بتن حجیم ، تعاریف و دستور العمل ها

بتن حجیم ، تعاریف و دستور العمل ها

چکیده

با توجّه به پایین بودن عمر سازه های عظیم و ملی در کشور و لزوم رسیدن به یک توسعه ی پایدار و دوام بسیار خوب برای سازه های ملی، لازم است دانش فنّی بتن در کشور ارتقاء پیدا کند. از آنجایی که امروزه این علم گسترش یافته و بتن انواع زیادی؛ از جمله، بتن معمولی، بتن سبک، بتن آهکی، بتن آسفالتی، بتن هوادار، بتن پیش ساخته، بتن پلیمری، بتن خود تراکم، بتن حجیم، شاتکریت، بتن پمپی و … پیدا کرده است، در راستای رسیدن به دانش فنّی بتن، در مقاله ی پیش رو، سعی شده است مطالعات مختصری در ارتباط با یکی از انواع بتن، که بتن های حجیم می باشد، انجام شود.

این مقاله علاوه بر توضیحات کوتاهی درباره ی بتن های حجیم قصد دارد، گوشه ای از ضوابط و مقررات ویژه ی سازه های بتنی حجیم را که طراحی و اجرای آنها نیازمند تدابیر خاص میباشد و با رعایت آن ها میزان مناسبی از ایمنی، قابلیت بهره برداری و پایایی این سازه ها تامین می شود، بیان کند و در آخر به اختصار درباره ی اینکه بهتر است چه نوع پوزولان و به چه میزان در بتن های حجیم با مقاومت زیاد بکار برده شود، صحبت خواهد شد.

مقدمه

هر حجمی از بتن (معمولا با ابعاد بزرگ) که نیازمند تدابیری ویژه برای کاهش ترک خوردگی ناشی از گرمای آبگیری (هیدراتاسیون) سیمان باشد، بتن حجیم نامیده می شود.

واکنش میان سیمان و آب، توام با تولید گرما میباشد و سبب افزایش قابل ملاحظه دمای درون قطعات بزرگ بتنی می شود. اگر این گرما نتواند به سرعت تخلیه شود، تغییر حجم ناشی از افزایش و کاهش دمای سازه، ممکن است تنش ها و کرنش های قابل ملاحظه ای ایجاد نماید که ترک خوردگی بتن را به دنبال خواهد داشت. تدابیر لازم برای کنترل دمای بتن ممکن است قبل، همراه و یا بعد از بتن ریزی اعمال شوند.

اندازه بزرگترین دانه سنگی بتن های حجیم معمولا بزرگتر از بتن های متداول است و دانه بندی سنگدانه ها باید با دقت بیشتری کنترل شود تا با حداقل سیمان ممکن (یا به کمک پوزولان ها)، طرح اختلاط مناسب تهیه گردد.

هدف از طراحی بتن حجیم برآوردن الزامات مورد نیاز همراه با تولید کمترین گرمای ممکن و درنظر داشتن صرفه اقتصادی است. معمولا پایایی، مسائل حرارتی و اقتصاد مهمترین عوامل در طراحی سازه های بتنی حجیم هستند و عامل مقاومت اغلب در درجه دوم اهمیت قرار دارد. در طراحی مخلوط های بتنی حجیم با کیفیت (مقاومت و پایایی) مطلوب ، باید کمترین مقدار سیمان به مصرف برسد، تا ترک خوردگی حرارتی کاهش یابد.

کمیته ۱۱۶ ACI، بتن حجیم را به عنوان یک بتن در یک سازه بزرگ، (مثلا یک تیر، ستون، پایه، آب بند، یا سد) تعریف کرده است، به گونه ای که حجم این بتن به اندازه ای است که نیاز به ابزار خاصی برای مقابله با تولید حرارت و در نتیجه تغییر حجم دارد. یک فرض عمومی وجود دارد، و آن این است که ترکیبات و خواص بتن حجیم فقط برای آنهایی که درگیر طراحی و ساخت سدها هستند جالب می باشد؛ ما با تعریف این نوع بتن، سعی کرده ایم که این عقیده نادرست را تصحیح کنیم، زیرا بسیاری از تجربیاتی که در طول مدت زیاد احداث سدهای بزرگ بتنی به دست آمده است، در سازه های بسیار کوچکتر نیز کاربرد دارند.

طراحان و سازندگان سدهای بزرگ بتنی، در ابتدا باید اهمیت بالا رفتن دما در بتن، ناشی از حرارت هیدراتاسیون، و در نتیجه جمع شدگی و ترک خوردگی در هنگام سرد شدن، را تشخیص بدهند. ترک های موازی با محور سد پایداری سازهای آن را به مخاطره می اندازد؛ یک سازه یکپارچه (که اصولا بدون ترک خوردگی است) در تماس نزدیکی با پی و دیوارها باقی می ماند و رفتار همانگونه خواهد بود که در توزیع تنش طرح پیش بینی شده است. پایه ها، ستون ها، تیرها، دیوارها و پی های بتنی سازه های بزرگ، بسیار کوچکتر از آن یک سد وزنی بتنی متعارف هستند. اگر اجزای سازه ای مزبور، چندین متر ضخامت داشته باشند و از مخلوط های بتن با مقاومت زیاد بتن با مقاومت زیاد (با مقدار زیاد سیمان) ساخته شده باشند، مشکلات ترک خوردگی حرارتی در آن ها، می تواند به اندازه سدها جدی باشد.

کمیته ۲۰۷ ACI ، گزارش های جامعی را در مورد بتن سدها و سایر سازه های حجیم تالیف کرده است، که برای مطالعه جزئیات بیشتر در این زمینه، باید به آن ها مراجعه شود. در اینجا، عمدتاً مبتنی بر گزارش های مزبور، فقط مختصراً، چکیده ای از اصول کلی این مطالب، و کاربرد آن ها در بتن مگر (مقاومت کم) را ارائه می کنیم.

