کارایی بتن چیست و چگونه اندازه‌گیری می‌شود؟

کارایی بتن اصطلاحی جامع و گسترده است که بیان می‌کند بتن تازه مخلوط شده چطور می‌تواند با حداقل از دست دادن یکنواختی بهره‌برداری شود. کارایی بتن مستقیماً بر مفاهیم مقاومت، دوام، کیفیت، ظاهر بتن سخت شده و حتی هزینه و نحوه اجرای کارهای عملیاتی بتن‌ریزی و عمل‌آوری تأثیر دارد. بنابراین تعیین ویژگی‌های کیفی و کمی کارایی بتن با استفاده از آزمایش‌های مختلف اهمیت فراوانی دارد. در این مقاله از بلاگ رامکا، ضمن بررسی مفهوم کارایی بتن، به معرفی عوامل تأثیرگذار بر آن، روش‌های آزمایش و تعیین مقدار کمی، کیفی و تجهیزات آزمایشی تست اسلامپ می‌پردازیم. پس تا انتها همراه ما باشید.

مفهوم کارایی بتن

کارایی بتن از دیدگاه افراد مختلف مفهوم متفاوتی دارد. همین امر باعث شده مفهوم کارایی، مفهومی گسترده و پیچیده باشد. برای نمونه بتنی که تمام انتظارات تیم طراحی و ساخت را برآورده کند، برای تولیدکننده بتنی کارا مناسب است. برای مثال مهندسین سازه، استحکام بالا و پیوند مناسب با آرماتور را از بتن می‌خواهند؛ معماران نگران جذابیت‌های بصری سازه هستند؛

مالکان به دنبال ظرفیت باربری بالا با بیشترین فضای کف هستند و کارگران ترکیبی از روانی و یکپارچگی مناسب بتن را می‌طلبند. در نهایت کسانی که عملیات تکمیلی بتن را انجام می‌دهند، به بتنی عنوان بتن کارا را اطلاق می‌کنند که به سرعت و آسانی به دوام و کیفیتی مطلوب دست یابد.

عوامل مؤثر بر کارایی بتن

همان‌طور که گفته شد، کارایی بتن شامل مجموعه ویژگی‌هایی است که منجر به تولید سازه یا محصولی با کیفیت می‌شود. نسبت و نوع مصالح به کار رفته در بتن به همراه کیفیت و خواص انواع افزودنی مورد استفاده در طرح اختلاط بتن، همگی بر کارایی بتن مؤثرند. در این بخش از مقاله به بررسی مهم‌ترین عوامل تأثیرگذار بر کارایی می‌پردازیم.

نسبت آب به سیمان

نسبت بیشتر سیمان و مواد سیمانی به معنای استحکام بیشتر است. در واقع سیمان همراه با مقدار مناسب آب، باعث ایجاد خمیری مناسب می‌شود که با پوشش بالای سطح سنگدانه، باعث یکپارچگی بالای بتن می‌گردد. مقدار آب کافی در مخلوط خمیر سیمان، برابر با میزان آب لازم برای عملیات هیدراتاسیون سیمان است.

افزودن آب بیش از حد، گرچه باعث سهولت در بتن‌ریزی می‌شود و به نوعی باعث افزایش کارایی بتن در زمان بتن‌ریزی می‌گردد، اما تأثیرات منفی بر جداشدگی بافت بتن، عملیات پرداخت، مقاومت و دوام بتن خواهد داشت.

بنابراین تعیین نسبت آب به سیمان بسیار حائز اهمیت است. مناسب‌ترین نسبت آب به سیمان در نگاهی کلی، برابر با ۰٫۴۵ تا ۰٫۶ (w/cm) است تا علاوه بر تولید بتنی مناسب برای بتن‌ریزی، سایر خصوصیات آن را نیز حفظ نماید.

