بتن حجیم چیست؟ طرح اختلاط، روش تولید، مزایا، خواص و کاربردها

بتن حجیم از جمله انواع بتن است که در ساخت سد‌ها و روسازی راه‌ها استفاده می‌شود. مهم‌ترین مشکل در این بتن، کنترل دمای آن است؛ چرا که عدم کنترل آن، باعث بروز مشکلات بسیاری می‌شود. در این مقاله از بلاگ رامکا بر آن هستیم ضمن بررسی روش‌های کنترل دمای بتن، به بررسی چیستی این بتن، روش تولید، انتخاب مصالح، طرح اختلاط و همچنین کاربرد آن بپردازیم. پس تا انتها همراه ما باشید.

بتن حجیم چیست؟

کمیته ۱۱۶ ACI، بتن حجیم را به عنوان بتنی در سازه‌ی بزرگ – برای مثال تیر، ستون، پایه آب‌بند یا سد – تعریف کرده و فرض بر این است که ترکیبات و خواص بتن حجیم، فقط برای کسانی که درگیر طراحی و ساخت سدها هستند، جالب است. این در حالی است که تجربیات موجود نشان می‌دهد استفاده از این بتن در سازه‌های بسیار کوچک‌ نیز کاربرد دارد.

طراحان و سازندگان سدهای بزرگ بتنی، در ابتدا باید اهمیت بالا رفتن دما در بتن، ناشی از حرارت هیدراتاسیون و در نتیجه، جمع‌شدگی و ترک‌خوردگی در هنگام سرد شدن را تشخیص دهند. ترک‌های موازی با محور سد، پایداری سازه‌ای آن را به مخاطره می‌اندازد. یک سازه یکپارچه که اصولاً بدون ترک‌خوردگی است، در تماس نزدیکی با پی و دیوارها باقی می‌ماند و رفتار آن همان‌گونه خواهد بود که در توزیع تنش طرح پیش‌بینی شده است.

پایه‌ها، ستون‌ها، تیرها، دیوارها و پی‌های بتنی سازه‌های بزرگ، بسیار کوچک‌تر از یک سد وزنی بتنی متعارف هستند. اگر اجزای سازه‌ای مزبور چندین متر ضخامت داشته باشند و از مخلوط‌های بتن با مقاومت زیاد و با مقدار زیاد سیمان ساخته شده باشند، مشکلات ترک‌خوردگی حرارتی آن‌ها می‌تواند به اندازه سد‌ها جدی باشد.

همان‌طور که در مطلب پایداری ابعادی بتن تشریح شد، می‌توانیم فرض کنیم تنش کششی در بتن در حال سرد شدن می‌تواند ناشی از چهار کمیته باشد: REet که در آن، t افت دما، e ضریب انبساط حرارتی، E مدول ارتجاعی و R درجه قید است.

از آن‌جا که افت دما و تنش ناشی از آن به صورت همزمان رخ نمی‌دهد، اعمال تصحیح در محاسبه تنش ضروری است تا رهایی تنش ناشی از خزش در نظر گرفته شود. در نتیجه، حاصل‌ضرب کمیت‌های مذکور در معادله فوق، منهای تنش رها شده ناشی از خزش، تنش واقعی را تعیین می‌کند و اگر مقدار تنش بیش از مقاومت کششی ماده باشد، بتن ترک خواهد خورد.

کنترل افت دما ساده‌تر از کنترل سایر عوامل است و بیشترین توجه را در ساخت بتن به خود اختصاص داده است. در پروژه‌های مختلف ساختمانی، برای کاهش میزان افت دما تشخیص این امر ضروری است که استراتژی اساسی ما که از نظر اقتصادی نیز توجیه پذیر‌تر است، محدود کردن حرارت هیدراتاسیون است که منبع اولیه افزایش دما است. اصول اساسی حاصل از تجربه و عمل، شامل انتخاب مصالح، نسبت‌های اختلاط و تمهیدات اجرایی برای کنترل بالا رفتن و افت دما در بتن حجیم است.

مصالح بتن حجیم

در ادامه این مقاله به بررسی مصالح مناسب برای ساخت بتن حجیم و ویژگی‌هایی که هر یک باید داشته باشند، می‌پردازیم:

سیمان

همان‌طور که پیش از این بیان شد، در سیمان‌های هیدرولیکی دمای هیدراتاسیون سیمان، تابع ترکیبات اجزاء و نرمی است. سیمان‌های پرتلندی که حاوی مقدار نسبتاً بیشتر C₃S و C₃A هستند، در مقایسه با سیمان‌های درشت‌تری که مقدار کمتری C₃S و C₃A دارند، دمای هیدراتاسیون بیشتری را نشان می‌دهند.

