طرح مخلوط بتن خود تراکم
قابلیت جریان پذیری و مقاومت در برابر جداشدگی دو مورد اساسی هستند که باید در تعیین نسبتهای اختلاط بتن خودتراکم مورد توجه قرار گیرند. برای ایجاد قابلیت جریان پذیری مناسب در بتن، تنش تسلیم کم مورد نیاز است و برای پیدایش مقاومت زیاد در برابر جداشدگی، افزایش متناسب لزجت بتن راهکار اصلی می باشد. افزودن آب برای کاهش تنش تسلیم اولین راه حلی است که به ذهن می رسد. اما باید توجه داشت که با این کار لزجت مخلوط بتن تازه نیز کاهش می یابد و در نتیجه خطر جداشدگی در مخلوط بتنی افزایش می یابد.
مصرف افزودنی فوق روان کننده نیز منجر به کاهش تنش تسلیم می شود و البته کاهش ناچیزی را در لزجت باعث می شود. از طرف دیگر افزایش لزجت یک مخلوط بتنی از طریق اعمال تغییراتی در نسبت های اختلاط و یا به کار گیری افزودنی اصلاح کنندهی لزجت میسر می شود که البته ممکن است در مواردی منجر به افزایش هم زمان تنش تسلیم نیز بشود. همان گونه که مشاهده میشود تلاش برای برقراری تعادل بین این دو پارامتر از حساسیت زیادی برخوردار بوده و امری ضروری است بعضی از راهکارهای متداول برای تولید بتن خودتراکم به طور خلاصه نشان داده شده اند.
کاهش حجم درشت دانه ی مصرفی میزان برخورد بین سنگدانه ها را کاهش میدهد و این کاهش اصطکاک منجر به افزایش قابلیت عبور بتن خودتراکم می شود. افزایش حجم خمیر سیمان که می تواند در اثر کاهش حجم سنگدانه و استفاده از پوزولان های مناسب حاصل شود. به همراه کاهش نسبت آب به مواد سیمانی و استفاده از افزودنی فوق روان کننده ی مناسب میتواند سبب بهبود توأم قابلیت جریان و مقاومت در برابر جداشدگی شود.
راهکارهای متداول برای دست یابی به بتن خودتراکم
علاوه بر چالش های فنی، بحث “اقتصاد” نیز در فرایند طرح مخلوط بتن باید مورد توجه قرار گیرد. به طور کلی هزینه های مرتبط با بتن شامل هزینه ی مصالح، نیروی انسانی و تجهیزات می شود. هزینه ی مصالح یکی از عوامل اصلی تفاوت هزینه ی تولید انواع بتن ها می باشد.
این مسئله در مورد بتن خود تراکم با وجود امکان مصرف افزودنی های شیمیایی مختلف (که معمولا قیمت زیادی دارند) از پیچیدگی بیشتری برخوردار است، علاوه بر این، اقتصادی بودن مخلوط یتنی با درجه ی کنترل کیفیت مرتبط است. به عنوان مثال همواره مقاومت متوسط بتن باید مقداری بیشتر از مقاومت حداقل مشخص شده باشد، زیرا در عمل بسته به میزان امکانات، تجهیزات و سطح نظارت نوساناتی در کیفیت بتن تولید شده رخ می دهد.
نمونه های متعدد کاربرد بتن خودتراکم در پروژه های مختلف نشانگر توانایی آن برای شامل شدن انواع بتن می باشد که می تواند در موقعیت های مختلف بتن ریزی به کار گرفته شده و گستره ی وسیعی از ویژگی های کوتاه مدت و درازمدت را از خود بروز دهد. علاوه بر این، تقریبا همه ی مواد و مصالحی که در بتن معمولی مصرف می شوند، در بتن خود تراکم نیز با موفقیت مورد استفاده قرار گرفته اند. با این حال مطالعه و مقایسه ی نسبت های اختلاط بتن های خودتراکم مختلف می تواند کلیاتی را در خصوص مقادیر حدودی اجزای این نوع بتن در اختیار قرار دهد. در جدول ۲-۱ پارامترهای آماری مربوط به نسبت های اختلاط ۶۸ مخلوط خودتراکم که در پروژه های عمرانی در طی سال های ۱۹۹۳ تا ۲۰۰۳ میلادی با موفقیت به کار گرفته شده اند، ارائه شده است.
