نوع سنگدانه ها بر واکنش بتن در دمای زیاد تاثیر می گذارد. وقتی که سنگدانه ها حاوی ذرات سیلیس نمی باشند، افت مقاومت به میزان قابل ملاحظه ای کمتر می شود. شن دولومیتی مصرف شده در بتن، سبب مقاومت خیلی خوب در برابر آتش می شود علت این امر آن است که عمل تکلیس سنگدانه ی کربناتی، گرماگیر^[۱۴] می باشد؛ در نتیجه، حرارت جذب می شود و افزایش بیشتر دما به تاخیر می افتد. همچنین چگالی مواد تکلیس شده کمتر از مقدار آن قبل از تکلیس است و لذا این عمل سبب ایجاد لایه ی عایق حرارتی سطحی می شود و این اثر در قطعات بتنی ضخیم ، قابل توجه خواهد بود [۷۳].
جزئیات تبدیل فیزیکی و شیمیایی بتن با دماهای بالا مورد نظر یک هدف مهم تحقیقات در سالهای اخیر بوده است.
بر اساس تحقیقاتی که محققان روی بتن انجام داده اند پدیده ی فیزیکی و شیمیایی را که در محدوده ی دمایی ۱۰۰ تا ۶۰۰ درجه سانتیگراد اتفاق می افتد به صورت زیر دسته بندی کرد:
تبخیر آب در ۱۱۰ درجه سانتیگراد
ذوب الیاف پلی پروپیلن در فاصله دمایی۱۷۰ تا ۱۷۵ درجه سانتیگراد
تجزیه هیدروکسید کلسیم در فاصله دمایی۴۵۰ تا ۵۵۰ درجه سانتیگراد [۷۹ - ۸۰].
۲-۴ تورم
تورم از موارد پیچیده ای است که به سختی می توان مشخصات رفتاری آن را در عکس العمل بتن برای دماهای بالا در برابر آتش پیش بینی کرد [۷۷]. تورم از دمای حدود ٢۰۰ درجه سانتی گراد شروع می‌شود و تا دماهای بالا هم دیده می شود. تورم در صورت شدید بودن یک اثر تخریبی بر مقاومت یک سازه بتنی مسلح خواهد داشت و باعث تخریب بتن و حتی حذف لایه پوشش بتن بر میلگردهای تقویت می شود و به علاوه انبساط میلگردها در دماهای بالا، منجر به کاهش مقاومت فولاد و در نتیجه تخریب خواص مکانیکی سازه در کل می شود [۸۲].

اثر مهم دیگر از تورم بر مقاومت فیزیکی یک سازه از طریق کاهش ابعاد موجود در تکیه گاه در اثر بارگذاری خواهد بود که منجر به افزایش تنش ها در بتن تکیه گاه می شود.
بخارشدن رطوبت، منجر به توسعه شکستها و خارج شدن تکه بزرگ از مواد از لایه های سطحی می شود. به طور خاص پیش شرط اصلی برای تورم، میزان رطوبت حداقل ٪۲ و شیب گرمایی تند نسبت به مواد سازنده است. شیب های گرمایی نه تنها به دمای فاز گازی بلکه به نرخ حرارت هم وابسته است [۷۷ و ۸۲] .
مقدار بحرانی تورم، تحت تاثیر نوع بتن، مقاومت مواد و حضور الیاف بستگی دارد. تحقیقات زیادی اخیراً بر پتانسیل ظرفیت انواع مختلف الیاف در بتن به منظور کاهش اثرات تورم انجام شده است. بعضی از مطالعات انجام گرفته برالیاف پلی پروپیلن در ماتریس بتن گویای این موضوع است که بتن وقتی در برابر حرارت قرار می گیرد، پلی پروپیلن ذوب می شود و مسیرهایی جهت خروج بخار آب و دیگر گازهای ایجاد شده می شود که در نتیجه کاهش فشار در سازه را خواهیم داشت. یک نظر هم وجود دارد که الیاف پلی پروپیلن ذوب شده مانعی برای انتقال رطوبت اضافه به بتن می باشد و مانع فشار داخلی در عمق سازه می شود. از طرف دیگر الیاف پلی پروپیلن مکانیزمی برای ترکهای تشکیل شده عمیق تر در سازه می باشد، که باعث کاهش تورم در سطح سازه می شود، اما از طرف دیگر باعث پیامد های سازه ای مخالف خودش می شود.