برای مثال در منحنی‌های افزایش دمای آدیاباتیک برای یک بتن حجیم حاوی ۲۲۳kg/m³ در هر یک از ۵ نوع سیمان پرتلند می‌توان مشاهده کرد که بین سیمان معمولی (نوع ۱) و سیمان با حرارت‌زایی کم (نوع ۴)، اختلاف در افزایش دما، برابر با ۱۳ درجه سانتی‌گراد در ۷ روز و ۹ درجه سانتی‌گراد در ۹۰ روز بوده است.

باید توجه داشت در این مقدار سیمان (یعنی ۲۲۳kg/m³)، کل افزایش دما حتی با سیمان با حرارت کم، بیشتر از ۳۰ درجه سانتی‌گراد بوده است. در شرایطی که افزایش دما و افت دمای ناشی از آن حدود ۳۰ درجه باشد، این دما را از دیدگاه ترک‌خوردگی حرارتی بسیار زیاد تلقی می‌کنیم. در این حالت یکی از روش‌های پایین آوردن آن، کاهش مقدار سیمان در بتن است، به شرط آن‌که این عمل حداقل مقدار مقاومت و نیز کارایی مورد نیاز کار را برآورده سازد.

با استفاده از چندین روش که در ادامه شرح داده می‌شود، امکان مصرف مقادیر سیمان به حد کم، مثلاً در حدود ۱۰۰kg/m³، در بتن حجیم که مناسب ساختمان داخلی سد وزنی باشد، وجود دارد. با این چنین مقادیر کم سیمان، حتی استفاده از سیمان پرتلند نوع II استاندارد ASTM مناسب در نظر گرفته می‌شود. جایگزین کردن ۲۰% حجم سیمان پرتلند با پوزولان، باعث کاهش بیشتری در افزایش دمای آدیاباتیک خواهد شد.

انواع افزودنی در بتن حجیم

با مقادیر سیمان در حد کم، مثلاً ۱۰۰kg/m³ ضروری است از آب به مقدار کم استفاده شود تا مقاومت فشاری یک ساله طراحی شده (در محدوده ۱۳ تا ۱۷MPa) به دست آید. این مقدار مقاومت، معمولاً برای بتن داخلی سازه‌های بزرگ وزنی توصیه می‌شود. به طور معمول در مخلوط‌های بتن به منظور کاهش مقدار آب، در عین حفظ کارایی مورد نظر، حدود ۴% تا ۸% حباب هوا در نظر گرفته می‌شود.

این در حالی است که پوزولان‌ها اصولاً به عنوان جایگزین بخشی از سیمان پرتلند، برای کاهش حرارت هیدراتاسیون استفاده می‌شوند. اکثر خاکسترهای بادی نیز اگر به عنوان پوزولان استفاده شوند، از قابلیت بهبود کارایی و کاهش مقدار آب به مقدار %۵ تا ۸% برخوردارند.

سنگدانه

در مخلوط‌های بتن سدها، باید از هر روش ممکن برای کاهش مقدار آب که امکان کاهش مقدار سیمان را فراهم سازد (یعنی با حفظ نسبت ثابت آب به سیمان)، استفاده شود. در این زمینه، دو روش مقرون به صرفه عبارتند از:

• انتخاب بزرگ‌ترین اندازه ممکن مصالح سنگی درشت‌دانه
• انتخاب دو گروه با تعداد بیشتری از گروه‌های مصالح سنگی درشت‌دانه با اندازه‌های مستقل، به گونه‌ای که پس از مخلوط شدن، دانه‌بندی آن به گونه‌ای شود که چگالی آن پس از تراکم – یعنی به حداقل رسیدن منافذ آن – به حداکثر مقدار خود برسد.

در گزارش کمیته ACI 211 محدوده‌های متعارف دانه‌بندی مصالح سنگی درشت‌دانه مصرفی در بتن حجیم و دانه‌بندی ایده‌آل حاصل از ترکیب چند نوع سنگدانه با دانه‌بندی‌ها گوناگون، برای حداکثر اندازه مصالح سنگی ۱۵۰mm و ۷۵mm آورده شده است.

شکل بالا بر اساس تحقیقات انجام شده در اداره تحقیقات آبادانی ایالات متحده در مورد بتن حجیم سد گراند کولی به دست آمده است. این شکل، میزان کاهش مقدار آب مصرفی با استفاده از حباب هوا و مصالح سنگی با حداکثر اندازه ممکن را نشان می‌دهد. همان داده‌ها در شکل زیر نشان می‌دهد به ازای یک نسبت معین آب به سیمان و یک مقدار روانی معین با افزایش حداکثر اندازه مصالح سنگی، هر دو مقدار آب و سیمان کاهش می‌یابند.

