بتن خودتراکم
فهرست
مقدمه
تعریف
تاریخچه
خصوصیات بتن خودتراکم
مواد تشکیل دهنده
چرا فوق کاهنده؟
انواع بتن خودتراکم
تفاوت بتن خودمتراکم با بتن معمولی
آزمایش های بتن خودتراکم
مزایا
معایب
کاربرد
منابع
تعریف
بتن خود متراکم یا خود تراکم1 (SCC) را می توان بتنی دانست که تحت وزن خود جریان داشته و برای تحت فشار قرار گرفتن نیازی به ویبره ندارد. این بتن در پروژه هایی استفاده می شود که استفاده از ویبراتورها برای ترکیب بتن سخت باشد. توانایی پُر کردن و عبور از میان آرماتورها و مقاومت در برابر جداسازی از خصوصیات بتن خود متراکم است.
بتن خود متراکم دارای سیالیت بالایی است. به لطف این خاصیت، بدون نیاز به تجهیزات لرزشی (ویبراتور)، در قالب بتنی گسترش می یابد. این بتن با وزن خود در قالب جریان پیدا کرده، و خصوصیات معمول بتن مانند دوام و مقاومت را همچنان حفظ می کند.
1- Self-Compacting Concrete
در اواخر دهه ۱۹۸۰، محققان ژاپنی بتن خود متراکم را برای رفع مشکلات دوام بتن، به ویژه در دیوارهای نازک و پیچیده ایجاد کردند. پیمانکاران ژاپنی برای شناسایی اصلاح کننده های ویسکوزیته که باعث بهبود تحکیم بتن برای کاربردهای خاص می شد، با متخصصان دانشگاه همکاری کردند تا دنیای بتن وارد فاز جدیدی شود.
تاریخچه این نوع بتن همچنین به منطقه اسکاندیناوی مربوط می شود، جایی که با وجود آماده بودن پوزولان و پودر سنگ آهک امکان تولید این بتن خود متراکم وجود داشت. این بتن اکنون در سرتاسر جهان و برای پروژه های خاص مورد استفاده قرار می گیرد.
تاریخچه
سه خاصیت اصلی SCCبه شرح زیر است:
قابلیت پر کنندگی: که به مفهوم قابلیت جاری شدن SCC تحت وزن خود و پر کردن تمام فضای درون قالب است.
قابلیت عبور کردن: قابلیت عبور کردن از موانع مانند مقاطع نازک، قالب، میلگردها با فاصله کم از یکدیگر، بدون جدا شدن و مسدود شدن که ناشی از چفت و بسته شدن ذرات سنگدانه است.
مقاومت در برابر جدا شدن: این خاصیت به پایداری نیز موسوم است و قابلیت SCC به باقی ماندن به صورت همگن در مدت انتقال و بتن ریزی است.
خصوصیات بتن خودتراکم
الف- کارایی: از نظر کارایی یک بتن خود تراکم مناسب دارای خواص زیر خواهد بود:
در حالت معمولی دارای جریان اسلامپی بیش از 600 میلی متر و بدون جداشدگی.
حفظ روانی به مدت حداقل 90 دقیقه (در صورت نیاز).
توانایی مقاومت در شیب 3 % در سطح افقی آزاد (در صورت نیاز).
قابلیت پمپ شدن در لوله ها به طول حداقل 100 متر و به مدت حداقل 90 دقیقه (در صورت نیاز)
خصوصیات بتن خودتراکم
ب- مشخصات مکانیکی: از نظر مقاومت فشاری دو محدوده زیر برای بتن خود تراکم منظور
می گردد:
مقاومت فشاری 28 روزه حدود 250 – 600 کیلوگرم بر سانتیمتر مربع.
مقاومت فشاری اولیه برای بتنهای مصرفی درساختمان سازی حدود 50 – 200 کیلوگرم در سانتیمتر مربع در 12 – 15 ساعت اولیه و در دمای 20 درجه سانتیگراد.
ج- دوام: از نظر دوام برای بتن خود تراکم سخت شده نکات زیر قابل ذکر است:
مقاومت در مقابل خوردگی، تهاجم سولفاتها، کلریدها و دیگر عوامل شیمیایی.
مقاومت در مقابل انجماد و ذوب مطابق استانداردها.
کاهش خطر ترکهای حرارتی در مقایسه با بتن معمولی لرزانده شده.
