بتن خودتراکم

معرفی بتن خودتراکم

امروزه بتن پرمصرف ترین ماده مصرفی بشر بعد از آب شناخته می شود و با توجه به روند رو به رشد ساخت و ساز در ایران، صنعت بتن از جمله صنایع مهم کشور به شمار می رود. این مسئله اهمیت زیاد این مصالح ساختمانی و ضرورت شناخت دقیق و عالمانه ی آن را به منظور ساخت سازه های بتنی با کیفیت نشان می دهد. | پژوهشگران عرصدی مصالح ساختمانی طی سال ها در تلاش بوده اند تا با ایجاد تغییراتی در اجزای مختلف این ماده، 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 باز می گردد، بتن خود تراکم است که با ویژگی های خاص خود، امکانات جدیدی را در اختیار مهندسین قرار داده است، با بهره گیری از این ویژگی ها 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 ی بتن های خاص و پیچیده محسوب می شد. توانایی ها و مشخصات فوق العاده، این نوع بتن را به سرعت به یکی از انواع پر کاربرد در کشورهای پیشرفته ی دنیا تبدیل کرد. با این حال، در کشورهایی مانند ایران، این بتن هنوز یک فناوری جدید در عرصه ی ساخت و ساز به شمار می آید و می توان گفت استفاده از آن هنوز محدود بوده و آشنایی و دانش کافی درباره ی آن نزد اغلب مهندسین وجود ندارد.

طبق تعریف انجمن بتن ایالات متحده (07-ACI 237R بتن خود تراکم عبارت است از “بتنی با کارایی زیاد و عدم جداشدگی که می تواند پس از ریخته شدن در محل موردنظر، فضای قالب را پر کند و اطراف آرماتورها را بدون نیاز به تراکم مکانیکی فرابگیرد”. De Schutter و همکارانش (۲۰۰۸) موارد زیر را به عنوان پارامترهای ضروری برای یک مخلوط بتن خودتراکم در حالت تازه عنوان کردند.

الف – توانایی جریان یافتن تحت وزن خود را داشته باشد.
پ- توانایی پر کردن تمامی فضای خالی موجود (فضای قالب را داشته باشد.
ج- توانایی ایجاد یک مصالح متراکم و به اندازه ی کافی همگن را بدون نیاز به انجام عملیات تراکم داشته باشد.

به طور کلی بتن خود تراکم با مصالحی مشابه بتن معمولی ساخته می شود و در برخی موارد برای ساخت آن علاوه بر مقادیر نسبتا زیاد فوق روان کننده، از افزودنی اصلاح کنندهی لزجت نیز برای بهبود خواص بتن تازه استفاده میشود.
باید توجه داشت که شناخت صحیح رفتار، مزایا، معایب و نهایتا ارائه ی طرح اختلاط مناسب برای بتن خود تراکم هنری است که با استفاده از آن می توان از مزایای این نوع بتن بیشترین بهره را جست و به موارد مطرح شده در تعریف این بتن، یعنی کارایی زیاد و عدم جداشدگی دست یافت. قطعا پیش نیاز این امر، کسب آگاهی و دانش کافی پیرامون مشخصات و ویژگیهای این بتن خاص می باشد.

ویژگی های بتن خود تراکم

خواص بتن تازه در بتن های خودتراکم از حساسیت بیشتری نسبت به انواع دیگر برخوردار است زیرا مزایای این بتن غالبا از خواص آن در حالت تازه ناشی می گردد و به همین دلیل نیز آزمایش های خاصی برای ارزیابی رفتار بتن خود تراکم تازه بکار گرفته می شود. بتن خودتراکم در حالت تازه عموما با سه ویژگی زیر شناخته می شود. قابلیت پر کردن و قابلیت عبور و مقاومت در برابر جداشدگی (پایداری).
در این مقاله منظور از بتن معمولی، منشی است که به طور مستعارف در پروژه های عمرانی مورداستفاده قرار گرفته و نیاز مند عملیات نراکم واعمال لرزرش می باشد.