مطالعات انجام گرفته دیگر بر روی الیاف فلزی نشان دهنده این است که فولاد شکل پذیری بتن را افزایش می دهد و تسلیم شدن آن قادر به مقاومت دربرابر فشارهای داخلی سازه می شود [۸۳ و ۸۴].
۲-۵ تشکیل ترک
روندی که منجر به ترک خوردگی می شود عموماً شبیه به تورم می باشد. انبساط حرارتی و هیدراتاسیون بتن در اثر حرارت دادن ممکن است منجر به تشکیل ترک در بتن همراه با تورم انبساطی شود. این شکاف ها ممکن است مسیرهایی برای حرارت مستقیم میلگردهای بتن ایجاد کند که احتمالاً تنش های گرمایی بیشتر و ترک های بیشتری ایجاد می کند.
بر طبق نتایج تحقیقاتی که ژئورگالی^[۱۵] [۸۱] و همکارش برروی بتن حرارت دیده انجام دادند ، متوجه شدند که عمق نفوذ مرتبط با دمای حرارت است و عموما ترکها به صورت نسبتا عمیق در بتن گسترش می یابند و صدمه اصلی در نزدیکی سطوح که حرارت اصلی محدود شده است.
اهمیت شرایط تنش در بتن قابل توجه است. به گونه ای که بارهای فشاری ناشی از انبساط گرمایی در متراکم کردن مواد و توقف تشکیل ترک ها بسیار مفید هستند [۷۷ و ۸۱].
۲-۶خواص مکانیکی و ظاهری بتن‌های حرارت دیده
۲-۶-۱ مقاومت فشاری
گزارش های بسیاری از آزمایش های انجام گرفته بر روی مقاومت فشاری نمونه های حرارت د یده ارائه شده است. در تحقیقی که رمضانیانپور و همکارانش [۸۵] بر مقاومت فشاری پس ماند برای دو مخلوط بتن خودتراکم معمولی و بتن خود تراکم حاوی سیلیکافوم و پومیک به عنوان پرکننده در سن ٢٨ روز انجام دادند، مشاهده شد که از دمای ٢۰۰ درجه سانتیگراد مقاومت‌های فشاری پس ماند در مخلوط های بتن خودتراکم حاوی سیلیکافوم و پومیک به عنوان پرکننده کاهش ناگهانی خواهند داشت. بتن خودتراکم حاوی با ۱۵ % پومیک و دیگری ۶۵ % سیلیکا فوم به عنوان پرکننده دارای تلفات مقاومت بالاتری با افزایش دما نسبت به بتن خودتراکم بدون پوزولانی هستند. افزایش در مقاومت فشاری به ویژه در نتیجه ی مقاوم شدن خمیر سیمان در مدت بخار شدن آب است، به علاوه هیدراته شدن مواد سیمانی یک دلیل مهم دیگر در نتیجه ی سخت شدن خمیر سیمان است.
۲-۷پژوهشهای علمی انجام شده در ارتباط با عملکرد بتن با قرارگیری در درجه حرارت بالا
تحقیقی توسط هنه فائرس و همکاران [۸۸] بر روی بتن خودتراکم انجام شد در این تحقیق ۲ طرح بتن خودتراکم و یک بتن ساده با هم در حرارت های˚^c ۱۵۰،˚^c ۳۰۰،˚^c ۴۵۰،˚^c ۶۰۰ مقایسه شدند طرح scc1 ، مقدار w/p=0.36 داشت و از سیمان تیپ ۲ استفاده کرد و طرح scc2 مقدار w/p=0.42 داشت و از سیمان تیپ ۱ استفاده کرد بتن شاهد هم w/p=0.54 بود در این تحقیق بتن تحت آزمایشات مقاوت فشاری ، مدول الاستیسیته ، کاهش وزن ، نفوذپذیری قرار گرفت. آزمایشات در عمر ۹۰ روزه انجام گرفت.
