پایدار سازه سازگار ایساتیس

بتن توانمند بتنی است که بتواند خواص مورد نظر خود را برای عمر مورد نظر سازه در شرایط بهره برداری حفظ کند. مثلا:
گروهی از محققین بتن توانمند مورد استفاده در روسازی را بر حسب مقاومت، دوام و نسبت آب به مصالح سیمانی به اینگونه تعریف کرده اند :
1. اين بتن بايد يكي از خصوصيات مقاومتي زير را داشته باشد
الف) مقاومت فشاري 4ساعته آن بيش از 5/17 مگاپاسکال باشد كه به آن بتن زود سخت شونده گويند. ((VES
ب) مقاومت فشاري 24 ساعته آن بيش از 35 مگاپاسكال باشد. كه به آن بتن با مقاومت اوليه بالا گويند.(HES)
ج) مقاومت فشاري 28 روزه آن بيش از 70 مگاپاسكال باشد كه به آن بتن با مقاومت بسيار بالا گويند. (VHS)
2. پس از 300 مرتبه يخ زدن و آب شدن ضريب دوام بيش از 80% باشد
3. نسبت آب به مصالح سيماني آن كمتر از 35% باشد
مقاومت بالا یعنی چه؟
در كارگاه هاي آمريكاي شمالي معمولا به بتن هاي با مقاومت فشاري 28 روزه بيش از 42 مگاپاسكال بتن با مقاومت بالا اطلاق مي شود.
در گزارش هاي به روز CEB-FIP به بتن با مقاومت فشاري 28 روزه بيش از 60 مگاپاسكال بتن با مقاومت بالا گفته می شود.
بنابر این واضح است که تعریف بتن با مقاومت بالا نسبی است و به زمان اجرای کار و محل پروژه مربوط می شود
مواد تشکیل دهنده بتن توانمند:
1- سنگدانه های معمولی
2- سیمان پرتلند معمولی
3- میکروسیلیس
4- خاکستر بادی و روباره کوره های آهن گدازی
5- فوق روان کننده ها (super plasticizer)


