در این مقاله می خوانید:
بتن سبک سازه ای، همانند بتن سازه ای معمولی است، با این تفاوت که فقط بنا به دلایل اقتصادی، در ساخت آن از سنگدانه های سبک استفاده می شود. به این ترتیب وزن مخصوص آن تقریبا ۲/۳ وزن مخصوص بتن ساخته شده با سنگدانه های طبیعی معمولی است. در ساخت بتن های سبک سازه ای سازه ای ، مهمترین عامل ، سبک بودن وزن آن است و میزان مقاومت آن مهم نیست ، از این رو در آیین نامه ها ، حداکثر وزن مخصوص مجاز را قید می کنند. از آنجا که سنگدانه های سبک معمولا متخلخل اند و مقاومت بتن را به میزان زیادی کاهش می دهند، لذا به منظور کسب اطمینان از کیفیت سازه ای بتن ، در دفترچه مشخصات ، حداقل مقاومت مورد نیاز در سن ۲۸ روزه ارائه می شود.
ایین نامه ۸۷-ACl 213R تحت عنوان «راهنمایی برای بتن سازه ای با سنگدانه های سبک»، این نوع بتن را چنین تعریف می کند:
بتن سازه ای با سنگدانه های سبک ، بتنی است که مقاومت فشاری ۲۸ روزه آن بیش از ۱۷ مگاپاسکال بوده و وزن مخصوص خشک شده در هوای آن از ۱۸۵۰ کیلوگرم بر متر مکعب بیشتر نباشد.
بتن ممکن است تماما از سنگدانه های سبک و یا بنا به دلایلی خاص از مخلوطی از سنگدانه های معمولی و سبک ساخته شود. به منظور پاسخگویی به نیازهای کارایی و دیگر خصوصیات ، معمولا در عمل از ماسه و مصالح سنگی ریز دانه معمولی استفاده می شود.
حداکثر اندازه سنگدانه های سبک به ۲۰ میلیمتر محدود شده است. مطابق ASTM C330 ، حداکثر وزن مخصوص خشک مصالح سنگی سبک ریزدانه و درشت دانه به ترتیب ۱۲۲۰ و ۸۸۰ کیلوگرم بر متر مکعب است. در این آیین نامه، همچنین مشخصات دیگری مانند دانه بندی ، مواد زیان آور و خواص سنگدانه های موجود در بتن ساخته شده ، نظیر مقاومت ، وزن مخصوص ، جمع شدگی ناشی از خشک شدن ، و دوام بتن حاوی سنگدانه ارائه شده است.
مقادیر مقاومت فشاری و کششی و وزن مخصوص بتن سبک سازه ای ، مطابق استاندارد ۳۳۰ ASTM C ، در جدول زیر آورده شده است.
استفاده از روش حجم مطلق ، که اساس روش ACI برای مخلوطهای بتنی با وزن معمولی را تشکیل می دهد ، برای طرح اختلاط بتن سبک مناسب نیست. دلیل آن هم این است که اولا در آن از رابطه بین مقاومت و نسبت آب به سیمان نمی توان استفاده کرد ، زیرا مقدار آبی که جذب سنگدانه می شود ، قابل اندازه گیری نیست؛ ثانیا علاوه بر این که قسمتی از آب (۱۰ تا ۲۰ درصد) جذب سنگدانه های متخلخل می شود ، عمل جذب آب بعضی از آنها نیز چندین هفته به طول می انجامد. بنابراین، تخمین واقعی رطوبت، براساس حالت اشباع با سطح خشک (SSD) و وزن مخصوص انبوهی SSD بسیار مشکل است. همچنین، برخلاف سنگدانه های با وزن معمولی ، وزن مخصوص انبوهی سنگدانه های سبک با تغییر دانه بندی تغییر می کند.
