معرفی بتن خود تراکم و خواص آن

بتن خود تراکم 

نوآوری جدید در شاخه بتن های با عملکرد بالا می باشد که بدون نیاز به هیچ لرزاننده داخلی و خارجی درداخل قالب جاری شده و فقط با استفاده از نیروی جاذبه قالب را پر می نماید و آرماتورهای موجود در آن را می پوشاند. امروزه با توجه به گسترش صنعت ساخت و ساز در کشور و به خصوص روي آوردن مهندسان به ساخت سازه هاي عظيم و بلند مرتبه، افزايش ايمني در توليد و اجراي سازه امري ضروري است. از جمله راهکارهاي مناسب براي اجراي پروژه هاي پيچيده به خصوص سازه هاي قرار گرفته در مناطق زلزله خيز که طبق آيين نامه هاي بتن از تراکم زياد آرماتور برخوردارند. امروزه با توجه به گسترش صنعت ساخت و ساز در کشور و به خصوص روي آوردن مهندسان به ساخت سازه هاي عظيم و بلند مرتبه، افزايش ايمني در توليد و اجراي سازه امري ضروري به نظر مي رسد. از جمله راهکارهاي مناسب براي اجراي پروژه هاي پيچيده به خصوص سازه هاي قرارگرفته در مناطق زلزله خيز که طبق آيين نامه هاي بتن از تراکم زياد آرماتور برخوردار هستند دستيابي به محصولات جديدي ازمصالح ساختماني به منظور افزايش ضريب اطمينان و ايمن ساختن ساخت و ساز درکوتاه ترين زمان ممکن امري ضروري مي باشد. بتن که به عنوان پر مصرف ترين مصالح ساختماني در دنيا شناخته شده اند،بررسي ويژگي هايي همچون پايايي، کيفيت، تراکم و بهينه سازي آن از اهميت خاصي برخوردار است. به دليل آنکه اغلب در بتن ريزي و اجراي عمليات تراکم از افراد با تجربه کافي استفاده نمي شود، مشخصات مکانيکي مطلوب بتن حاصل نمي گردد. بتن خود تراکم که يک نوآوري جديد در شاخه بتن هاي توانمند به حساب مي آيد توانسته بدون نياز به هيچ لرزاننده داخلي و خارجي در داخل قالب جاري شده و فقط با استفاده از نيروي جاذبه، قالب را پر نموده و آرماتورهاي موجود در آن را مي پوشاند و هم زمان يکنواختي خود را نيز حفظ مي کند. نظريه بتن خود تراکم براي اولين بار در ژاپن و توسط اوکامورا مطرح گرديد و به تدريج از ژاپن به اروپا و ساير نقاط جهان توسعه پيدا کرد. بتن براي اينکه بتواند بدون نياز به لرزاندن تحت وزن خود متراکم گردد بايد داراي سه مشخصه اصلي به شرح زير باشد: 

• قابليت پايداري توانايي بتن خود تراکم در همگن ماندن ترکيباتش در هنگام اختلاط، حمل ونقل،بتن ريزي و پرداخت نهايي قابليت پايداري اطلاق مي گردد.
• قابليت پرکنندگي قابليتي كه در بتن خود تراكم وجود دارد و به واسطه آن بتن مي تواند تحت تاثير شتاب ثقلي زمين تمام سطح قالب را پر کند، قابليت پر كنندگي نام دارد.
• قابليت عبور در مناطق زلزله خيز، چون سازه ها از حجم آرماتور بندي زيادي برخودار هستند و از طرفي لرزاندن بتن ممکن است باعث ضربه زدن به آرماتورها و درنتيجه جابجايي آنهاشود بتن خود تراکم مي تواند به آساني از بين آرماتورها عبور کرده و به اين طريق باعث صرفه جويي در هزينه و زمان مي گردد.

