بررسی آزمایش‌های بتن خود متراکم به همراه پاسخ به سوال بتن خود تراکم چیست؟

بتن خود متراکم یا scc نوعی بتن خاص است که نیاز به ویبراتور و لرزاندن ندارد اما مواد افزودنی بر بتن خود تراکم چه تاثیری می گذارند؟ آزمایش جریان اسلامپ بتن خود متراکم با چه هدفی صورت می گیرد؟ مراحل انجام آزمایش حلقه J را می‌دانید؟

در این مقاله فوق العاده روان ابتدا بیان می‌کنیم بتن خود متراکم چیست؟ سپس با آزمایش‌های بتن خود متراکم آشنا خواهید شد و در نهایت آیین نامه‌ها را بررسی خواهیم کرد.

بتن خود متراکم چیست؟

مشخصه‌های اصلی یک بتن سازه‌ای در مراحل مختلف عمر آن یا به عبارتی انتظاراتی که از یک بتن با کیفیت داریم، عبارتند از:

زمانی که بتن تازه و خمیری شکل است، باید بدون اینکه سنگدانه‌های ریز و درشت ازیکدیگر و از دوغاب جدا شوند، گوشه‌ها و زوایای قال را به راحتی پر کنند و همینطور میلگردها را باید احاطه کنند. در واقع ما انتظار داریم بتن تازه کارایی بالایی داشته باشد.
بتن سازه‌ای پس از سخت شدن باید خواص یک بتن استاندارد را داشته باشد به طور مثال باید مقاومت آن به حد استانداردش رسیده باشد، جمع شدگی آن کم باشد، بسته به نیاز ما قابلیت نفوذپذیری آن کم یا بسیار زیاد باشد.
بتن سازه‌ای باید خصوصیات فیزیکی و شیمیایی خود را در طول عمر مفید پیش‌بینی‌شده در حد مطلوب حفظ کند.
بتنی که یک یا تعدادی از سه مشخصه‌ فوق را داشته باشد «بتن توانمند» یا «بتن با عملکرد فوق العاده» (High Performance Concrete) نامیده می‌شود و اگر این مشخصه‌ها در یک بتن در سطح بسیار عالی باشند، اصطلاحا به بتن، اَبَر بتن گفته می‌شود.

در اجرای بتن‌ریزی‌ها ممکن است با مشکلاتی از جمله موارد زیر روبرو شویم:

• جداشدگی دانه‌بندی بتن به علت ویبره زیاد در بعضی مناطق.
• تراکم ناهمگن در نقاط مختلف سازه و درنتیجه مقاومت فشاری متفاوت در بخش‌های مختلف سازه.
• گیرکردن شلنگ ویبره بین آرماتورها در حین اجرا.
• کرمو شدن بعضی مناطق به علت غیرقابل‌دسترس بودن آن جهت ویبره زدن.
• کرمو شدن نقاطی از سطح بتن به علت ویبره بیش‌ازحد و فرار شیره بتن.

یکی از فرآیندهای اصلی که در زمان بتن‌ریزی به منظور خارج شدن حباب‌های هوا از مخلوط و همچنین متراکم کردن بتن معمولا انجام می‌شود، فرآیند ویبره کردن است. استفاده از ویبراتور جهت متراکم کردن بتن مشکلات زیادی به همراه دارد که مشکلات زمانی بحرانی‌تر می‌گردد که تراکم آرماتور از حالت معمول بیشتر باشد و یا دانه‌بندی درشت‌تری برای بتن در طرح اختلاط منظور گردد. همین شرایط باعث شد که متخصصان و تولید کنندگان به فکر تولید و استفاده از بتن خود متراکم بیفتند که به عنوان فناوری نوپا در عرصه ساخت‌وساز، یکی از انواع جالب توجه بتن با عملکرد فوق العاده است که در بدو امر برای استفاده در قطعات بتن آرمه پر آرماتور ابداع و ساخته شد. بتن خود متراکم بتنی است که تحت وزن خود جاری‌شده و بدون نیاز به ویبره به‌طور کامل قالب‌ها را (حتی با وجود میلگردهای متراکم) پر می‌کند و علی‌رغم داشتن روانی و قابلیت تراکم و پراکندگی خوب، حالت همگن بودن خود را حفظ می‌کند.