ملاحظات عمومی

می توانیم در ابتدا فرض کنیم که تنش کششی در بتن در حال سرد شدن می تواند ناشی از چهار کمیت باشد: REet ، که در آن، t افت دما ، e ضریب انبساط حرارتی، E مدول ارتجاعی و R درجه قید است.

از آنجا که افت دما و تنش ناشی از آن همزمان رخ نمی دهد، اعمال یک تصحیح در محاسبه تنش ضروری است تا رهایی تنش ناشی از خزش در نظر گرفته شود. در نتیجه، حاصل ضرب کمیت های مذکور در معادله فوق، منهای تنش رها شده ناشی از خزش، تنش واقعی را تعیین می کند، و اگر مقدار تنش بیشتر از مقاومت کششی ماده باشد بتن ترک خواهد خورد.

روش های تعیین مقاومت کششی سازه های حجیم بتنی غیر مسلح در پاراگراف بعدی شرح داده خواهد شد. کنترل افت دما از کنترل سایر عوامل، ساده تر است و در ساخت بتن بیشترین توجه را به خود اختصاص داده است. در پروژه های مختلف ساختمانی، برای کاهش میزان افت دما تشخیص این امر ضروری است که استراتژی اساسی ما، که از نظر اقتصادی نیز توجیه پذیرتر است، محدود کردن حرارت هیدراتاسیون است، که منبع اولیه افزایش دما می باشد. اصول اساسی حاصل از تجربه و عمل، شامل انتخاب مصالح، نسبت های اختلاط، و تمهیدات اجرایی برای کنترل بالا رفتن و افت دما در بتن حجیم است. این اصول در زیر شرح داده شده است.

انواع سازه های بتنی حجیم

سازه های بتنی حجیم به سه دسته تقسیم می شوند :

الف) سازه های ثقلی مانند سدهای وزنی (شامل سدهای بتن غلتکی)

ب) سازه های پوسته ای ضخیم مانند سدهای قوسی

ج) سازه های بتن آرمه ضخیم مانند ایستگاه های پمپاژ بزرگ، نیروگاه ها و پایه های حجیم پل ها

توزیع دما در بتن حجیم

مشکل عمده، محاسبه توزیع دما در یک سازه با هندسه پیچیده، و نیز این مسئله است که چگونه، فرایند ساخت تدریجی و مرحله به مرحله را در تحلیل دخالت دهیم. یکی از مسائل عمده طراحی بتن حجیم، انتخاب حداکثر ضخامت لایه بتن بدون ایجاد ترک ناشی از حرارت، و نیز بهینه نمودن زمان قبل از بتن ریزی لایه بعدی است. طراح، از طرف پیمانکار تحت فشار است، زیرا پیمانکار، به منظور افزایش سرعت ساخت بتن، تمایل دارد که لایه های ضخیم تری از بتن را در زمانی کوتاهتر بریزد.

در پروژه های عظیم، بیشترین صرفه جویی هنگامی حاصل می شود که ابعاد لایه ها، و نحوه اجرای آنها به طور منظم انجام شود. جریمه عدم انجام منظم بتن ریزی لایه ها این است که گروه بتن ریزی، یا باید منتظر ریختن لایه بعدی بمانند، و یا مجبور به تعمیر و حتی کندن لایه های ضخیمی شوند که به اثر تنش های حرارتی، ترک خورده اند.

خواص بتن حجیم

خواص بتن که در طراحی سازه های بتن حجیم مورد استفاده قرار میگیرد : عبارتند از وزن مخصوص، مقاومت های فشاری، کششی و برشی، مدول الاستیسیته، ضریب پواسون، خزش، ضرایب انبساط حرارتی، هدایت حرارتی، گرمای ویژه و انتشار. طراح می تواند در مرحلۀ شناخت و ابتدای مطالعات از مقادیری که در منابع معتبر آورده شده اند استفاده نماید. در طرح نهایی ضرایب و خواص مورد نیاز باید تا حد امکان از انجام آزمایش های آزمایشگاهی و بررسی های محلی استخراج گردد.

خواص مقاومتی

مقاومت بتن با سن، نوع سیمان، جنس سنگدانه ها و دیگر اجزای نسبت های اختلاط، کیفیت اجرا، عمل آوری و شرایط محیطی تغییر می کند. عامل اصلی مؤثر در مقاومت بتن نسبت آب به سیمان می باشد. ویژگی های مقاومتی بتن باید پاسخگوی بارگذاری اولیه، نیازهای اجرایی و شرایط بهره برداری باشد. در نظر گرفتن مقاومت های فشاری بتن در زمان بهره برداری امکان استفاده از مزایایی مانند بهره گیری از سیمان های آمیخته، کاهش سیمان مصرفی و به تبع آن کاهش دمای داخلی و کنترل ترک خوردگی بتن را میسر میسازد. مقاومت مورد نیاز بتن در سنین مختلف باید در مقاطع خواسته شده به دقت کنترل گردد.

مقاومت فشاری

مقاومت فشاری از آزمایش استاندارد فشاری بدون منظور نمودن اثرات خزش با روش آزمایش مقاومت فشاری نمون ههای بتنی (دت ۶۰۲)، روش نمونه گیری مخلوط بتن تازه (دت ۵۰۲) و روش ساختن و عمل آوری نمونه های آزمایش در محل (دت ۵۰۴) تعیین می شود.

از آنجا که در اکثر سازه های بتنی حجیم در سنین اولیه، بتن تحت تاثیر بخش عمده بارهای شرایط بهره برداری قرار نمی گیرد لذا برای استفاده بهینه از خواص مقاومتی بتن، مقاومت طراحی می تواند معادل مقاومت ۹۰ روزه یا بیشتر در نظر گرفته شود.