خصوصیات بتن خودتراکم
د- رئولوژی بتن خودمتراکم: مخلوط بتن SCC سیال تر از مخلوط بتن معمولی است؛ بنابراین روش ارزیابی کارایی آن نیازمند یک دیدگاه متفاوت و تکنیک اندازه گیری جدید می باشد. رئولوژی بتن، علمی است که به بررسی جریان بتن می پردازد. می توان ویژگی های بتن تازه را در حوزه رئولوژیکی بیان کرد.
برای توصیف ویژگی های رئولوژی بتن خودمتراکم (بتن بعنوان یک سیال) مدل های مختلفی ارائه شده است که در این بین مدل بینگهام شناخته شده تر است. این مدل برای تعریف خواص رئولوژی بتن خودمتراکم دو مولفه تنش تسلیم و ویسکوزیته پلاستیک را معرفی می کند.
تنش تسلیم به مقدار نیروی لازم جهت شروع جریان یک ماده اطلاق می شود و ویسکوزیته پلاستیک، به عنوان مقاومت داخلی مواد در برابر جریان تعریف می شود.
خصوصیات بتن خودتراکم
رئومتر:
رئومتر در واقع یک ابزار آزمایشگاهی است که جهت اندازه گیری برخی مشخصه های بتن از جمله ویسکوزیته و تنش برشی به کار می رود. سازوکار عملکرد این وسیله به این صورت است که در آن از طریق بررسی توان مورد نیاز برای چرخش یک سطح و پَرّه در داخل نمونه، پارامترهایی چون ویسکوزیته و تنش تسلیم اندازه گیری می شود.
مفهوم ویسکوزیته:
ویسکوزیته در تعریف عمومی به معنای مقاومت یک سیال در برابر جاری شدن است. به بیان دیگر می توان گفت یک سیال در آستانه جاری شدن بدلیل اصطکاک بین لایه های آن، دارای یک نیروی مقاوم در برابر حرکت خواهد بود که به آن ویسکوزیته می گویند.
ویسکوزیته بتن خودمتراکم به مصالح، نسبت های اختلاط و نوع ماده افزودنی وابسته است. بنابراین با تغییر در طرح مخلوط بتن، مولفه های رئولوژی بتن خودمتراکم اعم از ویسکوزیته و تنش تسلیم تغییر خواهد کرد.
خصوصیات بتن خودتراکم
مواد مورد استفاده برای ایجاد مخلوط بتن خود متراکم به شرح زیر هستند:
سیمان
نوع و مقدار سیمان بر اساس خواص و دوام مورد نیاز تعیین میگردد. معمولا مقدار سیمان در بتن خود تراکم بین 350 تا 450 کیلوگرم بر مترمکعب است.
سنگدانه درشت
تمام سنگدانه های درشت که برای بتن معمولی استفاده می شود، قابل مصرف در بتن خودمتراکم است. اندازه حداکثر معمولا بین 16 تا 20 میلیمتر است. به طور کلی مقدار سنگدانه درشت کمتر از بتن معمولی است زیرا سنگدانه درشت انرژی زیادی مصرف می کند که باعث کاهش جاری شدن بتن شده و در هنگام عبور از موانع مانند آرماتور سبب مسدود شدن بتن می گردد.
مواد تشکیل دهنده
سنگدانه ریز
تمام سنگدانه های ریز که برای بتن معمولی استفاده می شود، برای بتن خودمتراکم نیز مناسب است. هر دو نوع ماسه شامل شکسته و گردگوشه قابل استفاده می باشد.
مواد پودری
طبق کمیتهACI 237R و دستورالعملPCI ، مواد پودری که اندازه ذرات آنها کوچکتر از الک 100 ( 0/125 میلیمتر) است به عنوان پودر در بتن خودتراکم محسوب می شوند، این مواد به دو گروه پودر تقریباً خنثی (پودر سنگ ها) و پودر پوزولانی تقسیم می شوند.
به دلیل الزامات رئولوژی خاص بتن خودمتراکم، هر دو مواد افزودنی فعال و خنثی برای بهبود کارایی و همچنین برای تعادل در مقدار مصرف سیمان، مورد استفاده قرار می گیرند. استفاده از پودر سنگ سبب پایداری مخلوط بتن خودتراکم می شود، در نتیجه می توان جایگزین مواد اصلاح کننده ویسکوزیته مصرف نمود.
پودر شامل پودر سنگ آهکی، پودر کوارتزی، خاکستر بادی (بهبود پُر شدن ماتریس داخلی بتن و در نتیجه ایجاد منافذ کمتر) یا میکروسیلیس (بهبود خواص مکانیکی) است.