این داده ها توسط Domone (۲۰۰۶) جمع آوری و بررسی شده است. در این جدول همچنین بازه های پیشنهادی راهنمای EFNARC و نیز مقادیر متوسط برای ساخت بتن معمولی با مقاومت مشخصه ی ۴۰ مگاپاسکال آورده شده است. همان گونه که مشاهده می شود تطابق مناسبی بین داده های حاصل از بررسی ۶۸ مورد کاربردی و بازه های پیشنهادی راهنمای EFNARC وجود دارد. پارامترهای دهک اول و نهم نیز برای نشان دادن بازه ی تغییرات داده ها ارائه شده است. به عنوان نمونه در مطالعه ی انجام شده، درصد حجمی درشت دانه در ۱۰ درصد مخلوط های مورد بررسی کمتر از ۳۱/۲ درصد و در ۹۰ درصد مخلوط ها کمتر از۳۴/۸ درصد بوده است. در نهایت با مقایسه ی مقادیر برای بتن خودتراکم و بتن معمولی، مواردی چون حجم بیشتر سنگدانه ی درشت، حجم کمتر سنگدانه ی ریزه حجم کمتر خمیر سیمانی و مقدار کمتر مواد پودری در بتن معمولی به وضوح نمایان می شود.
تجربه نشان داده است که تفاوت های موجود در مصالح مناطق مختلف عامل مهمی است که ارائه ی پیشنهادها و دستورالعمل های یکسان و متحد را برای تولید بتن ناممکن می سازد. این مسئله در مورد بتن خودتراکم نیز صادق است، به گونه ای که تعیین طرح اختلاط دقیق و مشخص برای بتن خودتراکم، به دلیل تنوع مصالح امری بسیار دشوار و تقریبا ناممکن است. به طور کلی سه استراتژی برای دست یابی به مخلوط خودتراکم توسط مهندسین به کار گرفته می شود.
سه استراتژی بتن خود تراکم
الف – کاربرد مقدار زیاد مواد پودری.
ب- کاربرد مقدار کم مواد پودری و مصرف افزودنی اصلاح کنندهی لزجت.
ج- کاربرد مقدار متوسط مواد پودری به همراه مصرف افزودنی اصلاح کنندهی لزجت (حالت ترکیبی).
فارغ از اتخاذ هریک از این سه استراتژی، امروزه نگرش غالب در روش های طرح اختلاط، تأکید پر عملکرد مصالح و ارضای خواسته ها با طراحی نسبت های اختلاط به کمک مصالح بومی می باشد. از زمان پیدایش بتن خود تراکم، بر اساس نگرش های مختلفی که وجود داشته است، روشهای طرح اختلاط متفاوتی پیشنهاد شده است. با این وجود با نگاهی اجمالی به مخلوطهای حاصل از این روش ها، دو تفاوت عمده در روند طراحی بتن خودتراکم و بتن معمولی مشاهده می شود.
الف- در طراحی بتن خودتراکم توجه اصلی معطوف به حصول ویژگی های مطلوب در حالت تازه می باشد. در واقع در آغاز کار تمرکز کمتری بر روی خواص بتن سخت شده وجود دارد. به طور خاص می توان گفت ضوابط مربوط به ویژگی خودتراکمی تعیین کننده ی حجم خمیر و گاهی نسبت آب به مواد پودری هستند. در مرحله ی بعد نیز مقاومت فشاری با ارائه ی ترکیب مناسبی از مواد پودری (سیمان پرتلند، خاکستر بادی، روباره، پودر سنگ آهک و غیره) کنترل می شود.