حداکثر تنش مجاز فشاری بتن در حالت بارگذاری عادی معادل ۰.۳۳ مقاومت گسیختگی بتن در نظر گرفته می شود.

مقاومت کششی

مهندسانی که از بتن مسلح استفاده می کنند، اغلب از مقاومت کششی کم بتن صرف نظر کرده و فقط فولاد را برای تحمل این قبیل بارها به کار می برند. در سازه های بتنی حجیم، نظیر سد ها، کاربرد آرماتور غیر عملی است. بنابراین تخمین قابل اعتمادی از مقاومت کششی بتن در این موارد، به خصوص برای قضاوت در مورد ایمنی سد تحت بارهای ناشی از زلزله، لازم می باشد.

رافائل پیشنهاد می کند که مقادیر به دست آمده از آزمایش دو نیمه شدن مدول گسیختگی، با اعمال ضریبی که افزایش مقاومت در آزمایش های مقاومت کششی دینامیکی را در نظر میگیرد (ضریب تقریبی برابر با ۱/۵)، افزایش یابد. به عنوان یک راه حل دیگر و با توجه به شرایط بارگذاری میتوان از منحنی های مقاومت کششی و فشاری نیز استفاده نمود. پایین ترین ،

تغییر حجم

تغییرات حجمی بتن در اثر تغییر در رطوبت، درجه حرارت، واکنش های شیمیایی و تنش های ناشی از بارگذاری رخ می دهد و ممکن است باعث ایجاد ترک در بتن شوند . با توجه به اینکه ترک ها یک عامل تضعیف کننده مقاومت بتن در مقابل نیروهای خارجی هستند و سبب کاهش دوام بتن می گردند، شناخت عوامل مؤثر در ترک خوردگی در کاهش مشکلات احتمالی مفید است.

میزان آب بتن و نوع و مقدار سنگدانه از مهمترین عواملی هستند که بر روی جمع شدگی ناشی از خشک شدن تأثیر می گذارند و محدودۀ تغییرات انقباض خش ک برای بتن با آب کم و کیفیت مطلوب مصالح در حدود ۰.۰۲ درصد و برای بتنی با آب زیاد و کیفیت نامناسب سنگدانه در حدود ۰.۱ درصد می باشد.

تغییرات حجم که به صورت خود به خود در بتن به وجود می آید ناشی از واکنش های شیمیایی است. این تغییر حجم وابسته به میزان آب مصرفی در بتن بوده و مقدار آن در بتن های حاوی پوزولان بیشتر از بتن های بدون پوزولان می باشد.

خواص حرارتی

انجام مطالعات حرارتی برای سازه های بتنی حجیم الزامی است تا آثار تنش ایجادشده با تغییرات دما در بتن تعیین و تمهیدات لازم به منظور جلوگیری از ترک خوردگی های حرارتی صورت پذیرد. شاخص ترین پارامترهای حرارتی بتن عبارتند از :

• ضریب انبساط حرارتی
• گرمای ویژه
• ضریب هدایت حرارتی
• ضریب انتشار حرارتی

مصالح و نسبت های اختلاط

سیمان

دمای هیدراتاسیون سیمان تابع ترکیبات اجزا، و نرمی آن است. سیمان های پرتلندی که حاوی مقدار نسبتا بیشتر C2S و C3A هستند، در مقایسه با سیمان های درشت تری که مقدار کمتری C2S و C3A دارند، دمای هیدراتاسیون بیشتری را نشان می دهند. برای مثال، از منحنی های افزایش دمای ادیاباتیک برای یک بتن حجیم حاو  ۲۲۳ کیلوگرم بر متر مکعب از هر یک از ۵ نوع سیمان پرتلند، می توان مشاهده کرد که بین سیمان معمولی (نوع ۱) و سیمان با حرارت زایی کم (نوع ۴)، اختلاف در افزایش دما، برابر با ۱۳ درجه سانتی گراد در ۷ روز و ۹ درجه سانتی گراد در ۹۰ روز بوده است. باید توجه کرد که این مقدار سیمان کل افزایش دما، حتی با سیمان با حرارت کم، بیشتر از ۳۰ درجه سانتی گراد بوده است.

در شرایطی که افزایش دما، و افت دمای ناشی از آن، در حدود ۳۰ درجه سانتی گراد باشد، این دما را از نقطه نظر ترک خوردگی حرارتی، بسیار زیاد تلقی می کنیم. در این حالت، یکی از روشهای پایین آوردن آن، کاهش مقدار سیمان در بتن است، به شرط آن که این عمل حداقل مقدار مقاومت، و نیز کارآیی مورد نیاز کار را برآورده سازد. با استفاده از چندین روش، که در زیر شرح داده شده است، امکان مصرف مقادیر سیمان به حد کم، مثلا در حدود ۱۰۰ کیلوگرم بر متر مکعب ، در بتن حجیم، که مناسب ساختمان داخلی سد وزنی باشد، وجود دارد.

با این چنین مقادیر کم سیمان، حتی استفاده از سیمان پرتلند نوع II استاندارد ASTM مناسب در نظر گرفته می شود؛ جایگزین کردن ۲۰ درصد حجم سیمان پرتلند با پوزولان، کاهش بیشتری را در افزایش دمای آدیاباتیک صورت می دهد.

مواد افزودنی

با مقادیر سیمان در حد کم، مثلا ۱۰۰ کیلوگرم بر متر مکعب ، ضروری است که از آب به مقدار کم استفاده شود تا مقاومت فشاری ۱ ساله طراحی شده (در محدوده ۱۳ تا MPa 17) به دست آید. این مقدار مقاومت، معمولا برای بتن داخلی سازه های بزرگ وزنی توصیه می شود. به طور معمول، در مخلوط های بتن، به منظور کاهش مقدار آب، در عین حفظ کارایی مورد نظر، در حدود ۴ تا ۸ درصد حباب هوا در نظر گرفته می شود. در حالی که پوزولان ها اصولا به عنوان جایگزین بخشی از سیمان پرتلند، برای کاهش حرارت هیدراتاسیون، استفاده می شوند، اکثر خاکسترهای بادی، اگر به عنوان پوزولان استفاده شوند، از قابلیت بهبود کارآیی و کاهش مقدار آب به مقدار ۵ تا ۸ درصد برخوردارند.