میزان مصالح سنگی و نوع کانی آن، در خواصی که برای بتن حجیم اهمیت دارند، مانند مدول ارتجاعی، ضریب انبساط حرارتی، تراوایی و ظرفیت کرنشی تأثیر زیادی دارند. مقادیر مدول ارتجاعی آن در سنین مختلف، برای یک نمونه بتن حجیم حاوی مصالح سنگی بازالت، در سنین ۷، ۲۸، ۹۰ و ۳۶۵ روزگی، به ترتیب برابر بودند با ۲٫۳، ۳٫۵، ۴٫۱ و ۵ (x10⁶psi) در همان سنین، اما با مصالح سنگی ماسه سنگ، مقادیر نظیر آنها ۴٫۲، ۴٫۵ و ۵٫۷ (x10⁶psi) بوده است. باید توجه داشت مقادیر مدول ثابت بعد از ۳۶۵ روز قرار داشتن زیر بار، به میزان ۵۰ تا ۶۰% مدول آنی به دست آمد.

همان‌طور که قبلاً تشریح شد، ضریب انبساط حرارتی بتن یکی از پارامترهای تعیین کننده تنش کششی در هنگام سرد شدن است. اگر بقیه پارامترها ثابت باقی بمانند، انتخاب نوع مصالح سنگی می‌تواند ضریب انبساط حرارتی را تا بیش از ۲ برابر کاهش دهد.

در مخلوط‌های متعارف بتن حجیم (مقدار سیمان ۳۲۷kg/m³، نسبت مصالح سنگی ریزدانه به درشت‌دانه ۳۵:۷۵ و درجه اشباع زیاد)، ضریب انبساط حرارتی بر حسب میلی‌متر بر درجه سانتی‌گراد، برابر با ۵٫۴ تا ۸٫۶ برای سنگ آهک، ۸٫۳ برای بازالت و ۱۳٫۵ برای مصالح سنگی کوارتزیتی است. بدیهی است در صورت امکان، باید از مصالح سنگی با ضریب انبساط حرارتی کم، برای ساخت بتن حجیم استفاده شود.

قابلیت انتشار حرارتی، شاخصی است از سهولت یا مشکل بودن تغییر دمای بتن. این شاخص از نظر عددی برابر است با قابلیت هدایت حرارتی، تقسیم بر حاصل‌ضرب جرم مخصوص و گرمای ویژه. مقادیر قابلیت انتشار حرارتی، در حدود ۰٫۰۰۳ متر مربع بر ساعت (۰٫۰۳۲فوت مربع بر ساعت) برای مصالح سنگی بازالت، ۰٫۰۰۴۷ متر مربع بر ساعت برای سنگ آهک و ۰٫۰۰۵۴ تا ۰٫۰۰۶ متر مربع بر ساعت برای مصالح سنگی کوارتزیتی گزارش شده است.

در این میان، بعضی طراحان احساس می‌کنند اگر بتوان نیروها را بر هم به تغییرات خطی یا حجمی بیان کرد: طرح‌های مبتنی بر کرنش کششی حداکثر، در مقایسه با طرح‌های مبتنی بر تنش، برای پیش‌بینی رفتار ترک‌خوردگی بتن آسان‌تر هستند. داده‌های جدول زیر نشان می‌دهد خمیر سیمان خالص در مقایسه با ملات و بتن با همان نسبت آب به سیمان، ظرفیت کرنشی کششی بیشتری دارد.

مخلوط	مصالح سنگی	حداکثر اندازه مصالح سنگی (میلی‌متر)	W/C+P	ظرفیت کرنشی کششی (x10-6) 7 روزه	ظرفیت کرنشی کششی (x10-6) 28 روزه
۱	کوارتزیت طبیعی	۷۵	۰٫۶۸	۴۵	۷۱
۲	کوارتزیت طبیعی	۳۷٫۵	۰٫۶۸	۷۶	۹۵
۳	کوارتزیت طبیعی	۴٫۷۵	۰٫۶۸	۱۳۸	۱۶۵
۴	بدون مصالح سنگی (خمیر سیمان)		0.68	310	357
5	کوارتزیت طبیعی	۳٫۷۵	۰٫۶۸	۱۱۹	۱۳۹
۶	کوارتزیت طبیعی	۳٫۷۵	۰٫۴۰	۱۵۱	۱۴۵

به طور کلی، ظرفیت کرنشی کششی با افزایش مدت زمان هیدراتاسیون زیاد می‌شود و با کاهش اندازه مصالح سنگی درشت‌دانه افزایش می‌یابد. برای مثال، در مورد مصالح سنگی طبیعی کوارتزیتی با حداکثر اندازه مصالح سنگی ۴٫۷۵، ۳۷٫۵ و ۷۵ میلی‌متر، مقادیر ظرفیت کرنشی کششی ۲۸ روزه به ترتیب برابر با ۱۶۵، ۹۵ و ۷۱ (x10^-6) است.

با مصالح سنگی از همان نوع و همان حداکثر اندازه، وقتی مصالح سنگی با بافت زبر (سنگ شکسته) جایگزین مصالح سنگی با بافت صاف گردید، ظرفیت کرنشی تا ۵۰% (از ^۶–۱۰*۹۵ به ^۶- ۱۰* ۱۳۹) افزایش یافت.

