در این مقاله درباره نقطه ذوب بتن صحبت می‌کنیم و موضوعاتی مانند تعریف نقطه ذوب و مقاومت ذاتی بتن در برابر آتش را بررسی خواهیم کرد. همچنین مباحثی از قبیل تغییرات فیزیکی و شیمیایی بتن ناشی از قرار گیری در معرض آتش، انفجار سنگدانه های درون بتن و ترک خوردگی حرارتی نیز در این نوشتار توضیح داده می شوند.
تعریف کلی نقطه ذوب چیست؟
نقطه ذوب دمایی است که در آن مواد از حالت جامد به حالت مایع تبدیل می شوند. این تبدیل حالت معمولا زمانی اتفاق می افتد که مواد گرما را به طور طبیعی از محیط اطراف یا به طور مصنوعی با قرار گرفتن در شرایط گرمایی ساختگی و آزمایشگاهی جذب می کنند.
از نظر میکروسکوپی، مولکول های یک ماده جامد به خوبی فشرده و دارای ساختار قوی هستند. ورود انرژی حرارتی هر ذره جامد را برانگیخته، ساختار آن را مختل کرده و آنها را از هم دور می‌کند. بنابراین فاصله بین ذرات زیاد شده و آرایش مولکولی آنها بسیار تصادفی می‌شود و در نهایت انتقال موفقیت آمیز به حالت مایع حاصل می‌شود.
نقطه ذوب هر یک از مصالح ساختمانی صرفا به هویت میکروسکوپی آنها بستگی دارد. به عنوان مثال، تنگستن دارای نقطه ذوب بسیار بالایی است؛ در حالی که فلز گالیم ممکن است در یک لحظه تحت تاثیر دمای دست ذوب شود.
نقطه ذوب بتن چند درجه است؟
بتن به عنوان یکی از مصالح ترکیبی ساختمانی، به سادگی مواد خالص با نقطه ذوب معین، مشخص نمی شود. در حقیقت، احتمال زیادی وجود دارد که بتن تحت تجزیه حرارتی قرار گیرد و اجزای آن قبل از رسیدن به نقطه ذوب به سایر ترکیبات تبدیل شوند. با این وجود، با تخمین تقریبی می‌توان گفت نقطه ذوب بتن به دلیل نقطه ذوب جداگانه اجزای آن حدود 1500 درجه سانتی گراد است.
نقطه ذوب ماسه کوارتز حدود 1650 درجه سانتی گراد و نقطه ذوب سیمان تقریبا 1550 درجه سانتی گراد است. در این محدوده دمایی مولکول های آب به شدت تحریک شده و به بخار تبدیل می شوند و از طریق ترک خوردن سنگدانه ها و ترک حرارتی خسارت هایی به بار می آورند.
مقاومت بتن در برابر آتش به چه معناست و به چه عواملی بستگی دارد؟
مقاومت در برابر آتش یعنی توانایی مواد برای مقاومت و محافظت از خود در برابر اثرات آتش و همچنین انجام عملکرد خوب خود، حتی در شرایط دمایی شدید.
بتن به طور گسترده ای در برابر آتش مقاوم در نظر گرفته می شود و با اضافه کردن مواد افزودنی یا مواد شیمیایی که به طور مشترک به این منظور کمک می کنند، بیشتر تقویت می شود. از نظر تئوری، عملکرد بتن هنگام قرار گرفتن در معرض دمای بالا به عوامل مختلفی بستگی دارد که برخی از آنها شامل کیفیت سنگدانه های مورد استفاده در مخلوط، رطوبت موجود در ماتریس و وسعت و مساحت بتنی که در معرض شرایط شدید گرمایی قرار دارد، می باشد.
بررسی تغییرات فیزیکی و شیمیایی بتن در شرایط دمایی شدید
همان طور که گفته شد، بتن یکی از مصالح ساختمانی مرکب است و واکنش آن با آتش و دمای بسیار بالا در مقایسه با مواد خالص پیچیده است. در طول مدت واکنش، زمانی که دما فروکش می کند، برای بتن ممکن است دو حالت رخ دهد: یا دچار تغییرات برگشت پذیر شود و یا صدمات جبران ناپذیری داشته باشد که بر عملکرد سازه در دراز مدت تأثیر بگذارد.
به عنوان مثال، بتن دارای آب درونی است که به طور معمول در دمای 100 درجه سانتی‌گراد به بخار تبدیل می‌شود. این نقطه جوش ممکن است به دلیل فشار اولیه در زمینه بتن تا حدود 140 درجه سانتی گراد افزایش یابد. هنگامی که مولکول های آب بیشتر و بیشتر فاز خود را به گاز تبدیل می کنند، تجمع فشار بیش از حد اتفاق می افتد که ممکن است از مقاومت بتن فراتر رفته و در نتیجه ترک خوردگی ایجاد شده و بتن آسیب ببیند.
