طرح اختلاط، ویژگی ها و کاربرد بتن سنگین

بتن سنگین

• براساس تعریف موسسه ACI، بتن سنگین بتنى است که اساساً داراى وزن مخصوص بیشتری نسبت به بتن هاى معمولى است. در ساخت بتن سنگین به جاى شن و ماسه از خرده‌هاى فولاد، چدن و یا سولفات باریم استفاده مى‌شود. وزن مخصوص بتن سنگین حدود ۱/۵ تا ۲/۵ برابر وزن مخصوص بتن معمولى است. بتن سنگین براساس نوع و اندازه سنگدانه مصرفى و شیوه تراکم و تخلیه، مى‌تواند جرم مخصوصی بیش از ۶۴۰۰ کیلوگرم بر متر مکعب داشته باشد. اگر جرم مخصوص بتن معمولى حدود ۲۴۰۰ و بتن سنگین ۶۴۰۰ کیلوگرم بر متر مکعب فرض شود، جهت تهیه یک مخلوط همگن و یکنواخت، بدون اینکه فشار اضافى بر تجهیزات مکانیکى اعمال گردد، باید از ۴۰ درصد ظرفیت اسمى دستگاه مخلوط کن استفاده شود.
• با افزایش چگالى بتن، خصوصیات زیادى از بتن افزایش یافته یا دستخوش تغییر خواهد شد. یکى از مهمترین این خصوصیات، مقاومت سایشى بتن است. بتن سنگین همواره هزینه ساخت بیشترى نسبت به بتن هاى معمولى دارد.

کاربرد بتن سنگین

• بتن سنگین به طور ویژه به عنوان سپر محافظ در مقابل تشعشع به کار مى‌رود. انتخاب بتن برای حفاظت تابشی به نوع و شدت تابش و الزامات فضا بستگی دارد. کارایی حفاظ بتنی در برابر تشعشات تقریباً با جرم مخصوص بتن متناسب است. جرم مخصوص بیشتر، حفاظ موثرتری ایجاد می کند. برخی از سنگدانه ها از آب بلوری به نام آب پیوندی تشکیل شده‌اند که بخشی از ساختار آنها را تشکیل می‌دهد. به همین دلیل چنانچه کاهش پرتوهای گاما و تابش نوترونی هر دو ضرورت داشته باشد‌، اغلب از سنگدانه های سنگین با مقدار آب بلوری بالا استفاده می‌شود‌. برای کاهش تابش نوترونی، به ترکیبات بتن سنگین، شیشۀ بور نیز اضافه می‌شود.
• این نوع بتن در ساخت وزنه هاى تعادلى و در مواردى که بدون افزایش حجم نیاز به افزایش بار مرده سازه وجود دارد نیز، مورد استفاده قرار می‌گیرد. با وجود اینکه استحصال، حمل، شکستن و دانه بندى سنگدانه ها جهت تهیه بتن سنگین پرهزینه است و اختلاط، حمل و نقل و ریختن آن هزینه بالاترى نسبت به بتن معمولى دارد. در مکانهایی که نیاز به مقاومت سایشی بالایی است نیز از بتن سنگین استفاده می‌شود.

سنگدانه های بتن سنگین

• کلید دست یابی به تولید بتن سنگین، در انتخاب سنگدانه مناسب برای آن است. بنابراین کیفیت و نوع سنگدانه مهمترین فاکتور در فرایند تولید آن است. در مرحله اول، سنگدانه های بتن سنگین، باید حداقل ضوابط و معیارهای مناسب برای سنگدانه های معمول از قبیل ASTM C33 رادارا باشند. وزن مخصوص سنگدانه های معمولی در حدود ۲۴۰۰ کیلوکرم بر متر مکعب است، این مقدار برای سنگدانه های سنگین ۴۴۰۰ کیلوگرم بر متر مکعب خواهد بود. به طور کلی انتخاب سنگدانه براساس خصوصیات فیزیکی، قابلیت دسترسی و هزینه انجام می‌شود. سنگدانه های سنگین باید تا حد معقولی عاری از مواد ریز، روغن و مواد خارجی تاثیر گذار بر پیوستگی بتن باشند. سنگدانه ها باید تقریباً شکل مکعبی داشته و ذرات پولکی یا دراز زیادی در آن نباشد.
• برای تولید بتن سنگین از سنگدانه های سنگین مانند باریت، فروفسفر، ژئوتیت، هماتیت، ایلمنیت، لیمونیت، مگنتیت و ذرات پانچی فولادی چربی زدایی شده استفاده می‌شود. در مواردی که به مقدار آب بلوری بالایی احتیاج است، می‌توان از سوپانتیت ( که کمی سنگین تر از سنگدانۀ معمولی است) یا بوگیت استفاده کرد. در مواردی  هم که به بتنی با جرم مخصوص بیش از ۴۸۰۰ کیلوگرم بر متر مکعب احتیاج است، از ذرات پانچی فولادی و ساچمه استفاده می‌شود.