به طور کلی فلسفه بتن خود متراکم به این شرح است که با حفظ نسبت آب به سیمان و اضافه کردن افزودنی‌هایی مانند میکرو سیلیس، خاکستر بادی و انواع فوق روان‌کننده‌ها و ایجاد تغییراتی در دانه‌بندی به کارآیی یا اسلامپ مورد نظرمان می‌رسیم. نسبت آب به سیمان با مقاومت و دوام بتن رابطه معکوس دارد به این معنا که هر چه نسبت آب به سیمان کمتر باشد، مقاومت و دوام بتن بیشتر خواهد بود. بتن خود متراکم به‌راحتی توانایی پر کردن شبکه‌هایی با آرماتور پیچیده را داراست و حتی در محل‌هایی که دسترسی به آن‌ها دشوار است به‌راحتی عبور می‌کند.

ویژگی‌های بتن خود متراکم

بتن SCC دارای ویژگی‌هایی می‌باشد که سبب تمایز آن با بتن‌های متداول شده است و مهندسین را به استفاده هر چه بیشتر از آن تشویق می‌کند. در ادامه می‌توان مواردی را مشاهده کرد:

قابلیت پراکندگی: یکی از ویژگی‌های بتن خود تراکم پر کردن و جا گرفتن آسان در لابه‌لای آرماتورهای سازه به‌ کمک وزنِ خود بتن است.
قابلیت گذردهی: به این معنی که از بین تنگناها مانند فضای بین آرماتور، بدون جداشدگی و گرفتگی به‌راحتی عبور می‌کند.

پایداری: پایداری و حفظ همگن بودن مخلوط، در طول حمل‌ونقل و بتن‌ریزی.
کارایی: حرکت و جای‌گیری آسان بتن در مکان موردنظر و تراکم تحت اثر وزن مخلوط را کارایی می‌گویند.
پیشرفت چشم گیر کار: پیشرفت سریع‌تر کار به دلیل افزایش ارتفاع بتن‌ریزی (Free Fall) که منجر می‌شود به:
کاهش تعداد سیکل‌ها در پروسه ساخت
کاهش درزهای ساخت (Construction Joint) و اتصالات سرد
بهبود کیفیت ساخت به دلیل حذف فاکتور انسانی تراکم.
حذف آلودگی صوتی ویبراتور.
شکل‌پذیری زیاد: به دلیل روانی زیاد بتن خودمتراکم، المان‌های معماری پیچیده را به سادگی می‌توان اجرا کرد.

مواد افزودنی بتن خود متراکم

افزودنی‌ها موادی هستند که به‌منظور ایجاد و یا بهبود خواص مشخصی به بتن تازه یا سخت شده در حین ساخت افزوده می‌شوند. پتانسیل کاهش هزینه سیمان و به‌ طور کلی کاهش نیروی انسانی و انرژیِ تولید بتن، عامل اصلی جذابیت افرودنی‌ها جهت تولید و توسعه می‌باشد همچنین از افزودنی‌هایی به عنوان فوق‌روان‌ کننده‌ هم در مخلوط بتن خودمتراکم استفاده می‌شود که میکروسیلیس از مهم‌ترین آن‌ها می‌باشد. در ادامه‌ی این بخش به بررسی برخی از افزودنی‌های مهم پرداخته شده است.

مواد افزودنی بتن خود متراکم

در ادامه با اصلی‌ترین افزودنی‌هایی که در بتن خود تراکم استفاده می‌شوند آشنا خواهیم شد.

پودر سنگ

در واقع کاربرد پودر سنگ دولومیت در بتن خود متراکم دوام بتن را در مقابل واکنش‌های قلیایی کربنات‌ها کاهش می‌دهد.

خاکستر بادی

ماده‌ای است غیرآلی با خصوصیات پوزولانی که تأثیر زیادی در بهبود خواص بتن همانند پایداری آن دارد.

نانو سیلیس

محصولی است که کاربردهای چندمنظوره از خود نشان می‌دهد؛ مانند خاصیت ضدسایش، ضد لغزش، ضد حریق و ضد انعکاس

فوق روان کننده‌ها

روان‌کننده‌ها، عناصری به عنوان کاهنده آب را در ترکیبات خود دارا می‌باشند و قابلیت‌های جانبی به بتن می‌دهند که عبارت‌اند از:

• قابلیت پرداخت بتن را افزایش می‌دهند.
• قابلیت پمپاژ بتن را افزایش می‌دهند.
• موجب استقرار بتن بدون ویبره می‌گردند.