بی شک این ادعا که استفاده از طرح یا روشی خاص همچون بتن ریزی با بتن خود تراکم در کلیه پروژه های عمرانی پاسخگو بوده و مشکلی نیز نداشته است، هرگز پذیرفتنی نخواهد بود. براین اساس تجربیات بین المللی در این زمینه نیز با مشکلات و محدودیت هایی روبه رو بوده است... محدودیت های بتن خود تراکم بدون شک این ادعا که استفاده از طرح یا روشی خاص همچون بتن ریزی با بتن خود تراکم در کلیه پروژه های عمرانی پاسخگو بوده و مشکلی نیز نداشته است، هرگز پذیرفتنی نخواهد بود. براین اساس تجربیات بین المللی در این زمینه نیز با مشکلات و محدودیت هایی روبه رو بوده است:

• افزایش هزینه مواد اولیه، شامل دانهبندی سنگدانه ها ،افزودنی های خاص و... - نیاز به سرمایه گذاری دراز مدت برای فراهم کردن تجهیزات و نصب آنها.
• نیاز به آموزش و تعلیم کارگران.
• نبودن استانداردهای آزمایشگاهی معتبر تأیید شده: یکی از مهم ترین محدودیتهای بتن خودتراکم نداشتن استانداردهای آزمایشگاهی معتبر تأیید شده برای بیان خصوصیات فیزیکی آن است.
• لزوم تلاش بیشتر در حفظ خواص رئولوژی این نوع بتن .
• جمع شدگی و تنش های حرارتی.
• نیاز به دقت بیشتر در حمل و نقل:استفاده از بتن خودتراکم نیازمند برنامه ریزی دقیقی در تنظیم ظرفیت تولید، زمان حمل و حجم بتن ریزی است تا عملیات متوقف نشده و به طور پیوسته ادامه یابد.
• بتن خود تراکم دارای روانی بالایی است. به همین دلیل امکان فرار آن از قالب هایی که آب بند نباشد، موجود است. بنابراین باید قالب های مورد استفاده را به طور کامل آب بندی کرد. اما تجربیات جهانی در مورد بتن خود تراکم نشان می دهد که تمام آنچه که در مراجع علمی مختلف به عنوان نقاط ضعف بتن خود تراکم مطرح گردیده است، به نوعی ناشی از استفاده نا به جا و تصمیم گیری نادرست در بکار گیری آن است و در اصل به دلیل ضعف مدیریت پروژه می باشد. مزایای بتن خودتراکم در پاسخ یه این سوال که چرا باید از بتن خود تراکم استفاده کرد؛ می توان به موارد زیر اشاره کرد که البته شرح هر یک نیازمند بحث جدا گانه ای است.
• حذف مرحله لرزاندن از عملیات بتن ریزی
• بهبود کیفیت: امکان تراکم فوق العاده بتن خود تراکم موجب پوشش کامل آرماتورها و بالا رفتن عمر مفید سازه و کاهش هزینه های نگهداری می گردد. به علاوه روانی مناسب این بتن در بسیاری موارد تنها دلیل استفاده آن در بتن ریزی شبکه هایی با آرماتوربندی متراکم بوده است.
• صنایع بتن پیش ساخته
• سازگاری منابع طبیعی
• دلایل فنی و تکنیکی: با توجه به ماهیت این نوع بتن خواص فنی مهمی از آن قابل استحصال است که گاهاً بررسی هر یک به چندین مقاله نیاز دارد. خواصی چون بهبود مولفه های مکانیکی در جهت ارائه دوام بیشتر، ارائه سطح و نمای مطلوب تر و بدون تخلخل، امکان افزایش ارتفاع بتن ریزی، کاهش سیکل های بتن ریزی و حذف مشکل درزه ها، حذف مرحله لوله گذاری در بتن ریزی، امکان جایگزینی 40 تا 50 درصدی سیمان با خاکستر بادی، حفظ خواص بتن تازه در طول اجرا، تعویق جداشدگی، عدم نیاز به اقدامات ویژه برای دستیابی به پایداری و...