سنگدانه

در مخلوط های بتن سدها، باید از هر روش ممکن، برای کاهش مقدار آب، که امکان کاهش مقدار سیمان را فراهم سازد (یعنی با حفظ نسبت ثابت آب به سیمان)، استفاده شود. در این زمینه، دو روش مقرون به صرفه عبارتند از: ۱) انتخاب بزرگترین اندازه ممکن مصالح سنگی درشت دانه، ۲) انتخاب دو گروه یا تعداد بیشتری از گروههای مصالح سنگی درشت دانه با اندازه های مستقل، به گونه ای که پس از مخلوط شدن، دانه بندی آن به گونه ای شود که چگالی آن، پس از تراکم یعنی به حداقل رسیدن منافذ آن، به حداکثر مقدار خود برسد. در گزارش کمیته ۲۱۱ ACI ، محدوده های متعارف دانه بندی مصالح سنگی درشت دانه مصرفی در بتن حجیم، و دانه بندی ایده آل حاصل از ترکیب چند نوع سنگدانه با دانه بندی ها گوناگون، برای حداکثر اندازه مصالح سنگی ۱۵۰ میلیمتر و ۷۵ میلیمتر ، آورده شده است.

ضوابط و مقررات ویژه سازه های بتنی حجیم بر اساس آیین نامه سازه های بتنی حجیم

مصالح بتن – سنگدانه

سنگدانه های مصرفی در بتن حجیم باید از نزدیکترین و مناسب ترین منابع قرضه موجود در اطراف ساختگاه تامین شوند. منابع قرضه مورد تایید می توانند شامل سنگدانه های طبیعی موجود در آبرفت های کنار رودخانه ها، تراس های آبرفتی مرتفع تر، معادن سنگ کوهی یا مخلوطی از آن ها باشند.

مشخصات فیزیکی و شیمیایی سنگدانه های مناسب برای بتن ریزی های حجیم باید منطبق بر ضوابط مندرج در آیین نامه بتن ایران باشد. افزون بر این بسیاری از سنگدانه هایی که حداقل کیفیت مورد نیاز را دارا می باشند نیز به شرط حفظ پایایی بتن می توانند مورد تایید قرار گیرند.

در بتن های حجیم به منظور کاهش مشکلات ناشی از گرمای آبگیری باید با توجه به سایر الزامات طرح از بزرگترین اندازه ممکن سنگدانه استفاده شود، ولی استفاده از سنگدانه های درشت سبب افزایش پدیده جداشدگی در بتن می گردد، که این پدیده باید به کمک طراحی مخلوط هایی با دانه بندی مناسب و با اعمال الزامات اجرایی آیین نامه کنترل شود.

دانه بندی

شن و ماسه باید بطور جداگانه انباشته شده و توزیع دانه بندی هر یک باید با حدود مندرج در جداول زیر منطبق باشد.

ب) از آنجا که تغییر دانه بندی ماسه (هرچند در محدوده مجاز) پیآمدهای منفی در کارآیی مخلوط بتن خواهد داشت، بنابراین پیمانکار باید تدابیری اتخاذ نماید تا دانه بندی ماسه مصرفی و میزان رطوبت آن تاحدامکان در طول زمان اجرا یکنواخت باقی بماند. دانه بندی ماسه باید طوری کنترل گردد که مدول نرمی ۹ نمونه از ۱۰ نمونه متوالی اخذ شده بیش از ۰.۲ با میانگین مدول نرمی ۱۰ نمونه اختلاف نداشته باشد و بهتر است رطوبت ماسه به کمتر از ۵ درصد تقلیل یابد.

پ) در بتن های حجیم که قطر بزرگترین سنگدانه مصرفی در آنها بیش از ۴۰ میلی متر است و به ویژه بتن هایی که با استفاده از سنگدانه های شکسته حاصل از معدن سنگ تهیه می شوند، چون میزان سنگدانه های درشت نسبت به بتن های معمولی زیادتر و میزان سیمان و ماسه مصرفی کمتر است، بتن ظاهری خشن داشته و چسبندگی و قوام آن کم می شود. در این حالت توصیه می شود از طریق ساخت طرح های اختلاط آزمایشی و پس از تایید دستگاه نظارت، این کمبود با مصرف میزان مناسبی پودر سنگ، حاصل از فرآیند تولید سنگدانه، یا دیگر افزودنی های معدنی مجاز جبران شود.

کیفیت سنگدانه ها

شن و ماسه باید تمیز ، مقاوم ، سخت ، پایا و بدون هرگونه اندود باشد. دانه ها باید تا حد امکان گرد و مکعبی شکل بوده و با شرایط مندرج در آیین نامه بتن ایران تطابق داشته باشند. در ضمن معیارهای آیین نامه باید در مورد ذرات ریزتر از الک نمره ۲۰۰ رعایت شوند.

سیمان

عامل چسباننده سنگدانه ها در بتن – یعنی خمیر سیمان – نقش مهمی در عملکرد سازه بتنی حجیم ایفا میکند. علاوه بر الزامات پایایی و مقاومتی مورد نیاز، واکنش های آبگیری در بتن های حجیم باید آهسته تر از بتن های معمولی صورت گیرد تا گرمای حاصل از این واکنش ها سبب افزایش بیش از حدود مجاز دمای سازه نشود. در بتن های حجیم یکی از چند گونه سیمان پرتلند نوع ۲ ، ۴ یا ۵ و یا انواع بخصوصی از سیمان های آمیخته پرتلند پوزولانی و روباره ای استفاده می شود.

