بتن با کارایی زیاد: طرح اختلاط، روش ساخت و کاربردهای بتن با کارایی بالا

بتن با کارایی زیاد که با نام بتن کارپذیر نیز شناخته می‌شود، بتنی با روانی مناسب است که انرژی کمی برای قالب ریزی و متراکم شدن نیاز دارد و در هنگام انتقال دچار جداشدگی و آب‌اند اختگی نمی شود. در این مقاله از رامکا بلاگ قصد داریم طرح اختلاط، خواص و ویژگی‌ها و همچنین کاربردهای این نوع بتن را بیان کنیم.

 بتن با کارآیی زیاد (بتن کارپذیر)

براساس تعریف استاندارد، بتن با کارایی زیاد، بتنی با روانی مناسب (اسلامپ ۷ تا ۹ اینچ) است که بدون نیاز به اعمال انرژی و یا با انرژی کم، قابلیت جای دادن و متراکم شدن را دارد و چسبندگی آن به‌اند ازه‌ای است که در حین انتقال، جداشدگی دانه‌ها و یا آب‌اند اختگی در آن رخ نمی دهد.

مهندسان و معمارانی که از بتنهای با کارایی زیاد به منظور حصول مقاومت زیاد یا کارایی زیاد، استفاده کرده‌اند ، معتقدند که مزایای بتنهای دارای فوق روان کننده، زمینه‌ای جدید در صنعت ساختمان به وجود آورده است که براساس آن می‌توان استفاده از بتن را در سازه‌های با طراحی پیچیده گسترش داد.

بتن با کارآیی زیاد، کاربردهای فراوانی دارد. مواد افزودنی فوق روان کننده ، گرچه به دلیل گران بودن، هزینه مخلوط بتن را افزایش می‌دهد، اما با صرفه جویی در هزینه کارگر، افزایش هزینه فوق جبران می‌شود، زیرا ریختن و متراکم کردن این نوع بتن‌ها به راحتی انجام می‌گیرد و در آنها، زمان کمتری برای بتن ریزی صرف می‌شود.

مزایای بتن با کارایی زیاد

هیولیت و ریکسوم ( Hewlett & Rixom ) ، مزایای احتمالی استفاده از بتن روان را به شرح زیر خلاصه کرده‌اند:

• برای بتن ریزی در قالبهایی که آرماتور زیاد و نزدیک به هم دارند و نیز در جاهایی که بتن ریزی مشکل است، در صورت استفاده از بتن روان، نیاز به بریدن قالب و یا تغییر قالب برای امکان پذیر کردن ویبره نمی باشد.
• برای بتن ریزی با سرعت زیاد و آسان و بدون استفاده از ویبره، برای بتنهای دال‌های کفها، اسکله‌ها و دیگر سازه‌ها امکان پذیر است.

در صبح روز جمعه ۱۸ ژانویه ۱۹۸۰، یک کامیون با پل قوسی فولادی، که در آن زمان ۲۰ سال سن داشت، تصادف میکند و عرشه دهانه قوسی به درون آب سقوط می‌کند. از آنجا که پل شکسته شده مهمترین خط ارتباطی بین دو جزیره بود، سریعا به یک پل جدید نیاز وجود داشت. در ژوئن همان سال، قرار داد ساخت پل کابلی ۶۵۴ متری، با تیرهای اصلی به ارتفاع ۱۰۰ متر و مقطع۴*۴٫۵ متر، بسته شد.

برای کاهش خطر ترک خوردگی حرارتی در سازه حجیم پل با بتن ۵۰Mpa(مقدار زیاد سیمان)، بخشی از سیمان با دوده سیلیسی جایگزین گردید و کاهش بیشتر حرارت با عبور دادن هوای سرد از میان لوله‌های مدفون شده در بتن حاصل گردید.

مدت زمان بسیار کوتاه ساخت، یعنی ۱۵ ماه، توجه جهانیان را به خود جلب کرد، زیرا زمان معمولی برای ساخت چنین سازه‌ای حدود دو برابر مدت مذکور بوده است.

