تعریف بتن پر مقاومت

بتن با مقاومت زیاد یا بتن پرمقاومت، بتنی است که با سنگدانه های معمولی ساخته شده و مقاومت فشاری آن بیش از ۴۰  Mpa است.

دو بحث  مختلف از این تعریف نتیجه میشود:

١- مقاومت بتن معمولی بین MPa۲۱ تا MPa ۴۰ است. برای تولید بتنی با مقاومت بیش از ۴۰ Mpa، نیاز به کنترل کیفیت دقیق تر، و همچنین دقت بیشتر در انتخاب مصالح و نسبتهای آن (روان کننده ها، مواد افزودنی معدنی، نوع و اندازه سنگدانه ها، و…) است. از این رو برای تمایز این نوع بتنهای مخصوص، که دارای مقاومت فشاری بیش از ۴۰ Mpaهستند، در مقایسه با بتن های معمولی، آنها را بتنهای با مقاومت زیاد می نامند.

۲- مطالعات آزمایشگاهی نشان میدهد که در بسیاری از موارد، خصوصیات و ساختار میکروسکوپی بتن با مقاومت بیش از ۴۰ MPa، با بتن معمولی فرق دارد. از آنجا که در بتن معمولی، مقاومت فشاری اساس طراحی بتن می باشد (رابطه تجربی تخمین مدول ارتجاعی از روی مقاومت فشاری)، لذا طراح باید برای طرح بتن های با مقاومت بیش از Mpa۴۰، شیوه مخصوصی را مورد عمل قرار دهد.

اهمیت و مزایای بتن با مقاومت زیاد

بر اساس قیمتهای بتن و فولاد در سال ۱۹۸۲ در شیکاگو (شکل زیر) به دست آمده است. این شکل نشان میدهد که اقتصادی ترین راه برای ساخت ستونهای ساختمانهای بلند، استفاده از روشی است که در آن حداقل مقدار ممکن فولاد مصرف شده و حداکثر مقاومت ممکن نیز به دست آید. مزیت اقتصادی استفاده از بتن با مقاومت زیاد برای ستونها و دیوارهای برشی، در بسیاری از سازه های ساخته شده در شیکاگو، نیویورک، هوستون و دیگر شهرهای آمریکا به اثبات رسیده است. در ایالات متحده در مدت ۲۰ سال گذشته، عموما از بتن با مقاومت زیاد برای ساخت سازه های بتن آرمه ۳۰ طبقه به بالا استفاده شده است. در ارتفاع بالایی ساختمان، ستونها با بتن معمولی (psi۴۰۰۰ – ۵۰۰۰ ) ساخته می شوند. اما چنانچه در پایین ساختمان، ستونها با بتن معمولی ساخته شوند، ابعاد ستونها بسیار بزرگ خواهد شد.

مهندسان و معمارانی که در نیویورک در زمینه طراحی ساختمانهای بلند فعالیت دارند معتقدند که انتخاب قاب بتن آرمه، در مقایسه با قابهای فولادی، در سازه های بلند فقط به دلیل مسایل اقتصادی نمی باشد بلکه سرعت عملیات ساخت ساختمانهای بتن آرمه، بیشتر از آن قابهای فولادی است. تا ۱۰ سال پیش، در مانهاتان، تمام ساختمانهای اداری با قاب فولادی ساخته می شدند، اما در سالهای اخیر ۲۵ درصد از تمام ساختمانهای اداری با قابهای بتنی ساخته شده اند.

ارتباط بین مقاومت بتن و هزینه های ستونها.
ارتباط بین مقاومت بتن و هزینه های ستونها.

در صنعت بتنهای  پیش ساخته و پیش تنیده، استفاده از بتن با مقاومت زیاد سبب شده است که سرعت قالب برداری سریعتر شده، میزان تولید افزایش یافته، و اتلاف محصولات  در هنگام حمل و انتقال کاهش یابد. به دلیل پایین بودن میزان نفوذ پذیری بتن با مقاومت زیاد، می توان از آن در مواردی که دوام بتن در مقابل سایش ، فرسایش و تهاجم اهمیت دارد استفاده کرد.

مصالح و نسبتهای اختلاط بتن پر مقاومت

ملاحظات کلی

. مهمترین عاملی که مقاومت بتن با مقاومت زیاد را تعیین می کند، تخلخل در سه فاز بتن (سنگدانه ها، خمیر سیمان و ناحیه انتقال ) می باشد. در مقاومت بتن، خصوصیات مصالح مصرفی در بتن، نسبتهای اختلاط، و تراکم بتن تازه، که در تخلخل خمیر سیمان و ناحیه انتقال اثر می گذارند، شرح داده شد. در صورتی که کارآیی بتن مناسب باشد، به نظر می رسد که نسبت آب به سیمان تعیین کننده میزان تخلخل خمیر سیمان هیدراته شده و ناحیه انتقال باشد. همچنین، در نسبتهای کم آب به سیمان مشاهده شده است که با کمی کاهش نسبت آب به سیمان، مقاومت زیادی قابل کسب می باشد. برای مثال، نتایج حاصل از تحقیقات نشان میدهد که با نسبت آب به سیمان ۰٫۳۸، ۰٫۳۶  و ۰٫۳۴ می توان به ترتیب به مقاومتهای فشاری  ۴۰Mpa، ۵۲ و ۶۰ دست یافت. با این وجود، کاهش نسبت آب به سیمان، متراکم کردن و جای دادن بتن تازه، مشکلتر می شود.