کارایی بتن خودتراکم

کارایی که نشانگر سهولت اختلاط، جای دهی، تراکم و پرداخت سطح بتن است در تن خودتراکم، همان گونه که اشاره شده توسط سه ویژگی بررسی می شود و توسط آزمایش هایی مورد ارزیابی قرار می گیرد که در فصل سوم به تفصیل در مورد آنها بحث خواهد شد قابلیت پر کردن جریان در حالت آزاد) توانایی بتن خود تراکم برای جریان و پر کردن همه ی فضاهای داخل قالب، تحت وزن خود را نشان می دهد. این ویژگی هنگام انتخاب روش بتن ریزی و نیز تعیین فاصله ی 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 اصطلاحا بلوکه شدن اشاره دارد. بلوکه شدن در نتیجه ی جداشدگی موضعی سنگدانه ها در مجاورت موانع رخ می دهد و منجر به توقف جریان می گردد.

بتن خودتراکم هنگامی می تواند ظرفیت پرکنندگی زیادی داشته باشد که حد مناسبی از قابلیت عبور و قابلیت پر کنندگی را به صورت توام 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 خود تراکم تازه دو نوع 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 بتنریزی و در حالی که بتن هنوز در حالت خمیری است، می باشد. در اغلب موارد، افزودنی اصلاح کنندهی لزجت و یا مقدار مواد پودری زیاد برای بهبود پایداری بتن تازه استفاده می شود.

افزودنی اصلاح کنندهی لزجت برای بهبود رئولوژی مصالح سیمانی در حالت خمیری و کاهش خطر جداشدگی مورد استفاده قرار می گیرد. برخلاف بتن معمولی، در مورد بتن خود تراکم حادترین نوع جداشدگی پس از انجام عملیات بتن ریزی رخ می دهد. 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.

تاریخچه و مزایای بتن خودتراکم

از آغاز گسترش کاربرد بتن مسلح، مشکلات اجرایی ناشی از کاربرد مخلوطهای خشک موجب گرایش به مخلوط های مرطوب تر و با روانی بیشتر مخصوصا در میان متولیان اجرای سازه های بینی شده بود. با این حال از آنجایی که افزایش روانی در گرو استفاده از آب بیشتر در مخلوط بتن بود و از طرفی تأثیر افزایش نسبت آب به سیمان بر کاهش مقاومت و دوام بتن شناسایی شده بود، این سؤال برای متخصصان بتن ایجاد شده بود که چگونه می توان بدون تأثیر منفی بر خواص بتن، روانی مخلوط را در جهت سهولت اجرای سازه های بتنی افزایش داد.

البته علاوه بر این، راهکار افزایش حجم خمیر سیمان” در مخلوط بتنی نیز به منظور بهبود کارایی مورد استفاده قرار می گرفت که این راهکار نیز معایبی از قبیل افزایش میزان حرارت تولید شده توسط بتن (در مرحله ی سخت شدن) و نیز افزایش هزینه ی تولید بتن را در پی داشت. با گذشت زمان و پیدایش روان کننده ها و فوق روان کننده ها به عنوان نوع جدیدی از افزودنی های شیمیایی، بسیاری از مشکلات اجرایی که ناشی از کاربرد بتن های با کیفیت خوب ولی کارایی کم بود، از میان برداشته شد. با این حال دست یابی به بتنی با قابلیت خودتراکمی بدون افت در مقاومت و دوام و نیز عدم ایجاد انسداد و جداشدگی در حالت تازه، سال ها به عنوان یک هدف دست نیافتنی برای صنعت بتن در کشورهای مختلف قلمداد می شده است.