میکروسیلیس

میکروسیلیس باعث روان‌تر شدن بتن شده و دوام بتن را نیز افزایش می‌دهد و نقش مهمی در چسبندگی و یکنواختی بتن پخش شده با عملکرد بالا دارد.

سنگدانه

لازم به ذکر است که سنگدانه‌هایی که در بتن معمولی استفاده می‌شود، در بتن خود متراکم هم کاربرد دارد. انواع سنگ‌ها ازنظر شکل و ابعاد عبارتند از:

• سنگدانه های گرد گوشه
• سنگدانه های تیز گوشه

آزمایش‌های بتن خود متراکم

علاوه بر آزمایش‌های متداول بتن، تعداد دیگری آزمایش مختص بتن خود تراکم وجود دارد که در زیر تعدادی از آن‌ها توضیح داده‌شده‌اند.

آزمایش جریان اسلامپ بتن خود متراکم

آزمایش جریان اسلامپ جهت سنجش توانایی بتن خود تراکم برای تغییر شکل تحت اثر وزن خود است که برای اولین بار در ژاپن برای سنجش کارایی بتن‌هایی که در زیر آب استفاده می‌شوند، مورد استفاده قرار گرفت. قطر دایره‌ی بتن معیاری برای جریان و پراکندگی بتن خود متراکم می‌باشد.

آزمایش حلقه J

به‌نوعی شبیه‌سازی گذر بتن از میان موانع، به‌خصوص شبکه‌های آرماتور متراکم در قالب می‌باشد. روش انجام آزمایش به صورت زیر می‌باشد:

• مخروط ناقص اسلامپ را در وسط حلقه J قرار می‌دهیم.
• سپس ۶ لیتر بتن را در داخل بتن می‌ریزیم، در انتها با سرعتی ثابت و به‌صورت قائم، مخروط ناقص را به بالا می‌کشیم.
• اختلاف ارتفاع بتن را در داخل و خارج حلقه J در ۴ نقطه اندازه‌گیری کرده و میانگین می‌گیریم.
• در صورت وجود شیره در اطراف، آن را یادداشت می‌کنیم.
• هر چه اختلاف ارتفاع قبل و بعد از حلقه بیشتر باشد، توانایی عبور بتن از میان آرماتورها کمتر است.
• همچنین از روی آبی که در اطراف بتن جمع می‌شود می‌توان به‌صورت کیفی میزان آب انداختگی را تخمین زد.

از دیگر آزمایش‌های مربوط به کیفیت بتن خود متراکم می‌توان به آزمایش قیف V شکل، جعبه‌ای L شکل، جعبه‌ای U شکل، اوریمت و GTM اشاره کرد.

بتن خود تراکم در آئین‌نامه ACI

آئین‌نامه ACI تحت کد ACI 237R-07 به معرفی بتن خود متراکم و محدودیت‌ها و مشخصات این نوع از بتن پرداخته که معیار مناسبی برای استفاده‌کنندگان در سراسر جهان است. مشخصاتی در زیر به آن‌ها اشاره‌شده است.

مشخصات بتن خود متراکم پس از سخت شدن

کارایی مخلوطِ بتن پارامتر پراهمیتی می‌باشد اما طبیعتا مشخصات بتن سخت شده هم اهمیت بالایی دارد که لازمه‌ی فراگیر شدن بتن SCC تضمین کیفیت بتن قبل و پس از سخت شدن آن است. با معرفی بتن SCC در آمریکا دو نگرانی اصلی سبب شد که سؤالاتی در مورد مشخصات سخت‌شدگی مطرح گردد:

