Table of Contents
راهنمای بتن حجیم (MASS CONCRETE)
تاثیر حرارت /تغییرات حجمی/ طرح مخلوط
انواع بتن حجیم
بتن حجیم: طبق تعریف جدید ویرایش ACI 207، هر حجم از بتنی که دارای شرایط ابعادی، شرایط المان های مرزی، مشخصات طرح مخلوط منجر به تنش های حرارتی، ترک خوردگی، واکنش های شیمیایی نامطلوب و یا کاهش مقاومت بلند مدت در پی افزایش دمای ناشی از هیدراسیون شود را به عنوان بتن حجیم درنظر میگیریم.
بتن دما کنترل شده: بتن حجیم و یا بتن حجیم مسلح که در حالت کلی برای ساخت و ساز مورد استفاده قرار گیرد. در این نوع بتن برای تامین مقاومت فشاری بالاتر، مشکلات حرارتی در طی عمل آوری، احتمال ترک خوردگی حرارتی را افزایش میدهد. بتن دما کنترل شده معمولا برای توصیف بتنهای دارای محتوای سیمانی بالا، دمای بالا، حداکثر اندازه سنگدانه کوچتر به نسبت بتن حجیم ستنی است.
بتن حجیم ستنی: بتن حجیم ستنی معمولا مورد استفاده در سد ها است و عموماً دارای محتوای سیمانی کم و ابعاد سازه ای بزرگ است ولی با بتن ریزی متوالی، گرمای زیادی به دام می افتد. بتن حجیم ستنی عمدتاً دارای افزایش دمای کمتر و مقاومت فشاری کم تر و حداکثر اندازه سنگدانه درشت تر نسبت به بتن های حجیم دیگر است.
جدول زیر یک روش مناسب برای تعریف بتن حجیم به عنوان تابعی از طرح مخلوط و حداقل ابعاد مقطع است. این جدول میتواند شاخص اولیه برای طراحی طرح مخلوط برای کنترل دما و تفاضل دما و یا طرح یک اختلاط برای برخی از بتن ریزی ها که در آن اقدامات کنترل و کاهش دمایی استفاده نمیشود، مورد استفاده قرار گیرد.
نواحی سبز به عنوان بتن حجیم درنظر گرفته نمیشوند. نواحی زرد میتوانند به عنوان بتن حجیم درنظر گرفته شوند. در همین راستا، بتن حجیم به بتنی اتلاق میشود که پیش بینی میشود دمای بالا تر از C 70 داشته باشد و تفاضل دمایی بیش از C 20 درجه داشته باشد.
مکانیزم اثر تخریبی
مکانیزم اثر تخریبی به این صورت است که وقتی محتوای سیمانی در یک طرح مخلوط بالا باشد و یک اثر ابعادی در قطعه ایجاد شود، هسته المان بتنی در طی هیدارسیون، افزایش مضاعف دما میدهد، این اثر افزایش دما سبب دو پدیده می شود:
- تشکیل اترینگایت تاخیر یافته که موجب حمله سولفاته و زوال بتن می شود.
- ایجاد تفاضل دمایی در قطعه که باعث ترک خوردگی اساسی قطعه ناشی از تغییرات میشود.
اترینگایت تاخیر یافته DEF
DEF یک نوع حمله داخلی سولفات است که ناشی از انبساط خمیر سیمان هیدارته شده به دلیل افزایش دمای بتن در سنین اولیه که در معرض رطوبت نیز هست، رخ میدهد. شیمی بتن، ریزساختار خمیر بتن و دمای عمل اوری از مهم ترین فاکتورهای تاثیر گذار بر روی DEF است. سطح قلیایت بتن، ترک خوردگی اولیه، حضور سولفات های در کلینکر و حضور سولفات ها در سیمان از عوامل دیگر ریسک تشکیل اترینگایت تاخیر یافته می باشند.
مقابله با مشکلات ناشی بتن حجیم
راهکارهای مقابله با مشکلات ناشی بتن حجیم متعدد است. عبارتند از:
- تیم های متخصص اجرایی درخصوص بتن ریزی های حجیم است.
