط حرارتی بسیار پایینی دارد. با این وجود، در صورت عدم اتخاذ اقدامات پیشگیرانه برای مقابله با انبساط و انقباض، امکان اعمال نیروهای بزرگ و ایجاد ترک در بخش‌های مختلف سازه به وجود می‌آید. این مسئله می‌تواند باعث شکست سازه در حالت عادی یا در صورت تکرار چرخه‌های انبساط و انقباض (شکست ناشی از خستگی) شود. ترک‌خوردگی بتن جوان به میزان زیادی به ضریب انبساط حرارتی آن بستگی دارد. در سازه‌های بتنی، اگر امکان پخش حرارت به عمق وجود نداشته باشد و انقباض/انبساط حرارتی سطح بتن بدون تغییر در دمای داخلی رخ بدهد، اختلاف دما بین بخش‌های مختلف عضوها به وجود می‌آید. این اختلاف دما، احتمال ترک‌خوردگی را افزایش می‌دهد. به این ترتیب، کاهش/افزایش طول ناشی از تغییرات دما باعث ترک خوردن عضوهای بتنی ثابت یا محدود شده توسط بخش‌های دیگر سازه می‌شود.

ضریب انبساط حرارتی بتن و فولاد

بتن ماده‌ای با مقاومت فشاری خوب و مقاومت کششی پایین است. برای تقویت مقاومت کششی بتن می‌توان از مواد تقویت‌کننده استفاده کرد. در صورت وجود اختلاف زیاد بین ضریب انبساط حرارتی مواد، احتمال رخ دادن تنش‌های داخلی و تغییر شکل‌های اضافی افزایش می‌یابد. به همین دلیل، باید از موادی با مقاومت کششی بالا و ضریب انبساط حرارتی مشابه در ترکیب بتن استفاده کرد.
میلگرد فولادی، یکی از متداول‌ترین گزینه‌ها برای تقویت خواص مقاومتی بتن است. ضرایب انبساط حرارتی بتن و فولاد تقریبا مشابه یکدیگر هستند. این مسئله باعث سازگاری مناسب این دو ماده برای ترکیب شدن با یکدیگر و ساخت بتن مسلح شده است. یکی دیگر از فواید ترکیب بتن و فولاد، کاهش احتمال ترک‌خوردگی ناشی از تغییرات دمایی است.

اندازه گیری ضریب انبساط حرارتی-طولی (Dilatometrey)

در طی انتقال حرارت، انرژی ذخیره شده بین اتمهای یک ماده تغییر می کند. وقتی این انرژی افزایش یابد باعث افزایش طول باند مولکولی می شود. در نتیجه جامدات در جواب این گرمایش منبسط می شوند و در اثر سرمایش منقبض می شوند. این پاسخ به تغییر دما به عنوان ضریب انبساط حرارتی- خطی در نظر گرفته می شود.
به کمک این دستگاه تغییرات طول نمونه بر حسب درجه حرارت به صورت ایزوترم و غیر ایزوترم اندازه گیری می شود.

مشخصات دستگاه

مدل 402 PC ، سال ساخت 2008، کشور سازنده: آلمان (کمپانی NETZSCH )

امکانات دستگاه

1- رنج دمایی : دمای محیط تا دمای 1400 درجه سانتی گراد
2- اتمسفر : نیتروژن و آرگون با خلوص بالا
3- سرعت گرمایش و سرمایش: 1 تا 30 درجه بر دقیقه
4- ابعاد نمونه :
طول: 25 تا 50 میلیمتر
سطح مقطع دایره به قطر 6 میلیمتر یا مربع به طول ضلع 6 میلیمتر
5- محدوده اندازه گیری تغییرات طول: 500 تا 5000 میکرومتر
6- جنس نگهدارنده نمونه: آلومینا- AL2O3

موارد مورد بررسی

• تعیین ضریب انساط حرارتی مواد سرامیکی، شیشه ، مواد پلیمری و فلزات
• تعیین دمای زینترینگ و شروع تشکیل ساختار شیشه ای مواد سرامیکی و ….

آزمایش ضریب انبساط حرارتی بتن چیست؟

آزمایش ضریب انبساط حرارتی بتن روشی برای تعیین تغییر طول احتمالی عضوهای بتنی در هنگام مواجهه با تغییرات دمایی است. برای اجرای این آزمایش، استانداردهای مختلفی وجود دارد که در ادامه به معرفی آن‌ها می‌پردازیم.

روش دانمارکی

یکی از روش‌های اندازه‌گیری ضریب انبساط حرارتی بتن، روش دانمارکی بر اساس استاندارد TI-B 101 است. در این روش، نمونه بتن با ابعاد 400*100*100 میلی‌متر در معرض تغییر دمای 5 تا 30 درجه سانتی‌گراد قرار می‌گیرد. سپس، تغییر شکل طولی نمونه اندازه‌گیری می‌شود. در نهایت، ضریب انبساط حرارتی بتن از تقسیم تغییر شکل بر تغییر دما به دست می‌آید

استانداردهای دیگر

اندازه‌گیری مستقیم ضریب انبساط حرارتی بتن معمولا بر اساس استاندارد AASHTO TP336 انجام می‌گیرد. این استاندارد جایگزین استاندارد AASHTO TP60 شده است. استاندارد 21086 ایران مطابق با ASTM C (تعیین جمع‌شدگی خطی و ضریب انبساط حرارتی ملات‌ها، دوغاب‌ها، پوشش یکپارچه و بتن پلیمری مقاوم به مواد شیمیایی)، یکی دیگر از استانداردهای موجود برای تعیین خواص حرارتی مصالح بتنی است.

از آنجایی که موضوع “ضریب انبساط حرارتی” دارای اهمیت ویژه‌ای در زمینه عمران می‌باشد، پیشنهاد می‌کنیم در این زمینه حتما از یک شرکت مهندسی معتبر که علاوه بر مسائل فنی، میزان آشنایی بالایی با مسائل حقوقی عمران نیز داشته باشد، مشاوره بگیرید تا از خسارات احتمالی زیادی که در این مسیر وجود دارد، جلوگیری نمایید.