بتن خودتراکم
در فرایند تولید بتن خودتراکم پس از تعریف و انتخاب ویژگی های کاربردی مورد انتظاره انتخاب مواد و مصالح مصرفی و تعیین نسبت های اختلاط اولین مواردی است که مطرح می شوند. به طور کلی طرح مخلوط عبارت است از فرایند انتخاب مواد تشکیل دهنده ی مناسب برای بتن و تعیین مقادیر نسبی آنها باهدف اینکه مخلوط بتنی تولید شده تا حد امکان اقتصادی بوده و دارای برخی از حداقل خواص موردنیاز به ویژه مقاومت مکانیکی، دوام و کارایی باشد. به عبارت دیگر هدف از طرح مخلوط بتن تعیین اقتصادی ترین و عملی ترین ترکیب مصالحی است که به راحتی در دسترس قرار می گیرند تا بتن تولیدشده الزامات عملکردی موردنظر را تحت شرایط ویژه ی کاری برآورده نماید علاوه بر نسبت های اختلاط، پارامترهای مختلف فیزیکی و شیمیایی مربوط به هر یک از اجزای بتن همانند سیمان، سنگدانه، افزودنی های معدنی و شیمیایی مجهولاتی هستند که تغییر و تنظیم آنها می تواند باعث بهبود یا زوال کیفیت محصول نهایی شود. در بتن خودتراکم با توجه به حساسیت زیادی که در مورد حالت تازه وجود دارد، تنظیم این پارامترها در مقایسه با بتن معمولی کار به نسبت دشوارتری است.
زیرا علاوه بر خواص بتن سخت شده که همواره مورد توجه بوده است، اهدافی در ارتباط با بتن تازه نیز مطرح است که می بایست تأمین شود. | در این فصل ابتدا به معرفی و تشریح اجزای تشکیل دهنده ی بتن خودتراکم و ویژگی های مهم آنها پرداخته شده است. این مواد در چهار گروه افزودنی های شیمیایی، سنگدانه ها، سیمان پرتلند و مواد مکمل سیمان مورد توجه قرار گرفته اند. در ادامه ی فصل نیز مواردی در ارتبا روش های طرح مخلوط بتن خود تراکم عنوان شده و اصول و مراحل چهار روش به طور خلاصه توضیح داده شده است. سپس ضمن مطالعهی آماری تعدادی مخلوط بتن خودتراکم ساخته شده، مواردی به عنوان توصیه های کلی برای تعیین نسبت های اختلاط ارائه شده است در انتهای فصل نیز با نگاهی وسیع تر به موضوع، چالش ها و مسائل اجرایی مهم در فرایند تولید بتن خود تراکم در مقیاس صنعتی و پروژه های عمرانی مورد توجه قرار گرفته است، به طور خاص، برخی از تفاوت هایی که میان تولید بتن خودتراکم در مقیاس آزمایشگاهی و صنعتی وجود دارد، عنوان شده است و مفهوم “تیات بتن خودتراکم تازه” که در مقیاس صنعتی اهمیت زیادی پیدا می کند، مورد توجه قرار گرفته است.
اجزای بتن خود تراکم
با وجود اینکه در ساخت بتن خودتراکم می توان از مصالح گوناگونی استفاده کرد، انتخاب درست مصالح یک ضرورت در بهینه سازی طرح مخلوط این نوع بتن می باشد. به طور کلی می توان گفت بتن خود تراکم در مقایسه با بتن معمولی حساسیت بیشتری به تغییرات خواص مصالح از خود نشان میدهد، زیرا دست یابی به ویژگی های مشخصی در مخلوط بتن خودتراکم تازه مورد نظر می باشد که در بتن معمولی مطرح نیست. بنابراین پارامترهای مختلف اجزای تشکیل دهنده که ممکن است بر رئولوژی بتن تازه تأثیر گذار باشند.