- استفاده از پوزولان های دارای افزایش دمای کم؛
- انتخاب روز بتن ریزی در فصل و روز مناسب؛
- تحلیل مدل سازی حرارتی کامپیوتری و ایجاد ماکت در ابعاد واقعی مقطع و اندازه گیری دمایی برای صحت سنجی
- بهره گیری از کارخاجات بتن آماده با تجربه موفق مبتنی بر مستندات مورد توافق
- بهره گیری از طرح مخلوط مهندسی شده با حداقل عیار سیمانی
- استفاده از سنگدانه های با کانی و دانه بندی مناسب با توجه به مشخصات حرارتی سنگدانه ها
منابع: ACI 207 / آیین نامه بتن ایران / آیین نامه بتن ریزی حجیم / رهنمای تولید بتن حجیم
سخن پایانی
گروه ایران بتن
مشاوره ارشد صنایع بتنی ایران
باز مهندسی فرآیند کارخانجات بتن آماده
تولید کننده، مجری و مشاوره افزودنی های بتن
QC/QA انواع بتن پیش ساخته و آماده
تولید کننده و تامین کننده انواع سنگدانه های مورد مصرف در بتن
————————————————————–
مکانیسم آسیب در بتن حجیم
بدلیل رسانایی کم در بتن، حرارت به آهستگی از هسته سازه آزاد می شود و همین امر باعث تفاضل دمایی قابل توجهی در سطح مقطع بتن می شود. گرادیان دمایی ناشی از هیدراسیون سیمان باعث تنش های حرارتی زیر می شود:
۱- در ابتدا در طول فاز گرمایش، فضای داخل سازه در فشار است، در حالی که سطوح تحت کشش قرار می گیرد.
۲- در مرحله خنک شدن، علامت تنش تغییر میکند که باعث ایجاد کشش داخل سازه و فشار در سطح بتن میشود.
۳- علاوه بر این، تبخیر سطح بتن سبب ایجاد میدان رطوبتی غیر یکنواخت در داخل المان میشود و این موضوع باعث افزایش کشش در سطح و فشار در هسته سازه میگردد.
این موارد منجر به ترک خوردگی سطحی در لایه های اولیه میگردد. این تغییرات جهت تنش های در سطح مقطع بتن با افزایش دمای بتن در هسته فزاینده شده و در فازهای بعدی ترک خوردگی ممکن است به داخل بتن سرایت کند در حالی که ترک های سطحی ممکن است بسته شود. این رفتار میتواند توسط تنش های ناشی از شرایط مهار خارجی ترک خوردگی در هسته بیشتر شده و ترک سطوح بتن دوباره باز شود.
پوزولان های مورد مصرف
به منظور کاهش مقدار حرارت در طی فرایند هیدارسیون، برخی از مواد مضاف معدنی یا مواد مکمل سیمانی به عنوان بخشی از مواد سیمانی در بتن حجیم جایگزین می شوند. مواد مکمل سیمانی عبارتند از:
- خاکستری بادی (fly ash)
- دوده سیلیکا (silica fume)
- سرباره کوره آهن گذازی (granulated blast furnace slag)
- بنتونید (bentonite)
- زئولیت (Zeolite)
متاکائولن (metakaolin)
خاکستر بادی (fly ash)
خاکستر بادی به طور گسترده ای به جهت افزایش کارایی و حرارت هیدراسیون کمتر در بتن ریزی ها استفاده می شود. تنوع زیادی در خاکسترهای بادی بدست آمده در منابع مختلف وجود دارد. مقدار CaO موجود در خاکستر بادی تعیین کننده ماهیت سیمانی آن است. خاکستر بادی دو تایپ F و تایپ C تقسیم میشود. در کشور ایران دسترسی به این ماده محدود است.
سرباره (GGBF Slag)
استفاده از سرباره کوره باعث افزایش چشم گیر در کاهش نرح تولید حرارت در سازه های حجیم میشود. از طریق افزایش مصرف سرباره میتوان افزایش مقدار دما و ایجاد پیک در منحنی دمای آدیاباتیک بهطور چشمگیری کاهش داد.
