بتن سبک سازه ای: طرح اختلاط، مشخصات، کاربرد و خواص

بتن سبک سازه ای نوعی بتن با وزن مخصوص کمتر از وزن مخصوص بتن معمولی است. حداکثر وزن مخصوص این بتن‌ها که از سنگدانه‌های سبک‌تر ساخته شده‌اند، معمولاً بین ۱۴۰۰ تا ۱۹۰۰ کیلوگرم بر متر مکعب است. حداقل مقاومت فشاری تعریف شده برای آن‌ها نیز طی ۲۸ روز برابر با ۱۷ تا ۲۸ نیوتن بر میلی‌متر مربع، بر اساس شرایط زمین‌شناسی محیط تعریف شده است. اگر در جستجوی این هستید که بدانید ساز و کار، خواص و ویژگی‌ها، طرح اختلاط، کاربرد و روش‌های کنترل کیفیت این نوع بتن‌ها در چیست، تا انتهای این مقاله از بلاگ رامکا همراه ما باشید.

بتن سبک سازه ای

آیین‌نامه ACI 213R-87 تحت عنوان «راهنمایی برای بتن سازه‌ای با سنگدانه‌های سبک»، این نوع بتن را چنین تعریف می‌کند:

«بتن سازه‌ای با سنگدانه‌های سبک، بتنی است که مقاومت فشاری ۲۸ روزه آن بیش از ۱۷ مگاپاسکال بوده و وزن مخصوص خشک شده در هوای آن، بیش از ۱۸۵۰ کیلوگرم بر متر مکعب نباشد.»

بتن ممکن است از سنگدانه‌های سبک یا مخلوطی از سنگدانه‌های معمولی و سبک ساخته شود. به منظور پاسخگویی به نیازهای کارایی و دیگر خصوصیات، در عمل از ماسه و مصالح سنگی ریزدانه معمولی استفاده می‌شود. حداکثر اندازه سنگدانه‌های سبک به ۲۰ میلی‌متر محدود شده است. مطابق ASTM C 330 حداکثر وزن مخصوص خشک مصالح سنگی سبک ریزدانه و درشت‌دانه، به ترتیب ۱۱۲۰ و ۸۸۰ کیلوگرم بر متر مکعب است.

در این آیین‌نامه، مشخصات دیگری مانند: دانه‌بندی، مواد زیان‌آور و خواص سنگدانه‌های موجود در بتن ساخته شده، نظیر مقاومت، وزن مخصوص جمع‌شدگی ناشی از خشک‌شدن و دوام بتن حاوی سنگدانه ارائه شده است. مقادیر مقاومت فشاری و کششی و وزن مخصوص بتن سازه‌ای سبک، مطابق استاندارد ASTM-C330 در جدول زیر آورده شده است:

حداکثر وزن مخصوص در سن ۲۸ روزگی (بر حسب kg/m3)	حداقل مقاومت کششی در سن ۲۸ روزگی (بر حسب MPa)	حداقل مقاومت فشاری در سن ۲۸ روزگی (بر حسب MPa)
در صورت استفاده از سنگدانه‌های سبک	در صورت استفاده از سنگدانه‌های سبک	در صورت استفاده از سنگدانه‌های سبک
۱۷۶۰	۲٫۲	۲۸
۱۶۸۰	۲٫۱	۲۱
۱۶۰۰	۲٫۰	۱۷
در صورت استفاده از ماسه معمولی و سنگدانه‌های سبک	در صورت استفاده از ماسه معمولی و سنگدانه‌های سبک	در صورت استفاده از ماسه معمولی و سنگدانه‌های سبک
۱۸۴۰	۲٫۳	۲۸
۱۷۶۰	۲٫۱	۲۱
۱۶۸۰	۲٫۱	۱۷

طرح اختلاط بتن سبک سازه ای

استفاده از روش طرح اختلاط حجم مطلق – که اساس روش ACI برای مخلوط‌های بتنی با وزن معمولی را تشکیل می‌دهد – برای طرح اختلاط بتن سبک مناسب نیست. دلیل آن هم این است که:

• اولاً در آن نمی‌توان از رابطه بین مقاومت و نسبت آب به سیمان استفاده کرد، زیرا مقدار آبی که جذب سنگدانه می‌شود، قابل اندازه‌گیری نیست.
• ثانیاً علاوه بر این‌که قسمتی از آب (۱۰ تا ۲۰%) جذب سنگدانه‌های متخلخل می‌شود، عمل جذب آب بعضی از آن‌ها نیز چندین هفته به طول می‌انجامد. بنابراین، تخمین واقعی رطوبت، بر اساس حالت اشباع با سطح خشک (SSD) و وزن مخصوص انبوهی SSD بسیار مشکل است. همچنین، برخلاف سنگدانه‌های با وزن معمولی، وزن مخصوص انبوهی سنگدانه‌های سبک با تغییر دانه‌بندی تغییر می‌کند.

