آزمون اقلیمی بتن کم‌کربن؛ دوام متفاوت در اقلیم‌های گوناگون

محققان مؤسسه فناوری فدرال زوریخ (ETH Zurich) رویکرد جدیدی را توسعه داده‌اند که امکان پیش‌بینی عمر مفید بتن مسلح را بر اساس شرایط آب و هوایی فراهم می‌کند. این امر می‌تواند مهندسان را قادر سازد تا بدون ایجاد مشکلات نگهداری در آینده، از بتن کم‌کربن به طور گسترده‌تری استفاده کنند.

خلاصه پژوهش

محققان ETH از داده‌های آب و هوایی برای نشان دادن چگونگی تأثیر رطوبت بر عمر مفید بتن مسلح استفاده می‌کنند. یک بتن واحد می‌تواند بسته به آب و هوا طول عمر بسیار متفاوتی داشته باشد، اگرچه طبق استانداردهای فعلی، سایت‌های مورد مطالعه به طور یکسان طبقه‌بندی می‌شوند. این رویکرد، عمر مفید را واقع‌بینانه‌تر ارزیابی می‌کند و بنابراین می‌تواند استفاده گسترده‌تر از بتن کم‌کربن در ساخت‌وساز را ترویج دهد.

تصور دنیای مدرن بدون بتن دشوار است. مقادیر عظیمی از آن در ساخت و ساز در سراسر جهان استفاده می‌شود و تولید سیمان – ماده اصلی آن – مقدار زیادی CO₂، یک گاز گلخانه‌ای که تغییرات اقلیمی را تسریع می‌کند، تولید می‌کند. بنابراین سیمان‌های کم‌کربن‌تر عامل کلیدی در ساخت و سازهای سازگارتر با آب و هوا هستند.

با این حال، این نوع بتن اغلب سریع‌تر از بتن معمولی کربناته می‌شود: CO₂ موجود در هوا به بتن نفوذ کرده و ترکیب شیمیایی آن را تغییر می‌دهد. در نتیجه، فولاد داخل آن، که به طور قابل توجهی در ظرفیت تحمل بار سازه نقش دارد، می‌تواند شروع به زنگ زدن کند.

به همین دلیل، استانداردهای ساختمانی امروزی بر محافظت از فولاد در برابر خوردگی تا حد امکان تمرکز دارند. با این حال، این رویکرد، انواع بتن مدرن و سازگار با محیط زیست را در مقایسه با بتن سنتی در موقعیت نامساعدی قرار می‌دهد که مانع از پذیرش آن‌ها در عمل می‌شود. محققان رویکرد فعلی اتخاذ شده توسط استانداردها را بسیار محدود می‌دانند: به گفته کریستیانا آلبرت از مؤسسه مصالح ساختمانی در ETH زوریخ، آنچه واقعاً مهم است این است که فولاد پس از آن چقدر سریع زنگ می‌زند.

چهار مکان در آزمایش آب و هوا

رطوبت، به ویژه، تعیین می‌کند که فولاد موجود در بتن با چه سرعتی زنگ می‌زند. به گفته آلبرت، اگر بتن خیس باشد، این فرآیند می‌تواند تا صد برابر سریع‌تر از زمانی که خشک است، رخ دهد. در مقایسه، ترکیب مخلوط‌های بتنی مورد بررسی، تفاوت بسیار کمتری ایجاد کرد.

محققان سه مخلوط بتن را در چهار مکان با شرایط آب و هوایی مختلف بررسی کردند: زوریخ، برگن، مانائوس و هوایلای. آن‌ها داده‌های دقیق آب و هوا را به مدلی وارد کردند که نوسانات سطح رطوبت درون بتن را در طول زمان شبیه‌سازی می‌کند و در نتیجه نشان می‌دهد که فولاد درون آن با چه سرعتی زنگ می‌زند.

برای اولی آنگست، استاد دوام مواد مهندسی در ETH زوریخ، یکی از یافته‌ها به طور خاص شگفت‌انگیز بود: «آب و هوا نقش بسیار بزرگ‌تری از آنچه انتظار داشتیم ایفا می‌کند. همان بتن می‌تواند در یک آب و هوای متفاوت کاملاً متفاوت رفتار کند.» با این وجود، استانداردهای فعلی اروپا هر چهار سایت را در یک دسته قرار می‌دهند، «متناوب مرطوب و خشک».

