بتن پرمقاومت  (  HSC )

ابتدا باید بدانیم به چه بتنی بتن پرمقاومت گویند؟

بتنی که با سنگدانه های رایج و معمول ساخته شود و مقاومت آن بیشتر از ۴۰ مگاپاسکال باشد بتن پرمقاومت نامیده می­شود. طبیعی است به دلیل استفاده از مصالح معمول در این بتن، تفاوت ساختاری این بتن با بتن معمولی در نسبت استفاده ی از مصالح مختلف و همچنین استفاده از روان کننده ها و پر کننده ها خواهد بود.

در دهه ۶۰ میلادی با توسعه ی بلند مرتبه سازی در کشور های پیشرفته، نیاز به کاهش ابعاد مقطع و افزایش سرعت ساخت در ساختمانهای بتنی بیش از پیش مورد توجه قرار گرفت. در همان سالها بود که توانستند با کاهش نسبت آب به سیمان، استفاده از سنگدانه های با مقاومت بالا و استفاده از بتن با عیار بالای سیمان به مقاومت های خوبی دست پیدا کنند. به مرور با کشف روان کننده های خاص بتن، تحولی عظیم در بحث تولید بتن پرمقاومت مخصوصا در دهه ۷۰ میلادی به وجود آمد.

پارامتر های افزایش مقاومت عبارتند از:

1. مهمترین عامل در تعیین مقاومت این نوع بتن تخلخل است. با فرض کارایی مناسب برای بتن نسبت آب به سیمان تعیین کننده ی درصد تخلخل خمیر سیمان و ناحیه انتقال خواهد بود. با نسبت آب به سیمان حدود ۰٫۴ می­توان تا حدودی به مقاومت های ۴۰ مگاپاسکال رسید.
2. افزایش درجه هیدراسیون توسط عمل آوری خوب است.
3. افزایش کنترل شده عیار سیمان
4. تغییر ساختار میکروسکوپی با استفاده از مواد پوزولانی : اولا این مواد نقش پرکنندگی و افزایش تراکم را دارا می باشند و همچنین به دلیل کندی واکنش در آنها باعث کاهش حرارت هیدراسیون و به تبع آن ترک خوردگی حرارتی می­شوند.

مشکلات احتمالی در تولید و استفاده بتن پرمقاومت

بدلیل کاهش نسبت آب به سیمان کارایی بتن کم می شود. اضافه کردن آب برای افزایش کارایی همیشه اشتباه است. اما این عمل در بتن پرمقاومت تاثیر بدتری می گذارد. راهکار کلی اینست که همیشه ، حین کار برای اضافه کردن کارایی، روان کننده در اختیار داشته باشیم.

مصرف سیمان با عیار بالا مخصوصا در عدم استفاده از پوزولان ها مسئله ی حرارت زایی را مهم تر می­کند. راه حل مناسب، کم کردن دمای مواد اولیه و جلوگیری از حرارت زایی بتن پرمقاومت است.

بر اساس عملکرد بتن پرمقاومت، توجه به چگونگی واکنش ها در آن و همچنین با کاهش نسبت آب به سیمان، متوجه می شویم اوج حساسیت در این بتن وابسته به عمل آوری است.

همانطور که می دانید کلید عمل آوری، حفظ رطوبت بتن می­ باشد. عمل آوری باید خیلی سریع بعد از بتن ریزی و تسطیح آن انجام شود. توجه شود که منظور از عمل آوری ، عمل آوری مرطوب است و استفاده از مواد عمل آورنده ( مواد عمل آورنده یا Curing compounds بر روی سطح بتن، غشایی ایجاد می­کند تا از تبخیر آب جلوگیری شود.) تاثیر کامل را نمی­ گذارد.