برای تولید بتن با مقاومت زیاد اثر متضاد نسبت آب به سیمان بر روی قوام و مقاومت بتن نمی تواند بدون استفاده از مواد افزودنی کاهنده آب، هماهنگ شود. به همین دلیل، در ۱۰ سال اخیر استفاده از مواد فوق روان کننده نقش به سزایی در تولید بتن با مقاومت زیاد داشته است. در حقیقت، بدون وجود کارآیی فوق العاده مناسب، که با استفاده از فوق روان کننده ها به دست می آید، عملا تولید اعضای پرفولاد، با بتن با مقاومت فوق زیاد(بیش از ۷۰Mpa) و نسبت آب به سیمان ۰٫۳ غیرممکن است. همان طوری که در مقاومت بتن شرح داده شده است، اصولا ناحیه انتقال ضعیف ترین قسمت در بتن با وزن معمولی و ساخته شده با سنگدانه های مقاوم با حداکثر اندازه ۱۲mm تا mm۲۰ و نسبت آب به سیمان بین ۰٫۴ تا ۰٫۷ می باشد. به ازای یک نسبت آب به سیمان معین، با کاهش حداکثر اندازه سنگدانه های درشت، می توان مقاومت بتن را به میزان زیادی افزایش داد زیرا بر اثر این کار، مقاومت ناحیه انتقال بهبود می یابد. بنابراین، در طرح اختلاط بتن با مقاومت زیاد، معمولا حداکثر اندازه سنگدانه ها را ۱۹ میلیمتر یا کمتر در نظر میگیرند.

در صورت نیاز به نسبت آب به سیمان کمتر و استفاده از سنگدانه های با اندازه کوچک، مقدار سیمان مصرفی به بیش از ۳۸۵ kg/m3افزایش می یابد. در این زمینه بررسی هایی در مورد استفاده از ۶۰۰kg/m 2سیمان، و یا حتی بیشتر از این، به عمل آمده است ولی بهتر آن است که از این کار اجتناب شود. با افزایش نسبت سیمان به بتن، به حدی می رسیم که با افزایش مقدار سیمان، مقاومت بتن، دیگر افزایش نمی یابد. دلیل آن، احتمالا ناهمگنی ذاتی خمیر سیمان پرتلند هیدراته شده و وجود بلورهای بزرگ هیدروکسید کلسیم است که سبب ضعیف شدن قسمتهایی از بتن تحت تنش می شود. بنابراین، قسمتهای ناهمگن و ضعیف در ناحیه انتقال، به دلیل وجود ترکهای مویی، حتی قبل از اعمال بار خارجی نیز آسیب پذیرند. این ترکها به دلیل تنشهای ناشی از جمع شدگی حرارتی و یا جمع شدگی ناشی از خشک شدن، و نیز بر اثر اختلاف پاسخ ارتجاعی خمیر سیمان با پاسخ ارتجاعی سنگدانه ها به وجود می آیند. باید توجه داشت که افزایش مقدار سیمان به معنی افزایش هزینه، حرارت هیدراتاسیون و جمع شدگی ناشی از خشک شدن بتن است.

هر گاه ناهمگنی سیمان پرتلند هیدراته، عامل محدودکننده مقاومت بتن باشد، می توان با تغییر دادن ساختار میکروسکوپی، اجزای مسبب ناهمگنی را کاهش داده یا آنها را حذف کرد. در مورد محصولات سیمانی، روش موثر و عملی برای این کار، استفاده از مواد پوزولانی در مخلوط بتن است. همانطور که قبلا شرح داده شده، مواد افزودنی پوزولانی، مانند خاکستر بادی، با هیدروکسید کلسیم واکنش داده و تولید محصولاتی میکنند که خصوصیت و ترکیب آنها همانند محصولات هیدراتاسیون سیمان پرتلند است. همچنین، واکنش پوزولانی با کاهش منافذ بزرگ همراه است، که این امر، اثر مهمی در افزایش مقاومت بتن دارد.

بیشتر بخوانید  بتن خودتراکم | قسمت 3: طرح مخلوط بتن خودمتراکم

استفاده از پوزولان فقط باعث همگنی محصولات هیدراتاسیون و کاهش هزینه ها، به علت جایگزینی سیمان با پوزولان نمی شود، بلکه اثر مهمتر آن، کاهش حرارت هیدراتاسیون می باشد. در بتن با مقاومت زیاد، به علت استفاده از مقدار زیاد سیمان در اعضای بزرگ سازه، امکان ترک خوردگی حرارتی وجود دارد. در نتیجه، در بعضی موارد، جایگزین نمودن قسمتی از سیمان با پوزولان، می تواند ریسک ترک خوردگی حرارتی را کاهش دهد.