کارایی بتن تازه‌ای که از سنگدانه‌های سبک ساخته شده، به توجه خاصی نیازمند است، زیرا سنگدانه‌ها در مخلوط‌های با قوام زیاد تمایل به جدا شدن دارند و در سطح بتن شناور می‌شوند. برای جبران این ضعف، اغلب لازم است حداکثر اسلامپ محدود شده و از افزودنی حباب‌ هوا ساز بتن (قطع نظر از افزایش دوام بتن در برابر خطر یخ‌زدگی) استفاده شود. در این مواقع، اغلب نیاز به افزودن ۵ تا ۷% ماده حباب هوا‌ساز است تا بدون اینکه جداشدگی سنگدانه‌ها و آب‌انداختگی ایجاد شود، مقدار آب مخلوط کاهش یافته و اسلامپ مورد نظر به دست آید. در نتیجه، در مشخصاتی که برای مهندسان سازه ارائه می‌شود، معمولاً حداقل مقادیر مجاز مقاومت فشاری، حداکثر مقادیر وزن مخصوص، اسلامپ، حداقل و حداکثر مقدار حباب هوا ذکر می‌شود.

در طرح اختلاط بتن، مقاومت فشاری بتن حاوی سنگدانه‌های سبک، به مقدار سیمان و اسلامپ آن مرتبط است و نسبت آب به سیمان، معیار طراحی نیست. در بسیاری موارد، با ثابت نگه ‌داشتن مقادیر سیمان و آب و کاهش اندازه سنگدانه‌ها تا حد امکان یا با جایگزین کردن مقداری از ماسه سبک با ماسه طبیعی مناسب، می‌توان مقاومت فشاری را افزایش داد.

رابطه تقریبی بین مقاومت فشاری و مقدار سیمان بتن حاوی ماسه سبک، مطابق ACI-213R-79 در جدول زیر ارائه شده است. باید توجه کرد در صورت جایگزین کردن تمام سنگدانه‌های سبک با ماسه طبیعی، وزن مخصوص بتن تا ۱۶۰ کیلوگرم بر متر مکعب افزایش می‌یابد، بدون آن‌که مقاومت فشاری آن تغییر کند.

مقاومت فشاری (MPa)	مقدار سیمان (kg/m3)	مقدار سیمان (kg/m3)
–	تمام سنگدانه‌ها از نوع سبک	ترکیبی از ماسه و سنگدانه سبک
۱۷٫۲۴	۲۴۰-۳۰۵	۲۰۴-۳۰۵
۲۰٫۶۸	۲۶۰-۳۳۵	۲۵۰-۳۳۵
۲۷٫۵۸	۳۲۰-۳۹۵	۲۹۰-۳۹۵
۳۴٫۴۷	۳۷۵-۴۵۰	۳۶۰-۴۵۰
۴۱٫۳۷	۴۴۰-۵۰۰	۴۲۰-۵۰۰

در مورد بعضی سنگدانه‌های سبک، می‌توان از روش حجمی ارائه شده در ۲۱۱٫۱ ACI بهره جست. با این روش از طرح اختلاط بتن بر مبنای آزمایش و خطا، می‌توان به کارایی مناسب بتن تازه و خصوصیات فیزیکی مورد نیاز دست یافت. مناسب‌ترین روش این است که ابتدا حجم مساوی از شن و ماسه در نظر گرفته شود و در راستای به حداقل رساندن پدیده جداشدگی سنگدانه‌ها و اسلامپ مورد نظر، نسبت‌های شن و ماسه مجدداً تنظیم شود. در مواردی که به طرح اختلاط با دقت زیاد نیاز باشد، می‌توان به استاندارد ۲۱۱٫۲ ACI تحت عنوان «توصیه‌هایی برای انتخاب نسبت‌های بتن سازه‌ای سبک» مراجعه نمود.

سنگدانه‌های مورد استفاده در بتن سبک

 سنگدانه‌هایی که طبق استاندارد ASTM–C330 برای ساخت بتن‌های سبک سازه‌ای استفاده می‌شود، عبارتند از:

• شیل، رس و اسلیت منبسط شده در فرایند کوره دوار
• فرایند تفتیدن
• سرباره‌های منبسط شده
• پوکه‌های معدنی
• پوکه‌های صنعتی
• خاکستر بادی تفتیده

تأمین مقاومت فشاری معادل ۲۷ نیوتن بر میلی‌متر مربع و بیشتر با بعضی از این سنگدانه‌ها امکان‌پذیر است. شرایط سایر سنگدانه‌ها نیز به گونه‌ای است که قادر به حصول حداقل مقاومت فشاری مقرر شده برای بتن سبک سازه ای (۱۷ نیوتن بر میلی‌متر مربع) هستند.

همان‌طور که پیش از این گفته شد، مقاومت بتن‌های دانه سبک، تابعی از جرم مخصوص آن‌ها است. باید توجه داشت جرم مخصوص بتن عمدتاً متأثر از جرم مخصوص سنگدانه مصرفی است، به‌گونه‌ای که استفاده از مصالح سبک‌تر، موجب کاهش وزن مخصوص بتن خواهد شد، ولی استفاده از مصالح سنگین‌تر، لزوماً موجب افزایش مقاومت بتن ساخته شده نخواهد شد.

بیشترین مقاومت برای بتن با استفاده از شیل، رس و اسلیت منبسط شده در فرایند کوره دوار به دست می‌آید. در ساخت و تولید این سنگدانه‌های مخصوص، مصالح خام مورد استفاده باید دارای خاصیت انبساط و شیشه‌ای شدن (همجوش شدن) در اثر حرارت ذوب باشند. در این فرایند، رس خام یا دیگر مصالح مذکور، از انتهای فوقانی یک کوره دوار داخل کوره می‌شوند.