سایز و شکل سنگدانه

با افزایش سطح سنگدانه‌ها، به خمیر سیمان بیشتری برای پوشاندن کل سطح سنگدانه نیاز است. بنابراین بتن تشکیل‌شده از سنگدانه‌های درشت در مقایسه با بتن سنگدانه ‌ریز، کارایی بالاتری دارد. از سوی دیگر سنگدانه‌های کشیده، زاویه‌دار و پوسته پوسته، به دلیل عدم پیوند مناسب با یکدیگر مناسب طرح اختلاط نیستند و باعث کاهش کارایی بتن می‌شوند.

همین امر باعث شده سنگدانه‌های گرد که دارای سطح مقطع مناسبی هستند، در بتن بیشتر به کار گرفته شوند. گرچه این سنگدانه‌ها نسبت به سنگدانه‌های کشیده سطح مقطع کمتری دارند، اما چون زاویه‌دار نیستند، پیوندهای مستحکمی با خمیر سیمان می‌سازند. در نهایت توجه داشته باشید استفاده از سنگدانه‌های خرد شده با نسبت‌های مختلف در بتن، باعث افزایش کارایی بتن می‌شوند.

افزودنی‌های بتن

انواع افزودنی‌ بتن باعث تغییرات کارایی بتن تازه می‌شود؛ برای نمونه سورفکتانت‌هایی مانند فوق روان کننده‌ بتن با ایجاد نیروی دافعه بین سیمان و سنگدانه به مخلوط اجازه می‌دهند بدون استفاده از آب بیشتر، مخلوط روانی مناسبی کسب کند و باعث افزایش دوام و مقاومت بتن شود.

همچنین افزودنی‌های حباب هوا ساز بتن برای جلوگیری از اثرات مخرب چرخه‌های ذوب و یخ، حباب‌های هوایی با اندازه‌های کنترل‌شده در مخلوط بتن تازه ایجاد می‌کند. البته توجه داشته باشید استفاده بیش از حد این افزودنی، باعث ایجاد ترکیبی چسبنده با تأثیر معکوس می‌شود.

بیشتر بخوانید: عوامل موثر بر کارایی بتن

آزمایش مخلوط اسلامپ

آزمایش اسلامپ در سال ۱۹۱۸ توسط داف آرامز، مهندس عمران و محقق آمریکایی حوزه بتن، به منظور تعیین اثرات نسبت آب به سیمان بر مقاومت بتن معرفی شد.

این آزمایش با مخروط اسلامپ که در اصل مخروط آبرامز نام گرفت، انجام می‌شود. این مخروط برای اندازه‌گیری کیفی کارایی بتن استفاده شده و در آن نشانی از تعیین مقدار کمی نسبت آب به سیمان وجود ندارد.

طبق استاندارد ASTM C143 و AASHTO T 119 در آزمایش تعیین اسلامپ بتن، مخروط اسلامپ را روی پایه جامد و تراز قرار می‌دهند. سپس مخروط را با سه لایه برابر از بتن تازه پر می‌کنند.

البته در هر مرحله، بتن را با استفاده از روشی مشخص از بالا ضربه می‌زنند تا مخروط یکپارچه شود. سپس مخروط را با احتیاط و با سرعت ثابت بلند می‌کنند. پس از فرونشینی یا سقوط نمونه، ارتفاع نهایی را از ارتفاع اصلی مخروط کم کرده و این مقدار را ثبت می‌کنند.

طبق این آزمایش، اسلامپ‌های ۴ تا ۶ اینچ (۱۰۰ تا ۱۵۰ میلی‌متر) معمولاً در محدوده مناسبی برای انجام عملیات بتن‌ریزی قرار دارند. البته مشروط بر اینکه دارای نسبت آب به سیمان مناسبی بوده و الزامات طرح اختلاط بتن را برآورده سازد. توجه داشته باشید شکل و نوع ریزش اسلامپ مهم است و باید ذکر شود.

• اسلامپ واقعی: بتن بدون تغییر شکل افت می‌کند.
• اسلامپ برشی: قسمت بالای بتن بریده شده و به طرفین می‌لغزد.
• اسلامپ فروریخته: بتن کاملاً فرو می‌ریزد. توجه داشته باشید اسلامپ فروریخته ممکن است به دلیل خیس بودن مخلوط ایجاد شود.