علاوه بر این، بلورهای هیدروکسید کلسیم موجود در ساختار به طور طبیعی به شکل هیدراته در می آیند. با افزایش دما تا 400 درجه سانتی گراد، فرم هیدراته هیدروکسید کلسیم کم آب شده و باعث ایجاد فشار اضافی در ماتریس می‌شود.
همچنین افزایش دما بر روی سنگدانه های مخلوط تأثیر می گذارد. برای سنگدانه های مبتنی بر کوارتز، مواد معدنی در دمای حدود 575 درجه سانتی گراد تغییر شکل می دهند و حجم اشغال شده توسط مواد را افزایش می دهند. از طرف دیگر در دمای 800 درجه سانتی گراد، سنگدانه های سنگ آهکی به طور برگشت ناپذیری تجزیه می شوند.
در نهایت، قرار گرفتن در معرض دمای بالا می‌تواند منجر به فروپاشی سازه بتنی شود که ممکن است به روش‌های مختلف اتفاق بیفتد.
در مورد دال های تقویت شده، استفاده بیش از حد از انرژی حرارتی ممکن است باعث شود تا استحکام کششی آرماتورهای فولادی از دست برود و در نتیجه باعث از بین رفتن یکپارچگی سازه گردد. همچنین پیوند بین خمیر سیمان و آرماتور ممکن است به دلیل درجه حرارت بالا ضعیف شده و اتصالات سستی بین اجزای ماتریس ایجاد شود.
اسپالینگ (Spalling) چیست و اشکال آن کدام است؟
اسپالینگ (سوختن) عبارت است از متلاشی شدن یک ماتریس بتنی به دلیل قرار گرفتن در معرض افزایش شدید ناگهانی دما که معمولا هنگام آتش سوزی با آن مواجه می شود.
اشکال مختلف اسپالینگ عبارتند از اسپالینگ کلی، گوشه ای، سطحی و انفجاری.
در نیم ساعت اول قرار گرفتن در معرض دمای بسیار بالا، بتن ممکن است انواع اشکال سوختن به جز اسپالینگ گوشه ای را تجربه کند. این نوع سوختن تنها زمانی اتفاق می‌افتد که کل سازه از آسیب‌های اولیه ناشی از سنگدانه، سطح و مواد انفجاری ضعیف شده باشد. به طور معمول، بتن پس از تقریبا یک ساعت و نیم قرار گرفتن در معرض حرارت، به شکل اسپالینگ گوشه ای در می‌آید.
در شکل اسپالینگ کلی معمولا صدای انفجار خفیفی ایجاد می‌شود؛ در حالی که در هر دو نوع سوختن سطحی و انفجاری صداهای شدید حاصل می‌گردد.
توجه به این نکته ضروری است که در بین تمام اشکال اسپالینگ، حالت انفجاری نه تنها برای خود سازه بلکه برای ساختمان ها و سازه های مجاور آن نیز زیانبار و تهدید کننده تلقی می شود.
از نظر تئوری، علت ایجاد اسپالینگ، افزایش بحرانی فشار درون ماتریس است. با افزایش دمای سازه به دلیل قرار گرفتن در معرض آتش، آب موجود در ماتریس به سرعت به بخار پر انرژی تبدیل می شود که به طور مداوم از ساختار فرار می کند. در نتیجه، افزایش فشار منجر به فرا رفتن از حداکثر استحکام سازه شده و چاره ای جز انفجار و تبدیل شدن به چندین قطعه آسیب دیده باقی نمی ماند.
ترک خوردگی حرارتی چیست و چه عواقبی دارد؟
ترک خوردگی حرارتی به طور معمول با دلایلی که باعث ایجاد اسپالینگ می شود، همراه است. هنگامی که رطوبت موجود در یک ماتریس بتنی با انتقال فاز به دلیل درجه حرارت بالا منبسط می شود، ساختار بتنی ممکن است ترک ها و حفره هایی غیر از سوختن شدید را نیز تجربه کند. این ترک ها و حفره ها اجازه می دهند آتش مستقیما با آرماتورهای بتن در تماس باشد و باعث پیش روی آتش در فلز و ایجاد فشار مضاعف شده و در نهایت منجر به آسیب های جبران ناپذیر می شود.
در این مقاله به وضوح توضیح دادیم که بتن یک ماده مرکب است، بنابراین تعیین نقطه ذوب آن بسیار دشوار است؛ چرا که ممکن است تجزیه حرارتی اجزای جداگانه بتن قبل از شروع فرآیند ذوب آغاز شود. با توجه به نقاط ذوب مواد اولیه، بتن تقریبا در حدود 1500 درجه سانتی گراد ذوب می شود.
علاوه بر این، اصطلاح فنی “نقطه ذوب” تعریف شد. همچنین مقاومت قابل توجه بتن در برابر آتش و همچنین تغییرات فیزیکی و شیمیایی که در ماتریس بتن اتفاق می‌افتد نیز در این نوشتار توضیح داده شد. از سویی آسیب هایی مانند ترک خوردگی های حرارتی و انفجارها نیز بررسی شدند.
