معرفی بتن خود متراکم ، مبانی طراحی و طرح اختلاط آن

طبق تعریف انجمن بتن ایالات متحده، بتن خود متراکم عبارت است از بتنی با کارایی زیاد و عدم جداشدگی که می تواند پس از ریخته شدن در محل مورد نظر، فضای قالب را پر کند و اطراف آرماتورها را بدون نیاز به تراکم مکانیکی فرا بگیرد. در این نوشتار به معرفی این نوع بتن، مبانی طراحی و طرح اختلاط آن می پردازیم. با ما همراه باشید.

مقدمه

پژوهشگران عرصه مصالح ساختمانی طی سال ها در تلاش بوده اند تا با ایجاد تغییراتی در اجزای مختلف این مواد، اصلاحاتی را مطابق با نیازهای موجود اعمال کرده و به خواص جدید یا برتری از بتن دست پیدا کنند. این تلاش ها در طی سال ها منجر به پیدایش بتن های توانمند، فوق توانمند، سبک، الیافی و غیره شده است.

یکی از این انواع بتن که ظهور آن به چندین دهه قبل بازمی گردد، بتن خودمتراکم (Self-Consolidating Concrete) است که با ویژگی های خاص خود، امکانات جدیدی را در اختیار مهندسین قرار داده است که با استفاده از آنها می توان بر مشکلات ناشی از عدم تراکم مناسب در سازه های بتنی، از جمله کاهش عمر مفید و دوام سازه ها فائق آمد. با اینکه در ابتدا بتن خودتراکم در زمره بتن های خاص و پیچیده محسوب می شد، توانایی ها و مشخصات فوق العاده، این نوع بتن را به سرعت به یکی از انواع پرکاربرد در کشورهای پیشرفته دنیا تبدیل کرد. با این حال، در کشورهایی  مانند کشور ایران، هنوز این بتن یک فناوری جدید در عرصه ساخت و ساز به شمار می آید و می توان گفت استفاده از آن هنوز محدود می باشد و آشنایی و دانش کافی درباره آن نزد اغلب مهندسین وجود ندارد.

بتن خود متراکم چیست ؟

طبق تعریف انجمن بتن ایالات متحده، بتن خودتراکم عبارت است از بتنی با کارایی زیاد و عدم جداشدگی که می تواند پس از ریخته شدن در محل مورد نظر، فضای قالب را پر کند و اطراف آرماتورها را بدون نیاز به تراکم مکانیکی فرا بگیرد. De Schutter و همکارانش نیز موارد زیر را به عنوان پارامترهای ضروری برای یک مخلوط خودتراکم در حالت تازه عنوان کرده اند:

1 . توانایی جریان یافتن تحت وزن خود را داشته باشد.

2 . توانایی پر کردن تمامی فضای خالی موجود (فضای قالب) را داشته باشد.

3 . توانایی ایجاد یک مصالح متراکم و به اندازه کافی همگن را بدون نیاز به انجام عملیات تراکم داشته باشد.

به طور کلی بتن خود متراکم با مصالحی مشابه بتن معمولی ساخته می شود و در برخی موارد برای ساخت آن علاوه بر مقادیر نسبتاً زیاد فوق روان کننده، از افزودنی اصلاح کننده لزجت نیز استفاده می شود. شناخت صحیح رفتار، مزایا، معایب و نهایتاً ارائه طرح اختلاط مناسب برای بتن خودتراکم هنری است که با استفاده از آن می توان از مزایای این نوع بتن بیشترین بهره را جست و به موارد طرح شده در تعریف این بتن، یعنی کارایی بالا و عدم جداشدگی، دست یافت.

شکل 1 . بتن خود متراکم

مبانی طراحی مخلوط بتن خود متراکم

سیال و پایدار بودن از مبانی طراحی مخلوط SCC است، اما غیر از این خصوصیات ، عامل اقتصادی نیز باید در طراحی در نظر گرفته شود. چالش مهم در طراحی مخلوط SCC  معادل بودن مشخصات مورد نیاز با مشخصات واقعی است مواد مورد نیاز برای ساخت  SCC به شرح زیر است :

1 . سیمان : نوع و مقدار سیمان بر اساس خواص و دوام مورد نیاز تعیین می گردد. معمولا” مقدار سیمان بین 350 تا 450 کیلوگرم بر متر مکعب است.

2 . سنگدانه درشت : تمام سنگدانه های درشت که برای بتن معمولی استفاده می شود، قابل مصرف در SCC است. اندازه حداکثر معمولا” بین 16 تا 20 میلیمتر است. به طور کلی مقدار سنگدانه درشت در SCC کمتر از بتن معمولی است زیرا سنگدانه درشت انرژی زیادی مصرف می کند که باعث کاهش جاری شدن بتن می شود و در هنگام عبور از موانع مانند آرماتور سبب مسدود شدن بتن می گردد.