مروری بر روشهای طراحی نسبت اختلاط بتن خودتراکم

با وجود استفاده گسترده بتن خود تراکم در صنعت امروز و گسترش استفاده روز افزون از آن، هنوز روش طراحی استاندارد، مطلوبی برای آن پیشنهاد نشده است. طرح اختلاط های ارائه شده معمولا بر مبنای آزمون و خطا استوار هستند و معین می کنند که آزمون و خطا برای رسیدن به خواص مطلوب، از کجا و چگونه آغاز شود. در حقیقت مبنای اکثر طرح اختلاط ها تجربی است و بر اساس نتایح آزمایشگاهی، محدوده هایی از نسبت ها را پیشنهاد می کنند.برای ارائه روش مناسبی برای طرح اختلاط ابتدا بهتر است به ویژگی های اصلی مثل خود تراکم در مقایسه با بتن خود تراکم در مقایسه با بتن معمولی. توجه کنیم:

• قابلیت عبور از اشکالی با هندسه پیچیده و بدون بروز جدا شدگی و به صورت یکنواخت که برای این منظور، اندازه سنگدانه ها باید به گونه ای انتخاب شود که قابلیت عبور مناسب را بر آورده کند و همچنین ترکیب خمیر، باید یکنواختی را تضمین کند.
• قابلیت پر کنندگی که قابلیت جاری شدن تحت اثر وزن خود و پر کردن قالب ها بدون نیاز به لرزاندن را بیان می کند که برای این منظور، تنش تسلیم بتن خود تراکم باید نزدیک صفر باشد و ویسکوزیته مناسبی داشته باشد.
• مقاومت در برابر جدا شدگی و پایداری استاتیکی و دینامیکی، یعنی قابلیت همگن ماندن در مدت زمان انتقال، بتن ریزی و جای گذاری در حقیقت طرح اختلاط یعنی پیدا کردن راهی برای رسیدن به کار پذیری، با استفاده از تغییر رئولوژی است.برای بر آورده شدن این ویژگی ها در بین خود تراکم، نسبت های اختلاط در این بتن، در بعضی موارد متفاوت با بتن های سنتی است .

ویژگی های کلی طرح اختلاط های بتن خودتراکم :

• شامل درشت دانه کمتر (برای کاهش جدا شدگی)
• استفاده از ریز دانه بیشتر برای افزایش کار پذیری و جلوگیری از جدا شدگی
• مقادیر بیشتر پودر، از آن جایی که در بتن خود تراکم نیاز به اسلامپ بیشتری داریم. حجم خمیر بالایی مورد نیاز است، در نتیجه مقدار سیمان هم به ناچار باید افزایش یابد، افزایش سیمان منجر به غیر اقتصادی شدن مخلوط بتن می شود. از سوی دیگر افزایش سیمان باعث ایجاد مشکلات فنی مانند افزایش جمع شدگی و خزش و مواردی نظایر آن نیز می گردد بنابراین در بتن خود تراکم بخشی از سیمان را با پودرهایی جایگزین سیمان می کنیم
• مقادیر بالای فوق روان کننده برای افزایش اسلامپ
• احتمال استفاده از مواد قوام آور برای کاهش جدا شدگی و کاهش اثر تغییر آب مخلوط در خواص مخلوط

مصالح مکمل سيماني و اثرات آن روي بتن خود تراکم (SCM)

بتن خود تراکم رواني بيشتري نسبت به بتن سنتي دارد و نيازي به ويبره کردن و استفاده از نيروي انساني بيشتري براي بتن ريزي ندارد.از عواملي که بين بتن سنتي با بتن خود تراکم تفاوت ايجاد مي کند،نسبت مواد سيماني بالاتر نسبت به بتن سنتي و همچنين استفاده از مصالح مکمل سيماني نظير دوده سيليس،روباره،خاکستر بادي و در بتن خود تراکم مي باشد و عامل بسيار مهم ديگر در ساخت ببتن خود تراکم ،استفاده از فوق روان کننده هايي نظير ژلنيوم(Glenuim) مي باشد.