مواد تشکیل دهنده
مواد اصلاح کننده ویسکوزیته
ماده افزودنی اصلاح کننده ویسکوزیته (VMA) که به عنوان ماده افزودنی بهبود دهنده ویسکوزیته، برای بهبود پایداری مخلوط بتن استفاده می شود. طبق مشخصات فنی و راهنمای اروپا EFNARC پتانسیل منافع VMA در بتن خودتراکم به شرح زیر است:
حساسیت کمتر به تغییرات مقدار رطوبت سنگدانه
مقدار کمتر پودر
کاهش خطر جداشدگی
کاهش خطر نشست پلاستیک و رو آمدن آب مخلوط
مواد تشکیل دهنده
فوق کاهنده آب
فوق کاهنده آب یا فوق روان کننده ها، مواد بسیار مهمی برای ساخت SCCمحسوب می شوند. انواع فوق روان کننده ها شامل: پلی کربوکسیلات (PC)، ملامین سولفونات(ML) و نفتالین سولفونات (NS)می باشد.
چرا فوق کاهنده؟
حالت اول: استفاده یک فوق روان کننده به عنوان یک کاهنده آب در کارایی یکسان: سبب کاهش نسبت آب به سیمان و به تبع آن افزایش مقاومت فشاری می شود. همچنین در این حالت دوام به دلیل کاهش تخلخل و نفوذپذیری، افزایش می یابد.
حالت دوم: استفاده از فوق روان کننده به عنوان کاهنده آب و کاهنده سیمان، در کارایی، مقاومت فشاری بتن و دوام یکسان: فوق روان کننده ها در این مورد عمل به عنوان کاهنده های سیمان، قادر به کاهش حرارت هیدراتاسیون می باشد. بنابراین برای بتن ریزی در آب و هوای گرم و یا سازه های عظیم مفید هستند. همچنین اثر مفیدی در کاهش انقباض و خزش دارند این قضیه مربوط به افزایش سنگدانه یا نسبت بالاتر سنگدانه به سیمان برای جبران کاهش حجم سیمان و آب.
حالت سوم: افزایش فوق روان کننده بدون اصلاح مقدار آب و سیمان در مقاومت فشاری و دوام یکسان: کارایی بتن را بهبود می بخشد و برای بتن ریزی در مقاطع فولاد بالا مورد نیاز است.
نوع پودری
در این نوع بتن، فقط از پودر برای ایجاد مقاومت در مقابل جداشدگی استفاده می شود. پودر شامل مواد افزودنی معدنی مانند میکروسیلیس، متاکائولین و پودر سنگ آهکی استفاده می شود.
انواع بتن خودتراکم
نوع مواد ویسکوزیتی (نوع VMA)
برای حفظ مقاومت در مقابل جداشدگی، به جای پودر از ماده افزودنی شیمیایی اصلاح کننده (VMA) در این نوع بتن استفاده می شود.
نوع ترکیبی
در این نوع بتن، هم پودر و هم اصلاح کننده ویسکوزیته استفاده می شود تا مقاومت در مقابل جداشدگی افزایش یابد.
شباهت و تفاوت بتن خودمتراکم با بتن معمولی
تفاوت بتن خودتراکم با معمولی
محدودیت مقدار سنگدانه ها در بتن SCC
عدم نیاز بتن خودمتراکم به ویبره
استفاده از فوق روان کننده
نسبت پائین درصدآب به مواد سیمانی
آزمایش جریان اسلامپ و t50
آزمایش اسلامپ، میانگین قطر دایره ای که بتن پس از پخش شدن می سازد، معیار برای روانی بتن خواهد بود، همچنین زمان رسیدن به قطر 50 سانتی متر (به عنوان معیاری از ویسکوزیته بتن) 50𝑻 می باشد. موسسه EFNARC آزمایش جریان اسلامپ بتن تازه را مطابق با جدول زیر به سه رده طبقه بندی می کند:
آزمایش های بتن خودتراکم
موسسه EFNARC زمان رسیدن به قطر 50 سانتی متر را بین 3 تا 7 ثانیه برای کاربردهای مهندسی متداول و بین 2 تا 5 ثانیه برای کاربردهای سازه های بلند قابل قبول می داند.
آزمایش های بتن خودتراکم
آزمایش اسلامپ و t50
شاخص پایداری چشمی
در آزمایش جریان اسلامپ، پس از ثابت شدن وضعیت ظاهری بتن، با بازرسی چشمی سطح آن، عددی بین 2،1،0 یا 3 به بازشدگی نسبت داده می شود. این عدد به شاخص پایداری چشمی (VSI) معروف است. شاخص پایداری چشمی بتن خود تراکم مناسب باید بین 0 و 1 باشد.