ب- به دلیل وجود متغیرهای بیشتر در بتن خودتراکم، راهکارهای متنوعی برای دست یابی به این نوع بتن وجود دارد، انواع مواد پودری، افزودنی های فوق روان کننده و افزودنی های اصلاح – کننده ی لزجت مواردی هستند که در طراحی بتن خود تراکم اهمیت ویژهای دارند و حضور این مواد و برهم کنش آنها سبب می شود که پیش بینی دقیق رفتار بتن خودتراکم کار دشواری باشد. بنابراین بعد از اندازه گیری خواص اجزای بتن خود تراکم، مانند ویژگی های سیمان و دانه بندی مصالح، نیاز به انجام برخی آزمایش ها بر روی مخلوط های آزمون می باشد که این مسئله گاهی نیازمند صرف هزینه و زمان زیاد می باشد.
در بعضی موارد در ابتدا آزمایش هایی بر روی ملات صورت می گیرد که دلیل اصلی آن سهولت انجام در آزمایشگاه می باشد. شناخت و بررسی رفتار ملات باعث کاهش تعداد آزمایش های لازم بر روی مخلوطهای بتنی می شود. همه ی روش های ارائه شده برای طرح مخلوط بتن خودتراکم دارای محدودیت هایی هستند. این محدودیت ها شامل مصالح قابل استفاده و انواع بتن موردنظر می شود. به عنوان نمونه غالبا روشهای مذکور در طرح نسبت های اختلاط برای مخلوط های حاوی افزودنی شیمیایی اصلاح کننده ی لزجت دچار ابهامات و کاستی هایی هستند. میزان دقت و پیچیدگی این روش ها نیز بسیار متفاوت است، به گونه ای که هرکدام اطلاعات خاصی از مصالح مصرفی و خواسته ها را مورد توجه قرار داده و بر این اساس با انجام یک فرایند گام به گام نسبت های اختلاط را تعیین و یا صرفا پیشنهادهایی را در ارتباط با بازه ی تغییرات مناسب هر متغیر مطرح می کند.
با این حال ویژگی مشترکی نیز در غالب این روش ها مشاهده می شود و آن در نظر گرفتن مقادیر حجمی اجزای تشکیل دهنده ی بتن خودتراکم برای تعیین نسبت های اختلاط می باشد. این مقادیر در گامهای نهایی به مقادیر وزنی تبدیل می شوند. در نهایت می توان گفت با توجه به این که چندین سال از ورود بتن خود تراکم به کشور ایران و به کار گیری آن در چندین پروژه ی عمرانی می گذرد و نیز با در نظر گرفتن تحقیقاتی که در چندین دانشگاه و مرکز تحقیقاتی پیرامون ساخت بتن خودتراکم با مصالح بومی انجام شده است، نیاز به تدوین روشی برای طرح مخلوط بتن خود تراکم احساس می شود. ارائه ی روشی بر اساس شرایط محیطی و مصالح در دسترس، می تواند به عنوان راهنمایی برای مهندسین ایرانی و آغازی برای توجه بیشتر و گسترش کاربرد این نوع بتن در کشور مفید باشد.
روش عمومی (General method)
اولین روشی که برای تعیین نسبت های اختلاط بتن خود تراکم ارائه شد، حاصل کار تحقیقاتی گسترده Ozawa Okamura و همکارانشان در دانشگاه Tokyo است که با عنوان “روش عمومی” شناخته می شود، این تحقیقات بر روی مصالح مشخصی صورت گرفت و استفاده از آن در پروژه های دیگر غالبأ منجر به نتایج دست بالا شده است؛ به گونه ای که قابلیت روانی مخلوطهای به دست آمده بیش از مقادیر مورد انتظار بوده است. روش عمومی برای مصالح موجود در کشور ژاپن کاربرد بهتری دارد، به عنوان مثال درشت دانه با اندازه ی ۵ تا ۲۰ میلی متره ریزدانه با حداکثر اندازهی ۵ میلی متر، سیمان پرتلند با حرارت زایی کم و عدم استفاده از افزودنی اصلاح کننده ی لزجت مواردی هستند که روش بر اساس آنها ارائه شده است. برای ایجاد مقاومت در برابر پدیده ی یخ زدن و آب شدن معمولا از افزودنی حباب هوازا استفاده شده است. روند کلی این روش به شرح زیر است.