سیمان پرتلند

الف) سیمان پرتلند نوعی سیمان آبی است که گیرش آن در اثر ترکیب با آب آغاز شده و به تدریج سخت می شود. در طول این واکنش، که به آبگیری (هیدراتاسیون) موسوم است، سیمان با آب ترکیب شده و ضمن تولید گرما جسم سنگ گونه ای بوجود می آید.

ب) انواع سیمان های پرتلند که بطور معمول در بتن ریزی های حجیم کاربرد دارند باید علاوه بر انطباق با مشخصات ذکر شده در مشخصات سیمان پرتلند به شماره دت ۱۰۱ الزامات زیر را نیز برآورده نمایند.

سیمان نوع دو  با گرمای آبگیری متوسط، در صورتی برای استفاده در بتن ریزی های حجیم مناسب است که مجموع سه کلسیم سیلیکات و سه کلسیم آلومینات (C3S+C3A) آن کمتر از ۵۸ درصد یا گرمای آبگیری ۷ روزه آن کمتر از ۷۰ کالری بر گرم باشد

سیمان نوع چهار  با گرمای آبگیری کم برای سازه های بتنی حجیم که در آن ها الزامات حرارتی تعیین کننده می باشد، مناسب است. گرمای آبگیری ۷ روزه این سیمان به ۶۰ کالری بر گرم محدود شده است.

سیمان نوع پنج  (مقاوم در برابر سولفات ها) به دلیل روند حرارت زایی متوسط در بتن ریزی های حجیم نیز کاربرد دارد. میزان سه کلسیم آلومینات در این سیمان به ۵ درصد محدود شده است. به همین دلیل زمانی که میزان سولفات در آب یا خاک مجاور سازه بتنی از حدود مجاز جدول زیر تجاوز نماید، باید از سیمان نوع پنج استفاده شود. در سازه های بتن آرمه حجیم که در معرض خطر حمله توام یو نهای کلرید و سولفات (مانند مناطق حاشیه خلیج فارس و دریای عمان) قرار دارد، نباید از سیمان نوع پنج استفاده شود.

پ) زمانی که کلریدها یا یون های مخربی نظیر آن علاوه بر یون سولفات وجود داشته باشد، برای جلوگیری از خوردگی آرماتورها، باید نسبت آب به سیمان را کاهش داده و سیمان نوع دو مصرف نمود.

ت) سیمان پرتلند نوع یک نباید به تنهایی در بتن های حجیم مصرف شوند، مگر آنکه نشان داده شود به همراه پوزولان ها، روباره ها یا دیگر مواد افزودنی معدنی کلیه الزامات مربوطه را برآورده می کند. مصرف سیمان نوع ۳ در بتن های حجیم مجاز نیست.

کنترل کیفیت کارگاهی سیمان های پرتلند

الف) در صورتی که ابعاد یا حساسیت پروژه ایجاب نماید، کنترل کیفیت ویژه سیمان می تواند در محل کارخانه و همزمان با فرآیند تولید صورت گیرد. دراین صورت سیلوهای ویژه از طرف کارخانه برای پروژه تخصیص داده می شود و فقط سیمان های مورد تایید دستگاه نظارت اجازه انباشت در این سیلوها را دارند. سیمانی که از سیلوهای تایید شده به کارگاه ارسال می شود، بدون نیاز به کنترل دوباره در کار مصرف خواهند شد ولی دستگاه نظارت می تواند به صورت اتفاقی نمونه هایی از سیمان مصرفی در کارگاه را به آزمایشگاه مرکزی طرف قرارداد کارفرما ارسال نماید تا ضمن ثبت مستندات، از کیفیت سیمان ارسال شده به کارگاه اطمینان حاصل شود.

ب) در صورتی که استقرار عوامل کنترل کیفی کارگاه در کارخانه تولید سیمان مقدور نباشد، قبل از آغاز عملیات بتن ریزی، باید آزمایشگاه مجهز به وسایل انجام آزمایش های فیزیکی سیمان مطابق جدول زیر، در کارگاه مستقر گردد.

پ) قبل از استفاده از سیمان در عملیات اجرایی باید مطابق آزمایش نمونه گیری از سیمان، دت ۱۰۶، از هر ۵۰۰ تن سیمان ورودی به کارگاه یا طبق دستور دستگاه نظارت نمونه برداری شده و به کمک آزمایش های فوق کیفیت آن مورد ارزیابی قرار گیرد. نتایج آزمایش های فوق، ملاک قبول یا رد محموله های سیمان خواهد بود.

ت) قبل از استقرار آزمایشگاه محلی در کارگاه، کنترل کیفیت سیمان های مصرفی در کارگاه بر اساس ارزیابی نتایج آزمایش های فیزیکی و شیمیایی که توسط کارخانه تولید کننده یا آزمایشگاه مورد تایید دستگاه نظارت انجام می شود، صورت می گیرد. همچنین بعد از استقرار آزمایشگاه محلی در کارگاه، به علت محدودیت امکانات و تخصصی بودن ماهیت آزمایش های شیمیایی و بعضی آزمایش های فیزیکی هر ۳ ماه یک بار یا با تشخیص دستگاه نظارت بصورت ادواری یا موردی از سیمان نمونه گیری شده و به آزمایشگاه مرکزی طرف قرارداد ارسال می شود.

سیمان های آمیخته

الف) سیمان های پرتلند آمیخته مخلوطی از سیمان پرتلند و درصدی مواد مضاف معدنی هستند که از آسیاب کردن همزمان و یا مخلوط کردن پودر این دو تولید می شوند. مواد مضافی که در تولید این سیمان ها به کار گرفته می شوند شامل پوزولان های طبیعی، پوزولان های مصنوعی شامل خاکسترهای صنعتی، خاکستر بادی، روباره های کوره آهن گدازی و غیره می باشند.