در خلال حرکت به سمت پایین در جداره استوانه کوره، تمام قسمت‌های آن در معرض حرارت شدید کوره قرار گرفته و در این حرارت شروع به ذوب شدن می‌کنند. بنابراین احتمال اینکه قسمتی یا حتی ذراتی از مصالح وارد شده به کوره دوار بدون جوشش از انتهای سیلندر کوره خارج شوند، منتفی است. در آماده‌سازی رس، شیل یا اسلیت خام برای حرارت دیدن و جوشیدن در کوره، پیش از ورود به محفظه حرارت کوره می‌توان جهت بهبود عملیات، مصالح را خرد کرد و آن‌ها را ضمن پیش گرم کردن مخلوط نمود، ولی اغلب این مصالح بر اساس اندازه‌های از پیش تعریف شده به ذراتی کوچک خرد می‌شوند، به‌گونه‌ای که پس از سوزاندن یا تکلیس، ذرات به دست آمده که همان سنگدانه‌های مصرفی هستند، دانه‌بندی با بزرگ‌ترین قطر اسمی مشخص را دارند.

حرارت دادن قطعات ریزشده در کوره دوار، منجر به تولید ذرات گردگوشه یا تقریباً گردگوشه با سطح ظاهری بدون درز و سطح کاملاً بسته و حفره‌های داخلی بزرگ می‌شود. به دلیل تشکیل حفره‌های درونی بزرگ، وزن مخصوص ظاهری هر یک از این ذرات، عموماً از وزن مخصوص آب کمتر است. مطابق شکل زیر، در فرایند تفتیدن برخلاف فرایند کوره دوار، مواد خام در یک شبکه ثابت یا متحرک کلسینه می‌شوند. البته در این زمان تحت شرایط مشخص، قسمت‌هایی از مواد خام موجود در شبکه که به صورت لایه‌ای روی هم قرار گرفته‌اند، به علت دور بودن از منبع حرارت به دمای مورد نظر نمی‌رسند.

بر این اساس، محصول فرایند تفتیدن عموماً به صورت ذرات کلوخه‌ای و ناصاف است که از دریچه خروجی تخلیه می‌گردد. ذرات ریزتر – شامل مصالح نجوشیده – به محل دپوی مصالح خام برمی‌گردند. مصالح کلینکر در صورتی‌ که از نظر هم‌جوشی مورد قبول باشند، به اندازه‌های مورد نظر دانه‌بندی می‌شوند. محصول خرد و دانه‌بندی شده، پس از حرارت دادن تبدیل به سنگدانه‌های گلوله‌ای با ظاهری زبر و ناصاف، با حفره‌های سطحی باز می‌شود که نشان‌دهنده ساختمانی بسیار حفره‌ای است. در این زمان، جذب آب مصالح گلوله شده کمتر از مصالح خرده شده خواهد بود.

در یک مخلوط بتن سبک که طرح اختلاط مناسبی دارد، میزان کارایی مخلوط ساخته شده با سنگدانه‌های شکسته، اختلاف چندانی با مخلوط ساخته شده از سنگدانه‌های گلوله‌ای ندارد. میزان کارایی و سهولت پرداخت بتن، غیر از نوع و جنس سنگدانه، به عوامل دیگری نظیر نسبت آب و سیمان، میزان هوا و اسلامپ (روانی) نیز وابسته است.

اصطلاح سرباره منبسط شده را می‌توان در مورد سرباره‌های سرد شده در هوا به کار برد که دارای مقداری تخلخل هستند، لیکن تخلخل آن‌ها آن‌قدر زیاد نیست که بتوان آن‌ها را در رده سنگدانه‌های سبک طبقه‌بندی نمود. جهت تولید سرباره متخلخل که وزن کمتری نسبت به نوع معمولی دارند، به دو روش عمل می‌شود:

• در روش اول، سرباره مذابی را که مستقیماً از کوره بلند به دست می‌آید، داخل یک ظرف آب می‌ریزند.
• در روش دوم، جریان سرباره مذاب و جریان آب را در یک نقطه تلاقی می‌دهند.

ترکیب آب و سرباره با استفاده از فناوری مکانیکی از یکدیگر جدا می‌شود. سرباره حاصل شده، ساختمانی به مراتب حفره‌ای‌تر و تخلخلی‌تر از نوع معمولی خواهد داشت. گرچه از این سرباره منبسط شده در ساخت بتن سبک سازه ای استفاده می‌شود، ولی مصرف عمده آن در ساخت بلوک‌های پیش‌ساخته سبک است.

برای تولید سنگدانه سبک از نوع خاکستر بادی تفتیده، خاکستر بادی را مرطوب کرده و آن را به صورت گلوله در می‌آورند. پس از خشک کردن اولیه گلوله‌های مرطوب، آن‌ها را همانند رس، شیل و اسلیت، درون کوره گردنده ریخته و تحت حرارت قرار می‌دهند. از آن‌جا که خاکستر بادی محصولی اضافی در نیروگاه‌ها است که حاوی ذرات سوخت‌هایی نظیر زغال‌سنگ است، استفاده از آن در تولید سنگدانه‌های سبک، روشی اقتصادی در دفع این محصول اضافی به ‌شمار می‌رود؛ بخصوص در شهرهای بزرگ نظیر پایتخت‌ها که اولاً تولید این نوع زباله‌های صنعتی زیاد بوده و در ضمن، دفع آن‌ها نیز توأم با مشکلات زیادی است.

