بتن با مقاومت اولیه بالا (بتن توانمند)

بتن با مقاومت اولیه بالا (بتن توانمند)

امروزه بتن به عنوان پرکاربردترین مصالح ساختمانی شناخته شده است. از این رو هر روزه تحقیقات فراوانی به منظور تطبیق هر چه بهتر خواص بتن با خواص مورد انتظار و مطلوب در سراسر دنیا در حال انجام بوده و حاصل این پروژه‌ها و تحقیقات، گونه‌های جدیدی از بتن با توجه به نیازهای موجود است.

یکی از این گونه‌های بتن با مقاومت اولیه بالا است که با توجه نیاز فزاینده‌ای که به استفاده سریع‌تر از ساختمان‌ها و تاسیسات در حال ساخت وجود دارد، استفاده از آن در حال توسعه است. واژه بتن توانمند ممکن است به بتنی اطلاق شود که کارایی افزونتری برای کاربرد مورد نظر نسبت به بتن معمولی داشته باشد.

به عنوان مثال، بتنی که در برابر شرایط مختلف سرویس، پایایی و دوام کاملاً بهتری را فراهم می‌کند،‌ یا بتنی که خواص فوق العاده‌ای در سنین اولیه دارا است، یا بتنی که دارای خواص مقاومتی فوق العاده افزونتری نسبت به بتن معمولی است، نمونه‌هایی از بتن‌های توانمند است.

خواصی که بتن‌های توانمند ممکن است دارا باشند شامل موارد زیر است.

• مقاومت نهایی بالا
• مقاومت اولیه بالا
• مدول الاستیسیته بالا
• دوام بالا
• کارایی بالا
• قابلیت پمپاژ بالا
• قابلیت پرداخت بالا
• قابلیت بالا برای ریختن در هوای سرد و گرم

کنترل کامل هیداراسیون بتن

معمولاً بیش از یک مورد از خواص فوق برای یک کاربرد خاص مورد نیاز است. مثلاً در آسمان خراش‌ها مقاومت نهایی بالا، مدول الاستیک بالا، قابلیت پمپاژ بالا و توانایی ریختن بتن بدون  متراکم کردن مورد نیاز است.

این بتن‌ها ممکن است حاوی مصالحی از قبیل خاکستر بادی‌، روباره کوره آهن گدازی، دوده سیلیس‌، الیاف‌، افزودنی‌های شیمیایی‌، مصالح گوناگون دیگر، به صورت تنها یا به صورت مخلوط‌های گوناگون با یکدیگر باشند.

امروزه مهندسین استفاده‌ی فزاینده‌ای از بتن‌های توانمند در کاربردهای گوناگون از جمله کارهای بزرگ راهی شامل ساخت بزرگ راه‌های جدید، تعمیر راه‌های موجود، نوسازی و اجرای روکش جدید راه‌ها، ساخت آسمان خراش‌ها و سازه‌های بلند و غیره به عمل می‌آورند.

مقاومت بالاتر‌، اختیارات طراحی سازه‌ای بیشتری را فراهم می‌نماید. خواص بهبود یافته‌ی بتن در سنین اولیه، ساخت و ساز و کارهای مربوط به نوسازی را تسهیل می‌نماید. و کیفیت را بهبود می‌بخشد و دوام بالاتر، دوره‌ی سرویس را افزیش می‌دهد که ممکن است منجر به کاهش هزینه‌ی سازه در طول عمر مفید آن شود.

بتن با مقاومت اولیه بالا و بتن با حصول مقاومت خیلی سریع

بتن با مقاومت اولیه بالا (HES) همچنین بتن سریع الاثر (Fast Track Concrete) نیز نامیده می‌شود که در مدت کوتاه‌تری نسبت به بتن معمولی به مقاومت تعیین شده‌اش دست می‌یابد.

بازه زمانی که در آن مقاومت تعیین شده باید به دست بیاید ممکن است از ساعات یا حتی دقایق اندکی تا چندین روز تغییر کند. در صورتی که بتن در مدت زمان اندک و در حد حداکثر جند ساعت به مقاومت اولیه ی بالایی دست یابد، بتن با حوصل مقاومت خیلی سریع (Very Early Strength Concrete) نامیده می‌شود.

مقاومت اولیه بالا با استفاده از اجزا ترکیبی سنتی تشکیل دهنده بتن و تکنیک‌های سنتی قابل دست یابی و حصول است. همچنین در پاره‌ای از موارد مصالح با تکنیک‌های ویژه مورد نیاز است.