باید شناسایی شده و مطابق با اهداف کنترل شوند. به عنوان مثال شکل و بافت سطحی سنگدانه های مصرفی در پشن عاملی است که اثر آن بر کارایی بشن تازه مشخص شده است، بنابراین انتخاب درست سنگدانه مصرفی در بتن خود تراکم می تواند رسیدن به یک مخلوط نهایی بهینه را با صرف هزینه، مصالح و زمان کمتر ممکن سازد. این مسئله در مورد سیمان، افزودنی های شیمیایی و مواد دیگر نیز صادق است. بر این اساس، در ادامه به بررسی ابعاد مختلف مواد و مصالح متداول مصرفی و تأثیرات آنها بر بتن خود تراکم پرداخته شده است.
افزودنی شیمیایی بتن خود تراکم
تأمین همزمان کارایی و پایداری موردنیاز در بتن خود تراکم صرفا با کمک مواد و مصالح معمول کاری نسینا دشوار است، به همین دلیل غالبا استفاده از افزودنی های شیمیایی در این بتن به عنوان یک راه حل متعارف مطرح می شود.
طبق تعریف استاندارد ASTM C125 مواد افزودنی عبارت اند از موادی که در بتن و یا ملات بلافاصله قبل و یا هنگام اختلاط اضافه می شوند و البته این مواد شامل آب، سنگدانه، سیمان و الیاف نمی کردند. به طور مشابه در 116 ACI افزودنی به عنوان مواد و ترکیباتی که علاوه بر سیمان، آب و مصالح سنگی به بتن، ملات و یا دوغاب برای تأمین خواص معین و مشخص و به منظور مصارف مختلف اضافه می شوند” تعریف شده است، به این ترتیب مواد افزودنی محدودهی گسترده ای از موادی را شامل می شوند که امروزه در تکنولوژی بتن به کار می روند، بر این اساس مواد افزودنی در بتن به دو دسته ی معدنی و شیمیایی تقسیم می شوند. افزودنی های شیمیایی که به طور متداول در بتن مصرف می شوند، خود عمدتا به دو دسته تقسیم می شوند.
دسته ی اول از طریق تأثیر گذاری بر کشش سطحی آب و جذب سطحی ذرات سیمان، به سرعت شروع به عمل بر روی مجموعه ی سیمان – آب می کنند، در حالی که دسته ی دیگر به مواد تشکیل دهندهی پوتی تقسیم شده و بر واکنش های شیمیایی بین ترکیبات سیمان و آب، از چندین دقیقه تا چندین ساعت بعد از افزودن آب، تأثیر می گذارند. نمکها و پلیمرهای قابل حل که هر دو از عوامل فعال در سطوح هستند، اساسا با اهداف هوازایی، روان کردن مخلوط بتن تازه و یا کنترل زمان گیرش در مقادیر کم به بتن اضافه می شوند. به وسیله ی روان سازها می توان روانی بتن را بدون افزایش مقدار آب افزایش داد و یا مقدار آب را با حفظ روانی مورد نظر کاهش داد. به این دلیل به مواد شیمیایی روان ساز، افزودنی های کاهنده ی آب نیز گفته می شود.
ساخت ویلا با استفاده از بتن خود تراکم میتواند یک ویژگی مهم و تاثیر گذار باشد. کاهش نیاز به فرآیند ارتعاش که بتن خود تراکم نسبت به بتن معمولی، هزینه و زمان ساخت ویلا را کاهش میدهد و سازگاری آن با شکل های گاها پیچیده در استخرها و ویلاهای ساحلی این امکان را برای طراح فراهم میکند که بتواند از طراحی های خاص در پلان و نمای ویلا استفاده کند. در حالت کلی اگر چه بتن خود تراکم از نظر شکل پذیری در طراحی ویلاهای مدرن و غیر معمول باغ ویلاها کاربرد دارد ولی از نظر هزینه و دقت در نحوه ساخت ویلا باید حساسیت بیشتری به کار برده شود.