پوکه صنعتی که به علت پیشرفت در صنایع و تجهیزات احتراقی در بعضی منابعِ محدود تولید می‌شود، دارای مصرف محدودی در ساخت بتن سبک سازه ای بوده و مصرف عمده آن‌ها در ساخت بلوک‌های بنایی بتنی است. بنابراین در این مورد نیز میزان بلوک‌های ساخته شده از پوکه صنعتی کمتر از بلوک‌های تولیدی از جنس شیل، رس و اسلیت منبسط شده است. پوکه‌های معدنی شامل سنگدانه‌هایی از جنس سنگ‌های آذرین متخلخل هستند که برای ساخت بتن سبک مناسبند. کاربرد این سنگدانه‌ها در ساخت بتن محدود است، چرا که استفاده از آن‌ها شامل تولید و مصرف، تنها در بعضی مناطق اقتصادی و به‌صرفه است.

خواص بتن سبک سازه ای

خواص بتن سبک سازه ای همچون کارایی، وزن مخصوص، مقاومت بتن، پایداری ابعادی بتن، دوام و ضریب انبساط حرارتی، به تشریح بررسی می‌شود:

کارایی بتن سبک سازه ای

خصوصیات بتن تازه ساخته شده با سنگدانه‌های سبک وزن و عوامل مؤثر بر آنها، همانند بتن با وزن معمولی است. در این نوع بتن‌ها، به دلیل کم بودن وزن مخصوص و خشن بودن بافت سنگدانه‌های متخلخل، بخصوص در مرحله گسیختگی، باید به کارایی بتن اهمیت زیادی داده شود. به‌ طور کلی، ریختن، تراکم و پرداخت بتن سبک نیاز به انرژی کمتری دارد و معمولاً اسلامپ ۵۰ تا ۷۵ میلی‌متر کافی است تا کارایی معادل اسلامپ ۱۰۰ تا ۱۲۵ میلی‌متر در بتن با وزن معمولی به دست آید.

در مورد مخلوط بتن‌های ساخته شده با سنگدانه‌های سبک، اسلامپ بالا و ویبره زیاد، عواملی است که موجب فرونشستن و دور شدن ملات سنگین‌تر از سطح بتن می‌شود. به این پدیده، «شناور شدن سنگدانه‌های درشت» می‌گویند و در آن، عمل شناور شدن سنگدانه‌ها برخلاف بتن با وزن معمولی است، زیرا در پدیده جداشدگی سنگدانه‌ها در بتن معمولی، ملات در سطح بتن ظاهر می‌شود.

طبق ACI 213R-79 برای پرداخت سطح کف‌های ساخته شده از بتن حاوی سنگدانه‌های سبک، حداکثر اسلامپ باید ۱۰۰ میلی‌متر باشد. در این مورد، کاهش اسلامپ برای سنگدانه‌هایی که به جذب آب ادامه می‌دهند، می‌تواند مشکل جدی ایجاد کند. برای کنترل این مشکل، می‌توان سنگدانه‌ها را در شرایط مرطوب نگه داشت.

بیشتر بخوانید: مشخصات سنگدانه‌های بتن

وزن مخصوص بتن سبک سازه ای

پس از کارایی، وزن مخصوص و مقاومت دو خاصیت مهم بتن سازه‌ای سبک هستند. اصولاً از مزایای هر مصالحی بالا بودن نسبت مقاومت به وزن مخصوص و پایین بودن هزینه بتن ساخته شده با آن مصالح است. آیین‌نامه‌ها، حداکثر وزن مخصوص خشک بتن را۱۸۴۰  کیلوگرم بر متر مکعب ذکر می‌کنند، ولی برای حداقل آن محدودیتی قائل نشده‌اند. با این وجود، تجربه نشان می‌دهد اگر حداکثر اندازه سنگدانه‌های 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 متر مربع – کمتر شود، وجود ندارد.

استفاده از ماسه معمولی برای کنترل خصوصیات بتن سخت شده باعث می‌شود وزن مخصوص آن افزایش یابد، اما مصرف ماده حباب‌هواساز سبب می‌شود وزن مخصوص تا اندازه‌ای کاهش یابد. در عین حال، ماده حباب‌هواساز کارایی بتن را افزایش می‌دهد. وزن مخصوص بیشتر بتن‌های سازه‌ای سبک بین ۱۶۰۰-۱۷۶۰  کیلوگرم بر متر مکعب است، ولی در بعضی موارد خاص، ممکن است این مقدار تا ۱۸۴۰ کیلوگرم بر متر مکعب نیز افزایش یابد.