کارآیی بتن تازه ای که از سنگدانه های سبک ساخته شده ، نیاز به توجه خاصی دارد ، زیرا سنگدانه ها ، در مخلوطهای دارای قوام زیاد ، تمایل به جدا شدن دارند و بر سطح بتن شناور می شوند. برای جبران این ضعف ، اغلب لازم است که حداکثر اسلامپ محدود شده و از ماده افزودنی حباب هواساز (قطع نظر از افزایش دوام بتن در برابر خطر یخ زدگی) استفاده شود. اغلب نیاز به افزودن ۵ تا ۷ درصد ماده حباب ساز است تا بدون اینکه جداشدگی سنگدانه ها و آب انداختگی اتفاق بیفتند ، مقدار آب مخلوط کاهش یافته و اسلامپ موردنظر به دست آید. در نتیجه ، در مشخصاتی که برای مهندسان سازه ارائه می شود، معمولا حداقل مقادیر مجاز مقاومت فشاری ، حداکثر مقادیر وزن مخصوص و اسلامپ ، و حداقل و حداکثر مقدار حباب هوا ذکر می شود.
در طرح اختلاط، معمولا مقاومت فشاری بتن دارای سنگدانه های سبک ، به مقدار سیمان و اسلامپ آن ارتباط دارد ، و نسبت آب به سیمان بتن معیار طراحی نمی باشد. در بسیاری موارد ، با ثابت نگه داشتن مقادیر سیمان و آب و کاهش اندازه سنگدانه ها تا حد امکان ، و یا با جایگزین کردن مقداری از ماسه سبک با ماسه طبیعی مناسب ، می توان مقاومت فشاری را افزایش داد. رابطه تقریبی بین مقاومت فشاری و مقدار سیمان بتن دارای سنگدانه های سبک و بتن دارای ماسه سبک ، مطابق با ACI – 213R 79 در جدول زیر ارائه شده است. باید توجه کرد که در صورت جایگزین کردن سنگدانه های سبک با ماسه طبیعی ، وزن مخصوص بتن تا ۱۶۰ کیلوگرم بر متر مکعب افزایش می یابد بدون آنکه مقاومت فشاری آن تغییر کنید.
در مورد بعضی از سنگدانه های سبک ، می توان از روش حجمی ارائه شده در ۲۱۱ ACI بهره جست. این روش برای طرح اختلاط بتن با وزن معمولی تدوین شده است اما با تنظیم نسبت ها بر مبنای آزمایش و خطا می توان به کارآیی مناسب بتن تازه و خصوصیات فیزیکی مورد نیاز دست یافت. مناسب ترین روش این است که ابتدا حجم مساوی از شن و ماسه در نظر گرفته شود و به منظور حداقل رساندن پدیده جداشدگی سنگدانه ها و اسلامپ مورد نظر ، نسبتهای شن و ماسه مجددا تنظیم گردد.
در مواردی که به طرح اختلاط با دقت زیاد نیاز باشد ، می توان به استاندارد ۲۱۱ ACI تحت عنوان “توصیه هایی برای انتخاب نسبت های بتن سازه ای سبک” مراجعه کرد.
کارآیی ، خصوصیات بتن تازه ساخته شده با سنگدانه های سبک وزن ، و عوامل موثر بر آنها ، همانند بتن با وزن معمولی است. در این نوع بتنها ، به دلیل کم بودن وزن مخصوص و خشن بودن بافت سنگدانه های متخلخل ، به خصوص در مرحله گسیختگی ، باید به کارآیی بتن اهمیت زیادی داده شود. به طور کلی ، ریختن ، تراکم ، و پرداخت بتن سبک نیاز به انرژی کمتری دارد و معمولا اسلامپ ۵۰ تا ۷۵ میلیمتر کافی است تا کارآیی معادل اسلامپ ۱۰۰ تا ۱۲۵ میلیمتر در بتن با وزن معمولی به دست آید.