استاندارد ASTM
مشخصات جداگانه ای برای افزودنی های حباب هوازا و کاهنده ی آب و یا کنترل کنندهی گیرش ارائه کرده است. ASTM C260 (مشخصات استاندارد افزودنی های حباب هوازا برای بتن) حدودی را برای تأثیری که ممکن است ماده ی افزودنی مورد آزمایش بر آب انداخنگی، زمان گیرش، مقاومت فشاری و خمشی، جمع شدگی ناشی از خشک شدن و مقاومت در برابر یخ زدن آب شدن بتن، در مقایسه با افزودنی حباب هوازای شاهد داشته باشد، تعیین می کند.
ASTM C494 (مشخصات استاندارد افزودنی های شیمیایی برای بتن) افزودنی های کاهنده آب و یا کنترل کننده ی گیرش را به هفت نوع تقسیم می کند؛ نوع A (کاهندهی آب)، نوع B (کندگیر کننده)، نوع C (تسریع کننده)، نوع D (کاهندهی آب و کندگیر کننده)، نوع E (کاهندهی آب و تسریع کننده)، نوع F (کاهندهی آب قوی یا فوق روان – کننده و نوع G (کاهنده ی آب قوی و کندگیر کننده).
فرق بین مواد کاهنده ی آب (انواع A D و E) و مواد کاهنده ی آب قوی (فوق روان کننده ها) در این است که در مقایسه با مخلوط بتن شاهد دارای روانی مشخص، افزودنی کاهنده ی آب معمولی باید حداقل ۵ درصد و افزودنی فوق روان کننده حداقل ۱۲ درصد میزان آب مورد نیاز را کاهش دهد. استاندارد همچنین حدودی را برای زمان گیرش، مقاومت فشاری و خمشی و جمع شدگی ناشی از خشک شدن تعیین کرده است.
افزودنی فوق روان کننده
در ساخت بتن خودتراکم معمولا از فوق روان کننده های بر پایه ی پلی کربوکسیلات استفاء می شود که دلیل آن خواص برتر این گروه در مقایسه با فوق روان کننده های بر پایه ی سولفانات (شامل نمکهای سولفانات تقطیر شده ی ملامین فرمالدئید با نفتالین فرمالدئید) است.
تجربه نشان داده است با وجود اینکه امکان ساخت بتن خودتراکم با فوق روان کننده های سولفاناتیو لینگوسولفانانی وجود دارد، به کار گیری انواع پلی کربوکسیلاتی دست یابی به خواص خود تراکمی را تا حد زیادی تسهیل می کند نیاز به مصرف مقدار کمتر افزودنی، حفظ کارایی برای مدت زمان بیشتر، تأثیر کمتر بر زمان گیرش و پایداری مخلوط بتنی را می توان به عنوان مزایای اصلی فوق روان کننده های پلی ۔ کربوکسیلاتی برشمرد. (Jeknavarian و همکارانش (۲۰۰۳) پس از انجام بررسی هایی به این نتیجه رسیده اند که استفاده از این گروه فوق روان کننده ها باعث کاهش ۷۰ تا ۸۰ درصدی میزان مصرف (بر حسب درصد ماده ی جامد مصرفی به وزن سیمان در مقایسه با یک فوق – روان کننده متداول بر پایهی ملامین با نفتالین می شود.
علاوه بر این استفاده از فوق روان کننده – های پلی کربوکسیلاتی در بتن خودتراکم باعث ایجاد خواص جریان پذیری بهتر در قیاس با افزودنی های سولفاناتی می شود. این گروه از فوق روان کننده ها قادر به کاهش تنش تسلیم به میزان بیشتری نسبت به انواع سولفاناتی هستند؛ در واقع به ازای یک میزان ثابت کاهش در تنش تسلیم، افت کمتری در لزجت را باعث می شوند Yamada و همکارانش (۲۰۰۰) معتقدند استفاده از فوق روان کننده های پلی کربوکسیلاتی در مخلوط های با نسبت آب به سیمان زیاد کاهش قابل توجه لزجت را به همراه دارد. در حالی که این کاهش در نسبتهای آب به سیمان کم ناچیز میباشد.