در بتن با سنگدانه با حداکثر اندازه ۳۸ میلی‌متر از نوع کوارتزیت طبیعی با کاهش نسبت آب به سیمان از ۰٫۶۸ به ۰٫۴۰، مقدار ظرفیت کرنشی مزبور به همان میزان افزایش یافت. در نتیجه، استفاده از سنگ شکسته و نسبت کم آب به سیمان در بتن حجیم، روش‌های مؤثری را برای افزایش ظرفیت کرنشی کششی فراهم می‌کند.

طرح اختلاط بتن حجیم

گزارش‌هایی که کمیته ۲۱۱ ACI و اسکانلون (Scanlon) ارائه کرده‌اند، شامل تشریح جزئیات این کار برای طراحی مخلوط‌های بتن‌های حجیم است. این آیین کار، مشابه همانی است که برای تعیین نسبت‌های اختلاط بتن با وزن معمولی استفاده می‌شود. بعضی از نقطه نظرات مذکور در پیوست ۵ تمهیدات اجرایی توصیه شده توسط کمیته ۲۱۱ACI، در زیر شرح داده شده است.

تعیین مقدار آب، علاوه بر حداکثر اندازه مصالح سنگی باید مبتنی بر سفت‌ترین حالت بتن تازه باشد، مشروط بر آنکه بتن مزبور بتواند به طور مطلوب متراکم شود. به عنوان نمونه، اسلامپ بتن سازه‌های حجیم غیرمسلح حدود ۲±۲۵ میلی‌متر است. اگر تجهیزات کارگاه برای بکارگیری بتن سفت نامناسب باشد، به جای افزایش مقدار آب و سیمان مخلوط بتن، باید از تجهیزات دیگری استفاده شود.

در مورد بتن پیش سرد شده، باید مخلوط‌های آزمون آزمایشگاهی در دمای کم نیز ساخته شود، زیرا برای رسیدن به روانی معین در ۵ تا ۱۰ درجه سانتی‌گراد به آب کمتری در مقایسه با دماهای متعارف محیط (۲۰ تا ۳۰ درجه سانتی‌گراد) نیاز است. دلیل این امر آن است که هیدراتاسیون سیمان در دماهای پایین آهسته‌تر است. مقدار سیمان بتن حجیم، از رابطه‌ی بین نسبت آب به سیمان و مقاومت که ظاهراً تحت‌تأثیر بافت مصالح سنگی است، تعیین می‌شود.

نسبت وزنی آب به سیمان	مقاومت فشاری تقریبی ۲۸ روزه (fʹc) بر حسب psi (MPa) با مصالح سنگی طبیعی	مقاومت فشاری تقریبی ۲۸ روزه (fʹc) بر حسب psi (MPa) با مصالح سنگی شکسته
۰٫۴	(۳۱٫۰) ۴۵۰۰	(۳۴٫۵) ۵۰۰۰
۰٫۵	(۲۳٫۴) ۳۴۰۰	(۲۶٫۲) ۳۸۰۰
۰٫۶	(۱۸٫۶) ۲۷۰۰	(۲۱٫۴) ۳۱۰۰
۰٫۷	(۱۴٫۵) ۲۱۰۰	(۱۷٫۲) ۲۵۰۰
۰٫۸	(۱۱٫۰) ۱۶۰۰	(۱۳٫۱) ۱۹۰۰

به طور کلی در شرایط محیطی ملایم یا متوسط، استفاده از بتن با حداکثر نسبت آب به سیمان ۰٫۸ برای بخش داخلی سد و دیوارهای آب‌بند و ۰٫۶ برای سطوح خارجی واقع در معرض آب مجاز است. حداکثر تنش فشاری سدهای وزنی که به گونه‌ای مناسب در مقابل واژگونی و لغزش طراحی شده‌اند، در حد بسیار کم است و مقدار آن بر حسب مگاپاسکال، معمولاً ۰٫۰۲۵ تا ۰٫۰۳ (متر) برابر ارتفاع سد است.

در نتیجه، حداکثر تنش در یک سد با ارتفاع ۱۰۰ متر، حدود ۳MPa (450psi) است. تنش در سدهای قوسی ممکن است حدود ۸MPa (1200psi) باشد. برای ایمنی توصیه شده است که مقاومت بتن چهار برابر حداکثر تنش در یک سال پس از ساخت باشد. مقدار سیمان مصرفی در بتن سدهای وزنی‌ که قبل از سال ۱۹۴۰ تکمیل شده‌اند و در آن‌ها از افزودنی حباب هوا ساز بتن، کاهنده آب یا همان روان کننده بتن و پوزولانی استفاده نشده است، حدود ۳۷۶lb/yd³ (223kg/m³) می‌باشد.