در مورد مخلوط بتن های ساخته شده با سنگدانه های سبک ، اسلامپ زیاد و ویبره کردن زیاد ، دو عاملی هستند ، در حالی که هنوز نیاز به پرداخت وجود دارد ، موجب فرونشستن و دور شدن ملات سنگین تر از سطح بتن می شوند. به این پدیده، «شناور شدن سنگدانه های درشت» می گویند و در آن عمل شناور شدن سنگدانه ها بر خلاف بتن با وزن معمولی است ، زیرا در پدیده جدا شدگی سنگدانه ها در بتن معمولی ، ملات در سطح بتن ظاهر می شود. بر طبق ۷۹-ACI 213R ، برای پرداخت سطح کف های ساخته شده از بتن دارای سنگدانه های سبک ، حداکثر اسلامپ باید ۱۰۰ میلیمتر باشد. در این مورد کاهش اسلامپ برای سنگدانه های که به جذب آب ادامه می دهند می تواند مشکل جدی ایجاد کند. برای کنترل این مشکل ، می توان سنگدانه ها را در شرایط مرطوب نگه داشت.
بعد از کارایی ، وزن مخصوص و مقاومت دو خاصیت مهم بتن سازه ای سبک اند. اصولا از مزایای هر مصالحی بالا بودن نسبت مقاومت به وزن مخصوص ، و پایین بودن هزبنه بتن ساخته شده با آن مصالح می باشد. آیین نامه ها ، حداکثر وزن مخصوص خشک بتن را ۱۸۴۰ کیلوگرم بر متر مکعب ذکر می کنند ولی برای حداقل آن محدودیتی قایل نشده اند. با این وجود ، تجربه نشان می دهد که اگر حداکثر اندازه سنگدانه های متخلخل ۲۰ میلیمتر باشد وزن مخصوص بتن ممکن است به کمتر از ۱۴۴۰ کیلوگرم بر متر مکعب کاهش یابد، ولی امکان اینکه مقاومت ۲۸ روزه بتن ، از حداقل مجاز بتن سبک سازه ای یعنی ۱۷۵ کیلوگرم بر سانتی متر مربع ، کمتر شود وجود نداشته باشد. استفاده از ماسه معمولی، برای کنترل خصوصیات بتن سخت شده باعث می شود که وزن مخصوص آن افزایش یابد ، اما مصرف ماده حباب هواساز سبب می شود که وزن مخصوص ، تا اندازه ای کاهش یابد. در عین حال ، ماده حباب هواساز کارآیی بتن را افزایش می دهد. وزن مخصوص بیشتر بتن های سازه ای سبک بین ۱۶۰۰- ۱۷۶۰ کیلو گرم بر متر مکعب است ، ولی در بعضی موارد خاص ممکن است این مقدار ، تا ۱۸۴۰ کیلوگرم بر متر مکعب نیز افزایش می یابد.
معمولا در طرح اختلاط ، مقاومت فشاری ۲۸ روزه بتن MPa ۲۰ – ۳۵ در نظر گرفته می شود. در برخی از کارخانه های قطعات پیش ساخته و پیش تنیده موفق شده اند، با استفاده از مقدار زیادی سیمان و سنگدانه های سبک کوچک و با کیفیت خوب (با حداکثر اندازه ۹-۱۳ میلیمتر)، بتن هایی با مقاومت ۴۰ – ۴۸ مگاپاسکال تولید کنند. امروزه ، با استفاده از سنگدانه های سبک با تخلخلهای میکروسکوپی ، بتنی با مقاومت MPa ۷۵ – ۷۰ و وزن مخصوص حدود ۲۰۰۰ – ۱۸۴۰ کیلوگرم بر متر مکعب تولید شده است.
اندازه گیری مقاومت کششی دو نیم شدن (مقاومت کششی برزیلی) با استفاده از نمونه های استوانه ای بتن (مطابق ۴۹۶ ASTM) ، روشی برای اندازه گیری نسبی مقاومت کششی می باشد. مطابق اطلاعات ارائه شده در جدول ۱ ، با افزایش مقاومت فشاری ، نسبت مقاومت کششی به مقاومت فشاری بتن سبک ، همانند بتن با وزن مخصوص معمولی ، کاهش می یابد. مدول گسیختگی بتن سبک ، که در شرایط کاملا مرطوب عمل آوری شده است ، نیز دارای همین رفتار می باشد. نتایج ازمایش های انجام شده بر روی نمونه های خشک شده نشان می دهد که رطوبت نمونه ، یکی ازعوامل این امر می باشد. بررسی رفتار شکست ، از روی شکستن نمونه های بتن دارای سنگدانه ها نشان می دهد که برخلاف بتن معمولی نقاط ضعیف در ناحیه انتقال نیست ، بلکه در این سنگدانه ها شکسته می شوند. هالم (Holm) و همکارانش با انجام آزمایش ریزنگاری الکترونی روبشی نشان داده اند که به دلیل واکنش پوزولانی ، پیوند بین سنگدانه – خمیر سیمان در محل سنگدانه های سبک ، قوی تر از خود ذرات سنگدانه می باشد.
