مطالعه ویژگیهای بتن سازه ای با مقاومت بالا (HSC)

 

مقدمه :
بتن جسم مرکبی است که از اجزای مختلف شمالسنگدانه ، سیمان و آب ساخته می‌شود . شاید کمتر ماده ساختمانی میتوان یافت که تا اینحد تنوع داشته باشد . زیرا نه تنها با تغییر دادن مقدار سیمان ، آب و سنگدانه‌ها ،بلکه با مصرف سیمان‌های مختلف و مصالح سنگی متفاوت می‌توان بتن‌هایی با خواص متفاونمتناسب با نوع نیاز تولید کرد . امروزه بتن به عنوان یک ماده ساختمانی مهم در ساختانواع مختلف سازه‌ها نظیر ساختمان‌ها ، پل‌ها ، تونل‌ها ، سد‌ها ، اسکله‌ها ، راه‌هاو سایر سازه‌های خاص دیگر کاربرد دارد . در ساخت و سازهای معمولی ، غالبا تنها معیارپذیرش بتن ، مقاومت فشاری آن است . شاید این مسئله از آنجا ناشی میشود که بتنی با مقاومتفشاری رضایت بخش ، غالبا دیگر ویژگی‌ها را در حد متوسط خواهد داشت .
در سالهای اخیر کارشناسان با بررسی سازههای بتنی به ویژه در محیط‌های خورنده و سخت ، متوجه شدند که مقاومت فشاری بتن نمی‌تواندبه تنهایی پاسخگوی کلیه انتظارات از بتن باشد و لازم است در طراحی بتن برای اهداف مختلفعلاوه بر مساله مقاومت و تحمل بارها ، بر خواص دیگر بتن به ویژه پایایی و دوام آن نیزتوجه کافی شود .
امروزه در بعضی کشورهای پیشرفته صنعتی دستورالعملو استانداردهایی برای طرح بتن‌های با عملکرد بالا تهیه شده که طراحان و مجریان در آنکشورها ملزم به رعایت این دستورالعمل‌ها گشته اند . در این تحقیق بتن با مقاومت بالایعنی بتن HSC مورد بررسی قرار میگیرد .
1- بتن با مقاومت بالا (HSC=High Strength Concrete)
در چند دهه اخیر رسیدن به مقاومت فشاریبالا در بتن از اهداف اصلی دست اندرکاران کارهای بتنی بوده است . بر اساس تعریف موسسهبتن آمریکا ، بتن با مقوامت بالا بتنی است که دارای مقاومت فشاری بالاتر از 42 MPAبرای بتن ساخته شده از سنگدانه‌های سبک باشد . شایان ذکر است که اغلبآیین نامه‌های بتن هنوز مقوامت فشاری بتن مورد استفاده در سازه‌ها را به 60Mpa محدود میکنند . البته اخیرا بعضی از آیین نامه‌هایبتن ، تحت شرایطی تا حد 105 Mpa را نیز مجاز می‌شمارند .
غالبا ساخت بتنی با مقاومت فشاری در حدود50 Mpa با کاهش نسبت آب به سیمان تا حد 0.3 امکان پذیراست . ساخت بتنی با مقاومت زیاد و در حد 120 Mpa و استفاده از آن در ساخت سازه‌های مختلف به ویژهساختمان‌های بلند ، در کشورهای پیشرفته دنیا رواج یافته ساخت . از جمله مزایای اینبتن‌ها می‌توان به مقاومت فشاری و مقاومت کششی بالا ، مدول الاستیسیته بیشتر و نفوذپذیری کمتر آن‌ها اشاره کرد . از عوامل موثر در رسیدن به چنین مقاومت‌های بالا در بتن، استفده از شن و ماسه مقاوم و با شکل مناسب ، افزایش مقدار سیمان مصرفی ، محدود کردناندازه بزرگترین سنگدانه ، استفاده از ماسه با مدول نرمی‌مناسب و نسبت ماسه به سیمانمناسب برای همگنی بیشتر آن می‌باشد . همچنین با استفاده از مواد بسیار ریزدانه و با اندازه‌هایی کمتر از دهممیکرون مانند دوده سیلیس می‌توان مجموعه ای متراکم تر و با تخلخل بسیار کم را تهیهنمود .