در آن زمان مشخص شده بود که دستیابی به خواص بالقوه ی هر مخلوط بتنی در گرو اطمینان از انجام عملیات تراکم به طور کامل می باشد. در واقع تجربیات بی شماری از تراکم ناکافی بتن در حالت تازه و عواقب آن در حالت سخت شده این مسئله را تأیید کرده بود. اثر تراکم ناقص بتن تازه در برخی موارد بر روی سطوح بتن سخت شده مشخص می باشد. ولی در موارد دیگر این مسئله قابل رویت نبوده و عملکرد ضعیف بتن (از منظر مقاومت و با دوام) این مسئله را شاید بعد از گذشت سال ها، آشکار می سازد.
این مسائل باعث توجه محققین به خواص کارایی و رنولوژی بتن تازه شد. نهایتا در اوایل دهه ی هشتاد میلادی به دنبال کاهش نیروی کار ماهر در صنعت ساخت وساز ژاپن و نیز تراکم نامناسب بشن ناشی از افزایش حجم آرماتورهای مصرفی که باعث کاهش کیفیت کار های اجرایی انجام گرفته شده بود، این موضوع برای چندین سال مورد بحث و بررسی قرار گرفت تا اینکه نظریه ی بتن خودتراکم، پتنی که بتواند تحت وزن خود و بدون نیاز به لرزاندن متراکم شده و تمام زوایای قالب را پر کند.

به عنوان راه حلی توسط Okamura در سال ۱۹۸۶ مطرح شد. لازمه ی تحقیق بر روی بتن خودتراکم مطالعه ی عمیق کارایی بتن بود که توسط Ozawa و Maekawa در دانشگاه توکیو صورت گرفت. مدل اولیه ی بتن خود تراکم در سال ۱۹۸۸ تکمیل شد و در همین سال این نوع بتن برای اولین بار در کارگاه ساخته شد و نتایج قابل قبولی را از نظر خواص فیزیکی و مکانیکی ارائه داد. بر این اساس اولین پروژه با مقیاس واقعی نیز در سال ۱۹۹۰ با کمک این بتن اجرا شد، می توان گفت همکاری گستردهی چندین گروه تحقیقاتی در دانشگاه در کنار مشارکت تعدادی شرکت فعال در زمینه ی ساخت و ساز و نیز مواد شیمیایی در کشور ژاین منجر به ابداع و گسترش این مصالح نوین ساختمانی شد.

تحقیقات در زمینه ی بتن خودتراکم

تحقیقات در زمینه ی بتن خودتراکم در اروپا و آمریکا در مقایسه با ژاپن دیرتر آغاز گردید. با این حال امروزه بتن خود تراکم همزمان با کشور ژاپن در مراکز دانشگاهی و تحقیقاتی کشورهای اروپایی، کانادا، آمریکا و نیز آسیا موضوع بحث، بررسی و اجرای سازه های بتنی است در پی استفادهی گسترده از بتن خودتراکم در ژاپن، مراکز علمی و پژوهشی در دنیا بر آن شدند تا این تجربیات را به صورت مدون و استاندارد در آورند. منسجم ترین تلاش در این زمینه توسط موسسه اروپایی EFNARC در سال ۲۰۰۲ با انتشار راهنمای بتن خود تراکم به ثمر نشست.

در سال ۲۰۰۵ میلادی نیز این موسسه به همراه چهار موسسه ی دیگر تجربیات موجود در خصوص بتن خودتراکم را تحت عنوان “راهنمای اروپایی بتن خود تراکم، ویژگی های تولید و کاربرد” گردآوری و منتشر نمودند. در ایران نیز آشنایی با این بتن از اوایل دهه ی ۷۰ آغاز شد و با گذشت زمان و پس از انجام مطالعاتی در دانشگاه ها و مراکز تحقیقاتی کشور، این نوع بتن در چندین پروژه ی خاص بکار گرفته شد. همان گونه که عنوان شد، این خواص بتن خود تراکم تازه است که آن را از سایر انواع متعارف بتن متمایز می کند.

برای مطالعه ی خواص بتن تازه، دو نگرش را می توان دنبال کرد. نگرش نخست، ارزیابی خواص اساسی و بنیادی مرتبط با جریان پذیری مخلوط بتن خود تراکم است روش دیگر برای توصیف این ویژگی های ارزیابی آنها بر پایه ی نیازهای عملی و کارگاهی است. این مشخصه های کارگاهی عبارت اند از پایداری، قابلیت پر کردن و قابلیت عبور. روش های آزمایش گوناگونی برای ارزیابی این پارامترهای کارگاهی توسط مراجع مختلف پیشنهاد شده است و بر همین اساس معیارهای واحدی برای پذیرش بتن خودتراکم تازه موجود نیست. با این حال، برخی از متداول ترین آزمایش ها برای ارزیابی بتن خودتراکم تازه در فصل سوم تشریح شده اند.