عوامل تعیین کننده خاصیت سیمانی سرباره عبارتند از:
- ترکیب شیمیایی روباره
- درصد ترکیب شیشه ای و آمورف
- درجه نرمی روباره
- دمای محیط در مرحله فرآیند آبگیری
- غلظت ترکیبات قلیایی در جریان واکنش
میکروسیلیس (silica fume)
میکروسیلیس نرخ افزایش حرارت را به واسطه افزایش هیدراسیون سیمان افزایش میدهد. ولی در خصوص مقدار حرارت کل، داده ها متناقض است. در یک مطالعه با استفاده از هدایت کالریمتری، خمیر سیمان حاوی ۰، ۱۰، ۲۰ و ۳۰ درصد دوده سیلیس مورد بررسی قرار گرفت. دو پیک دمایی در ۵ ساعت و ۶ تا ۱۰ ساعت رخ داد.
گرچه نرخ آزاد سازی حرارت که بر اساس سیمان است، با افزایش مقدار دوده سیلیس بیشتر است، اما کل دمای آزاد شده که بر اساس کل مواد جامد مخلوط است تا حدودی کاهش می باید، زیرا دوده سیلیس جایگزین سیمان می شود.
در مطالعه دیگر توسط کومار (۱۹۸۴) نشان داده شد که حرارت کل میتواند ۱۵ تا ۳۰ درصد بسته به ذرات سیمان و مقدار میکروسیلیس کاهش یابد.
پیشرفت های صورت گرفته در صنعت ساخت و ساز زمینه ساز ساخت سازه های غول پیکر ساختمانی نظیر مجموعه ایران مال و سازه بتنی برج میلاد و همچنین سازه‌های خاص نظیر پل ها و سد های بتنی است . با مطالعات صورت گرفته پیرامون سازه هایی مشابه سازه های ذکرشده مفهوم جدیدی در تکنولوژی بتن به عنوان << بتن حجیم >> و بتن ریزی حجیم مورد مطالعه متخصصین تکنولوژی بتن قرار گرفت. اهمیت این موضوع سبب شده است که الحاقیه جدید به آیین نامه بتن ایران آبا تحت عنوان آیین نامه سازه های بتن حجیم تحت عنوان نشریه ۳۴۴ به آیین نامه آبا اضافه شده است.
مشخصات بتن حجیم
طبق تعریف نشریه ۳۴۴ ” هر حجمی از بتن که نیازمند تدابیر ویژه جهت کاهش ترک خوردگی ناشی از گرمای آبگیری (هیدراسیون) سیمان باشد بتن حجیم نامیده می شود.” تعریف مشخص تری از این نوع بتن در استاندارد ACI207 ارائه شده است . طبق مفاهیم ارائه شده هر نوع المان بتنی که دارای حداقل بعد بیشتر از ۸۰ سانتی متر باشد تحت عنوان بتن حجیم طبقه بندی شده و نیاز است که الزامات و راهکار های مشخصی جهت بتن ریزی این بتن ها پیش بینی شود . مطابق این تعریف مشخص می شود که فونداسیون سازه های بلند مرتبه ساختمانی ، پایه های پل های بتنی ، سد های بتنی و سازه های مشابه در رده بتن حجیم طبقه بندی می شود.
همانطور که میدانیم واکنش سیمان با آب واکنشی گرماده است و دمای درون قطعه بتنی را به مقدار زیادی ( تا ۸۰ درجه سانتی گراد ) بالا می برد . اگر این گرما نتواند به راحتی تخلیه شده گرادیان ( اختلاف ) حرارتی ایجاد شده بین بتن واقع در هسته بتن و بتن قرار گرفته در سطح بتن ( که در معرض دمای محیط قرار دارد) سبب بروز ترک خوردگی حرارتی شده و مقاومت و دوام بتن سخت شده را تحت تاثیر قرار می دهد.
در طرح اختلاط بتن حجیم موارد زیر باید مد نظر قرار گیرد . حداکثر بعد سنگدانه در بتن حجیم معمولا ( به دلیل کاهش مقدار استفاده از سیمان) بیشتر از بتن های معمولی در نظر گرفته می شود.
سیمان مورد استفاده در این بتن ها باید از نوع ۱،۲،۴،۵ سرباره ای و یا پوزولانی انتخاب شود . در صورت انتخاب سیمان تیپ ۲ مجموع مقادیر و
که منبع گرمای آزاد شده در هنگام گیرش بتن است باید به ۵۸% محدود گردد.
