بتن خود تراکم
چکيده
بتن خودتراکم اولين بار در سال 1988 جهت بدست آوردن سازه بتني پردوام ابداع شد. بدين ترتيب، بررسي هاي زيادي صورت گـرفت و اين نـوع بتن در سازه هاي اجرايي در ژاپن، عمدتاً تـوسط شرکت هاي ساختماني بـزرگ، استفاده شده است. بررسي ها براي بدست آوردن روش تعيين طرح مخلوط و روشهاي آزمايش خودتراکمي به جهت ساختن بتن استاندارد از بتن خودتراکم انجام شده بود.
1- گسترش بتن خود تراکم
از سال 1983 به مدت چند سال، مسئله دوام سازه هاي بتني موضوع اصلي مورد علاقه در ژاپن بود. ساخت سازه هاي بتني بادوام نيازمند متراکم کردن بوسيله کارگران متبحر است. به هر حال کاهش تدريجي تعداد کارگران متبحر در صنعت ساخت و ساز ژاپن مستقيماً منتج به کاهش کيفيت کار ساختمانی شد. يک راه براي بدست آوردن سازه هاي بتني بادوام مستقل از کيفيت کار ساخت، استفاده از بتن خود تراکم است؛ که مي تواند در هر گوشه اي از قالب تنها توسط وزن خود و بدون نياز به لرزاننده يا متراکم کننده، متراکم گردد
پژوهشهايي جهت گسترش بتن خود تراکم، شامل مطالعات پايه اي بر روي نحوه اجراي بتن، بوسيله اوزاوا و مايکاوا در دانشگاه توکيو انجام شده بود.
نمونه اوليه بتن خود تراکم در سال 1988 با مواد موجود در بازار ساخته شد نمونه اوليه به طور رضايت بخشي از جهت خشک شدن، سخت شدگي، جمع شدگي، حرارت هيدراتاسيون، چگالي بعد از سخت شدن، و خواص ديگر، اجرا شد. اين بتن «بتن توانمند» ناميده و در سه بخش از بتن معرفي شده بود:
(1) تازه: خود تراکم
(2) جديد (زودگير): مقاوم در برابر صدمات اوليه
(3) بعد از سخت شدگي: مقاوم در برابر حمله هاي خارجي
تقريباً در همين زمان، «بتن توانمند» به عنوان بتني با دوام بالا در برابر نسبت آب به سيمان کم توسط پروفسور آيتسين معرفي شده بود. از آن زمان عبارت بتن توانمند در تمام دنيا جهت اشاره به بتن پردوام استفاده شد. بنابراين نويسندگان اين مقاله عبارت فوق را به «بتن پردوام خودتراکم» تغيير داده اند.
2. خود تراکمي بتن تازه
2. 1 مکانيزم دستيابي به خود تراکمي
روش دستيابي به خودتراکمي نه تنها تغييرات زياد در ملات بلکه مقاومت در برابر جداشدگي ميان سنگدانه هاي درشت و ملات نيز وقتي که بتن در ميان مناطق مسطح شده جريان مي يابد، را نيز شامل مي شود. اوکامورا و اوزاوا از روشهاي زير جهت دستيابي به قابليت خود تراکمي استفاده کرده اند
(1) مقدار سنگدانه محدود
(2) کم کردن نسبت آب پودر
(3) استفاده کردن از فوق روان کننده ها
برخوردها و تماس هاي ميان سنگدانه ها مي تواند با کاهش فاصله ميان ذرات افزايش يابد و درنتيجه تنش داخلي در زماني که بتن مجبور به تغيير شکل دادن مي شود، خصوصاً زمان وجود موانع، مي تواند افزايش يابد. تحقيقات نشان داده است که انرژي مورد نياز براي جاري شدن، صرف افزايش تنش مي شود که موجب عدم رواني مي گردد. محدود کردن ميزان سنگدانه هاي درشت، که مصرف انرژي آن زياد است، به يک حد کمتر از معمول جهت جلوگيري از اين انسداد، موثر مي باشد.