آزمایش های بتن خودتراکم
VSI=0 VSI=1 VSI=2 VSI=3
آزمایش حلقه J
این آزمایش به نوعی شبیه سازی عبور بتن از آرماتورهای متراکم موجود در قالب به منظور بررسی قابلیت عبور به کار برده می شود. در این آزمایش قطر نهایی بتن با آزمایش جریان اسلامپ مقایسه می شود. در واقع تفاوت بین جریان اسلامپ با حلقه J و جریان اسلامپ می تواند نشان دهنده درجه عبور بتن از بین آرماتورها باشد.
آزمایش های بتن خودتراکم
آزمایش j ring
آزمایش جعبه L
هدف این آزمایش قابلیت پرکنندگی و قابلیت عبور بتن تازه است. روش این آزماش به این صورت است که بعد از پر کردن دستگاه از بتن و بلند کردن دریچه، نسبت انسداد 𝐇𝟐/𝐇𝟏 اندازه گرفته می شود. موسسه Efnarc و انجمن بتن آمریکا مقدار مناسب این نسبت را 0/8 تا 1 می دانند. حداکثر مقدار نسبت انسداد برابر یک است که در این صورت روانی بسیار زیاد و در حد آب خواهد بود.
آزمایش های بتن خودتراکم
ابعاد جعبه L
شروع تست L
اتمام تست L
آزمایش جعبه U
این آزمایش، به منظور اندازه گیری قابلیت عبور بتن خود تراکم استفاده می شود.
آزمایش های بتن خودتراکم
روش این آزمایش به این صورت است که بعد از پر کردن دستگاه از بتن، دریچه باز می شود و اختلاف ارتفاع بتن در دو محفظه اندازه گرفته می شود.
هر چه اختلاف ارتفاع در دو محفظه به صفر نزدیکتر باشد، روانی و قابلیت عبور بتن بیشتر بوده و هر چه این مقدار بیشتر باشد، ویسکوزیته و تنش تسلیم بتن نیز بیشتر است، که امکان بروز پدیده انسداد را افزایش می دهد.
ابعاد جعبه U
آزمایش قیف V
مدت زمان خروج بتن از قیف V شکل استاندارد، به عنوان معیاری برای تعیین قابلیت پرکنندگی و لزجت خمیری بتن مورد استفاده قرار می گیرد.
آزمایش های بتن خودتراکم
زمان مناسب تخلیه بتن از دستگاه قیف V شکل برای بتن خود تراکم حدود 6 تا 12 ثانیه می باشد.
اگر زمان تخلیه بتن بیشتر از 12 ثانیه باشد، بیانگر لزجت خمیری زیاد است. در این صورت ممکن است تامین کارایی مورد نیاز بتن مشکل باشد.
اگر زمان تخلیه بتن کمتر از 6 ثانیه باشد نشان دهنده لزجت کم و احتمال وقوع پدیده جداشدگی است.
ابعاد قیف V
بتن ریزی سریع بدون نیاز به ویبره امکان پذیر است.
قابلیت ساخت بهتر اعضای سازه ای (ستون، تیر، سقف، دیوار برشی و غیره) فراهم است.
نفوذ پذیری در سازه های بتنی را کاهش می دهد.
فضاهای خالی را در مناطق بسیار تقویت شده به حداقل می رساند.
مشکلات مرتبط با ویبره بتن را برطرف می کند.
دوام، قدرت و قابلیت اطمینان بالایی دارد.
هزینه های نیروی کار را کاهش یافته و بهره وری افزایش می یابد.
وقتی قالب ها برداشته می شود، سطح نهایی بتن صاف و زیبا خواهد بود.
اجازه می دهد تا پمپاژ بتن آسان تر شود.
مزایا بتن خودتراکم
انعطاف پذیری بیشتر در پخش شدن در قالب ها و در نتیجه نیاز کمتر به تعدد نقاط بتن ریزی
حصول بتن یکنواخت و همگن و در نتیجه بهبود خواص مکانیکی و دوام
کاهش آلودگی صوتی به دلیل حذف ویبره کردن
سرعت بیشتر در ساخت به دلیل حذف زمان ویبره کردن
ویژگی های ابتکاری معماری را امکان پذیر می کند زیرا می تواند به اشکال پیچیده ای قالب بندی شود.