تفاوت های بتن پرمقاومت و بتن معمولی

1. مقاومت این بتن از بتن های معمولی بالاتر است. برای آزمایشات مقاومت فشاری، بدلیل محدودیت تجهیزات بجای نمونه های استوانه ای ۳۰*۱۵ از نمونه های ۲۰*۱۰ استفاده می شود.
2. اگر در یک نسبت آب به سیمان معین میزان حداکثر اندازه ی سنگدانه را کاهش دهیم به صورتی که ماکزیمم بعد سنگدانه تا ۱۹ میلی متر باشد، مقاومت افزایش پیدا می­کند. دلیل این موضوع آنست که ناحیه­ی انتقال حول سنگدانه ی بزرگ تر ضعیف تر از این ناحیه در اطراف سنگدانه­ ی کوچکتر می باشد.
3. همانطور که از روابط مقاومت مصالح می­دانید ضعیف ترین ناحیه در بتن که بسیاری از خواص بتن منوط به آن است ناحیه انتقال نام دارد. این ناحیه محدوده ی دور سنگدانه را تشکیل می دهد در واقع افزایش مقاومت در بتن مستلزم بهبود مقاومت این ناحیه می باشد. ترک خوردگی ریز در ناحیه انتقال بتن پرمقاومت، کمتر از بتن معمولی است پس کرنش جانبی هم کمتر می­شود. در نمودار زیر رابطه تنش فشاری و کرنش محوری و جانبی را مشاهده می کنید.
4. یکی از خواص قابل تامل در بتن پرمقاومت ظرفیت بتن برای کسب مقاومت سریع و کوتاه مدت( در حدود ۲۴ ساعت) تا ۲۷ مگاپاسکال بدون احتیاج به عمل آوری سریع با بخار می باشد. البته با مصرف سیمان تیپ ۳ مقاومت اولیه بالاتر هم می­رود. با توجه به این نمودار، مقاومت های نهایی بتن پر مقاومت  دیرتر حاصل می شود.

تفاوت در روابط

1. تحت تنش رفتار بتن پرمقاومت با بتن معمولی فرق دارد این بدان دلیل است که ناحیه انتقال دارای ترک کمتری است.
2. همانطور که در آیین نامه ها آمده در بتن معمولی به میزان ۰٫۴-۰٫۳ مقاومت حالت نهایی، منحنی تنش – کرنش بتن خطی است این بدان معنی است که بتن در این ناحیه دارای خاصیت الاستیک می­باشد اما این نسبت برای بتن پرمقاومت ۰٫۷-۰٫۶ خواهد بود.
3. علیرغم مقاومت بیشتر و ناحیه ی الاستیک بزرگتر بتن پرمقاومت، این بتن از بتن معمولی به اصطلاح مهندسی ترد تر است؛ به عبارت دیگر تغییر شکل نهایی این بتن در محدوده ی تنش های گسیختگی کمتر از بتن معمولی بوده و این بتن بعد از تغییر شکل کمی به سرعت می شکند. همانطور که در این نمودار مشاهده می کنید با افزایش مقاومت بتن( محور عمودی)، تغییر شکل نهایی بتن( محور افقی) کاهش می یابد.
4. در تنش های قبل از تنش شکست، ترک­های به وجود آمده در بتن بدون نیاز به بالا بردن سطح تنش، گسترش می­ یابند؛ به این پدیده خود انتشاری گفته می شود لازم بذکر است به خاطر همین پدیده است که تنش های طولانی مدتی که از تنش نهایی هم کمترند موجب گسیختگی بتن خواهند شد. تفاوت دیگر بتن پرمقاومت با بتن معمولی امکان بارگذاری تا تسبت های بزرگتری از تنش بدون خود انتشاری در بتن می باشد.
5. درصد مقاومت دراز مدت نسبت به مقاومت کوتا مدت بیشتر

رفتار بتن تا شکست

اگر نسبت تنش وارد به بتن به تنش نهایی بتن، ۰٫۴-۰٫۳ باشد، رفتار بتن خطی و الاستیک خواهد بود. رفتار غیر الاستیک و غیر خطی زمانی ایجاد می­شود که تنش ها بیش از ۵۰% تنش نهایی باشد که این حالت موجب وقوع ترک جدید در خمیرسیمان می شود.

رشد پایدار ترک : قبل از ۷۵% تنش نهایی، ترک در مدت زمان مشخص به حداکثر طول خود می­رسد و بعد متوقف می­شود. در تنش های بیش از ۷۵%  تنش نهایی، ترک ها به صورت ناپایدار رشد پیدا می کنند؛ در واقع خود انتشاری به رشد ترک ها کمک می­کند. در مورد بتن پرمقاومت یا HSC این عدد حدود ۹۰% است.