1-بتن خود تراکم (SCC)

بتن خود تراکم رواني بيشتري نسبت به بتن سنتي دارد و نيازي به ويبره کردن و استفاده از نيروي انساني بيشتري براي بتن ريزي ندارد.از عواملي که بين بتن سنتي با بتن خود تراکم تفاوت ايجاد مي کند،نسبت مواد سيماني بالاتر نسبت به بتن سنتي و همچنين استفاده از مصالح مکمل سيماني نظير دوده سيليس،روباره،خاکستر بادي و در بتن خود تراکم مي باشد و عامل بسيار مهم ديگر در ساخت بتن خود تراکم،استفاده از فوق روان کننده هايي نظير ژلنيوم (Glenuim) مي باشد.البته نسبت مواد سيماني بالاتر مشکلاتي در ساخت بتن خود تراکم ايجاد مي کند که مي توان حرارت هيداراتاسيون بالا و جمع شدگي(Shrinkage) بالا را نام برد.قابل ذکر است که هر پنج تيپ سيمان پرتلند مي توانند در بتن خود تراکم استفاده شوند.قابل توجه است که نوع و تيپ سيمان استفاده شده در بتن خود تراکم ،اثرات غير قابل اجتنابي در عملکرد افزودني ها در بتن خود تراکم دارد،زيرا آزمايشات نشان داده است که مدول نرمي و همچنين در صد مقادير C3S , C3Aموجود در سيمان،اثرات بسيار ويژه اي در رواني و خواص رفتاري و مکانيکي بتن خود تراکمتن خود تراکم دارند

1-1-مصالح مکمل سيماني و اثرات آن روي بتن خود تراکم (SCM)

استفاده از مصالح مکمل سيماني اثرات ويژه اي در عملکرد بتن خود تراکم دارد،زيرا اين مصالح نسبت به سيمان ارزان تر هستند،پس قیمت نهایی می تواند کمتر بشود.اين مصالح مکمل،کارپذيري و دوام بتن را افزايش مي دهد.همچنين يکي از مشکلات اصلي بتن را که ايجاد حرارت بالاي هيدراتاسيون که مخصوصاً در بتن ريزی حجيم مشکل ساز مي باشد،را کاهش مي دهد.علاوه بر اين Mehta و Monteiro در سال 1993 در يافتندکه مواد مکمل سيماني که در بیشتر موارد به شکل پودر هاي ريز با مدول نرمي بسيار بالايي مي باشند،آب اضافي که با سيمان واکنش نمي دهد،را جذب کرده و همچنين خلل و فرج داخلي بتن را که باعث ايجاد آب انداختگي و جدا شدگي در بتن مي شوند،را کاهش مي دهد. بدليل کاهش در کسب مقاومت در سنين اوليه بتن در مخلوط هاي با مواد مکمل سيماني نظير خاکستر بادي و روباره و... ،مقاومت اين بتن ها در 28 روز اندازه گيري مي شود،زيرا مقاومت 28 روزه شاخص مقاومت است. در ادامه سعي بر آن شده است که نمونه هايي کاربردي از مواد مکمل سيماني نظير خاکستر بادي و روباره و دوده سيليس توضيح داده شود:

1-1-1-خاکستر بادي(Fly Ash)