در مواردی که خاکستر بادی نوع F ، جایگزین بخشی از سیمان پرتلند شود و با یک نسبت معین آب به سیمان، از آن بتن ساخته شده و در دمای معمولی عمل آورده شود، مقاومت های ۳ و ۷ روزه آن ممکن است کاهش یابد و این کاهش مستقیما با مقدار پوزولان در کل مصالح سیمانی (پوزولان + سیمان)، نسبت مستقیم دارد. با این وجود، روند کسب مقاومت بتن دارای خاکستر بادی از نوع C یا سرباره در ۷ روز اول هیدراتاسیون، بسیار قابل توجه می باشد. پوزولانهای بسیار فعال مانند دوده سیلیسی متراکم با پوسته برنج، در ۳ روز اول نقش به سزایی در روند کسب مقاومت دارند. البته در شرایطی که از واکنشهای تسریع شده هیدراتاسیون، مانند عمل آوری اعضای بتنی پیش ساخته بخار، استفاده می شود، اختلاف در فعالیت پوزولانی اثر چندانی در روند کسب مقاومت محصولات ندارد.

کاملا واضح است که اگر به جای سیمان، قسمتی از سنگدانه های ریز با پوزولان جایگزین کردن بتن در سنین اولیه، مقاومت کمی نخواهد داشت. در حقیقت، جایگزینی قسمتی از ماسه با خاکستر بادی یا سرباره سبب افزایش قابل ملاحظه ای در مقاومت بتن، در سنین اولیه آن می شود، به شرطی که مقدار آب مورد نیاز در مخلوط بتن اضافه نگردد.

توجه به این نکته مهم است که استفاده از این روش، صرفه اقتصادی ندارد و احتمال خطر ترک خوردگی حرارتی را در اعضای بزرگ کاهش نمی دهد (زیرا مقدار سیمان کاهش نیافته است)، ولی با این وجود، این کار، روش مناسبی برای افزایش مقاومت بتن در سنین اولیه است. طبق گزارشهای منتشر شده، هر دو روش جایگزین کردن قسمتی از سیمان و ماسه با پوزولان، یک مزیت محسوب میگردد.

مخلوطهای بتن متعارف

. در جدول زیر، اصول مهم تولید بتن با مقاومت زیاد با مقایسه ۳ مخلوط بتن، داده شده است. اختلاف مهم بین بتن های مصرف شده در ساختمان برج آب و برج تجاری تگزاس، در مقدار مصرف سیمان بیشتر در ساختمان برج آب و جایگزینی ۱۰ درصد وزنی خاکستر بادی نوع F به جای سیمان در بتن آن می باشد، در حالی که در ساختمان برج تجاری میزان سیمان مصرفی کمتر است و از ۲۰ درصد خاکستر بادی نوع C در مخلوط بتن استفاده شده است. نمونه های هردو بتن که در شرایط آزمایشگاهی عمل آوری شده اند دارای اسلامپ ۱۱۳ mmو مقاومت فشاری mpa۶۵- ۶۷ در سن ۲۸ روزه بوده اند. میانگین مقاومت ۱۳۹ نمونه گرفته شده از بتن در برج تجاری تگزاس MPa۵۶ بوده است که نزدیک به مقاومت میانگین توصیه شده در آیین نامه است. چنانچه شرایط کارگاه ایده ال باشد مقاومت بتن با مقاومت زیاد، حدود ۹۰ درصد مقاومت نمونه های عمل آوری شده در آزمایشگاه می باشد.

مخلوط بتن با مقاومت بسیار زیاد، در کارگاه های مختلف ایالت متحده آمریکا و کانادا ساخته شده، و تحت آزمایش قرار گرفته است. به علت استفاده از پوزولانهای بسیار فعال نظیر دوده سیلیسی، مقدار زیاد سیمان، و نسبت آب به سیمان بسیار کم (که با استفاده از مقادیر زیاد فوق روان کننده ها امکان پذیر شده است)، نتایج مقاومت فشاری ۲۸ و ۱۲۰ روزه بتن با مقاومت بسیار زیاد به  ترتیب برابر با ۱۱۰MPa و۱۲۵MPa بوده است.

 

 

نسبتهای اختلاط برای بتن با مقاومت زیاد(بر حسب Ib/yd3 )
نسبتهای اختلاط برای بتن با مقاومت زیاد(بر حسب Ib/yd3 )

*مقدار دقیق نشده است.با این وجود ،مصرف یک عامل سیمانی به میزان زیاد .و استفاده میکروسیلیس ریز،مصرف روان کننده ها به میزان زیاد را اجباری می سازد. استفاده از مواد افزودنی میزان بسیار زیاد، بدین منظور صورت گرفته است که نیاز به افزایش آب لازم برای مصالح ریز را-کند و امکان دستیابی به اسلامپ های مناسب را فراهم سازد.