خميرهاي بسيار لزج نيز جهت جلوگيري از انسداد سنگدانه هاي درشت، زماني که بتن در ميان موانع جريان مي يابد، مورد نياز است وقتي بتن تغيير شکل مي دهد، خمير بسيار لزج، از افزايش تنش داخلي به دليل وجود سنگدانه هاي درشت، جلوگيري مي کند. تغيير شکل پذيري زياد تنها با استفاده از فوق روان کننده ها و نگهداشتن نسبت آب به پودر در حد بسيار پايين، بدست مي آيد.
نسبت اختلاط بتن خود تراکم با بتن معمولي و RCD (بتن غلتکي براي سدها) مقايسه شده است (شکل 5). ميـزان سنگدانه ها در آن، از بتن معمولي که نياز به ويبره کردن براي تراکم دارد، کمتر است. نسبتهاي حجم درشت دانه ها به حجم کل (G/Glim) در هر کدام از انواع بتن در شکل 6 نشان داده شده است. درجه تراکم درشت دانه ها در بتن خود تراکم، جهت کاهش تقابل ميان آن ها در زمان تغيير شکل بتن، حدود 50% است. به علاوه، نسبت حجم ريزدانه ها به حجم کل (S/Slim) در ملات در همان شکل نشان داده شده است. درجه تراکم ريزدانه در ملات بتن خودتراکم، جهت محدود کردن تغيير شکل هاي برشي در زمان تغيير شکل بتن، حدود 60% است. از سوي ديگر، لزجت خمير در بتن خودتراکم در ميان انواع گوناگون بتن به نسبت آب به پودر بالاترين است اين ويژگي در جلوگيري کردن از جدا شدگي موثر است.
سه هدف کاربردي از آزمايش هاي خود تراکمي وجود دارد.
تست (1): کنترل اينکه بتن براي سازه خودتراکم است يا خير.
تست (2): تنظيم طرح اختلاط هنگامي که خودتراکمي کافي نيست.
تست (3): مشخص کردن مصالح
در تست (1) جريان U يا آزمايش جعبه پيشنهاد شده است. آزمايش جريان U توسط گروه تايسي پيشنهاد شد. در اين آزمايش درجه تراکم مي تواند با ارتفاعي که بتن پس از جريان پيدا کردن ميان يک مانع به آن مي رسد، مشخص شود. بتني که بتواند ارتفاع بيش از 300 ميليمتر را پر کند، بتن خودتراکم شناخته مي شود. آزمايش جعبه براي تعيين بتني با احتمال بالاتر جدا شدگي ميان درشت دانه ها و ملات مناسب تر است. اگر بتن در آزمايش(1) خودتراکمي ناکافي داشته باشد، پس از مشخص شدن دليل آن، نسبت مخلوط بايد مجدداً تنظيم شود. جريان اسلامپ و آزمايش قيف به ترتيب جهت تعيين شکل پذيري و لزجت طراحي شده اند و علامت هايي مانند نيز تعريف شده اند.
آزمايش هاي جريان و قيف براي ملات يا خمير جهت مشخص کردن مواد استفاده شده در بتن خودتراکم به عنوان مثال مواد پودري، ماسه و فوق روان کننده ها به کار مي رود.%ن روشهاي آزمايشگاهي براي خواص ملات نيز معرفي شده اند و علامت هايي براي شکل پذيري و لزجت تعريف شده اند، مانند بزرگتر، شکل پذيري زيـاد را نشان مي دهد و لزجت بيشتر را روشهاي تشخيص بـراي مواد با استفاده از علامت هاي و پيشنهاد شده اند.
2. 2 عوامل خود تراکمي در عبارات نتايج آزمايش
عـواملي که بـاعث بوجود آمدن خـودتراکمي مي شوند بـا عبـاراتي از نتايج آزمايش بـراي بتن تازه و ملات آن تشريح مي گردند.
(1) تأثير سنگدانه درشت بر حسب ميزان فضا
پيشگويي درجه تراکم يـک سازه بـا استفاده از نتايج آزمايش بـر روي تـراکم بتن در سازه اي ديگر همواره امکان پذير نمي باشد، تا زماني که ماکزيمم اندازه سنگدانه هاي درشت نزديک به حداقل فضاي ميان ميله هاي مسلح کننده سازه باشد. به عنوان مثال، ارتباط ميان ميزان درشت دانه ها در بتن و ارتفاع پر کننده از آزمايش نوع جعبه، که نشانه استاندارد خود تراکمي بتن تازه است. ارتباط ميان ارتفاع پر کننده R2 , R1 به ميزان درشت دانه ها وابسته است. نتيجه آزمايش نشان مي دهد که تأثير درشت دانه ها بر شکل پذيري بتن تازه به طور گسترده اي تحت تأثير ميزان فضاي ميان موانع است. مي توان گفت خودتراکمي بتن تازه بايد با عباراتي از ذرات جامد و مايع بحث شود.