استفاده از خاکستر بادي به طور کلی کارپزيري بتن خود تراکم را بهبود داده و آب انداختگي و جدا شدگي را کاهش مي دهد و پايداري و دوام بتن خود تراکم را افزايش مي دهد.بعنوان مثال Sonebiدر سال 2004 در يافت که استفاده از خاکستر بادي تنش تسليم و ويسکوزيته ي پلاستيک بتن خود تراکم را کاهش مي دهدPark,Noh,Parkدر سال 2005 اگر چه دريافتند که خاکستر بادي به مقدارکمي تنش تسليم را کاهش مي دهد،ولي ويسکوزيته ي پلاستيک خمير فوق روان کننده را افزايش مي دهد.همچنين Somervilleو Shadle در سال 2002 دريافتند که خاکستر بادي مي تواند آب انداختگي را کاهش و پايداري را افزايش دهد.اثرات خاکستر بادي بستگي زيادي به جايگزيني سيمان با خاکستر بادي در حجم يا وزن مشابه دارد.در مقايسه اي بين رده ِ C خاکستر بادي و رده ِ F خاکستر بادي، رده ِ F خاکستر بادي کسب مقاومت اوليه را در محدوده ي بسيار زيادي کاهش مي دهد اما براي دوام بتن بهتر است. رده ِ Cخاکستر بادي زمان گيرش را نسبت به رده ِ F خاکستر بادي بيشتر به تاخير مي اندازد. Somerville و Shadle در سال 2002 دريافتند که کاهش در مقاومت اوليه براي بتن هاي خود تراکم با خاکستر بادي مي تواند با استفاده از يک تند گير کننده جبران شود.قابل ذکر است که خاکستر بادي آسياب شده براي بتن خود تراکم استفاده مي شود.در يافته شده است که خاکستر بادي بسيار آسياب شده (Ultra-pulverized fly ash "UPFA")اثرش روي کارپذيري بتن خود تراکم شبيه يک ويسکوزيته ي معادل مي باشد که در آن رواني بدون کاهش ويسکوزيته افزايش پيدا مي کند.استفاده از خاکستر بادي آسياب شده خواص مکانيکي بتن خود تراکم را افزايش داده و جمع شدگي خشک بتن را کاهش مي دهد.صورت ديگر استفاده از خاکستر بادي،استفاده بصورت خاکستر بادي رده بندي شده مي باشد که شامل ذرات ريز خاکستر بادي گرفته شده از يک منبع کلي تر(بزرگ تر) خاکستر بادي مي باشد.اين اندازه کوچک ذرات،واکنش پذيري را افزايش داده و بتن را به سمت افزايش مقاومت فشاري و افزايش دوام بتن هدايت مي کند.بر خلاف ذرات کوچکتر ديگر،استفاده از خاکستر بادي رده بندي شده آب لازم و جمع شدگي خشک و همگن بتن را کاهش مي دهد.در سال 2001، Ferrarisو Oblaو Hillدريافتند که خاکستر بادي رده بندي شده، تنش تسليم و ويسکوزيته ي پلاستيک خمير سيمان را موقعي که به جاي سيمان با مقدار بهينه ي %12 جايگزين مي شود،را کاهش مي دهد.

1-1-2 دوده سيليس(Silica Fume)

چنانچه نشان داده شده است،دوده سيليس به عنوان مصالح مکمل سيماني بصورت موفقيت آميزي در بتن خود تراکم استفاده شده است.(Domone 2006)دوده سيليس معمولاً براي افزايش چسبندگي و کاهش جداشدگي و آب انداختگي نظير خاکستر بادي استفاده مي شود(EFNARC 2005). همچنين در سال 1993 MehtaوMonterio دريافتند که دوده سيليس،مقاومت فشاري،مدول الا ستيسيته و مقاومت خمشي بتن خود تراکم را افزايش داده و پايداري در همه سنين نمونه را بالا مي برد.اين افزايش در مقاومت ممکن است خصوصاً در سنين اوليه بتن در مقايسه با سيليس با ساير مصالح مکمل سيماني چشمگيرتر باشد.دوده سيليس،پايداري را موقع استفاده کم از(معمولاً کمتر از %6-4)با جايگزيني به جاي سيمان بالا مي برد ولي آثار زيانباري روي رواني بتن در حالت استفاده ي زياد دارد. بر طبق يافته هاي Bacheدوده سيليس مي تواند کارپذيري بتن را افزايش دهد.براي خمير هاي طراحي شده براي بتن خود تراکم،اضافه کردن دوده سيليس تا %10 حجم جايگزيني به جاي سيمان،تنش تسليم را افزايش مي دهد.ويسکوزيته  پلاستيک اگر چه موقعي که يک فوق روان کننده ي بر پايه ي پلي کربوکسيلاتي استفاده مي شود،کاهش پيدا مي کند و موقعي که يک فوق روان کننده ي بر پايه ي نفتاليني استفاده مي شود،افزايش پيدا مي کند ولي کاهش در ويسکوزيته پلاستيک به جايگزيني آب ميان ذرات سيمان و ذرات کروي شکل دوده سيليس بستگي دارد.