بهبود کیفیت ساخت – به دلیل اطمینان از تراکم کافی در مناطق با تراکم زیاد آرماتور
مزایا بتن خودتراکم
افزایش هزینه قالب ها به دلیل افزایش احتمالی فشار بر روی قالب
نیاز به منابع انسانی ماهر و متخصص در هنگام انتخاب مصالح، طرح مخلوط، انجام دادن آزمایش ها و اجرا
افزایش ریسک و عدم قطعیت به دلیل استفاده از مواد جدید مانند نسل جدید فوق روان کننده، ماده اصلاح کننده ویسکوزیته و پودر سنگ
افزایش الزامات کنترل کیفیت
احتمال تغییرات عمده در خواص بتن تازه و سخت شده به دلیل کوچکترین تغییر در نوع و مقدار مواد مصرفی
معایب بتن خودتراکم
سازه های بتنی معماری – هنری که نیاز به ظرافت خاص با میلگرد گذاری فشرده دارند.
پلهای با دهانه بزرگ که به دلیل طولانی بودن خط انتقال بتن اجرای آن ها با بتن معمولی امکان پذیر نمی باشد و در ضمن استفاده از بتن معمولی موجب قطور تر شدن اندازه پایه ها و نازیبایی سازه می گردد.
تونل های شهری و آبی که در آنها مسافت طولانی انتقال بتن معمولی و حفظ کیفیت و تراکم آن از مشکلات اجرایی است.
ساختمان های بلند و برج ها
ستون ها و دیوارهای بلند با میلگردهای متراکم
ستون های بتن ریزی شده با پمپ
بتن ریزی بلوک های بتنی
بتن ریزی کف ها و سطوح افقی
بتن ریزی در سازه های زیر آبی
کاربرد بتن خودتراکم
EFNARC, “Spesification and Guidelines for Self-Compacting Concrete”, European Federation, 2002.
ACI 237R-07, Self-consolidating Concrete, American Concrete Institute, 2007.
ASTM C 1611/C 1611M-05.“Standard Test Method for Slump-Flow of Self-Consolidating Concrete”, ASTM International.
Schmidt, W., Brouwers, H. J. H., Kuehne, H. C., & Meng, B. Effects of the characteristics of high range water reducing agents and the water to powder ratio on rheological and setting behavior of self-consolidating concrete. Advances in Civil Engineering Materials, 3(2), 127-141. 2014.
Shekarchi, M., Libre, N. A., and Khoshnazar, R., “Aggregate: A Key of Assessing Self-Consolidating Concrete,” CPI, Concrete Plant International, Vol.1, pp 56-67, 2010.
Heirman, G., Vandewalle, L., Van Gemert, D., Boel, V., Audenaert, K., De Schutter, G., and Desmet, B., “Time-dependet Deformations of Limestone Powder Type Self-compacting Concrete, Engineering Structures”, Vol.30, pp.2945-2956, 2008.
Bouasker, M., Mounanga, P., Turcry, P., Loukili, A., and Khelidj, “Chemical Shrinkage of Cement Pastes and Mortars at Very Early Age: Effect of Limestone Filler and Granular Inclusions”, International Journal of Cement Composites and Lighweight Concrte. Vol.30, pp.13-22, 2008.
منابع
Corinaldesi, V., Monosi, S., & Ruello, M. L. Influence of inorganic pigments’ addition on the performance of coloured SCC. Construction and Building Materials, 30, 289-293. 2012.
Koťátková, J., & Reiterman, P. Coloured Concrete with Focus on the Properties of Pigments. In Advanced Materials Research (Vol. 1054, pp. 248-253). 2014.
López, A., Tobes, J. M., Giaccio, G., & Zerbino, R. Advantages of mortar-based design for coloured self-compacting concrete. Cement and Concrete Composites, 31(10), 754-761. 2009.
Hatami, L., & Jamshidi, M. Influence of pigment content and cement type on appearance and performance of colored self-compacting mortars (C-SCMs). International Journal of Civil Engineering, 15(5), 727-736. 2017.
Kostrzanowska-Siedlarz, A., & Gołaszewski, J. Rheological properties of high performance self-compacting concrete: effects of composition and time. Construction and Building Materials, 115, 705-715. 2016.
کتاب بتن خود متراکم، دکتر پرویز قدوسی، علی اکبر رمضانیان پور، دکتر محمد شکرچی زاده و همکاران
علی اکبر رمضانیان پور، علی کاظمیان، "بتن خودتراکم، فناوری و کاربرد"، انتشارات دانشگاه صنعتی امیرکبیر، 1389.
فروغی اصل، ع. فامیلی. "بررسی ویژگی های عمومی بتن خودتراکم و دلایل گسترش آن در دنیا"، اولین کارگاه تخصصی بتن خودتراکم، دانشگاه تهران، 1385
منابع