مقایسه بین نمونه‌های آزمایشگاهی که در شرایط استاندارد عمل‌آوری شده‌اند، با مغزه‌های استخراج شده از سدهای بلند دارای ۲۲۳kg/m³ سیمان، نشان داد مقاومت واقعی در سازه به میزان زیادی بیشتر از حد نیاز بوده است؛ برای مثال می‌توان سدهای هوور، Psi۴۲۶۰ (۲۹MPa)، گراند کولی ۷۹۵۰psi (55MPa) و شاستا ۵۱۰۰psi (35MPa) را نام برد.

حتی در بتن‌های حاوی پوزولان، مقاومت فشاری بیشتری مشاهده شد. سد هانگری هورس (با ۱۷۲ متر ارتفاع و ۹۸ متر ضخامت در پایه)، اولین سد بزرگی بود که توسط اداره آبادانی ایالات متحده ساخته شد.

در این سد، کمتر از ۲۲۳kg/m³ سیمان به کار رفته است. مخلوط‌های بتن مصرف شده در سد هانگری هورس که در سال ۱۹۵۲ تکمیل گردیده و سدهای بزرگ بعدی مانند فلامینگ جورج و گلن کانیون، حاوی ۱۱۱kg/m³ سیمان پرتلند نوع II ،۵۶kg/m³ پوزولان و نیز افزودنی بتن حباب هواساز هستند.

به طور کلی همیشه حداقل ۳% تا ۴% هوا برای بتن حجیم توصیه می‌شود. هر چند که در بعضی موارد %۶ تا ۸% هوا، بدون هیچ مقدار افت مقاومتی اعمال شده است؛ زیرا در این حالات نسبت آب به سیمان تا حد زیادی کاهش می‌یابد. به طور معمول، از ۳۵% خاکستر بادی (بر حسب درصدی از حجم کل مواد سیمانی) برای بتن‌های داخلی و ۲۵% از آن برای بتن خارجی استفاده می‌شود.

برای ماسه‌های با نرمی متوسط (مدول نرمی برابر با ۲٫۶ تا ۲٫۸)، مقدار تقریبی مصالح سنگی درشت‌دانه برابر با ۷۸ تا ۸۰% (بر حسب درصدی از حجم مطلق کل مصالح سنگی) است. بنابراین مقدار مصالح سنگی ریزدانه فقط حدود ۲۰ تا ۲۳% است.

کنترل کردن افزایش دما در بتن حجیم

بجز کاهش مقدار سیمان در مخلوط‌های بتن، از روش‌های اجرایی خاص، برای کنترل دما در سازه‌های بتن حجیم استفاده می‌شود که خلاصه‌ای از آن در زیر شرح داده شده است. کمیته ۲۰۷ACI ، گزارشی عالی همراه با جزئیات، در مورد سرد کردن و عایق‌بندی بتن حجیم تهیه کرده است.

پس سرمایش

اولین استفاده عمده از پس سرمایش بتن درجا، در ساخت سد هوور در اوایل دهه ۱۹۳۰ بوده است. به غیر از کنترل افزایش دما، هدف اصلی از پس سرمایش، ایجاد جمع‌شدگی در ستون‌های بتنی‌ بود که سد را تشکیل می‌داد. این کار موجب می‌شد حجم پایدار گردد و در نتیجه، درزهای ساخت بتوانند با دوغاب پر شوند تا از عمل یکپارچه سد اطمینان حاصل شود. به دلیل قابلیت انتشار حرارتی کم بتن (۰٫۷ تا ۰٫۹ft² یا ۰٫۰۶۵ تا ۰٫۰۸۴m² در روز)، اگر کار بر عهده فرآیندهای طبیعی گذاشته شود، بیش از ۱۰۰ سال طول می‌کشد تا ۹۰% افزایش دما از بین برود.

علی‌رغم این واقعیت که از سیمان با حرارت‌زایی کم (نوع IV) برای ساخت مخلوط بتن حاوی مصالح سنگی با حداکثر اندازه ۶ اینچ استفاده شد، برای اتلاف مؤثر حرارت نیز از روش‌های خاص ساخت بلوکی استفاده شد. سرد کردن از طریق عبور آب سرد از میان لوله‌های فولادی جدار نازک (به قطر اسمی ۲۵mm و ضخامت دیواره لوله ۱٫۵mm) در بتن مدفون صورت گرفت. در سد هوور، گرداندن آب سرد از درون لوله‌ها پس از آنکه دمای بتن به ۶۵ رسید (یعنی چندین هفته پس از جای دادن بتن)، آغاز شد.