 مقاومت بتن سبک سازه ای

معمولاً در طرح اختلاط، مقاومت فشاری ۲۸ روزه بتن ۳۰۰۰ -۵۰۰۰ پوند بر اینچ مربع (۲۰-۳۵ مگاپاسکال) در نظر گرفته می‌شود. بعضی کارخانه‌های قطعات پیش‌ساخته و پیش‌تنیده موفق شده‌اند، با استفاده از مقدار زیادی سیمان و سنگدانه‌های سبک کوچک و با کیفیت خوب (با حداکثر اندازه ۱۳-۹ میلی‌متر)، بتن‌هایی با مقاومت MPa ۴۰–۴۸ تولید کنند. امروزه با استفاده از سنگدانه‌های سبک با تخلخل‌های میکروسکوپی، بتنی با مقاومت ۷۵-۷۰ مگاپاسکال و وزن حدود ۲۰۰۰-۱۸۴۰ کیلوگرم بر متر مکعب تولید شده است.

اندازه‌گیری مقاومت کششی دو نیم شدن (مقاومت کششی برزیلی) با استفاده از نمونه‌های استوانه‌ای بتن (مطابق ASTM 496)، روشی برای اندازه‌گیری نسبی مقاومت کششی است. مطابق اطلاعات ارائه شده در جدول ویژگی‌های بتن سبک سازه ای، با افزایش مقاومت فشاری، نسبت مقاومت کششی به مقاومت فشاری بتن سبک، همانند بتن با وزن معمولی کاهش می‌یابد. مدول گسیختگی بتن سبک که در شرایط کاملاً مرطوب عمل‌آوری شده است نیز همین رفتار را از خود نشان می‌دهد.

نتایج آزمایش‌های انجام شده روی نمونه‌های خشک شده نشان می‌دهد رطوبت نمونه، یکی از عوامل دخیل این امر است. بررسی رفتار شکست از روی شکستن نمونه‌های بتن حاوی سنگدانه‌های سبک نشان می‌دهد برخلاف بتن معمولی، نقاط ضعیف در ناحیه انتقال نیست و در این حالت سنگدانه‌ها شکسته می‌شوند.

* در بتن حاوی سنگدانه‌های سبک، صفحه گسیختگی از ذرات سنگدانه‌های متخلخل می‌گذرد، زیرا هم ناحیه انتقال و هم خمیر سیمان قوی‌تر هستند. اما در بتن با وزن معمولی، ذرات سنگدانه‌ها توپر بوده و مقاومت زیادی‌ دارند، بنابراین معمولاً گسیختگی در ناحیه انتقال با توده خمیر سیمان رخ می‌دهد و سنگدانه‌ها گسیخته نمی‌شوند.

هالم (Holm) و همکارانش با انجام آزمایش ریزنگاری الکترونی روبشی نشان داده‌اند به دلیل واکنش پوزولانی، پیوند میان سنگدانه – خمیر سیمان در محل سنگدانه‌های سبک، قوی‌تر از خود ذرات سنگدانه است.

پایداری ابعادی بتن سبک

در توصیه‌نامه ۳۱۸ ACI-مدول ارتجاعی بتن با وزن معمولی یا بتن سازه‌ای سبک، از رابطه زیر به دست می‌آید:

E_c=33w^3/2*(f_c)^-2 psi

مقادیر مدول ارتجاعی که از رابطه فوق به دست می‌آید، ممکن است حدود ۱۵ تا ۲۰% با نتایج حاصل از آزمایش استاندارد ۴۶۹ ASTM C اختلاف داشته باشد. در آزمایش‌های انجام شده توسط شیدلر (Schideler)  روی بتن‌های حاوی سنگدانه‌های رسی منبسط شونده با مقاومت ۲۱ و ۴۱ مگاپاسکال، مدول ارتجاعی استاتیکی به ترتیب برابر با ۱۰^۶*۱٫۵ و ۱۰^۶*۲ مگاپاسکال به دست آمده است.

چنانچه ماسه معمولی جایگزین تمامی ماسه‌های سبک شود، مدول ارتجاعی، ۱۵ تا ۳۰% افزایش می‌یابد. تحقیقات آزمایشگاهی نشان می‌دهند کرنش نهایی فشاری بیشتر سنگدانه‌های سبک، کمی بیشتر از ۳ هزارمی است که در طراحی فرض می‌شود. بتن‌های دارای سنگدانه‌های سبک، در مقایسه با بتن با وزن معمولی، رطوبت بیشتری از خود عبور می‌دهند و جمع‌شدگی حاصل از خشک شدن و خزش بیشتری دارند. بدین‌ترتیب، جمع‌شدگی نهایی حاصل از خشک شدن آنها (معمولاً در حدود ۸۰۰*۱۰^-۶in/in) و خزش نهایی آنها (معمولاً در حدود ۱۶۰۰-۱۰^-۶in/in)، بیشتر از آن بتن با وزن معمولی است.

به نظر می‌رسد کم بودن مقاومت و مدول ارتجاعی، تأثیر بیشتری روی خزش، در مقایسه با جمع‌شدگی ناشی از خشک شدن دارد. تأثیر جایگزینی سنگدانه‌های سبک با ماسه معمولی روی خزش و جمع‌شدگی، در شکل زیر نشان داده شده است.

از آن‌جا که مقاومت کششی بتن سبک نسبتاً کم است (۳۰۰-۴۰۰Psi)، لذا انتظار می‌رود این نوع بتن‌ها تمایل زیادی به ترک‌خوردگی ناشی از جمع‌شدگی حاصل از خشک شدن داشته باشند، اما به دلیل کم بودن مدول ارتجاعی و زیاد بودن قابلیت انبساط بتن‌های سبک، این تمایل تا حدودی کاهش می‌یابد.