بطور خلاصه مقاومت نهایی بتن تابع مدت زمان بارگذاری است. در تمام موضوعات گفته شده، شرایط ناحیه انتقال در تعیین مقاومت حرف اول را می­زند.

روابط مدول الاستیسیته

از روابط پیشنهادی در رابطه با مدول الاستیسیته، نمی­ شود برای بتن پرمقاومت استفاده کرد. به عبارت ساده تر اگر از روابط تخمین مدول الاستیسیته برای بتن معمولی در بتن پرمقاومت هم استفاده شود، مقادیر بدست آمده از واقعیت کمتر خواهد بود. در رابطه­ ی مدول الاستیسیته مربوط به بتن پرمقاومت، حتی عدد توان هم تغییر خواهد کرد و این مقدار بین ۰٫۵ -۰٫۳ خواهد بود. به نمودار توجه فرمایید :

بدلیل طرح اختلاط بسیار متنوع این نوع بتن و نوع سنگدانه و طرز عمل آوری آن نمی توان رابطه ای بین مقاومت و مدول الاستیسیته ارائه کرد چون این مقدار به پارامتر های مذکورخیلی وابسته است. البته نکته ی اشتراک در این روابط، توان کمتر از ۱ و همچنین تقعر منفی منحنی مدول الاستیسیته و مقاومت است.

مطالب گفته شده در مورد مقاومت کششی هم برقرار است.

خصوصیات بتن پرمقاومت

بتن های پر مقاومت به دلیل عیار سیمان بالا در معرض ترک حرارتی هستند مثلا براساس ACI 363 به ازای هر ۱۰۰ کیلو عیار سیمان حدود ۱۰ تا ۱۴ درجه حرارت بالا می رود.افزایش دما برخواص مکانیکی و بر دوام تاثیر دارد.

در حالت کلی رفتار بتن پرمقاومت به مصالح همگن بیشتر از مصالح معمولی شبیه است در واقع اگر منحنی تنش-کرنش بتن پرمقاومت را رسم کنیم این منحنی شیب بیشتری نسبت به بتن معمولی دارد.

درست است که به دلیل افزایش سرعت واکنش­ها، عمل آوری حرارتی انجام می­شود اما دوام و مقاومت  در اثر اعمال حرارت کاهش می­یابد. این کاهش به دلیل نامنظم تر شدن ساختار کریستالی بتن است.

تفاوت دیگر بتن پرمقاومت با بتن معمولی در روند کسب مقاومت است . بدلیل عیار بالاتر سیمان و حرارت بیشتر ایجاد شده این حرارت به مانند عمل آوری حرارتی در کسب مقاومت تسریع ایجاد می­کند . مزید بر علت کم بودن نسبت آب به سیمان و تخلخل کمتر است. کسب مقاومت در بتن پر مقاومت در سنین اولیه بیشتر از بتن معمولی است اما در سنین نهایی چندان تفاوتی ندارد یا حتی کمتر از معمولی است. ( مقاومت ۹۵ روزه تقریبا مقاومت نهایی است اگر دائما مرطوب باشد. )

به عنوان نتیجه گیری در مقالات بعدی خواهیم گفت گرچه در گذشته افزایش مقاومت بسیار مطرح بود اما در حال حاضر تمرکز موضوعات بیشتر بر بحث دوام بتن است. بتن با دوام از مقاومت خوبی نیز برخوردار است اما بتن پرمقاومت لزوما با دوام نیست.

خزش

ابتدا تعریف مختصری از خزش داشته باشیم : به تغییر شکل یک جسم زیر فشار در گذر زمان خزش گویند . خزش بتن به نسبت آب به سیمان، عیار سیمان، جنس سنگدانه و…. وابسته است.

در آیین نامه های مختلف محاسبه­ ی ضریب خزش، راهکارهای مختلفی دارد مثلا در ACI برای تعیین ضریب خزش چندین پارامتر تاثیر دارند یا در آیین نامه­ ی BS برای تشخیص،نمودار ارائه شده است و بقیه آیین نامه ها نیز به همین ترتیب روابط مربوط به خود را ارائه کرده اند.