کاربرد صحیح بتن خودتراکم

کاربرد صحیح بتن خودتراکم می تواند تأثیرات مثبت فراوانی بر روند ساخت سازه های بتنی داشته باشد. افزایش بهره وری” یکی از موارد مهمی است که با استفاده از بتن خودتراکم می۔ توان به آن دست پیدا کرد. باید توجه داشت که در کنار تلاش برای کاهش هزینه ها، افزایش بهره وری در فرایند بتن ریزی نیز از اهمیت ویژه ای برخوردار است. این مسئله برای تمام ردههای کاربرد، از پروژه های معمولی تا پیچیده ترین سازه های صادق است.

مسئله ی بتن ریزی و تراکم در قسمت هایی از سازه که در آن ها بتن با مقاومت متوسط و مخصوصا بتن پر مقاومت استفاده می شود، دارای اهمیت بیشتری است. به عنوان نمونه در اجزایی مانند دیوار برشی و ستون که معمولا دارای تراکم زیاد آرماتور و ابعاد کوچک مقطع بتن ریزی می باشند، تراکم ناکافی ناشی از فاصله ی کم آرماتورها می تواند منجر به پیدایش نقاط ضعف در عضو بتنی شود.

حذف کامل عملیات تراکم با به کار گیری بتن خودتراکم، باعث افزایش سرعت کار و کاهش هزینه ها می شود که نتیجه ی آن افزایش بهره وری است. افزایش سرعت بتن ریزی نه تنها از منظر کاهش هزینه ها، بلکه از بعد کاهش کل زمان ساخت حائز اهمیت است. بر این اساس، به کار گیری بتن خودتراکم می تواند از طریق کاهش هزینه ها و افزایش بهره وری نقش کلیدی در ارتقای جایگاه صنعت بتن در عرصه ی ساخت و ساز داشته باشد.

افزایش بهره وری با بتن خودتراکم

استفاده از بتن خود تراکم افزایش بهره وری را در حمل و نقل و بتن ریزی، علاوه بر فرایند تراکم، ممکن می سازد. رفتار شبه مایع بتن خودتراکم تازه سبب می شود بتوان روش های جدیدی را برای پمپ کردن بتن و هدایت آن به درون قالب بکار گرفت؛ مسئله ای که باعث پیدایش روش های نوین بتن ریزی شده است که نمونه های موفقی از به کار گیری آنها در کشور ژاپن موجود است با حذف نیاز به تراکم خارجی و وجود قابلیت جریان، درجهی بالاتری از اتوماسیون و صنعتی سازی در ساخت سازه های بتنی دست یافتنی است.

این مسئله منجر به تحول سامانه های تولید (مخصوصا در صنعت پیش ساختگی) و در نهایت افزایش بیش از پیش بهره وری در روند ساخت و ساز می گردد. “افزایش همگنی” یکی دیگر از مزایای مهم استفاده از بتن خودتراکم می باشد. در واقع یکی از نگرانی های اصلی که موجب پیدایش بتن خودتراکم شد. کاهش دوام بتن به دلیل ناهمگنی اعضای بتنی بود. در بسیاری از سازه ها نیاز به بهبود عملکرد سازه ای و متعاقبا افزایش حجم آرماتور مصرفی در بتن، باعث ایجاد مشکلاتی در روند عملیات بتن ریزی و تراکم می شود که نتیجه ی امر، تراکم ناکافی و ناهمگنی بتن خواهد بود.