به نظر کولکا و پولیفکا (Kulka & Polivka)، خزش و جمع‌شدگی بتن سبک در سازه‌ها کمتر از مقادیر به دست آمده در آزمایشگاه است. برای مثال، در طراحی سازه یک پل با بتن‌های سبک، مقادیر جمع‌شدگی و خزش حدود ۱۵ تا ۲۰% به دلیل اثر اندازه عضو، ۱۰ تا ۱۵% به دلیل رطوبت محیط و ۱۵ تا ۲۰% به علت آرماتور کمتر است؛ به عبارتی مقادیر فوق، در مجموع حدود ۵۰% کاهش می‌یابند.

دوام بتن سبک سازه ای

مقاومت بتن سبک حباب هوادار در برابر سیکل‌های یخ زدن – آب شدن، مشابه مقاومت بتن با وزن معمولی است. ماده افزودنی حباب‌ هواساز بخصوص برای سنگدانه‌های نزدیک به اشباعی که در معرض یخ‌زدگی هستند، بسیار مفید است. فشار هیدرولیکی ناشی از انبساط آب در سنگدانه‌ها توسط حباب‌های موجود در ملات سیمان خنثی شده و در نتیجه از تخریب بتن جلوگیری می‌شود. تمایل به جذب زیاد آب در بتن‌های حاوی سنگدانه‌های سبکی که در محیط خشک قرار گرفته‌اند، به معنای نفوذپذیری زیاد آن‌ها نیست.

در واقع، نفوذپذیری بتن‌های سبک کم و دوام آن‌ها در مقابل محلول‌های شیمیایی خوب است. هالم (Holm)  و همکارانش در سال ۱۹۷۳ گزارش کرده‌اند در مغزه‌های گرفته شده از بتن سبک دالی به طول ۳٫۲۵ مایل (۵٫۲ کیلومتر) با ۲۰ سال سن، فقط تعداد کمی ترک‌های مویی مشاهده کرده‌اند، در صورتی ‌که نمونه‌های گرفته شده از بتن معمولی حاوی سنگدانه‌های کوارتز در همان محل دارای ترک‌های بزرگی بوده است.

همچنین، مغزه‌های گرفته شده در سال ۱۹۸۰ از بتن سبک بارانداز سلما در شوروی که در زمان جنگ جهانی اول ساخته شد و به مدت ۶۰ سال در معرض محیط دریایی قرار داشت، ترک‌های مویین کمی داشت. دلیل اصلی نفوذپذیری کم و دوام عالی بتن سبک، عدم وجود ترک‌های مویین در ناحیه انتقال بین خمیر سیمان – سنگدانه است که بر اساس نظریه هلم و همکارانش، به علت تشابه مدول ارتجاعی بین سنگدانه‌های سبک و ملات است.

همچنین به علت واکنش پوزولانی میان سیلیکات‌های آلومینیم سنگدانه‌های سبک – که با حرارت فعال شده‌اند – و هیدروکسید کلسیم خمیر سیمان، معمولاً ناحیه انتقال سخت و مقاوم است. البته سنگدانه‌های سبک متخلخل هستند و در مقایسه با سنگدانه‌های معمولی به آسانی قابل شکستنند. بنابراین، معمولاً مقاومت بتن‌های حاوی سنگدانه‌های سبک در برابر سایش کم است و جایگزین کردن ماسه سبک با ماسه طبیعی، روشی برای افزایش مقاومت آن در برابر سایش است.

ضریب انبساط حرارتی بتن‌های حاوی سنگدانه‌های سبک شیل منبسط شده بین ^۶-۱۰*۶ تا ^۶-۱۰*۸ برای هر درجه سانتی‌گراد است. از نظر مقاومت در برابر جریان حرارت، بتن‌های سبک عایق‌بندی به علت چگالی کمتر سنگدانه‌های سبک آنها، مناسب‌تر از بتن‌های سبک سازه‌ای هستند. هدایت حرارتی بتن‌های سبک سازه‌ای حدود نصف مقدار نظیر آن در بتن‌های معمولی است. از این رو مقاومت آن‌ها در برابر آتش بهتر است. مقادیر متداول هدایت حرارتی بتن‌های حاوی سنگدانه‌های رس منبسط شده و بتن‌های حاوی سنگدانه درشت رس منبسط شده و ماسه طبیعی، به ترتیب ۰٫۲۲ و ۰٫۳۳ است.

بتن‌ریزی و عمل‌آوری بتن سبک سازه ای

اسلامپ بتن سبک باید حدود نصف اسلامپ توصیه شده برای بتن با سنگدانه‌های معمولی باشد. استفاده از مواد حباب هوازا و حداقل مقدار آب بهینه برای تأمین کارایی لازم جهت جا دادن صحیح و مناسب بتن و پرداخت آن، بخصوص در مورد سنگدانه‌های شکسته، غیرمنظم و با ساختمان بسیار متخلخل، لازم و ضروری است.