در آن زمان یک تصور غلط قدیمی در ذهن عموم وجود داشت که اسلامپ بالا (سیالیت بیشتر) باعث کاهش کیفیت بتن نسبت به بتن با اسلامپ پایین می‌شود، دلیل این امر این بود که در گذشته برای افزایش اسلامپ (کارایی) بتن، مرسوم‌ترین راهکار افزایش آب مخلوط بود که این کار سبب کاهش مقاومت بتن می‌گردد. این تصور سبب بروز این سوال گردیده بود که مگر می شود بتنی تولید کرد که هم دارای اسلامپ مناسب و هم مقاومت بالا باشد؟!
در گذشته در مخلوط‌های بتن‌های خود متراکم نسبت مصالح اولیه برای مخلوط بتن بر اساس استفاده از حجم زیادی ماسه و خمیر سیمان بود که نگرانی‌ها را از بابت پدیده‌هایی همچون انقباض یا خزش افزایش می‌داد. چرا که احتمال وقوع خزش و انقباض در بتن معمولی زمانی زیاد بود که بتن‌ریزی حجیم باشد.
بیش از ۱۰۰۰ مقاله در مورد بتن SCC نوشته‌شده و تعدادی از این تحقیقات به‌طور خاص در خصوص ویژگی‌های سخت‌شدگی بتن می‌باشند. برخی به این نتیجه رسیده‌اند که مشخصات سخت‌شدگی SCC معادل بتن با اسلامپ متعارف نیست، درحالی‌که برخی دیگر به این نتیجه رسیده‌اند که مشخصات شبیه و یا حتی بهتر از بتن با اسلامپ معمولی می‌باشد؛ به‌عبارت‌دیگر، پر واضح است که نمی‌توان SCC را همیشه بدتر یا همیشه بهتر از بتن معمولی در نظر گرفت.

نتیجه اینکه اصولاً مشخصات سخت‌شدگی SCC توسط نسبت‌های اختلاط و مصالح تشکیل‌دهنده مخلوط تعیین می‌شود. اگر نسبت‌ها به‌طور قابل‌توجهی از اختلاط اسلامپ بر طبق آئین‌نامه تغییر کند، باید منتظر عملکرد متفاوتی باشیم. داشتن یک طرح اختلاط مشخص برای عملکرد موردنظر ضروری است؛ اگر یک طرح اختلاط مشخص وجود نداشته باشد می‌تواند روی مشخصات اصلی تأثیر منفی بگذارد، درحالی‌که سایر مشخصات به‌طور محسوسی تحت تأثیر قرار نمی‌گیرند. به عنوان مثال، سطح سیالیت SCC روی عملکرد بتن اثر منفی می‌گذارد، روان بودن بتن روی کارایی آن تأثیر منفی دارد و این تأثیر منفی بیشتر از تأثیر مثبت آن روی پایداری است. شایان‌ذکر است که روانی بالا و طرح اختلاط ثابت SCC با مشخصات سخت شدگی عالی می‌تواند وجود داشته باشد و مدام ساخته می‌شود.

به کار بردن افزودنی‌های شیمیایی برای تولید مخلوط SCC اجتناب ناپذیر است، به عنوان مثال استفاده از افزودنی‌های HRWR (فوق کاهنده آب یا همان فوق روان کننده) ضروری می‌باشند، درحالی‌که سایر افزودنی‌ها همچون VMA (اصلاح‌کننده ویسکوزیته) و افزودنی‌های محافظ کارایی معمولا مورداستفاده قرار می‌گیرند. همه افزودنی‌های HRWR بر پایه PCE (پلی کربوکسیلات) یکسان نیستند. افزودنی‌ها ممکن است در مقدار تأثیر دوز، تأثیر ویسکوسیته مخلوط، حفظ کارایی و تأثیر نرخ سخت شدگی و نرخ رشد مقاومت اولیه‌شان متفاوت باشند، همچنین تاثیر افزودنی‌ها بر روی آب انداختگی بتن، جدایی ذرات بتن و زمختی بتن هم متفاوت است.

نسبت‌های مخلوط SCC

نسبت‌های مخلوط SCC خیلی با نسبت‌های مخلوط‌های با اسلامپ مرسوم تفاوتی نمی‌کند. در بسیاری از شرایط، بخشی از خمیر بتن مخلوط SCC (شامل هوا) است که مشخصات روانی و پایداری مخلوط را کنترل می‌کند. خمیر همچنین موجب تأثیر فراوان بر روی مشخصات سخت شدگی و قیمت نهایی مخلوط دارد. فرآیندهای متعدد نسبت‌های SCC مسیر خوبی را برای انتخاب نسبت‌های اولیه فراهم کرده‌اند. همچون تمام فرآیندهای طرح اختلاط، آزمایش و ارزیابی نسبت‌های انتخاب‌شده ضروری است.