1-1-3-روباره(Slag)

استفاده از روباره در بتن خود تراکم نتیجه بسیار خوبی دارد(Ozyildirim 2005; Billberg 2000; PCI 2003;Domone 2006).
روباره معمولاً در درجات بالاي جايگزيني نسبت به خاکستر بادي مورد استفاده واقع مي شود.روباره در کاهش گرماي هيدراتاسيون و هزينه ها مفيد و موثر است، اما تاثير آن درکارپذيري،نسبت به همان مقدار استفاده از خاکستر بادي پيشرفت و بهبودي زيادي ندارد.

تأثير مواد افزودني شيميايي بر روي خصوصيات رفتاري بتن خمیری سیمان

براي اينکه بتن خود تراکم بتواند مقاومت در برابر جداشدگي را در کنار کارايی مطلوب حفظ کند، بايد دارای لزجت مناسب و تنش تسليم محدود باشد. اگر لزجت بتن بالا باشد، جداشدگي و آب انداختگي مشاهده نمي شود، اما بتن کارايي مناسبي نخواهد داشت. از سوی دیگر در صورت کاهش بيش از حد لزجت بتن نيز خطر جداشگي زياد مي شود بتن علاوه بر دارا بودن مقاومت و دوام مناسب بايد از کارپذيري مناسب نيز برخوردار باشد تا حمل و نقل، بتن ريزي، جاي دهي و پرداخت آن امکان پذير بوده و تا حد امکان به سهولت انجام گيرد. بنابراين استفاده از مواد فوق روان کننده براي دستيابي به مشخصات رفتاري مورد نظر متداول است. با توجه به خصوصيات ويژه بتن خود تراکم شامل قابليت پر کنندگي، قابليت عبور و قابليت پايداري تأثير مواد افزودني شيميايي بر روي اين خصوصيات توسط آزمايش های نظير جريان اسلامپ (Slump-Flow)، جعبه L-Box، حلقه J-Ring، جعبه U-Box، قيف V-Funnel)و اوريمت (Orimet) سنجيده مي شوند آزمايش هاي به عمل آمده نشان مي دهد که استفاده از فوق روان کننده ها براي افزايش کارايي بتن خود تراکم امري ضروري مي باشد و در صورت استفاده مناسب از مواد افزودني مي توان لزجت و تنش تسليم بتن خود تراکم را در محدوده بهينه تنظيم نمود. همچنين يک مقدار بهينه براي افزودني شيميايي تعريف مي شود که استفاده بيش از اين م دار خصوصيات رفتاري بتن را تغيير نمي دهد و ممکن است باعث غير اقتصادي شدن ساخت بتن شود. از طرفی مقدار افزودني مورد استفاده در بتن بايد به گونه اي تنظيم شود تا نسبت آب به سيمان لازم جهت دستيابي به يک لزجت مناسب در بتن خودتراکم تامين گردد.در نهايت اين نکته قابل ذکر است که فوق روان کننده هاي پلي کربکسيلات به دلايل قدرت کاهندگي بيشترآب، تامين لزجت مناسب تر و حفظ کارايي، براي ساخت بتن خود تراکم در مقايسه با فوق روان کننده های نفتاليني مناسب ترند اثبات اين مطلب در قسمت خمير سيمان نيز مشاهده گرديد.