آب‌انداختگی سطح بتن، جدایی دانه‌ها و وجود حفره‌های هوای ناخواسته در سطح بتن، با افزایش اندازه سنگدانه‌های سنگ مصرفی، به یک مقدار حداقل کاهش می‌یابد. لرزش بتن‌های سبک باید با دقت ویژه‌ای انجام گیرد تا از جدایی سنگدانه‌ها و جدا شدن مصالح دانه‌ای در لایه‌های مختلف اجتناب شود.

در هنگام پرداخت سطح بتنِ دانه سبک از ماله خاصی که شامل یک شبکه سیمی درشت است، استفاده می‌شود. با استفاده از این شبکه، سنگدانه‌های درشت به زیر سطح مورد پرداخت فشار داده می‌شود تا سطح مورد نظر به راحتی قابل پرداخت گردد و سنگدانه‌های درشت مزاحمتی ایجاد نکنند. انجام عمل‌آوری بتن سبک از لحاظ زمان و روش، مشابه روش اتخاذ شده برای بتن معمولی است. به علت خاصیت جذب آب زیاد سنگدانه‌ها، بتن سبک به‌طور ذاتی توانایی عمل‌آوری حجمی بزرگ‌تری را دارد.

زمان قابل توجهی برای تبخیر آب موجود در حجم بتن مورد نیاز است که طی همین زمان واکنش هیدراتاسیون کامل می‌شود. اما در عمل‌آوری سطحی عکس موضوع فوق صادق است و توانایی تبخیر آب سطحی در بتن سبک بزرگ‌تر است و نیاز به عمل‌آوری شدیدتری احساس می‌شود. بنابراین در عمل‌آوری سطوح – مثل بتن کف – باید بلافاصله بعد از پرداخت از افزودنی عمل آوری بتن استفاده شود.

کاربردهای بتن سبک سازه ای

بر اساس ACI213R-87 استفاده از بتن سبک در سازه‌ها، به دلیل هزینه کلی کمتر آن‌ها است. علی‌رغم آنکه هر متر مکعب بتن سبک در مقایسه با بتن با وزن معمولی گران‌تر است، اما به علت کمتر بودن وزن مرده و ابعاد پی در آن‌ها، هزینه سازه‌های ساخته شده با این نوع بتن‌ها کمتر است. ویلسن با چندین مثال نشان داده است که کاربرد بتن سبک می‌تواند موجب کاهش هزینه پی‌های آرماتور و ساخت سازه‌ها گردد.

در سال ۱۹۳۶ ساخت عرشه پل «اوکلند سانفرانسیسکو» با بتن سبک، موجب صرفه‌جویی در مصرف فولاد به میزان ۳ میلیون دلار گردید. از آن زمان تا کنون، 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 سقف‌های سازه‌های بلند استفاده می‌شود. 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 ۱۷۳۰kg/m³ و مقاومت فشاری ۷ روزه (نمونه استوانه‌ای ۱۵۰ در ۳۰۰ میلی‌متر) ۲۰ تا ۲۲ مگاپاسکال 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 سقف‌ها از طبقه هفتم به بالا، ۱۳% در هزینه ساخت صرفه‌جویی 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 سازه‌ای سبک ساخته شد که شامل یک پی گسترده به ابعاد ۵۲×۲٫۵×۷۰ متر در تراز ۱۸ متری زیر سطح زمین بود. جرم مخصوص بتن ۱۸۴۰ کیلوگرم بر متر مکعب و مقاومت فشاری ۲۸ روزه آن برای دیوارهای برشی، ستون‌ها و پی‌های گسترده برابر با ۴۱٫۲ مگاپاسکال و برای کف‌های سازه برابر با ۳۱٫۳ مگاپاسگال بود. در صورتی که در ساخت این پروژه از بتن معمولی استفاده می‌شد، فقط امکان طراحی ۳۵ طبقه سازه ‌ایمن وجود داشت، زیرا ظرفیت باربری خاک محدود بود.

کولا و پولیفکا توصیه می‌کنند عامل اصلی اقتصادی بودن بتن سبک در صرفه‌جویی آرماتور در آن‌ها است. در بتن‌های مسلح معمولی، مزیت اقتصادی مانند بتن‌های پیش‌تنیده چشمگیر نیست. در بیشتر موارد نیروی پیش‌تنیدگی بر مبنای بار مرده سازه محاسبه می‌شود و در نتیجه، ۲۵% کاهش وزن باعث کاهش وزن چشمگیر کابل‌های پیش‌تنیدگی می‌شود. از دیگر مزایای کاهش وزن بتن، افزایش مقاومت اعضای برشی در برابر نیروی زلزله است، زیرا نیروهای لرزه‌ای عمدتاً تابع مستقیم وزن مرده سازه است.

باید توجه داشت کاربرد اصلی بتن سبک در تمام دنیا، همانند تولید اعضای پیش‌ساخته بتنی و پانل‌های پیش‌ساخته است. به دلیل هزینه کمتر انتقال، جابه‌جایی و ساخت، محصولات بتن سبک برای این نوع ساخت ایده‌آل هستند.

هر چند سنگدانه‌های رس و شیل منبسط شده برای تولید بتن سبک با کیفیت سازه‌ای مناسب‌ترین مصالح هستند، اما افزایش هزینه سوخت در دهه ۱۹۷۰ سبب شد این نوع سنگدانه‌ها از بازار خارج شوند. در نتیجه، مسأله یافتن سنگدانه سبک طبیعی با کیفیت مناسب، مجدداً نظرها را به خود جلب کرد.