(2) نقش ملات به عنوان سيال در رواني بتن تازه
تغيير شکل کافي ملات در بتن موجب متراکم شدن آن تحت تأثير وزن خود بدون نياز به ويبره زدن، مي شود. به علاوه لزجت ملايم نيز مانند شکل پذيري ملات مورد نياز است؛ بنابراين جابجايي نسبي ميان ذرات درشت دانه در مقابل موانع در هنگامي که بتن ميان موانع جريان مي يابد، مي تواند کاهش يابد و از جدا شدگي ميان درشت دانه ها و ملات جلوگيري نمايد. اهميت لزجت مناسب با آزمايش تصويري هاشيموتو تائيد شده است.
علامت هاي شکل پذيري ملات و لزجت با نتايج آزمايش هاي جريان ملات و قيف معرفي شده است. ارتباط ميان شکل پذيري و لزجت و خود تراکمي بتن تازه با فرض ميزان درشت دانه ثابت در شکل 15 نشان داده شده است. وجود ترکيب بهينه از شکل پذيري و لزجت ملات براي رسيدن به خودتراکمي بتن تازه اثبات شده است.

(3) نقش ملامت به عنوان ذرات جامد
علاوه بر نقش آن به عنوان مايع که در بالا توجه شد، ملات نقش ذرات جامد را نيز ايفا مي کند. اين ويژگي «قابليت انتقال فشار» ناميده مي شود، در زماني که درشت دانه ها به يکديگر نزديک مي شوند و تنش عمودي اعمال کنند، پديدار مي گردد.ميزان کاهش تغيير شکل برشي ملات عمدتاً بستگي به خصوصيات فيزيکي ذرات جامد در ملات دارد
براي مثال، تفاوت در ارتباط ميان سرعت قيف در ملات و بتن بدليل تفاوتهايي در اندازه ريز دانه در ملات در شکل 18 نشان داده شده است. ارتباط ميان قابليت روان شدن ملات و بتن همواره و فقط وابسته به خصوصيات ذرات جامد ملات نمي باشد. يک روش ارزيابي ساده براي قابليت انتقال تنش درملات ها با استفاده از نسبت سرعت قيف بتن با مهره هاي شيشه اي به عنوان درشت دانه (Rcs) به سرعت ملات (Rm) قابليت انتقال تنش بالا از روي کاهش هرچه بيشتر نسبت Rcs/Rm مشخص مي شود. اختلاف ويژگي هاي ذرات جامد در ملات مي تواند با مقدار Rcs/Rm انعکاس يابد. يک به يک بودن اين ارتباط با وجود تفاوت در ميزان ريز دانه ها در ملات يا ويژگي هاي ماسه يا ذرات پودر، پيدا شده بود.
4) تاثير درشت دانه – ميزان ، شکل و دانه بندي
تاثير درشت دانه ها بر خودتراکمي بتن تازه، به خصوص قابليت رواني در ميان موانع، مي تواند با وجود شکل ذرات درشت دانه، همانطور که نسبت ميزان درشت دانه به حجم آن در بتن يکسان است، برابر باشد(شکل 22)، (ماتسو1994). تاثير دانه بندي درشت دانه ها اگر ميزان فضاي ميان موانع نزديک به حداکثر اندازه درشت دانه باشد قابل توجه است. به عنوان مثال ، ارتباط ميان انـدازه خروجي قيف و سرعت جريان ميان آن وابسته به مـدول نرمي درشت دانه FM حتي اگـر ويژگي فـاز ملات مشابه باشد، مي باشد(شکل هاي 23و24). بررسي ها نشان داد که سرعت جريان بتن ميان قيف با عرض خروجي 55 ميليمتر شديداً تحت تأثر دانه بندي درشت دانه ها قرار دارد.