همانطور که گفته شد در طرح اختلاط بتن حجیم از سنگدانه های با حداکثر اندازه بزرگ تر استفاده می شود . آیین نامه آبا با توصیه این مورد خاطر نشان می سازد که این مورد باید با شرط عدم وجود جدا شدگی در بتن تازه همراه باشد. لذا معمولا حداکثر اندازه درشت دانه به عدد ۱۵۰ میلی متر محدود می شود.
به علت محدود سازی مقدار سیمان در بتن حجیم ، در انتخاب سنگدانه باید دقت ویژه ای لحاظ گردد . مطابق توصیه های صورت گرفته در آیین نامه آبا و ACI 207 دانه بندی و رطوبت موجود در ماسه جهت حصول کارایی مطلوب باید به دقت کنترل گردد . ریز دانه های مورد استفاده باید شامل سنگدانه های سخت ، با دوام ، تمیز و عاری از هر گونه مواد مضر مانند رس که بر کارایی بتن تاثیر منفی می گذارد باشد .
افزودنی های پوزولانی به علت فراهم کردن امکان کاهش مصرف سیمان و همینطور تاخیر در ایجاد گرمای هیدراسیون جزء جدانشدنی از طرح اختلاط بتن حجیم می باشد . معمولا استفاده از خاکستر بادی و سرباره های کوره های آهن گدازی در طرح اختلاط بتن حجیم مورد استفاده قرار می گیرد . به علت عدم تولید خاکستر بادی و همچنین نبودن سرباره های با کیفیت در کشورمان توصیه می گردد از میکروسیلیس در طرح اختلاط بتن استفاده گردد .
سه نوع افزودنی بتن می تواند در طرح اختلاط این نوع بتن کار گرفته شود . افزودنی حباب هوازا جهت جلوگیری مقاومت در برابر دوره های مکرر یخ زدن و آب شدن و جلوگیری از پدیده جداشدگی می تواند در طرح اختلاط این نوع بتن به کار گرفته شود . همچنین افزودنی های فوق روان کننده با خاصیت حفظ اسلامپ یا دیرگیر نیز به سبب فراهم سازی امکان ریختن حجم بیشتر بتن و همچنین کاهش گرمای هیدراسیون در سنین اولیه بتن ریزی پیشنهاد می شود . می توان جهت جلوگیری از پدیده جداشدگی از فوق روان کننده های دیر گیر با قابلیت حفظ ویسکوزیته بتن نیز استفاده کرد.
همچنین استفاده از مواد فوق روان کننده سبب افزایش مقاومت مکانیکی بتن سخت شده ، افزایش دوام و کاهش مقدار سیمان می گردد .
آب مورد استفاده در طرح اختلاط ، عمل آوری و شستن مصالح سنگی باید تازه ، تمیز و عاری از آلودگی های فاضلاب های شهری و صنعتی و مواد زیان آور باشد . در صورت گل آلود بودن و وجود املاح معلق در آب توصیه می گردد با اعمال تدابیری مانند استفاده از حوضچه های ته نشینی مقدار مواد معلق را کاهش داد .
طرح اختلاط مناسب برای بتن حجیم باید به نحوی باشد که ملزومات مقاومت فشاری ، دوام و نفوذ ناپذیری ، کارایی و حداقل حرارت تولید شده در سنین اولیه بتن ریزی را برآورده نماید . معمولا جهت بهینه سازی بتن های حجیم مخصوصا در سازه های صنعتی سازه را به دو بخش رویه و هسته تقسیم کرده و هر کدام را جداگانه طراحی می کنند.
انتخاب نسبت آب به سیمان و حداکثر بعد سنگدانه دو عامل اصلی در تعیین طرح اختلاط از منظر دوام و و مقاومت مکانیکی می باشد . فرسایش، خلاء زائی در سرریز ها و حوضچه های آرامش سد های بتنی ، چرخه های یخ زدن و آب شدن ، واکنش های قلیای سنگدانه ها و حمله سولفاتی از جمله رایج ترین خرابی های مرتبط با دوام در بتن حجیم می باشد که در آیین نامه آبا به آن ها مستقیما اشاره شده و راهکارهای عمومی برای مقابل با هریک از آن ها ارائه شده است.