شیوه‌های دست یابی به مقاومت اولیه بالا

مقاومت اولیه‌ی بالا با استفاده از یک یا ترکیبی از موارد زیر، بسته به دوره‌ای که در آن مقاومت تعیین شده باید به دست بیاید و همچنین شرایط کاری، قابل حصول است.

‌استفاده از سیمان تیپ III یا HE سیمان با مقاومت اولیه بالا

به طور کلی شش نوع عمده سیمان پرتلند وجود دارد که هر یک در موارد خاصی دارای کاربرد است.

نوع سیمان پرتلند	مورد استفاده
تیپI	کاربردهای عمومی و ساخت و سازهای معمولی بتنی
تیپII	بتن در معرض تاثیر ملایم سولفات‌ها یا هنگامی که گرمای ملاین هیدراسیون مورد نیاز است.
تیپIII	مقاومت بالای بتن در یک مدت زمان کوتاه (مقاومت اولیه بالا)
تیپIV	هنگامی که گرمای ملایم هیدراسیون ضروری است این نوع سیمان مناسب است.
تیپV	هنگامی که بتن در معرض تاثیر شدید سولفات‌ها قرار میگرد مورد استفاده قرار می‌گیرد.
سیمان سفید	کاربردهای معماری، هنگامی که بتن یا ملات سفید یا رنگی مورد نیاز است.

استفاده از عیار‌ سیمان بالا (۴۰۰ تا ۶۰۰ کیلوگرم بر متر مکعب)

توجه به این نکته ضروری است که در مناطق مختلف با مصالح سنگی متفاوت عیار سیمان یکسان، مقاومت‌های کوناگونی به دست می‌دهد.

‌استفاده از نسبت پایین آب به مصالخ سیمانی (نسبت جرمی ۰/۲ تا ۰/۴۵)

برای بتن با مقاومت اولیه بالا لازم است که نسبت آب به سیمان از مقدار ۰/۴۲ برای سیمان تیپ I و از مقدار ۰/۴۵ برای سیمان تیپ III تجاوز ننماید.

توجه به این نکته ضروری است که یک محدودیت عملی برای کاهش میزان آب مخلوط وجود دارد که مانع از کم کردن آب تا رسیدن به نسبت آب به سمیان مطلوب می‌شود. این محدودیت عملی کارایی بتن تازه است.

بسته به نوع سنگدانه مصرفی، حداقل آب مورد نیاز برای مخلوط در محدوده‌ای ۱۵۰ تا ۱۷۰ لیتر بر متر مکعب (معادل با اسلامپ ۴۰ میلیمتر) تغییر می‌کند.

برای رسیدن به یک نسبت آب به سیمان پایین‌تر در مخلوط بتنی با حداقل آب مصرفی نیازمند افزایش عیار سیمان یا استفاده از مواد افزودنی فوق روان کننده‌، یا تلفیقی از هر دو روش است.

‌استفاده از دمای بالاتر برای بتن تازه مخلوط شده

درجه‌ی حرارت یک عامل تعیین کننده‌ی کلیدی در حصول مقاومت است. هیدراسیون یک واکنش شیمیایی است و به وسیله‌ی درجه حرارت کنترل می‌شود.

‌استفاده از دمای عمل آوری بالاتر برای بتن

در دمای کمتر از ۱۲ درجه سانتیگراد‌، سیمان به صورت بسیار کندی واکنش می‌دهد. هر چند که بتنی که در دمای در حدود ۸ درجه سانیتگراد عمل آوری شده، مقاومت نهایی بالاتری نسبت به بتن‌های عمل آوری شده در دماهای بالاتر خواهد داشت.

در بالای ۴۰ درجه سانتیگراد‌، حصوص مقاومت بتن بسیار سریع است ولی مقاومت نهایی آن در معرض خطر قرار می‌گیرد، سیمان‌های آمیخته بر پایه‌ی روباره آهن گدازی‌، چنین ویژگی‌ای را نشان نمی‌دهند.

‌استفاده از مواد افزودنی شیمیایی از قبیل زودگیر کننده‌ها و یا کاهنده‌های آب سطح بالا

زودگیر کننده‌ها، زمان گیرش اولیه بتن را کاهش می‌دهند و همچنین مقاومت اولیه بالاتری به دست می‌دهند. زودگیرکننده‌ها به عنوان ضد یخ عمل نمی‌کند بلکه گیرش و نیز سرعت حصول مقاومت را تسریع می‌کنند. در نتیجه بتن را در برابر خسارت ناشی از یخ زدگی در هوای سرد مقاومتر می‌نمایند.