در بتن‌های با مقاومت بالا بایستی تا حدامکان نسبت آب به سیمان را کاهش داد (W/C=0.18~0.35)، که در این حالت بعضی دانه‌های سیمان هیدارته نشده و به صورت مواد ریزدانه پر کننده، دانسیته را افزایش داده و درنتیجه سبب افزایش مقاومت می‌شوند . برای تامین روانیو کارایی کافی در چنین مخلوط‌هایی که با آب بسیار اندک تهیه می‌شوند ، لازم است ازفوق روان کننده‌ها استفاده شود . در مورد میزان نرمی‌بتن‌های با مقاومت بالا باید اشارهشود که غالبا با افزایش مقاومت بتن ، تردی و شکنندگی آن نیز افزایش می‌یابد . برایافزایش نرمی‌این بتن‌ها می‌توان به آن‌ها الیاف کوتاه اضافه نمود .
ار موارد خیلی مهم در رابطه با کاربرد بتنبا مقاومت بالا در سازه‌ها ، توجه دقیق به طرح اختلاط ، نحوه اجرا و عمل آوری آن است. در خصوص طرح اختلاط باید اشاره شود که بهدلیل کثرت پارامترهای تاثیر گذار در خواص بتن‌های HSC تا کنون روش طرح اختلاط مشخصی در آیین نامه‌هایمعتبر برای این نوع بتن‌ها پیشنهاد نشده است . بنابراین لازم است در کاربردهای عملیاز بتن HSC بر حسب نیاز ، طرح اختلاط مناسب با مطالعات آزمایشگاهیو روش سعی و خطا و یا هر روش معتبر دیگری تعیین شود .
در مورد اجرا نیز باید با استفاده از نیروهایماهر و تجهیزات مناسب ، نظارت دقیقی بر اجرای صحیح بتن اعمال گردد. عمل آوری بتن همباید بصورت پیوسته و با تامین رطوبت کافی و در دمای 20 الی 25 درجه سانتی گراد انجامشود .
موضوع دیگر درباره بتن‌های با مقاومت بالااین است که برخی مواقع مصرف سیمان در آنها خیلی افزایش یافته و ممکن است به بیش از500 kg/m3 هم برسد . این موضوع علاوه بر افزایش قیمت تمامشده آن ، باعث می‌شود به دلیل ازدیاد حرارت و جمع شدگی در بتن ، ترک‌هایی در آن ایجادشود .
چنین بتنی به علت وجود ترک‌های زیاد نمیتواند در شرایط محیطی سخت و خورنده ، دوام قابل قبولی داشته باشد . به منظور افزایشدوام این بتن‌ها ، ضمن کاهش آب مصرفی و استفاده از فوق روان کننده‌ها ، مقدار سیمانمصرفی را کم کرده و در عوض مواد پوزولانی نظیر دوده سیلیس ، خاکستر بادی و سرباره کورهآهن گدازی را به صورت مواد ریزدانه جایگزین آن می‌نمایند .
– خواص بتن با مقاومت بالا و موارد کاربرد آن :
مقاومت فشاری بتن شاید مهمترین معیار کیفیتآن باشد . عواملی نظیر مشخصات سنگدانه‌ها از لحاظ شکل ، بافت و حداکثر اندازه آنها، مقدار سیمان مصرفی و نسبت آب به سیمان بر مقاومت فشاری بتن تاثیر می‌گذارند . غالبارشد مقاومت بتن HSC در سنین اولیه نسبت به بتن معمولی بیشتر است ، ولیافزایش مقاومت در طول زمان ، تابع مواد تشکیل دهنده و روش‌های عمل آوری بتن می‌باشد. نکته قابل توجه در عمل آوری بتن با مقاومت زیاد ، تامین رطوبت و دمای کافی است تادر طول دوره عمل آوری ، آبگیری سیمان تداوم داشته باشد .
مقاومت کششی بتن از دیگر خصوصیات مکانیکیآن می‌باشد . به طور معمول مقاومت کششی بتن حدود 10 تا 15 درصد مقاومت فشاری آن است، بنابر این کلیه عوامل موثر بر مقاومت فشاری بر روی مقاومت کششی نیز تاثیر گذار بودهو مقاومت کششی بتن HSCبه مراتب بیشتر از بتن معمولی می‌باشد . از آنجاکه مقاومت بتن تا حد زیادی به میزان تراکم آن بستگی دارد ، لازم است میزان روانی مخلوطبه حدی باشد که امکان دستیابی به یک تراکم مناسب را فراهم سازد . با افزودن فوق روانکننده ، میکرو سیلیس و نظایر آن به مقدار مناسب در مخلوط بتن میتوان کارایی مورد نظررا تامین کرد . منحنی تنش – کرنش و ضریب ارتجاعی بتن از دیگر ویژگی‌های مکانیکی بتنمی‌باشد . شکل منحنی تنش – کرنش بتن با مقاومت بالا در مقایسه با بتن معمولی ، خطیتر و دارای شیبی بیشتر می‌باشد .