بارندگی به تنهایی گویای همه چیز نیست

این امر به ویژه در برگن و مانائوس، که میزان بارندگی در آن‌ها حدود ۲۵۰۰ میلی‌متر در سال است، مشهود است. با این وجود، محاسبات نشان می‌دهد که فولاد با سرعت‌های مختلفی دچار خوردگی می‌شود. دلیل این امر این است که بتن به سرعت آب را جذب می‌کند اما به آرامی خشک می‌شود. بنابراین، عامل کلیدی، الگوی دوره‌های متناوب مرطوب و خشک است. محاسبات مدل همچنین نشان می‌دهد که انواع خاصی از بتن کم کربن مورد بررسی، بسته به موقعیت مکانی، می‌توانند ۵۰ سال یا بیشتر دوام بیاورند، اما ممکن است در شرایط مختلف زودتر آسیب ببینند. بارندگی سالانه یا میانگین رطوبت به تنهایی اطلاعات کمی در مورد میزان خوردگی فولاد موجود در بتن ارائه می‌دهند.

بتن کم کربن لزوماً بدتر نیست

نتایج به این معنی نیست که بتن کم کربن، به عنوان یک قاعده، دوام کمتری دارد یا حتی ناامن است. از نظر مقاومت، چنین بتنی می‌تواند با بتن معمولی برابری کند. سوال اساسی این است که چگونه در طول دهه‌ها رفتار می‌کند. ممکن است اثر محافظتی طبیعی خود را بر روی فولاد سریع‌تر از دست بدهد، اما اگر بتن به طور مداوم مرطوب نباشد، فولاد در مدت زمان طولانی بسیار آهسته زنگ می‌زند.

آلبرت می‌گوید: «ما باید درک بهتری از چگونگی رفتار انواع بتن سازگار با محیط زیست در درازمدت تحت شرایط آب و هوایی مختلف به دست آوریم.» به جای استفاده از بتن یکسان در همه جا طبق قوانین یکسان، در آینده باید توجه بیشتری به موقعیت مکانی سازه و شرایط آب و هوایی آن شود. دیگر یک راه حل واحد وجود نخواهد داشت که در همه جا به طور یکسان خوب عمل کند. به عنوان مثال، در مناطق به ویژه مرطوب، ممکن است اقدامات اضافی برای کاهش ورود آب مورد نیاز باشد.

این رویکرد جدید همچنین می‌تواند به غلبه بر مانع استفاده از مصالح ساختمانی کم‌کربن کمک کند. بسیاری از روش‌های آزمایش امروزی برای سیمان‌های معمولی توسعه یافته‌اند و به طور فزاینده‌ای در نظر گرفتن خواص خاص انواع بتن سازگار با محیط زیست شکست می‌خورند. آنگست می‌گوید: «در نتیجه، استانداردهای فعلی می‌توانند به مانعی برای مصالح جدید و سازگارتر با محیط زیست تبدیل شوند.»

از مدل تا عمل

رویکرد توسعه‌یافته هنوز برای استفاده در عمل مناسب نیست: محاسبات پیچیده هستند و نیاز به آزمایش بیشتر روی سازه‌های واقعی دارند.

در درازمدت، محققان قصد دارند روشی ساده‌تر برای ارزیابی سریع‌تر انواع جدید بتن ایجاد کنند، بدون اینکه مجبور باشند دهه‌ها برای کسب تجربه از سازه‌های واقعی منتظر بمانند.

این موضوع در زمینه تغییرات اقلیمی نیز اهمیت دارد: اگر فراوانی و مدت دوره‌های بارانی و خشک تغییر کند، میزان زنگ‌زدگی فولاد در بتن نیز ممکن است تغییر کند. در آینده، چنین «آزمایش اقلیمی» می‌تواند نشان دهد که کدام نوع بتن کم‌کربن در درازمدت برای هر مکان مناسب‌تر است.

ترجمه و تنظیم: صما