بنابراین اداره آبادانی ایالات متحده، مجدداً از همین تمهیدات برای ساخت چندین سد دیگر استفاده کرد، بجز آنکه در سدهای اخیر، گردش آب سرد بلافاصله پس از جای دادن بتن آغاز شد. همچنین، فواصل بین لوله‌ها و ضخامت لایه‌های بتن چنان تغییر داده شد که حداکثر دما در تمام فصول سال، از حد از پیش طراحی شده بیشتر نشود.

طبق توصیه‌های اجرایی ACI 207، در مدت چند روز اول پس از جای دادن، سرعت سرمایش یا خارج کردن حرارت می‌تواند تا حد امکان زیاد باشد، زیرا مدول ارتجاعی بتن در مدت مزبور نسبتاً کم است. مقاومت و مدول ارتجاعی بتن عموماً به سرعت افزایش می‌یابد تا دمای بتن به حداکثر مقدار اولیه خود رسد. این هنگام ممکن است ۱۵ روز پس از ریختن بتن باشد. پس از آن، سرمایش باید به گونه‌ای ادامه یابد که افت دمای بتن بیشتر از ۰٫۶ درجه سانتی‌گراد در روز نشود.

تجربه نشان می‌دهد بیشتر بتن‌های حجیم دارای خواص ارتجاعی و مشخصات انبساط حرارتی متوسطی هستند و می‌توانند افت دما به میزان ۱۱ تا ۱۷ درجه سانتی‌گراد (۲۰ تا ۳۵ درجه فارنهایت) را در محدوده زمانی حدود ۳۰ روز پس از حداکثر مقدار اولیه تحمل کنند.

وقتی بتن ارتجاعی می‌شود، مهم آن است که افت دما در حد امکان به آهستگی انجام شود تا امکان وادادگی تنش ناشی از خزش وجود داشته باشد. اگر بتن به آهستگی سرد شود، می‌تواند ۲۰ درجه سانتی‌گراد افت دما را بدون ترک‌خوردگی تحمل کند.

پیش سرمایش

پیش سرمایش مصالح بتن برای کاهش حداکثر دمای بتن حجیم، برای اولین بار در اوایل دهه ۱۹۴۰ توسط سپاه مهندسان در هنگام ساخت سد نورفورک به کار گرفته شد. در این روش، بخشی از آب مخلوط بتن به صورت یخ خرد شده استفاده می‌شود تا دمای بتن تازه در محل در حدود ۶ محدود شود.

پس از آن، سپاه مهندسان از ترکیبی از یخ خرد شده، آب مخلوط سرد و مصالح سنگی سرد شده در ساخت چندین سد بزرگ بتنی وزنی (با ۶۰ تا ۱۵۰ متر ارتفاع)، برای رسیدن به دمای جای دادن بتن به مقدار کم ۴٫۵ درجه سانتی‌گراد استفاده کرد.

طبق توصیه‌های اجرایی ۲۰۷ ACI یکی از قوی‌ترین پارامترها برای اجتناب از ترک‌خوردگی حرارتی در بتن حجیم، کنترل دمای زمان بتن‌ریزی است. به طور کلی، هر چه دمای بتن هنگام تغییر حالت از خمیری به ارتجاعی کمتر باشد، بتن تمایل کمتری به ترک خوردن خواهد داشت.

در سازه‌های حجیم، هر ۶ درجه سانتی‌گراد کاهش در دمای جای دادن بتن در دماهای کمتر از دمای متوسط هوا، باعث کاهش حداکثر دمای بتن به میزان حدود ۳ درجه سانتی‌گراد خواهد شد. آب برای افزایش دما به مقدار ۱ درجه فارنهایت، ۱ Ib/Btu حرارت جذب می‌کند، در حالی که سیمان و مصالح سنگی برای این میزان افزایش دما، فقط ۰٫۲۲Ib/Btu گرما جذب می‌کنند.

بنابراین، استفاده از آب سرد برای کاهش دمای بتن به‌صرفه‌تر و مؤثرتر است. البته استفاده از یخ بیشترین اثر را دارد. یخ هنگامی که به آب تبدیل می‌شود، ۱۴۴Ib/Btu حرارت را جذب می‌کند. برای یکنواخت بودن بتن، مهم آن است که یخ ریخته شده در مخلوط بتن قبل از پایان اختلاط ذوب شود.

بنابراین، یخ پولکی شکل یا یخ خارج شده از قالب‌های بیسکویتی شکل به بلوک‌های شکسته یخ ترجیح داده می‌شود. البته سرد کردن سنگدانه‌ها حین انتقال به مخازن پیمانه از طریق پاشیدن آب سرد روی آنها ممکن است به عنوان مکمل استفاده از یخ و آب اختلاط سرد شده ضروری باشد.

بیشتر بخوانید: بتن غلتکی RCC چیست؟

عایق‌کاری سطح

منظور از عایق کاری سطح، محدود کردن افزایش دما نیست، بلکه این کار برای تنظیم سرعت افت دما است تا تفاوت تنش ناشی از گرادیان‌های شدید دما بین سطح بتن و داخل آن کاهش یابد. بنابراین پس از سخت شدن و کسب چشمگیر خواص ارتجاعی، عملکرد توأم کاهش دمای محیط و افزایش دمای داخلی با یکدیگر موجب می‌شوند که گرادیان دما و تفاوت تنش بیشتر شود.