طرح یک مسأله: آیا می‌توانید در وسط هیچ کجا، با یک هزینه قابل قبول، یک پایانه دریایی بسازید که گنجایش زیادی داشته باشد، نیاز کمی به تعمیر داشته باشد، سریع، ساخته شود، برای شرایط عمق زیاد آب و خاک ضعیف مناسب باشد، حتی با شرایط جزرومد به طور خودکار، تطابق پیدا کند، و به راحتی قابل جابه جایی به محل دیگر باشد؟

راه حل: مقاطع بتن پیش تنیده شناور اسکله را با مصالح موجود، در قسمت خشکی لنگرگاه، بسازید و سپس این مقاطع را به پایانه شناور انتقال داده و نصب کنید. مورد واقعی برای ساحل والدز در آلاسکا یک پایانه شناور به ابعاد ۷۰۰x۱۰۰ فوت نیاز بود. در ۱۶۰۰ مایل دورتر، یعنی در تاکوما در ایالت واشنگتن ایالات متحده، ۲ مقطع بتنی به ابعاد ۱۰۰×۳۵۰ فوت، با استفاده از ۴۶۸ پانل بتنی پیش تنیده ساخته شد. این پانلها، به عنوان قالب برای بتن در جای با مقاومت زیاد استفاده گردید. بتن در جا دارای ضخامت ۱۲ اینچ بود. علاوه بر آن، ۲۶۶ پانل دیواری بتنی نیز ساخته شد. بنابراین، در مجموع ۷۰۰ واحد پیش ساخته، تهیه شد. این سازه در نوع خود بی نظیر است.

• پمپاژ سریع بتن، امکان پذیر می‌شود.
• بتن ریزی با استفاده از ترمی (سیستم قیف و لوله) امکان پذیر می‌شود.
• امکان تولید سطوح بتنی یکنواخت و متراکم فراهم می‌شود.

طرح اختلاط بتن با کارایی زیاد

با استفاده از ابر روان کننده به آسانی می‌توان کارایی بتن را افزایش داد. برای مثال، با استفاده از این مواد اسلامپ ۵۰ تا ۷۵ میلیمتر به اسلامپ ۱۷۵ تا ۲۳۰ میلیمتر افزایش می‌یابد. با این وجود، برای آن که اسلامپ در حین انتقال کاهش نیابد، نیاز به دقت در نسبتهای اختلاط می‌باشد.

هیولیت و ریکسوم پیشنهاد کرده‌اند که بهترین نقطه شروع آن است که نسبت اختلاط بتن را برای پمپاژ طرح کنیم. طرح اختلاط معمولی، که در تعیین نسبت‌های اختلاط بتن ارائه شد، برای تعیین کمیت مصالح مناسب است ولی لازم است که مقاومت مشخصه، در این حالت براساس اسلامپ ۷۵ میلیمتر به دست آید. برای آن که از جداشدگی سنگدانه‌ها بر اثر استفاده از فوق روان کننده ها، جلوگیری شود آسانترین روش، افزایش مقدار ماسه و کاهش شن به مقدار ۴ تا ۵ درصد است. در صورت بزرگ بودن‌اند ازه ماسه، نسبت ماسه به شن را باید به نحوی تنظیم نمود که مقدار ماسه تا حدود ۱۰ درصد افزایش یابد.

نسبتهای اختلاط بتن روان که بر مبنای تحقیقات گبلر (Gebler) در آزمایشگاه تکنولوژی ساخت انجمن سیمان پرتلند به دست آمده است، در جدول زیر نشان داده شده است.

*)مقدار هوا، در بتن تازه بین ۵٫۸-۶٫۷ درصد، و در بتن سخت شده حدود ۴ درصد بوده است.