نتایج مطالعات دیگر نیز حاکی از این مسئله است که با در نظر گرفتن پارامترهای جریان پذیری، تفاوت ناشی از عملکرد فوق – روان کننده های کربوکسیلانی و سولفاناتی در نسبت های آب به سیمان کمتر مشهودتر است در واقع این ساختار منحصر به فرد فوق روان کننده های پلی کربوکسیلانی است که سبب عملکرد مناسب أنها می شود. این افزودنی ها را می توان برای کاربردهای خاص از طریق اصلاح ویژگی هایی چون طول زنجیره ی اصلی و نیز طول، دانسیته و یا نوع زنجیره های جانبی در سطح مولکولی به دلخواه طراحی نمود. نتیجه ی این اصلاحات، تغییرات در میزان کاهش آب، حفظ کارایی، زمان گیرش و روند کسب مقاومت در سنین اولیه است.
بر این اساس باید توجه داشت که همه ی فوق روان کننده های پلی کربوکسیلاتی برای ساخت بتن خودتراکم مناسب نیستند به طور کلی به دو دلیل می توان گفت مدت زمان حفظ کارایی در فوق روان کننده های پلی کربوکسیلاتی نسبت به انواع سولفاتانی طولانی تر می باشد. اول اینکه زنجیره های جانبی در پلیمرهای پلی کربوکسیلاتی در فواصل دورتر از ذرات سیمان فعال می باشند و بنابراین به سرعت در ساختار محصولات هیدراسیون قرار نمی گیرند. مورد دوم نیز به توانایی بعضی پلیمرهای پلی کربوکسیلاتی برای باقی ماندن در محلول آبی و اتصال به سطح ذرات سیمان با گذشت زمان و پیشرفت هیدراسیون برمی گردد.
Sakai و همکارانش
معتقدند کاهش طول زنجیره ی اصلی یا افزایش دانسیته ی زنجیره ی جانبی منجر به افزایش توانایی حفظ کارایی می گردد، در حالی که Yamada و همکارانش (۲۰۰۰) پس از بررسی هایی به این نتیجه رسیدند که کاهش طول زنجیره ی اصلی تأثیر ناچیزی بر حفظ کارایی دارد. آنها همچنین افزایش طول زنجیره ی جانبی، افزایش طول زنجیره ی اصلی و یا افزایش میزان بسپارش در زنجیره ی اصلی را به عنوان راهکارهایی برای کاهش طولانی شدن زمان گیرش در اثر استفاده از فوق روان کننده ها پیشنهاد کرده اند.
بهبود مقاومت در سنین اولیه یکی دیگر از مواردی است که به عنوان مزیت فوق روان کننده های پلی کربوکسیلاتی مطرح می شود. وجود زنجیره های جانبی آبدوست که باعث جذب آب توسط ذرات سیمان می شوند، عاملی است که منجر به هیدراسیون یکنواخت و تسریع در روند کسب مقاومت بتن در اثر استفاده از فوق روان کننده های پلی کربوکسیلاتی می شود. در انتها باید متذکر شد که علی رغم مواردی که به طور خاص در ارتباط با فوق روان کننده های پلی کربوکسیلاتی مطرح شد، باید توجه داشت که عملکرد این گروه از افزودنی های شیمیایی وابستگی شدیدی به ویژگی های سیمان مصرفی (از قبیل سطح مخصوص، توزیع اندازه ذرات میزان C,A و میزان قلیاییها) دارد.
به طور کلی باید گفت که اندر کنش هر ترکیبی از مواد پودری (از قبیل سیمان، مواد پرکننده و مواد مکمل سیمان با افزودنی های شیمیایی مسئله ای است که می تواند در بتن خودتراکم ایجاد مشکل نماید. اگرچه برخی از عوامل تأثیرگذار در این مسئله تاکنون شناسایی شده اند، با این حال پیش بینی عملکرد ترکیب های مختلف کار دشواری است و به همین دلیل مطالعه ی سازگاری بین مواد پودری (به خصوص سیمان) و افزودنی شیمیایی مورد استفاده مسئله ای بسیار مهم است که در مرحلهی طرح مخلوط بتن خودتراکم باید مورد توجه قرار گیرد.