اسلامپ بر حسب in (mm)	مقدار کارایی	کاربرد
۰-۱ (۰-۲۵)	خیلی کم	مخلوطی بسیار خشک، قابل استفاده در ماشین‌های سنگفرش با ارتعاشات پر قدرت
۱-۲ (۲۵-۵۰)	پایین	مخلوطی کم کارایی، قابل استفاده در فونداسیون‌ها با تقویت سبک و روسازی‌های یکپارچه شده توسط ویبراتور دستی
۲-۴ (۵۰-۱۰۰)	متوسط	قابل استفاده در دال‌های مسلح به صورت دستی یا در بخش‌های به شدت تقویت شده (پر آرماتور) با ارتعاش مکانیکی (ویبراتور)
۴-۷ (۱۰۰-۱۷۵)	بالا	قابل استفاده در مقاطع با تراکم بالای آرماتور که امکان ویبره آن وجود ندارد.

بیشتر بخوانید: اسلامپ بتن

تستر K-Slump

تستر K-Slump در دهه ۱۹۷۰ توسط دکتر کریم ناصر، استاد دانشگاه ساسکاچوان ساخته شد. این تستر می‌تواند تخمین‌های سریعی از اسلامپ و کارایی بتن تازه را در محل ارائه دهد. این دستگاه قابل حمل بوده و ابزاری مناسب برای استفاده در مناطقی است که راه‌اندازی مخروط اسلامپ پایدار دشوار است.

در این دستگاه، لوله‌ای توخالی با دهانه‌های چاک خورده در بتن تازه وارد می‌شود. سپس همان‌طور که بتن مرطوب درون لوله جریان می‌یابد، پیستونی شناور جهت نشان دادن مقدار اسلامپ تخمینی بالا می‌آید.

بررسی بتن خودتراکم

بتن خود تراکم (SCC)، بتنی سیال و مقاوم در برابر جداشدگی و آب‌انداختگی است. این بتن به‌راحتی در قالب‌های پیچیده و نواحی پر آرماتور جای می‌گیرد. از آن‌جایی که این سری از مخلوط‌های بتنی بسیار سیال هستند، نمی‌توان میزان کارایی آن‌ها را با استفاده از تست اسلامپ معمولی تعیین کرد. بنابراین روش‌های جدیدی برای تعریف میزان کارایی آن‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد.

چه کسی مخترع بتن خود متراکم است؟

انگیزه تولید و توسعه بتن خود متراکم یا خود تراکم در اواسط دهه ۱۹۸۰ در ژاپن ایجاد شد. با کاهش نیروی کار ماهری که بتواند بتن را به‌ درستی در قالب‌های پیچیده یا مناطق پر آرماتور جای دهد، بن‌بستی در ساخت سازه‌های بتنی بادوام ایجاد شد.

با بررسی‌های انجام شده مشخص شد راه‌حل این مشکل، توسعه طرح اختلاط بتن جدیدی است که بتواند به راحتی بر اساس وزن خود به تمام نقاط پر پیچ‌وخم قالب‌های پیچیده یا نواحی با تراکم بالای آرماتور بدون نیاز به استفاده از ویبراتور جریان یابد.

تا اینکه در سال ۱۹۸۸، تیمی از دانشگاهیان و متخصصان صنعت ساخت و ساز به رهبری پروفسورهای اوکامورا و اوزاوا در دانشگاه توکیو توانستند چنین ترکیبی را تولید کنند.

در ساخت این بتن‌ها، آن‌ها از مواد پوزولانی (SCM) مانند خاکستر بادی، سرباره کوره بلند و دوده سیلیسی استفاده کردند تا بدین‌ترتیب بتنی با ویسکوزیته کم و مقاومت بالا در برابر جداشدگی تولید کنند. اولین سازه مهم ساخته شده با این بتن، مربوط به بلوک‌های لنگر پل آکاشی کایکیو بود.