** ) مواد افزودنی به صورت محلول هستند ولی نسبت مزبور، به صورت درصدی از وزن ماده جامد به وزن بتن ذکر شده است.

بیشتر بخوانید: کرموشدگی بتن

خواص و ویژگی بتن با کارآیی زیاد

خصوصیات مخلوط بتن تازه و بتن سخت شده، در بتن‌های روان دارای فوق روان کننده، در مقایسه با مخلوطهای بتن کنترل (جدول زیر)، در زیر خلاصه شده است:

1.  هنگامی که فوق روان کننده‌های ملامین سولفونات و نفتالین سولفونات به مخلوط بتن کنترل با اسلامپ ۷۵ میلیمتر اضافه شوند، اسلامپ بتن به میزان ۲۱۵ تا ۲۳۰ میلیمتر افزایش می‌یابد، با این وجود، مخلوطهای دارای فوق روان کننده پس از ۳۰ تا ۶۰ دقیقه به اسلامپ اولیه خود بر میگردند. در شرایط یکسان، بتن کنترل با اسلامپ زیاد بدون مواد کاهنده آب، میزان افت اسلامپ بسیار کمتری دارد.
2. اطلاعات ارائه شده در جدول زیر نشان میدهد که بتن‌های دارای فوق روان کننده (مخلوط‌های ۳ و ۴)، در مقایسه با بتن با اسلامپ زیاد (مخلوط ۲)، فقط مقدار کمی جداشدگی سنگدانه و آب‌اند اختگی داشته‌اند . بتن با اسلامپ کم با نسبت آب به سیمان معادل مخلوط ۱ در مقایسه با بتن‌های دارای فوق روان کننده ها، زمان گیرش بیشتری داشته است.

3. مقاومت فشاری و خمشی مخلوطهای بتن دارای فوق روان کننده (۳ و ۴)، در مقایسه با بتن کنترل با اسلامپ ۷۵ میلیمتر (مخلوط ۱)، تفاوت چندانی نداشته است.

4.  هر چند که در بتن دارای فوق روان کننده، بلافاصله پس از مخلوط کردن مقدار هوا ۶ درصد است، اما بعد از افت اسلامپ مقدار هوا به ۴ درصد تقلیل می‌یابد و ضریب فاصله به ۰٫۲میلیمتر (در مقایسه با ۰٫۱۵ میلیمتر در مخلوط کنترل) افزایش می‌یابد. نمونه‌های بتنهای دارای فوق روان کننده، که توسط میله استاندارد متراکم شده‌اند ، در مقابل ۳۰۰ سیکل یخ زدن – آب شدن دوام خوبی داشته‌اند ، اما نمونه‌هایی که با ویبره خارجی متراکم شده‌اند ، دوام کمتری در مقابل سیکلهای یخ زدن – آب شدن داشته‌اند . بتنهای روان دارای فوق روان کننده، در برابر نفوذ یون کلراید و پوسته شدن ناشی از مواد یخ زدا، عملکرد موفقی داشته‌اند .

5.  بتن‌های دارای فوق روان کننده، در مقایسه با بتن با اسلامپ ۷۵ میلیمتر (با نسبت آب به سیمان معادل) تفاوتی از نظر جمع شدگی ناشی از خشک شدن نشان ندادند. با این وجود، در مقایسه با بتن کنترل با اسلامپ ۲۳۰ میلیمتر (و کارآیی معادل)، جمع شدگی ناشی از خشک شدن بتن دارای فوق روان کننده کمتر بود.

 

کاربردهای بتن با کارایی زیاد

پی گسترده سامان ۳۷ طبقه را در فلزسیتی در سنگاپور، شامل yd ³۱۴۳۰۰ بتن با مقاومت ۳۴Mpa و اسلامپ ۱۰in بود که طی مدت ۴۳ ساعت در دمای محیطی ۸۵ تا ۹۰ درجه فارنهایت، ریخته شده است (شکل زیر). بتن مورد نیاز، از سه کارخانه بتن آماده، که دوتای آنها ۲۵ دقیقه و دیگری ۴۵ دیگه از محل ساختمان فاصله داشتند، آورده شده‌اند . بتنها دارای فوق روان کننده، با افت اسلامپ کم و اسلامپ ۰in تا ۱۰ بودند که در هوای گرم ریخته شده‌اند . نحوه ساخت این سازه‌ها با استفاده از بتن دارای فوق روان کننده به شرح زیر میباشد:

این ساختمان، بلندترین ساختمان بتنی آسیا است که اعضای بتنی پرفولاد آن، با استفاده از مخلوط های  بتن روان، حاوی فوق روان کننده و دیرگیر کننده، در دمای زیاد محیط تا ۳۲ درجه سانتی گراد ساخته شده است.