مقدار کرنش در حداکثر تنش ممکن است بیشتراز مقدار مشابه در بتن معمولی باشد . با این حال کرنش نهایی در بتن با مقاومت بالانسبت به بتن معمولی کمتر است . به بیانی دیگر ، بتن HSC تردتر از بتن معمولی می‌باشد . برای رفع این کمبودو افزایش میزان نرمی‌بتن با مقاومت بالا می‌توان به آن الیاف کوتاه اضافه نمود . ضریبارتجاعی یا همان شیب منحنی تنش – کرنش برای بتن با مقاومت بالا در مقایسه با بتن معمولیدارای مقادیر بالاتری است یعنی بتن با مقاومت بالا ، علاوه بر اینکه می‌تواند تنش بسیاربالاتری را نسبت به بتن معمولی تحمل کند ، دریک تنش یکسان کرنشی به مراتب کمتر از بتنهای معمولی از خود نشان می‌دهد . وزن مخصوص بتن از دیگر مشخصه‌های آن است . نتایج بررسیها نشان می‌دهد که وزن مخصوص بتن‌های با مقاومت بالا ، اندکی بیشتر از بتن‌های معمولیساخته شده از همان مصالح می‌باشد . با این حال ، وزن سازه‌های ساخته شده با بتن HSC در مقایسه با بتن‌های معمولی به مراتب سبکتر بودهکه این نکته یکی از مزیت‌های استفاده از بتن با مقاومت بالا ، به خصوص در مناطق زلزلهخیز به حساب می‌آید . در ضمن پدیده خزش ، نفوذ ناپذیری و سایش در بتن‌های با مقاومتبالا نسبت به بتن‌های معمولی کمتر و دوام و مقاومت برشی ، بیشتر می‌باشد .
دامنه کاربرد بتن‌های با مقاومت بالا ،خیلی وسیع نیست . امروزه استفاده اصلی از بتن HSC در ساختمان‌های بلند مرتبه ، پل‌های پیش تنیده وساخت بعضی سازه‌های خاص می‌باشد . اگر چه در ساخت قسمت‌های مختلف ساختمانهای بلند ممکناست از بتن با مقاومت بالا استفاده شود ، ولی کاربرد اصلی بتن سازه‌های خاص می‌باشد. اگر چه در ساخت قسمت‌های مختلف ساختمانهای بلند ممکن است از بتن با مقاومت بالا استفادهشود ، ولی کاربرد اصلی بتن HSC در ساخت ستون‌های این نوع ساختمان‌ها می‌باشد .با انجام چنین کاری ابعاد ستون‌ها به طور قابل ملاحظه ای کاهش یافته و امکان افزایشتعداد طبقات یک ساختمان فراهم می‌آید . در ساخت پل‌ها نیز از بتن با مقاومت بالا بطورروز افزونی استفاده می‌شود . مقاومت کششی بتن با ازدیاد مقاومت فشاری آن افزایش یافتهو این امر در طراحی اعضای بتنی پیش تنیده نظیر شاه تیر‌ها (که در آن مقاومت کششی بتنکنترل کننده است) دارای ارزش زیادی می‌باشد . همچنین کاهش خزش در بتن با مقاومت بالا، برای کاهش اتلاف پیش تنیدگی شاه تیرهای پل مفید است . ساخت سازه‌های خاص نظیر سازههای ساحلی ، سقف جایگاه تماشاگران میادین ورزشی ، پایه‌های بعضی پل‌ها ، عرشه پل‌هایکابلی در دهانه‌های بزرگ جهت کاهش وزن عرشه و غیره نیز ممکن است از بتن با مقاومت بالااستفاده شود . برای بررسی بتن HSC از جنبه اقتصادی باید اشاره شود که استفاده از موادافزودنی فوق – روان کننده و ترکیبات تکمیلی سیمان نظیر خاکستر بادی ، میکرو سیلیس وسرباره کوره آهنگدازی در مخلوط بتن با مقاومت بالا و همچنین افزایش کیفیت مصالح سنگیو اعمال کنترل کیفیت شدید در هنگام ساخت ، حمل و نقل و جابجایی بتن و نظارت دقیق درمرحله بتن ریزی و عمل آوری آن ، همگی عواملی هستند که قیمت تمام شده بتن با مقاومتبالا را افزایش می‌دهند ، با این حال در بیشتر کاربرد‌های بتن با مقاومت بالا ، فوایدو محاسن استفاده از آن به قدری زیاد است که عملا افزایش هزینه‌های مزبور جبران می‌شود
نتیجه گیری :
در سالهای اخیر پیشرفت و تحول عظیمی‌درتکنولوژی بتن ایجاد شده که نتیجه آن پیدایش بتن‌های جدید با خواصی متفاوت است . یکیاز مهمترین این بتن‌ها ، بتن با مقاومت بالا یعنی HSC است . با پیدایش بتن HSC این امکان فراهم گشته تا ساختمان‌ها و برج‌های بتنیمرتفع که دارای ظرافت و هنر معماری هستند احداث شوند . اگر چه امروزه دامنه استفادهاز بتن با مقاومت بالا وسیع نبوده و عمدتا به ساخت سازه‌های بلند مرتبه و پل‌های بتنیپیش تنیده و بعضی سازه‌های خاص محدود می‌شود . با این حال انتظار می‌رود در سال‌هاینه چندان دور شاهد کاربرد بتن با مقاومت بالا در سطوح وسیع تری باشیم . برای رسیدنبه این هدف به نظر می‌آید که لازم باشد آیین نامه‌های بتن با تجدید نظر در ضوابط طراحی، محدودیت‌های استفاده از بتن HSC را به شکل صریح و روشن در آیین نامه‌ها وارد نمایند.
در دهه گذشته شاهد تئوریزه شدن موضوعاتمختلفی در صنعت بتن بودیم.
بیشترین تمرکز بر روی بتن‌های با مقاومتبالا (HSC) صورت گرفت.محققان توانستندمفاومت بتن را به بیش از 300MPa برسانند که شاید حدود 20سال پیش یعنی زمانی که پروفسور نویل مشغول نوشتن کتابخود (تکنولوژی بتن) بود امری غیر ممکن نشان میداد.