تندگیر کننده‌ها همچنین در ساخت و سازهای سریع، که نیازمند برداشت سریع قالب‌ها، گشایش سریع بر روی ترافیک عبوری یا اعمال زودهنگام بار بر روی سازه هستند، مورد استفاده قرار می‌گیرند.

دو نوع ماده افزودنی زود‌گیری کننده وجود دارد.

• مواد افزودنی زودگیر کننده بر پایه کلراید‌، مانند کلراید کلسیم
• مواد افزودنی زودگیر کننده غیر کلرایدی

یکی از موثرترین و اقتصادی ترین مواد افزودنی زودگیر کننده کلراید کلسیم است که به اشکال مایع یا دانه ریز فلس مانند وجود دارد و بایستی الزامات ASTM D 98 را بر آورده کند. برای بتن غیر مسلح کلراید کلسیم تا حد ۲ درصد میتواند مورد استفاده واقع شود.

به علت نگرانی‌هایی که در مورد خورندگی فولاد مسلح کننده در اثر وجود کلراید کلسیم وجود دارد حدود پایین تری برای کلراید در مورد بتن مسلح اعمال می‌شود. بتن پیش تنیده و بتنی که در آلومینیوم یا فلزات گالوانیزه کار گذاشته شده است، به علت قابلیت فزاینده‌ی خوردگی فلز مدفون در بتن نباید جاوی هیچ گونه مصالحی باشد که مواد اصلی تشکیل دهنده آن کلراید‌ها هستند.

به طور کلی استفاده از کلراید کلسیم به منظور حصول مقاومت اولیه بالا توصیه نمی‌شود ولی در صورت استفاده به هیچ عنوان نباید بیش از ۲ درصد مورد استفاده قرار بگیرد. بروز گیرش آنی در صورت استفاده افزون بر ۲ درصد از کلراید کلسیم بسیار محتمل است و حتی در موارد بسیاری با هر مقدار کمتر از ۲ درصد نیز رخ می‌دهد. به طور کلی استفاده از کلراید کلسیم به مقدار زیادی کارایی مخلوط بتنی را کاهش می‌دهد.

افزدون دوده سیلیسی

‌استفاده از خاکستر بادی‌، دوده سیلیسی یا روباره کوره آهن گدازی که به صورت کاملاً ریزی آسیاب شده باشد‌. افزودن دوده سیلیسی به دو طریق در بتن مفید است.

• اول اینکه ذرات ریز دوده‌ی سیلیسی به صورت فیزیکی فضای خالی موجود در ماتریس سیمان را کاهش می‌دهند.
• دوده سیلیسی مقاموت فشاری و سرعت حصول آن و نیز دوام بتن را افزایش می‌دهد. بتن ساخته شده با دوده سیلیسی اگر با نسبت‌های صحصح مخلوط شده باشد، می‌تواند به یک مقاومت فشاری اولیه و نهایی خیلی بالا دست یابد، بتن‌های پیش ساخته‌ای با مقاومت فشاری در حدود ۱۳۵ مگاپاسکال در آمریکا با استفاده از دود‌ه‌ی سیلیسی تولید شده است.

‌استفاده از عمل آوری بخار یا عمل آوری در اتوکلاو

کاربرد این شیوه در تولید قطعات پیش ساخته‌ی بتنی است. علاوه بر این عمل آوری در افزایش مقاومت فشاری نهایی، کاهش فرسایش سطحی‌، مقاومت افزودن تر در مقابل سایش موثر است. عمل آوری این اجازه را می‌دهد که آب بیشتری برای واکنش هیدراسیون خمیر سیمان موجود باشد که این موضوع منجر به افزایش و توسعه‌‌ی مقاومت بهتری می‌شود.

‌استفاده از عایق بندی و ایزولاسیون به منظور حفظ گرمای هیدراسیون

روکش‌های عایق کننده ‌یا سایر اقداماتی که به منظور عایق کردن و ایزولاسیون بتن از محیط خارج صورت می‌گیرد، می‌تواند در ۲۴ ساعت اول به منظور کمک کردن به حصول مقاومت از طریق حفظ گرمای هیدراسیون مورد استفاده قرار بگیرد.

به منظور حفظ گرمای هیدراسیون و عمل آوری از پوشش‌های عایق کننده از جنس فوم‌های پلی استایرن استفاده می‌شود.