3 . خبره در بتن خود تراکم
1. 3 وضعيت کنوني بتن خودتراکم
بتن خودتراکم تنها در شرکتهاي پيمانکاري بزرگ در ژاپن به عنوان بتن خاص استفاده مي شده است. به جهت اينکه بتن خودتراکم به جاي آنکه بتن خاص باشد، به بتن عمومي تبديل شود، سيستمهاي جديدي براي طراحي و ساخت آن توسط کميته هاي فعال بر بتن خودتراکم بوجود آمده است.
درميان آنها سيستمي وجود دارد که صنعت بتن آماده مي تواند بتن خود تراکم را به عنوان بتن عادي – که تاکنون موثر واقع شده و 70 درصد بتن آماده ها در اين صنعت از اين روش است- بسازد. براي دستيابي به فرآوري عمومي از کارخانه هاي بتن آماده، بررسي هايي عمدتاً توسط دانشگاه توکيو از زمان توسعه نمونه اوليه انجام شده بود که به نتايج زير رسيد:
1) روش آزمون خودتراکمي
2) روش طرح اختلاط
3) روش آزمون پذيرش در محل اجرا
4) نوع جديد پودر يا افزودني مناسب براي بتن خود تراکم
از موارد فوق ، مورد (1) در اين مقاله مورد بررسي قرار گرفته بود. موارد (2) ، (3) و (4) در زير شرح داده مي شوند:
2. 3 روش طرح اختلاط
1) روش طرح اختلاط منطقي
خودتراکمي از خواص مصالح و نسبت اختلاط تاثير مي پذيرد. ما نياز به يک روش طرح اختلاط منطقي براي بتن خودتراکم که از مصالح گوناگون استفاده کند، داريم. اوکامورا و اوزاوا (1995) نسبت اختلاط ساده اي براي استفاده عمومي در کارخانه هاي توليد بتن آماده معرفي کردند. ميزان ريز دانه و درشت دانه تثبيت شده، بنابراين خودتراکمي به سادگي با تنظيم نسبت آب به پودر و ميزان فوق روان کننده ها قابل دستيابي است.
1) ميزان درشت دانه ها در بتن برابر 50% حجم جسم جامد تعيين مي شود.
2) ميزان ريز دانه ها در بتن برابر 40% حجم ملات تعيين مي شود.
3) نسبت آب به پودر در حجم بين 9/0 تا 0/1 بر حسب خواص پودر تعيين مي شود.
4) ميزان استفاده از فوق روان کننده ها و نسبت آب به پودر نهايي براي تضمين خودتراکمي تعيين مي شود.
در نسبت اختلاط بتن معمولي نسبت آب به سيمان در ابتدا از نقطه نظر بدست آوردن مقاومت مورد نياز ، ثابت نگاه داشته مي شود. با بتن خودترا کم ، اگرچه ، نسبت آب به پودر بايد تعيين گردد و زيرا که خودتراکمي به اين نسبت بسيار حساس است، اما در بسياري از موارد مقاومت مورد نياز تحت تاثير نسبت آب به سيمان قرار ندارد. زيرا نسبت آب به پودر براي دستيابي به مقاومت مورد نياز براي سازه هاي معمولي تا وقتي که پودرهاي مورد استفاده واکنش زا نباشند، به ميزان کافي کوچک است.
ملات در بتن خود تراکم نيازمند لزجت بالاست ، همانطوري که تغيير شکل پذيري بالايي دارد. اين مسئله با استفاده از فوق روان کننده ها در مقابل نسبت آب به پودر کم براي شکل پذيري زياد قابل حل است.
2) تعيين نسبت آب به پودر و مقدار فوق روان کننده
ويژگي پودر و فوق روان کننده به مقدار زياد بر خواص ملات و نسبت آب به پودر تاثير مي گذارد. بنابراين نسبت آب به سيمان و مقدار روان کننده بدون اختلاط سه گانه نمي تواند تعيين گردد. بنابراين هنگامي که نسبت اختلاط تعيين گرديد، خودتراکمي بايد بوسيله جريان U ، جريان اسلامپ و آزمايشهاي قيف مورد آزمون قرار گيرد.