طبق نتایج به دست آمده در تحقیق مذکور مقاومت فشاری طرحScc1بتن شاهدScc2 قبل از حرارت بود اما در اثر حرارت ˚^c ۲۰ تا ˚^c ۱۵۰ مقاومت فشاری نمونه ها کاهش پیدا کرد - در حرارت ˚^c ۱۵۰ تا ˚^c ۳۰۰ مقاومت فشاری دو طرح scc بیشتر از طرح شاهد شد و ۲۵ % افزایش مقاومت پیدا کردند اما نمونه شاهد ۵% کاهش مقاومت فشاری داشت. از حرارت ˚^c ۳۰۰ به بالا کاهش مقاومت در تمام طرح ها دیده شد. در این مقاله به بررسی دلیل افزایش مقاومت در حرارت ˚^c ۱۵۰ تا ˚^c ۳۰۰ پرداخته شد.

نسبت تغییرات مقاومت فشاری
شکل (۲-۲)- نمودار مربوط به نتایج مقاومت فشاری ]۸۶[
همچنین در تحقیق مذکور نمونه‌های بتنی مورد آزمایش مقاومت خمشی نیز قرار گرفتند که نتایج حاکی از کاهش مقاومت خمشی در مخلوط‌ها با افزایش دما می ‌باشد اما این کاهش در طرح بتن ساده کمتر از بقیه طرح‌ها می‌باشد.

نسبت تغییرات مقاومت کششی
شکل (۲-۳)- نمودار مربوط به نتایج مقاومت خمشی]۸۶[
در این تحقیق نمونه‌ها تحت آزمایش کاهش جرم ، تخلل و نفوذپذیری نیز قرار گرفتند نتایج در شکل‌های (۲-۴۴) تا (۲-۴۶) نشان داده شده است.

کاهش جرم (٪)
شکل (۲-۴)- نمودار مربوط به نتایج کاهش جرم ]۸۶[

تخلخل (٪)
شکل (۲-۵)- نمودار مربوط به نتایج آزمایش تخلخل]۸۶[

نفوذ پذیری( متر مربع)
شکل (۲-۶)- نمودار مربوط به نتایج آزمایش نفوذپذیری ]۸۶[
در تحقیقی که توسط کینگ تائولی و همکاران [۸۷] در سال ۲۰۱۲ بر روی بتن حاوی سرباره کوره آهن گدازی (GGBFS) در دماهای ˚^c ۱۵۰،˚^c ۴۰۰ ،˚^c ۵۰۰ ،˚^c ۷۰۰ صورت گرفت شواهد بیانگر این مطلب است که با افزایش مقدار ۱۰% ، ۳۰% ، ۵۰% این سرباره به جای سیمان ، درصد کاهش مقاومت با افزایش حرارت ، افزایش یافت.بیشترین و سریع ترین افت مقاومت برای ۵۰% سرباره بود.در این تحقیق نمونه ها ۲۸ روز در آب قرار گرفتند و ۹۰ روزه در دمای محیط نگه داشته شدند. در شکل (۲-۷) نتایج مربوط به آزمابش مقاومت فشاری این نمونه ها آمده است.
شکل (۲-۷)- نمودار مربوط به نتایج آزمایش مقاومت فشاری ]۸۷[
در این تحقیق نمونه‌ها تحت آزمایش کاهش جرم ، مدول الاستیسیته نیز قرار گرفتند نتایج در شکل‌های (۲-۸ ) و (۲-۹) نشان داده شده است.
شکل (۲-۸)- نمودار مربوط به نتایج آزمایش کاهش جرم ]۸۷[
شکل (۲-۹)- نمودار مربوط به نتایج آزمایش مدول الاستیسیته] ۸۷[
تحقیقی توسط نلا پتک و همکاران [۹۰] بر روی بتن خود تراکم حاوی خاکستر بادی و شن و ماسه ریختگری در دماهای ˚^c ۲۷،˚^c ۱۰۰،˚^c ۲۰۰،˚^c ۳۰۰ صورت گرفت آزمایشات انجام شده در این تحقیق ، آزمایش مقاومت فشاری ، مقاومت کششی ، سرعت نفوذ یون کلر ، مدول الاستیسیته ، SEM، تخلخل و کاهش جرم بود . نتایج این تحقیق بیانگر این مطلب بود که با جایگزینی خاکستر بادی به جای سیمان ، مقاومت فشاری بعد از حرارت دادن در سنین ۲۸ روزه و ۹۱ روزه در اثر حرارت کاهش پیدا کرد البته در دمای ˚^c ۲۰۰ تا ˚^c ۳۰۰ مقاومت افزایش یافت این افزایش مربوط به تغییر و تحولی است که در باند خمیر سیمان هیدراته صورت گرفت.