انواع تست کارایی بتن خود تراکم

با توسعه طرح اختلاط بتن SCC، کشورهای اسکاندیناوی به دلیل کارایی بالا و کاهش هزینه‌ها، این فناوری را به سرعت پذیرفتند و روش‌های بتن‌ریزی و آزمایشی منحصربه‌فردی را توسعه دادند. پیشرفت سریع پروژه‌ها، راحتی کار برای کارگران، عدم استفاده از ویبراتور و عواملی از این قبیل، باعث شد استفاده از بتن‌های خود تراکم و سایر بتن‌ها با کارایی بالا در اروپا و آمریکا گسترش یابد.

امروزه استاندارد ASTM روش‌های قابل اعتمادی از انواع آزمون‌ها را برای تعیین میزان کارایی این نوع بتن‌ها تعیین کرده که در ادامه به بررسی هر یک از آن‌ها می‌پردازیم.

تست جریان اسلامپ

 در این روش، طبق استاندارد ASTM C1611 و AASHTO T 347 از مخروط اسلامپ معمولی که روی صفحه پایه صاف و صلب قرار دارد، برای تعیین میزان جاری شدن بتن خود تراکم تازه در اثر وزن خود استفاده می‌شود. در روش جریان اسلامپ، مخروط را می‌توان به صورت عمودی یا معکوس قرار داد. پس از پر شدن مخروط از بتن، مخروط را به صورت عمودی و با سرعت ثابت بالا آورده تا بتن روی صفحه زیرین پخش شود.

اگر از صفحه پایه برای اندازه‌گیری دبی و ویسکوزیته نسبی بتن در آزمایشگاه استفاده شود، لازم است تا میزان پخش‌شدگی اولیه و نهایی با دو دایره متحدالمرکز علامت‌گذاری شود.

تست J-Ring یا حلقه J (قابلیت عبور)

 طبق استاندارد ASTM C1621 و AASHTO T 345، این روش راهکاری برای اندازه‌گیری میزان جریان مخلوط بتن از میان میله‌های آرماتور در فواصل نزدیک به هم است. در این روش علاوه بر مخروط اسلامپ و صفحه پایه مورد استفاده در آزمایش جریان اسلامپ، از فیکسچر تست J-Ring برای شبیه‌سازی قرارگیری میلگرد استفاده می‌شود.

مانند آزمایش جریان اسلامپ، در روش حلقه J، مخروط ممکن است به حالت عمودی یا معکوس داخل J-Ring قرار گیرد. چنانچه حالت عمودی (روش A) انتخاب می‌شود، باید از مخروط اسلامپ اصلاح شده با زبانه‌های برداشته شده استفاده شود تا از تداخل با فیکسچر J-Ring جلوگیری شود.

تست L-Box یا جعبه L

 روشی جایگزین برای توصیف جریان و توانایی عبور مخلوط‌های SCC است. در این روش قیف عمودی را با بتن پر می‌کنند، سپس با بالا بردن دریچه کشویی بتن درون بخش افقی دستگاه جریان می‌یابد.

بدین‌ترتیب بتن از میان میله‌های آرماتور شبیه‌سازی شده در کف جعبه عبور کرده و در نهایت، با توقف جریان، عمق (ارتفاع) بتن در ابتدا و انتهای بخش افقی اندازه‌گیری می‌شود. این روش در اروپا و برخی از وزارتخانه‌های حمل و نقل ایالتی استفاده می‌شود، اما در حال حاضر استانداردی برای آن تهیه نشده است.

همان‌طور که گفته شد کارایی بتن بر مقاومت، دوام، ظاهر و نمای بتن سخت‌شده، نحوه اجرای بتن‌ریزی و پرداخت نهایی تأثیر فراوانی دارد. بنابراین تعیین مقدار کیفی و کمی کارایی بتن با استفاده از آزمایش‌های مختلف اهمیت زیادی دارد. در این مقاله از بلاگ رامکا به بررسی مفهوم کارایی بتن و روش‌های آزمایش مرتبط با آن در انواع بتن معمولی و بتن خود تراکم پرداختیم. امیدواریم این مقاله برای شما مفید بوده باشد.

منبع +