بتن بسیار روان شده

. اگرچه از مواد افزودنی فوق روان کننده به منظور ساخت مخلوط های بتن با مقاومت زیاد استفاده می شود، ولی همان طور که در جنول ۳-۱۱ مشاهده می شود بتن با قوام زیاد( اسلامپ mm ۲۰۰ تا ۲۵۰) و مقاومت بیش از MPa ۷۰ (نسبت آب به سیمان کمتراز۳/۰) با استفاده از فوق روان کننده ها به راحتی  قابل تولید می باشند. به طور کلی تجربه نشان میدهد که افزودن ماده فوق روان کننده به بتن به مقدار ۵/۰تا۵/۱ درصد وزن سیمان، اسلامپ بتن را از  ۵۰mm تا ۷۵ به مقدار قابل توجه mm۲۰۰ تا ۲۵۰ افزایش میدهند با این وجود این قوام زیاد بتن، پس از  ۳۰ تا ۶۰ دقیقه به حالت اولیه خود باز می گردد. (شکل زیر الف)

در مواردی که بین زمان اختلاط و ریختن بتن اختلاف کمی وجود داشته باشد کاهش سریع اسلامپ مشکلی ایجاد نمی کند از طرف دیگر در صنعت بتن پیش ساخته کم بودن کارایی بتن بلافاصله بعد از بتن ریزی، یک مزیت محسوسی می گردد ، زیرا در این حالت می توان عمل آوری با بخار را حذف کرد. ولی در صنعت بتن آماده کاهش سریع کارایی می تواند یک مشکل جدی به حساب آید. دو راه حل برای این مشکل وجود دارد. پژوهشگران نشان داده شد که اگر افزودن ماده فوق روان کننده چندین مرتبه تکرار گردد، افزایش اسلامپ بتن بسیار روان شده برای چنین سخت امکان پذیر است (شکل زیر ب) افزودن فوق روان کننده برای مرتبه دوم یا سوم به منظور جبران افت اسلامپ ممکن است موجب جداشدگی سنگدانه ها  شود که باید در این مورد دقت شود. در روش دوم، ترکیب ماده فوق روان کننده با یک مد کندگیر کننده اصلاح می شود و بدین ترتیب قوام برای مدت ۲ تا ۳ ساعت ثابت باقی می ماند (شکل زیر ج).استفاده از فوق روان کننده های با خاصیت کاهش اسلامپ به میزان کم،در صنعت بتن آماده در مناطق گرم مرسوم شده است.

خواص بتن پر مقاومت

 کارآیی

. مخلوطهای بتن با مقاومت زیادی که دارای مقدار زیادی مصالح ریزدانه (سیمان و پوزولان) بوده و با نسبت کم آب به سیمان و ماده افزودنی روان کننده معمولی ساخته شوند در مراحل اولیه مخلوطهایی چسبنده، و سخت هستند. بتن ریزی و تراکم مخلوطهای  با اسلامپ صفر، بسیار مشکل است. ولی استفاده از فوق روان کننده این مشکل را حل کرده و در حال حاضر امکان تولید بتن با قوام زیاد وجود دارد. همچنین پمپاژ و یا استفاده از شوت بلند برای انتقال بتن،بدون احتمال خطر جداشدگی سنگدانه ، حتی در نسبت آب به سیمان بسیار کم۳/۰،به راحتی امکان پذیر است.

مقاومت

. امروزه بتن های با مقاومت MPa 120-55 درسن ۲۸ روزگی، در مناطق شیکاگو، هوستون و نیویورک در مقیاس صنعتی تولید می گردد. نکته قابل توجه در مورد مقاومت، ظرفیت بتن های با مقاومت زیاد برای کسب مقاومت سریع بدون استفاده از عمل آوری با بخار است. بتنهای استفاده شده در ساختمان برج آب شیکاگو و برج تجاری هوستون در شکل زیر با عمل آوری معمولی، در مدت ۲۴ ساعت به مقاومت MPa۲۰ تا ۲۷ رسیده اند. مخلوط بتن با مقاومت بسیار زیاد، در مدت ۱۲ ساعت MP ۴۲، و در مدت ۲۴ ساعت MPa ۶۴ مقاومت کسب می کند. در این صورت است که ارزش بتنهای با مقاومت بسیار زیاد در صنعت بتن پیش ساخته و پیش تنیده مسلم می گردد.