سنگدانه
در بتن توانمند از سنگدانه های معمولی استفاده می شود ولی کیفیت سنگدانه ها باید خوب باشد و در انتخاب آنها دقت نمود. خواصي از سنگدانه ها كه بيشترين اهميت را در بتن هاي با مقاومت بالا دارند عبارتند از: شكل دانه ها، دانه بندي آن ها، خواص مكانيكي سنگدانه ها و واكنش شيميايي بين سنگدانه و خمير كه ممكن است پيوستگي آنها را تحت تاثير قرار دهد برخلاف بتن هاي معمولي كه درآن مقاومت سنگدانه به ندرت مورد توجه قرار مي گيرد در بتن با مقاومت بالا، سنگدانه ها مي توانند عامل محدود كننده مقاومت شوند.
همچنين از آنجا كه پايين بودن نسبت آب به سيمان براي رسيدن به بتن با مقاومت بالا لازم است، دانه بندي سنگدانه ها بايد شديدا كنترل شود.
سیمان پرتلند
هر سيماني بايد دو ويژگي زير را دارا باشد:
 مقاومت لازم را ايجاد نمايد.
 از نظر رواني رفتار مناسبي از خودنشان دهد
سيمان هاي پرتلند تيپ 1و2و3 از استاندارد 389 با موفقيت كامل در توليد بتن هاي با مقاومت بالا مورد استفاده قرار گرفته اند.
در انتخاب سیمان ترجیحاً از سیمان پرتلند تیپ 425-1 و 525-1 استفاده می شود ولی در مواردی که مقاومت اولیه زیاد مورد نظر باشد می توان سیمان زود سخت شونده نوع 3 به کار برد.
میکرو سیلیس(Silica Fume)
ميكروسيليس يكي از محصولات فرعي كارخانه هاي توليد سيليسيم و آلياژهاي آن مي باشد. میکروسیلیس یک پوزولان ممتاز می باشد و خاصیت پُرکنندگی دارد. ميكروسيليس در صورت توده اي شكل بودن داراي وزن حجمي بين 200 تا 250 كيلوگرم بر متر مكعب مي باشد. به دليل مشكلات حمل و نقل امروزه ميكروسيليس به صورت متراكم شده وجود دارد و وزن ان در حدود دو برابر حالت قبل است (400تا 500 كيلوگرم بر متر مكعب) همچنين ميكروسيليس به صورت مخلوط شده با سيمان پرتلند نيز يافت مي شود ومقدار آن نسبت به وزن كل مصالح سيماني بين 7/6 تا 3/9 درصد است. براي ساختن بتن هاي با مقاومت فشاري تا 98 مگاپاسكال مي توان از ميكروسيليس استفاده نكرد و از خاکستر بادی یا روباره کوره های آهن گدازی استفاده می شود اما براي رسيدن به مقاومت هاي بالاتر، وجود ميكروسيليس بسيار ضروري است با ذرات بسيار ريز ميكروسيليس در نسبت آب به سيمان، بتن را به وجود مي آورند كه ریز ساختار آن شامل هيدرات هاي بلورين كمي مي باشد و تشكيل خمير متراكم تر با خلل و فرج كمتري را مي دهد. باافزايش ميزان ميكروسيليس، مقدار بيشتري هيدروكسيد كلسيم تبديل به هيدروسيليكات كلسيم مي شود و هيدروكسيد كلسيم باقيمانده باعث ايجاد كريستال هاي كمتري، در مقايسه با خميرهاي سيمان پرتلند خالص مي شود با افزايش درصد ميكروسيليس، نسبت كلسيم به سيليكات در هيدرات‌ها كاهش مي يابد. اين موضوع به هيدرات ها اجازه مي دهد كه با يون هايي از قبيل قليايي ها و آلومينوم تركيب شوند. در نتيجه با افزايش مقدار ميكروسيليس، مقاومت در برابر يون هاي مهاجم و واكنش قليايي سنگدانه ها اضافه مي شود. مقاومت الكتريكي نيز اضافه مي شود. یکی از تاثیرات اصلی میکروسیلیس در بتن‌های با مقاومت بالا بهتر کردن ریز ساختار ناحیه انتقال بین سنگدانه ها و خمیر می باشد. در بتن هاي معمولي و داراي سيمان پرتلند خالص، ناحيه انتقال اطراف سنگدانه ها كه بين 20 تا 100 ميكرومتر مي باشد، نسبت به ساير قسمت هاي خمير، داراي ريز ساختار متفاوت است. اين ناحيه داراي كيفيت نامرغوب مي باشد و ناحیه ضعيفي را بين سنگدانه ها و خمير سيمان ايجاد مي كند. در بتن هاي معمولي، ريز ساختار مخصوص ناحيه انتقال، ظاهرا به تشكيل فضاهاي پر از آب در اطراف سنگدانه هاي بتن تازه مربوط مي شود. هيدروكسيد كلسيم ترجيحا در فضاهاي خالي بزرگ رشد مي كنند و به همين دليل، در ناحيه انتقال بيشتر مي توان آن را يافت. همچنين دراين ناحيه نسبت آب به سيمان بيشتر از ساير نواحي بتن است و بنابراين توسط خلل و فرج بزرگتر مشخص مي شود. با اضافه كردن ميكروسيليس به سيستم، و به ويژه در بتن هاي با مقاومت بالا، تحقيقات نشان داده است كه اين بتن ها به اندازه بتن هاي معمولي متبلور متخلل نيستند و تمام فضاهاي اطراف سنگدانه ها، توسط هيدرات هاي سيليكات كلسيم بي شكل، اشغال شده اند. همچنين پيوستگي مستقيم بين سنگدانه ها و هيدرات هاي سيليكات كلسيم قوي‌تر از ارتباط سنگدانه ها و هيدروكسيد كلسيم در بتن هاي معمولي است.
در ایران ، در سمنان و ازنا میکروسیلیس تولید میشود