توزیع بتن در تمام قسمتهای پی گسترده، بدون پمپاژ و با یک روش واحد صورت گرفت. برای آماده سازی کار برای بتن ریزی، سه جعبه با دریچه کنترل دستی، مابین سطح خیابان و بالای گسترده ساخته شد. دو عدد لوله PVC با قطر in ۱۲ از سطح جاده، به هر یک از این جعبه‌ها متصل شده و از طریق دریچه هر جعبه، با یک ناودانی به پی راه داشت، هنگامی که کامیونها از کارخانه بتن آماده به محل کار می‌رسیدند، مستقیما بتن را در داخل لوله‌ها خالی می‌کردند. بتن درون جعبه‌های توزیع ریخته می‌شد و توسط کارگران، با باز و بسته کردن دریچه ها، به هر کجا که نیاز بود هدایت میشد.

با آن که پی دارای آرماتورهای زیادی بود ولی بتن، بدون پمپاژ و تقریبا بدون ویبره، به راحتی به تمام قسمتهای پی گسترده، جاری می‌شد و علی رغم آنکه دمای محیط ۲۹-۳۲ درجه سانتی گراد بود، در این بتن از یخ استفاده نشد.

بتن با مقاومت زیاد، کارایی زیاد و دارای فوق روان کننده و حاوی یک تسریع کننده فاقد کلر، برای بتن ریزی در هوای سرد شهر نیویورک موفقیت آمیز بوده است. از این بتن، برای ساخت ساختمان ۶۸ طبقه برج ترامپ (Tramp Tower)  استفاده شده است، که این کار در برگیرنده پاره‌ای جنبه‌های نامتعارف بود:

۱۷ طبقه تحتانی این ساختمان، برای کاربری اداری طراحی شده است. در طبقات ۱۸ و ۱۹، از بتن به میزان کافی (yd³ ۳۰۰۰) استفاده شده است. این امر موجب آن شده است که یک پی گسترده به ابعاد متوسط ایجاد شود. دلیل این کار هم این بوده است که طبقه ۱۸، نسبت به طبقات زیرین عقب نشینی کرده و ستونهای طبقات مسکونی از روی آن شروع شده و تا طبقه ۶۸ ادامه یافته است. تمام وزن طبقات مسکونی، از طریق یک شالوده مستقر در فضا، به ستونهای خارجی طبقات اداری منتقل میشود.

در صورت عدم استفاده از بتن دارای فوق روان کننده با اسلامپ ۲۳۰ میلیمتر، ساخت اعضای بتن آرمه با آرماتورهای فشرده و متراکم ممکن است مقرون به صرفه نباشد. برای ساخت سازه فوق، زمان لازم برای انتقال بتن از کارخانه بتن آماده ۱ ساعت، برای تخلیه و جای دهی بتن ½ ساعت، و برای پرداخت دالها ۱ساعت بوده است. عملیات اجرایی بعضی از دالها، ستونها و دیوارهای برشی، در دمای ۸-  درجه سانتی گراد انجام گرفت، که با احتساب ضریب سرمایش ناشی از باد سرد، این دما به  ۱۸ – درجه سانتی گراد نیز می‌رسید. اما دمای بتن، با استفاده از بخار و آب جوش به ۱۶ افزایش یافت، مقاومت فشاری بتن مصرفی در ستونها و دیوارهای برشی MPa55و در سایر جاها MPa 40بوده است.