بیشتر بخوانید  بتن خودتراکم | قسمت 2: اجزای بتن خودتراکم

اثر مواد فوق روان کننده بر روی کارآیی بتن.  الف) نحوه تغییرات افت اسلامپ، با گذشت زمان .  ب) افزایش مجدد اسلامپ، بر اثر استفاده مجدد از فوق روان کننده ها ج) اثر فوق روان کننده بر روی افت اسلامپ
اثر مواد فوق روان کننده بر روی کارآیی بتن.
 الف) نحوه تغییرات افت اسلامپ، با گذشت زمان .
 ب) افزایش مجدد اسلامپ، بر اثر استفاده مجدد از فوق روان کننده ها
ج) اثر فوق روان کننده بر روی افت اسلامپ

ساختار میکروسکوپی، رابطه بین تنش و کرنش، گسیختگی، جمع شدگی ناشی از خشک شدن، و خزش

. براساس اصول طراحی مخلوطهای بتن با مقاومت زیاد، کسب مقاومت زیاد بتن با کاهش تخلخل و ناهمگنی و ترکهای مویین، در خمیر سیمان و ناحیه انتقال امکان پذیر است. از آنجایی که وجود ترکهای مویین زیاد در بتن معمولی، مبنای رفتار تنش – کرنش، خزش و گسیختگی آن است. (مقاومت بتن و پایداری ابعادی بتن)، لذا درک علت رفتار متفاوت بتن با مقاومت زیاد، که ناشی از کاهش تعداد و اندازه ترکها در آن است، مشکل نمی باشد.

مطالعات آزمایشگاهی انجام شده در دانشگاه کرنل ، در مورد افزایش ترک خوردگی در بتنهای دارای مقاومت فشاری تک محوری حدود Mpa ۳۰- ۷۵، نشان داده شده است که: ١- بتن با مقاوت زیاد، در مقایسه با بتن معمولی، بیشتر شبیه مصالح همگن رفتار میکند و شیب منحنیهای تنش – کرنش در آن نسبت به بتن معمولی زیادتر است، و رفتار آن تا نسبتهای تنش – مقاومت بیشتری، در مقایسه با بتنهای با مقاومت معمولی، خطی است زیرا مقدار و روند افزایش ترکهای مویین در ناحیه انتقال کمتر است. بنابراین، بتن با مقاومت زیاد، در هنگام گسیختگی، تردی بیشتر و انبساط حجمی کمتری از خود نشان میدهد. مشخص شده است که این گونه بتنها، تا نسبت های بالاتری از تنش و مقاومت قابل بار گذاری هستند، بدون آن که مکانیزم خود انتشاری در آنها شروع شده و منجر به شکست گسیختگی بشود، به عبارت دیگر درصد مقاومت باربری دراز مدت نسبت به مقاومت کوتاه مدت شان بیشتر از آن بتنهای معمولی است.

۲- میزان ترکهای میکروسکوپی در بتنهای با مقاومت زیاد، مربوط به جمع شدگی و بارگذاری کوتاه مدت آنها می باشد و میزان بار قابل تحمل آنها، به طور قابل ملاحظه ای از بتن با مقاومت معمولی کمتر است.

۳- با در نظر گرفتن موارد فوق مسلم است که بتنهایی با مقاومت زیاد ( از ۴۰ تا ۶۰مگاپاسکال) اصولا رفتاری متفاوت با بتن معمولی دارند.

براین اساس، بسیاری از مواردی که در آیین نامه ها در مورد بتن معمولی ذکر شده است، باید برای بتن با مقاومت زیاد تغییر یابد. برای مثال، به جای رابطه ذکر شده در ACl برای محاسبه مدول ارتجاعی استاتیکی بتن معمولی از روی مقاومت فشاری ۲۸ روزه آن (پایداری ابعادی بتن)، از رابطه زیر، که برای بتن با مقاومت زیاد مناسب است

استفاده شود. ضمنا توصیه میگردد که مقاومت  خمشی خمشی  خمشی آنها از رابط خمشی آنها از رابطه محاسبه شود. یاماموتو و کوبا یاشی(Yamamoto & Kobayashi) برای تخمین مقاومت کششی برزیلی بتن با مقاومت MP۴۰ تا ۱۰۰، رابطه زیر را ارائه داده اند :

شایان ذکر است که مقادیر آزمایشگاهی به دست آمده برای مدول ارتجاعی استاتیکی فشاری، برای سه مخلوط بتن (که از چپ به راست در جدول نشان داده شده است)، به ترتیب برابر ۵٫۴، ۵٫۷ و ۶٫۲۵ (*۱۰۶ Psi) است. کرنش های ناشی از جمع شدگی و خزش در سن یکسالگی بتن با مقاومت بسیار زیادی که با استفاده از دوده سیلیسی و فوق روان کننده ساخته شده است. مطابق استاندارد ۵۱۲C ASTM اندازه گیری شده و به ترتیب برابر با ۳۱۵ و ۶*۱۰۴۸۰به دست آمده است. میزان بار اعمال شده در این آزمایش، ۱۷ Mpa، پس از ۲۸ روز عمل آوری اعمال گردیده است. این اطلاعات، منطقی به نظر می رسند زیرا مدول ارتجاعی زیاد، تخلخل کم، و ترک مویی کمتر در این نوع بتنها، چنین نتایجی را ایجاب می کند.