شکل (۲-۱۰)- نمودار مربوط به نتایج آزمایش مقاومت فشاری نمودار سمت راست مربوط به نمونه‌های ۲۸ روزه و نمودار سمت چپ مربوط به نمونه‌های ۹۱ روزه می‌باشد ]۸۸[.
در این تحقیق آزمونه‌ها تحت آزمایش مقاومت کششی نیز قرار گرفتند. مقاومت کششی با کاهش درصد خاکستربادی و نسبت آب به مواد سیمانی افزایش یافت و همچنین با افزایش درجه حرارت این مقاومت کاهش یافت. دردمای ۲۷ تا ۱۰۰ درجه سانتی‌گراد کاهش دما ناچیز و حدود ۲/۰ درصد و بین ۱۰۰ تا ۲۰۰ درجه سانتی‌گراد حدود ۲ درصد مشاهده شد. با افزایش دما از ۲۰۰ تا ۳۰۰ درجه ۸/۲ درصد کاهش در مقاومت نمونه‌ها دیده شده است. این کاهش به علت ناشازگاری حرارتی بین سنگدانه و خمیر سیمان و همچنین تجزیه هیدراتاسون می‌باشد.
شکل (۲-۱۱)- نمودار مربوط به نتایج آزمایش مقاومت کششی نمودار سمت چپ مربوط به نمونه‌های ۲۸ روزه و نمودار سمت راست مربوط به نمونه‌های ۹۱ روزه می‌باشد]۸۸[.
در این تحقیق نمونه‌ها تحت آزمایش نفوذپذیری نیز قرار گرفتند نتایج در شکل (۲-۱۲) نشان داده شده است.
شکل (۲-۱۲)- نمودار مربوط به نتایج آزمایش نفوذپذیری نمودار سمت چپ مربوط به نمونه‌های ۲۸ روزه و نمودار سمت راست مربوط به نمونه‌های ۹۱ روزه می‌باشد]۸۸[..
تحقیقی توسط اوژ اندیک کیکیر و همکاران [۹۱] بر روی بتن خودتراکم سبک دانه در دماهای ˚^c ۳۰۰،˚^c ۶۰۰،˚^c ۹۰۰ صورت گرفت این تحقیق بر روی ۲ نوع درشت دانه سبک وزن ( سنگ خلل و فرج دار pumice aggregaes) از دو منبع متفاوت صورت گرفت و همچنین نسبت w/pمتفاوت . در این تحقیق ۵ طرح اختلاط زده شد. ۱ طرح بتن شاهد ، ۳ طرح با یک نوع درشت دانه سبک وزن و نسبت آب به سیمان متفاوت و طرح سوم w/p یکسان با طرح شاهد و درشت دانه سبک وزن متفاوت. نتایج حاصله بیانگر این مطلب می باشد که مقاومت فشاری ۲۸ روزه در طرح شاهد ۲۸% افزایش را در اثر حرارت ˚^c ۳۰۰ داشت مقاومت فشاری یکی از منابع درشت دانه در دمای ˚^c ۶۰۰ و˚^c ۹۰۰ کاهش کمتری نسبت به منبع دوم داشت و حتی در ˚^c ۳۰۰ ، ۸% افزایش مقاوت فشاری داشت. کاهش درصد وزن در نمونه ها در اثر حرارت ، افزایش پیدا کرد . قبل از حرارت بتن شاهد بیشترین مقدار مقاومت فشاری را دارا بود و این نشان داد با جایگزینی درشت دانه سبک وزن به جای درشت دانه آهکی مقاومت بتن کاهش یافت. عکس های گرفته شده توسط SEM بیانگر این مطلب بود که ترک های انقباض حرارتی در اثر حرارت در بتن به وجود آمد ، که علتش ممکن است مربوط به ظرفیت انقباضی سنگدانه ها باشد نه مربوط به انبساط حرارتی یا گرمایی خمیر بتن .
شکل (۲-۱۳)- نمودار مربوط به نتایج آزمایش مقاومت فشاری ]۸۹[