بخصوص در اقلیم‌های سرد، ممکن است ضروری باشد که میزان افت حرارت از طریق سطح توسط پوشش دادن سطح با ورق‌های پلی استایرن منبسط شده یا یورتان منبسط شده (که ضریب k آن‌ها در حدود ۰٫۲ تا ۰٫۳Btu-in/hr-ft2 است) کاهش داده شود.

کاربرد بتن حجیم

پرایس (Price) روش‌های اجرایی و ساخت در ۵۰ سال اخیر در ایالات متحده را بازبینی کرد تا پیشرفت استراتژی کنترل ترک‌خوردگی در سدهای بتنی را نشان دهد. در ساخت سدهای هوور (۱۹۳۵)، گراند کولی (۱۹۴۲) و شاستا (۱۹۴۵) که به ترتیب حاوی ۲٫۴، ۸٫۰ و ۴٫۵ میلیون متر مکعب بتن هستند، سیمان پرتلند با حرارت‌زایی کم، نوع ASTM IV (با مقدار سیمان ۲۲۳kg/m³) به کار رفته بود و بتن با گردش دادن آب سرد از میان لوله‌های مدفون، پس سرمایش شده بود.

ارتفاع‌ها و برنامه زمان‌بندی بتن‌ریزی‌ها کنترل شدند و برای استهلاک مؤثرتر حرارت، از روش خاص ساخت بلوکی استفاده شد. هیچ یک از سه سد مزبور، دچار ترک و نشتی جدی نشدند. همچنین در اوایل دهه ۱۹۴۰، مسئولین «تنسی ولی» از پس سرمایش در ساخت سد فونتانا بهره گرفتند.

در تمام موارد، پس سرمایش نه تنها افزایش دما را – به ویژه در سدی که به علت اثر قید پی، استعداد بیشتری در ترک‌خوردگی داشت – کاهش داد، بلکه ستون‌های حین ساخت را پایدار نگه داشت. این کار موجب شد درزها بتوانند با دوغاب پر شوند تا از عمل یکپارچه سد اطمینان حاصل شود.

پیش سرمایش مصالح بتن برای کنترل ترک‌خوردگی آن، با سد نورفولک (۱۹۴۵) شروع شد و در سد دیترویت (۱۹۵۳) با موفقیت به کار گرفته شد. محدود کردن مقدار سیمان (نوع ۲) به ۱۳۴kg/m³ و دمای بتن به ۶ تا ۱۰ درجه سانتی‌گراد، موجب محدود شدن افزایش دما به ۱۷ درجه سانتی‌گراد بالاتر از دمای میانگین محیط گردید. روش پس سرمایش بتن ضروری نبود.

همچنین سطوحی از بتن که در معرض محیط قرار گرفته بود، از طریق پوشش سطوح با مواد عایق محافظت شدند و از سرد شدن سریع بتن جلوگیری شد. عدم وجود کامل ترک‌خوردگی در بلوک‌های سد دیترویت به طول ۱۰۲ متر، نشان از استفاده‌ی این روش در آینده دارد. در نتیجه، پس از آنکه کشف شد این روش امکان استفاده از طول‌های بزرگ یکپارچه و بدون تبعات زیان‌آور را فراهم می‌سازد، تمایل به در نظر گرفتن حداکثر دماهای کمتر در بتن آغاز شد.

استفاده توأم از روش‌های پیش سرمایش و پس سرمایش در چندین سد بزرگ صورت گرفت که مهم‌ترین آن‌ها عبارتند از: سدهای گلن کانیون (۱۹۶۳)، دورشک (۱۹۷۳) و لیبی (۱۹۷۵). در هر یک از این موارد، افزایش دما حدود ۱۴ درجه سانتی‌گراد محدود گردید. محدود کردن افت دما به کمتر از ۲۰ درجه سانتی‌گراد، از طریق پیش سرمایش مصالح سازنده بتن، فقط زمانی امکان‌پذیر است که در عین حال، مقدار سیمان به طور چشمگیری کاهش داده شود.

در مقایسه با ۲۲۳kg/m³ سیمان برای بتن سد هوور، در سد گلن کانیون فقط از ۱۱۱kg/m³ سیمان و ۵۶kg/m³ پوزولان (از نوع پامیسیت) استفاده شد که مقاومت فشاری بتن، حدود ۳۰۰۰Psi (20MPa) در ۲۸ روزگی و ۷۰۰۰Psi (48MPa) در ۳۶۰ روزگی بود. امکان در نظر گرفتن سیمان تا بدین حد کم وجود داشت، زیرا با استفاده از دانه‌بندی مطلوب مصالح سنگی، ماده افزودنی حباب هواساز و ماده افزودنی کاهش دهنده آب کاهش زیادی در مقدار آب ایجاد شده بود.