رابطه بین مقاومت های فشاری و کششی برزیلی، در بتن با مقاومت زیاد حاوی مواد افزودنی معدنی
رابطه بین مقاومت های فشاری و کششی برزیلی، در بتن با مقاومت زیاد حاوی مواد افزودنی معدنی

دوام

. بسیاری از پژوهشگران، نفوذ پذیری کم بتن با مقاومت زیاد را عامل دوام عالی آن در مقابل عوامل مخرب فیزیکی و شیمیایی میدانند (دوام بتن). تا به حال، کاربرد صنعتی بتن با مقاومت زیاد برای آن دسته از اعضای سازه ای بوده است که در شرایط سیکلهای یخ زدن آب شدن قرار نمی گرفته اند. بتنهای دارای فوق روان کننده، معمولا بیشتر از بتن معمولی، از فقدان حبابهای هوا و فضاهای خالی افزایش یافته، دچار مشکل می شوند. با این وجود، گرچه اندازه فضاهای خالی بتنهای حاوی فوق روان کننده، از pm۲۰۰ تجاوز می کند اما دوام آنها در برابر یخ زدن – آب شدن، که براساس استاندارد ۶۶۶ASTM C آزمایش شده اند، کمتر از بتن معمولی نبوده و نتایج آزمایشها قابل قبول هستند. نتایج آزمایشهای مختلف دوام برروی بتن با مقاومت بسیار زیاد، براساس گزارش ولسیفر ، در جدول  ارائه شده است و خلاصه آن به شرح زیر می باشد.

با تولید حباب هوا به میزان ۶٫۷ درصد، مقاومت فشاری بتن پس از ۳۰۰ سیکل یخ زدن و آب شدن به MPa ۷۵ کاهش یافته (مطابق استاندارد ۶۶۶ASTM C) و انبساط، کاهش وزن، و ضریب دوام آنها به ترتیب ۰٫۰۰۸، ۰٫۱۳ و ۹۷ درصد بوده است. نتایج آزمایش مقاومت آن در برابر سایش با استفاده از دستگاه دیسک گردان (۷۷۹ASTM C) پس از ۶۰ دقیقه سایش نشان میدهد که مقدار میانگین عمق سایش برابر با ۱٫۵ میلیمتر است. اندازه گیری میزان پوسته شدن در آزمایش یخ بندان با مواد یخ زدا (۶۷۲ASTM C) نشان می دهد که بعد از ۵۰ سیکل، هیچگونه پوسته شدنی به وجود نمی آید و پس از ۵۰۰ سیکل فقط مقدار کمی پوسته شدن به چشم می خورد. آزمایش نفوذ پذیری کلر در نمونه های با ۳ ماه سن (با ۳۶۰kg/m 3سیمان، ۷۶ kg/m 3دوده سیلیسی و نسبت آب به سیمان ۰/۲۷) در محلول ۳ درصد NaCl نشان می دهد که مقدار یون کلر جذب شده ۰٫۰۰۳ بوده است، این مقدار برای نمونه بتن کنترل با ۳۸۵ kg/m 3سیمان، نسبت آب به سیمان ۰٫۳۸ ، و بدون پوزولان) ۰۲۸/۰ بوده است. اما نمونه هایی که در معرض فشار آب برابر با ۴Mpa قرار داشته اند، عملا نفوذناپذیر بوده اند. در بتن با مقاومت بالا (Mpa ۷۰ یا بیشتر)، میزان عبور جریان الکتریکی از نمونه، در مدت ۶ ساعت، مطابق آزمایش استاندارد ۸۳-۲۷۷-AASHTO T ، در حدود ۱۰۰ تا ۱۰۰۰ کولن بوده است که در نتیجه، این بتن به عنوان بتن با نفوذپذیری بسیار کم شناخته میشود.

در سازه های با مقاومت زیاد، به علت مقدار سیمان زیاد آنها، ترک خوردگی حرارتی می تواند موجب مشکلات دوام شود. مطابق با استاندارد کمیته ۳۶۳ACI ، افزایش درجه حرارت برای هر ۱۰۰ kg/m 3سیمان، در حدود ۱۰ الی ۱۴ درجه سانتیگراد است. مطالعات اخیر ، نشان می دهد که در مرکز یک مکعب بتنی، به ابعاد ۱۲۲۰ میلیمتر، با ۵۶۰ kg/m 3 سیمان، افزایش درجه حرارت ۵۴ درجه سانتی گراد بوده است. به نظر می رسد که بتن با مقاومت زیاد دارای فوق روان کننده و حاوی مقدار زیادی سیمان و پوزولان با کیفیت خوب، در شرایطی که معیار اصلی، نفوذپذیری و دوام، و نه مقاومت باشد، از توانایی بالقوه ای برخوردار باشد.

این گونه بتنها، در کفهای کارخانجات صنایع شیمیایی، صنایع غذایی و عرشه پلهایی که در معرض شرایط سخت فیزیکی و شیمیایی واقعند، کاربرد دارند.

کاربردهای بتن پر مقاومت

تاکنون بیشترین استفاده از بتن با مقاومت زیاد در ایالات متحده، محدود به مناطق شیکاگو، نیویورک و هوستون بوده است. از شروع سال ۱۹۶۵، پس از ساخت بتن با مقاومت ۵۲ Mpa برای ستونهای برج کناره دریاچه، در منطقه شیکاگو، بیش از ۴۰ ساختمان بلند ساخته شده است. از سال ۱۹۷۲، برای ساخت ساختمانهای تجاری بیش از ۵۰ طبقه، استفاده از بتن با مقاومت MPa۶۰ عمومیت پیدا کرده است.