در توصیه نامه ACI-318 مدول ارتجاعی بتن با وزن معمولی یا بتن سازه ای بیک ، از رابطه زیر به دست می آید:
مقادیر مدول ارتجاعی که از رابطه فوق به دست می آید، ممکن است حدود ۱۵ تا ۲۰ درصد با نتایج حاصل از آزمایش استاندارد ۴۶۹ ASTM C اختلاف داشته باشد.
در آزمایش های انجام شده توسط شیدلر (Schideler)(۳) بر روی بتن های دارای سنگدانه های رسی منبسط شونده با مقاومت ۲۱ و ۴۱ مگاپاسکال مدول ارتجاعی استاتیکی به ترتیب برابر با ۱.۵*۱۰۶ و ۲*۱۰۶ مگاپاسکال به دست آمده است.
چنانچه ماسه معمولی جایگزین تمامی ماسه های سبک شود ، مدول ارتجاعی، ۱۵ تا ۳۰ درصد افزایش می یابد. تحقیقات آزمایشگاهی نشان می دهند که کرنش نهایی فشاری بیشتر سنگدانه های سبک ، کمی بیشتر از ۰.۰۰۳ ای است که در طراحی فرض می شود.
بتن های دارای سنگدانه های سبک، در مقایسه با بتن با وزن معمولی ، رطوبت بیشتری از خود عبور می دهند ، و بنابراین دارای جمع شدگی حاصل از خشک شدن و خزش بیشتری هستند ، و جمع شدگی نهایی حاصل از خشک شدن آنها ، که معمولا در حدود ۸۰۰ در ده به توان منفی شش in/in است ، و خزش نهایی آنها ، که معمولا در حدود ۱۶۰۰ در ده به توان منفی شش in/in است، بیشتر از آن بتن با وزن معمولی است.
به نظر می رسد که کم بودن مقاومت و مدول ارتجاعی ، تأثیر بیشتری بر روی خزش ، در مقایسه با جمع شدگی ناشی از خشک شدن ، دارند. تأثیر جایگزینی سنگدانه های سبک با ماسه معمولی بر روی خزش و جمع شدگی ، در شکل زیر نشان داده شده است. از آنجا که مقاومت کششی بتن سبک نسبتأ کم است (Psi ۳۰۰ تا ۴۰۰) ، لذا انتظار می رود که این نوع بتن ها تمایل زیادی به ترک خوردگی ناشی از جمع شدگی حاصل از خشک شدن داشته باشند، اما به دلیل کم بودن مدول ارتجاعی و زیاد بودن قابلیت انبساط بتن های سبک، این تمایل تا حدودی کاهش می یابد.
به نظر کولکا و پولیفکا ( Kulka & Polivka ) ، خزش و جمع شدگی بتن سبک در سازه ها کمتر از مقادیر به دست آمده نظیر در آزمایشگاه می باشد (البته این موضوع در مورد بتن معمولی نیز صدق می کند). برای مثال ، در طراحی سازه یک پل با بتن های سبک ، مقادیر جمع شدگی و خزش حدود ۱۵ تا ۲۰ درصد به دلیل اثر اندازه عضو ، ۱۰ تا ۱۵ درصد به دلیل رطوبت محیط ، و ۱۵ تا ۲۰ درصد به علت آرماتور ، کمتر می باشد (یعنی مقادیر فوق، در مجموع، در حدود ۵۰ درصد کاهش می یابند).