اما امروزه ساخت بتن‌های با مقاومت بالااز سوژه تحقیقات کنار گذاشته شده و بیش از فاکتور مقاومت به عامل دوام و طول عمر بتناهمیت می دهند.

امروزه بحث از ساخت سازه‌هایی با طول عمر1000سال است. درصورتی که متوسط طول عمر مفید سازه‌های بتنی در کشور ما 15سال میباشد.در نتیجه ساخت بتن‌های HSC(با دوام بالا) باعث صرفه جویی در مصالح مصرفی و هزینه دراز مدت می گردد؛ البته بایدتوجه داشت که هر بتن HSC یک بتن HSC است؛ ولی عکس آن صادق نمی باشد.

فاکتورهای مهم در ساخت HSC

1-کاهش نسبت آب به سیمان

2-استفاده از دانه‌های مناسب

3-استفاده از حداکثر میزان مصالح سنگی

4-تراکم مناسب بتن

5-استفاده از سیمان‌های مقاوم در برابرحمله سولفات‌ها

6-استفاده از پزولان‌های مناسب

7-سایر مواد افزودنی

تحقیقات نشان میدهد که در صورت محافظت بتندر برابر یون کلر و حمله سولفات‌ها همچنین جلوگیری از رسیدن آب و اکسیژن به قسمتهایمرکزی بتن دوام و طول عمر آن افزایش می یابد . کلیه فاکتور‌های فوق در جهت رسیدن بهاین ویژگی میباشد .

کاهش نسبت آب به سیمان:

میزان آب لازم برای هیدراته کردن سیمانبسته به نوع سیمان بین (0.25-.02)میباشد. مقداری از آب مورد مصرف نیز صرف مرطوب نمودنسطح دانه‌ها میگردد. مصرف آب بیش از این میزان اثرات نامطلوبی بر روی بتن به جای میگذارد.

این آب اضافی بر اثر خاصیت مویینگی به سمتسطح بتن جریان می یابد . در این لوله‌ها درمرحله اول باعث کاهش مقاومت فشاری بتن میگردند که در ساخت بتن‌های با مقاومت بالا موردبررسی قرار می گیرند. و در مرحله دوم باعث می شوند تا آب خارجی بتواند به درون بتننفوذ نماید . در صورتی که این آب دارای مواد خورنده باشد شرایط خوردگی میلگرد در بتنرا تشدید مینماید. در بتن‌های با دوام بالا ، تأثیر آب مصرفی در این ضمینه مورد بررسیقرار می گیرد.