بیشتر بخوانید  بتن غلتکی | طرح اختلاط، روش ساخت، آزمایش و کاربرد

می توان ادعا کرد که با استفاده از مقاومت زیاد می توان ابعاد ستون ها را به حداقل رساند و در نتیجه زیبایی آنها نیز تامین گردد. بیست و هشت طبقه پایین یک برج آب ۷۹ طبقه، شامل ستون هایی با بتن با مقاومت Psi ۹۰۰۰ است. در سال ۱۹۸۲، از بتن به مقاومت Mpa۱۰۰ در ساختمان تجاری شیکاگو استفاده گردید. در سال ۱۹۸۹ ستونهای شش طبقه اول یک برج در شیکاگو، با بتن به مقاومت Mpa۹۶ حاوی دوده سیلیسی ساخته شد. این پروژه همچنین دارای یک ستون آزمایشی ساخته شده با بتن به مقاومت Mpa۱۱۷ بود. ساختمان پلازا در تورنتو، و ساختمان یونیون اسکویر در سیاتل به ترتیب دارای اعضای بتن آرمه ای به مقاومت۹۵ Mpaو ۱۲۰ Mpaمی باشند.

در سال ۱۹۷۹، ساختمان ۵۳ طبقه هتل پالاس در نیویورک اولین سازه ای بود که در ساخت آن از بتن با مقاومت زیاد (Psi ۸۰۰۰) استفاده گردید. از این بتن برای کاهش اندازه ستون ها استفاده می گردید. قبل از ساخت این ساختمان، که در آن از قاب بتنی با دال تخت استفاده شد، همواره در ساختمان های بیش از ۳۵ طبقه نیویورک، از قاب های سازه ای فولادی استفاده می شد. از بتن با مقاومت Psi ۸۰۰۰ با فوق روان کننده، در ساختمان ۴۶ طبقه ای در خیابان پارک استفاده گردید. این ساختمان، دارای هسته بتنی صلب و قاب بتن آرمه از نوع تیر و شاه تیر بود. از بتن با مقاومت زیاد، برای ساخت هسته و ستون های با قطر ۴۶ اینچ استفاده گردید. قاب بتنی ساختمان ۳۸ طبقه خیابان با استفاده از بتن با مقاومت Psi۸۵۰۰، همراه با فوق روان کننده، به منظور کاهش اندازه ستونها، ساخته شد.

ساختمان برج آب در شیکاگو واقع در آمریکا شیطان بزرگ
ساختمان برج آب در شیکاگو واقع در آمریکا شیطان بزرگ

ساختمان برج آب شیکاگو با ارتفاع ۸۵۹ فوت و ۲ اینچ از سطح خیابان، در واقع شهری در مبان یک شهر – شامل آپارتمانهای مسکونی، ادارات، مرکز خرید و هتل لوکس است. در این ساختمان، از هفت نوع بتن با مقاومت های مختلف استفاده گردیده است. از طبقات زیر زمین تا سقف طبقه بیست و پنجم، ستون ها از بتن با مقاومت ۹۰۰۰Psi استفاده شد. از طبقه بیست و پنجم به بالا، مقاومت بتن در ستون ها به تدریج از Psi۷۵۰۰ به ۲۰۰۰Psi کاهش یافت. در تولید مخلوط های بتن با مقاومت بالا، از مواد افزودنی کاهنده آب و خاکستر بادی استفاده گردید. دال های سقف، با بتن سبک سازه ای ۲۰۰۰Psi ساخته شدند، و این کار، وزن مرده دال را به اندازه بیش از یک سوم، کاهش داد. هزینه ساخت این ساختمان در حدود ۱۹۵۰ میلیون دلار بود، و در آن، از حدود ۱۶۰۰۰۰ یارد مکعب بتن و ۱۲۰۰۰ تن آرماتور استفاده گردید.

ساختمان ۷۵ طبقه تجاری تگزاس در هوستون (شکل زیر)، در سال ۱۹۸۰ ساخته شده است، و در آن مقدار ۹۴۰۰۰yd3 بتن مصرف شده که ۳۵ درصد آن بتن با مقاومت زیاد بوده است. کوک توجیه اقتصادی و انعطاف پذیری بتن با مقاومت زیاد را به شرح زیر بیان کرده است: برای ساخت پی گسترده ساختمان فوق، نیاز به ۱۵۲۰۰ yd3 بتن با مقاومت ۴۰ Mpa بوده است. پیمانکار سازنده این پی، در دو نوبت بتن ریزی، ابتدا ۸۳۰۰ yd3 بتن را در مدت ۱۵ ساعت، و بعد از دو هفته ۶۹۰۰ yd3 بتن را در مدت ۱۱ ساعت اجرا نموده است. برای ساخت قاب بتنی، دیوارهای برشی، ستونها و تیرها، تا طبقه هشتم از بتن ۵۲Mpa، از طبقه هشتم تا سی ام از بتن ۴۰Mpa ، از طبقه سی ام تا شصتم از بتن ۳۴Mpa، و از طبقه شصتم تا پشت بام از بتن ۲۸Mpa استفاده شده است.