ب) انواع سیمان های آمیخته ای که در اجرای سازه های بتنی حجیم کاربرد دارند، مطابق استاندارد ASTM C595 به شرح زیر میباشد :

• سیمان پرتلند روباره ای نوع IS (25 تا ۷۰ درصد روباره)
• سیمان پرتلند – پوزولانی نوع IP (15 تا ۴۰ درصد پوزولان)

استاندارد ملی ایران با شماره ۳۴۳۲ سیمان پرتلند – پوزولانی نوع IP  را به نام سیمان پرتلند پوزولانی ویژه می شناسد.

پ) مشخصات سیمان های آمیخته روباره ای و پوزولانی باید به ترتیب مطابق دت ۱۰۲ و دت ۱۰۳ باشد.

مواد افزودنی

تعریف، انواع و الزامات فنی مواد افزودنی شیمیایی و معدنی در بند ۳-۶ آیین نامه بتن ایران شرح داده شده است.

علت مصرف مواد افزودنی در بتن های حجیم می تواند یک یا ترکیبی از موارد زیر باشد :

• برای کاهش مصرف سیمان و در نتیجه کاهش حرارت آبگیری.
• برای کاهش نرخ گیرش سیمان و در نتیجه امکان اجرای بلوک های بزرگتر در یک نوبت بتن ریزی.
• برای کمک به اجرای کار در شرایط جوی نامطلوب و بهبود کارآیی بتن.
• برای افزایش کیفیت و کاهش هزینه اجرای کار.
• برای افزایش پایایی در برابر دوره های مکرر یخ زدن و آب شدن و نیز بهبود کارآیی.

باید در نظر داشت که مصرف مواد افزودنی نمی تواند جایگزین رعایت دستور العمل های لازم برای اجرای خوب بتن گردد. انتخاب نوع و میزان مصرف مواد افزودنی در یک متر مکعب بتن باید بر اساس معیار های فنی و اقتصادی توجیه پذیر بوده و به تایید دستگاه نظارت برسد.

الف) افزودنی های شیمیایی

مهمترین افزودنی های شیمیایی که در بتن ریزی های حجیم کاربرد دارند در جدول زیر درج شده اند. تعریف و کاربرد افزودنی های شیمیایی در بند ۳-۶-۳ آیین نامه بتن ایران – تجدید نظر اول ذکر شده است.

ب) افزودنی های معدنی

مهمترین افزودنی های معدنی که در بتن های حجیم کاربرد دارند شامل پوزولان ها و مواد شبه سیمانی مانند روباره آهن گدازی هستند. بند ۳-۶-۴ آیین نامه بتن ایران به ذکر مشخصات افزودنی های معدنی اختصاص دارد.

۱- مواد پوزولانی :

مواد پوزولانی در بتن ریزی های حجیم کاربرد فراوانی دارند. حداقل ۳۰ درصد جایگزینی سیمان با پوزولان مناسب می تواند ضمن کاهش مصرف سیمان، عملکرد بتن را از نظر پایایی در برابر حمله مواد شیمیایی و ترک خوردگی حرارتی بهبود بخشد.

پوزولان ها مواد سیلیسی یا سیلیسی و آلومینی هستند که بخودی خود خاصیت سیمانی نداشته ولی پس از آسیاب شدن در مجاورت رطوبت با هیدراکسید کلسیم واکنش شیمیایی نشان داده و ترکیب هایی با ویژگی های مواد سیمانی بوجود می آورند.

پوزولان ها بر دو نوع هستند:

• پوزولان های طبیعی خام یا تکلیس شده ( نوع N ) شامل خاک های دیاتومه ای، چرت های اوپالینی و شیل ها، توف ها و خاکسترها یا سنگ های آتشفشانی و همچنین مواد دیگری مانند بعضی از رس ها و شیل ها که برای بروز خواص پوزولانی نیاز به عملیات تکلیس دارند و از آ نجمله می توان متاکائولین را نام برد.
• پوزولان های صنعتی که به طور عمده شامل دوده سیلیسی (میکروسیلیس) متاکائولین و خاکستر بادی انواع F و C می باشند. دوده سیلیسی در بتن ریزی حجیم کاربرد چندانی ندارد.

خاکستر بادی نوع F عبارت است از خاکستر باقی مانده از احتراق پودر ذغال سنگ در نیروگاه های حرارتی، که به علت داشتن ذرات کروی شکل، اغلب کارآیی بتن را بهبود می بخشد.

خاکستر بادی نوع C که از لیگنیت یا ذغا لسنگ هایی با درجه خلوص کم حاصل می شود، به دلیل داشتن اکسید کلسیم بیشتر، علاوه بر خواص پوزولانی دارای خاصیت سیمانی نیز می باشد.

هر چند کاربرد خاکستر بادی در بتن های حجیم فواید بسیاری دارد ولی به علت عدم تولید در ایران، مصرف آن متداول نیست. متاکائولین از کلسینه شدن کائولین به دست می آید و در کنترل واکنش های سیلیکاتی-  قلیایی به کار می رود. انواع پوزولان های خام طبیعی و یا تکلیس شده و خاکستر بادی باید با مشخصات دت ۴۰۳ مطابقت داشته باشند.

۲- مواد شبه سیمانی (روباره آهن گدازی) :

روباره کوره های آهن گدازی می تواند به عنوان یک ماده سیمانی مکمل در بتن های حجیم مورد استفاده قرار گیرد. مشخصات روباره آهن گدازی باید مطابق دت ۴۱۰ باشد.

به منظور کاهش موثر گرمای آبگیری در بتن حجیم باید حداقل ۵۰ درصد سیمان با روباره کوره های آهن گدازی با کیفیت مناسب و شاخص فعالیت پوزولانی مطلوب جایگزین گردد.