افزودنی حباب هوازا ایجاد میزان کافی هوا در بتن، تأمین اندازه و فاصله ی دلخواه بین حباب های هوا و در نتیجه افزایش مقاومت در برابر چرخه های یخ زدن آب شدن مواردی هستند که باعث می شوند افزودنی حباب هوازا در بتن خودتراکم نیز مورد توجه قرار گیرد. گروههای قطبی، در فصل مشترک هوا- أب، به سمت فاز آبی جهت دار شده و با کاهش کشش سطحی، ایجاد حباب را تسهیل و تمایل به به هم چسبیدگی حباب های پراکنده شده را متقابلا خنثی می نماید. در فی مشترک دره و آب که نیروهای جهت دار در سطح سیمان موجودند، گروه های قطبی با گروه ها غیرقطبی متمایل به سمت آب، به دره چسبیده و سطح سیمان را ضدرطوبت می کنند.
به طوری که هوا می تواند آب را جابه جا کرده و به صورت حباب چسبیده به ذرات باقی بماند تجربه نشان داده است در بعضی موارد ایجاد سیستم نامناسب حفرات هوا و مقاومت ناکافی در برابر یخ زدن – آب شدن در بتن خود تراکم رخ می دهد؛ ولی باید توجه داشت که این موارد جزو ویژگی های ذاتی بتن خودتراکم نمی باشند. با افزایش حجم خمیر در بتن خودتراکچر، ممکن است نیاز به افزایش میزان هوا در بتن باشد تا در نهایت درصد حجم هوا در خمیر ثابت بماند استفاده از مواد مکمل سیمان و نیز مصرف چندین افزودنی شیمیایی در بین خودتراکم می تواند ایجاد میزان کافی حبابهای هوا در بتن را با پیچیدگی روبرو کند.
قابل ذکر آن که طبق توصیه – ای استاندارد ملی کانادا (2000-CSA23.2). برای تأمین مقاومت کافی در برابر یخبندان می۔ بایست مقدار ضریب فاصله حداکثر برابر با 0.23 میلی متر و میزان هوا در بتن سخت شده حداقل برابر با ۳ درصد باشد. البته مقدار متوسط ضریب فاصله برای بتن دارای نسبت آب به مواد سیمانی کمتر از 0.36 می تواند تا 0.25 میلی متر نیز باشد. در صورتی که نتیجه ی هیچ آزمایشی به تنهایی از۰/۳ میلی متر تجاوز نکند.
مسئله مهم در خصوص کاربرد افزودنی حباب هوازا در بتن خودتراکم
تغییرات در ویژگی های مجموعه حفرات هوای بتن در اثر عواملی چون مصرف مقادیر زیاد افزودنی فوق روان کننده و نیز تنش های وارد بر بتن در مراحل اختلاط و حمل بتن است. نتایج مطالعات Sieber)۱۹۸۹) نشان می دهد که مصرف افزودنی فوق روان کننده تأثیر زیادی بر توزیع حباب های هوا دارد و سبب می شود تا حجم بیشتری از حباب های هوا با قطر ظاهری بیشتر از ۰/۵ میلی متر و حجم حفرات کمتری با قطر ظاهری کمتر از 0.3 میلی متر تشکیل شوند.. Saucier و همکارانش (۱۹۹۰) معتقدند که مصرف افزودنی فوق روان کننده سبب کاهش پایداری مجموعه حباب های هوای بتن در حین عملیات حمل بتن می شود.
بدون اینکه تغییر قابل ملاحظه ای در میزان هوای بتن تازه رخ دهد، این افراد چگونگی و میزان تأثیر افزودنی فوق روان کننده پر مجموعه حباب های هوا را با عواملی چون خواص سیمان مصرفی، خواص افزودنی فوق روان کننده و نوع افزودنی حباب هوازا مرتبط دانسته اند. Khayat و Assad (۲۰۰۲) در مطالعات خود به ارزیابی تأثیر طرح مخلوط بتن خود تراکم بر پایداری مجموعه حفرات هوا در مقابل تنش های وارده بر بتن تازه پرداخته اند. برای این منظور ۱۰ مخلوط بتن خود تراکم ساخته شده و از هر مخلوط در بازه های زمانی مختلف (تا نهایتا ۹۵ دقیقه پس از شروع عملیات اختلاط) نمونه هایی تهیه شده تا از این طریق مجموعه حفرات هوای بتن مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته و تغییرات رخ داده در اثر لرزش ها و تکانهای اعمال شده مطالعه شود.