در نمودار زیر هرچه روبه پایین می رویم مقاومت فشاری بیشتر می شود و خزش کمتر.

توجه شود که SEAL و ONSEAL  مربوط به اجازه و عدم اجازه­ی انتقال رطوبت در شرایط محیطی است.

در مقایسه­ ی بتن پرمقاومت با بتن معمولی به دلیل کاهش نسبت آب به سیمان، بالارفتن عیارسیمان و تاثیر پارامترهای دیگر، ضریب خزش نسبت به بتن معمولی کاهش می­ یابد.

به علت افزایش تنش وارده در بتن پرمقاومت و همچنین کاهش ضریب خزش متوجه می شویم در نهایت مقدار عددی خزش چندان تفاوتی نمی کند. در واقع برای محاسبه ی مقدار خزش باید ضریب خزش را در تنش وارده ضرب نمود.

دوام

در بتن پرمقاومت دوام، هدف اصلی نیست اما راهکارهایی که برای افزایش مقاومت بتن درنظر گرفته می­شود، به بهبود دوام هم کمک می­کند. مثلا این روش ها برای کاهش تخلخل و نفوذپذیری مناسب است؛ با این وجود، بتن پرمقاومت در تمام شرایط محیطی لزوما با دوام نیست و برای تامین دوام مورد نظر باید تغییرات بیشتری را در بتن ایجاد کرد.

به عنوان نمونه در بحث یخ زدن و آب شدن نظریات مختلفی وجود دارد؛ گروهی از محققین با بیان اینکه در بتن پرمقاومت نسبت آب به سیمان کاهش یافته و مقدار آب محدودی در بتن وجود دارد، همچنین مقاومت داخلی بتن در برابر تنش های وارده افزایش یافته اذعان داشتند در بتن پر مقاومت نیازی به هوازایی نیست. گروهی دیگر از محققین با عنایت به موضوع کاهش مقاومت در اثر هوازایی، بر افزودن مواد حباب زا در مناطق سرد اتفاق نظر دارند. دلیل عنوان شده در این نظریه اینست که میزان حفرات موجود در بتن پرمقاومت بسیار کم بوده و در صورت یخ زدگی داخلی، مقدار هوا برای جبران افزایش حجم آب وجود ندارد، در نتیجه بتن در اثر یخ زدگی سریع تر ترک می­خورد.

به طور خلاصه اگر احتمال یخ زدگی در بتن وجود داشته باشد، بتن پرمقاومت به دلیل عدم وجود فضای خالی کافی در معرض تخریب بیشتری نسبت به بتن معمولی است. باید گفت در حال حاضر  بتن های هوازایی شده با مقاومت حدود ۹۰ مگا پاسکال ساخته شده اند پس طبیعتاً در شرایط سردسیری، افزودن این مواد محتاطانه تر خواهد بود.

مقاومت سایشی

اگر چه مشخصه های مختلفی همچون جنس و نوع سنگدانه، مقاومت سطحی، میزان آب انداختگی، عمل آوری و …. بر مقاومت سایشی بتن تاثیر دارد اما متن آیین نامه ی  ACI  اینست که اگر بتن در معرض سایش قرار دارد حداقل مقاومت ۴۱ مگاپاسکال داشته باشد. باتوجه به نمودار زیر و توضیحات داده شده متوجه می­شویم هرچه مقاومت فشاری بالاتر باشد مقاومت سایشی هم بالاتر خواهد بود.

لازم بذکر است مفهوم DEPTH OF WEAR به معنای عمق خراشی است که توسط آزمایش مقاومت سایشی بر روی نمونه ایجاد شده است.

در تصویر زیر نمونه ای از سازه های اجرا شده با بتن پرمقاومت را مشاهده می فرمایید. این برج ۷۰ طبقه در سال ۱۹۸۹ در شیکاگو ساخته شده است که در آن زمان بلندترین ساختمان جهان به حساب می آمد.

محمد طاهری فرد ۹۷/۱۲/۲۳