– تعیین میزان هوای مورد نیاز در بتن با توجه به شرایط محیطی – در نظر گرفتن مقدار سنگدانه ی درشت برابر با ۵۰٪ حجم جامدات مخلوط (با کسر میزان هوا) – در نظر گرفتن مقدار ماسه برابر ۵۰% حجم باقیمانده ملات (برای این منظور همه ی ذرات با اندازه ی بیشتر از۰/۰۹ میلی متر به عنوان سنگدانه و ذرات کوچکتر به صورت پودر در نظر گرفته می شوند) – تعیین نسبت آب به مواد پودری و مقدار فوق روان کننده با انجام آزمایش هایی بر روی ملات.
– تعیین مساحت جریان نسبی (۲) و زمان جریان نسبی (R) به کمک زمان و قطر پخش شدگی.
– اصلاح میزان فوق روان کننده و نسبت آب به سیمان ملات تا دست یابی به مساحت جریان نسبی برابر با لله و زمان جریان نسبی در بازه ی۰/۹ تا ۱/۱.
– استفاده از نسبت های به دست آمده برای شروع ساخت مخلوط های آزمون دستیابی به حداقل میزان پخش شدگی ۶۵۰ میلی متر در آزمایش جریان اسلامپ با تنظیم میزان فوق روان کننده مورد نظر است)
– ارزیابی خواص وابسته به زمان در مخلوط های بتنی ساخته شده در این روش طرح اختلاط هیچ محدودیتی در ارتباط با مقاومت فشاری بتن مطرح نشده است ولی در صورتی که سیمان پرتلند تنها مادهی سیمانی مصرفی باشد، نسبت های آب به سیمان کم مورد استفاده، موجب دست یابی به مقاومت فشاری مورد نیاز برای مقاصد سازه ای می گردد.
اصلاحات و تعمیم های صورت گرفته در روش عمومی
با گذشت زمان و کاربرد روش عمومی در کشورهای دیگر و با مصالح مختلف، نیاز به اعمال تغییراتی در آن احساس شد. بر این اساس افراد مختلف بر اساس نتایج به دست آمده از تحقیقات خود پیشنهادهایی را برای اصلاح و تعمیم این روش ارائه کرده اند و دانشگاه Tokyo | Ouchi و همکارانش در دانشگاه Tokyo پس از انجام تحقیقاتی در زمینه ی طرح مخلوط بتن خودتراکم، مواردی را در ارتباط با تعیین نسبت آب به مواد پودری و میزان فوق روان کننده مطرح کرده اند که در مقایسه با آنچه در روش عمومی عنوان شد.
منطقی تر به نظر می رسد. تعیین هر پارامتر به صورت مستقل در این روش پیشنهادی، سبب کاهش تعداد آزمایش های مورد نیاز می شود. در این روش نیز انجام آزمایش های میزان پخش شدگی و قیف V شکل و ارائه ی نتایج به صورت مساحت و زمان جریان نسبی مورد نظر است. نتایج آزمایش های این افراد نشان می دهد رابطهی بین مساحت و زمان جریان نسبی، در نسبت میزان فوق روان کننده به وزن مواد پودری مصرفی (SP/P) معین، به صورت خطی می باشد. این روش بیان می کند که متناظر با هر زوج Tm و Rm معین یک ترکیب مشخص از , V/V و SP/P وجود دارد. بعد از انتخاب مقادیری برای این زوج بر حسب تجربه (همانند ۵ را که توسط برخی افراد پیشنهاد شده است، با انجام تعداد محدودی آزمایش می توان مقادیر مورد نیاز را برای نسبت های , V/V و SP/P به دست آورد.
دانشگاه Delft Pelova و همکارانش طی تجربیاتی که در ساخت بتن خودتراکم با مصالح کشور هلند، به خصوص سنگدانه هایی با حداکثر اندازه ی ۱۶ میلی متر داشته اند به این نتیجه رسیده اند که می توان میزان سنگدانه ی درشت مصرفی را به ۶۰ درصد وزن مخصوص توده ای در حالت خشک) افزایش داد و با این کار به حداکثر میزان تراکم در مخلوط سنگدانه ها دست یافت. در مقایسه با روش عمومی، به کار گیری این روش سبب کاهش ۱۰ درصدی میزان خمیر مورد نیاز در بتن خود تراکم و در نتیجه مخلوطی اقتصادی تر می شود.