این محققین از روش شمارش نقاط فروش اصلاح شده مطابق با استاندارد 98-ASTM C457) برای تعیین ویژگی های مجموعه حفرات هوا استفاده کرده اند. نتایج مطالعات این افراد نشان می دهد که در شرایطی که مخلوط بتن خودتراکم شامل مقدار زیاد مواد سیمانی و نسبت آب به مواد سیمانی کم باشد، مجموعه حفرات هوا در بتن تازه از پایداری بیشتری در مقابل لرزش ها و تکانهای وارده برخوردار خواهد بود. برای مخلوط های حاوی مقادیر نسبتا کمتر مواد سیمانی و نسبت آب به مواد سیمانی بیشتر، پایداری و ماندگاری حباب های هوا را می توان با مصرف افزودنی اصلاح کننده ی لزجت افزایش داد.
این محققین همچنین پیشنهاد کرده اند که به منظور جلوگیری از به هم پیوستن حباب های هوای کوچک در اثر تنش های وارده بر بتن تازه، مقادیر لزجت خمیری (گشتاور) و تنش تسلیم (بینگهام) به ترتیب از ۱۰ نیوتن متر ثانیه و ۲ نیوتن متر بیشتر نباشد علاوه بر این، Khayat و Assad (۲۰۰۲) مشاهده کرده اند که میزان افزودنی هوازای مورد نیاز برای ایجاد مقدار مشخص هوا (۱/۵+۶ درصد)، در مخلوطهای حاوی افزودنی اصلاح کنندهی الزجت (در مقایسه با سایر مخلوطها) بسیار بیشتر بوده که این مسئله در مخلوط های با مقادیر پخش شدگی کمتر (آزمایش جریان اسلامپ) شدیدتر بوده است.
دلیل این مسئله می تواند نیاز به افزایش میزان فوق روان کننده به منظور حفظ کارایی در مخلوطهای حاوی افزودنی اصلاح کنندهی لزجت باشد. جذب سطحی ذرات فوق روان کننده توسط ذرات سیمان می تواند در چسبیدن حباب های هوا به ذرات سیمان خلل وارد کند. در نتیجه تعدادی از حباب های هوا از پایداری کمتری برخوردار بوده و تمایل به به هم چسبیدگی پیدا می کنند که این مسئله نان مقادیر بیشتر افزودنی حباب هوازا را ایجاب می کند دلیل دیگر نیاز به مصرف مقادیر بیشتر افزودنی حباب هوازا در مخلوط های حاوی افزودن اصلاح کننده لزجت، می تواند لزجت بیشتر خمیر سیمان و متعاقبا افزایش فشار داخ حباب های هوا باشد.
نتایج برخی مطالعات (مانند Nakamurai و Tanaka (۱۹۹۰ و می دهد که افزایش فشار داخلی حباب های هوا منجر به افزایش قابلیت حل شدن آنها محلول آبی شده و کاهش اندازه ی این حباب ها و در نتیجه کاهش میزان هوا در بتن را در دارد. در نهایت نیز افزایش میزان مورد نیاز افزودنی حباب هوازا در مخلوطهای حاوی افزودنی اصلاح کنندهی لزجت با قابلیت روانی کمتر را می توان با مقادیر آب آزاد کمتر موجود در این مخلوطها مرتبط دانست، مقادیر بیشتر آب آزاد به افزودنی حباب هوازا اجازه می دهد که کشش سطحی آب را به میزان بیشتری کاهش دهد و حباب های هوای کوچکتر و پایدارتری را با صرف مقادیر کمتر افزودنی ایجاد نماید.