3 . سنگدانه ریز : تمام سنگدانه های ریز که برای بتن معمولی استفاده می شود برای SCC نیز مناسب است. هر دو نوع ماسه شامل شکسته و گرد گوشه قابل استفاده می باشد هرچه مقدار ماسه در مخلوط بیشتر باشد، مقاومت برشی مخلوط بیشتر است.

4 . مواد افزودنی معدنی : انواع مواد افزودنی معدنی یا پوزولان را می توان در بتن خود متراکم مصرف کرد. این مواد برای بهبود خواص بتن تازه و یا بتن سخت شده و دوام مورد استفاده قرار می گیرد. از جمله این موارد می توان میکروسیلیس، سرباره و روباره را نام برد.

5 . فوق کاهنده آب : فوق کاهنده آب یا فوق روان کننده ها از مواد بسیار مهم برای ساخت SCC محسوب می شوند.

6 . مواد اصلاح کننده ویسکوزیته : مواد اصلاح کننده ویسکوزیته برای افزایش مقاومت جداشدگی در SCC مصرف می شود.

7 . فیلرها : به دلیل الزامات رئولوژی خاص بتن خود متراکم ، هر دو نوع مواد افزودنی فعال و خنثی برای بهبود کارایی و همچنین برای تعادل در مقدار مصرف سیمان مورد استفاده قرار می گیرد.

ویژگی های بتن خودتراکم

خواص بتن تازه در بتن های خودتراکم از حساسیت بیشتری نسبت به انواع دیگر برخوردار است زیرا مزایای این بتن غالباً از خواص آن در حالت تازه ناشی می گردد و به همین دلیل نیز آزمایش های خاصی برای ارزیابی رفتار بتن خودتراکم تازه به کار گرفته می شود. بتن خودتراکم در حالت تازه عموماً با سه ویژگی زیر شناخته می شود :

1 . قابلیت پرکردن

2 . قابلیت عبور

3 . مقاومت در برابر جداشدگی (پایداری)

باید توجه داشت که یک مخلوط بتن فقط هنگامی می تواند در طبقه بندی بتن خودتراکم قرار گیرد که الزامات مربوط به هر سه ویژگی را دارا باشد. به عبارت دیگر این سه ویژگی کارایی بتن خودتراکم را توصیف می کنند. طبق تعریف، کارایی بتن نشانگر سهولت اختلاط، جای دهی، تراکم و پرداخت سطح بتن تازه است. این ویژگی در بتن خودتراکم توسط آزمایش های ویژه ای مورد ارزیابی قرار می گیرد. قابلیت پرکردن (جریان در حالت آزاد) توانایی بتن خودتراکم برای جریان و پرکردن همه فضاهای داخل قالب، تحت وزن خود را نشان می دهد. این ویژگی هنگام انتخاب روش بتن ریزی و نیز تعیین فاصله مجاز بین نقاط بتن ریزی اهمیت خاصی می یابد. قابلیت عبور (جریان در حالت محبوس) به توانایی بتن برای عبور از موانع مختلف و فضاهای باریک در قالب، بدون وقوع انسداد جریان (اصطلاحاً بلوکه شدن) اشاره دارد. بلوکه شدن در نتیجه جداشدگی موضعی سنگدانه ها در مجاورت موانع رخ می دهد و منجر به توقف جریان در غیاب تراکم دینامیکی می گردد. بتن خودتراکم هنگامی می تواند ظرفیت پرکنندگی زیادی داشته باشد که حد مناسبی از قابلیت عبور و قابلیت پرکنندگی را به صورت همزمان داشته باشد تا بتواند یک مقطع خاص را فقط تحت نیروی ثقل پر کند.

پایداری بتن تازه به توانایی آن برای حفظ توزیع همگن اجزای مختلف در حین جریان و گیرش گفته می شود. برای بتن خودتراکم دو نوع ویژگی پایداری حائز اهمیت هستند : پایداری دینامیکی و استاتیکی.

پایداری دینامیکی، مقاومت بتن در برابر جداشدگی اجزا حین جای دهی در قالب می باشد. هنگامی که شرایط آرماتوربندی به گونه ای باشد که نیازمند عبور بتن از فضاهای کوچک باشد، بتن خودتراکم مذکور باید پایداری دینامیکی کافی داشته باشد. پایداری استاتیکی نشانگر مقاومت بتن در برابر آب انداختگی، جداشدگی و نشست سطحی بعد از بتن ریزی و در حالی که بتن هنوز در حالت خمیری است، می باشد. در اغلب موارد، افزودنی اصلاح کننده لزجت و یا مقدار مواد پودری زیاد برای بهبود پایداری بتن تازه استفاده می شود. افزودنی اصلاح کننده لزجت برای بهبود رئولوژی مصالح سیمانی در حالت خمیری و کاهش خطر جداشدگی مورد استفاده
قرار می گیرد. برخلاف بتن معمولی، حادترین نوع جداشدگی در بتن خودتراکم هنگامی رخ می دهد که عملیات بتن ریزی انجام شده است و مخلوط بتنی در حالت سکون قرار دارد. در واقع در صورتی که مخلوط بتن از پایداری کافی برخوردار نباشد، سنگدانه های درشت تمایل به ته نشینی در ملات پیدا می کنند و حاصل کار بتن ناهمگن با خواص نامطلوب خواهد بود.