پ) کنترل کیفیت

الف) کنترل کیفیت مواد افزودنی معدنی مانند سیمان و کنترل کیفیت مواد افزودنی شیمیایی باید در محل کارخانه تولیدی صورت گرفته و نتایج آزمایش ها یا برگه تضمین کیفیت همراه محموله به کارگاه ارسال شود.

ب) دستگاه نظارت هر ۳ ماه یک بار یا بر حسب نیاز می تواند دستور نمونه گیری و انجام آزمایش های تطبیقی از مواد وارد شده به کارگاه را صادر نماید.

پ) مواد افزودنی باید با سیمان مصرفی سازگار باشند. اگر بیشتر از یک نوع ماده افزودنی به کار رود، باید سازگاری مواد مصرفی با یکدیگر به تایید دستگاه نظارت برسد.

ت) درصورتی که بیشتر از ۶ ماه از آخرین آزمایش های انجام شده بر روی مواد پوزولانی انبارشده گذشته باشد، این مواد قبل از حمل به کارگاه باید دوباره مورد آزمایش قرار گیرند.

پ) آب

آبی که برای اختلاط ، عمل آوری و شستن مصالح سنگی بتن بکار می رود باید تازه، تمیز و عاری از فضولات ناشی از فاضلاب های شهری و صنعتی، روغن، اسید، نمک ، مواد قلیایی و آلی و دیگر مواد زیان آور بوده و به طور کلی مطابق آیین نامه بتن ایران باشد.

در مواقع سیلابی و گل آلود بودن آب رودخانه ها باید با اعمال تدابیری مانند استفاده از حوضچه های ته نشینی، مواد معلق در آب تا میزان قابل قبول کاهش یابد.

اجرای بتن حجیم

۱ – انتقال ، ریختن و تراکم بتن

الف) انتقال و توزیع بتن

نحوه انتقال بتن از محل ساخت تا محل توزیع و ریختن باید بر اساس معیارهای زیر در نظر گرفته شود :

الف) کوتاه نمودن مسیر حمل و نقل بتن.

ب) محافظت از بتن حین انتقال.

پ) استفاده از ظروف حجیم و عمیق بجای ظروف پهن و مسطح.

ت) همگن باقی ماندن مخلوط بتن و عدم جدایی سنگدانه ها.

ث)  اسلامپ بتن ریخته شده در قالب نسبت به زمان خروج از مخلوط کن نباید بیش از ۲۵ میلیمتر کاهش یابد.

ج) دمای بتن در زمان تخلیه در قالب نباید از حدود مجاز فراتر رود.

انتقال و توزیع بتن به طرق مختلفی انجام می شود؛ از جمله، انتقال با کامیون یا واگن به محل توزیع، توزیع با جام، انتقال با پمپ، انتقال و توزیع با نوار نقاله، ناوه بتن.

ب) ریختن بتن

   در بتن ریزی های حجیم باید علاوه بر الزامات بند ۷-۴ آیین نامه بتن ایران – تجدید نظر اول موارد زیر نیز رعایت شوند :

• بتن باید تا حد امکان در محل نهائی ریخته شود به نحوی که جریان بتن به اطراف سبب جدایی بتن نشود . حرکت دادن بتن به اطراف توسط ویبراتور مجاز نمی باشد. سطح تمام شده بتن باید تا ۲۴ ساعت با نظر دستگاه نظارت از عبور و مرور افراد حفاظت گردد.
• بتن ریزی باید با سرعتی انجام گیرد که سطح بتن ریخته شده قبلی تا زمان بتن ریزی لایه بعدی به گیرش ابتدایی خود نرسیده باشد.
• درصورت بروز بارندگی شدید یا طولانی مدت که ممکن است باعث شسته شدن شیره یا تغییر در میزان روانی بتن شود، باید بتن ریزی متوقف و بتن ریخته شده حفاظت گردد.
• بتن نباید از ارتفاع بیش از ۲ متر ریخته شود، بنابراین مراحل قالب بندی و آرماتورگذاری بایدبا توجه به ظرفیت جام انتقال بتن و ارتفاع تخلیه هماهنگ شود. تخلیه بتن به درون قالب ها نباید در یک نقطه متمرکز شود، بلکه بصورت یکنواخت در چند نقطه و یا در یک لایه افقی به گونه ای تخلیه شود که ضخامت لایه بتن تازه از ۰.۵ متر تجاوز نکند.
• برای بتن ریزی دیوارها، باید بوسیله لوله، بتن را تا نزدیک سطح بتن ریزی پایین برد. ضخامت قشرهای متوالی بتن باید تقریبا مساوی و به اندازه ای باشد که تراکم لازم بتن تامین شود. ریختن بتن در احجام بزرگ و پخش آن با ویبراتور مجاز نیست.

پ) تراکم بتن

در بتن ریزی های حجیم با ابعاد زیاد باید تا حد امکان از تجهیزات مکانیکی سنگین (مانند نصب چند لرزاننده روی یک ماشین) استفاده شود تا تراکم یکنواخت بدست آید.

بلافاصله پس از بتن ریزی هر لایه باید به کمک تجهیزات مناسب این لایه متراکم گردد. نباید از لرزاننده برای جابجاکردن بتن در مسافت های قابل ملاحظه استفاده شود . لرزاننده باید بص ورت عمودی و در فواصل یکنواخت (تقریباً ۱.۵ برابر شعاع لرزاننده) در بتن فرو برده شود . لرزاننده باید با سرعت به سمت پایین لایه و حداقل تا ۱۵۰ میلیمتر درون لایه سخت نشده قبلی فرو برده شود. لرزاننده باید بصورت ثابت در داخل بتن نگه داشته شود و پس از تراکم کافی به آرامی از بتن بیرون کشیده شود.

سطوح هر نوبت بتن ریزی حجیم باید طوری باشد که آثار لرزاننده و جای پای پرسنل روی سطوح باقی نماند.