در بتنهای HSCتوصیه می شود که آب اختلاط از W/C=0.4کمتر در نظر گرفته شود. برای اینکه بتوان در نسبت‌های پایین به بتن باکارایی مناسب دست یافتاستفاده از فوق روانسازهای اعلا اجتناب نبپذیر میباشد. (جهت ااطلاعاتدر مورد فوق روانسازها به بخش فوق روانسازهای همین سایت مراجعه کنید)

در ساخت بتنهای با دوام بالا نمیتوان ازهر ماده آب بندی استفاده نمود و تنها آب بندهایی که در برابر حرارت و خوردگی مقاوممی باشند قابل استفاده در اینگونه بتن‌ها میباشند. به هر حال عدم اضافه کردن چنین موادیبه مراتب منطقی تر میباشد.

دانه‌های مناسب:

در ساخت بتن‌های HSCبهتر است از سنگدانه‌های سیلیسی استفاده نمود. زیرا این سنگدانه‌ها همدوام وهم اقتصاد طرح را تأمین میکنند. استفاده از سنگدانه‌های واکنشزا در این بتن‌هابه هیچ عنوان مناسب نمیباشد. شیست‌ها ،سنگدانه‌های آهکی دگرگون نشده، توف‌ها و… از جمله این سنگدانهها میباشند.

هرچه سنگدانه‌ها متراکم تر و تخلخل آنهاکمتر باشد برای ساخت بتن‌های HPC مناسب تر میباشند.

استفاده از حداکثر میزان مصالح سنگی:

برای دست یافتن به این امر دانه بندی بسیارمهم می باشد. به طورکلی کلیه دانه بندیهای بتن‌های با مقاومت بالا برای این منظور قابلقبول می باشند. اما دانه بندیهای بهتری را نیز میتوان استفاده نمود.

برای رسیدن به یک دانه بندی مناسب HSC (یعنی ماکزیمم مصرف مصالحسنگی) بهتر است از میزان overfill درنظر گرفته شده در بتن‌های HSCکاست. همچنین استفاده از ذرات کوچکتر از 75 میکرون میتواند مفید باشد.

تراکم و نگهداری:

تراکم و نگهداری بتن‌های با دوام بالا بهمراتب حساس تر از سایر بتن‌ها میباشد. به خصوص برای ساخت بتن‌های با عمر بالای 200سال این موضوع فوق العاده حساس میشود. عدم تراکم مناسب در یک قطعه می تواند کلیه فاکتورهایساخت و طراحی را تحت شعاع خود قرار دهد؛ بنابراین، در قطعاتی که امکان تراکم ویژه موجودنمیباشد. باید بتن را با روانی بسیار بالا ساخت باید توجه داشت که برای رسیدن به اینمنظور نباید نسبت W/C را از 0.4 بیشتر کرد.

تعیین نوع سیمان:

بهترین سیمان برای ساخت این نوع بتن پرتلندتیپ5 میباشد. سیمان‌های دیرگیر تیپ 2و5 نیز مناسب میباشند. همچنین سیمانهای منبسط شوندهنیز در شرایط خاص میتوان به کار برد.

استفاده از سیمانهای بدون نقص (MDF) و (WAC) نیز باعث افزایش قابل توجهعمر بتن میگردند اما باید توجه داشت که هدف اصلی در ساخت بتنهای با دوام بالا اقتصادمیباشد. در نتیجه استفاده از سیمانهای (MDF)و (WAC) منطقی به نظر نمی رسد.

پزولان‌ها:

خاکستر بادی، دوده سیلیسی، خاکستر پوستهبرنج، روباره آهنگدازی آسیاب شده پزولانهای حاوی کوارتز و میکا و… نقش بسیار مهمیدر افزایش دوام بتن دارند. در میان مواد فوق دوده سیلیسی و روان کننده را به صورت ژلدر می آورند و به صورت مخلوط با آب به کار می برند که اثرات بسیار مطلوبی بر روی بتندارند.

در صورت استفاده از سیمان‌های پرتلند، استفادهاز پزولان‌ها کاملاً اجباری میباشد.

2 نظر روی “مطالعه ویژگیهای بتن سازه ای با مقاومت بالا (HSC)

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

انسانی؟!؟! * Time limit is exhausted. Please reload CAPTCHA.