برج ترامپ ،بلند‌ترین ساختمان با قاب بتن آرمه در نیویورک سیتی است.اعضای بتنی پر فولاد این ساختمان ۶۸ طبقه ،با بتن با مقاومت زیاد ساخته شده‌اند .مخلوط بتن با کارایی زیاد حاوی مواد فوق روان کننده و تسریع کننده فاقد کلراید است.استفاده از تسریع کننده،به دلیل دمای کم محیط در هنگام ساخت است.

مثال قابل توجه دیگری که مزیت استفاده از بتن با مقاومت زیاد و کارایی زیاد را می‌رساند، ساخت منابع انبار نفت و سکوهای حفاری چاه‌های نفت است که از سال ۱۹۷۳ در دریای شمال در قسمت انگلستان و نروژ صورت گرفته است. این سازه از ترکیب اعضای پیش تنیده و بتن آرمه با آرماتور زیاد ساخته شده و در معرض شرایط غیر معمول قرار دارد. این سازه نه تنها در معرض خوردگی ناشی از آب دریا، بلکه در مقابل بارهای غیر معمول امواج نیز قرار داشته است.

گرویک و هانگتستاد (Gerwick & Hognestad)، طراحی و اجرای اولین سازه یک پروژه، به نام اکوفیسک یک (I Ekofisk) را به عهده گرفتند. این سازه، شامل مخزن مرکزی نفت به ابعاد ۴۵m² و ۷۰ متر ارتفاع بود. این مخزن، در پلان دارای ۹ برجستگی بود. علت این امر نیز آن بود که شکل انتخاب شده، حداکثر مقاومت را در دیوارهای با ضخامت ۰٫۵ mبه وجود آورد. یکی از ویژگیهای منحصر به فرد این پروژه، بتن موج شکن آن بود (شکل زیر)، که طوری طراحی گردیده بود که در مقابل فشارهای حاصل از امواج مقاومت کند. از مخلوط بتن با نسبت آب به سیمان کم، و مقدار سیمان زیاد (مقاومت فشاری ۷۰-۶۰ Mpa )، برای ساخت حلقه‌های پیش ساخته و غیر مسلح موج شکن استفاده شد.

شرکت پیمانکاری نروژی، طرح متفاوتی را برای ساخت ۷ سکه از ۱۵ سکو در دریای شمال ارائه کرده بود. این سکوها به سکوهای کاندیپ (Condeep) معروفند. سکوهای مزبور، از ۱۹ یا ۲۴ جایگاه مخزن نفت تشکیل شده و بر روی سطح دریا قرار گرفته‌اند . ۳ یا ۴ تا پایه، عرشه سکو را نگه میدارند. تصویر بزرگترین سکوی کاندیپ، به نام استاتفیورد “ب” (Statfjord B) ، با ۱۸۰۰m² سطح پایه، که کل بتن مصرفی در آن ۱۴۰۰۰۰m³ بود و ساخت آن در سال ۱۹۸۱ به اتمام رسید، در شکل  نشان داده شده است.

بعضی از اطلاعات در مورد کیفیت بتن مصرفی در قدیمی‌ترین و جدید‌ترین سکوهای نصب شده کاندیپ، یعنی بریل” (Beryl A) و استاتفیورد س (Statfjord C)، در جدول بالا ارائه شده است. این اطلاعات، براساس گزارش مکسنِس (Moksnes) تنظیم شده است. نگارنده مدارک جالبی ارائه داده است که نشان می‌دهد که چگونه ارتباط نزدیک بین مهندس پروژه و تولید کننده مصالح، موجب کاهش هزینه ساخت می‌شود.