کیفیت مخلوط

کیفیت یک مخلوط SCC از طریق آزمایش‌های آزمایشگاهی، بررسی مشخصات بتن تازه و سخت شده، آزمایش استحکام، آزمایش‌های مدل‌سازی ساخت مورد ارزیابی قرار می‌گیرد. این پروسه، گام مهمی در بر قراری ارتباط بین شرایط تئوری با عملی می‌باشد.

بچینگ و ترکیب بتن

گذر از آزمایش‌های آزمایشگاهی کنترل‌شده‌ی کوچک به تولید بتن SCC با استفاده از تجهیزات صنعتی، یک گام مهم در جهت گسترش استفاده از بتن SCC می‌باشد. در یک فرآیند فکر شده برای ساخت بتن SCC، باید همه موارد از ذخیره و انبار مصالح، تجهیزات بچینگ تا تجهیزات میکس و درنهایت پروتکلی برای کنترل کیفیت بتن جهت استفاده لحاظ شود. یک راهنمای گام‌به‌گام برای اختلاط همه نوع مخلوط SCC با استفاده از منابع، بچینگ و ابزار اختلاط متنوع، باید ارائه داد. بنابراین اپراتور سازنده بتن باید تلاش کند که تفاوت‌های جزئی امکانات و ابزارآلات خود را بداند. هدف از مرحله کنترل دقیق این است که در طول فرآیند و متعاقباً در حین بهره‌برداری یک محصول SCC خوب، باکیفیت پایدار و با حداقل دخالت انسان، تولید شود.

عموماً، SCC می‌تواند با روش‌های استفاده‌شده برای بتن‌های معمول انتقال داده و ریخته شود. اگرچه بعضی ملاحظات در مورد SCC باید در محاسبات در نظر گرفته شود، مثلاً اندازه سنگدانه‌ها و مشخصات میکسر، تکنیک ریختن، جهت جریان بتن و مشخصات میکسر و ارتباط بین مشخصات میکسر و الزامات پرداخت و عمل‌آوری بتن. علاوه بر این پیمانکار باید توجه داشته باشد که فرآیند چگونه ریختن بتن را تنظیم کند که از تمام ظرفیت موجود SCC استفاده کند.

بتن خود متراکم در مقررات ملی ساختمان

طبق بند ۹-۹-۴-۲-۳ مواد افزودنی معدنی مانند دوده سیلیس، کائولین و سرباره به‌عنوان جایگزین بخشی از سیمان و یا به‌عنوان جایگزین بخشی از سیمان و یا به‌عنوان پرکننده در مخلوط بتن مجاز می‌باشند.

طبق بند ۹-۹-۴-۲-۴ برای تأمین مخلوط بتن استفاده از ماده شیمیایی اصلاح‌کننده گرانروی مجاز است. همچنین برای ساخت مخلوط بتن با گرانروی مناسب حاصل از پودر سنگ و پودرهای فعال و ماده اصلاح‌کننده گرانروی امکان‌پذیر است.

طبق بند ۹-۹-۴-۲-۵ تأمین روانی مخلوط بتن باید توسط مواد افزودنی فوق روان کننده‌های ممتاز مانند پلی کربوکسیلات فراهم گردد.

بر اساس بند ۹-۹-۴-۲-۶ استفاده از سنگدانه با هر اندازه‌ای در ساخت بتن خود متراکم مجاز است، اما توصیه می‌شود برای حفظ پایداری مخلوط، اندازه حداکثر به ۲۰ میلی‌متر محدود شود.

طبق بند ۹-۹-۴-۳ در خصوص طرح اختلاط هم آئین‌نامه مواردی را توصیه می‌کند که به شرح زیر خلاصه می‌گردد:

تعیین نسبت‌های مخلوط بتن خود متراکم بر اساس تراکم میلگردها، شکل و اندازه قالب و روش بتن‌ریزی انجام می‌گیرد.

نسبت‌ها باید در محدوده زیر باشد، مگر آنکه بررسی آزمایشگاهی کاربردی بودن خلاف این نسبت‌ها را ثابت نماید.