چرا میکروسیلیس:
فعالیت پوزولان ها به دو عامل بستگی دارد:
 درصد سیلیس(به صورت آمورف) : هرچه سیلیس بیشتر باشد ماده پوزولانی قوی تر است.
 نرمی : هرچه ذرات مواد پوزولانی نرمتر باشند پوزولان بهتری داریم.
میکروسیلیس بیش از 90%سیلیس آمورف است.
از طرفی بسیار نرم است(حدود 100 برابر نرم تر از سیمان)
خاصیت پرکنندگی میکروسیلیس از نرمی آن نتیجه شده و باعث کاهش نفوذپذیری بتن و افزایش مقاومت آن می‌شود
چگونه میکروسیلیس را اضافه کنیم؟
معمولاً برای اضافه کردن میکروسیلیس، ابتدا آن را در آب حل کرده و سپس به صورت دوغاب با بتن مخلوط می کنند. مکروسیلیس به صورت خمیر نیز عرضه می شود
خاکستر بادی(Fly Ash)
خاكستر بادي به صورت بسيار گسترده و در سال هاي طولاني در بتن مورد استفاده قرار گرفته است. متاسفانه خاكستر بادي نسبت به ميكروسيليس هم درخواص شيميايي وتعمیم در خواص فيزيكي، بسيار متغير تر است.
عموما مقدار خاكستر بادي مصرفي در بتن هاي با مقاومت بالا حدود 15% مقدار سيمان مي باشد.
به خاطر اينكه حتي محصولات يك كارخانه توليد خاكستر تغييرات قابل ملاحظه اي دارند، كنترل كيفيت در كارگاه از اهميت ويژه اي برخوردار است. اين موضوع شامل تعيين سطح مخصوص بلين و تركيبات شيميايي اين ماده مي شود. هر قدر خاكستر بادي بيشتر به صورت بافت شيشه اي باشد بهتر است.
روباره کوره های آهنگدازی(Slag)
روباره اي كه در بتن هاي معمولي خوب عمل مي كند، در بتن با مقاومت بالا نيز عملكرد مناسبي دارد و مقدار آن نيز در بتن، 15 تا30 درصد وزن سيمان است. در زمستان از درصد هاي كمتر جايگزيني استفاده مي شود تا بتن با سرعت كافي بتواند افزايش مقاومت دهد. براي اينكه بتن هاي داراي روباره به مقاومت هاي بالاتر از 98 مگاپاسكال برسند، لازماست كه به مخلوط ميكروسيليس نيز اضافه شود.

محدودیت استفاده از میکروسیلیس، خاکستر بادی یا روباره آهن گدازی:
درصورت استفاده از ميكروسيليس دربتن هيچگونه اثر مخربي مشاهده نمي شود، اما استفاده از خاكستربادي و يا روباره ممكن است باعث ايجاد مشكلاتی گردد. ضمنا در ایران خاکستر بادی تولید نمی شود.
مشکلات استفاده از خاکستر بادی یا روباره کوره های آهن گدازی:
• مقاومت اوليه مخلوط هايي كه به جاي مقداري از سيمان پرتلند آن، از خاكستر بادي و يا روباره استفاده شده است، كندتر افزايش مي يابد و در نتيجه زمان باز كردن قالب ها به ويژه در درجه حرارت هاي پايين، به تعويق مي افتد. همچنين درصورت نياز به بتن زود سخت شونده لازم است كه مقدار خاكستر بادی يا روباره را كاهش داد.
• جايگزيني روباره و يا خاكستر بادي به جاي بخشي از سيمان مصرفي دربتن ريزي هاي حجيم (15 تا 30 درصد) تاثير ناچيزي روي حرارت هيدراتاسيون ايجاد شده دربتن دارد.
نفوذپذیری
یکی از پارامتر های مهم در بتن توانمند نفوذپذیری کم آن است. نفوذ پذیری بر اکثر عوامل مخرب مانند یخ زدگی، واکنش های قلیایی-سیلیسی، حمله سولفاتها و کلریدها و.... تاثیر دارد.
راه های کاهش نفوذپذیری:
الف) کاهش آب بتن
ب) استفده از میکروسیلیس
کاهش آب:
نسبت آب به سیمان همیشه کمتر از %35، اغلب %25 و گهگاه حتی %20 است.
به طور کلی برای انجام فرایند هیدراتاسیون سیمان، به نسبت آب به سیمان حدود %25 نیاز است در حالی که با این نسبت روانی بتن به شدت کاهش می یابد و بتن به اندازه کافی متراکم نمی شود و اصلاحاً کرمو می شود. در بتن کرمو به علت وجود منافذ بزرگ و افزایش نفوذپذیری خطر حمله عوامل مخرب افزایش می یابد به همین دلیل در عمل نسبت آب به سیمان حدود %50 است یعنی 2 برابر مقدار مورد نیاز در بتن آب ریخته می شود. بعد از اجرای بتن قسمتی از آب از بتن خارج می شود و باعث ایجاد لوله های مویین و منافذ و مجاری در بتن می گردد. از طریق همین منافذ عوامل مخرب وارد بتن شده و آن را تخریب می کنند.

کاهش مقاومت بتن بر اثر افزایش آب