داده‌های جدول زیر نشان می‌دهد چگونه با تغییر مقادیر حداکثر اندازه مصالح سنگی، نسبت مصالح سنگی ریز به درشت و میزان استفاده از مواد افزودنی بتن میزان آب مصرفی نیز تغییر می‌کند.

اندازه حداکثر مصالح سنگی درشت (mm)	مقدار توصیه شده هوا (برحسب درصد مخلوط کامل)	ماسه (برحسب درصدی از حجم کل مصالح سنگی)	میانگین مقدار آب در بتن بدون حباب هوا (kg/m3)	میانگین مقدار آب در بتن با حباب هوا (kg/m3)	میانگین مقدار آب در بتن با حباب هوای دارای ماده‌ی افزودنی کاهنده آب (kg/m3)
10	8	60	210	190	180
12.5	7	50	200	180	170
20	6	42	185	165	157
25	5	37	178	158	148
40	4.5	34	165	145	135
50	4	30	158	136	127
80	3.5	28	143	120	112
150	3	24	125	98	92

برای مثال، به جای ۹۱۰kg/m³ آب مورد نیاز، با مصالح سنگی با حداکثر اندازه ۱۰mm و بدون حضور مواد افزودنی، فقط به ۹۲kg/m³ آب نیاز است تا با بکارگیری مصالح سنگی با حداکثر اندازه ۱۵۰mm و استفاده از هر دو ماده افزودنی کاهش‌دهنده آب و حباب هواساز، روانی یکسانی حاصل شود.

بر اساس تحقیقات پرایس، برای مصالح سنگی و روانی بتن داده شده، حدود ۳۵% کاهش در مقدار آب با استفاده از ماده حباب هواساز، ماده افزودنی کاهنده آب، مقدار کمتر ماسه و دمای پایین‌تر بتن‌ریزی دست یافتنی است. تحقیقات آزمایشگاهی انجام شده روی بتن حجیم سد ایتایپو که اخیراً ساخته شده است، نشان داد اگر مقدار سیمان حدود ۱۰۸kg/m³ نگه داشته شود، افزایش مجاز دمای آدیاباتیک بتن به میزان کمتر از ۲۰ درجه سانتی‌گراد قابل دسترسی است.

با این وجود با این مقدار سیمان و حتی با ۱۳kg/m³ پوزولان موجود، وقتی حداکثر اندازه سنگدانه ۳۸ یا ۷۵mm بود، مقاومت فشاری یک ساله طراحی شدهMPa ۱۴ به دست نیامد. دلیل این رویداد زیاد بودن نسبت آب به سیمان مورد نیاز برای روانی مورد نظر بود.

استفاده از مخلوطی از سنگدانه‌های با حداکثر‌ اندازه ۱۵۰، ۷۵ و ۳۸ میلی‌متر در کنار بکارگیری ماده افزودنی حباب هوا ساز بتن، سبب کاهش نسبت آب به سیمان به میزان کافی برای دستیابی به ۲۵ تا ۵۰ میلی‌متر اسلامپ با مقاومت فشاری ۱۷٫۵MPa در ۹۰ روزگی گردید. این مخلوط بتن، شامل ۱۰۸kg/m³ سیمان، ۱۳kg/m³ خاکستر بادی، ۸۵kg/m³ ماسه و مخلوطی از ۷۲۹، ۴۶۵ و ۶۴۳kg/m³ مصالح سنگی درشت‌دانه به ترتیب با حداکثر اندازه ۳۸، ۷۵ و ۱۵۰ میلی‌متر بود.

از طریق پیش سرمایش تمامی مصالح سنگی درشت‌دانه با آب سرد و پس از آن با هوای سرد و مقداری آب سرد، ۵ درجه سانتی‌گراد به عنوان آب مخلوط بتن و استفاده از مقادیر بیشتری پولک یخ در مخلوط بتن، دمای جای دادن بتن به ۶ درجه سانتی‌گراد محدود گردید.

همان‌طور که گفته شد طبق استاندارد ACI 116، بتن حجیم بتنی با اندازه‌ی بزرگ است که برای مقابله با تولید حرارت و تغییر حجم در آن نیاز به ابزار خاصی است. در این مقاله از بلاگ رامکا سعی شد علاوه بر پرداخت به چیستی بتن حجیم، انواع روش‌های کنترل دما در این نوع بتن نیز تبیین شود تا از بروز ترک و شکستگی در سازه‌های عظیم مانند سدها جلوگیری گردد. در پایان خوشحال می‌شویم با ارائه نظرات خود در انتهای صفحه، ما را در بهبود کیفیت این مقاله یاری کنید.