سازه های بتنی مخصوصا سازه های صنعتی مانند سد و یا پایه های پل ها معمولا نیاز به کسب مقاومت بالایی در سنین اولیه ندارند و میتواند مقاومت سنین ۹۰ روزه ملاک عمل قرار گیرد . لذا می توان حدقل مقدار سیمان را بر این اساس محاسبه کرد .
افزایش حجم بتن می تواند سبب بروز تغییر شکل های ناشی از جمع شدگی و خزش در طول عمر بهره برداری سازه گردد که گاه این تغییر شکل از دید طراحان دور می ماند . لذا نیاز است آب بتن ، نوع و مقدار سنگدانه ها جهت رسیدن به این هدف کنترل گردد.
بتن ریزی سازه های حجیم نیازمند تمهیداتی جهت بتن ریزی است که در ادامه به آن پرداخته می شود:
بتن ریزی حجیم
به طور کلی هر چه دمای اولیه بتن هنگام تبدیل از حالت خمیری به حالت سخت شده کمتر باشد گرایش بتن به نسبت به ترک خوردگی حرارتی کمتر خواهد شد.
۴ عامل اصلی در کنترل درجه حرارت در بتن های حجیم تاثیر گذار است:
- نوع و مقدار سیمان
- مدیریت اجرا
- پیش سرمایش
- پس سرمایش
مدیریت اجرا عموما به بحث نحوه ساخت بتن ، دمای بتن ریزی ، مدیریت تجهیزات و نیروی انسانی و …. گفته می شود.
نیروی انسانی بتن ریزی باید از صلاحیت عمومی و دانش و تجربه کافی را در مواردی مانند کنترل دما و کیفیت بتن، روش های کنترل دما و ملاحظات حرارتی و روش های پیش سرمایش و پس سرمایش داشته باشد .
تجهیزات مورد نیاز جهت اجرای بتن حجیم باید بسته به قطر بزرگترین قطر سنگدانه انتخاب شود. به عنوان نمونه کامیون مخلوط کن جهت بتن های با سنگدانه بزرگتر از ۴۰ میلی متر مناسب نیست . به دلیل استعداد جداشدگی سنگدانه در بتن های حجیم به دلیل مصرف کم سیمان و استفاده از سنگدانه های درشت دانه باید تدابیر لازم نظیر محدود سازی ارتفاع ریختن بتن رعایت شود .
لازم است در صورتی که از وسایل حمل روباز جهت حمل بتن یا مصالح بتن استفاده می شود تدابری لازم جهت جلوگیری از تایش مسقیم آفتاب یا استفاده از رنگ روشن بر روی سطح این دستگاه مد نظر قرار گیرد .
معمولا بتن ریزی بتن حجیم در چند نوبت انجام می شود. به همین دلیل نیاز است جهت جلوگیری از افت کیفیت بتن تمهیدات ویژگی برای درز های اجرایی سنجیده شود . در ابتدا نیاز است طوری در نوبت های بتن ریزی برنامه ریزی شود که این درز ها در مناطقی باید که کمترین تنش به آن اعمال گردد . نیاز است سطح بتن قدیم قبل از بتن ریزی کاملا تمیز شود . توصیه می شود سطح بتن قبلی جهد افزایش پیسوتگی مکانیکی مضرس شود. این عمل می تواند با استفاده از جت آب ، سند بلاست کردن یا روش های مشابه انجام شود . سطح کار باید قبل از بتن ریزی با ملات ماسه سیمان به ضخامت ۳۰ میلی متر و از مصالحی که بتن اصلی از آن ساخته می شود پوشانده شود . بتن ریزی اصلی باید قبل از گیرش اولیه ملات آغاز گردد .
اگر نیاز است که بتن جهت ریختن پمپ گردد نیاز است که تمیهدات این کار سنجیده شود تا بتن در لوله ها دچار جداشدگی سنگدانه ها نگردد .
اگر بتن ریزی بر روی بستر سنگی انجام می شود نیاز است به مدت ۲۴ ساعت قبل از بتن ریزی مرطوب نگه داشته شود.