طبق نظر برایان (Bryan)، معادن وسیعی از سنگ‌های آتشفشانی مناسب، موسوم به رئولیت در آریزونا، کلرادو، کالیفرنیا، نوادا، نیومکزیکو، اورگان و پوتا وجود دارند. وزن بتن‌های رئولیتی خشک شده در هوا، در ۲۸ روزگی بین ۱۷۶۰ کیلوگرم بر متر مکعب و ۲۰۰۰ کیلوگرم بر متر مکعب است. مقاومت فشاری آن‌ها با ۲۸۰ کیلو سیمان، بیش از ۲۸ مگاپاسکال است. بتن‌های با مقاومت بیش از ۴۰ مگاپاسکال، در ساختمان‌هایی در مناطق رنو و نوادا طراحی شدند. گزارش شده است در بزرگ‌ترین مرکز تفریحات، در هتل بزرگ MGM در رنو – که در سال ۱۹۷۸ ساخته شده است – بیش از ۵۰۰۰۰ متر مکعب بتن با سنگدانه رئولیت استفاده شده است.

بیشتر بخوانید: بتن سبک غیر سازه ای

آزمایش و کنترل کیفیت

گرچه کنترل اسلامپ، میزان حباب هوا و مقاومت بتن ساخته شده برای بتن‌ها با وزن معمولی کفایت می‌کند، ولی در مورد بتن سبک چنین نیست. تغییرات جزئی در وزن مخصوص مصالح دانه‌ای سبک، ممکن است اثراتی روی مقاومت این سنگدانه‌ها و به تبع آن، اثراتی روی مقاومت بتن ساخته شده با این سنگدانه‌ها داشته باشد. به‌ جای ۲۸ روز انتظار جهت حصول نتیجه‌ی آزمایش مقاومت، باید مراقب کنترل جرم مخصوص، اسلامپ و مقدار حباب هوای داخل بتن تازه باشید.

یکنواختی جرم مخصوص بتن با حداکثر تغییرات ۳۰ کیلوگرم بر متر مکعب و محدود بودن اسلامپ و مقدار حباب هوا داخل بتن، سبب اطمینان بیشتر از تراکم و کیفیت مناسب سنگدانه مصرفی و بتن ساخته شده می‌شود. برای تعیین میزان حباب هوا، استفاده از روش حجم‌سنجی طبق استاندارد ASTM–C173 توصیه می‌شود. در این روش برای تعیین میزان حباب هوا، بتن تازه داخل یک جام ریخته شده و روی آن روکش می‌شود. سپس آب تا تراز مشخص داخل جام ریخته می‌شود.

بعد از آنکه بتن و آب با استفاده از غلتاندن ظرف روی وجوه متفاوتش به‌طور فیزیکی با هم مخلوط شدند، میزان هوای محبوس داخل بتن به‌سادگی با اندازه‌گیری میزان افت تراز آب تعیین می‌شود. مطابق استاندارد ASTM–C231 در بتن سبک، معمولاً فشارسنج هوا استفاده نمی‌شود، زیرا این فشارسنج‌ها تفاوتی میان حباب‌های هوای داخل شده به بتن و حباب‌های ناشی از تخلخل سنگدانه‌ها قائل نمی‌شوند.

باید در نظر داشت حفره‌های موجود در سنگدانه‌ها هیچ تأثیری در کیفیت خمیر سیمان و کاهش اصطکاک ملات و سنگدانه و افزایش کارایی مخلوط نخواهند داشت. به همین جهت لزومی به اندازه‌گیری آن‌ها نیست. البته امروزه، استفاده از فشارسنج‌ها در صورت استفاده از یک حجم‌سنج و ارتباط بین قرائت حجم‌سنج و فشارسنج امکان‌پذیر است و خواندن فشار با استفاده از این دستگاه‌ها متضمن ثابت بودن میزان رطوبت سنگدانه در مخلوط بتن تازه در هر آزمایش است.

همان‌طور که گفته شد بتن سازه‌ای سبک همانند بتن سازه‌ای معمولی است، با این تفاوت که بنا به دلایل اقتصادی در ساخت آن از سنگدانه‌های سبک استفاده می‌شود. مهم‌ترین عامل در ساخت بتن سبک سازه ای، سبک بودن وزن آن است. از آن‌جا که سنگدانه‌های سبک معمولاً متخلخل هستند و مقاومت بتن را به میزان زیادی کاهش می‌دهند، جهت کسب اطمینان از کیفیت سازه‌ای بتن، در دفترچه مشخصات، حداقل مقاومت مورد نیاز در سن ۲۸ روز ارائه می‌شود. موارد مصرف این سری بتن‌ها با گسترش فناوری تولید سنگدانه‌های سبک مناسب و با کیفیت افزایش خواهد یافت. در ضمن با استفاده از مواد افزودنی بتن، تأمین مقاومت زیاد بر اساس شیوه‌های اختلاط معمولی امکان‌پذیر است. امیدواریم مطالعه این مقاله، اطلاعات کاملی در باب بتن سبک سازه‌ ای در اختیار شما بگذارد. برای دریافت راهنمایی بیشتر، می‌توانید از طریق واتساپ با واحد پشتیبانی ارتباط برقرار فرمایید.