3. 3 آزمون پذيرش در محل اجرا
بدليل آنکه درجه تراکم در سازه عمدتآً وابسته به خودتراکمي بتن است و خود تراکمي ضعيف به سادگي جبران شدني نيست، قابليت خود تراکمي بايد براي تمام قسبت هاي بتن قبل از اجرا در محل اجرا مورد آزمايش قرار گيرد. اگر آزمون پذيرش خود تراکمي عادي براي همه بتن انجام شود، نيازمند تعداد کارگران زيادي است. روش مناسبي براي آزمون پذيرش خودتراکمي توسط اوچي(1999) پيشنهاد شده است.
1) ابزار آزمايش در ميان هم زن و پمپ در محل اجرا نصب مي گردد. کل بتن داخل ابزار ريخته مي شود.
2) اگر بتن در ميان ابزار جريان يافت، بتن به عنوان خود تراکم شناخته مي شود. اگر بتن بوسيله ابزار متوقف گرديد بتن خود تراکمي لازم را ندارد و نسبت اختلاط را تغيير مي دهيم.
اين ابزار در کارگاهي در اوزاکا با موفقيت مورد استفاده واقع شد و در ميزان کار به مقدار قابل توجهي صرفه جويي صورت گرفت .
3. 4 فوق روان کننده جديد، مناسب براي بتن خود تراکم
فضاهاي بيشتري براي پيشرفت در افزودني هايي مانند فوق روان کننده هاي مناسب براي بتن خود تراکم وجود دارد. جهت دستيابي به اين هدف، شناخت مصالح ضروري است.
خواصي که از روان کننده ها در بتن خود تراکم انتظار داريم در زير آمده است.
1)قابليت روان کردن بدليل نسبت آب به پودرکم : کمتر از 100% در حجم .
2)نگهداري قابليت رواني حداقل دوساعت بعد از مخلوط کردن
3) کاهش حساسيت به تغييرات دما
مثالهاي زيادي از پيشرفتهاي انواع جديد فوق روان کننده ها براي بتن خود تراکم وجود دارد.توصيف اثر پراکنده شدن فوق روان کننده ها مستقل از اثر جريان آب، لازم است.
3 . 5 عاملي براي ممانعت از جدا شدگي
دريافته شد که ساختن بتن با کيفيت ثابت، به خصوص خود تراکمي امکان پذير است. هرگونه تغييري در مشخصات مصالح مي تواند بر خودتراکمي اثر گذارد. موثرترين تغيير، ميزان رطوبت ريز دانه هاست که موجب تغير در ميزان آب بتن مي شود. براي حل اين مشکل بعضي از شرکت هاي پيمانکاري بزرگ از عاملي براي ممانعت از جدا شدگي استفاده کرده اند. اين عامل در ايجاد خود تراکمي با حساسيت کمتر در مقابل تغييرات ميزان آب در بتن موثر است. عوامل مختلفي براي اين منظور در ژاپن وجود دارند. (هيبينو1998).
4. کاربردهاي بتن خود تراکم در ژاپن
4. 1 شرايط کنوني کاربرد بتن خود تراکم در ژاپن
بعد از توسعه نمونه اوليه بتن خود تراکم در دانشگاه توکيو، پژوهش هاي گسترده اي در بسياري از نقاط دنيا، بخصوص در شرکت هاي پيمانکاري بزرگ آغاز شده بود. در نتيجه ، بتن خودتراکم در بسياري از سازه هاي اجرايي استفاده شده بود. اولين کاربرد بتن خود تراکم در يک ساختمان، در ژوئن سال 1990 بود . بعد از آن بتن خودتراکم در برجهاي يک پل کابلي با بتن پيش تنيده در سال 1991 مورد استفاده قرار گرفت
1) جهت کاهش زمان ساخت
2)جهت اطمينان يافتن از تراکم در سازه : بخصوص در مناطقي که تراکم با استفاده از ويبره مشکل است.
3) به جهت محو کردن صداي ويبراسيون: مخصوصاً در کارخانه هاي توليد بتن موثر است.
حجم استفاده از بتن خود تراکم در ژاپن در شکل 30 نشان داده شده است. نسبت توليد بتن خود تراکم به بتن آماده، که 70% کل بتن سازي ژاپن است، تنها 1/0% است، وضعيت کنوني بتن خود تراکم نسبت «بتن خاص» به «بتن استاندارد» است.