در شرایط معمولی و بدون انجام تدابیر پس سرمایش نیاز است حداکثر ضخامت بتن ریزی در هر نوبت و هر لایه بتن ریزی و همچین حداقل زمان بین دو نوبت بتن ریزی مطابق با آیین نامه بتن ریزی حجیم محدود گردد .
توصیه می شود اطراف منبع آب دستگاه بتن ساز و همچنین لوله های انتقال آب یا بتن ، عایق بندی حرارتی صورت گیرد . همچنین نیاز است ساخت ، حمل و ریختن بتن در ساعاتی از شبانه روز برنامه ریزی گردد که کمترین تنش های حرارتی به بتن اعمال گردد . همچنین نیاز است حهت جلوگیری از جذب حرارت توسط مواد اولیه بتن و بتن تازه مراحل تولید بتن و بتن ریزی با سرعت هر چه بیشتر انجام شود .
پیش سرمایش به روشی اطلاق می شود که در آن با کاستن دمای اجزای سازنده بتن شامل آب ، سیمان و سنگدانه مصرفی دمای بتن تازه تا حد امکان کاهش یابد . پیش سرمایش یکی از موثرترین روش های کاهش دمای بتن ریزی و در نهایت به حداقل رساندن خطر بروز ترک های حرارتی محسوب می شود . به طور کلی هر چه دمای بتن به هنگام تبدیل از حالت خمیری به حالت سخت شده کمتر باشد گرایش بتن نسبت به ترک خوردگی کمتر است .
مراحل زیر به ترتیب اولویت برای عمل پیش سرمایش توصیه می شود:
- سرد کردن شن به وسیله مکش تا دمای ۲ یا ۳ درجه سانتی گراد
- سرد کردن شن از طریق غرقاب کردن آن ( حتما باید رطوبت اولیه شن در طرح اختلاط بتن لحاظ گردد .)
- سرد کردن شن به وسیله هوای خنک
- جایگزینی ۸۰ درصد از آب مخلوط به یخ
- خنک کردن ماسه یه وسیله مکش تا دمای ۱ درجه سانتی گراد
- آب پاشی دپو های شن
- خنک کردن مستقیم سیمان
- سرد کردن آب مصرفی بتن
پس سرمایش جهت کاهش دمای اوج بتن(که در ساعات و روز های اول بتن ریزی اتفاق می افتد) و همچنین فراهم آوری زمینه جهت کاهش تدریجی و یکنواخت بتن تا حدی که درز ها را بتوان تزریق کرد گفته می شود .پس سرمایش عموما به وسیله گذراندن مایعی نظیر آب از داخل لوله هایی که در هر نوبت بتن ریزی تعبیه می شوند صورت می گیرد . تا زمانی که دمای بتن به محدودی معین افزایش نیافته نیازی به انجام عمل پس سرمایش نیست . پس از آنکه بتن به نقطه اوج خود رسید پس سرمایش باید تا وقوع یکی از موارد زیر ادامه یابد :
- نرخ سرمایش بتن به حداکثر میزانی که بتوانند بدون ترک خوردن قابل تحمل باشد برسد
- دمای بتن به میزان ۱۷ درجه سانتی گراد از دمای نقطه اوج کاهش یابد
- بتن تا دمای پایدار نهایی یا دمای تعیین شده توسط طراح خنک شود .
نرخ سرمایش بتن( برحسب درجه سانتی گراد در روز ) باید به تدریج با افزایش سن کاهش یابد چون مدول الاستیسیته بتن با گذشت زمان افزایش خواهد یافت .
جنس ، اندازه ، شکل و فاصله لوله ها از یکدیگر ، آرایش و چیدمان کلی لوله گذاری ها ، نوع و ظرفیت وسایل سرمایشی و پمپ آب مورد نیاز در عملیات پس سرمایش بتن حجیم باید مطابق با الزامات مشخصات فنی باشد .
نرخ سرد سازی بتن نباید به اندازه ای باشد که زمینه بروز شوک حرارتی و ترک خوردگی بتن را فراهم کندو در نهایت باعث گسترش آن ترک ها به داخل بتن حجیم گردد.
نگارش: امیررضا عبدالهی
شماره تماس: ۷۰۰۰ ۱۸۸ ۰۹۰۰
با لایک، ذخیره و اشتراک گذاری از ما حمایت کنید.