سنگدانه های بزرگ جداشده از بتن باید بطور مناسبی با بتن مخلوط شوند.

قطر، تواتر ارتعاش و سایر مشخص هها ی لرزاننده های مورد استفاده باید با توجه به اندازه اسمی بزرگترین دانه سنگی انتخاب شود.

۲ – عمل آوری و محافظت بتن

علاوه بر ملاحظات بند ۷-۵ آیین نامه بتن ایران- تجدید نظر اول موارد زیر نیز باید در بتن های حجیم رعایت گردد :

تمامی بتن ها باید بمدت حداقل ۱۴ روز متوالی با روشهای مناسب مرطوب نگاهداشته شده و حفاظت شوند. عمده ترین آثار نامطلوب محیطی که باید بتن را در برابر آن محافظت نموده عبارتند از :

• خشک شدن زودرس که بخصوص در اثر تابش آفتاب و وزش باد پیش می آید.
• شسته شدن بتن تازه توسط باران یا آب جاری.
• کاهش سریع دمای بتن در روزهای نخست

محافظت از بتن با مرطوب نگهداشتن سطوح آن به کمک آب پاشی و یا پوشاندن سطوح با گونی خیس انجام می شود. شیوه محافظت و نیز مدت آن به عوامل مختلف از جمله شرایط محیط، ویژگی های مورد انتظار از بتن، نوع سیمان مصرفی و نیز نسبت های اختلاط بتن بستگی دارد که با نظر دستگاه نظارت تعیین می شود.

بتنی که درهوای سرد ریخته شده است باید در چند روز اول پس از بتن ریزی در مقابل یخ زدن محافظت گردد.

بخش پنجم : بهترین پوزولان ها برای استفاده در بتن های حجیم با مقاومت زیاد

افزایش رده مقاومت بتن (کاهش نسبت آب به سیمان) باعث کاهش مقدار حرارت زایی به ازای هر کیلوگرم مواد سیمانی میشود. اما نرخ تولید حرارت، افزایش می یابد.

جایگزینی پوزولان طبیعی در بتن ۵۰ باعث کاهش مقدار حرارت زایی میشود. این روند با افزایش درصد جایگزینی تشدید میگردد. اما این ماده باعث بیشتر شدن نرخ تولید حرارت شده است. اما جایگزینی این ماده در بتن با رده مقاومتی بالاتر، علاوه بر کاهش مقدار حرارت زایی، باعث کاهش نرخ تولید حرارت نیز می شود.

جایگزینی خاکستر بادی علاوه بر کاهش میزان حرارت تولید شده در بتن، باعث کاهش نرخ تولید آن نیز میشود. این روند با افزایش درصد جایگزینی و همچنین بالاتر رفتن رده مقاومتی (با توجه مقدار وزنی زیادتر خاکستر بادی) تشدید میشود.

جایگزینی خاکستر بادی باعث افت بیشتر حرارت زایی نسبت به پوزولان طبیعی شده است. جایگزینی خاکستر بادی هم از نظر کاهش میزان حرارت زایی و هم از نظر کاهش نرخ تولید آن، مؤثرتر از پوزولان طبیعی عمل کرده است.

میکروسیلیس باعث کاهش مقدار حرارتزایی در بتن میشود. این روند با افزایش مقدار جایگزینی بیشتر میشود. همچنین این ماده باعث کاهش نرخ تولید حرارت به مقدار اندک میشود.

بهتر است در ساخت بتن های حجیم با مقاومت زیاد هر دو عامل حرارت زایی و کسب مقاومت اولیه مورد توجه قرار گیرد. به عبارتی از بین گزینه های مورد انتظار در بتن های حجیم، بتنی مناسب برای مقاطع حجیم خواهد بود که مقدار و نرخ تولید حرارت آن در سه روز اول کم و کسب مقاومت آن در سنین اولیه مناسب باشد.

در بتن رده ۵۰ مگاپاسکال، خاکستر بادی هم از حیث حرارت زایی در پایینترین سطح میباشد و هم به لحاظ مقاومتی از میزان قابل قبولی برخوردار است.

در رده مقاومتی ۸۰ مگاپاسکال، بطور کامل نمیتوان جایگزینی پوزولان خاصی را توصیه کرد. اما در مقدار جایگزینی کم (تا حداکثر ۱۵ %) جایگزینی خاکستر بادی نسبت به دیگر پوزولان ها مؤثرتر عمل کرده است.

گردآوری و تنظیم : سرکار خانم سمانه خوشحال ثانی

منابع

۱ – آیین نامه سازه های بتنی حجیم

۲ – مصباح ایراندوست، فرهاد، ۱۳۹۵، تکنولوژی بتن و آزمایشگاه همراه با طرح اختلاط بتن، چاپ پنجم، تهران، شهرآشوب.

۳ – محمود نیلی، امیرمسعود صالحی، ۱۳۹۰، چه نوع پوزولان و به چه میزان در بتنهای حجیم با مقاومت زیاد بکار ببریم؟، نشریه مهندسی عمران و نقشه برداری-دانشکده فنی، دوره ۴۵ شماره ۲، صص ۲۴۷ تا ۲۵۶

۴ – مهتا، پوویندار کی، مونته ئیرو، ۱۳۹۷، ریزساختار خواص و اجزای بتن(تکنولوژی بتن پیشرفته)، ترجمه پروفسور علی اکبر رمضانیانپور و پروفسور پرویز قدوسی و پروفسور اسماعیل گنجیان، چاپ هشتم، تهران، دانشگاه صنعتی امیرکبیر(پلی تکنیک)

۵ – نویل، آدام، ۱۳۹۱، ویژگی های بتن، ترجمه دکتر هرمز فامیلی، چاپ اول، گرمسار، ندای آریانا-مؤسسه آموزش عالی علاءالدوله سمنانی گرمسار