مقاومت بتن سبک حباب هوادار در برابر سیکلهای یخ زدن – آب شدن، مشابه مقاومت بتن با وزن معمولی است. ماده افزودنی حباب هواساز به خصوص برای سنگدانه های نزدیک به اشباعی که در معرض یخ زدگی هستند، بسیار مفید است. فشار هیدرولیکی ناشی از انبساط آب در سنگدانه ها توسط حباب های موجود در ملات سیمان خنثی شده و در نتیجه از تخریب بتن جلوگیری می شود.
تمایل به جذب زیاد آب در بتن های دارای سنگدانه های سبکی که در محیط خشک قرار گرفته اند، به معنای نفوذ پذیری زیاد آنها نیست. در واقع ، نفوذ پذیری بتنهای سبک کم ، و دوام آنها در مقابل محلولهای شیمیایی خوب است. هالم (Holm) و همکارانش در سال ۱۹۷۳ گزارش کرده اند که در مغزه های گرفته شده از بتن سبک دالی به طول ۳.۲۵ مایل (۵.۲ کیلومتر)، با ۲۰ سال سن، فقط تعداد کمی ترک های مویی مشاهده کرده اند، در صورتی که نمونه های گرفته شده از بتن معمولی دارای سنگدانه های کوارتز در همان محل دارای ترک های بزرگی بوده است.
همچنین ، مغزه های گرفته شده در سال ۱۹۸۰ از بتن سبک بار انداز سلما در شوروی ، که در زمان جنگ جهانی اول ساخته شده و به مدت ۶۰ سال در معرض محیط دریایی قرار داشت ، دارای ترکهای مویین کمی بوده اند. دلیل اصلی نفوذ پذیری کم و دوام عالی بتن سبک ، عدم وجود ترکهای مویین در ناحیه انتقال بین خمیر سیمان – سنگدانه می باشد که براساس نظریه هلم و همکارانش ، به علت تشابه مدول ارتجاعی بین سنگدانه های سبک و ملات می باشد. همچنین به علت واکنش پوزولانی بین سیلیکاتهای آلومینیم سنگدانه های سبک (که با حرارت فعال شده اند) و هیدروکسید کلسیم خمیر سیمان، معمولا ناحیه انتقال سخت و مقاوم می باشد.
البته سنگدانه های سبک متخلخل اند و در مقایسه با سنگدانه های معمولی به آسانی قابل شکستن می باشند. بنابراین، معمولا مقاومت بتن های دارای سنگدانه های سبک در برابر سایش کم است و جایگزین کردن ماسه سبک با ماسه طبیعی ، روشی برای افزایش مقاومت آن در برابر سایش است.
بتن های حاوی سنگدانه های سبک شیل منبسط شده بین ۶ تا ۸ در ده به توان منفی شش برای هر درجه سانتی گراد است. از نظر مقاومت در برابر جریان حرارت ، بتن های سبک عایق بندی ، به علت چگالی کمتر سنگدانه های سبک آنها ، مناسب تر از بتن های سبک سازه ای هستند. هدایت حرارتی بتن های سبک سازه ای حدود نصف مقدار نظیر در بتن های معمولی است و بنابر این مقاومت آنها در برابر آتش بهتر است. مقادیر متداول هدایت حرارتی بتن های حاوی سنگدانه های رس منبسط شده ، و بتن های حاوی سنگدانه درشت رس منبسط شده و ماسه طبیعی به ترتیب ۰.۲۲ و ۰.۳۳ می باشد.
براساس ۸۷ – ACl 213 R استفاده از بتن سبک در سازه ها ، به دلیل هزینه کلی کمتر آنها است. علی رغم آنکه هر متر مکعب بتن سبک ، در مقایسه با بتن با وزن معمولی ، گران تر است ولی به علت کمتر بودن وزن مرده و ابعاد پی در آنها ، هزینه سازه های ساخته شده با این نوع بتن ها کمتر است. ویلسن با چندین مثال نشان داده است که کاربرد بتن سبک می تواند موجب کاهش هزینه پی ها آرماتور و ساخت سازه ها گردد.