پیشنهاد مطالعه : آب انداختن و جدا شدگی بتن و روش های جلوگیری از آنها

شکل 2 . بتن خود متراکم

تنظیم طرح مخلوط

پس از ساخت مخلوط های آزمایشی، اگر عملکرد آنها مطلوب نباشد، باید طرح مخلوط مجدداً انجام شود. بسته به مشکلاتی که در خواص بتن تازه ایجاد می شود، ممکن است واکنش های زیر انجام گردد :

1 . اضافه کردن فیلر یا استفاده از نوع دیگر فیلر

2 . تجدید نظر در مقادیر شن و ماسه

3 . تغییر در مقدار فوق روان کننده یا ماده اصلاح کننده ویسکوزیته

4 . تغییر در مقدار آب و نسبت آب به پودر

5 . تغییر در نوع مواد اصلاح کننده ویسکوزیته یا فوق روان کننده

امروزه برای بتن خود تراکم مشخصات کلی زیر را پیشنهاد می کنند :

کارآیی : از نظر کارآیی یک بتن خود متراکم مناسب دارای خواص زیر خواهد بود : در حالت معمولی دارای جریان اسلامپی بیش از 600 میلی متر و بدون جداشدگی، حفظ روانی به مدت حداقل 90 دقیقه، توانایی مقاومت در شیب 3 درصد در سطح افقی آزاد، قابلیت پمپ شدن در لوله ها به طول حداقل 100 متر و به مدت 90 دقیقه، مقاومت فشاری 28 روزه حدود 600-250 کیلوگرم بر سانتیمتر مربع، مقاومت در مقابل خوردگی تهاجم سولفات ها و کلریدها و انجماد و ذوب مطابق استاندارد، کاهش خطر ترک های حرارتی در مقایسه با بتن معمولی ویبره شده.

جدول 1 . طرح اختلاط بتن خود متراکم

مزایا استفاده از بتن خود متراکم

بتن خود تراکم مزایایی در اجرای موارد خاصی از سازه های بتنی دارد که به نمونه هایی از آنها اشاره می شود :

1 . سازه های بتنی معماری هنری که نیاز به ظرافت خاص با میلگرد گذاری فشرده دارند.

2 . پل های با دهانه بزرگ که به دلیل طولانی بودن خط انتقال بتن اجرای آن ها با بتن معمولی امکان پذیر نمی باشد و در ضمن استفاده از بتن معمولی موجب قطورتر شدن اندازه پایه ها و نازیبایی سازه می گردد.

3 . تونل های شهری و آبی که در آنها مسافت طولانی انتقال بتن معمولی و حفظ کیفیت و تراکم آن از مشکلات اجرایی است.

4 . ساختمان های بلند و برج ها

5 . ستون ها و دیوارهای بلند یا میلگردهای متراکم

6 . ستون های بتن ریزی شده با پمپ

7 . بتن ریزی بلوک های بتنی

8 . بتن ریزی کف ها و سطوح افقی

9 . بتن ریزی در سازه های زیر آبی

مزایای چشمگیر بتن خود تراکم موجب گسترش سریع آن در دنیا شده است که به طور اجمال می توان به مواردی از آنها اشاره نمود :

1 . توسعه سازه های بتنی در دنیا و نیاز به بتن های با خواص ویژه

2 . کمبود کارگران ماهر بتن ریزی به ویژه کارگران ویبره زن

3 . افزایش سرعت اجرای سازه های بتنی در سهولت بتن ریزی

4 . امکان بهبود کیفیت مکانیکی بتن

5 . امکان اجرای سازه های بتنی ظریف و سنگین و انتخاب مقاطع کوچک یا میلگردهای فشرده

6 . توسعه صنایع پیش ساخته بتنی

7 . صرفه جویی اقتصادی با توجه به کاهش نیروی انسانی لازم و زمان ساخت

8 . توجه به سطوح تمام شده زیبا و مرغوب سازه های بتنی

9 . کاهش سر و صدا و آلودگی صوتی محیط کار به ویژه در صنایع پیش ساخته بتنی

پیشنهاد دانلود : جزوه آشنایی با انواع بتن

تهیه کنندگان : علیرضا المکچی و مجتبی پاشاپور