در ژوئیه ۱۹۷۹ مطالعات به عمل آمده بر روی قالب لغزنده مخزن نفت استاتقیورد “ب” نشان داد که مصرف سیمان نوع II (مطابق با استاندارد ASTM)، (با ۵ / ۵ درصد C3A و ۳۳۰m²/kg سطح مخصوص ذرات) و استفاده از نسبت‌های مخلوط به کار رفته برای ساخت بتن، موجب حداکثر سرعت حرکت قالب لغزان، یعنی حدود ۲m در روز می‌شود. برای قالب لغزنده پایه سکو، لازم بود که این میزان، به ۳ متر در روز افزایش یابد. این کار با افزایش نرمی ذرات سیمان به ۴۰۰m²/kg حاصل گردید، و البته زمان گیرش نیز از  5/9 ساعت به ۵/۷ ساعت تقلیل یافت (برای بررسی، از آزمایش مقاومت در برابر نفوذ، مطابق استاندارد ASTM 430C استفاده شد. برای ساخت پایه سکوهای پروژه‌های استاتفیورد استاندارد ۴۰۳ اس ، از سیمان ریزتری استفاده شد.

در سال ۱۹۷۱، مهندسان با سؤال زیر روبرو شدند: چگونه می‌توان در آب با عمق ۷۰ متر در وسط دریای شمال (در ۱۷۰ کیلومتری سواحل نروژ)، جزیره‌ای به مساحت ۲ جریب ساخت که مخازن ذخیره نفت به ظرفیت یک میلیون بشکه (۱۵۹۰۰۰ متر مکعب) را در خود جای دهد؟ نیاز بود که سازه، بارهای غیر معمول شامل m²/ ton ۶۰ فشار ناشی از موج طرح ۱۰۰ ساله به ارتفاع ۲۴ متر را تحمل کند. اکو فیسک یک (نشان داده شده در شکل) اهداف فوق را تامین کرد. این پروژه، در ژوئن ۱۹۷۳ به اتمام رسید. این سازه بتنی پیش تنیده دارای حدود ۹۰ متر ارتفاع است و بر روی یک پایه صلب دایره ای، به قطر حدود ۹۹ متر قرار گرفته است.

یکی از اعضای قابل توجه سازه، یک موج شکن متخلخل است که برای تحمل انرژی امواج و عملی کردن آن طراحی شده است. ۸۶۳۴ سوراخ موج شکن، حلقه‌هایی پیش ساخته‌اند و بدون فولاد به قطر ۰٫۳ تا ۱٫۳ متر هستند. مخلوط بتنی که برای دیوارهای مخازن، با استفاده از قالب لغزنده استفاده شد دارای مقاومت فشاری ۲۸ روزه برابر با ۲۳Mpa بود. قطعات موج شکن، با یک مخلوط بتن قویتر (۶۲-۶۹ Mpa) ساخته شدند تا مقاومت فرسایشی آنها زیاد باشد. سازه ابتدا در روی ساحل ، پیش ساخته شد و در قسمت خشکی لنگرگاه مونتاژ و سپس با کشتی‌های پر قدرت با توان ۴۰۰۰۰ اسب بخار، به مسافت ۴۸۰ کیلومتر یدک کشی شد.

مقایسه بین نسبتهای مخلوط بتن در بریل “آ ” و استاتفیورد “س” (جدول بالا) نکات جالبی را به ما نشان میدهد. اولا اعمال مواد افزودنی فوق روان کننده در Statljord C سبب افزایش قابل توجه کارآیی (اسلامپ mm ۲۲۰، در مقایسه با اسلامپ mm ۱۲۰ در بتن Beryl A، که با استفاده از ماده معمولی کاهنده آب به دست آمده است) گردید. ثانیا تأثیر توام استفاده از درشت دانه‌های با حداکثر‌اند ازه سنگدانه کوچکتر، و کارآیی (قابلیت تراکم) بهتر سبب افزایش مقاومت فشاری بتن استانفورد “س” ، به میزان ۱۳ درصد گردید. البته مصرف فوق روان کننده، سبب کاهش زیاد میزان مصرف سیمان گردید. روشن است که در سازه‌های حجیم، کاهش مقدار سیمان به میزان  ۵۰، اثر مفیدی، هم بر روی هزینه و هم بر روی احتمال خطر ناشی از ترک خوردگی حرارتی دارد.