حتی در سازه های معمولی و در حجم کم آرماتور نیز استفاده از نیروی انسانی آموزش ندیده و عدم اعمال نظارت دقیق بر روند تراکم بتن باعث بروز این مشکلات می شود؛ بنابراین بهبود کیفیت عضو بتنی با تراکم زیاد آرماتور از طریق به کار گیری پتلی که خود انجام عملیات تراکم را تضمین نماید و با برخورداری از خصوصیت “پایداری” همگنی را در قسمتهای مختلف فراهم کند، یک هدف مهم از تولید و به کار گیری بتن خود تراکم می باشد. علاوه بر موارد مطرح شده، بتن خودتراکم مزایای دیگری را نیز در اختیار سازندگان قرار می دهد.

مزایای اصلی استفاده بتن خودتراکم

1- افزایش سرعت اجرای سازه های بتنی و تسریع پیشرفت کار.
۲- بهبود کیفیت ساخت: به دلیل اطمینان از تراکم کافی در مناطق با تراکم زیاد آرماتور.
۳- کاهش آلودگی صوتی و توجه بیشتر به مسائل ایمنی و زیست محیطی در محیط کار با توجه به حجم زیاد صدا ناشی از عملیات تراکم حین بتن ریزی و نیز در نظر گرفتن خطر ابتلای کارگران به سندروم انگشت سفید.
۴- صرفه جویی اقتصادی، علی رغم هزینه ی بیشتر مواد و مصالح مورد استفاده برای ساخت بتن خود تراکم، در بسیاری موارد در نتیجهی کاهش زمان ساخت پروژه و نیز کاهش هزینه های تجهیزات و نیروی انسانی از قبیل عوامل تراکم، تسطیح، نظارت و غیره، استفاده از بتن خود تراکم در مجموع سبب کاهش مجموع هزینه ها می شود.
۵- کمک به معماری سازه با توجه به شکل پذیری بیشتر با توجه به روانی فوق العاده ی بتن خودتراکم انواع قالب متنوعتری را میتوان برای بتن ریزی استفاده و اجزای معماری گسترده تری را با توجه به مسائل زیباشناختی اجرا نمود.
۶- بهبود دوام بتن در نتیجه ی تراکم بهتر بتن تازه.
۷- آزادی بیشتر در طراحی سازه به دلیل میسر شدن اجرای سازه های بتنی ظریف و سنگین و انتخاب مقاطع کوچک با آرماتورهای انبوه.
۸- سطح تمام شدهی بهتر و ارتقای کیفیت محصول نهایی.
۹- کمک به توسعه ی صنعت پیش ساختگی قطعات بتنی.
۱۰- افزایش ایمنی در کارگاه: استفاده از بتن خودتراکم به میزان زیادی خستگی و تنش های فیزیکی کارگران را کاهش می دهد و با پایین آوردن احتمال خطرات و صدمات فیزیکی، ایمنی کارگاه را افزایش می دهد.

سندروم انگشت سفید یک اختلال عضلانی است که به دلیل کار کردن دراز مدت با دستگاه های دارای ارتعاش در افراد بروز می کند و از اثرات آن می توان بی حسی و ناراحتی در ناحیه ی دبست، بخصوص در شرایط سرد را برشمرد. سفیدی نوک انگشتان نیز که دلیل نام گذاری این اختلال است، به دلیل کاهش جریان خون رخ می دهد.

قابل ذکر است که همانند هر پدیده ی دیگر، استفاده از بتن خود تراکم نیز می تواند دشواری ها و معایبی داشته باشد. افزایش هزینه ی مصالح، حساسیت زیاد در برابر تغییرات ویژگی های مواد و مصالح، نیاز به کنترل دقیق بتن در حالت تازه، افزایش هزینه ی قالب بندی به دلیل فشار بیشتر وارده بر قالب و نیاز به مهارت زیاد برای تهیه، کنترل و آزمون مخلوط های بتنی از مواردی هستند که باعث میشود کاربرد بتن خودتراکم در هر پروژه ای توصیه نشود. تجزیه و تحلیل مسائل اجرایی و اقتصادی، درک درست شرایط خاص هر پروژه و در نهایت قضاوت مهندسی صحیح می تواند منجر به استفاده ی بچا از این نوع بتن و بهره مندی از مزایای آن گردد.