مواد افزودنی

• گاهی برای بهبود خصوصیات حفاظت نوترونی بتن از مواد افزوده بوری مانند کولمانیت (هیدرات برات کلسیم)، بورفریت و بورکلسیلت استفاده می‌شود. به هر حال این مواد ممکن است بر روی گیرش و مقاومت اولیه بتن تاثیر معکوس داشته باشند. بنابراین برای تعیین مناسب بودن این مواد باید طرح اختلاط‌های آزمایشی در شرایط کارگاهی تهیه کرد. برای دستیابی به مقدار آب بلوری ۰/۵% تا ۵% می‌توان سنگدانه ها را با لیمونیت ترکیب کرد.

خصوصیات بتن سنگین

• برای تامین الزامات شرایط کار، می‌توان خصوصیات بتن سنگین را در هر دو حالت تازه و سخت شده، با طرح اختلاط مناسب طراحی کرد. خصوصیات فیزیکی بتن سنگین به جز جرم مخصوص، مشابه بتن معمولی است. مقاومت فشاری بتن سنگین نیز تابع نسبت آب به سیمان است. بنابراین برای هر مجموعه ویژه‌ای از مصالح، می‌توان به مقاومت‌هایی قابل مقایسه با بتن های معمولی دست پیدا کرد. از آنجا که هر حفاظت تابشی دارای الزامات ویژه‌ای است، برای تعیین نسبت های مخلوط مناسب، باید با استفاده از مصالح موجود و شرایط کاری، مخلوط هایی آزمایشی تهیه کرد.

روش های اختلاط بتن ریزی بتن سنگین

روش های بتن ریزی بتن سنگین همان روش های مورد استفاده برای بتن معمولی است. متداولترین روش های اختلاط و بتن ریزی بتن سنگین به شرح زیر است:

1. روش های مرسوم: در استفاده از روشهای مرسوم برای ریختن بتن های سنگین، باید از اضافه بارکردن مخلوط کن پرهیز کرد، به ویژه در مورد سنگدانه های بسیار سنگینی همچون ذرات پانچی فولادی اندازه مخلوط را باید تا حدود ۵۰% ظرفیت اسمی مخلوط کن کاهش داد. از آنجا که برخی سنگدانه های مورد استفاده در بتن سنگین کاملاً ترد و شکننده هستند. برای جلوگیری از شکسته شدن سنگدانه ها باید از مخلوط کردن زیاد بتن پرهیز کرد.
2. روش های سنگدانه پیش آکنده: در این روش سنگدانه های درشت از پیش در داخل قالب ها ریخته شده و سپس دوغابی متشکل از ماده سیمانی، ماسه و آب از طریق لوله پمپ می‌شود تا فضاهای خالی میان سنگدانه ها پر شود. از این روش می‌توان برای ریختن بتن معمولی و سنگین در فضاهای محدود و در اطراف اقلام تو کار استفاده کرد. بدین ترتیب جداشدگی سنگدانه درشت به ویژه ذرات پانچی و ساچمه‌های فولادی به حداقل کاهش پیدا می‌کند. همچنین با این روش جمع شدگی ناشی از خشک شدن، کاهش یافته و بتنی با جرم مخصوص و ترکیب یکنواخت ساخته می‌شود.
3. روش پمپاژ: پمپاژ بتن سنگین از طریق خطوط لوله در مکان‌هایی با فضای محدود سودمند است. به دلیل جرم مخصوص بالاتر، بتن سنگین را نمی‌توان به اندازه بتن معمولی پمپاژ کرد.
4. روش میل کوبی: در این روش لایه‌ای از ملات (مخلوط سیمان و ریزدانه) به ضخامت ۵۰ میلیمتر در قالب‌ها ریخته می‌شود و سپس با لایه‌ای از سنگدانۀ درشت پوشانده می‌شود. در نهایت درشت دانه ها با میل زنی یا لرزاندن داخلی به درون ملات رانده می‌شوند. در این روش باید دقت کرد تا سنگدانه ها به صورت  یکنواخت در بتن شوند.