4. 2 ساخت و ساز در مقياس وسيع
در حال حاضر به جهت کوتاه کردن دوره ساخت، در ساخت وسازهايي بـا مقياس بزرگ، بتن خودتراکم را در سازه هاي اجرايي مختلفي به کار برده اند.
مهارهاي پل آکاشي – کايکيو که در آوريل سال 1998 باز شد، پل معلقي با بلندترين دهانه در دنيا (991/1 متر)، يک نمونه واقعي است (شکل 31) (کاشيما 1999). در ساخت پل با دو مهار از بتن خود تراکم استفاده شده بود. سيستم ساخت جديدي که باعث استفاده کامل از اجراي بتن خود تراکم مي شود، معرفي مي گردد. بتن از دريچه هايي که در فاصله 5 متري قرار دارند بيرون ريخته مي شود. اين دريچه ها به صورت خودکار کنترل مي شوند؛ بنابراين سطح بتن ريزي مي تواند تعيين شود. حداکثر اندازه درشت دانه ها در بتن خود تراکمي که در اين کارگاه استفاده مي شود، 40 ميليمتر است. بتن از فاصله 3 متري مي افتد، اما عليرغم اندازه بزرگ درشت دانه جدا شدگي به وقوع نمي پيوندد. در تحليل نهايي، استفاده از بتن خود تراکم دوره زماني ساخت مهارها را 20%، از 5/2 سال به 2 سال کاهش داد.
4. 3 محصولات بتني
غالباً از بتن خودتراکم به جهت کاهش صداي ويبراسيون در محصولات بتني استفاده مي شود (شکل32). اين مسئله باعث بهتر شدن محيط کار در کارخانه ها مي شود و همچنين امکان تأسيس کارخانه هاي توليد بتن را در مناطق شهري فراهم مي سازد. علاوه بر اين استفاده از بتن خود تراکم عمر مفيد قالب توليدات بتني را افزايش مي دهد (اونو 1999). توليد محصولات بتن خود تراکم به تدريج در حال زياد شدن است
4. 4 لزوم طراحي هاي سازه اي و سيستمهاي ساخت جديد
استفاده از بتن خود تراکم موجب صرفه جويي در هزينه هاي تراکم با استفاده از ويبره شده و به ما اطمينان مي دهد که بتن در سازه متراکم شده است؛ اگر چه هزينه کلي ساخت، بجز در ساخت وسازهاي گسترده، همواره کاهش نمي يابد. دليل آن سيستمهاي ساخت و ساز مرسوم هستند که بر اساس فرض لزوم تراکم با ويبراسيون طراحي شده اند .
بتن خودتراکم مي تواند در سيستمهاي ساخت قديمي بر اساس بتن مرسوم، که نياز به تراکم با لرزاننده داشته است، بنا شده بود؛ تحول عظيمي ايجاد کند. اين نوع تراکم ، که به آساني موجب جدا شدگي مي شود، مانعي بر منطقي کردن کار ساخت وساز بوده است. زماني که اين مانع محو شود ، ساخت بتن مي تواند منطقي شود و سيستمهاي ساخت جديد ، شامل قالب بندي ، تسليح ، نگهداري و طراحي سازه ، گسترش يابد.
5. نتيجه
زماني که روش طرح اختلاط منطقي و آزمون پذيرش مناسب در محل اجرا، به طور مناسبي براي بتن خودتراکم بوجود آمد، موانع اصلي براي استفاده گسترده از بتن خود تراکم مرتفع گرديد. عمل ديگر براي بهبود انتشار آن ، ارائه تکنيکهاي بهتر براي توليد و استفاده آن در ساخت و ساز است. عمليات منطقي و سيستمهاي صاحب صلاحيت براي مهندسان نيز بايد بوجود آيند. علاوه بر اين طراحان سازه ها و سيستمهاي ساخت کاملاً با استفاده از بتن خودتراکم آشنا شوند.
زماني که بتن خودتراکم آنقدر به صورت گسترده استفاده شود که از آن به عنوان "بتن استاندارد" به جاي " بتن خاص" ياد شود، به صورت موفقيت آميزي مي توانيم سازه هاي بتني بادوام ومطمئن که به کارهاي نگهداري کمي محتاجند ، بسازيم.