در سال ۱۹۳۶ ساخت عرشه پل «اوکلند سانفرانسیسکو» با بتن سبک، موجب صرفه جویی در مصرف فولاد به میزان ۳ میلیون دلار گردید.
از آن زمان تاکنون، تعداد زیادی عرشه پل بتن سبک در تمام دنیا ساخته شده است. در دالهای سقف مقاومت عامل اصلی نیست، بنابراین ، از مقدار زیاد سنگدانه سبک برای کاهش وزن مرده بتن در سقف های سازه های بلند استفاده می شود. مثالی از این نوع کاربرد ، برج «لیک پوینت» در «شیکاگو، ایلینویز» است که در سال ۱۹۶۸ با ۷۱ طبقه ساخته شد. دالهای طبقات دوم تا هفدهم ، و دال کف گاراژ ، با بتن درجا با جرم مخصوص ۱۷۳۰ کیلوگرم بر متر مکعب و مقاومت فشاری ۷ روزه (نمونه استوانه ای ۱۵۰ در ۳۰۰ میلیمتر) ۲۰ تا ۲۲ MPa ساخته شده بود. در سال ۱۹۶۷ یک برج مدور ۵۰ طبقه، با ارتفاع ۱۸۴ متر و قطر ۴۲.۵ متر ، در سیدنی استرالیا ساخته شد. با استفاده از ۳۱۰۰۰ متر مکعب بتن سبک در تیرها، ستونها ، و سقف ها از طبقه هفتم به بالا، ۱۳ درصد در هزینه ساخت صرفه جویی گردید.
مقاومت فشاری میانگین بتن ۳۴.۳ مگاپاسکال و جرم مخصوص میانگین آن ۱۷۹۲ کیلوگرم بر متر مکعب در ۲۸ روزگی بوده است. در سال ۱۹۶۹ در هوستون ، تگزاس یک ساختمان تجاری ۵۲ طبقه با بتن سازه ای سبک ساخته شد که شامل یک پی گسترده به ابعاد ۷۰*۵۲*۲.۵ متر در تراز ۱۸ متری زیر سطح زمین بوده است.
جرم مخصوص بتن ۱۸۴۰ کیلوگرم بر متر مکعب و مقاومت فشاری ۲۸ روزه آن برای دیوارهای برشی ، ستونها ، و پی های گسترده برابر با ۴۱ MPa و برای کفهای سازه برابر با ۳۱.۳ MPa بوده است. اگر از بتن معمولی استفاده می گردید فقط امکان طراحی ۳۵ طبقه سازه ایمن وجود داشت زیرا که ظرفیت باربری خاک محدود بود.
کولکا و پولیفکا (۷) توصیه می کنند که عامل اصلی اقتصادی بودن بتن سبک در صرفه جویی آرماتور در آنها است. در بتن های مسلح معمولی، مزیت اقتصادی، مانند بتن های پیش تنیده چشمگیر نیست. در بیشتر موارد نیروی پیش تنیدگی برمبنای بار مرده سازه محاسبه می گردد، و در نتیجه، ۲۵ درصد کاهش وزن باعث کاهش وزن چشمگیر کابلهای پیش تنیدگی می شود. از دیگر مزایای کاهش وزن بتن ، افزایش مقاومت اعضای برشی در برابر نیروی زلزله است ، زیرا نیروهای لرزه ای عمدتأ تابع مستقیم وزن مرده سازه است.
باید توجه داشت که کاربرد اصلی بتن سبک در تمام دنیا ، همچنان تولید اعضای پیش ساخته بتنی و پانلهای پیش ساخته است. به دلیل هزینه کمتر انتقال، جابه جایی و ساخت، محصولات بتن سبک برای این نوع ساخت ایده آل می باشند.
هر چند که سنگدانه های رس و شیل منبسط شده ، برای تولید بتن سبک با کیفیت سازه ای مناسب ترین مصالح هستند ، اما افزایش هزینه سوخت در دهه ۱۹۷۰ سبب شد که این نوع سنگدانه ها از بازار خارج شوند. در نتیجه، مسئله یافتن سنگدانه سبک طبیعی با کیفیت مناسب مجددأ نظرها را جلب کرد.