همانطور که قبلا اشاره شد، مزیت استفاده از بتن با مقاومت زیاد، میزان حرارت هیدراتاسیون نسبتا کم، به ازای مقاومت واحد می باشد. بنابراین، در این نوع بتن ها، احتمال ترک خوردگی حرارتی کاهش می یابد. در سازه پل چورن جدید (New Tjorn) در سوئد ، که در سال ۱۹۸۱ ساخته شده است، برای اولین بار، از دوده سیلیسی متراکم، برای ساختن بتن با مقاومت زیاد استفاده شده است. عمده ترین هدف مصرف این ماده، کاهش حرارت هیدراتاسیون بوده است. براساس نظریه ریکنه و اسونسان :

علت اصلی استفاده از دوده سیلیسی، کاهش مقدار سیمان، بدون افت مقاومت می باشد. از آنجا که حجم بتن ریزی این پل زیاد بود، لذا کاهش مقدار سیمان بسیار اهمیت داشت. بتن با کیفیت بسیار مناسب K50)) به کار برده شده، دارای مقاومت مکعبی  بوده است. افزایش میزان سیمان موجب افزایش حرارت هیدراتاسیون می گردد که این امر موجب افزایش خطر ترک خوردگی می شود .

بتن ۵۰K دارای ۳۷۰kg/m3 سیمان ، ۳۷kg/m3  دوده سیلیسی ، ۷۵۸ kg/m3 مصالح سنگی  ریز دانه  (mm0- 8 )، و ۲۰۵ kg/m3 آب بوده است. در جاهایی که با مشکل مواجه بوده اند، از مواد کند گیر کننده نیز استفاده شده است. مقاومت میانگین ۶۲ Mpa بوده است. در اینجا، به علت استفاده از دوده سیلیسی، از مقدار سیمان کاسته شده است، و با استفاده از لوله های هوای سرد، که در بتن کار گذاشته شده اند، دمای بتن به میزان ۱۰ تا ۱۲ درجه سانتیگراد کاهش یافته است.

برج تجارتی تگزاس، در شهر هوستون آمریکا (شیطان بزرگ) در سال ۱۹۸۰
برج تجارتی تگزاس، در شهر هوستون آمریکا (شیطان بزرگ) در سال ۱۹۸۰

در این ساختمان ۷۵ طبقه، از حدود ۳۰۰۰۰ یارد مکعب بتن با مقاومت بالا در ساخت تیرهای اصلی، ستون ها، و دیوارهای برشی تا طبقه سی ام استفاده شد. ویژگی منحصر به فرد در مخلوط استفاده شده، بتن استفاده از خاکستر بادی با کلسیم زیاد است که سبب کاهش چشمگیر مقدار سیمان گردید.

مورد جالبی که هالند (Holland) ، در خصوص استفاده از بتن با مقاومت زیاد دارای دوده سیلیسی گزارش کرده این است که وی، دوام دراز مدت سایشی – فرسایشی بتن را بررسی کرده است. بتن الیافی حوضچه آرامش سد کینزوا پنسیلوانیا، به طور شدیدی فرسایش یافته و نیاز به بازسازی داشته است . مهندسان ارتش ایالات متحده در سال ۱۹۸۳ چندین مخلوط بتن را با انواع سنگدانه ها مورد آزمایش قرار دادند. آنان، با انجام آزمایش های ابتکاری، به منظور جمع آوری اطلاعاتی در مورد فرسایش – سایش بتنهای دارای فوق روان کننده با نسبت آب به سیمان کم و دارای دوده سیلیسی، به این نتیجه رسیدند که این بتن ها فرسایش بسیار کمتری را از خود نشان میدهند . برای بازسازی سد، او حدود yd 3۲۵۰۰ بتن دارای Ib/yd 3۶۵۷سیمان تیپ ۱، Ib/yd 3  ۱۱۸دوده سیلیسی (۱۸ درصد وزنی سیمان)، ۱۳۸۳ Ib/yd 3ماسه ۱۶۳۸ Ib/yd 3سنگ آهک شکسته، ۲۱۹ Ib/yd 3 آب (نسبت آب به (سیمان + دوده سیلیسی)، برابر با ۰٫۲۸۳) استفاده شده است. اسلامپ بتن تازه، در حدود in۹ و مقاومت نمونه های استوانه ای در سنین ۲۸ و ۹۰ روزگی، به ترتیب Psi ۱۳۰۰۰ و ۱۵۰۰۰ بوده است. شایان ذکر است که یکی از دلایل استفاده روزافزون از بتن با مقاومت زیاد، دوام آن در برابر آب دریا و اقیانوسها (به عنوان عامل مخرب) است.

دیدگاهتان را بنویسید

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

Share via
Copy link
Powered by Social Snap