به هر حال در هنگام برداشتن این روکش‌ها به منوظر اجتناب از شوک حرارتی، می‌بایست احتیاطهای لازم صورت بگیرد. شوک حرارتی ممکن است باعث ایجاد ترک‌های پیش رس در بتن بشود.

‌استفاده از سیمان‌های زود سخت شوند ویژه مانند سیمان‌های کلسیم آلومینات

سیمان کلسیم آلومینات از سیمان‌های بر پایه سیمان پرتلند نیست. این سیمان در کاربردهای ویژه به منظور کسب مقاومت اولیه بالا، مقاومت در برابر درجه حرارت‌های بالا، و مقاومت در برابر سولفات‌ها،‌ اسیدهای ضعیف و آب دریا به کار می‌رود.

مخلوط سیمان پرتلند و سیمان کلسیم آلومینات به منظور تولید بتن‌ها و ملات‌های زودگیر مورد استفاده قرار گرفته است. کاربرد نوعی برای بتن‌های با سیمان کلسیم آلومینات شامل کف‌های صنعتی مقاوم در برابر مواد شیمیایی‌، مقاومت در برابر حرارت و مقاوم در برابر خوردگی‌، پوشش‌های نسوز و کاربردهای تعمیراتی است.

کاربردهای بتن با مقاومت اولیه بالا

بتن با مقاومت اولیه بالا در موارد زیر دارای کاربرد است.

• در بتن پیش تنیده به منظور ایجاد شرایط مناسب برای اعمال زود هنگام تنش
• در بتن پیش ساخته به منظور تولید سریع اعضا و اجزای بتنی
• ساختن سریع ساختمان‌ها و سازه‌های درجا ساخته شده (درجا ریخته شده)
• قالب گیری سریع برای استفاده مجدد از قالب‌ها‌، در مورد بتن‌های درجا ریخته شده
• ساخت و ساز و بتن ریزی در هوای سرد
• تست‌های آزمایشگاهی تسریع شده
• در شاتکریت‌های که نیاز به مقاومت اولیه بالا است.
• تعمیر و ترمیم سریع روسازی‌‌های بتنی موجود برای اتسفاده مجدد و احداث سریع روسازی‌های بتنی جدید و یا ایجاد روکش‌های بتنی ترمیمی بر روی روسازی‌های آسفالتی آسیب دیده‌ی موجود
• بازسازی و ترمیم باندهای پرواز هواپیما در فرودگاه

حداقل شرایط مورد نیاز برای بتن با مقاومت اولیه بالا

حداقل شرایطی که بتن با مقاومت اولیه بالا باید تامین نماید، با توجه به نوع کار مورد نظر که در آن از بتن با مقاومت اولیه بالا استفاده می‌شود متفاوت خواهد بود و موسسات و بخشنامه‌های گوناگون با توجه به حوزه کاری خود‌ و میزان کارایی مورد انتظار از بتن با مقاومت اولیه بالا، یک سری شرایط حداقل را برای بتن با مقاومت اولیه بالا تعیین نموده‌اند که این بتن به منظور پذیرش باید آنها را برآورده نماید.

نکاتی در مورد بتن آماده‌ی با مقاومت اولیه بالا

از آن جا که زمان گیرش بتن با مقاومت اولیه بالا، کوتاه است و گیرش در این بتن‌های سریع اتفاق می‌افتد‌، به منظور تسریع در زمان ساخت و ساز، حمل این بتن به کارگاه و سایت کاری باید به سرعت هر چه تمام‌تر صورت بگیرد.

این موضوع معمولاً نیازمند آماده کردن مناسب سایت کاری به منظور تسهیل دسترسی تجهیزات متحرک ساخت و ساز و بتن ریزی و کامیون‌های حمل و نقل بتن، به محل‌های مورد نظر برای بتن ریز است. ممکن است نیاز به استفاده از مواد افزودنی کندگیر کننده به منظور کاهش نرخ هیدراسیون نیز وجود داشته باشد.

علاوه بر این ممکن است زمان حمل و نقل باید به خوبی مدیریت شود به این علت که بر کارایی و میزان نیاز به استفاده از مواد افزودنی کندگیر کننده، تاثیر گذار خواهد بود.

نکته‌ی دیگر که حائز اهمیت است اجتناب از تجمع و‌ تمرکز کامیون‌های حاوی محموله‌های بتن تحویلی، در نقطه تخلیه است. زیرا در آنجا، در محموله‌های دوم و بعد از ان در حین انتظار برای تخلیه افت اسلامپ رخ می‌دهد.