نسبت حجمی آب به‌کل پودر (شامل سیمان، پودر سنگ و مواد افزودنی معدنی)، باید بین ۸/۰ تا ۱۰/۱ باشد و حجم خمیر باید بین ۳۴ تا ۴۰ درصد کل حجم مخلوط باشد.
مقدار سنگدانه درشت باید بین ۲۸ تا ۳۵ درصد حجم مخلوط باشد.
کل مقدار پودر باید ۳۸۰ تا ۶۰۰ کیلوگرم بر مترمکعب باشد.
در خصوص نحوه اجرای SCC باید در نظر داشت که زمان موردنیاز برای مخلوط کردن بتن خود متراکم معمولاً طولانی‌تر از بتن معمولی است، اما مدت موردنیاز و ترتیب ریختن مصالح به درون مخلوط‌کن باید با آزمایش بر مبنای آزمون‌وخطا تعیین شود.

در صورت استفاده از پودر سنگ فله‌ای، برای انبار کردن آن در کارگاه باید از سیلوی فلزی استفاده شود تا دچار تغییرات رطوبت و کلوخه شدگی نشود.

مواد افزودنی شیمیایی باید همراه با بخشی از آب مخلوط به‌عنوان آخرین جزء، به مخلوط بتن افزوده شوند. در مواردی که ماده اصلاح‌کننده گرانروی استفاده می‌شود باید پس از فوق روان کننده به مخلوط افزوده شود.

ارتفاع مجاز بتن‌ریزی در سقوط آزاد ۳ متر است. برای ارتفاع بیشتر از این مقدار باید با آزمایش اثر ارتفاع در جداشدگی ذرات بررسی شود و سپس بتن‌ریزی انجام گیرد؛ اما توصیه مبحث نهم این است که برای سقوط آزاد بیش از ۲ متر از قیف و لوله‌ترمی استفاده شود و همچنین حداکثر طول جریان آزاد مخلوط بتن ۱۰ متر است، چراکه در طول بیشتر احتمال جداشدگی دینامیکی ذرات وجود دارد.

بسیاری از مخلوط‌های خود متراکم به سرعت غلیظ شده ، بنابراین عملیات بتن‌ریزی باید استمرار داشته باشد تا از بروز درز سرد ناشی از آن اجتناب گردد. لازم به تذکر است که لرزاندن SCC مجاز نیست، زیرا منجر به نشست سنگدانه های درشت می‌شود.

در پرداخت سطح بتن باید از ابزار فلزی استفاده شود، زیرا ابزار چوبی سبب کنده شدن سطح بتن می‌گردد.

پس از پرداخت سطح بتن باید با پوشش پلاستیک بر روی سطح بتن از تبخیر آب جلوگیری شود تا منجر به ترک‌خوردگی ناشی از جمع شدگی پلاستیک نشود.

برای جلوگیری از خود خشک‌شدگی بتن باید از عمل‌آوری با روش آب‌رسانی استفاده شود و از عمل‌آوری عایقی اجتناب گردد.

علاوه بر آزمایش تعیین مقاومت فشاری به‌مانند بتن معمولی باید از آزمایش‌های مربوط به SCC همچون حلقه J، جعبه L و جریان اسلامپ جهت بررسی وضعیت بتن استفاده شود.

نتیجه گیری

با توجه به این مقاله که بر اساس استانداردها و مقالات بین المللی نوشته شده، می توان به این نتیجه رسید که در شرایطی که امکان ویبره زنی به علل مختلف از جمله سردی هوا، نبود فضای کافی، عدم امکان تامین انرژی مورد نیاز ویبراتور و … وجود ندارد، SCC یکی از بهترین جایگزین ها برای تولید بتنی متراکم، با مقاومت، دوام و پایداری زیاد می باشد.

همچنین نکته ای که وجود دارد این است که نیاز به آموزش اپراتورها در تهیه و ریختن این بتن بسیار بیشتر از بتن های رایج می باشد و کوچکترین اشتباهی می تواند به یک فاجعه تبدیل شود. همچنین باید برای انتخاب یک افزودنی مناسب با توجه به شرایط موجود به یک متخصص امر مراجعه کنیم تا از هرگونه اشتباهی جلوگیری کنیم.

منبع: سبز سازه